JP3208970B2 - 燃料電池の温度制御方法及び装置 - Google Patents

燃料電池の温度制御方法及び装置

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の温度制御方
法及び装置に係わり、更に詳しくは、溶融炭酸塩型燃料
電池の温度制御方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図3に示すように天然ガ
ス1と水蒸気2とを混合してなる燃料ガス3を水素を含
むアノードガス4に改質する改質器10と、アノードガ
ス4と酸素を含むカソードガス5とから発電する燃料電
池20とを一般的に備えており、改質器10で作られた
アノードガス4は燃料電池20に供給され、燃料電池内
でその大部分(例えば80%)を消費してアノード排ガ
ス6となり、その水分を分離した後、燃焼用ガス7とし
て改質器10の燃焼器に供給される。改質器では燃焼用
ガス7中の可燃成分(水素、一酸化炭素、メタン等)を
燃焼器で燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、この高温の
燃焼ガスにより改質管10aを加熱し改質管内を流れる
燃料ガス3を改質する。改質器を出た燃焼排ガス8は空
気11が合流してカソードガス5となり、このカソード
ガス5は、燃料電池20内で一部が反応して高温のカソ
ード排ガス9となり、その一部がリサイクルされ、残り
は動力回収装置30のタービン31で動力を回収し、ボ
イラ35で熱を回収して、系外に排出される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した発電設備にお
いて、燃料電池の入口ガス温度が低すぎると燃料電池
を構成する電解液が部分的に凝固し燃料電池を本質的に
損傷させるおそれがある、また、燃料電池の発熱をカ
ソードガスで除去(冷却)するようになっているため、
カソードガスの流量が少な過ぎると出口付近の電解液が
高温になって蒸発し、電池寿命を極端に短くする問題点
があった。このため、カソードガスの入口ガス温度Ti
を所定の範囲(例えば550〜600℃)に維持すると
共に、カソード排ガスの出口温度Toと入口温度との差
ΔTを所定の範囲(例えば100〜150℃以下)に抑
える必要があった。
【0004】かかる要望を満たすため、従来の発電設備
では、カソード循環ブロア16により比較的多量のカソ
ード排ガス(To=700℃前後)をカソード入口側に
再循環させ、低温(Ta=150〜200℃)の空気と
混合し、このガス温度(図3における入口ガス温度T
i)を検出してこの温度が所定の温度範囲になるように
カソード循環ブロア16による流量を制御していた。
【0005】しかし、図2に例示するように燃料電池の
性能は長期運転により徐々に劣化するため、同一の電流
を取り出してもその出力電圧は徐々に低下し、同一出力
(=電圧×電流)を維持しようとすると、電流を増大さ
せる必要がある。そのため、劣化に伴う内部抵抗の増大
等により燃料電池20における発熱量は徐々に増大し、
カソード排ガスの温度Toが徐々に高くなる問題点があ
った。特に、上述した燃料電池の温度制御手段では、カ
ソード排ガスの温度Toが高くなると、空気と混合後の
カソードガスの温度Tiを所定の範囲に維持するため、
カソード循環ブロア16のガス流量を低下させるように
制御されるため、カソードガス3の全流量が低下してカ
ソード排ガス7の温度Toが更に高くなり、出口付近の
電解液が早期に高温になってしまい、電池寿命を短縮さ
せてしまう問題点があった。
【0006】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、燃料
電池の性能が長期運転により徐々に劣化する場合でも、
カソードガスの入口ガス温度Tiを所定の範囲に維持で
きると共に、カソードガスの出口温度Toと入口温度T
iとの差ΔTを所定の範囲に抑えることができる、燃料
電池の温度制御方法及び装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、水素を
含むアノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
する燃料電池の温度制御方法であって、カソードガスに
低温の空気を供給する空気供給ラインと、燃料電池を通
過したカソード排ガスの一部を燃料電池の上流側のカソ
ードガスに混入させる再循環ラインと、を備え、燃料電
池の入口におけるカソードガスの温度が所定の範囲にな
るように再循環ラインの流量を制御し、かつ、燃料電池
の出口におけるカソード排ガスの温度が所定の範囲にな
るように空気供給ラインの流量を制御する、ことを特徴
とする燃料電池の温度制御方法が提供される。
【0008】また、本発明によれば、水素を含むアノー
ドガスと酸素を含むカソードガスとから発電する燃料電
池の温度制御装置であって、空気流量調節弁を有しカソ
ードガスに低温の空気を供給する空気供給ラインと、カ
ソード循環ブロアを有し燃料電池を通過したカソード排
ガスの一部を燃料電池の上流側のカソードガスに混入さ
せる再循環ラインと、燃料電池の入口におけるカソード
ガスの温度を計測するカソードガス温度検出器と、燃料
電池の出口におけるカソード排ガスの温度を計測するカ
ソード排ガス温度検出器と、カソードガス温度検出器に
よる計測値が所定の範囲になるように再循環ラインの流
量を制御しかつカソード排ガス温度検出器による計測値
が所定の範囲になるように空気供給ラインの流量を制御
する制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池の
温度制御装置が提供される。
【0009】
【作用】上記本発明の方法及び装置によれば、燃料電池
の出口におけるカソード排ガスの温度Toが所定の範囲
になるように空気供給ラインの流量が制御されるので、
図2に例示したように燃料電池の性能が長期運転により
徐々に劣化し、同一出力(=電圧×電流)を維持するた
め電流を増大させて燃料電池における発熱量が増大して
カソード排ガスの温度Toが高くなると、この温度が所
定の範囲になるように空気供給ラインの流量すなわちカ
ソードガスに流入する低温空気量が増大する。これによ
り、燃料電池の入口におけるカソードガスの温度Tiが
低下すると共にカソードガスの全量が増大するため、カ
ソード排ガスの温度Toも低下する。
【0010】一方、燃料電池の入口におけるカソードガ
スの温度Tiが所定の範囲になるように再循環ラインの
流量が制御されるので、燃料電池における発熱量が増大
してカソード排ガスの温度が高くなると、上述の制御で
燃料電池の入口におけるカソードガスの温度Tiが低下
するので、再循環ラインからカソードガスに流入するカ
ソード排ガスが増加し、これにより、カソードガスの全
量が増大するため、カソード排ガスの温度Toは更に低
下する。
【0011】従って、空気供給ラインの制御と再循環ラ
インの制御が相乗的にカソード排ガスの温度上昇を抑え
るように作用するため、燃料電池の性能が長期運転によ
り徐々に劣化する場合でも、効果的にカソードガスの入
口ガス温度Tiを所定の範囲に維持し、かつカソードガ
スの出口温度と入口温度との差ΔTを所定の範囲に抑え
ることができる。
【0012】
【実施例】以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において共通する部分には同
一の符号を付して使用する。図1は、本発明による燃料
電池の温度制御装置の全体構成図である。この図におい
て、燃料電池20は、水素を含むアノードガス4と酸素
を含むカソードガス5とから発電する図3と同様の溶融
炭酸塩型燃料電池である。
【0013】本発明の温度制御装置は、空気流量調節弁
32を有しカソードガス5に低温の空気を供給する空気
供給ライン34と、カソード循環ブロア36を有し燃料
電池20を通過したカソード排ガス9の一部を燃料電池
20の上流側のカソードガスに混入させる再循環ライン
38と、燃料電池20の入口におけるカソードガス5の
温度Tiを計測するカソードガス温度検出器40と、燃
料電池の出口におけるカソード排ガス9の温度Toを計
測するカソード排ガス温度検出器42と、制御装置44
とを備えている。
【0014】制御装置44は、カソードガス温度検出器
40による計測値が所定の範囲になるように再循環ライ
ン38の流量を制御し、かつカソード排ガス温度検出器
42による計測値が所定の範囲になるように空気供給ラ
イン34の流量を制御する。すなわち、制御装置44に
より燃料電池20の入口におけるカソードガス5の温度
Tiが所定の範囲になるようにカソード循環ブロア36
により再循環ライン38の流量が制御され、かつ、燃料
電池20の出口におけるカソード排ガス9の温度Toが
所定の範囲になるように空気流量調節弁32により空気
供給ライン34の流量が制御される。
【0015】以下、本発明の温度制御装置による作動内
容を説明する。燃料電池の出口におけるカソード排ガス
9の温度Toが所定の範囲(例えば650〜700℃)
になるように空気供給ラインの流量を制御することによ
り、図2に例示したように燃料電池の性能が長期運転に
より徐々に劣化し、同一出力(=電圧×電流)を維持す
るため電流を増大させて燃料電池における発熱量が増大
してカソード排ガス9の温度Toが高くなる(例えば7
00℃以上)と、この温度が所定の範囲になるように空
気供給ライン34の流量すなわちカソードガスに流入す
る低温(例えばTa=150〜200℃)の空気量が増
大する。これにより、燃料電池の入口におけるカソード
ガス5の温度Tiが低下すると共にカソードガスの全量
が増大するため、カソード排ガスの温度Toは低下し、
所定の範囲(例えば650〜700℃)になる。
【0016】一方、燃料電池の入口におけるカソードガ
スの温度Tiが所定の範囲(例えば550〜600℃)
になるように再循環ライン38の流量を制御することに
より、燃料電池20における発熱量が増大してカソード
排ガスの温度Toが高くなると、上述の制御で燃料電池
の入口におけるカソードガスの温度Tiが低下するの
で、再循環ライン38からカソードガス5に流入するカ
ソード排ガスが増加し、これにより、カソードガスの全
量が増大するため、カソード排ガスの温度Toは更に低
下する。
【0017】従って、空気供給ライン34の制御と再循
環ライン38の制御が相乗的にカソード排ガスの温度上
昇を抑えるように作用するため、燃料電池の性能が長期
運転により徐々に劣化する場合でも、効果的にカソード
ガスの入口ガス温度Tiを所定の範囲に維持し、かつカ
ソードガスの出口温度と入口温度との差ΔTを所定の範
囲に抑えることができる。
【0018】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で自由
に変更できることは勿論である。
【0019】
【発明の効果】上述したように本発明の方法及び装置
は、空気供給ラインの制御と再循環ラインの制御が相乗
的にカソード排ガスの温度上昇を抑えるように作用する
ため、燃料電池の性能が長期運転により徐々に劣化する
場合でも、効果的にカソードガスの入口ガス温度Tiを
所定の範囲に維持し、かつカソードガスの出口温度と入
口温度との差ΔTを所定の範囲に抑えることができる、
優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池の温度制御装置の全体構
成図である。
【図2】劣化前後の燃料電池の性能特性である。
【図3】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【符号の説明】
1 天然ガス 2 水蒸気 3 燃料ガス 4 アノードガス 5 カソードガス 6 アノード排ガス 7 燃焼用ガス 8 燃焼排ガス 9 カソード排ガス 10 改質器 10a 改質管 11 空気 20 燃料電池 30 動力回収装置 31 タービン 32 空気流量調節弁 34 空気供給ライン 35 ボイラ 36 カソード循環ブロア 38 再循環ライン 40 カソードガス温度検出器 42 カソード排ガス温度検出器 44 制御装置 A アノード側 C カソード側 Re 改質室 Co 燃焼室
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−248476(JP,A) 特開 平5−166527(JP,A) 特開 平5−266908(JP,A) 特開 平6−251789(JP,A) 特開 平7−73895(JP,A) 特開 平5−109423(JP,A) 特開 平2−98062(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/04 H01M 8/06

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素を含むアノードガスと酸素を含むカ
    ソードガスとから発電する燃料電池の温度制御方法であ
    って、 カソードガスに低温の空気を供給する空気供給ライン
    と、 燃料電池を通過したカソード排ガスの一部を燃料電池の
    上流側のカソードガスに混入させる再循環ラインと、を
    備え、 燃料電池の入口におけるカソードガスの温度が所定の範
    囲になるように再循環ラインの流量を制御し、かつ、燃
    料電池の出口におけるカソード排ガスの温度が所定の範
    囲になるように空気供給ラインの流量を制御する、こと
    を特徴とする燃料電池の温度制御方法。
  2. 【請求項2】 水素を含むアノードガスと酸素を含むカ
    ソードガスとから発電する燃料電池の温度制御装置であ
    って、 空気流量調節弁を有しカソードガスに低温の空気を供給
    する空気供給ラインと、カソード循環ブロアを有し燃料
    電池を通過したカソード排ガスの一部を燃料電池の上流
    側のカソードガスに混入させる再循環ラインと、燃料電
    池の入口におけるカソードガスの温度を計測するカソー
    ドガス温度検出器と、燃料電池の出口におけるカソード
    排ガスの温度を計測するカソード排ガス温度検出器と、
    カソードガス温度検出器による計測値が所定の範囲にな
    るように再循環ラインの流量を制御しかつカソード排ガ
    ス温度検出器による計測値が所定の範囲になるように空
    気供給ラインの流量を制御する制御装置と、を備えたこ
    とを特徴とする燃料電池の温度制御装置。
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JP5636153B2 (ja) 2007-09-27 2014-12-03 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP4735642B2 (ja) 2007-12-27 2011-07-27 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
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WO2011037258A1 (ja) * 2009-09-28 2011-03-31 京セラ株式会社 燃料電池装置

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