JP2007042436A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムとその運転方法に関し、特に、燃料電池の耐久性を向上するための技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a method for operating the same, and more particularly to a technique for improving the durability of a fuel cell.
燃料電池において、出力電圧の変動、例えば定格出力と1/2〜1/4定格出力との切り替え(出力変動)を頻繁に行うと、燃料電池の耐久寿命が低下する。この耐久寿命の低下は、燃料電池が備える膜‐電極アッセンブリ(以下MEA;Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ。)における電解質膜の含水量が変化し、電解質膜が膨張と収縮を繰返すことにより化学的に劣化するために生ずる。また、触媒の活性低下(溶出、凝集)が生じ、これによっても耐久性が低下する。
本発明の発明者らによる研究の結果、燃料電池の上記耐久寿命の低下は、累積運転時間と出力変動の回数とに依存することが分かっている。これは、一定出力による定常運転での累積運転時間の増加に伴う性能低下に、出力変動による性能低下が上乗せされるからである。特許文献1には、燃料電池の出力に固定的な上限値を設ける技術が記載されているが、当該技術においては上限値が固定であるため、劣化が進んだ場合でも、そのままのスピードで劣化が進むおそれがある。 As a result of studies by the inventors of the present invention, it has been found that the decrease in the durable life of the fuel cell depends on the cumulative operation time and the number of output fluctuations. This is because the performance degradation due to the output fluctuation is added to the performance degradation accompanying the increase in the cumulative operation time in the steady operation with the constant output. Patent Document 1 describes a technique for providing a fixed upper limit value for the output of a fuel cell. However, since the upper limit value is fixed in this technique, even when the deterioration has progressed, it deteriorates at the same speed. May go on.
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、出力変動による燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上することができる燃料電池システムとその運転方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a fuel cell system capable of suppressing deterioration of the fuel cell due to output fluctuation and improving the durability of the fuel cell, and an operating method thereof. The purpose is to do.
本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、燃料供給と酸化剤供給とを受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の出力を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の運転履歴に基づいて、前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする。 In the present invention, the following means are employed in order to solve the above problems. That is, in a fuel cell system including a fuel cell that generates power upon receipt of a fuel supply and an oxidant supply, and a control device that controls the output of the fuel cell, the control device includes an operation history of the fuel cell. Based on this, the number of fluctuations per unit time of the output is limited.
このような構成によれば、燃料電池の出力に固定的な上限値が設けられるのではなく、出力変動を許可される回数に制限が設けられる。よって、出力変動による燃料電池の劣化を抑制することができる。「単位時間あたり」とは、例えば1日あたり、所定時間あたり等、適宜の時間間隔に設定することが可能である。 According to such a configuration, a fixed upper limit value is not provided for the output of the fuel cell, but a limit is imposed on the number of times that output fluctuation is permitted. Therefore, deterioration of the fuel cell due to output fluctuation can be suppressed. “Per unit time” can be set to an appropriate time interval such as per day or per predetermined time.
前記制御装置は、出力電圧の変動回数を制限するようにしてもよい。 The control device may limit the number of output voltage fluctuations.
前記制御装置は、前記燃料電池の運転履歴が記憶される運転履歴記憶手段と、該運転履歴記憶手段に記憶された運転履歴に応じて前記出力の変動回数を制限する変動回数制限手段と、該変動回数制限手段により制限される前記変動回数と外部からの要求出力とに基づいて前記燃料電池の出力目標値を設定する出力設定部と、を備えた構成としてもよい。 The control device includes an operation history storage unit that stores an operation history of the fuel cell, a fluctuation number limiting unit that limits the number of fluctuations of the output according to the operation history stored in the operation history storage unit, It is good also as a structure provided with the output setting part which sets the output target value of the said fuel cell based on the said frequency | count of fluctuation | variation restrict | limited by the fluctuation | variation frequency limiting means and the request | requirement from the outside.
このような構成によれば、燃料電池の運転履歴、例えば出力の累積変動回数に基づいて、耐久寿命を判定する。耐久寿命が基準よりも短い場合に、変動回数制限手段により燃料電池の変動回数を制限し、これにより耐久寿命を確保する。 According to such a configuration, the durable life is determined based on the operation history of the fuel cell, for example, the cumulative number of output fluctuations. When the durable life is shorter than the standard, the number of fluctuations of the fuel cell is restricted by the fluctuation number limiting means, thereby ensuring the durable life.
前記運転履歴記憶手段に記憶される運転履歴は、少なくとも前記出力の累積変動回数を含むものであり、前記変動回数制限手段は、前記累積変動回数が大きくなるほど、前記変動回数の制限値(言い換えれば、上限値)を小さくする構成としてもよい。 The operation history stored in the operation history storage means includes at least the cumulative fluctuation count of the output, and the fluctuation count limit means increases the cumulative fluctuation count, so that the fluctuation count limit value (in other words, The upper limit value) may be reduced.
燃料電池の運転を続けるにしたがって、出力の累積変動回数は増加し、これによって燃料電池の劣化が進んで寿命が低下するところ、上記構成によれば、累積変動回数が増加するに従い、単位時間あたりに許容される出力の変動回数が減る。例えば、出力の変動回数を一日あたり2回から1回に減らす。 As the fuel cell continues to operate, the number of cumulative fluctuations in output increases, and as a result, the deterioration of the fuel cell progresses and the service life decreases. According to the above configuration, as the number of cumulative fluctuations increases, per unit time The number of output fluctuations allowed is reduced. For example, the number of output fluctuations is reduced from 2 to 1 per day.
なお、燃料電池の運転条件にもよるが、累積変動回数と累積運転時間との間に所定の相関(複合的な関係)を有する場合があるので、累積変動回数に応じて小さくした制限値を累積運転時間に応じて補正してもよい。 Depending on the operating conditions of the fuel cell, there may be a predetermined correlation (composite relationship) between the cumulative number of fluctuations and the cumulative operating time. You may correct | amend according to accumulated operation time.
所定の場合に、前記累積変動回数を所定の値に変更する変動回数変更手段を備えてもよい。 In a predetermined case, a fluctuation number changing means for changing the cumulative fluctuation number to a predetermined value may be provided.
例えば燃料電池のメンテナンスを行った場合(所定の場合)は耐久寿命が延びるため、上記構成によれば、運転履歴記憶手段に記憶された出力の累積変動回数を初期化する(所定の値に戻す)ことにより、不要な出力制限が回避される。また、累積変動回数を初期化するだけでなく、累積変動回数に応じて所定の値に戻してもよい。 For example, when the maintenance of the fuel cell is performed (predetermined case), the durability life is extended. Therefore, according to the above configuration, the accumulated fluctuation number of the output stored in the operation history storage unit is initialized (returned to a predetermined value). This avoids unnecessary output restrictions. In addition to initializing the cumulative fluctuation count, the cumulative fluctuation count may be returned to a predetermined value according to the cumulative fluctuation count.
なお、運転履歴記憶手段が累積変動回数だけでなく累積運転時間をも記憶可能に構成されている場合には、累積変動回数を累積変動回数又は/及び累積運転時間に応じて所定の値に戻すようにしてもよい。 When the operation history storage means is configured to be able to store not only the cumulative fluctuation count but also the cumulative operation time, the cumulative fluctuation count is returned to a predetermined value according to the cumulative fluctuation count and / or the cumulative operation time. You may do it.
前記変動回数制限手段は、外部からの要求出力が所定値よりも高くなる時間帯にのみ前記出力の上昇変動を許可し、他の時間帯では前記出力の変動を制限する構成としてもよい。 The fluctuation number limiting means may be configured to permit the increase in the output only during a time zone in which the externally requested output is higher than a predetermined value and to limit the output fluctuation in other time zones.
このような構成によれば、例えば計時手段を設け、例えば朝夕などのように消費電力が大きくなるために、定格発電が必要な時間帯を過去の運転履歴に基づいて判定する。これにより、燃料電池システムの使用環境に応じて最適な制限パターンを得ることができる。 According to such a configuration, for example, a time measuring unit is provided, and power consumption is increased, for example, in the morning and evening, so that a time zone in which rated power generation is necessary is determined based on the past operation history. Thereby, an optimal restriction pattern can be obtained according to the use environment of the fuel cell system.
この場合、出力要求が高い時間帯に優先順位を高く設定し、出力の累積変動回数が大きくなるほど、前記優先順位に従って変動回数の制限を厳しくしてもよい。すなわち、寿命が低下した場合は、優先順位が低い時間帯においても出力の上昇変動を制限するようにしてもよい。 In this case, the priority order may be set higher in a time zone in which the output request is high, and the limit on the number of fluctuations may be tightened according to the priority order as the cumulative number of output fluctuations increases. That is, when the service life is reduced, the increase in output may be limited even in a time zone with a low priority.
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料供給と酸化剤供給とを受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の出力を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池の運転履歴に基づいて前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする。 An operation method of a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system operation method comprising: a fuel cell that generates power by receiving fuel supply and oxidant supply; and a control device that controls the output of the fuel cell. The number of fluctuations per unit time of the output is limited based on the operation history of the fuel cell.
このような構成によれば、燃料電池の耐久寿命が短くなる可能性がある場合や劣化が進んだ場合に、単位時間あたりの出力変動を所定回数までに制限することが可能となる。「単位時間あたり」とは、例えば1日あたり、所定時間あたり等、適宜の時間間隔に設定することが可能である。 According to such a configuration, it is possible to limit the output fluctuation per unit time to a predetermined number of times when there is a possibility that the durable life of the fuel cell is shortened or when the deterioration is advanced. “Per unit time” can be set to an appropriate time interval such as per day or per predetermined time.
本発明によれば、出力変動による燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上することができる。また、燃料電池の劣化が進んだ場合には、出力変動の制限を厳しくすることにより、より一層効果的に耐久性を向上させることができる。 According to the present invention, deterioration of the fuel cell due to output fluctuation can be suppressed, and the durability of the fuel cell can be improved. Further, when the deterioration of the fuel cell is advanced, the durability can be further effectively improved by tightening the restriction on the output fluctuation.
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。本実施形態における燃料電池システムは、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムとして適用された例である。ただし、本発明の燃料電池システムは、このような適用例に限らず、車両、船舶,航空機,電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用が可能である。
また、本実施形態では、酸化剤、燃料として、それぞれガス状態の酸化ガス、燃料ガスを使用しているが、これに限定されない。例えば、燃料としてメタノール等の液体状態のものも使用できる。さらにまた、本実施形態では、酸化ガスとして空気を使用しており、燃料ガスとして改質ガスを使用しているが、これに限定されない。例えば、燃料ガスとして水素ガス、水素含有ガス等を使用してもよい。
Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. The fuel cell system in the present embodiment is an example in which the fuel cell is applied as a stationary power generation system that is used as a power generation facility for buildings (housing, buildings, etc.). However, the fuel cell system of the present invention is not limited to such an application example, but can be applied to any moving body such as a vehicle, a ship, an aircraft, a train, and a walking robot.
In the present embodiment, the oxidizing gas and the fuel gas are used as the oxidant and the fuel, respectively, but the present invention is not limited to this. For example, liquid fuel such as methanol can be used as the fuel. Furthermore, in the present embodiment, air is used as the oxidizing gas and the reformed gas is used as the fuel gas, but the present invention is not limited to this. For example, hydrogen gas or hydrogen-containing gas may be used as the fuel gas.
図1に示すように、酸化ガスとしての空気(外気)は、エアポンプ,エアフィルタ等からなるスタックエアー供給系1から加湿器2により加湿された後、燃料電池(FCスタック)20に供給される。燃料電池20から排出される空気オフガス(残エアー)は、第1凝縮器11により水回収された後、排気される。
As shown in FIG. 1, air (outside air) as an oxidizing gas is humidified by a
他方、燃料電池20に供給される燃料ガスとしての改質ガス(水素含有ガス)は、改質器30の改質部32に原燃料ガスとして供給される都市ガス(13A等)が該改質部32にて水素を含むガスに変換された後、同改質器30のシフト部33とCO浄化部34を経て生成される。燃料電池20からの改質ガスオフガス(残ガス)は、第2凝縮器12で水回収された後、改質器30の燃焼部31に導入されて燃焼し、改質反応の熱源として利用される。この燃焼排ガスは、第3凝縮器13で水回収された後、排気される。
On the other hand, the reformed gas (hydrogen-containing gas) as the fuel gas supplied to the
また燃料電池20には、スタック冷却水が循環され、このスタック冷却水が発電に伴う熱を吸収し、吸収された熱が熱交換器40に伝えられる。
In addition, the stack cooling water is circulated in the
第1凝縮器11〜第3凝縮器13および熱交換器40には、貯湯タンク15からの貯湯水が循環され、それぞれからの熱量を吸収し、貯湯タンク15内に貯湯水が貯められる。この貯湯水は、給湯に利用される。第1凝縮器11〜第3凝縮器13で得られる回収水は、図1中の破線で示すように、改質水供給系36に戻されて改質器30での改質反応に利用される。
Hot water from the hot
燃料電池20で発電された電気出力は直流である為、インバータ21で交流に変換されて出力される。燃料電池20は、単セルを所要数積層した燃料電池スタック(FCスタック)として構成されている。単セルは、MEAと、MEAを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態を有している。セパレータは、ガス不透過の導電性材料よりなり、MEA側に対向する面には、酸化ガスまたは燃料ガスのガス流路が形成されている。
Since the electric output generated by the
MEAは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極とで構成されている。電極は、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。一方の電極には、空気などの酸化ガスが供給され、他方の電極には、改質ガスなどの燃料ガスが供給される。 The MEA includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane made of a polymer material and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane from both sides. The electrode is made of, for example, a porous carbon material bound with a catalyst such as platinum. One electrode is supplied with an oxidizing gas such as air, and the other electrode is supplied with a fuel gas such as a reformed gas.
この二つのガスによってMEA11内で電気化学反応が生じ、燃料電池20が発生した電力は、建物(住宅、ビル等)に対して給電される。
The two gases cause an electrochemical reaction in the
制御ユニット50は、図示しない外部からの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ(図示略)から制御情報を受け取り、システム各部の運転を制御する。なお、制御ユニット50は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
The
図2に制御ユニット50のブロック図を示した。制御ユニット50は、燃料電池20に対する出力目標値を設定する出力設定部51と、燃料電池20の運転履歴が記憶される運転履歴記憶手段52と、運転履歴記憶手段52に記憶された燃料電池20の運転履歴に応じて、出力電圧の変動回数を制限する変動回数制限手段53と、出力電圧の累積変動回数を所定の値に変更する変動回数変更手段54と、外部からの要求出力が高くなる時間帯を推定する高負荷時間帯推定手段55と、を備える。
A block diagram of the
出力設定部51は、変動回数制限手段53により制限される変動回数と、外部からの要求出力とに基づいて、燃料電池20の出力目標値を設定する。具体的には、燃料電池20の発電量を第1所定出力と、これより低い第2所定出力のいずれかに切り替える。この切り替えを出力変動と呼ぶ。例えば、第1所定出力を1kWの定格出力とし、第2所定出力を1/2〜1/4定格出力とすることができる。
The
運転履歴記憶手段52は、燃料電池20の出力電圧の累積変動回数、すなわち第2所定出力から第1所定出力への切り替え、あるいはその逆の切り替え回数の累計、及び累積運転時間が記憶される。
The operation history storage means 52 stores the cumulative fluctuation number of the output voltage of the
変動回数制限手段53は、運転履歴記憶手段52によって記憶された累積変動回数に基づいて、一日あたりに許容する出力電圧の変動回数を求める。図3に示した一日あたりの変動回数と耐久寿命との相関関係に基づいて、耐久寿命を算出する。なお、図3に示した相関は、予め変動回数制限手段53に与えられている。
The fluctuation
耐久寿命が基準よりも短い(例えば10,000時間以下)と判定された場合、1日あたりの変動回数を抑えた制御(制限モード)に切り替え、最終的な寿命が長くなるようにする。例えば、25,000時間程度の寿命となるようにする。詳細には、変動回数制限手段53が出力設定部51による燃料電池20の発電を以下のような制限モードに切り替える。
When it is determined that the durable life is shorter than the standard (for example, 10,000 hours or less), the control is switched to the control (restriction mode) in which the number of fluctuations per day is suppressed, so that the final life is lengthened. For example, the lifetime is set to about 25,000 hours. Specifically, the fluctuation number limiting means 53 switches the power generation of the
制限モード時には、例えば1kw定格出力(第1所定出力)への出力変動を、朝に一回、夜に一回に制限した制限パターンで出力電圧が制御される。これを図4に示した。図の例では、符号Aで示したものが燃料電池を設置された住宅における消費電力の一例、符号Bが制限パターンである。 In the limit mode, for example, the output voltage is controlled with a limit pattern in which output fluctuation to a 1 kW rated output (first predetermined output) is limited to once in the morning and once in the night. This is shown in FIG. In the example of the figure, what is indicated by a symbol A is an example of power consumption in a house where a fuel cell is installed, and a symbol B is a restriction pattern.
制限パターンでは、消費電力が大きくなる時間帯である朝と夜に、それぞれ一度だけ1kW(第1所定出力)の定格発電を行い、それ以外の時間では第2所定出力である1/2〜1/4定格出力(250〜500W)で発電を行う。なお、夜間は停止状態とする。この制限パターンは、予め設定されたパターンでもよいが、以下のように、運転パターンの履歴に基づいて自動的に設定することができる。 In the limit pattern, the rated power generation of 1 kW (first predetermined output) is performed only once each morning and night, which is a time zone in which power consumption increases, and the second predetermined output is 1/2 to 1 at other times. Electric power is generated at / 4 rated output (250 to 500 W). In addition, it will be in a stop state at night. The restriction pattern may be a preset pattern, but can be automatically set based on the driving pattern history as follows.
計時手段を備える高負荷時間帯推定手段55が、消費電力が大きくなり、定格発電が必要な時間帯(高出力要求時間帯)を過去の発電履歴または消費電力に基づいて判定する。図4の例では朝と夜に消費電力が増加しているが、設置環境によっては図4の消費電力パターンと異なる場合がある。本例のように高負荷時間帯推定手段55が高出力要求時間帯を推定することにより、燃料電池システムの使用環境に応じて最適な制御パターンを得ることができる。 The high load time zone estimation means 55 provided with a time measuring means determines a time zone (high output request time zone) in which the power consumption increases and the rated power generation is necessary based on the past power generation history or power consumption. In the example of FIG. 4, power consumption increases in the morning and at night, but may differ from the power consumption pattern of FIG. 4 depending on the installation environment. As in this example, the high load time zone estimation means 55 estimates the high output request time zone, so that an optimal control pattern can be obtained according to the use environment of the fuel cell system.
運転を続けるにしたがって出力電圧の累積変動回数または燃料電池20の累積運転時間は増加し、これによって燃料電池20の劣化が進み、寿命が低下する。このため、変動回数制限手段53は、寿命が低下した場合に更に変動回数の制限を厳しくする。例えば図4の制限パターンでは、定格出力は一日あたり2回許可されるが、これを1回に減らす。
As the operation is continued, the cumulative number of fluctuations of the output voltage or the cumulative operation time of the
これを実現するために、上記高負荷時間帯推定手段55は、高出力が要求される高出力要求時間帯に優先順位を高く設定し、寿命が低下した場合は、定格出力の優先順位が低い高出力要求時間帯についても定格出力を制限する。なお、制限パターンを超える電力(制限パターンの斜線部を超える消費電力部分)は、別途給電される商用電力により賄われる。 In order to realize this, the high load time zone estimation means 55 sets a high priority in the high output request time zone in which a high output is required, and the rated output priority is low when the life is reduced. The rated output is limited even during the high output demand period. Note that the power exceeding the limit pattern (power consumption exceeding the shaded portion of the limit pattern) is covered by separately supplied commercial power.
燃料電池20のメンテナンスを行った場合は、燃料電池20の耐久寿命が延びるため、運転履歴記憶手段52に記憶された出力電圧の累積変動回数および累積運転時間を変動回数変更手段54によって初期化する、または所定の値に戻す。かかる初期化を実施する、または所定値に戻すことにより、不要な出力電圧の制限は回避される。なお、累積変動回数は、累積変動回数又は/及び累積運転時間に応じて所定の値に戻すようにしてもよい。
When the maintenance of the
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、出力変動による燃料電池20の劣化を抑制することができ、燃料電池20の耐久性を向上することができる。特に、燃料電池20の劣化が進んだ場合には、変動回数の制限を厳しくすることにより、より一層効果的に耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, deterioration of the
20…燃料電池、50…制御ユニット、51…出力設定部、52…運転履歴記憶手段、53…変動回数制限手段、54…変動回数変更手段、55…高負荷時間帯推定手段、
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記制御装置は、前記燃料電池の運転履歴に基づいて、前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising: a fuel cell that generates power by receiving fuel supply and oxidant supply; and a control device that controls the output of the fuel cell.
The control device limits the number of fluctuations per unit time of the output based on an operation history of the fuel cell.
前記変動回数制限手段は、前記累積変動回数が大きくなるほど、前記変動回数の制限値を小さくすることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 The driving history stored in the driving history storage means includes at least the cumulative number of fluctuations of the output,
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the fluctuation number limiting means decreases the limit value of the fluctuation number as the cumulative fluctuation number increases.
前記燃料電池の運転履歴に基づいて、前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
In a method of operating a fuel cell system comprising: a fuel cell that generates power upon receipt of a fuel supply and an oxidant supply; and a control device that controls the output of the fuel cell.
An operation method of a fuel cell system, wherein the number of fluctuations per unit time of the output is limited based on an operation history of the fuel cell.
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