JP5203668B2 - 燃料電池発電システムとその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池本体とこの燃料電池本体から排出されるアノードオフガスを冷却してアノードオフガス中の水分を除去する熱交換系と、そのアノードオフガス中の燃料分を燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池発電システムとその制御方法に関するものである。

燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し外部へ取り出す発電装置である。

このような燃料電池発電システムにおいて、燃料電池スタックで生成される水及び燃料電池スタックで凝縮した水の少なくとも一方の水量を燃料電池発電システムの運転状況から予測する手段を備え、この予測した発生水量とプラントの運転状態とから燃焼器の動作状態を判定する技術が従来より提案されている。

例えば、特許文献１は、燃料電池スタックで生成される水及び燃料電池スタックで凝縮した水の少なくとも一方が規定量以上燃焼器に導入される前に、制御手段と温度検知器を用いて電気ヒータにより燃焼器の温度を基準温度以上にまで上昇させるものである。これにより、凝縮水が排出される前に燃焼触媒の燃焼温度を予め凝縮水が供給されても失火しない温度である基準温度にまで昇温させることができ、結果として凝縮水が供給されても燃焼触媒の燃焼が維持され、失火したり未燃燃料をシステム外に排出したりすることを防止するものである。

また、特許文献２では、燃料電池スタックの燃料極（アノード）から排出されるアノードオフガスを一度冷却し、アノードオフガスに含まれるドレンを取り出した後に再度熱し、触媒燃焼器に入る段階でドレンの排出を抑える技術が開示されている。
特開２００６−６６１１５号公報 特開２００６−８６０８０号公報

ところで、上記特許文献１では、燃焼器の温度を基準温度以上にまで上昇させるために、電気ヒータを投入しているが、このような構成では、発電した電気の一部を消費してしまうこととなり、燃料電池の発電効率が低下してしまう、電気出力が低下してしまうという課題があった。

また、特許文献２では、一般に冷却の冷熱源として使用される排熱戻り温水の温度が上昇すると、ドレン除去による触媒燃焼器の燃焼性確保の効果が得にくくなるという課題があった。また、排熱戻り水温度の上昇のみでならず他の要因によっても、触媒燃焼器の燃焼性が確保されなくなる場合があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高効率な特性を失うことなく、触媒燃焼器の安定動作を確保することができる燃料電池発電システムとその制御方法を提供することにある。

以上の課題を解決するため、本発明は、燃料極と空気極とを備えた燃料電池本体と、水素と酸素を前記燃料電池本体の前記燃料極と前記空気極とにそれぞれ供給するガス供給手段と、前記燃料極から排出されるアノードオフガスを冷却してアノードオフガス中の水分を除去する熱交換系と、前記熱交換系を経たオフガス中の燃料分を燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記熱交換系は、前記燃料極から排出されるアノードオフガスを冷却するアノードオフガス再熱熱交換器と、前記アノードオフガス再熱熱交換器から排出されたアノードオフガスを冷却するアノードオフガス冷却器と、前記アノードオフガス冷却器から排出されたアノードオフガス中の水分を除去するドレンセパレータとからなり、前記アノードオフガス再熱熱交換器は、前記ドレンセパレータから排出されたアノードオフガスを再熱し、前記アノードオフガス冷却器の低温側には、排熱利用戻り水を循環させる排熱利用系が設けられ、この排熱利用系には、流通する排熱戻り水の温度を測定する温度センサが設けられ、前記排熱戻り水の温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池本体の燃料利用率を低下させる制御部を備えたことを特徴とする。

以上のような本発明によれば、アノードオフガス冷却器の低温側流体に排熱利用系からの戻り水を利用し、この排熱利用系に温度センサを設け排熱利用水戻り温度を監視し、温度が上昇した場合に、制御装置により燃料電池本体における燃料利用率を低下させる。これにより、排熱利用系において戻り水温度が高くなり、アノードオフガス冷却器での除熱量が減少し、アノードオフガス中の水分除去量が減少することを防ぎ、触媒燃焼器での燃焼性を確保することができる。

以上のような本発明によれば、高効率な特性を失うことなく、触媒燃焼器の安定動作を確保することができる燃料電池発電システムとその制御方法を提供することができる。

以下、本発明における代表的な実施形態について、図１〜図５を参照して具体的に説明する。

（１）第１の実施形態
［構成］
まず、図１を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。第１の実施形態における燃料電池発電システム１は、燃料電池２と、燃料電池２の燃料極２ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、燃料電池２の空気極２ｂに空気を供給する空気供給手段４と、燃料電池発電システム１の運転を制御する制御装置５とから構成される。

ここで、燃料電池２には、固体高分子形燃料電池が用いられる。この固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極及び空気極を接合した膜電極接合体に、その両側に燃料ガス流路及び空気流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有する。また、燃料極及び空気極の一部を構成する触媒層は、触媒を担持した担体と高分子電解質膜との複合体からなる。燃料電池２は、一般にこのような構造を備えた単セルが多数積層されたスタックを用いてなるものである。

燃料ガス供給手段３は、燃料ガスである水素を供給する水素供給源を端部に備え、この水素供給源は、純水素を供給する水素ボンベ、あるいは改質ガスを供給する改質器のいずれであってもよく特に限定されるものではない。

燃料電池２の空気極２ｂから排出されるカソードオフガスと、燃料極２ａから排出されるアノードオフガスとが、触媒燃焼器６へ供給されるようになっており、空気極２ｂにはカソード配管８が、燃料極２ａにはアノード配管９がそれぞれ接続されている。

このアノード配管９には、アノードオフガス再熱熱交換器７１と、アノードオフガス冷却器７２及びドレンセパレータ７３とから構成される熱交換系７が設けられている。すなわち、燃料極２ａから排出されるアノードオフガス中には、水分が含まれており、このまま触媒燃焼器６へ導入すると、凝縮した水分等により、触媒燃焼器６での燃焼状態が安定しなくなることがある。そこで、燃料極２ａから触媒燃焼器６に至るアノード配管９に熱交換系７を設け、アノードオフガス再熱熱交換器７１とアノードオフガス冷却器７２とにより、アノードオフガスを冷却することにより、ドレンセパレータ７３においてアノードオフガス中の水分を一部除去し、アノードオフガス再熱熱交換器７１で再熱することにより、乾き状態にて触媒燃焼器６へ送る構成としている。

ここで、アノードオフガス冷却器７２の低温側流体は、排熱利用系からの戻り水を用いている。排熱利用水戻り温度センサ７４により、排熱利用水戻り温度を監視し、温度が上昇した場合には、制御装置５により燃料流量調整弁３１の開度制御を行い、燃料利用率を低めに制御するようになっている。より具体的な制御装置５の制御は、図２のグラフに示すように、排熱利用水戻り温度が上昇してきたら、その時の発電負荷に応じた燃料流量調整弁の補正開度カーブを設定しておき、これに基づいて、燃料流量調整弁３１の開度制御を行い、燃料極２ａに供給される水素量を増加し、燃料利用率を低めに制御するものである。

［作用効果］
以上のような本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料極２ａから触媒燃焼器６へ至るアノード配管９に、アノードオフガス再熱熱交換器７１と、アノードオフガス冷却器７２及びドレンセパレータ７３とから構成される熱交換系７を設け、これにより燃料極２ａから排出されるオフガスをアノードオフガス再熱熱交換器７１とアノードオフガス冷却器７２とにより冷却する。そして、このドレンセパレータ７３においてアノードオフガス中の水分を一部除去し、アノードオフガス再熱熱交換器７１で再熱することにより、乾き状態にて触媒燃焼器６へ送る。

これにより、アノードオフガス中の水分を十分に除去した状態で、触媒燃焼器６へアノードオフガスを供給することができるので、触媒燃焼器での燃焼性を確保することができる。特に、この熱交換系におけるアノードオフガス冷却器７２の低温側流体は、排熱利用系からの戻り水を用いているので、従来のように電気ヒータを投入する必要がなく、燃料電池発電システムの高効率を確保することが可能である。

また、アノードオフガス冷却器７２の低温側流体に排熱利用系からの戻り水を利用した場合、排熱利用系においては、その熱需要により戻り水温度が高くなることがあるが本実施形態では、排熱利用水戻り温度センサ７４により、排熱利用水戻り温度を監視し、温度が上昇した場合には、アノードオフガス冷却器での除熱量が減少することによる、触媒燃焼器での燃焼の不安定化を防止するために、制御装置５により燃料流量制御弁６５の開度制御を行い、アノード２ａに供給される水素の流量を増加し、燃料利用率を低下させる。

このような制御を実施することにより、排熱利用系において戻り水温度が高くなり、ドレン熱交換器での除熱量が減少し、アノードオフガス中の水分除去量が減少することを防ぎ、触媒燃焼器での燃焼性を確保することを実現している。

（２）第２の実施形態
［構成］
次に、本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図３に示すとおり、本実施形態の燃料電池発電システム２０は、第１の実施形態における燃料電池発電システム１の構成において、カソード空気バイパスライン２１を追加したものである。このカソード空気バイパスライン２１は、空気供給手段４と燃料電池の空気極２ｂの間から、空気極２ｂを跨いで空気極２ｂと触媒燃焼器６との間に配管されている。すなわち、空気供給手段４から供給される空気を迂回させる配管構成となっている。

このカソード空気バイパスライン２１には、流量調整弁２２が設けられており、この流量調整弁２２は、制御装置５により、流量制御されるようになっている。この制御装置５による流量調整弁２２の具体的な制御手法は、図４のグラフに示すように、排熱利用水戻り温度センサ７４から排熱利用水温度が上昇した場合には、制御装置５により流量調整弁２２の開度制御を行い、カソード空気バイパスライン２１を流れる空気量を増加させ、触媒燃焼器６での燃焼性を向上させるものである。

［作用効果］
以上のような本実施形態の燃料電池発電システム２０は次のように作用する。すなわち、制御装置５が、排熱利用水戻り温度センサ７４により、排熱利用水戻り温度を監視する。排熱利用水戻り温度センサ７４より、排熱利用水の温度が所定の温度より上昇した場合には、制御装置５は、カソード空気バイパスライン２１の流量調整弁２２を開とする。これにより、空気供給手段４からカソード空気バイパスライン２１を通って、Ｏ₂ 分率が高く、一般に水分も少ないフレッシュ空気を、触媒燃焼器６へ直接導入する。このとき、燃料電池発電システム２０における空気の全体流量が増加するため、空気供給手段４から燃料電池２の空気極２ｂに供給される空気量に変化はないものの、燃料電池２の外部空気利用率は低下したこととなる。

したがって、触媒燃焼器への酸素供給量を増加させ、触媒燃焼器での燃焼性を向上させることが可能となる。よって、アノードオフガス冷却器での除熱量が減少することによる触媒燃焼器での燃焼の不安定化を防止することができ、触媒燃焼器６での燃焼性を確保することが可能となる。

なお、流量調整弁を、カソード空気バイパスライン２１側ではなく、カソード側に流量調整弁を設置し、排熱利用水戻り温度センサ７４より、排熱利用水の温度が所定の温度より上昇した場合に、このカソード側に設けた流量調整弁を絞ることによっても、上記の場合と同様の効果が得ることが可能である。また、空気極２ｂに供給される空気量の変化量に必ずしも変化が無い必要はなく、極論すればカソード空気バイパスライン２１の流量をまったく変化させずにカソード側の流量を増加させることによっても、上記の場合と同様の効果が得ることが可能である。以上のような本実施形態の燃料電池発電システムによれば、触媒燃焼器６での燃焼性を確保することができる。

（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について、図５を用いて説明する。なお、第１又は第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態形態の燃料電池発電システム３０では、図５に示すように、触媒燃焼器６の入口側に電気ヒータ３０ａを設けたものである。この電気ヒータ３０ａのオンオフ制御は、制御装置５により行うように構成されている。なお、その他の構成に関しては、第１の実施形態と同様である。

このような本実施形態形態の燃料電池発電システム３０では、制御装置５は、排熱利用水戻り温度センサ７４により排熱利用水戻り温度を監視し、温度が上昇した場合には、制御装置５により電気ヒータ３０ａの出力を増加するよう制御して、触媒燃焼器６の燃焼温度を調整する。

このように、電気ヒータ３０ａを動作させることで触媒燃焼器６の温度を上昇させ燃焼性を確保し、アノードオフガス冷却器での除熱量が減少することによる触媒燃焼器での燃焼の不安定化を防止する。これにより、触媒燃焼器６での燃焼性を確保することができる。

本発明の第１の実施形態の全体構成を示す図。 本発明の第１の実施形態における燃料流量調整弁の制御を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態の全体構成を示す図。 本発明の第２の実施形態における燃料流量調整弁の制御を示すグラフ。 本発明の第３の実施形態の全体構成を示す図。

符号の説明

１…燃料電池発電システム
２…燃料電池
２ａ…燃料極（アノード）
２ｂ…空気極（カソード）
３…燃料ガス供給手段
３１…燃料流量調整弁
４…空気供給手段
５…制御装置
６…触媒燃焼器
７…熱交換系
７１…アノードオフガス再熱熱交換器
７２…アノードオフガス冷却器
７３…ドレンセパレータ
７４…温度センサ
８…カソード配管
９…アノード配管
２０…燃料電池発電システム
２１…カソード空気バイパスライン
２２…流量調整弁
３０…燃料電池発電システム
３０ａ…電気ヒータ

Claims (7)

1. 燃料極と空気極とを備えた燃料電池本体と、水素と酸素を前記燃料電池本体の前記燃料極と前記空気極とにそれぞれ供給するガス供給手段と、前記燃料極から排出されるアノードオフガスを冷却してアノードオフガス中の水分を除去する熱交換系と、前記熱交換系を経たオフガス中の燃料分を燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記熱交換系は、前記燃料極から排出されるアノードオフガスを冷却するアノードオフガス再熱熱交換器と、前記アノードオフガス再熱熱交換器から排出されたアノードオフガスを冷却するアノードオフガス冷却器と、前記アノードオフガス冷却器から排出されたアノードオフガス中の水分を除去するドレンセパレータとからなり、
   前記アノードオフガス再熱熱交換器は、前記ドレンセパレータから排出されたアノードオフガスを再熱し、
   前記アノードオフガス冷却器の低温側には、排熱利用戻り水を循環させる排熱利用系が設けられ、
   この排熱利用系には、流通する排熱戻り水の温度を測定する温度センサが設けられ、
   前記排熱戻り水の温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池本体の燃料利用率を低下させる制御部を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記ガス供給手段と前記燃焼器との間に流量制御弁が設けられ、
   前記制御部は、前記流量制御弁を制御して前記燃料極に供給される水素量を制御することにより、前記燃料電池本体の燃料利用率を低下させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記ガス供給手段と前記空気極との間から前記空気極を迂回して空気極と触媒燃焼器との間に配されたバイパス配管を備え、
   このバイパス配管には、空気流量調整弁が設けられ、
   前記制御部は、前記温度センサからの前記排熱戻り水の温度が所定温度以上となった場合に、前記空気流量調整弁を制御して、バイパス配管を流れる空気の流量を増加させることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池発電システム。
4. 前記燃焼器の上流にヒータを備え、
   前記制御部は、前記温度センサからの前記排熱戻り水の温度が所定温度以上となった場合に、前記ヒータの出力を増加させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
5. 燃料極と空気極とを備えた燃料電池本体と、水素と酸素を前記燃料電池本体の前記燃料極と前記空気極とにそれぞれ供給するガス供給手段と、アノードオフガス再熱熱交換器とアノードオフガス冷却器とドレンセパレータとからなり、前記燃料極から排出されるアノードオフガスを前記アノードオフガス再熱熱交換器、前記アノードオフガス冷却器の順で冷却し、前記アノードオフガス冷却器から排出されたアノードオフガス中の水分を前記ドレンセパレータで除去し、前記ドレンセパレータから排出されたアノードオフガスを前記アノードオフガス再熱熱交換器で再燃する熱交換系と、前記熱交換系を経たアノードオフガス中の燃料分を燃焼させる燃焼器と、前記アノードオフガス冷却器の低温側に設けられ排熱利用戻り水を循環させる排熱利用系と、この排熱利用系に設けられ流通する排熱戻り水の温度を測定する温度センサと、これらを制御する制御部を備えた燃料電池発電システムの制御方法において、
   前記制御部は、前記温度センサにより、前記排熱戻り水の温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池本体の燃料利用率を低下させる処理を実行することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
6. 前記ガス供給手段と前記空気極との間から前記空気極を迂回して空気極と触媒燃焼器との間に配されたバイパス配管と、このバイパス配管に設けられた空気流量調整弁が設けられ、
   前記制御部は、前記温度センサからの前記排熱戻り水の温度が所定温度以上となった場合に、前記空気流量調整弁を制御して、バイパス配管を流れる空気の流量を増加させるを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電システムの制御方法。
7. 前記燃焼器の上流にヒータが設けられ、
   前記制御部は、前記温度センサからの前記排熱戻り水の温度が所定温度以上となった場合に、前記ヒータの出力を増加させる処理を行うことを特徴とする請求項５又は６記載の燃料電池発電システムの制御方法。

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