(57)【要約】【課題】燃料電池を停止させる際に、燃料電池から排出される燃料ガスの量を少なくする。【解決手段】制御部３００は、燃料電池１３０が発電している間、流量調整部２１２を制御して改質器１２０に原燃料ガスを供給し、かつ流量調整部２２２を制御して気化器１１０に水を供給する。また制御部３００は、燃料電池１３０が発電を終了する際、流量調整部２１２を制御して原燃料ガスの流量を下げていき、燃料電池１３０の温度が発電動作に必要な温度である第１温度未満になったときに、流量調整部２３２を制御して筐体１００内に空気を供給し、流量調整部２１２を制御して原燃料ガスの供給を停止し、かつ、改質器１２０に水を供給し続けることにより改質器１２０及び燃料極１３２に水蒸気を供給し続ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び空気極を有する燃料電池と、
水蒸気を用いて原燃料ガスを改質することにより改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料極に供給する改質器と、
水から前記水蒸気を生成して前記改質器に供給する気化器と、
前記燃料電池を収容し、かつ内部に空気が供給される筐体と、
前記改質器に供給される前記原燃料ガスの量を調整する第１流量調整部と、
前記気化器に供給される前記水の量を調整する第２流量調整部と、
前記筐体の内部に供給される前記空気の量を調整する第３流量調整部と、
前記第１流量調整部、前記第２流量調整部、及び前記第３流量調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池が発電している間、前記第１流量調整部を制御して前記改質器に前記原燃料ガスを供給し、かつ前記第２流量調整部を制御して前記気化器に前記水を供給し、
前記燃料電池が発電を終了する際、前記第１流量調整部を制御して前記原燃料ガスの流量を下げていき、第１温度未満になったときに、前記第３流量調整部を制御して前記筐体内に空気を供給し、前記第１流量調整部を制御して前記原燃料ガスの供給を停止し、かつ、前記気化器に前記水を供給し続けることにより前記改質器及び前記燃料極に前記水蒸気を供給し続ける、発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
前記筐体内に設けられ、前記空気を用いて可燃性ガスを燃焼させることにより前記燃料電池を昇温する昇温器と、
前記制御部によって制御され、前記昇温器に供給される前記可燃性ガスの量を調整する第４流量調整部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池を起動するときに、前記第３流量調整部及び前記第４流量調整部を制御して前記昇温器に前記空気及び前記可燃性ガスを供給し、
前記燃料電池が発電を開始してから、前記第３流量調整部及び前記第４流量調整部を制御して前記昇温器への前記空気及び前記可燃性ガスの供給を停止し、
前記燃料電池の温度が前記第１温度未満になったときに、前記第３流量調整部を制御することにより、前記昇温器を介して前記筐体内に前記空気を供給する発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記気化器は前記原燃料ガスが供給され、
前記制御部によって制御され、前記気化器に供給される前記原燃料ガスの量を調整する第５流量調整部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の温度が前記第１温度よりも低い第２温度未満になったときに、前記第２流量調整部を制御することにより前記気化器への前記水の供給を停止し、かつ、前記第５流量調整部を制御することにより、前記気化器に前記原燃料ガスを供給する発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の発電装置において、
前記制御部は、前記気化器に前記原燃料ガスを供給している間、前記第３流量調整部を制御することにより、前記筐体内に空気を供給し続ける発電装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の発電装置において、
前記原燃料ガスを前記改質器に供給する第１流路と、
前記第１流路から分岐し、前記気化器に接続する第２流路と、
前記第１流路から前記第２流路が分岐する分岐点に設けられ、前記分岐点より下流側における前記原燃料ガスの流路を前記第１流路と前記第２流路の間で切り替える切替部と、
を備える発電装置。
【請求項６】
発電装置の制御方法であって、
前記発電装置は、
燃料極及び空気極を有する燃料電池と、
水蒸気を用いて原燃料ガスを改質することにより改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料極に供給する改質器と、
水から前記水蒸気を生成して前記改質器に供給する気化器と、
前記燃料電池を収容し、かつ内部に空気が供給される筐体と、
前記改質器に供給される前記原燃料ガスの量を調整する第１流量調整部と、
前記気化器に供給される前記水の量を調整する第２流量調整部と、
前記筐体の内部に供給される前記空気の量を調整する第３流量調整部と、
前記第１流量調整部、前記第２流量調整部、及び前記第３流量調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記燃料電池が発電している間、前記第１流量調整部を制御して前記改質器に前記原燃料ガスを供給し、かつ前記第２流量調整部を制御して前記気化器に前記水を供給し、
前記燃料電池が発電を終了する際、前記第１流量調整部を制御して前記原燃料ガスの流量を下げていき、第１温度未満になったときに、前記第３流量調整部を制御して前記筐体内に空気を供給し、前記第１流量調整部を制御して前記原燃料ガスの供給を停止し、かつ、前記気化器に前記水を供給し続けることにより前記改質器及び前記燃料極に前記水蒸気を供給し続ける、発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置及び発電装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と空気中の酸素を反応させて水を生成する際に発生するエネルギーを電気エネルギーとして取り出すものである。水素は、例えば特許文献１に記載されているように、燃料ガスを水蒸気で改質することにより生成される。
【０００３】
一方、発電中の燃料電池には空気が供給されているため、燃料電池の発電を終了すると、燃料電池の燃料極が酸化される可能性が出てくる。燃料極が酸化されると、燃料電池の発電効率は低下してしまう。これに対して特許文献１には、発電を停止する際に、燃料電池の温度が３００℃程度になるまで、燃料ガス及び水蒸気の供給量を徐々に減少させながら供給し続けることが記載されている。このようにすると、燃料極は還元性雰囲気に維持されるため、酸化されにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９４５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、燃料電池を降温させていく間、未燃焼の燃料ガスが燃料電池から排出されることになる。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池を停止させる際に、燃料電池から排出される燃料ガスの量を少なくすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明において、燃料電池は、燃料極及び空気極を有している。改質器は、水蒸気を用いて原燃料ガスを改質することにより改質ガスを生成し、改質ガスを燃料極に供給する。気化器は水から水蒸気を生成して改質器に供給する。筐体は、燃料電池を収容し、かつ第３流量調整部を介して内部に空気が供給される。第１流量調整部は改質器に供給される原燃料ガスの量を調整する。第２流量調整部は気化器に供給される水の量を調整する。第３流量調整部は筐体の内部に供給される空気の量を調整する。制御部は第１流量調整部及び第２流量調整部を制御する。具体的には、制御部は、燃料電池が発電している間、第１流量調整部を制御して改質器に原燃料ガスを供給し、かつ第２流量調整部を制御して気化器に水を供給する。また制御部は、燃料電池が発電を終了する際、第１流量調整部を制御して原燃料ガスの流量を下げていき、第１温度未満になったときに、第３流量調整部を制御して筐体内に空気を供給し、第１流量調整部を制御して原燃料ガスの供給を停止し、かつ、改質器に水を供給し続けることにより改質器及び燃料極に水蒸気を供給し続ける。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池を停止させる際に、燃料電池から排出される燃料ガスの量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。
【図２】発電装置が発電を開始するときの動作を示すフローチャートである。
【図３】発電装置が発電を停止するときの動作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】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１０】
また、以下に示す説明において、制御部３００は、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。制御部３００は、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、メモリにロードされた本図の構成要素を実現するプログラム、そのプログラムを格納するハードディスクなどの記憶メディア、ネットワーク接続用インタフェースを中心にハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置には様々な変形例がある。
【００１１】
図１は、実施形態に係る発電装置１０の構成を示す図である。発電装置１０は、燃料電池１３０、改質器１２０、気化器１１０、筐体１００、流量調整部２１２（第１流量調整部）、流量調整部２２２(第２流量調整部)、流量調整部２３２(第３流量調整部)、及び制御部３００を有している。燃料電池１３０は、燃料極１３２及び空気極１３４を有している。改質器１２０は、水蒸気を用いて原燃料ガスを改質することにより改質ガスを生成し、改質ガスを燃料極１３２に供給する。気化器１１０は水から水蒸気を生成して改質器１２０に供給する。筐体１００は、燃料電池１３０を収容し、かつ流量調整部２３２を介して内部に空気が供給される。流量調整部２１２は改質器１２０に供給される原燃料ガスの量を調整する。流量調整部２２２は気化器１１０に供給される水の量を調整する。流量調整部２３２は筐体１００の内部に供給される空気の量を調整する。制御部３００は流量調整部２１２，２２２，２３２を制御する。具体的には、制御部３００は、燃料電池１３０が発電している間、流量調整部２１２を制御して改質器１２０に原燃料ガスを供給し、かつ流量調整部２２２を制御して気化器１１０に水を供給する。また制御部３００は、燃料電池１３０が発電を終了する際、流量調整部２１２を制御して原燃料ガスの流量を下げていき、燃料電池１３０の温度が発電動作に必要な温度である第１温度未満になったときに、流量調整部２３２を制御して筐体１００内に空気を供給し、流量調整部２１２を制御して原燃料ガスの供給を停止し、かつ、改質器１２０に水を供給し続けることにより改質器１２０及び燃料極１３２に水蒸気を供給し続ける。
【００１２】
なお、以下の説明において、流路は配管を用いて形成されている。また、流量調整部は、例えば配管に取り付けられた弁である。この弁は、流量を段階的または無段階的に制御できる場合もあれば、開閉のみをすることで流量を調整する場合もある。以下、詳細に説明する。
【００１３】
筐体１００内には、気化器１１０、改質器１２０、燃料電池１３０、燃焼部１４０、予熱器１５０、起動燃焼部１６０(昇温器)、及び温度計１７２，１７４が配置されている。
【００１４】
燃料電池１３０は、燃料極１３２と空気極１３４の間に、電解質層１３６を配置した燃料電池スタックを有している。電解質層１３６は、例えば固体電解質層である。燃料極１３２、空気極１３４、及び電解質層１３６の材料は特に限定されない。また、燃料電池１３０は、所望する出力電圧を得るために、複数の燃料電池スタックを直列に積層した構成を有していてもよい。燃料電池１３０が発電する際、燃料極１３２に改質ガスが供給され、空気極１３４に空気が供給される。
【００１５】
改質ガスは、改質器１２０によって生成される。改質器１２０は、水蒸気を用いて原燃料ガスを改質することにより生成される。改質器１２０が用いる水蒸気は、気化器１１０によって生成される。
【００１６】
気化器１１０には、流路２２０を介して水が供給され、改質器１２０には、流路２１０を介して原燃料ガスが供給される。流路２１０には流量調整部２１２が取り付けられており、流路２２０には流量調整部２２２が取り付けられている。
【００１７】
また、流路２１０には、脱硫部２６０が取り付けられている。脱硫部２６０は流量調整部２１２と改質器１２０の間に位置しており、原燃料ガスから硫黄を除去する。さらに、流路２５０（第１流路）は、脱硫部２６０よりも下流側で流路２５０の本体と流路２１４とに分岐している。そして、この分岐点には切替部２１６が設けられている。切替部２１６は、例えば三方弁であり、分岐点より下流側における原燃料ガスの流路を、流路２１０の本体と流路２１４との間で切り替える。切替部２１６（第５流量調整部）は、流路２１４に流れる原燃料ガスの流量を調整する機能も有している。そして流路２１４は、切替部２１６を気化器１１０に接続している。なお、流路２１４は、切替部２１６を流路２２０に接続していてもよい。この場合、流路２１４は、流路２２０を介して気化器１１０に接続する。
【００１８】
空気極１３４には、流路２５０を介して空気が供給される。流路２５０には流量調整部２５２が設けられている。また、流量調整部２５２と空気極１３４の間には予熱器１５０が設けられている。予熱器１５０は、流路２５０を流れてきた空気を昇温し、昇温後の空気を空気極１３４に供給する。
【００１９】
燃焼部１４０は、燃料電池１３０から排気されてきたガスを燃焼させ、燃料電池１３０を昇温（又は高温状態を維持）させる。
【００２０】
起動燃焼部１６０は、燃料電池１３０が起動する際に燃料電池１３０、気化器１１０、改質器１２０、及び予熱器１５０を加熱し、これらを必要な温度まで昇温する。起動燃焼部１６０は、可燃ガスを空気とともに燃焼させることにより、燃料電池１３０、気化器１１０、改質器１２０、及び予熱器１５０を加熱する。可燃ガスは、流路２４０を介して起動燃焼部１６０に供給され、空気は、流路２３０を介して起動燃焼部１６０に供給される。流路２３０には流量調整部２３２が設けられており、流路２４０には流量調整部２４２（第４流量調整部）が設けられている。ここで、流路２４０は脱硫部２６０を通っているため、可燃ガスからも硫黄は除去される。
【００２１】
なお、起動燃焼部１６０からの排気及び燃焼部１４０からの排気は、筐体１００内に排出される。そして筐体１００の内部は、排気ポンプ２７０を用いて筐体１００の外部に排気されている。
【００２２】
温度計１７２は、燃料電池１３０の温度を測定し、温度計１７４は燃焼部１４０の温度を測定している。温度計１７２，１７４の測定結果は、制御部３００に出力される。
【００２３】
制御部３００は、気化器１１０、改質器１２０、燃料電池１３０、燃焼部１４０、予熱器１５０、起動燃焼部１６０、流量調整部２１２，２２２，２３２，２４２，２５２、及び切替部２１６を制御する。
【００２４】
図２は、発電装置１０が発電を開始するときの動作を示すフローチャートである。この動作は、制御部３００が発電装置１０の各部を制御することにより、実現される。
【００２５】
まず、制御部３００は起動燃焼部１６０を動作させ、筐体１００の内部に配置された気化器１１０、改質器１２０、燃料電池１３０、及び予熱器１５０を昇温する（ステップＳ１０）。起動燃焼部１６０からの排気ガスは、筐体１００の内部に排気された後、排気ポンプ２７０によって排気される。そして、制御部３００は、温度計１７２が検出した温度が予め決められた温度に達すると、流量調整部２２２を制御して、気化器１１０に水を供給し始める（ステップＳ２０）。ここで、気化器１１０の圧力や温度を測定するセンサが筐体１００内に設けられている場合、制御部３００は、気化器１１０の圧力や温度を監視する。
【００２６】
気化器１１０で水蒸気が発生した後、制御部３００は、流量調整部２１２を制御して、改質器１２０に原燃料ガスを供給する。これにより、原燃料ガスは、改質器１２０において水蒸気と反応し、水素が多い改質ガスに改質される。生成した改質ガスは、燃料極１３２に供給される（ステップＳ３０）。また、制御部３００は、流量調整部２５２を制御し、予熱器１５０を介して空気極１３４に空気を供給し始める（ステップＳ４０）。これにより、燃料電池１３０による発電が開始される。また、制御部３００は燃焼部１４０に動作を開始させ、燃料電池１３０からの排気ガスを燃焼させる（ステップＳ５０）。この燃焼によって発生する排気ガスは、筐体１００の内部に排気された後、排気ポンプ２７０によって外部に排出される。この排出されたガスに含まれる熱は、例えば水を昇温するための熱源として利用されてもよい。なお、制御部３００は、温度計１７４が検出する温度を監視することにより、燃焼部１４０が着火したか否かを判断することができる。
【００２７】
燃焼部１４０が着火すると、起動燃焼部１６０で発生する熱の代わりに、燃焼部１４０で発生する熱を利用することができる。このため、制御部３００は、温度計１７２が検出する温度を監視しながら、流量調整部２４２及び流量調整部２５２を制御することにより、起動燃焼部１６０に供給する可燃ガス及び空気を徐々に絞り、最終的には起動燃焼部１６０を停止させる（ステップＳ６０）。なお、燃料電池１３０の温度は、例えば７５０℃前後に維持されるのが好ましい。
【００２８】
その後、制御部３００は、改質器１２０に供給する原燃料ガスの量、及び予熱器１５０に供給する空気の量を増加させ、燃料電池１３０の発電量を所望の量まで増加させる（ステップＳ７０）。
【００２９】
図３は、発電装置１０が発電を終了するときの動作を示すフローチャートである。この動作は、制御部３００が発電装置１０の各部を制御することにより、実現される。
【００３０】
まず、制御部３００は、流量調整部２１２及び流量調整部２２２を制御することにより、燃料電池１３０に供給する改質ガス及び空気の量を少なくする（ステップＳ１１０）。これにより、燃焼部１４０で発生する熱が少なくなり、燃料電池１３０の温度が低下していく。そして制御部３００は、温度計１７２が検出する温度が水素の着火温度（第１温度：例えば５００℃）以下になった時（ステップＳ１２０）に、流量調整部２１２を制御して原燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ１３０）。また、制御部３００は切替部２１６を制御し、切替部２１６より下流側における原燃料ガスの流路を、流路２１０から流路２１４に切り替える。ただしこの段階では、原燃料ガスは流路２１４に流れない。
【００３１】
一方、制御部３００は、気化器１１０に対する水の供給は継続する。これにより、燃料極１３２及び電解質層１３６には、水蒸気が供給され続ける。この状態で、制御部３００は、流量調整部２３２を制御し、流路２３０及び起動燃焼部１６０を介して筐体１００の内部に空気を供給する（ステップＳ１４０）。これにより、筐体１００の内部は、空気によって冷却される。このとき、筐体１００の内部の圧力は若干上昇するが、燃料極１３２には水蒸気が供給されているため、燃料極１３２に空気が侵入することを抑制できる。これにより、燃料極１３２が酸化することを抑制できる。
【００３２】
その後、制御部３００は、温度計１７２が検出した温度が第１温度よりも低い温度である第２温度（例えば２００℃以上３００℃以下の所定の温度）になった場合（ステップＳ１５０）、流量調整部２２２を制御して気化器１１０への水の供給を停止する。そして流量調整部２１２を制御し、流路２１４を介して気化器１１０に原燃料ガスの供給を開始する。この原燃料ガスは、気化器１１０及び改質器１２０を介して燃料電池１３０の燃料極１３２及び電解質層１３６に流入する。これにより、気化器１１０、改質器１２０、燃料極１３２、及び電解質層１３６に残留していた水蒸気は除去される。なお、この時の原燃料ガスの供給は、必要最低限に抑える（ステップＳ１６０）。
【００３３】
なお、電解質層１３６に供給された原燃料ガスは、そのまま燃焼部１４０を介して筐体１００の内部に排出される。ここで、筐体１００の内部には起動燃焼部１６０を介して空気が供給されている。このため、原燃料ガスは筐体１００の内部で希釈され、その後排気ポンプ２７０によって筐体１００の外部に排気される。
【００３４】
その後、予め定められた温度に達した後、制御部３００は、流量調整部２１２及び流量調整部２３２を制御し、筐体１００内部への空気の供給を停止させ（ステップＳ１７０）、その後、気化器１１０への原燃料ガスの供給を停止させる（ステップＳ１８０）。ここで、気化器１１０への原燃料ガスの供給が停止する前に、筐体１００内部への空気の供給が停止されるため、筐体１００の内部に対して燃料極１３２の内部が負圧になることを抑制でき、その結果、燃料極１３２に空気が流入して燃料極１３２が酸化することを抑制できる。
【００３５】
以上、本実施形態によれば、発電装置１０の動作が停止する際、制御部３００は、筐体１００の内部に空気を供給する。これにより、筐体１００の内部は冷却される。ここで、筐体１００の内部の圧力が燃料電池１３０の燃料極１３２に対して陽圧になり、燃料極１３２に空気が入り込む可能性がでてくる。これに対して本実施形態では、筐体１００の内部に空気を供給している間、燃料極１３２には水蒸気が供給される。このため、燃料極１３２に空気が入り込んで燃料極１３２が劣化することを抑制できる。また、燃料電池１３０を冷却する際、改質ガスや原燃料ガスは筐体１００の内部に排出されない。
【００３６】
また、筐体１００の内部を冷却する際、起動燃焼部１６０を介して筐体１００の内部に空気を供給しているため、筐体１００の内部に空気を供給するために新たな流路を設ける必要はない。
【００３７】
また、流路２１０に切替部２１６及び流路２１４を取り付けることにより、気化器１１０に原燃料ガスを供給できるようにしている。従って、既存の発電装置１０を実施形態に係る発電装置１０に改造する場合、改造コストを低く抑えることができる。
【００３８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１０        発電装置
１００        筐体
１１０        気化器
１２０        改質器
１３０        燃料電池
１３２        燃料極
１３４        空気極
１３６        電解質層
１４０        燃焼部
１５０        予熱器
１６０        起動燃焼部
１７２        温度計
１７４        温度計
２１２        流量調整部（第１流量調整部）
２１６        切替部（第５流量調整部）
２２２        流量調整部（第２流量調整部）
２３２        流量調整部（第３流量調整部）
２４２        流量調整部（第４流量調整部）
３００        制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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