JP5126582B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質型の燃料電池スタックを断熱容器に収容した構造を有する燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

従来の燃料電池システムとしては、固体電解質型の燃料電池ユニットを積層して成る燃料電池スタックと、燃料電池スタックを気密的に収容する断熱容器を備え、この燃料電池スタックに対して、酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給経路と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、排気ガスのガス排出経路を備えたものがあった。

上記の燃料電池システムは、燃料電池スタックに酸化ガスと燃料ガスを供給して発電を行うこととなるが、起動時には、ガス排気経路に設けたバーナーの熱により導入空気を加熱して起動が速やかに行われるようにする。また、定常運転時には、燃料電池スタックの温度に応じて、酸化ガスや燃料ガスの流量を増減させ、あるいは、バーナーの熱調整や停止により、燃料電池スタックの温度が好適な範囲を維持するように制御する。

なお、この種の燃料電池システムの温度制御としては、固体電解質型の例ではないが、燃料電池を収容する断熱容器の壁部を二重構造にし、その壁部内空間の真空度を調整することで断熱容器の熱放散量を制御し、燃料電池の温度を規定値に保つようにしたものがあった（特許文献１）。
特許第２６１２６５３号

ところが、上記したような従来の燃料電池システムにあっては、以下のような問題点があった。

起動時において、燃料電池スタックの昇温は、発電による昇温及び導入空気の加熱による昇温に頼っているので、短時間での起動及び昇温が困難であった。

定常運転時において、燃料電池スタックの温度が規定値を越えた場合には、燃料ガスの流量の減少や酸化ガスの流量の増加により冷却を行うが 燃料ガスの流量を減少させることは改質器の改質反応を不安定にし また、酸化ガスの流量を増加することは燃料電池スタック内外の温度差を発生させて同スタックに熱歪を発生させる恐れがあった。

さらに、定常運転時において、燃料電池スタックの温度が規定値よりも下がった場合には、バーナーの燃焼熱を増加させることにより加熱を行うが、燃料ガスを発電に必要な量以上に供給することになって、発電効率を低下させていた。

そして、上記の温度制御のほか、例えば断熱容器の壁部を二重構造にして、その壁部内空間の真空度を調整する制御を加えれば、運転効率の若干の向上は期待できるものの、充分な効果が得られるとは言い難かった。

このため、従来にあっては、固体電解質型の燃料電池システムにおいて、短時間での起動及び昇温や運転効率のさらなる向上を実現するうえで改善が望まれていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、固体電解質型の燃料電池システムにおいて、その起動、定常運転及び停止を安定して行うことができ、運転効率の向上を実現することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池システムは、固体電解質型の燃料電池スタックを断熱容器に収容した構造を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックからの排気ガスを断熱容器の容器内空間に供給する容器内給気手段と、断熱容器の容器内空間を排気する容器内排気手段を備え、容器内排気手段が、容器内空間を強制排気する排気ポンプを備えていると共に、容器内に燃料電池スタックからの排気ガスを給気する手段として、燃料電池スタックから容器内空間に至る経路に、排気ガスの供給量、温度及び湿度を調整するガス制御部を備えた構成としている。そして、その運転方法として、断熱容器の容器内空間に供給する排気ガスの供給量、排気ガスの温度及び湿度を調整することで、容器内空間の熱伝達量や熱容量を変化させて燃料電池スタックの温度を制御する。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、固体電解質型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの温度を適切に制御することで、その起動、定常運転及び停止を安定して行うことができ、運転効率の向上を実現することができる。

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を説明する図である。図示の燃料電池システムは、固体電解質型の燃料電池ユニットを積層して成る燃料電池スタックＳと、燃料電池スタックＳを気密的に収容する断熱容器Ｃを備えており、この燃料電池スタックＳに対して、酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給経路Ｌ１と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路Ｌ２と、排気ガスのガス排出経路Ｌ３を備えている。

酸化ガス供給経路Ｌ１は、ガス圧送用のブロア１と、流量調整器２と、熱交換器３を備えている。また、燃料ガス供給経路Ｌ２は、流量調整器４と、例えば炭化水素系燃料から水素を取り出すための改質器５を備えている。

ガス排出経路Ｌ３は、燃料成分が残る燃料排気ガスと酸化剤成分が残る酸化排気ガスとを混合燃料させるバーナー６を備えており、熱交換器３において、導入空気と燃焼ガスとの間で熱交換を行って、導入空気を加熱するようにしている。

そして、燃料電池システムは、断熱容器Ｃの容器内空間を排気する容器内排気手段Ｌ４と、燃料電池スタックＳからの排気ガスを容器内空間に供給する容器内給気手段Ｌ５を備えている。

容器内排気手段Ｌ４は、容器内空間を強制排気する排気ポンプ７を備えている。この排気ポンプ７は、ガス排出経路Ｌ３における熱交換器３の下流に設けてある。そして、この実施形態の容器内排気手段Ｌ４は、容器内空間から排気ポンプ７に直接至る第１排気経路Ｌ４１と、容器内空間からバーナー６に直接至る第２排気経路Ｌ４２を備えている。

容器内給気手段Ｌ５は、燃料電池スタックＳから一旦容器外部を経て容器内空間に至る排気ガスの経路を形成し、燃料排気ガス用の第１給気経路Ｌ５１と、酸化排気ガス（空気排出ガス）用の第２給気経路Ｌ５２を備えている。そして、第１及び第２の給気経路Ｌ５１，Ｌ５２には、容器外部において、断熱容器Ｃ内に燃料電池スタックＳからの排気ガスを吸気する手段として、容器内空間に対する燃料排気ガス及び酸化排気ガスの供給量、温度及び湿度を夫々調整するガス制御部Ｃ５１，Ｃ５２を備えている。

さらに、燃料電池システムは、断熱容器Ｃの内面に、燃料電池スタックＳに非接触の多数のフィン（一部のみ示す）Ｆが設けてあり、このフィンＦにより容器内空間の熱伝達量や熱容量ひいては断熱容器Ｃ自体の放熱性や断熱性をより一層高めている。なお、フィンＦｈは、断熱容器Ｃの内面の一部又はほぼ全体に設けることができる。

さらに、燃料電池システムは、図示を省略したが、燃料電池スタックＳの温度、燃料電池スタックＳからの排気ガス（燃料排気ガス、酸化排気ガス）の温度などを測定するセンサ類を備えており、これらの測定値に基づいて各機能部を制御することが可能である。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、上記構成を備えた燃料電池システムの運転方法を説明する。

上記の燃料電池システムは、起動時には、酸化ガス供給経路Ｌ１において、ブロア１、流量調整器２及び熱交換器３を介して空気を導入し、この導入空気を酸化ガスとして燃料電池スタックＳに供給する。一方、燃料ガス供給経路Ｌ２において、流量調整器４を介して炭化水素系燃料を改質器５に供給し、改質器５において炭化水素系燃料から水素を取出し、この水素を燃料ガスとして燃料電池スタックＳに供給する。

このとき、当該燃料電池システムは、図２のステップＳ１において、容器内排気手段Ｌ４の排気ポンプ７を駆動し、第１排気経路Ｌ４１若しくは第２排気経路Ｌ４２を介して、断熱容器Ｃの容器内空間の排気（脱気）を開始する。また、燃料電池スタックＳからの排気ガス、すなわち燃料成分の残る燃料排気ガスと酸化剤成分の残る酸化排気ガスとをバーナー６で混合燃焼させ、熱交換器３において燃焼ガスの熱と導入空気との間で熱交換を行って導入空気を加熱（予熱）する。

燃料電池システムは、上記の如く燃料電池スタックＳに酸化ガスと燃料ガスを供給することで発電を開始し、自己の発電反応による熱及び予熱空気による熱で燃料電池スタックＳが昇温し、その排気ガスである酸化排気ガス及び燃料排気ガスも昇温し始める。

この際、燃料電池システムは、燃料電池スタックＳの昇温過程において、断熱容器Ｃの容器内空間を排気（脱気）することから、容器内空間の熱伝導率が低下して燃料電池スタックＳの熱が周囲に放出され難くなり、容器内空間の熱容量が小さくなって断熱性が高まり、燃料電池スタックＳを短時間で昇温させることができる。つまり、起動時間を短縮することが可能となる。

次に、燃料電池システムは、図２のステップＳ２において、酸化排気ガス燃料排気ガスの温度が規定値（Ｔ１）に達したところで、ステップＳ３において、容器内給気手段Ｌ５の第２給気経路Ｌ５２により、容器内空間への酸化排気ガスの供給を開始する。このように、昇温された酸化排気ガスを容器内空間に供給することで、燃料電池スタックＳを外側から加熱する。これにより燃料電池スタックＳの昇温時間がより短縮される。

その後、燃料電池システムは、発電反応がさらに進行し、図２のステップＳ４において、排気ガス温度が規定値（Ｔ２）に達した後には、ステップＳ５において、過度の昇温を防止するために、容器内空間の排気量（脱気量）を減少させたり排気を停止したりし、さらに、容器内空間への酸化排気ガスの供給量を減少させたり供給を停止したりする。

このように、断熱容器Ｃの容器内空間の排気量を減少させると、容器内空間の熱伝導率が増加し（断熱性が低下し）、燃料電池スタックＳの熱が周囲に放出され易くなる。また、容器内空間への酸化排気ガスの供給量を減少させても加熱が抑制される。なお、排気ガスの規定値Ｔ２とは、当該燃料電池システムの定常運転温度直前の温度である。

上記の燃料電池システムは、定常運転時には、図２のステップＳ６において、排気ガスの温度が規定値Ｔ３よりも低下した場合と、図２のステップＳ８において、排気ガスの温度が規定値Ｔ３よりも上昇した場合とで、加熱や冷却の制御を夫々行うこととなる。

すなわち、排気ガスの温度が規定値Ｔ３よりも低下した場合には、基本的には起動時の動作と同様に、図２のステップＳ７において、容器内給気手段Ｌ５の第２給気経路Ｌ２により、燃料電池スタックＳからの酸化排気ガスを容器内空間に供給し、この際、ガス制御部Ｃ５２において酸化排気ガスの供給量、温度及び湿度を調製し、また、必要に応じて容器内排気手段Ｌ４により容器内空間を排気（脱気）する。これにより、燃料電池スタックＳを加熱する。

つまり、燃料電池スタックＳの温度を上げたい場合には、断熱容器Ｃの容器内空間の熱伝導率を低下させることや、容器内空間の温度を上げることが有効である。その具体的手段は、容器内空間の脱気や容器内空間への酸化排気ガスの供給である。容器内空間を脱気すれば熱伝導率が低下して、断熱性が高められる。また、酸化排気ガスは、発電による反応熱で加熱され且つ水分を含まないので、熱伝導率が低くて熱容量が小さい。

したがって、断熱容器Ｃの容器内空間を脱気することは、燃料電池スタックＳを断熱することであり、また、容器内空間に酸化排気ガスを供給することは、熱伝導率が低くて熱容量が小さい高温の空間に燃料電池スタックＳを収容したことになり、同燃料電池スタックの温度を上げることができる。

次に、排気ガスの温度が規定値Ｔ３よりも上昇した場合には、図２のステップＳ９において、容器内給気手段Ｌ５の第１給気経路Ｌ５１により、燃料電池スタックＳからの燃料排気ガスを容器内空間に供給し、この際、ガス制御部Ｃ５１において燃料排気ガスの供給量、温度及び湿度を調製し、とくに、ガス制御部Ｃ５１において燃料排気ガスを冷却する。容器内空間に供給された燃料排気ガスは、燃料電池スタックＳの冷却に寄与した後、容器内排気手段Ｌ４等により外部に排出される。

これにより、燃料電池スタックＳは、同スタックの温度よりも低温で、熱伝導率が高く且つ熱容量の大きい空間に収容されたことになり、冷却される。

つまり、燃料電池スタックＳの温度を下げたい場合には、断熱容器Ｄの容器内空間の熱伝達率を高めることや、容器内空間の熱容量を高めることが有効である。その具体的手段は、容器内空間に対して、冷却された水分を含む燃料排気ガスを供給することである。燃料排気ガスは、発電により発生した水を多く含むため、その熱伝導率は高く、容器内空間に供給することで、同空間の熱伝達率を高めることができる。また、燃料排気ガスは、水分を含むために熱容量が大きく、容器内空間の熱容量を増加させることができる。

したがって、断熱容器Ｃの容器内空間に燃料排気ガスを供給することは、熱伝導が高くて熱容量が大きい低温の空間に燃料電池スタックＳを収容したことになり、同燃料電池スタックからの放熱が促進され、燃料電池スタックＳの温度を下げることができる。

上記の燃料電池システムは、停止時には、酸化ガス供給経路Ｌ１及び燃料ガス供給経路Ｌ２による酸化ガス及び燃料ガスの供給を停止し、この際、図２のステップＳ１０において、容器内給気手段Ｌ５の第１給気経路Ｌ５１により、断熱容器Ｃの容器内空間に、除湿した燃料排気ガスを供給して同空間を封止する。

そして、図２のステップＳ１１において、残留排気ガスの温度が規定値（Ｔ４）以下になったところで、図２のステップＳ１２において、充填した燃料排気ガスを排出する。なお、除湿された燃料排気ガスは還元性ガスであり、停止時に燃料電池スタックＳの温度が急激に低下しないようにすることで、金属部材で構成された燃料電池スタックＳの酸化を防止することができる。

このように、当該燃料電池システムは、とくに、定常運転時には、燃料電池スタックＳの温度又は排気ガスの温度の増減に応じて、断熱容器Ｃの容器内空間の排気量（脱気量）、容器内空間への排気ガス（酸化排気ガス、燃料排気ガス）の供給量、温度及び湿度を調整することで、燃料電池スタックＳの温度が適正範囲となるように制御する。そして、全体として、起動、定常運転及び停止を安定して行うことができ、運転効率の向上を実現することができる。

ここで、図３（ａ）は起動時の燃料排気ガス温度の変化を示すグラフ、図３（ｂ）は定常運転時の燃料排気ガス温度の変化を示すグラフである。各グラフでは、図１に示す構成を備えた本発明による燃料電池システムのデータを実線で示し、これらの手段が無い比較例の燃料電池システムのデータを破線で示している。

起動時には、燃料排気ガスの温度が、室温から定常運転温度（Ｔ３）である約７５０℃まで上昇する。図３（ａ）から明らかなように、本発明では定常運転温度に達するまでの時間が２０分であり、比較例では定常運転温度に達するまでの時間が４０分であった。

つまり、図１に示す構成、すなわち容器内排気手段Ｌ４及び容器内給気手段Ｌ５を備え、とくに、容器内排気手段Ｌ４が、容器内空間を強制排気する排気ポンプ７を備えると共に、容器内給気手段Ｌ５が、ガス制御部Ｃ５１，Ｃ５２を備える燃料電池システムとすることで、比較例に比べて起動時間を２０分短縮することができる。

また、定常運転時には、図３（ｂ）から明らかなように、本発明では比較例に比べて燃料排気ガスの温度変化の幅が小さくなる。すなわち、適正温度に対する温度範囲を±Ｘ ℃で表現すると、本発明の場合はＸ＝２０であり、比較例の場合はＸ＝５０であった。

つまり、図１に示す構成、すなわち容器内排気手段Ｌ４及び容器内給気手段Ｌ５を備え、とくに、容器内排気手段Ｌ４が、容器内空間を強制排気する排気ポンプ７を備えると共に、容器内給気手段Ｌ５が、ガス制御部Ｃ５１，Ｃ５２を備える燃料電池システムとすることで、比較例に比べて、温度制御性を約３０℃圧縮することができる。

図４は、本発明の燃料電池システムの他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の実施形態の燃料電池システムにおいて、先の実施形態（図１）と異なる構成は、容器内排気手段Ｌ４が、強制排気を行う排気ポンプを備えていないところであり、容器内排気手段Ｌ４の第１排気経路Ｌ４１が、断熱容器Ｃの容器内空間から熱交換器３に直接至る構造になっている。

上記の燃料電池システムは、図５に示すステップＳ２１〜Ｓ３２に従って起動、定常運転及び停止が行われることとなり、この際、先の実施形態（図１）と異なる点は、排気ポンプによる強制排気を行わず、熱交換器３を介した自然排気を行うところである。

そして、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、起動時及び定常運転時における燃料排気ガス温度の変化を示すグラフであり、図４に示す燃料電池システムのデータ（実線）と比較例のデータ（破線）を示している。

起動時には、図６（ａ）から明らかなように、本発明では定常運転温度に達するまでの時間が３０分であり、比較例では定常運転温度に達するまでの時間が４０分であった。つまり、図４に示す構成の燃料電池システムとすることで、比較例に比べて、温度制御性を約１０分短縮することができる。

また、定常運転時には、図６（ｂ）から明らかなように、適正温度に対する温度範囲を±Ｘ ℃で表現すると、本発明の場合はＸ＝２０であり、比較例の場合はＸ＝５０であった。つまり、図１に示す構成の燃料電池システムとすることで、比較例に比べて、温度制御性を約３０℃圧縮することができる。

さらに、図４に示す燃料電池システムによれば、強制排気を行う排気ポンプを用いないことから、排気ポンプを用いた場合に比べて起動時間が僅かに長くなるものの、比較例に比べて起動時間を短縮できることに変わりはなく、しかも、排気ポンプの廃止に伴ってシステムの省力化を図ることもできる。

なお、本発明の燃料電池システムは、その構成が上記各実施形態のみ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で構成の細部を変更することが可能である。

本発明の燃料電池システムの一実施形態を説明するブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 図１に示す実施形態に関して、起動時における燃料排気ガス温度の変化を示すグラフ（ａ）、及び定常運転時における燃料排気ガス温度の変化を示すグラフ（ｂ）である。 本発明の燃料電池システムの他の実施形態を説明するブロック図である。 図４に示す燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 図４に示す実施形態に関して、起動時における燃料排気ガス温度の変化を示すグラフ（ａ）、及び定常運転時における燃料排気ガス温度の変化を示すグラフ（ｂ）である。

符号の説明

Ｃ 断熱容器
Ｆ フィン
Ｃ５１ ガス制御部（燃料ガス）
Ｃ５２ ガス制御部（酸化ガス）
Ｌ４ 容器内排気手段
Ｌ４１ 第１排気経路
Ｌ４２ 第２排気経路
Ｌ５ 容器内給気手段
Ｌ５１ 第１給気経路
Ｌ５２ 第２給気経路
Ｓ 燃料電池スタック
７ 排気ポンプ

Claims (6)

1. 固体電解質型の燃料電池スタックを断熱容器に収容した構造を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックからの排気ガスを断熱容器の容器内空間に供給する容器内給気手段と、
   断熱容器の容器内空間を排気する容器内排気手段を備え、
   容器内排気手段が、容器内空間を強制排気する排気ポンプを備えていると共に、
   容器内に燃料電池スタックからの排気ガスを給気する手段として、燃料電池スタックから容器内空間に至る経路に、排気ガスの供給量、温度及び湿度を調整するガス制御部を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 断熱容器の内面に、燃料電池スタックに非接触のフィンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムを運転するに際し、断熱容器の容器内空間に対する排気ガスの供給量、温度及び湿度を調整して、燃料電池スタックの温度を制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
4. 断熱容器の容器内空間に対する排気ガスの供給量、温度及び湿度に加えて、断熱容器の容器内空間からの排気量を調整して、燃料電池スタックの温度を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法。
5. 起動時において、断熱容器の容器内空間を排気し、燃料電池スタックの排気ガスの温度が規定値に達した後に、排気ガスを容器内空間に供給することを特徴する請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。
6. 停止時において、燃料電池スタックの排気ガスを容器内空間に供給し、断熱容器の容器内空間の温度が規定値よりも下がった後に、容器内空間を排気することを特徴する請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。

Images