JP5352301B2 - FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL STATE DETECTION METHOD - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の状態検知方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell state detection method.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、炭化水素等の燃料から水素を生成するための改質器が備わっていることがある。改質器において生成された燃料ガス中の炭化水素濃度を検出することによって、改質器の劣化を検出する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   In a fuel cell system including a fuel cell, a reformer for generating hydrogen from a fuel such as a hydrocarbon may be provided. A technique for detecting deterioration of the reformer by detecting the concentration of hydrocarbons in the fuel gas produced in the reformer is disclosed (for example, see Patent Document 1).

国際公開第2005/018035号International Publication No. 2005/018035

ところで、改質器の改質効率の低下に伴って燃料電池が劣化することがあるため、特許文献1の技術等を用いて改質器の改質効率低下を検知できることが好ましい。しかしながら、特許文献1の技術では、炭化水素センサを設ける必要がある。この場合、コストがかかる。   By the way, since the fuel cell may deteriorate as the reforming efficiency of the reformer decreases, it is preferable that the reduction in reforming efficiency of the reformer can be detected using the technique of Patent Document 1. However, in the technique of Patent Document 1, it is necessary to provide a hydrocarbon sensor. This costs money.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、炭化水素センサを設けなくても燃料電池の状態を検知することができる燃料電池システムおよび燃料電池の状態検知方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a fuel cell state detection method that can detect the state of a fuel cell without providing a hydrocarbon sensor. To do.

本発明に係る燃料電池システムは、炭化水素から水素を生成する改質部と、改質部において生成された水素を燃料として発電する燃料電池と、燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサの検出結果から得られる排気ガス中の酸素濃度の変動に基づいて燃料電池の劣化を判定する判定部と、燃焼室における空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、を備え、空気過剰率制御手段は、判定部が排気ガス中の酸素濃度の変動を取得する際に、空気過剰率を増加させることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、炭化水素センサを設けなくても燃料電池の状態を検知することができる。 A fuel cell system according to the present invention includes a reforming unit that generates hydrogen from hydrocarbons, a fuel cell that generates power using the hydrogen generated in the reforming unit as fuel, and a combustion chamber that burns anode off-gas of the fuel cell. An oxygen sensor that detects the oxygen concentration in the exhaust gas, a determination unit that determines deterioration of the fuel cell based on fluctuations in the oxygen concentration in the exhaust gas obtained from the detection result of the oxygen sensor, and an excess air ratio in the combustion chamber An excess air ratio control means for controlling, and the excess air ratio control means is characterized in that the excess air ratio is increased when the determination unit acquires a change in the oxygen concentration in the exhaust gas. . In the fuel cell system according to the present invention, the state of the fuel cell can be detected without providing a hydrocarbon sensor.

判定部は、燃焼室における空気過剰率の増加に対して排気ガス中の酸素濃度の変動が大きいほど、燃料電池の劣化が大であると判定してもよい。この場合、燃料電池の劣化を定量的に判断することができる。   The determination unit may determine that the deterioration of the fuel cell is greater as the fluctuation of the oxygen concentration in the exhaust gas is larger with respect to the increase in the excess air ratio in the combustion chamber. In this case, deterioration of the fuel cell can be determined quantitatively.

上記燃料電池システムは、燃料電池が劣化していると判定部によって判定された場合に、ユーザに燃料電池の劣化を報知する報知装置をさらに備えていてもよい。また、酸素濃度の変動は、所定期間に酸素センサによって検出された複数の検出値から算出される標準偏差であってもよい。また、燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であってもよい。また、燃料電池のアノードは、ニッケルを含んでいてもよい。   The fuel cell system may further include a notification device that notifies the user of the deterioration of the fuel cell when the determination unit determines that the fuel cell is deteriorated. Further, the fluctuation of the oxygen concentration may be a standard deviation calculated from a plurality of detection values detected by the oxygen sensor during a predetermined period. The fuel cell may be a solid oxide fuel cell. The anode of the fuel cell may contain nickel.

本発明に係る燃料電池の状態検知方法は、改質部において炭化水素から生成された水素を燃料として発電する燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出ステップと、酸素濃度検出ステップにおいて得られる排気ガス中の酸素濃度の変動に基づいて燃料電池の劣化を判定する判定部ステップと、判定ステップにおいて排気ガス中の酸素濃度の変動を取得する際に、空気過剰率を増加させる空気過剰率増加ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の状態検知方法においては、炭化水素センサを設けなくても燃料電池の状態を検知することができる。 The method for detecting a state of a fuel cell according to the present invention includes a method for detecting an oxygen concentration in an exhaust gas from a combustion chamber that burns an anode off-gas of a fuel cell that generates electricity using hydrogen generated from hydrocarbons as fuel in a reforming unit. A concentration detection step; a determination unit step for determining deterioration of the fuel cell based on a variation in oxygen concentration in the exhaust gas obtained in the oxygen concentration detection step; and a step for acquiring a variation in oxygen concentration in the exhaust gas in the determination step And an excess air ratio increasing step for increasing the excess air ratio . In the fuel cell state detection method according to the present invention, the state of the fuel cell can be detected without providing a hydrocarbon sensor.

判定ステップにおいて、燃焼室における空気過剰率の増加に対して排気ガス中の酸素濃度の変動が大きいほど、燃料電池の劣化が大であると判定してもよい。この場合、燃料電池の劣化を定量的に判断することができる。   In the determination step, it may be determined that the deterioration of the fuel cell is greater as the fluctuation of the oxygen concentration in the exhaust gas is larger with respect to the increase in the excess air ratio in the combustion chamber. In this case, deterioration of the fuel cell can be determined quantitatively.

上記燃料電池の状態検知方法は、燃料電池が劣化していると判定部によって判定された場合に、ユーザに燃料電池の劣化を報知する報知ステップをさらに含んでいてもよい。また、酸素濃度の変動は、所定期間に前記酸素センサによって検出された複数の検出値から算出される標準偏差であってもよい。また、燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であってもよい。また、燃料電池のアノードは、ニッケルを含んでいてもよい。   The fuel cell state detection method may further include a notification step of notifying the user of the deterioration of the fuel cell when the determination unit determines that the fuel cell is deteriorated. Further, the fluctuation of the oxygen concentration may be a standard deviation calculated from a plurality of detection values detected by the oxygen sensor during a predetermined period. The fuel cell may be a solid oxide fuel cell. The anode of the fuel cell may contain nickel.

本発明によれば、炭化水素センサを設けなくても燃料電池の状態を検知することができる燃料電池システムおよび燃料電池の状態検知方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system and a fuel cell state detection method that can detect the state of a fuel cell without providing a hydrocarbon sensor.

実施例1に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to Example 1. FIG. 酸素センサの詳細を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the detail of an oxygen sensor. 燃料電池の詳細について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the detail of a fuel cell. (a)は酸素濃度変動を取得するために実行されるフローチャートの一例を示す図であり、(b)は(a)のフローチャートにおいて記憶した酸素濃度変動を用いて燃料電池の劣化を判定する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。(A) is a figure which shows an example of the flowchart performed in order to acquire oxygen concentration fluctuation | variation, (b) is when determining deterioration of a fuel cell using the oxygen concentration fluctuation | variation memorize | stored in the flowchart of (a). It is a figure which shows an example of the flowchart performed in FIG.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

図1は、実施例1に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、制御部10、アノード原料供給部20、改質水供給部30、カソードエア供給部40、改質器50、燃料電池60、酸素センサ70、熱交換器80、および報知装置90を備える。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a control unit 10, an anode material supply unit 20, a reformed water supply unit 30, a cathode air supply unit 40, a reformer 50, a fuel cell 60, an oxygen sensor 70, a heat An exchange 80 and a notification device 90 are provided.

アノード原料供給部20は、炭化水素等の燃料ガスを改質部51に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部30は、改質部51における改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク31、改質水タンク31に貯蔵された改質水を改質部51に供給するための改質水ポンプ32等を含む。カソードエア供給部40は、カソード61にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。   The anode raw material supply unit 20 includes a fuel pump for supplying a fuel gas such as hydrocarbons to the reforming unit 51. The reforming water supply unit 30 supplies the reforming water tank 31 that stores the reforming water necessary for the reforming reaction in the reforming unit 51, and supplies the reforming water stored in the reforming water tank 31 to the reforming unit 51. Including a reforming water pump 32 and the like. The cathode air supply unit 40 includes an air pump for supplying an oxidant gas such as air to the cathode 61.

改質器50は、改質部51および燃焼室52を含む。燃料電池60は、カソード61とアノード62とによって電解質が挟持された構造を有する。例えば、燃料電池60として、固体酸化物型燃料電池(SOFC)を用いることができる。報知装置90は、ユーザ等に注意、警報等を報知するための装置である。制御部10は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。   The reformer 50 includes a reforming unit 51 and a combustion chamber 52. The fuel cell 60 has a structure in which an electrolyte is sandwiched between a cathode 61 and an anode 62. For example, a solid oxide fuel cell (SOFC) can be used as the fuel cell 60. The notification device 90 is a device for notifying a user or the like of a caution, a warning, or the like. The control unit 10 includes a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and the like.

続いて、燃料電池システム100の動作の概要を説明する。アノード原料供給部20は、制御部10の指示に従って必要量の燃料ガスを改質部51に供給する。改質水ポンプ32は、制御部10の指示に従って必要量の改質水を改質部51に供給する。改質部51は、燃焼室52で発生する熱を利用した改質反応によって、燃料ガスと改質水とから、水素を含有する改質ガスを生成する。生成された改質ガスは、アノード62に供給される。   Next, an outline of the operation of the fuel cell system 100 will be described. The anode material supply unit 20 supplies a required amount of fuel gas to the reforming unit 51 in accordance with an instruction from the control unit 10. The reforming water pump 32 supplies a necessary amount of reforming water to the reforming unit 51 in accordance with instructions from the control unit 10. The reforming unit 51 generates a reformed gas containing hydrogen from the fuel gas and the reformed water by a reforming reaction using heat generated in the combustion chamber 52. The generated reformed gas is supplied to the anode 62.

カソードエア供給部40は、制御部10の指示に従って必要量のカソードエアをカソード61に供給する。それにより、燃料電池60において発電が行われる。カソード61から排出されたカソードオフガスおよびアノード62から排出されたアノードオフガスは、燃焼室52に流入する。燃焼室52においては、アノードオフガス中の可燃成分がカソードオフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質部51および燃料電池60に与えられる。   The cathode air supply unit 40 supplies a necessary amount of cathode air to the cathode 61 in accordance with instructions from the control unit 10. Thereby, power generation is performed in the fuel cell 60. The cathode offgas discharged from the cathode 61 and the anode offgas discharged from the anode 62 flow into the combustion chamber 52. In the combustion chamber 52, combustible components in the anode off gas are burned by oxygen in the cathode off gas. The heat obtained by the combustion is given to the reforming unit 51 and the fuel cell 60.

このように、燃料電池システム100においては、アノードオフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室52において燃焼させることができる。酸素センサ70は、燃焼室52から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出し、その検出結果を制御部10に与える。熱交換器80は、燃焼室52から排出された排気ガスと水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク31に貯蔵される。報知装置90は、燃料電池60の状態に関する情報をユーザ等に報知する。   Thus, in the fuel cell system 100, combustible components such as hydrogen and carbon monoxide contained in the anode off gas can be burned in the combustion chamber 52. The oxygen sensor 70 detects the oxygen concentration in the exhaust gas discharged from the combustion chamber 52 and gives the detection result to the control unit 10. The heat exchanger 80 exchanges heat between the exhaust gas discharged from the combustion chamber 52 and tap water. Condensed water obtained from the exhaust gas by heat exchange is stored in the reformed water tank 31. The notification device 90 notifies the user or the like of information related to the state of the fuel cell 60.

図2は、酸素センサ70の詳細を説明するための模式的断面図である。図2に示すように、酸素センサ70は、限界電流式酸素センサであって、電解質71の一面にアノード72が設けられ、電解質71の他面にカソード73が設けられ、細孔が形成された多孔質基板74がカソード73を覆うように配置された構造を有する。電解質71には、ヒータ75が配置されている。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining details of the oxygen sensor 70. As shown in FIG. 2, the oxygen sensor 70 is a limiting current oxygen sensor, and an anode 72 is provided on one surface of the electrolyte 71, and a cathode 73 is provided on the other surface of the electrolyte 71 to form pores. The porous substrate 74 has a structure arranged so as to cover the cathode 73. A heater 75 is disposed on the electrolyte 71.

電解質71は、酸素イオン伝導性の電解質からなり、例えばジルコニアからなる。アノード72およびカソード73は、例えば白金からなる。アノード72およびカソード73は、配線を介して外部回路を形成する。この外部回路には、電源76および電流計77が設けられている。多孔質基板74は、例えば多孔質状のアルミナからなる。ヒータ75は、例えば白金薄膜等からなる。   The electrolyte 71 is made of an oxygen ion conductive electrolyte, for example, zirconia. The anode 72 and the cathode 73 are made of platinum, for example. The anode 72 and the cathode 73 form an external circuit through wiring. This external circuit is provided with a power source 76 and an ammeter 77. The porous substrate 74 is made of, for example, porous alumina. The heater 75 is made of, for example, a platinum thin film.

続いて、制御部10による酸素センサ70の制御について説明する。制御部10は、ヒータ75に電力を供給することによって、電解質71を加熱する。電解質71の温度が所定値に到達した後、制御部10は、アノード72にプラス電圧が印加されるように電源76を制御する。電源76によってアノード72に電圧が印加されると、下記式(1)に従って、カソード73において酸素が酸素イオンとなって電解質71を伝導する。アノード72においては、下記式(2)に従って、酸素イオンが酸素分子となる。
+ 4e → 2O2− (1)
2O2− → O + 4e (2)
Next, control of the oxygen sensor 70 by the control unit 10 will be described. The controller 10 heats the electrolyte 71 by supplying power to the heater 75. After the temperature of the electrolyte 71 reaches a predetermined value, the control unit 10 controls the power supply 76 so that a positive voltage is applied to the anode 72. When a voltage is applied to the anode 72 by the power source 76, oxygen becomes oxygen ions at the cathode 73 and conducts through the electrolyte 71 according to the following formula (1). In the anode 72, oxygen ions become oxygen molecules according to the following formula (2).
O 2 + 4e → 2O 2− (1)
2O 2− → O 2 + 4e (2)

カソード73への酸素輸送量は、多孔質基板74の細孔によって支配されるため、式(1)および式(2)の反応によって生じる電流(限界電流)は、多孔質基板74の細孔における酸素ガス拡散量によって決定される。この酸素ガス拡散量は、多孔質基板74の外部の酸素濃度によって決まる。   Since the amount of oxygen transported to the cathode 73 is governed by the pores of the porous substrate 74, the current (limit current) generated by the reaction of the formulas (1) and (2) is in the pores of the porous substrate 74. It is determined by the amount of oxygen gas diffusion. This oxygen gas diffusion amount is determined by the oxygen concentration outside the porous substrate 74.

制御部10は、電流計77の検出値に応じて酸素センサ70の出力電流を取得する。酸素センサ70の出力電流は酸素濃度に比例する。制御部10は、この比例関係に基づいて、酸素センサ70がさらされる雰囲気の酸素濃度を検出する。   The control unit 10 acquires the output current of the oxygen sensor 70 according to the detection value of the ammeter 77. The output current of the oxygen sensor 70 is proportional to the oxygen concentration. Based on this proportional relationship, the controller 10 detects the oxygen concentration of the atmosphere to which the oxygen sensor 70 is exposed.

図3は、燃料電池60の詳細について説明するための模式図である。図3に示すように、燃料電池60は、カソード61とアノード62とによって電解質63が挟持された構造を有する。カソード61は、例えば、ランタンマンガナイト等を材料とする。アノード62は、例えば、ニッケル等を材料とする。電解質63は、例えば、ジルコニア等を材料とする。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining details of the fuel cell 60. As shown in FIG. 3, the fuel cell 60 has a structure in which an electrolyte 63 is sandwiched between a cathode 61 and an anode 62. The cathode 61 is made of, for example, lanthanum manganite. The anode 62 is made of, for example, nickel. The electrolyte 63 is made of, for example, zirconia.

アノード62に供給された改質ガス中の水素および一酸化炭素は、アノード62に対して電子を放出する。アノード62に放出された電子は、外部回路を通って電気的な仕事をした後にカソード61に供給される。カソード61に供給されたカソードエア中の酸素は、カソード61に供給された電子を受け取って酸素イオンになる。この酸素イオンは、電解質63を移動してアノード62に到達する。アノード62においては、電子を放出した水素および一酸化炭素と酸素イオンとが反応して、水および炭酸ガスが生成される。   Hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas supplied to the anode 62 emit electrons to the anode 62. Electrons emitted to the anode 62 are supplied to the cathode 61 after performing electrical work through an external circuit. Oxygen in the cathode air supplied to the cathode 61 receives electrons supplied to the cathode 61 and becomes oxygen ions. The oxygen ions move through the electrolyte 63 and reach the anode 62. At the anode 62, hydrogen and carbon monoxide from which electrons have been released react with oxygen ions to produce water and carbon dioxide gas.

触媒機能低下等に起因して改質器50における改質効率が低下すると、改質器50からアノード62に供給される改質ガス中の炭化水素燃料濃度が高くなる。この場合、炭化水素燃料は、アノード62のニッケルを触媒として、下記式(3)の水蒸気改質反応によって水蒸気と反応する。それにより、水素および一酸化炭素が生成される。なお、式(3)では、炭化水素燃料の一例として、メタンを用いた。下記式(3)で生成された水素および一酸化炭素が上記の発電反応に供される。
CH + HO → CO + 3H (3)
When the reforming efficiency in the reformer 50 decreases due to a decrease in catalyst function or the like, the concentration of hydrocarbon fuel in the reformed gas supplied from the reformer 50 to the anode 62 increases. In this case, the hydrocarbon fuel reacts with steam by the steam reforming reaction of the following formula (3) using nickel of the anode 62 as a catalyst. Thereby, hydrogen and carbon monoxide are produced. In formula (3), methane was used as an example of the hydrocarbon fuel. Hydrogen and carbon monoxide produced by the following formula (3) are subjected to the above power generation reaction.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (3)

しかしながら、アノード62へ炭化水素燃料が供給されると、炭化水素燃料中の炭素がアノード62の表面に析出することがある。アノード62の触媒機能は、炭素析出に伴って低下する。その結果、燃料電池60の発電性能が低下するとともに、アノードオフガス中の炭化水素濃度が増加する。以上のことから、アノードオフガス中の炭化水素濃度の増加を検知することによって、燃料電池60が劣化していると判断することができる。なお、アノード62の触媒機能は、アノード62の酸化等によっても低下する。   However, when the hydrocarbon fuel is supplied to the anode 62, carbon in the hydrocarbon fuel may be deposited on the surface of the anode 62. The catalytic function of the anode 62 decreases with carbon deposition. As a result, the power generation performance of the fuel cell 60 is lowered, and the hydrocarbon concentration in the anode off-gas is increased. From the above, it can be determined that the fuel cell 60 has deteriorated by detecting an increase in the hydrocarbon concentration in the anode off-gas. Note that the catalytic function of the anode 62 is also reduced by oxidation of the anode 62 and the like.

例えば、アノード62の触媒機能が低下すると、アノードオフガス中の水素濃度と炭化水素濃度との比率が変動する。炭化水素および水素の比燃焼性が互いに異なることから、水素濃度と炭化水素濃度との比率の変動に伴って、燃焼室52における燃焼状態が変動する。そこで、本実施例においては、燃焼室52における燃焼状態の変動に基づいて、アノードオフガス中の炭化水素濃度の増加を検知する。   For example, when the catalytic function of the anode 62 is lowered, the ratio between the hydrogen concentration and the hydrocarbon concentration in the anode off gas varies. Since the specific combustibility of hydrocarbon and hydrogen is different from each other, the combustion state in the combustion chamber 52 varies with variation in the ratio between the hydrogen concentration and the hydrocarbon concentration. Therefore, in the present embodiment, an increase in the hydrocarbon concentration in the anode off-gas is detected based on the fluctuation of the combustion state in the combustion chamber 52.

具体的には、炭化水素の比燃焼性が水素の比燃焼性に比較して低いことから、アノードオフガス中の水素に対する炭化水素濃度が増加すると、アノードオフガスの比燃焼性が低下する。それにより、燃焼室52における燃焼が不安定化し、排気ガス中の酸素濃度が変動する。一方、アノードオフガス中の水素に対する炭化水素濃度が減少すると、アノードオフガスの比燃焼性が向上する。それにより、燃焼室52における燃焼が安定化し、排気ガス中の酸素濃度の変動が抑制される。以上のことから、酸素センサ70の検出結果に基づいて、アノードオフガス中の炭化水素濃度が増加しているか否かを判断することができる。   Specifically, since the specific flammability of hydrocarbons is lower than the specific flammability of hydrogen, when the concentration of hydrocarbons relative to hydrogen in the anode offgas increases, the specific flammability of the anode offgas decreases. Thereby, the combustion in the combustion chamber 52 becomes unstable, and the oxygen concentration in the exhaust gas varies. On the other hand, when the hydrocarbon concentration with respect to hydrogen in the anode off gas decreases, the specific combustibility of the anode off gas improves. Thereby, the combustion in the combustion chamber 52 is stabilized, and the fluctuation of the oxygen concentration in the exhaust gas is suppressed. From the above, based on the detection result of the oxygen sensor 70, it can be determined whether or not the hydrocarbon concentration in the anode off-gas is increasing.

さらに、炭化水素の燃焼限界混合比(メタンの場合、約2.5)が水素の燃焼限界混合比(約10)よりも大きいことから、燃焼室52における空気過剰率λを増加させることによって、燃焼状態の変動量を大きくすることができる。したがって、空気過剰率λを増加させることによって、燃焼状態の検出精度が向上する。なお、アノード原料供給部20からのアノード原料供給量およびカソードエア供給部40からのカソードエア供給量を制御することによって、空気過剰率λを制御することができる。   Further, since the hydrocarbon combustion limit mixing ratio (about 2.5 in the case of methane) is larger than the hydrogen combustion limit mixing ratio (about 10), by increasing the excess air ratio λ in the combustion chamber 52, The amount of fluctuation in the combustion state can be increased. Therefore, the detection accuracy of the combustion state is improved by increasing the excess air ratio λ. The excess air ratio λ can be controlled by controlling the anode material supply amount from the anode material supply unit 20 and the cathode air supply amount from the cathode air supply unit 40.

本実施例においては、燃料電池60が劣化していると判定された場合、報知装置90は、制御部10の指示に従って、ユーザに警報等を報知する。それにより、ユーザ等は、燃料電池60の検査等を実施することができる。以下、燃料電池60の状態を検知するための具体的な制御について説明する。   In this embodiment, when it is determined that the fuel cell 60 has deteriorated, the notification device 90 notifies the user of an alarm or the like according to the instruction of the control unit 10. Thereby, the user or the like can inspect the fuel cell 60 or the like. Hereinafter, specific control for detecting the state of the fuel cell 60 will be described.

図4(a)は、酸素濃度変動を取得するために実行されるフローチャートの一例を示す図である。図4(a)のフローチャートは、周期的(例えば100msごと)に実行される。図4(a)に示すように、制御部10は、酸素センサ70の検出結果に基づいて、燃焼室52からの排気ガス中の酸素濃度CNC_O2を計測する(ステップS1)。次に、制御部10は、カウンタNに「1」を足し合わせる(ステップS2)。 FIG. 4A is a diagram illustrating an example of a flowchart executed to acquire oxygen concentration fluctuations. The flowchart of FIG. 4A is executed periodically (for example, every 100 ms). As shown in FIG. 4A, the control unit 10 measures the oxygen concentration CNC_O 2 in the exhaust gas from the combustion chamber 52 based on the detection result of the oxygen sensor 70 (step S1). Next, the control unit 10 adds “1” to the counter N (step S2).

次に、制御部10は、カウンタNが算出データ数N_ref(例えば「120」)未満であるか否かを判定する(ステップS3)。ステップS3においてカウンタNが算出データ数N_ref未満であると判定された場合、制御部10は、フローチャートの実行を終了する。それにより、酸素濃度CNC_O2が「N_ref」回計測される。ステップS3においてカウンタNが算出データ数N_ref未満であると判定されなかった場合、制御部10は、「N_ref」個の酸素濃度CNC_O2から酸素濃度変動σ_O2を算出して記憶する(ステップS4)。なお、酸素濃度変動σ_O2は、「N_ref」個の酸素濃度CNC_O2から算出される標準偏差である。 Next, the control unit 10 determines whether or not the counter N is less than the calculated data number N_ref (for example, “120”) (step S3). When it is determined in step S3 that the counter N is less than the calculated data number N_ref, the control unit 10 ends the execution of the flowchart. Thereby, the oxygen concentration CNC_O 2 is measured “N_ref” times. When it is not determined in step S3 that the counter N is less than the calculated data number N_ref, the control unit 10 calculates and stores the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 from “N_ref” oxygen concentrations CNC_O 2 (step S4). . The oxygen concentration fluctuation σ_O 2 is a standard deviation calculated from “N_ref” oxygen concentrations CNC_O 2 .

図4(b)は、図4(a)のフローチャートにおいて記憶した酸素濃度変動σ_O2を用いて燃料電池60の劣化を判定する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図4(b)に示すように、制御部10は、酸素濃度変動σ_O2が許容上限σ_O2_ref(例えば「0.2」)を上回っているか否かを判定する(ステップS11)。許容上限σ_O2_refは、燃焼室52における燃焼状態の変動を判定するためのしきい値である。 FIG. 4B is a diagram illustrating an example of a flowchart executed when the deterioration of the fuel cell 60 is determined using the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 stored in the flowchart of FIG. As shown in FIG. 4B, the control unit 10 determines whether or not the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 exceeds the allowable upper limit σ_O 2 _ref (for example, “0.2”) (step S11). The allowable upper limit σ_O 2 _ref is a threshold value for determining a change in the combustion state in the combustion chamber 52.

ステップS11において酸素濃度変動σ_O2が許容上限σ_O2_refを上回っていると判定されなかった場合、制御部10は、空気過剰率λが過剰率上限λ_max(例えば「8」)を上回っているか否かを判定する(ステップS12)。ここで、過剰率上限λ_maxは、燃焼室52において許容される空気過剰率の最大値である。 If it is not determined in step S11 that the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 exceeds the allowable upper limit σ_O 2 _ref, the control unit 10 determines whether or not the excess air ratio λ exceeds the excess ratio upper limit λ_max (for example, “8”). Is determined (step S12). Here, the excess ratio upper limit λ_max is the maximum value of the excess air ratio allowed in the combustion chamber 52.

ステップS12において空気過剰率λが過剰率上限λ_maxを上回っていると判定された場合、制御部10は、フローチャートの実行を終了する。ステップS12において空気過剰率λが過剰率上限λ_maxを上回っていると判定されなかった場合、制御部10は、空気過剰率λを「0.1」大きくする(ステップS13)。なお、ステップS13が繰り返されることによって、空気過剰率λが除増する。それにより、酸素濃度変動σ_O2の検出精度が向上する。 When it is determined in step S12 that the excess air ratio λ exceeds the excess ratio upper limit λ_max, the control unit 10 ends the execution of the flowchart. If it is not determined in step S12 that the excess air ratio λ exceeds the excess ratio upper limit λ_max, the control unit 10 increases the excess air ratio λ by “0.1” (step S13). Note that the air excess ratio λ is increased or decreased by repeating step S13. Thereby, the detection accuracy of the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 is improved.

ステップS11において酸素濃度変動σ_O2が許容上限σ_O2_refを上回っていると判定された場合、制御部10は、空気過剰率λを通常制御値λ_bse(例えば「2.5」)に制御する(ステップS14)。通常制御値λ_bseは、燃料電池60の通常発電時に制御される空気過剰率である。 When it is determined in step S11 that the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 exceeds the allowable upper limit σ_O 2 _ref, the control unit 10 controls the excess air ratio λ to the normal control value λ_bse (eg, “2.5”) ( Step S14). The normal control value λ_bse is an excess air ratio that is controlled during normal power generation of the fuel cell 60.

次に、制御部10は、酸素濃度変動σ_O2に応じた制御値を選択する(ステップS15)。例えば、制御部10は、燃焼室52における燃焼を安定化させるための制御を行う。具体的には、制御部10は、アノード原料供給部20からのアノード原料供給量を増加させる制御を行う。 Next, the control unit 10 selects a control value corresponding to the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 (step S15). For example, the control unit 10 performs control for stabilizing combustion in the combustion chamber 52. Specifically, the control unit 10 performs control to increase the anode material supply amount from the anode material supply unit 20.

次に、制御部10は、酸素濃度変動σ_O2が警告判定値σ_O2_max(例えば「0.5」)を上回るか否かを判定する(ステップS16)。警告判定値σ_O2_maxは、燃料電池60が劣化しているか否かを判定するためのしきい値である。ステップS16において酸素濃度変動σ_O2が警告判定値σ_O2_maxを上回ると判定された場合、制御部10は、警報を表示するように報知装置90を制御する(ステップS16)。その後、制御部10は、フローチャートの実行を終了する。また、ステップS16において酸素濃度変動σ_O2が警告判定値σ_O2_maxを上回ると判定されなかった場合、制御部10は、フローチャートの実行を終了する。 Next, the control unit 10 determines whether or not the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 exceeds a warning determination value σ_O 2 _max (for example, “0.5”) (step S16). The warning determination value σ_O 2 — max is a threshold value for determining whether or not the fuel cell 60 has deteriorated. If the oxygen concentration variation Shiguma_O 2 is determined to exceed the warning judgment value σ_O 2 _max In step S16, the control unit 10 controls the notifying unit 90 to display an alarm (step S16). Thereafter, the control unit 10 ends the execution of the flowchart. If it is not determined in step S16 that the oxygen concentration variation σ_O 2 exceeds the warning determination value σ_O 2 _max, the control unit 10 ends the flowchart.

図4(a)および図4(b)のフローチャートに従えば、酸素センサ70を用いて燃焼室52における燃焼変動を検知することができる。それにより、燃料電池60の劣化を検知することができる。   According to the flowcharts of FIGS. 4A and 4B, it is possible to detect combustion fluctuations in the combustion chamber 52 using the oxygen sensor 70. Thereby, deterioration of the fuel cell 60 can be detected.

なお、空気過剰率λを除増させる場合、空気過剰率λの増加に対して酸素濃度変動σ_O2が大きいほど、燃料電池60の劣化がより進行していると判断することができる。この場合、燃料電池60の劣化を定量的に判断することができる。 When the excess air ratio λ is increased or decreased, it can be determined that the deterioration of the fuel cell 60 is more advanced as the oxygen concentration fluctuation σ_O 2 is larger than the increase in the excess air ratio λ. In this case, deterioration of the fuel cell 60 can be determined quantitatively.

本実施例においては、制御部10が判定部として機能し、カソードエア供給部40が空気過剰率制御手段として機能する。   In the present embodiment, the control unit 10 functions as a determination unit, and the cathode air supply unit 40 functions as an excess air ratio control unit.

10 制御部
20 アノード原料供給部
30 改質水供給部
31 改質水タンク
32 改質水ポンプ
40 カソードエア供給部
50 改質器
51 改質部
52 燃焼室
60 燃料電池
61 カソード
62 アノード
63 電解質
70 酸素センサ
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Control part 20 Anode raw material supply part 30 Reformed water supply part 31 Reformed water tank 32 Reformed water pump 40 Cathode air supply part 50 Reformer 51 Reformer 52 Combustion chamber 60 Fuel cell 61 Cathode 62 Anode 63 Electrolyte 70 Oxygen sensor 100 Fuel cell system

Claims (12)

炭化水素から水素を生成する改質部と、
前記改質部において生成された水素を燃料として発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサの検出結果から得られる前記排気ガス中の酸素濃度の変動に基づいて、前記燃料電池の劣化を判定する判定部と、
前記燃焼室における空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、を備え、
前記空気過剰率制御手段は、前記判定部が前記排気ガス中の酸素濃度の変動を取得する際に、前記空気過剰率を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
A reformer that produces hydrogen from hydrocarbons;
A fuel cell for generating electricity using the hydrogen produced in the reforming section, and
An oxygen sensor for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas from the combustion chamber for burning the anode off-gas of the fuel cell;
A determination unit that determines deterioration of the fuel cell based on a change in oxygen concentration in the exhaust gas obtained from a detection result of the oxygen sensor;
An excess air ratio control means for controlling an excess air ratio in the combustion chamber,
The excess air ratio control means increases the excess air ratio when the determination unit acquires a change in oxygen concentration in the exhaust gas .
前記判定部は、前記燃焼室における空気過剰率の増加に対して前記排気ガス中の酸素濃度の変動が大きいほど、前記燃料電池の劣化が大であると判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。 The determination unit, according to claim 1 larger the variation in the oxygen concentration in the exhaust gas with an increase in the excess air ratio in the combustion chamber, deterioration of the fuel cell and judging that the large The fuel cell system described . 前記燃料電池が劣化していると前記判定部によって判定された場合に、ユーザに前記燃料電池の劣化を報知する報知装置をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1 , further comprising a notification device that notifies the user of the deterioration of the fuel cell when the determination unit determines that the fuel cell is deteriorated. 4. . 前記酸素濃度の変動は、所定期間に前記酸素センサによって検出された複数の検出値から算出される標準偏差であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the fluctuation of the oxygen concentration is a standard deviation calculated from a plurality of detection values detected by the oxygen sensor during a predetermined period. 前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 , wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 前記燃料電池のアノードは、ニッケルを含むことを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5 , wherein the anode of the fuel cell contains nickel. 改質部において炭化水素から生成された水素を燃料として発電する燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出ステップと、
前記酸素濃度検出ステップにおいて得られる前記排気ガス中の酸素濃度の変動に基づいて、前記燃料電池の劣化を判定する判定ステップと、
前記判定ステップにおいて前記排気ガス中の酸素濃度の変動を取得する際に、前記空気過剰率を増加させる空気過剰率増加ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の状態検知方法。
An oxygen concentration detection step for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas from the combustion chamber for burning the anode off-gas of a fuel cell that generates electricity using hydrogen generated from hydrocarbons as fuel in the reforming section;
A determination step of determining deterioration of the fuel cell based on a change in oxygen concentration in the exhaust gas obtained in the oxygen concentration detection step;
A method for detecting a state of a fuel cell, comprising: an excess air ratio increasing step for increasing the excess air ratio when acquiring a change in oxygen concentration in the exhaust gas in the determination step .
前記判定ステップにおいて、前記燃焼室における空気過剰率の増加に対して前記排気ガス中の酸素濃度の変動が大きいほど、前記燃料電池の劣化が大であると判定することを特徴とする請求項7記載の燃料電池の状態検知方法。 In the determination step, according to claim 7 larger the variation in the oxygen concentration in the exhaust gas with an increase in the excess air ratio in the combustion chamber, deterioration of the fuel cell and judging that the large The state detection method of the fuel cell as described . 前記燃料電池が劣化していると前記判定部によって判定された場合に、ユーザに前記燃料電池の劣化を報知する報知ステップをさらに含むことを特徴とする請求項7または8に記載の燃料電池の状態検知方法。 The fuel cell according to claim 7 , further comprising a notification step of notifying the user of the deterioration of the fuel cell when the determination unit determines that the fuel cell is deteriorated. State detection method. 前記酸素濃度の変動は、所定期間に前記酸素センサによって検出された複数の検出値から算出される標準偏差であることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の燃料電池の状態検知方法。 The state detection of a fuel cell according to any one of claims 7 to 9 , wherein the fluctuation of the oxygen concentration is a standard deviation calculated from a plurality of detection values detected by the oxygen sensor during a predetermined period. Method. 前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項7〜10のいずれかに記載の燃料電池の状態検知方法。 The fuel cell state detection method according to claim 7, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 前記燃料電池のアノードは、ニッケルを含むことを特徴とする請求項11記載の燃料電池の状態検知方法。 The method of claim 11 , wherein the anode of the fuel cell contains nickel.
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