JP2009252544A - 燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体。 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けたものであり、炭化水素ガスの送給のみを停止する第一の送給停止手段50Aと、ガス濃度検出部10によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定するガス濃度判定手段50Bと、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、空気の送給を停止する第二の送給停止手段50Cとを有している。
【選択図】図2
Description
特許文献1に開示されている燃料電池システムは、第1固体酸化物形電解質と、該第1固体酸化物形電解質の一方側に設けられた第1電極と、該第1電極に燃料を供給する第1燃料流路と、前記第1固体酸化物形電解質の他方側に設けられた第2電極と、該第2電極に酸化剤を供給する第1酸化剤流路と、前記第1電極と前記第2電極の間に前記第1電極を正極とする電位を印加可能な電源部とが備えられた電気化学的処理部と、第2固体酸化物形電解質と、該第2固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、該アノードに燃料を供給する第2燃料流路と、前記第2固体酸化物形電解質の他方面に設けられたカソードと、該カソードに酸化剤を供給する第2酸化剤流路とが備えられた発電部を有する固体酸化物形燃料電池が設けられ、前記第1燃料流路から排出された燃料が前記第2燃料流路に供給されることを内容としたものである。
換言すると、停止時に不活性ガスに還元性ガスを添加したガスによりパージすることにより、残留ガスによる電極へのダメージを防止しようとしたものである。
すなわち、空気の分離装置によって生成したN2を利用し、停止時に燃料極に供給するようにしたものである。
上記燃料極41には一方のガスを、また、空気極42には、空気をそれぞれ流接させることによる発電を行うようにしたものである。なお、本実施形態における一方のガスは炭化水素ガス、他方のガスは空気である。
本実施形態においては、流量調整部30Iと流量調整部30Oとが、炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部、流量調整部31Iと流量調整部31Oとが、空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部である。
なお、第一の流量調整部として、流量調整部30Iか流量調整部30Oのいずれかのみであってもよく、同様に、第二の流量調整部として、流量調整部31I又は流量調整部31Oのいずれかのみであってもよい。
本実施形態においては、コントローラユニットCが、本燃料電池システムA1を統制するコンピュータである。
炭化水素ガスの送給のみを停止するタイミングは、燃料電池Bの運転を停止することが決定されたときである。具体的には、例えば外部から運転停止信号がコントローラユニットCに送信されたときである。
燃料電池Bの運転を停止するか否かを判定する機能を、運転停止判定手段という。
すなわち、残留している燃料ガスの濃度が減少すると電流値も比例して下がるため、本実施形態においては、その電流値が所定の値以下になったとき、換言すると、炭化水素ガスが無くなったときに相当する電流値以下になったか否かを判定しているのである。
「炭化水素ガスの送給を停止した後」は、上記第二の流量調整部31Iを介し、空気の送給を停止した後のことである。また、ガス濃度判定手段50Bにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、第二の流量調整部31Iを介して空気の送給を停止するのと同時であってもよい。
この給電の際の電源として給電部20を活用している。
なお、ガス濃度判定手段50Bにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、電力の供給を開始するようにしてもよい。
「所定値」は、電気分解の終了に相当する圧力である。
燃料極の主成分であるNiは、酸素によって酸化されて活性が低下したり、又は体積膨張により電極の発電特性、耐久性が低下する。また、酸化される酸素分圧の限界は、作動温度によって異なるが、例えば800度では10〜14atmである。
従って、作動温度がわかれば、予め決めておいた許容酸素分圧範囲が決まってくる。その以内であれば電気分解を行なう必要がなく、超えた場合に電気分解反応を開始するのである。
燃料電池Bの運転停止により、ステップS1に進む。
ステップS2:出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップS3に進む。このとき、燃料電池B内に残留している炭化水素ガスにより発電した電力は蓄電部20に蓄電される。
ステップS4:出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップS5に進み、そうでなければステップS2に戻る。
ステップS6:発電時とは電流方向を逆転した逆極性の電力を供給して電気分解を行い、ステップS7に進む。
すなわち、炭化水素ガス中に含まれるH2O(水分)を電気分解することにより、燃料極(Ni)のH2Oによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
H2Oの理論分解電圧は1.23Vのため、それ以上の電圧を印加をすれば、電気分解反応が生じる。今回のような還元雰囲気調整のための電気分解は、ほんのわずかのH2量(約1%)があれば、酸素分圧が十分下がる。
電圧計60は、ガス濃度を出力電圧として計測するものである。すなわち、定電流運転モードによって燃料電池Bを発電していると、ガス濃度の低下と出力電圧の低下とが比例する。そこで、出力電圧を計測することによりガス濃度を検知しようとしたものである。
そして、上記の記憶部51に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、上述した第一の送給停止手段50A、ガス濃度判定手段50B、第二の送給停止手段50C、酸素分圧判定手段50E、給電開始手段50F、給電停止手段G、給電停止手段50Gの他、以下に説明する定電流運転手段50Hの各機能を発揮する。
「炭化水素ガスを停止した後」は、上記流量調整部31Iを介し、空気の送給を停止した後のことである。また、ガス濃度判定手段50Bにより、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、第二の流量調整部31Iを介して空気の送給を停止するのと同時であってもよいことは上記と同様である。
ステップS1(図中、単に「S1」と略記する。以下、同様。):第一の流量調整部30lを介して、炭化水素ガスの流量のみを停止して、ステップS2に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップS2:出力電流を一定にした定電流運転モードにより発電を継続して、ステップS3に進む。このとき、発電した電力は蓄電部20に蓄電される。
ステップS4:出力電圧が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電圧が所定値よりも低下したならステップS5に進み、そうでなければステップS2に戻る。
ステップS6:電流方向を逆転して電気分解を行い、ステップS7に進む。炭化水素ガス中に含まれるH2Oを電気分解することにより、燃料極(Ni)のH2Oによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
シリンダ駆動部72は、コントローラユニットCから送信される駆動信号により、空圧シリンダ71の伸縮ロッド(図示しない)を伸縮駆動することにより、炭化水素ガスの圧力を増減調整するようになっている。
すなわち、残留する炭化水素ガスによる発電、又はH2Oの電気分解による還元雰囲気の制御によって、流入路11内の圧力が増減変動するので、この変動を相殺するように流入路11内の圧力を一定に保つようにしているのである。
すなわち、炭化水素ガスの送給を停止すると、流入路11内、電極内のガス流れが悪くなる。これを改善するためにガス循環ポンプ75により炭化水素ガスを循環させて円滑にし、燃料の利用率を向上させ、これにより炭素析出、電極酸化の防止効果を向上させているのである。
そして、上記の記憶部51に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、上述した第一の送給停止手段50A、ガス濃度判定手段50B、第二の送給停止手段50C、定電圧運転手段50D、給電開始手段50E、酸素分圧判定手段50F、給電停止手段50Gの他、圧力調整手段50Iと、ポンプ作動手段50Jの各機能を発揮する。
すなわち、残留炭化水素ガスによる発電、またはH2Oの電気分解による還元雰囲気の制御によって、流出入路内の圧力が上下変動しているので、これを一定に保たせているのである。
すなわち、炭化水素ガスの送給を停止すると、流出入路内や電極内のガスの流れが悪くなるため、ガス循環ポンプ75によってガス流れを改善し、これにより燃料の利用率を向上させて、炭素析出、電極酸化の防止効果に寄与できる。
燃料電池の運転停止により、ステップS1に進む。
ステップS2:ガス循環ポンプ75を作動させて、ステップS3に進む。
ステップS3:出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップS4に進む。このとき、発電した電力は蓄電部20に蓄電される。
ステップS5:出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップS6に進み、そうでなければステップS3に戻る。
ステップS7:電流方向を逆転して電力を供給して電気分解を行い、ステップS8に進む。炭化水素ガス中に含まれるH2O(水分)を電気分解することにより、燃料極(Ni)のH2Oによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
温度計測部85は、燃料電池Bの温度を計測するためのものであり、計測された温度データは、コントローラユニットCに出力されるようになっている。
「所定値」は、残留する炭化水素ガスによる発電を継続する上で発電効率が悪化しない温度である。
すなわち、残留する炭化水素ガスによる発電を継続する上で、燃料電池Bの温度が極端に下がると、発電効率が悪くなる。そこで、燃料電池Bが所定の温度より下がらないようにしている。
ステップS1(図中、単に「S1」と略記する。以下、同様。):第一の流量調整部30Iを介して炭化水素ガスのみを停止し、ステップS2に進む。このとき、空気は流通させたままにしている。
ステップS2:出力電圧を一定にした定電圧運転モードにより発電を継続して、ステップS3に進む。このとき、発電した電力は蓄電部20に蓄電される。
ステップS4:燃料電池Bの温度が所定値以下か否かを判定し、当該温度が所定値以下であればステップS5に進む。また、当該温度が所定値以下でなければ、ステップS3に戻る。
ステップS5:温度調整機構70による燃料電池Bの加熱を開始して、ステップS6に進む。
ステップS6:出力電流をチェックして、ステップS7に進む。
ステップS7:出力電流が所定値よりも減少したか否かを判定し、その出力電流よりも低下したならステップS8に進み、そうでなければステップS2に戻る。
ステップS9:電流方向を逆転して電気分解を行い、ステップS10に進む。燃料ガス中に含まれるH2Oを電気分解することにより、燃料極(Ni)のH2Oによる酸化を防ぎ、燃料極の反応活性の低下を防止している。
・上述した実施形態においては、酸素分圧計Pを、上記流入路11に配設した例について説明したが、流出路13に配設してもよく、また、流入路11と流出路13の双方に配設してもよい。
11 流入路
13 流出路
20 蓄電部
30I 第一の流量調整部
31I 第二の流量調整部
40 固体電解質型セル
41 燃料極
42 空気極
50A 第一の送給停止手段
50B ガス濃度判定手段
50C 第二の送給停止手段
50D 定電圧運転手段
50E 給電開始手段
50F 酸素分圧判定手段
50G 給電停止手段
50H 定電流運転手段
50I 圧力調整手段
50J ポンプ作動手段
50K 温度判定手段
50L 加熱開始手段
51 情報記録媒体
65 圧力計測部
70 圧力調整機構
75 ガス循環ポンプ
80 温度調整機構
85 温度計測部
B 燃料電池
P 酸素分圧計測部
Claims (16)
- 固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、上記炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、上記空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、その炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けた燃料電池システムであって、
上記第一の流量調整部を介し、炭化水素ガスの送給のみを停止する第一の送給停止手段と、
ガス濃度検出部によって検出した炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定するガス濃度判定手段と、
ガス濃度判定手段により、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部を介し、空気の送給を停止する第二の送給停止手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 - 炭化水素ガスの酸素分圧を計測する酸素分圧計測部を有しており、
空気の送給が停止された後に、燃料極と空気極とに、発電時とは逆極性にした電力の供給を開始する給電開始手段と、
酸素分圧計測部により検出した酸素分圧が、所定値以下になったか否かを判定する酸素分圧判定手段と、
酸素分圧判定手段により、酸素分圧が所定値以下になったと判定されたときには、燃料極と空気極とに供給されている逆極性にした電力を停止する給電停止手段とを有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - ガス濃度検出部は、炭化水素ガスの濃度として燃料電池の出力電流を検知する電流計であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度検出部は、炭化水素ガスの濃度として燃料電池の出力電圧を検知する電圧計であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度検出部を、炭化水素ガスを燃料電池に流入させるための流入路に配設したことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度検出部を、炭化水素ガスの流出路に配設したことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- 炭化水素ガスの送給を停止した後、燃料電池の定電圧運転を行う定電圧運転手段を設けていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 炭化水素ガスの送給を停止した後、燃料電池の定電流運転を行う定電流運転手段を設けていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- ガス濃度判定手段により、炭化水素ガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときに、給電開始手段により電力の供給を開始することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池により発電された余剰電力を蓄電する蓄電部が設けられており、その蓄電部を、燃料極と空気極とに供給する逆極性にした電力の供給源としていることを特徴とする請求項2〜9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 蓄電部は2次電池又はキャパシタであることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池システム。
- 炭化水素ガスの圧力を計測するための圧力計測部と、その炭化水素ガスの圧力を調整するための圧力調整機構を設けているとともに、
上記圧力計測部で計測した圧力に基づき、圧力調整機構を介して、その圧力が所定値となるように調整する圧力調整手段を設けたことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池の温度を計測する温度計測部と、燃料電池の温度を調整するための温度調整機構とを設けているとともに、
温度計測部によって計測した燃料電池の温度が、所定値以下になったか否かを判定する温度判定手段と、
温度判定手段により、燃料電池の温度が所定値以下になったと判定したときには、温度調整機構による燃料電池の加熱を開始する加熱開始手段とを設けていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 炭化水素ガスを燃料電池に流入するための流入路と、燃料電池から流出する流出路との間に、炭化水素ガスを循環させるためのガス循環ポンプを配設しているとともに、
炭化水素ガスの送給を停止した後、ガス循環ポンプを作動させるポンプ作動手段を有することを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、炭化水素ガスと空気とをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池を有し、上記炭化水素ガスの流通量を増減調整するための第一の流量調整部と、上記空気の流通量を増減調整するための第二の流量調整部と、その炭化水素ガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを設けた燃料電池システムに用いるプログラムであって、
上記第一の流量調整部を介し、一方のガスの送給のみを停止する機能と、
ガス濃度検出部によって検出した一方のガスの濃度が所定値以下に減少したか否かを判定する機能と、
一方のガスの濃度が所定値以下に減少したと判定されたときには、第二の流量調整部を介し、他方のガスの送給を停止する機能とを、燃料電池システムを統制するコンピュータに実現することを特徴とする燃料電池システムに用いるプログラム。 - 請求項15に記載した燃料電池システムに用いるプログラムを記録したことを特徴とする情報記録媒体。
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