JP2012216406A - 燃料電池システム - Google Patents

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Masami Hamaso
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Abstract

【課題】改質燃料ガス中に含まれる水素に起因する燃料電池の性能低下を抑えることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガス供給手段15からの原燃料ガスを改質するための改質器10と、改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池4と、燃料電池4での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて改質器10を加熱するための燃焼手段36と、原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段52と、燃料電池4の出力電流を検知するための電流検知手段56と、燃料電池4を制御するための制御手段50と、を備え、燃料電池4の所定出力時において、流量検知手段52の検知流量が所定出力に対応する設定流量値を超え且つ電流検知手段56の検知電流が所定出力に対応する設定電流値を超えると、制御手段50は、燃料電池4の出力電力を抑制制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、原燃料ガスを改質した改質燃料ガスを用いて発電を行い、発電後の反応燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱するようにした燃料電池システムに関する。
燃料電池システムの一例として、原燃料ガスを改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、改質器を加熱するための燃焼手段と、燃料電池の発電出力を制御するための制御手段と、を備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池システムでは、原燃料ガスが改質器において改質され、改質器にて改質された改質燃料ガスが燃料電池の燃料極側に供給され、酸化剤供給手段(例えば、空気ブロア)からの空気(酸化剤)が燃料電池の空気極側に供給される。燃料電池においては、改質器からの改質燃料ガスの酸化と酸化剤供給手段からの酸化剤の還元によって発電が行われる。燃料電池の燃料極側からの反応燃料ガスは、燃焼手段に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器が加熱されて改質が行われる。
特開2007−220620号公報
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、経時的変化、一時的な外部要因などによって、燃料電池の発電性能の低下、補機動力の上昇などが生じることがある。このような場合、燃料電池の定格発電運転中においては、定格発電電力を得るために、燃料電池に流れる電流(換言すると、燃料電池の出力電流)が上昇するようになる。
このように燃料電池の出力電流が増大すると、改質燃料ガス中に含まれる水素の消費量が多くなり、これによって、燃焼手段に送給される反応燃料ガス中に含まれる燃料ガス(燃焼に用いられるガス)の量が少なくなる。このように燃料ガスの送給量が少なくなると、燃焼手段の燃焼熱量が低下し、これによって、改質器の温度低下が生じるおそれがある。改質器の温度低下が生じると、改質器における原燃料ガスの改質が進まず、水素の生成効率が低下し、改質燃料ガス中の水素の含有量が少なくなる。その結果、燃料電池の燃料極側における水素利用率が上昇し、その燃料極側において一時的に水素欠乏状態が生じ、燃料電池の性能低下が急激に進行するおそれがある。
本発明の目的は、改質燃料ガス中に含まれる水素の水素利用率に着目し、この水素利用率に起因する燃料電池の性能低下を抑えることができる燃料電池システムを提供することである。
本発明の請求項1に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超えているときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。
また、本発明の請求項2に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。
また、本発明の請求項3に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。
また、本発明の請求項4に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。
更に、本発明の請求項5に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、通常モードと出力抑制モードとを設定可能である稼働モード設定手段を含んでおり、前記制御手段が前記異常状態と判定したときに、前記稼働モード設定手段は、前記通常モードから前記出力抑制モードに切り換えて前記燃料電池の出力電力を所定値低下させることを特徴とする。
本発明の請求項1に記載の燃料電池システムによれば、流量検知手段は、燃料ガス供給手段から改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知し、電流検知手段は、燃料電池の出力電流を検知する。そして、燃料電池の所定出力(例えば、定格出力)時において、流量検知手段の検知流量がこの所定出力(例えば、定格出力)に対応する設定流量値を超えている状態で且つ電流検知手段の検知電流がこの所定出力に対応する設定電流値を超えるときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。流量検知手段の検知流量が所定出力に対応する設定流量値を超えるということは、原燃料ガスが改質器に過剰に供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池への水素供給流量は増大しておらず、また電流検知手段の検知電流がこの所定出力に対応する設定電流値を超えるということは、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が多いということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。尚、「水素利用率」とは、燃料電池の燃料極側に供給される改質燃料ガス中に含まれた水素の供給量に対する燃料電池の燃料極側において発電に寄与して消費された水素の消費量の比率(水素利用率=水素の消費量/水素の供給量)をいう。
また、本発明の請求項2に記載の燃料電池システムによれば、流量検知手段は、燃料ガス供給手段から改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知し、温度検知手段は、改質器の温度を検知する。そして、燃料電池の所定出力(例えば、定格出力)時において、流量検知手段の検知流量がこの所定出力(例えば、定格出力)に対応する設定流量値を超える状態で且つ温度検知手段の検知温度が設定温度より低いときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。流量検知手段の検知流量が所定出力に対応する設定流量値を超えるということは、原燃料ガスが改質器に過剰に供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池への水素供給流量は増大しておらず、また温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いということは、改質器において充分な水蒸気改質が行われておらず、燃料電池の燃料極側に充分な水素が供給されていないということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。
また、本発明の請求項3に記載の燃料電池システムによれば、電流検知手段は、燃料電池の出力電流を検知し、温度検知手段は、改質器の温度を検知する。そして、燃料電池の所定出力(例えば、定格出力)時において、電流検知手段の検知電流がこの所定出力(例えば、定格出力)に対応する設定電流値を超える状態で且つ温度検知手段の検知温度が設定温度より低いときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。電流検知手段の検知電流が所定出力(例えば、定格出力)に対応する設定電流値を超えるということは、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が多いということであり、また温度検知手段の検知温度が設定温度値以下であるということは、改質器において充分な水蒸気改質が行われておらず、燃料電池の燃料極側に充分な水素が供給されていないということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素の消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。
また、本発明の請求項4に記載の燃料電池システムによれば、電流検知手段は燃料電池の出力電流を検知し、流量検知手段は、改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知し、また温度検知手段は、改質器の温度を検知する。そして、燃料電池の所定出力(例えば、定格出力)時において、流量検知手段の検知流量がこの所定出力(例えば、定格出力)に対応する設定流量値を超える状態で、電流検知手段の検知電流がこの所定出力に対応する設定電流値を超える状態で且つ温度検知手段の検知温度が設定温度より低いときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。燃料電池の所定出力(例えば、定格出力)時において、流量検知手段の検知流量が設定流量値を超えるということは、改質器に過剰に原燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池への水素供給流量は増大しておらず、電流検知手段の検知電流が所定出力に対応する設定電流値を超えるということは、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が多いということであり、また温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いということは、改質器において充分な水蒸気改質が行われておらず、燃料電池の燃料極側に充分な水素が供給されていないということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素の消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。
また、本発明の請求項5に記載の燃料電池システムによれば、制御手段が異常状態と判定すると、稼働モード設定手段は出力抑制モードに切り換え、燃料電池の出力電力が所定値低下されるので、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が少なくなり、これによって、燃料極側において水素欠乏状態になることを抑えることができる。
本発明に従う燃料電池システムの第1の実施形態を示す簡略図。 図1の燃料電池システムにおける制御系を示すブロック図。 図2の制御系による制御の流れを示すフローチャート。 原燃料ガスの供給流量と燃料電池の燃料極側に供給される水素供給流量との関係を示す図。 燃料電池の出力電流と燃料電池の燃料極側における水素消費量との関係を示す図。 改質器の温度と燃料電池の燃料極側への水素供給流量との関係を示す図。 本発明に従う燃料電池システムの第2の実施形態の制御系示すブロック図。 図7の制御系による制御の流れを示すフローチャート。 本発明に従う燃料電池システムの第3の実施形態の制御系示すブロック図。 図9の制御系による制御の流れを示すフローチャート。
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの種々の実施形態について説明する。まず、図1〜図3を参照して、第1の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
図1において、図示の燃料電池システムは、原燃料ガスを改質するための燃料改質装置2と、発電を行うための燃料電池4とを備えている。図示の燃料改質装置2は、改質器10、一酸化炭素変成器12及び一酸化炭素除去器14を含んでいる。改質器10は、原燃料ガスを後述するように水蒸気改質し、一酸化炭素変成器12は、水蒸気改質された改質燃料ガスに含まれる一酸化炭素を触媒により水素と二酸化炭素に変成し、また一酸化炭素除去器14は、改質燃料ガス中の一酸化炭素と空気とを触媒により反応させて二酸化炭素を生成する。
この燃料改質装置2は、原燃料ガス供給流路16を介して燃料ガス供給源17(例えば、ガスボンベ、埋設管など)に接続され、この原燃料ガス供給流路16に燃料ガスポンプ18及び脱硫器19が配設されている。燃料ガスポンプ18は、原燃料ガス供給流路16を流れる原燃料ガスを昇圧して下流側に送給し、脱硫器19は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する。このように構成されているので、燃料ガス供給源17、原燃料ガス供給流路16及び燃料ガスポンプ18は、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段15を構成し、この燃料ガスポンプ18の作用によって、原燃料ガス供給源17からの原燃料ガス(例えば、都市ガス、LPガスなど)が原燃料ガス供給流路16を通して脱硫器19に送給され、この脱硫器19にて硫黄成分が除去された後に燃料改質装置2(改質器10)に送給される。例えば、上述した実施形態では、脱硫器19を燃料改質装置2の外部に配設しているが、この燃料改質装置2の内部に配設するようにしてもよい。
燃料改質装置2においては、改質器10、一酸化炭素変成器12及び一酸化炭素除去器14がこの順で配設され、これらが燃料ガス改質流路20を介して接続されている。原燃料ガス供給流路16を通して供給された原燃料ガスは、燃料ガス改質流路20を通して流れ、この燃料ガス改質流路20を流れる間に水蒸気改質されて燃料電池4に送給される。改質器10においては、原燃料ガスが水蒸気改質され、一酸化炭素変成器12において、水蒸気改質された改質燃料ガス中の一酸化炭素が変成され、更に一酸化炭素除去器14において、変成された改質燃料ガス中の一酸化炭素が除去され、このようにして改質された改質燃料ガスが、燃料電池4に送給される。尚、燃料ガス改質流路20には一酸化炭素除去用空気送給流路21が接続され、一酸化炭素除去用空気ブロア23によって、大気中の空気が一酸化炭素除去用空気送給流路21を通して燃料ガス改質流路20に送給され、かく送給される空気(一酸化炭素除去用空気)を用いて一酸化炭素除去器14において一酸化炭素の除去が行われる。
燃料電池4は、例えば固体分子形燃料電池から構成され、水素イオンを伝導する電解質膜25を備え、この電解質膜25の片側(図1において左側)に燃料極(図示せず)が設けられ、その他側(図1において右側)に空気極(図示せず)が設けられている。燃料電池4の燃料極側22は、改質燃料ガス送給流路26を介して燃料改質装置2(この形態では、一酸化炭素除去器14)に接続され、その空気極側24は、空気供給流路28に接続され、この空気供給流路28に空気ブロア30が配設されている。
このように構成されているので、燃料改質装置2からの改質燃料ガスは、改質燃料ガス送給流路26を通して燃料電池4の燃料極側22に送給され、また空気ブロア30からの空気は、空気供給流路28を通して燃料電池4の空気極側24に送給され、燃料電池4の電解質膜25を通しての水素イオンの移動により、燃料極側22における酸化及び空気極側24における還元によって発電が行われる。
燃料電池4の発電電力は、電力出力ライン27を介してインバータ29に出力される。インバータ29は、燃料電池4からの出力電力(直流電力)を所定の交流電力に変換し、インバータ29にて変換された交流電力が、例えば家庭用電力ライン31を介して電力負荷(各種の電気機器であって、電灯、テレビ、冷蔵庫など)に供給される。
燃料電池4の燃料極側22からの反応燃料ガス(燃料極側22で消費されなかった水素を含む)は、反応燃料ガス送給流路34を通して燃料改質装置2に送給され、燃料電池4の空気極側24からの排気ガスは、第1排気流路33を通して大気に排出される。
燃料改質装置2は、改質器10に関連して設けられた燃焼手段36を含み、この燃焼手段36が燃焼バーナから構成され、燃料電池4からの反応燃料ガス送給流路34が燃焼手段36に接続されている。この燃焼手段36には、燃焼用空気を供給するための燃焼空気供給流路38及び排気ガスを排出するための第2排気流路44が接続され、この燃料空気供給流路38に燃焼空気ブロア40が配設されている。また、原燃料ガス供給流路16(燃料ガスポンプ18の配設部位よりも下流側の部位)には、燃料ガス分岐流路42が設けられ、この燃料ガス分岐流路42が反応燃料ガス送給流路34に接続されている。更に、原燃料ガス供給流路16の下流側部(具体的には、脱硫器19と改質器10との間の部位)には、改質用の水を供給する水供給流路35が接続され、この水供給流路35に水ポンプ37が配設されている。尚、この実施形態では、原燃料ガスの一部を燃焼手段36に送給するための燃料ガス分岐流路42を設けているが、このような燃料ガス分岐流路42を省略することもできる。
このように構成されているので、水ポンプ37の作用によって、改質用の水が水供給流路35を通して改質器10に供給され、また原燃料ガス供給流路16を通して上述したように改質器10に原燃料ガスが供給される。更に、燃料電池4の燃料極側22からの反応燃料ガスが、反応燃料ガス送給流路34を通して燃焼手段36に送給され、この送給の際に、原燃料ガス供給流路16を通して供給される原燃料ガスの一部が、燃料ガス分岐流路42を通して、反応燃料ガス送給流路34を流れる反応燃料ガスに混合され、かく混合された混合燃料ガスが燃焼手段36に送給される。また、燃焼空気ブロア40の作用によって、大気中の空気が燃焼空気供給流路38を通して燃焼手段36に供給され、この燃焼用空気を用いて、反応燃料ガス送給流路34を通して送給される混合燃料ガスが、燃焼手段36にて燃焼され、その燃焼排気ガスが第2排気流路44を通して大気に排出される。燃焼手段36の燃焼熱は、改質器10の加熱に用いられ、改質器10において原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。尚、この形態では、改質用の水を水供給流路35を通して原燃料ガス供給流路16の下流側部に供給しているが、このような構成に代えて、水供給流路35を改質器10に接続し、改質用の水を改質器10に直接的に供給するようにしてもよい。
このような燃料電池システムにおいては、改質器10に供給される原燃料ガスの供給流量と燃料電池4の燃料極側22への水素供給量とは、図4に示すような関係がある。即ち、原燃料ガスの供給流量が増加すると、燃料電池4の燃料極側22に供給される水素供給流量は増大する一方、その供給流量が減少すると、燃料電池4の燃料極側22に供給される水素供給流量は減少する。

また、燃料電池の出力電流と燃料電池4の燃料極側22における水素消費量とは、図5に示す関係がある。即ち、燃料電池4の燃料極側22における水素消費量が増大すると、燃料電池4の出力電流は上昇する一方、この水素消費量が減少すると、燃料電池4の出力電流は低下する。
更に、改質器10の温度と燃料電池4の燃料極側22への水素供給流量との関係は、図6に示すような関係がある。即ち、改質器10の温度が上昇すると、改質器10における水蒸気改質が促進されて燃料電池4の燃料極側22に供給される水素の供給流量が増大する一方、改質器10の温度が下がると、この水蒸気改質が行われ難くなって燃料電池4の燃料極側22に供給される水素の供給流量が減少する。
この第1の実施形態の燃料電池システムでは、これら三つの関係のうち図4に示す関係を用いて次のように運転制御される。
図1とともに図2を参照して更に説明すると、原燃料ガス供給流路16には、流量検知手段52が配設されている。この流量検知手段52は、例えば流量センサなどから構成され、原燃料ガス供給流路16を通して供給される原燃料ガスの流量を検知する。また、燃料電池4の電力出力ライン27には、電流検知手段56が配設されている。この電流検知手段56は、例えば電流計などから構成され、燃料電池4からの出力電流を検知する。
この燃料電池システムは、システムを運転制御するための制御手段50を備え、この制御手段50は、例えばマイクロプロセッサから構成され、流量検知手段52及び電流検知手段56からの検知信号は、この制御手段50に送給され、制御手段50は、流量検知手段52の検知流量及び電流検知手段56の検知電流に基づいて、燃料電池システム(燃料ガスポンプ18、空気ブロア30、水ポンプ37など)を後述するように作動制御する。
この実施形態においては、制御手段50は、作動制御手段62、異常判定手段64、稼働モード設定手段66及びメモリ手段68を含んでいる。作動制御手段62は、燃料電池システムの各種構成要素(燃料ガスポンプ18など)を作動制御する。異常判定手段64は、後述する如くして燃料電池システムの異常を判定し、稼働モード設定手段66は、異常判定手段64が異常と判定したときに通常モードから出力抑制モードに切り換える。また、メモリ手段68には、原燃料ガスの供給流量と燃料電池4の燃料極側22への水素の供給流量との関係を示す原燃料ガス供給流量/水素供給流量マップ(図4参照)が登録される。
この第1の実施形態では、これら三つの関係のうち図4に示す関係を用いて次のように運転制御される。図1及び図2とともに図3を参照して、上述した燃料電池システムの運転制御について説明する。例えば、定格運転などの通常の運転においては、燃料電池システムは、通常モードでもって運転制御される(ステップS1)。この通常モードの運転においては、燃料電池システムは上述したように運転制御され、定格出力(例えば、700W)においては、燃料ガス供給手段15からの原燃料ガスは、この定格出力に対応する所定流量(例えば、3.2L/min)でもって供給される。
このような通常モードの運転状態において、流量検知手段52は、原燃料ガス供給流路16を通して供給される原燃料ガスの供給流量を検知し(ステップS2)、この検知流量が設定流量値(例えば、定格出力に対応する流量値)を超えているときにはステップS3からステップS4に進み、設定流量値を超えていないときには、ステップS3からステップS2に戻る。
ステップS4においては、電流検知手段56が燃料電池4の出力電流を検知し、この検知電流が設定電流値(例えば、定格出力に対応する電流値)を超えているときには、ステップS5からステップS6に進み、設定電流値を超えていないときには、ステップS5からステップS2に戻る。
このようにしてステップS6に進むと、異常判定手段64は、流量検知手段52の検知流量が上記設定流量(例えば、3.2L/min)を超えている状態で且つ電流検知手段56の検知電流が上記設定電流値(例えば、定格出力に対応する電流値)を超えているとして異常状態と判定し、稼動モード設定手段66は、この異常状態の判定に基づいて通常モードから出力抑制モードに切り換え(ステップS7)、制御手段50は、燃料電池システムを出力抑制モードで運転する(ステップS8)。
流量検知手段52の検知流量が上記設定流量値を超えているということは、改質器10に過剰に燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池4の燃料極側22への水素の供給流量が増大していない状態にあり、このような状態において電流検知手段56の検知電流が上記設定電流値を超えるということは、燃料電池4の燃料極側22における水素消費量が多くなり、この燃料極側22にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池4の出力電力を低下させて水素欠乏状態を解消する。
この出力抑制モードの運転においては、燃料電池システムは、燃料電池4の出力電力を例えば定格運転において例えば2〜3%程度(出力電力でいうと、例えば10〜20W程度)下げるように運転制御される。
この出力抑制モードの運転では、ステップS9〜ステップS13が行われ、ステップS9〜ステップS13の内容は、上述したステップS2〜ステップS5と同様であり、流量検知手段52の検知流量が設定流量値(例えば、定格出力に対応する流量値)を超えていないときにはステップS10からステップS11に進み、稼動モード設定手段66は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップS1に戻って通常モードの運転が行われる。また、電流検知手段56の検知電流が設定電流値(例えば、定格出力に対応する電流値)を超えていないときには、ステップS13からステップS11に移り、上述したように通常モードの運転に切り換えられてステップS1に戻る。また、流量検知手段52の検知流量が上記設定流量を超えている状態で且つ電流検知手段56の検知電流が上記設定電流値を超えているときには、ステップS13からステップS9に戻り、出力抑制モードの運転が継続して行われる。
尚、上述した実施形態では、異常判定の基準となる閾値として、図4から導かれる原燃料ガスの供給流量値及び図6から導かれる燃料電池4の出力電流値を用いているが、これらの値に代えて、図4から導かれる供給流量よりも幾分大きい値(例えば、定格出力において3.4L/min)及び図6から導かれる燃料電池4の出力電流値よりも幾分大きい値(例えば、定格出力に対応する電流値の1.1倍の値)を閾値として用いるようにしてもよい。
次に、図7及び図8を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第2の実施形態について説明する。第2の実施形態の燃料電池システムでは、上述した三つの関係のうち図4及び図6に示す関係を利用して燃料電池システムが運転制御されるように構成される。
図7及び図8を参照して、この第2の実施形態の燃料電池システムでは、原燃料ガス供給流路16に流量検知手段52が配設されるとともに、改質器10の温度を検知するための温度検知手段72が設けられ、この温度検知手段72からの検知信号が制御手段50Aに送給される。また、メモリ手段68Aには、図4に示す原燃料ガスの供給流量と燃料電池4への水素供給流量との関係を示す原燃料ガス供給流量/水素供給流量マップと、改質器10の設定温度値(例えば、600℃)が登録される。この第2の実施形態のその他の構成については、上述した第1の実施形態と実質上同一であり、そのシステム全体の基本的構成は、図1に示す構成と実質上同一であり、その制御系の構成は、図2に示す構成と実質上同一である。
定格運転などの通常の運転においては、燃料電池システムは、通常モードでもって上述したと同様に運転制御される(ステップS21)。このような通常モードの運転状態において、流量検知手段52は、原燃料ガス供給流路16を通して供給される原燃料ガスの供給流量を検知し(ステップS22)、この検知流量が設定流量値(例えば、定格出力に対応する流量値)を超えているときにはステップS23からステップS24に進み、設定流量値を超えていないときには、ステップS23からステップS22に戻る。
ステップS24においては、温度検知手段72が改質器10の温度を検知し、この検知温度が設定温度値(例えば、600℃)より低いときには、ステップS25からステップS26に進み、設定温度値まで低下していないときには、ステップS25からステップS22に戻る。
このようにしてステップS26に進むと、異常判定手段64は、流量検知手段52の検知流量が上記設定流量(例えば、3.2L/min)を超えている状態で且つ温度検知手段72の検知電流が上記設定温度値(例えば、600℃)より低下しているとして異常状態と判定し、稼動モード設定手段66は、この異常状態の判定に基づいて通常モードから出力抑制モードに切り換え(ステップS27)、燃料電池システムは、出力抑制モードでもって上述したと同様にして運転制御される(ステップS28)。
流量検知手段52の検知流量が上記設定流量値を超えているということは、改質器10に過剰に燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池4への水素供給流量が増大していない状態であり、このような状態において温度検知手段72の検知温度が上記設定温度値よりも低下しているということは、改質器10における水蒸気改質が充分に行われず、燃料電池4の燃料極側22に送給される改質燃料ガスに含まれる水素の含有量が少なく、この燃料極側22にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池4の発電出力を低下させて水素欠乏状態を解消する。
この出力抑制モードの運転においては、燃料電池システムは、燃料電池4の出力電力を例えば定格運転において例えば2〜3%程度(出力電力でいうと、例えば10〜20W程度)下げるように運転制御される。このように燃料電池4の発電出力を抑制すると、燃料電池4の燃料極側22での水素消費量が幾分少なくなり、これによって、燃料電池4の燃料極側22から燃焼手段36に送給される反応燃料ガス中に含まれる水素が増え、燃焼手段36における燃焼の際に生じる燃焼熱が増大する。このように燃焼熱が増大すると、改質器10の温度が上昇し、この温度上昇によって水蒸気改質が促進されて原燃料ガスの水素発生率が高くなり、その結果、燃料電池4での水素不足状態が解消され、燃料電池システムは、安定して稼動運転される。
この出力抑制モードの運転では、ステップS29〜ステップS33が行われ、ステップS29〜ステップS33の内容は、上述したステップS22〜ステップS25と同様であり、流量検知手段52の検知流量が設定流量値(例えば、定格出力に対応する流量値)を超えていないときにはステップS30からステップS31に進み、稼動モード設定手段66は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップS21に戻って通常モードの運転が行われる。また、温度検知手段72の検知温度が設定温度値(例えば、600℃)以上であるときには、ステップS33からステップS31に移り、上述したように通常モードの運転に切り換えられてステップS21に戻る。また、流量検知手段52の検知流量が上記設定流量を超えている状態で且つ温度検知手段72の検知温度が上記設定温度値よりも低いときには、ステップS33からステップS29に戻り、出力抑制モードの運転が継続して行われる。
第1の実施形態では、原燃料ガスの供給流量(流量検知手段52の検知流量)と燃料電池4の出力電流(電流検知手段56の検知電流)に基づいて異常状態の判定を行い、第2の実施形態では、原燃料ガスの供給流量(流量検知手段52の検知流量)と改質器10の温度(温度検知手段72の検知温度)に基づいて異常状態の判定を行っているが、上述した記載から理解されるように、他の実施形態として、燃料電池の出力電流(電流検知手段56の検知電流)と改質器10の温度(温度検知手段72の検知温度)に基づいて異常の判定を行うようにしてもよい。
この他の実施形態においては、上述した三つの関係のうち図5及び図6に示す関係を用いて燃料電池システムが運転制御されるように構成される。即ち、異常判定手段64は、電流検知手段72の検知電流が上記設定電流値(例えば、定格出力に対応する電流値)を超えている状態で且つ温度検知手段72の検知温度が上記設定温度値(例えば、600℃)より低下していると異常状態と判定する。電流検知手段52の検知電流が上記設定電流値を超えているということは、燃料電池4の燃料極側22に置ける水素消費量が多いといういうことであり、このような状態において温度検知手段72の検知温度が上記設定温度値よりも低下しているということは、改質器10における水蒸気改質が充分に行われず、燃料電池4の燃料極側22に送給される改質燃料ガスに含まれる水素の含有量が少なく、この燃料極側22にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池4の発電出力を低下させて水素欠乏状態を解消する。また、このように発電出力を抑制すると、上述したように、燃料電池4の燃料極側22での水素消費量が幾分少なくなり、これによって燃料電池4の燃料極側22から燃焼手段36に送給される反応燃料ガス中に含まれる水素が増え、燃焼手段36における燃焼の際に生じる燃焼熱が増大して改質器10の温度が上昇し、その結果、燃料電池4での水素不足状態が解消され、燃料電池システムは、安定して稼動運転される。
次に、図9及び図10を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第3の実施形態について説明する。この第3の実施形態の燃料電池システムでは、上述した三つの関係の全てを利用して燃料電池システムが運転制御されるように構成される。即ち、原燃料ガス供給流路16に流量検知手段52が配設され、燃料電池4の電力出力ライン27に電流検知手段56が配設され、また、改質器10に関連して、その温度を検知するための温度検知手段72が配設される。また、メモリ手段68Bには、図4の原燃料ガスの供給流量と燃料電池4への水素供給流量との関係を示す原燃料ガス供給流量/水素供給流量マップと改質器10の設定温度値(例えば、600℃)とが登録される。この第3の実施形態のその他の構成については、上述した第1の実施形態と実質上同一であり、そのシステム全体の基本的構成は、図1に示す構成と実質上同一であり、その制御系の構成は、図2に示す構成と実質上同一である。
定格運転などの通常の運転においては、燃料電池システムは、通常モードでもって上述したと同様に運転制御される(ステップS41)。このような通常モードの運転状態において、流量検知手段52は、原燃料ガス供給流路16を通して供給される原燃料ガスの供給流量を検知し(ステップS42)、この検知流量が設定流量値(例えば、定格出力のときには、3.2L/min)を超えているときにはステップS43からステップS44に進み、この設定流量値を超えていないときには、ステップS43からステップS42に戻る。
ステップS44においては、電流検知手段56が燃料電池4の出力電流を検知し、この検知電流が設定電流値(例えば、定格出力に対応する電流値)を超えているときにはステップS45からステップS46に進み、この設定電流値を超えていないときにはステップS45からステップS42に戻る。
また、ステップS46においては、温度検知手段72が改質器10の温度を検知し、この検知温度が設定温度値(例えば、600℃)より低いときには、ステップS47からステップS48に進み、設定温度値まで低下していないときには、ステップS47からステップS42に戻る。
このようにしてステップS48に進むと、異常判定手段64は、流量検知手段52の検知流量が上記設定流量を超えている状態で、電流検知手段56の検知電流が上記設定電流値を超えている状態で且つ温度検知手段72の検知電流が上記設定温度値より低下しているとして異常状態と判定し、稼動モード設定手段66は、この異常状態の判定に基づいて通常モードから出力抑制モードに切り換え(ステップS49)、制御手段50は、燃料電池システムを出力抑制モードでもって運転する(ステップS50)。
流量検知手段52の検知流量が上記設定流量値を超えているということは、改質器10に過剰に燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池4への水素供給流量が増大していない状態にあり、また電流検知手段56の検知電流が設定電流値を超えているということは、燃料電池4の燃料極側22における水素の消費量が多いということであり、このような状態において温度検知手段72の検知温度が上記設定温度値よりも低下しているということは、改質器10における水蒸気改質が充分に行われず、燃料電池4の燃料極側22に送給される改質燃料ガスに含まれる水素の含有量が少なく、この燃料極側22にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池4の発電出力を低下させて水素欠乏状態を解消する。
この出力抑制モードの運転においても、燃料電池システムは、燃料電池4の出力電力を例えば定格運転において例えば2〜3%程度(出力電力でいうと、例えば10〜20W程度)下げるように運転制御され、このように燃料電池4の発電出力を抑制すると、燃料電池4の燃料極側22での水素消費量が幾分少なくなり、これによって、燃料電池4の燃料極側22から燃焼手段36に送給される反応燃料ガス中に含まれる水素が増え、燃焼手段36における燃焼の際に生じる燃焼熱が増大し、改質器10の温度上昇により水蒸気改質が促進されて原燃料ガスの水素発生率が高くなり、その結果、燃料電池システムは、安定して稼動運転される。
この出力抑制モードの運転では、ステップS51〜ステップS57が行われ、ステップS51〜ステップS57の内容は、上述したステップS42〜ステップS47と同様であり、流量検知手段52の検知流量が設定流量値(例えば、定格出力に対応する流量値)を超えていないときには、ステップS53からステップS52に進み、稼動モード設定手段66は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップS41に戻って通常モードの運転が行われる。また、電流検知手段56の検知電流が所定電流値(例えば、定格出力に対応する電流値)を超えていないときには、ステップS55からステップS52に進み、稼動モード設定手段66は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップS41に戻って通常モードの運転が行われる。更に、温度検知手段72の検知温度が設定温度値(例えば、600℃)以上であるときには、ステップS57からステップS52に移り、上述したように通常モードの運転に切り換えられてステップS41に戻る。また、流量検知手段52の検知流量が上記設定流量を超えている状態で、電流検知手段56の検知電流が上記所定電流値を超えている状態で且つ温度検知手段72の検知温度が上記設定温度値よりも低いときには、ステップS57からステップS51に戻り、出力抑制モードの運転が継続して行われる。
以上、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
また、例えば、上述した実施形態では、燃料電池として固体分子形燃料電池を用いたシステムに適用して説明したが、このような形態のものに限定されず、燃料電池としてリン酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池などを用いたシステムにも同様に適用することができる。
2 燃料改質装置
4 燃料電池
10 改質器
16 原燃料ガス供給流路
26 改質燃料ガス送給流路
28 空気供給流路
29 インバータ
50,50A,50B 制御手段
52 流量検知手段
56 電流検知手段
64 異常判定手段
66 稼動モード設定手段
72 温度検知手段






Claims (5)

  1. 原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
    前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超えているときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
    前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
    前記燃料電池の所定出力時において、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
  4. 原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
    前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 前記制御手段は、通常モードと出力抑制モードとを設定可能である稼働モード設定手段を含んでおり、前記制御手段が前記異常状態と判定したときに、前記稼働モード設定手段は、前記通常モードから前記出力抑制モードに切り換えて前記燃料電池の出力電力を所定値低下させることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。




















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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015185267A (ja) * 2014-03-20 2015-10-22 アイシン精機株式会社 燃料電池システム

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