JP4022095B2 - 燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの起動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの起動方法に関し、特に、起動時間を短縮した燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの起動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体電解質燃料電池モジュールの起動の際、燃料電池モジュール(燃料電池セル)の昇温方法として、燃料電池モジュールに流通させる酸化剤ガス及び燃料ガスの温度を徐々に昇温することにより昇温する方法が知られている。あるいは、燃料電池モジュール内をヒーターなどで加熱することにより昇温する方法が知られている。また、これらの方法を併用することも行われている。
【0003】
これらの方法は、気体を加熱し、加熱された気体の伝熱により燃料電池セルを加熱する。すなわち、間接的に燃料電池セルを加熱している。気体の熱容量は大きくなく、昇温に時間がかかることになる。また、熱の伝達も速くないので、気体の温度を急激に昇温したとしても、必ずしも燃料電池セルの昇温速度が向上するわけではない。加えて、酸化剤ガスや燃料ガスを加熱、流通させる場合、加熱場所と燃料電池セルの場所とが離れているため、熱のロスも考えられる。
【0004】
気体の加熱による昇温に加えて、より迅速に燃料電池セルを昇温することが可能な技術が求められている。燃料電池セルを直接的に昇温することが出来る技術が求められている。燃料電池セルを熱のロスの少なく昇温することが可能な技術が望まれている。大幅な設計変更が不要で低コストで実施可能な技術が望まれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、気体の加熱による昇温に加えて、より迅速に燃料電池セルを昇温することが可能な燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの起動方法を提供することである。
【0006】
また、本発明の他の目的は、燃料電池セルを直接的に昇温することが出来る燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの起動方法を提供することである。
【0007】
本発明の更に他の目的は、燃料電池セルを熱のロスの少なく昇温することが可能な燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの起動方法を提供することである。
【0008】
本発明の別の目的は、大幅な設計変更が不要で低コストで実施可能な燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの起動方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0010】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュールは、制御部(35)と、第1加熱部(31)と、燃料電池セル(21)とを具備する。第1加熱部(31)は、酸化剤ガス(2)を加熱する。燃料電池セル(21)は、酸化剤ガス(2)と、燃料ガス(1)とを供給され、発電を行う。制御部(35)は、起動時に、燃料電池セル(21)に予め設定された第1電流(I)を流すように燃料電池セル(21)を制御する。また、酸化剤ガス(2)を予め設定された第1温度にするように第1加熱部(31)を制御する。
【0011】
また、本発明の燃料電池モジュールは、制御部(35)と、第2加熱部(32)と、燃料電池セル(21)とを具備する。第2加熱部(32)は、燃料ガス(1)を加熱する。燃料電池セル(21)は、酸化剤ガス(2)と、燃料ガス(1)とを供給され、発電を行う。制御部(35)は、起動時に、燃料電池セル(21)に予め設定された第1電流(I)を流すように燃料電池セル(21)を制御する。また、燃料ガス(1)を予め設定された第3温度にするように第2加熱部(32)を制御する。
【0012】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池セル(21)の温度に対応する第2温度を測定する温度センサ(図示せず)を更に具備する。そして、制御部(35)は、燃料電池セル(21)の制御を、その第2温度に基づいて行う。
【0013】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池セル(21)に電気的に接続され、第1電流(I)を制御する負荷制御部(36)を更に具備する。そして、制御部(35)は、燃料電池セル(21)の制御を、前記負荷制御部(36)の制御により行なう。
【0014】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュールの起動方法は、燃料電池セル(21)に燃料ガス(1)及び酸化剤ガス(2)を供給するステップと、予め設定された初期温度(TS)に昇温された燃料電池セル(21)に、予め設定されたスケジュール(図7)、燃料電池セル(21)の温度及び燃料電池セル(21)の電圧の少なくとも一つに基づいて、第1電流(I)を流すステップとを具備する。
【0015】
また、本発明の燃料電池モジュールの起動方法は、燃料電池セル(21)に燃料ガス(1)及び酸化剤ガス(2)を供給するステップが、酸化剤ガス(2)を昇温するステップを具備する。
【0016】
また、本発明の燃料電池モジュールの起動方法は、第1電流(I)を流すステップが、第1電流(I)の増加に基づいて、酸化剤ガス(2)を降温するステップを具備する。
【0017】
更に、本発明の燃料電池モジュールの起動方法は、燃料電池セル(21)に燃料ガス(1)及び酸化剤ガス(2)を供給するステップが、燃料ガス(1)を昇温するステップを具備する。
【0018】
更に、本発明の燃料電池モジュールの起動方法は、第1電流(I)を流すステップが、第1電流(I)の増加に基づいて、燃料ガス(1)を降温するステップを具備する。
【0019】
更に、本発明の燃料電池モジュールの起動方法は、第1電流(I)を流すステップが、第1電流(I)の大きさの基づいて、燃料電池セル(21)の燃料利用率が予め設定された値になるように燃料ガス(1)を燃料電池セル(21)に供給するステップを具備する。
【0020】
上記課題を解決するために、本発明に関わるプログラムは、燃料電池セル(21)に燃料ガス(1)及び酸化剤ガス(2)を供給するように燃料流量制御弁(42)及び酸化剤流量制御弁(41)を制御するステップと、予め設定されたスケジュール(図7)、燃料電池セル(21)の温度及び燃料電池セル(21)の電圧の少なくとも一つを取得するステップと、予め設定された初期温度(TS)に昇温された燃料電池セル(21)に、予め設定されてたスケジュール(図7)、燃料電池セル(21)の温度及び燃料電池セル(21)の電圧の少なくとも一つに基づいて、第1電流(I)を流すように燃料電池セル(21)に接続された負荷を制御するステップとを具備する方法をコンピュータに実行させる。
【0021】
また、本発明に関わるプログラムは、酸化剤流量制御弁(41)で制御された酸化剤ガス(2)を昇温するように加熱器(31)を制御するステップを更に具備する上記の方法をコンピュータに実行させる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、円筒型の固体電解質燃料電池モジュールについて例を示して説明する。ただし、他のタイプ(固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型など)の燃料電池モジュールへも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【0023】
図1は、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態を示す構成図である。燃料電池モジュールは、燃料電池モジュール本体33、制御部35、第1加熱部31、第2加熱部32、負荷制御部36、酸化剤制御弁41、燃料制御弁42及びスイッチ43を具備する。
また、酸化剤ガス配管37−1〜37−4、燃料ガス配管38−1〜38−4及び配線39−1〜39−3を備える。
【0024】
燃料電池モジュール本体33は、酸化剤ガス配管37−3を介して供給される酸化剤ガス2と、燃料ガス配管38−3を介して供給される燃料ガス1とを用いて発電を行う。燃料電池モジュール本体33で使用済みの燃料ガス1(生成した水蒸気を含む)は、燃料ガス配管38−4へ送出される。燃料電池モジュール本体33で使用済みの酸化剤ガス2は、酸化剤ガス配管37−4へ送出される。
また、燃料電池セルに負荷を接続する配線39−1〜39−2が接続されている。
【0025】
酸化剤制御弁41は、酸化剤ガス配管37−1を介して供給される酸化剤ガス2の流量を制御し、酸化剤ガス配管37−2へ送出する。制御部35により、制御される。
第1加熱部31は、酸化剤ガス配管37−2から酸化剤ガス2を供給され、所望の温度(第1温度)に昇温し、酸化剤ガス配管37−3へ送出する。制御部35により、第1温度の設定を含め制御される。第1加熱部は、助燃バーナや電気ヒータを有する加熱器に例示される。
【0026】
燃料制御弁42は、燃料ガス配管38−1を介して供給される燃料ガス1の流量を制御し、燃料ガス配管38−2へ送出する。制御部35により、制御される。
第2加熱部32は、燃料ガス配管38−2から燃料ガス1を供給され、所望の温度(第3温度)に昇温し、燃料ガス配管38−3へ送出する。制御部35により、第3温度の設定も含め制御される。第2加熱部は、助燃バーナや電気ヒータを有する加熱器に例示される。
【0027】
負荷制御部36は、燃料電池モジュール本体33の燃料電池セルに所望の電流を流すように燃料電池モジュール本体33を制御する。燃料電池モジュール本体33(燃料電池セル)の電流、電圧を計測可能である。燃料電池モジュール本体33とは、配線39−1〜39−3で接続している。制御部35により、制御される。
負荷制御部36は、例えば、内部に大きさが可変の負荷(図示せず)を有する。その場合、燃料電池モジュール本体33(燃料電池セル)の電流、電圧に基づいて、その負荷の大きさを制御することにより、燃料電池セルに所望の電流を流すことが出来る。なお、燃料電池モジュール本体33は、電力を供給する外部負荷に対して配線39−1〜39−3とは別の配線で接続している。そして、起動時には接続をOFFしている。
負荷制御部36は、また、例えば、DC/DCコンバータである。その場合、燃料電池モジュール本体33(燃料電池セル)の電流を所望の値になるように制御することが出来る。燃料電池モジュール本体33は、電力を供給する外部負荷とはDC/DCコンバータを介して接続している。そして、起動時には、供給可能な大きさの電力を外部負荷へ供給する。なお、DC/DCコンバータを介して2次電池に接続し、起動時には、電力をそこへ蓄積し、外部負荷との接続をOFFしても良い。
【0028】
スイッチ43は、燃料電池モジュール本体33(燃料電池セル)に電流を流す際にONにする。配線39−2と配線39−3との間に介説されている。制御部35により、制御される。
【0029】
制御部35は、燃料電池モジュールの各構成(燃料電池モジュール本体33、第1加熱部31、第2加熱部32、負荷制御部36、酸化剤制御弁41、燃料制御弁42及びスイッチ43)の動作を制御する。
そして、予め設定された燃料電池モジュールの起動スケジュール(図7の関係)を示す情報、負荷制御部36における負荷の大きさと電流Iとの関係を示す情報、第1加熱部31及び第2加熱部32への燃料の供給量と熱量Qとの関係を示す情報、等を記憶部(図示せず)に格納している。
【0030】
ここで、燃料ガス1は、水素を含むガスと水蒸気との混合ガスである。燃料ガス1は、炭化水素(例示:メタン、プロパン、ガソリン、灯油、軽油、メタノール)を水蒸気改質した水素及び一酸化炭素を主成分とするガス、又は水素ガスと水蒸気との混合ガスに例示される。
酸化剤ガス2は、酸素を含むガスである。酸化剤ガス2は、空気に例示される。
【0031】
次に、燃料電池モジュールについて更に説明する。
図2は、図1に示す燃料電池モジュール本体の構成を示す断面図である。燃料電池モジュール本体33は、複数の燃料電池セル管3、酸化剤ガス供給室7、供給室8、排出室9、断熱体10(−1〜2)を備える。
供給室8は、側板12、側板13、管板A14、燃料ガス供給口8−1及び(複数の)第1嵌合部8−2を有する。
排出室9は、側板16、側板17、管板B15、燃料ガス排出口9−1及び(複数の)第2嵌合部9−2を有する。
酸化剤ガス供給室7は、側板28、管板A14、管板B15、酸化剤ガス供給口7−1及び酸化剤ガス排出口7−2を有する。
なお、図1の構成は、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【0032】
以下に各構成を詳細に説明する。
燃料電池セル管3は、多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。外面上には、発電を行う燃料電池セル21とリード膜23(後述)を有する。燃料電池セル管3は、一端部を供給室8の管板A14に、開放されて嵌合(接合)されている。一端部に、集電(通電)用の配線39−1が接続されている。同様に、他端部は排出室9の管板B15に、開放されて嵌合(接合)されている。他端部に、集電(通電)用の配線39−2が接続されている。
【0033】
第1燃料室としての供給室8は、燃料ガス配管38−3から燃料ガス供給口8−1を介して燃料ガス1を供給され、複数の各燃料電池セル管3の各々へ均等に燃料ガス1を供給する。側板12の配線導入用のフランジ39−1’を介して、配線39−1が供給室8内部の燃料電池セル管3の一端部へ接続している。金属製の側板12、側板13及び管板A14により中空の直方体や円柱等の形状を有する。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【0034】
第2燃料室としての排出室9は、燃料電池セル管3から排出される使用済み燃料ガス1を収集し、燃料ガス排出口9−1を介して燃料ガス配管38−4へ送出する。側板17の配線導入用のフランジ39−2’を介して、配線39−2が排出室9内部の燃料電池セル管3の他端部へ接続している。金属製の側板16、側板17及び管板B15により中空の直方体や円柱等の形状を有する。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【0035】
空気室としての酸化剤ガス供給室7は、酸化剤ガス配管37−3から酸化剤ガス供給口7−1を介して酸化剤ガス2の供給を受け、燃料電池セル管3に供給する。そして、使用済みの酸化剤ガス2を酸化剤ガス排出口7−2を介して酸化剤ガス配管37−4から送出する。供給室8(の管板A14)と排出室9(の管板B15)との間にあり、それらと隔離され、燃料電池セル管3を含んでいる。管板A14及び管板B15の近傍の内部に、断熱体10(断熱体A10−1及び断熱体B10−2)を固定している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【0036】
供給室8(第1燃料室)の一側面としての第1管板である管板A14は、燃料電池セル管3を接続するための孔が(その数だけ)開口している。そして、燃料電池セル管3の一端部と、ガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。供給室8と酸化剤ガス供給室7とを隔てている。
【0037】
排出室9(第2燃料室)の一側面としての第2管板である管板B15は、燃料電池セル管3を接続するための孔が(その数だけ)開口している。燃料電池セル管3の他端部とガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。排出室9と酸化剤ガス供給室7とを隔てている。
【0038】
断熱体10は、管板A14及び管板B15の近傍であって、供給室8及び排出室9の外側の酸化剤ガス供給室7内に固定されている。管板A14側が、断熱体A10−1であり、管板B15側が、断熱体B10−2である。断熱体B10−2は、燃料電池セル管3上の端部近傍において、管板B15と共に酸化剤ガス2の流路を形成し、その流通を制限している。また、断熱体10は、燃料電池セル管3の発電部22(後述)側の熱を遮断し、管板A14及び管板B15、あるいは、第1嵌合部8−2及び第2嵌合部9−2を、熱的に保護する。断熱体10は、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする断熱材に例示される。
【0039】
図4(b)に、断熱体10(断熱体A10−1及び断熱体B10−2)の正面図示す。断熱体10は千鳥格子状に燃料電池セル管3用の孔10−3が開口している。断熱体B10−2の孔10−3の直径は、燃料電池セル管3の直径よりもやや大きい。燃料電池セル管3と断熱体10の孔10−3を酸化剤ガス2が通過するためである。断熱体A10−1の孔10−3’の直径は、燃料電池セル管3の直径と実質的に等しい。隙間を酸化剤ガス2が通過する必要がないからである。
ただし、本発明での燃料電池セル管3の配置等が、図4(b)に限定されるものではない。
【0040】
次に、図3を参照して、燃料電池セル管3の第2嵌合部9−2及びその周辺について説明する。
図3は、図2の燃料電池セル管3の1本分の第2嵌合部9−2及びその周辺について拡大した断面図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
第2嵌合部9−2は、燃料電池セル21と発電部22とリード膜23’とを含む燃料電池セル管3、管板B15、シール剤24’、第2嵌合リング26’、充填材27’及び集電部25−2を備える。その周辺の酸化剤ガス2の流れを断熱体B10−2が制限している。
【0041】
燃料電池セル21は、燃料電池セル管3の外面上に、形成された燃料電池のセルである。燃料電池セル21同士は、インターコネクタ膜(図示せず)で接合されている。燃料電池セル管3の内側から拡散する燃料ガス1と、外側から供給される酸化剤ガス2とにより発電を行う。
発電部22は、燃料電池セル管3上の燃料電池セル21が複数ある領域である。
【0042】
リード膜23’は、発電部22で発電された電力を導く一方の極としての導電性の膜である。供給室8側にも同様にあり、両膜から引き出した電極から電力を取り出す。
【0043】
集電部25−2は、リード膜23’と配線39−2とを接続する集電用の部材である。リード膜23’の外面を覆うような環状の金属であり、内面をリード膜23’と接している。一端部で配線39−2と溶接している。
【0044】
シール剤24’は、第2嵌合リング26’の外面と管板B15の第2嵌合部9−2の内面と間の領域に充填されるガスシール剤である。排出室9の燃料ガス1と、酸化剤ガス供給室7の酸化剤ガス2との間をガスシールする。その周辺の最高使用温度に合わせたシール剤を用いる。
なお、第2嵌合リング26’の表面と管板B15の第2嵌合部9−2の内面とのすり合わせが非常に高精度の場合には、シール剤を用いない場合もある。
【0045】
第2嵌合リング26’は、その内径が燃料電池セル管3よりもやや大きい円筒状のリングである。その外面と管板B15の第2嵌合部9−2の内面とが密接している。燃料電池セル管3の寸法ずれ、表面凹凸を、第2嵌合リング26’と充填材27’とが緩衝材として働き吸収する。
【0046】
充填材27’は、第2嵌合リング26’の内面と燃料電池セル管3の外面との間の領域に充填されるガスシール剤かつ接着材である。排出室9の燃料ガス1と、酸化剤ガス供給室7の酸化剤ガス2との間をガスシールする。また、燃料電池セル管3の寸法ずれを、その変形で吸収する。その周辺の最高使用温度に合わせてハンダ、接着剤や樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【0047】
断熱体B10−2については既述の通りなのでその説明を省略する。
【0048】
管板B15は、第2嵌合リング26’(及び燃料電池セル管3)を通す孔が、開口している。第2嵌合部38−2の孔の直径は、第2嵌合リング26’の直径より、やや小さい。このようにすることにより、図3で示すように、その孔に第2嵌合リング26’を通した時、管板B15の孔部の内周部分が、第2嵌合リング26’を通した方向に内側に変形し、第2嵌合リング26’の外周部と管板B15の孔部の内周部分が密着する。
【0049】
ここで、管板B15について更に説明する。
図4(a)に、管板B15の正面図を示す。図4(a)にあるように、管板B15は千鳥格子状に第2嵌合リング26’(及び燃料電池セル管3)用の孔34が開口している。各孔34の直径は、第2嵌合リング26’の外径よりも小さい。
ただし、本発明での燃料電池セル管3の配置等が、図4(a)に限定されるものではない。
【0050】
管板B15に第2嵌合リング26’を通して密着させる方法として、深絞り加工や、焼嵌め加工などの締り嵌め加工がある。孔34は、締り嵌め加工を実施できるように、その直径が第2嵌合リング26’の外径よりも小さい。ただし、第2嵌合リング26’を用いず、直接燃料電池セル管3を通す場合には、燃料電池セル管3の外径よりも小さくする。また、管板B15は、締り嵌め加工が可能で、かつ、燃料電池セル管3を支持することが可能な強度、弾性等の特性を有する材料及び板厚を有する。使用雰囲気(高温酸化雰囲気)を考慮すると、ステンレス鋼が好ましい。より好ましくは、SUS304やSUS316のようなオーステナイト系ステンレス鋼である。板厚は、実験的に決定される。
【0051】
管板B15の孔34の内周部分は、第2嵌合リング26’と密接する際、締り嵌めによる弾性力により、強く密着し、ガスシール性を発揮する。それと同時に、第2嵌合リング26’(及びそれに接続している燃料電池セル管3)を強力に保持する。
【0052】
第2嵌合リング26’の表面を滑らかにする、あるいは、シール剤24’を潤滑性(固体)のあるものにすれば、管板B15の孔の内周面と第2嵌合リング26’の外周面とを、ある大きさ以上の力で、互いに滑らせる(摺動する)ようにすることも可能である。力の大きさ及び滑り具合は、第2嵌合リング26’の表面状態、シール剤24’の種類等に基づいて、実験的に決定する。
摺動可動になると、熱膨張係数の違いにより、熱による伸びの相違が発生した場合でも、滑りで吸収することが可能となる。
【0053】
次に、図5を参照して、燃料電池セル管3の第1嵌合部8−2及びその周辺について説明する。図5は、図3の燃料電池セル管3の1本分の第1嵌合部8−2及びその周辺について拡大した断面図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
第1嵌合部8−2は、燃料電池セル21と発電部22とリード膜23とを含む燃料電池セル管3、管板A14、シール剤24、第1嵌合リング26、充填材27及び集電部25−1を備える。その周辺の酸化剤ガス2は、断熱体A10−1に制限され管板A14に達しない。
【0054】
図5で示す燃料電池セル管3の第1嵌合部8−2及びその周辺については、図4の第2嵌合部9−2及びその周辺と同様であるので、その説明を省略する。
【0055】
断熱体A10−1は、図2での説明のとおりなのでその説明を省略する。
燃料電池セル21と発電部22とを含む燃料電池セル管3は、図3の説明の通りなのでその説明を省略する。管板A14、リード膜23、シール剤24、第1嵌合リング26、充填材27及び集電部25−1は、図3の管板B15、リード膜23’、シール剤24’、第2嵌合リング26’、充填材27’及び集電部25−2に対応し、同様に考えられるので、その説明を省略する。
【0056】
本実施例では、上記図3及び図5のように、第2嵌合リング26’と充填材27’及び第1嵌合リング26と充填材27を用いている。ただし、燃料電池セル管3の寸法精度及び表面仕上げの状態によって、それらを用いず、直接、管板B15と燃料電池セル管3とを第2嵌合部9−2で嵌合、及び、管板A14と燃料電池セル管3とを第1嵌合部8−2で嵌合することも可能である。その場合、部材の点数が減称するので部品コストや製造コストを低減できる。
【0057】
次に、本発明である燃料電池モジュールの起動方法(燃料電池モジュールの動作)の実施の形態に関して、図1、(図2)、図6、図7を参照して説明する。
【0058】
図6は、図2の燃料電池セル管3の一本分及びその周辺を抜粋した断面図である。酸化剤ガス供給室7、酸化剤ガス排出口7−2、供給室8、排出室9、断熱体A10−1、断熱体B10−2、管板A14、管板B15、燃料電池セル21、発電部22を示す。
各構成は、既述の通りなのでその説明を省略する。
【0059】
図7は、燃料電池モジュールの起動方法における時間tと発電部22(燃料電池セル21)の温度T(曲線Tで表示)、第1加熱部31(又は第2加熱部32)により酸化剤ガス2(又は燃料ガス1)に供給される熱量Q(曲線Qで表示)、及び、発電部22(燃料電池セル21)に通電される電流の大きさI(曲線Iで表示)の関係(タイムスケジュール)を示す図である。この情報は、制御部35の記憶部(図示せず)に格納されている。
左側の縦軸は、発電部22(燃料電池セル21)の温度Tを示す。右側の縦軸は、第1加熱部31(又は第2加熱部32)により酸化剤ガス2(又は燃料ガス1)に供給される熱量Q、及び、発電部22(燃料電池セル21)に通電される電流の大きさIの2つを示す。横軸は、時間tである。
【0060】
次に、燃料電池モジュールの起動方法について説明する。
(1)時間0〜t1
この範囲では、燃料電池セル21が、予め設定された温度(図7における温度TS)になるまで、酸化剤ガス2及び燃料ガス1を第1加熱部31及び第2加熱部32により加熱しながら、燃料電池モジュール本体33に供給する。各ガスの有する熱により、燃料電池セル21が加熱される。温度TSは、燃料電池セル21が発電可能、かつ燃料電池セル21が発電により劣化等を起こさない温度であって、できるだけ低い温度である。実験的に決定される。本実施例の固体電解質型の燃料電池セル21では、550℃以上が好ましい。より好ましくは600℃以上である。
ただし、電気ヒータなどにより、燃料電池モジュール本体33を加熱して予め設定された温度にしても良い。
【0061】
(1−1)酸化剤ガス2側(時間0〜t1)
酸化剤ガス2は、予め予熱器で所定の温度(例えば400℃)に予熱され、酸化剤ガス配管37−1を経由して酸化剤流量制御弁41に供給される。
そして、酸化剤流量制御弁41に所定の流量に制御された酸化剤ガス2は、酸化剤ガス配管37−2を経由して第1加熱部31へ供給される。
第1加熱部31は、酸化剤ガス2が予め設定された第1温度T10になるように、酸化剤ガス2を昇温(加熱)する。第1加熱部31から酸化剤ガス2へ供給される熱量Qは、Q0となる。
その後、酸化剤ガス2は、酸化剤ガス配管37−3経由で燃料電池モジュール本体33へ供給される。燃料電池モジュール本体33へ供給された酸化剤ガス2は、酸化剤ガス供給口7−1から酸化剤ガス供給室7に入る。そして、断熱体B10−2と管板B15とに挟まれ形成される流路(E)を、管板B15に沿って移動する。
排出室9側の複数の燃料電池セル管3のいずれかに達した酸化剤ガス2は、第2嵌合部9−2近傍において、断熱体B10−2の内面と燃料電池セル管3の外面との間の孔10−3に入る。孔10−3を通る酸化剤ガス2は、燃料電池セル管3の内部を通る燃料ガス1との間で、燃料電池セル管3の基体管を介して熱交換を行う。ただし、この段階では、まだ燃料ガス1の温度が高くないので、そのままの温度で、孔10−3から出る。
発電部22において、酸化剤ガス2は、燃料電池セル21に供給される。そして、その熱を発電部22(燃料電池セル21)へ供給することにより、燃料電池セル21を昇温する。そして、酸化剤ガス2は、断熱体A10−1付近に達する。
酸化剤ガス2は、概ね断熱体A10−1の発電部22側の面に沿って移動し、酸化剤ガス排出口7−2(F)に達する。そして、そこから酸化剤ガス配管37−4へ送出される。
【0062】
(1−2)燃料ガス1側(時間0〜t1)
燃料ガス1は、予め予熱器で所定の温度(例えば450℃)に予熱され、燃料ガス配管38−1を経由して燃料流量制御弁42に供給される。
そして、燃料流量制御弁42に所定の流量に制御された燃料ガス1は、燃料ガス配管38−2を経由して第2加熱部32へ供給される。
第2加熱部32は、燃料ガス1が予め設定された第3温度T30になるように、燃料ガス1を昇温(加熱)する。第2加熱部32から燃料ガス1へ供給される熱量Qは、Q0’となる。
その後、燃料ガス1は、燃料ガス配管38−3経由で燃料電池モジュール本体33へ供給される。燃料電池モジュール本体33へ供給された燃料ガス1は、燃料ガス供給口8−1から供給室8に入る。そして、供給室8に全体に広がる。供給室8に広がった燃料ガス1は、燃料電池セル管3の一端部(C)から、燃料電池セル管3内へばらつきの無い流量で流入する。
燃料ガス1は、断熱体A10−1付近から発電部22付近(A)で、燃料電池セル管3の基体管を介して、燃料電池セル管3の外面に沿って流れる酸化剤ガス2と熱交換を行う。ただし、この段階では、まだ酸化剤ガス2の温度が高くないので、そのままの温度で、燃料電池セル管3内を進み、発電部22付近に達する。
発電部22において、燃料ガス1は、燃料電池セル21に供給される。そして、その熱を発電部22(燃料電池セル21)へ供給することにより、燃料電池セル21を昇温する。燃料ガス1は、断熱体B10−2付近(B)に達する。
燃料ガス1は、断熱体B10−2付近から第2嵌合部9−2付近で、燃料電池セル管3の基体管を介して、燃料電池セル管3の外面に沿って流れる酸化剤ガス2と熱交換を行う。ただし、この段階では、まだ燃料ガス1の温度が高くないので、そのままの温度で、燃料電池セル管3の他端部(D)に達する。そして、他端部から排出室9へ送出される。
排出室9の燃料ガス1は、燃料ガス排出口9−1から燃料ガス配管38−4へ送出される。
【0063】
このとき(時間t1)、発電部22の温度は、燃料電池セル21の発電が可能な温度Ts(図7)となる。
なお、第1加熱部31のみ、又は第2加熱部32(1−1)のみでも、プロセス温度Tsに達することは可能である。その場合、第1加熱部31、又は第2加熱部32の加熱量の調整、酸化剤ガス2、又は燃料ガス1の流量の調整を行うことにより実施できる。
【0064】
(2)時間t1〜t2
この範囲では、燃料電池セル21が、予め設定された温度(図7における温度TS)に到達したので、燃料電池セル21に通電を行う。この段階(時間t1)で、A〜F、発電部22は、概ね温度TSとなっている。
温度Tの計測は、燃料電池セル21(燃料電池モジュール本体33)の開放電圧により確認できる。すなわち、制御部35は、スイッチ43をONにし、負荷制御部36を燃料電池モジュール本体33に接続する。ただし、電流が流れないように、負荷制御部36を制御する。制御部35は、負荷制御部36で計測する燃料電池モジュール本体33の電圧(開放電圧)を計測し、制御部35の記憶部(図示せず)に有する温度と開放電圧との関係の表を参照して、燃料電池セル21の温度Tとする。
なお、温度センサを然るべき位置(燃料電池セル21の近傍、各室内部)に設置し、その値を用いても良い。
【0065】
制御部35は、温度Tが予め設定された温度TS以上であることを確認後、負荷制御部36を制御し、予め設定されたスケジュール(図7、t−Iの関係)に基づいて、電流Iを上げて行く。そのとき、燃料電池セル21に電流Iが流れると、燃料電池セル21の内部抵抗によりジュール熱が発生する。燃料電池セル21は、その熱により自身の温度を上昇させる。
電流Iの上昇は、例えば、負荷制御部36が内部に負荷を有している場合には、その大きさを減少させることにより行う。その場合、制御部35は、負荷制御部36の大きさと電流Iとの関係を示す情報を記憶部(図示せず)に格納している。負荷制御部36がDC/DCコンバータの場合には、それを制御することにより行う。
制御部35は、燃料電池セル21に電流Iを流し始めると同時に、予め設定されたスケジュール(図7、t−Qの関係)に基づいて、第1加熱部31及び第2加熱部32から各ガスに供給する熱量Qを減少させる。熱量Qの減少は、例えば、バーナに供給する燃料の減少で行う。その場合、制御部35は、燃料の供給量と熱量Qとの関係を示す情報を記憶部(図示せず)に格納している。
【0066】
図7のt−Qの関係及びt−Iの関係については、第1加熱部31及び第2加熱部32から各ガスに供給する熱量Qが減少しても、ジュール熱による燃料電池セル21の発熱により燃料電池セル21の温度が上昇するように、また、起動時間0〜t2が所望の長さとなるように、燃料ガス1及び酸化剤ガス2の流量、電流I及び熱量Qの大きさ及び変化速度が設定されている。それらは、燃料電池モジュール本体33の諸特性により決まるものであり、予め実験やシミュレーション等を行い決定する。
また、電流Iの大きさは、燃料電池セル21で通電可能、燃料電池セル21が経時劣化等のセル性能の劣化を起こさない、燃料電池セルのセル電圧が負電位にならない、等の条件を考慮して設定されれる。それは、燃料電池セル21の諸特性により決まるもので、予め実験やシミュレーション等を行い決定する。例えば、高燃料利用率で低セル出力(低電流I)の状態(無駄な発熱が多い状態)となる電流Iの大きさ、あるいは、各温度における燃料電池モジュール本体33の開放電圧に対して、燃料電池モジュール本体33の電圧がその80%よりも小さくならない大きさ、等である。
【0067】
(2−1)酸化剤ガス2側(時間t1〜t2)
第1加熱部31は、図7、t−Qの関係に基づいて、酸化剤ガス2の加熱を少なくし、その温度を低下させる。第1加熱部31から酸化剤ガス2へ供給される熱量Qは減少する。
その後、酸化剤ガス2は、酸化剤ガス配管37−3−酸化剤ガス供給口7−1−酸化剤ガス供給室7の断熱体B10−2と管板B15とに挟まれ形成される流路(E)−孔10−3を経由する。
孔10−3を通る酸化剤ガス2は、燃料電池セル管3の内部を通る燃料ガス1との間で、燃料電池セル管3の基体管を介して熱交換を行う。燃料ガス21は、燃料電池セル21の自己の発熱により加熱されている。そして、酸化剤ガス2の温度が上昇して孔10−3から出る。
発電部22において、酸化剤ガス2は、燃料電池セル21に供給される。そして、発電部22(燃料電池セル21)の自己の発熱により加熱されて昇温される。酸化剤ガス2は、断熱体A10−1付近に達する。
酸化剤ガス2は、断熱体A10−1付近で、燃料電池セル管3の基体管を介して、燃料電池セル管3の内面に沿って流れる燃料ガス1と熱交換を行い、降温される。
そして、概ね断熱体A10−1の発電部22側の面に沿って移動し、酸化剤ガス排出口7−2(F)に達し、そこから酸化剤ガス配管37−4へ送出される。
【0068】
(2−2)燃料ガス1側(時間t1〜t2)
第2加熱部32は、図7、t−Qの関係に基づいて、燃料ガス1の加熱を少なくし、その温度を低下させる。第2加熱部32から燃料ガス1へ供給される熱量Qは減少する。
その後、燃料ガス1は、燃料ガス配管38−3経由−燃料ガス供給口8−1燃料電池セル管3の一端部(C)を経由する。
燃料ガス1は、断熱体A10−1付近から発電部22付近(A)で、燃料電池セル管3の基体管を介して、燃料電池セル管3の外面に沿って流れる酸化剤ガス2と熱交換を行う。酸化剤ガス2は、燃料電池セル21の自己の発熱により加熱されている。そして、温度が上昇して、燃料電池セル管3内を進み、発電部22付近に達する。
発電部22において、燃料ガス1は、燃料電池セル21に供給される。そして、発電部22(燃料電池セル21)の自己の発熱により加熱されて昇温される。燃料ガス1は、断熱体B10−2付近(B)に達する。
燃料ガス1は、断熱体B10−2付近から第2嵌合部9−2付近で、燃料電池セル管3の基体管を介して、燃料電池セル管3の外面に沿って流れる酸化剤ガス2と熱交換を行い、降温される。
そして、燃料ガス1は、そして、他端部(D)から排出室9へ送出され、燃料ガス排出口9−1から燃料ガス配管38−4へ送出される。
【0069】
このとき(時間t2)、発電部22の温度は、燃料電池セル21の定格運転が可能な温度T0(図7)となる。
【0070】
(3)時間t2以降
燃料ガス1及び酸化剤ガス2は、燃料電池モジュール外部の予熱器で予め加熱された所定の温度で、燃料電池モジュール本体33へ供給される。その際、第1加熱部31及び第2加熱部32は停止され、そこでの予熱は行われない。
燃料電池セル21は、自己の発熱により運転温度(900℃〜1000℃)に達し、自立運転の状態となる。
燃料ガス1及び酸化剤ガス2は、燃料電池セル21の発熱を用い、燃料ガス1及び酸化剤ガス2相互の熱交換により、それぞれの温度を上昇させ、燃料電池セル21へ供給される。
制御部35は、スイッチ43をOFFし、通常の負荷へ燃料電池モジュール本体33の接続を切り替える。そして、以降の運転は通常の運転となる。
【0071】
なお、第2加熱部32を用いず、酸化剤ガス2側の第1加熱部31のみを用いても本発明は実施可能である。その場合、燃料ガス1の加熱は予熱器による予熱のみで、燃料電池モジュール本体33に導入され、酸化剤ガス2及び燃料電池セル21との熱交換により昇温する。
同様に、第1加熱部31を用いず、燃料ガス1側の第2加熱部32のみを用いても本発明は実施可能である。その場合、酸化剤ガス2の加熱は予熱器による予熱のみで、燃料電池モジュール本体33に導入され、燃料ガス1及び燃料電池セル21との熱交換により昇温する。
【0072】
更に、第1加熱部31と第2加熱部32を途中から用いず、予め設定された温度(TS、あるいはTS〜運転温度の間のある温度)以上は、燃料電池セル21のジュール熱のみで燃料電池モジュールを加熱し、運転温度まで昇温することも可能である。すなわち、燃料電池セル(燃料電池モジュール)が熱的に自立した段階で、第1加熱部31と第2加熱部32を停止し、熱の補給を中止する。その場合、燃料ガス1及び酸化剤ガス2の加熱は、燃料電池モジュール外部の予熱器による予熱のみで、燃料電池モジュール本体33に導入され、燃料電池セル21との熱交換により昇温する。
【0073】
以上の起動方法により、気体を加熱し、加熱された気体の伝熱により燃料電池セルを加熱する方法に比較して、より迅速に燃料電池セルを昇温することができる。それにより、燃料電池モジュールの起動にかかる時間を大幅に短縮することが可能となる。
【0074】
また、上記実施例では、図7のスケジュールに基づいて、燃料電池セル21に通電する電流を設定していた。ただし、制御部35は、燃料電池セル21の温度、又はその近傍の温度を温度センサを用いて計測し、その温度に基づいて、対応する燃料電池セル21の開放電圧(予め測定、制御部35の記憶部に格納)に対する所望の割合になるように、燃料電池セル21の電流を決定することも可能である。
その場合、第1加熱部31及び第2加熱部32は、例えば、燃料電池セル21に通電される電流の大きさ又は電流により発生する熱(ジュール熱)に基づいて、加熱温度を決定する。
【0075】
あるいは、燃料電池セル21の温度、又はその近傍の温度に基づいて、図7のT−Iの関係を用いて、燃料電池セル21の電流を決定することも可能である。その場合、図7のT−Qの関係を用いて、第1加熱部31及び第2加熱部32での加熱温度を決定する。
【0076】
また、本実施例では、燃料ガス1及び酸化剤ガス2は、一定の流量で行っている。ただし、制御部35は、燃料電池セル21に通電する電流の大きさの変動に対応させて、燃料流量制御弁42及び酸化剤流量制御弁41を制御して、流量(又は利用率)の大きさを変動させることも可能である。この場合、変動する流量(又は利用率)の大きさは、予め実験やシミュレーションで設定する。そして、その電流の大きさと流量(又は利用率)の大きさとの関係を示すデータは、制御部35に格納されている。
【0077】
本発明では、燃料電池セル21自身のジュール熱を用いて、燃料電池セル21の加熱を直接的に行っているので、熱ロスがほとんどなく、効率的に昇温することが可能である。
その場合、燃料電池セル21の電力を引き出す配線に、専用の負荷を接続するだけで、実施できる。すなわち、大幅な設計変更が不要で低コストで、起動時間の短縮が可能となる。
【0078】
【発明の効果】
燃料電池モジュールにおいて、気体の加熱による昇温に加えて、より迅速に燃料電池セルを昇温し、起動時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明である燃料電池モジュールの実施の形態を示す構成図である。
【図2】燃料電池モジュール本体の構成を示す断面図である。
【図3】燃料電池セル管の1本分の第2嵌合部及びその周辺の拡大した断面図である。
【図4】(a)燃料電池モジュール本体における管板の正面図である。
(b)燃料電池モジュール本体における断熱体の正面図である。
【図5】燃料電池セル管の1本分の第1嵌合部及びその周辺の拡大した断面図である。
嵌合リングを用いない場合の第2嵌合部及びその周辺の拡大した断面図である。
【図6】燃料電池セル管の一本分及びその周辺を抜粋した断面図である。
【図7】時間tと発電部の温度T、ガスに供給される熱量Q及び発電部の電流Iの関係(タイムスケジュール)を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料ガス
2 酸化剤ガス
3 燃料電池セル管
7 酸化剤ガス供給室
7−1 酸化剤ガス供給口
7−2 酸化剤ガス排出口
8 供給室
8−1 燃料ガス供給口
8−2 第1嵌合部
9 排出室
9−1 燃料ガス排出口
9−2 第2嵌合部
10 断熱体
10−1 断熱体A
10−2 断熱体B
10−3 孔
12 側板
13 側板
14 管板A
15 管板B
16 側板
17 側板
21 燃料電池セル
22 発電部
23(’) リード膜
24(’) シール剤
25−1〜25−2 集電部
26 第1嵌合リング
26’ 第2嵌合リング
27(’) 充填材
28 側板
31 第1加熱部
32 第2加熱部
33 燃料電池モジュール本体
34 孔
35 制御部
36 負荷制御部
37−1〜37−4 酸化剤ガス配管
38−1〜38−4 燃料ガス配管
39−1〜39−3 配線
41 酸化剤流量制御弁
42 燃料流量制御弁
43 スイッチ
Claims (7)
- 制御部と、
燃料ガスを加熱する第2加熱部と、
酸化剤ガスと、前記燃料ガスとを供給され、発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給量を制御する燃料流量制御弁と、
前記酸化剤ガスを加熱する第1加熱部と
を具備し、
前記制御部は、前記燃料電池セルの起動時に、
前記燃料ガスを予め設定された第3温度に昇温するように前記第2加熱部を制御し、前記燃料電池セルが予め設定された初期温度になったとき、前記燃料電池セルで発電され大きさの時間変化が予め設定された第1電流を流すように前記燃料電池セルの電流を制御し、前記燃料電池セルの燃料利用率が前記第1電流の大きさに対応して予め設定された値になるように、前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給を前記燃料流量制御弁で制御し、
前記酸化剤ガスを予め設定された第1温度に昇温するように前記第1加熱部を制御し、前記第1電流の増加に基づいて、前記酸化剤ガスの昇温を停止し、降温するように前記第1加熱部を制御し、
前記初期温度は、前記燃料電池セルが発電可能な温度であり、
前記燃料利用率の前記予め設定された値は前記燃料電池セルが発電により劣化を起こさない値である
燃料電池モジュール。 - 制御部と、
燃料ガスを加熱する第2加熱部と、
酸化剤ガスと、前記燃料ガスとを供給され、発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給量を制御する燃料流量制御弁と、
前記燃料電池セルの温度に対応する第2温度を測定する温度センサと
を具備し、
前記制御部は、前記燃料電池セルの起動時に、
前記燃料ガスを予め設定された第3温度に昇温するように前記第2加熱部を制御し、前記燃料電池セルが予め設定された初期温度になったとき、前記燃料電池セルで発電され大きさの時間変化が予め設定された第1電流を流すように前記燃料電池セルの電流を制御し、前記燃料電池セルの燃料利用率が前記第1電流の大きさに対応して予め設定された値になるように、前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給を前記燃料流量制御弁で制御し、
前記第2温度に基づいて、前記燃料電池セルの温度が、時間変化が予め設定された温度となるように、前記燃料電池セルで発電される電流の制御を行い、
前記初期温度は、前記燃料電池セルが発電可能な温度であり、
前記燃料利用率の前記予め設定された値は前記燃料電池セルが発電により劣化を起こさない値である
燃料電池モジュール。 - 制御部と、
燃料ガスを加熱する第2加熱部と、
酸化剤ガスと、前記燃料ガスとを供給され、発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給量を制御する燃料流量制御弁と
前記酸化剤ガスを加熱する第1加熱部と、
前記燃料電池セルの温度に対応する第2温度を測定する温度センサと
を具備し、
前記制御部は、前記燃料電池セルの起動時に、
前記燃料ガスを予め設定された第3温度に昇温するように前記第2加熱部を制御し、前記燃料電池セルが予め設定された初期温度になったとき、前記燃料電池セルで発電され大きさの時間変化が予め設定された第1電流を流すように前記燃料電池セルの電流を制御し、前記燃料電池セルの燃料利用率が前記第1電流の大きさに対応して予め設定された値になるように、前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給を前記燃料流量制御弁で制御し、
前記酸化剤ガスを予め設定された第1温度に昇温するように前記第1加熱部を制御し、前記第1電流の増加に基づいて、前記酸化剤ガスの昇温を停止し、降温するように前記第1加熱部を制御し、
前記第2温度に基づいて、前記燃料電池セルの温度が、時間変化が予め設定された温度となるように、前記燃料電池セルで発電される電流の制御を行い、
前記初期温度は、前記燃料電池セルが発電可能な温度であり、
前記燃料利用率の前記予め設定された値は前記燃料電池セルが発電により劣化を起こさない値である
燃料電池モジュール。 - 前記制御部は、前記第1電流の増加に基づいて、前記燃料ガスの昇温を停止し、降温するように前記第2加熱部を制御する
請求項1に記載の燃料電池モジュール。 - 前記燃料電池セルに電気的に接続され、前記第1電流を制御する負荷制御部と、
を更に具備し、
前記制御部は、前記燃料電池セルの制御を、前記負荷制御部の制御により行なう、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。 - (a)燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池セルへ供給する前にそれぞれ予め設定された第3温度及び第1温度に昇温するステップと、
(b)前記燃料電池セルに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給するステップと、
(c)予め設定された初期温度に昇温された前記燃料電池セルに、電流の大きさの時間変化が予め設定されたスケジュールに基づいて、前記スケジュールに従うように前記燃料電池セルで発電される第1電流を流すステップと、
(d)前記燃料電池セルの燃料利用率が前記第1電流の大きさに対応して予め設定された値になるように、前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給を制御するステップと、
(e)前記第1電流の増加に基づいて、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの昇温を停止し、降温するステップと
を具備し、
前記初期温度は、前記燃料電池セルが発電可能な温度であり、
前記燃料利用率の前記予め設定された値は前記燃料電池セルが発電により劣化を起こさない値である
燃料電池モジュールの起動方法。 - (a)燃料流量制御弁で制御された燃料ガス及び酸化剤流量制御弁で制御された酸化剤ガスを燃料電池セルへ供給する前にそれぞれ予め設定された第3温度及び第1温度に昇温するように加熱器を制御するステップと、
(b)前記燃料電池セルに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給するように前記燃料流量制御弁及び前記酸化剤流量制御弁を制御するステップと、
(c)電流の大きさの時間変化が予め設定されたスケジュールを取得するステップと、
(d)予め設定された初期温度に昇温された前記燃料電池セルに、前記スケジュールに基づいて、前記スケジュールに従うように、前記燃料電池セルの温度が予め設定された時間変化をするように前記燃料電池セルで発電される第1電流の大きさを前記燃料電池セルに接続された負荷制御部で制御するステップと、
(e)前記燃料電池セルの燃料利用率が前記第1電流の大きさに対応した予め設定された値になるように、前記燃料ガスの前記燃料電池セルへの供給を燃料流量制御弁で制御するステップと、
(f)前記第1電流の増加に基づいて、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの昇温を停止し、降温するように加熱器を制御するステップと
を具備し、
前記負荷制御部は、前記燃料電池セルに電気的に接続され、前記第1電流を制御し、
前記初期温度は、前記燃料電池セルが発電可能な温度であり、
前記燃料利用率の前記予め設定された値は前記燃料電池セルが発電により劣化を起こさない値である
燃料電池モジュールの起動方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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