JP6264414B1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システム内の各反応器の熱バランスを維持することで、長期間に亘って所望の燃料電池システム効率を得るとともに、耐久性を向上して安定した運転継続が可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】排熱回収循環ライン（５１）には、ヒータ（５３）とラジエータ（５５）が設けられている。ヒータ（５３）は、系統電力網（３０）と固体酸化物形燃料電池（１０）とが連系状態から解列状態に切り換わったときの固体酸化物形燃料電池（１０）の余剰電力を熱に変換する。ラジエータ（５５）は、ヒータ（５３）で発生した熱の温度を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。

特許文献１には、系統電源と連系しての連系運転および系統電源から解列しての自立運転が可能な燃料電池システムが開示されている。自立運転時には、燃料電池の発電電力が、定格最大電力より小さく且つ補機の駆動に必要なアイドリング電力より大きい一定の自立時発電電力に設定される。

上記燃料電池システムでは、系統電源の停電時に連系運転から自立運転への切り換えを行い、その切り換え後の運転開始までの待機時間において、外部負荷に電力を供給することなく、アイドリング電力以外の余剰電力を余剰電力ヒータで消費することにより、燃料電池の発電電力を自立時発電電力に維持する。

特開２０１５−１８６４０８号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムは、連系運転から自立運転への切り換えの待機時間において、余剰電力ヒータの余剰電力の消費熱量（ヒータ熱量）が局所的に大きくなりすぎて、余剰電力ヒータを含む各反応器の熱バランスが崩れてしまう。その結果、所望の燃料電池システム効率が得られなくなり、運転継続が困難になり、機器の不具合や故障が誘発されてしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、システム内の各反応器の熱バランスを維持することで、長期間に亘って所望の燃料電池システム効率を得るとともに、耐久性を向上して安定した運転継続が可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、排熱を回収するための熱媒体が前記固体酸化物形燃料電池を循環しておらず且つ前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を回収する排熱回収循環ラインと、前記固体酸化物形燃料電池と系統電力網との連系状態と解列状態を切り換え可能な系統連系リレーと、前記排熱回収循環ラインに設けられ、前記系統連系リレーが連系状態から解列状態に切り換わったときの前記固体酸化物形燃料電池で発電した電力の一部である余剰電力を熱に変換して回収する余剰電力変換部と、前記排熱回収循環ラインに設けられ、前記固体酸化物形燃料電池または前記系統電力網からの電力供給を受けて、前記排熱回収循環ラインを流れる前記余剰電力変換部により加熱された前記熱媒体の温度を制御して回収した熱を前記排熱回収循環ラインの外部に放出する排熱処理部と、前記固体酸化物形燃料電池、前記排熱回収循環ライン、前記余剰電力変換部、前記排熱処理部を制御するとともに、前記余剰電力変換部の駆動と前記排熱処理部の駆動を同期させる制御部と、を有することを特徴としている。

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、排熱を回収するための熱媒体が前記固体酸化物形燃料電池を循環しておらず且つ前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を回収する排熱回収循環ラインと、前記固体酸化物形燃料電池と系統電力網との連系状態と解列状態を切り換え可能な系統連系リレーと、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記排熱回収循環ラインに設けられた余剰電力変換部で、前記系統連系リレーが前記固体酸化物形燃料電池との連系状態から解列状態に切り換わったときの前記固体酸化物形燃料電池で発電した電力の一部である余剰電力を熱に変換して回収する余剰電力変換ステップと、前記排熱回収循環ラインに設けられた排熱処理部で、前記固体酸化物形燃料電池または前記系統電力網からの電力供給を受けて、前記排熱回収循環ラインを流れる前記余剰電力変換部により加熱された前記熱媒体の温度を制御して回収した熱を前記排熱回収循環ラインの外部に放出する排熱処理ステップと、前記余剰電力変換ステップと前記排熱処理ステップを制御するとともに、前記余剰電力変換ステップの駆動と前記排熱処理ステップの駆動を同期させる制御ステップと、を有することを特徴としている。

本発明によれば、システム内の各反応器の熱バランスを維持することで、長期間に亘って所望の燃料電池システム効率を得るとともに、耐久性を向上して安定した運転継続が可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。

第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第１実施形態の排熱回収循環系の内部構成を示すブロック図である。 ＳＯＦＣと系統電力網の連系運転時に対応する図１のブロック図である。 ＳＯＦＣの自立運転時に対応する図１のブロック図である。 第２実施形態の排熱回収循環系の内部構成を示すブロック図である。 第２実施形態の排熱回収循環系の動作を示すフローチャートである。

≪第１実施形態≫
図１〜図３（図３Ａ、図３Ｂ）を参照して、第１実施形態の燃料電池システム１について詳細に説明する。図中において、実線（ＳＯＦＣ１０の外部）と粗い破線（ＳＯＦＣ１０の内部）は、例えばガスや水等の流体の流れを示しており、一点鎖線は電気（電流、電力）の流れを示しており、細かい破線は制御信号や検出信号等の各種の信号の流れを示している。

図１に示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）１０と、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と、系統電力網３０と、燃焼器４０と、排熱回収循環系５０とを有している。

ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。

ＳＯＦＣ１０は、燃料ガス流路（アノードガス流路）１２と、酸化剤ガス流路（カソードガス流路）１４とを有している。燃料ガス流路１２には燃料ガス供給器（図示略）から燃料ガスが供給され、酸化剤ガス流路１４には酸化剤ガス供給器（図示略）から酸化剤ガスが供給される。燃料ガス流路１２に供給された燃料ガスと酸化剤ガス流路１４に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する。電気化学反応を起こさなかった燃料ガスと酸化剤ガスは、排出ガスとして、ＳＯＦＣ１０から排出される。ＳＯＦＣ１０から排出された燃料ガスの一部は、リサイクルガス流路１６を介して、燃料ガス流路１２に還流される。

ＤＣ／ＡＣ変換部２０は、ＳＯＦＣ１０が発生（発電）した直流電流を交流電流に変換する。

ＳＯＦＣ１０の発電電力はＤＣ/ＡＣ変換部２０を通り、系統連系リレー２５を介して、系統電力網３０に接続されている。ＳＯＦＣ１０の発電電力は、系統連系リレー２５がオン状態のとき、系統電力網３０と連系状態となり、系統連系リレー２５がオフ状態のとき、解列状態となり、ＳＯＦＣ１０は自立運転を行う。

連系運転時には、ＳＯＦＣ１０の発電電力が系統に給電され、自立運転時には、定格最大電力よりも小さい負荷で発電電力が装置内で消費される。

ＤＣ／ＡＣ変換部２０と系統連系リレー２５の間の電力伝送路からは、系統電力網３０（系統連系リレー２５）がＳＯＦＣ１０との連系状態から解列状態に切り換わったときのＳＯＦＣ１０で発電した電力の一部である余剰電力を伝送する余剰電力伝送路Ｌが分岐している。この余剰電力伝送路Ｌは、後述する排熱回収循環系５０の排熱回収循環ライン５１に設けられたヒータ（余剰電力変換部）５３に接続されている（図２参照）。

余剰電力伝送路Ｌには、リレースイッチＬＳが設けられている。リレースイッチＬＳがオン状態のとき、余剰電力伝送路Ｌを介してヒータ５３に余剰電力が伝送可能となり、リレースイッチＬＳがオフ状態のとき、余剰電力伝送路Ｌが遮断されてヒータ５３に余剰電力が伝送不能となる。

また、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と系統連系リレー２５の間の電力伝送路からは、電力伝送路Ｍが分岐している。この電力伝送路Ｍは、後述する排熱回収循環系５０の排熱回収循環ライン５１に設けられたラジエータ（排熱処理部）５５に接続されている（図２参照）。このラジエータ５５は、ＳＯＦＣ１０または系統電力網３０から電力伝送路Ｍを介して電力を供給され、系統電力網３０との連系/解列状態に係らず、運転が可能である。ラジエータ５５と同様に、ＤＣ／ＡＣ変換部２０や、図示していないポンプ、ブロワなどの燃料電池システム１に搭載された機器は、電力伝送路Ｍを介して、ＳＯＦＣ１０または系統電力網３０のいずれかから電力を供給されて駆動する。また、余剰電力伝送路Ｌを介して伝送される余剰電力は、ＳＯＦＣ１０の運転温度を維持するために必要な発電電力の一部であり、燃料電池システム１に搭載された機器を駆動するのに必要な電力よりも大きい。

系統連系リレー２５とリレースイッチＬＳは、例えば、一方がオン状態のときに他方がオフ状態となるように制御される。勿論、系統連系リレー２５とリレースイッチＬＳの双方がオン状態またはオフ状態となる時間帯があるように制御されてもよい。図１では、系統連系リレー２５とリレースイッチＬＳの双方がオフ状態の場合を描いている。

燃焼器４０は、ＳＯＦＣ１０から排出された排出ガスを燃焼させることで、当該排出ガス中に残留している燃料成分を除去する。

図２に示すように、排熱回収循環系５０は、燃焼器４０からの燃焼ガス（排出ガス）の熱を回収する排熱回収循環ライン５１を有している。排熱回収循環ライン５１には、排熱回収のための熱媒体としての水（温水）が循環される。排熱回収循環系５０（排熱回収循環ライン５１）による排熱回収後のガスは、燃料電池システム１の外部に排気される。

排熱回収循環ライン５１には、排熱回収熱交換器５２と、ヒータ（余剰電力変換部）５３と、温水熱交換器５４と、ラジエータ（排熱処理部）５５とが設けられている。図示していないが、排熱回収循環ライン５１又はその周辺部には、必要な箇所に水（温水）を循環するポンプが設置されている。ヒータ５３やラジエータ５５を始めとする燃料電池システムに搭載された機器には、制御部５６から各々制御信号が送られる。

排熱回収熱交換器５２は、燃焼器４０からの燃焼ガス（排出ガス）の熱を利用して、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）を加熱する。

ヒータ５３は、連系状態から解列状態に切り換わったときに余剰電力伝送路Ｌから伝送される余剰電力を熱に変換することで、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）を加熱する。

温水熱交換器５４は、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の熱を利用して、外部タンク（図示略）等から循環する水（温水）をさらに加熱する。

ラジエータ５５は、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）を冷却する。排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）は、ラジエータ５５により冷却され、排熱回収熱交換器５２の温水入口温度が所定温度に制御される。最終的に、余剰電力を熱に変換して回収された熱（排熱回収循環ライン５１を流れる熱媒体である水（温水）の温度を制御して回収した熱）は、燃料電池システム１の外部に放出される。

制御部５６は、ヒータ５３やラジエータ５５等の燃料電池システムに搭載された機器を各々駆動制御する。制御部５６は、例えば、系統電力網３０がＳＯＦＣ１０との連系状態であるときは、ヒータ５３を非駆動状態とし、系統電力網３０がＳＯＦＣ１０との連系状態から解列状態に切り換わったときに、ヒータ５３を非駆動状態から駆動状態に切り換える。制御部５６は、例えば、系統電力網３０がＳＯＦＣ１０との連系状態であるか解列状態であるかに係らず、ラジエータ５５を駆動状態とすることができる。あるいは、制御部５６は、系統電力網３０がＳＯＦＣ１０との連系状態であるか解列状態であるかに応じて、ラジエータ５５の駆動状態と非駆動状態に切り換えてもよい。すなわち、制御部５６によるラジエータ５５の駆動制御の態様には自由度があり、種々の設計変更が可能である。

図３Ａに示すように、ＳＯＦＣ１０と系統電力網３０の連系運転時には、系統連系リレー２５がオン状態で、リレースイッチＬＳがオフ状態となる。このため、余剰電力伝送路Ｌを通じて排熱回収循環系５０に余剰電力が伝送されることはなく（余剰電力自体が発生することはなく）、排熱回収循環ライン５１に設けられたヒータ５３は非駆動状態に維持される。

図３Ｂに示すように、ＳＯＦＣ１０と系統電力網３０の連系運転からＳＯＦＣ１０の自立運転に切り換わると、系統連系リレー２５がオフ状態で、リレースイッチＬＳがオン状態となる。すると、余剰電力伝送路Ｌを通じて排熱回収循環系５０に余剰電力が伝送され、排熱回収循環ライン５１に設けられたヒータ５３が非駆動状態から駆動状態に切り換わることで、余剰電力を熱に変換する（燃料電池システム１の発電負荷が得られる）。

ここで、ＳＯＦＣ１０の自立運転時には、排熱回収熱交換器５２に加えて、ヒータ５３が駆動するが、ヒータ５３の駆動に同期させてラジエータ５５を駆動することで、ヒータ５３の駆動で発生した熱の温度を制御する。従って、ヒータ５３の駆動により排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が高くなりすぎることがなく、ＳＯＦＣ１０と系統電力網３０の連系運転時（ヒータ５３の非駆動時）と同様に制御することができる。これにより、燃料電池システム１の内部の各反応器の熱バランスを維持することで、長期間に亘って所望のシステム効率を得るとともに、耐久性を向上して安定した運転継続が可能となる。

一方、ＳＯＦＣ１０と系統電力網３０の連系運転時（ヒータ５３の非駆動時）であっても、温水熱交換器５４が駆動していない場合には、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が高くなりすぎるおそれがある。これを防止するべく、制御部５６は、ヒータ５３の非駆動時であってもラジエータ５５で排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度を下げてもよい。

≪第２実施形態≫
図４に示すように、第２実施形態の排熱回収循環系５０では、排熱回収循環ライン５１に、当該排熱回収循環ライン５１を循環する水（温水）の温度を検出する温度検出部５７を追加している。温度検出部５７は制御部５６に接続されており、温度検出部５７が検出する水（温水）の温度を示す温度検出信号が逐次制御部５６に送られる。

制御部５６は、温度検出部５７が検出する水（温水）の温度が所定値（例えば８０℃〜１００℃の範囲内から設定することができる）未満となるように、ラジエータ５５を制御（例えばＰＩＤ制御）する。すなわち、制御部５６は、ＳＯＦＣ１０の自立運転時にヒータ５３の駆動により排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が所定値以上となったとき（若しくはその一歩手前のとき）、又は、ＳＯＦＣ１０と系統電力網３０の連系運転時に温水熱交換器５４が駆動していないことにより排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が所定値以上となったとき（若しくはその一歩手前のとき）に、ラジエータ５５を駆動して、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が所定値未満となるように制御するのである。例えば、制御部５６は、ラジエータ５５のファンの回転数を増加させて冷却能力を上げたり、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）や、温水熱交換器５４を流れる水（温水）の流量を調整するなどの制御を行う。

図５のフローチャートを参照して、第２実施形態の排熱回収循環系５０の動作を説明する。

ステップＳＴ１では、制御部５６が、温度検出部５７が検出する水（温水）の温度が所定値未満であるか否かを判定する。温度検出部５７が検出する水（温水）の温度が所定値未満であるときは（ステップＳＴ１：Ｙｅｓ）、制御部５６は、処理を終了する。温度検出部５７が検出する水（温水）の温度が所定値以上であるときは（ステップＳＴ１：Ｎｏ）、ステップＳＴ２に進む。

ステップＳＴ２では、制御部５６が、ラジエータ５５を制御して、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が所定値未満となるように制御する。つまり、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が所定値以上となるのは、ステップＳＴ１の判定処理における一度限りであり（ステップＳＴ１：Ｎｏ）、その後は、制御部５６の制御により、排熱回収循環ライン５１を流れる水（温水）の温度が所定値未満となるように維持される。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、ＳＯＦＣ１０と排熱回収循環系５０の間に燃焼器４０を設けているが、この燃焼器４０を省略して、ＳＯＦＣ１０から排出された排出ガスを直接的に排熱回収循環系５０に導いてもよい。

上記実施の形態では、余剰電力変換部としてヒータ５３を使用し、排熱処理部としてラジエータ５５を使用した場合を例示しているが、余剰電力変換部と排熱処理部はヒータ５３に限定されるものではない。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。

１ 燃料電池システム
１０ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
１２ 燃料ガス流路（アノードガス流路）
１４ 酸化剤ガス流路（カソードガス流路）
１６ リサイクルガス流路
２０ ＤＣ／ＡＣ変換部
２５ 系統連系リレー
３０ 系統電力網
４０ 燃焼器
５０ 排熱回収循環系
５１ 排熱回収循環ライン
５２ 排熱回収熱交換器
５３ ヒータ（余剰電力変換部）
５４ 温水熱交換器
５５ ラジエータ（排熱処理部）
５６ 制御部
５７ 温度検出部
Ｌ 余剰電力伝送路
Ｍ 電力伝送路
ＬＳ リレースイッチ

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   排熱を回収するための熱媒体が前記固体酸化物形燃料電池を循環しておらず且つ前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を回収する排熱回収循環ラインと、
   前記固体酸化物形燃料電池と系統電力網との連系状態と解列状態を切り換え可能な系統連系リレーと、
   前記排熱回収循環ラインに設けられ、前記系統連系リレーが連系状態から解列状態に切り換わったときの前記固体酸化物形燃料電池で発電した電力の一部である余剰電力を熱に変換して回収する余剰電力変換部と、
   前記排熱回収循環ラインに設けられ、前記固体酸化物形燃料電池または前記系統電力網からの電力供給を受けて、前記排熱回収循環ラインを流れる前記余剰電力変換部により加熱された前記熱媒体の温度を制御して回収した熱を前記排熱回収循環ラインの外部に放出する排熱処理部と、
   前記固体酸化物形燃料電池、前記排熱回収循環ライン、前記余剰電力変換部、前記排熱処理部を制御するとともに、前記余剰電力変換部の駆動と前記排熱処理部の駆動を同期させる制御部と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排熱回収循環ラインを循環する前記熱媒体の温度を検出する温度検出部をさらに有し、
   前記制御部は、前記温度検出部が検出する前記熱媒体の温度が所定値未満となるように、前記排熱処理部を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記系統連系リレーが前記固体酸化物形燃料電池との連系状態から解列状態に切り換わったとき、前記余剰電力変換部を非駆動状態から駆動状態に切り換えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記余剰電力変換部は前記固体酸化物形燃料電池から電力を供給されるヒータからなり、前記排熱処理部は前記固体酸化物形燃料電池または前記系統電力網のいずれかから電力を供給されるラジエータからなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記余剰電力は、前記固体酸化物形燃料電池の温度を維持するために必要な発電電力であって、前記燃料電池システムに搭載された機器を駆動するのに必要な電力よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、排熱を回収するための熱媒体が前記固体酸化物形燃料電池を循環しておらず且つ前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を回収する排熱回収循環ラインと、前記固体酸化物形燃料電池と系統電力網との連系状態と解列状態を切り換え可能な系統連系リレーと、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記排熱回収循環ラインに設けられた余剰電力変換部で、前記系統連系リレーが前記固体酸化物形燃料電池との連系状態から解列状態に切り換わったときの前記固体酸化物形燃料電池で発電した電力の一部である余剰電力を熱に変換して回収する余剰電力変換ステップと、
   前記排熱回収循環ラインに設けられた排熱処理部で、前記固体酸化物形燃料電池または前記系統電力網からの電力供給を受けて、前記排熱回収循環ラインを流れる前記余剰電力変換部により加熱された前記熱媒体の温度を制御して回収した熱を前記排熱回収循環ラインの外部に放出する排熱処理ステップと、
   前記余剰電力変換ステップと前記排熱処理ステップを制御するとともに、前記余剰電力変換ステップの駆動と前記排熱処理ステップの駆動を同期させる制御ステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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