JP6356481B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、例えば特許文献１に開示されている燃料電池システムがある。

特開２００４−３４９２１４号公報

燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う発電セルを積層した燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システムでは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する際に発電セルが電気と共に熱を発生する。

発電セルは、効率的な発電を行うために適正な温度範囲があり、適性な温度範囲を外れると発電効率が低下する。このため、特許文献１の燃料電池では、冷却用の酸化剤ガス（冷却空気）を燃料電池セルスタックに供給する冷却管を備えており、燃料電池セルスタックを冷却する場合に冷却用の酸化剤ガスを冷却管に供給する。燃料電池セルスタックに供給する酸化剤ガスの温度を下げる場合には、冷却用の酸化剤ガスを冷却管に多く供給するようになっている。

本発明は、燃料電池セルスタックの温度を調整する場合に冷却専用の酸化剤ガスを供給する必要の無い燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う発電セルを積層した燃料電池セルスタックと、送風機から送風された前記酸化剤ガスを前記燃料電池セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給回路と、前記燃料電池セルスタックから排出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとの燃焼により生成された排ガスが通過する排ガス回路と、前記酸化剤ガス供給回路に設けられ、前記燃料電池セルスタックが発する熱、及び前記排ガス回路を通過する前記排ガスの熱の少なくとも一方を前記酸化剤ガスに付与可能とされ、配管を介して直列に接続された３つ以上の熱交換器と、前記酸化剤ガス供給回路に設けられ、前記送風機から送風された前記酸化剤ガスを３つ以上に分岐して各々の前記熱交換器に供給する分岐供給部と、前記分岐供給部に設けられ、各々の前記熱交換器に前記分岐供給部から供給される前記酸化剤ガスの流量を調整可能な複数の流量調整装置と、を有する。
を有する。

請求項１に記載の燃料電池では、酸化剤ガス供給回路から燃料電池セルスタックに酸化剤ガスが供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電セルが発電を行う。燃料電池セルスタックから排出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとの燃焼により生成された排ガスは、排ガス回路を通過させることができる。

酸化剤ガス供給回路には、燃料電池セルスタックが発する熱、及び排ガス回路を通過する排ガスの熱の少なくとも一方を酸化剤ガスに付与する複数の熱交換器が設けられているため、送風機から送風された酸化剤ガスを、燃料電池セルスタックが発する熱、及び排ガス回路を通過する排ガスの熱の少なくとも一方によって加熱して燃料電池セルスタックに供給することができる。
複数の熱交換器は配管で直列に接続されていると共に、各々の熱交換器には分岐供給部から酸化剤ガスが送風される。

例えば、比較的高温の酸化剤ガスを燃料電池セルスタックに供給する場合には、酸化剤ガスが数多くの熱交換器を直列に通過するように各々の流量調整装置を開閉または流量調整装置の開度を調整し、比較的低温の酸化剤ガスを燃料電池セルスタックに供給する場合には、酸化剤ガスが一つの熱交換器、または数少ない熱交換器を直列に通過するように各々の流量調整装置を開閉または流量調整装置の開度を調整する。酸化剤ガスの通過する熱交換器の数を変更することで酸化剤ガスに付与する熱量が変更されるので、燃料電池セルスタックに供給する酸化剤ガスの温度を変更し、燃料電池セルスタックの温度を調整することができる。

請求項１に記載の燃料電池では、酸化剤ガスの通過する熱交換器の数を変更して酸化剤ガスの温度を変更することができるので、冷却専用の酸化剤ガスを用いる必要が無い。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルスタックを流れる電流、及び前記燃料電池セルスタックの温度の少なくとも一方を計測するセンサと、前記センサの計測結果に基づいて前記流量調整装置を制御する制御装置と、を有する。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、制御装置が、センサの計測結果に基づいて各々の流量調整装置を開閉、または各々の流量調整装置の開度を調整して、酸化剤ガスの通過する熱交換器の数を自動で変更することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、前記複数の熱交換器は、前記排ガス回路を通過する前記排ガスの熱を前記酸化剤ガスに付与する排ガス用熱交換器と、前記排ガス用熱交換器の酸化剤ガス排出方向側に設けられ前記燃料電池セルスタックの発する熱を前記酸化剤ガスに付与するセルスタック用熱交換器と、を含んで構成されている。

請求項３に記載の燃料電池では、排ガス用熱交換器が排ガス回路を通過する排ガスの熱を燃料電池セルスタックに供給する酸化剤ガスに付与して酸化剤ガスを加熱する。また、セルスタック用熱交換器が燃料電池セルスタックの発する熱を燃料電池セルスタックに供給する酸化剤ガスに付与して酸化剤ガスを加熱する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池において、前記排ガス用熱交換器は、第１排ガス用熱交換器と、前記第１排ガス用熱交換器の酸化剤ガス排出方向側に設けられる第２排ガス用熱交換器と、を含んで構成されている。

請求項４に記載の燃料電池では、排ガス用熱交換器が、第１排ガス用熱交換器と、第１排ガス用熱交換器の酸化剤ガス排出方向側に設けられる第２排ガス用熱交換器とを含んで構成されているため、例えば、酸化剤ガスを第１排ガス用熱交換器と第２排ガス用熱交換器の２つの排ガス用熱交換器を通過させた場合には排ガスの熱を酸化剤ガスに多く付与することができ、酸化剤ガスを第２排ガス用熱交換器のみに通過させた場合には排ガスの熱を酸化剤ガスに少なく付与することができる。

以上説明したように、請求項１に記載の燃料電池によれば、燃料電池セルスタックに供給する酸化ガスを通過させる熱交換器の数を変更することで、燃料電池セルスタックに供給する酸化剤ガスの温度を変更し、燃料電池セルスタックの温度を調整することができる、という優れた効果を有する。

請求項２に記載の燃料電池によれば、燃料電池セルスタックの温度を自動制御できる。

請求項３に記載の燃料電池によれば、燃料電池セルスタックが発する熱、及び排ガス回路を通過する排ガスの熱を有効利用して燃料電池セルスタックに供給する酸化剤ガスを加熱することができる。

請求項４に記載の燃料電池によれば、燃料電池セルスタックに供給する酸化剤ガスの温度を更に細かく調整することができる。

燃料電池のホットモジュールの概略構成を示す側面図である。 （Ａ）は燃料電池システムの概略構成を示す配管図であり、（Ｂ）は制御系のブロック図である。 制御の順番を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。
（全体構成）
図１に示すように、燃料電池システム８のホットモジュール１０は、箱状の断熱容器１２を備えており、断熱容器１２の内部には、燃料電池セルスタック１４、気化器１５、改質器１６、第１熱交換器１８Ａ、第２熱交換器１８Ｂ、第３熱交換器１８Ｃ等が収容されている。

燃料電池セルスタック１４は、例えば、平板状の発電セルを上下方向に複数集積して立方体状に形成したものである。発電セルは、アノード、カソード、電解質等を備え、電気化学的反応により燃料ガスと酸化剤ガスとから電気を生成する固体酸化物燃料電池として周知の構造のものである。なお、燃料電池セルスタック１４は、本実施形態の構造に限らず、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、アルカリ電解質形燃料電池、溶融炭酸塩方燃料電池等、公知の他の構造、他の形状のものであっても良い

気化器１５は、外部より供給された水を排ガスの熱で気化して水蒸気を生成する。改質器１６は、外部より供給された原料ガス（例えば、都市ガス）と、気化器１５で生成された水蒸気とを混合して排ガスの熱を付与し、原料ガスを水蒸気改質法によって改質して水素を含んだ燃料ガスを生成する。

図２に示すように、第１熱交換器１８Ａ、第２熱交換器１８Ｂは、外部より供給された空気を後述する排気管５８を通る排ガスの熱Ｈ１で加熱する。また、第３熱交換器１８Ｃは、燃料電池セルスタック１４からの輻射熱Ｈ２を吸収して燃料電池セルスタック１４へ供給する空気を加熱する。

ホットモジュール１０の外部には、空気を送風するブロア２０が設けられており、ブロア２０の空気出口には、空気配管２２を介して分岐２４に接続され、分岐２４は、第１バルブ２６を備えた空気配管２８を介して第１熱交換器１８Ａの空気流入口に接続され、第２バルブ３０を備えた空気配管３２を介して第２熱交換器１８Ｂの空気流入口に接続され、第３バルブ３４を備えた空気配管３６を介して第３熱交換器１８Ｃの空気流入口に接続されている。

本実施形態の第１バルブ２６、第２バルブ３０、第３バルブ３４は後述する制御装置６２によって開閉が制御される電動バルブであり、ホットモジュール１０の外部に設けられている。

第１熱交換器１８Ａの空気排出口と第２熱交換器１８Ｂの空気流入口とは空気配管３８を介して接続され、第２熱交換器１８Ｂの空気排出口と第３熱交換器１８Ｃの空気流入口とは空気配管４０を介して接続されている。また、第３熱交換器１８Ｃの空気排出口と燃料電池セルスタック１４の空気流入口とは空気配管４２を介して接続されている。

ホットモジュール１０は、断熱容器１２の外部より供給される原料ガスを改質器１６に供給するガス配管４４と、断熱容器１２の外部より供給される水を気化器１５に供給する水配管４６を備えている。水配管４６は気化器１５の流入口に接続されている。また、気化器１５の排出口には水配管４８の一端部が接続されている。

ガス配管４４と水配管４８はＴ字管５０に接続され、Ｔ字管５０は配管５２を介して改質器１６の流入口に接続されている。改質器１６では、気化器１５で生成された水蒸気と外部から供給された原料ガスとが供給されて加熱されることで、水素を含んだ燃料ガス（改質ガス）が生成される。

改質器１６のガス排出口と燃料電池セルスタック１４のガス流入口とはガス配管５４を介して接続されている。図１に示すように、燃料電池セルスタック１４の上部には、燃料電池セルスタック１４から排出された燃料オフガスと空気とが供給される燃焼部５６が設けられている。本実施形態の燃焼部５６では、拡散燃焼が行われる。

図２に示すように、燃焼部５６で生成された排ガスは、排気管５８を介して断熱容器１２の外部に排出されるが、排気管５８は断熱容器１２から外部へ排出されるまでの間に、改質器１６、気化器１５、第２熱交換器１８Ｂ、及び第１熱交換器１８Ａの順に接触して、排ガスの熱Ｈ１を改質器１６、気化器１５、第２熱交換器１８Ｂ、及び第１熱交換器１８Ａに順に付与することができる。

図１、及び図３に示すように、断熱容器１２の内部には、燃料電池セルスタック１４の水平方向の周囲を囲むように形成された第３熱交換器１８Ｃが配置されている。第３熱交換器１８Ｃの内部には、空気の通る通路（図示せず）が螺旋状に形成されている。

図２（Ａ）に示すように、燃料電池セルスタック１４の近くには、燃料電池セルスタック１４の温度を計測する温度センサ６０が設けられている。図２（Ｂ）に示すように、温度センサ６０は、制御装置６２に接続されている。制御装置６２は、温度センサ６０で計測した燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて第１バルブ２６、第２バルブ３０、及び第３バルブ３４の開閉を制御する。温度センサ６０は、燃料電池セルスタック１４に接触していても良く、離れていても良い。温度センサ６０は、例えば、熱電対を用いることができるが、サーミスタ、放射温度計等の他の温度センサであっても良い。

（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態の燃料電池システム８では、ブロア２０から送風された空気（酸化剤ガス）は、第１熱交換器１８Ａ、第２熱交換器１８Ｂ、及び第３熱交換器１８Ｃの少なくとも一つを通過して予熱され、燃料電池セルスタック１４に供給される。

外部より供給された水は気化器１５で水蒸気とされ、改質器１６は、外部より供給された原料ガスと気化器１５で生成された水蒸気とを混合し、排ガスの熱を付与して燃料ガスに改質して燃料電池セルスタック１４に供給する。

燃料電池セルスタック１４の各発電セルに燃料ガスと空気とが供給されると、発電セルは発電をすると共に発熱する。各発電セルから排出された燃料オフガスと空気とは燃焼部５６に送られ、燃焼部５６で拡散燃焼が行われる。燃焼部５６で生成された排ガスは、排気管５８を介して断熱容器１２の外部に排出されるまでの間に、改質器１６、気化器１５、第２熱交換器１８Ｂ、及び第１熱交換器１８Ａの順に接触して、排ガスの熱Ｈ１が改質器１６、気化器１５、第２熱交換器１８Ｂ、及び第１熱交換器１８Ａに順に付与される。また、燃料電池セルスタック１４の熱は、第３熱交換器１８Ｃに付与される。

次に、図３のフローチャートに基づいて制御装置６２が行う燃料電池セルスタック１４の温度制御について説明する。
先ず、最初のステップ９８では、ブロア２０から送風された空気が、空気配管２２、分岐２４、及び空気配管２８を介して第１熱交換器１８Ａに供給され、更に、第２熱交換器１８Ｂ、第３熱交換器１８Ｃを介して燃料電池セルスタック１４に供給されるように第１バルブ２６は開、第２バルブ３０は閉、第３バルブ３４は閉とされる。

これにより、ブロア２０から送風された空気は、第１熱交換器１８Ａで排ガスからの熱で加熱され、次に、第２熱交換器１８Ｂで排ガスからの熱で加熱され、さらに、第３熱交換器１８Ｃで燃料電池セルスタック１４からの熱で加熱されて燃料電池セルスタック１４に供給される。

ステップ１００では、燃料電池セルスタック１４の温度（Ｔｓ）が計測される。

ステップ１０２では、計測された燃料電池セルスタック１４の温度（Ｔｓ）が、８５０°Ｃ（例えば、上限値）を超えているか否かが判断され、８５０°Ｃを超えている場合はステップ１０４へ進んでからステップ１００に戻り、８５０°Ｃ以下である場合はステップ１０６へ進む。

ステップ１０４では、第１バルブ２６は閉、第２バルブ３０は閉、第３バルブ３４は開とされ、ブロア２０から送風された空気は、空気配管２２、分岐２４、及び空気配管３６を介して第３熱交換器１８Ｃに供給され、第３熱交換器１８Ｃで燃料電池セルスタック１４からの熱で加熱されて燃料電池セルスタック１４に供給される。ここでは、ブロア２０から送風された空気は、第３熱交換器１８Ｃのみで加熱されるので、第１熱交換器１８Ａ、第２熱交換器１８Ｂ、及び第３熱交換器１８Ｃの３つの熱交換器で加熱された場合に比較して、燃料電池セルスタック１４に供給される空気の温度は低くなる。このため、８５０°Ｃを超えた燃料電池セルスタック１４の温度を下げることが可能となる。なお、ステップ１０４で各バルブの設定が行われるとステップ１１０に戻り、再び燃料電池セルスタック１４の温度（Ｔｓ）が計測され、燃料電池セルスタック１４の温度（Ｔｓ）が８５０°Ｃ以下になるまでステップ１００，１０２，１０４の処理を繰り返して冷却を続ける。

ステップ１０６に進むと、計測された燃料電池セルスタック１４の温度（Ｔｓ）が、８００°Ｃを超えているか否かが判断され、８００°Ｃを超えている場合はステップ１０８へ進み、８００°Ｃ以下である場合はステップ１１０へ進む。

ステップ１０８では、第１バルブ２６は閉、第２バルブ３０は開、第３バルブ３４は閉とされ、ブロア２０から送風された空気は、空気配管２２、分岐２４、及び空気配管３２を介して第２熱交換器１８Ｂに供給され、第２熱交換器１８Ｂ、及び第３熱交換器１８Ｃを介して燃料電池セルスタック１４に供給される。ここでは、ブロア２０から送風された空気は、第２熱交換器１８Ｂと第３熱交換器１８Ｃとの２つの熱交換器で加熱されるので、燃料電池セルスタック１４に供給される空気は、第３熱交換器１８Ｃのみで加熱された場合に比較して高く、第１熱交換器１８Ａ、第２熱交換器１８Ｂ、及び第３熱交換器１８Ｃの３つの熱交換器で加熱された場合に比較して低い温度となる。

ステップ１１０では、第１バルブ２６は開、第２バルブ３０は閉、第３バルブ３４は閉とされ、ブロア２０から送風された空気は、空気配管２２、分岐２４、及び空気配管２８を介して第１熱交換器１８Ａに供給され、更に、第２熱交換器１８Ｂ、第３熱交換器１８Ｃを介して燃料電池セルスタック１４に供給される。これにより、ブロア２０から送風された空気は、第３熱交換器１８Ｃのみで加熱された場合、及び第２熱交換器１８Ｂと第３熱交換器１８Ｃとの２つの熱交換器で加熱された場合に比較して高い温度となり、燃料電池セルスタック１４に供給される。

このように、本実施形態の燃料電池システム８では、燃料電池セルスタック１４の温度に応じて第１バルブ２６、第２バルブ３０、及び第３バルブ３４を開閉させて燃料電池セルスタック１４に供給する空気に付与する熱量を変更し、燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を３段階に調整することができる。これにより、燃料電池セルスタック１４を最適な温度にして燃料電池セルスタック１４に最適な発電性能を発揮させることができる。

発電セルに流れる電流が多くなると発熱が多くなるが、本実施形態の燃料電池システム８では、燃料電池セルスタック１４が必要以上に高温とらないように燃料電池セルスタック１４の温度を制御することができる。また、発電セルが劣化した場合も発熱が多くなるが、本実施形態の燃料電池システム８では、燃料電池セルスタック１４が必要以上に高温とらないように燃料電池セルスタック１４の温度を制御することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を調整したが、燃料電池セルスタック１４に流れる電流に応じて燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を調整しても良い。この場合、燃料電池セルスタック１４に流れる電流を測定する電流センサ（図示せず）を設け、制御装置６２は電流センサの計測値に応じて第１バルブ２６、第２バルブ３０、及び第３バルブ３４を開閉して燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を調整すれば良い。

燃料電池セルスタック１４に流れる電流が少ない場合には燃料電池セルスタック１４の発熱は少なく、燃料電池セルスタック１４に流れる電流が多くなると燃料電池セルスタック１４の発熱が多くなる。このため、電流が多い場合には上述した実施形態と同様に第１バルブ２６、第２バルブ３０、及び第３バルブ３４を開閉して燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を下げ、電流が少ない場合には第１バルブ２６、第２バルブ３０、及び第３バルブ３４を開閉して燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を上げるように制御を行う。

上記実施形態では、燃料電池セルスタック１４に供給する空気を加熱するために、第１熱交換器１８Ａ、第２熱交換器１８Ｂ、及び第３熱交換器１８Ｃの３つの熱交換器を用いたが、熱交換器の数は複数あれば良く、第１熱交換器１８Ａ、第２熱交換器１８Ｂ、及び第３熱交換器１８Ｃのうちの何れか一つを省いても良く、熱交換器の数を更に増やしても良い。熱交換器の数を増やすことで、更に細かく温度調節を行うことができる。

上記実施形態では、第１バルブ２６、第２バルブ３０、及び第３バルブ３４を開閉することで燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を調整したが、本発明はこれに限らず、第１バルブ２６、第２バルブ３０、及び第３バルブ３４を電動式の流量調整弁に換え、各熱交換器に供給する空気の流量を個別に微調整して燃料電池セルスタック１４に供給する空気の温度を更に精密、又は連続的に調整し、燃料電池セルスタック１４の温度を更に精密、又は連続的に調整することもできる。

以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

８ 燃料電池システム
１０ ホットモジュール
１４ 燃料電池セルスタック
１８Ａ 第１熱交換器（第１排ガス用熱交換器、熱交換器）
１８Ｂ 第２熱交換器（第２排ガス用熱交換器、熱交換器）
１８Ｃ 第３熱交換器（セルスタック用熱交換器、熱交換器）
２０ ブロア（送風機）
２２ 空気配管（分岐供給部、酸化剤ガス供給回路）
２４ 分岐（分岐供給部、酸化剤ガス供給回路）
２６ 第１バルブ（流量調整装置）
２８ 空気配管（分岐供給部、酸化剤ガス供給回路）
３０ 第２バルブ（流量調整装置）
３２ 空気配管（分岐供給部、酸化剤ガス供給回路）
３４ 第３バルブ（流量調整装置）
３６ 空気配管（分岐供給部、酸化剤ガス供給回路）
３８ 空気配管（配管、酸化剤ガス供給回路）
４０ 空気配管（配管、酸化剤ガス供給回路）
４２ 空気配管（酸化剤ガス供給回路）
５８ 排気管（排ガス回路）
６０ 温度センサ（センサ）
６２ 制御装置

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う発電セルを積層した燃料電池セルスタックと、
   送風機から送風された前記酸化剤ガスを前記燃料電池セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給回路と、
   前記燃料電池セルスタックから排出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとの燃焼により生成された排ガスが通過する排ガス回路と、
   前記酸化剤ガス供給回路に設けられ、前記燃料電池セルスタックが発する熱、及び前記排ガス回路を通過する前記排ガスの熱の少なくとも一方を前記酸化剤ガスに付与可能とされ、配管を介して直列に接続された３つ以上の熱交換器と、
   前記酸化剤ガス供給回路に設けられ、前記送風機から送風された前記酸化剤ガスを３つ以上に分岐して各々の前記熱交換器に供給する分岐供給部と、
   前記分岐供給部に設けられ、各々の前記熱交換器に前記分岐供給部から供給される前記酸化剤ガスの流量を調整可能な複数の流量調整装置と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池セルスタックを流れる電流、及び前記燃料電池セルスタックの温度の少なくとも一方を計測するセンサと、
   前記センサの計測結果に基づいて前記流量調整装置を制御する制御装置と、
   を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記複数の熱交換器は、前記排ガス回路を通過する前記排ガスの熱を前記酸化剤ガスに付与する排ガス用熱交換器と、前記排ガス用熱交換器の酸化剤ガス排出方向側に設けられ前記燃料電池セルスタックの発する熱を前記酸化剤ガスに付与するセルスタック用熱交換器と、を含んで構成されている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記排ガス用熱交換器は、第１排ガス用熱交換器と、前記第１排ガス用熱交換器の酸化剤ガス排出方向側に設けられる第２排ガス用熱交換器と、を含んで構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。

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