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技術 燃料電池システム

出願人 富士電機株式会社
発明者 讃岐育孝横山尚伸高橋邦幸大栗延章
出願日 2016年3月9日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2016-045720
公開日 2017年9月14日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2017-162655
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 需用電力 分岐供給 送電状態 燃料排気 誘導加熱器 矩形平板 水蒸気供給ライン 余剰電力ヒータ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年9月14日)のものです。
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図面 (3)

課題

ステムが大型化することなく、系統側負荷への出力を遮断した状態で発電を継続する場合に余剰電力を処理することが可能な燃料電池システムを提供する。

解決手段

燃料が供給される燃料極11を有した燃料電池スタック10と、燃料極11に燃料を供給する燃料供給系60と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる電気ヒータ51を有し、水蒸気を燃料供給系60に供給する気化器23と、を備え、燃料電池スタック10で発電した電力を系統側負荷42に供給する燃料電池システム1であって、系統側負荷42との接続を遮断した状態で発電を継続する場合に、発電した電力を加熱器51に供給する制御部40を備える。

概要

背景

発電した電力系統側負荷に供給するようにした燃料電池システムには、電力系統停電を検知すると、系統側負荷への出力を遮断するものがある。系統側負荷への出力を遮断した状態においては、本来燃料電池システムで発電を行う必要はない。しかしながら、発電を停止した場合には、復電時に需用電力まで電力を増大させるのに多大な時間がかかる。このため、この種の燃料電池システムでは、系統電源切り離した後も待機運転で発電を継続するのが一般的である。待機運転では、定格最大電力より小さく、補機の駆動に必要なアイドリング電力より大きい出力で発電を行うようにしている。この間、補機の駆動に必要なアイドリング電力以外の余剰電力は、余剰電力ヒータ消費していた(たとえば特許文献1参照)。

概要

ステムが大型化することなく、系統側負荷への出力を遮断した状態で発電を継続する場合に余剰電力を処理することが可能な燃料電池システムを提供する。燃料が供給される燃料極11を有した燃料電池スタック10と、燃料極11に燃料を供給する燃料供給系60と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる電気ヒータ51を有し、水蒸気を燃料供給系60に供給する気化器23と、を備え、燃料電池スタック10で発電した電力を系統側負荷42に供給する燃料電池システム1であって、系統側負荷42との接続を遮断した状態で発電を継続する場合に、発電した電力を加熱器51に供給する制御部40を備える。

目的

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、システムが大型化することなく、系統側負荷への出力を遮断した状態で発電を継続する場合に余剰電力を処理することが可能な燃料電池システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックは、燃料が供給される燃料極を有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる加熱器有し、前記燃料電池スタックの起動時に前記水蒸気を前記燃料供給系に供給する気化器と、を備え、前記燃料電池スタックで発電した電力系統側負荷に供給する燃料電池システムであって、前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、該発電した電力を前記加熱器に供給する制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。

請求項2

少なくとも前記燃料電池スタックから前記加熱器に電力が供給される場合に、前記水蒸気又は該水蒸気の熱を回収する水蒸気回収装置を備え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。

請求項3

燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックは、燃料が供給される燃料極を有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる加熱器を有し、前記燃料電池スタックの起動時に前記水蒸気を前記燃料供給系に供給する気化器と、を備え、前記燃料電池スタックで発電した電力を系統側負荷に供給する燃料電池システムであって、前記発電した電力の供給先を前記系統側負荷と前記加熱器との間で切り換え出力先切換部を備えることを特徴とする燃料電池システム。

請求項4

前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、定格の発電量の30%以上〜100%未満の部分負荷運転を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システム。

請求項5

前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池を用いていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池システム。

技術分野

0001

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

背景技術

0002

発電した電力系統側負荷に供給するようにした燃料電池システムには、電力系統停電を検知すると、系統側負荷への出力を遮断するものがある。系統側負荷への出力を遮断した状態においては、本来燃料電池システムで発電を行う必要はない。しかしながら、発電を停止した場合には、復電時に需用電力まで電力を増大させるのに多大な時間がかかる。このため、この種の燃料電池システムでは、系統電源切り離した後も待機運転で発電を継続するのが一般的である。待機運転では、定格最大電力より小さく、補機の駆動に必要なアイドリング電力より大きい出力で発電を行うようにしている。この間、補機の駆動に必要なアイドリング電力以外の余剰電力は、余剰電力ヒータ消費していた(たとえば特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開2015−186408号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかし、このような燃料電池システムを構築する場合には、余剰電力ヒータを新たに設けなければならないため、開発コストが高くなる、システムが大型化する等の問題があった。

0005

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、システムが大型化することなく、系統側負荷への出力を遮断した状態で発電を継続する場合に余剰電力を処理することが可能な燃料電池システム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

0006

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックは、燃料が供給される燃料極を有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる加熱器を有し、前記燃料電池スタックの起動時に前記水蒸気を前記燃料供給系に供給する気化器と、を備え、前記燃料電池スタックで発電した電力を系統側負荷に供給する燃料電池システムであって、前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、該発電した電力を前記加熱器に供給する制御部を備えることを特徴とする。

0007

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、少なくとも前記燃料電池スタックから前記加熱器に電力が供給される場合に、前記水蒸気又は該水蒸気の熱を回収する水蒸気回収装置を備えると良い。

0008

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックは、燃料が供給される燃料極を有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、水を加熱することによって水蒸気を発生させる加熱器を有し、前記燃料電池スタックの起動時に前記水蒸気を前記燃料供給系に供給する気化器と、を備え、前記燃料電池スタックで発電した電力を系統側負荷に供給する燃料電池システムであって、前記発電した電力の供給先を前記系統側負荷と前記加熱器との間で切り換え出力先切換部を備えることを特徴とする。

0009

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記系統側負荷との接続を遮断した状態で前記発電を継続する場合に、定格の発電量の30%以上〜100%未満の部分負荷運転を行うと良い。

0010

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池を用いていると良い。

発明の効果

0011

これらの構成によれば、停電時等において系統側負荷への出力を遮断した状態で発電を継続させる場合に、新たな構成を設けることなく、即ち装置を大型化することなく、余剰電力を処理することができる。

図面の簡単な説明

0012

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概要を示した概要図である。
図2は、図1に示した燃料電池システムの制御部が実施する処理の内容を示すフローチャートである。

実施例

0013

以下に添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

0014

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の概要を示した概要図である。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料供給装置21と、脱硫器22と、気化器23と、循環ブロワ24と、空気ブロワ25と、空気加熱器26と、排熱回収装置27と、水蒸気回収装置28と、出力先切換部32と、制御部40とを備えている。

0015

燃料電池スタック10は、例えば円筒形発電セル複数本束ねた構成や矩形平板の発電セルを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施形態の燃料電池スタック10には、燃料極(アノード)11と空気極カソード)12との間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いている。

0016

燃料供給装置21は、燃料供給ラインL11,L12及び脱硫器22を介してアノード11に都市ガス等の燃料ガスを供給する装置である。脱硫器22は、供給される原燃料ガス脱硫する装置である。本実施の形態では、燃料供給装置21、燃料供給ラインL11,L12及び脱硫器22が、燃料供給系60を構成している。

0017

気化器23は、水供給源からバルブV3を介して送られてきた水を加熱器51によって加熱し水蒸気を生成するものである。加熱器51として、電気ヒータ誘導加熱器などの加熱手段を用いることができる。この気化器23には、水蒸気供給ラインL22を介して、バルブV1を有した水蒸気供給ラインL24と、バルブV2を有した水蒸気供給ラインL23とが接続されており、生成された水蒸気が燃料供給ラインL12と、さらに水蒸気回収装置28とに分岐供給される。水蒸気回収装置28は、供給された水蒸気の熱を回収するものである。

0018

循環ブロワ24は、アノード11から排気された燃料ガスを燃料排気ラインL31,燃料排気ラインL32,燃料供給ラインL12を介して再びアノード11に戻すものである。

0019

空気ブロワ25は、空気供給ラインL41を介してカソード12に接続され、空気をカソード12に供給する。空気加熱器26は、空気供給ラインL41と並列に配設され、カソード12に送る空気を加熱できるようになっている。

0020

排熱回収装置27は、空気排気ラインL51を介してカソード12と接続しており、カソード12から排気された排気空気から熱を回収し、排気を行う。排熱回収装置27は、燃料排気ラインL33を介してアノード11と接続され、アノード11から排気された燃料ガスからも熱の回収を行う。

0021

出力先切換部32は、与えられた制御信号に基づいて、燃料電池スタック10で発電した電力の供給先を、気化器23(加熱器51)と電力系統41(系統側負荷42)との間で切り換える切り換えスイッチである。電力系統41には、電力系統41における系統側負荷42への送電状態、つまり送電中であるか停電中であるかを検出し、その検出結果を制御部40に通知する送電状態検出部33が設けられている。

0022

制御部40は、送電状態検出部33からの検出信号に基づいて、上述した出力先切換部32、燃料供給装置21、循環ブロワ24、気化器23、バルブV1〜V3、水蒸気回収装置28、空気加熱器26、空気ブロワ25の駆動を制御するものである。制御部40は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等の処理装置プログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現しても良いし、IC(IntegratedCircuit)等のハードウェアにより実現しても良いし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現しても良い。

0023

以下、図2のフローチャートを参照しつつ、制御部40が実施する制御の内容について説明する。

0024

制御部40は、燃料電池システム1が起動されると起動運転を行う(ステップS201)。起動運転は、燃料電池システム1の起動時から燃料電池システム1の発電電力が所定の電力まで上がる間にのみ行う運転である。制御部40は、燃料電池システム1の起動時における所定期間、バルブV1を閉、バルブV2,V3を開とするとともに、気化器23を動作させ、燃料供給ラインL12に水蒸気を供給する。燃料供給ラインL12もしくはアノード11上では、脱硫されたガスと水蒸気による水蒸気改質反応が進行し、水素を含む改質燃料が生成される。

0025

起動から所定期間が経過した後においては、アノード11において水蒸気が生成されるので、気化器23から水蒸気を導入する必要がなくなる。従って、制御部40は、バルブV1,V2,V3を閉とするとともに、気化器23を停止させる。

0026

制御部40は、燃料電池システム1起動時の所定期間、空気加熱器26を作動させる。空気ブロワ25から導入される空気は、燃料電池システム1起動時の所定期間において、空気供給ラインL41,L42を介して空気加熱器26に導入され、加熱される。加熱された空気は、空気供給ラインL43,L41を介してカソード12に供給される。

0027

燃料電池システム1起動時の所定期間を過ぎたら、制御部40は、空気加熱器26を停止させる。従って、空気ブロワ25から導入される空気は、加熱されずに空気供給ラインL41を介してカソード12に供給される。

0028

このように、燃料電池スタック10は、燃料極11に燃料ガス(水素を含む)が供給され、空気極12に空気(酸素)が供給されることで、水素と酸素との電気化学反応により、発電する。

0029

制御部40は、所定の発電電力になったら、起動運転を終了し、連系運転を行う(ステップS202)。連系運転は、系統電源と連系し、系統側負荷42に電力を供給する運転である。つまり、連係運転において制御部40は、燃料電池システム1の発電量を需用電力に応じて制御する。発電量の制御は、例えば、空気ブロワ25による空気供給量及び燃料供給装置21による原燃料供給量を制御するとともに、再循環ブロワによる排気された燃料ガスの戻り量の制御も行う。

0030

制御部40は、連系運転中、送電状態検出部33の動作に基づいて、停電が起きたかどうか監視している(ステップS203)。制御部40は、停電が起きていない場合(ステップS203,No)、連系運転を継続する(ステップS202)。制御部40は、停電を検出したら(ステップS203,Yes)、出力先切換部32に出力先を切り換える信号を送り、燃料電池スタック10の接続先を系統側負荷42から気化器23(加熱器51)に切り換え、待機運転を行う(ステップS204,S205)。待機運転は、停電時等の電力系統41と解列し、電力の供給先を気化器23とした運転である。

0031

制御部40は、バルブV3を開とするとともに、気化器23、水蒸気回収装置28を作動させる。制御部40は、バルブV1を開、バルブV2は閉とし、気化器23で発生する水蒸気が水蒸気回収装置28に導入されるようにする。従って、気化器23で発生する水蒸気は、燃料電池スタック10における発電に影響を与えない。

0032

制御部40は、燃料電池システム1の定格の発電量の30%以上〜100%未満の部分負荷運転を行う。制御部40は、定格の30%〜50%の発電量の運転において、気化器23からの水蒸気の供給はしないが、空気加熱器26による空気の加熱は行う。制御部40は、定格の50%〜100%未満の発電量の運転において、気化器23からの水蒸気の供給及び、空気加熱器26による空気の加熱は行わない。

0033

制御部40は、停電が解消され、復電したかどうかを送電状態検出部33の動作に基づいて監視している(ステップS206)。制御部40は、復電されていない場合(ステップS206,No)、待機運転を継続する(ステップS205)。制御部40は、復電を検出したら(ステップS206,Yes)、出力先切換部32に出力先を切り換える信号を送り、燃料電池スタック10の接続先を気化器23から系統側負荷42に切り換える(ステップS207)。燃料電池スタック10と気化器23との接続は遮断され、燃料電池スタック10が発電した電力が系統側負荷42に供給されるようになる。制御部40は、バルブV3を閉とするとともに、気化器23、水蒸気回収装置28を停止させる。制御部40は、バルブV1、バルブV2を閉とする。その後、制御部40は、連系運転を行う(ステップS202)。以降、繰り返しである。

0034

このように、燃料電池システム1は、停電時等の電力系統41解列時も高温での発電を継続するので、復電時等に連系運転に復帰した場合に短時間で所定の電力を供給することができる。また、停電時等の電力系統41解列時に発電した電力は、気化器23において消費されるので、新たに電力を消費する装置を設けることなく、即ち、システムを大型化することなく、電力系統41解列時の余剰電力を消費することができる。また、気化器23で発生する水蒸気は、水蒸気回収装置28にて回収され、燃料電池スタック10における発電に影響を与えないので、安定して発電を行うことができる。気化器23で発生する水蒸気は、水蒸気回収装置28にて熱を回収できるので、燃料電池システム1が適用される業務施設等の施設全体省エネに貢献できる。

0035

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

0036

例えば、本実施の形態においては、アノード11上もしくは燃料供給ラインL12上で水蒸気改質反応を進行させて燃料を改質させているが、別に改質器を設けても良い。本実施の形態においては、出力先切換部32は、1つの切換スイッチであるが、これに限られず、電力系統41解列用のオンオフスイッチと、燃料電池スタック10と気化器23を接続するためのオンオフスイッチの2つのスイッチを組み合わせたものでもよい。

0037

本実施の形態においては、水蒸気回収装置28は、排熱を回収するものであるが、蒸気タービン等の送られてきた蒸気を利用するものであってもよい。水蒸気回収装置28は、送られてきた水蒸気をそのまま排気するものであってもよい。本実施の形態においては、水蒸気回収装置28は、排熱回収装置27と別に設けられたが、水蒸気を排熱回収装置27に送るようにしてもよい。

0038

本実施形態においては、待機運転では、部分負荷運転を行ったが、定格の100%の運転を行っても良い。本実施の形態においては、停電の場合を説明したが、本実施の形態は系統側負荷42点検時等において系統側負荷42との接続を遮断する場合にも適用できる。即ち、系統側負荷42点検時等において燃料電池スタック10の発電する電力の供給先を気化器23とする待機運転を行ってもよい。この時、制御部40は、外部から出力先切換信号が入力された場合にも、出力先を切り換える制御を行う。

0039

1燃料電池システム
10燃料電池スタック
11燃料極(アノード)
12空気極(カソード)
21燃料供給装置
22脱硫器
23気化器
24循環ブロワ
25空気ブロワ
26空気加熱器
27排熱回収装置
28水蒸気回収装置
32出力先切換部
33送電状態検出部
40 制御部
41電力系統
42系統側負荷
51加熱器
60燃料供給系
L11,L12燃料供給ライン
L22〜L24水蒸気供給ライン
L31〜L33燃料排気ライン
L41〜L43空気供給ライン
L51空気排気ライン
V1,V2,V3 バルブ

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