JPWO2007052633A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】給湯負荷への安定供給を行うことのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】固体電解質形燃料電池３１と、該固体電解質形燃料電池３１からの排ガスと水を熱交換する熱交換器４０と、水を貯える貯湯タンク４２と、該貯湯タンク４２と熱交換器４０との間で水を循環させる循環配管４３ａ、４３ｂと、該循環配管４３ａ、４３ｂに設けられた循環ポンプ４１とを備えた燃料電池システムにおいて、使用する貯湯量に応じて固体電解質形燃料電池３１の発電中の燃料利用率を制御する制御装置３９を具備することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池を用いる燃料電池システムに関し、更に詳しくは、燃料利用率の可変制御を行う燃料電池システムに関する。
従来の高分子電解質形の燃料電池システムの制御について説明する。図３は、従来の高分子電解質形の燃料電池システムを示す図である。図３に示すように、燃料電池システムの運転時には、燃料処理装置１４は天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素を主成分とするガスを生成し、水素側加湿器１１で加湿して燃料電池１に供給する。また、空気供給装置３により、酸化剤ガスは酸化側加湿器１３で加湿され、燃料電池１に供給される。燃料電池１には、発電した直流電力を交流電力に変換し、電力系統７と接続するパワーコンディショナ６が接続され、また、電力負荷８が接続されている。
一方、燃料電池１の発電により生じた熱は、冷却配管１９内を流れる冷却水に回収される。冷却水は冷却水循環ポンプ１６により循環し、冷却水に回収された熱は、熱交換器１５を介してポンプ１７により排熱回収配管２０内を循環する水に移動し、貯湯タンク１２にお湯が貯えられる。（例えば、特許文献１参照）
特開２００２−４２８４１号公報
高分子電解質形の燃料電池の特徴として、発電効率よりも排熱回収効率の方が高いことが挙げられ、通常の運転においても貯湯タンクが完全に沸きあがって満水となる状況が容易に発生する。この際、排熱回収効率が高いことから、システム効率を鑑み、発電運転を停止させるという状況が起こってしまう。
また、もう一つの特徴として、主な燃料である都市ガスを改質して、水素と一酸化炭素を生成し、生成した一酸化炭素を除去するが、この一酸化炭素を除去するのに時間を要してしまうという問題がある。その為、発電量や温度変化に追従して、迅速に燃料を変化させることができず、燃料利用率の制御が極めて緩やかになる。
上述のような欠点を克服するために、高分子電解質形燃料電池システムでは、排熱回収システムが開発されているが、固体電解質形燃料電池システムでは、排熱回収システムについては提案されたものはなく、また、電解質が固体電解質タイプという異なるものであるため、高分子電解質形燃料電池システムの排熱回収に関連した制御を固体電解質形燃料電池システムにそのまま適用することはできない。
固体電解質形燃料電池の特徴として、発電効率の方が排熱回収効率よりも高いという特徴がある。電力負荷への電力の供給という面から見ると、高分子電解質形燃料電池より優位性があるが、給湯負荷へのお湯の安定供給という面からみると、供給できる絶対量が少ないという問題がある。
上記問題点に鑑み、本発明は、給湯負荷への安定供給を行うことのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する。
本発明の燃料電池システムは、固体電解質形燃料電池と、
該固体電解質形燃料電池からの排ガスと水とを熱交換する熱交換器と、
水を貯える貯湯タンクと、
該貯湯タンクと前記熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、
該循環配管に設けられた循環ポンプとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記貯湯タンク内のお湯の使用量に応じて前記固体電解質形燃料電池の発電中の燃料利用率を制御する制御装置を具備することを特徴とする。
また、固体電解質形燃料電池と、
該固体電解質形燃料電池からの排ガスと水とを熱交換する熱交換器と、
水を貯える貯湯タンクと、
該貯湯タンクと前記熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、
該循環配管に設けられた循環ポンプとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記貯湯タンク内のお湯の割合又はお湯温度に応じて前記固体電解質形燃料電池の発電中の燃料利用率を制御する制御装置を具備することを特徴とする。
ユーザーのニーズによる給湯量に応じて供給する燃料ガスの量をコントロールして、燃料電池の燃料利用率を変化させる制御装置を有している。例えば、より多くの給湯量を望む場合、貯湯タンク内のお湯の割合が少ない場合等、電力負荷の高低に拘わらず、燃料利用率を低下させることで、燃料電池が発生する排ガスのエネルギー量を増加させ、熱交換器によるお湯生成量を増加させて、結果として貯湯量（貯湯タンク内のお湯の割合）を増加させ、もしくは貯湯タンク内の貯湯温度を上げ、これにより、給湯量を増加させ、お湯を給湯負荷へ安定して供給することができる。
尚、燃料利用率とは、燃料電池に投入した燃料ガス量に対する実際に電気化学反応（発電反応）に寄与した燃料ガス量の割合を意味し、燃料利用率を低下させるとは、燃料電池に投入する燃料ガスの供給量を増加させることにより達成できる。
また、前記制御装置は、前記固体電解質形燃料電池の動作温度が低下したときに、前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行うことを特徴とする。
従来、発電量が減少して、燃料電池の動作温度が低下した状態が続くことにより排熱回収できる熱量が減少し、給湯負荷へのお湯供給量もより低下してしまう。それと同時に、燃料電池の動作温度が低下した状態になると、燃料電池の発電効率が低下して電力負荷へ供給可能な最大電力量が定格よりも低下してしまう。そして、その後、電力負荷へ供給可能な燃料電池による最大電力量が定格となり、発電効率が高くなる温度まで再び燃料電池の動作温度を上昇させる為に時間がかかってしまい、負荷による急激な要求電力に対応できないという問題もあったが、本発明では、燃料電池の動作温度が低下したときに、燃料電池に供給する燃料ガスの量を増加させて燃焼させ、燃料利用率を低下させることにより、排ガス温度を上昇させ、熱交換器による排ガスと水との熱交換を活発化し、お湯生成量を増加させ、貯湯タンク内のお湯割合を増加させ、又、貯湯タンク内の水温度を短時間で上げることができるとともに、燃料電池の動作温度の低下を軽減させることができ、燃料電池が電力負荷へ最大電力を供給できる温度まで短時間で移行でき、要求電力に対する電力供給を迅速に行うことができる。
また、前記制御装置は、前記固体電解質形燃料電池の発電量が低下したときに、前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行うことを特徴とする。
燃料電池の発電量が低下したときに、燃料電池に供給する燃料ガスの量を増加させて、燃料利用率を低下させることにより、燃料電池の動作温度の低下を軽減させ、要求電力に対する電力供給を迅速に行うことができる。この際も排熱量が増大するため、お湯生成量を増加させ、貯湯量を増大させることができる。
また、前記制御装置は、夜間に前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行うことを特徴とする。
夜間においては、通常家庭内負荷が最低使用量となることが多く、燃料電池の動作温度が低下してしまうこととなる。このときに、燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行うことで、燃料電池の動作温度低下を防止することが可能となり、要求電力に対する電力供給を迅速に行うことができ、また、お湯生成量を増加させることができる。
さらに、利用者の選択により、強制的に前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させるスイッチを有することを特徴とする。このような燃料電池システムでは、より多くの給湯量を望む場合に、燃料電池利用者が随時スイッチを押すことにより、発電に優先してお湯生成量を増加させることができる。
本発明の燃料電池システムでは、１ｋＷ以下、さらには７５０Ｗ以下の発電を行う家庭用燃料電池を好適に用いることができる。
本発明により、ユーザーのお湯使用量に応じて、又は貯湯タンク内のお湯の割合、お湯温度に応じて、燃料利用率を制御し、水との熱交換を行う排ガス温度を制御して、給湯負荷への安定供給を行うことのできる燃料電池システムを提供することが可能となる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明はこの発明の最良の形態の例であって、いわゆる当業者は特許請求の範囲内で、変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、以下の説明が特許請求の範囲を限定するものではない。
図１は、本発明の燃料電池システムを示す図である。図１に示すように、本発明の固体電解質形の燃料電池システムは、固体電解質形燃料電池３１、都市ガス、天然ガスなどを燃料電池３１に供給する燃料供給装置３２、および酸化剤の空気を燃料電池３１に供給するための空気供給装置３３、水を供給する水供給装置３４、燃料電池３１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置３５を有している。また、燃料供給装置３２、空気供給装置３３、水供給装置３４、燃料加湿装置３５は制御装置３９により流量及び動作の制御が行われる。
燃料電池３１には発電した直流電力を交流電力に変換し、電力系統３７と接続するパワーコンディショナ３６が接続され、また、電力負荷３８が接続されている。
また、燃料電池３１には、発電により生じる排熱を回収する熱交換器４０が接続され、さらに熱交換器４０には、貯湯タンク４２内の水を循環するための循環配管４３ａ、４３ｂが接続され、循環配管４３ａ、４３ｂ内の水を熱交換器４０に供給する循環ポンプ４１が設けられている。貯湯タンク４２内の水は、循環ポンプ４１により底部から循環配管４３ａを介して熱交換器４０に供給され、該熱交換器４０を通して温められ、循環配管４３ｂを介して貯湯タンク４２の上部に戻される。貯湯タンク４２内はお湯と水に分離され、成層が形成されている。
燃料電池３１は、電力系統３７への逆潮流を行わない場合、即ち、燃料電池３１で発電された電力を商用電力系統に供給しない場合は、電力負荷３８の消費電力に連動して発電電力が決定される。燃料電池３１へ供給される燃料ガスの量は、燃料電池３１の出力電流と燃料利用率から制御装置３９にて演算され、燃料供給装置３２を制御する。燃料電池３１の発電により発生した排気ガスが熱交換器４０を通過することによって循環水を温め、貯湯タンク４２にお湯を貯えて使用することができる。
燃料電池３１の燃料利用率は、通常、発電効率を高めるために、できるだけ高く設定される。即ち、所定の出力電流を得るために、できるだけ少なく燃料ガスを消費することが、燃料利用率を上げることになる。
しかし、固体電解質形の燃料電池３１では、高分子電解質形の燃料電池１と比較して、発電効率の方が排熱回収効率よりも高いという特徴があるため、高分子形燃料電池と同様の運転を行うと、貯湯量が少なくなることから、お湯の使用をメインとする燃料電池の使用方法においては不都合が生じる場合がある。そのため、本発明の燃料電池システムでは、給湯負荷となるお湯の使用量が多くなった場合や、貯湯タンク内のお湯割合が少なくなった場合、貯湯タンク内のお湯温度が低くなった場合に、燃料利用率の設定を低下させることができることを特徴としている。これは、燃料利用率を低下させると発電効率が低下するが、その分排熱エネルギーが増大するため、熱交換器４０から回収される水の温度を高くでき、貯湯タンク内の貯湯量が増え、又はお湯温度を高くできるからである。例えば、より多くの給湯量を必要とする場合は、燃料利用率を低下させることで、燃料電池が発生する排ガスのエネルギー量を増加させることができ、結果として熱交換器によるお湯生成量を増加させ、又は貯湯タンク内のお湯温度を高くでき、貯湯タンク内のお湯量を増加させ、貯湯量を増やして、給湯量を増やすことができるためである。このように、発電効率を低下させても、その排熱エネルギーを貯湯に振り向けることができ、燃料電池システムとして効率のよい運転をすることができる。
また、固体電解質形の燃料電池３１は、高分子電解質形の燃料電池と比較して動作温度が高く、燃料電池３１自身の動作温度を高く保ち続ける必要があり、そのための熱エネルギーを必要とする。従って、燃料利用率を低下させることで、燃料電池３１自身の動作温度を高く保つ効果も併せて得ることができ、排熱エネルギーを利用して、効率よく動作温度を高く保ち続けることができ、負荷からの大きな要求電力に対しても迅速に応答して電力を負荷に供給できる。
また、制御装置３９は、燃料電池３１の動作温度が低下した時に、燃料電池３１に供給する燃料ガスの量を増加させて、燃料利用率を低下させる制御を行うことで、燃料電池３１の動作温度の低下を軽減し、お湯生成量を増加させ、貯湯量を増大させることが可能となる。燃料電池３１の動作温度が低下したときに、燃料電池３１に供給する燃料ガスの量を増加させて、燃料利用率を低下させることにより、燃料電池３１の動作温度の低下を軽減させることができ、燃料電池３１が電力負荷へ最大電力を供給できる温度まで短時間で移行させることが可能となり、負荷からの大きな要求電力に対しても迅速に応答して電力を負荷に供給できる。また、その際、燃料利用率を低下させない場合に比べて排熱量が増大する為、貯湯量を増大させることができる。
これは以下の原理による。通常、燃料電池３１の動作温度が低下すると、燃料利用率を一定で制御していた場合、熱エネルギーは、燃料電池３１自身の発熱エネルギーと残存燃料ガスの燃焼エネルギーのみとなる。このため、動作温度が低いと内部抵抗が上がり、電力を取り出すことができるエネルギーの最大量が低下することから、エネルギーの総量が上がらず、定格電力を取り出すことができるまでに時間がかかる。動作温度が低下している間、燃料電池３１の発電効率が低下し、また、排熱エネルギーが減少する。そうした状態のときに、燃料電池３１に供給する燃料ガスを増加させ、燃料利用率を低下させることで、残存燃料の燃焼エネルギーを増大させることにより、燃料電池３１が電力負荷へ最大電力を供給できる温度まで短時間で移行できることが可能となる。また、このときに、燃料利用率を低下させない場合に比べて排熱量が増大するため、貯湯量を増大させることができる。
尚、燃料電池３１の動作温度は、燃料電池３１近傍に温度センサを配置することにより、確認できる。また、燃料電池は固体電解質を空気極と燃料極で挟持して構成され、空気を空気極に、燃料ガスを燃料極に供給し、余剰の燃料ガスが燃焼し、排ガスを生じる。
また、燃料電池３１から出力される電力負荷が低下した時に、燃料電池３１に供給する燃料ガスの量を増加させて、燃料利用率を低下させる制御を制御装置３９に行わせることで、燃料電池３１の動作温度の低下を更に軽減し、貯湯量の増大をさせることが可能となる。これは、燃料電池３１からの電力負荷が低下すると、燃料電池３１は逆潮流を行わないため、電力負荷に合わせて発電電力を低下させるからである。燃料利用率一定の状態が続いた場合は、燃料電池３１の動作電圧が低下し、再度動作温度が上昇できるまで燃料電池３１の発電効率が低下するため、出力できる最大電力が低下してしまい、貯湯量が減少する。しかし、このときに、燃料利用率を低下させる制御を行うことでこれらの問題を改善することが可能となる。即ち、燃料電池３１の電力負荷が低下したときに、燃料電池３１に供給する燃料ガスの量を増加させて、燃料利用率を低下させることにより、燃料電池３１の動作温度の低下を軽減させることができる。この際も排熱量が増大するため、貯湯量を増大させることができる。
また、前記制御装置は、夜間に燃料電池３１の燃料利用率を低下させる制御を行うことを特徴とする。夜間においては、通常家庭内負荷が最低使用量となることが多く、燃料電池の動作温度が低下してしまうこととなる。このときに、燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行うことで、燃料電池の動作温度低下を防止でき、要求電力に対する電力供給を迅速に行うことができ、また、お湯生成量を増加させることができる。
さらに、利用者の選択により、強制的に燃料電池の燃料利用率を低下させるスイッチを有することにより、より多くの給湯量を望む場合に、燃料電池利用者が随時スイッチを押すことにより、発電に優先してお湯生成量を増加させることができる。
図２に、具体的な燃料利用率を決定するシーケンスの一例を示す。図２では、例として通常運転の燃料利用率を７５％としている。燃料利用率を決定する過程で、初めに燃料利用率を低下させる排熱優先モードが有効かどうかを判断する。
排熱優先モードについては、例えば、燃料電池３１の制御装置３９に排熱優先モードスイッチを設けることでモードの設定が可能となる。また、制御装置３９にリモコン（図示せず）を設け、このリモコンに排熱優先モードスイッチを設けてもよい。
また、家庭のお湯の使用状態、貯湯タンク内のお湯の割合、貯湯タンク内のお湯温度や、燃料電池３１の発電時のモジュール温度（動作温度）から自動的に排熱優先モードを有効にすることも可能である。排熱優先モードの自動切り替えの判定については、例えば判断期間を一週間とし、お湯の使用量の合計が一定量以上の場合や、モジュール温度が所定温度以下に低下した状態の累積時間が一定値以上となった場合とすることができる。また、排熱優先モードの解除方法としては、判定条件を継続的に検出して、判断期間での、お湯の使用量の合計が一定量以下の場合や、モジュール温度が低下した状態の累積時間が一定値以下となった場合に解除することができる。
排熱優先モードが有効でなかった場合には、通常運転の燃料利用率である７５％で発電運転を行う。排熱優先モードが有効であった場合、強制排熱モードか否かの判断を行う。強制排熱モードは、運転状態によらず、常時燃料利用率を低下させた状態で運転する状態である。このモードは、使用家庭のお湯の消費量が著しく多く頻繁に湯切れが発生する場合に有効である。
強制排熱モードの設定についても、制御装置３９（及びリモコン）に、利用者の選択により、強制的に固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させるスイッチ（強制排熱モードスイッチ）を設けることでモードの設定が可能となる。この強制排熱モードで発電運転を行うことにより、通常の発電状態よりも貯湯量を増加させることが可能となる。
次に、燃料電池３１のモジュールの内部温度（動作温度）による判断を行い、モジュール温度が、例えば通常の運転温度である７５０℃から６５０℃以下となった場合、燃料利用率を６０％に低下させて発電運転を行う。この運転モードでは、貯湯量を増加させると同時に、燃料電池３１のモジュール温度の低下を軽減することが可能となり、燃料電池が電力負荷へ最大電力を供給できる温度まで短時間で移行することが可能となる。さらに、燃料電池３１の温度サイクル負荷が軽減されることにより、燃料電池３１の寿命向上の効果も得ることが可能である。このモジュール温度による判断については、例として１段階の制御としたが、複数の温度判断分岐を設け、燃料利用率を他段階で制御してもよい。例えば、通常の運転温度７５０℃から７００℃、６５０℃となった場合に、それぞれの温度段階で燃料利用率を制御しても良い。この場合には、1段階の制御よりも燃料電池の状態に応じて燃料ガスの量をより細かく制御できるため、必要以上の燃料ガスの消費を抑えることが可能となり、より効率的な制御を行うことができる。
次に、貯湯タンク４２の貯湯量による判断を行い、貯湯タンク内のお湯の割合（例えば４０℃以上のお湯）が例えば５０％以下であった場合、燃料利用率を６０％に低下させて発電運転を行う。この運転モードで発電運転を行うことにより、通常の発電状態よりも貯湯量を増加させることが可能となる。この貯湯量による判断については、例として１段階の制御としたが、複数の貯湯量による判断分岐を設け、燃料利用率を他段階で制御してもよい。この場合には、1段階の制御よりも燃料電池の状態に応じて燃料ガスの量をより細かく制御できるため、必要以上の燃料ガスの消費を抑えることが可能となり、より効率的な制御を行うことができる。
次に、運転時間による判断を行い、運転時間が夜間（例えば２４：００から６：００の間）であれば燃料利用率を６０％に低下させて発電運転を行う。通常の家庭では、夜間は負荷が最小となる状態が継続する場合が多い。このとき、燃料電池３１のモジュール温度が低下してしまうため、燃料利用率を低下させて供給する燃料ガスの量を増加させることでモジュール温度の低下を軽減することができ、燃料電池が電力負荷へ最大電力を供給できる温度まで短時間で移行することが可能となる。また、この際、排熱エネルギーが増大する為、貯湯タンク４２内のお湯量を増加させることが可能となる。
上記の燃料利用率の決定シーケンスでは、制御により低下させた際の燃料利用率を一律６０％としたが、５０〜７０％程度の範囲で設定することが可能である。また、それぞれの分岐条件、例えば強制排熱モードか、又はモジール温度で、燃料利用率を変えてもよい。
以上により、固体電解質型燃料電池の発電中の燃料利用率を可変にすることにより、効率よく、お湯生成量を増加でき、貯湯量を増やすことができ、また、燃料電池の動作温度を上昇させることが可能になる。
尚、上記に述べたシーケンスについては、図２に示すように継続的に判断を行うことにより、運転状態が変動した場合にはその運転状態に応じた運転を行うことが可能となる。
尚、図２では、排熱優先モードが有効か否かの第一段階の判断を行った後、強制排熱モード等の第２段階の判断を行ったが、排熱優先モードである場合に、強制排熱モード等の第２段階の判断を行うことなく、燃料利用率を低下させた場合にも、給湯負荷への安定供給を行うことができる。
本発明の燃料電池システムを示す図である。 燃料利用率を決定するシーケンスの一例を示すフロー図である。 従来の高分子電解質形の燃料電池システムを示す図である。
符号の説明
３１ 固体電解質形燃料電池
３２ 燃料供給装置
３３ 空気供給装置
３４ 水供給装置
３５ 燃料加湿装置
３６ パワーコンディショナ
３７ 電力系統
３８ 電力負荷
３９ 制御装置
４０ 熱交換器
４１ 循環ポンプ
４２ 貯湯タンク
４３ａ、４３ｂ 循環配管

Claims (6)

  1. 固体電解質形燃料電池と、
    該固体電解質形燃料電池からの排ガスと水とを熱交換する熱交換器と、
    水を貯える貯湯タンクと、
    該貯湯タンクと前記熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、
    該循環配管に設けられた循環ポンプとを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記貯湯タンク内のお湯の使用量に応じて前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を制御する制御装置を具備する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 固体電解質形燃料電池と、
    該固体電解質形燃料電池からの排ガスと水とを熱交換する熱交換器と、
    水を貯える貯湯タンクと、
    該貯湯タンクと前記熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、
    該循環配管に設けられた循環ポンプとを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記貯湯タンク内のお湯の割合又はお湯温度に応じて前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を制御する制御装置を具備する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、前記固体電解質形燃料電池の動作温度が低下したときに、前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御装置は、前記固体電解質形燃料電池の発電量が低下したときに、前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御装置は、夜間に前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム
  6. 利用者の選択により、強制的に前記固体電解質形燃料電池の燃料利用率を低下させるスイッチを有する
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム
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