JP2006185750A - 燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムを運転する場合、前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の出力電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、前記第1の操作手順の直後に前記負荷に供給する電流を前記第1の操作手順前の負荷電流よりも低減させる第2の操作手順を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【選択図】 図4
Description
前記第1の操作手順の直後に前記燃料電池の出力電圧を通常発電時よりも上昇させる第2の操作手順とを含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法である。
(構成)
図1は本発明による燃料電池発電システムの第1の実施形態を示す燃料電池発電システムの構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。
このように構成された燃料電池発電システムにおける作用について、図2のフローチャート及び図3のタイムチャートを参照して説明する。このシステムにおける、燃料中の水素濃度は、例えばドライベースで78%、酸化剤極1bへ供給する空気中に含まれる不純物の平均濃度は硫黄酸化物が体積換算で例えば18ppb、窒素酸化物が例えば46ppbとなっている。
以上のような電圧回復操作が行われることで、燃料電池1の電圧低下速度を低減できるので、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制できる。この結果、長期に亘り燃料電池スタックの電圧回復効果を持続し、優れた電圧低下抑制効果を発揮する燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することができる。
(構成)
図4は本発明による燃料電池発電システムの第2の実施形態を示す燃料電池発電システムの構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。この実施形態は、図1に示す燃料電池(燃料電池スタック)1の出力電圧を検出する電圧検出手段例えば電圧検出器9を設け、この電圧検出器9の検出値を、図1のごとき例えばマイコンからなるシステム制御装置10aに入力させ、システム制御装置10a内で所定の演算処理を行い、その演算処理結果により、改質装置2、空気ブロワ5に対して指令を与えたり、電気制御装置3に指令を与えるように構成したものである。
システム制御装置10aは、燃料電池1の発電中に、酸化剤極1に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより、電圧検出器9で検出された燃料電池の出力電圧を0V近傍とし、この直後に酸化剤を復帰させると共に負荷7を遮断することにより、燃料電池1の出力電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段である。
このように構成された燃料電池発電システムにおける作用について、図5のフローチャート及び図6のタイムチャート並びに図7、図8の特性図を参照して説明する。ここで、燃料中の水素濃度はドライベースで78%、酸化剤極へ供給した空気中に含まれる不純物の平均濃度は硫黄酸化物が体積換算で18ppb、窒素酸化物が46ppbであった。
上記構成の燃料電池発電システムにおいて、通常発電時に負荷電流密度を0.2A/cm2一定となるように電気制御装置3で負荷7に供給する電力を制御して発電している際に、100時間経過毎に発電を中断して以下に示すような電圧回復操作を行うものである。まず、燃料電池1に燃料極に燃料(改質ガス)を供給した状態で、酸化剤極1bへの酸化剤供給停止し(S1)、負荷電流密度を0.2A/cm2一定の条件で発電を継続した。次に燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)以下になるかを、パソコンに有する演算回路が判断する(S7)。該条件を満足したと判断した場合には電気制御装置3に対して指令を与えて燃料電池1から負荷を遮断し(S3)、酸化剤の供給を再開する(S4)。その後、燃料電池1の平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.96V)以上となるかを判断する(S8)。該条件を満足したとき、発電を再開して、電気制御装置3に指令を与えて燃料電池1に負荷を接続し、電流密度を0.2A/cm2一定となるように制御する(S6)。
図8は、本実施形態の効果を示す図であり、燃料電池1の平均セル電圧の時間変化を示したものである。また、従来例として、燃料電池1の発電中に酸化剤を停止して電圧を0V近傍まで低下させた後、直ちに通常発電に移行した場合の平均セル電圧の時間変化も合わせて示した。従来例の場合、回復操作による電圧変化量は1セル当たり0.8V程度であった。図8から明らかなように、従来例(破線で示す)の電圧低下速度は1時間あたり17.0μVであるのに対し、本実施形態(実施例:実線で示す)の電圧低下速度は1時間あたり8.94μVとなり、従来例と比較して53%に低減させることができた。すなわち本実施形態により、燃料電池1の電圧低下速度を低減できるので、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制できる。
図9は、前述した第2の実施形態の変形例を説明するためのフローチャートであり、概略次の2つの操作手順を含む運転方法である。すなわち、燃料電池1の発電中に燃料電池1の出力電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、第1の操作手順の直後に負荷に供給する電流を第1の操作手順前の負荷電流よりも低減させる第2の操作手順を含む燃料電池発電システムの運転方法である。
(構成)
図10に示すように、第2の実施形態に固定抵抗11及びスイッチ12a、 12bを具備し、スイッチ12a、 12bの開閉をシステム制御装置10aにより、負荷7と固定抵抗11の切り替えを可能な構成にしたものである。
図11に示すように燃料電池1に燃料極1aに、燃料(改質ガス)、酸化剤極1aに酸化剤(空気)をそれぞれ供給した状態で、外部負荷7を遮断(S9)、固定抵抗8を接続する(S10)。次に酸化剤極1bへの酸化剤を停止し(S1)、その後燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)を以下になるかどうかを、システム制御装置10aが備えている演算回路が判断する(S7)。
以上のような電圧回復操作手順を実施すると、固定抵抗11に接続して酸化剤極1bの残留酸素を消費させる際に燃料電池1の起電力の低下に伴って負荷電流が自然に低減するので、負荷電流の制御が不要となり、電気制御装置3の制御の簡素化が可能となる。これ以外の作用効果は前述の第2の実施形態と同様である。
(構成)
本実施形態は、前述した第2の実施形態と類似しており、異なる点は図12に示す電気制御装置3aの構成であり、それ以外の点は第2の実施形態と同一である。電気制御装置3aは、燃料電池1の起電力が低い場合にも所定の電流を強制的に流す機能を備えた強制電流モード付き電気制御装置である。
図13はその作用を説明するための図である。図12に示すシステム制御装置10aにより、前述の実施形態と同様に電圧回復操作手順を実施すると、酸化剤極1bへの酸化剤停止後(S1)も燃料電池の起電力に関係なく一定負荷電流を流すことが可能となる。
従って、酸化剤極1bの残存酸素の消費速度が速まり、その結果操作に要する時間の短縮化が可能となる。
(構成)
図14は本発明による燃料電池発電システムの第5の実施形態を示す構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。前述の第2の実施形態の燃料電池発電システムにおいて、直流電圧発生装置13及びスイッチ14を具備し、
直流電圧発生装置13の負極13a及び正極13bを、燃料電池1の燃料極1a及び酸化剤極1bにそれぞれ接続可能な構成とし、スイッチ14をシステム制御装置10aにより
開閉を行うようにしたものである。
このように構成された第5の実施形態の作用について、図15のフローチャート、図16のタイムチャート、図17の特性図により説明する。図14に示す構成の燃料電池発電システムにおいて、通常発電時には負荷電流密度を0.2A/cm2一定となるように電気制御装置3で負荷7に供給する電力を制御し制御して発電している際に、100時間経過毎に通常発電を中断して以下に示すような電圧回復操作手順を実施した。まず、燃料電池1の燃料極1aに燃料を供給した状態で、酸化剤の供給を停止し(S1)、負荷電流密度を0.2A/cm2一定の条件で発電を継続する。次に燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)以下になるかどうかを前述した演算回路が判断する(S12)。平均セル電圧が最低電圧設定値VL以下となった判断した後に、負荷7を遮断し(S13)、その後予め最高電圧設定値VHより高い電圧に設定した単位セル枚数当たりの直流電源設定電圧VS(=0.97V)に印加した直流電源を接続する(S14)。その後、燃料電池1の平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.96V)を上回るかどうかを演算回路が判断する(S15)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ってから5秒経過するかどうかを判断し(S16)、この5秒経過後に直流電圧発生装置13を遮断すると共に、前述の実施形態と同様に酸化剤を供給し(S4)、負荷(定格負荷)7接続する(S6)。このように燃料電池1を再開して、電気制御装置3にて電流密度を0.2A/cm2一定となるように制御する。
本実施形態によれば、第2の実施形態と同様に、燃料電池スタックの電圧低下速度を低減できるので、燃料電池発電システムのシステム効率の低下を抑制できる。
(構成)
本実施形態は、図18に示すように構成され、前述の第2の実施形態と異なる点は、システム制御装置10bである。具体的には、システム制御装置10bは、燃料電池1の発電開始時(起動時)に、燃料極1aに燃料を供給すると共に燃料電池1に負荷7を接続することにより燃料電池1の電圧を0V近傍とし、この直後に酸化剤極1bに酸化剤を供給すると共に負荷7を遮断することにより燃料電池1の電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段である。以上述べた点以外は、前述した第2の実施形態と同一である。
以下、システム起動時の操作手順について、図19を参照して説明する。前述したシステム制御装置10b内に有する演算回路が、酸化剤の供給停止確認を行う(S18)。酸化剤の供給停止確認が行われた場合には、燃料である改質ガスの供給指令を与え(S19)、負荷接続を行う(S21)。S18において、酸化剤の供給停止確認がされない場合には、酸化剤の供給停止を行う(S20)。
このように、システム起動時に本操作を実施した場合も、第2の実施の形態と同様の効果が得られる。
本実施形態は、図21のフローチャートに示すように、システム起動時に操作手順を実施した場合の例であり、図19と異なる点は、図19の負荷遮断を行った(S23)の後に、以下の操作手順S27からS31を行う。すなわち、S23の後に、前述した図14の実施形態と同様に、燃料電池1に直流電圧発生装置を接続し(S27)、平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.95V)を上回るかどうかを判断する(S28)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったと判断すると、直流電圧発生装置遮断し(S29)、酸化剤供給を行い(S30)、定格負荷を接続する(S31)。
本実施形態は、図22のフローチャートに示すように、システム停止操作開始時に操作手順を実施した場合の例である。始めに、演算回路が燃料供給(改質ガス供給)又は負荷接続の確認を行い(S32)、これが確認されると、酸化剤停止を行い(S33)、その後平均セル電圧が最低電圧設定値VLである0V以下になるかを判断する(S35)。ここで、この条件が満足していると判断すると、負荷遮断を行い(S36)、酸化剤の供給を行い(S37)、その後平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.95V)を上回るかどうかを判断する(S38)。 平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったと判断すると、酸化剤の供給停止を行い(S39)、燃料供給(改質ガス供給)停止を行う(S40)。なお、S32において、燃料供給又は負荷接続の確認が行われないときは、停止操作を終了する(S34)。
本実施形態は、前述した第2の実施形態の燃料電池発電システムにおいて、図23に示した操作手順を実施すると、図24に示すように、停止操作完了時に酸化剤極の酸素分圧の低減により酸化剤極電位が低下するので、停止保管時の触媒のシンタリングが抑制されるのでより好ましい。
本実施形態は、前述した第2の燃料電池発電システムにおいて、図25に示すフローチャートのように、システム停止時に操作手順を実施した。図25において、図22と異なる点は、S36の後に、燃料電池1に直流電圧発生装置を接続し(S47)、平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.95V)を上回るかどうかを判断する(S48)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったと判断すると、直流電圧発生装置遮断し(S49)、燃料供給(改質ガス供給)停止を行う(S50)。このようにシステム停止時に本操作を実施した場合も、前述の第2の実施形態と同等な作用効果が得られる。
Claims (20)
- 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化剤極の電位を、前記燃料極の標準電位近傍まで低下させた直後に、前記酸化剤極の電位を通常発電時の電位よりも高い電位まで上昇させる操作手順を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムをおいて、
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の出力電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、前記第1の操作手順の直後に前記負荷に供給する電流を前記第1の操作手順前の負荷電流よりも低減させる第2の操作手順を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電中に、前記酸化剤極に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより、前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
前記第1の操作手順の直後に前記酸化剤を復帰させると共に前記負荷を遮断することにより、前記燃料電池の電圧を所定電圧以上とする第2の操作手順と、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の発電中に、前記酸化剤極に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより、前記電圧検出手段で検出された燃料電池の出力電圧を0V近傍とし、この直後に前記酸化剤を復帰させると共に前記負荷を遮断することにより、前記燃料電池の出力電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電中に、前記酸化剤極に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより、前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
前記第1の操作手順の直後に前記負荷を遮断すると共に、前記燃料電池に直流電圧発生装置に接続することにより前記燃料電池の電圧を所定電圧以上とする第2の操作手順と、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の発電中に、前記酸化剤極に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより、前記電圧検出手段で検出された燃料電池の出力電圧を0V近傍とし、この直後に前記負荷を遮断すると共に、前記燃料電池に直流電圧発生装置に接続することにより前記燃料電池の出力電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電開始時に前記燃料極に燃料を供給すると共に前記燃料電池の出力電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
前記第1の操作手順の直後に前記燃料電池の出力電圧を通常発電時よりも上昇させる第2の操作手順と、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電開始時に前記燃料極に燃料を供給すると共に前記燃料電池に前記負荷を接続することにより燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
前記第1の操作手順の直後に前記酸化剤極に前記酸化剤を供給すると共に前記負荷を遮断することにより前記燃料電池の電圧を所定電圧以上とする第2の操作手順と、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の発電開始時に、前記燃料極に燃料を供給すると共に前記燃料電池に前記負荷を接続することにより前記燃料電池の電圧を0V近傍とし、この直後に前記酸化剤極に前記酸化剤を供給すると共に前記負荷を遮断することにより前記燃料電池の電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電開始時に前記燃料極に燃料を供給すると共に前記燃料電池に前記負荷を接続することにより前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
第1の操作手順の直後に前記負荷を遮断すると共に直流電圧発生装置に接続することにより前記燃料電池の電圧を所定電圧以上とする第2の操作手順と、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の発電開始時に、前記燃料極に燃料を供給すると共に前記燃料電池に前記負荷を接続することにより前記燃料電池の電圧を0V近傍とし、この直後に前記負荷を遮断すると共に直流電圧発生装置に接続することにより前記燃料電池の電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。
- 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電停止移行時に前記燃料極に前記燃料を供給した状態で前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
前記第1の操作手順の直後に前記燃料電池の電圧を通常発電時よりも上昇させる第2の操作手順を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電停止移行時に前記燃料極に燃料を供給した状態で前記酸化剤極に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
前記第1の操作の直後に前記酸化剤を復帰させると共に前記負荷を遮断する第2の操作手順と、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の発電停止移行時に、前記燃料極に燃料を供給した状態で前記酸化剤極に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより前記燃料電池の電圧を0V近傍とし、この直後に前記酸化剤を復帰させると共に前記負荷を遮断する燃料電池電圧可変手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の発電停止移行時に前記燃料極に燃料を供給した状態で前記酸化剤極に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、
前記第1の操作の直後に前記負荷を遮断すると共に直流電圧発生装置に接続することにより前記燃料電池の電圧を所定電圧とする第2の操作手順と、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の発電停止移行時に前記燃料極に燃料を供給した状態で前記酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量を低減または停止することにより燃料電池の電圧を0V近傍とし、この直後に前記負荷を遮断すると共に直流電圧発生装置に接続することにより前記燃料電池の電圧を所定電圧とする燃料電池電圧可変手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順は、前記燃料電池に固定抵抗を接続する操作手順を含むことを特徴とする請求項3、5、7、8、10、12、13、15のいずれか一つに記載の燃料電池発電システムの運転方法。
- 前記燃料電池の電圧を0V近傍とする第1の操作手順は、前記燃料電池に直流電源を接続して酸化剤極から負荷を介して燃料極の向きに強制的に直流電流を流すことを特徴とする請求項3、5、7、8、10、12、13、15のいずれか一つに記載の燃料電池発電システムの運転方法。
- 前記直流電圧発生装置の設定手順は、0.9V以上1.6V以下であることを特徴とする請求項5、10、15のいずれか一つに記載の燃料電池発電システムの運転方法。
- 前記操作手順を室温または発電中の温度よりも低い温度において実施することを特徴とする請求項7又は8記載の燃料電池発電システムの運転方法。
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