(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置と、前記空気の供給流量を制御する空気流量制御部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記空気の供給流量に対する燃料電池スタックの発電で消費される空気消費量の比を空気利用率と定義するとき、前記空気流量制御部は、前記燃料電池スタックが正常な状態で運転している場合において、前記燃料電池スタックが定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転状態における空気利用率が、定格運転状態における空気利用率よりも高くなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて空気の供給流量を変更するように制御するものであること、を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気流量制御部は、前記低負荷運転状態における前記空気利用率を８０〜９０％とするように空気の供給流量を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給装置と、前記冷却水の流量を制御する冷却水流量制御部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記冷却水供給装置は、前記燃料電池スタックに流れる冷却水を循環させる冷却水ラインと、この冷却水ラインに設けられて前記燃料電池スタックに流れる冷却水の熱を放出する熱交換器と、この熱交換器から放出された熱を回収する廃熱回収ラインと、を備え、
前記冷却水流量制御部は、前記燃料電池スタックが定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転状態における前記冷却水の流量が、定格運転状態の前記冷却水の流量よりも少なくなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて前記冷却水の流量を変更するように制御するものであること、を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記空気の供給流量に対する燃料電池スタックの発電で消費される空気消費量の比を空気利用率と定義するとき、前記燃料電池スタックが正常な状態で運転している場合において、定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転時における空気利用率が、定格運転時における空気利用率よりも高くなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて空気の供給流量を変更するように制御すること、を特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給装置とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記冷却水供給装置は、前記燃料電池スタックに流れる冷却水を循環させる冷却水ラインと、この冷却水ラインに設けられて前記燃料電池スタックに流れる冷却水の熱を放出する熱交換器と、この熱交換器から放出された熱を回収する廃熱回収ラインと、を備え、
定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転時における前記冷却水の流量が定格運転時における前記冷却水の流量よりも少なくなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて前記冷却水の流量を変更するように制御すること、を特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
定格運転状態と低負荷運転状態とを実現する燃料電池システム、および、かかる燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料ガス中の水素と、空気中の酸素の電気化学反応によって、電気と熱を発生する装置である。自動車用、携帯用の用途の他に、家庭などで使う定置用として燃料電池システムの開発が進められている。家庭用の燃料電池システムは、電気と温水をユーザーに供給するコージェネレーションシステムである。すなわち、発電で得られる電気を供給すると同時に、発生する熱を熱交換によって回収して、２次冷却水を温め、温水として提供する。
【０００３】
図５は、一般的な家庭の電力需要一日の変動と家庭用燃料電池システムの一般的な運転方法を表すグラフである。家庭の電力需要は生活時間帯に合わせて変動する。一般に、図５の実線Ａに示すように、朝と夕方には電力需要が高く、昼間と夜間には電気使用量は低下する。燃料電池システムは、電力需要に合わせて運転負荷を変動させるのが一般的である。運転負荷の変動は、図５の破線Ｂに示すように、連続的ではなく、定格出力と、定格出力の１／４〜１／２程度の一定の低出力での運転を切り替えて行なう。すなわち、電力需要が定格出力以上の時は定格出力運転を行ない、電力需要が定格出力未満の時には、定格出力の１／４〜１／２程度の一定の低出力での低負荷運転を行なう。
【０００４】
燃料電池スタックに導入される冷却水は、燃料電池反応による発熱によって加熱される。燃料電池スタックから排出される高温の冷却水は熱交換器を通して、２次冷却水を加熱する。加熱された２次冷却水は貯湯タンクに蓄えられ、温水として家庭に供給される。
【０００５】
低負荷運転時においては、燃料電池スタックからの発熱が少ないために、燃料電池スタックから出てくる冷却水の温度は定格運転時に比べて低くなる。そのために、前述の熱交換器における熱交換効率が定格運転時に比べて低くなる。たとえば特許文献１では、熱交換効率が低い場合においては、燃料電池冷却水側にバイパスを設けて熱供給量を抑制し、熱利用率を向上している。また、特許文献２においては、低負荷運転時において燃料電池スタックに供給するガス流量を低減し、燃料電池内の水量を増加させ、燃料電池スタックの保護と特性回復を行なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２３０３２号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した燃料電池システムにおいて低負荷運転時には、前述の熱交換器における熱交換効率が下がり、温水の供給能力が低下する。上述の特許文献１または２に開示された技術では、熱交換効率を上げる施策にはならないことが課題であった
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの低負荷運転時における熱交換効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムの一つの態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置と、前記空気の供給流量を制御する空気流量制御部とを備えた燃料電池システムにおいて、前記空気の供給流量に対する燃料電池スタックの発電で消費される空気消費量の比を空気利用率と定義するとき、前記空気流量制御部は、前記燃料電池スタックが正常な状態で運転している場合において、前記燃料電池スタックが定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転状態における空気利用率が、定格運転状態における空気利用率よりも高くなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて空気の供給流量を変更するように制御するものであること、を特徴とする。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムの他の一つの態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給装置と、前記冷却水の流量を制御する冷却水流量制御部とを備えた燃料電池システムにおいて、前記冷却水供給装置は、前記燃料電池スタックに流れる冷却水を循環させる冷却水ラインと、この冷却水ラインに設けられて前記燃料電池スタックに流れる冷却水の熱を放出する熱交換器と、この熱交換器から放出された熱を回収する廃熱回収ラインと、を備え、前記冷却水流量制御部は、前記燃料電池スタックが定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転状態における前記冷却水の流量が、定格運転状態の前記冷却水の流量よりも少なくなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて前記冷却水の流量を変更するように制御するものであること、を特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法の一つの態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記空気の供給流量に対する燃料電池スタックの発電で消費される空気消費量の比を空気利用率と定義するとき、前記燃料電池スタックが正常な状態で運転している場合において、定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転時における空気利用率が、定格運転時における空気利用率よりも高くなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて空気の供給流量を変更するように制御すること、を特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法の他の一つの態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給装置とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記冷却水供給装置は、前記燃料電池スタックに流れる冷却水を循環させる冷却水ラインと、この冷却水ラインに設けられて前記燃料電池スタックに流れる冷却水の熱を放出する熱交換器と、この熱交換器から放出された熱を回収する廃熱回収ラインと、を備え、定格出力よりも低い所定の出力で運転する低負荷運転時における前記冷却水の流量が定格運転時における前記冷却水の流量よりも少なくなるように、定格運転状態と低負荷運転状態との切り替えに応じて前記冷却水の流量を変更するように制御すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池システムの低負荷運転時における熱交換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示す系統構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態および従来技術による供給空気流量と発電電流との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態の効果を表すグラフであって、冷却水出口温度およびカソード出口温度と空気利用率との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示す系統構成図である。
【図５】一般的な家庭の電力需要一日の変動と家庭用燃料電池システムの一般的な運転方法を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る燃料電池システムの運転方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
［第１の実施形態］
まず、図１を用いて第１の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示す系統構成図である。
【００１６】
第１の実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１１、燃料電池スタック１１に空気を供給する空気供給装置６０、および空気流量制御部５１を備えている。空気供給装置６０は、空気供給ライン４１と空気ブロア４２から成る。空気ブロア４２からの供給空気流量は、空気流量制御部５１からの信号によって調整される。
【００１７】
燃料電池スタック１１には、冷却水を循環する冷却水ライン２１が接続されている。冷却水ライン２１には熱交換器２３および冷却水ポンプ２２が配置されている。
【００１８】
冷却水ライン２１によって燃料電池スタック１１に導入された冷却水は、燃料電池スタック１１での燃料電池反応による発熱を吸収し、高温となって、燃料電池スタック１１から排出され、熱交換器２３に導入される。高温の冷却水は熱交換器２３で２次冷却水に熱を伝達した後に、冷却水ポンプ２２によって昇圧され、再び燃料電池スタック１１に送られる。
【００１９】
熱交換器２３には、２次冷却水を循環する廃熱回収ライン３１が接続されている。廃熱回収ライン３１には、貯湯タンク３３および廃熱回収ラインポンプ３２が接続されている。２次冷却水は、熱交換器２３で、燃料電池スタック１１からの高温の冷却水によって加熱され、貯湯タンク３３に溜められ、廃熱回収ラインポンプ３２によって昇圧され、再び熱交換器２３に送られる。
【００２０】
燃料電池スタック１１に供給される空気流量は、発電電流に応じて決められる。発電に必要な空気流量は、次の（１）式で求められる。
【００２１】
（空気流量）＝（電流）×（セル数）／４Ｆ×２２．４／０．２１／（空気利用率）
［ＮＬ／ｓｅｃ］  ・・・（１）
ただし、Ｆはファラデー定数、２２．４［Ｌ／ｍｏｌ］は標準状態の理想気体１ｍｏｌの体積［Ｌ］、０．２１は空気中の酸素濃度である。空気利用率は、燃料電池スタック１１に供給される空気のうち発電で消費される空気の割合である。定格出力運転時と低負荷運転時では電流値が異なるので、運転状態が切り替えられた時には、空気流量制御部５１からの信号によって燃料電池スタック１１に導入する空気流量を制御する。空気流量を制御する方法としては、空気ブロア４２の回転数を変更する方法のほかに、空気供給ライン４１に設けたバルブ（図示せず）の開度を変更する方法もある。
【００２２】
本実施形態においては、（定格運転時の空気利用率）＜（低負荷運転時の空気利用率）とする。
【００２３】
図２は、この第１の実施形態および従来技術による供給空気流量と発電電流との関係を示すグラフである。従来技術においては、実線Ｃに示すように、供給空気流量は発電電流に比例している。電気出力は発電電流と電圧の積で与えられる。本実施形態においては、空気利用率を定格運転と異なる値とする。図２の点Ｄに示すように、供給空気流量が、低負荷運転時において、発電電流に比例する値よりも少ない値とする。すなわち、本実施形態において、低負荷運転時には定格運転時に比べて、余剰な空気が少ない条件で運転される。
【００２４】
定格運転時の空気利用率は一般に３０〜６０％である。燃料電池スタック１１の運転時には、発電反応によってカソードに水が生成される。この生成水が反応ガスの拡散を阻害して電圧が低下する現象をフラディングと呼ぶ。一般に、空気利用率が低い値で運転するのは、余剰の空気が増加することによって、酸素の供給量を増やす、あるいは生成水の持ち出し量を増やすという作用が得られ、フラディングを防止することができるためである。生成水量は燃料電池スタック１１を流れる電流に比例する。そのため、低負荷運転時には電流が低く、生成水量が低減し、フラディングは生じにくい。したがって、低負荷運転時には定格運転時よりも高い空気利用率で安定に運転することが可能である。
【００２５】
このように構成された本実施形態において、空気によって燃料電池スタック１１から持ち出される熱量を低減することができる。したがって、低負荷運転時においても、燃料電池スタック１１の運転温度を高温に保つことが可能となる。これにより、燃料電池スタック１１から出てくる冷却水温度を高く保ち、熱交換器２３における熱回収効率を高くすることができる。
【００２６】
特に、低負荷運転時の空気利用率を８０〜９０％とすることによって、熱回収効率を高くする効果を上げることができる。前述の通り、定格運転時の空気利用率は一般に３０〜６０％であるが、低負荷運転時には空気利用率を上げることが可能である。空気利用率が高いほど、余剰の空気による熱の持ち出しを低減し、燃料電池スタック１１の温度を高く保つ効果が得られる。一方、空気利用率が９０％を超えると、低負荷運転時であってもフラディングによる電圧低下の恐れがある。したがって、空気利用率を８０〜９０％とすることが望ましい。
【００２７】
図３に本実施形態の効果を示す。図３は、燃料電池スタック１１からの冷却水出口温度（実線Ｅで示す）およびカソード出口での空気排ガス温度（点線Ｆで示す）と、空気利用率との関係を示すグラフである。空気利用率を上げるにしたがって、いずれの温度も上昇していることがわかる。したがって、上述のように燃料電池システムの熱交換効率を上げる効果が得られる。
【００２８】
［第２の実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの運転方法の第２の実施形態を、図４を用いて説明する。図４は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示す系統構成図である。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。
【００２９】
本実施形態においては、低負荷運転時において、燃料電池スタック１１に導入する冷却水の流量を低減する。定格運転から低負荷運転に移行する時に、冷却水流量制御部６１から冷却水ポンプ２２に信号が送られ、冷却水ポンプ２２の送液量を低減する。
【００３０】
冷却水流量が低減されれば、燃料電池スタック１１からの熱持ち出し量を低減し、燃料電池スタック１１を高温に保つことが可能になる。そのとき、燃料電池スタック１１から出てくる冷却水の温度を高く保ち、熱交換器２３における熱交換効率を高く保つ効果が得られる。
【００３１】
［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、第１の実施形態の供給空気流量制御と第２の実施形態の冷却水流量制御を組み合わせてもよい。またその場合に、第１の実施形態の空気流量制御部５１と第２の実施形態の冷却水流量制御部６１は、別個の装置でもよいが、一つの制御装置に両方の制御機能を持たせてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１１  …  燃料電池スタック
２１  …  冷却水ライン
２２  …  冷却水ポンプ
２３  …  熱交換器
３１  …  廃熱回収ライン
３２  …  廃熱回収ラインポンプ
３３  …  貯湯タンク
４１  …  空気供給ライン
４２  …  空気ブロア
５１  …  空気流量制御部
６０  …  空気供給装置
６１  …  冷却水流量制御部
【図１】
0005646221.tif 000002
【図２】
0005646221.tif 000003
【図３】
0005646221.tif 000004
【図４】
0005646221.tif 000005
【図５】
0005646221.tif 000006