(57)【要約】    【課題】燃料電池発電装置の発電コストよりも安い料金で提供される深夜電力料金時間帯も燃料電池発電装置を熱自立可能な最低負荷以上で運転を継続する必要があった。    【解決手段】夜間など、単位電力量当りの燃料電池発電装置の発電コストよりも商用電力料金の方が安価となる時に、燃料電池本体の発電を停止し、燃料改質装置は熱自立する負荷で運転を継続すると共に、当該運転中の補機動力、前記改質反応用水蒸気の生成および燃料電池の保温に要する電力を商用電力から供給する待機運転を行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料ガスを水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料改質装置と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池本体とを備えたりん酸形燃料電池発電装置において、
単位電力量当りの前記りん酸形燃料電池発電装置の発電コストよりも商用電力料金の方が安価となる時に、前記燃料電池本体の発電を停止し、前記燃料改質装置は熱自立する負荷で運転を継続すると共に、当該運転中の補機動力、改質反応用水蒸気の生成および燃料電池本体の保温に要する電力を商用電力から供給する待機運転を行うよう制御する制御手段を備えたことを特徴とするりん酸形燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記待機運転中に前記燃料改質装置で生成される燃料ガスは、前記燃料電池本体の燃料極を通流した後、前記燃料改質装置に備えられたバーナーで燃焼されることを特徴とする請求項１に記載のりん酸形燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記待機運転開始時に前記燃料電池本体の空気極を不活性ガスでパージすると共に、前記待機運転中は前記燃料電池のセル電圧を０．１Ｖ以下に維持するように不活性ガスを空気極に供給することを特徴とする請求項２に記載のりん酸形燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記待機運転開始時の不活性ガスパージは、前記空気極の空気流路に不活性ガスを５ｍｍ/ｓ以上の流速で２分間以上供給するものであり、その後待機運転中、不活性ガスを前記空気流路に０．０５ｍｍ／ｓ以上の流速で継続的に通流することを特徴とする請求項３に記載のりん酸形燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記待機運転中の前記燃料改質装置の負荷を４〜８％とすることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のりん酸形燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、日中と夜間などで電力需要の変動があるサイトに設置される燃料電池発電装置に関するものであり、特に、深夜電力など安価な外部電力を用いて電力需要の少ない時間帯に安価で効率的な待機運転を行うと共に短時間で発電を再開できるりん酸形燃料電池発電装置を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、都市ガスなどの炭化水素系原燃料を脱硫する脱硫器、脱硫後のガスを水蒸気と反応させて水素に富む改質ガスを生成する改質器、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素変成器などを備えて原燃料から燃料電池での発電に用いる燃料ガスを生成する燃料改質装置と、燃料ガスと空気とを供給して発電反応を行う燃料電池本体とから構成されている。
【０００３】
燃料改質装置にはバーナーが備えられ、燃料電池で使用されずに燃料極から排出された燃料ガスをバーナーに供給してその燃焼熱により改質器を７００℃程度に加熱して改質ガスを生成する反応を促進している。
燃料電池本体は、燃料電池の種類によって運転温度が異なり、りん酸形燃料電池の運転温度は２００℃程度である。
【０００４】
オンサイト型発電システムとして運用される燃料電池発電装置は、ビルや商業施設などに設置された場合、日中は電力需要が多く高負荷で運転されるが、夜間は電力需要が極めて少ないか全くなくなるという状態に置かれる。
これに対して、燃料電池発電装置を電力需要の多い昼間のみ運転し、夜間は運転を停止するいわゆるＤＤＳ（Daily Startup Shutdown）運転を行いたいとの要望が高まっていた。
【０００５】
燃料改質装置については、上記のように高温で運転されるため、運転を停止すると再起動時の昇温に時間とエネルギーを要すること、また、起動停止に伴う温度変化によりクリープ変形が進行し寿命が著しく短くなることから、燃料電池の発電停止後次の発電開始までの間も、燃料改質装置を所定温度以上に保温することが行われている。
例えば、特許文献１には、燃料電池発電装置をＤＳＳモードで運転し、燃料電池の発電運転停止時間帯に深夜電力を用いて改質器に設けたシースヒーターを稼動させて改質器の構造部材のクリープ遷移温度以上に加熱保持することが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）での精製に供する改質ガスを製造する水素発生装置の運転方法において、ＰＳＡの停止中に水素発生装置で発生する水素リッチなガスを改質器のバーナーで燃焼させることにより、改質器の待機運転を行うことが記載されている。
ところで、燃料電池は、負荷が高い状態では、低電圧、高電流であり、負荷が低い状態では、高電圧、低電流という特徴がある。電流が高い状態（高負荷状態）ではそれだけ多くの水素が反応しており、反応の増加に伴って抵抗分極（電気抵抗に起因するロス）、活性分極（反応活性に起因するロス）、濃度分極（反応物或いは生成物の移動が不十分になって起こるロス）が増え、燃料電池での発電反応のロスとなるエネルギーの割合が多くなる。そして、このエネルギーロスは熱エネルギーの形となって現れる。
【０００７】
つまり、負荷が高い状態では、改質器バーナーの燃焼熱（Ａ）＋燃料電池での発電反応に伴う反応熱(Ｂ) ≧燃料改質装置において反応に要する熱（Ｃ）+改質用水蒸気生成に要する熱（Ｄ）+放熱（Ｅ）であり、高負荷条件ほど反応熱（Ｂ）が大きい。従って、燃料電池の運転温度を一定に制御しようとした場合、負荷の高い条件では燃料電池から回収される熱エネルギーの割合は多くなり、システム上必要とされる改質用蒸気を製造するのに要する熱（Ｄ）だけでなく、コージェネレーションシステムとして燃料電池発電装置外に取り出して利用できる排熱回収量が増加する。
【０００８】
一方、負荷が小さいほど燃料電池での発電反応のロスとなるエネルギーの割合、すなわち反応熱（Ｂ）が減少し、負荷低減に伴い回収される熱エネルギーの割合が減少する。そして、燃料電池の運転温度を反応に適した所定温度（りん酸形燃料電池では約２００℃）に維持し、改質用蒸気を製造する熱エネルギーを除くと、排熱回収量がゼロとなる負荷が存在し、それ以下では燃料電池を加熱しなければ運転温度が維持出来ない（熱自立できない）ということになる。即ち、燃料電池発電装置には燃料電池が熱自立できる（上式のＡ+Ｂ≧Ｃ＋Ｄ＋Ｅが維持できる）最低負荷というものが存在する。
【０００９】
この最低負荷を下回る条件で運転しようとすると、燃料電池発電装置外からエネルギーを供給して燃料電池を加熱して運転温度を維持する必要があり、発電効率は著しく低下する。そこで、通常は、この最低負荷（システム構成によって異なるがおよそ25〜40%程度）以下の条件では運転しない。
さらに、りん酸形燃料電池のように運転温度が比較的高温の燃料電池では、起動時の昇温に時間がかかり、また、停止時には不活性ガスによる系統内のパージが電気事業法により義務付けられていることから、夜間、電力需要が少ない場合でも停止せず、熱自立できる最低負荷で発電を行い、不足する電力のみ夜間の安価な商用系統から買電するという運用を行っている。また、りん酸形燃料電池の導入に際しては、燃料電池発電装置が熱自立できる最低負荷での運転が継続できる電力需要を少なくとも有するサイトを選定し、設置を行っているので、最低負荷で余剰電力が生じるようなサイトは、現在のところ存在しない。
【００１０】
特許文献３には、このように電力が余剰となる夜間等に、電池を作動温度に維持した状態で外部の負荷への送電を実質的に停止し、燃料電池本体に少量の反応ガスを供給して発電状態を維持して得られた電力を電池保温のための加熱ヒーターに用いることが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２８８９２９号公報
【特許文献２】特開２００３−１２８４０１号公報
【特許文献３】特公平８−２８２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、従来、りん酸形燃料電池発電装置は、夜間でも燃料電池発電装置が熱自立できる最低負荷以上で運転できる電力需要のあるサイトを選定して設置し、夜間も運転を継続していた。りん酸形燃料電池発電装置を導入したユーザーにとっては、燃料電池発電装置での発電コストよりも安価な料金で提供される商用電力の深夜電力時間帯も、燃料電池発電装置が熱自立可能となる最低負荷以上で発電を継続しなければならず、その分を深夜電力で賄うのに比べ高コストとなっていた。
【００１２】
そこで、本提案では、りん酸形燃料電池発電装置のＤＳＳ運転を可能にし、りん酸形燃料電池発電装置を導入したユーザーにおいても、夜間、商用系統からの安価な電力買電を可能にし、熱自立できる最低負荷で燃料電池発電装置の運転を継続するよりも経済性に優れた運用が行えるりん酸形燃料電池発電装置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】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明においては、
炭化水素系原燃料ガスを水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料改質装置と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池本体とを備えたりん酸形燃料電池発電装置において、  単位電力量当りの前記りん酸形燃料電池発電装置の発電コスト（発電装置の原価償却費は含まない）よりも商用電力料金の方が安価となる時に、前記燃料電池本体の発電を停止し、前記燃料改質装置は熱自立する負荷で運転を継続すると共に、当該運転中の補機動力、改質反応用水蒸気の生成および燃料電池本体の保温に要する電力を商用電力から供給する待機運転を行うよう制御する制御手段を備える。
【００１４】
このような待機運転を行なわせることにより、りん酸形燃料電池発電装置を導入したユーザーは、より経済性に優れた運用が行えると共に、夜間、りん酸形燃料電池発電装置が熱自立可能な負荷以上で運転が継続できるだけの電力需要が無いサイトに対しても、りん酸形燃料電池発電装置を導入することができることとなった。
また、前記待機運転中に前記燃料改質装置で生成される燃料ガスは、前記燃料電池本体の燃料極を通流した後、前記燃料改質装置に備えられたバーナーで燃焼されることとすれば、夜間の待機運転中も燃料極をパージする必要が無く、窒素消費量を抑えながら、燃料電池スタックの温度を高温状態に保ち、起動時間を短縮することができる。
【００１５】
さらに、このとき、前記待機運転開始時に前記燃料電池本体の空気極を不活性ガスでパージすると共に、前記待機運転中は前記燃料電池のセル電圧を０．１Ｖ以下に維持するように不活性ガスを空気極に供給すれば、燃料電池本体が発電を行わない状態で燃料極へ燃料ガスを導入しても、開回路状態となり空気極が高電位状態に曝され寿命低下を招くのを防止することができる。
【００１６】
上記空気極の不活性ガスパージは、待機運転開始時には、前記空気極の空気流路に不活性ガスを５ｍｍ／ｓ以上の流速で２分間以上供給し、その後待機運転中は空気流路に０．０５ｍｍ／ｓ以上の流速で継続的に通流することとすれば良い。
また、前記待機運転中の前記燃料改質装置の負荷を４〜８％とすれば、燃料改質装置に供給された原燃料から生成された燃料ガスを燃料改質装置のバーナーで燃焼させた熱で、燃料改質装置の運転に必要最低限の熱が得られ、待機運転中に消費する原燃料ガスが最小限に抑えられると共に、燃料極を通過する燃料ガス流量を少なくできるので、セル内のりん酸飛散も少なく抑えられる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、りん酸形燃料電池発電装置を導入したユーザーにおいても、夜間、商用系統からの安価な電力買電を可能とし、かつ、夜間も熱自立できる最低負荷でりん酸形燃料電池の発電を継続するよりも、経済性に優れた燃料電池発電装置を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図1は本発明を実施するりん酸形燃料電池発電装置を模式的に表した概略構成図である。
図１に示す燃料電池発電システムは、脱硫器１、改質器２および一酸化炭素変成器３からなる燃料改質装置１０と、りん酸形の燃料電池本体２０とを備えている。原燃料としての都市ガスは、まず脱硫器１で硫黄分を除去された後、気水分離器８から改質用蒸気供給配管７を通して供給される水蒸気と共に改質器２、一酸化炭素変成器３へと送られて化学反応により水素を主成分とする燃料ガスへと改質される。
【００１９】
燃料電池本体２０では、運転時、燃料改質装置１０から燃料極４に供給される燃料ガスと、反応空気ブロア９により空気極５に供給される空気との反応により発電し、得られる直流電流をインバータ１１で交流電流に変換してユーザーに供給している。
燃料電池本体２０での反応に使われずに燃料極４から排出された残りの燃料ガスは、燃料オフガス供給配管１２を通って改質器２のバーナー６に供給され、燃焼空気ブロア１３から供給される燃焼用空気と燃焼して燃焼ガスの熱が改質器６での改質反応に寄与している。また、燃料電池本体２０での発電反応により生じる熱は、電池冷却水ポンプ１４により燃料電池本体２０を経由して電池冷却水循環系配管１５を通流される冷却水により徐熱され、一方、燃料電池本体２０で加熱されて気液二相流となった冷却水からは、気水分離器８で水蒸気を取り出し、上述の如く原燃料の改質に用いられている。気水分離器８には、燃料電池発電装置の起動時に冷却水を昇温するための起動用ヒーターが備えられている。
【００２０】
次に、本発明のりん酸形燃料電池発電装置の夜間の待機運転について説明する。
本発明のりん酸形燃料電池発電装置は、商用系統電源からの深夜電力料金が適用される時間になると、外部負荷への接続を遮断して電力の供給を停止する。
これと同時に、反応空気供給ブロア９と電池冷却水ポンプを１４停止し、反応空気供給配管１７に設けられた弁２１を閉じると共に、反応空気供給配管１７に接続されたパージ用窒素供給配管１８に設けられた弁２２を開いて窒素ボンベ１９から燃料電池本体２０の空気極  へ窒素の供給を開始し、窒素パージを実施する。空気極５に空気流通溝形成面を対向させて多孔質炭素板が積層されているが、この各空気流通溝を流れる窒素の流速が５ｍｍ／ｓ以上となるように供給し、これを２分間以上実施する。
【００２１】
また、次に述べるように、発電を停止する待機運転中も燃料極４へは燃料ガスの供給を継続するので、空気極５に空気が流入して開回路状態となり、高電位に曝されて寿命低下を招くのを防ぐため、セル電圧が０．１Ｖ以下を維持するように空気極５への窒素パージを継続して行う。このため、待機運転中、空気極５の空気流通溝を０．０５ｍｍ／ｓ以上
の流速で通流するよう窒素の供給を継続する。  
【００２２】
一方、燃料改質装置１０は、夜間の待機運転中も燃料ガス生成を継続する。生成した燃料ガスは、発電を停止した燃料電池本体２０の燃料極４を通過させて、そのまま全量が改質器２のバーナー６へと供給される。
この時の燃料改質装置１０の運転負荷は、燃料改質装置１０で原燃料ガスから生成した燃料ガスをバーナー６で燃焼させて得た熱のみで燃料改質装置１０での反応が行える（燃料改質装置１０が熱自立できる、すなわち、［改質器バーナーの燃焼熱］≧［ 燃料改質装置において反応に要する熱］ +［ 燃料改質装置からの放熱］である）運転負荷以上を維持するが、燃料電池本体２０の燃料極４を通過するガス量が多いほどセル内のりん酸が下流に飛散して寿命低下を招くこと、待機運転コスト低減のため原燃料ガスの使用量は少ない程好ましいことから、燃料改質装置１０が熱自立できる最低限まで負荷を低減させることが好ましい。
【００２３】
この時、燃料電池本体２０は発電を停止しているため、発電反応の熱により改質用水蒸気を得ることはできない。そこで、気水分離器８に設けられた起動用ヒーター１６に深夜電力を投入して改質用水蒸気を得る。
また同様に、燃料電池本体２０に保管や輸送時の保温用に設けられている保温ヒーター２３にも深夜電力を供給し、燃料電池本体２０を50℃〜60℃に保温する。さらに、待機運転中も作動させる燃焼空気ブロア１３等の補機動力にも深夜電力を用いる。
【実施例１】
【００２４】
本実施例のりん酸形燃料電池発電装置では、電力会社から安価な深夜電力料金が適用される２３：００〜７：００の間、上記待機運転へ自動で切り替えるよう燃料電池発電装置の制御装置にプログラムした。待機運転の実施方法は概ね上述のとおりであるが、待機運転中の空気極パージの量や燃料改質装置の負荷は以下のとおりとした。
待機運転中の空気極５の窒素パージは、待機運転開始時に空気流通溝を流れる窒素の流速が５ｍｍ／ｓとなる流量で２分間実施し、その後の待機運転中は、空気流通溝を流れる窒素の流速が０．０５ｍｍ／ｓとなる流量で供給を継続した。
【００２５】
燃料改質装置１０は、待機運転中の負荷を４〜８％に制御（原燃料供給量を、定格の負荷１００％時の流量の４〜８％とする）した。
燃料改質装置１０内の熱が余って改質器２の検出温度が900℃以上に上昇した場合は負荷を下げるが、負荷４％未満では制御が困難となるため負荷４％を下限とし、負荷４％に下げても熱が余る場合は、燃焼空気ブロア１３よりバーナー６に供給する燃焼用空気の流量を増加させてバーナー６の空燃比を上げることにより断熱火炎温度を下げた。
【００２６】
また逆に、燃料改質装置１０内の熱が不足して改質器２の検出温度が600℃よりも低下した場合は負荷を上昇させるが、負荷８％よりも大きくするとりん酸飛散の問題が生じるため負荷８％を上限としたが、負荷８％を維持すれば改質器２の温度は上記所定の温度まで回復させることができた。
深夜電力時間帯に、本実施例で待機運転を行った場合と、従来の燃料電池発電装置の熱自立可能な最低負荷である負荷４０％で発電を継続した場合とのコストの比較は以下のとおりであった。
【００２７】
１００ＫＷのりん酸形燃料電池発電装置を昼間は負荷１００％、夜間（２３:００〜７:００）は負荷４０％で連続運転した場合、都市ガス料金は、定額基本料金と流量基本料金を合わせて約６５円/Ｎｍ３程度となる。
負荷４０％で夜間（２３:００〜７:００）連続運転中に消費する都市ガスの量は約９Ｎｍ3/ｈであるから、定期点検を除くりん酸形燃料電池発電装置の年間運転日数を３６０日とすると、夜間の連続運転に要していたコストは、
６５円／Ｎｍ３×９Ｎｍ3／ｈ×８ｈ／日×３６０日／年＝１，６８４，８００円／年となる。
【００２８】
一方、本発明の待機運転に要するコストは以下のとおりである。
夜間（２３:００〜７:００）の深夜電力料金の単価は、基本料金と電力量料金を合わせて、約６．３円／ｋＷｈであり、商用系統からは、従来の夜間の連続運転中に、りん酸形燃料電池発電装置で発電していた４０ｋＷ、燃料電池発電装置の補機動力２ｋＷ、改質用蒸気発生動力（８％負荷、Ｓ／Ｃ＝３．０相当の蒸気７ｋｇ／ｈ）５ｋＷおよび電池保温ヒーター３ｋＷの合計５０ｋＷを購入することとなる。
【００２９】
従って、夜間の待機運転に要する年間の電力料金は、
６．３円／ｋＷｈ×５０ｋＷ×８ｈ／日×３６０日／年＝９０７，２００円／年となる。
また、本発明の燃料電池発電装置の待機運転中に空気極５に実施する窒素パージには、１日の待機運転当たり500リットル程度の窒素を消費する。窒素の値段は、２０ＭＰ×４７リットルボンベ（９４００リットル）当り３，０００円程度なので、年間の窒素消費料金は、
５００ｌ／日×３６０日／年×３，０００円／９４００ｌ＝５７，５００円/年となる。
【００３０】
従来の連続運転と比較した本発明の実施例による年間のコストメリットは、
１，６８４，８００円−（９０７，２００円＋５７，５００円）＝７２０，１００円
となる。
更に、窒素ボンベを８本程準備しておけば、
３６０（日／年）／［９４００(ｌ／本)×８本／５００（ｌ／日）］＝２．４／年
となり、年間の窒素ボンベの補充頻度も３回未満であり、実用上問題のないレベルとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の燃料電池発電装置を模式的に表した概略構成図
【符号の説明】
【００３２】
１  脱硫器２
２  改質器
３  一酸化炭素変成器
４  燃料極
５  空気極
６  バーナー
７  改質用蒸気供給配管
８  気水分離器
９  反応空気ブロア
１０  燃料改質装置
１１  インバータ
１２  燃料オフガス供給配管
１３  燃焼空気ブロア
１４  電池冷却水ポンプ
１５  電池冷却水循環系配管
１６  起動用ヒーター
１７  反応空気供給配管
１８  パージ用窒素供給配管
１９  窒素ボンベ
２０  燃料電池本体
２１，２２  弁
２３  保温ヒーター
【図１】
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