JP2018010860A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システム100は、燃料を供給する燃料供給器1と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタック6と、前記燃料電池スタック6の温度を検出する温度検出器7と、制御器10と、を備え、前記燃料電池スタック6は、プロトンが伝導する電解質膜6aと、前記電解質膜6aの一方の面に設けられたカソード6bと、もう一方の面に設けられたアノード6cとからなる膜電極接合体と、を備え、前記制御器10は、前記燃料電池スタック6の温度と前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタック6から取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタック6から取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている。
【選択図】図1
Description
2CO ←→ C + CO2 (式2)
たとえば、非特許文献2に示すように、炭素、水素、酸素の比率と圧力とをパラメーターとし、熱力学平衡計算を行うことによって、炭素が析出するか否かを判定することができ、C−H−O三元図において炭素析出限界を把握することができる。
アノード:H2 + O2- → H2O + 2e- (式4)
これに対し、プロトン伝導体を電解質膜に用いた燃料電池では、アノードにおいて下記式5により生成されるプロトンが、電解質を介してカソードに供給され、下記式6の反応により水蒸気が生成する。
カソード:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (式6)
酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池スタックにおいて、燃料枯れによるアノード構成材料の酸化が起きることが知られている。燃料枯れとは、電流分布等によって局所的に燃料が足りていない状態を指す。例えば、Niをアノード構成材料に用いる場合には、燃料枯れによって酸化されてNiOが生成し、セルの破壊や性能低下が起きることが知られている。対して、プロトン伝導体を用いた燃料電池スタックにおいては、燃料枯れによるアノード構成材料の酸化は原理上起き難い点がメリットである。
図1は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。燃料電池システム100は、燃料電池スタック6、第1温度検出器7、燃料供給器1、空気供給器5および電流取り出し線15および制御器10を備えている。さらに、燃料電池システム100は、水供給器2、蒸発器3を備えていてもよい。
H:O比率情報)に、プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池において、燃料をメタンとし、S/Cを2にした場合のアノードガス組成についてプロットした図である。また、燃料にメタンを用いた場合について説明するが、他の燃料を用いた場合についても同様であるため、その説明を省略する。
炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値として求める。そして、水素原子の上限値から燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。
図3は、第2実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、第1オフガス経路13および第2温度検出器16をさらに備えている。燃料電池システム100は、燃焼器8、および、第2オフガス経路14をさらに備えていてもよい。
図4は、第3実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、圧力検出器17をさらに備えている。
図5は、第4実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第3実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、第1オフガス経路13および第2温度検出器16をさらに備えている。燃料電池システム100は、燃焼器8、および、第2オフガス経路14をさらに備えていてもよい。これらの構成は、第2実施形態に係る燃料電池システム100の構成と同様であるため、その説明を省略する。
図6は、第5実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、改質器4をさらに備えている。また、第1実施形態の燃料電池スタック6は、改質機能を有する内部改質方式であったが、第5実施形態の燃料電池スタック6は改質機能を有さず、外部に改質器4を有する外部改質方式である。なお、燃料電池スタック6は、改質器4に加えて、内部改質機能を有していてもよい。
第6実施形態に係る燃料電池システム100は、図1に示す第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成と同様の構成を備えている。制御器10は、予め定められた燃料電池スタック6の性能特性に基づいた燃料電池スタック6の供給電力量が外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、燃料の供給量および水の供給量の少なくとも一方を増加させる。燃料電池スタック6の性能特性の1つである電流出力特性は、実験などにより予め定められている。
図7は、第7実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の水供給器2および蒸発器3に代えて、水蒸気供給器9を備えている。
図8は、第8実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、入力部19をさらに備えている。
燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。そして、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。
2 :水供給器
3 :蒸発器
4 :改質器
6 :燃料電池スタック
6a :電解質膜
6b :カソード
6c :アノード
6e :膜電極接合体
7 :第1温度検出器(温度検出器)
9 :水蒸気供給器
10 :制御器
13 :第1オフガス経路(オフガス経路)
16 :第2温度検出器
17 :圧力検出器
100 :燃料電池システム
Claims (11)
- 燃料を供給する燃料供給器と、
前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、
制御器と、を備え、
前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、燃料電池システム。 - 前記温度検出器は第1温度検出器であり、
前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、
前記オフガスの温度を検出する第2温度検出器と、をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料および前記水素含有ガスの少なくともいずれか一方を含み前記アノードに供給されるアノードガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記燃料の供給量と前記アノードガスの圧力とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記温度検出器は第1温度検出器であり、
前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、
前記オフガスの温度を検出する第2温度検出器と、をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量と前記アノードガスの圧力とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、請求項3に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器をさらに備える、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量を増加させるように構成されている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックに水を供給する水供給器と、
前記水供給器から供給される水を蒸発させる蒸発器と、をさらに備える、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されている、請求項7に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックに水蒸気を供給する水蒸気供給器をさらに備える、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水蒸気の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されている、請求項9に記載の燃料電池システム。 - 燃料を供給する燃料供給器と、
前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、を備え、
前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックの温度と前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限する、燃料電池システムの運転方法。
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