(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の成分の改質ガスを得ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】水を気化することで水蒸気を生成する気化器と、水蒸気と気体状の原燃料とから改質ガスを生成する改質器と、改質ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムであって、気化器に対する水の供給量と改質器に対する原燃料の供給量とを増産することで改質ガスを増産する場合において、所定の燃料電池負荷上昇条件が満たされたＳ１ときには、原燃料の供給量に対する水蒸気の供給量の比率が大きくなるＳ２ように水の供給量及び原燃料の供給量を増加させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を気化することで水蒸気を生成する気化器と、前記水蒸気と気体状の原燃料とから改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムであって、
前記気化器に対する前記水の供給量と前記改質器に対する前記原燃料の供給量とを増産することで前記改質ガスを増産する場合において、所定の燃料電池負荷上昇条件が満たされたときには、前記原燃料の供給量に対する前記水蒸気の供給量の比率が大きくなるように前記水の供給量及び前記原燃料の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に要求される発電負荷が現在の前記燃料電池の発電負荷と比べて所定の閾値以上大きい場合に、前記燃料電池負荷上昇条件が満たされ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。
【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】
従来の燃料電池システムとして、液化石油ガスや都市ガス等の原燃料を水蒸気によって改質することで改質ガスを生成する改質装置と、改質装置によって生成された改質ガス及び空気を電気化学的に発電反応させる燃料電池と、を備える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２００５−２９３９５１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、前述した従来の燃料電池システムでは、発電量を上げるため改質ガスを大幅に増産しようとすると、一酸化炭素の過剰な生成等により、所望の成分の改質ガスが得られない場合があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、所望の成分の改質ガスを得る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】
【０００６】
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、水を気化することで水蒸気を生成する気化器と、水蒸気と気体状の原燃料とから改質ガスを生成する改質器と、改質ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムであって、気化器に対する水の供給量と改質器に対する原燃料の供給量とを増産することで改質ガスを増産する場合において、所定の燃料電池負荷上昇条件が満たされたときには、原燃料の供給量に対する水蒸気の供給量の比率が大きくなるように水の供給量及び原燃料の供給量を増加させることを特徴として構成される。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムでは、改質ガスを増産する場合において、燃料電池に要求される発電負荷の大幅な上昇等により燃料電池負荷上昇条件が満たされたときには、原燃料の供給量に対する水蒸気の供給量の比率が大きくなるように水の供給量及び原燃料の供給量を増加させる。これにより、気化器における水蒸気の生産量増加が原燃料の供給量増加に追いつかなくなることで、原材料と改質反応する水蒸気が不足する事態を避けることができる。従って、本発明に係る燃料電池システムによれば、改質ガスを増産する際に、水蒸気不足に起因して改質器内で例えば一酸化炭素が過剰に生成されるようなことを防ぐことができるので、所望の成分の改質ガスを得ることができる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池に要求される発電負荷が現在の燃料電池の発電負荷と比べて所定の閾値以上大きい場合に、燃料電池負荷上昇条件が満たされることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所望の成分の改質ガスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概要図である。
【図２】気化器に対する水の供給量及び改質器に対する原燃料の供給量におけるＳ／Ｃ制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概略図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、気体状の原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池３と、を備えている。燃料電池システム１は、出力可能な電力の範囲が約３００Ｗ〜７５０Ｗのものであり、家庭用の電力供給源として利用される。また、改質ガスの原燃料としては、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられる。
【００１３】
原燃料の供給源と改質器２との間には、脱硫器４が配置されている。脱硫器４は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施す。脱硫器４の上流側には、燃料電池システム１への原燃料の供給を制御する電磁弁２１、タンク２２及び電磁弁２３が順に設けられている。一方、脱硫器４の下流側には、電磁弁２４が設けられている。燃料電池システム１の停止の際には電磁弁２３，２４は閉とされるが、脱硫触媒により脱硫器４の内圧が低減する。このため、燃料電池システム１の起動の際に、電磁弁２１，２３の開閉を制御することにより、原燃料の燃料電池システム１への急激な流入が防止される。脱硫器４及び電磁弁２４の下流側には、燃料ポンプ２５が設けられている。燃料ポンプ２５は、原燃料を改質器２へ供給する。
【００１４】
改質器２は、改質触媒によって原燃料を改質させて、水素を含有する改質ガスを生成する。改質器２は、水ポンプ２７により供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器１１を有しており、水蒸気及び原燃料を用いて改質ガスを生成する。この気化器１１に対する水の供給量と改質器２に対する原燃料の供給量とは、通常時において、水と原燃料との比率であるＳ／Ｃ［Steam／Carbon］が既定値となるように制御されている。
【００１５】
水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２には、改質触媒を加熱するためのバーナ１０が設けられている。バーナ１０には、上述した燃料ポンプ２５により導入される原燃料の供給路が接続されている。上述した燃料ポンプ２５の下流側は、改質器２への燃料供給路、及びバーナ１０への燃料供給路の２つに分岐しており、電磁弁２６の開閉動作により、燃料供給路が選択的に制御される。また、バーナ１０には、エアポンプ２８によって圧送された空気が導入される。バーナ１０の燃焼によって生じた排ガスは、熱交換器３１を介して熱回収されて外部に排気される。
【００１６】
改質器２によって生成された改質ガスは、改質器２の下流側に配置されたＣＯ除去器６に導入される。ＣＯ除去器６は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して、二酸化炭素に転換する。ＣＯ除去器６は、エアポンプ２９により送り込まれる空気を用いて、選択的に酸化を行う。
【００１７】
ＣＯ除去器６よって処理された改質ガスは、燃料電池３の上流側に配置された加湿器７に導入される。加湿器７は、その内部に水を貯留しており、導入された改質ガスを気泡として通過させることにより、改質ガスを加湿する。加湿された改質ガスは、燃料電池３のアノードに供給される。
【００１８】
また、燃料電池３の上流側に配置された加湿器９には、エアポンプ８によって圧送された空気が導入される。加湿器９は、その内部に水を貯留しており、導入された空気を気泡として通過させることにより、空気を加湿する。加湿された空気は、燃料電池３のカソードに供給される。
【００１９】
燃料電池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。上述したように、燃料電池３に供給される改質ガス及び空気が加湿されるのは、燃料電池３の電解質である高分子膜が高い伝導性を維持するためには高分子膜が加湿される必要があるからである。燃料電池３の各電池セルにおいては、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。また、燃料電池３には、電気化学反応を促進するための白金系の触媒が備えられている。
【００２０】
燃料電池３で発生した電力は、図示しないコンバータ及びインバータを介して、家庭に供給される。コンバータは、直流の電力の電圧を変圧する。インバータは、変圧された電力を直流から交流に変換する。
【００２１】
ところで、改質ガス中に気化して燃料電池３のアノードに供給された水のうちの余剰分は、循環して、再び加湿器７内に貯留される。一方、空気中に気化して燃料電池３のカソードに供給された水のうちの余剰分（カソードドレン）は、水回収タンク１３内に貯留される。また、加湿器９内に貯留された水は、冷却水として水ポンプ３４により燃料電池３に供給される。冷却水は、燃料電池３が発生する熱によって加熱され、熱回収系を循環した後、加湿器９に戻される。
【００２２】
各加湿器７，９内に貯留された水は、水回収タンク１３、水ポンプ４１及びイオン交換器１４を含む水処理系３０に所定時間毎に導入される。各加湿器７，９から水処理系３０に導入された水は、水ポンプ４１により、イオン交換器１４に循環供給されて処理された後、各加湿器７，９に戻される。なお、改質器２に水を供給する水ポンプ２７は、この水処理系３０に接続されており、バーナ１０の排ガスに含まれるドレインは水回収タンク１３に収容される。
【００２３】
また、燃料電池３のアノードに供給された改質ガスのうちの余剰分（いわゆるオフガス）は、熱交換器３３を介して熱回収された後、改質触媒を加熱するために改質器２に設けられたバーナ１０の燃料として利用される。なお、燃料電池システム１の起動時には、電磁弁２６の切り替えにより脱硫器４によって脱硫された原燃料がバーナ１０の燃料として利用される。一方、燃料電池３のカソードに供給された空気のうちの余剰分は、熱交換器３２を介して熱回収されて外部に排気される。
【００２４】
更に、燃料電池システム１には、家庭用の水が貯留される貯湯ユニットＡが接続される。貯湯ユニットＡ内に貯留された水は、導入口１５から熱回収系に導入され、水ポンプ３５により熱回収系を循環した後、導出口１６から貯湯ユニットＡに戻される。この熱回収系には、燃料電池３の排熱を回収する熱交換器３２，３３、バーナ１０の排ガスから熱を回収する熱交換器３１、燃料電池３本体を冷却する冷却回路に設けられた熱交換器（不図示）等が含まれている。貯湯水は、熱回収系を循環することにより熱を授受する。
【００２５】
以上の燃料電池システム１の構成機器類は、図示しない電装機器類により動作が制御される。電装機器類は、燃料電池システム１に備わるセンサ類や、利用者の利用状況等に応じて構成機器類を制御する。センサ類としては、例えば、周囲の温度を検出する温度計３６、電磁弁２１，２３の間に配置された圧力計３７、燃料ポンプ２５の下流側に設けられた流量計３８、水ポンプ２７の下流側に設けられた流量計４２、エアポンプ２９の下流側に設けられた流量計３９、エアポンプ２８の下流側に設けられた流量計５１等が用いられる。
【００２６】
燃料電池システム１の基本動作の概要を説明する。燃料電池システム１は、システム起動後、燃料ポンプ２５及びエアポンプ２８により、原燃料及び空気をバーナ１０へ供給し、改質器２の昇温を開始する。また、水処理系３０において水ポンプ４１により水を循環させるとともに、水ポンプ３４により燃料電池３の冷却水を循環させる。
【００２７】
改質器２の温度が規定値まで上昇したら、水ポンプ２７により水処理系３０の水を改質器２へ供給する。その後、電磁弁２６により原燃料の供給路を変更し、原燃料を改質器２へ供給する。改質器２により、原燃料及び水を用いて改質ガスを生成し、生成した改質ガスをＣＯ除去器６へ供給する。また、エアポンプ２９により空気をＣＯ除去器６へ供給する。そして、ＣＯ除去器６でＣＯ除去した改質ガスを加湿器７へ供給し、加湿してアノードへ供給する。そして、アノードのオフガスをバーナ１０へ供給する。また、エアポンプ８により空気を加湿器９へ供給し、加湿してカソードへ供給する。これにより、燃料電池３において発電が行われ、家庭内に電力が供給される。
【００２８】
電装機器類は、利用者の利用電力やセンサ類の出力に基づいて、気化器１１に対する水の供給量、改質器２に対する原燃料の供給量、ＣＯ除去器６への空気の供給量、ポンプ出力等を制御して、安定運転や最適運転を行う。より具体的には、電装機器類は、利用者の利用電力やセンサ類の出力に基づいて、家庭内に供給すべき電力、すなわち外部から燃料電池３に要求される発電負荷を算出する。電装機器類は、燃料電池３の発電負荷が要求された値となるように、気化器１１に対する水の供給量及び改質器２に対する原燃料の供給量を制御して改質ガスの生成量を調整する。電装機器類は、改質ガスの生成量の調整に合わせてポンプ出力等の制御をすることで、必要な電力を家庭へ供給するように燃料電池システム１の運転を行う。
【００２９】
次に、気化器１１に対する水の供給量及び改質器２に対する原燃料の供給量におけるＳ／Ｃ制御を説明する。
【００３０】
上述したようにＳ／Ｃ［Steam／Carbon］は、気化器１１に供給される水と改質器２に供給される原燃料との比率であり、この比率は改質器２に供給される水蒸気と原燃料との比率に相当する。原燃料に対する水蒸気の比率が大きく変動すると種々の問題が生じるため、通常時において、Ｓ／Ｃが既定値となるように水及び原燃料の供給量は制御されている。
【００３１】
まず、燃料電池システム１が起動されて起動状態となった場合、水及び原燃料の供給量は、Ｓ／Ｃが既定値の１．３倍となるように制御される。このような制御を行うことで、原燃料に対して十分な量の水蒸気が改質器２に供給されるので、水蒸気改質反応を効率良くスタートさせることが可能となる。起動状態が終了すると、気化器１１に対する水の供給量の減少又は改質器２に対する原燃料の供給量の増加により、Ｓ／Ｃの値が既定値まで下げられる。その後、水及び原燃料の供給量は、Ｓ／Ｃが既定値となる状態を維持するように制御される。
【００３２】
図２は、改質器２に対する原燃料の供給量及び気化器１１に対する水の供給量におけるＳ／Ｃ制御を示すフローチャートである。本実施形態に係る燃料電池システム１では、起動状態の終了から運転が停止されるまでの間、このフローチャートに沿ったＳ／Ｃ制御が繰り返し行われる。
【００３３】
図２に示されるように、ステップＳ１において、所定の燃料電池負荷上昇条件が満たされたか否かの判定が行われる。この燃料電池負荷上昇条件は、燃料電池３の発電負荷を上昇させる場合、すなわち燃料電池３に供給される改質ガスの生産量を増加させる場合にしか満たされない条件である。具体的には、貯湯ユニットＡ等から要求された燃料電池３の発電負荷が、現在の燃料電池３の発電負荷と比較して所定の閾値（例えば５０Ｗ）以上大きい場合に、燃料電池負荷上昇条件は満たされたと判定される。
【００３４】
ステップＳ１において、燃料電池負荷上昇条件が満たされたと判定された場合、Ｓ／Ｃが既定値の１．１倍となるように、水の供給量及び原燃料の供給量が制御される（ステップＳ２）。このステップ２では、Ｓ／Ｃが既定値の１．１倍となるように、水の供給量が一気に上げられる。ステップＳ２の終了後、再びステップＳ１に戻り燃料電池負荷上昇条件が満たされたか否かが判断される。
【００３５】
一方、ステップＳ１において、燃料電池負荷上昇条件が満たされていないと判定された場合、Ｓ／Ｃが既定値となるように水の供給量が制御される（ステップＳ３）。このとき、Ｓ／Ｃが既定値より高い場合には、Ｓ／Ｃが既定値となるように水の供給量が減らされる。そして、Ｓ／Ｃが既定値になると、Ｓ／Ｃが既定値となる状態が維持されるように、水及び原燃料の供給量が制御される。ステップＳ３の終了後、再びステップＳ１に戻り燃料電池負荷上昇条件が満たされたか否かが判断される。
【００３６】
以上説明した本実施形態に係る燃料電池システム１では、利用電力の大幅な増加等により、燃料電池３に要求される発電負荷が上昇して燃料電池負荷上昇条件が満たされたときには、Ｓ／Ｃが既定値の１．１倍となるように水の供給量及び原燃料の供給量を増加させる。これにより、気化器１１における水蒸気の生産量増加が原燃料の供給量増加に追いつかなくなることで、原材料と改質反応する水蒸気が不足する事態を避けることができる。従って、この燃料電池システム１によれば、改質ガスを増産する際に、水蒸気不足に起因して改質器２内で一酸化炭素が過剰に生成されることを防ぐことが可能になるので、所望の成分の改質ガスを得ることができる。
【００３７】
しかも、この燃料電池システム１では、一酸化炭素を過剰に含むことのない所望の成分の改質ガスを生成することで、一酸化炭素の影響により燃料電池３の触媒効率が低下して、発電される電力が減少することを防ぐことができる。
【００３８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、燃料電池負荷上昇条件は、上述のものに限定されない。燃料電池負荷上昇条件の他の例としては、要求される改質ガスの増産量が所定の閾値を超えた場合に満たされる条件等がある。
【００３９】
また、上述した実施形態においては、電装機器類が利用者の利用電力等に基づいて燃料電池３に要求される発電負荷を算出する態様としたが、本発明はこのような態様に限定されるものではない。例えば、利用者による日々の利用電力の履歴から要求される発電負荷の変化を予測し、その予測に沿って運転を行ういわゆる学習運転を行う場合においても本発明は好適に適用可能である。
【００４０】
また、改質器２は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであっても良く、気体状の原燃料として、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであっても良い。
【００４１】
また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であっても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池システム、２…改質器、３…燃料電池、１１…気化器、１３…水回収タンク、２５…燃料ポンプ、２７…水ポンプ、Ａ…貯湯ユニット。
【図１】
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【図２】
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