JP2010118178A - Method for controlling fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、制御装置とを備える燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a control method for a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, and a control device.
通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(以下、MEAともいう)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. A joined body (hereinafter also referred to as MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
この種の燃料電池スタックの運転を制御するために、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池制御方法が知られている。この燃料電池制御方法は、改質された燃料及び酸化剤が供給される燃料電池スタックを有する燃料電池を制御するにあたり、前記燃料電池スタックを構成する単セルのうちの少なくとも1個を、残余の単セルよりも電流−電圧特性を低くしたモニタ用単セルとし、該モニタ用単セルの電圧を一定として、前記燃料電池スタックの発電を行い、前記燃料電池スタックの出力電流値を検出し、その出力電流値と予め設定した設定電流値との差を求め、前記燃料の供給量及び/又は前記酸化剤の供給量を前記差に応じて変化させることを特徴としている。 In order to control the operation of this type of fuel cell stack, for example, a fuel cell control method disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell control method, in controlling a fuel cell having a fuel cell stack to which a reformed fuel and an oxidant are supplied, at least one of the single cells constituting the fuel cell stack is used as a remaining cell. A single cell for monitoring having a current-voltage characteristic lower than that of the single cell, the voltage of the single cell for monitoring is constant, power generation of the fuel cell stack, and an output current value of the fuel cell stack is detected, A difference between an output current value and a preset set current value is obtained, and the fuel supply amount and / or the oxidant supply amount is changed in accordance with the difference.
また、引用文献2に開示されている燃料電池制御方法は、改質された燃料及び酸化剤が供給される燃料電池を制御するにあたり、前記燃料電池を一定電圧で発電させ、前記燃料電池の出力電流を検出し、その出力電流値と予め設定した設定電流値との差を求め、前記燃料の供給量及び/又は前記酸化剤の供給量を前記差に応じて変化させることを特徴としている。
Further, in the fuel cell control method disclosed in the cited
上記の特許文献1では、燃料電池スタックの出力電流値と、予め設定した設定電流値との差に応じて、燃料や酸化剤の供給量を変化させている。しかしながら、燃料電池の最適な運転範囲を外れた状態で、特にA/F値(後述する)が最適範囲から外れた状態で、燃料や酸化剤の供給量を変化させてしまうと、前記燃料電池が劣化するおそれがある。 In the above-mentioned Patent Document 1, the supply amount of fuel and oxidant is changed according to the difference between the output current value of the fuel cell stack and the preset current value. However, if the supply amount of fuel or oxidant is changed when the fuel cell is out of the optimal operating range, particularly when the A / F value (described later) is out of the optimal range, the fuel cell may be changed. May deteriorate.
また、上記の特許文献2では、燃料電池の出力電流値と、予め設定した設定電流値との差に応じて、燃料や酸化剤の供給量を変化させている。このため、上記の特許文献1と同様に、燃料電池の最適な運転範囲を外れていると、前記燃料電池が劣化し易いという問題がある。
In
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の劣化を抑制するとともに、熱自立を損なうことがなく、発電出力の変化に追従した燃料供給量の補正を良好に行うことが可能な燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and while suppressing deterioration of the fuel cell, it is possible to satisfactorily correct the fuel supply amount following the change in the power generation output without impairing thermal independence. An object of the present invention is to provide a control method for a fuel cell system.
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、制御装置とを備える燃料電池システムの制御方法に関するものである。 The present invention relates to a control method for a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, and a control device.
この制御方法は、少なくとも燃料電池スタックの現在出力値、前記燃料電池スタックのA/F値、及び前記燃料電池スタックの温度を測定する工程と、少なくとも前記現在出力値、前記A/F値又は前記温度のいずれかに基づいて、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を制御する工程とを有している。 The control method includes a step of measuring at least a current output value of the fuel cell stack, an A / F value of the fuel cell stack, and a temperature of the fuel cell stack, and at least the current output value, the A / F value, or the And controlling the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack based on one of the temperatures.
ここで、A/F値とは、燃料電池に供給される酸化剤ガスと燃料ガスとの比であり、A/F値=(酸化剤ガス)/(燃料ガス)値の関係を有する。 Here, the A / F value is a ratio between the oxidant gas and the fuel gas supplied to the fuel cell, and has a relationship of A / F value = (oxidant gas) / (fuel gas) value.
また、本発明に係る制御方法は、燃料電池スタックの目標出力値又は該目標出力値の所定範囲を設定する第1の工程と、前記燃料電池スタックの現在出力値を測定する第2の工程と、前記燃料電池スタックのA/F値を測定する第3の工程と、前記燃料電池スタックの温度を測定する第4の工程と、前記目標出力値又は該目標出力値の所定範囲と前記現在出力値とを比較する第5の工程と、前記A/F値と、予め設定された前記A/F値の上限値又は下限値とを比較する第6の工程と、前記温度と、予め設定された前記温度の上限値又は下限値とを比較する第7の工程と、前記燃料電池スタックに供給する前記燃料ガスの量を維持させる第8の工程と、前記燃料電池スタックに供給する前記燃料ガスの量を減少させる第9の工程と、前記燃料電池スタックに供給する前記燃料ガスの量を増加させる第10の工程とを有している。 The control method according to the present invention includes a first step of setting a target output value of the fuel cell stack or a predetermined range of the target output value, and a second step of measuring a current output value of the fuel cell stack. A third step of measuring the A / F value of the fuel cell stack, a fourth step of measuring the temperature of the fuel cell stack, the target output value or a predetermined range of the target output value, and the current output A fifth step of comparing values, a sixth step of comparing the A / F value with a preset upper or lower limit value of the A / F value, the temperature, and a preset value. A seventh step of comparing the upper limit value or the lower limit value of the temperature; an eighth step of maintaining the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell stack; and the fuel gas supplied to the fuel cell stack. A ninth step of reducing the amount of the fuel, and the fuel And a tenth step of increasing the amount of the fuel gas supplied to the pond stack.
そして、少なくとも第5の工程、第6の工程又は第7の工程のいずれかの比較結果に基づいて、少なくとも第8の工程、第9の工程又は第10の工程のいずれかを行っている。 Then, at least one of the eighth step, the ninth step, and the tenth step is performed based on the comparison result of at least the fifth step, the sixth step, or the seventh step.
さらに、この制御方法は、第5の工程で、現在出力値が目標出力値と等しい又は該目標出力値の所定範囲内であると判断された際、第8の工程を行うことが好ましい。従って、燃料電池スタックは、現在出力値に基づいて燃料供給量の維持が行われるため、目標出力値に現在出力値を追従させて適切な運転が遂行可能になる。 Further, in this control method, it is preferable to perform the eighth step when it is determined in the fifth step that the current output value is equal to or within the predetermined range of the target output value. Therefore, since the fuel cell stack maintains the fuel supply amount based on the current output value, it is possible to perform an appropriate operation by causing the current output value to follow the target output value.
さらにまた、この制御方法は、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値超過又は該目標出力値の所定範囲超過であると判断され、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の上限値以下であると判断され、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の下限値以上であると判断された際、第9の工程を行うことが好ましい。 Furthermore, in this control method, it is determined in the fifth step that the current output value exceeds the target output value or exceeds a predetermined range of the target output value, and the A / F value is determined in the sixth step. Is determined to be equal to or lower than the upper limit value of the preset A / F value, and in the seventh step, it is determined that the temperature is equal to or higher than the lower limit value of the preset temperature. It is preferable to perform this process.
このように、燃料電池スタックの現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の減少処理が行われている。このため、燃料電池を構成するアノード電極では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタックでは、熱不足、発電効率の低下又は蒸発及び改質不足による炭素析出が抑制される。これにより、燃料電池システムの耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。 As described above, the fuel supply amount reduction processing is performed based on the current output value, A / F value, and temperature of the fuel cell stack. Therefore, in the anode electrode constituting the fuel cell, it is possible to prevent the anode electrode from being oxidized due to the oxidant gas flowing around due to fuel depletion, and it is possible to prevent the anode electrode from deteriorating. . On the other hand, in the fuel cell stack, carbon deposition due to insufficient heat, a decrease in power generation efficiency, or evaporation and insufficient reforming is suppressed. As a result, the durability and life of the fuel cell system are improved, and there is no risk of impairing heat self-supporting.
また、この制御方法は、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値超過又は該目標出力値の所定範囲超過であると判断され、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の上限値超過であると判断された際、第8の工程を行うことが好ましい。 In this control method, in the fifth step, it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds the predetermined range of the target output value, and in the sixth step, the A / F value is When it is determined that the upper limit value of the preset A / F value is exceeded, the eighth step is preferably performed.
このように、燃料電池スタックの現在出力値及びA/F値に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。従って、アノード電極では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極の劣化を防止することが可能になる。このため、燃料電池システムの耐久性及び寿命が向上する。 Thus, the fuel supply amount is maintained based on the current output value and A / F value of the fuel cell stack. Therefore, in the anode electrode, it is possible to prevent the anode electrode from being oxidized by the oxidant gas flowing around due to fuel depletion, and it is possible to prevent the anode electrode from being deteriorated. For this reason, durability and lifetime of the fuel cell system are improved.
さらに、この制御方法は、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値超過又は該目標出力値の所定範囲超過であると判断され、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の上限値以下であると判断され、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の下限値未満であると判断された際、第8の工程を行うことが好ましい。 Further, in this control method, in the fifth step, it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds the predetermined range of the target output value, and in the sixth step, the A / F value is When it is determined that the temperature is equal to or lower than the upper limit value of the preset A / F value and the temperature is determined to be lower than the lower limit value of the preset temperature in the seventh step, It is preferable to perform a process.
このように、燃料電池スタックの現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。従って、アノード電極では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタックでは、熱不足、発電効率の低下又は蒸発及び改質不足による炭素析出が抑制される。これにより、燃料電池システムの耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。 Thus, the fuel supply amount is maintained based on the current output value, A / F value, and temperature of the fuel cell stack. Therefore, in the anode electrode, it is possible to prevent the anode electrode from being oxidized by the oxidant gas flowing around due to fuel depletion, and it is possible to prevent the anode electrode from being deteriorated. On the other hand, in the fuel cell stack, carbon deposition due to insufficient heat, a decrease in power generation efficiency, or evaporation and insufficient reforming is suppressed. As a result, the durability and life of the fuel cell system are improved, and there is no risk of impairing heat self-supporting.
さらにまた、この制御方法は、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値未満又は該目標出力値の所定範囲未満であると判断され、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の下限値以上であると判断され、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の上限値以下であると判断された際、第10の工程を行うことが好ましい。 Furthermore, in this control method, in the fifth step, it is determined that the current output value is less than the target output value or less than a predetermined range of the target output value, and in the sixth step, the A / F value is determined. Is determined to be equal to or higher than the lower limit value of the preset A / F value, and when the temperature is determined to be equal to or lower than the upper limit value of the preset temperature in the seventh step, It is preferable to perform this process.
このように、燃料電池スタックの現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の増加処理が行われている。このため、カソード電極では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによって前記カソード電極が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタックでは、熱余り、発電効率の低下又はセパレータ及び電解質・電極接合体の高温化による前記セパレータの酸化、前記電解質・電極接合体の凝集、改質触媒の劣化が抑制される。これにより、燃料電池システムの耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。 As described above, the fuel supply amount increasing process is performed based on the current output value, A / F value, and temperature of the fuel cell stack. For this reason, in the cathode electrode, it is possible to prevent the cathode electrode from being reduced due to the inflow of fuel gas due to the exhaustion of air, and it is possible to prevent the cathode electrode from deteriorating. On the other hand, in the fuel cell stack, excessive heat, reduction in power generation efficiency, or oxidation of the separator, aggregation of the electrolyte / electrode assembly, and deterioration of the reforming catalyst due to high temperature of the separator and the electrolyte / electrode assembly are suppressed. As a result, the durability and life of the fuel cell system are improved, and there is no risk of impairing heat self-supporting.
また、この制御方法は、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値未満又は該目標出力値の所定範囲未満であると判断され、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の下限値未満であると判断された際、第8の工程を行うことが好ましい。 In this control method, it is determined in the fifth step that the current output value is less than the target output value or less than a predetermined range of the target output value, and in the sixth step, the A / F value is When it is determined that the value is less than the preset lower limit of the A / F value, the eighth step is preferably performed.
このように、燃料電池スタックの現在出力値及びA/F値に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。従って、カソード電極では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによって前記カソード電極が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極の劣化を防止することが可能になる。このため、燃料電池システムの耐久性及び寿命が向上する。 Thus, the fuel supply amount is maintained based on the current output value and A / F value of the fuel cell stack. Therefore, in the cathode electrode, it is possible to prevent the cathode electrode from being reduced due to the inflow of fuel gas due to the exhaustion of air, and it is possible to prevent the cathode electrode from deteriorating. For this reason, durability and lifetime of the fuel cell system are improved.
さらに、この制御方法は、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値未満又は該目標出力値の所定範囲未満であると判断され、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の下限値以上であると判断され、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の上限値を超えていると判断された際、第8の工程を行うことが好ましい。 Further, in this control method, it is determined in the fifth step that the current output value is less than the target output value or less than a predetermined range of the target output value, and in the sixth step, the A / F value is When it is determined that the temperature is equal to or higher than the lower limit value of the preset A / F value and the temperature is determined to exceed the upper limit value of the preset temperature in the seventh step, It is preferable to perform this process.
このように、燃料電池スタックの現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。これにより、カソード電極では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによって前記カソード電極が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタックでは、熱余り、発電効率の低下又はセパレータ及び電解質・電極接合体の高温化による前記セパレータの酸化、前記電解質・電極接合体の凝集、改質触媒の劣化が抑制される。従って、燃料電池システムの耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。 Thus, the fuel supply amount is maintained based on the current output value, A / F value, and temperature of the fuel cell stack. Thereby, in the cathode electrode, it is possible to prevent the cathode electrode from being reduced by the wraparound of the fuel gas due to the exhaustion of air, and it is possible to prevent the cathode electrode from deteriorating. On the other hand, in the fuel cell stack, excessive heat, reduction in power generation efficiency, or oxidation of the separator, aggregation of the electrolyte / electrode assembly, and deterioration of the reforming catalyst due to high temperature of the separator and the electrolyte / electrode assembly are suppressed. Therefore, the durability and life of the fuel cell system are improved, and there is no risk of impairing heat self-supporting.
さらにまた、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。このため、燃料電池は、発生する熱量の多い高温型燃料電池であり、燃料電池システムの耐久性及び寿命を一層向上させることができる。 Furthermore, the fuel cell is preferably a solid oxide fuel cell. Therefore, the fuel cell is a high-temperature fuel cell that generates a large amount of heat, and can further improve the durability and life of the fuel cell system.
また、固体酸化物形燃料電池は、電解質・電極接合体をセパレータで挟持する平板型固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。これにより、特にシールレスタイプの燃料電池に良好に適用されるとともに、燃料電池システムの耐久性及び寿命を一層向上させることができる。 The solid oxide fuel cell is preferably a flat plate solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly is sandwiched between separators. Thereby, it can be applied particularly well to a sealless type fuel cell, and the durability and life of the fuel cell system can be further improved.
本発明によれば、燃料電池スタックの現在出力値、前記燃料電池スタックのA/F値、及び前記燃料電池スタックの温度に基づいて、燃料供給量の制御、すなわち、前記燃料供給量の維持、減少及び増加処理を行っている。 According to the present invention, based on the current output value of the fuel cell stack, the A / F value of the fuel cell stack, and the temperature of the fuel cell stack, control of the fuel supply amount, that is, maintenance of the fuel supply amount, Decrease and increase processing.
このため、燃料電池を構成するアノード電極では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極の劣化を防止することが可能になる。 Therefore, in the anode electrode constituting the fuel cell, it is possible to prevent the anode electrode from being oxidized due to the oxidant gas flowing around due to fuel depletion, and it is possible to prevent the anode electrode from deteriorating. .
また、燃料電池を構成するカソード電極では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによって前記カソード電極が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極の劣化を防止することが可能になる。 Further, in the cathode electrode constituting the fuel cell, it is possible to prevent the cathode electrode from being reduced by the flow of the fuel gas due to the exhaustion of air, and it is possible to prevent the cathode electrode from being deteriorated.
さらに、燃料電池スタックでは、熱不足、発電効率の低下又は蒸発及び改質不足による炭素析出が抑制される一方、熱余り、発電効率の低下又は燃料電池構成部材の高温化が抑制される。 Further, in the fuel cell stack, carbon deposition due to insufficient heat, a decrease in power generation efficiency, or evaporation and insufficient reforming is suppressed, while surplus heat, a decrease in power generation efficiency or a high temperature of the fuel cell constituent members is suppressed.
これにより、燃料電池システムの耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。 As a result, the durability and life of the fuel cell system are improved, and there is no risk of impairing heat self-supporting.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システム10の機械系回路を示す概略構成説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10の回路図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a mechanical circuit of a
燃料電池システム10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム10は、燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール(SOFCモジュール)12と、前記燃料電池モジュール12に原燃料(例えば、都市ガス)を供給する原燃料供給装置(燃料ガスポンプを含む)16と、前記燃料電池モジュール12に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(空気ポンプを含む)18と、前記燃料電池モジュール12に水を供給する水供給装置(水ポンプを含む)20と、前記燃料電池モジュール12で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置22と、前記燃料電池モジュール12の発電量を制御する制御装置24とを備える。
The
燃料電池モジュール12は、複数の固体酸化物形の燃料電池26が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック28を備える。図3及び図4に示すように、燃料電池26は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質(電解質板)30の両面に、カソード電極32及びアノード電極34が設けられた電解質・電極接合体(MEA)36を備える。電解質・電極接合体36は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層(図示せず)が設けられている。
The
燃料電池26は、各セパレータ38間に4個の電解質・電極接合体36が、このセパレータ38の中心部である燃料ガス供給連通孔40を中心に同心円上に配列される。セパレータ38は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される1枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。
In the
セパレータ38は、中央部に燃料ガス供給連通孔40を形成する燃料ガス供給部42を有する。この燃料ガス供給部42から外方に等角度間隔(90゜間隔)ずつ離間して放射状に延在する4本の第1橋架部44を介して比較的大径な挟持部46が一体的に設けられる。
The
各挟持部46は、電解質・電極接合体36と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。挟持部46には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔48が、例えば、前記挟持部46の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。
Each clamping
各挟持部46のアノード電極34に接触する面45aには、前記アノード電極34の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路50が形成される。面45aには、燃料ガス通路50を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路52と、アノード電極34に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔48から前記燃料ガス排出通路52に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部54とが設けられる。
A
面45aには、燃料ガス通路50側に突出してアノード電極34の外周縁部に接触する外縁周回用凸部56と、前記アノード電極34に接触する複数の突起部58とが設けられる。
The
各挟持部46のカソード電極32に接触する面45bは、略平坦面に形成されており、この面45bには、円板状のプレート60が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。このプレート60には、プレス等により複数の突起部62が設けられる。挟持部46の面45b側には、突起部62によりカソード電極32の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路64が形成されるとともに、前記突起部62は、集電部を構成する。
The
セパレータ38のカソード電極32に対向する面には、通路部材70が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。通路部材70は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔40を形成する燃料ガス供給部72を備える。
A
燃料ガス供給部72から放射状に4本の第2橋架部74が延在するとともに、各第2橋架部74は、セパレータ38の第1橋架部44から挟持部46の面45bに燃料ガス供給孔48を覆って固着される。
Four
燃料ガス供給部72から第2橋架部74には、燃料ガス供給連通孔40から燃料ガス供給孔48に連通する燃料ガス供給通路76が形成される。燃料ガス供給通路76は、例えば、エッチング又は、プレスにより形成される。
A fuel
酸化剤ガス通路64は、電解質・電極接合体36の内側周端部と挟持部46の内側周端部との間から矢印B方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔78に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔78は、各挟持部46の内方と第1橋架部44との間に位置して積層方向(矢印A方向)に延在している。
The
図5に示すように、各セパレータ38間には、燃料ガス供給連通孔40をシールするための絶縁シール80が設けられる。この絶縁シール80は、燃料ガス供給連通孔40を電解質・電極接合体36に対してシールする機能を有する。燃料電池26には、挟持部46の外方に位置して排ガス通路82が形成される。
As shown in FIG. 5, an insulating
図1に示すように、燃料電池スタック28の積層方向上端側(又は積層方向下端側)には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック28に供給する前に加熱する熱交換器86と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器88と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器90とが配設される。
As shown in FIG. 1, on the upper end side (or lower end side in the stacking direction) of the
燃料電池スタック28の積層方向下端側(又は積層方向上端側)には、前記燃料電池スタック28を構成する燃料電池26に積層方向(矢印A方向)に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構92が配設される(図2参照)。
On the lower end side (or upper end side in the stacking direction) of the
改質器90は、都市ガス(原燃料)中に含まれるエタン(C2H6)、プロパン(C3H6)及びブタン(C4H10)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH4)、水素、COを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
The
燃料電池26は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体36では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、COが得られ、この水素、COがアノード電極に供給される。
The operating temperature of the
熱交換器86は、燃料電池スタック28から排出される使用済み反応ガス(以下、排ガスともいう)を流すための排ガス通路94と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路96とを有する。空気通路96の上流側は、空気供給管98に連通するとともに、前記空気通路96の下流側は、燃料電池スタック28の酸化剤ガス供給連通孔78に連通する。
The
蒸発器88には、原燃料通路100と水通路102とが設けられる。原燃料通路100は、原燃料供給装置16に接続されるとともに、水通路102は、水供給装置20に接続される。酸化剤ガス供給装置18は、空気供給管98に接続される。
The
原燃料供給装置16、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20は、制御装置24により制御されるとともに、前記制御装置24には、燃料ガスを検知する検知器106が電気的に接続される。電力変換装置22には、例えば、商用電源108(又は、負荷や2次電池等)が接続される(図2参照)。
The raw
図1及び図2に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック28の温度を検出する温度センサ110、原燃料供給装置16から蒸発器88に供給される原燃料(燃料ガス)の流量を検出する第1流量センサ112a、及び酸化剤ガス供給装置18から熱交換器86に供給される空気(酸化剤ガス)の流量を検出する第2流量センサ112bを備える。温度センサ110、第1流量センサ112a及び第2流量センサ112bは、制御装置24に接続される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1及び図2に示すように、原燃料供給装置16の駆動作用下に、原燃料通路100には、例えば、都市ガス(CH4、C2H6、C3H8、C4H10を含む)等の原燃料が供給される。一方、水供給装置20の駆動作用下に、水通路102には、水が供給されるとともに、空気供給管98には、酸化剤ガス供給装置18を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
As shown in FIGS. 1 and 2, under the driving action of the raw
蒸発器88では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器90に供給される。混合燃料は、改質器90内で水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック28の燃料ガス供給連通孔40に供給される。
In the
一方、空気供給管98から熱交換器86に供給される空気は、この熱交換器86の空気通路96に沿って移動する際、排ガス通路94に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器86で加温された空気は、燃料電池スタック28の酸化剤ガス供給連通孔78に供給される。
On the other hand, when the air supplied from the
図5に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック28の燃料ガス供給連通孔40に沿って積層方向(矢印A方向)に移動しながら、各燃料電池26に設けられる燃料ガス供給通路76に沿ってセパレータ38の面方向に移動する。
As shown in FIG. 5, the fuel gas moves in the fuel
燃料ガスは、燃料ガス供給通路76から挟持部46に形成された燃料ガス供給孔48を通って燃料ガス通路50に導入される。燃料ガス供給孔48は、各電解質・電極接合体36のアノード電極34の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔48からアノード電極34の略中心に供給された後、燃料ガス通路50に沿って前記アノード電極34の外周部に向かって移動する。
The fuel gas is introduced into the
一方、酸化剤ガス供給連通孔78に供給された空気は、電解質・電極接合体36の内側周端部と挟持部46の内側周端部との間から矢印B方向に流入し、酸化剤ガス通路64に送られる。酸化剤ガス通路64では、電解質・電極接合体36のカソード電極32の内側周端部(セパレータ38の中央部)側から外側周端部(セパレータ38の外側周端部側)に向かって空気が流動する。
On the other hand, the air supplied to the oxidant gas
従って、電解質・電極接合体36では、アノード電極34の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極32の電極面の一方向(矢印B方向)に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質30を通ってアノード電極34に移動し、化学反応により発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte /
なお、各電解質・電極接合体36の外周部に排出される主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路94を介して燃料電池スタック28から排出される。
The exhaust gas mainly containing air after the power generation reaction discharged to the outer peripheral portion of each electrolyte /
次いで、第1の実施形態に係る制御方法について、以下に説明する。 Next, the control method according to the first embodiment will be described below.
先ず、本発明の制御方法は、少なくとも燃料電池スタック28の現在出力値、前記燃料電池スタック28のA/F値、及び前記燃料電池スタック28の温度を測定する工程と、少なくとも前記現在出力値、前記A/F値又は前記温度のいずれかに基づいて、前記燃料電池スタック28に供給する燃料ガスの量を制御する工程とを有する。
First, the control method of the present invention includes a step of measuring at least a current output value of the
ここで、燃料電池スタック28の現在出力値は、電圧×電流から検出される。後述するように、この現在出力値と比較される目標出力値は、一定の値、例えば、目標出力値を需要出力値1kW等に設定する場合の他、目標出力値の所定範囲、例えば、目標出力値950W±5%以内等に設定される場合を含む。これにより、現在出力値(902.5W〜997.5W)は、需要出力値(1kW)を超過することがなく、逆潮流を阻止することができる。
Here, the current output value of the
A/F値は、燃料電池スタック28に供給される酸化剤ガスと燃料ガスとの比であり、A/F値=(酸化剤ガス)/(燃料ガス)値である。A/F値の上限値及び下限値の範囲は、例えば、3〜30の範囲に設定されるとともに、酸化剤ガスの流量は、第2流量センサ112bにより検出され、燃料ガスの流量は、第1流量センサ112aにより検出される。
The A / F value is a ratio of the oxidant gas and the fuel gas supplied to the
燃料電池スタック28の温度の上限値及び下限値の範囲は、例えば、650℃〜800℃の範囲に設定される。この燃料電池スタック28の温度は、温度センサ110を介して検出される。
The range of the upper limit value and the lower limit value of the temperature of the
次いで、第1の実施形態に係る制御方法は、燃料電池スタック28の目標出力値又は該目標出力値の所定範囲を設定する第1の工程と、前記燃料電池スタック28の現在出力値を測定する第2の工程と、前記燃料電池スタック28のA/F値を測定する第3の工程と、前記燃料電池スタック28の温度を測定する第4の工程と、前記目標出力値又は該目標出力値の所定範囲と前記現在出力値とを比較する第5の工程と、前記A/F値と、予め設定された前記A/F値の上限値又は下限値とを比較する第6の工程と、前記温度と、予め設定された前記温度の上限値又は下限値とを比較する第7の工程と、前記燃料電池スタック28に供給する燃料ガスの量を維持させる第8の工程と、前記燃料電池スタック28に供給する前記燃料ガスの量を減少させる第9の工程と、前記燃料電池スタック28に供給する前記燃料ガスの量を増加させる第10の工程とを有する。
Next, the control method according to the first embodiment measures a first step of setting a target output value of the
そして、少なくとも第5の工程、第6の工程又は第7の工程のいずれかの比較結果に基づいて、少なくとも第8の工程、第9の工程又は第10の工程のいずれかを行う。 Then, at least any of the eighth step, the ninth step, or the tenth step is performed based on the comparison result of at least the fifth step, the sixth step, or the seventh step.
具体的に、図6に示すフローチャート及び図7に示す設定条件に沿って、説明する。なお、第1の実施形態では、A/F値の上限値及び下限値の範囲は、10〜30の範囲に設定される。 Concretely, it demonstrates along the flowchart shown in FIG. 6, and the setting conditions shown in FIG. In the first embodiment, the range of the upper limit value and the lower limit value of the A / F value is set to a range of 10-30.
燃料電池システム10では、燃料電池スタック28の目標出力値(電圧×電流)又は目標出力値の所定範囲が設定される(ステップS1)。次に、ステップS2に進んで、燃料電池スタック28の電圧が目標電圧になるように、出力値の調整が行われる。
In the
制御装置24は、燃料電池スタック28が実際に出力する電圧及び電流から現在出力値を測定する(ステップS3)。そして、現在出力値が目標出力値と等しい又は前記目標出力値の所定範囲内(以下、単に目標出力値ともいう)であるか否かが判断される(ステップS4)。現在出力値が、目標出力値と等しい又は前記目標出力値の所定範囲内であると判断されると(ステップS4中、YES)、ステップS5に進んで、燃料電池スタック28に供給される燃料ガス量の補正を行うことがなく、燃料ガス量が維持される。さらに、ステップS6に進み、燃料電池システム10の運転が終了するまで繰り返される。
The
ステップS4において、現在出力値が、目標出力値と等しくない又は前記目標出力値の所定範囲内でないと判断されると(ステップS4中、NO)、ステップS7に進んで、現在出力値が、目標出力値超過又は前記目標出力値の所定範囲超過であるか否かが判断される。ここで、現在出力値が、目標出力値超過又は前記目標出力値の所定範囲超過であると判断されると(ステップS7中、YES)、ステップS8に進み、A/F値が予め設定された前記A/F値の上限値(30)以下であるか否かが判断される。 If it is determined in step S4 that the current output value is not equal to the target output value or not within the predetermined range of the target output value (NO in step S4), the process proceeds to step S7, where the current output value is the target output value. It is determined whether the output value is exceeded or the target output value is over a predetermined range. If it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds the predetermined range of the target output value (YES in step S7), the process proceeds to step S8, and the A / F value is set in advance. It is determined whether or not the A / F value is equal to or less than an upper limit (30).
A/F値が予め設定された前記A/F値の上限値以下であると判断されると(ステップS8中、YES)、ステップS9に進み、燃料電池スタック28の温度が、予め設定された前記温度の下限値(650℃)以上であるか否かが判断される。燃料電池スタック28の温度が、予め設定された前記温度の下限値以上であると判断されると(ステップS9中、YES)、ステップS10に進んで、前記燃料電池スタック28に供給される燃料ガスの量を減少させる補正が行われる。
If it is determined that the A / F value is less than or equal to the preset upper limit of the A / F value (YES in step S8), the process proceeds to step S9, and the temperature of the
一方、ステップS7において、現在出力値が、目標出力値未満又は前記目標出力値の所定範囲未満であると判断されると(ステップS7中、NO)、ステップS11に進んで、A/F値が、予め設定された前記A/F値の下限値(10)以上であるか否かが判断される。A/F値が、予め設定された前記A/F値の下限値以上であると判断されると(ステップS11中、YES)、ステップS12に進んで、燃料電池スタック28の温度が、予め設定された前記温度の上限値(800℃)以下であるか否かが判断される。
On the other hand, if it is determined in step S7 that the current output value is less than the target output value or less than the predetermined range of the target output value (NO in step S7), the process proceeds to step S11, where the A / F value is Then, it is determined whether or not the value is equal to or greater than a preset lower limit (10) of the A / F value. If it is determined that the A / F value is greater than or equal to the preset lower limit of the A / F value (YES in step S11), the process proceeds to step S12, and the temperature of the
燃料電池スタック28の温度が、予め設定された前記温度の上限値以下であると判断されると(ステップS12中、YES)、ステップS13に進んで、前記燃料電池スタック28に供給される燃料ガス量を増加させる補正が行われる。
If it is determined that the temperature of the
なお、ステップS8において、A/F値が、予め設定された前記A/F値の上限値を超えていると判断されると(ステップS8中、NO)、ステップS5に進む。また、ステップS9において、燃料電池スタック28の温度が、予め設定された前記温度の下限値未満であると判断されると(ステップS9中、NO)、ステップS5に進む。同様に、ステップS11において、A/F値が、予め設定された前記A/F値の下限値未満であると判断されると(ステップS11中、NO)、ステップS5に進むとともに、ステップS12において、燃料電池スタック28の温度が、予め設定された前記温度の上限値を超えていると判断されると(ステップS12中、NO)、ステップS5に進む。
If it is determined in step S8 that the A / F value exceeds the preset upper limit of the A / F value (NO in step S8), the process proceeds to step S5. If it is determined in step S9 that the temperature of the
この場合、第1の実施形態では、燃料電池スタック28の目標出力値又は該目標出力値の所定範囲を設定する第1の工程と、前記燃料電池スタック28の現在出力値を測定する第2の工程と、前記燃料電池スタック28のA/F値を測定する第3の工程と、前記燃料電池スタック28の温度を測定する第4の工程と、前記目標出力値又は該目標出力値の所定範囲と前記現在出力値とを比較する第5の工程と、前記A/F値と、予め設定された前記A/F値の上限値又は下限値とを比較する第6の工程と、前記温度と、予め設定された前記温度の上限値又は下限値とを比較する第7の工程と、前記燃料電池スタック28に供給する燃料ガスの量を維持させる第8の工程と、前記燃料電池スタック28に供給する前記燃料ガスの量を減少させる第9の工程と、前記燃料電池スタック28に供給する前記燃料ガスの量を増加させる第10の工程とを有している。そして、少なくとも第5の工程、第6の工程又は第7の工程のいずれかの比較結果に基づいて、少なくとも第8の工程、第9の工程又は第10の工程のいずれかを行っている。
In this case, in the first embodiment, the first step of setting the target output value of the
このため、燃料電池26は、特に平板状を有してシールレス構造を採用するため、前記燃料電池26を構成するアノード電極34では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極34が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極34の劣化を確実に防止することが可能になる。
For this reason, the
また、燃料電池26を構成するカソード電極32では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによって前記カソード電極32が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極32の劣化を良好に防止することが可能になる。
Further, in the
さらに、燃料電池スタック28では、熱不足、発電効率の低下又は蒸発及び改質不足による炭素析出が抑制される一方、熱余り、発電効率の低下又は燃料電池構成部材の高温化が抑制される。これにより、燃料電池システム10の耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがないという効果が得られる。
Furthermore, in the
また、第5の工程で、燃料電池スタック28の現在出力値が、目標出力値と等しい又は該目標出力値の所定範囲内であると判断された際(ステップS4中、YES)、第8の工程(ステップS5)が行われている。従って、燃料電池スタック28は、現在出力値に基づいて燃料供給量の維持(燃料補正なし)が行われるため、目標出力値に現在出力値を追従させて適切な運転が遂行可能になる。
When it is determined in the fifth step that the current output value of the
さらにまた、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値超過又は該目標出力値の所定範囲超過であると判断され(ステップS7中、YES)、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の上限値以下であると判断され(ステップS8中、YES)、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の下限値以上であると判断された際(ステップS9中、YES)、第9の工程(ステップS10)が行われている。 Furthermore, in the fifth step, it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds the predetermined range of the target output value (YES in step S7), and A / It is determined that the F value is less than or equal to the upper limit value of the preset A / F value (YES in step S8), and in the seventh step, the temperature is greater than or equal to the lower limit value of the preset temperature. When it is determined that there is (YES in step S9), the ninth step (step S10) is performed.
このように、燃料電池スタック28の現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の減少処理が行われている。このため、燃料電池26を構成するアノード電極34では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極34が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極34の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタック28では、熱不足、発電効率の低下又は蒸発及び改質不足による炭素析出が抑制される。これにより、燃料電池システム10の耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。
Thus, the fuel supply amount reduction process is performed based on the current output value, A / F value, and temperature of the
また、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値超過又は該目標出力値の所定範囲超過であると判断され(ステップS7中、YES)、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の上限値を超えていると判断された際(ステップS8中、NO)、第8の工程(ステップS5)が行われている。 In the fifth step, it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds the predetermined range of the target output value (YES in step S7), and in the sixth step, A / F When it is determined that the value exceeds the preset upper limit of the A / F value (NO in step S8), the eighth step (step S5) is performed.
このように、燃料電池スタック28の現在出力値及びA/F値に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。従って、アノード電極34では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極34が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極34の劣化を防止することが可能になる。このため、燃料電池システム10の耐久性及び寿命が向上する。
As described above, the fuel supply amount is maintained based on the current output value and the A / F value of the
さらに、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値超過又は該目標出力値の所定範囲超過であると判断され(ステップS7中、YES)、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の上限値以下であると判断され(ステップS8中、YES)、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の下限値未満であると判断された際(ステップS9中、NO)、第8の工程(ステップS5)が行われている。 Further, in the fifth step, it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds the predetermined range of the target output value (YES in step S7), and in the sixth step, A / F It is determined that the value is equal to or lower than the upper limit value of the preset A / F value (YES in step S8), and the temperature is lower than the lower limit value of the preset temperature in the seventh step. Is determined (NO in step S9), the eighth step (step S5) is performed.
このように、燃料電池スタック28の現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。従って、アノード電極34では、燃料の枯渇による酸化剤ガスの回り込みによって前記アノード電極34が酸化されることを阻止することができ、前記アノード電極34の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタック28では、熱不足、発電効率の低下又は蒸発及び改質不足による炭素析出が抑制される。これにより、燃料電池システム10の耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。
Thus, the fuel supply amount is maintained based on the current output value, A / F value, and temperature of the
さらにまた、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値未満又は該目標出力値の所定範囲未満であると判断され(ステップS7中、NO)、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の下限値以上であると判断され(ステップS11中、YES)、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の上限値以下であると判断された際(ステップS12中、YES)、第10の工程(ステップS13)が行われている。 Furthermore, in the fifth step, it is determined that the current output value is less than the target output value or less than the predetermined range of the target output value (NO in step S7), and in the sixth step, A / It is determined that the F value is equal to or higher than the lower limit value of the preset A / F value (YES in step S11), and the temperature is equal to or lower than the upper limit value of the preset temperature in the seventh step. When it is determined that there is (YES in step S12), the tenth step (step S13) is performed.
このように、燃料電池スタック28の現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の増加処理が行われている。このため、カソード電極32では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによる前記カソード電極32が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極32の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタック28では、熱余り、発電効率の低下又はセパレータ38及び電解質・電極接合体36の高温化による前記セパレータ38の酸化、前記電解質・電極接合体36の凝集、改質触媒の劣化が抑制される。これにより、燃料電池システム10の耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。
As described above, the fuel supply amount increasing process is performed based on the current output value, A / F value, and temperature of the
また、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値未満又は該目標出力値の所定範囲未満であると判断され(ステップS7中、NO)、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の下限値未満であると判断された際(ステップS11中、NO)、第8の工程(ステップS5)が行われている。 In the fifth step, it is determined that the current output value is less than the target output value or less than the predetermined range of the target output value (NO in step S7), and in the sixth step, A / F When it is determined that the value is less than the preset lower limit of the A / F value (NO in step S11), the eighth step (step S5) is performed.
このように、燃料電池スタック28の現在出力値及びA/F値に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。従って、カソード電極32では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによって前記カソード電極32が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極32の劣化を防止することが可能になる。このため、燃料電池システム10の耐久性及び寿命が向上する。
As described above, the fuel supply amount is maintained based on the current output value and the A / F value of the
さらに、第5の工程で、現在出力値が、目標出力値未満又は該目標出力値の所定範囲未満であると判断され(ステップS7中、NO)、且つ、第6の工程で、A/F値が、予め設定されたA/F値の下限値以上であると判断され(ステップS11中、YES)、且つ、第7の工程で、温度が、予め設定された温度の上限値を超えていると判断された際(ステップS12中、NO)、第8の工程(ステップS5)が行われている。 Further, in the fifth step, it is determined that the current output value is less than the target output value or less than the predetermined range of the target output value (NO in step S7), and in the sixth step, A / F It is determined that the value is equal to or greater than the lower limit value of the preset A / F value (YES in step S11), and in the seventh step, the temperature exceeds the upper limit value of the preset temperature. When it is determined that there is (No in step S12), the eighth step (step S5) is performed.
このように、燃料電池スタック28の現在出力値、A/F値及び温度に基づいて、燃料供給量の維持が行われている。これにより、カソード電極32では、空気の枯渇による燃料ガスの回り込みによって前記カソード電極32が還元されることを阻止することができ、前記カソード電極32の劣化を防止することが可能になる。一方、燃料電池スタック28では、熱余り、発電効率の低下又はセパレータ38及び電解質・電極接合体36の高温化による前記セパレータ38の酸化、前記電解質・電極接合体36の凝集、改質触媒の劣化が抑制される。従って、燃料電池システム10の耐久性及び寿命が向上するとともに、熱自立を損なうおそれがない。
Thus, the fuel supply amount is maintained based on the current output value, A / F value, and temperature of the
さらにまた、燃料電池26は、固体酸化物形の燃料電池26である。このため、燃料電池26は、発生する熱量の多い高温型燃料電池であり、燃料電池システム10の耐久性及び寿命を一層向上させることができる。
Furthermore, the
また、固体酸化物形の燃料電池26は、電解質・電極接合体36をセパレータ38で挟持する平板型固体酸化物形の燃料電池26である。これにより、特にシールレスタイプの燃料電池26に良好に適用されるとともに、燃料電池システム10の耐久性及び寿命を一層向上させることができる。
The solid
図8は、本発明の第2の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムを構成する燃料電池120の分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 8 is an exploded perspective view of the
燃料電池120は、第1セパレータ38a及び第2セパレータ38b間に複数、例えば、2個の電解質・電極接合体36が挟持される。第1セパレータ38a及び第2セパレータ38bは、同一形状のセパレータ構造体を互いに180°反転させることにより構成される。
In the
第1セパレータ38aは、例えば、ステンレス等の板金で構成される第1プレート122a及び第2プレート124aを有する。第1プレート122a及び第2プレート124aは、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。
The
第1プレート122aは、略平板状に形成されるとともに、積層方向(矢印A方向)に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔40が形成される燃料ガス供給部42を有する。この燃料ガス供給部42から外方に延在する2つの第1橋架部44a、44bを介して第1挟持部46a、46bが一体に設けられる。
The
第1挟持部46a、46bは、電解質・電極接合体36と略同一寸法に設定されるとともに、前記第1挟持部46a、46bのアノード電極34に接する面には、それぞれ複数の突起部58a、58bが設けられる。突起部58a、58bは、アノード電極34の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路50a、50bを形成するとともに、集電機能を有する。第1挟持部46a、46bの略中央部には、アノード電極34の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔48a、48bが形成される。
The
第2プレート124aは、燃料ガス供給連通孔40が形成される燃料ガス供給部126を有する。この燃料ガス供給部126から外方に延在する2つの第1橋架部128a、128bを介して第1挟持部130a、130bが一体に設けられる。第2プレート124aの外周を周回して第1プレート122a側に突出する周回凸部132が設けられ、この周回凸部132に前記第1プレート122aが接合される。
The
燃料ガス供給部126、第1橋架部128a、128b及び第1挟持部130a、130bの第1プレート122aに向かう面には、前記第1プレート122aに接して積層方向の荷重に対する潰れ防止機能を有する複数の突起部134が形成される。
The surfaces of the fuel
第1橋架部44a、128a間及び第1橋架部44b、128b間には、燃料ガス供給連通孔40に連通する燃料ガス供給通路76a、76bが形成される。燃料ガス供給通路76a、76bは、第1挟持部46a、130a間及び第1挟持部46b、130b間に形成される燃料ガス充填室136a、136bを介して、燃料ガス供給孔48a、48bに連通する。
Fuel
第2セパレータ38bは、第1セパレータ38aと同一形状に構成されており、第1プレート122a及び第2プレート124aに対応する第1プレート122b及び第2プレート124bを有する。第1プレート122b及び第2プレート124bは、積層方向に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔138が形成される酸化剤ガス供給部140、142を有する。
The
第1プレート122b及び第2プレート124bは、酸化剤ガス供給部140、142から外方に突出する2つの第2橋架部144a、144b及び146a、146bを介して第2挟持部148a、148b及び150a、150bが一体に設けられる。
The
第2挟持部148a、148bのカソード電極32に接触する面には、複数の突起部58a、58bを介し前記カソード電極32の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路64a、64bが形成される。第2挟持部148a、148bの略中央部には、カソード電極32の略中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔152a、152bが形成される。
An
第2プレート124b内には、第1プレート122bが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔138に連通する酸化剤ガス供給通路154a、154bが、第2橋架部144a、146a間及び第2橋架部144b、146b間に対応して形成される。
In the
第2挟持部150a、150b内には、酸化剤ガス供給連通孔138と酸化剤ガス供給通路154a、154bを介して連通する酸化剤ガス充填室156a、156bが形成される。
In the
図10に示すように、各燃料電池120間には、燃料ガス供給連通孔40をシールするための第1絶縁シール80aと、酸化剤ガス供給連通孔138をシールするための第2絶縁シール80bとが設けられる。複数の燃料電池120が、矢印A方向に積層されて燃料電池スタック160が構成される。
As shown in FIG. 10, between each
このように構成される燃料電池スタック160では、各燃料電池120の燃料ガス供給連通孔40に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔138に空気が供給される。
In the
燃料ガスは、積層方向(矢印A方向)に移動しながら各燃料電池120を構成する第1セパレータ38aに形成された燃料ガス供給通路76a、76bに導入される(図9及び図10参照)。
The fuel gas is introduced into the fuel
燃料ガスは、第1橋架部44a、128a間及び第1橋架部44b、128b間を燃料ガス供給通路76a、76bに沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室136a、136bに充填される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔48a、48bから燃料ガス通路50a、50bに導入される。その際、燃料ガス供給孔48a、48bは、各電解質・電極接合体36のアノード電極34の略中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極34の略中心から燃料ガス通路50a、50bに沿って前記アノード電極34の外周部に向かって移動する。
The fuel gas moves between the
一方、酸化剤ガス供給連通孔138に供給された空気は、第2橋架部144a、146a間及び第2橋架部144b、146b間に形成された酸化剤ガス供給通路154a、154bに沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室156a、156bに充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔152a、152bから酸化剤ガス通路64a、64bに導入される。
On the other hand, the air supplied to the oxidant gas
酸化剤ガス供給孔152a、152bは、各電解質・電極接合体36のカソード電極32の略中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路64a、64bに沿ってカソード電極32の略中央位置から外周部に向かって移動する。
The oxidant gas supply holes 152 a and 152 b are set at substantially the center position of the
これにより、電解質・電極接合体36では、アノード電極34の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極32の電極面の中心側から周端部側に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質30を通ってアノード電極34に移動し、化学反応により発電が行われる。
As a result, in the electrolyte /
燃料ガス通路50a、50bを移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路64a、64bを移動した使用済みの空気は、各電解質・電極接合体36の外周部から排ガス通路82に導出され、この排ガス通路82で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。
The spent fuel gas that has moved through the
この第2の実施形態では、第1の実施形態と同様に、図6に示すフローチャートに沿って、制御される。その際、第2の実施形態では、A/F値の上限値及び下限値の範囲は、3〜28の範囲に設定される。第1の実施形態に比べて、空気の利用率が高いからである。これにより、第2の実施形態は、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。 In the second embodiment, similarly to the first embodiment, the control is performed according to the flowchart shown in FIG. In that case, in 2nd Embodiment, the range of the upper limit of A / F value and a lower limit is set to the range of 3-28. This is because the utilization rate of air is higher than that of the first embodiment. Thereby, the second embodiment can obtain the same effects as those of the first embodiment.
10…燃料電池システム 12…燃料電池モジュール
16…原燃料供給装置 18…酸化剤ガス供給装置
20…水供給装置 22…電力変換装置
24…制御装置 26、120…燃料電池
30…電解質 32…カソード電極
34…アノード電極 36…電解質・電極接合体
38、38a、38b…セパレータ 40…燃料ガス供給連通孔
50、50a、50b…燃料ガス通路 64、64a、64b…酸化剤ガス通路
86…熱交換器 88…蒸発器
90…改質器 110…温度センサ
112a、112b…流量センサ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
少なくとも前記燃料電池スタックの現在出力値、前記燃料電池スタックのA/F値、及び前記燃料電池スタックの温度を測定する工程と、
少なくとも前記現在出力値、前記A/F値又は前記温度のいずれかに基づいて、前記燃料電池スタックに供給する前記燃料ガスの量を制御する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A control method for a fuel cell system, comprising: a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked; and a control device,
Measuring at least a current output value of the fuel cell stack, an A / F value of the fuel cell stack, and a temperature of the fuel cell stack;
Controlling the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell stack based on at least one of the current output value, the A / F value, or the temperature;
A control method for a fuel cell system, comprising:
前記燃料電池スタックの目標出力値又は該目標出力値の所定範囲を設定する第1の工程と、
前記燃料電池スタックの現在出力値を測定する第2の工程と、
前記燃料電池スタックのA/F値を測定する第3の工程と、
前記燃料電池スタックの温度を測定する第4の工程と、
前記目標出力値又は該目標出力値の所定範囲と前記現在出力値とを比較する第5の工程と、
前記A/F値と、予め設定された前記A/F値の上限値又は下限値とを比較する第6の工程と、
前記温度と、予め設定された前記温度の上限値又は下限値とを比較する第7の工程と、
前記燃料電池スタックに供給する前記燃料ガスの量を維持させる第8の工程と、
前記燃料電池スタックに供給する前記燃料ガスの量を減少させる第9の工程と、
前記燃料電池スタックに供給する前記燃料ガスの量を増加させる第10の工程と、
を有し、
少なくとも前記第5の工程、前記第6の工程又は前記第7の工程のいずれかの比較結果に基づいて、少なくとも前記第8の工程、前記第9の工程又は前記第10の工程のいずれかを行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A control method for a fuel cell system, comprising: a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked; and a control device,
A first step of setting a target output value of the fuel cell stack or a predetermined range of the target output value;
A second step of measuring a current output value of the fuel cell stack;
A third step of measuring the A / F value of the fuel cell stack;
A fourth step of measuring the temperature of the fuel cell stack;
A fifth step of comparing the target output value or a predetermined range of the target output value with the current output value;
A sixth step of comparing the A / F value with a preset upper limit value or lower limit value of the A / F value;
A seventh step of comparing the temperature with a preset upper limit value or lower limit value of the temperature;
An eighth step of maintaining the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell stack;
A ninth step of reducing the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell stack;
A tenth step of increasing the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell stack;
Have
Based on at least the comparison result of any of the fifth step, the sixth step, and the seventh step, at least one of the eighth step, the ninth step, and the tenth step is performed. A control method for a fuel cell system, comprising:
前記第6の工程で、前記A/F値が、予め設定された前記A/F値の上限値以下であると判断され、且つ、
前記第7の工程で、前記温度が、予め設定された前記温度の下限値以上であると判断された際、
前記第9の工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 4. The control method according to claim 2, wherein, in the fifth step, it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds a predetermined range of the target output value, and
In the sixth step, the A / F value is determined to be less than or equal to a preset upper limit value of the A / F value, and
When it is determined in the seventh step that the temperature is equal to or higher than a preset lower limit value of the temperature,
A control method for a fuel cell system, wherein the ninth step is performed.
前記第6の工程で、前記A/F値が、予め設定された前記A/F値の上限値超過であると判断された際、
前記第8の工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 The control method according to any one of claims 2 to 4, wherein in the fifth step, the current output value is determined to be over the target output value or over a predetermined range of the target output value, and,
In the sixth step, when it is determined that the A / F value exceeds the preset upper limit value of the A / F value,
A control method for a fuel cell system, wherein the eighth step is performed.
前記第6の工程で、前記A/F値が、予め設定された前記A/F値の上限値以下であると判断され、且つ、
前記第7の工程で、前記温度が、予め設定された前記温度の下限値未満であると判断された際、
前記第8の工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method according to any one of claims 2 to 5, in the fifth step, it is determined that the current output value exceeds the target output value or exceeds a predetermined range of the target output value. and,
In the sixth step, the A / F value is determined to be less than or equal to a preset upper limit value of the A / F value, and
In the seventh step, when it is determined that the temperature is less than a preset lower limit value of the temperature,
A control method for a fuel cell system, wherein the eighth step is performed.
前記第6の工程で、前記A/F値が、予め設定された前記A/F値の下限値以上であると判断され、且つ、
前記第7の工程で、前記温度が、予め設定された前記温度の上限値以下であると判断された際、
前記第10の工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method according to any one of claims 2 to 6, in the fifth step, it is determined that the current output value is less than the target output value or less than a predetermined range of the target output value. and,
In the sixth step, the A / F value is determined to be greater than or equal to a preset lower limit value of the A / F value, and
In the seventh step, when it is determined that the temperature is equal to or lower than a preset upper limit value of the temperature,
A control method for a fuel cell system, wherein the tenth step is performed.
前記第6の工程で、前記A/F値が、予め設定された前記A/F値の下限値未満であると判断された際、
前記第8の工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method according to any one of claims 2 to 7, in the fifth step, it is determined that the current output value is less than the target output value or less than a predetermined range of the target output value. and,
In the sixth step, when it is determined that the A / F value is less than a preset lower limit value of the A / F value,
A control method for a fuel cell system, wherein the eighth step is performed.
前記第6の工程で、前記A/F値が、予め設定された前記A/F値の下限値以上であると判断され、且つ、
前記第7の工程で、前記温度が、予め設定された前記温度の上限値超過であると判断された際、
前記第8の工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 The control method according to any one of claims 2 to 8, wherein in the fifth step, the current output value is determined to be less than the target output value or less than a predetermined range of the target output value, and,
In the sixth step, the A / F value is determined to be greater than or equal to a preset lower limit value of the A / F value, and
When it is determined in the seventh step that the temperature exceeds the preset upper limit value of the temperature,
A control method for a fuel cell system, wherein the eighth step is performed.
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