JP2017139182A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電するセルスタックを備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a cell stack that generates power using fuel gas and oxidant gas.
固体酸化物形燃料電池では、発電時間の経過と共に発電性能が変化する。例えば、固体酸化物形燃料電池のセルスタックを構成している部品の状態が温度によって変化して、出力電圧の低下を含む発電性能の特異な変化が現れることがある。このようなセルスタックの発電性能の変化は、セルスタックの運転初期の、部品が高温に曝され始めたときに現れる。例えば、集電材などのコーティングが高温に曝されるにつれて特性が変化して、その電気抵抗が変化することがある。
或いは、発電時間の経過と共にセルスタックの劣化が発生し、その劣化の進行に伴ってセルスタックの出力電圧が単調に低下し続けるといった問題が発生することもある。
尚、いずれの理由により生じる発電性能の変化であっても、セルスタックの温度を高くすれば、セルスタックの出力電圧を強制的に高めることは可能である。
In the solid oxide fuel cell, the power generation performance changes with the passage of power generation time. For example, the state of the parts constituting the cell stack of the solid oxide fuel cell may change depending on the temperature, and a unique change in power generation performance including a decrease in output voltage may appear. Such a change in the power generation performance of the cell stack appears when the parts begin to be exposed to high temperatures in the initial operation of the cell stack. For example, as the coating, such as a current collector, is exposed to high temperatures, the properties may change and its electrical resistance may change.
Alternatively, there may be a problem that the cell stack deteriorates with the lapse of power generation time, and the output voltage of the cell stack continues to decrease monotonously as the deterioration proceeds.
Even if the power generation performance changes due to any reason, it is possible to forcibly increase the output voltage of the cell stack by increasing the temperature of the cell stack.
特許文献1には、高温時にセルスタックが劣化することを考慮して、セルスタックが動作しているときの温度に制限を設けることが記載されている。但し、特許文献1では、セルスタックの累積稼働時間が長くなるに従ってその制限温度は高い値に設定される。つまり、経時的にセルスタックの劣化が進行したとしても、その劣化の進行と共にセルスタックの温度を高くすることで、その劣化による電圧低下が現れないようにしている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228667 describes that a temperature is limited when the cell stack is operating in consideration of deterioration of the cell stack at a high temperature. However, in
特許文献1に記載のように、出力電圧の低下を抑制するためにセルスタックの温度を上昇させた場合、その高温によってセルスタックの劣化が進行して、セルスタックの耐久性が低下するという問題がある。
また、特許文献1では、発電時間の経過と共に劣化が発生し、セルスタックの出力電圧が単調に低下し続けるといった問題への対処は行っているが、セルスタックの運転初期の、部品が高温に曝され始めたときに現れるセルスタックの発電性能の特異な変化への対処は行っていない。そのため、セルスタックの運転初期には、出力電圧の低下を含む発電性能の特異な変化が現れることになる。
As described in
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルスタックの出力電圧の変化を緩和しつつ、耐久性の低下を抑制できる燃料電池システムを提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in durability while reducing a change in output voltage of a cell stack.
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電する複数個の燃料電池セルを有するセルスタックと、
前記セルスタックの温度を調節する温度調節手段と、
前記セルスタックの発電性能の経時変化の状態を示す指標を取得する変化指標取得手段と、
前記変化指標取得手段が取得する前記発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至った後は、前記セルスタックの温度が基準温度になるように前記温度調節手段の動作を制御する定常制御を実行し、並びに、前記変化指標取得手段が取得する前記発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至る以前は、前記セルスタックの温度が前記基準温度よりも高い温度になるように前記温度調節手段の動作を制御する初期制御を実行する制御手段とを備える点にある。
In order to achieve the above object, the fuel cell system according to the present invention includes a cell stack having a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and oxidant gas, and
Temperature adjusting means for adjusting the temperature of the cell stack;
Change index acquisition means for acquiring an index indicating a state of change over time of the power generation performance of the cell stack;
After the time-dependent change state of the power generation performance acquired by the change index acquisition unit reaches a predetermined state, steady control is performed to control the operation of the temperature adjustment unit so that the temperature of the cell stack becomes a reference temperature. And the temperature adjustment is performed so that the temperature of the cell stack is higher than the reference temperature before the time-dependent change state of the power generation performance acquired by the change index acquisition unit reaches a predetermined state. Control means for executing initial control for controlling the operation of the means.
上記特徴構成によれば、初期制御を実行することで、セルスタックの出力電圧の低下を含む発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至る以前に、セルスタックの温度が基準温度よりも高い温度にされる。そのため、初期制御を実行している間は、少なくともセルスタックの出力電圧の低下が緩和される。
加えて、初期制御に引き続いて行われる定常制御により、セルスタックの温度が基準温度にされる。つまり、セルスタックの温度が高い状態は初期制御の間に限定され、定常制御ではセルスタックの温度は基準温度されるので、セルスタックの耐久性が高温によって低下するという問題の発生を回避できる。
従って、セルスタックの出力電圧の変化を緩和しつつ、耐久性の低下を抑制できる燃料電池システムを提供できる。
According to the above characteristic configuration, by performing the initial control, the temperature of the cell stack is higher than the reference temperature before the time-dependent change state of the power generation performance including a decrease in the output voltage of the cell stack reaches a predetermined state. Temperature. Therefore, during the initial control, at least a decrease in the output voltage of the cell stack is mitigated.
In addition, the temperature of the cell stack is set to the reference temperature by the steady control performed following the initial control. That is, the state in which the temperature of the cell stack is high is limited during the initial control, and in the steady control, the temperature of the cell stack is set to the reference temperature.
Therefore, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in durability while relaxing a change in the output voltage of the cell stack.
本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記変化指標取得手段は、前記セルスタックの累積の発電期間が所定期間に至ると、前記発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至ったと判定する点にある。 Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is that, when the cumulative power generation period of the cell stack reaches a predetermined period, the change index acquisition unit causes the time-dependent change state of the power generation performance to reach a predetermined state. It is in the point to judge that.
セルスタックの発電性能の経時変化の傾向は、例えば同一機種のセルスタック等であれば同様になると考えてもよい。よって、セルスタックの発電性能の経時変化の傾向に関する情報、例えば、出力電圧の経時変化に関する情報を取得しておくこともできる。そして、セルスタックの累積の発電期間を計時すれば、予め取得していたセルスタックの発電性能の経時変化の傾向に関する情報を参照して、その時点での累積の発電期間のときのセルスタックの発電性能の状態を推測できる。つまり、変化指標取得手段は、セルスタックの累積の発電期間が所定期間に至ると、発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至ったと判定できる。 The tendency of the power generation performance of the cell stack to change over time may be considered to be the same if the cell stack of the same model, for example. Therefore, it is possible to acquire information related to the tendency of the power generation performance of the cell stack over time, for example, information related to the time-dependent change of the output voltage. Then, if the cumulative power generation period of the cell stack is counted, the information on the tendency of the power generation performance of the cell stack that has been acquired in advance is referred to, and the cell stack of the cell stack at the current cumulative power generation period is referred to. The state of power generation performance can be estimated. That is, the change index acquisition means can determine that the state of change in power generation performance over time has reached a predetermined state when the accumulated power generation period of the cell stack reaches a predetermined period.
本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記変化指標取得手段は、前記セルスタックの出力電圧の経時変化の状態が所定の状態に至ると、前記発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至ったと判定する点にある。 Yet another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is that the change index acquisition means determines that the state of change of the power generation performance with time when the state of change of the output voltage of the cell stack reaches a predetermined state. The point is that it is determined that a predetermined state has been reached.
セルスタックの発電性能の経時変化の傾向は、例えば同一機種のセルスタック等であれば同様になると考えてもよい。よって、セルスタックの出力電圧の経時変化の傾向に関する情報を取得しておくこともできる。そして、セルスタックの出力電圧を測定すれば、予め取得していたセルスタックの出力電圧と発電性能の経時変化の傾向に関する情報とを参照して、その時点のセルスタックの出力電圧のときのセルスタックの発電性能の状態を推測できる。つまり、変化指標取得手段は、セルスタックの出力電圧の経時変化の状態が所定の状態に至ると、発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至ったと判定できる。 The tendency of the power generation performance of the cell stack to change over time may be considered to be the same if the cell stack of the same model, for example. Therefore, it is also possible to obtain information regarding the tendency of the output voltage of the cell stack over time. Then, if the output voltage of the cell stack is measured, the cell stack at the time of the output voltage of the cell stack at that time is referred to by referring to the previously acquired output voltage of the cell stack and the information on the tendency of power generation performance over time. The state of the power generation performance of the stack can be estimated. That is, the change index acquisition means can determine that the time-dependent change state of the power generation performance has reached the predetermined state when the time-dependent change state of the output voltage of the cell stack reaches the predetermined state.
本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記制御手段は、前記初期制御において、前記温度調節手段によって前記セルスタックの温度を前記基準温度よりも高い温度を維持しながら徐々に低下させる低下処理を実行する点にある。 According to still another feature of the fuel cell system according to the present invention, in the initial control, the control unit gradually decreases the temperature of the cell stack while maintaining the temperature higher than the reference temperature by the temperature adjusting unit. The lowering process is executed.
上記特徴構成によれば、初期制御を行わなければセルスタックの出力電圧が増加するような場合であっても、この低下処理を含む初期制御を行うことで、低下処理を行っている間、即ち、セルスタックの出力電圧を意図的に低下させている間は、セルスタックの出力電圧の増加が現れにくくなる。 According to the above characteristic configuration, even when the output voltage of the cell stack increases unless initial control is performed, the initial control including this decrease processing is performed while performing the decrease processing, that is, While the output voltage of the cell stack is intentionally lowered, an increase in the output voltage of the cell stack is less likely to appear.
本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記制御手段は、前記初期制御において、前記温度調節手段によって前記セルスタックの温度を前記基準温度よりも高い温度を維持しながら徐々に増大させる増大処理と、当該増大処理の後に前記温度調節手段によって前記セルスタックの温度を前記基準温度よりも高い温度を維持しながら徐々に低下させる低下処理とを実行させる点にある。 In another feature of the fuel cell system according to the present invention, in the initial control, the control means gradually increases the temperature of the cell stack by the temperature adjusting means while maintaining a temperature higher than the reference temperature. And an increase process to be performed and a decrease process to gradually decrease the temperature of the cell stack while maintaining the temperature higher than the reference temperature by the temperature adjusting means after the increase process.
上記特徴構成によれば、初期制御を行わなければセルスタックの出力電圧が急激に減少するような場合であっても、この増大処理及び低下処理を含む初期制御を行うことで、増大処理を行っている間、即ち、セルスタックの出力電圧を意図的に増大させている間は、出力電圧の急激な減少が現れにくくなる。また、増大処理によって基準電圧よりも高くなったセルスタックの温度を、その増大処理の後の低下処理によって低下させることで、セルスタックの耐久性が高温によって低下するという問題の発生を回避できる。 According to the above characteristic configuration, even if the output voltage of the cell stack is suddenly decreased unless initial control is performed, the increase process is performed by performing the initial control including the increase process and the decrease process. During this period, that is, while the output voltage of the cell stack is intentionally increased, a rapid decrease in the output voltage is less likely to appear. In addition, by reducing the temperature of the cell stack, which has become higher than the reference voltage by the increasing process, by the decreasing process after the increasing process, it is possible to avoid the problem that the durability of the cell stack is decreased by the high temperature.
<第1実施形態>
以下に図面を参照して本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図1は、燃料電池システムの構成を示す図である。図示するように、燃料電池システムは、供給される蒸発用水を加熱して蒸発させる蒸発器6と、供給される原燃料ガスを、蒸発器6によって生成された水蒸気を用いて改質処理して、水素を含む改質ガスを生成する改質器7と、改質器7によって生成された改質ガスと供給される酸素とを利用して発電する複数の燃料電池セル8を有するセルスタック9と、セルスタック9で利用されなかった改質ガス及び酸素を燃焼させることで発生する燃焼熱を蒸発器6及び改質器7及びセルスタック9に与えることができる燃焼部10と、制御手段Cとを備える。
<First Embodiment>
The configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system. As shown in the figure, the fuel cell system includes an
本実施形態では、蒸発器6に対して、原燃料供給路2を通して原燃料ガスが供給される。原燃料ガスは炭化水素を含むガスであり、例えば都市ガスである。原燃料供給路2を通して蒸発器6に供給される原燃料の量は、原燃料供給路2の途中に設けられる弁V1によって調節される。また、蒸発器6に対して、水供給路3を通して蒸発用水が供給される。水供給路3を通して蒸発器6に供給される蒸発用水の量は、水供給路3の途中に設けられる弁V2によって調節される。これら弁V1及び弁V2の動作は制御手段Cが制御する。蒸発器6には、後述する燃焼部10で発生した燃焼熱が伝達され、その熱によって蒸発用水の蒸発が行われる。また、蒸発器6では、生成された水蒸気と原燃料ガスとの混合も行われる。
尚、図1には示していないが、蒸発器6へ供給する前の原燃料ガスに含まれる硫黄成分(例えば、都市ガスが含有している付臭剤など)を除去するための脱硫器を設けてもよい。
In the present embodiment, the raw fuel gas is supplied to the
Although not shown in FIG. 1, a desulfurizer for removing sulfur components (for example, an odorant contained in city gas) contained in the raw fuel gas before being supplied to the
改質器7には、蒸発器6で得られた原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給される。そして、改質器7では、原燃料ガスの水蒸気改質が行われて、改質ガス(水素を主成分とするガス)が生成される。また、改質器7にも、後述する燃焼部10で発生した燃焼熱が伝達され、その熱によって改質反応が促進される。そして、改質器7で生成された改質ガスは、改質ガス供給路11を通ってガスマニホールド12に供給される。ガスマニホールド12には複数の燃料電池セル8が接続されており、ガスマニホールド12に供給された改質ガスが各燃料電池セル8へと分配される。
The
セルスタック9は、改質器7で生成された改質ガスが通流する燃料通流部(図示せず)と空気(即ち、酸化剤(酸素))が通流する空気通流部(図示せず)とを備えた複数の固体酸化物形の燃料電池セル8を電気的に直列接続した状態で備えて構成されている。図示は省略するが、燃料電池セル8は、燃料極と空気極との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。各燃料電池セル8では、燃料通流部を改質ガスが上向きに通流することで燃料極の全体に改質ガスが供給され、空気通流部を上向きに空気が通流することで空気極の全体に空気が供給され、それら改質ガス及び空気が発電反応に用いられる。そして、発電反応に供された後の排改質ガスは燃料通流部の上端の排出口から排出され、発電反応に供された後の排空気は空気通流部の上端の排出口から排出される。
本実施形態では、セルスタック9の温度を測定するセル温度センサTcを設けている。
The cell stack 9 includes a fuel flow portion (not shown) through which the reformed gas generated by the
In the present embodiment, a cell temperature sensor Tc for measuring the temperature of the cell stack 9 is provided.
セルスタック9の上方には、オフガス(即ち、各燃料電池セル8の燃料通流部から排出される排改質ガスと空気通流部から排出される排空気(即ち、酸素))を燃焼させる燃焼空間(即ち、燃焼部10)が形成される。つまり、セルスタック9により燃焼部10が実現される。加えて、蒸発器6及び改質器7が、燃焼部10として機能するセルスタック9の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。その結果、燃焼部10で発生する燃焼熱によって、蒸発器6及び改質器7及びセルスタック9が加熱される。
Above the cell stack 9, off-gas (that is, exhaust reformed gas discharged from the fuel flow portion of each
尚、図示は省略するが、セルスタック9には、電気負荷としてのインバータなどが電気的に接続されている。インバータの動作は制御手段Cが制御する。つまり、制御手段Cは、セルスタック9の出力を変化させることができる。 Although illustration is omitted, the cell stack 9 is electrically connected to an inverter as an electric load. The operation of the inverter is controlled by the control means C. That is, the control means C can change the output of the cell stack 9.
上述した蒸発器6及び改質器7及びガスマニホールド12及びセルスタック9等は筐体1に収容されている。この筐体1の内部には、酸素供給路4を通して空気(酸素)が供給される。この酸素が、燃料電池セル8での発電反応に用いられ、及び、燃焼部10での排改質ガスの燃焼に用いられる。酸素供給路4を通して筐体1の内部に供給される酸素の量は、酸素供給路4に接続される送風機としてのブロアBによって調節される。ブロアBの動作は制御手段Cが制御する。
また、筐体1には、燃焼部10で発生した燃焼排ガスを外部に排出するための排気路5も接続されている。
The
The
このような燃料電池システムで発電された電力を電気負荷に供給するとき、制御手段Cは、セルスタック9の出力(例えば出力電流など)を調節すると共に、適切な量の原燃料ガス及び酸素及び蒸発用水を筐体1の内部へと供給する。つまり、制御手段Cは、セルスタック9で消費される水素及び酸素の量を調節すること、改質器7で生成される水素の量を調節すること、燃焼部10での燃焼に利用される酸素の量を調節することを行う。
When supplying the electric power generated by such a fuel cell system to an electric load, the control means C adjusts the output of the cell stack 9 (for example, the output current), and at the same time, supplies an appropriate amount of raw fuel gas and oxygen and Evaporating water is supplied into the
更に、制御手段Cは、燃焼部10で燃焼されるオフガスの量を調節できる。例えば、制御手段Cは、セルスタック9の出力を変化させない状態、即ち、セルスタック9で利用される改質ガスの量及び酸素の量を変化させない状態で、原燃料ガス及び酸素及び蒸発用水の供給量を増加又は減少させると、オフガスの量が増加又は減少する。そして、燃焼部10で発生する燃焼熱の量が増加又は減少して、筐体1の内部の温度(即ち、セルスタック9の温度)が上昇又は低下する。
以上のように、本実施形態では、原燃料ガスの供給量を調節する弁V1及び酸素の供給量を調節するブロアB及び蒸発用水の供給量を調節する弁V2は、セルスタック9の温度を調節する温度調節手段として機能する。
Further, the control means C can adjust the amount of off-gas burned in the
As described above, in this embodiment, the valve V1 for adjusting the supply amount of the raw fuel gas, the blower B for adjusting the supply amount of oxygen, and the valve V2 for adjusting the supply amount of water for evaporation adjust the temperature of the cell stack 9. Functions as a temperature adjusting means for adjusting.
次に、制御手段Cが行うセルスタック9の発電制御について説明する。
図2は、セルスタック9の出力電圧の推移を示す図である。この例では、時刻t0に発電が開始されたとしている。図2において実線で示すのは、セル温度センサTcで測定されるセルスタック9の温度が基準温度Trで一定となるように温度調節手段を働かせながら、原燃料ガスの供給量及び酸素の供給量及び蒸発用水の供給量を所定量に維持した状態で、セルスタック9の出力電流が一定となるような発電運転を行ったときのセルスタック9の出力電圧の推移である。図示するように、セルスタック9の出力電圧は、時間経過と共に徐々に低下している。特に、時刻t0から時刻t2の間は、出力電圧が相対的に大きな低下率で低下している。それに対して、時刻t2以降は、セルスタック9の出力電圧は相対的に小さい低下率で低下している。尚、図2に記載したセルスタック9の出力電圧の推移は単に例示目的で記載したものであり、実際のセルスタック9の出力電圧の推移を正しく描いたものではない。
Next, power generation control of the cell stack 9 performed by the control means C will be described.
FIG. 2 is a diagram showing the transition of the output voltage of the cell stack 9. In this example, it is assumed that power generation is started at time t0. The solid lines in FIG. 2 indicate the supply amount of raw fuel gas and the supply amount of oxygen while operating the temperature adjusting means so that the temperature of the cell stack 9 measured by the cell temperature sensor Tc is constant at the reference temperature Tr. And the transition of the output voltage of the cell stack 9 when the power generation operation is performed such that the output current of the cell stack 9 is constant while the supply amount of the evaporation water is maintained at a predetermined amount. As shown in the figure, the output voltage of the cell stack 9 gradually decreases with time. In particular, between time t0 and time t2, the output voltage decreases at a relatively large decrease rate. On the other hand, after time t2, the output voltage of the cell stack 9 decreases at a relatively low decrease rate. Note that the transition of the output voltage of the cell stack 9 shown in FIG. 2 is described for illustrative purposes only, and the transition of the actual output voltage of the cell stack 9 is not drawn correctly.
本実施形態において、燃料電池システムは、セルスタック9の発電性能の経時変化の状態を示す指標を取得する変化指標取得手段20を備える。図2に実線で示したようなセルスタック9の出力電圧の変化傾向は、例えば同一機種のセルスタック9であれば同様になると考えてもよい。よって、予め図2に実線で示したようなセルスタック9の出力電圧の推移に関する情報、即ち、セルスタック9の累積の発電期間に対するセルスタック9の出力電圧の関係を示す情報を取得して記憶部Mに記憶しておくこともできる。そして、変化指標取得手段20は、セルスタック9の累積の発電期間を計時すれば、記憶部Mに記憶した図2に実線で示したようなセルスタック9の出力電圧の推移に関する情報を参照して、その累積の発電期間のときのセルスタック9の発電性能の経時変化の状態を知ることができる。つまり、変化指標取得手段20は、セルスタックの累積の発電期間が所定期間に至ると、発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至ったと(例えば、図2の時刻t2での発電性能に至ったと)判定できる。
In the present embodiment, the fuel cell system includes a change
制御手段Cは、変化指標取得手段20が取得する発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至った後は、セルスタック9の温度が基準温度になるように温度調節手段の動作を制御する定常制御を実行し、並びに、変化指標取得手段20が取得する発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至る以前は、セルスタック9の温度が基準温度よりも高い温度になるように温度調節手段の動作を制御する初期制御を実行する。具体的には、本実施形態では、制御手段Cは、図2に示した時刻t0から時刻t2の間では初期制御を行い、時刻t2以降では定常制御を行う。
The control means C controls the operation of the temperature adjusting means so that the temperature of the cell stack 9 becomes the reference temperature after the time-dependent change state of the power generation performance obtained by the change
図3は、セルスタック9の制御温度の推移を示す図である。図示するように、制御手段Cは、温度調節手段を働かせて、時刻t0から時刻t1の間に、セル温度センサTcで測定されるセルスタック9の制御温度を基準温度Trから温度T1まで徐々に上昇させる。このときの時刻t0から時刻t1の期間は、図2に示した、セルスタック9の出力電圧が大きな低下率で低下する期間(時刻t0から時刻t1の間)に対応する。また、制御手段Cは、温度調節手段を働かせて、時刻t1から時刻t2の間に、セル温度センサTcで測定されるセルスタック9の温度を温度T1から基準温度Trまで徐々に低下させる。この時刻t1から時刻t2の期間は、図2に示した、セルスタック9の出力電圧が大きな低下率で低下する期間(時刻t1から時刻t2の間)に対応する。このように、制御手段Cは、初期制御において、温度調節手段によってセルスタック9の温度を基準温度よりも高い温度を維持しながら徐々に増大させる増大処理と、当該増大処理の後に温度調節手段によってセルスタック9の温度を基準温度よりも高い温度を維持しながら徐々に低下させる低下処理とを実行させる。そして、温度調節手段を働かせてセルスタック9の制御温度を制御することで、図2に実線で示したような出力電圧で動作するはずであったセルスタック9を、図2に破線で示したような出力電圧で動作させるための初期制御を行う。 FIG. 3 is a graph showing the transition of the control temperature of the cell stack 9. As shown in the figure, the control means C operates the temperature adjusting means to gradually increase the control temperature of the cell stack 9 measured by the cell temperature sensor Tc from the reference temperature Tr to the temperature T1 between time t0 and time t1. Raise. The period from time t0 to time t1 at this time corresponds to the period (between time t0 and time t1) in which the output voltage of the cell stack 9 decreases at a large decrease rate shown in FIG. Further, the control means C operates the temperature adjusting means to gradually lower the temperature of the cell stack 9 measured by the cell temperature sensor Tc from the temperature T1 to the reference temperature Tr between time t1 and time t2. The period from time t1 to time t2 corresponds to the period (between time t1 and time t2) in which the output voltage of the cell stack 9 decreases at a large decrease rate shown in FIG. Thus, in the initial control, the control means C gradually increases the temperature of the cell stack 9 while maintaining the temperature higher than the reference temperature by the temperature adjusting means, and the temperature adjusting means after the increasing process. A lowering process for gradually decreasing the temperature of the cell stack 9 while maintaining a temperature higher than the reference temperature is executed. Then, by controlling the control temperature of the cell stack 9 by operating the temperature adjusting means, the cell stack 9 that should have been operated at the output voltage as shown by the solid line in FIG. 2 is shown by the broken line in FIG. Initial control for operating at such an output voltage is performed.
制御手段Cが、時刻t0から時刻t2の間で、セルスタック9の温度を図3に示したような制御温度に調節する初期制御を行った場合、セルスタック9の出力電圧は図2に破線で示したような値で推移する。実線で示す「初期制御なし」の出力電圧の推移と、破線で示す「初期制御あり」の出力電圧の推移とを比較した場合、破線で示す「初期制御あり」の出力電圧の方が、急激な低下を示すことなく、直線状に近い形で変化したことが分る。 When the control means C performs the initial control to adjust the temperature of the cell stack 9 to the control temperature as shown in FIG. 3 between the time t0 and the time t2, the output voltage of the cell stack 9 is a broken line in FIG. It changes at the value shown in. When comparing the transition of the output voltage “without initial control” indicated by the solid line and the transition of the output voltage “with initial control” indicated by the broken line, the output voltage “with initial control” indicated by the broken line is more rapid. It turns out that it changed in the form close | similar to linear form, without showing a remarkable fall.
また、制御手段Cは、変化指標取得手段20により時刻t2になったと判定されると、初期制御を中止して、定常制御を開始する。制御手段Cは、定常制御では、セルスタック9の温度が基準温度Trになるように温度調節手段の動作を制御する。
Further, when it is determined by the change
以上のように、本実施形態では、初期制御を実行することで、セルスタック9の出力電圧の低下を含む発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至る以前に、セルスタック9の温度が基準温度Trよりも高い温度にされる。そのため、初期制御を実行している間は、少なくともセルスタック9の出力電圧の低下が緩和される。特に、初期制御を行わなければセルスタック9の出力電圧が急激に減少するような場合であっても、この増大処理及び低下処理を含む初期制御を行うことで、増大処理を行っている間、即ち、セルスタック9の出力電圧を意図的に増大させている間は、出力電圧の急激な減少が現れにくくなる。また、増大処理によって基準電圧よりも高くなったセルスタック9の温度を、その増大処理の後の低下処理によって低下させることで、セルスタック9の耐久性が高温によって低下するという問題の発生を回避できる。
加えて、初期制御に引き続いて行われる定常制御により、セルスタック9の温度が基準温度Trにされる。つまり、セルスタック9の温度が高い状態は初期制御の間に限定され、定常制御ではセルスタック9の温度は基準温度Trされるので、セルスタック9の耐久性が高温によって低下するという問題の発生を回避できる。
As described above, in the present embodiment, by performing the initial control, the temperature of the cell stack 9 is decreased before the state of power generation performance with time including the decrease in the output voltage of the cell stack 9 reaches a predetermined state. The temperature is higher than the reference temperature Tr. Therefore, during the initial control, at least a decrease in the output voltage of the cell stack 9 is alleviated. In particular, even when the output voltage of the cell stack 9 is rapidly decreased unless initial control is performed, the initial control including the increase process and the decrease process is performed to perform the increase process. That is, while the output voltage of the cell stack 9 is intentionally increased, a rapid decrease in the output voltage is less likely to appear. In addition, by reducing the temperature of the cell stack 9 that has become higher than the reference voltage by the increasing process by the decreasing process after the increasing process, the problem that the durability of the cell stack 9 decreases due to the high temperature is avoided. it can.
In addition, the temperature of the cell stack 9 is set to the reference temperature Tr by steady control performed following the initial control. That is, the state in which the temperature of the cell stack 9 is high is limited during the initial control, and in the steady control, the temperature of the cell stack 9 is set to the reference temperature Tr. Can be avoided.
<第2実施形態>
第2実施形態の燃料電池システムは、初期制御の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第2実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
Second Embodiment
The fuel cell system of the second embodiment is different from the above embodiment in the content of the initial control. The fuel cell system of the second embodiment will be described below, but the description of the same configuration as that of the above embodiment will be omitted.
図4は、セルスタック9の出力電圧の推移を示す図である。図4において実線で示すのは、セル温度センサTcで測定されるセルスタック9の温度が基準温度Trで一定となるように温度調節手段を働かせながら、原燃料ガスの供給量及び酸素の供給量及び蒸発用水の供給量を所定量に維持した状態で、セルスタック9の出力電流が一定となるような発電運転を行ったときのセルスタック9の出力電圧の推移である。図示するように、時刻t0から時刻t3の間は、出力電圧が相対的に大きな低下率で低下し、時刻t3から時刻t4の間は、出力電圧が増加している。そして、時刻t4以降は、セルスタック9の出力電圧は相対的に小さい低下率で低下している。尚、図4に記載したセルスタック9の出力電圧の推移は単に例示目的で記載したものであり、実際のセルスタック9の出力電圧の推移を正しく描いたものではない。 FIG. 4 is a diagram showing the transition of the output voltage of the cell stack 9. The solid lines in FIG. 4 indicate the supply amount of raw fuel gas and the supply amount of oxygen while operating the temperature adjusting means so that the temperature of the cell stack 9 measured by the cell temperature sensor Tc is constant at the reference temperature Tr. And the transition of the output voltage of the cell stack 9 when the power generation operation is performed such that the output current of the cell stack 9 is constant while the supply amount of the evaporation water is maintained at a predetermined amount. As shown in the figure, the output voltage decreases at a relatively large decrease rate from time t0 to time t3, and the output voltage increases from time t3 to time t4. After time t4, the output voltage of the cell stack 9 decreases at a relatively low decrease rate. Note that the transition of the output voltage of the cell stack 9 shown in FIG. 4 is described for illustrative purposes only, and the transition of the actual output voltage of the cell stack 9 is not drawn correctly.
本実施形態において、燃料電池システムは、セルスタック9の発電性能の経時変化の状態を示す指標を取得する変化指標取得手段20を備える。図4に実線で示したようなセルスタック9の出力電圧の変化傾向は、同一機種のセルスタック9であれば同様になると考えてもよい。よって、予め図4に実線で示したようなセルスタック9の出力電圧の推移に関する情報、即ち、セルスタック9の累積の発電期間に対するセルスタック9の出力電圧の関係を示す情報を取得して記憶部Mに記憶しておくこともできる。そして、変化指標取得手段20は、セルスタック9の累積の発電期間を計時すれば、記憶部Mに記憶した図4に実線で示したようなセルスタック9の出力電圧の推移に関する情報を参照して、その累積の発電期間のときのセルスタック9の発電性能の経時変化の状態を知ることができる。つまり、変化指標取得手段20は、セルスタック9の累積の発電期間が所定期間に至ると、発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至ったと(例えば、図4の時刻t4での発電性能に至ったと)判定する。
In the present embodiment, the fuel cell system includes a change
制御手段Cは、変化指標取得手段20が取得する発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至った後は、セルスタック9の温度が基準温度になるように温度調節手段の動作を制御する定常制御を実行し、並びに、変化指標取得手段20が取得する発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至る以前は、セルスタック9の温度が基準温度よりも高い温度になるように温度調節手段の動作を制御する初期制御を実行する。具体的には、本実施形態では、制御手段Cは、図4に示した時刻t0から時刻t4の間では初期制御を行い、時刻t4以降では定常制御を行う。
The control means C controls the operation of the temperature adjusting means so that the temperature of the cell stack 9 becomes the reference temperature after the time-dependent change state of the power generation performance obtained by the change
図5は、セルスタック9の制御温度の推移を示す図である。図示するように、制御手段Cは、温度調節手段を働かせて、時刻t0から時刻t3の間に、セル温度センサTcで測定されるセルスタック9の制御温度を基準温度Trよりも高い温度T2で一定に維持する。このときの時刻t0から時刻t3の期間は、図4に示した、セルスタック9の出力電圧が大きな低下率で低下する期間(時刻t0から時刻t3の間)に対応する。また、制御手段Cは、温度調節手段を働かせて、時刻t3から時刻t4の間に、セル温度センサTcで測定されるセルスタック9の温度を温度T2から基準温度Trまで徐々に低下させる。この時刻t3から時刻t4の期間は、図4に示した、セルスタック9の出力電圧が増加する期間(時刻t3から時刻t4の間)に対応する。このように、制御手段Cは、初期制御において、温度調節手段によってセルスタック9の温度を基準温度よりも高い温度を維持しながら徐々に低下させる低下処理を実行する。そして、温度調節手段を働かせてセルスタック9の制御温度を制御することで、図4に実線で示したような出力電圧で動作するはずであったセルスタック9を、図4に破線で示したような出力電圧で動作させるための初期制御を行う。 FIG. 5 is a graph showing the transition of the control temperature of the cell stack 9. As shown in the figure, the control means C operates the temperature adjustment means so that the control temperature of the cell stack 9 measured by the cell temperature sensor Tc at a temperature T2 higher than the reference temperature Tr between time t0 and time t3. Keep constant. The period from time t0 to time t3 at this time corresponds to the period (between time t0 and time t3) in which the output voltage of the cell stack 9 decreases at a large decrease rate shown in FIG. Further, the control means C operates the temperature adjusting means to gradually lower the temperature of the cell stack 9 measured by the cell temperature sensor Tc from the temperature T2 to the reference temperature Tr between time t3 and time t4. The period from time t3 to time t4 corresponds to the period (between time t3 and time t4) in which the output voltage of the cell stack 9 increases as shown in FIG. Thus, in the initial control, the control unit C performs a lowering process that gradually decreases the temperature of the cell stack 9 while maintaining the temperature higher than the reference temperature by the temperature adjusting unit. Then, by controlling the control temperature of the cell stack 9 by operating the temperature adjusting means, the cell stack 9 that should have been operated at the output voltage as shown by the solid line in FIG. 4 is shown by the broken line in FIG. Initial control for operating at such an output voltage is performed.
制御手段Cが、時刻t0から時刻t4の間で、セルスタック9の温度を図5に示したような制御温度に調節する初期制御を行った場合、セルスタック9の出力電圧は図4に破線で示したような値で推移する。実線で示す「初期制御なし」の出力電圧の推移と、破線で示す「初期制御あり」の出力電圧の推移とを比較した場合、破線で示す「初期制御あり」の出力電圧の方が、急激な増減を示すことなく、直線状に近い形で変化したことが分る。このように、初期制御を行わなければセルスタック9の出力電圧が増加するような場合であっても、この低下処理を含む初期制御を行うことで、低下処理を行っている間、即ち、セルスタック9の出力電圧を意図的に低下させている間は、セルスタック9の出力電圧の増加が現れにくくなる。 When the control means C performs the initial control for adjusting the temperature of the cell stack 9 to the control temperature as shown in FIG. 5 between the time t0 and the time t4, the output voltage of the cell stack 9 is a broken line in FIG. It changes at the value shown in. When comparing the transition of the output voltage “without initial control” indicated by the solid line and the transition of the output voltage “with initial control” indicated by the broken line, the output voltage “with initial control” indicated by the broken line is more rapid. It turns out that it changed in the form near a straight line, without showing an increase or decrease. As described above, even if the output voltage of the cell stack 9 increases unless initial control is performed, the initial control including the decrease processing is performed during the decrease processing, that is, the cell. While the output voltage of the stack 9 is intentionally lowered, an increase in the output voltage of the cell stack 9 is less likely to appear.
また、制御手段Cは、変化指標取得手段20により時刻t4になったと判定されると、初期制御を中止して、定常制御を開始する。制御手段Cは、定常制御では、セルスタック9の温度が基準温度Trになるように温度調節手段の動作を制御する。
Further, when it is determined by the change
<第3実施形態>
第3実施形態の燃料電池システムは、変化指標取得手段20の機能が上記実施形態と異なっている。以下に第3実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
<Third Embodiment>
In the fuel cell system of the third embodiment, the function of the change index acquisition means 20 is different from that of the above embodiment. The fuel cell system of the third embodiment will be described below, but the description of the same configuration as that of the above embodiment will be omitted.
本実施形態では、変化指標取得手段20は、初期制御を行っている途中でのセルスタック9の出力電圧を常時監視している。この出力電圧は、実際の出力電圧を、原燃料ガスの供給量及び酸素の供給量及び蒸発用水の供給量を所定量に維持した状態で、セルスタック9の出力電流を所定値で一定となるような発電運転を行ったと仮定したときの換算値である。そして、変化指標取得手段20は、セルスタック9の出力電圧の経時変化の状態が所定の状態に至ると、発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至ったと判定する。例えば第2実施形態の図4に示したように、「初期制御なし」では、時刻t3を経過すると、セルスタック9の出力電圧は上昇に転じる。そのため、セルスタック9の制御温度を温度T2のままで維持していると、「初期制御あり」での出力電圧も上昇に転じるはずである。従って、変化指標取得手段20は、セルスタック9の制御温度を温度T2に維持しているとき、出力電圧が増加するという所定の状態に至ると、セルスタック9の制御温度を低下させるべき時期が到来したと判定する。そして、制御手段Cは、変化指標取得手段20の判定結果に基づいて、セルスタック9の制御温度を一定の低下率で低下させ始める低下処理を行う。この制御により、時刻t3から時刻t4の間では、「初期制御なし」で示すような出力電圧の経時的な上昇と、セルスタック9の制御温度の低下により引き起こされる出力電圧の低下とがあたかも相殺されて、「初期制御あり」での出力電圧は一定の値を示す。
In the present embodiment, the change
また、図4に示したように、「初期制御なし」では、時刻t4を経過すると、セルスタック9の出力電圧は低下に転じる。そのため、セルスタック9の制御温度を一定の低下率で低下させ続けていると、「初期制御あり」での出力電圧の低下率が急に大きくなるはずである。そのため、制御手段Cは、「初期制御あり」での出力電圧の低下率が設定値を超えて大きくなると、初期制御を終了して、上記実施形態と同様の定常制御を開始する。尚、制御手段Cは、セルスタック9の制御温度を基準温度Tr未満にさせることはない。 Further, as shown in FIG. 4, in “no initial control”, the output voltage of the cell stack 9 starts decreasing after the time t4. Therefore, if the control temperature of the cell stack 9 is continuously decreased at a constant decrease rate, the decrease rate of the output voltage in “with initial control” should suddenly increase. For this reason, when the rate of decrease of the output voltage in “with initial control” increases beyond the set value, the control means C ends the initial control and starts the steady control similar to the above embodiment. Note that the control means C does not cause the control temperature of the cell stack 9 to be lower than the reference temperature Tr.
<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
<Another embodiment>
<1>
In the said embodiment, although the specific example was given and demonstrated about the structure of the fuel cell system of this invention, the structure can be changed suitably.
<2>
上記実施形態では、温度調節手段が、原燃料ガスの供給量を調節する弁V1及び酸素の供給量を調節するブロアB及び蒸発用水の供給量を調節する弁V2によって実現される例を示したが、他の装置を温度調節手段として用いることもできる。例えば、温度調節手段としての電気ヒーターなどを用いて、セルスタック9の温度を調節することもできる。
<2>
In the above embodiment, an example is shown in which the temperature adjusting means is realized by the valve V1 for adjusting the supply amount of the raw fuel gas, the blower B for adjusting the supply amount of oxygen, and the valve V2 for adjusting the supply amount of evaporation water. However, other devices can also be used as temperature control means. For example, the temperature of the cell stack 9 can be adjusted using an electric heater or the like as temperature adjusting means.
<3>
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。
<3>
Note that the configurations disclosed in the above-described embodiments (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as no contradiction arises, and are disclosed in this specification. The embodiment described above is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明の燃料電池システムは、セルスタックの出力電圧の変動を抑制するために利用できる。 The fuel cell system of the present invention can be used to suppress fluctuations in the output voltage of the cell stack.
6 蒸発器
7 改質器
8 燃料電池セル
9 セルスタック
10 燃焼部
20 変化指標取得手段
C 制御手段
6
Claims (5)
前記セルスタックの温度を調節する温度調節手段と、
前記セルスタックの発電性能の経時変化の状態を示す指標を取得する変化指標取得手段と、
前記変化指標取得手段が取得する前記発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至った後は、前記セルスタックの温度が基準温度になるように前記温度調節手段の動作を制御する定常制御を実行し、並びに、前記変化指標取得手段が取得する前記発電性能の経時変化の状態が所定の状態に至る以前は、前記セルスタックの温度が前記基準温度よりも高い温度になるように前記温度調節手段の動作を制御する初期制御を実行する制御手段とを備える燃料電池システム。 A cell stack having a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and oxidant gas;
Temperature adjusting means for adjusting the temperature of the cell stack;
Change index acquisition means for acquiring an index indicating a state of change over time of the power generation performance of the cell stack;
After the time-dependent change state of the power generation performance acquired by the change index acquisition unit reaches a predetermined state, steady control is performed to control the operation of the temperature adjustment unit so that the temperature of the cell stack becomes a reference temperature. And the temperature adjustment is performed so that the temperature of the cell stack is higher than the reference temperature before the time-dependent change state of the power generation performance acquired by the change index acquisition unit reaches a predetermined state. And a control means for executing initial control for controlling the operation of the means.
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