JPWO2011013758A1 - 燃料電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】部分負荷運転時の運転条件を改善した燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、燃料電池セルで発電した電流の外部負荷への供給量を調整する電力調整部と、燃料ガス供給部および電力調整部のそれぞれを制御する制御装置とを具備する燃料電池装置であって、制御装置は、燃料電池装置の部分負荷運転中で、セルスタックに供給する燃料ガスが最低流量以上である場合に、セルスタックの燃料利用率と、セルスタックが発電する電流量との関係が非直線となるように、燃料ガス供給部および電力調整部を制御することにより、燃料電池装置の運転制御において、効率よく部分負荷運転を行なうことができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、外装ケース内に燃料電池セルを収納してなる燃料電池装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが提案されている。また、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような燃料電池としては、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）等の各種が知られているが、特に固体酸化物形燃料電池は、家庭用として用いる場合に、部分負荷に容易に追従できる特性を有している。
ところで、部分負荷運転中においては、セルスタック（燃料電池セル）に供給される燃料ガスの量を低下させることが一般的に知られており、この部分負荷運転中の燃料電池装置の運転方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−５９３７７号公報 特開２００６−２４４７８号公報
燃料電池装置の定格運転中においては、セルスタックの燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）とを一定の値に保持することにより、効率の良い運転を行なうことができる。
一方、燃料電池装置の部分負荷運転中においては、外部負荷に応じてセルスタックの燃料利用率と電流量（発電量）が変動する（定格運転中と比較すると低下する）こととなる。この場合、セルスタックの燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係をバランスよく制御しなければ、燃料電池装置の発電効率が低下するおそれや、負荷追従特性が低下するおそれがあった。
それゆえ、本発明においては、部分負荷運転を行なう燃料電池装置において、部分負荷運転中の運転条件を改善した燃料電池装置を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個を電気的に接続してなるセルスタックと、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、燃料電池セルで発電した電流の外部負荷への供給量を調整する電力調整部と、燃料ガス供給部および電力調整部のそれぞれを制御する制御装置と、を具備する燃料電池装置であって、制御装置は、燃料電池装置の部分負荷運転中で、かつセルスタックに供給する燃料ガスが発電に必要な最低流量以上である場合に、セルスタックの燃料利用率と、セルスタックが発電する電流量との関係が非直線となるように、燃料ガス供給部および電力調整部を制御することを特徴とする。
本発明の燃料電池装置によれば、効率よく部分負荷運転を行なうことができる。
本発明の燃料電池装置を具備する燃料電池システムの一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池装置におけるセルスタックの燃料利用率と、外部負荷の要求に応じてセルスタックが発電する電流量との関係の一例を示すグラフである。 本発明の燃料電池装置におけるセルスタックの燃料利用率と、外部負荷の要求に応じてセルスタックが発電する電流量との関係の他の例を示すグラフである。 本発明の燃料電池装置におけるセルスタックの燃料利用率と、外部負荷の要求に応じてセルスタックが発電する電流量との関係のさらに他の例を示すグラフである。
本発明の燃料電池装置の一例について図１を用いて説明する。
図１に示す燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間に水を循環させるための循環配管とから構成されている。
図１に示す発電ユニットは、複数個の燃料電池セル（図示せず）を電気的に接続して配列してなるセルスタック１と、天然ガス等の原燃料を供給するための原燃料供給部２と、セルスタック１を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部３と、原燃料と水蒸気により水蒸気改質反応を行なう改質器４とを具備している。改質器４は、後述する水ポンプ５により供給される純水を気化し、原燃料供給部２から供給された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部（図示せず）と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部（図示せず）とを備えている。それにより、改質器４にて生成された燃料ガスと酸素含有ガス供給部３により供給される酸素含有ガスとで、燃料電池セル（セルスタック１）の発電が行なわれる。なお、燃料ガス供給部は少なくとも原燃料供給部２を含んでいる。
セルスタック１や改質器４は収納容器内に収納されており、燃料電池モジュール（以下、モジュールと略す場合がある。）を構成するようになっている。なお、図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示しており、モジュールをＭで示している。ただし、改質器４は収納容器外に設けても構わない。
ここで、モジュールＭについて説明する。モジュールＭとしては、既知の燃料電池モジュールを用いることができる。例えば、収納容器内に、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セルを立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル間に集電部材を介して電気的に直列に接続してセルスタック１を構成している。そして、燃料電池セルの下端をガラスシール材等の絶縁性接合材により燃料ガス室に固定してなるセルスタック装置と、燃料電池セルの上方に配置され、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための改質器４とを収納して構成される。
セルスタック１を構成する燃料電池セルとしては、各種燃料電池セルが知られているが、部分負荷運転（負荷追従運転）を行うにあたり、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。また、セルスタック１を構成する燃料電池セルを固体酸化物形燃料電池セルとすることにより、燃料電池セルの動作に必要な補機類を小型化することができることから、燃料電池装置２２を小型化することができる。
なお、燃料電池セルの形状としては、平板型や円筒型等の各種形状の燃料電池セルを用いることができるが、効率よく燃料電池セルの発電を行なううえで、中空平板型の燃料電池セルとすることができる。このような中空平板型の燃料電池セルとしては、内側に燃料極層が、外側に酸素極層が形成された燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池セルを用いることができる。
また、図１に示す発電ユニットにおいては、セルスタック１を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管１３を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器６と、熱交換により生成された凝縮水を浄化する（好ましくは純水を生成する）ための凝縮水浄化装置７と、熱交換器６で生成された凝縮水を凝縮水浄化装置７に供給するための凝縮水供給管１５とが設けられている。凝縮水浄化装置７にて処理された凝縮水は、タンク連結管１６にて連結された水タンク８に貯水された後、水ポンプ５により改質器４（気化部、図示せず）に供給される。なお、凝縮水浄化装置７に水タンクの機能を持たせることで、水タンク８を省略することもできる。
さらに図１に示す発電ユニットは、燃料電池セルにて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力の外部負荷への供給量を調整するための電力調整部９と、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１１と、制御装置１０と、循環配管１３内で水を循環させる循環ポンプ１２とを具備している。そして、燃料電池装置は少なくともセルスタック１、制御装置１０、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部、および燃料電池セルで発電した電流の外部負荷への供給量を調整する電力調整部を含んで構成されている。
なお、図１において、電力調整部９と外部負荷との接続は省略して示しており、電力調整部９としてはパワーコンディショナ（パワコン）を例示することができる。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易となる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１４を具備して構成されている。
また、セルスタック１と熱交換器６との間には、セルスタック１の運転に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置が設けられている（図示せず）。排ガス処理装置は、収納容器内に排ガス処理部を収納してなり、排ガス処理部としては、一般的に公知の燃焼触媒を用いることができる。
一方、凝縮水浄化装置７に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理部で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を浄化して改質器４に供給することもできる。図１においては外部から供給される水を浄化するために各水処理装置を具備している。
ここで、外部より供給される水を改質器４に供給するための各水処理装置は、水を浄化するための活性炭フィルタ装置１９、逆浸透膜装置２０およびイオン交換樹脂装置２１の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置２１（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置２１にて生成された純水は水タンク８に貯水される。なお、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）おいては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁１８が設けられている。
また、図１において、改質器４に供給する水を純水に処理するための各水処理装置を一点鎖線により囲って示している（外部水浄化装置Ｘとして示している）。
ただし、燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管１３の水との熱交換により生成された凝縮水のみで、改質器４での水蒸気改質反応に必要な水（純水）をまかなえる場合には、外部水浄化装置Ｘを省いてもよい。
ここで、図１に示した燃料電池装置（発電ユニット）の運転方法について説明する。燃料電池セルの発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器４で使用される純水は、熱交換器６においてセルスタック１（燃料電池セル）の運転に伴って生じた排ガスと循環配管１３を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。なお、循環配管１３を流れて排ガスとの熱交換により温度が上昇した水（即ちお湯）は、貯湯タンク１４に貯湯される。熱交換器６にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管１５を流れて凝縮水浄化装置７に供給される。凝縮水浄化装置７に備える凝縮水浄化部（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管１６を介して水タンク８に供給される。水タンク８に貯水された水は、水ポンプ５により改質器４に供給され、原燃料供給部２より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料電池セル（セルスタック１）に供給される。燃料電池セル（セルスタック１）においては、改質器４を介して供給された燃料ガスと、酸素含有ガス供給部３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われ、燃料電池セル（セルスタック１）で発電された電流が、調整部９を介して外部負荷に供給される。以上の方法により、凝縮水を有効に利用して、水自立運転を行なうことができる。
一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水浄化装置７にて処理された凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を用いることもできる。
この場合は、まず、給水弁１８（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管１７を通して活性炭フィルタ１９に供給される。活性炭フィルタ１９にて処理された水は、続いて逆浸透膜２０に供給される。逆浸透膜２０にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置２１に供給される。そして、イオン交換樹脂装置２１で浄化された水が、水タンク８に貯水される。水タンク８に貯水された浄化された水（純水）は、上述した方法により、燃料電池セル（セルスタック１）の発電に利用される。
上述したような構成の燃料電池装置において、定格運転中は、制御装置１０が原燃料供給部２および酸素含有ガス供給部３の動作を制御し、定格運転に必要な量の燃料ガスと酸素含有ガスを燃料電池セル（セルスタック１）に供給する。それにより、燃料電池セル（セルスタック１）において定格の電力を発生させ、燃料電池セル（セルスタック１）に直流電流が流れる。また、燃料電池セル（セルスタック１）の発電により生じた電力は、調整部９にて交流電力に変換された後、外部負荷に供給される。すなわち、定格運転中においては、制御装置１０は、セルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と外部負荷の要求に応じてセルスタック１が発電する電流量（Ｉ）との関係が一定の値になるように、各装置を制御する。
一方、家庭用として燃料電池装置を用いる場合には、外部負荷の要求電力が変動しやすい。特に朝方や夕方以降の時間帯においては要求電力が高くなり、セルスタック１に流れる電流が高くなるのに対し、日中や夜中などにおいては要求電力が低くなり、セルスタック１に流れる電流が少なくなる。
要求電力が低い時間帯において燃料電池装置を定格運転させることは、燃料電池装置に接続される系統電力に、燃料電池装置からの電力が逆潮流を生じるおそれがある。従って、特には家庭用の燃料電池装置の運転において、外部負荷の要求電力に応じた部分負荷運転（負荷追従運転）を行なうことができる。
このような部分負荷運転中において、制御装置１０は、原燃料供給部２および酸素含有ガス供給部３の動作を制御し、外部負荷の要求電力に応じた電流量を得るために必要な量の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル（セルスタック１）に供給する。燃料電池セル（セルスタック１）の発電により生じた直流電力は、電力調整部９にて交流電力に変換された後、外部負荷に供給される。
すなわち、部分負荷運転中においては、セルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）とが、要求負荷に応じて変動することとなる。具体的には、定格運転中よりも低下することとなる。
それゆえ、部分負荷運転中において、セルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係をバランスよく制御しなければ、燃料電池装置の発電効率が低下するおそれや、負荷追従特性が低下するおそれがある。
図２から図４は、燃料電池装置におけるセルスタック１の燃料利用率と、外部負荷の要求に応じてセルスタック１が発電する電流量との関係を示すグラフである。
燃料電池装置の運転を維持するにあたり、燃料電池セルの温度を所定温度以上に保つ必要があることから、外部負荷の要求電力が低い場合であっても、所定量以上の燃料ガスを燃料電池セル（セルスタック１）に供給する必要がある場合がある。以下、この所定量の燃料ガスの量を最低流量という。
本実施形態の燃料電池装置では、部分負荷運転中で、セルスタック１に供給する燃料ガスが最低流量以上である場合に、制御装置１０は、セルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と外部負荷の要求に応じてセルスタック１が発電する電流量（Ｉ）との関係が非直線となるように、原燃料供給部２および電力調整部９を制御する。また、あわせて酸素含有ガス供給部３も制御することが好ましく、以下同様である。
すなわち、部分負荷運転中のセルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係が直線となるように原燃料供給部２および電力調整部９を制御すると、後述するように、負荷追従特性を向上する運転や、燃料電池セルの一端側で余剰の燃料ガスを燃焼させる場合に失火を抑制する運転等のような運転を行なうことが困難となる。
これに対し、部分負荷運転中で、セルスタック１に供給する燃料ガスが最低流量以上である場合に、セルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係が非直線となるように制御装置１０によって原燃料供給部２および調整部９を制御することにより、部分負荷運転中において、負荷追従特性を向上する運転や、燃料電池セルの一端側で余剰の燃料ガスを燃焼させる場合に失火を抑制する運転等を行なうことができ、効率のよい部分負荷運転を行なうことができる。
また、部分負荷運転中のセルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）の最大値が、燃料電池装置の定格運転中における燃料利用率（Ｕｆ）と等しい場合、燃料電池セルの酸化を低減することができ、燃料電池セルの破損を低減することができる。そのため、信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。
そして、図２に示すように、部分負荷運転中において、セルスタック１に供給する燃料ガスの最低流量より多くの燃料ガスがセルスタック１に供給されている場合に、セルスタック１が発電する電流量（Ｉ）の増加に伴い、セルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）の増加量が減少するように制御装置１０によって燃料ガス供給部２および電力調整部９のそれぞれを制御すると、セルスタック１の電流量（Ｉ）が低い場合においても、燃料電池セルの温度を高温に維持することができ、燃料電池装置の負荷追従特性を向上させることができる。
一方、燃料電池セルの一端側で、燃料電池セルの発電に利用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池装置においては、部分負荷運転中において燃料電池セル（セルスタック１）に供給される燃料ガスの量が減少するため、余剰の燃料ガスの燃焼が失火するおそれがある。
そこで、図３に示すように、部分負荷運転中で、セルスタック１に供給する燃料ガスが最低流量以上である場合に、セルスタック１が発電する電流量（Ｉ）の増加に伴い、燃料利用率（Ｕｆ）の増加量が増加するように制御装置１０によって原燃料供給部２および電力調整部９を制御すると、セルスタック１の電流量（Ｉ）が低い場合に、余剰の燃料ガスが増加することとなる。つまり、余剰の燃料ガスが増加することから、余剰の燃料ガスの燃焼の失火を低減することができる。
なお、図２および図３においては、セルスタック１に供給される燃料ガスの最低流量より多くの燃料ガスがセルスタック１に供給されている場合に、部分負荷運転時のセルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係が二次曲線となる場合を示したが、二次曲線で表される関係に限られるものではない。燃料電池装置を構成する燃料電池セルの数や、モジュールＭの大きさ等により適宜設定することができ、例えば、三次曲線で表される関係等であってもよい。
例えば、図４に示すように、セルスタック１に供給する燃料ガスが最低流量以上である場合に、セルスタック１が発電する電流量（Ｉ）の増加に伴い燃料利用率（Ｕｆ）の増加量が増加し、その後、電流量（Ｉ）の増加に伴い燃料利用率（Ｕｆ）の増加老が減少するように制御装置１０によって原燃料供給部２および電力調整部９を制御することができる。この場合、部分負荷運転時のセルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係が三次曲線で表される関係となっている。
それにより、セルスタック１の電流量（Ｉ）が低い領域において余剰の燃料ガスが増加し、燃料電池装置における余剰の燃料ガスの燃焼の失火を低減することができるとともに、負荷追従特性を向上させることができる。
なお、部分負荷運転中のセルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係において、セルスタック１に供給する燃料ガスの量が最低流量に至るまでは、セルスタック１の燃料利用率（Ｕｆ）と電流量（Ｉ）との関係が直線となっている。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
例えば、部分負荷運転中で、セルスタック１に供給される燃料ガスの最低流量より多くの燃料ガスがセルスタック１に供給されている場合に、セルスタック１が発電する電流量（Ｉ）の増加に伴い燃料利用率（Ｕｆ）の増加量が減少し、その後、セルスタック１が発電する電流量（Ｉ）の増加に伴い燃料利用率（Ｕｆ）の増加量が増加するように制御装置１０によって原燃料供給部２および電力調整部９を制御するようにしてもよい。
１：セルスタック
２：原燃料供給部
３：酸素含有ガス供給部
９：調整部（パワーコンディショナ）
１０：制御装置
Ｍ：燃料電池モジュール

Claims (4)

  1. 燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個を電気的に接続してなるセルスタックと、
    前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、
    前記燃料電池セルで発電した電流の外部負荷への供給量を調整する電力調整部と、
    前記燃料ガス供給部および前記電力調整部のそれぞれを制御する制御装置と、
    を具備する燃料電池装置であって、
    前記制御装置は、前記燃料電池装置の部分負荷運転中で、前記セルスタックに供給する前記燃料ガスが発電に必要な最低流量以上である場合に、前記セルスタックの燃料利用率と、前記セルスタックが発電する電流量との関係が非直線となるように、前記燃料ガス供給部および前記電力調整部を制御することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記燃料電池装置の部分負荷運転中における前記セルスタックの燃料利用率の最大値が、前記燃料電池装置の定格運転中における燃料利用率と同じであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 前記制御装置は、前記燃料電池装置の部分負荷運転中で、前記セルスタックに供給する前記燃料ガスが最低流量以上である場合に、前記セルスタックが発電する電流量の増加に伴い、前記燃料利用率の増加量が減少するように、前記燃料ガス供給部および前記電力調整部のそれぞれを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 前記燃料電池セルが、当該燃料電池セルの一端側で前記燃料電池セルの発電に利用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成を有するとともに、前記制御装置は、前記燃料電池装置の部分負荷運転中で、前記セルスタックに供給する前記燃料ガスが最低流量以上である場合に、前記セルスタックが発電する電流量の増加に伴い、前記燃料利用率の増加量が増加するように、前記燃料ガス供給部および前記電力調整部のそれぞれを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
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