(57)【要約】【課題】燃料電池のオフガス水素の燃焼を少量の触媒により行うことができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１１の発電量を検出する発電量検出部１３と、オフガス水素戻しラインＬ４の途中に接続され、オフガス水素戻しラインＬ４を流通するオフガス水素の量を検出するオフガス水素量検出部１４と、発電量検出部１３、水素供給部１５、弁１６、及びオフガス水素量検出部１４に電気的に接続された制御部１７とを備える。制御部１７は、発電量検出部１３及びオフガス水素量検出部１４の検出値に基づいて、所定量以下のオフガス水素が燃料電池１１から触媒１２へ供給されるように、水素供給部１５に対して、水素供給部１５から燃料電池１１に供給する水素Ｈ１の量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出部と、
前記燃料電池から排出されたオフガス水素を所定量燃焼可能な触媒と、
前記燃料電池と前記触媒とを接続し、前記燃料電池から排出されたオフガス水素を前記触媒へ流通させるオフガス水素排出ラインと、
水素を前記燃料電池に供給する水素供給部と、
一端部が前記オフガス水素排出ラインの途中に接続され、オフガス水素の一部を前記燃料電池へ戻すオフガス水素戻しラインと、
前記オフガス水素排出ラインと前記オフガス水素戻しラインとの接続部に接続され、前記オフガス水素排出ラインを流通するオフガス水素の一部を前記オフガス水素戻しラインへ分流可能な弁と、
前記オフガス水素戻しラインの途中に接続され、前記オフガス水素戻しラインを流通するオフガス水素の量を検出するオフガス水素量検出部と、
前記発電量検出部、前記水素供給部、前記弁、及び前記オフガス水素量検出部に電気的に接続された制御部とを備え、
前記制御部は、前記発電量検出部及び前記オフガス水素量検出部の検出値に基づいて、前記所定量以下のオフガス水素が前記燃料電池から前記触媒へ供給されるように、前記水素供給部に対して、前記水素供給部から前記燃料電池に供給する水素の量を制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記所定量のオフガス水素が前記燃料電池から前記触媒へ供給されるように、前記水素供給部に対して、前記水素供給部から前記燃料電池に供給する水素の量を決定し、前記水素供給部から前記燃料電池へ前記決定した量の水素を所定時間供給し続ける定量オフガス供給制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記定量オフガス供給制御を前記燃料電池が定格運転を行うまで繰り返し行う請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記所定量を超えるオフガス水素が前記燃料電池から排出された場合に、前記所定量のオフガス水素が前記触媒へ供給されるように、前記弁に対して制御を行う請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定量のオフガス水素とは、前記燃料電池の定格運転時に前記燃料電池が排出する量のオフガス水素の３分の４倍以下の量のオフガス水素である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出されるオフガス水素を燃焼させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、燃料電池の燃料極（アノード）に水素ガスが供給され、空気極（カソード）に空気が供給され、供給された水素と空気中の酸素とが化学反応し、発電が行われる。発電を行うためには、水素及び空気を過剰に供給する必要がある。このため、燃料電池において発電に寄与しなかった水素は、オフガス水素となり、発電に寄与しなかった空気は、オフガス空気となり、これらはオフガスとして排気される。
オフガス水素は、発電に係る燃料コスト削減のため、また、安全性を確保するために、触媒を利用して燃焼されることが従来より知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７２６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の定格運転時には、オフガス水素の量は少ない。これに対して燃料電池の起動時には、オフガス水素の量が急増する。例えば、定格運転時におけるオフガス水素の量が１．５Ｎｍ３／ｈである場合には、起動時には、７．７Ｎｍ３／ｈである。
【０００５】
少ないオフガス水素を燃焼するために必要な触媒の量は、少なくて済むが、大量のオフガス水素を燃焼するために必要な触媒の量は多い。上述のように起動時に発生するオフガス水素は大量であるため、この量に対応した量の触媒を用いる必要がある。しかし、定格運転時には、オフガス水素の量が少ないにも拘らず、大量の触媒を利用することになる。このため、大量の触媒を、定格運転時の少ないオフガス水素の燃焼に使用することで、触媒の性能が低下してしまうことになる。
【０００６】
本発明は、燃料電池のオフガス水素の燃焼を少量の触媒により行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出部と、前記燃料電池から排出されたオフガス水素を所定量燃焼可能な触媒と、前記燃料電池と前記触媒とを接続し、前記燃料電池から排出されたオフガス水素を前記触媒へ流通させるオフガス水素排出ラインと、水素を前記燃料電池に供給する水素供給部と、一端部が前記オフガス水素排出ラインの途中に接続され、オフガス水素の一部を前記燃料電池へ戻すオフガス水素戻しラインと、前記オフガス水素排出ラインと前記オフガス水素戻しラインとの接続部に接続され、前記オフガス水素排出ラインを流通するオフガス水素の一部を前記オフガス水素戻しラインへ分流可能な弁と、前記オフガス水素戻しラインの途中に接続され、前記オフガス水素戻しラインを流通するオフガス水素の量を検出するオフガス水素量検出部と、前記発電量検出部、前記水素供給部、前記弁、及び前記オフガス水素量検出部に電気的に接続された制御部とを備え、前記制御部は、前記発電量検出部及び前記オフガス水素量検出部の検出値に基づいて、前記所定量以下のオフガス水素が前記燃料電池から前記触媒へ供給されるように、前記水素供給部に対して、前記水素供給部から前記燃料電池に供給する水素の量を制御する燃料電池システムに関する。
【０００８】
また、前記制御部は、前記所定量のオフガス水素が前記燃料電池から前記触媒へ供給されるように、前記水素供給部に対して、前記水素供給部から前記燃料電池に供給する水素の量を決定し、前記水素供給部から前記燃料電池へ前記決定した量の水素を所定時間供給し続ける定量オフガス供給制御を行うことが好ましい。
【０００９】
また、前記制御部は、前記定量オフガス供給制御を前記燃料電池が定格運転を行うまで繰り返し行うことが好ましい。
【００１０】
また、前記制御部は、前記所定量を超えるオフガス水素が前記燃料電池から排出された場合に、前記所定量のオフガス水素が前記触媒へ供給されるように、前記弁に対して制御を行うことが好ましい。
【００１１】
また、前記所定量のオフガス水素とは、前記燃料電池の定格運転時に前記燃料電池が排出する量のオフガス水素の３分の４倍以下の量のオフガス水素であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、燃料電池のオフガス水素の燃焼を少量の触媒により行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システム１を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システム１においてオフガス水素戻しラインを通してオフガス水素の一部を燃料電池１１へ戻す様子を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１においてオフガス水素戻しラインを通してオフガス水素の一部を燃料電池１１へ戻す様子を示す概略図である。
以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、触媒部１２と、発電量検出部１３と、オフガス水素量検出部１４と、水素供給部１５と、三方弁１６と、制御部１７と、ファン１８と、水素循環ポンプ１９と、逆止弁２１とを有する。
【００１６】
また、燃料電池システム１は、空気供給ラインＬ１と、水素供給ラインＬ２と、オフガス水素排出ラインとしてのオフガス水素ラインＬ３１と、オフガス空気ラインＬ３２と、オフガス水素戻しラインＬ４と、オフガス排気ラインＬ５と、導線Ｌ６とを有する。
【００１７】
空気供給ラインＬ１の一端部は、ファン１８及びフィルタ（図示せず）に接続されている。空気供給ラインＬ１の他端部は、燃料電池１１に接続されている。空気供給ラインＬ１には、ファン１８の駆動により、フィルタ（図示せず）を通過した空気Ａ１が流通する。
【００１８】
水素供給ラインＬ２の一端部は、水素供給部１５に接続されている。水素供給ラインＬ２の他端部は、燃料電池１１に接続されている。水素供給ラインＬ２には、水素供給部１５から供給された水素Ｈ１が流通する。
【００１９】
オフガス水素排出ラインとしてのオフガス水素ラインＬ３１の一端部は、燃料電池１１の出口側に接続されている。オフガス水素ラインＬ３１の他端部は、触媒部１２に接続されている。従って、オフガス水素ラインＬ３１は、燃料電池１１の出口側と触媒部１２の後述する触媒とを接続する。オフガス水素ラインＬ３１の途中には、三方弁１６が接続されている。オフガス水素ラインＬ３１は、燃料電池１１から排出されたオフガスＧ１（オフガス水素）を、触媒部１２へ流通させる。
【００２０】
オフガス空気ラインＬ３２の一端部は、燃料電池１１の出口側に接続されている。オフガス空気ラインＬ３２の他端部は、触媒部１２に接続されている。従って、オフガス空気ラインＬ３２は、燃料電池１１の出口側と触媒部１２の後述する触媒とを接続する。オフガス空気ラインＬ３２は、燃料電池１１から排出されたオフガス空気を、触媒部１２へ流通させる。
【００２１】
オフガス水素戻しラインＬ４の一端部は、三方弁１６に接続されている。オフガス水素戻しラインＬ４の他端部は、燃料電池１１の入り口側に接続されている。オフガス水素戻しラインＬ４の途中には、オフガス水素量検出部１４と水素循環ポンプ１９とが接続されている。オフガス水素戻しラインＬ４には、燃料電池１１から排出されたオフガスＧ１（オフガス水素）の一部が流通する。
【００２２】
オフガス排気ラインＬ５の一端部は、触媒部１２に接続されている。オフガス排気ラインＬ５には、触媒部１２を流通したオフガスＧ１が流通し、オフガスＧ１は、オフガス排気ラインＬ５の他端部から排出される。導線Ｌ６の一端部は、燃料電池１１に接続されている。導線Ｌ６の途中には、発電量検出部１３が接続されている。導線Ｌ６を通して、燃料電池１１で発電された電気Ｅ１が、導線Ｌ６の他端部に接続されたパワーコンディショナ（図示せず）等に供給される。
【００２３】
燃料電池１１は、低温型の燃料電池であるＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）である。燃料電池１１においては、水素Ｈ１と空気Ａ１中の酸素とが反応することによる発電が行われる。例えば、燃料電池１１の定格運転時には、７．７Ｎｍ３／ｈの水素Ｈ１が燃料電池１１に供給され、６．２Ｎｍ３／ｈの水素Ｈ１が消費され、１．５Ｎｍ３／ｈのオフガス水素が燃料電池１１から排出される。燃料電池１１の定格運転時の発電量は、８ｋＷである。燃料電池１１においては、燃料電池１１に供給された水素Ｈ１の８０％を、発電のために消費することができる。
【００２４】
燃料電池１１において発電を行う時の温度である運転温度は、５０℃〜１００℃と低温である。燃料電池１１によって発電された電気は、導線Ｌ６によりパワーコンディショナ（図示せず）を介してＤＣ／ＡＣコンバータ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。
【００２５】
触媒部１２は、触媒を収容している。触媒としては、活性金属として白金、ロジウム、パラジウム、コバルト、ルテニウム、ニッケル等が一般的に用いられ、本実施形態では、白金（Ｐｔ）が用いられる。触媒部１２の触媒は、燃料電池１１において排気されたオフガスＧ１中のオフガス水素を燃焼する。白金触媒の量は、例えば、４ｇであり、２Ｎｍ３／ｈの量のオフガス水素を燃焼可能である。
【００２６】
発電量検出部１３は、導線Ｌ６を流れる電力量を検出することにより、燃料電池１１の発電量を検出する。オフガス水素量検出部１４は、オフガス水素戻しラインＬ４中を流通するオフガスＧ１中のオフガス水素の量を検出可能である。水素供給部１５は、水素貯蔵タンク等を有しており、水素供給ラインＬ２を通して、燃料電池１１へ水素Ｈ１を供給可能である。
【００２７】
三方弁１６は、オフガス水素ラインＬ３１を流通するオフガスＧ１の一部を、オフガス水素戻しラインＬ４へ導入可能であり、導入されるオフガスＧ１の量は、可変である。即ち、三方弁１６は、後述する制御部１７による制御により、三方弁１６における開度を調節可能である。また、三方弁１６は、オフガス水素ラインＬ３１に対してオフガス水素戻しラインＬ４を遮断することができる。即ち、三方弁１６は、オフガス水素排出ラインとしてのオフガス水素ラインＬ３１とオフガス水素戻しラインＬ４との接続部に接続され、オフガス水素ラインＬ３１を流通するオフガス水素の一部をオフガス水素戻しラインＬ４へ分流可能である。
【００２８】
制御部１７は、ＣＰＵ（図示せず）と記憶媒体（図示せず）とを主として有している。記憶媒体には、各種の制御を行うためにＣＰＵを動作させるためのプログラムがそれぞれ記憶されている。制御部１７は、発電量検出部１３、オフガス水素量検出部１４、水素供給部１５、ファン１８及び三方弁１６に電気的に接続されている。
【００２９】
ファン１８は、制御部１７による制御により回転する。ファン１８の回転により、フィルタ（図示せず）を通過した空気Ａ１を、空気供給ラインＬ１に流通させる。
【００３０】
水素循環ポンプ１９は、オフガス水素戻しラインＬ４を通してオフガス水素を燃料電池１１の入り口側に戻すために、オフガス水素をオフガス水素ラインＬ３１とオフガス水素戻しラインＬ４とに循環させる。また、逆止弁２１は、三方弁１６から燃料電池１１へオフガス水素戻しラインＬ４を流れるオフガス水素の逆流を抑制する。
【００３１】
上記構成による燃料電池システム１は、制御部１７による制御により、以下のように動作する。
【００３２】
制御部１７は、例えば、所定量としての２Ｎｍ３／ｈの量（以下、「オフガス水素所定量」とする。）以下のオフガス水素が燃料電池１１から触媒部１２の触媒へ供給されるように、水素供給部１５に対して、水素供給部１５から燃料電池１１に供給する水素Ｈ１の量を制御する。この制御は、水素供給部１５を制御することによる水素供給部１５から燃料電池１１への水素Ｈ１の供給量と、発電量検出部１３により検出される燃料電池１１の発電量の検出値と、オフガス水素量検出部１４により検出されるオフガス水素戻しラインＬ４中を流通するオフガスＧ１中のオフガス水素の量の検出値とに基づいて行われる。
【００３３】
即ち、制御部１７は、オフガス水素所定量以下のオフガス水素が燃料電池１１から触媒へ供給されるように、水素供給部１５から燃料電池１１に供給する水素Ｈ１の量を決定する。そして、水素供給部１５から燃料電池１１へ決定した量の水素Ｈ１を所定時間供給し続ける定量オフガス供給制御を行う。制御部１７は、この定量オフガス供給制御を燃料電池１１が定格運転を行うまで繰り返し行う。
【００３４】
具体的には、燃料電池１１の起動開始時に、先ず制御部１７は、三方弁１６を制御して、オフガス水素ラインＬ３１に対してオフガス水素戻しラインＬ４が遮断された状態とする（図１参照）。次に、制御部１７は、触媒部１２の触媒においてオフガスＧ１中のオフガス水素所定量のオフガス水素が燃焼されるように、水素供給部１５を制御する。より具体的には、燃料電池１１においては、発電していないため、燃料電池１１に供給された水素Ｈ１の全量がオフガス水素として排出される。このため、触媒部１２の触媒による最大燃焼可能量に等しいオフガス水素所定量と同量の水素Ｈ１を、燃料電池１１に供給するように、制御部１７は、水素供給部１５を制御する。この制御は、所定時間継続して行われる。所定時間とは、通常、数秒〜２分である。
【００３５】
燃料電池１１の起動開始から時間が経つにつれて、発電量が増加する。これに伴い、触媒部１２に供給されるオフガス水素の量は減少する。そして、燃料電池１１の起動開始から所定時間後の燃料電池１１の発電量を、発電量検出部１３により検出する。制御部１７は、発電量検出部１３により検出した発電量と、水素供給部１５から供給される水素Ｈ１の量とに基づき、触媒部１２で燃焼されているオフガス水素の量を算出する。そして、その算出結果に基づき、触媒部１２で燃焼されるオフガスＧ１中のオフガス水素の量が、オフガス水素所定量となるように、水素供給部１５を制御して、水素供給部１５から燃料電池１１へ供給される水素Ｈ１の量を増加させる。
【００３６】
例えば、触媒部１２で燃焼されているオフガス水素の量が０．４Ｎｍ３／ｈであれば、この値と起動開始時のオフガス水素所定量（２Ｎｍ３／ｈ）との差である１．６Ｎｍ３／ｈの量だけ、水素供給部１５から燃料電池１１へ供給される水素Ｈ１の量を増加させる。そして、制御部１７は、水素供給部１５がこの増加させた量（３．６Ｎｍ３／ｈ）で所定時間継続して燃料電池１１へ水素Ｈ１を供給させ続けるように、水素供給部１５を制御する。そして、所定時間後に再び、燃料電池１１の発電量を、発電量検出部１３により検出する。
【００３７】
このように、水素供給部１５から燃料電池１１へ供給される水素Ｈ１の量を増加させた後の所定時間後に、燃料電池１１の発電量を、発電量検出部１３により検出し、水素供給部１５から燃料電池１１へ供給される水素Ｈ１の量を増加させ、この増加させた量で再び所定時間継続して燃料電池１１へ水素Ｈ１を供給させ続ける制御を、制御部１７は、燃料電池１１が定格運転を行うまで繰り返す。
【００３８】
例えば、定格運転時に燃料電池１１は、７．７Ｎｍ３／ｈ供給された水素Ｈ１のうちの６．２Ｎｍ３／ｈの水素Ｈ１を消費し、１．５Ｎｍ３／ｈの水素Ｈ１をオフガス水素として排出する。従って、オフガス水素所定量とは、燃料電池１１の定格運転時に燃料電池１１が排出する量のオフガス水素の３分の４倍の量のオフガス水素である。
【００３９】
また、制御部１７は、オフガス水素所定量を超えるオフガス水素が燃料電池１１から排出された場合に、オフガス水素所定量のオフガス水素が触媒へ供給されるように、三方弁１６に対して制御を行う。
【００４０】
即ち、燃料電池１１の起動時及び定格運転時に、なんらかの原因により発電量が急激に低下し、触媒部１２に供給されるオフガス水素の量（以下、「オフガス供給見込み量」とする。）が、オフガス水素所定量よりも多くなると制御部１７が判断した場合には、制御部１７は、三方弁１６を制御することにより、オフガス水素ラインＬ３１に対してオフガス水素戻しラインＬ４を連通させた状態とする（図２参照）。
【００４１】
この際、オフガス供給見込み量とオフガス水素所定量との差の量のオフガス水素だけが、オフガス水素ラインＬ３１から、オフガス水素戻しラインＬ４へ流れるように、制御部１７は三方弁１６の開度を制御する。これにより、オフガス水素戻しラインＬ４を通して、オフガス水素の一部が燃料電池１１に戻される。オフガス水素量検出部１４は、オフガス水素戻しラインＬ４を流れるオフガス水素の量を検出し、制御部１７に出力する。制御部１７は、オフガス水素戻しラインＬ４を流れるオフガス水素の量と、水素供給部１５から供給される水素Ｈ１の量と、発電量検出部１３により検出した発電量とから、触媒部１２に排出されているオフガス水素の量を検出する。
【００４２】
上記本実施形態の燃料電池システム１によれば、以下のような効果を得ることができる。
燃料電池システム１の制御部１７は、発電量検出部１３及びオフガス水素量検出部１４の検出値に基づいて、所定量以下のオフガス水素が燃料電池１１から触媒へ供給されるように、水素供給部１５に対して、水素供給部１５から燃料電池１１に供給する水素Ｈ１の量を制御する。このため、制御部１７は、所定量のオフガス水素が燃料電池１１から触媒へ供給されるように、水素供給部１５から燃料電池１１に供給する水素Ｈ１の量を決定し、水素供給部１５から燃料電池１１へ決定した量の水素Ｈ１を所定時間供給し続ける定量オフガス供給制御を、水素供給部１５に対して行うことができる。
【００４３】
この結果、燃料電池１１から排出されるオフガス水素の量を、触媒部１２において燃焼可能な量とすることができる。更に、制御部１７は、定量オフガス供給制御を燃料電池１１が定格運転を行うまで繰り返し行うため、触媒部１２の触媒を少量とした場合であっても、燃料電池１１の起動時から定格運転時に至るまで、触媒部１２でオフガス水素をすべて燃焼することができる。従って、触媒部１２の触媒をごく少量とすることが可能となる。
【００４４】
また、制御部１７は、オフガス水素所定量を超えるオフガス水素が燃料電池１１から排出された場合に、オフガス水素所定量のオフガス水素が触媒へ供給されるように、三方弁１６に対して制御を行う。これにより、触媒部１２において燃焼できないオフガスＧ１中のオフガス水素が、大気中に排出されることを防止することができる。また、燃料電池１１における発電に用いることができるため、オフガス水素を、無駄にせずに有効利用することができる。
【００４５】
また、オフガス水素所定量とは、燃料電池１１の定格運転時に燃料電池１１が排出する量のオフガス水素の３分の４倍の量のオフガス水素である。このため、触媒部１２の触媒に係る費用を低減することができ、燃料電池１１による発電のトータルコストの低減を図ることができる。
【００４６】
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、オフガス水素戻しラインＬ４の他端部は、燃料電池１１に接続されていたが、この構成に限定されない。例えば、オフガス水素戻しラインＬ４の他端部は、水素供給ラインＬ２の途中に接続されていてもよく、また、水素供給部１５に接続されていてもよい。
【００４７】
また、オフガス水素所定量とは、燃料電池１１の定格運転時に燃料電池１１が排出する量のオフガス水素の３分の４倍の量のオフガス水素であったが、この量に限定されない。オフガス水素所定量とは、燃料電池１１の定格運転時に燃料電池１１が排出する量のオフガス水素の３分の４倍以下の量のオフガス水素であることが好ましい。
【００４８】
また、低温型の燃料電池である燃料電池１１は、ＰＥＦＣにより構成されていたが、ＰＥＦＣに限定されない。また、燃料電池１１は低温型の燃料電池でなくてもよい。例えば、ＳＯＦＣ等を用いてもよい。また、燃料電池１１の発電量や、触媒部１２の触媒の量や、オフガス水素所定量等の数値は、本実施形態の値に限定されない。また、本実施形態では三方弁が設けられていたが、三方弁に限定されず、他の形式の弁であってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池システム
１１  燃料電池
１２  触媒部（触媒）
１３  発電量検出部
１４  オフガス水素量検出部
１５  水素供給部
１６  三方弁
１７  制御部
１８  ファン
Ｇ１  オフガス
Ｈ１  水素
Ｌ４  オフガス水素戻しライン
Ｌ３１  オフガス水素ライン（オフガス水素排出ライン）
【図１】
2014116244.tif 000003
【図２】
2014116244.tif 000004