JP5152119B2

JP5152119B2 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP5152119B2
Application number: JP2009164745A
Authority: JP
Inventors: 正高尾関; 彰成中村; 伸二宮内
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: JP2009238758A

Description

燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置に関する。

以下に、従来の燃料電池発電装置について説明する。図４に示すように、従来の燃料電池発電装置は、単電池が直列に積層された構造を持ち、供給される燃料と酸化剤を各単電池へ内部で分流して送る燃料電池１と、燃料としての水素を燃料電池１へ送る水素タンク２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料電池１で発電する電力を制御する制御手段４と、燃料電池１の発電停止後、燃料電池１内に残留する水素を外部へ放出するための窒素を貯留する窒素ボンベ５とを有する。

制御手段４は燃料電池１の発電電力を制御すると同時に、発電に必要な水素と空気を供給できるように、水素タンク２から水素を取り出す量やブロア３の送風量を制御する。燃料電池１で発電を停止する際には、ブロア３を停止させ、水素タンク２から水素を取り出すのを停止し、その後、窒素ボンベ５から燃料電池１へ窒素を流通させ、燃料電池１内に残留する水素を外部へ放出する。

このような燃料電池発電装置では発電停止後、窒素を燃料電池１へ流通させないと燃料電池１に多量の水素が残留することになるため、爆発などの危険性がある。そのような危険を回避するためには窒素ボンベ５が必ず必要となり、装置コストを引き上げる要因となる。また、窒素ボンベ５の残量管理など維持管理が必要である。さらに、窒素ボンベ５の残量不足となった場合には、装置を運転させないような安全装置も必要となると共に、窒素ボンベ５の残量不足の場合には装置が運転できない不具合が生じる。

このような課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、酸化剤を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池に燃料供給を停止した後に前記燃料電池内に残存する燃料を消費した際に生じる電力を消費する電熱変換手段と、前記燃料電池の発生する熱を利用してお湯を貯める貯湯槽とを有し、前記電熱変換手段が、前記燃料電池に燃料供給を停止した後に前記燃料電池内に残存する燃料を消費した際に生じる電力を消費するときに、前記燃料電池から熱を回収した熱回収水が、前記電熱変換手段により加熱された後、前記貯湯槽に供給されることを特徴とする。

また、前記燃料電池に燃料供給を停止した後も酸化剤供給を継続させることを特徴とする。

以上説明したところから明らかなように、本発明によれば、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、酸化剤を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池に燃料供給を停止した後に前記燃料電池内に残存する燃料を消費する燃料消費手段を有するため、発電停止後に燃料電池内に窒素を流通させる必要が無く装置コストを低く抑えることが可能であり、窒素ボンベの残量管理などの維持管理が不要となるとともに窒素ボンベの残量不足により装置が運転できないなどの不具合が生じない。

本発明によれば、前記燃料電池が生成する熱を回収する熱回収手段と前記電力消費手段としての電熱変換手段を備え、前記電熱変換手段で得た熱を熱回収手段へ供給することにより、発電と熱回収を同時に行う燃料電池発電装置において、発電後も残留水素で熱回収を行うことができ、熱回収効率の高い燃料電池発電装置が実現できる。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図本発明の第２の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図従来の燃料電池発電装置の構成図

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。従来例と同じ構成要素には同じ番号を付与している。

燃料電池１は、燃料としての水素が水素タンク２から供給され、酸化剤としての空気がブロア３によって供給されることにより発電が行われる。制御手段４は燃料電池１の発電電力を制御すると同時に、発電に必要な水素と空気を供給できるように水素タンク２から水素を取り出す量やブロア３の送風量を制御する。燃料電池１へ水素と空気が供給されて発電が行われている間、開閉器６は開状態を保ち、電力消費を行う抵抗器７へ電力は供給されない。

燃料電池１で発電を停止する際に制御手段４は、燃料電池１の発電を停止すると共に水素タンク２から水素を取り出すのを停止し、ブロア３も停止させる。その状態では、燃料電池１内に残留した水素と酸素で燃料電池１の正極と負極の間には電位が発生している。そこで、制御手段４は、開閉器６を閉止して抵抗器７へ電流を流すことにより燃料電池１内の水素を消費させる。水素の消費と共に燃料電池１の正極と負極の電位差は小さくなり抵抗器７へ流れる電流も小さくなっていく。抵抗器７へ流れる電流がほぼゼロになったとき、燃料電池１内の水素はほぼ完全に消費される。

以上のように、燃料電池発電装置での発電停止後、燃料電池１の出力端に抵抗器７を接続することにより、燃料電池１内に残留する水素と空気から生ずる電力を抵抗器７で消費することが可能になる。抵抗器７で電力を消費することにより燃料電池１内に残留する水素を消費することができるので、窒素を燃料電池１へ流通させて燃料電池１内に残留する水素を外部へ放出する必要がなくなり、窒素を貯留する窒素ボンベも必要なくなる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し、ここでの説明は省略する。

電源切換手段８は、外部電源（図示せず）から制御手段４へ電源を供給する場合は開閉器９ａ、９ｂを開状態、開閉器１０ａ、１０ｂを閉状態に設定し、燃料電池１から制御手段４へ電源を供給する場合は、開閉器９ａ、９ｂを閉状態、開閉器１０ａ、１０ｂを開状態に設定する。

燃料電池１の起動時など燃料電池１が電力を発生していない時は、電源切換手段８は外部電源から制御手段４へ電源を供給し、燃料電池１へ水素と空気が供給されて燃料電池１が電力を発生できる時には、電源切換手段８は燃料電池１から制御手段４へ電源を供給する。

燃料電池１で発電を停止する際に制御手段４は、燃料電池１の発電を停止すると共に、水素タンク２から水素を取り出すのを停止するが、ブロア３は運転を継続させる。その状態では、燃料電池１内に残留した水素と酸素で、燃料電池１の正極と負極の間には電位が発生している。燃料電池１へ水素と空気の供給が停止しても、制御手段４の電源電圧（たとえば５Ｖ）よりも燃料電池１の正極と負極との電位差が大きい間は、電源切換手段８は開閉器９ａ、９ｂを閉状態、開閉器１０ａ、１０ｂを開状態に維持して、燃料電池１から制御手段４への電源供給を継続させる。燃料電池１内の水素の残留量が少なくなってきて、燃料電池１の電圧が制御手段４の電源電圧と同等まで下がった時に、電源切換手段８は、開閉器９ａ、９ｂを開状態、開閉器１０ａ、１０ｂを閉状態に設定し、制御手段４へは外部電源から電源を供給する。

以上のように、燃料電池発電装置内の制御手段４の電源供給を、燃料電池１の発生する電力からも可能な構成にして、燃料電池１が発電停止後も燃料電池１から制御手段４の電源を供給することにより、燃料電池１内に残留する水素を消費することができる。このため、窒素を貯留する窒素ボンベのみならず、燃料電池１内に残留する水素を消費する手段も特別に設ける必要が無い。

また、単電池の直列積層構造を持つ燃料電池１では、各単電池への水素もしくは空気の分流がうまくいかず、水素、もしくは空気の供給量が少なくなった単電池は、起電力が低下する。起電力の低下が著しい単電池は内部抵抗が大きくなり、他の正常な単電池の起電力により発生する電流で、内部電圧降下が大きくなる。そのような状態になった単電池には逆電圧がかかるため、単電池の性能劣化につながってしまう。

しかしながら、燃料電池１の電圧が所定の値（本発明の第２の実施の形態では５Ｖ）を下回った場合には、燃料電池１から制御手段４への電源供給を止める。これにより、燃料電池１内で水素残留量が他の単電池よりも早く少なくなる単電池がある場合でも、その単電池の水素残留量がほとんどなくなる前に燃料電池１から電力を取り出すことを停止できる。これにより、単電池間でのばらつきが大きい場合でも、単電池の劣化を小さく抑えることができる。さらに、燃料電池１での発電停止後も、ブロア３は運転を継続して空気の供給は継続することにより、他の単電池に比べて空気残留量が少なくなる単電池の発生をとめるので、ある特定の単電池が空気不足で起電力が低下することがない。

（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し、ここでの説明は省略する。

本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置は、燃料電池１が発電に際して発生する熱を回収するために、熱回収水を燃料電池１へ流通させる熱回収配管１１と、熱回収配管１１に位置し熱回収水を搬送する熱回収ポンプ１２と、燃料電池１で発生した熱を利用してお湯を貯める貯湯漕１３を備える。熱回収ポンプ１２を用いて、貯湯漕１３の下層部にある低温の熱回収水を燃料電池１へ送り、燃料電池１の発生する熱により昇温された熱回収水を貯湯漕１３の上部へ回収して、お湯を貯湯漕１３へ貯える。また、電熱手段１４はヒータ部に電流をながすことにより発熱し、その熱を熱回収水へ伝える機構を有する。

燃料電池１で発電を停止する際に制御手段４は、燃料電池１の発電を停止すると共に水素タンク２から水素を取り出すのを停止するが、ブロア３は運転を継続させる。その状態では、燃料電池１内に残留した水素と酸素で、燃料電池１の正極と負極の間には電位が発生している。そこで、制御手段４は、開閉器１５ａ、１５ｂを閉止して電熱手段１４へ電流を流す。これにより、燃料電池１内の水素を消費させる。水素の消費と共に燃料電池１の正極と負極の電位差は小さくなり、電熱手段１４へ流れる電流も小さくなる。電熱手段１４へ流れる電流がほぼゼロになったとき、燃料電池１内の水素はほぼ完全に消費される。また、電熱手段１４に電流が流れることにより発生した熱は、熱回収水を通して貯湯漕１３へ回収される。

以上のように、燃料電池発電装置での発電停止後、燃料電池１の出力端に電熱手段１４を接続することにより、燃料電池１内に残留する水素と空気から生ずる電力を電熱手段１４で消費することが可能になる。電熱手段１４で電力を消費することにより、燃料電池１内に残留する水素を消費することができる。これにより、窒素を燃料電池１へ流通させて、燃料電池１内に残留する水素を外部へ放出する必要がなくなり、窒素を貯留する窒素ボンベも必要なくなる。

さらに電熱手段１４で消費した電力は熱に変換されて、その熱は貯湯漕１３へ貯えられることにより、残留水素を消費する際にも熱を回収でき、熱回収の効率を高めることができる。

なお、本発明の第１の実施の形態において、電力消費手段として抵抗器を用いたが、抵抗以外の電気デバイスを用いても同様の効果が得られることは明白である。

また、第２の実施の形態において、発電停止後の燃料電池１から電力を取り出すのを止める電圧しきい値を制御手段４の電源電圧としたが、電源電圧をしきい値とせず、燃料電池１を構成する単電池のばらつきを考慮してしきい値を決めたとしても本発明の範囲を超えるものではない。

さらに、第３の実施の形態において、電熱変換手段としてヒータを用いたが他の電熱変換手段を用いても同様の効果が得られることは明白である。

本発明にかかる燃料電池発電装置は、発電停止後に燃料電池内に窒素を流通させる必要が無く装置コストを低く抑えることが可能であるので、燃料電池発電装置として有用である。

１燃料電池
２水素タンク
３ブロア
４制御手段
６開閉器
７抵抗器

Claims

燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、前記酸化剤を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池に燃料供給を停止した後に前記燃料電池内に残存する燃料を消費した際に生じる電力を消費する電熱変換手段と、前記燃料電池の発生する熱を利用してお湯を貯める貯湯槽とを有し、前記電熱変換手段が、前記燃料電池に燃料供給を停止した後に前記燃料電池内に残存する燃料を消費した際に生じる電力を消費するときに、前記燃料電池から熱を回収した熱回収水が、前記電熱変換手段により加熱された後、前記貯湯槽に供給されることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記燃料電池に燃料供給を停止した後も、前記酸化剤供給手段により前記燃料電池への前記酸化剤の供給を継続させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。