JP5963840B2 - 混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いた固体電解質燃料電池スタックを作動する方法および装置 - Google Patents
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Description
具体的には、本願の出願当初の請求項11に記載の如く、混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いた固体電解質燃料電池スタックのための制御システムであって、前記スタックの要求された電力出力を判定する手段と、前記要求された電力出力に応じてスタックの少なくとも一つの作動条件を制御するコントローラと、を含むことを特徴とする。
好ましくは、本願の出願当初の請求項12に記載の如く、前記コントローラが、前記スタックの温度および前記スタックに供給される燃料の希釈の少なくとも一方を制御するように構成される。
更に好ましくは、本願の出願当初の請求項13に記載の如く、前記要求された電力出力が減少していると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記スタックの温度を下げ、前記要求された電力出力が上がっていると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記スタックの温度を上げる。
また好ましくは、本願の出願当初の請求項19に記載の如く、前記要求された電力出力が減少していると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記燃料電池スタックに供給される燃料の希釈率を上げ、前記要求された電力出力が上がっていると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記燃料電池スタックに供給される燃料の希釈率を下げる。
本発明の上記第2の特徴によれば、混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いた燃料電池スタックに制御システムを設けてよい。
以下、部分負荷条件下での短絡電流を最小化し、よってその全ての作動範囲にわたり燃料電池の効率を最大化するための二つの方法について説明する。
方法1
図1は、通常の最大特別電力出力が0.2Wcm−2のCGO系燃料電池のコンピューターシミュレーションの結果を示す。エネルギー変換効率が、500℃〜600℃の各作動温度範囲において電力密度に対して描画されている。エネルギー変換効率は、燃料変換率100%と仮定したときの消費された水素燃料の化学的エネルギーで電力出力を除した商として定義される。現実には100%の燃料変換率は不可能なので、上記の値はこの電池の理論的最大効率であって実際の効率ではない。しかし、実際の傾向も同様のパターンに従うと考えられる。
方法2
図2は、通常の最大電力密度が0.4Wcm−2のCGO系電池の別のコンピューターシミュレーションの結果を示す。この場合、温度は570℃で一定に保たれ、水素燃料をスチームで希釈する希釈率が変えられた。
しかし、例えばスチーム、窒素および/または二酸化炭素を別のソースから供給することにより陽極の燃料ガスを希釈する任意の方法も本発明の範囲内である。
1)スタックに供給される空気量を変える
2)スタックに供給される空気の温度を変える
3)スタックに導入される未改質の炭化水素燃料の濃度を、内的な改質が起こると仮定して変化させる
4)スタックに導入される燃料の温度を変える
システムには、コントロールユニット100に基づくマイクロプロセッサーが設けられる。マイクロプロセッサーは、入力101を介してスタック電流を、入力102を介してスタック温度を測定する。マイクロプロセッサーは、また、システムに導入される空気のマスフローをマスフローセンサ94および入力104を介して測定する。コントロールユニットは、モーターコントローラ93および出力103によって空気ブロワ91を制御する。このようにして、コントローラはスタックへの空気の流れを制御できる。コントローラユニット100は、また、出力105によって水供給ポンプ61も制御する。このようにして、改質装置内の燃料に対するスチーム比も変えることができる。
(請求項1)
混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いて固体電解質燃料電池スタックを作動する方法であって、
固体電解質燃料電池スタックの要求された電力出力を判定すること、
該判定された電力出力に応じて固体電解質燃料電池スタックの少なくとも一つの作動条件を制御すること、を含むことを特徴とする方法。
(請求項2)
制御される前記固体電解質燃料電池スタックの作動条件は、該燃料電池スタックの温度および該燃料電池スタックに供給される燃料の希釈の少なくとも一方である、請求項1に記載の方法。
(請求項3)
前記固体電解質燃料電池スタックの電力出力が下がると前記燃料電池スタックの温度が下がり、前記固体電解質燃料電池の電力出力が上がると前記燃料電池スタックの温度が上昇する、請求項2に記載の方法。
(請求項4)
前記燃料電池スタックの温度が650゜C以下に維持される、請求項2または3に記載の方法。
(請求項5)
前記燃料電池スタックの温度が600゜C以下に維持される、請求項4に記載の方法。
(請求項6)
前記燃料電池スタックに供給される燃料が、所定量のスチーム、二酸化炭素、窒素、もしくは二酸化炭素および/または窒素およびスチームを含む混合物で希釈される、請求項2から5のいずれかに記載の方法。
(請求項7)
前記燃料電池スタックに供給される燃料が、前記燃料電池の陽極側からの再利用された排ガスの比率を変えて希釈される、請求項2から5のいずれかに記載の方法。
(請求項8)
前記固体電解質燃料電池スタックの電力出力が下がると前記燃料電池スタックへ供給される燃料の希釈率が増加し、前記固体電解質燃料電池の電力出力が上がると前記燃料電池スタックへ供給される燃料の希釈率が低下する、請求項2から7のいずれかに記載の方法。
(請求項9)
ガドリニウムをドープした酸化セリウムを含む電解質を用いた固体電解質燃料電池に適用される、請求項1から8のいずれかに記載の方法。
(請求項10)
添付の図面を参照して本件明細書中に実質的に記載された方法。
(請求項11)
混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いた固体電解質燃料電池スタックのための制御システムであって、
前記スタックの要求された電力出力を判定する手段と、
前記要求された電力出力に応じてスタックの少なくとも一つの作動条件を制御するコントローラと、を含むことを特徴とする制御システム。
(請求項12)
前記コントローラが、前記スタックの温度および前記スタックに供給される燃料の希釈の少なくとも一方を制御するように構成された、請求項11に記載の制御システム。
(請求項13)
前記要求された電力出力が減少していると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記スタックの温度を下げ、前記要求された電力出力が上がっていると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記スタックの温度を上げる、請求項12に記載の制御システム。
(請求項14)
前記判定手段が前記スタックからの電力出力をモニタする、請求項11から13のいずれかに記載の制御システム。
(請求項15)
前記コントローラが前記スタックの温度を650゜C以下に維持する、請求項11から14のいずれかに記載の制御システム。
(請求項16)
前記コントローラが前記スタックの温度を600゜C以下に維持する、請求項15に記載の制御システム。
(請求項17)
前記コントローラは、前記燃料電池スタックに供給される燃料が所定量のスチーム、二酸化炭素、窒素、もしくは二酸化炭素および/または窒素およびスチームを含む混合物で希釈されるように制御する、請求項11から16のいずれかに記載の制御システム。
(請求項18)
前記コントローラは、前記燃料電池スタックに供給される燃料が前記燃料電池スタックの陽極側からの再利用された排ガスの比率を変えて希釈されるように制御する、請求項11から17のいずれかに記載の制御システム。
(請求項19)
前記要求された電力出力が減少していると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記燃料電池スタックに供給される燃料の希釈率を上げ、前記要求された電力出力が上がっていると前記判定手段が判定した結果として前記コントローラが前記燃料電池スタックに供給される燃料の希釈率を下げる、請求項11から18に記載の制御システム。
(請求項20)
添付の図面を参照して本件明細書中に実質的に記載された制御システム。
(請求項21)
請求項11から20のいずれかに記載の制御システムを含む、混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いた燃料電池スタック。
(請求項22)
添付の図面を参照して本件明細書中に実質的に記載された燃料電池スタック。
Claims (11)
- 混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いて固体電解質燃料電池スタック(10、30)を作動する方法であって、
固体電解質燃料電池スタック(10、30)の要求された電力出力を測定すること、
該測定された電力出力に応じてコントローラ(100)が固体電解質燃料電池スタック(10、30)の少なくとも一つの作動条件を制御すること、を含み、
制御される前記固体電解質燃料電池スタック(10、30)の作動条件は、該燃料電池スタックの温度および該燃料電池スタックに供給される燃料の希釈の少なくとも一方により制御され、
前記固体電解質燃料電池スタック(10、30)の要求された電力出力が下がると前記コントローラ(100)が前記燃料電池スタックの温度を下げ、前記固体電解質燃料電池の要求された電力出力が上がると前記コントローラ(100)が前記燃料電池スタックの温度を上げ、
前記固体電解質燃料電池スタック(10、30)の電力出力が下がると前記コントローラ(100)が前記燃料電池スタックへ供給される燃料の希釈率を上げ、前記固体電解質燃料電池スタックの電力出力が上がると前記コントローラ(100)が前記燃料電池スタックへ供給される燃料の希釈率を下げ、
前記燃料電池スタックに供給される燃料が、二酸化炭素、窒素、もしくは二酸化炭素および/または窒素およびスチームを含む混合物で希釈される、方法。
る、方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記燃料電池スタックの温度が650℃以下に維持される、方法。
- 請求項2に記載の方法において、前記燃料電池スタックの温度が600℃以下に維持される、方法。
- 請求項1から3のいずれかに記載の方法において、前記燃料電池スタックに供給される燃料が、前記燃料電池の陽極側からの再利用された排ガスの比率を変えて希釈される、方法。
- 請求項1から4のいずれかに記載の方法において、ガドリニウムをドープした酸化セリウムを含む電解質を用いた固体電解質燃料電池に適用される、方法。
- 混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いた固体電解質燃料電池スタック(10、30)のための制御システムであって、
前記スタックの要求された電力出力を測定する手段と、
前記要求された電力出力に応じてスタックの少なくとも一つの作動条件を制御するコントローラ(100)と、を含み、
前記コントローラ(100)が、前記スタックの温度および前記スタックに供給される燃料の希釈率の少なくとも一方を制御するように構成され、
前記要求された電力出力が減少したことを前記測定手段が測定した結果として前記コントローラ(100)が前記スタックの温度を下げるように構成され、前記要求された電力出力が上がったことを前記測定手段が測定した結果として前記コントローラ(100)が前記スタックの温度を上げるように構成され、前記要求された電力出力が減少したことを前記測定手段が測定した結果として前記コントローラ(100)が前記燃料電池スタックに供給される燃料の希釈率を上げ、前記要求された電力出力が上がったことを前記測定手段が測定した結果として前記コントローラ(100)が前記燃料電池スタックに供給される燃料の希釈率を下げるよう構成され、
前記コントローラ(100)は、前記燃料電池スタックに供給される燃料が、二酸化炭素、窒素、もしくは二酸化炭素および/または窒素およびスチームを含む混合物で希釈されるように制御するように構成された、制御システム。 - 請求項6に記載の制御システムにおいて、前記測定手段が前記スタックからの電力出力をモニタするように構成された、制御システム。
- 請求項6又は7に記載の制御システムにおいて、前記コントローラ(100)が前記スタックの温度を650℃以下に維持するように構成された、制御システム。
- 請求項8に記載の制御システムにおいて、前記コントローラ(100)が前記スタックの温度を600℃以下に維持するように構成された、制御システム。
- 請求項6から9のいずれかに記載の制御システムにおいて、前記コントローラ(100)は、前記燃料電池スタックに供給される燃料が前記燃料電池スタックの陽極側からの再利用された排ガスの比率を変えて希釈されるように制御するように構成された、制御システム。
- 請求項6から10のいずれかに記載の制御システムに接続された、混合されたイオン/電子伝導性電解質を用いた燃料電池スタック。
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