CN113519081A - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

在本公开的燃料电池装置中，控制装置(30)对含氧气体供给装置(13)的空气鼓风机(B1)向电池堆(11)送给的空气的流量进行控制，使得由发电量调整装置(功率调节器20)控制的燃料电池的发电量(安培)与空气利用率(Ua)具有：伴随着燃料电池的发电量的增加，空气利用率(Ua)增加的〔增加区间〕；和伴随着发电量的增加，空气利用率(Ua)降低的〔降低区间〕，该空气利用率(Ua)是燃料电池的发电中利用的空气量相对于向燃料电池供给的含氧气体(空气)量的比例。

Description

燃料电池装置
技术领域
本公开涉及燃料电池装置。
背景技术
以往技术的一例被记载于专利文献1中。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP专利第5591249号公报
发明内容
本公开的燃料电池装置具备：燃料电池，使用燃料气体和含氧气体进行发电；含氧气体供给装置，向所述燃料电池供给含氧气体；发电量调整装置，调整所述燃料电池的发电量；以及控制装置，控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置。
所述控制装置构成为控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置，使得由所述发电量调整装置控制的所述燃料电池的发电量与含氧气体利用率具有：与所述燃料电池的发电量的增加对应地，所述含氧气体利用率增加的增加区间；和与所述燃料电池的发电量的增加对应地，所述含氧气体利用率降低的降低区间，该含氧气体利用率是所述燃料电池的发电中利用的含氧气体量相对于向所述燃料电池供给的含氧气体量的比例。
附图说明
本公开的目的、特色以及优点根据下述的详细说明和附图更加明确。
图1是本公开的一实施方式的燃料电池装置的概要结构图。
图2是表示外装壳体内的燃料电池装置的结构的立体图。
图3是表示一实施方式的燃料电池装置中的、发电的电流量与电池单体的空气利用率的关系以及电流量与空气供给量的关系的图表。
具体实施方式
以下，本公开的一实施方式的燃料电池装置进行说明。
首先，对以本公开的燃料电池装置为基础的结构的燃料电池装置进行说明。
在固体氧化物形的燃料电池装置(SOFC)中，控制装置控制原燃料供给装置以及含氧气体供给装置的动作，将发电所需的量的原燃料(含氢气体)以及空气(含氧气体)供给至燃料电池单体。由发电产生的直流电流由与外部的系统电力联系的发电量调整装置变换为交流电力后，根据与发电量调整装置连接的外部设备(外部负载)的要求，向外部负载供给。
燃料电池也用于家庭用途、小规模事业所用途等使用电力(电流值)低的小规模的发电。在使用燃料电池装置作为家庭用等的情况下，基于外部负载的要求电力较大地变动。
在需要调整输出电力的燃料电池装置中，在来自外部的要求电力(即外部负载的电流值)低的低电流运转时(低输出运转时)，伴随着发电量的增加而进行空气利用率(Ua)变高的空气利用率增加控制。
此外，在燃料电池装置中，在外部负载的电流值高的高电流运转时(高输出运转时)，为了将发电效率维持得较高，进行将空气利用率(Ua)维持为固定的较高的比率(以下，称为“高Ua率”)的空气利用率固定控制。
另外，有时将前述的高电流运转(高输出运转)称为“包括额定或接近额定的发电量运转”，将前述的低电流运转(低输出运转)称为“部分负载运转”或者“负载追随运转”。
在对应于与外部负载的要求电力相应的燃料电池的发电量的增加而使燃料电池单体的空气利用率(Ua)变化的燃料电池装置中，若在外部负载(外部要求电力)高时将空气利用率固定为固定的高Ua率、即持续进行前述那样的空气利用率固定控制，则可知存在燃料电池的温度成为高温、燃料电池单体的耐老化性降低且对燃料电池的发电效率也有影响这样的担忧。
以下，对实施方式的燃料电池装置进行说明。
图1所示的一实施方式的燃料电池装置100具备：燃料电池模块10，使用燃料气体和含氧气体进行发电；含氧气体供给装置13，具有空气鼓风机B1以及空气流路F；原燃料供给装置14，具有原燃料泵B2以及原燃料流路G；以及辅机类，包括改性水箱6以及改性水泵P1等，用于辅助燃料电池的独立的发电运转。
此外，燃料电池装置100具备发电量调整装置(功率调节器20)，以作为承担向外部的电力供给和向系统电源的联系的辅机，具备控制装置30，其与该功率调节器20连接，控制辅助前述的燃料电池的发电运转的各辅机的动作。另外，功率调节器20具有电流计(A安培)、电压计(V伏特)等。
进而，一实施方式的燃料电池装置100具备包括热交换器2、储热箱3(也称为热水储存箱)、散热器(radiator4)以及连接它们的流路配管、热媒泵P2等的废热回收系统(热循环HC1)。
图1中记载的燃料电池装置100还具备用于对向外部供给的自来水(上水)进行加温的第二热交换器5(也称为上水热交换器)、和用于从前述的储热箱3取出高温的热媒并使其循环的包括热泵P3以及循环配管等的温水供给系统(热循环HC2)。另外，燃料电池装置也可以是不进行向外部的温水供给的所谓的单电联供系统(mono generation system)。
而且，燃料电池装置100配设在图2所示的由各框架51和各外装面板52构成的壳体50之中。在该壳体50中的、燃料电池模块10以及各辅机的周围、流路、配管等，设置有以下那样的多个计测设备、传感器等。
例如，在向燃料电池模块10供给空气的含氧气体供给装置13的空气流路F配设有气流计(airflow meter)等空气流量计FM1。空气流量计FM1计测供给至电池堆11的空气(含氧气体)的单位时间流量(单位NL/分：其中，NL表示“标准升”)。
另外，虽然未图示，但在原燃料供给装置14的原燃料流路G中也配设有同样的气流计。
此外，燃料电池装置100也能够具备多个计测燃料电池各部的温度的温度传感器、热敏电阻等温度计测器或者温度计(省略图示)等。
而且，将燃料电池装置100整体统一来控制运转的控制装置30与存储装置以及显示装置(均图示省略)、构成燃料电池装置100的各种结构部件以及各种传感器连接，以这些各功能部为代表，对燃料电池装置100的整体进行控制以及管理。此外，控制装置30取得附属于其上的存储装置中存储的程序，执行该程序，由此实现燃料电池装置100的各部涉及的各种功能。
在从控制装置30向其他功能部或者装置发送控制信号或者各种信息等的情况下，控制装置30与其他功能部只要通过有线或者无线连接即可。关于控制装置30进行的本实施方式的特征性的控制，在后面进行说明。
另外，在本实施方式中，控制装置30特别基于外部负载所要求的电力的大小、与燃料电池装置相连的外部装置(热水器等)的指示、指令、表示向外部的电力供给量的电流计、电压计等计测值(VA皮相电力等)、或者之前所述的各种传感器的指示、计测值，对向含氧气体供给装置13的空气鼓风机B1以及改性器12供给原燃料气体的原燃料供给装置14的原燃料泵B2的动作进行控制。
具体而言，在前述那样的结构的燃料电池装置100中，控制装置30控制原燃料供给装置14以及含氧气体供给装置13的动作，将运转所需的量的燃料气体量和含氧气体量供给至燃料电池单体。由此，在燃料电池单体中产生电力，此时，直流电流在燃料电池单体中流动。此外，通过燃料电池单体的发电而产生的电力在由发电量调整装置(功率调节器20)变换为交流电力后，被供给至外部负载。
以下，对与发电量(A)对应地对代替空气流量的“空气利用率(Ua)”进行操作/增减的“空气流量控制”进行说明。
本实施方式的燃料电池装置100的控制装置30与由发电量调整装置(以下，功率调节器20)控制的燃料电池的发电量(A安培)对应地控制空气鼓风机B1。即，控制燃料电池的发电中利用的空气量相对于向燃料电池供给的含氧气体(以下，空气)量的比例即含氧气体利用率(即Ua)。具体而言，对空气鼓风机B1进行调整/控制，使得具有：与燃料电池的发电量的增加对应地，含氧气体利用率(Ua)增加的〔增加区间〕；和与发电量的增加对应地，含氧气体利用率(Ua)降低的〔降低区间〕。
作为具体例，将上述的控制模式作为表示相对于作为发电量的“电流(A)”的变化的“空气(含氧气体)利用率(Ua)”的高低以及“空气流量”的增减的图表，而示于图3中。
另外，根据燃料电池装置的尺寸(额定发电量)等，能够适当设定空气利用率、发电量的值。因此，图3终究表示为空气利用率(Ua)与发电量的关系式。此外，在图3的图表中，用连续的线表示空气利用率Ua，用单点划线表示空气流量，用虚线表示后述的各区间的边界。
使用图3的图表对具有前述的〔增加区间〕和〔降低区间〕的空气利用率Ua的控制进行说明。首先，图表中的电流值(单位：A安培)为0～规定的发电量的区间是空气利用率Ua被维持为固定的“固定区间”(在本公开中，以下称为〔第二固定区间〕)。
该〔第二固定区间〕是用于即使基于外部负载的要求电力的发电量、电流值(A)低，也能够高效地进行运转的区间。另外，〔第二固定区间〕中的空气流量的设定除了基于发电效率的设定之外，还有基于使用的空气鼓风机B1的规格上的最低(最少)流量的情况。此外，〔第二固定区间〕设置于电流值(发电量)比后述的〔增加区间〕小的区间。
接着，在图3的图表中，电流值(A)从〔第二固定区间〕到后述的〔第一固定区间〕之间是本公开的〔增加区间〕，在该〔增加区间〕，对应于电流值(是发电量，也是外部负载的要求电力)的增加，空气利用率Ua增加。
此外，在〔增加区间〕中对应的空气流量如图表所示那样固定。因此，认为〔增加区间〕中的空气利用率Ua的上升基于相对的燃料气体(含氢气体)供给量的增加、燃料电池单体的温度上升、发电效率(反应率或者发电贡献率)的上升等。
另外，与之前所述的〔第二固定区间〕同样，也存在空气流量的所述固定值基于使用的空气鼓风机B1等设备规格的情况。
接着，在图3的图表中，电流值(A)从〔增加区间〕到后述的〔降低区间〕之间是空气利用率Ua被维持为固定的“固定区间”(在本公开中，以下称为〔第一固定区间〕)。
该〔第一固定区间〕是为了尽可能地提高发电效率、并且抑制空气利用率Ua过度上升而产生伴随着“失火”的空气量不足而设置的区间，区间内的空气利用率Ua被维持为固定。换句话说，在〔第一固定区间〕中，电流值与空气流量处于比例关系。此外，〔第一固定区间〕设置于前述的〔增加区间〕与后述的〔降低区间〕之间的、电流值(A)或者发电量的范围(区间)。
最后，在图3的图表中，负载电流最高的、电流值(A)比〔第一固定区间〕高的区间是与电流值的增加对应地使空气利用率Ua降低的本公开的〔降低区间〕。由此，能够抑制燃料电池的温度成为高温。
此外，如图表所示，在〔降低区间〕中对应的空气流量的增加率(斜率)比前述的〔第一固定区间〕中的空气流量的增加率(斜率)大。这样，构成为通过向燃料电池单体供给比电流值(A)的增量多的空气量，即使是相对于区间内的空气利用率Ua被维持为“固定”的〔第一固定区间〕，发电量比其大的区域(区间)，空气利用率Ua也比前面的区间降低。
在以本公开的燃料电池装置为基础的结构的燃料电池装置中，在根据高的外部负载的要求电力来维持高电流运转(高输出运转)的情况下，如之前所述那样，为了将发电效率维持得较高，通过使向燃料电池单体供给的空气量与输出电流量的增加率同比率地增量，从而将空气利用率(Ua)维持为固定的高比率(“高Ua率”)来进行。
相对于此，在本实施方式的燃料电池装置100中，在高电流运转时，通过设置空气利用率(Ua)转为降低的区间，向高效率运转中的燃料电池单体供给更多的空气。由此，能够在维持发电效率的同时抑制燃料电池的温度成为高温。
本公开能够进行以下的实施方式。
本公开的燃料电池装置具备：燃料电池，使用燃料气体和含氧气体进行发电；含氧气体供给装置，向所述燃料电池供给含氧气体；发电量调整装置，调整所述燃料电池的发电量；以及控制装置，控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置。
所述控制装置构成为，控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置，使得由所述发电量调整装置控制的所述燃料电池的发电量与含氧气体利用率具有：与所述燃料电池的发电量的增加对应地，所述含氧气体利用率增加的增加区间；和与所述燃料电池的发电量的增加对应地，所述含氧气体利用率降低的降低区间，该含氧气体利用率是所述燃料电池的发电中利用的含氧气体量相对于向所述燃料电池供给的含氧气体量的比例。
本公开的燃料电池装置在燃料电池中的发电量以及空气利用率(Ua)的控制中，通过将发电量的范围内的预先确定的一部分区间设为伴随着与外部负载的要求电力相应的发电量的增加而空气利用率(Ua)降低的〔降低区间〕，从而能够在维持燃料电池的发电效率的同时使燃料电池的温度降低。其结果，能够提高发电效率，并且能够提高燃料电池单体的耐老化性和寿命。
本公开能够在不脱离其精神或者主要特征的情况下以其他各种方式实施。因此，前述的实施方式在所有方面只不过是例示，本公开的范围是在权利要求书中表示的，在说明书正文中没有任何限制。进而，属于权利要求书的变形、变更全部在本公开的范围内。
符号说明
10 燃料电池模块
11 电池堆
12 改性器
20 功率调节器
30 控制装置
13 含氧气体供给装置
100 燃料电池装置
B1 空气鼓风机
FM1 空气流量计。

Claims (4)

1.一种燃料电池装置，具备：
燃料电池，使用燃料气体和含氧气体进行发电；
含氧气体供给装置，向所述燃料电池供给含氧气体；
发电量调整装置，调整所述燃料电池的发电量；以及
控制装置，控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置，
所述控制装置控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置，使得由所述发电量调整装置控制的所述燃料电池的发电量与含氧气体利用率具有：与所述燃料电池的发电量的增加对应地，所述含氧气体利用率增加的增加区间；和与所述燃料电池的发电量的增加对应地，所述含氧气体利用率降低的降低区间，该含氧气体利用率是所述燃料电池的发电中利用的含氧气体量相对于向所述燃料电池供给的含氧气体量的比例。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，
所述控制装置控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置，使得所述燃料电池的发电量在预先确定的第一规定量以上时成为所述降低区间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其中，
所述控制装置控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置，使得在所述增加区间与所述降低区间之间具有第一区间，在该第一区间，相对于所述燃料电池的发电量的增加，所述含氧气体利用率是固定的。
4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其中，
所述控制装置控制所述含氧气体供给装置以及所述发电量调整装置，使得在发电量比所述增加区间小的区间中具有第二区间，在该第二区间，相对于所述燃料电池的发电量的增加，所述含氧气体利用率是固定的。
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