JP2010205670A - 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度センサを用いることなく熱自立運転を可能とする燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池の電気負荷の積分値を取得する積分値取得手段と、積分値取得手段の取得結果に基づいて燃料電池の燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方を制御する制御手段と、を備える。燃料電池の運転方法は、燃料電池の電気負荷の積分値を取得する積分値取得ステップと、積分値取得ステップにおける取得結果に基づいて燃料電池の燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方を制御する制御ステップと、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

例えば、固体酸化物型燃料電池(ＳＯＦＣ)等の高温作動型燃料電池は、炭化水素燃料を改質して得られた水素を含有する燃料ガスを利用して発電している。固体酸化物型燃料電池の作動温度は、例えば、６００℃〜１０００℃程度である。

高温作動型燃料電池では、供給された燃料の一部は未反応燃料としてオフガス燃焼室等で燃焼し、その燃焼熱の一部は燃料電池の高温維持に利用される。また、発電時に生じる熱も燃料電池の高温維持に利用される。

ここで、供給燃料の発熱量（燃焼熱量）に対する、燃料電池の発電反応に相当する熱量（燃料電池の発電電力に相当する熱量と、燃料電池における発熱量に相当する熱量の和）の比は、一般に燃料利用率と呼ばれる。また、燃料電池に供給される酸化剤ガス中の酸素量に対する、発電に用いられる酸素量の比は、一般に酸化剤利用率と呼ばれる。

高温作動型燃料電池は、温度を所定値以上に維持しながら運転することが一般的である。ここで、一定時間、同一発電負荷を継続可能な運転を、熱自立運転と称する。特許文献１には、燃料量および空気量を制御することによって熱自立運転を可能とする技術が開示されている。

特開２００６−３２２６２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、燃料量および空気量を制御するに際して数百度の温度検出が可能な温度センサを用いている。このような温度センサは高価であるため、コスト増が課題となる。また、温度センサを用いると、高温に対する耐久性が課題となる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、温度センサを用いることなく熱自立運転を可能とする燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の電気負荷の積分値を取得する積分値取得手段と、積分値取得手段の取得結果に基づいて燃料電池の燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池の電気負荷の積分値に基づいて燃料電池の温度を推定することができ、その推定結果に基づいて燃料利用率および酸化剤利用率を制御することができる。したがって、温度センサを用いることなく、燃料電池の熱自立運転を実現することができる。

制御手段は、積分値取得手段によって取得された電気負荷の積分値が所定値以上であれば、燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方を、燃料電池の熱自立運転可能な基準値以上の値に補正してもよい。この場合、燃料電池の温度が上昇していることから、燃料電池は余熱を有する。したがって、燃料利用率および酸化剤利用率を熱自立運転可能な基準値以上の値に補正しても燃料電池の熱自立運転を維持することができる。その結果、本発明に係る燃料電池システムのシステム効率を向上させることができる。

制御手段は、積分値取得手段によって取得された電気負荷の積分値が大きいほど燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方をより大きい値に補正してもよい。電気負荷は、燃料電池の発電電流であってもよい。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、燃料電池の電気負荷の積分値を取得する積分値取得ステップと、積分値取得ステップにおける取得結果に基づいて燃料電池の燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の運転方法においては、燃料電池の電気負荷の積分値に基づいて燃料電池の温度を推定することができ、その推定結果に基づいて燃料利用率および酸化剤利用率を制御することができる。したがって、温度センサを用いることなく、燃料電池の熱自立運転を実現することができる。

制御ステップは、積分値取得ステップにおいて取得された電気負荷の積分値が所定値以上であれば、燃料利用率を、燃料電池の熱自立運転可能な基準値以上の値に補正するステップであってもよい。この場合、燃料電池の温度が上昇していることから、燃料電池は余熱を有する。したがって、燃料利用率および酸化剤利用率を熱自立運転可能な基準値以上の値に補正しても燃料電池の熱自立運転を維持することができる。その結果、本発明に係る燃料電池システムのシステム効率を向上させることができる。

制御ステップは、積分値取得ステップにおいて取得された電気負荷の積分値が大きいほど燃料利用率をより大きい値に補正するステップであってもよい。電気負荷は、燃料電池の発電電流であってもよい。

本発明によれば、温度センサを用いることなく熱自立運転を可能とする燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することができる。

実施例１に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 （ａ）は燃料電池に要求される電気負荷を求める際に実行されるフローチャートの一例を示す図であり、（ｂ）は発電電流とｄＩ算出基準値と指標用積分値との関係を示す図である。 （ａ）は指標用積分値に基づいて燃料利用率を補正する場合に実行されるフローチャートの一例を示す図であり、（ｂ）は燃料電池に要求される要求発電電力と要求発電電流との関係を示すマップの一例であり、（ｃ）は要求発電電流と基本燃料利用率との関係を示す図である。 図２（ｂ）に要求発電電流、判定値および基準値を重ね合わせた関係図の一例である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、燃料ガス供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃料電池６０、電流検知器７０、および熱交換器８０を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。燃料ガス供給部２０は、炭化水素等の燃料ガスを改質部５１に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部３０は、改質部５１における改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質部５１に供給するための改質水ポンプ３２等を含む。

酸化剤ガス供給部４０は、カソード６１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質部５１および燃焼室５２を含む。燃料電池６０は、カソード６１とアノード６２とによって電解質が挟持された構造を有する。電流検知器７０は、燃料電池６０の発電電流を検知するための電流計である。

続いて、燃料電池システム１００の動作の概要を説明する。燃料ガス供給部２０は、制御部１０の指示に従って必要量の燃料ガスを改質部５１に供給する。改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質部５１に供給する。改質部５１は、燃焼室５２で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから水素を生成する。生成された水素は、アノード６２に供給される。

酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０の指示に従って必要量の酸化剤ガスをカソード６１に供給する。それにより、燃料電池６０において発電が行われる。カソード６１から排出されたカソードオフガスおよびアノード６２から排出されたアノードオフガスは、燃焼室５２に流入する。燃焼室５２においては、アノードオフガスがカソードオフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質部５１および燃料電池６０に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、アノードオフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室５２において燃焼させることができる。

熱交換器８０は、燃焼室５２から排出された排気ガスと水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。電流検知器７０は、燃料電池６０の発電電流を検知し、その結果を制御部１０に与える。制御部１０は、電流検知器７０の結果に応じて燃料利用率および酸化剤利用率の少なくとも一方を制御する。

ここで、燃料電池６０の発電に伴う発熱について説明する。燃料電池６０は、発電に伴って熱を発生する。この熱は、燃料電池６０の暖機または温度維持に利用される。したがって、燃料電池６０に要求される電気負荷（燃料電池６０の発電電流、発電電圧、および発電電力）の積分値は、燃料電池６０の温度と相関を有する。

例えば、所定時間内における電気負荷の積分値が大きい場合、燃料電池６０の温度が高くなっている。この場合、燃料電池６０は、十分な余熱を有している。したがって、要求される電気負荷が減少して燃料電池６０の発熱量が減少しても、燃料電池６０は、余熱によって熱自立運転可能である。したがって、燃料電池６０が余熱を有している場合に、燃料ガス供給部２０からの燃料ガス供給量を低減させることによって燃料利用率を上昇させても、燃料電池６０の熱自立運転を維持することができる。この場合、燃料ガスの使用量を低減させることができることから、燃料電池システム１００のシステム効率が向上する。同様に、燃料電池６０が余熱を有している場合に、酸化剤ガス供給部４０からの酸化剤ガス供給量を低減させることによって酸化剤利用率を上昇させた場合、燃料電池システム１００のシステム効率が向上する。

本実施例においては、制御部１０は、所定時間内の燃料電池６０の電気負荷の積分値を指標として、燃料電池６０の熱自立運転を維持しつつ、燃料利用率および酸化剤利用率の少なくとも一方を制御する。本実施例によれば電気負荷の積分値に応じて燃料電池６０の温度を推定することができることから、温度センサを用いる必要がない。したがって、温度センサのコストおよび温度センサの高温耐久性は問題にならない。

以下、電気負荷の積分値に基づいた燃料利用率の制御について説明する。図２（ａ）は、燃料電池６０の電気負荷を求める際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図２（ａ）のフローチャートは、所定の周期（例えば１００ｍｓごと）に実行される。

図２（ａ）に示すように、制御部１０は、電流検知器７０の検知結果に基づいて、燃料電池６０の発電電流I_fcを計測する（ステップＳ１）。次に、制御部１０は、下記式（１）に従って電流差分dIを算出する（ステップＳ２）。なお、下記式（１）において、「I_ref」はdI算出基準値である。dI算出基準値I_refは、例えば、燃料電池６０が発電を継続した場合に熱自立運転可能な最小発電電流値（４．５Ａ程度）である。
dI＝I_fc−I_ref （１）

次に、制御部１０は、下記式（２）に従って、燃料電池６０の負荷分布を判断するための指標用積分値ΣdIを算出する（Ｓ１３）。なお、下記式（２）において、「k_１」は、指標用積分値ΣdIの桁数が膨大にならないように調整するための係数であり、例えば１０００である。
ΣdI＝ΣdI＋dI／k_１ （２）

図２（ｂ）は、発電電流I_fcとdI算出基準値I_refと指標用積分値ΣdIとの関係を示す図である。図２（ｂ）に示すように、発電電流I_fcがdI算出基準値I_refを上回る場合には指標用積分値ΣdIは増加し、発電電流I_fcがdI算出基準値I_refを下回る場合には指標用積分値ΣdIは減少する。

図３（ａ）は、指標用積分値ΣdIに基づいて燃料利用率を補正する場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図３（ａ）に示すように、制御部１０は、燃料電池６０に要求される要求発電電流I_reqが判定値I_req_refを上回るか否かを判定する（ステップＳ１１）。要求発電電流I_reqは、燃料電池６０に要求される要求発電電力から求めることができる。図３（ｂ）は、燃料電池６０に要求される要求発電電力と要求発電電流I_reqとの関係を示すマップの一例である。図３（ｂ）に示すように、要求発電電流I_reqは、要求発電電力の増加に伴って増加する。判定値I_req_refは、燃料利用率を補正するか否かの要否の基準値（例えば３．０Ａ程度）である。

要求発電電流I_reqが判定値I_req_refを上回っていれば、燃料電池６０が高負荷運転を行っていると判定することができる。この場合、燃料利用率の誤補正を防止するために、燃料利用率の補正制御を行わない。したがって、ステップＳ１１において要求発電電流I_reqが判定値I_req_refを上回っていると判定された場合、制御部１０は、燃料利用率Ufを基本燃料利用率Uf_bseに設定する（ステップＳ１２）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。なお、基本燃料利用率Uf_bseとは、燃料電池６０の発電量が一定に維持される場合に熱自立運転を維持することができる燃料利用率のことをいう。

図３（ｃ）は、要求発電電流I_reqと基本燃料利用率Uf_bseとの関係を示す図である。図３（ｃ）に示すように、基本燃料利用率Uf_bseは、要求発電電流I_reqの増加に伴って増加するが、増加率は徐々に減少する。

ステップＳ１１において要求発電電流I_reqが判定値I_req_refを上回っていると判定されなかった場合、制御部１０は、指標用積分値ΣdIが基準値ΣdI_ref以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。基準値ΣdI_refは、燃料利用率Ufが基本燃料利用率Uf_bse以上であっても燃料電池６０が熱自立運転可能であるか否かを判定するための指標である。

したがって、指標用積分値ΣdIが基準値ΣdI_ref以下であれば、燃料電池６０の余熱が十分ではないと判断することができる。そこで、ステップＳ１３において指標用積分値ΣdIが基準値ΣdI_ref以下であると判定された場合、制御部１０は、ステップＳ１２を実行する。それにより、燃料利用率Ufは、基本燃料利用率Uf_bseに設定される。

図４は、図２（ｂ）に、要求発電電流I_req、判定値I_req_refおよび基準値ΣdI_refを重ね合わせた関係図の一例である。

指標用積分値ΣdIが基準値ΣdI_refを上回っていれば、燃料電池６０の余熱が十分であると判断することができる。そこで、図３のステップＳ１３において指標用積分値ΣdIが基準値ΣdI_ref以下であると判定されなかった場合、制御部１０は、下記式（３）に従って、燃料利用率Ufを補正する（ステップＳ１４）。
Uf＝Uf_bse（１＋k_２×（ΣdI−ΣdI_ref）） （３）

この場合、燃料利用率Ufを、より大きい値に補正することができる。したがって、燃料電池６０の熱自立運転を維持しつつ、燃料ガス供給部２０からの燃料ガス供給量を低減させることができる。その結果、燃料電池システム１００のシステム効率を向上させることができる。また、上記式（３）によれば、指標用積分値ΣdIの値が大きいほど燃料利用率Ufが大きくなる。この場合、燃料ガス供給部２０からの燃料ガス供給量を効率良く低減させることができる。

なお、本実施例においては電気負荷として発電電流を採用しているが、発電電圧または発電電力を電気負荷として採用してもよい。また、本実施例においては電気負荷の積分値に応じて燃料利用率を制御しているが、それに限られない。例えば、所定時間内における電気負荷の積分値が所定値以上である場合に電気負荷が減少する場合に、酸化剤利用率を増加させてもよく、燃料利用率および酸化剤利用率の両方を増加させてもよい。

１０ 制御部
２０ 燃料ガス供給部
３０ 改質水供給部
３１ 改質水タンク
３２ 改質水ポンプ
４０ 酸化剤ガス供給部
５０ 改質器
５１ 改質部
５２ 燃焼室
６０ 燃料電池
６１ カソード
６２ アノード
７０ 電流検知器
８０ 熱交換器
１００ 燃料電池システム

Claims (8)

1. 燃料電池の電気負荷の積分値を取得する積分値取得手段と、
   前記積分値取得手段の取得結果に基づいて、前記燃料電池の燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記積分値取得手段によって取得された電気負荷の積分値が所定値以上であれば、前記燃料利用率を、前記燃料電池の熱自立運転可能な基準値以上の値に補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記積分値取得手段によって取得された電気負荷の積分値が大きいほど前記燃料利用率をより大きい値に補正することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記電気負荷は、前記燃料電池の発電電流であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池の電気負荷の積分値を取得する積分値取得ステップと、
   前記積分値取得ステップにおける取得結果に基づいて、前記燃料電池の燃料利用率および酸化剤利用率の少なくともいずれか一方を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
6. 前記制御ステップは、前記積分値取得ステップにおいて取得された電気負荷の積分値が所定値以上であれば、前記燃料利用率を、前記燃料電池の熱自立運転可能な基準値以上の値に補正するステップであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の運転方法。
7. 前記制御ステップは、前記積分値取得ステップにおいて取得された電気負荷の積分値が大きいほど前記燃料利用率をより大きい値に補正するステップであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池の運転方法。
8. 前記電気負荷は、前記燃料電池の発電電流であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。

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