JP2010503951A - 燃料電池システムにおいて改質器の状態を画定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池システム（１０）において改質器（１６）の状態を画定する方法に関する。本発明によれば、改質器（１６）の状態は、アノード効率と相関する１つ又は複数の所定の特性曲線に基づいて画定される。

Description

本発明は、燃料電池システムにおいて改質器の状態を別個に画定する方法に関する。

さらに、本発明は、コントローラを含む燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池システム、たとえば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムが知られており、そこでは、改質器、燃料電池又は燃料電池スタック、及び、アフタバーナが、この順序で互いに結合されている。改質器は、その空気及び燃料の供給を反応させて、水素かつ一酸化炭素ガス又は改質油にする。そして、この改質油は、燃料電池又は燃料電池スタックのアノードに入る。より詳細には、改質油は、アノード入口を介して燃料電池スタックに供給される。アノードでは、改質油（Ｈ_２、ＣＯ）は、電子放出により触媒作用で部分的に酸化し、アノード出口を介して排出される。電子は、燃料電池又は燃料電池スタックから排出され、たとえば電気消費者に流れる。そこから、電子は燃料電池又は燃料電池スタックのカソードに入り、カソード入口に供給されるカソード空気との還元が発生する。この後、カソード排気は、カソード出口を介して放出される。そして、アノード出口とカソード出口の両方から排出される燃料電池スタックの排気ガス（減損改質油）は、ともにアフタバーナに供給される。ここで、減損改質油はアフタバーナの供給空気と反応して、燃焼排気ガスになる。システム変換度を診断するために、たとえばアノード変換度を使用することができる。しかしながら、現時点では、アノード変換度を測定するには、燃料電池又は燃料電池スタックの上流及び下流の改質油のガス分析の複雑な方法に頼らざるを得ない。かかるガス分析の方法を採用することは、不都合なことに非常に費用がかかる。これに加えて、燃料電池システムに組み込まれている構成要素が、どの程度まで経年変化したか又は劣化しているかが、燃料電池システムの変換度に影響を与える可能性があるため、それを診断することが最も重要である。このため、従来技術では、それらを新しい燃料電池システムと比較するために、いわゆる事前定義された電圧・電流特性を利用又は記録する。電圧・電流特性を実際の値と比較することにより、たとえば燃料電池システムの経年変化についての指示を得ることができる。しかしながら、これは、システムの全体としての経年変化の指示のみに関するものであり、たとえば改質器又は燃料電池スタック等、個々のシステム構成要素に関するものではない。特に改質器の状態を診断することが不可能であるため、燃料電池システムに対する破損が、改質器の性能不良によって発生する可能性があり、その結果、全体で燃料電池システムの寿命が短くなる。

したがって、本発明は、改質器の状態の診断が、コスト効率よく可能であるように、一般的な方法及び一般的な燃料電池システムを高度化することを目的とする。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。本発明の有利な態様、及び、さらなる実施形態は従属請求項に示されている。

本発明による方法は、改質器の状態の診断が、アノード変換度と相関する１つ又は複数の事前定義された特性に基づいて行われるという点で、一般的な従来技術に対して高度化されたものである。これにより、燃料電池システムの継続中の動作において、改質器の誤動作の可能性を別個にコスト効率よく診断し、画定することが可能となる。さらに、アノード変換度の関数としてのこの種の診断は、燃料電池スタックのいかなる経年変化又は劣化からも独立している。

本発明による方法は、事前定義された特性が、さらに燃料電池又は燃料電池スタックから排出される電流に相関するという点で有利に高度化され得る。

さらに、本発明による方法は、事前定義された特性が、改質器の事前定義された各動作点に対して記憶される点で達成され得る。

この文脈において、本発明による方法は、改質器の事前定義された各動作点が、改質器の改質器ガスの空気比と改質器における温度の少なくとも一つの要素によって定義されるように行われる。

さらに、本発明による方法は、改質器状態の診断が、所定の電流ドレインにおける改質器の事前定義された動作点に対する事前定義された特性のアノード変換度と実際のアノード変換度とを比較することによって得られるという点で高度化される。これにより、継続中の動作において改質器の機能を連続的にマップすることが可能になり、改質器の誤動作からの安全性が向上する。

同様に、本発明による燃料電池システムに、本発明による方法を実施するために適しているコントローラが設けられる。これにより、本発明による方法に関連して説明した特性及び利点が、同じか又は同程度までもたらされる。したがって、冗長な繰返しを回避するために、本発明による方法についてのこれに関する説明を参照する。

ここで、添付図面を参照して、特に好ましい実施形態により、本発明を詳述する。

本発明による燃料電池システムの概略図である。

ここで、図１を参照すると、本発明による燃料電池システム１０の概略図が示されている。図示するような場合、燃料電池システム１０は、燃料供給のための上流燃料供給器１２と、空気供給のための上流空気供給器１４とに結合された改質器１６を備えている。改質器１６は、下流燃料電池スタック２０に結合されている。燃料電池スタック２０は、この場合、複数の燃料電池を備えている。しかしながら、別法として、燃料電池スタック２０の代りに、単一の燃料電池のみを設けてもよい。特に、改質器１６は、燃料電池スタック２０のアノードに結合されている。さらに、燃料電池スタック２０は、カソード空気供給器１８に結合されており、それは、燃料電池スタック２０のカソードにカソード空気を供給する。さらに、燃料電池スタック２０はアフタバーナ２４に結合されており、それは、この実施形態例では燃料電池スタック２０のアノード及びカソードの両方から生じる排気ガスの供給を受ける。さらに、アフタバーナ２４には、アフタバーナ空気供給器２２が結合されており、それを介してアフタバーナ２４は、アフタバーナ空気の供給を受ける。燃料電池システム１０には、コントローラ２６が割り当てられている。改質器１６の改質器ガスの空気比を得るために、改質器にラムダセンサ３４が設けられており、それにコントローラ２６が結合されている。同様に、アフタバーナ２４のアフタバーナ排気ガスの酸素含有量又は酸素流量比を検知するために、アフタバーナ２４にさらなるラムダセンサ３２が設けられている。アフタバーナ２４に供給される空気体積流量を検知するために、アフタバーナ空気供給器２２とアフタバーナ２４との間に流量計３０が配置されている。

動作時、コントローラ２６は、以下のように本発明による方法を実行することにより、アノード変換度をマップする。アノード変換度は、アノードに供給される燃焼ガスに対するアノードが反応させる燃焼ガスの比として定義され、以下のように公式化することができる。

ここで、Ｎは燃料電池スタックの燃料電池の数であり、ＦはＡｓ／モルでのファラデー定数であり、

は、アノードに入るモル／秒でのＨ_２、ＣＯ及び燃料のモル流の和であり、項

は、アノードから出るモル／秒でのＨ_２、ＣＯ及び燃料の和である。コントローラ２６がアノード変換度をマップすることができるように、燃料電池スタック２０の電流Ｉを検知する必要がある。電流Ｉは、いかなる追加の燃料、特にディーゼルもアフタバーナ２４に供給されない時に検知されることが好ましい。電流Ｉを検知するため、コントローラ２６は、燃料電池スタック２０に適切に接続されて、燃料電池スタック２０の電流を検知する電流計２８を特徴として備えている。燃料電池スタック２０の電流を検知することができる場合、アノード変換度Ｘ_Ａを計算するために、項

をマップすることが、さらに必要である。この項を、特に、以下のような空気比の定義に従って書くことができる。

ここで、

は、アフタバーナ空気供給器２２からアフタバーナ２４に入るＮｌ／秒での空気体積流量であり、λ_ＮＢは、アフタバーナ２４のアフタバーナ排気ガスの空気比又はラムダ数であり、Ｖ_{ｍ，ａｉｒ}は、Ｎｌ／モルでの空気のモル体積である。空気のモル体積は既知であり、たとえば、空気の所定の体積とともにモル質量から得ることができる。コントローラ２６は、流量計３０によって、アフタバーナ２４に供給される空気体積流量を検出する。そして、さらに、コントローラ２６によりアフタバーナ２４のアフタバーナ排気ガスの空気比を計算する必要がある。アフタバーナ排気ガスの空気比は、超化学量論的燃焼に対して導出可能な以下の式によって得られる。

この式において、項φ^{Ａ，ｏｕｔ}（Ｈ_２，ＣＯ）は、アノード出口におけるＨ_２及びＣＯの体積比、言い換えれば、アノードを出るガスの体積比であり、φ_ＮＢ（Ｏ_２）は、アフタバーナ排気ガスにおけるＯ_２の体積比である。アフタバーナ排気ガスにおけるＯ_２の体積比を得るために、コントローラ２６は、アフタバーナ２４に設けられているラムダセンサ３２に結合されている。アノード出口におけるＨ_２及びＣＯの体積比を得るために、コントローラ２６は、アノードを出るアノード排気ガスにおける燃焼ガスの比に対して以下の式を使用する。

ここで、φ^Ａ，ｉｎ（Ｈ_２，ＣＯ）は改質器１６からアノードに供給されるＨ_２及びＣＯを含むガスの体積比又は体積率、すなわち、改質油におけるＨ_２及びＣＯの比であり、

は、燃料電池スタック２０において変換されたＨ_２及びＣＯの体積比である。より詳細には、式

は、アノード入口においてアノードに供給される総モル流量に関連する。
φ^Ａ，ｉｎ（Ｈ_２，ＣＯ）を得るために、コントローラ２６は、改質器ラムダ又は改質器１６の改質器ガスの空気比の関数として経験的に確立された特性を使用し、

を画定する。ここで、ｂ_ｉは、経験的に確立された事前定義された係数である。改質器ガスの空気比を得るために、コントローラ２６は、改質器１６に設けられているラムダセンサ３４に結合されている。同様に、アノードに入る総モル流量

を得るために、コントローラ２６は以下の式を使用する。

係数ｂ_ｉに類似して、この場合、係数ａ_ｉもまた経験的に確立される。経験的に得られるこれら係数により、対応する計算で使用される特性を生成することができることが特に可能である。さらに、

は、改質器１６に供給されるガスの総モル流量に対する表記である。この式を、改質器に入る必要な総モル流量

を計算するために以下の式によって導出することができる。

ここで、ｎは、使用され又は改質器に供給される燃料の炭素比であり、ｍはかかる燃料の水素比である。さらに、Ｐ_Ｒｅｆはワットでの改質器出力であり、ｈ_{ｕ，ｆｕｅｌ}は、Ｊ／ｋｇでの燃料の下方の所定の発熱量であり、Ｍ_ｆｕｅｌは燃料のモル質量であり、これら変数はすべて既知である。したがって、上述したような要件が満足される場合、コントローラ２６によってアノード変換度を推定することができる。それは、この目的に必要なすべての変数が、検知されるか、又は、上述したように、コントローラ２６によりさらなる式を用いて導出されるためである。

さらなるステップにおいて、アノード変換度は、改質器１６の経年変化又は劣化をマップする役割を果たすことができる。それをマップするために、まず、改質器１６の所定の事前定義された動作点に対して、アノード変換度の事前定義された特性図を生成する必要がある。この場合、たとえば、新しい改質器１６を用いて特性図が取得される。新しい改質器１６の動作点を定義するために、改質器ガスの空気比と新しい改質器１６における温度とが、事前定義された値で一定に維持されることが好ましい。さらに、事前定義された電流が、燃料電池スタック２０から排出され検知される。その結果として、新しい改質器１６は、以下の式によって与えられる対応する燃焼ガスモル流量を提供する。

新しい改質器１６のこの動作点に対して、上述したようにアノード変換度を別個に検知し計算することができる。そして、改質器１６のこの動作点に対するアノード変換度の特性図は、引き出される電流を変化させることによって具体化する。それにより、改質器１６のさまざまな事前定義された動作点に対する多くの特性図をマップし、たとえばコントローラ２６のメモリに保存することができる。アノード変換度の保存された特性図が、新しい改質器１６の事前定義された動作点に対して引き出される電流の関数として既知となると、経年変化した改質器１６が同じ動作点で動作している場合、これら特性図からのいかなるずれも、経年変化したか又は劣化した改質器１６の劣化又は経年変化として「認識する」ことができる。

上記説明及び図面において開示されかつ請求項に記載されている本発明の特徴は、本発明を単独又は任意の組合せの両方で達成する上で不可欠であり得るということが理解される。

１０…燃料電池システム、１２…燃料供給器、１４…空気供給器、１６…改質器、１８…カソード空気供給器、２０…燃料電池スタック、２２…アフタバーナ空気供給器、２４…アフタバーナ、２６…コントローラ、２８…電流計、３０…流量計、３２…ラムダセンサ、３４…ラムダセンサ

Claims (6)

1. 燃料電池システムにおける改質器（１６）の状態を診断する方法であって、前記改質器（１６）の状態の診断が、アノード変換度と相関する１つ又は複数の事前定義された特性に基づいて行われることを特徴とする、燃料電池システムにおける改質器の状態を診断する方法。
2. 前記事前定義された特性が、さらに燃料電池又は燃料電池スタック（２０）から引き出される電流と相関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における改質器の状態を診断する方法。
3. 前記事前定義された特性が、前記改質器（１６）の事前定義された各動作点に対して記憶され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における改質器の状態を診断する方法。
4. 前記改質器（１６）の前記事前定義された各動作点が、前記改質器（１６）の改質器ガスの空気比と前記改質器（１６）の温度との少なくとも１つの要素によって定義され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における改質器の状態を診断する方法。
5. 前記改質器（１６）の状態の診断が、引き出される所定電流における前記改質器（１６）の事前定義された動作点に対する事前定義された特性のアノード変換度を、実際のアノード変換度と比較することによって得られることを特徴とする、請求項３又は４に記載の燃料電池システムにおける改質器の状態を診断する方法。
6. 燃料電池システム（１０）であって、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法を実行するために適しているコントローラ（２６）を有する燃料電池システム。

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