JP2005228525A - 燃料電池システム及びその発電方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システム1は、改質器2、燃料電池3及び制御装置を備えている。燃料電池3は、水素分離金属層311とプロトン伝導体層312とを積層してなる電解質体31、アノード流路32、カソード流路33及び冷媒流路34とを有している。制御装置は、アノードガス調整器5を操作して、電解質体31の温度Tが許容作動温度範囲Tpの上限値Tmaxを超えたときには、アノード流路32における圧力を増加させ、電解質体31の温度Tが許容作動温度範囲Tpの下限値Tmin未満になったときには、アノード流路32における圧力を減少させるよう構成されている。
【選択図】図1
Description
そして、上記燃料電池システムにおいては、アノード流路に供給した水素をプロトンの状態にして上記プロトン伝導体を透過させ、カソード流路において、プロトン状態の水素と空気中の酸素とを反応させて水を生成しながら発電を行っている。このような燃料電池システムとしては、例えば、特許文献1、2に示すものがある。
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記アノード流路には、該アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は当該アノード流路における圧力を調整するアノードガス調整器が接続されており、該アノードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記アノードガス調整器を操作して、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記アノードガス調整器を操作して、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある(請求項1)。
ところで、上記燃料電池における発電特性を示す指標として、上記アノード電極とカソード電極との間から取り出される電流密度(I)と電圧(V)との関係を示すI−V特性がある。そして、このI−V特性においては、電流密度が増加したときには、燃料電池の内部の各損失抵抗が大きくなり電圧が減少するという性質があることが知られている。
そのため、上記アノード過電圧及び電流密度の減少により発熱量が低下して、燃料電池の温度上昇が抑制され、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を低下させることができる。これにより、上記水素分離金属層において、劣化が発生することを抑制することができる。
そのため、上記アノード過電圧及び電流密度の増加により発熱量が上昇して、燃料電池の温度低下が抑制され、燃料電池の電解質体における水素分離金属層の温度を上昇させることができる。これによっても、上記水素分離金属層において、劣化が発生することを抑制することができる。
上記水素含有ガスを上記アノード流路に供給し、上記水素含有ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記プロトン状態の水素と上記カソードガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を減少させることを特徴とする燃料電池システムの発電方法にある(請求項14)。
そして、上記発明と同様に、上記緊急状態においては、上記制御装置は上記アノードガス調整器を用いて電解質体の温度を制御することができる。
上記第1の発明において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒が供給される冷媒流路を有しており、上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒の流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成することが好ましい(請求項2)。
また、上記緊急状態においても、上記冷媒流量調整器だけを用いて電解質体の温度の制御を行うことも考えられるが、上記冷媒流量調整器を操作して上記冷媒流路を流れる冷媒の流量を急激に増減させることは、燃料電池内の温度分布(温度の偏り)を拡大することになってしまい、好ましくない。
この場合には、上記燃料電池内に設けた温度検出部により、上記電解質体の温度を直接的又は間接的に検出することができる。そして、上記制御装置は、上記温度検出部により上記電解質体の温度を認知することができる。
この場合には、上記制御装置は、上記燃料電池に上記温度検出部を設けることなく、電解質体の温度を認知することができる。
この場合にも、上記制御装置は、上記燃料電池に上記温度検出部を設けることなく、電解質体の温度を認知することができる。
この場合には、上記のごとく、上記燃料電池は例えば300〜600℃の高温状態で作動させることができるため、上記改質器から上記水素含有ガスを燃料電池に直接供給することができる。
また、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスは、上記燃料電池の作動温度に近い高温の状態で上記改質器に直接送ることができる。そのため、上記燃料電池システムにおいては、改質器において水素含有ガスを生成する温度と、燃料電池における作動温度とをかなり近づけることができる。
そのため、上記カソード流路から上記カソードオフガスラインを介して上記改質反応流路に上記カソードオフガスを送ったときには、改質反応流路においては、カソードオフガスが有する上記残存酸素及び上記生成水と上記改質用燃料とを反応させることができるだけでなく、カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して反応を行うことができる。これにより、上記燃料電池システムのエネルギー効率を一層向上させることができる。
そのため、上記制御装置は、上記アノード流路における圧力を容易に減少させることができ、上記アノード過電圧に伴う発熱量を容易に増加させることができる。これにより、上記緊急状態において、上記電解質体の温度を一層容易に制御することができる。
そのため、上記制御装置は、上記アノード流路における圧力を容易に増加させることができ、上記アノード過電圧に伴う発熱量を容易に減少させることができる。これにより、上記緊急状態において、上記電解質体の温度を一層容易に制御することができる。
そのため、上記制御装置は、上記アノード流路における圧力を容易に減少させることができ、上記アノード過電圧に伴う発熱量を容易に増加させることができる。これにより、上記緊急状態において、上記電解質体の温度を一層容易に制御することができる。
この場合には、上記制御装置は、上記複数の燃料電池において、上記緊急状態になった燃料電池のみに対して、上記アノードガス調整器を用いた温度の制御を行うことができ、上記緊急状態に迅速に対応することができる。また、上記制御装置は、残りの燃料電池に対しては、上記冷媒流量調整器のみを用いて温度の制御を継続することができ、上記緊急状態における燃料電池システム全体の発電効率の低下を抑制することができる。
この場合には、上述したように、上記燃料電池システムの定常状態においては、制御装置は、冷媒流量調整器を用いて電解質体の温度の制御を行うことができ、燃料電池システムを効率よく安定して運転することができる。
この場合には、上述したように、改質器から上記水素含有ガスを燃料電池に直接供給することができ、改質器において水素含有ガスを生成する温度と、燃料電池における作動温度とをかなり近づけることができる。
(実施例1)
図1、図2に示すごとく、本例の燃料電池システム1は、炭化水素燃料からなる改質用燃料Fから水素を含有する水素含有ガスGaを生成する改質器2と、この改質器2において生成した上記水素含有ガスGaを利用して発電を行う燃料電池3とを備えている。
上記改質器2は、上記改質用燃料Fから上記水素含有ガスGaを生成する改質反応流路21と、この改質反応流路21に隣接形成され燃焼を行ってこの改質反応流路21を加熱する加熱流路22とを有している。
そして、上記制御装置は、上記電解質体31の温度Tが所定の範囲(燃料電池3の許容作動温度範囲Tp)内に維持されるように上記冷媒流量調整器7を制御する。
一方、上記制御装置は、上記電解質体31の温度Tが上記許容作動温度範囲Tpの下限値Tmin未満になったときである過度温度低下時には、上記アノードガス調整器5を操作して、上記アノード流路32に供給する上記水素含有ガスGaの流量又は上記アノード流路32における圧力を減少させるよう構成されている。
以下に、これを詳説する。
また、本例の水素分離金属層311は、パラジウム(Pd)とバナジウム(V)との積層金属からなる。なお、水素分離金属層311は、パラジウム単体から構成することもでき、パラジウムを含有する合金又はパラジウムと他の金属との複合体とすることもできる。また、水素分離金属層311は、3気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して10A/cm2を超える水素透過性能(水素分離性能)を有している。こうして、水素分離金属層311の仮想導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
また、本例のプロトン伝導体層312におけるアノード電極321は、上記水素分離金属層311を構成するパラジウムにより構成している。また、本例のプロトン伝導体層312におけるカソード電極331は、Pt系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極321も、Pt系の電極触媒により構成することもできる。
そして、上記燃料電池システム1は、上記カソードオフガス用三方調整弁61を介して、カソードオフガスライン46を流れるカソードオフガスOcの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器2における改質反応流路21に送るよう構成されている。また、カソードオフガス用三方調整弁61は、上記排気するカソードオフガスOcの流量と、上記改質反応流路21に送るカソードオフガスOcの流量との分配比率を調整することができる。そして、上記カソードオフガス用三方調整弁61により、上記カソードオフガスライン46から上記改質器2における改質反応流路21に送るカソードオフガスOcの流量を調整することができる。
なお、本例において用いる各三方調整弁は、ガスを流入させる入口ポートと、ガスを流出させる出口ポート及びリリーフポートとを有する分岐弁である。そして、本例の分岐弁は、出口ポートとリリーフポートとに分岐させて流すガスの流量の分配比率を調整することができるものである。以下の各実施例に示す各三方調整弁についても同様である。
そして、上記燃料電池システム1は、上記アノードオフガス用三方調整弁51を介して、アノードオフガスライン45を流れるアノードオフガスOaの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器2における加熱流路22に送るよう構成されている。また、アノードオフガス用三方調整弁51は、上記排気するアノードオフガスOaの流量と、上記加熱流路22に送るアノードオフガスOaの流量との分配比率を調整することができる。そして、上記アノードオフガス用三方調整弁51により、上記アノードオフガスライン45から上記改質器2における加熱流路22に送るアノードオフガスOaの流量を調整することができる。
そして、上記燃料電池システム1は、上記冷媒オフガス用三方調整弁71を介して、冷媒オフガスライン47を流れる冷媒オフガスOrの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器2における加熱流路22に送るよう構成されている。また、冷媒オフガス用三方調整弁71は、上記排気する冷媒オフガスOrの流量と、上記加熱流路22に送る冷媒オフガスOrの流量との分配比率を調整することができる。
なお、上記カソードオフガスライン46は、上記改質反応流路21に直接接続することもでき、改質反応流路21内において、カソードオフガスOcと改質用燃料Fとを混合することもできる。
また、上記水蒸気改質反応は吸熱反応である一方、上記部分酸化反応は発熱反応であり、部分酸化反応により改質反応流路21内の温度の低下を抑制することができる。
なお、上記アノードオフガスライン45及び冷媒オフガスライン47は、それぞれ上記加熱流路22に直接接続することもでき、加熱流路22内において、アノードオフガスOaと冷媒オフガスOrとを混合することもできる。
こうして、上記加熱流路22において燃焼反応を行うことにより、上記加熱流路22から上記改質反応流路21へと熱量を伝達することができ、改質反応流路21内の温度が高く維持されるようにすることができる。本例においては、改質反応流路21における水蒸気改質反応及び部分酸化反応による熱量と、上記加熱流路22における燃焼反応とによる熱量とをほぼつり合わせることにより、改質器2において生成する水素含有ガスGaの温度が所定の温度範囲内に維持されるようにしている。
また、上記加熱流路22において燃焼反応が行われた後の燃焼オフガスは、加熱流路22の出口に接続された排気ライン49から燃料電池システム1の外部に排出される。
また、上記燃料電池3におけるカソード流路33には、上記カソードガスGcをこのカソード流路33に供給するためのカソードガス供給ライン43が接続されている。本例のカソードガスGcは空気であり、カソードガス供給ライン43には、カソードガスGcとしての空気を加圧して送り出すカソードガス加圧器60が配設されている。本例のカソードガス加圧器60はポンプ60とした。これに対し、カソードガス加圧器60は、ファン、圧縮機又はエジェクター等とすることもできる。
なお、上記カソードガスGcとしては、空気以外にも、例えば酸素を用いることができる。
また、図1、図2においては、上記燃料電池3におけるアノード流路32、カソード流路33及び冷媒流路34は、それぞれ1つずつ形成した場合を示している。これに対し、上記燃料電池3は、アノード流路32、カソード流路33及び冷媒流路34をそれぞれ複数形成し、これらを交互に配置して構成することもできる。
なお、温度センサ34は、カソード流路33、又はカソード流路33と冷媒流路34との間に形成したセパレータ340の内部等に埋設することもできる。また、温度センサ34は電解質体31に直接設けることもでき、制御装置は、電解質体31の温度Tを直接的に検出することもできる。
一方で、制御装置は、上記過度温度低下時には、上記アノードオフガス用圧力調整弁52の開度を全開にすると共に上記改質ガス用三方調整弁53を操作する。そして、この改質ガス用三方調整弁53を介して、上記改質ガス供給ライン42を流れる水素含有ガスGaの一部は、カソードオフガスライン46に送られ、カソードオフガスライン46を流れるカソードオフガスと混合されて、上記改質器2における改質反応流路21に戻される。これにより、制御装置は、上記アノード流路32における圧力を減少させることができる。
本例においては、上記改質器2の改質反応流路21においては、上記燃料供給ライン41から送られる改質用燃料Fと、上記カソードオフガスライン46から送られるカソードオフガスOcとが反応して、上記水素含有ガスGaが生成される。一方で、上記改質器2の加熱流路22においては、上記アノードオフガスライン45から送られるアノードオフガスOaと、上記冷媒オフガスライン47から送られる冷媒オフガスOrとが反応することにより発熱し、加熱流路22は改質反応流路21を加熱する。こうして、改質反応流路21においては水素含有ガスGaを生成する一方、これを加熱流路22から加熱することにより、改質反応流路21から上記燃料電池3におけるアノード流路32に送り出される水素含有ガスGaの温度を300〜600℃の高温に維持することができる。
また、上記反応を行うと共に、上記電解質体31におけるアノード電極321とカソード電極331との間から上記電池出力線36へと電力を取り出すことにより、上記燃料電池システム1は発電を行うことができる。
また、上記カソード流路33から排出されるカソードオフガスOcは、上記燃料電池3の作動温度に近い高温の状態で上記改質器2に直接送ることができる。そのため、上記燃料電池システム1においては、改質器2において水素含有ガスGaを生成する温度と、燃料電池3における作動温度とをほとんど同じにすることができる。
そして、上記燃料電池3のカソード流路33における生成水は、例えば300〜600℃の高温の水蒸気となっており、この生成水は、上記プロトン伝導体層312に含浸されることがほとんどなく、また、上記水素分離金属層311が水素のみを透過させる性質を有することにより、上記生成水は、カソード流路33からアノード流路32へと通過してしまうことがない。そのため、上記カソード流路33から上記カソードオフガスライン46を介して、上記生成水の全量を回収することができる。
そのため、燃料電池システム1の運転条件の設定が容易になり、燃料電池システム1の運転を容易に安定させることができる。
それ故、本例の燃料電池システム1によれば、その構造を簡単にすることができ、カソード流路33から生成水の全量を回収することができると共に、カソードオフガスOc、アノードオフガスOa及び冷媒オフガスOrがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して、燃料電池システム1のエネルギー効率を向上させることができる。
そして、上記燃料電池システム1の運転を開始した後には、改質反応流路21に必要な水及び酸素は上記カソードオフガスOcのみから供給することができ、加熱流路22に必要な燃料としての水素と、酸素とは上記アノードオフガスOaと上記冷媒オフガスOrとのみから供給することができる。
また、改質器2における改質反応流路21においては、上記高温のカソードオフガスOcにより、改質反応流路21に供給した改質用燃料Fの気化をスムーズに行うこともできる。
そのため、上記水素分離金属層311の水素透過性能を良好に維持するためには、水素分離金属層311における温度を許容作動温度範囲Tp内に維持することが必要である。
そして、このI−V特性においては、電流密度が増加したときには、燃料電池3の内部の導電抵抗、すなわち上記電解質体31における水素分離金属層311及びプロトン伝導体層312の導電抵抗、上記アノード電極321の構造に依存する分極抵抗、上記カソード電極331の構造に依存する分極抵抗等により、電圧損失Vrが発生するという性質があることが知られている。そして、この電圧損失Vrが、燃料電池3の発熱量を増大させてしまうことが知られている。
上記燃料電池システム1は、上記のごとく上記冷媒流量調整器7と上記アノードガス調整器5とを有しており、これらを上記制御装置によって制御可能である。
そして、上記燃料電池3は、上記反応を行って作動することにより発熱しており、上記制御装置は、上記冷媒流量調整器7におけるポンプの吐出流量を操作して、上記冷媒流路34に供給する冷媒ガスGrの流量を調整することにより、燃料電池3の電解質体31の温度Tが許容作動温度範囲Tp内(本例では300〜600℃の範囲内)に維持されるように制御する。これにより、上記燃料電池システム1の定常状態においては、制御装置は、冷媒流量調整器7を用いて電解質体31の温度Tの制御を行うことができる。
また、上記定常状態においては、上記アノードオフガス用圧力調整弁52の開度は全開にし、上記改質ガス用三方調整弁53におけるリリーフポートは閉鎖して、水素含有ガスGaの全量を燃料電池3におけるアノード流路32に供給することができる。
このとき、制御装置は、燃料電池3が過度温度上昇時にあることを認知し、上記アノードオフガス用圧力調整弁52の開度を絞る。これにより、アノード流路32の出口部の背圧が増加し、アノード流路32における圧力が増加する。
このとき、制御装置は、燃料電池3が過度温度低下時にあることを認知し、上記アノードオフガス用圧力調整弁52の開度を全開にしたままで、上記改質ガス用三方調整弁53におけるリリーフポートを開け、改質ガス供給ライン42を流れる水素含有ガスGaの一部をカソードオフガスライン46に送る。そして、アノード流路32に供給される水素含有ガスGaの流量が減少し、アノード流路32における圧力が減少する。なお、水素含有ガスGaの残部は、上記アノード流路32に供給される。
同図において、ステップS101においては、燃料電池3に要求される要求電力、冷媒ガスGrの温度等の検出を行う。そして、S102において、制御装置に予め設定されたアルゴリズムに従い、上記冷媒流量調整器7から燃料電池3の冷媒流路34に供給する冷媒ガスGrの流量を調整する。こうして、燃料電池システム1の定常状態においては、上記冷媒流量調整器7を用いた燃料電池3の温度の制御(冷媒温度制御)を行い、燃料電池3における電解質体31の温度Tが許容作動温度範囲Tp内に維持されるように制御する。
そして、上記燃料電池システム1の定常状態においては、S101〜S103を繰り返して、冷媒温度制御を行うことができ、上記燃料電池システム1の緊急状態においては、S103〜S107を繰り返して、アノードガス温度制御を行うことができる。その後、燃料電池システム1の運転の終了に伴い、適宜上記燃料電池3の温度の制御を終了することができる。
また、S105においては、必ずしも燃料電池3のアノード流路32における圧力を増加させなくても、燃料電池3のアノード流路32に供給する水素含有ガスGaの流量を増加させるだけによっても対応することができる。また、S107においては、必ずしも燃料電池3のアノード流路32における圧力を減少させなくても、燃料電池3のアノード流路32に供給する水素含有ガスGaの流量を減少させるだけによっても対応することができる。
本例は、図6に示すごとく、上記アノードガス調整器5を、上記改質ガス供給ライン42に配設した改質ガス加圧器54と、この改質ガス加圧器54を迂回して上記水素含有ガスGaを上記アノード流路32に供給するためのバイパスライン541と、このバイパスライン541に配設した開閉弁542と、上記改質ガス供給ライン42に配設したリリーフ弁543とを用いて構成した例である。
また、リリーフ弁543におけるリリーフポートと、カソードオフガスライン46とは、改質ガス混合ライン48Aにより接続されており、この接続部には、改質ガス・カソードオフガス混合弁88Aが配設されている。
そして、燃料電池システム1において、電解質体31の温度Tが上記許容作動温度範囲Tp内(300〜600℃の範囲内)を外れ、許容作動温度範囲Tpの上限値Tmax(本例では600℃)を超えたときには、制御装置は、燃料電池3が過度温度上昇時にあることを認知し、上記開閉弁542を閉じると共に上記圧縮機54を作動させる。
なお、上記リリーフ弁543の代わりに三方調整弁を用いることもできる。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
本例は、図7に示すごとく、上記燃料電池システム1が、上記アノード流路32から排出される上記アノードオフガスOaの一部を上記改質ガス供給ライン42に送るためのアノードオフガス混合ライン(再供給ライン)48Bを有しており、上記アノードガス調整器5を、上記アノードオフガス混合ライン48Bに配設したアノードオフガス加圧器55と、上記改質ガス供給ライン42において上記アノードオフガス混合ライン48Bが接続された位置よりも上記水素含有ガスGaの流れの上流側に配設した逆流防止弁551とを用いて構成した例である。
また、上記アノードオフガスライン45には、上記実施例1と同様に、アノードオフガス用三方調整弁51が配設されている。また、本例のアノードオフガス加圧器55は圧縮機55である。
そして、燃料電池システム1において、電解質体31の温度Tが上記許容作動温度範囲Tp内(300〜600℃の範囲内)を外れ、許容作動温度範囲Tpの上限値Tmax(本例では600℃)を超えたときには、制御装置は、燃料電池3が過度温度上昇時にあることを認知し、上記圧縮機55を作動させる。このとき、圧縮機55は、アノードオフガスライン45を流れるアノードオフガスOaの一部を、アノードオフガス混合ライン48Bを介して上記改質ガス供給ライン42に送る。そして、上記圧縮機55から送り出されたアノードオフガスOaは、上記逆流防止弁551によって上記改質器2に逆流してしまうことが防止された状態で、上記アノード流路32に再供給される。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
本例は、図8、図9に示すごとく、上記燃料電池システム1が上記燃料電池3を複数有していると共に、上記アノードガス調整器5を上記各燃料電池3毎にそれぞれ配設した例である。
また、上記温度検出部35は各燃料電池3毎に配設されており、本例の制御装置は、各燃料電池3の電解質体31の温度Tをそれぞれ認知することができるよう構成されている。また、本例の制御装置は、上記各燃料電池3毎にアノードガス調整器5を制御するよう構成されている。
なお、本例の燃料電池3の数は3つであり、制御装置は3つの燃料電池3の温度をそれぞれ制御することができる。
すなわち、図8に示すごとく、上記燃料電池システム1のバリエーションの1つとしては、各燃料電池3に対応した各アノードガス調整器5が、上記実施例1に示したように、それぞれ上記改質ガス用三方調整弁53と上記アノードオフガス用圧力調整弁52とを用いて構成されている場合である。そして、この場合には、上記改質ガス供給ライン42は、燃料電池3の数に合わせて複数の改質ガス分岐ライン421に分岐しており、この各改質ガス分岐ライン421には、各燃料電池3におけるアノード流路32に供給する水素含有ガスGaの流量をそれぞれ調整可能な改質ガス用三方調整弁53が配設されている。また、各アノードオフガス用圧力調整弁52は、各燃料電池3のアノードオフガスライン45にそれぞれ配設されている。
この場合においても、各燃料電池3に何らかの異変等がない定常状態においては、制御装置は、上記冷媒流量調整器7におけるポンプ70を制御すると共に、上記各冷媒ガス用流量調整弁76の開度を操作して、各燃料電池3の電解質体31の温度Tが上記許容作動温度範囲Tp内に維持されるように制御することができる。
また、この場合にも、制御装置は、残りの燃料電池3に対しては、冷媒流量調整器7のみを用いた温度の制御を継続することができ、緊急状態における燃料電池システム1全体の発電効率の低下を抑制することができる。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
本例は、図10に示すごとく、上記燃料電池システム1の緊急状態において、上記実施例1〜4に示したアノード流路32における圧力も変化させて燃料電池3の温度の制御を行うだけでなく、上記カソード流路33における圧力を変化させて燃料電池3の温度の制御を行う例を示す。
すなわち、本例の燃料電池システム1は、上記カソード流路33に供給する上記カソードガスGcの流量又は上記カソード流路33における圧力を調整するカソードガス調整器6を有しており、本例の制御装置は、このカソードガス調整器6を制御することもできるよう構成されている。
そして、上記燃料電池システム1の緊急状態における過度温度上昇時には、制御装置は、上記カソードガス調整器6におけるポンプ60の吐出圧力を増加させる。また、このとき、上記カソードオフガス用圧力調整弁62の開度を絞ることができる。これにより、制御装置は、上記カソード流路33における圧力を増加させることができ、燃料電池3の温度を低下させることができる。
本例の燃料電池システム1によれば、上記緊急状態において、一層迅速に燃料電池3の温度を制御することができる。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
2 改質器
21 改質反応流路
22 加熱流路
3 燃料電池
31 電解質体
311 水素分離金属層
312 プロトン伝導体層
32 アノード流路
321 アノード電極
33 カソード流路
331 カソード電極
34 冷媒流路
35 温度検出部
42 改質ガス供給ライン
45 アノードオフガスライン
46 カソードオフガスライン
47 冷媒オフガスライン
5 アノードガス調整器
51 アノードオフガス用三方調整弁
52 アノードオフガス用圧力調整弁
53 改質ガス用三方調整弁
54 改質ガス加圧器
541 バイパスライン
542 開閉弁
543 リリーフ弁
55 アノードオフガス加圧器
551 逆流防止弁
7 冷媒流量調整器
70 冷媒ガス加圧器
71 冷媒オフガス用三方調整弁
F 改質用燃料
Ga 水素含有ガス
Oa アノードオフガス
Gc カソードガス
Oc カソードオフガス
Gr 冷媒
Or 冷媒オフガス
T 電解質体の温度
Tp 許容作動温度範囲
Tmax 許容作動温度範囲の上限値
Tmin 許容作動温度範囲の下限値
Claims (16)
- 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有しており、
上記アノード流路には、該アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は当該アノード流路における圧力を調整するアノードガス調整器が接続されており、該アノードガス調整器は、制御装置により制御可能に構成されており、
上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記アノードガス調整器を操作して、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記アノードガス調整器を操作して、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒が供給される冷媒流路を有しており、
上記冷媒流路には、該冷媒流路を流れる上記冷媒の流量を調整する冷媒流量調整器が接続されており、該冷媒流量調整器は、上記制御装置により制御可能に構成されており、
上記制御装置は、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流量調整器を制御するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1又は2において、上記燃料電池は、上記電解質体の温度を検出する温度検出部を有していることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1又は2において、上記燃料電池システムは、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、又は上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項2において、上記燃料電池システムは、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの温度と上記アノード流路から排出されるアノードオフガスの温度との一対の温度、上記カソード流路に供給する上記カソードガスの温度と上記カソード流路から排出されるカソードオフガスの温度との一対の温度、又は上記冷媒流路に供給する上記冷媒の温度と上記冷媒流路から排出される上記冷媒オフガスの温度との一対の温度のうち、少なくともいずれかの一対の温度から上記電解質体の温度を推算するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1〜5のいずれか一項において、上記燃料電池システムは、上記燃料電池に供給するための上記水素含有ガスを、改質用燃料から生成する改質器を有していることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項6において、上記改質器は、上記改質用燃料から上記水素含有ガスを生成する改質反応流路と、該改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路とを有しており、
上記燃料電池システムは、上記改質反応流路から上記アノード流路に上記水素含有ガスを供給するための改質ガス供給ラインと、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインと、上記アノード流路から排出されるアノードオフガスを上記加熱流路に送るためのアノードオフガスラインと、上記冷媒流路から排出される上記冷媒オフガスを上記加熱流路に送るための冷媒オフガスラインとを有していることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7において、上記アノードガス調整器は、上記アノードオフガスラインに配設した圧力調整弁を有しており、
上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記圧力調整弁の開度を小さくして上記アノード流路における圧力を増加させ、一方、上記過度温度低下時には、上記圧力調整弁の開度を大きくして上記アノード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7又は8において、上記アノードガス調整器は、上記改質ガス供給ラインに配設した三方調整弁を有しており、
上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記三方調整弁を操作して、上記改質ガス供給ラインを流れる上記水素含有ガスの一部を上記改質器における上記改質反応流路に戻すことにより、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7において、上記アノードガス調整器は、上記改質ガス供給ラインに配設したガス加圧器と、上記改質ガス供給ラインに配設したリリーフ弁又は三方調整弁とを有しており、
上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記ガス加圧器における出口圧力を増加させて、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を増加させ、一方、上記過度温度低下時には、上記ガス加圧器における出口圧力を減少させる又は上記ガス加圧器を停止させると共に上記リリーフ弁又は三方調整弁を開いて、上記アノード流路内の上記水素含有ガスの一部を上記改質器における上記改質反応流路に戻すことにより、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7において、上記燃料電池システムは、上記アノード流路から排出される上記アノードオフガスの一部を上記改質ガス供給ラインに送るための再供給ラインを有しており、
上記アノードガス調整器は、上記再供給ラインに配設したガス加圧器と、上記改質ガス供給ラインにおいて上記再供給ラインが接続された位置よりも上記水素含有ガスの流れの上流側に配設した逆流防止弁とを有しており、
上記制御装置は、上記過度温度上昇時には、上記ガス加圧器を作動させて、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を増加させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7〜11のいずれか一項において、上記アノードガス調整器は、上記アノードオフガスラインに配設した三方調整弁を有しており、
上記制御装置は、上記過度温度低下時には、上記三方調整弁を操作して、上記アノードオフガスラインを流れる上記アノードオフガスの一部を排気することにより、上記アノード流路における圧力を減少させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1〜12のいずれか一項において、上記燃料電池システムは、上記燃料電池を複数有していると共に、上記アノードガス調整器は上記各燃料電池毎にそれぞれ配設されており、上記制御装置は、上記各燃料電池毎に上記アノードガス調整器を制御するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
- 水素を含有する水素含有ガスを利用して発電を行う燃料電池を備え、該燃料電池は、上記水素含有ガスが供給されるアノード流路と、カソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素をプロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのプロトン伝導体層とを積層してなり、かつ、上記電解質体は、上記プロトン伝導体層における上記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、上記プロトン伝導体層における上記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有してなる燃料電池システムの発電方法において、
上記水素含有ガスを上記アノード流路に供給し、上記水素含有ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記プロトン状態の水素と上記カソードガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
かつ、上記電解質体の温度が所定の上限値を超えたとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて上昇したときである過度温度上昇時には、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を増加させ、一方、上記電解質体の温度が所定の下限値未満になったとき又は上記電解質体の温度が所定の温度変化率を超えて低下したときである過度温度低下時には、上記アノード流路に供給する上記水素含有ガスの流量又は上記アノード流路における圧力を減少させることを特徴とする燃料電池システムの発電方法。 - 請求項14において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒が供給される冷媒流路を有しており、
上記発電を行う際には、上記電解質体の温度が所定の範囲内に維持されるように上記冷媒流路に供給する上記冷媒の流量を制御することを特徴とする燃料電池システムの発電方法。 - 請求項14又は15において、上記燃料電池システムは、上記燃料電池に供給するための上記水素含有ガスを、改質用燃料から生成する改質器を有していることを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
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