JP6880555B2

JP6880555B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6880555B2
Application number: JP2016045720A
Authority: JP
Inventors: 育孝讃岐; 横山　尚伸; 尚伸横山; 邦幸高橋; 延章大栗
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: JP2017162655A

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

発電した電力を系統側の負荷に供給するようにした燃料電池システムには、電力系統の停電を検知すると、系統側負荷への出力を遮断するものがある。系統側負荷への出力を遮断した状態においては、本来燃料電池システムで発電を行う必要はない。しかしながら、発電を停止した場合には、復電時に需用電力まで電力を増大させるのに多大な時間がかかる。このため、この種の燃料電池システムでは、系統電源を切り離した後も待機運転で発電を継続するのが一般的である。待機運転では、定格最大電力より小さく、補機の駆動に必要なアイドリング電力より大きい出力で発電を行うようにしている。この間、補機の駆動に必要なアイドリング電力以外の余剰電力は、余剰電力ヒータで消費していた（たとえば特許文献１参照）。

特開２０１５−１８６４０８号公報

しかし、このような燃料電池システムを構築する場合には、余剰電力ヒータを新たに設けなければならないため、開発コストが高くなる、システムが大型化する等の問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、システムが大型化することなく、系統側負荷への出力を遮断した状態で発電を継続する場合に余剰電力を処理することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックは、燃料が供給される燃料極を有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる加熱器を有し、前記燃料電池スタックの起動時に前記水蒸気を前記燃料供給系に供給する気化器と、を備え、前記燃料電池スタックで発電した電力を系統側負荷に供給する燃料電池システムであって、前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、該発電した電力を前記加熱器に供給する制御部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、少なくとも前記燃料電池スタックから前記加熱器に電力が供給される場合に、前記水蒸気又は該水蒸気の熱を回収する水蒸気回収装置を備えると良い。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックは、燃料が供給される燃料極を有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる加熱器を有し、前記燃料電池スタックの起動時に前記水蒸気を前記燃料供給系に供給する気化器と、を備え、前記燃料電池スタックで発電した電力を系統側負荷に供給する燃料電池システムであって、前記発電した電力の供給先を前記系統側負荷と前記加熱器との間で切り換える出力先切換部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、定格の発電量の３０％以上〜１００％未満の部分負荷運転を行うと良い。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池を用いていると良い。

これらの構成によれば、停電時等において系統側負荷への出力を遮断した状態で発電を継続させる場合に、新たな構成を設けることなく、即ち装置を大型化することなく、余剰電力を処理することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概要を示した概要図である。図２は、図１に示した燃料電池システムの制御部が実施する処理の内容を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の概要を示した概要図である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料供給装置２１と、脱硫器２２と、気化器２３と、循環ブロワ２４と、空気ブロワ２５と、空気加熱器２６と、排熱回収装置２７と、水蒸気回収装置２８と、出力先切換部３２と、制御部４０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、例えば円筒形の発電セルを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セルを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施形態の燃料電池スタック１０には、燃料極（アノード）１１と空気極（カソード）１２との間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いている。

燃料供給装置２１は、燃料供給ラインＬ１１，Ｌ１２及び脱硫器２２を介してアノード１１に都市ガス等の燃料ガスを供給する装置である。脱硫器２２は、供給される原燃料ガスを脱硫する装置である。本実施の形態では、燃料供給装置２１、燃料供給ラインＬ１１，Ｌ１２及び脱硫器２２が、燃料供給系６０を構成している。

気化器２３は、水供給源からバルブＶ３を介して送られてきた水を加熱器５１によって加熱し水蒸気を生成するものである。加熱器５１として、電気ヒータや誘導加熱器などの加熱手段を用いることができる。この気化器２３には、水蒸気供給ラインＬ２２を介して、バルブＶ１を有した水蒸気供給ラインＬ２４と、バルブＶ２を有した水蒸気供給ラインＬ２３とが接続されており、生成された水蒸気が燃料供給ラインＬ１２と、さらに水蒸気回収装置２８とに分岐供給される。水蒸気回収装置２８は、供給された水蒸気の熱を回収するものである。

循環ブロワ２４は、アノード１１から排気された燃料ガスを燃料排気ラインＬ３１，燃料排気ラインＬ３２，燃料供給ラインＬ１２を介して再びアノード１１に戻すものである。

空気ブロワ２５は、空気供給ラインＬ４１を介してカソード１２に接続され、空気をカソード１２に供給する。空気加熱器２６は、空気供給ラインＬ４１と並列に配設され、カソード１２に送る空気を加熱できるようになっている。

排熱回収装置２７は、空気排気ラインＬ５１を介してカソード１２と接続しており、カソード１２から排気された排気空気から熱を回収し、排気を行う。排熱回収装置２７は、燃料排気ラインＬ３３を介してアノード１１と接続され、アノード１１から排気された燃料ガスからも熱の回収を行う。

出力先切換部３２は、与えられた制御信号に基づいて、燃料電池スタック１０で発電した電力の供給先を、気化器２３（加熱器５１）と電力系統４１（系統側負荷４２）との間で切り換える切り換えスイッチである。電力系統４１には、電力系統４１における系統側負荷４２への送電状態、つまり送電中であるか停電中であるかを検出し、その検出結果を制御部４０に通知する送電状態検出部３３が設けられている。

制御部４０は、送電状態検出部３３からの検出信号に基づいて、上述した出力先切換部３２、燃料供給装置２１、循環ブロワ２４、気化器２３、バルブＶ１〜Ｖ３、水蒸気回収装置２８、空気加熱器２６、空気ブロワ２５の駆動を制御するものである。制御部４０は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等の処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現しても良いし、ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現しても良いし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現しても良い。

以下、図２のフローチャートを参照しつつ、制御部４０が実施する制御の内容について説明する。

制御部４０は、燃料電池システム１が起動されると起動運転を行う（ステップＳ２０１）。起動運転は、燃料電池システム１の起動時から燃料電池システム１の発電電力が所定の電力まで上がる間にのみ行う運転である。制御部４０は、燃料電池システム１の起動時における所定期間、バルブＶ１を閉、バルブＶ２，Ｖ３を開とするとともに、気化器２３を動作させ、燃料供給ラインＬ１２に水蒸気を供給する。燃料供給ラインＬ１２もしくはアノード１１上では、脱硫されたガスと水蒸気による水蒸気改質反応が進行し、水素を含む改質燃料が生成される。

起動から所定期間が経過した後においては、アノード１１において水蒸気が生成されるので、気化器２３から水蒸気を導入する必要がなくなる。従って、制御部４０は、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を閉とするとともに、気化器２３を停止させる。

制御部４０は、燃料電池システム１起動時の所定期間、空気加熱器２６を作動させる。空気ブロワ２５から導入される空気は、燃料電池システム１起動時の所定期間において、空気供給ラインＬ４１，Ｌ４２を介して空気加熱器２６に導入され、加熱される。加熱された空気は、空気供給ラインＬ４３，Ｌ４１を介してカソード１２に供給される。

燃料電池システム１起動時の所定期間を過ぎたら、制御部４０は、空気加熱器２６を停止させる。従って、空気ブロワ２５から導入される空気は、加熱されずに空気供給ラインＬ４１を介してカソード１２に供給される。

このように、燃料電池スタック１０は、燃料極１１に燃料ガス（水素を含む）が供給され、空気極１２に空気（酸素）が供給されることで、水素と酸素との電気化学反応により、発電する。

制御部４０は、所定の発電電力になったら、起動運転を終了し、連系運転を行う（ステップＳ２０２）。連系運転は、系統電源と連系し、系統側負荷４２に電力を供給する運転である。つまり、連係運転において制御部４０は、燃料電池システム１の発電量を需用電力に応じて制御する。発電量の制御は、例えば、空気ブロワ２５による空気供給量及び燃料供給装置２１による原燃料供給量を制御するとともに、再循環ブロワによる排気された燃料ガスの戻り量の制御も行う。

制御部４０は、連系運転中、送電状態検出部３３の動作に基づいて、停電が起きたかどうか監視している（ステップＳ２０３）。制御部４０は、停電が起きていない場合（ステップＳ２０３，Ｎｏ）、連系運転を継続する（ステップＳ２０２）。制御部４０は、停電を検出したら（ステップＳ２０３，Ｙｅｓ）、出力先切換部３２に出力先を切り換える信号を送り、燃料電池スタック１０の接続先を系統側負荷４２から気化器２３（加熱器５１）に切り換え、待機運転を行う（ステップＳ２０４，Ｓ２０５）。待機運転は、停電時等の電力系統４１と解列し、電力の供給先を気化器２３とした運転である。

制御部４０は、バルブＶ３を開とするとともに、気化器２３、水蒸気回収装置２８を作動させる。制御部４０は、バルブＶ１を開、バルブＶ２は閉とし、気化器２３で発生する水蒸気が水蒸気回収装置２８に導入されるようにする。従って、気化器２３で発生する水蒸気は、燃料電池スタック１０における発電に影響を与えない。

制御部４０は、燃料電池システム１の定格の発電量の３０％以上〜１００％未満の部分負荷運転を行う。制御部４０は、定格の３０％〜５０％の発電量の運転において、気化器２３からの水蒸気の供給はしないが、空気加熱器２６による空気の加熱は行う。制御部４０は、定格の５０％〜１００％未満の発電量の運転において、気化器２３からの水蒸気の供給及び、空気加熱器２６による空気の加熱は行わない。

制御部４０は、停電が解消され、復電したかどうかを送電状態検出部３３の動作に基づいて監視している（ステップＳ２０６）。制御部４０は、復電されていない場合（ステップＳ２０６，Ｎｏ）、待機運転を継続する（ステップＳ２０５）。制御部４０は、復電を検出したら（ステップＳ２０６，Ｙｅｓ）、出力先切換部３２に出力先を切り換える信号を送り、燃料電池スタック１０の接続先を気化器２３から系統側負荷４２に切り換える（ステップＳ２０７）。燃料電池スタック１０と気化器２３との接続は遮断され、燃料電池スタック１０が発電した電力が系統側負荷４２に供給されるようになる。制御部４０は、バルブＶ３を閉とするとともに、気化器２３、水蒸気回収装置２８を停止させる。制御部４０は、バルブＶ１、バルブＶ２を閉とする。その後、制御部４０は、連系運転を行う（ステップＳ２０２）。以降、繰り返しである。

このように、燃料電池システム１は、停電時等の電力系統４１解列時も高温での発電を継続するので、復電時等に連系運転に復帰した場合に短時間で所定の電力を供給することができる。また、停電時等の電力系統４１解列時に発電した電力は、気化器２３において消費されるので、新たに電力を消費する装置を設けることなく、即ち、システムを大型化することなく、電力系統４１解列時の余剰電力を消費することができる。また、気化器２３で発生する水蒸気は、水蒸気回収装置２８にて回収され、燃料電池スタック１０における発電に影響を与えないので、安定して発電を行うことができる。気化器２３で発生する水蒸気は、水蒸気回収装置２８にて熱を回収できるので、燃料電池システム１が適用される業務施設等の施設全体の省エネに貢献できる。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば、本実施の形態においては、アノード１１上もしくは燃料供給ラインＬ１２上で水蒸気改質反応を進行させて燃料を改質させているが、別に改質器を設けても良い。本実施の形態においては、出力先切換部３２は、１つの切換スイッチであるが、これに限られず、電力系統４１解列用のオンオフスイッチと、燃料電池スタック１０と気化器２３を接続するためのオンオフスイッチの２つのスイッチを組み合わせたものでもよい。

本実施の形態においては、水蒸気回収装置２８は、排熱を回収するものであるが、蒸気タービン等の送られてきた蒸気を利用するものであってもよい。水蒸気回収装置２８は、送られてきた水蒸気をそのまま排気するものであってもよい。本実施の形態においては、水蒸気回収装置２８は、排熱回収装置２７と別に設けられたが、水蒸気を排熱回収装置２７に送るようにしてもよい。

本実施形態においては、待機運転では、部分負荷運転を行ったが、定格の１００％の運転を行っても良い。本実施の形態においては、停電の場合を説明したが、本実施の形態は系統側負荷４２点検時等において系統側負荷４２との接続を遮断する場合にも適用できる。即ち、系統側負荷４２点検時等において燃料電池スタック１０の発電する電力の供給先を気化器２３とする待機運転を行ってもよい。この時、制御部４０は、外部から出力先切換信号が入力された場合にも、出力先を切り換える制御を行う。

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
１１燃料極（アノード）
１２空気極（カソード）
２１燃料供給装置
２２脱硫器
２３気化器
２４循環ブロワ
２５空気ブロワ
２６空気加熱器
２７排熱回収装置
２８水蒸気回収装置
３２出力先切換部
３３送電状態検出部
４０制御部
４１電力系統
４２系統側負荷
５１加熱器
６０燃料供給系
Ｌ１１，Ｌ１２燃料供給ライン
Ｌ２２〜Ｌ２４水蒸気供給ライン
Ｌ３１〜Ｌ３３燃料排気ライン
Ｌ４１〜Ｌ４３空気供給ライン
Ｌ５１空気排気ライン
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３バルブ

Claims

燃料が供給される燃料極を有し、電力を発生させる燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、
水を加熱することによって水蒸気を発生させる加熱器を有し、前記燃料電池スタックの起動時に前記水蒸気を前記燃料供給系に供給する気化器と、を備え、
前記電力を系統側負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記系統側負荷との接続を遮断した状態で発電を継続する場合に、前記系統側負荷と前記燃料電池スタックとの接続を遮断した後から、前記系統側負荷と前記燃料電池スタックとを再接続するまでの間に、前記電力を前記加熱器に供給して前記燃料電池スタックを継続運転させる制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記水蒸気又は該水蒸気の熱を回収する水蒸気回収装置を更に備え、前記系統側負荷との接続を遮断した場合に、前記加熱器から前記水蒸気回収装置に前記水蒸気を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記電力の供給先を前記系統側負荷と前記加熱器との間で切り換える出力先切換部と、
前記気化器で発生した前記水蒸気の供給先を前記燃料供給系と前記水蒸気回収装置との間で切り換え可能なバルブと、
を備え、
前記制御部は、前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、前記出力先切換部を制御して前記電力を前記加熱器に供給させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、定格の発電量の３０％以上〜１００％未満の部分負荷運転を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池を用いていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。