(57)【要約】【課題】小型化を実現すると共にシステム効率を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１は、改質用原燃料を改質し改質ガスを生成するＦＰＳ２と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３のオフガス及び燃焼用原燃料の少なくとも一方を燃焼させＦＰＳ２を加熱するバーナ４と、バーナ４に改質用原燃料を供給する燃焼用ポンプＰ２と、ＦＰＳ温度を検出する温度検出センサ５と、ＦＰＳ温度に基づき燃焼用ポンプＰ２を制御する制御部６と、を備え、制御部６は、燃焼用ポンプＰ２で供給される燃焼用原燃料の熱量とオフガスの熱量との合計値がＦＰＳ２の必要熱量よりも大きく、且つオフガスの熱量が必要熱量よりも小さい場合において、ＦＰＳ温度が所定温度域Ｒ内に維持されるように、バーナ４でオフガスが燃焼されている状態にて燃焼用ポンプＰ２を間欠運転制御する。【選択図】図１
2011210650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用原燃料を改質し、水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質装置と、
前記燃料改質装置で生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのオフガス及び燃焼用原燃料の少なくとも一方を燃焼させることで、前記燃料改質装置を加熱するバーナと、
前記バーナに前記燃焼用原燃料を供給するための燃焼用ポンプと、
前記燃料改質装置の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段で検出した前記温度に基づいて前記燃焼用ポンプを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃焼用ポンプで供給される前記燃焼用原燃料の熱量と前記オフガスの熱量との合計値が前記燃料改質装置の必要熱量よりも大きく、且つ前記オフガスの熱量が前記必要熱量よりも小さい場合において、前記温度が所定温度域内に維持されるように、前記バーナで前記オフガスが燃焼されている状態にて前記燃焼用ポンプの駆動及び停止を繰り返し実施させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段には、互いに異なる複数種の前記改質用原燃料及び前記燃焼用原燃料ごとに設定された設定値に関する原燃料テーブルが予め記憶されており、
前記制御手段は、前記改質用原燃料及び前記燃焼用原燃料の種類と前記原燃料テーブルとに基づいて、前記合計値が前記燃料改質装置の必要熱量よりも大きく且つ前記オフガスの熱量が前記必要熱量よりも小さくなるように、前記燃料電池システムを設定することを特徴とする請求項１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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バーナを用いて改質用原燃料を改質することで水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質装置と、生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えた燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムとして、例えば特許文献１には、業務用等の大型の燃料電池システムが記載されている。
【０００３】
この特許文献１に記載された燃料電池システムでは、発電運転時において、燃料電池スタックのオフガス（燃料電池スタックで発電に供されなかった水素等のガス）をバーナで燃焼させるのに加え、燃焼用原燃料をバーナで同時に燃焼させ（以下、「混焼」という）、燃料改質装置を加熱する。これにより、改質に必要なオフガスを生成すべく原燃料を一旦全て改質させるのを抑制してエネルギロスを低減し、システム効率を向上させることが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１００９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、通常、混焼させる際には、比較的小流量の燃焼用原燃料をバーナに供給するのに対し、システム起動時には、燃料改質装置を改質可能温度まで昇温させるため、大流量の燃焼用原燃料をバーナに供給する必要がある。よって、バーナに改質用原燃料を供給するための燃焼用ポンプにおいては、改質用原燃料の供給流量を広範に制御することが望まれる。
【０００６】
この点、上記燃料電池システムでは、このような広範な供給流量制御を１つの燃焼用ポンプにて実現するのはポンプ性能上困難であることから、供給流量が互いに異なる複数の燃焼用ポンプを用いることが一般的である。しかし、この場合、システムが大型化してしまうという問題がある。特に、近年の家庭用燃料電池システムにおいては、小型化が強く要求されているため、かかる問題は顕著となる。
【０００７】
そこで、本発明は、小型化を実現する共にシステム効率を向上させることが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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、改質用原燃料を改質し、水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質装置と、燃料改質装置で生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのオフガス及び燃焼用原燃料の少なくとも一方を燃焼させることで、燃料改質装置を加熱するバーナと、バーナに燃焼用原燃料を供給するための燃焼用ポンプと、燃料改質装置の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段で検出した温度に基づいて燃焼用ポンプを制御する制御手段と、を備え、制御手段は、燃焼用ポンプで供給される燃焼用原燃料の熱量とオフガスの熱量との合計値が燃料改質装置の必要熱量よりも大きく、且つオフガスの熱量が必要熱量よりも小さい場合において、温度が所定温度域内に維持されるように、バーナでオフガスが燃焼されている状態にて燃焼用ポンプの駆動及び停止を繰り返し実施させることを特徴とする。
【０００９】
この燃料電池システムでは、バーナでオフガスが燃焼されている状態にて燃料改質装置の温度に基づき燃焼用ポンプの駆動及び停止が繰り返し実施される。よって、バーナにおいては、オフガスの燃焼下で燃焼用原燃料の間欠燃焼を行う間欠混焼が実施され、そして、燃料改質装置の温度が所定温度域内に維持されることとなる。従って、供給流量の異なる複数の燃焼用ポンプを不要としつつ、上述したエネルギロスを抑制することができ、その結果、小型化を実現すると共にシステム効率を向上させることが可能となる。
【００１０】
このとき、制御手段には、互いに異なる複数種の改質用原燃料及び燃焼用原燃料ごとに設定された設定値に関する原燃料テーブルが予め記憶されており、制御手段は、改質用原燃料及び燃焼用原燃料の種類と原燃料テーブルとに基づいて、合計値が燃料改質装置の必要熱量よりも大きく且つオフガスの熱量が必要熱量よりも小さくなるように、燃料電池システムを設定することが好ましい。これにより、複数種の改質用原燃料及び燃焼用原燃料の何れを使用する場合でも、小型化を実現すると共にシステム効率を向上させるという上記作用効果を発揮させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型化を実現すると共にシステム効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳに供給される熱量の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳ温度の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば家庭用の電力供給源として利用されるものである。この燃料電池システム１は、ＦＰＳ（燃料改質装置）２、燃料電池スタック３、バーナ４、温度検出センサ（温度検出手段）５、改質用ポンプＰ１、燃焼用ポンプＰ２及び制御部（制御手段）６を備え、これらが筐体７に収容されている。
【００１５】
ＦＰＳ２は、バーナ４の燃焼熱を利用して改質用の原燃料である改質用原燃料を改質し、水素を含有する改質ガスを生成する。このＦＰＳ２は、生成した改質ガスを燃料電池スタック３へ供給する。ここでの原燃料としては、石油系炭化水素が用いられている。なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。
【００１６】
燃料電池スタック３は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している各電池セルでは、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。この燃料電池スタック３で発生した電力は、コンバータ及びインバータを介して、家庭に供給される。なお、燃料電池スタック３としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いることができる。
【００１７】
バーナ４は、ＦＰＳ２の改質触媒を加熱する熱源であり、ＦＰＳ２に設けられている。このバーナ４は、燃焼用の原燃料である燃焼用原燃料と燃料電池スタック３からのオフガスとを、個別に燃焼可能とされていると共に同時に燃焼可能とされている。換言すると、バーナ４は、オフガス及び燃焼用原燃料の少なくとも一方を燃焼させる。
【００１８】
温度検出センサ５は、ＦＰＳ２の温度を検出するためのものである。ここでは、温度検出センサ５は、ＦＰＳ２の改質触媒における改質ガス出口側の温度を検出する。改質用ポンプＰ１は、ＦＰＳ２に改質用原燃料を供給するためのものであり、改質用原燃料をＦＰＳ２へ向けて圧送する。燃焼用ポンプＰ２は、バーナ４に改質用原燃料を供給するためのものであり、燃焼用原燃料をバーナ４へ向けて圧送する。ここでの燃焼用ポンプＰ２の供給流量は、システムの熱バランス上、改質用ポンプＰ１の最小供給流量よりも低流量とされている。
【００１９】
制御部６は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等で構成されており、温度検出センサ５で検出したＦＰＳ２の温度に基づいて、ＦＰＳ２の温度が所定温度域Ｒ内に維持されるように燃焼用ポンプＰ２を間欠運転制御する（詳しくは、後述）。所定温度域Ｒは、改質する際に適正な温度範囲であって、その下限温度Ｔ０及び上限温度Ｔｈは、原燃料及び改質触媒の種類等によって適宜設定される。
【００２０】
また、本実施形態の燃料電池システム１は、下式（１）に示すように、発電運転時において、バーナ４に供給されるオフガスの熱量Ｑ0[ｃａｌ]と燃焼用ポンプＰ２で供給される燃焼用原燃料の熱量Ｑ１[ｃａｌ]との合計値（和）Ｑ0＋Ｑ１が、ＦＰＳ２の必要熱量Ｑｓ[ｃａｌ]よりも大きくなるように設定されている。これと共に、燃料電池システム１では、オフガスの熱量Ｑ0が必要熱量Ｑｓよりも小さくなるように設定されている。本実施形態では、発電運転時に下式（１）を満たすように、例えば制御部６によって改質用ポンプＰ１及び燃焼用ポンプＰ２の供給流量等が設定されている。
Ｑ0＜Ｑｓ＜Ｑ0＋Ｑ１  …（１）
【００２１】
なお、ＦＰＳ２の必要熱量Ｑｓは、ＦＰＳ２にて改質用原燃料を改質するために必要な熱量であり、原燃料及び改質触媒等に応じて設定される。また、オフガスの熱量Ｑ0は、例えば、ＦＰＳ２で生成する改質ガスの熱量と燃料電池スタック３の発電量に対応する熱量との差分に基づいて求められる。また、上記熱量は、エネルギ量や仕事量と同義のものである。
【００２２】
次に、上述した燃料電池システム１におけるバーナ４に関する動作について、詳細に説明する。図２（ａ）は、図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳ２に供給される熱量の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は、図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳ２の温度の一例を示すグラフである。
【００２３】
本実施形態の燃料電池システム１では、発電運転時において、燃料電池スタック３からバーナ４にオフガスを供給し、バーナ４にてオフガスが燃焼させる。この状態にて、ＦＰＳ２の温度（以下、単に「ＦＰＳ温度」という）を温度検出センサ５によって検出し、このＦＰＳ温度に基づき燃焼用ポンプＰ２を間欠運転制御（オンオフ制御）し、バーナ４を間欠燃焼させる。
【００２４】
具体的には、所定温度域Ｒ内における上限温度Ｔｈ近傍の閾値α１をＦＰＳ温度が上回った場合、制御部６により燃焼用ポンプＰ２を停止させ、バーナ４への燃焼用原燃料の供給を停止し、ＦＰＳ２に供給される熱量を「オフガスの熱量Ｑ0」のみとする。これにより、上式（１）に示すように、Ｑ0＜Ｑｓであることから、ＦＰＳ温度が降下される（例えば、図中の時間Δｔ１）。
【００２５】
その後、所定温度域Ｒ内における下限温度Ｔ0近傍の閾値α２をＦＰＳ温度が下回った場合、制御部６により燃焼用ポンプＰ２を駆動させ、バーナ４への燃焼用原燃料の供給を実施し、ＦＰＳ２に供給される熱量を「オフガスの熱量Ｑ0＋燃焼用原燃料の熱量Ｑ１」とする。これにより、上式（１）に示すように、Ｑｓ＜Ｑ0＋Ｑ１であることから、ＦＰＳ温度が上昇される（例えば、図中の時間Δｔ２）。
【００２６】
以上のように、本実施形態では、バーナ４でオフガスが燃焼されている状態にてＦＰＳ温度に応じて燃焼用ポンプＰ２の駆動及び停止を繰り返し、バーナ４において、オフガスの燃焼下で燃焼用原燃料の間欠燃焼を行う「間欠混焼」を実施する。その結果、ＦＰＳ２に供給される熱量が、時間経過に伴ってＱ0とＱ0＋Ｑ１と間で変化され（図２（ａ）参照）、ひいては、ＦＰＳ温度が所定温度域Ｒ内に保たれるよう上昇と下降とを繰り返すよう制御されることとなる（図２（ｂ）参照）。
【００２７】
以上、本実施形態の燃料電池システム１では、発電運転時において、ＦＰＳ温度が所定温度域Ｒ内に維持されるよう間欠混焼が実施されることから、供給流量の互いに異なる複数の燃焼用ポンプＰ２を不要としつつ、燃焼させるオフガス量を削減し、ひいては改質する改質用原燃料を削減し、上述したエネルギロスを抑制することができる。従って、小型化を実現すると共にシステム効率を向上させることが可能となる。
【００２８】
つまり、本実施形態では、混焼として間欠混焼を実施することで、小流量の燃焼用ポンプＰ２を使用する必要性を低減することができる。このことは、コストや構成上の制限のために小流量の燃焼用ポンプＰ２を使用できない家庭用燃料電池システムでも、混焼（間欠混焼）が可能となってシステム効率が向上されるため、家庭用燃料電池システムにとって特に有効なものである。
【００２９】
なお、システム起動時においては、燃焼用ポンプＰ２を駆動してバーナ４へ燃焼用原燃料を供給し、バーナ４において燃焼用原燃料のみの燃焼を実施し、ＦＰＳ温度が改質可能温度まで昇温させる。このとき、ＦＰＳ２の改質触媒の温度均一化のため、制御部６によって燃焼用ポンプＰ２を間欠運転制御し、バーナ４への燃焼用原燃料の供給及び停止を繰り返させ、バーナ４を間欠燃焼させてもよい。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る上記燃料電池システム１に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００３１】
例えば、上記実施形態のＦＰＳ２における改質の種類は、水蒸気改質、部分酸化改質、又はオートサーマル改質の何れであってもよく、限定されるものではない。また、燃料電池スタック３としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。
【００３２】
また、上記実施形態にあっては、例えば以下のようにしてバーナ４を動作させることで、熱量が大幅に異なる複数種の原燃料に適用させることも可能となる。
【００３３】
すなわち、例えば、熱量比が互いに約４倍程度異なる都市ガス及びＬＰＧを原燃料として用いる場合、まず、都市ガスについての上記（１）式を満たす設定値と、ＬＰＧについての上記（１）式を満たす設定値とを、原燃料テーブルとして制御部６に予め記憶させておく。つまり、制御部６に、複数種の原燃料ごとに設定された設定値に関する原燃料テーブルを予め格納する。設定値は、燃料電池システム１の各機器にて設定される種々の設定値であって、ここでは、改質用ポンプＰ１及び燃焼用ポンプＰ２の供給量に関する制御指令値としている。
【００３４】
続いて、制御部６により、使用する原燃料（都市ガス又はＬＰＧ）に基づき原燃料テーブルを参照して設定値を導出する。そして、導出した設定値で燃料電池システム１（ここでは、改質用ポンプＰ１及び燃焼用ポンプＰ２の供給量）を設定する。これにより、発電運転時に、使用する原燃料に応じて上式（１）を満たすよう燃料電池システム１が切り替えられる。
【００３５】
その後、上記実施形態におけるバーナ４の動作と同様に、温度検出センサ５によって検出したＦＰＳ温度に基づいて、バーナ４でオフガスが燃焼されている状態にて燃焼用ポンプＰ２を制御部６によって間欠運転制御し、ＦＰＳ温度を所定温度域Ｒ内に維持させることとなる。
【００３６】
この場合、熱量の大幅に違う複数種の原燃料の何れであっても燃料電池システム１にて使用することが可能となる。これにより、例えば、原燃料を都市ガスとされている燃料電池システム１が災害時に原燃料不足で停止した際、家庭用のＬＰＧボンベからＬＰＧを原燃料として導入して発電を行うことができる。つまり、この場合、いわゆる災害対応型燃料電池システムとして燃料電池システム１を機能させることが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池システム、２…ＦＰＳ（燃料改質装置）、３…燃料電池スタック、４…バーナ、５…温度検出センサ（温度検出手段）、６…制御部（制御手段）、Ｐ２…燃焼用ポンプ。
【図１】
2011210650.tif 000003
【図２】
2011210650.tif 000004