WO2007052633A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Taneo Higuchi
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system using a solid oxide fuel cell, and more particularly to a fuel cell system that performs variable control of a fuel utilization rate.
  • FIG. 3 is a diagram showing a conventional polymer electrolyte fuel cell system.
  • the fuel processor 14 steam-reforms a raw material such as natural gas to generate a gas mainly composed of hydrogen, and humidifies it with the hydrogen-side humidifier 11.
  • the oxidant gas is humidified by the oxidation side humidifier 13 by the air supply device 3 and supplied to the fuel cell 1.
  • a fuel cell 1 is connected to a power conditioner 6 that converts the generated DC power into AC power and is connected to the power system 7, and is also connected to a power load 8.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-42841
  • exhaust heat recovery efficiency is higher than power generation efficiency.
  • Another feature is that city gas, which is the main fuel, is reformed to produce hydrogen and carbon monoxide, and the produced carbon monoxide is removed. This carbon monoxide is removed. Time to do There is a problem that it takes time. Therefore, the fuel cannot be changed quickly following the power generation and temperature changes, and the control of the fuel utilization rate becomes extremely gradual.
  • a characteristic of the solid oxide fuel cell is that the power generation efficiency is higher than the exhaust heat recovery efficiency. From the viewpoint of the power supply to the power load, it has an advantage over the polymer electrolyte fuel cell, but from the viewpoint of the stable supply of hot water to the hot water supply load, the absolute amount that can be supplied is small. There is a problem.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of stably supplying hot water supply load.
  • the present invention has the following features.
  • the fuel cell system of the present invention includes a solid oxide fuel cell
  • a fuel cell system comprising a circulation pump provided in the circulation pipe, comprising a control device for controlling a fuel utilization rate during power generation of the solid oxide fuel cell in accordance with the amount of hot water in the hot water storage tank. It is characterized by doing.
  • a fuel cell system comprising a circulation pump provided in the circulation pipe, wherein the solid electrolyte fuel cell is in accordance with a ratio of hot water or a hot water temperature in the hot water storage tank.
  • a control device for controlling the fuel utilization rate during power generation in the pond is provided.
  • a control device for changing the fuel utilization rate of the fuel cell For example, when a larger amount of hot water is desired, or when the proportion of hot water in the hot water storage tank is small, the amount of energy of exhaust gas generated by the fuel cell can be reduced by reducing the fuel utilization rate regardless of the power load. And increase the amount of hot water generated by heat exchange ⁇ , resulting in an increase in the amount of hot water stored (ratio of hot water in the hot water storage tank), or by increasing the hot water storage temperature in the hot water storage tank.
  • the hot water can be stably supplied to the hot water supply load.
  • the fuel utilization rate means the ratio of the amount of fuel gas that actually contributed to the electrochemical reaction (power generation reaction) to the amount of fuel gas input to the fuel cell. What is meant to reduce the fuel utilization rate? This can be achieved by increasing the amount of fuel gas supplied to the fuel cell.
  • control device is characterized in that when the operating temperature of the solid oxide fuel cell is lowered, control is performed to reduce the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell.
  • the amount of power that can be recovered by reducing the amount of power generation and the operating temperature of the fuel cell continues to decrease, and the amount of hot water supplied to the hot water supply load also decreases.
  • the power generation efficiency of the fuel cell decreases and the maximum amount of power that can be supplied to the power load falls below the rating.
  • the maximum amount of power by the fuel cell that can be supplied to the power load becomes the rating, and it takes time to raise the operating temperature of the fuel cell again to a temperature at which the power generation efficiency becomes high.
  • the control device performs control to reduce a fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell when the power generation amount of the solid oxide fuel cell is reduced.
  • the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is increased to reduce the fuel utilization rate, thereby reducing the decrease in the operating temperature of the fuel cell. It is possible to quickly supply power to the power. At this time, the amount of exhaust heat increases, so the amount of hot water produced can be increased and the amount of hot water stored can be increased.
  • control device performs control to reduce a fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell at night.
  • the operating temperature of the fuel cell often decreases because the household load is often the minimum usage.
  • the fuel utilization rate of the fuel cell it is possible to prevent a decrease in the operating temperature of the fuel cell, so that the required power can be supplied quickly, and hot water is generated. The amount can be increased.
  • the fuel cell user can press the switch as needed to increase the amount of hot water generated prior to power generation.
  • a household fuel cell that generates power of 1 kW or less, further 750 W or less can be suitably used.
  • the fuel utilization rate is controlled according to the amount of hot water used by the user, the proportion of hot water in the hot water storage tank, and the hot water temperature, and the exhaust gas temperature for heat exchange with water is controlled.
  • the fuel utilization rate is controlled according to the amount of hot water used by the user, the proportion of hot water in the hot water storage tank, and the hot water temperature, and the exhaust gas temperature for heat exchange with water is controlled.
  • FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system of the present invention.
  • the solid electrolyte fuel cell system of the present invention includes a solid electrolyte fuel cell 31, a fuel supply device 32 that supplies city gas, natural gas, and the like to the fuel cell 31, and oxidant air.
  • An air supply device 33 for supplying the fuel cell 31, a water supply device 34 for supplying water, and a fuel humidifier 35 for humidifying the fuel gas supplied to the fuel cell 31 are provided.
  • the flow rate and operation of the fuel supply device 32, the air supply device 33, the water supply device 34, and the fuel humidifier 35 are controlled by the control device 39.
  • the fuel cell 31 is connected to a power conditioner 36 that converts the generated DC power into AC power and is connected to the power system 37, and is also connected to a power load 38.
  • the fuel cell 31 is connected to a heat exchanger 40 that recovers exhaust heat generated by the power generation, and the heat exchanger 40 is connected to a circulation pipe 43a, 43 b for circulating the water in the hot water storage tank 42. Is connected, and a circulation pump 41 for supplying water in the circulation pipes 43a and 43b to the heat exchanger 40 is provided.
  • the water in the hot water storage tank 42 is supplied to the heat exchanger 40 through the circulation pipe 43a by the circulation pump 41, and is warmed through the heat exchanger 40, and is heated to the upper part of the hot water tank 42 through the circulation pipe 43b. Returned.
  • the hot water storage tank 42 is separated into hot water and water to form a stratification.
  • the fuel cell 31 does not perform a reverse power flow to the power system 37, that is, when the power generated by the fuel cell 31 is not supplied to the commercial power system, the fuel cell 31 is linked to the power consumption of the power load 38. The generated power is determined. The amount of the fuel gas supplied to the fuel cell 31 is also calculated by the control device 39 with respect to the output current and the fuel utilization factor of the fuel cell 31 to control the fuel supply device 32.
  • the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell 31 passes through the heat exchange 40, the circulating water is warmed and hot water can be stored in the hot water storage tank 42 for use.
  • the fuel utilization rate of the fuel cell 31 is normally set as high as possible in order to increase the power generation efficiency. That is, consuming as little fuel gas as possible in order to obtain a predetermined output current will increase the fuel utilization rate.
  • the solid electrolyte fuel cell 31 is different from the polymer electrolyte fuel cell 1. Therefore, since the power generation efficiency is higher than the exhaust heat recovery efficiency, the amount of hot water stored will be reduced if the same operation as a polymer fuel cell is performed. Inconvenience may occur in the method of using. Therefore, in the fuel cell system of the present invention, when the amount of hot water used as a hot water supply load is increased, when the hot water ratio in the hot water storage tank decreases, or when the hot water temperature in the hot water storage tank decreases. The feature is that the setting of fuel utilization rate can be lowered.
  • the hot water temperature in the hot water storage tank can be increased, the hot water temperature in the hot water storage tank can be increased, the hot water amount in the hot water storage tank can be increased, the hot water storage amount can be increased, and the hot water supply amount can be increased.
  • the exhaust heat energy can be directed to the hot water storage, and the fuel cell system can be operated with high efficiency.
  • the solid electrolyte fuel cell 31 needs to keep the operating temperature of the fuel cell 31 itself whose operating temperature is higher than that of the polymer electrolyte fuel cell, and thermal energy for that purpose. Need. Therefore, by lowering the fuel utilization rate, it is possible to obtain the effect of keeping the operating temperature of the fuel cell 31 itself high, and it is possible to efficiently keep the operating temperature high by using the exhaust heat energy. It is possible to respond quickly to a large demand power with a high load power and supply power to the load.
  • control device 39 performs control to increase the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 31 when the operating temperature of the fuel cell 31 decreases, thereby reducing the fuel utilization rate. It is possible to reduce the decrease in the operating temperature of the fuel cell 31, increase the amount of hot water produced, and increase the amount of hot water stored.
  • the decrease in the operating temperature of the fuel cell 31 can be reduced by increasing the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 31 and decreasing the fuel utilization rate.
  • the fuel cell 31 can be quickly shifted to a temperature at which the maximum power can be supplied to the power load. Even if it responds quickly, power can be supplied to the load. At this time, the amount of hot water stored can be increased because the amount of exhaust heat increases as compared with the case without reducing the fuel utilization rate.
  • the fuel cell 31 increases the combustion energy of the remaining fuel, thereby allowing the fuel cell 31 to maximize the power to the power load. It is possible to transfer to a temperature that can be supplied in a short time. Further, at this time, the amount of exhaust heat increases as compared with the case where the fuel utilization rate is not lowered, so that the amount of stored hot water can be increased.
  • the operating temperature of the fuel cell 31 can be confirmed by arranging a temperature sensor in the vicinity of the fuel cell 31.
  • the fuel cell is configured by sandwiching a solid electrolyte between an air electrode and a fuel electrode, and supplies air to the air electrode and fuel gas to the fuel electrode, and the surplus fuel gas burns to produce exhaust gas.
  • the control device 39 performs control to increase the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 31 and reduce the fuel utilization rate. As a result, it is possible to further reduce the decrease in the operating temperature of the fuel cell 31 and increase the amount of stored hot water. This is because when the power load from the fuel cell 31 is reduced, the fuel cell 31 does not perform reverse power flow, and thus the generated power is reduced in accordance with the power load. If the fuel utilization rate remains constant, the operating voltage of the fuel cell 31 decreases, and the power generation efficiency of the fuel cell 31 decreases until the operating temperature can be increased again. , The amount of hot water storage decreases. However, at this time, it is possible to improve these problems by controlling the fuel utilization rate.
  • the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 31 is increased to reduce the fuel utilization rate, thereby reducing the decrease in the operating temperature of the fuel cell 31. Can. Also at this time, the amount of exhausted heat increases, so that the amount of stored hot water can be increased.
  • control device performs control to reduce the fuel utilization rate of the fuel cell 31 at night.
  • the household load is usually the minimum usage amount, and the operating temperature of the fuel cell is lowered.
  • the fuel utilization rate of the fuel cell it is possible to prevent a decrease in the operating temperature of the fuel cell, to quickly supply the required power, and to increase the amount of hot water generated. be able to.
  • the fuel cell user presses the switch as needed when a larger amount of hot water supply is desired.
  • the amount of hot water generated can be increased in preference to power generation.
  • FIG. 2 shows an example of a sequence for determining a specific fuel utilization rate.
  • the fuel usage rate during normal operation is 75%.
  • the process of determining the fuel utilization rate first determine whether the exhaust heat priority mode that lowers the fuel utilization rate is effective.
  • a mode can be set by providing an exhaust heat priority mode switch in the control device 39 of the fuel cell 31.
  • a remote controller (not shown) may be provided in the control device 39, and an exhaust heat priority mode switch may be provided in the remote controller.
  • the state of hot water usage at home, the ratio of hot water in the hot water storage tank, the hot water temperature in the hot water storage tank, and the module temperature (operating temperature) force during power generation of the fuel cell 31 automatically exhaust heat priority mode Can also be enabled.
  • the determination period is set to one week, and the accumulated time when the total amount of hot water used is a certain amount or when the module temperature is lower than the predetermined temperature is constant. This can be the case when the value exceeds the value.
  • a method of canceling the exhaust heat priority mode when the judgment conditions are continuously detected and the total amount of hot water used in the judgment period is less than a certain amount, or when the module temperature has dropped. It can be canceled when the accumulated time falls below a certain value.
  • the exhaust heat priority mode When the exhaust heat priority mode is effective, the power generation operation is performed at the fuel usage rate of 75% in the normal operation. If the exhaust heat priority mode is enabled, it is determined whether the forced exhaust heat mode is active. The forced exhaust heat mode always reduced the fuel utilization rate regardless of the operating conditions. It is a state to drive in the state. This mode is effective when the consumption of hot water in the household is extremely large and hot water runs out frequently.
  • the controller 39 forces the user to select a switch (forced exhaust heat mode switch) that forcibly reduces the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell.
  • the mode can be set by providing. By performing the power generation operation in this forced exhaust heat mode, it is possible to increase the amount of hot water stored compared to the normal power generation state.
  • the determination based on the module temperature is controlled in one step as an example, but a plurality of temperature determination branches may be provided to control the fuel utilization rate in other steps.
  • the fuel utilization rate may be controlled at each temperature stage. In this case, since the amount of fuel gas can be controlled more precisely according to the state of the fuel cell than in the first stage control, it is possible to suppress the consumption of fuel gas more than necessary, and it is more efficient. Control can be performed.
  • the determination based on the amount of hot water storage is, as an example, controlled in one step. However, a decision branch based on a plurality of hot water storage amounts may be provided to control the fuel utilization rate in other steps.
  • the amount of fuel gas can be controlled more precisely according to the state of the fuel cell than in one-step control, it is possible to suppress consumption of fuel gas more than necessary, and more efficient control. It can be performed.
  • a determination is made based on the operation time, and if the operation time is nighttime (for example, between 24:00 and 6:00), the fuel utilization rate is reduced to 60% and the power generation operation is performed. In ordinary households, the state where the load is minimal often continues at night. At this time, the module temperature of the fuel cell 31 is lowered. Therefore, by reducing the fuel utilization rate and increasing the amount of fuel gas to be supplied, the decrease in module temperature can be reduced. It is possible to shift to a temperature that can supply maximum power to the power load in a short time. At this time, since the exhaust heat energy increases, the amount of hot water in the hot water storage tank 42 can be increased.
  • the force utilization rate in the range of about 50 to 70% with the fuel utilization rate at the time of being lowered by control being uniformly 60%.
  • the fuel utilization rate may be changed depending on each branching condition, for example, forced exhaust heat mode or module temperature.
  • the amount of hot water generated can be increased more efficiently, the amount of hot water stored can be increased, and the fuel cell The operating temperature can be increased.
  • the second step such as the forced exhaust heat mode is performed. Even when the fuel utilization rate is reduced without making the second stage judgment such as forced exhaust heat mode, stable supply to the hot water supply load can be performed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of a sequence for determining a fuel utilization rate.
  • FIG. 3 is a diagram showing a conventional polymer electrolyte fuel cell system.

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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。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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。
[0003] 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 交翻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）
特許文献 1 :特開 2002— 42841号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 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
V、ことが挙げられ、通常の運転にぉ 、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。
[0005] 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。
[0006] 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ぐまた、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。
[0007] 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力 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 、と 、う問題がある。
[0008] 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。
課題を解決するための手段
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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 一量を増加させ、熱交^^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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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力かってしまい、 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カロさせて 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^^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。 [0015] 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
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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ぐ燃料電池の動 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。
[0019] 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 を低下させるスィ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ィッチを押すことにより、発 電に優先してお湯生成量を増カロさせることができる。
[0020] 本発明の燃料電池システムでは、 lkW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。
発明の効果
[0021] 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。
発明を実施するための最良の形態
[0022] 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 、。
[0023] 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 3 1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。
[0024] 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翻40が接続され 、さらに熱交^^ 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、 43 b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により底部力も循環配管 43 a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。
[0025] 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 3 1の出力電流と燃料利用率力も制御装置 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翻40を通過することによ つて循環水を温め、貯湯タンク 42にお湯を貯えて使用することができる。
[0026] 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〖こなる。
[0027] 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つた場合や、貯湯タンク 内のお湯割合が少なくなつた場合、貯湯タンク内のお湯温度が低くなつた場合に、 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^^ 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^^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カロさせ、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 、運 転をすることができる。
[0028] 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 作温度が高ぐ燃料電池 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、負荷力も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。
[0029] 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カロさせて、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、負荷力 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 、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。
[0030] 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 一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、排熱ェネル ギ一が減少する。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。
[0031] 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。
[0032] 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力 tl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。
[0033] 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。
[0034] 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ツ 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ツ 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。
[0035] 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カゝどうかを判断する。
[0036] 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ィッチを設けてもよい。
[0037] 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)力 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。
[0038] 排熱優先モードが有効でな力つた場合には、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。
[0039] 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ィッチ (強制 排熱モードスィッチ）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。
[0040] 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 、、モジュ ール温度が、例えば通常の運転温度である 750°C力も 650°C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°Cから 700°C、 650°Cとなつ 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力べ制御できるため、 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。
[0041] 次に、貯湯タンク 42の貯湯量による判断を行 、、貯湯タンク内のお湯の割合 (例え ば 40°C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力べ制御できるため、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。 [0042] 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のモジユー 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 カロ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。
[0043] 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%とした力 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。
[0044] 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、効率よぐ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 «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力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ぐ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。
図面の簡単な説明
[0045] [図 1]本発明の燃料電池システムを示す図である。
[図 2]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。
[図 3]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
[0046] 31 固体電解質形燃料電池 燃料供給装置 空気供給装置 水供給装置 燃料加湿装置 パワーコンテ'イシ 電力系統 電力負荷 制御装置 熱交換器 循環ポンプ 貯湯タンク, 43b 循環配管

Claims

請求の範囲
[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 せるスィッチを有する 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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