JP5986236B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Description
前記セルスタックの第1の部位間の電圧を検出するための第1電圧検出手段と、前記セルスタックの第2の部位間の電圧を検出するための第2電圧検出手段とを備え、前記制御手段は、前記セルスタックの劣化状態を判定するための劣化判定手段及び運転モードを切り換えるためのモード切換手段を含んでおり、
前記制御手段は、システムの起動時に劣化判定モードの制御を行い、前記劣化判定モードの制御においては、前記第1電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第1の部位間の第1開回路電圧を検出し、前記第2電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第2の部位間の第2開回路電圧を検出し、前記劣化判定手段は、前記第1及び第2の部位間の前記第1及び第2開回路電圧の電圧差又は電圧比に基づいて前記セルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定し、
前記劣化判定手段が劣化状態であると判定すると、前記モード切換手段は劣化モードの運転に切り換え、前記劣化モードの運転において、前記制御手段は前記セルスタックにおける燃料利用率が下がるようにシステムを運転制御することを特徴とする。
このような劣化判定モードの制御は、システムの起動時に行い、この劣化判定モードにおいてセルスタックの劣化状態を診断するので、セルスタックの第1及び第2の部位の第1及び第2開回路電圧を検出してセルスタックの劣化状態を容易に判定することができる。
また、この劣化判定モードの制御において、劣化判定手段がセルスタックが局部的に劣化状態であると判定すると、モード切換手段は劣化モードを設定し、劣化モードの稼動運転が行われる。この劣化モードにおいては、セルスタックにおける燃料利用率が下がるようにシステムの稼働運転が行われる。この燃料利用率とは、燃料ガス(アノードガス)に含まれる価電子の供給速度に対して、どれだけの発電電流として取り出しているかの割合である。
固体酸化物形燃料電池システムでは、投入した燃料ガスの全てをセルスタックで電気的エネルギーに変換するものではなく、意図的に余剰の燃料ガスを残し、この余剰の燃料ガスを燃焼させて改質器(改質触媒)における改質熱、改質水を水蒸気に気化する気化熱に利用し、またセルスタックを動作温度に維持するための熱に利用している。この燃料利用率を高くすると発電効率が高くなることが期待できるが、一方において作動温度の低下により内部抵抗が増大したり、燃料電池セル間への燃料分配の差が生じて一部の燃料電池セルに供給不良を生じるおそれがある。この燃料利用率は70〜75%程度に設定されており、ガスシール性が低下した状態において燃料利用率を一定のまま維持すると急速に燃料電池セルの劣化が進むおそれがあるが、ガスシール性の劣化したときに劣化モードに切り換えて燃料利用率を下げる、例えば65〜70%に下げる動作を行うことで、急激な燃料電池セルの劣化を抑えながら延命運転を継続することができる。また、この燃料利用率を下げることにより余剰燃料ガスの燃焼熱量が大きくなるが、コージェネレーションシステムと組み合わせることにより、この燃焼熱量を温水として貯えることができ、システム全体を考えたときに省エネ性の大きな低下も生じることはない。
図1〜図4を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、改質器4及びセルスタック6を備えている。改質器4は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、原燃料ガスが後述するようにして水蒸気改質される。原燃料ガスとしては、天然ガス(例えば、都市ガス)などが用いられる。
次に、図6及び図7を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの参考実施形態について説明する。この参考実施形態では、燃料電池セルスタックの第1及び第2の部位間の開回路電圧を直接的に検出するのではなく、発電中に発電電流を低い側に挿引制御して得られる電流−電圧特性(I−V特性)を利用して仮想開回路電圧を求め、この仮想開回路電圧を用いてセルスタック6の局部的な劣化状態を診断している。尚、参考実施形態において、上述した実施形態と同様のものには同一の番号を付し、その説明を省略する。
V=〔V100+(V100−VX)X100〕/(100−X)
として算出することができる。
4 改質器
6 セルスタック
8 燃料電池セル
52 第1温度検出手段
54 第2温度検出手段
56 温度検出手段
58 電流検出手段
60,60A 制御手段
64 電圧差演算手段
66 劣化判定手段
68 モード切換手段
82 劣化判定モード切換手段
84 仮想開回路電圧演算手段
Claims (2)
- 原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ポンプと、前記セルスタックに酸化材を供給するための酸化材ブロアと、前記燃料ポンプ及び前記酸化材ブロアを制御するための制御手段とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記セルスタックの第1の部位間の電圧を検出するための第1電圧検出手段と、前記セルスタックの第2の部位間の電圧を検出するための第2電圧検出手段とを備え、前記制御手段は、前記セルスタックの劣化状態を判定するための劣化判定手段及び運転モードを切り換えるためのモード切換手段を含んでおり、
前記制御手段は、システムの起動時に劣化判定モードの制御を行い、前記劣化判定モードの制御においては、前記第1電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第1の部位間の第1開回路電圧を検出し、前記第2電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第2の部位間の第2開回路電圧を検出し、前記劣化判定手段は、前記第1及び第2の部位間の前記第1及び第2開回路電圧の電圧差又は電圧比に基づいて前記セルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定し、
前記劣化判定手段が劣化状態であると判定すると、前記モード切換手段は劣化モードの運転に切り換え、前記劣化モードの運転において、前記制御手段は前記セルスタックにおける燃料利用率が下がるようにシステムを運転制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記セルスタックの三つ以上の部位の各々に対応して電圧検出手段が設けられ、各電圧検出手段は対応する部位間の電圧を検出し、前記制御手段の前記劣化判定手段は、前記電圧検出手段の検出電圧を利用して前記セルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定することを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
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