JP2012142213A

JP2012142213A - 燃料電池発電システムおよびその試験方法

Info

Publication number: JP2012142213A
Application number: JP2011000327A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Sanagi; 徳寿佐薙
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2012-07-26

Abstract

【課題】試験運転における起動開始から状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に整定状態における状態量の健全性を判定し、試験時間を短縮することである。
【解決手段】燃料電池発電システムは、原燃料ガスを取り入れて水素の含有率を高めた改質燃料ガスを発生させる改質器１０を含む燃料処理装置１１と、改質燃料ガスおよび酸化剤ガスを取り入れてそれらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池本体１２と、起動開始から所定の状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に、整定到達時前の所定の時点における所定の状態量に基づいて、整定状態における所定の状態量を予測する予測部１７と、整定到達時前に、予測部により予測された整定状態における所定の状態量に基づいて、整定状態における所定の状態量の健全性を判定する判定部１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムおよびその試験方法に関し、特に、より短時間で試験可能な燃料電池発電システムおよびその試験方法に関する。

一般的に、燃料電池発電システムを工場から出荷する前に、実際に定格発電電力で試験運転させる。従来の燃料電池発電システムでは、起動を開始させ発電電力を定格発電電力に到達させて、状態量が整定に到達して燃料電池発電システムが整定状態になったときに、整定状態における状態量の健全性を判定する（非特許文献１）。

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従来の燃料電池発電システムでは、起動開始時から状態量の整定到達時までの時間が経過してから整定状態における状態量の健全性を判定する必要があるため、試験時間が増大していた。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池発電システムの試験運転における起動開始から状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に整定状態における状態量の健全性を判定し、試験時間を短縮することである。

上述の課題を達成するため、本発明に係る燃料電池発電システムは、原燃料ガスを取り入れて水素の含有率を高めた改質燃料ガスを発生させる改質器を含む燃料処理装置と、前記改質燃料ガスおよび酸化剤ガスを取り入れてそれらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池本体と、起動開始から所定の状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に、整定到達時前の所定の時点における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量を予測する予測部と、整定到達時前に、前記予測部により予測された整定状態における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量の健全性を判定する判定部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電システムの試験方法は、原燃料ガスを取り入れて水素の含有率を高めた改質燃料ガスを発生させる改質器を含む燃料処理装置と、前記改質燃料ガスおよび酸化剤ガスを取り入れてそれらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池本体と、を有する燃料電池発電システムの試験方法において、起動開始から所定の状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に、整定到達時前の所定の時点における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量を予測する予測ステップと、整定到達時前に、前記予測ステップにより予測された整定状態における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量の健全性を判定する判定ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電システムの試験運転における起動開始から状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に整定状態における状態量の健全性を判定し、試験時間を短縮することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態の全体構成を示すブロック図である。時間の経過に伴う燃料電池発電システムの状態の推移と改質器の温度との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態の全体構成を示すブロック図である。

図１において、燃料電池発電システムは、原燃料ガスを取り入れて水素の含有率を高めた改質燃料ガスを発生させる改質器１０を含む燃料処理装置１１と、改質燃料ガスおよび酸化剤ガスを取り入れてそれらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池本体１２とを備える。燃料処理装置１１は、一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器１３および一酸化炭素除去器１４を備える。

また、燃料電池発電システムは、改質器１０に設けられ改質器１０の温度を検出する温度検出器１５を備える。さらに、燃料電池発電システムは、燃料処理装置１１および燃料電池本体１２を含む各種機器を制御する制御装置１６を有し、制御装置１６は後述する予測部１７と判定部１８とを備える。

燃料電池発電システムが発電しているときは、改質器１０に原燃料ガスが供給され、改質器１０は原燃料ガスを改質して改質燃料ガスを発生させる。続いて、改質燃料ガスは一酸化炭素変成器１３および一酸化炭素除去器１４に順次供給され、改質燃料ガスの一酸化炭素の濃度が低下する。その後、改質燃料ガスは燃料電池本体１２のアノードへ供給される。なお、原燃料ガスは、例えば、都市ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）等である。

図２は時間の経過に伴う燃料電池発電システムの状態の推移と改質器１０の温度との関係の一例を示すグラフである。

図２において、燃料電池発電システムは、起動を開始すると（起動開始時）、燃料電池発電システムが発電を停止している停止状態から、燃料電池本体１２の温度が時間の経過とともに上昇する昇温状態に移行する。燃料電池発電システムが停止状態である場合において、改質器１０の温度は一定であるが、燃料電池発電システムが昇温状態に移行すると、改質器１０の温度は停止状態における改質器１０の温度から時間の経過とともに上昇する。

次に、燃料電池発電システムは、発電を開始すると（発電開始時）、発電電力が時間の経過とともに上昇する発電電力上昇状態へ移行する。この場合において、燃料電池発電システムが試験運転をするときは、制御装置１６からの発電電力指令値を定格発電電力とすることが一般的であり、発電電力は発電電力変化レートで上昇し、定格発電電力に到達する。燃料電池発電システムが発電電力上昇状態である場合において、改質器１０の温度は、発電開始時における改質器１０の温度からさらに時間の経過とともに上昇する。

続いて、燃料電池発電システムは、発電電力が定格発電電力に到達すると（定格発電電力到達時）、改質器１０の温度が整定している整定状態への推移途中である整定待ち状態に移行し、引き続き、改質器１０の温度が整定に到達して（整定到達時）、整定状態に移行する。整定待ち状態の時間の長さは状態量によって異なる。状態量は、燃料電池発電システム内の原燃料ガスおよび改質燃料ガスの特性だけでなく、燃料電池発電システム自体の特性および燃料電池発電システム外の環境の特性を含むものとする。状態量は、例えば、燃料電池本体１２の発電電圧、原燃料ガスの流量、改質燃料ガスの流量、燃料処理装置１１の温度もしくは圧力または外気温度である。

定格発電電力到達時の後、予測部１７は、整定到達時前に、予測部１７に設定された予測関係を用いることにより、定格発電電力到達時における温度検出器１５の出力である改質器１０の温度に基づいて、整定状態における改質器１０の温度を予測して、この予測された整定状態における改質器１０の温度を判定部１８に入力する。判定部１８は、整定到達時前に、予測部１７により予測された整定状態における改質器１０の温度と判定部１８に設定された基準温度とを比較して、整定状態における改質器１０の温度の健全性を判定する。

予測関係は、燃料電池発電システムが正常状態である場合において、定格発電電力到達時等の整定到達時前における改質器１０の温度に基づいて整定状態における改質器１０の温度を予測する関係であり、これらの温度は健全性を有する。基準温度は、燃料電池発電システムが正常状態である場合において、整定状態における改質器１０の温度であり、健全性を有する。

予測関係および基準温度は実測結果により求められる。実際に、正常状態である燃料電池発電システムを起動開始から改質器１０の温度の整定到達まで動作させて、定格発電電力到達時における改質器１０の温度および整定状態における改質器１０の温度を測定して、この測定結果に基づいて予測関係および基準温度を求める。また、熱物質収支計算により予測関係および基準温度を求めてもよい。

上記の実施形態によれば、試験運転における起動開始から状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に整定状態における状態量の健全性を判定することができる。これにより、試験時間を短縮することができる。

上記の実施形態は、単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、上記の実施形態における燃料電池発電システムでは、定格発電電力到達時における改質器１０の温度に基づいて予測された整定状態における改質器１０の温度に基づいて、整定状態における改質器１０の温度の健全性を判定しており、予測を行なう時点は定格発電電力到達時であるが、整定到達時前であればよく、例えば、発電開始時であってもよい。この場合、整定状態における状態量の健全性をさらに早く判定することができる。

また、予測および判定において対象となる状態量は改質器１０の温度であるが、燃料電池本体１２の発電電圧、原燃料ガスの流量、改質燃料ガスの流量、改質器１０以外の燃料処理装置１１の温度および燃料処理装置内の圧力のいずれか一つであってもよい。

上記の実施形態における燃料電池発電システムでは、整定到達時前における一つの状態量に基づいて予測された整定状態における当該一つの状態量に基づいて、整定状態における当該一つの状態量の健全性を判定しているが、整定到達時前における一つの状態量に基づいて整定状態における別の一つの状態量の健全性を判定してもよい。また、整定到達時前における複数の状態量に基づいて整定状態における別の一つの状態量の健全性を判定してもよい。

さらに、整定到達時前における複数の状態量に基づいて整定状態における当該複数の状態量のいずれか一つの健全性を判定してもよい。例えば、整定到達時前における改質器１０の温度と外気温度との両方に基づいて整定状態における改質器１０の温度の健全性を判定してもよい。この場合、整定状態における状態量の健全性をさらに正確に判定することができる。

１０ … 改質器
１１ … 燃料処理装置
１２ … 燃料電池本体
１３ … 一酸化炭素変成器
１４ … 一酸化炭素除去器
１５ … 温度検出器
１６ … 制御装置
１７ … 予測部
１８ … 判定部

Claims

原燃料ガスを取り入れて水素の含有率を高めた改質燃料ガスを発生させる改質器を含む燃料処理装置と、
前記改質燃料ガスおよび酸化剤ガスを取り入れてそれらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池本体と、
起動開始から所定の状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に、整定到達時前の所定の時点における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量を予測する予測部と、
整定到達時前に、前記予測部により予測された整定状態における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量の健全性を判定する判定部と、
を備えること、を特徴とする燃料電池発電システム。
前記整定到達時前の所定の時点は、定格発電電力到達時および発電開始時のどちらか一つであること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記所定の状態量は、前記燃料電池本体の発電電圧、前記原燃料ガスの流量、前記改質燃料ガスの流量、前記燃料処理装置の温度および前記燃料処理装置内の圧力のいずれか一つであること、を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
原燃料ガスを取り入れて水素の含有率を高めた改質燃料ガスを発生させる改質器を含む燃料処理装置と、
前記改質燃料ガスおよび酸化剤ガスを取り入れてそれらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池本体と、
を有する燃料電池発電システムの試験方法において、
起動開始から所定の状態量の整定到達までの過程で、整定到達時前に、整定到達時前の所定の時点における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量を予測する予測ステップと、
整定到達時前に、前記予測ステップにより予測された整定状態における前記所定の状態量に基づいて、整定状態における前記所定の状態量の健全性を判定する判定ステップと、
を備えること、を特徴とする燃料電池発電システムの試験方法。
前記整定到達時前の所定の時点は、定格発電電力到達時および発電開始時のどちらか一つであること、を特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システムの試験方法。
前記所定の状態量は、前記燃料電池本体の発電電圧、前記原燃料ガスの流量、前記改質燃料ガスの流量、前記燃料処理装置の温度および前記燃料処理装置内の圧力のいずれか一つであること、を特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池発電システムの試験方法。