(57)【要約】【課題】燃料電池での不完全燃焼の発生を抑制して、一酸化炭素の排出量を低減することができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１に供給される燃料の量を調整するための燃料供給手段２と、燃料電池１に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段３と、燃料電池１の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段１２と、外部負荷の要求電力量に応じて、燃料供給手段２および酸素含有ガス供給手段３を制御する制御装置１４とを有し、制御装置１４は、外部負荷の要求電力量が増加すると、燃料電池１に供給する酸素含有ガスの供給量を増加させた後、燃料電池１への燃料の供給量を増加させるように、酸素含有ガス供給手段３および燃料供給手段２をそれぞれ制御することにより、燃料電池１での不完全燃焼を抑制して、ＣＯの排出量を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記外部負荷の要求電力量が増加すると、前記燃料電池に供給する酸素含有ガスの供給量を増加させた後、前記燃料電池への燃料の供給量を増加させるように、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記外部負荷の要求電力量が減少すると、前記燃料電池に供給する燃料の供給量を減少させた後、前記燃料電池への酸素含有ガスの供給量を減少させるように、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３】
燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記燃料電池の起動の際に、前記燃料電池への酸素含有ガスの供給を開始した後、前記燃料電池への燃料の供給を開始するように、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４】
燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記燃料電池の停止の際に、前記燃料電池への燃料の供給量を減少させた後、前記燃料電池への酸素含有ガスの供給量を減少させるように、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給する酸素含有ガスと燃料ガスとを制御する制御部を具備する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、水素（燃料）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池（モジュール）と、この燃料電池を稼動するための補機類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置およびその運転方法が種々提案されている。
【０００３】
このような燃料電池装置として、例えば、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給手段と、燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段とを具備するとともに、外部負荷の要求電力量に応じて、燃料と酸素含有ガスとの供給量を制御する制御手段が設けられている燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２８５４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば外部負荷の要求電力量が変化する場合、燃料と酸素含有ガスとを燃料電池に供給するにあたり、それらが供給されるタイミングにずれが生じ、一時的に燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となる場合があった。また同様に燃料電池の起動の際や停止の際においても、一時的に燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となる場合があった。
【０００５】
この場合に、例えば燃料の量に対し酸素含有ガス量が少ない場合には、燃料と酸素含有ガスとの燃焼において不完全燃焼となるおそれがあり、その際、一酸化炭素（ＣＯ）の排出量が増加するおそれがあった。
【０００６】
したがって、本発明は、不完全燃焼の発生を抑制して、一酸化炭素の排出量を低減することができる燃料電池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】
【０００７】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段とおよび前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記外部負荷の要求電力量が増加すると、前記燃料電池に供給する酸素含有ガスの供給量を増加させた後、前記燃料電池への燃料の供給量を増加させるよう、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする。
【０００８】
このような燃料電池装置においては、外部負荷の要求電力量に応じて負荷追従運転を行なう燃料電池装置において、外部負荷の要求電力量が増加した場合に、酸素含有ガス供給手段および燃料供給手段を制御し、燃料電池に供給する酸素含有ガスの供給量を増加させた後、燃料電池への燃料の供給量を増加させる。
【０００９】
それにより、燃料電池における燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制することができ、燃料電池における不完全燃焼の発生を抑制してＣＯの排出量を低減することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記外部負荷の要求電力量が減少すると、前記燃料電池に供給する燃料の供給量を減少させた後、前記燃料電池への酸素含有ガスの供給量を減少させるように、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする。
【００１１】
このような燃料電池装置においては、外部負荷の要求電力量に応じて負荷追従運転を行なう燃料電池装置において、外部負荷の要求電力量が減少した場合に、酸素含有ガス供給手段および燃料ガス供給手段を制御し、燃料電池に供給する燃料の供給量を減少させた後、燃料電池への酸素含有ガスの供給量を減少させる。
【００１２】
それにより、燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制することができ、燃料電池における不完全燃焼の発生を抑制してＣＯの排出量を低減することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記燃料電池の起動の際に、前記燃料電池への酸素含有ガスの供給を開始した後、前記燃料電池への燃料の供給を開始するように、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする。
【００１４】
このような燃料電池装置においては、燃料電池の起動の際に、酸素含有ガス供給手段および燃料供給手段を制御し、燃料電池への酸素含有ガスの供給を開始した後、燃料電池への燃料の供給を開始する。
【００１５】
それにより、燃料電池の起動の際に、燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制することができ、燃料電池における不完全燃焼の発生を抑制してＣＯの排出量を低減することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に燃料の量を調整するための燃料供給手段と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量を調整するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池の発電により生じる電力を外部負荷に供給するための電力調整手段と、前記外部負荷の要求電力量に応じて、前記燃料供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、前記燃料電池の停止の際に、前記燃料電池への燃料の供給量を減少させた後、前記燃料電池への酸素含有ガスの供給量を減少させるように、前記酸素含有ガス供給手段および前記燃料供給手段をそれぞれ制御することを特徴とする。
【００１７】
このような燃料電池装置においては、燃料電池の停止の際に、酸素含有ガス供給手段および燃料供給手段を制御し、燃料電池への燃料の供給量を減少させた後、燃料電池への酸素含有ガスの供給量を減少させる制御を行なう。
【００１８】
それにより、燃料電池の停止の際に、燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制することができ、燃料電池における不完全燃焼の発生を抑制してＣＯの排出量を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池装置は、外部負荷の要求電力量の増減や燃料電池の起動・停止に応じて、制御装置が燃料供給手段および酸素含有ガス供給手段を制御することから、燃料電池における不完全燃焼の発生を抑制して、ＣＯの排出量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の燃料電池装置における構成要件を充足する燃料電池装置の一例を示したものであり、燃料電池の発電を行なう発電ユニット、燃料電池の排ガスと水とでの熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。なお、図１においては、燃料電池１で使用できる燃料（改質ガス）を得る手段として、水蒸気改質により燃料（改質ガス）を得る場合の燃料電池装置を示している。
【００２１】
図１に示す燃料電池装置は、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池１、天然ガス等の燃料（被改質ガス等）を供給する燃料供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給手段３、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替えて外部負荷に供給するための電力調整手段１２、電力調整手段１２の情報に基づき、燃料供給手段２および酸素含有ガス供給手段３を制御するための制御装置１４を具備する。なお、その他の構成については後述する。
【００２２】
このような燃料電池装置においては、燃料供給手段２より供給される燃料と、酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスを用いて、燃料電池１の発電が行なわれる。そして燃料電池１にて発電された直流電力は、電力調整手段（パワーコンディショナ）１２にて交流電力に切り替えて外部負荷に供給される。ここで、パワーコンディショナ１２に要求される外部負荷の要求電力量の情報が、制御装置１４に伝送され、制御装置１４はその情報に基づき、燃料供給手段２より供給される燃料の供給量と、酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスの供給量を制御する。それにより、外部負荷の要求電力量に応じて、燃料および酸素含有ガスが燃料電池１に供給されて負荷追従運転を行なう。なお、燃料供給手段２や酸素供給手段３としては、例えば、ブロアー等のポンプ類を用いることができる。
【００２３】
この負荷追従運転において、外部負荷の要求電力量に応じて、燃料電池１に燃料供給手段２より燃料を、酸素含有ガス供給手段３より酸素含有ガスをそれぞれ供給するが、それらが供給されるタイミングにずれを生じ、一時的に燃料電池１における燃料量と酸素含有ガス量の割合（空燃比）が一定の範囲外（例えば、体積比としての空燃比が１５以下であり、以下同様である。またこの空燃比は、燃料種や燃焼方法、燃料供給手段や酸素含有ガス供給手段として用いる機器類等に応じて任意に設定することができる)となる場合がある。この場合、燃料電池１において不完全燃焼が生じるおそれがあり、不完全燃焼が生じた場合には一酸化炭素（ＣＯ）が排出される、もしくはその排出量が増加するおそれがある。
【００２４】
また、例えば燃料電池１が固体酸化物形燃料電池の場合には、その発電効率を維持する上で、運転温度を非常に高温な状態で維持する必要があり、燃料電池１の発電に必要以上の酸素含有ガスが供給されると、燃料電池１の温度が下がり、燃料電池１の発電効率が低下するおそれがある。
【００２５】
それゆえ、本発明の燃料電池装置は、例えば外部負荷の要求電力量が増加した場合に、燃料電池１内に外部負荷の要求電力量に対応する量の酸素含有ガスを先に供給することにより、燃料電池１での不完全燃焼を抑制する。
【００２６】
具体的には、パワーコンディショナ１２より外部負荷に供給される電力量の情報が制御装置１４に伝送される。ここで、パワーコンディショナ１２より外部負荷に供給される電力量が増加した情報が制御装置１４に伝送された場合、制御装置１４は外部負荷の要求電力の増加量に応じて、酸素含有ガス供給手段３に酸素含有ガスの供給量を増加する信号を伝送した後、燃料供給手段２に燃料の供給量を増加する信号を伝送する。それにより、燃料電池１に対し、酸素含有ガスが先に供給され、その後燃料が供給されることにより、燃料電池１における燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合（空燃比）が一定の範囲外となることをしつつ、燃料電池１における不完全燃焼の発生を抑制でき、ＣＯの排出量を低減することができる。
【００２７】
なお、酸素含有ガス供給手段３と燃料供給手段２に対して供給量を増加する信号を伝送するタイミングは、それぞれの供給手段から燃料電池１までの距離や、各供給手段の性能等により適宜設定できるが、少なくとも燃料電池１に酸素含有ガスが先に供給される（酸素含有ガスの供給が開始された後に燃料の供給が開始される、または酸素含有ガスが供給された後に燃料の供給が開始される）ように設定される。また、酸素含有ガスおよび燃料の供給量を確認するにあたっては、燃料電池１に供給されるまでの間に流量計等を配置することで確認することができる。
【００２８】
一方、例えば外部負荷の要求電力量が減少した場合には、燃料電池１に供給される燃料を先に減少させることにより、燃料電池１における燃料量と酸素含有ガス量の割合（空燃比）が一定の範囲外となることを抑制して、燃料電池１での不完全燃焼を抑制する。
【００２９】
具体的には、パワーコンディショナ１２より外部負荷に供給される電力量の情報が制御装置１４に伝送される。ここで、パワーコンディショナ１２より外部負荷に供給される電力量が減少した情報が制御装置１４に伝送された場合、制御装置１４は外部負荷の要求電力の減少量に応じて、燃料供給手段２に燃料の供給量を減少する信号を伝送した後、酸素含有ガス供給手段３に酸素含有ガスの供給量を減少する信号を伝送する。それにより、燃料電池１に対し、燃料ガスの供給が先に減少し、その後酸素含有ガスの供給量が減少することにより、燃料電池１における燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制しつつ、燃料電池１における不完全燃焼の発生を抑制でき、ＣＯの排出量を低減することができる。
【００３０】
それにより、外部負荷の電力量が増加や減少を繰り返す場合であっても、その外部負荷の電力量に応じて酸素含有ガス供給手段３および燃料供給手段２を制御することにより、燃料電池１への燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制できるとともに、外部負荷の電力量に応じて酸素含有ガスと燃料が供給され、効率よい負荷追従運転を行うことができる。
【００３１】
なお、燃料電池１を固体酸化物形燃料電池とした場合には、より迅速な負荷追従運転を行なうことができる。
【００３２】
ところで、燃料電池１の起動の際においても、同様に燃料電池１への燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることにより、燃料電池１における不完全燃焼が生じる場合がある。
【００３３】
それゆえ、本発明の燃料電池装置においては、燃料電池１の起動の際に、制御装置１４は、酸素含有ガス供給手段３に酸素含有ガスの供給を開始する信号を伝送した後、燃料供給手段２に燃料の供給を開始する信号を伝送する。それにより、燃料電池１に対し酸素含有ガスが先に供給され、その後燃料が供給されることにより、燃料電池１における燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制しつつ、燃料電池１の起動の際における不完全燃焼の発生を抑制でき、ＣＯの排出量を低減することができる。
【００３４】
なお、酸素含有ガス供給手段３および燃料供給手段２に対して供給を開始する信号を伝送するタイミングは、上述と同様に、それぞれの供給手段から燃料電池１までの距離や、各供給手段の性能等により適宜設定できる。
【００３５】
一方、燃料電池１を停止する際には、制御装置１４は、燃料供給手段２に燃料電池１への燃料の供給量を減少する信号を伝送した後、燃料電池１への酸素含有ガスの供給量を減少する信号を伝送する。それにより、燃料電池１の停止の際に、燃料供給量と酸素含有ガス供給量の割合が一定の範囲外となることを抑制しつつ、燃料電池１の停止の際における不完全燃焼の発生を抑制でき、ＣＯの排出量を低減することができる。
【００３６】
ここで、本発明の構成要件を充足する燃料電池装置について、図１で示す燃料電池装置を用いて説明する。
【００３７】
燃料供給手段２より供給される燃料は、改質器４にて水供給手段Ｘより供給される水（水蒸気を含む）とで水蒸気改質し、燃料電池１で使用できる燃料（改質ガス）に改質された後、燃料電池１に供給される。なお、改質器４にて部分酸化改質を行なう場合には、酸素含有ガス供給手段３より酸素含有ガスを改質器４に供給することにより、部分酸化改質を行うことができる。
【００３８】
ここで水供給手段Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、活性炭フィルタ装置７により浄化された水をさらに浄化するための逆浸透膜装置８、浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９、純水を貯水するための水タンク１０、水を改質器に供給するための水ポンプ１１および改質器４を、この順で接続する水供給管５とで主に構成されており、水供給管５には、水供給管５に供給される水量を調整する給水弁６が設けられている。
【００３９】
ここで上述したように、外部負荷の要求電力量や燃料電池１の起動・停止に合わせて、燃料供給手段２より供給される燃料（被改質ガス）の量が変動するため、改質器４に供給される水（水蒸気含む）の量も、その燃料供給手段２より供給される燃料の量に合わせて変動させる必要がある。
【００４０】
それゆえ、制御装置１４は、外部負荷の要求電力に応じて燃料供給手段２に燃料を供給する信号を伝送するとともに、燃料供給手段２により供給される燃料の量に応じて、水ポンプ１１に改質器４へ水を供給する信号を伝送する。
【００４１】
ここで、改質器４に対する燃料供給手段２からの燃料の供給と、水ポンプ１１からの水の供給において、改質器４に対して、先に燃料が供給される場合においては、燃料（被改質ガス等）の改質反応を正常に行うことができず、改質反応において、燃料の成分に起因して炭素の析出が生じる場合があり、この炭素により燃料電池１の劣化が生じるおそれがある。
【００４２】
したがって、外部負荷の要求電力に応じて、制御装置１４が燃料供給手段２に燃料の供給を行なうよう信号を伝送する際、あわせて改質器４に燃料の供給と水の供給がほぼ同時、もしくは水が先に供給されるよう、制御装置１４より水ポンプ１１に対して水を供給する信号を伝送することが好ましい。
【００４３】
それにより、燃料供給手段２より改質器４に供給される燃料（被改質ガス等）が、正常に水蒸気改質され、改質された燃料が燃料電池１に供給されることにより、燃料電池１が迅速に負荷追従運転を行うことができるとともに、燃料電池１の劣化を抑制することができる。
【００４４】
そして、燃料電池１による負荷追従運転にて発電された電力は、パワーコンディショナ１２にて交流電力に変換された後、外部負荷に迅速に供給される。
【００４５】
一方、燃料電池１の発電に伴い生じる排ガスは、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用された後、外部に放出されるが、その排ガスの熱を有効活用すべく、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換する熱交換器１３に供給することができる。
【００４６】
ここで、図１において、熱交換器１３に供給された排ガスは、熱交換器１３内を流通（循環）する水とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管１７を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。また、熱交換器１３での熱交換の際、排ガス中に含まれる水分が、排ガスの温度低下に伴い凝縮水として生じる。それゆえ、排ガスの熱交換により生じた凝縮水を、凝縮水供給管１９により水タンク１０に供給する。それにより、水を有効に活用することができる。
【００４７】
なお、燃料電池１の発電に伴い生じる排ガスは、排ガス中にＣＯ等の有害物質が含まれる場合があるため、燃焼触媒等により、排ガス中に含まれるＣＯ等を無害化することが好ましい。それゆえ、例えば、燃焼触媒等を排ガス排気口近傍や、燃料電池１と熱交換器１３との間に設けることが好ましい。
【００４８】
なお、排ガス中のＣＯ濃度を測定するにあたっては、ＣＯセンサ等を設けることにより測定することができ、このＣＯセンサを例えば熱交換器１３の排ガス出口近傍等に設けることが好ましい。
【００４９】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００５０】
例えば、改質器４において部分酸化改質を行なうにあたり、燃料電池１に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段とは別に、酸素含有ガス供給手段を設けて、改質器４に酸素含有ガスを供給することもできる。この場合は、燃料電池１に供給する酸素含有ガスと改質器４に供給する酸素含有ガスとを分離して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の構成を具備する燃料電池装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：燃料電池
２：燃料供給手段
３：酸素含有ガス供給手段
４：改質器
１２：パワーコンディショナ
【図１】
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