JP5148396B2 - 燃料電池発電システム及びその性能回復方法並びに性能回復プログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明を適用した実施形態について、図1、図2を参照して具体的に説明する。図1は本発明を適用した第1の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成図であって、図1中において、ブロック間を接続する実線はガス配管の結線図、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。また、図2は電気制御装置の内部構成図であり、実線矢印は制御の流れを示している。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電スタック発電システムは、燃料電池スタック1、改質装置2、電気制御装置3、空気ブロワ4、システム制御装置100から構成されている。
続いて、本実施形態に係る燃料電池発電システムの性能回復方法における操作手順について、図3のフローチャートを用いて説明する。すなわち、燃料電池発電システムの発電中、システム制御装置100において、システム性能の回復操作指令がなされた場合、改質装置2から燃料極1aへ水素リッチな改質ガスの供給を継続した状態で、電気制御装置3を負荷運転モードから電圧制御運転モードとし(S101)、負荷電流を一定に制御する。
回復操作1では、燃料電池スタック1に発生する平均セル電圧Vが、酸化剤停止前の平均セル電圧Vrからの電圧低下量が300mVとなるまで、電気制御装置3により負荷電流を一定に制御することによって、発電を継続する(S106のNo)。
一方、回復操作2では、燃料電池スタック1の平均セル電圧Vが、酸化剤停止前の平均セル電圧Vrが100mV以下に達するまで、電気制御装置3により負荷電流を一定に制御することによって、発電を継続する(S112のNo)。
以上の構成を有する本実施形態の作用について、図4〜図7を用いて説明する。図4、図5は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの性能回復操作方法において、性能回復動作を示すタイミングチャートであり、システム制御装置100からシステム各部への制御指令のタイミング、及び燃料電池スタック1の平均セル電圧の時間的な変化を示している。
まず、本実施形態の回復操作1の作用について、図4を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池発電システムでは、システムの運転初期から累積運転時間Tが20,000時間に達するまでは、システム制御装置100は酸化剤極1bのガス拡散性能低下が見られない領域であると判断する。
次に、本実施形態の回復操作2の作用について、図5を参照して説明する。すなわち、本実施形態に係る燃料電池発電システムでは、累積運転時間Tが20,000時間を越えると、酸化剤極1bのガス拡散性の低下が進み、システム制御装置100は酸化剤極1bの性能低下が大きい領域であると判断する。
続いて、本実施形態の持つ効果について、図8〜図10のグラフを用いて説明する。図8は、燃料電池発電システムの運転時間が8時間経過する毎に、燃料電池発電システムの回復操作を実施したときの燃料電池スタック1の平均セル電圧の時間変化をプロットしたものである。本実施形態は図8〜図10中、丸マークで示されている。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多種多様な変形例が実施可能である。例えば、酸化剤極の性能低下の度合いに関する判定基準として、システムの累積運転時間以外にも、燃料電池スタック1の平均セル電圧の低下率や低下速度を判定基準としても同様な作用効果が得られる。
1a…燃料極
1b…酸化剤極
2…改質装置
3…電気制御装置
31…インバーター
32…制御装置
4…空気ブロワ
5…交流系統電源
11…燃料供給ライン
12…燃料排出ライン
13…酸化剤供給ライン
14…酸化剤排出ライン
15…燃料極入口バルブ
16…燃料極出口バルブ
17…酸化剤極入口バルブ
18…酸化剤極出口バルブ
100…システム制御装置
Claims (11)
- 電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給する燃料及び酸化剤をそれぞれ制御する燃料流量制御手段及び酸化剤流量制御手段と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する負荷電流制御手段を備えた燃料電池発電システムに用いられる方法であって、前記燃料電池発電システムの発電中に前記酸化剤流量制御手段により前記酸化剤極に供給する酸化剤を一時的に欠乏させる燃料電池発電システムの性能回復方法において、
前記燃料電池発電システムは、予め設定された基準値に基づいて、前記酸化剤極の性能低下の度合いを判定する酸化剤極性能の判定手段を備え、
前記燃料電池発電システムの発電中に前記酸化剤流量制御手段により前記酸化剤極に供給する酸化剤を一時的に欠乏させるに際して、
前記酸化剤極の性能低下の度合いが基準値以下であると判定した場合には、前記酸化剤流量制御手段による酸化剤流量制御及び前記負荷電流制御手段による負荷電流の制御によって、前記燃料電池スタックに発生する平均セル電圧の低下量をカーボン腐食が最大となる電圧低下量未満とする第1の電圧回復ステップを実行し、
前記酸化剤極の性能低下の度合いが基準値を超えたと判定した場合には、前記酸化剤流量制御手段による酸化剤流量制御及び前記負荷電流制御手段による負荷電流の制御によって、前記燃料電池スタックに発生する平均セル電圧の低下量がカーボン腐食を最大とする電圧低下量を超え、かつ前記平均セル電圧が設定値以下となるまで前記平均セル電圧を低下させる第2の電圧回復ステップを実行することを特徴とする燃料電池発電システムの性能回復方法。 - 前記電圧低下量を300mVとすることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの性能回復方法。
- 前記平均セル電圧の設定値を100mVと設定することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの性能回復方法。
- 前記酸化剤極における性能低下の度合いを判定する基準値として、前記燃料電池発電システムの累積運転時間を用いることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電システムの性能回復方法。
- 前記酸化剤極における性能低下の度合いを判定する基準値として適用した累積運転時間を20,000時間に設定することを特徴とする請求項4記載の燃料電池システムの性能回復方法。
- 前記酸化剤極の性能低下の度合いを判定する基準値として、前記燃料電池スタックの平均セル電圧低下量を用いることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電システムの性能回復方法。
- 前記酸化剤極の性能低下の度合いを判定する基準として適用した前記燃料電池スタックの平均セル電圧低下量を、初期平均セル電圧の5%に設定することを特徴とする請求項6記載の燃料電池発電システムの性能回復方法。
- 前記酸化剤極の性能低下の度合いを判定する基準値として、前記燃料電池スタックの平均セル電圧低下速度を用いることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電システムの性能回復方法。
- 前記酸化剤極の性能低下の度合いを判定する基準値として適用した前記燃料電池スタックの平均セル電圧低下速度を毎時2μVVに設定することを特徴とする請求項8記載の燃料電池発電システムの性能回復方法。
- 電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給する燃料及び酸化剤をそれぞれ制御する燃料流量制御手段及び酸化剤流量制御手段と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、予め設定された基準値に基づいて、前記酸化剤極の性能低下に関して前記基準値を超えたかどうかを判定する酸化剤極性能の判定手段を備えた燃料電池発電システムに用いられるプログラムであって、前記燃料電池発電システムの発電中に前記酸化剤流量制御手段により前記酸化剤極に供給する酸化剤を一時的に欠乏させる操作をコンピュータに実現させる燃料電池発電システムの性能回復プログラムにおいて、
前記酸化剤極性能の判定手段により、前記酸化剤極の性能低下の度合いが前記基準値を超えたかどうかを判定する酸化剤極性能の判定操作と、
前記燃料電池発電システムの発電中に前記酸化剤流量制御手段により前記酸化剤極に供給する酸化剤を一時的に欠乏させるに際して、
前記酸化剤極性能の判定手段が前記酸化剤極の性能低下の度合いに関して前記基準値以下であると判定した場合には、前記酸化剤流量制御手段による酸化剤流量制御及び前記負荷電流制御手段による負荷電流の制御によって、前記燃料電池スタックに発生する平均セル電圧の低下量をカーボン腐食が最大となる電圧低下量未満とする第1の電圧回復操作と、
前記酸化剤極性能の判定手段が前記酸化剤極の性能低下の度合いに関して前記基準値を超えたと判定した場合には、前記酸化剤流量制御手段による酸化剤流量制御及び前記負荷電流制御手段による負荷電流の制御によって、前記燃料電池スタックに発生する平均セル電圧の低下量がカーボン腐食を最大とする電圧低下量を超え、かつ前記平均セル電圧が下限値以下となるまで平均セル電圧を低下させる第2の電圧回復操作、をコンピュータに実現させることを特徴とする燃料電池発電システムの性能回復プログラム。 - 電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給する燃料及び酸化剤をそれぞれ制御する燃料流量制御手段及び酸化剤流量制御手段と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する負荷電流制御手段を備えた燃料電池発電システムであって、自システムの発電中に前記酸化剤流量制御手段により前記酸化剤極に供給する酸化剤を一時的に欠乏させるように構成した燃料電池発電システムにおいて、
予め設定された基準値に基づいて、前記酸化剤極の性能低下の度合いに関して前記基準値を超えたかどうかを判定する酸化剤極性能の判定手段を備え、
前記負荷電流制御手段は、
前記燃料電池スタックで得られた電気エネルギーを外部負荷に供給するための負荷電流を制御する負荷運転モードを取り、
前記燃料電池発電システムの発電中に前記酸化剤流量制御手段により前記酸化剤極に供給する酸化剤を一時的に欠乏させるに際して、
前記酸化剤極性能の判定手段が前記酸化剤極の性能低下の度合いに関して前記基準値以下であると判定した場合には、前記燃料電池スタックに発生する平均セル電圧の低下量を、カーボン腐食が最大となる電圧低下量未満とする第1の電圧制御モードを取り、
前記酸化剤極性能の判定手段が前記酸化剤極の性能低下の度合いに関して前記基準値を超えたと判定した場合には、前記燃料電池スタックに発生する平均セル電圧の低下量が前記カーボン腐食を最大とする電圧低下量を超え、かつ前記平均セル電圧が下限値以下となるまで低下させる第2の電圧制御モードを取るように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
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