JP2014207061A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及びその制御方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2014207061A
JP2014207061A JP2013082461A JP2013082461A JP2014207061A JP 2014207061 A JP2014207061 A JP 2014207061A JP 2013082461 A JP2013082461 A JP 2013082461A JP 2013082461 A JP2013082461 A JP 2013082461A JP 2014207061 A JP2014207061 A JP 2014207061A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
ion exchange
cell system
air
electrical conductivity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013082461A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6100066B2 (ja
Inventor
暁人 杠
Akihito Yuzuriha
暁人 杠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2013082461A priority Critical patent/JP6100066B2/ja
Priority to US14/782,503 priority patent/US9660282B2/en
Priority to PCT/JP2014/054781 priority patent/WO2014167907A1/en
Priority to EP14709760.4A priority patent/EP2984694B1/en
Publication of JP2014207061A publication Critical patent/JP2014207061A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6100066B2 publication Critical patent/JP6100066B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J47/00—Ion-exchange processes in general; Apparatus therefor
    • B01J47/14—Controlling or regulating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04656—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04686—Failure or abnormal function of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687—Reactant purification by the use of membranes or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】イオン交換効率の向上を図るとともに、耐久性の向上、部品点数の削減及びメンテナンス工数の削減を図り、しかも水への空気の混入を可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０を構成する制御装置２２は、電気導電率計１６４で計測されたイオン交換装置７８の内部の水の電気伝導率と予め設定された電気伝導率範囲とを比較する導電率比較部１９４と、前記導電率比較部１９４による比較結果に基づいて、前記イオン交換装置７８の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置７８のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うイオン交換環境判定部１９６と、を備えている。【選択図】図１

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が複数積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。
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いる。固体電解質の一方側にアノード電極が、前記固体電解質の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質・電極接合体（ＭＥＡ）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。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気量に対応した水を補給する必要がある。このため、外部から必要な水量の水を供給する方式が採用されているが、これに代えて、燃料電池の発電により発生した排ガスを凝縮させることにより、改質に必要な水を完全循環（水自立）させる水回収方式が注目されている。その際、凝縮された水から不純物を除去する必要があり、水処理装置、例えば、イオン交換装置が採用されている。
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置は、図１３に示すように、燃料電池１ａと、燃料ガスを生成するための改質部２ａと、前記改質部２ａに原燃料を供給するための原燃料供給手段３ａと、前記改質部２ａに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段４ａと、前記改質部２ａに水を供給するための水ポンプ５ａとを具備している。燃料電池装置は、さらに改質部２ａに供給される水を処理するための水処理手段と、定常運転時は、前記改質部２ａにて水蒸気改質を行わせるように制御する制御部６ａとを具備している。
制御部６ａでは、水処理手段と改質部２ａとの間に具備する水質検出手段７ａからの信号により、前記改質部２ａに供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、水ポンプ５ａによる水の供給を停止している。そして、改質部２ａにて、原燃料供給手段３ａにより供給される原燃料と、酸素含有ガス供給手段４ａにより供給される酸素含有ガスとで、部分酸化改質を行わせるように制御している。
また、特許文献２に開示されている燃料電池装置では、図１４に示すように、排ガスと水とで熱交換を行う熱交換器１ｂと、前記熱交換器１ｂでの熱交換により生じる凝縮水を改質器２ｂに向けて供給するための凝縮水供給管３ｂとを備えている。凝縮水供給管３ｂには、弁４ｂが設けられるとともに、熱交換器１ｂと前記弁４ｂとの間には、凝縮水の導電率を測定するための導電率センサ５ｂが配設されている。
燃料電池装置は、制御装置６ｂを備えている。制御装置６ｂは、導電率センサ５ｂにより計測される凝縮水の導電率が所定の値以下の場合に、凝縮水を改質器２ｂに向けて供給するように弁４ｂを制御している。一方、制御装置６ｂは、導電率センサ５ｂにより計測される凝縮水の導電率が所定の値より高い場合に、凝縮水を排水するように弁４ｂを制御している。
また、特許文献３に開示されている燃料電池装置は、図１５に示すように、水素と酸素の反応により発電し、水蒸気を含むガスを排出する燃料電池スタック１ｃと、前記ガスを冷却して前記水蒸気を凝縮し、凝縮水を生成する凝縮部２ｃと、上水を供給する上水供給部３ｃとを備えている。
燃料電池装置は、さらに凝縮部２ｃで生成される凝縮水と、上水供給部３ｃから供給される上水と、を統合して原料水として蓄積するタンク４ｃと、前記原料水を浄化するフィルタ５ｃと、前記フィルタ５ｃを通過後の原料水の導電率を計測する導電率計測部６ｃと、コントローラ７ｃとを備えている。コントローラ７ｃは、導電率計測部６ｃでの計測結果に基づき、フィルタ５ｃの寿命の到来を検出する第１検出部、上水供給部３ｃから供給される上水の供給量を計測する供給量計測部、及び前記供給量計測部での計測結果に基づき、前記フィルタ５ｃの寿命の到来を検出する第２検出部としての機能を有している。
特開２００８−２４３５９８号公報 特開２０１１−０２９１１６号公報 特開２０１１−２４９１８５号公報
上記の特許文献１では、改質部２ａに供給される水の水質が悪化したか否かの判定を行うものの、前記改質部２ａに供給される前記水に空気が混入しているか否かの判定を行うことができない。このため、正確且つ安定した量の改質水を供給することができないという問題がある。しかも、水蒸気改質器の他に、部分酸化改質器を配置しなければならず、部品点数の増加によりコストが高騰するという問題がある。
また、上記の特許文献２では、改質器２ｂに供給される凝縮水に空気が混入しているか否かの判定を行うことができない。従って、正確且つ安定した量の改質水を供給することができないという問題がある。しかも、凝縮水の導電率が高い場合に排水するため、改質水が不足するおそれがある。これを解決するためには、例えば、外部水浄化装置を配置しなければならず、部品点数の増加によりコストが高騰するという問題がある。
さらに、上記の特許文献３では、改質器に供給される凝縮水に空気が混入しているか否かの判定を行うことができない。これにより、正確且つ安定した量の改質水を供給することができないという問題がある。しかも、フィルタ５ｃを通過後の原料水の導電率を計測する導電率計測部６ｃと、上水供給部３ｃから供給される上水の供給量を計測する供給量計測部とに基づいて、前記フィルタ５ｃの寿命の到来を判断している。このため、部品点数の増加によりコストが高騰するという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、イオン交換効率の向上を図るとともに、耐久性の向上、部品点数の削減及びメンテナンス工数の削減を図り、しかも水への空気の混入を可及的に抑制することが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
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が複数積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を通すためのイオン交換装置と、前記イオン交換装置の内部の前記水の電気伝導率を計測する導電率計測部と、前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、を備える燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
この燃料電池システムでは、制御装置は、導電率計測部で計測された電気伝導率と予め設定された電気伝導率範囲とを比較する導電率比較部と、前記導電率比較部による比較結果に基づいて、イオン交換装置の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うイオン交換環境判定部と、を備えている。
また、この燃料電池システムでは、イオン交換環境判定部により、イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定された際、又は、前記イオン交換装置の効率が低下していると判定された際、燃料電池スタックの発電を停止させる発電停止部を備えることが好ましい。このため、燃料電池システムの点検が必要である際に、予め燃料電池スタックの発電が停止されているので、停止に要する時間が短縮され、部品交換等の作業が迅速且つ円滑に遂行可能になる。
さらに、この燃料電池システムでは、イオン交換環境判定部は、計測された電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の下限値未満であることが検出された際、イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定する空気混入判定部を有することが好ましい。従って、水の電気伝導率を検出するだけで、前記水への空気の混入を検知することが可能になる。これにより、比較的簡単且つ経済的な構成で、イオン交換装置の下流に空気が流通することを抑制することができる。
このため、空気の巻き込みによる水ポンプの性能低下、改質器への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になるとともに、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
さらにまた、この燃料電池システムでは、イオン交換環境判定部は、計測された電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の上限値を超過したことが検出された際、イオン交換装置のイオン交換効率が低下していると判定する効率低下判定部を有することが好ましい。従って、比較的簡単且つ経済的な構成で、イオン交換装置の交換時期を検知することができ、点検内容の早期特定が可能になって、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
また、この燃料電池システムでは、イオン交換環境判定部は、計測された電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲内であることが検出された際、燃料電池スタックの発電を継続させる発電継続判定部を有することが好ましい。これにより、電気伝導率が適正な場合に、燃料電池スタックの発電が継続されるため、水に関連する不具合の発生を可及的に抑制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が良好に向上する。
さらに、この燃料電池システムでは、イオン交換装置は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去するために、固体酸化物形燃料電池に適用されることが好ましい。イオン交換装置は、水蒸気改質を行う固体酸化物形燃料電池に最適である。
さらにまた、この制御方法では、導電率計測部で計測された電気伝導率と予め設定された電気伝導率範囲とを比較する導電率比較工程と、導電率比較部による比較結果に基づいて、イオン交換装置の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うイオン交換環境判定工程と、を有している。
また、この制御方法では、イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定された際、又は、前記イオン交換装置の効率が低下していると判定された際、燃料電池スタックの発電を停止させる発電停止工程を有することが好ましい。従って、燃料電池システムの点検が必要である際に、予め燃料電池スタックの発電が停止されているので、停止に要する時間が短縮され、部品交換等の作業が迅速且つ円滑に遂行することができる。
さらに、この制御方法では、計測された電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の下限値未満であることが検出された際、イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定することが好ましい。これにより、水の電気伝導率を検出するだけで、前記水への空気の混入を検知することが可能になる。このため、比較的簡単且つ経済的な構成で、イオン交換装置の下流に空気が流通することを抑制することができる。従って、空気の巻き込みによる水ポンプの性能低下、改質器への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になるとともに、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
さらにまた、この制御方法では、計測された電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の上限値を超過したことが検出された際、イオン交換装置のイオン交換効率が低下していると判定することが好ましい。これにより、比較的簡単且つ経済的な構成で、イオン交換装置の交換時期を検知することができ、点検内容の早期特定が可能になって、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
また、この制御方法では、計測された電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲内であることが検出された際、燃料電池スタックの発電を継続させることが好ましい。このため、電気伝導率が適正な場合に、燃料電池スタックの発電が継続されるため、水に関連する不具合の発生を可及的に抑制することが可能になる。従って、燃料電池システムの耐久性が良好に向上する。
さらに、この制御方法では、イオン交換装置は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去するために、固体酸化物形燃料電池に適用されることが好ましい。イオン交換装置は、水蒸気改質を行う固体酸化物形燃料電池に最適である。
本発明によれば、イオン交換装置の内部の水の電気伝導率を計測するだけで、前記イオン交換装置の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うことができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
しかも、導電率計測部により計測された電気伝導率が低い場合に、イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定することにより、比較的簡単且つ経済的な構成で、水への空気の混入を検知することが可能になる。従って、空気の巻き込みによる水ポンプの性能低下、改質器への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になるとともに、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
さらに、導電率計測部により計測された電気伝導率が高い場合に、イオン交換装置のイオン交換効率が低下していると判定することにより、比較的簡単且つ経済的な構成で、前記イオン交換装置の交換時期を検知することができる。これにより、点検内容の早期特定が可能になって、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの一方の側部側からの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの他方の側部側からの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの概略正面説明図である。 前記燃料電池システムを構成するイオン交換装置の概略斜視説明図である。 前記イオン交換装置の縦断面説明図である。 前記イオン交換装置に電気導電率計が装着された状態の縦断面説明図である。 前記イオン交換装置に空気排出配管が装着された状態の縦断面説明図である。 前記イオン交換装置にドレイン排出配管が装着された状態の縦断面説明図である。 前記電気導電率計による検出結果に基づいて、前記イオン交換装置のステータスを検知する方法を説明するフローチャートである。 前記方法の処理説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成するイオン交換装置の縦断面説明図である。 特許文献１の燃料電池装置の概略構成説明図である。 特許文献２の燃料電池装置の概略構成説明図である。 特許文献３の燃料電池装置の概略構成説明図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用として使用されるが、その他、車載用等の種々の用途にも用いられている。
燃料電池システム１０は、燃料ガス（例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）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に炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）である前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４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１６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１８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２０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２２とを備え、これらが単一の筐体２４に収容される（図２〜図４参照）。
燃料電池モジュール１２は、図１に示すように、複数の固体酸化物形の燃料電池２６が鉛直方向（又は水平方向）に積層される燃料電池スタック２８を備える。燃料電池２６は、図示しないが、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固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３０とセパレータ３２とを積層して構成される。
燃料電池モジュール１２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガス（改質ガス）を生成するとともに、燃料電池スタック２８に前記燃料ガスを供給する改質器３４と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器３４に供給する蒸発器３６と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２８に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器３８と、前記燃料電池スタック２８から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器４０、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器４２とを備える。
燃料ガス供給装置１４は、都市ガス（１３Ａ）を改質器３４に供給する原燃料通路４４を備える。原燃料通路４４の途上には、一対の調整弁４６ａ、４６ｂが調圧器４８を介装して配置される。原燃料通路４４には、調整弁４６ｂの下流に燃料ポンプ５０が設けられるとともに、前記燃料ポンプ５０の下流には、バッファタンク５２、流量センサ５４及び脱硫器５６が、順次、配設される。原燃料通路４４には、調整弁４６ａと調圧器４８との間に位置して原燃料分岐通路５８が設けられる。この原燃料分岐通路５８は、起動用燃焼器４２に接続されるとともに、途上に調整弁４６ｃが配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、空気供給管６０を備える。空気供給管６０には、上流から下流に向かって、集塵フィルタ６２、流量センサ６４及び空気ポンプ６６が配置され、前記空気供給管６０は、熱交換器３８に接続される。空気供給管６０から空気分岐通路６８が分岐し、前記空気分岐通路６８は、バーナ用ブロア７０を配設して起動用燃焼器４２に接続される。起動用燃焼器４２は、例えば、バーナを備えており、上記のように、原燃料及び空気が供給される。
水供給装置１８は、凝縮水タンク７２を備える。凝縮水タンク７２には、水位センサ７４が設けられるとともに、前記凝縮水タンク７２の下部には、水通路（水導入配管）７６ａが連通する。水通路７６ａは、イオン交換装置７８に接続される一方、前記イオン交換装置７８から純水通路（水排出配管）７６ｂが延在する。純水通路７６ｂは、蒸発器３６に接続され、その途上には、上流から下流に向かって、純水ポンプ（水ポンプ）８０及び流量センサ８２が配設される。凝縮水タンク７２には、貯湯用熱交換器８４が排水通路８６を介して接続される。なお、凝縮水タンク７２とイオン交換装置７８とは、互いに入れ替えて配置してもよい。
貯湯用熱交換器８４は、排気管８８を介して熱交換器３８に接続される。熱交換器３８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、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管８８に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック２８に供給される。
貯湯用熱交換器８４には、給湯装置９０の貯湯タンク（給湯タンク）９１から導出された給湯管９２が接続される。給湯管９２には、給湯ポンプ９６が配設され、貯湯用熱交換器８４に低温の水を供給する。貯湯用熱交換器８４では、供給される水と排ガスとを熱交換させ、昇温された温水を温水供給管９２ａから貯湯タンク９１に戻す。凝縮水タンク７２には、定格排気管（定格時に大気開放する配管）１００とドレイン管１０２とが接続される。
図２及び図３に示すように、筐体２４は、矩形状を有する。図４に示すように、筐体２４は、燃料電池モジュール１２が配置されるモジュール部１１０と、燃料ガス供給装置１４が配置される第１流体供給部１１２と、酸化剤ガス供給装置１６及び水供給装置１８が配置される第２流体供給部１１４と、電力変換装置２０及び制御装置２２が配置される電装部１１６と、に区分けされる。
モジュール部１１０、第１流体供給部１１２、第２流体供給部１１４及び電装部１１６の区分けは、それぞれ仕切り部材により互いに遮断してもよく、又は、見かけ上、空間的に４つの領域に振り分けてもよい。筐体２４内には、電装部１１６を仕切って鉛直方向に延在する縦仕切り板１１８が設けられる。縦仕切り板１１８の下部側には、断面Ｌ字状の基台部１２０が設けられるとともに、第１流体供給部１１２側には、短尺な縦仕切り板１２２が設けられる。
第１流体供給部１１２と電装部１１６との間には、モジュール部１１０及び第２流体供給部１１４が介装され、且つ前記モジュール部１１０の下面に前記第２流体供給部１１４が配置される。電装部１１６と第２流体供給部１１４との間には、すなわち、縦仕切り板１１８には、前記電装部１１６内の空気を前記第２流体供給部１１４に導く空気流通口１２４が設けられる。電装部１１６は、筐体２４の外部の空気を前記筐体２４の内部に導く空気導入口１２６を備える。空気導入口１２６は、筐体２４の側面に形成される。第１流体供給部１１２は、筐体２４の内部の空気を前記筐体２４の外部に導く空気排出口１２８及び換気ファン１３０を備える。空気排出口１２８は、筐体２４の側面に形成される。
筐体２４の内部には、空気導入口１２６から電装部１１６、モジュール部１１０の上方、第１流体供給部１１２及び空気排出口１２８に連なる第１換気流通路１３２と、前記空気導入口１２６から前記電装部１１６、空気流通口１２４及び第２流体供給部１１４に連なる第２換気流通路１３４とが形成される。
第１流体供給部１１２には、燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス検知器１３６と、前記燃料ガスの硫黄成分を除去する脱硫器５６と、燃料ガス供給装置１４と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと貯湯タンク９１から供給される貯湯水との熱交換を行う貯湯用熱交換器８４と、給湯ポンプ９６と、が配設される。
第２流体供給部１１４には、酸化剤ガス供給装置１６と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスから得られる凝縮水を貯留する凝縮水タンク７２と、前記凝縮水を通流させるイオン交換装置７８と、水供給装置１８と、が配設される。
電装部１１６は、電力変換装置２０が制御装置２２の上方に配置される。換気ファン１３０は、貯湯用熱交換器８４と空気排出口１２８との間に配置される。モジュール部１１０の上部には、第１流体供給部１１２と電装部１１６とを繋ぐ配線１３８が敷かれる橋架板１４０が設置される。
イオン交換装置７８は、凝縮水から不純物を除去して純水を得る機能を有する。ここで、不純物とは、塵埃以外に、純水に含まれない物質、例えば、カルシウム、マグネシウム、シリカ、ナトリウム及びカリウム等の塩類、水溶性の電解質成分及び有機物を含む。
イオン交換装置７８は、図５及び図６に示すように、角筒形状の装置本体１４２を備える。装置本体１４２の下部端部と上部端部とには、下部蓋部材１４４と上部蓋部材１４６とが取り付けられる。図６に示すように、装置本体１４２の内部には、下部フィルタ１４８ａと上部フィルタ１４８ｂとが配設される。下部フィルタ１４８ａ及び上部フィルタ１４８ｂは、例えば、メッシュフィルタで構成され、これらの間には、例えば、粒状のイオン交換樹脂１５０が充填される。
装置本体１４２の下部側には、すなわち、下部蓋部材１４４には、水（凝縮水）をイオン交換樹脂１５０に導入する水導入口１５２ａが設けられる。装置本体１４２の上部側には、すなわち、上部蓋部材１４６には、イオン交換樹脂１５０を通過した水を排出する水排出口１５２ｂが設けられる。水導入口１５２ａは、水平方向（横方向）から装置本体１４２の下部中央まで延在し、該下部中央から上方に向かって前記装置本体１４２内に開口される。下部フィルタ１４８ａの中心位置から通水するためである。
水導入口１５２ａには、水通路７６ａを離脱自在に接続するワンタッチコックである水導入用封止弁１５４ａが設けられ、水排出口１５２ｂには、純水通路７６ｂを離脱自在に接続するワンタッチコックである水排出用封止弁１５４ｂが設けられる。水導入用封止弁１５４ａと水排出用封止弁１５４ｂとは、それぞれの配管着脱方向が同一方向（矢印Ａ方向）に設定される。
装置本体１４２の上部側には、すなわち、上部蓋部材１４６には、前記装置本体１４２の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部１５６が設けられる。空気収容部１５６は、上方に湾曲するドーム形状を有しており、前記空気収容部１５６の上部側には、水平方向に延在して水排出口１５２ｂが連通する。空気収容部１５６には、水排出口１５２ｂよりも上方に位置して、接続口１５８が重力方向上方に向かって開口する。接続口１５８には、閉塞キャップ１６０が取り付けられるとともに、前記閉塞キャップ１６０は、留め具１６２により空気収容部１５６に固定される。
接続口１５８には、閉塞キャップ１６０に代えて、図７に示す電気導電率計（導電率計測部）１６４と、図８に示す空気排出配管（余剰流体排出配管）１６６と、図９に示すドレイン排出配管（余剰流体排出配管）１６７とが、選択的に取り付けられる。電気導電率計１６４は、イオン交換樹脂１５０を通過した水の電気伝導率（導電率）σを計測する機能を有し、空気排出配管１６６は、装置本体１４２から空気を排出する機能を有し、ドレイン排出配管１６７は、前記装置本体１４２から余剰水及び空気を排出する機能を有する。
図７に示すように、接続口１５８には、Ｏリング１６９ａを介装して連結筒体１６８が取り付けられるとともに、前記連結筒体１６８に電気導電率計１６４が装着される。連結筒体１６８は、接続口１５８の開口端部に当接するフランジ部１６８ａを有する。連結筒体１６８内には、段付き孔部１６８ｂが形成され、前記段付き孔部１６８ｂには、電気導電率計１６４の小径な先端部１６４ａがＯリング１６９ｂを介装して装着される。
電気導電率計１６４の先端部１６４ａには、一対の測定端子１７０が設けられ、前記測定端子１７０は、空気収容部１５６の内部に露呈する。測定端子１７０の先端（下端）位置は、水排出口１５２ｂよりも上方に設定されることが好ましい。電気導電率計１６４の後端部には、ハーネス１７２が設けられ、前記ハーネス１７２は、制御装置２２に接続される。
図８に示すように、空気排出配管１６６では、接続口１５８にＯリング１７４を介装して筒部材１７６が取り付けられる。筒部材１７６は、接続口１５８の開口端部に当接するフランジ部１７６ａと、上端部に拡径するフランジ部１７６ｂとを設ける。筒部材１７６には、フランジ部１７６ａ、１７６ｂ間に位置してエア抜き用の排出通路１７８が設けられる。排出通路１７８は、外部に開放される。
筒部材１７６内には、段付き孔部１７６ｃが形成され、前記段付き孔部１７６ｃには、ボール１８０が配設される。ボール１８０は、段付き孔部１７６ｃの段部に当接することにより、空気収容部１５６と排出通路１７８とを遮断する。段付き孔部１７６ｃには、Ｏリング１８２を介装してピストン部１８４が上下に摺動自在に配置される。
なお、ピストン部１８４に代えて、段付き孔部１７６ｃの内周面に形成されるねじ溝（図示せず）に螺合するねじ部材を用いることができる。また、手動操作で開閉されるピストン部１８４に代えて、空気収容部１５６と排出通路１７８とを遮断及び開放させる電磁弁（図示せず）を備え、電気伝導率σに応じて自動的に開閉し、空気抜きを行うことも可能である。
図９に示すように、ドレイン排出配管１６７は、Ｏリング１８６を介して接続口１５８に取り付けられる筒部材１８８を備える。筒部材１８８は、上端が閉塞されるとともに、接続口１５８の開口端部に当接するフランジ部１８８ａを有する。筒部材１８８の上部側には、内部に連通し且つ水平方向（径方向）に貫通する接続孔部１９０が形成される。接続孔部１９０には、ドレイン配管１９２の一端が接続されるとともに、前記ドレイン配管１９２の他端は、例えば、凝縮水タンク７２に接続される。
図１に示すように、制御装置２２は、電気導電率計１６４で計測された電気伝導率σと予め設定された電気伝導率範囲とを比較する導電率比較部１９４と、前記導電率比較部１９４による比較結果に基づいて、イオン交換装置７８の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置７８のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うイオン交換環境判定部１９６と、を備える。
制御装置２２は、さらにイオン交換環境判定部１９６により、イオン交換装置７８の内部に空気が混入していると判定された際、又は、前記イオン交換装置７８の効率が低下していると判定された際、燃料電池スタック２８の発電を停止させる発電停止部１９８を備える。
イオン交換環境判定部１９６は、計測された電気伝導率σが、予め設定された電気伝導率範囲の下限値（５μＳ／ｃｍ）未満であることが検出された際、イオン交換装置７８の内部に空気が混入していると判定する空気混入判定部１９６ａを有する。イオン交換環境判定部１９６は、計測された電気伝導率σが、予め設定された電気伝導率範囲の上限値（３０μＳ／ｃｍ）を超過したことが検出された際、イオン交換装置７８のイオン交換効率が低下していると判定する効率低下判定部１９６ｂを有する。イオン交換環境判定部１９６は、計測された電気伝導率σが、予め設定された電気伝導率範囲（５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍ）内であることが検出された際、燃料電池スタック２８の発電を継続させる発電継続判定部１９６ｃを有する。
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。
図１に示すように、燃料電池システム１０の起動時には、燃料ガス供給装置１４の駆動作用下に、原燃料通路４４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。この原燃料は、原燃料通路４４から原燃料分岐通路５８を通って起動用燃焼器４２に供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、バーナ用ブロア７０の駆動作用下に、空気が空気分岐通路６８を通って起動用燃焼器４２に供給される。
このため、起動用燃焼器４２内では、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されて燃焼が開始される。従って、熱交換器３８、改質器３４及び蒸発器３６に燃焼ガスが供給されてこれらが加温（昇温）される。
次いで、燃料ガス供給装置１４では、燃料ポンプ５０が駆動され、原燃料通路４４から脱硫器５６に原燃料が供給される。脱硫器５６で脱硫された原燃料は、改質器３４に供給される。一方、水供給装置１８では、純水ポンプ８０を介して純水通路７６ｂに供給される水は、蒸発器３６で蒸発された後、改質器３４に供給される。
改質器３４では、原燃料と水蒸気との混合燃料が水蒸気改質され、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（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック２８に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプ６６の作用下に、空気供給管６０に空気が供給され、この空気は、熱交換器３８に供給される。空気は、熱交換器３８に沿って移動する際、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３８で加温された空気は、燃料電池スタック２８に導入され、図示しないカソード電極に供給される。
従って、電解質・電極接合体３０では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体３０から排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３８を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
排ガスは、蒸発器３６に供給されて水を蒸発させる。蒸発器３６を通過した排ガスは、排気管８８を介して貯湯用熱交換器８４に送られる。貯湯用熱交換器８４には、給湯装置９０の貯湯タンク９１から低温の水が供給される。給湯装置９０では、給湯ポンプ９６の作用下に、給湯管９２に水が供給され、この水は、貯湯用熱交換器８４に導入されて排ガスと熱交換される。これにより、温水供給管９２ａから貯湯タンク９１には、昇温された温水が戻され、この温水が家庭用温水として利用される。
次に、本発明に係る制御方法について、図１０に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
先ず、一般的には、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍの範囲内であれば、純水であり、前記電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍ〜５０μＳ／ｃｍの範囲内であれば、凝縮水であり、電気伝導率σが、０．００１μＳ／ｃｍ以下であれば、空気である。なお、Ｓは、ジーメンス（１／Ω）である。
制御装置２２では、図１１に示すように、電気伝導率σの値によってイオン交換装置７８のステータス（環境状況）が判断されるとともに、その処理内容が設定される。具体的には、電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍを超過していると、凝縮水（イオン交換されていない水）であると判断し、イオン交換効率が低下していると判定して外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍの範囲内であると、純水であると判断し、発電が継続される。電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ未満であると、空気を検出したと判断し、空気が混入していると判定して外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。
そこで、燃料電池システム１０による運転が開始されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、電気導電率計１６４により空気収容部１５６の内部の電気伝導率σ（≧０）が検出される。そして、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍ以下である判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、すなわち、前記電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍの範囲内であると判断されると、ステップＳ５に進んで、正常運転が確認される。このため、イオン交換装置７８では、凝縮水が適正にイオン交換されて純水が得られていると判断し、運転が終了するまで（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、発電が継続される。
一方、ステップＳ３において、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍを超過したと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７のイオン交換環境判定に進む。このステップＳ７では、イオン交換効率が低下している（イオン交換樹脂１５０が寿命である）と判定し、ステップＳ８に進んで、外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。
また、ステップＳ４において、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ９のイオン交換環境判定に進む。このステップＳ９では、空気が混入している（凝縮水の不足）と判定し、ステップＳ１０に進んで、外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。
この場合、第１の実施形態では、電気導電率計１６４を使用してイオン交換装置７８の内部の水の電気伝導率σを計測するだけで、前記イオン交換装置７８の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置７８のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うことができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
しかも、電気導電率計１６４により計測された電気伝導率σが低い場合に、具体的には、計測された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ未満であることが検出された際、イオン交換装置７８の内部に空気が混入していると判定している。従って、比較的簡単且つ経済的な構成で、水への空気の混入を検知することが可能になる。これにより、空気の巻き込みによる純水ポンプ８０の性能低下、改質器３４への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池２６の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になるとともに、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
さらに、電気導電率計１６４により計測された電気伝導率σが高い場合に、具体的には、計測された電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍを超過したことが検出された際、イオン交換装置７８のイオン交換効率が低下していると判定している。このため、比較的簡単且つ経済的な構成で、イオン交換装置７８の交換時期を検知することができる。従って、点検内容の早期特定が可能になって、メンテナンス工数の削減が容易に図られる。
さらにまた、電気導電率計１６４により計測された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍの範囲であることが検出された際、燃料電池スタック２８の発電を継続させている。これにより、電気伝導率σが適正な場合に、燃料電池スタック２８の発電が継続されるため、水に関連する不具合の発生を可及的に抑制することが可能になる。このため、燃料電池システム１０の耐久性が良好に向上する。
また、制御装置２２は、イオン交換環境判定部１９６により、イオン交換装置７８の内部に空気が混入していると判定された際、又は、前記イオン交換装置７８の効率が低下していると判定された際、燃料電池スタック２８の発電を停止させる発電停止部１９８を備えている。従って、燃料電池システム１０の点検が必要である際に、予め燃料電池スタック２８の発電が停止されているので、停止に要する時間が短縮され、部品交換等の作業が迅速且つ円滑に遂行可能になる。
さらに、イオン交換装置７８は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去する固体酸化物形の燃料電池２６に最適である。なお、固体酸化物形の燃料電池２６に代えて、他の高温型燃料電池や中温型燃料電池にも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成するイオン交換装置２００の縦断面説明図である。なお、第１の実施形態に係るイオン交換装置７８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。
イオン交換装置２００を構成する上部蓋部材１４６には、装置本体１４２の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部２０２が設けられる。空気収容部２０２には、水排出口１５２ｂよりも上方に位置して、接続口２０４が重力方向上方に向かって開口する。この接続口２０４には、空気排出配管１６６（又はドレイン排出配管１６７）が取り付けられる。空気収容部２０２の上部側には、空気排出配管１６６に干渉しない位置に且つ下方に傾斜する取り付け孔部２０６が形成され、前記取り付け孔部２０６には、電気導電率計１６４が装着される。
このように構成される第２の実施形態では、空気収容部２０２には、電気導電率計１６４及び空気排出配管１６６が装着されている。このため、イオン交換樹脂１５０を通過した水の電気伝導率（導電率）σを計測して空気溜まりやイオン交換効率の低下を検出するとともに、空気の排出が良好に遂行される。従って、イオン交換が確実に遂行されてイオン交換効率の向上が図られるとともに、空気の巻き込みによる発電電圧の不安定化を抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置 ２０…電力変換装置
２２…制御装置 ２４…筐体
２６…燃料電池 ２８…燃料電池スタック
３４…改質器 ３６…蒸発器
３８…熱交換器 ４０…排ガス燃焼器
４２…起動用燃焼器 ４４…原燃料通路
５０…燃料ポンプ ５６…脱硫器
５８…原燃料分岐通路 ６０…空気供給管
６６…空気ポンプ ６８…空気分岐通路
７２…凝縮水タンク ７６ａ…水通路
７８、２００…イオン交換装置 ８０…純水ポンプ
９６…給湯ポンプ １１２、１１４…流体供給部
１１６…電装部 １２４…空気流通口
１２６…空気導入口 １２８…空気排出口
１４２…装置本体 １４４…下部蓋本体
１４６…上部蓋本体 １４８ａ…下部フィルタ
１４８ｂ…上部フィルタ １５０…イオン交換樹脂
１５２ａ…水導入口 １５２ｂ…水排出口
１５４ａ、１５４ｂ…封止弁 １５６、２０２…空気収容部
１５８、２０４…接続口 １６０…閉塞キャップ
１６４…電気導電率計 １６６…空気排出配管
１６７…ドレイン排出配管 １９４…導電率比較部
１９６…イオン交換環境判定部 １９６ａ…空気混入判定部
１９６ｂ…効率低下判定部 １９６ｃ…発電継続判定部
１９８…発電停止部 ２０６…取り付け孔部

Claims (12)

  1. 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が複数積層された燃料電池スタックと、
    前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を通すためのイオン交換装置と、
    前記イオン交換装置の内部の前記水の電気伝導率を計測する導電率計測部と、
    前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、
    を備える燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記導電率計測部で計測された前記電気伝導率と予め設定された電気伝導率範囲とを比較する導電率比較部と、
    前記導電率比較部による比較結果に基づいて、前記イオン交換装置の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うイオン交換環境判定部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換環境判定部により、前記イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定された際、又は、前記イオン交換装置の効率が低下していると判定された際、前記燃料電池スタックの発電を停止させる発電停止部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換環境判定部は、計測された前記電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の下限値未満であることが検出された際、前記イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定する空気混入判定部を有することを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換環境判定部は、計測された前記電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の上限値を超過したことが検出された際、前記イオン交換装置のイオン交換効率が低下していると判定する効率低下判定部を有することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換環境判定部は、計測された前記電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲内であることが検出された際、前記燃料電池スタックの発電を継続させる発電継続判定部を有することを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換装置は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去するために、固体酸化物形燃料電池に適用されることを特徴とする燃料電池システム。
  7. 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が複数積層された燃料電池スタックと、
    前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を通すためのイオン交換装置と、
    前記イオン交換装置の内部の前記水の電気伝導率を計測する導電率計測部と、
    前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、
    を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記導電率計測部で計測された前記電気伝導率と予め設定された電気伝導率範囲とを比較する導電率比較工程と、
    導電率比較部による比較結果に基づいて、前記イオン交換装置の内部に空気が混入しているか否かの判定、及び前記イオン交換装置のイオン交換効率が低下しているか否かの判定を任意に行うイオン交換環境判定工程と、
    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。
  8. 請求項７記載の制御方法において、前記イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定された際、又は、前記イオン交換装置の効率が低下していると判定された際、前記燃料電池スタックの発電を停止させる発電停止工程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。
  9. 請求項７記載の制御方法において、計測された前記電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の下限値未満であることが検出された際、前記イオン交換装置の内部に空気が混入していると判定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  10. 請求項７記載の制御方法において、計測された前記電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲の上限値を超過したことが検出された際、前記イオン交換装置のイオン交換効率が低下していると判定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  11. 請求項７記載の制御方法において、計測された前記電気伝導率が、予め設定された電気伝導率範囲内であることが検出された際、前記燃料電池スタックの発電を継続させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  12. 請求項７〜１１のいずれか１項に記載の制御方法において、前記イオン交換装置は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去するために、固体酸化物形燃料電池に適用されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
JP2013082461A 2013-04-10 2013-04-10 燃料電池システム及びその制御方法 Active JP6100066B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013082461A JP6100066B2 (ja) 2013-04-10 2013-04-10 燃料電池システム及びその制御方法
US14/782,503 US9660282B2 (en) 2013-04-10 2014-02-20 Fuel cell system and method of controlling the fuel cell system
PCT/JP2014/054781 WO2014167907A1 (en) 2013-04-10 2014-02-20 Fuel cell system and method of controlling the fuel cell system
EP14709760.4A EP2984694B1 (en) 2013-04-10 2014-02-20 Fuel cell system and method of controlling the fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013082461A JP6100066B2 (ja) 2013-04-10 2013-04-10 燃料電池システム及びその制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014207061A true JP2014207061A (ja) 2014-10-30
JP6100066B2 JP6100066B2 (ja) 2017-03-22

Family

ID=50272675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013082461A Active JP6100066B2 (ja) 2013-04-10 2013-04-10 燃料電池システム及びその制御方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9660282B2 (ja)
EP (1) EP2984694B1 (ja)
JP (1) JP6100066B2 (ja)
WO (1) WO2014167907A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016137419A (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 本田技研工業株式会社 脱硫器及びこれを組み込む燃料電池システム
JP2016207342A (ja) * 2015-04-17 2016-12-08 本田技研工業株式会社 燃料電池モジュール
WO2017104210A1 (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP2019018120A (ja) * 2017-07-12 2019-02-07 アイシン精機株式会社 水精製器および燃料電池システム
JP7327365B2 (ja) 2020-11-30 2023-08-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池モジュール

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6834674B2 (ja) * 2017-03-27 2021-02-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池ユニット
JP7114548B2 (ja) * 2019-10-04 2022-08-08 本田技研工業株式会社 燃料電池車両

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008276947A (ja) * 2007-04-25 2008-11-13 Kyocera Corp 燃料電池装置
JP2009009807A (ja) * 2007-06-27 2009-01-15 Kyocera Corp 燃料電池装置
JP2012221903A (ja) * 2011-04-14 2012-11-12 Hitachi Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09220566A (ja) * 1996-02-19 1997-08-26 Hitachi Ltd 純水製造装置
JP4114577B2 (ja) * 2003-09-16 2008-07-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の冷却装置
JP2005259470A (ja) * 2004-03-10 2005-09-22 Toyota Motor Corp 燃料電池の冷却装置
US8981018B2 (en) * 2004-03-15 2015-03-17 Jentek Sensors, Inc. Internal material condition monitoring for control
JP5013034B2 (ja) * 2004-09-07 2012-08-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5110929B2 (ja) 2007-03-27 2012-12-26 京セラ株式会社 燃料電池装置
JP2011029116A (ja) 2009-07-29 2011-02-10 Kyocera Corp 燃料電池装置
JP5579502B2 (ja) 2010-05-28 2014-08-27 日本特殊陶業株式会社 燃料電池装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008276947A (ja) * 2007-04-25 2008-11-13 Kyocera Corp 燃料電池装置
JP2009009807A (ja) * 2007-06-27 2009-01-15 Kyocera Corp 燃料電池装置
JP2012221903A (ja) * 2011-04-14 2012-11-12 Hitachi Ltd 燃料電池システム

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016137419A (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 本田技研工業株式会社 脱硫器及びこれを組み込む燃料電池システム
JP2016207342A (ja) * 2015-04-17 2016-12-08 本田技研工業株式会社 燃料電池モジュール
WO2017104210A1 (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JPWO2017104210A1 (ja) * 2015-12-15 2018-09-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
US10756359B2 (en) 2015-12-15 2020-08-25 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and controlling method of same
JP2019018120A (ja) * 2017-07-12 2019-02-07 アイシン精機株式会社 水精製器および燃料電池システム
JP7327365B2 (ja) 2020-11-30 2023-08-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池モジュール

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014167907A1 (en) 2014-10-16
US20160064756A1 (en) 2016-03-03
EP2984694A1 (en) 2016-02-17
US9660282B2 (en) 2017-05-23
EP2984694B1 (en) 2017-03-29
JP6100066B2 (ja) 2017-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6100066B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JP6100065B2 (ja) 燃料電池システム用イオン交換装置
US8419910B2 (en) Electrolyzer cell stack system
US7353085B2 (en) Electrolyzer cell stack system
JP2021501966A (ja) 漏れ回収能を備えた燃料電池モジュールのアレンジメントおよび使用方法
JP2012528448A (ja) 開放型燃料電池システム
US8765318B2 (en) System and method for electrochemical cell system and leak detection and indication
JP5057295B2 (ja) 燃料電池装置
JP5381237B2 (ja) 燃料電池システム
EP2639869B1 (en) Operation method of polymer electrolyte fuel cell system and polymer electrolyte fuel cell system
JP2013235697A (ja) 燃料電池システム
US20070048581A1 (en) Fuel cell system
US20070154745A1 (en) Purging a fuel cell system
JP2010153195A (ja) 燃料電池発電システム及びその運転方法
JP2014191965A (ja) 燃料電池システム
JP6190764B2 (ja) 脱硫器
JP2012038608A (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムにおける改質用水供給量の制御方法
JP4719407B2 (ja) 燃料電池コージェネレーションシステム
KR20210085524A (ko) 연료전지 시스템
JP2007193952A (ja) 燃料電池
JP2006114413A (ja) 燃料電池発電装置の水質管理方法
KR20090036014A (ko) 연료전지시스템의 스택정화방법
JP2007018859A (ja) 燃料電池発電システム
JP2009252496A (ja) 燃料電池システム
US20070154359A1 (en) Conditioning a de-sulfurization system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151126

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160705

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160905

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170221

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170222

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6100066

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150