JP2018139207A - 燃料電池システムおよびその停止方法 - Google Patents
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Abstract
Description
アノード再循環ループを有する燃料電池
図1は、例示的な燃料電池システム100の概略ブロック図を示す。図1に示すように、例示的な燃料電池システム100は、アノード再循環ループ11を含む。アノード再循環ループ11は、電力を発生させるための燃料電池スタック12を含む。燃料電池スタック12は、一緒に積み重ねられた複数の燃料電池を含むことができる。これらの燃料電池は、例えば、限定するものではないが、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を含むことができる。実際は、これらの燃料電池は、アノード材料としてニッケル基材料を使用した任意の燃料電池とすることができる。
アノードが保護された燃料電池システム
図2は、本開示の実施形態による、アノードが保護された燃料電池システム200の概略ブロック図を示す。図2に示すように、本開示の実施形態による燃料電池システム200は、図1の燃料電池システム100と比べると、電圧監視装置21をさらに含むことができる。電圧監視装置21は、燃料電池スタック12の電圧VFCをリアルタイムで監視することができる。燃料電池システム200を停止する間、燃料電池スタック12の電圧VFCは、燃料電池スタック12の温度の低下、あるいは、燃料電池スタック12内の交差漏れまたは外部への漏れの悪化によって低下する場合がある。燃料電池システム200の所定の作動条件では、燃料電池スタック12の電圧VFCは、燃料電池スタック12のアノード121の健全性の状態の指標とすることができる。燃料電池スタック12の電圧VFCが所定の電圧閾値Vthより下がると、それは燃料電池スタック12のアノード121の酸化を示す。所定の電圧閾値Vthは、ある動作マージンをもってニッケル−酸化ニッケル平衡と相互に関係付けることができる。例えば、所定の電圧閾値Vthは0.55Vから0.65Vの範囲とすることができる。任意に、所定の電圧閾値Vthは0.63Vとすることができる。
SCRモデル予測
以下、SCRモデル220におけるパラメータの関係の予測は、燃料の実例としてメタン(CH4)を取り上げ、かつ燃料電池スタック12の数が4つである状態において、図4を併せて参照して詳細に与えられる。
燃料電池システムのための停止方法
図5は、本開示の実施形態による、燃料電池システム200のための停止方法の前半部のフロー図を示す。図5に示すように、ブロックB51において、燃料電池システム200の運転中、燃料電池スタック12の電圧VFCは、例えば、電圧監視装置21を使ってリアルタイムで監視することができる。燃料電池スタック12の電圧VFCは、燃料電池スタック12のアノード121の健全性の状態を示すことができる。
12 燃料電池スタック
13 燃料改質器
18 エネルギー消費装置
21 電圧監視装置
22 アノード保護制御器
23 電流センサ
24 電力調整装置
25 温度センサ
26 アノード排出弁
27 圧力センサ
100 燃料電池システム
121 アノード
122 カソード
123 電解質
131 改質器入口
132 改質器出口
141 燃料供給装置
142 燃料流量計
143 燃料流量調整器
144 燃料浄化装置
151 空気供給装置
152 空気流量計
153 空気流量調整器
161 水蒸気供給装置
162 水蒸気流量計
163 水蒸気流量調整器
200 燃料電池システム
220 スチーム/カーボン比モデル
1211 アノード入口
1212 アノード出口
I 料電池スタックから引き出される電流
PA アノード内の圧力
PC カソード内の圧力
Qair 空気流量
Qfuel 燃料流量
Qsteam 水蒸気流量
SCR スチーム/カーボン比
SCRlimit スチーム/カーボン比限界
Tmax アノード再循環ループの最高温度
Tmin アノード再循環ループの最低温度
Tstack 燃料電池スタックの温度
VFC 燃料電池スタックの電圧
Vth 電圧閾値
ΔI 電流
Claims (20)
- 電力を発生させ、アノード(121)およびカソード(122)を有するように構成された燃料電池スタック(12)を備えるアノード再循環ループ(11)と、
前記アノード再循環ループ(11)に燃料を供給するための燃料供給装置(141)と、
前記燃料電池スタック(12)の前記カソード(122)に空気を供給するための空気供給装置(151)と、
前記燃料電池スタック(12)の電圧(VFC)を監視するための電圧監視装置(21)と、
前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、所定の電圧閾値(Vth)より下がったときはいつでも、前記燃料電池スタック(12)から引き出される電流(I)を所定の量(ΔI)だけ減少させ、前記減少した電流に基づいて前記アノード再循環ループ(11)に供給される前記燃料の燃料流量(Qfuel)を減少させて、前記アノード再循環ループ(11)内のスチーム/カーボン比(SCR)を所定のスチーム/カーボン比限界(SCRlimit)より高く保つ、アノード保護制御器(22)と
を備える燃料電池システム(200)。 - 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、前記所定の電圧閾値(Vth)より高い、または等しいときで、前記アノード保護制御器(22)が、前記電流(I)が前記所定の量ΔIよりまだ多い場合、前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が前記所定の電圧閾値(Vth)より下がるまで待ち、前記電流(I)が前記所定の量(ΔI)より少ない、または等しい場合、前記電流(I)をゼロに設定する、請求項1記載の燃料電池システム(200)。
- 燃料改質用の水蒸気を前記アノード再循環ループ(11)に供給するための水蒸気供給装置(161)をさらに備える請求項1または2記載の燃料電池システム(200)。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が前記所定の電圧閾値(Vth)より下がったときはいつでも、前記アノード保護制御器(22)が、前記アノード再循環ループ(11)に供給される前記水蒸気の水蒸気流量(Qsteam)をさらに増大させる、請求項3記載の燃料電池システム(200)。
- 前記アノード保護制御器(22)がスチーム/カーボン比モデル(220)を備え、前記アノード保護制御器(22)が、前記減少した電流にしたがって、前記スチーム/カーボン比モデル(220)から、減少させる燃料流量の指令を決定する、請求項3記載の燃料電池システム(200)。
- 前記スチーム/カーボン比モデル(220)が、前記アノード再循環ループ(11)に供給される前記燃料流量(Qfuel)、前記アノード再循環ループ(11)に供給される前記水蒸気流量(Qsteam)、前記燃料電池スタック(12)から引き出される前記電流(I)、および前記燃料電池スタック(12)の温度(Tstack)から前記アノード再循環ループ(11)内の前記スチーム/カーボン比(SCR)のマップを作るための関係を定める、請求項5記載の燃料電池システム(200)。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記温度(Tstack)が所定の温度より高いときで、前記燃料電池スタック(12)から引き出された前記電流(I)がゼロより多く、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記水蒸気流量(Qsteam)がゼロの場合、前記スチーム/カーボン比モデル(220)の前記アノード再循環ループ(11)内の前記スチーム/カーボン比(SCR)が、前記アノード再循環ループ(11)に供給された燃料流量(Qfuel)および前記燃料電池スタック(12)から引き出された前記電流(I)と関係している、請求項6記載の燃料電池システム(200)。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記温度(Tstack)が所定の温度より高いときで、前記燃料電池スタック(12)から引き出された前記電流(I)がゼロより多く、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記水蒸気流量(Qsteam)がゼロより多い場合、前記スチーム/カーボン比モデル(220)の前記アノード再循環ループ(11)内の前記スチーム/カーボン比(SCR)が、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記燃料流量(Qfuel)、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記水蒸気流量(Qsteam)、および前記燃料電池スタック(12)から引き出された前記電流(I)と関係している、請求項6記載の燃料電池システム(200)。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記温度(Tstack)が所定の温度より高いときで、前記燃料電池スタック(12)から引き出された前記電流(I)がゼロで、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記水蒸気流量(Qsteam)がゼロより多い場合、前記スチーム/カーボン比モデル(220)の前記アノード再循環ループ(11)内の前記スチーム/カーボン比(SCR)が、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記燃料流量(Qfuel)、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記水蒸気流量(Qsteam)、および前記燃料電池スタック(12)の前記温度(Tstack)と関係している、請求項6記載の燃料電池システム(200)。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記温度(Tstack)が所定の温度より低いとき、前記スチーム/カーボン比モデル(220)の前記アノード再循環ループ(11)内の前記スチーム/カーボン比(SCR)が、前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記燃料流量(Qfuel)および前記アノード再循環ループ(11)に供給された前記水蒸気流量(Qsteam)と関係している、請求項6記載の燃料電池システム(200)。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、前記所定の電圧閾値(Vth)より下がったときでも、前記アノード保護制御器(22)が、前記アノード(121)と前記カソード(122)との間の差圧を所定の圧力範囲にさらに保つ、請求項1または2記載の燃料電池システム(200)。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記アノード(121)が、アノード入口(1211)およびアノード出口(1212)を有し、前記アノード再循環ループ(11)がさらに、
前記燃料、および前記燃料電池スタック(12)の前記アノード出口(1212)からの排ガスを受け取り、リフォーメートを発生させるための燃料改質器(13)であって、前記リフォーメートの少なくとも一部分を、前記燃料電池スタック(12)の前記アノード入口(1211)に戻す、燃料改質器(13)
を備える、請求項1記載の燃料電池システム(200)。 - 燃料電池システム(200)のための停止方法であって、前記燃料電池システム(200)が、電力を発生させるための燃料電池スタック(12)を有するアノード再循環ループ(11)を備え、
前記燃料電池スタック(12)の電圧(VFC)を監視するステップと、
前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、所定の電圧閾値(Vth)より下がったときはいつでも、前記燃料電池スタック(12)から引き出される電流(I)を所定の量(ΔI)だけ減少させるステップと、
前記減少した電流に基づいて前記アノード再循環ループ(11)に供給される燃料の燃料流量(Qfuel)を減少させて、前記アノード再循環ループ(11)内のスチーム/カーボン比(SCR)を所定のスチーム/カーボン比限界(SCRlimit)より高く保つステップと
を含む停止方法。 - 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、前記所定の電圧閾値(Vth)より高い、または等しいときで、前記電流(I)が前記所定の量(ΔI)よりまだ多い場合、前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が前記所定の電圧閾値(Vth)より下がるまで待つステップと、
前記電流(I)が前記所定の量(ΔI)より少ない、または等しい場合、前記電流(I)をゼロに設定するステップと
をさらに含む請求項13記載の停止方法。 - 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、前記所定の電圧閾値(Vth)より下がっても、前記燃料電池スタック(12)のカソード(122)に供給される空気の空気流量(Qair)を一定に保つステップをさらに含む請求項13または14記載の停止方法。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、前記所定の電圧閾値(Vth)より下がったときでも、前記アノード再循環ループ(11)に供給される水蒸気の水蒸気流量(Qsteam)を一定に保つステップをさらに含む請求項15記載の停止方法。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が前記所定の電圧閾値(Vth)より下がったときはいつでも、前記アノード再循環ループ(11)に供給される水蒸気の水蒸気流量(Qsteam)を増大させるステップをさらに含む請求項15記載の停止方法。
- スチーム/カーボン比モデル(220)を事前確立するステップと、
前記減少した電流にしたがって、前記スチーム/カーボン比モデル(220)から、減少させる燃料流量の指令を決定するステップと
をさらに含む請求項15記載の停止方法。 - 前記スチーム/カーボン比モデル(220)が、前記アノード再循環ループ(11)に供給される燃料の燃料流量(Qfuel)、前記アノード再循環ループ(11)に供給される水蒸気の水蒸気流量(Qsteam)、前記燃料電池スタック(12)から引き出される前記電流(I)、および前記燃料電池スタック(12)の温度(Tstack)から前記アノード再循環ループ(11)内の前記スチーム/カーボン比(SCR)のマップを作るための関係を定める、請求項18記載の停止方法。
- 前記燃料電池スタック(12)の前記電圧(VFC)が、前記所定の電圧閾値(Vth)より下がったときでも、前記アノード保護制御器(22)が、前記燃料電池スタック(12)のアノード(121)と前記カソード(122)との間の差圧を所定の圧力範囲に保つステップをさらに含む請求項15記載の停止方法。
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