(57)【要約】【課題】余剰電力を熱として回収する以外にも有効利用することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池システム１は、アノード５１及びカソード５２を有する燃料電池５０と、該燃料電池５０のカソード５２にカソードガスを供給するカソードガス供給装置８０と、を備えている。カソードガス供給装置８０は、電力に応じてカソードガスの供給量が変化する可変供給部８１を有する。燃料電池５０における発生電力のうち、外部電力負荷ＥＩにおける需要電力を超える余剰電力は、可変供給部８１に供給される。【選択図】図１
2011210637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、を備え、
前記カソードガス供給装置は、電力に応じて前記カソードガスの供給量が変化する可変供給部を有しており、
前記燃料電池における発生電力のうち、外部電力負荷における需要電力を超える余剰電力は、前記可変供給部に供給されることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記余剰電力の発生時に、該余剰電力を低減するように前記燃料電池の駆動を制御する駆動制御機構を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記需要電力を検出するための需要電力検出手段を更に備え、
前記駆動制御機構は、前記需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて算出される余剰電力に応じて前記燃料電池の駆動を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記カソードガスは空気である、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記可変供給部は流量可変式電動ポンプを含んで構成される、請求項１から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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池から得られる電力のうち、電力負荷における需要電力を超える電力（いわゆる余剰電力）は、例えば逆潮流をさせて売電することが実質的にできない。そこで、従来の燃料電池システムでは、余剰電力を有効活用するために、余剰電力用ヒータを利用して熱回収する構造のものが知られている（例えば、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２００９−１５８３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示の燃料電池システムは、余剰電力を熱に変換するだけの技術であり、余剰電力の有効利用という観点で改善の余地があった。
【０００５】
そこで、本発明は、余剰電力を熱として回収する以外にも有効利用することが可能な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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、アノード及びカソードを有する燃料電池と、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、を備え、カソードガス供給装置は、電力に応じて前記カソードガスの供給量が変化する可変供給部を有しており、燃料電池における発生電力のうち、外部電力負荷における需要電力を超える余剰電力は、可変供給部に供給されることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、カソードガス供給手段の可変供給部に余剰電力が供給されることにより、通常の駆動電力に余剰電力が上乗せされる形となるため、カソードガスの供給量が増大し、スタック電圧が向上する（スタック効率が上がる）。また、余剰電力を燃料電池の駆動に必須の構成であるカソードガス供給手段内で使用することにより、従来のように個別の余剰電力用ヒータを配設する必要がなく、小型化を図るうえで好適である。加えて、カソードガスの供給量の変化により、例えばセパレータあるいはマニホールド内のカソードガス供給経路内に発生する水も効果的に除去することが可能となるため、フラッディングに起因する電圧低下も抑制することが可能となる。以上によって、余剰電力を熱として回収する以外にも有効利用することが可能となる。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、余剰電力の発生時に、該余剰電力を低減するように燃料電池の駆動を制御する駆動制御機構を更に備えることが好ましい。このような構成とすることにより、熱電比が大きくなる（熱に対する電気の割合が小さくなる）のを抑制することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、需要電力を検出するための需要電力検出手段を更に備え、駆動制御機構は、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて算出される余剰電力に応じて燃料電池の駆動を制御することが好ましい。これによって、逆潮流の発生をより適切に抑制することができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、カソードガスは空気であることが好ましい。これによって、取扱容易性が向上すると共に、コストを抑えることができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、可変供給部は、具体的に流量可変式電動ポンプを含んで構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、余剰電力を熱として回収する以外にも有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を表すブロック図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムで制御を行った場合の需要電力と発生電力の関係の一例を示す線図である。
【図４】本発明の変形例に係る燃料電池システムの構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成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、原料供給装置１０、Fuel Processor System（ＦＰＳ）２０、冷却材供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、燃料電池５０、システム制御機構６０、Power Conditioning System（ＰＣＳ）７０、カソードガス供給装置（カソードガス供給手段）８０、およびセンサ９０を備えている。
【００１６】
原料供給装置１０は、ＦＰＳ２０において処理される原料を供給するためのものである。原料としては、炭素および水素を含んでなる化合物（例えば、メタンおよびプロパンなどの炭化水素類、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類など）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などが好ましく、特に、取扱い性にも優れた灯油はより好ましい。
【００１７】
ＦＰＳ２０は、原料供給装置１０から供給される原料を処理して水素含有ガスを生成するものであり、本実施形態においては改質部２１、シフト部２２、および選択酸化部２３を含んで構成されている。
【００１８】
改質部２１は、改質触媒を用いて原料供給装置１０から供給される原料を改質し、水素含有ガスである改質ガスを生成する部位である。改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、およびコバルトが挙げられる。なお、改質手法としては、水蒸気改質および自己熱交換改質などが挙げられる。
【００１９】
改質部２１は、熱供給装置２１ａを有している。熱供給装置２１ａは、改質部２１における改質反応に要する熱を供給するためのものである。熱供給装置２１ａとしては、例えばバーナおよびヒータが挙げられるが、燃料電池５０から排出される水素含有ガス（いわゆるオフガス）を有効利用する観点からバーナが好ましい。なお、熱供給装置２１ａとしてバーナを採用する場合は、燃料電池システム１の起動時などに、バーナに燃料を供給するための燃料供給装置Ｆを備えるのが好ましい。
【００２０】
シフト部２２は、シフト触媒を用いて改質部２１から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。シフト触媒は、Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒で構成される。なお、シフト部２２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００００ｐｐｍ以下である。
【００２１】
選択酸化部２３は、選択酸化触媒を用いてシフト部２２から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。選択酸化触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えば白金およびルテニウムが挙げられる。なお、選択酸化部２３を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下である。
【００２２】
冷却材供給装置３０は、シフト部２２および選択酸化部２３を冷却するために、シフト部２２および選択酸化部２３に対して冷却材を供給するためのものである。冷却材としては、例えば空気および水が挙げられるが、中でも温水供給として効率的に利用可能な観点から水が好ましい。
【００２３】
酸素含有ガス供給装置４０は、選択酸化部２３における一酸化炭素除去処理を行うために、選択酸化部２３に対して酸素を供給するためのものである。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。
【００２４】
燃料電池５０は、アノード５１およびカソード５２を有しており、アノードガスとしての水素含有ガス中の水素と、カソードガスとしての酸素含有ガス中の酸素とを用いて電力を発生させるものである。水素含有ガスとしては、上述の改質ガスなどが挙げられる。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。アノード５１は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極であり、本実施形態ではＦＰＳ２０から改質ガスが供給されるように構成されている。カソード５２は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極であり、本実施形態では後述のカソードガス供給装置８０を介して空気が供給されるように構成されている。なお、燃料電池５０としては、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられる。
【００２５】
システム制御機構６０は、燃料電池５０などの駆動を制御する駆動制御機構としての機能を有するものである。システム制御機構６０としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。システム制御機構６０は、センサ９０と電気的に接続されており、センサ９０による検出結果を取得する。システム制御機構６０は、原料供給装置１０、冷却材供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０、及び燃料供給装置Ｆと電気的に接続されており、各装置に制御信号を出力する。また、システム制御機構６０は、燃料電池システム１における図示されない各種センサや各種装置に電気的に接続されている。本実施形態におけるシステム制御機構６０は、余剰電力の発生時に、該余剰電力を低減するように制御する機能を有する。具体的には、システム制御機構６０は、センサ９０からの検出結果に基づいて余剰電力が低減されるように新たな目標電力を設定し、当該目標電力に見合うように原料供給装置１０の目標供給量を設定すると共に、原料の供給量が目標供給量となるように原料供給装置１０に対して制御信号を出力する。このとき、システム制御機構６０は、原料供給装置１０からの供給量を検知してフィードバック制御を行ってもよい。システム制御機構６０は、冷却材供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、及びその他図示されない供給装置についても、原料供給装置１０と同様に目標供給量を設定すると共に当該供給量が得られるように制御信号を出力する。これによって、燃料電池５０による発生電力を低減させて余剰電力を低減することができる。また、システム制御機構６０は、需要電力に対して燃料電池５０による発生電力が不足している場合は、当該発生電力が増加するように制御することもできる。更に、システム制御機構６０は、過去の需要電力の増減の時刻ごとの傾向に基づいて燃料電池５０の発生電力の時刻ごとのスケジュールを作成しておき、当該スケジュールに応じた発生電力を発生するように、燃料電池５０の駆動を制御することができる。
【００２６】
ＰＣＳ７０は、コンバータ７１、インバータ７２、および制御部７３を有している。コンバータ７１は、燃料電池５０から出力された直流電力の電圧を変換するものである。インバータ７２は、コンバータ７１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものである。制御部７３は、燃料電池５０における発生電力の供給先を制御する機能を有するものである。制御部７３としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。本実施形態における制御部７３は、センサ９０から検出した検出結果に基づいて、外部電力負荷ＥＩにおける需要電力が燃料電池５０における発生電力より大きい場合、該発生電力を外部電力負荷ＥＩへのみ供給し、不足分は外部電力系統ＣＥから補うように制御する。また、本実施形態における制御部７３は、センサ９０から検出した検出結果に基づいて、燃料電池５０における発生電力が外部電力負荷ＥＩの需要電力より大きい場合、需要電力分を外部電力負荷ＥＩへ供給し、該需要電力を超える余剰電力をカソードガス供給装置８０へ供給するように制御する。制御部７３は、カソードガス供給装置８０と電気的に接続されている。外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システム１から供給される電力を消費するものであり、該燃料電池システム１および外部電力系統ＣＥに対して電気的に接続されている。
【００２７】
カソードガス供給装置８０は、可変供給部８１を有しており、燃料電池５０のカソード５２にカソードガスを供給するためのものである。可変供給部８１は、投入される電力に応じてカソードガスの供給量が変化する構成を有しており、本実施形態では投入される電力が増大するとカソードガスの供給量も増大するように構成されている。可変供給部８１としては、例えば流量可変式電動ポンプが挙げられる。本実施形態におけるカソードガス供給装置８０は、効率低下を抑制する観点から、燃料電池５０とコンバータ７１との間から電力が供給されるように構成されているが、コンバータ７１とインバータ７２との間、あるいは、インバータ７２と外部電力負荷ＥＩとの間でもよい。
【００２８】
センサ９０は、外部電力負荷ＥＩにおける需要電力を検出する需要電力検出手段としての機能を有するものである。本実施形態におけるセンサ９０は、ＰＣＳ７０と外部電力負荷ＥＩとの間に配設されており、需要電力の検出結果を制御部７３及びシステム制御機構６０に出力するように構成されている。なお、本実施形態におけるセンサ９０は、需要電力検出手段としての機能を有する構成とされているが、このような構成には限られず、例えば余剰電力検出手段としての機能を有する構成としてもよい。
【００２９】
図２は制御部７３の動作を示すフローチャートである。図２に示す処理は、燃料電池システム１の駆動時において、所定のタイミングで繰り返し実行される。図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１で制御を行った場合の出力電力と需要電力の関係の一例を示す線図である。図３において、実線の線図Ｗ１は、燃料電池５０からの出力電力を示し、二点鎖線の線図Ｗ２は、外部電力負荷ＥＩにおける需要電力を示している。図３から分かるように、出力電力Ｗ１は、需要電力Ｗ２の変化に追従する（いわゆる負荷追従）の構成を備えていても、需要電力Ｗ２の変化に対して応答が遅れる傾向にある。つまり、需要電力Ｗ２が急激に減少する場合、出力電力Ｗ１の一部は、余剰電力ＲＷとなる。なお、需要電力Ｗ２が急激に増大し、需要電力Ｗ２の全てが出力電力Ｗ１により賄いきれない場合、その賄いきれない分は外部電力系統ＣＥから補われる。
【００３０】
以下に、燃料電池システム１における余剰電力ＲＷの検知および処理動作について、図２および図３を参照して説明する。
【００３１】
＜ステップＳ１０＞
制御部７３は、センサ９０において検知された外部電力負荷ＥＩでの需要電力Ｗ２の情報を取得する。
【００３２】
＜ステップＳ２０＞
制御部７３は、ＰＣＳ７０からの出力電力Ｗ１と外部電力負荷ＥＩにおける需要電力Ｗ２とを比較して、出力電力Ｗ１が需要電力Ｗ２よりも大きいか否かを判定する。図３において、制御部７３は、ｔ１〜ｔ２の間で出力電力Ｗ１が需要電力Ｗ２より大きいと判定し、０〜ｔ１の間と、ｔ２〜ｔ３の間と、ｔ３〜ｔ４の間と、ｔ４以降とで出力電力Ｗ１が需要電力Ｗ２以下であると判定する。
【００３３】
＜ステップＳ３０＞
出力電力Ｗ１が需要電力Ｗ２以下であると判定された場合、制御部７３は、出力電力Ｗ１の全てを外部電力負荷ＥＩに供給する。また、０〜ｔ１の間およびｔ３〜ｔ４の間のように、需要電力Ｗ２に対して出力電力Ｗ１が不足する場合は、外部電力系統ＣＥから供給される電力により不足分の電力（図３においてドットを付した範囲）を補う。ステップＳ３０の処理が終了すると、図２に示す一連の処理が終了し、所定のタイミングで再びＳ１０から処理が開始される。なお、システム制御機構６０は、需要電力Ｗ２に比して出力電力Ｗ１が不足している場合は、需要電力Ｗ２に応じて出力電力Ｗ１が増加するように制御を行う。すなわち、システム制御機構６０は、原料供給装置１０、冷却材供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、及びその他図示されない供給装置に対して、増加した目標電力に見合うような目標供給量を設定すると共に当該供給量が得られるように制御信号を出力する。
【００３４】
＜ステップＳ４０＞
出力電力Ｗ１が需要電力Ｗ２より大きいと判定された場合、制御部７３は、センサ９０における検知結果に基づいて余剰電力ＲＷを算出する。図３では、ｔ１〜ｔ２の間で余剰電力ＲＷが発生している。このとき、システム制御機構６０は、余剰電力ＲＷを低減するように制御を実行する。すなわち、システム制御機構６０は、原料供給装置１０、冷却材供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、及びその他図示されない供給装置に対して、減少した目標電力に見合うような目標供給量を設定すると共に当該供給量が得られるように制御信号を出力する。
【００３５】
＜ステップＳ５０＞
制御部７３は、カソードガス供給装置８０の可変供給部８１における通常の駆動電力に付加して、ステップＳ４０で算出された余剰電力ＲＷ分の電力を該可変供給部８１に供給するように、カソードガス供給装置８０に指令信号を出力する。
【００３６】
＜ステップＳ６０＞
制御部７３は、需要電力Ｗ２分の電力（ＰＣＳ７０からの出力電力Ｗ１）を外部電力負荷ＥＩに供給するように、コンバータ７１およびインバータ７２に指令信号を出力する。ステップＳ６０の処理が終了すると、図２に示す一連の処理が終了し、所定のタイミングで再びＳ１０から処理が開始される。
【００３７】
本実施形態に係る燃料電池システム１では、カソードガス供給装置８０の可変供給部８１に余剰電力ＲＷが供給される。つまり、燃料電池システム１では、可変供給部８１における通常の駆動電力に余剰電力ＲＷが上乗せされる形となる。そのため、燃料電池システム１では、燃料電池５０に供給されるカソードガスの量が増え、酸素との反応機会が増える。したがって、燃料電池システム１では、燃料電池５０における出力電力（出力効率）を高めることができる。
【００３８】
燃料電池システム１では、カソードガス供給装置８０の可変供給部８１に余剰電力ＲＷが供給されるため、余剰電力ＲＷの供給量に応じてカソードガス（本実施形態では酸素含有ガス）の供給量が変化する。そのため、燃料電池システム１では、燃料電池５０におけるカソードガスの供給経路内に水が発生（いわゆる、フラッディング）したとしても、該水を吹き飛ばすなどにより効果的に除去することができる。したがって、燃料電池システム１では、フラッディングに起因する燃料電池５０の電圧低下も抑制することができる。
【００３９】
燃料電池システム１では、燃料電池５０の駆動に必須の構成であるカソードガス供給装置８０（本実施形態では可変供給部８１）において余剰電力ＲＷを使用するため、従来のように余剰電力ＲＷを消費するためのヒータを個別に配設しなくてもよい。したがって、燃料電池システム１は、小型化を図るうえで好適である。
【００４０】
燃料電池システム１では、システム制御機構６０によって、余剰電力ＲＷの発生時に、該余剰電力ＲＷを低減するように燃料電池５０の駆動が制御される。したがって、燃料電池システム１では、熱電比が大きくなる（熱に対する電気の割合が小さくなる）のを抑制することができる。
【００４１】
燃料電池システム１では、センサ９０において検出された需要電力に基づいて算出される余剰電力に応じて燃料電池５０の駆動が制御されるため、逆潮流の発生をより適切に抑制することができる。
【００４２】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態においてカソードガス供給装置８０は、変圧前の電力が供給されているが、カソードガス供給装置８０の構成に応じて、変圧後の電力、あるいは、交流に変換した後の電力を供給してもよい。
【００４３】
また、上述の実施形態では、制御部７３が直接カソードガス供給装置８０へ指令信号を出力していたが、システム制御機構６０を介して出力してもよい。すなわち、図４に示すように、制御部７３は、システム制御機構６０と電気的に接続されており、余剰電力がカソードガス供給装置８０へ供給されるように制御するときは、システム制御機構６０を介してカソードガス供給装置８０へ指令信号を出力する。更に、上述の実施形態では余剰ヒータを省略する構成としていたが、図４に示すように、ＰＣＳ７０の下流に余剰ヒータ１００を備えてもよい。このような構成とすることによって、余剰電力の一部をカソードガス供給装置８０へ出力し、一部を余剰ヒータ１００へ出力するような制御を行っても良い。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池システム、１０…原料供給装置、２０…ＦＰＳ、３０…冷却材供給装置、４０…酸素含有ガス供給装置、５０…燃料電池、５１…アノード、５２…カソード、６０…システム制御機構（駆動制御機構）、７０…ＰＣＳ、８０…カソードガス供給装置（カソードガス供給手段）、８１…可変供給部、９０…センサ（需要電力検出手段）、ＥＩ…外部電力負荷。
【図１】
2011210637.tif 000003
【図２】
2011210637.tif 000004
【図３】
2011210637.tif 000005
【図４】
2011210637.tif 000006