JP5242869B2 - 燃料電池の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料セル電池を作動させる方法、特に高温度燃料電池を作動させる方法に関するものである。本発明はまた燃料電池を備えたプラントに関するものである。

例えばSOFC （Solid Oxide Fuel Cell、固体酸化物燃料セル）タイプの高温度燃料セル電池は、燃料セルによってエネルギー利用を建築インフラの作動（エネルギー供給、加熱及び／又は空調）の作動へと転換せしめる事を可能としている。この場合、エネルギーは２つの形態において、即ち電気化学的プロセスの結果として生成される電気的エネルギー及び同プロセス中に生ずる高温の排気ガスからなる熱的エネルギーの形態において用いられる。建築インフラの作動は比較的複雑であり、エネルギー管理は基本的なものである。この種のエネルギー管理の一部にインフラの作動に必要とされる電池及び補助設備によって形成されるシステムの制御がある。燃料セル電池の管理に代表されるこのシステム制御は以下において簡単に「スタック管理」と称する事にする。電池を作動すべき作動点は前記スタック管理によって定義される。許容最大電流強度又は最低電圧によってそれぞれ特徴付けられる適当な作動点は異なるパラメーターに依存する。即ち、燃料のマスフロー、空気のマスフロー、電気化学的プロセスの温度およびいわゆる「集積状態」と呼ばれる燃料セルの定性的状態に依存する。

前記燃料セル電池は起電力（または「開回路電圧、ＯＣＶ」）及び内部抵抗Ｒ_iに依存する。Ｒ_iは電池の品質即ちその集積状態に依存する。機能する事の出来る新品の電池は良好な集積状態を備えている。電気化学的に活性な機能部品の劣化は電池の作動より生じ、該作動により結果として集積状態の悪化乃至劣化が生ずる。前期劣化に加えて、集積状態はまた電池の更に別の欠陥に依存する。この種の欠陥には、電解プレート内の亀裂、接点の故障、被膜の欠陥、材質の欠陥及び/又は漏洩がある。

本発明の目的は燃料セル電池の信頼性ある作動方法を創案する事である。前記方法は電池の適正な負荷のセッティングを実現するべきであり、本方法は時間経過に伴って電池の集積状態が悪化するという事を考慮に入れることが望ましい。集積状態に依存する作動点は、本方法の場合、同点においてそれぞれ、許容最大電流が超過されない事、又は最小電圧以下の電圧にならない事を満足するように決定されるべきである。この目的は請求項１に記載の方法によって満足される。

燃料セル電池を作動させるための前記方法は電池の集積状態の分析段階を含んでいる。この集積状態は作動パラメーターを測定し、同測定データをプログラム化した段階によって評価することで決定される。電池は信頼性のある作動を実現するために、最大電気出力を集積状態に依存する制限値に押さえ、同制限値を超過したならば作動の中断を開始させるというように制御される。前記集積状態は少なくとも２つのパラメーター、特にパラメーター対ｃ_j，ｄ_jによって特徴付けられる。前記パラメーターを含む１つの関係式より電池の内部電気抵抗Ｒ_iが一方において計算可能であり、他方において電池の品質に対するメッセージが発信可能である。

派生請求項２の主題は信頼性ある作動方法を実現するための、アフタバーニングの監視に関するものである。派生請求項３乃至９は本発明に係る好適な実施例に関するものである。請求項１０は燃料セル電池を有するプラントに関するものである。

次に、本発明を付図を参照して説明する。図１の燃料セル電池（燃料電池）はセルスタック（いわゆるスタック）２を有しており、その数はｚ＝１，２，…ｎとしてｎ個である。スタック２は熱的遮蔽体を構成しているスリーブ３内に封入されている。燃料として作用するガスが電気化学的プロセスに適した化学組織（form）へと転換されるプリ・リフォーマ（pre-reformer）４がスタック２の下方に配設されている。送り込まれる空気５１内に含まれる酸素はプロセスの更なる産出物を形成する。一点差線で例示されている長方形内にはスタック２に対する電気的等価回路２０が示されており、該回路は起電力２１（＝OCV=V₀）と、内部抵抗２２（＝Ｒ_i）と、電極２３ａ，２３ｂとを有している。電池によって生成される直流電流Ｉ電極２３ａ，２３ｂとの間に存在する電圧Ｕは加えられる負荷に依存する。負荷の増大は電圧の増大と同時にＩの減少をもたらす。負荷が減少すると逆の事態がもたらされる。内部抵抗２２の値Ｒ_iは、電圧差と電流差から図１の関係式（Ｉ）より差分係数として算出する事が可能である。ここに、これらの差は小さな負荷の変化の以前、以後におけるＵ及びＩをそれぞれ測定する事により求めてやる事が可能である。

スリーブ３はチャンバ３０を有しており、該チヤンバ内においては反応ガス５１及び５２が燃料セル内を通貨した後に後燃焼（アフタバーニング）させられる。それにより炎の存在を検知する事が出来る一つのセンサがこのアフタバーナ・チヤンバ３０内に配設されている。センサ３１はライン３２を経て制御装置８（図２）に接続されている。

図２に示されるプラントは電池１に加えて空気４１及びガス５２に対するニューマチック・レギュレータ５（いわゆるガスマルチブロック）を有している。電池１内で生成されるエネルギーは電気消費部６（Ｕ_E)及び熱消費部７（Ｕ_Q）に供給される。制御装置８は本発明に係る方法を実施するために用いられる。装置８はレギュレータ５、電池１及び適応装置１０に接続されている。適応装置１０においては電池１によって生ずる電気的エネルギーは消費者６によって使用出来るエネルギー形態へと転換される。装置１０は次のものを有する事が出来る。直流を交流に転換するインバータ、電池へのコネクタ及び(図示せぬ)測定装置。Ｒ_iの測定は装置８および１０を用いて実施する事が出来る。

図３及び図４に示された変数ｘ及びｙは以下の意味を有している。即ち、ｘはセルあたり供給される燃料エンタルピーＱ_F／ｎ（ただしＱ_F＝カロリー値×燃料の量）〈関係式（ＩＩＩ’）を参照〉であり、ｙはセルあたり存在する内部抵抗Ｒ_i／ｎ×同セルの活性電極面積Ａ_Eである。内部抵抗Ｒ_iはセルが直列接続されているため、セルの数ｎに比例しており、セルの活性表面要素が並列接続されているため、Ａ_Eに逆比例している〈関係式（ＩＩＩ“）を参照〉。比例常数はｎ及びＡ_Eとは無関係である。ｙに関しては、用語ＡＳＲ（面積比抵抗）が用いられる。

図３のｘ−ｙ線図は、広範囲の異なる集積状態を有している燃料電池集合体に対する一連の測定曲線を示している。ここに、集積状態ｊ＝1，３，５，７及び９は線図内に含まれている曲線と関連している。これらの曲線は図４の関係式（ＩＩ）による数式によって表すことが出来る。集積状態ｊがそれによって特徴付けられるパラメーター対ｃ_j，ｄ_jがこの関係式に入ってくる。ｃ_jの値は正であり、ｄ_jの値は負である。９個の集積状態ｊ＝１，．．．９に対するパラメーター対ｃ_j，ｄ_jが図５の表内に集められている。指数ｊが大きくなればなるほど、電池１の品質も良くなる。

電池１の作動中診断的測定が周期的に行われる。パラメーター対ｃ，ｄの現在値〈関係式（ＩＶ）を参照〉は図６に集められている関係式（ＩＶ）から（ＶＩＩＩ）を用いて決定される。図５の表におけるパラメーター対ｃ_j，ｄ_jは前記診断的測定によって決定されたこの対ｃ，ｄと関連付ける事が出来る。この関連の仕方の定義は関係式（ＩＸ）及び（Ｘ’）に要約されている。

スタック管理のために実施される測定及び計算は以下の節ａ）からｃ）において幾分詳細に議論する。

ａ）異なる集積状態を有する電池のＲ_iを測定し、Ｑ_Fを変数として用いると、２つのパラメーターｃ＝ｃ_j及びｄ＝ｄ_jがそれぞれ入る図４の関係式（ＩＩ）によって概ね表されるｘとｙとの関係式に到達する。y(x)の求め方は以下の節ｂ）において述べる。ｘの値が与えられると、パラメーター対ｃ_j，ｄ_jのための内部抵抗Ｒ_iが一方において計算され、他方において、電池の集積状態ｊがパラメーター対ｃ_j，ｄ_jによって特徴付けられる。一部が図３にプロットされている一連の曲線は異なる集積状態ｊに対応しているパラメーター対ｃ_j，ｄ_jの値は図５の表内において集積されている。

ｂ）集積状態ｊの異なる集積電池における測定によってｙ（ｘ）を決定するために、次のプロセスを経る。ｂ１）まず、あるｘを１０ｗ＜ｘ＜７０Wなるようにセットし、同様にＵ＝Ｖ１をセットする。Ｉを測定し、Ｉ＝Ｉ１の値を得る。
ｂ２＞ｘは変えずにＵ＝Ｖ２をセットする。Ｉを測定し、Ｉ＝Ｉ２を得る。
ｂ３）次式を計算する事によって関連ｘ→ｙ（ｘ）が得られる。

【数１】
y(x)=-(V1-V2)/(i1-i2)
ただし、v1=V1/n、v2=V2/n、i1=I1/A_E かつi2=I2/A_E

図３の一連の曲線は段階ｂ１）からｂ３）により決定された。ここに、セルの数ｎは５０まで到達し、電圧Ｕに対してはＶ１＝３７．５Ｖ及びＶ２＝３５Ｖがセットされた。

ｃ）パラメーター対ｃ，ｄの決定は１つの電池における測定を行い、以下のプロセスによって「伝統的な」パラメーター対ｃ_j，ｄ_jを画成してやる事で達成される〈それぞれ図６及び図７内の関係式（Ｖ）から（ＶＩＩＩ）並びに関係式（ＩＸ）から（Ｘ”）を参照〉。ｃ１)まず、如上の段階ｂ１）乃至ｂ３）が実施され、実際ｘ＝ｘ₁（３２．５Ｗ）よりｙ（ｘ）＝ｙ₁が得られる〈関係式（Ｖ）を参照〉。ｃ２）ｘ＝ｘ₂（４５Ｗ）に対して段階ｂ１）乃至ｂ３）が実施される。結果はｙ（ｘ₂）＝ｙ₂となる〈関係式（ＶＩ）を参照〉。ｃ３）ｄ及びｃが関係式（ＶＩＩ）及び（ＶＩＩＩ）によって計算される。ｃ４）得られた値ｃ及びｄに加えてｘ＝ｘ₀（３０Ｗ）と関係式（ＩＸ）からｙ＝ｙ₀を計算する事が出来る。ｘ₀は１秒間にセルに供給される燃料の量の平均値である。ｃ５）パラメーター対ｃ_j，ｄ_jが関係式（ＩＸ）、（Ｘ’）及び（Ｘ”）を介してｘ＝ｘ₀（３０Ｗ）に対し画成される。この場合、関係式（Ｘ’）によって計算されるｙ’がｙ₀からの正の差分を最小にするように（ｃ’、ｄ’）の値（対）が図５の表から求められる。

関係式（Ｘ”）が満足されない事態が発生した場合には、即ち関係式（Ｘ”）の最小値がゼロより大きくなるような値対ｃ_j，ｄ_jが存在しない時には、電池の集積状態が不十分であるという事になる。かくして、同時に関係式（Ｘ”）を介して電池の試験も行え、同関係式に基づいて作動を続行すべきか否かを決定する事が可能である。この場合には、スタック管理システムは「スタックを交換せよ」というメッセージを発するべきである。

電池の集積状態は段階ｃ３）に従ってパラメーター対ｃ，ｄによって特徴付けられる。各状態に対して、それぞれ作動に対して理想的な電圧Ｕ又は電流強度Ｉが対応している。この場合、余剰空気が十分にある場合（空気指数λが１．５よりも大きい場合）には次の関係式が当てはまる。

【数２】
I=(V₀-U)/R_i ただし、V₀=n0.87V (OCV)

理想的作動の電圧は、最大電力出力が可能になる電圧０．５Ｖ₀も大きい。何故ならば、最大電流強度に結びついている最大電力出力時においては、強烈な電極反応の結果セルが多量に劣化するという結果が得られるからである。如上の測定において用いられ、セル劣化及び引き出し電力に関して理想と考えられる電池の作動状態に対しては、以下の電圧Uが許容される。
Ｘ＝５２Ｗ（即ち高出力の場合）に対して、U/n=0.55V
ｘ＝１３Ｗ（即ち低出力の場合）に対して、U/n=0.6V
１３Ｗ＜x＜５２Ｗに対しては線形的に挿入されたU/nの値を用いる。

電池の集積状態は周期的に決定されるべきで、集積状態ｊは制御プログラムないに貯蔵された(図５の）パラメーター対ｃ_j，ｄ_jの値によって選択されるべきである。この集積状態ｊに対して制御段階は新たに画成されるべきである〈節ｃ)を参照〉。「スタックを変更せよ」なるメッセージが得られるかもしれないが、所定の期間は作動を（ｊ＝１の状態で）続行すべきである。

例えば本発明に係る方法の説明において与えられたパラメーター対ｃ_j，ｄ_jの値のような定量的データは燃料電池に依存する。燃料電池に異なったものを選んだ時には、異なる定量的関係式が得られる。かくして、開示された図は単に例としてみなすべきである。

集積状態を評価し、スタック管理のシステム制御をいかに行うかについては別のやり方もある。この種の代替的手法においては、ｙの代わりに燃料セル電池即ち電池の効率（＝Ｒ_iＩ²／Ｑ_F）を評価する。この効率に対しては、異なるパラメータ対が関与する、関係式（ＩＩ）に相当する関係式を画成してやることが出来る。効率の場合には、それが集積状態に依存する値（＝効率閾値）を超えてはならないという規範が存在する。システム制御部はこの規範が満足されるかさもなくば作動が中断されるように設計されねばならない。

燃料セル電池の信頼性に富んだ機能を得るためには、アフタバーニングの監視もまた重要である。電池１はチャンバ３０を有しており、その中において反応ガス５１、５２は燃料セル中を通過後アフタバーニングに曝される。炎の存在を監視するために、チャンバ３０内に配設されたセンサ１が用いられる。炎が存在する場合には測定信号が発生する。炎の物理的特性の結果として、特に炎の温度において熱が生成されたり、ホトンの放出がある場合にセンサ内には前記測定信号が生成される。

アフタバーナチャンバ３０内における温度の監視はサーモ発電機３１によって実施する事が出来る。前記サーモ発電機３１は１つのサーモ要素からなっており、それによって生成される信号は接続部材３２を介して制御装置８に伝達され、そこで電子的に評価される。別法として、サーモ発電機は多数個のサーモ要素を備えた直列回路とする事が可能であり、同要素は例えば弁またはリレーを起動する事が出来る程度に十分高い電力を出力する。この電力が得られない場合には、作動の中断の開始および／又はセンサの本質的に安全側の監視作動という結果が得られる。

水素の燃焼においてはＵＶ（紫外）ホトンが放出される。従ってアフタバーニングの監視はまたＵＶプローブ３１によって実施する事も出来る。燃焼監視を実施する更に別の方法もある。排気ガス流内にCOセンサを配置すれば、測定されたCO濃度に応じて燃焼が存在するか否かについての結論を引き出す事が出来る。またはアフタバーナ３０内にセンサを設け、これにより燃焼ガス内のイオン化状態をバーナのための標準的手続きとして測定してやる事が出来る。

スタック状態に配設された燃料セルを有する電池。 図１にかかる電池を備えたプラントのブロック線図。 電池の内部抵抗と、同電池に送り込まれる燃料の量との関係を示す図。 図３の関係に関する測定カーブを示す図。 図４と関連するパラメーター対の値を備えた表。 如上のパラメーター対を決定するための関係式。 集積状態を決定するための関係式。

１ 燃料セル電池
３０ チャンバ
５１，５２ 反応ガス
３１ センサ
８ システム制御部
３１ サーモ発電機
１０ 適応装置

Claims (9)

1. 燃料電池（１）の作動方法であって、作動パラメーターｘと作動パラメーターｙとをそれぞれ設定及び測定し、該測定データを計画的に評価する事によって燃料電池の集積状態が決定されており、該燃料電池は、信頼出来る作動を得る目的で、最大の電気的出力を集積状態に依存する制限値以内に抑えるように或いは作動の中断が開始するように制御されており、作動パラメーターｘは、燃料電池内に送られる燃料或いは燃料のエンタルピー（Ｑ_Ｆ）の量であり、作動パラメーターｙは、燃料電池の内部電気抵抗（Ｒ_ｉ）に関連し、前記集積状態は、少なくとも２つのパラメーターｃ，ｄと数式ｙ＝ｃ・ｘ^ｄとによって特徴付けられ、２つのパラメーターｃ，ｄは、既知の或いは測定された作動パラメーターｘと作動パラメーターｙの対から決定され、
   作動パラメーターｘと作動パラメーターｙの対の値と、パラメーターの対の各々に関連する集積状態（ｊ）の値とをまとめた表が、広範囲の異なる集積状態（ｊ）を有する複数の燃料電池（１）の集合に基づき決定され、
   作動パラメーターｘと作動パラメーターｙの対の現在の値が燃料電池（１）の診断的測定を周期的に行なうことにより決定され、且つ、燃料電池（１）の現在の集積状態が、前記一覧表内に含まれる作動パラメーターｘと作動パラメーターｙの値内の集積状態（ｊ）を選択することにより決定される事を特徴とする方法。
   
2. 請求項１に記載の方法において、前記燃料電池はチャンバ（３０）を有しており、その中において反応ガス（５１、５２）が燃料電池内を通過後燃焼（アフタバーニング）されており、更に炎の存在を監視するために少なくとも１つのセンサがこのチャンバ内において用いられており、該センサ内においては、炎の物理的特性の結果、特に炎温度において熱が生成されるか、ホトンが生成される結果測定信号が発せられる事を特徴とする方法。
   
3. 請求項１と請求項２のいずれか１つの項に記載の方法において、パラメーター対ｃ，ｄの現在値が診断的測定を周期的に行い、ディジタル的計算（ＩＶ−Ｘ”）を実施することで決定されており、これらの計算値の結果、燃料電池の制御を行い、あるいは集積状態に応じて燃料電池の取替えが必要であるとのメッセージを表示してやる事を特徴とする方法。
   
4. 請求項３に記載の方法において、複数の燃料電池（１）の集合に基づき決定された作動パラメーターｘと作動パラメーターｙの対の値が診断的測定によって決定される値の代わりに制御に用いられており、前記診断的測定の結果は所定の規範（ＩＸ−Ｘ”）より小さい偏差となるようにされている事を特徴とする方法。
   
5. 請求項４に記載の方法において、作動の中断に対する要請は所定の規範（ＩＸ−Ｘ”）と前記偏差とが一致しない場合にシステム制御装置（８）によって支持されることを特徴とする方法。
   
6. 請求項２から請求項５のいずれか１つの項に記載の方法において、前記アフタバーニングの監視がサーモ発電機によって実施されている事を特徴とする方法。
   
7. 請求項２から請求項５のいずれか１つの項に記載の方法において、前記アフタバーニングの監視がUVプローブ（３１）又はイオン化測定によって実施されている事を特徴とする方法。
   
8. 請求項２から請求項５のいずれか１つの項に記載の方法において、前記アフタバーニングの監視が排気ガス流内に配設されたＣＯセンサによって実施されている事を特徴とする方法。
   
9. 請求項１から請求項８のいずれか１つの項に記載の方法が用いられている、燃料電池（１）を備えたプラントであって、該方法を実施するための制御装置（８）と適応装置（１０）とが含まれている事を特徴とする方法。

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