JP2018538668A - 再循環率の測定方法および測定装置 - Google Patents
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Abstract
燃料電池(10)を備える燃料電池システム(1)のアノードガス回路(50)における再循環率(RR)を求める方法に関する。アノード室(13)からのアノードガス(52)は、アノードガス再循環路(51)を介してガス搬送装置(70)を用いて燃料電池(10)に送られ、再循環路に設けられた熱交換器(60)により温度管理される。本方法は、以下の処理を含む:燃料電池システムの動作時に第1質量流量(M1_2)が通過する再循環路(51)の第1流路部(101)における第1圧力損失(ΔP1_2)を測定し、動作時に第1質量流量とは異なる流量の第2質量流量(M3_4;M2_3)が通過する第2流路部(102、103)における第2圧力損失(ΔP3_4、ΔP2_3)を測定し、第1、第2圧力損失の商により圧力損失比(RΔP)を算出し、システム特性曲線(S)を、圧力損失比の関数として用いることで回路(50)における再循環率を決定する。
Description
本発明は、燃料電池システムのアノードガス回路における再循環率の測定方法に関する。燃料電池システムは少なくとも一つの燃料電池を備え、該燃料電池は、カソード室に設けられた少なくとも一つのカソードと、アノード室に設けられた少なくとも一つのアノードと、カソード室とアノード室との間に存する電解質と、を有する。少なくとも一つの燃料電池のアノード室からのアノードガスは、少なくとも一つのガス搬送装置を用いてアノードガス再循環路により供給され、該アノードガス再循環路に設けられた少なくとも一つのアノードガス熱交換器において温度管理がされる。また、本発明は上記測定処理を実行する測定装置に関する。
電動車両の補助電源装置や「定置発電所(stationary power plant)」として用いられる燃料電池システムは、通常、カソード空気や改質ガスから発電する少なくとも一つの燃料電池を備える。かかる燃料電池は、一般的に、縦に積み重ねられた多数の燃料電池エレメントからなり、これらは燃料電池スタックと呼ばれる。改質ガスを生成するため、燃料電池システムは、燃料(一般的には、天然ガスのような炭化水素)や、改質用空気及び/又は水蒸気から改質ガスを生成する改質器を備える。生成された改質ガスは、水素ガスや一酸化炭素を含む。この改質処理は、別体の改質器で行っても良く、燃料電池自身の内部で行っても良い。また、燃料電池システムは、燃料電池システムの置かれた環境からエアコンベア装置を用いて大気を取り込むと共に、これを、例えば改質用空気やカソード空気に細分化する空気供給装置を備えても良い。その後、改質用空気は改質用空気路を介して改質器に供給される。一方、カソード空気はカソード空気路を介して少なくとも一つの燃料電池のカソード側に供給される。通常、この種の燃料電池システムでは、対応する燃料電池からのアノード排出ガスを改質器に戻すため、当該少なくとも一つの燃料電池のアノード側のアノードガスが再循環路を用いて改質器へと送られる。アノード排出ガスを送るには、通常は高温のアノード排出ガスを搬送するガス搬送装置を再循環路に配置し、当該目的を達成するため、エジェクタと呼ばれる再循環ポンプやジェットポンプが用いられる。
かかる燃料電池における処理の最適化には、再循環されるアノード排出ガスの正確な再循環率を知る必要がある。これにより、改質処理に必要な水をどれだけ再循環により供給するかを決定すると共に、望ましくない炭素化を防ぐことが可能となる。なお、炭素化は固体酸化物形燃料電池を燃料電池として用いる場合に特に発生し易い。この処理は、メタンガスにより直接的に操作される。この結果、燃料の利用率を高めることができる。
現在の技術水準では、再循環率は、通常、ベルヌーイの定理にしたがい、循環する媒体や液体の圧力を測定する圧力計を設けることで判断される。その例としては、それ自体が圧力計として知られる、流量絞り(flow aperture)、ピトー管、ベンチュリノズルが挙げられる。かかる圧力計は、再循環路に配置され、計測される圧力差に基づいて再循環率が得られる。即ち、ベンチュリ管を用いる場合、ベルヌーイの定理に従い、ベンチュリ管により発生する圧力差を測定することで、結果的に再循環率が測定できる。しかしながら、圧力計やベンチュリ管を追加すると、アノード排出ガスの再循環路において相当程度の圧力損が生じる。特に単一の圧力計を用いて幅広い測定範囲をカバーする場合にこの問題は顕著となる。また、低質量流量においても圧力計による正確な測定を可能とするには、少なくとも小さな、測定可能な圧力差が得られなければならない。したがって、圧力計の流量絞りやベンチュリ管内における自由流れの断面積を比較的小さくする必要がある。ただし、この場合、高質量流量では再循環路にかなりの圧力損が発生してしまう。別の問題点として、圧力計を追加することによるコストの増加や、ベンチュリ管を用いた正確な差圧測定を実現するために、再循環路において再循環パイプ内の圧力計に対する最も均一で直接的な流入を確保できるだけのスペースを確保する必要がある。
ベンチュリ管のような圧力計を追加することによる、別の大きな問題点として、圧力差を用いてアノード回路内の再循環率を精度良く測定するには、圧力計を通過するアノード排出ガスの正確な組成を把握している必要があることが挙げられる。しかし、動作中に気体組成を正確に把握することは困難であるため、再循環率を正確に測定することも難しくなる。
以上から、本発明の目的は、上記した問題点を回避しつつ、燃料電池のアノード回路内における再循環率を精度良く容易に測定できる方法を提供することにある。本発明の別の目的は、本発明に基づく上記測定方法を実行するのに適した測定装置を提供することにある。
本発明に依れば、1つ目の目的、即ち改良された測定方法の提供は、燃料電池システムのアノードガス回路内における再循環率を決定する一般的な測定方法に、以下の処理を追加することによって解決される:
−アノードガス再循環路の第1流路部における第1圧力損失を測定する。なお、該第1流路部には、燃料電池システムの動作時に第1質量流量が通過する。
−アノードガス再循環路の第2流路部における第2圧力損失を測定する。なお、該第2流路部には、燃料電池システムの動作時に第1質量流量とは異なる流量を持つ第2質量流量が通過する。
−測定した第1圧力損失に対する第2圧力損失の割合を表す商により、圧力損失比を算出する。
−燃料電池システムのシステム特性曲線を算出した圧力損失比の関数として用い、アノードガス回路内の再循環率を決定する。
−アノードガス再循環路の第1流路部における第1圧力損失を測定する。なお、該第1流路部には、燃料電池システムの動作時に第1質量流量が通過する。
−アノードガス再循環路の第2流路部における第2圧力損失を測定する。なお、該第2流路部には、燃料電池システムの動作時に第1質量流量とは異なる流量を持つ第2質量流量が通過する。
−測定した第1圧力損失に対する第2圧力損失の割合を表す商により、圧力損失比を算出する。
−燃料電池システムのシステム特性曲線を算出した圧力損失比の関数として用い、アノードガス回路内の再循環率を決定する。
本発明の測定方法又は本発明の測定装置におけるより好ましい設計内容や実施例については、各従属項により表現する。
本発明では、アノードガス回路の複数個所における圧力状態を利用する。これは、燃料電池システムの動作中における電流負荷要求の高まりに伴って発生するアノードの下流の質量流量の変化を利用するものである。電流負荷の要求により、酸素を多く含むカソードから酸素イオンが発生する。発生した酸素イオンは、カソード室とアノード室とを分ける膜を通過してアノード室へと流れ、アノード室内の水素と反応して水蒸気を生成する。生成された水蒸気はアノード出口に現れるため、アノード室下流におけるアノードガス再循環路の質量流量を増加させる。
第1圧力損失をアノードガス再循環路の第1流路部に沿って測定する。なお、燃料電池システムの動作中、第1流路部には第1質量流量が流れる。例として、アノードガス供給路(アノード室の入口側)における第1圧力損失の測定は、比較的低温側のアノードガス熱交換器の上流及び下流の2点差圧測定として実行される。
アノードガス再循環路の第2流路部に沿って第2圧力損失も、原則同時に測定される。なお、燃料電池システムの動作中、第2流路部には第1質量流量と異なる(即ち、第1流路部を流れる第1質量流量よりも大きい又は小さい)第2質量流量が流れる。例として、アノードガス排出路(アノード室の出口側)における第2圧力損失の測定は、アノードガス熱交換器の比較的高温側において、該熱交換器の上流及び下流における2点差圧測定として実行される。
例えば、電流負荷が増加すると、アノード入力側に比してアノード出力側の質量流量が増加する。また、電流負荷の増加により、カソードから電解質を通ってアノード室へと流れると共に、アノードガス排出路を流れるアノードガスへと送られる酸素の質量流量も増加する。このとき、例えば熱交換器を介して測定される2つの圧力損失は、いずれも同様の挙動を示す。
驚くべきことに、負荷要求とは独立して、(比較的、質量流量が高い時等に測定される)第2圧力損失と(比較的、質量流量が低い時等に測定される)第1圧力損失との商として算出される圧力損失比と、再循環率との間には相関性が見られる。このことから、算出された圧力損失比を用い、アノードガス回路の目標再循環率が設定値となるように、ガス搬送装置(例えば再循環ポンプ)を制御することが可能となる。
従来、完全な特性マップを求めるには、追加した圧力計の圧力損失と、異なる電流負荷に対する質量流量との相関関係を取得し、これを個別の再循環率と関連付ける作業が必要であった。動作中、アノードガス再循環路の何れかの位置や電流負荷の何れかの点で圧力損失が見つかると、目標再循環率を達成するために、再循環ポンプを再調節される。この場合、圧力計の追加による流量−負荷依存の圧力上昇の測定とアノードガスの温度測定に加え、アノードガスの気体組成も測定する必要がある。気体組成は、キャリブレーションの精度範囲内で測定することが可能ではあるが、非常に複雑であるため、実際の動作において再循環率を定める上では実用的ではない。
しかし、本発明は、アノードガス再循環路に構成を加えることなく、再循環率の迅速な制御を可能とする。本発明に係る方法の利点の一つは、電流負荷とは独立した圧力差と再循環率との相関関係を用いるものであるため、単一の電流負荷範囲においてのみキャリブレーションを行えば済む点である。
本発明に係る測定方法では、圧力損失比と再循環率との相関関係を示すシステム特性曲線は、電流負荷とは本質的に独立しているという利点を有する。この測定方法の変形例にあっては、アノードガス回路内の再循環率を燃料電池システムのシステム特性曲線を用いて決定する。なお、燃料電池システムのシステム特性曲線は、電流負荷とは独立している、又は電流負荷とは本質的に独立していると推定される。したがって、システム特性曲線を求める際に、異なる多数の電流負荷を測定する必要はない。燃料電池システムのシステム特性曲線を決定する際の参考点となる、圧力損失比と対応する再循環率の組合せを数個取得すれば足りる。
ある測定方法では、システム特性曲線は圧力損失比と再循環率との相関関係が線形を示すことがある。かかる測定方法の実施例にあっては、圧力損失比と再循環率との相関関係が線形であると推定される。したがって、システム特性曲線は線形関数として描かれる。線形システム特性曲線を求めるには、異なる電流負荷における複数回の測定は必要なく、圧力損失比と対応する再循環率の組合せが2つあれば足りる。
本発明に係る測定方法では、再循環率の上昇に伴い、圧力損失比がシステム特性曲線に沿って減少する。かかる測定方法の変形例では、再循環率と対応する圧力損失比とが反比例するシステム特性曲線を示す。
ある測定方法では、燃料電池システムのシステム特性曲線は、異なる再循環率における圧力損失比を求めることでそれぞれキャリブレーションすることができる。
好ましい実施例では、第1流路部における第1圧力損失は、少なくとも1つのアノードガス熱交換器の低温側に設けられたアノードガス供給路において測定され、第2流路部における第2圧力損失は、同一のガス熱交換器の高温側に設けられたアノードガス排出路において測定される。即ち、本実施例では、両圧力損失が、同一の熱交換器における低温側/高温側で測定される。
別の実施例では、第1圧力損失は、熱交換器低温側に設けられたアノードガス供給路において、少なくとも1つのアノードガス熱交換器の上流及び下流で測定され、第2圧力損失は、熱交換器高温側に設けられたアノードガス排出路において、同一のアノードガス熱交換器の上流及び下流で測定される。したがって、圧力損失比は、単一の構成要素(アノードガス再循環路における熱交換器)によって得ることができる。
別の実施例では、第1圧力損失は、熱交換器低温側に設けられたアノードガス供給路において、少なくとも1つのアノードガス熱交換器の上流及び下流で測定され、第2圧力差は、アノードガス再循環路の第2流路部において、アノード室の上流及び下流で測定される。この実施例では、アノードガス供給路における熱交換器の上流と下流の第1圧力損失が、アノード室の上流及び下流における第2圧力損失と比較される。よって、この実施例では、熱交換器における圧力損失と燃料電池のアノード室における圧力損失とを比較して圧力損失比を求めている。
本発明のさらに別の実施例では、少なくとも1つのガス搬送装置を用いてアノードガスを改質器に供給する。
本発明のもう1つの目的、即ち本発明の測定方法を実行する測定装置の提供は、本発明に係る測定装置によって実現される。該測定装置は、アノードガス再循環路の第1流路部に沿って離れて配置された2つの圧力測定点を用い、第1圧力損失を測定する少なくとも1つの第1圧力損失測定ユニットと、アノードガス再循環路の第2流路部に沿って配置された2つの離れた圧力測定点を用いて第2圧力損失を測定する少なくとも1つの第2圧力損失測定ユニットと、演算ユニットと、評価ユニットと、を備える。燃料電池システムの動作時、第1流路部には第1質量流量が流れる。また、燃料電池システムの動作時、第2流路部には第1流路部を流れる第1質量流量とは異なる第2質量流量が流れる。演算ユニットは、測定した第1圧力損失に対する第2圧力損失の割合を表す商により圧力損失比を算出する。また、評価ユニットは、算出した圧力損失比と、該圧力損失比の関数としての燃料電池システムのシステム特性曲線とに基づき、各再循環率を求める。なお、求められた再循環率は表示ユニットによって表示される。
本測定装置の有利な実施例では、演算ユニット、評価ユニット、及び表示ユニットが信号線を介して互いに連結される。測定装置に係る本実施例では、演算ユニット、評価ユニット、表示ユニットは、それぞれ信号線で連結されている。また、好適には、これらのユニットは測定装置の一つのハウジング内に包括的に配置されるか、該ハウジングと一体化される。したがって、アノードガス回路の各再循環率が測定されて表示されるように当該測定装置が提供される。
本発明に係る測定装置にあっては、異なる再循環率での圧力損失比を求めて燃料電池システムのシステム特性曲線をキャリブレーションすることが好ましい。
測定装置のシステム特性曲線は、電流負荷から独立している、圧力損失比と再循環率との相関関係により選択されることが好ましい。
測定装置に係る別の実施例では、圧力損失比と再循環率との線形的相関関係を用いてシステム特性曲線を選択しても良い。
本発明の詳細、特徴、及び効果は、概略的に図示した実施例に対する以下の説明によって明らかとなる。各図は、以下を示す。
アノードガス回路に、特徴的な圧力損失を測定するための圧力測定装置が追加された最先端の燃料電池システムにおける流れを示す図である。
アノードガス回路に追加された圧力計を用いて測定された特徴的な圧力損失が、異なる再循環率における電流負荷の関数としてプロットされた、再循環率を求めるための最先端の方法を示す図である。
アノードガス回路に追加の圧力計を有しない、本発明の燃料電池システムにおける流れの一部を示す図である。
本発明に係る測定装置を用いた測定方法の実施例を示す、図3の詳細図である。
燃料電池システムのシステム特性曲線を対応する圧力損失比の関数として用い、アノードガス回路の再循環率を求めるための測定方法を示す図である。
図1は、最先端の燃料電池システム1における流れを概略的に示す。該燃料電池システム1には、カソード室11に設けられた少なくとも1つのカソード12と、アノード室13に設けられた少なくとも1つのアノード14と、カソード室11及びアノード室13の間に設けられた電解質15と、を有する少なくとも1つの燃料電池11が設けられる。動作中、矢印19で示す酸素は、電解質15を通ってカソードからアノード室13へと流れる。追加の圧力計25(例えば、ベンチュリ管25)は、再循環率を求めるためにアノードガス回路50に設けられる。また、アノードガス52の再循環路51に設けられた圧力計25に加え、アノードガス回路50は、アノードガス供給路53としての回路部と、アノードガス排出路54としての回路部とを有する。ここで、アノードガス供給路53は、アノード室13の入口側に向かう流路であり、アノードガス排出路54は、アノード室13の出口側から該アノード室13から離れる方向に向かう流路である。アノードガス排出路54は、アノード室13の後、アノードガス順路51の下流において、アノードガス排出流55とアノード再循環ガス流56とに分かれる。アノード再循環ガス56は、新しい燃料57と混合され、その混合気はアノードガス供給路53を通ってアノード室に供給される。
例えば、いわゆる固体酸化物形燃料電池(SOFC)10を有する燃料電池システム1が図1に示される。これは、動作温度が約650℃から1000℃となる高温燃料電池である。このタイプの電池における電解質15は、酸素イオンを伝導できるが、電子に対しては絶縁効果を有する固体セラミックス材料からなる。電極、カソード12、アノード14は、電解質層15の両面に設けられる。これらは、気体を透過可能な電気伝導体である。酸素イオン伝導電解質15は、例えば、ほとんどエネルギを消費することなく酸素イオンを輸送するために薄膜に設計される。ただし、これは高温下でのみ作用する。電解質の反対側に設けられたカソード12の外側は空気に囲まれ、アノード14側の外側は燃料ガスに囲まれる。また、未使用の空気や、未使用の燃料ガス及び焼成生成物が抽出される。
固体酸化物形燃料電池10は、継続的に電気化学的発電を行うガルヴァーニ電池であり、通常は、いくつかの燃料電池10を相互に接続して形成される燃料電池スタック(いわゆるSOFCスタック)として動作する。なお、簡略化のため、図1では単一の燃料電池10のみを示す。また、SOFC燃料電池システム1は、図1に示すように、熱交換器を備える。熱交換器は、アノードガス供給路53でアノードガス52を予熱する。即ち、熱交換器の低温側61において、熱交換器の高温側62にあるアノードガス排出路54を通る高温のアノードガス52との熱交換により、アノードガス52を予熱する。さらに、かかる燃料電池システム1は、アノードガス回路50に設けられたガス搬送装置70と、改質器80と、その他のモジュール(例えばDC/ACインバータや制御系、その他燃料電池システム1の自動操作に必要な要素)とを有する。改質器80は、可燃性物質燃料57等(一般的には、天然ガス(NG)等の炭化水素)や改質空気及び/又は水蒸気から改質ガスを生成する。したがって、改質ガスは水素ガスと一酸化炭素を含むガスとなる。
各ガルヴァーニ電池及び電気化学的反応の機能は、一般的に、酸化還元反応に基づくものであって、具体的には、電極と電解質との境界において還元と酸化が別々に生じる。固体酸化物形燃料電池10の場合、酸化還元反応は酸素と燃料(水素であっても良い)との反応であるが、本実施例の場合、一酸化炭素等も含む。カソード側12には酸素が多く存するが、アノード側14では酸素が不足する。これは、酸素が直接水素と反応すること等が原因に挙げられる。この濃度勾配により、カソード12から電解質15を介してアノード14まで酸素19を拡散させることができる。ただし、電解質15は酸素イオンのみが通過可能に構成される。即ち、酸素分子がカソードと電解質との境界に到達すると電子2個が吸収されてイオンが生成され、境界を通過可能となる。該酸素イオンがアノード14との境界に到達すると、燃料ガスと触媒的に反応して熱及び焼成生成物を生み出すと共に、アノードに電子を2個放出する。必要となる前提条件は電流(即ち、固体酸化物形燃料電池の本来の目的)であり、当該電流は他の場所においても利用することができる。
したがって、アノード14とカソード15で発生する化学反応や、燃料電池の両電極を介して起こる全反応は、以下のようにまとめることができる:
アノード: H2+O2−→H2O+2e−
カソード: 1/2O2+2e−→O2−
全反応: 2H2+O2→2H2O
アノード: H2+O2−→H2O+2e−
カソード: 1/2O2+2e−→O2−
全反応: 2H2+O2→2H2O
初めに詳細に説明し、図2にも示すように、従来から、アノードガス回路50の再循環率を求めるには、異なる再循環率RR毎に各電流負荷の関数として、特徴的な圧力損失を記録すると共に、アノードガス回路50に追加の圧力計25を設ける必要があった。例えば、アノードガス回路50に設けたベンチュリ管25を用いて特徴的な圧力損失ΔP1_2を生成してこれを記録していた。しかし、再循環率を測定するために必要となる追加の圧力測定機器25によるアノードガス回路50内の圧力損失の増加に加え、アノードガス52の気体組成が既知でなければならないという不都合がある。図2の特性曲線は、再循環率70%、80%、90%における、特徴的な圧力損失ΔP1_2と電流との相関関係を示すが、該特性曲線の値は、各圧力測定点におけるアノードガスの温度や気体組成に依存する。したがって、当該従来技術にあっては、燃料電池システム1の全動作範囲に亘る広範な特性マップを求めなければならないが、そのようなマップは非常に複雑であって正確性に欠ける。
図3は、アノードガス回路50に追加の圧力計を有しない、燃料電池システム1における流れの一部を示す図である。燃料電池システム1を動作させるために必要なその他の要素や集合体については、例えば、図1に示した構成と対応する。圧力損失は、図3に示すアノードガス回路50において、例えば図4に示す構成に従って測定される。
図4は、本発明に係る測定装置200を用いた測定方法の実施例を示す、図3の詳細図である。燃料電池システム1のアノードガス回路50における再循環率RRは、以下の通り測定装置200により測定される。
第1圧力損失ΔP1_2は、第1圧力損失測定ユニット91を用いて測定される。第1圧力損失測定ユニット91は、アノードガス再循環路51の第1流路部101に沿って離れて配置された2つの圧力測定点P1、P2を持つ。燃料電池システム1の動作時、第1質量流量M1_2は第1流路部101を流れる。圧力測定点P1は、アノードガス熱交換器60上流のアノードガス供給路53に設けられる。圧力測定点P2は、アノードガス熱交換器60下流のアノードガス出口54に設けられる。よって、第1圧力損失ΔP1_2は、第1流路部101に沿いのアノードガス熱交換器60を挟んだ熱交換器低温側61で測定される。
第2圧力損失ΔP3_4は、第2圧力損失測定ユニット92を用いて測定される。第2圧力損失測定ユニット92は、アノードガス再循環路51の第2流路部102に沿って離れて配置された2つの圧力測定点P3、P4を持つ。燃料電池システム1の動作時、第2質量流量M3_4は第2流路部102を流れる。なお、第2質量流量M3_4にはアノードガス供給路53のアノードガス52に加え、カソード12からアノード空間13に流れる酸素19が加わるため、第2質量流量M3_4は、第1質量流量M1_2よりも流量が大きい。したがって、本発明の実施例は、第1質量流量よりも大きな第2質量流量のもとで実行されることとなるが、その比率が、1点か複数点、あるいは全ての圧力測定点P1、P2、P3、P4で現れる。圧力点P3は、アノードガス出口54のアノードガス熱交換器60上流に設けられる。圧力点P4は、アノードガス出口54のアノードガス熱交換器60下流に設けられる。第2圧力損失ΔP3_4は、第2流路部102に沿いのアノードガス熱交換器60を挟んだ熱交換器高温側62で測定される。
算出ユニット201は、測定した第2圧力損失ΔP3_4に対する第1圧力損失ΔP1_2の割合を除算して圧力損失比RΔPを算出する。また、評価ユニット202は、算出ユニット201によって算出された圧力損失比RΔPと燃料電池システム1のシステム特性曲線Sとに基づき、再循環率RRを求める。この再循環率RRは、算出された圧力損失比RΔPの関数として機能し、表示ユニット203により表示される。
あるいは、第2圧力損失ΔP2_3は、アノードガス再循環路51の第2流路部又はその他の流路部103に沿って、2つの離れた圧力測定点P2、P3と共に設けられた第2圧力損失測定ユニット93による差圧測定の影響を受け得る。なお、圧力測定点P2は、アノードガス出口路54においてアノードガス熱交換器60の下流に設けられる。圧力測定点P3は、アノードガス出口路54においてアノードガス熱交換器60の上流に設けられる。よって、第2圧力損失ΔP2_3は、燃料電池10のアノード区画13を介して決まる。また、第2流路部又はその他の流路部103を流れる質量流量M2_3は、第1流路部101の質量流量M1_2よりも大きい。再循環率RRを求めるために、当該第2圧力損失ΔP2_3は、第1流路部101に沿って求められた第1圧力損失ΔP1_2と比較される。
また、簡略化のために図4には示していないが、測定装置200を用いた測定処理の実行や、燃料電池システムの自動制御に必要となり得る測定・制御装置が、燃料電池自体の分野の専門家に知られている。
図5は、燃料電池システム1のシステム特性曲線Sを、対応する圧力損失比RΔPの関数として用いてアノードガス回路50の再循環率RRを求める測定方法を示す図である。圧力低下比RΔPと再循環率RRとの相関関係を示すシステム特性曲線Sは、電流負荷50%、75%、100%においてそれぞれ測定された3つのデータが示すように、本質的に電流負荷とは独立している。また、本発明の方法をより簡略化するために、求められる精度によっては、システム特性曲線Sが電流負荷と独立しているものと推定しても良く、その場合、システム特性曲線Sは、各電流負荷とは独立した異なる複数の再循環率における圧力損失比RΔPを求めて燃料電池システム1用にキャリブレーションされる。
あるいは、システム特性曲線Sが、圧力低下比RΔPと再循環率RRとの線形的な相関関係を示すものと推定しても良い。この場合、キャリブレーションも簡略化され、少なくとも各電流負荷と独立した2点において圧力損失比RΔPを求めれば足りる。なお、圧力損失比RΔPと再循環率RRとの相関関係が線形にならず、例えば指数となる場合には、少なくとも3つの再循環率RRにおいて圧力損失比RΔPを求める必要がある。
Claims (14)
- 燃料電池システム(1)のアノードガス回路(50)における再循環率(RR)を求める測定方法において、
燃料電池システム(1)は、カソード室(11)に配置された少なくとも1つのカソード(12)と、アノード室(13)に配置された少なくとも1つのアノード(14)と、カソード室(11)とアノード室(13)との間に配置された電解質(15)と、を有する少なくとも1つの燃料電池(10)を有し、少なくとも1つのガス搬送装置(70)により、アノードガス再循環路(51)を介して前記アノード室(13)から前記少なくとも1つの燃料電池(10)へとアノードガス(52)を供給し、前記アノードガス(52)は前記アノードガス再循環路(51)に配置された少なくとも1つのアノードガス熱交換器(60)により温度管理されるものであって、当該方法は、
前記燃料電池システム(1)の動作時に第1質量流量(M1_2)が通過する前記アノードガス再循環路(51)の第1流路部(101)における第1圧力損失(ΔP1_2)を測定し、
前記燃料電池システム(1)の動作時に前記第1質量流量とは異なる流量を持つ第2質量流量(M3_4;M2_3)が通過する前記アノードガス再循環路(51)の第2流路部(102、103)における第2圧力損失(ΔP3_4;ΔP2_3)を測定し、
算出した第1圧力損失(ΔP1_2)に対する第2圧力損失(ΔP3_4;ΔP2_3)の前記割合を示す商により、前記圧力損失比(RΔP)を算出し、
前記燃料電池システム(1)のシステム特性曲線(S)を前記算出した圧力損失比(RΔP)の関数として用いることで前記アノードガス回路(50)における再循環率(RR)を決定する、ことを特徴とする。 - 請求項1に係る測定方法において、
前記圧力損失比(RΔP)と前記再循環率(RR)との相関関係を示す前記特性曲線(S)が、本質的に電流負荷から独立していることを特徴とする。 - 請求項1又は2に係る測定方法において、
前記特性曲線(S)が、前記圧力損失比(RΔP)と前記再循環率(RR)との線形的な相関関係を示すことを特徴とする。 - 請求項1から3の何れか一項に係る測定方法において、
再循環率(RR)の増加に伴い、前記圧力損失比(RΔP)が前記特性曲線(S)に沿って減少することを特徴とする。 - 請求項1から4の何れか一項に係る測定方法において、
燃料電池システム(1)の特性曲線(S)は、異なる再循環率(RR)における前記圧力損失比(RΔP)を求めることによってキャリブレーションされることを特徴とする。 - 請求項1から5の何れか一項に係る測定方法において、
第1流路部(101)における前記第1圧力損失(ΔP1_2)は、前記少なくとも1つのアノードガス熱交換器(60)の低温側(61)に設けられた前記アノードガス供給路(53)において測定され、第2流路部(102)における前記第2圧力損失(ΔP3_4)は、前記同一のアノードガス熱交換器(60)の高温側(62)に設けられた前記アノードガス排出路(54)において測定されることを特徴とする。 - 請求項6に係る測定方法において、
前記第1圧力損失(ΔP1_2)は、前記低温側(61)に設けられた前記アノードガス供給路(53)において、前記少なくとも1つのアノードガス熱交換器の上流(P1)と下流(P2)とで測定され、前記第2圧力損失(ΔP3_4)は、前記高温側(62)に設けられた前記アノードガス排出路(54)において、前記同一のアノードガス熱交換器(60)の上流(P3)と下流(P4)とで測定されることを特徴とする。 - 請求項1から6の何れか一項に係る測定方法において、
前記第1圧力損失(ΔP1_2)は、前記低温側(61)に設けられた前記アノードガス供給路(53)において、前記少なくとも1つのアノードガス熱交換器の上流(P1)と下流(P2)とで測定され、前記第2圧力損失(ΔP2_3)は、前記アノードガス再循環路(51)の第2流路部(103)において、前記アノード室(13)の上流(P2)と下流(P3)とで測定されることを特徴とする。 - 請求項1から6の何れか一項に係る測定方法において、
前記少なくとも1つのガス搬送装置(70)を用いて前記アノードガス(52)を改質器(80)に供給することを特徴とする。 - 燃料電池システム(1)のアノードガス回路(50)における再循環率(RR)を測定する、請求項1から9の何れか一項に係る測定方法を実行するための測定装置(200)であって、
アノードガス再循環路(51)の第1流路部(101)に沿ってに配置された、互いに離れた2つの測定点(P1、P2)から第1圧力損失(ΔP1_2)を測定する少なくとも1つの第1圧力損失測定ユニット(91)と、
前記アノードガス再循環路(51)の第2流路部(102、103)に配置された、互いに離れた2つの測定点(P3とP4、P2とP3)から第2圧力損失(ΔP3_4;ΔP2_3)を測定する少なくとも1つの第2圧力損失ユニット(92、93)と、
圧力損失比(RΔP)を算出する演算ユニット(201)と、
評価ユニット(202)と、を備え、
前記第1流路部(101)には、前記燃料電池システム(1)の動作時、第1質量流量(M1_2)が流れ、
前記第2流路部(102)には、前記燃料電池システム(1)の動作時、前記第1質量流量(M1_2)とは異なる流量を持つ第2質量流量(M3_4;M3_4)が流れ、
前記演算ユニット(201)は、算出した第1圧力損失(ΔP1_2)に対する第2圧力損失(ΔP3_4;ΔP2_3)の前記割合を表す商により前記圧力損失比(RΔP)を算出し、
前記評価ユニットは、前記算出された圧力損失比(RΔP)と、前記算出された圧力損失比(RΔP)の関数となる前記燃料電池システム(1)のシステム特性曲線(S)と、に基づいて、対応する前記再循環率(RR)を算出し、
該再循環率を表示ユニット(203)により表示する
ことを特徴とする。 - 請求項10に係る測定装置(200)であって、
前記演算ユニット(201)と、前記評価ユニット(202)と、前記表示ユニット(203)とは、信号線(210)で連結されていることを特徴とする。 - 請求項10又は11に係る測定装置(200)であって、
前記システム特性曲線(S)は、燃料電池システム(1)のために、異なる再循環率(RR)における前記圧力損失比(RΔP)を求めることによってキャリブレーションされることを特徴とする。 - 請求項10から12の何れか一項に係る測定装置(200)であって、
前記システム特性曲線(S)を、電流負荷から独立している前記圧力損失比(RΔP)と前記再循環率(RR)との相関関係を用いて選択することを特徴とする。 - 請求項10から13の何れか一項に係る測定装置(200)であって、
前記システム特性曲線(S)を前記圧力損失比(RΔP)と前記再循環率(RR)との線形的相関関係を用いて選択することを特徴とする。
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