特許 7036929 燃料電池装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-07

(45)【発行日】2022-03-15

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20220308BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20220308BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20220308BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20220308BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04746

H01M8/04537

H01M8/12 101

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020537667

(86)(22)【出願日】2020-02-19

(86)【国際出願番号】 JP2020006583

(87)【国際公開番号】W WO2020175284

(87)【国際公開日】2020-09-03

【審査請求日】2020-07-07

(31)【優先権主張番号】P 2019036897

(32)【優先日】2019-02-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000109026

【氏名又は名称】ダイニチ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075557

【弁理士】

【氏名又は名称】西教 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】山内 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】嶌田 光隆

【審査官】清水 康

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２５３０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５２９２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１６４９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０３７２５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－２７３１６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電量を調整する発電量調整装置と、
前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記発電量調整装置により制御される前記燃料電池の発電量と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量に対する前記燃料電池の発電に利用される酸素含有ガス量の割合である酸素含有ガス利用率とが、
前記燃料電池の発電量の増加に対応して前記酸素含有ガス利用率が増加する増加区間と、前記燃料電池の発電量の増加に対して前記酸素含有ガス利用率が一定の第１区間と、前記燃料電池の発電量の増加に対応して前記酸素含有ガス利用率が低下する低下区間とをこの順に有するように、前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する、燃料電池装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記燃料電池の発電量が、予め決められた第１の所定量以上において前記低下区間となるように、前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する、請求項１に記載の燃料電池装置。

【請求項3】

前記制御装置は、前記増加区間よりも発電量が小さい区間において、前記燃料電池の発電量の増加に対して前記酸素含有ガス利用率が一定の、第２区間を有するように、前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する、請求項１または２に記載の燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５５９１２４９号公報

【発明の概要】

【0004】

本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電量を調整する発電量調整装置と、
前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記発電量調整装置により制御される前記燃料電池の発電量と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量に対する前記燃料電池の発電に利用される酸素含有ガス量の割合である酸素含有ガス利用率とが、
前記燃料電池の発電量の増加に対応して前記酸素含有ガス利用率が増加する増加区間と、前記燃料電池の発電量の増加に対して前記酸素含有ガス利用率が一定の第１区間と、前記燃料電池の発電量の増加に対応して前記酸素含有ガス利用率が低下する低下区間とをこの順に有するように、前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する構成である。

【図面の簡単な説明】

【0005】

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。

【0006】

【図1】本開示の一実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。

【図2】外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。

【図3】一実施形態の燃料電池装置における、発電による電流量とセルの空気利用率との関係、および、電流量と空気供給量との関係、を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、本開示の一実施形態の燃料電池装置について説明する。

【0008】

まず、本開示の燃料電池装置が基礎とする構成の燃料電池装置について説明する。

【0009】

固体酸化物形の燃料電池装置（ＳＯＦＣ）において、制御装置は、原燃料供給装置および酸素含有ガス供給装置の動作を制御して、発電に必要な量の原燃料（水素含有ガス）および空気（酸素含有ガス）を、燃料電池セルに供給する。発電により生じた直流電流は、外部の系統電力と連係する発電量調整装置で交流電力に変換された後、発電量調整装置に接続された外部機器（外部負荷）の要求に応じて、外部負荷に供給される。

【0010】

燃料電池は、家庭用途や小規模事業所用途等、使用電力（電流値）の低い小規模な発電にも利用される。家庭用等として燃料電池装置を用いる場合、外部負荷による要求電力は、比較的大きく変動する。

【0011】

出力電力を調整する必要のある燃料電池装置においては、外部からの要求電力（すなわち外部負荷の電流値）の低い低電流運転時（低出力運転時）には、発電量の増加に伴って空気利用率（Ｕａ）が高くなる空気利用率増加制御が行われる。

【0012】

また、燃料電池装置において、外部負荷の電流値の高い高電流運転時（高出力運転時）には、発電効率を高く維持するために、空気利用率（Ｕａ）を一定の高い率（以下、「高Ｕａ率」という）で維持する空気利用率固定制御が行われている。

【0013】

なお、前述の高電流運転（高出力運転）を「定格もしくは定格に近い発電量を含む運転」と、前述の低電流運転（低出力運転）を「部分負荷運転」または「負荷追従運転」と、呼ぶ場合がある。

【0014】

外部負荷の要求電力に応じた燃料電池の発電量の増加に対応して、燃料電池セルの空気利用率（Ｕａ）を変化させる燃料電池装置において、外部負荷（外部要求電力）が高い際に空気利用率を一定の高Ｕａ率で固定する、前述のような空気利用率固定制御を続けると、燃料電池の温度が高温となり、燃料電池セルの耐久性が低下して、燃料電池の発電効率にも影響を及ぼすおそれがあることが分かった。

【0015】

以下、実施形態の燃料電池装置について説明する。
図１に示す一実施形態の燃料電池装置１００は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池モジュール１０と、空気ブロアＢ１および空気流路Ｆを有する酸素含有ガス供給装置１３、原燃料ポンプＢ２および原燃料流路Ｇを有する原燃料供給装置１４、改質水タンク６および改質水ポンプＰ１等を含む、燃料電池の自立した発電運転を補助するための補機類を備える。

【0016】

また、燃料電池装置１００は、外部への電力供給と系統電源への連係を担う補機として、発電量調整装置（パワーコンディショナ２０）を備え、このパワーコンディショナ２０と連係して、前述の燃料電池の発電運転を補助する各補機の動作を制御する制御装置３０を備える。なお、パワーコンディショナ２０は、電流計（Ａアンペア）、電圧計（Ｖボルト）等を有している。

【0017】

さらに、一実施形態の燃料電池装置１００は、熱交換器２、蓄熱タンク３（貯湯タンクともいう）、放熱器（ラジエータ４）およびこれらを繋ぐ流路配管、熱媒ポンプＰ２等を含む、排熱回収システム（ヒートサイクルＨＣ１）を備える。

【0018】

図１に記載の燃料電池装置１００は、さらに、外部に供給するための水道水（上水）を加温するための第２熱交換器５（上水熱交換器ともいう）と、前述の蓄熱タンク３から高温の熱媒を取り出して循環させるための与熱ポンプＰ３および循環配管等を含む、温水供給システム（ヒートサイクルＨＣ２）を備えている。なお、燃料電池装置は、外部への温水供給を行わない、いわゆるモノジェネレーションシステムとしてもよい。

【0019】

そして、燃料電池装置１００は、図２に示すような、各フレーム５１と各外装パネル５２とからなるケース５０の中に配設されている。このケース５０の中の、燃料電池モジュール１０および各補機の周りや流路、配管等には、以下のような複数の計測機器やセンサ等が設けられている。

【0020】

たとえば、燃料電池モジュール１０に空気を供給する酸素含有ガス供給装置１３の空気流路Ｆには、エアフローメータ等の空気流量計ＦＭ１が配設される。空気流量計ＦＭ１は、セルスタック１１に供給する空気（酸素含有ガス）の時間あたり流量（単位ＮＬ／分：ただし、ＮＬは「ノルマルリットル」を表す）を計測する。

【0021】

なお、図示はしていないが、原燃料供給装置１４の原燃料流路Ｇにも、同様のガス流量計が配設されている。

【0022】

また、燃料電池装置１００は、燃料電池各部の温度を計測する温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計（図示省略）等を複数備えることもできる。

【0023】

そして、燃料電池装置１００全体を統括して、その運転を制御する制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。また、制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。

【0024】

制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置３０が行う本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。

【0025】

なお、本実施形態において、制御装置３０は特に、外部負荷から要求される電力の大小、燃料電池装置に繋がる外部装置（給湯器等）の指示、指令や、外部への電力供給量を表す電流計、電圧計等の計測値（ＶＡ皮相電力等）、あるいは先に述べた各種センサの指示や計測値にもとづいて、酸素含有ガス供給装置１３の空気ブロアＢ１および改質器１２に原燃料ガスを供給する原燃料供給装置１４の原燃料ポンプＢ２の動作を制御する。

【0026】

具体的には、前述したような構成の燃料電池装置１００では、制御装置３０は、原燃料供給装置１４および酸素含有ガス供給装置１３の動作を制御して、運転に必要な量の燃料ガス量と酸素含有ガス量とを、燃料電池セルに供給している。それにより、燃料電池セルにおいて電力を発生させ、この時、燃料電池セルに直流電流が流れる。また、燃料電池セルの発電により生じた電力は、発電量調整装置（パワーコンディショナ２０）で交流電力に変換された後、外部負荷に供給される。

【0027】

以下、発電量（Ａ）に対応して、空気流量を代替する「空気利用率（Ｕａ）」を操作・増減させる「空気流量制御」について説明する。

【0028】

本実施形態の燃料電池装置１００の制御装置３０は、発電量調整装置（以下、パワーコンディショナ２０）により制御される燃料電池の発電量（Ａアンペア）に対応して、空気ブロアＢ１を制御する。すなわち、燃料電池に供給される酸素含有ガス（以下、空気）量に対する燃料電池の発電に利用される空気量の割合である酸素含有ガス利用率（すなわちＵａ）を制御する。具体的には、燃料電池の発電量の増加に対応して酸素含有ガス利用率（Ｕａ）が増加する〔増加区間〕と、発電量の増加に対応して酸素含有ガス利用率（Ｕａ）が低下する〔低下区間〕とを有するように、空気ブロアＢ１を調整・制御する。

【0029】

具体例として、上記の制御パターンを、図３に、発電量である「電流（Ａ）」の変化に対する、「空気（酸素含有ガス）利用率（Ｕａ）」の高低および「空気流量」の増減を表すグラフとして示す。

【0030】

なお、燃料電池装置のサイズ（定格発電量）等により、空気利用率や発電量の値は適宜設定できる。したがって、図３は、あくまで空気利用率（Ｕａ）と発電量との関係式として示す。また、図３のグラフにおいては、空気利用率Ｕａを連続した線で、空気流量を一点鎖線で表し、後記の各区間の境界を点線で示している。

【0031】

前述の〔増加区間〕と〔低下区間〕とを有する空気利用率Ｕａの制御を、図３のグラフを用いて説明する。まず、グラフにおける電流値（単位：Ａアンペア）が、０～所定の発電量の区間は、空気利用率Ｕａが一定に維持される「一定区間」（本開示においては、以下〔第２の一定区間〕という）である。

【0032】

この〔第２の一定区間〕は、外部負荷の要求電力に基づく発電量、すなわち電流値（Ａ）が低くても、効率良く運転を行うためのものである。なお、〔第２の一定区間〕における空気流量の設定は、発電効率に基づくものの他、使用する空気ブロアＢ１の仕様上の最低（最少）流量に基づく場合もある。また、〔第２の一定区間〕は、後記の〔増加区間〕よりも電流値（発電量）が小さい区間に設けられる。

【0033】

つぎに、図３のグラフにおいて、電流値（Ａ）が〔第２の一定区間〕から後述する〔第１の一定区間〕の間は、電流値（発電量であり外部負荷の要求電力でもある）の増加に対応して空気利用率Ｕａが増加する、本開示の〔増加区間〕である。

【0034】

また、〔増加区間〕において対応する空気流量は、グラフに示すように一定となっている。したがって、〔増加区間〕における空気利用率Ｕａの上昇は、相対する燃料ガス（水素含有ガス）供給量の増加、燃料電池セルの温度上昇、発電効率（反応率または発電寄与率）の上昇等に基づくものと考えられる。

【0035】

なお、先に述べた〔第２の一定区間〕と同様、空気流量の前記一定値が、使用する空気ブロアＢ１等の機器の仕様に基づくものである場合もある。

【0036】

つぎに、図３のグラフにおいて、電流値（Ａ）が〔増加区間〕から後述する〔低下区間〕の間は、空気利用率Ｕａが一定に維持される「一定区間」（本開示においては、以下〔第１の一定区間〕という）である。

【0037】

この〔第１の一定区間〕は、発電効率をできるだけ向上させつつも、空気利用率Ｕａが上昇し過ぎて「失火」を伴う空気量不足が発生するのを抑制するために設けられた区間であり、区間内の空気利用率Ｕａが一定に維持されている。つまり、〔第１の一定区間〕では、電流値と空気流量は比例関係にある。また、〔第１の一定区間〕は、前述の〔増加区間〕と後記の〔低下区間〕との間の、電流値（Ａ）または発電量の範囲（区間）に設けられる。

【0038】

最後に、図３のグラフにおいて最も負荷電流の高い、電流値（Ａ）が〔第１の一定区間〕よりも高い区間は、電流値の増加に対応して空気利用率Ｕａが低下する、本開示の〔低下区間〕である。それにより、燃料電池の温度が高温となることを抑制することができる。

【0039】

また、〔低下区間〕において対応する空気流量の増加率（傾き）は、グラフに示すように、前述の〔第１の一定区間〕における空気流量の増加率（傾き）よりも、大きくなっている。このように、電流値（Ａ）の増分よりも多くの空気量を燃料電池セルに供給することにより、区間内の空気利用率Ｕａが「一定」に維持される〔第１の一定区間〕に対して、それよりも発電量（電流値）が大きな領域（区間）であっても、空気利用率Ｕａが前の区間よりも低下するように構成されている。

【0040】

本開示の燃料電池装置が基礎とする構成の燃料電池装置においては、高い外部負荷の要求電力に応じて、高電流運転（高出力運転）を維持する場合、先にも述べたように、発電効率を高く維持するために、燃料電池にセルに供給する空気量を出力電流量の増加率と同率で増量することにより、空気利用率（Ｕａ）を一定の高い率（「高Ｕａ率」）で維持することが行われていた。

【0041】

これに対して、本実施形態の燃料電池装置１００では、高電流運転時に、空気利用率（Ｕａ）が低下に転じる区間を設けることで、高効率運転中の燃料電池セルに、より多くの空気を供給する。これにより、発電効率を維持しつつ、燃料電池の温度が高温となることを抑制することができる。

【0042】

本開示は次の実施の形態が可能である。

【0043】

本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、前記燃料電池の発電量を調整する発電量調整装置と、前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する制御装置と、を備える。
前記制御装置は、前記発電量調整装置により制御される前記燃料電池の発電量と、前記燃料電池に供給される酸素含有ガス量に対する前記燃料電池の発電に利用される酸素含有ガス量の割合である酸素含有ガス利用率とが、前記燃料電池の発電量の増加に対応して前記酸素含有ガス利用率が増加する増加区間と、前記燃料電池の発電量の増加に対応して前記酸素含有ガス利用率が低下する低下区間とを有するように、前記酸素含有ガス供給装置および前記発電量調整装置を制御する構成である。

【0044】

本開示の燃料電池装置は、燃料電池における発電量および空気利用率（Ｕａ）の制御において、発電量の範囲内の予め定められた一部区間を、外部負荷の要求電力に応じた発電量の増加に伴って空気利用率（Ｕａ）が低下する〔低下区間〕とすることにより、燃料電池の発電効率を維持しつつ、燃料電池の温度を低下させることができる。その結果、発電効率を向上しつつ、燃料電池セルの耐久性と寿命とを向上させることができる。

【0045】

本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

【符号の説明】

【0046】

１０ 燃料電池モジュール
１１ セルスタック
１２ 改質器
２０ パワーコンディショナ
３０ 制御装置
１３ 酸素含有ガス供給装置
１００ 燃料電池装置
Ｂ１ 空気ブロア
ＦＭ１ 空気流量計

【図1】

【図2】

【図3】