(57)【要約】【課題】簡単な構成でフラッディング現象を抑制する。【解決手段】燃料電池発電システム１を、水素極及び酸素極に供給される水素ガス及び酸素ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力するとともに、発電に伴い発生した反応生成水を含む排出ガスを酸素極から排出する燃料電池５と、排出ガスの排出手段１１と、燃料電池５の冷却手段３１と、本システム１の諸動作制御を行う制御装置４１と、を備えて構成する。排出ガスの排出手段１１を、排出圧に対する圧力差が大となる第１経路２１と、同圧力差が小となる第２経路２２と、第１経路２１または第２経路２２のうちいずれか一方を排出ガスの排出経路とするように制御装置４１によって切換制御される排出経路切換弁２０とから構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極及び酸素極に供給される水素ガス及び酸素ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力するとともに、発電に伴い発生した水蒸気を含む排出ガスを酸素極から排出する燃料電池と、
排出ガスの排出経路を、排出圧に対する圧力差が大となる第１経路、または小となる第２経路のうち一方へ切り換える排出経路切換弁と、
燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
燃料電池、排出経路切換弁及び電圧検出手段の諸動作を制御する制御装置と、
を備えてなり、
制御装置は、
少なくとも燃料電池の発電起動時に、排出ガスの排出経路を第１経路とするように排出経路切換弁を切換制御する、
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
制御装置は、
排出経路切換弁を切換制御して、
電圧検出手段で検出した燃料電池の出力電圧が予め規定した基準電圧よりも低い場合に、排出ガスの排出経路を第１経路とする一方、
同燃料電池の出力電圧が基準電圧よりも高い場合に、排出ガスの排出経路を第２経路とする、
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
第１経路は、直接外気へ排出する経路であり、
第２経路は、排出ガスの熱を回収する熱交換器を介して外気へ排出する経路である、
請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素極及び酸素極に供給される水素ガス及び酸素ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力する燃料電池発電システムに関し、発電に伴い特に酸素極で発生するフラッディング現象の抑制技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、いわゆるフラッディング現象を抑制する技術としては、特許文献１，２に記載されたものが知られている。特許文献１の技術は、間欠的に空気の流量を増大させることでフラッディングを抑制するものである。特許文献２の技術は、出口圧力を間欠的に下げることにより、過渡的に酸素極の出口圧力を入口圧力より低くして、酸素極内の結露水を排出するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１１０５５８号公報
【特許文献２】特開２００４−３４２４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術は、電圧等を監視していないため、、電圧の安定の確認が取れない点で問題があった。また、特許文献２の技術は、出口圧力調整機構、圧力センサなどの追加部品が多く、その制御系も複雑になる点で問題があった。
【０００５】
そこで、本発明では上記課題を鑑み、発電電力を安定出力でき、簡単な構成でフラッディング現象を抑制できる燃料電池発電システムの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る燃料電池発電システムは、水素極及び酸素極に供給される水素ガス及び酸素ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力するとともに、発電に伴い発生した水蒸気を含む排出ガスを酸素極から排出する燃料電池と、排出ガスの排出経路を、排出圧に対する圧力差が大となる第１経路、または小となる第２経路のうち一方へ切り換える排出経路切換弁と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、燃料電池、排出経路切換弁及び電圧検出手段の諸動作を制御する制御装置と、を備えてなり、制御装置が、少なくとも燃料電池の発電起動時に、排出ガスの排出経路を第１経路とするように排出経路切換弁を切換制御自在に構成される。
【０００７】
請求項２の発明に係る燃料電池発電システムは、制御装置が、排出経路切換弁を切換制御して、電圧検出手段で検出した燃料電池の出力電圧が予め規定した基準電圧よりも低い場合に、排出ガスの排出経路を第１経路とする一方、同燃料電池の出力電圧が基準電圧よりも高い場合に、排出ガスの排出経路を第２経路とするように構成される。
【０００８】
請求項３の発明に係る燃料電池発電システムは、第１経路が、直接外気へ排出する経路であり、第２経路が、排出ガスの熱を回収する熱交換器を介して外気へ排出する経路であるように構成される。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１、２の発明によれば、発電電力を安定出力でき、簡単な構成でフラッディング現象を抑制できる。
【００１０】
請求項３の発明によれば、発電起動時や低負荷時では第１経路に切り換えてフラッディング現象の発生を低減でき、通常運転時には第２経路に切り換えて、排気ガスの熱を回収し、例えば貯湯槽の加温に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。
【００１２】
本システム１は、水素極及び酸素極（図示略）に供給される水素ガス及び酸素ガスの電気化学反応によって所定の発電電力を出力するとともに、発電に伴い発生した反応生成水を含む排出ガスを酸素極から排出する燃料電池５と、排出ガスの排出手段１１と、燃料電池５の冷却手段３１と、本システム１の諸動作制御を行う制御装置４１と、を備えて構成されている。
【００１３】
燃料電池５には、供給される水素ガス及び酸素ガスに所定量の水分を加えるための加湿モジュール６が加湿タンク７と共に付設されている。水素ガス及び酸素ガスは、加湿モジュール６によって所定湿度に調整された上、燃料電池５の対応各極に供給される。加湿タンク７内には、燃料電池５の排出ガスをガス成分と生成水とに気液分離する気液分離装置８が設けられている。
【００１４】
排出ガスの排出手段１１は、排出圧に対する圧力差が大となる第１経路２１と、同圧力差が小となる第２経路２２と、第１経路２１または第２経路２２のうちいずれか一方を排出ガスの排出経路とするように制御装置４１によって切換制御される排出経路切換弁２０と、から構成されている。本システム１には、第１経路２１として、排出ガスを直接外気へ排出する経路が設けられている。また第２経路２２として、気液分離した排出ガスのガス成分を、ガス熱を回収するガス熱交換器２４を介して外気へ排出する経路が設けられている。また気液分離した排出ガスの生成水からは、生成水熱交換器２５を介して生成水熱が回収される。ガス熱交換器２４及び生成水熱交換器２５は、回収したそれぞれの熱を貯湯槽系に放出するように、貯湯槽の循環水路２６に対して直列に連結されている。
【００１５】
燃料電池５の冷却手段３１は、所定量の冷却用循環水を蓄える冷却水槽３２と、燃料電池５内部に設けられた燃料電池熱交換器３３と、燃料電池熱交換器３３から排出された循環水を、冷却水槽３２へ戻す第３経路４３、または加湿モジュール６から生成水熱交換器２５を経由して冷却水槽３２へ戻す第４経路４４、のいずれか一方を循環経路とするように制御装置４１によって切換制御される冷却経路切換弁３０と、循環水を循環させる循環水ポンプ３４と、から構成されている。
【００１６】
制御装置４１は、燃料電池５の発電起動時、冷却経路切換弁３０を切り換えるとともに循環水ポンプ３４を起動し、冷却水槽３２の循環水を、冷却水槽３２→循環水ポンプ３４→燃料電池熱交換器３３→冷却経路切換弁３０→冷却水槽３２の第３経路４３で循環させる。燃料電池５は、この冷却手段３１及び昇温用ヒータ（図示略）によって、発電温度Ｔｏｕｔ（６０℃〜９０℃）付近まで昇温される。そして、制御装置４１は、燃料電池５の出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｓ（＝約４０Ｖ）となるように発電制御して、定常運転時の発電電力を出力する。
【００１７】
昇温とともに、水素ガス及び酸素ガスが加湿タンク７内の加湿モジュール６を通過して燃料電池５へ送られ、発電のための電気化学反応が徐々に活発化する。この時、水素ガス及び酸素ガスの供給量は、定常運転時の供給量に比べて少ない。よって、定常運転時までは、排出ガスの排出圧に対する圧力差が大きくなるように、排出手段１１の排出経路切換弁２０は第１経路２１が排出経路となるように切り換えられ、酸素極から排出ガスを直接外気へ排出する。
【００１８】
次に、定常運転時、高負荷によって排出ガスの排出量が十分に確保されている場合、排出手段１１の排出経路切換弁２０は、排出圧に対する圧力差が小となる第２経路２２へ排出ガスを流すように制御装置４１によって切り換えられる。第２経路２２では、燃料電池５の酸素極から排出された排出ガスが生成水と一緒に排出経路切換弁２０を通過し、先ず加湿モジュール６へ導かれる。ここで排出ガスは、気液分離装置８によってガス成分と生成水とに分離される。ガス成分はガス熱交換器２４へ送られ、また生成水は加湿タンク７を介して冷却水とともに生成水熱交換器２５へ送られ、貯湯槽の循環水路２６へそれぞれの熱を放出するように熱交換が行われる。ガス熱交換器２４の通過後、ガス成分は外気へ排出される。また生成水熱交換器２５を通過した生成水と冷却水は、冷却水槽３２に流し込まれ蓄えられる。
【００１９】
この経路では、加湿タンク、配管、配管の曲がり部分、各熱交換器などの通過の際において圧力損失が生じて排出圧に対する圧力差が小さくなり、燃料電池５内部で発電に伴い発生した生成水の排出能力が低下し易くなる。したがって、定常運転時であっても、特に低負荷時等の酸素ガスの排出量が少ない場合には、生成水によって酸素極の排出流路が閉塞され、燃料電池５の発電能力を低下させる現象、いわゆるフラッディング現象を生ずることがある。本システム１には、フラッディング現象に伴う発電能力の低下を検知する手段として、燃料電池５の出力電圧を随時監視し検出する電圧センサ４２が設けられている。
【００２０】
次に、図２は本システムの制御装置による排出ガスの排出経路の切換制御Ｓ１を示すフローチャートである。制御装置４１は、電圧センサ４２によって検出した燃料電池５の出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｓ１−１）と、予め設定された基準電圧Ｖｓとを比較する（Ｓ１−２）。そして、Ｖｏｕｔ＜Ｖｓの場合、排出圧に対する圧力差が大となる第１経路２１側へ排出経路切換弁２０を切り換え（Ｓ１−３）、第１経路２１を経由して排出ガスを排出する。またＶｏｕｔ≧Ｖｓの場合、排出圧に対する圧力差が小となる第２経路２２側へ排出経路切換弁２０を切り換え（Ｓ１−４）、第２経路２２を経由して排出ガスを排出する。また、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｓまで回復する回復時間ｔｒを算出する（Ｓ１−５）。回復時間ｔｒは、予め設定された燃料電池５の熱容量、発電損失熱、排出ガスの速度等に基づき算出される。
【００２１】
また制御装置４１は、冷却手段３１の冷却経路切換弁３０を切り換え、冷却水槽３２の循環水を、冷却水槽３２→循環水ポンプ３４→燃料電池熱交換器３３→冷却経路切換弁３０→加湿モジュール６→生成水熱交換器２５→冷却水槽３２の第４経路４４で循環させる。すなわち、燃料電池熱交換器３３で回収した燃料電池５の発電熱を、生成水熱交換器２５を介して貯湯槽の循環水路２６へ放出する。
【００２２】
また、定常運転時、排出手段１１の排出経路切換弁２０が圧力差の小さい第２経路２２側に切り換えられている場合、制御装置４１は、電圧センサ４２により検出した出力電圧Ｖｏｕｔが、基準電圧Ｖｓ以下に低下した場合であっても、速やかに上昇し短時間で回復する変化率であるか否かを判断する。すなわち、基準時間ｔｓと回復時間ｔｒとを比較して、基準電圧Ｖｓまで回復させる回復時間ｔｒが基準時間ｔｓよりも短い、短時間と判断した場合には、排出経路切換弁２０を切り換えずにそのままの経路で排出ガスを排出するように制御する。ここで、基準時間ｔｒは、例えば１分に設定される。
【００２３】
また、制御装置４１は、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｓ以下に低下した場合であっても、燃料電池５の回復が穏やかである、すなわち基準電圧Ｖｓまで回復させるために例えば１分以上の回復時間ｔｒが必要である、と判断した場合（Ｓ１−６）には、ある一定間隔で間欠的に排出経路切換弁２０を切り換えて（Ｓ１−７）、出力電圧Ｖｏｕｔの回復を促すように制御する。ここで、「一定間隔で間欠的に切り換え」とは、排出経路切換弁２０の耐久性を考慮して、１０秒毎の一定間隔で排出ガスを第１経路２１と第２経路２２とを交互に通過させる状態をいうものとする。
【００２４】
そして、制御装置４１は、低下した燃料電池５の出力電圧が基準電圧Ｖｓ付近まで回復し所定の時間変化率以内で安定出力したことを確認した時は、排出ガスの排出経路を第２経路に移行させるように切換制御する。
【００２５】
従って、上記構成の本システム１によれば、起動時または低負荷時等、燃料電池５の出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｓよりも低い場合、排出ガスの排出経路を排出経路切換弁２０によって圧力損失が少なく圧力差の大きい第１経路２１へ切り換えるので、出力電圧Ｖｏｕｔの低下がフラッディング現象に起因する時には、排出ガスの排出能力を高めて酸素極における生成水の排出を促進させることができ、フラッディング現象を抑制あるいは解消可能となる。また出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｓまで回復した場合には、再び排出ガスの排出経路を排出経路切換弁２０によって圧力差の小さい第２経路２２へ切り換えるので、水素極及び酸素極の高分子膜について過度の乾燥を防ぎ、燃料電池５の適正な発電条件を維持して安定した発電電力を長時間出力できる。また発電起動時や低負荷時においては、燃料電池の排出ガスの排出経路を第１経路に切り換えてフラッディング現象の発生を低減でき、通常運転時には第２経路に切り換えて、排気ガスの熱を回収し、例えば貯湯槽の加温に利用できる。
【００２６】
さらに基準時間ｔｓと基準電圧Ｖｓまで回復させる回復時間ｔｒとを比較して、回復時間ｔｒが基準時間ｔｓよりも短いと判断した場合には、排出経路切換弁２０を切り換えずにそのままの経路で排出ガスを排出するように制御するので、排出経路切換弁２０による排出ガスの排出経路の切り換え回数を可能な限り減らすことができ、切り換えに伴うそれぞれの経路からの熱損失を低減でき、運転効率を高めることができる。
【００２７】
さらに出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｓ以下に低下した場合であっても、回復時間ｔｒが基準時間ｔｓよりも長いと判断した場合には、ある一定間隔で間欠的に排出経路切換弁２０を切換制御する。この場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの回復を促しながら高分子膜の過度の乾燥を防止でき、燃料電池５の耐久性を高めることができる。
【００２８】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
（１）排出ガスの排出経路は、第１経路をさらに排出圧に対する圧力差が大小となるように、２分岐させて構成しても良い。第２経路も同様である。ただし、第１経路と第２経路との圧力差の大小関係は維持するものとする。
（２）制御装置は、燃料電池の出力電圧が基準電圧まで短時間で回復するか否かを判断する際、１分間の回復時間に限らず、諸条件に合わせて設定した他の回復時間に基づいて、判断することもできる。
（３）制御装置は、一定間隔で間欠的に排出経路切換弁を切り換える際、１０秒毎の一定間隔に限らず、諸条件に合わせ他の間隔で切り換えても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図２】本システムによる制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１・・燃料電池発電システム、５・・燃料電池、６・・加湿モジュール、７・・加湿タンク、８・・気液分離装置、１１・・排出手段、２０・・排出経路切換弁、２１・・第１経路、２２・・第２経路、２４・・ガス熱交換器、２５・・生成水熱交換器、２６・・貯湯槽の循環水路、３０・・冷却経路切換弁、３１・・冷却手段、３２・・冷却水槽、３３・・燃料電池熱交換器、３４・・循環水ポンプ、４１・・制御装置、４２・・電圧検出手段としての電圧センサ、４３・・第３経路、４４・・第４経路、ｔｓ・・基準時間、ｔｒ・・回復時間、Ｔｏｕｔ・・発電温度、Ｖｏｕｔ・・燃料電池の出力電圧、Ｖｓ・・基準電圧。
【図１】
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【図２】
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