JP6394866B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Description
図1(A)に示す燃料電池システムは、複数の単セルを積層してなる燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1に燃料ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池スタック1に空気を供給する空気供給系と、これらを制御する制御装置2を備えている。燃料電池スタック1には、モーター等の外部負荷Eと、バッテリーBが接続してある。
図5(A)に示す燃料電池システムは、第1実施形態と同等の基本構成を備えたものであるが、空気極の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段が、燃焼器13の排気ガスを空気供給系側に還流させる還流経路19と、空気供給系に対して還流経路19を開閉する還流バルブ20とを備えている。還流流路19は、第1実施形態の排出管(18)、すなわち燃焼器13の排気管16に設けた三方弁17から、予熱器10を経て外部に到る排出管(18)を利用したものである。そして、還流流路19は、予熱器10の下流側に、空気供給系の空気供給配管7との間を開閉する還流バルブ(三方弁)20を備えている。
図6(A)に示す燃料電池システムは、第1実施形態と同等の基本構成を備えたものであるが、空気極の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段が、空気供給系に希釈ガスを供給する希釈ガス供給装置21を備えている。希釈ガス供給装置21は、希釈ガスボンベ22と、希釈ガスボンベ22から空気供給配管7に到る希釈ガス配管23と、希釈ガス配管23の中間を開閉する開閉バルブ24を備えている。希釈ガスは、とくに限定されないが、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスであることがより望ましい。
図7(A)に示す燃料電池システムは、第1実施形態(図1参照)に示すものと同様であり、空気極の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段として、空気供給系に配置され且つ燃料電池スタック1への空気の供給量を調整する調整バルブ8を備えている。
図8(A)に示す燃料電池システムは、第2実施形態と同等の基本構成を備えたものであり、空気極の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段が、燃焼器13の排気ガスを空気供給系側に還流させる還流経路19と、空気供給系に対して還流経路19を開閉する還流バルブ20とを備えている。
図9(A)に示す燃料電池システムは、第3実施形態と同等の基本構成を備えたものであるが、空気極の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段が、空気供給系に希釈ガスを供給する希釈ガス供給装置21を備えている。希釈ガス供給装置21は、希釈ガスボンベ22と、希釈ガスボンベ22から空気供給配管7に到る希釈ガス配管23と、希釈ガス配管23の中間を開閉する開閉バルブ24を備えている。
2 制御装置
8 調整バルブ(酸素分圧調整手段)
13 燃焼器
19 還流経路
20 還流バルブ(酸素分圧調整手段)
21 希釈ガス供給装置(酸素分圧調整手段)
P 酸素分圧計測手段
T 電池温度計測手段
Claims (13)
- 固体電解質層を燃料極と空気極とで挟んだ構造を有する単セルを積層して成る燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給系と、これらを制御する制御装置とを備えた燃料電池システムであって、
空気極の酸素分圧を計測する酸素分圧計測手段と、
燃料電池スタックの温度を計測する電池温度計測手段と、
空気極の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段とを備え、
制御装置が、相対的に高温である第1温度と相対的に低温である第2温度との間で運転温度を昇降させる際に、降温では、燃料電池スタックを冷却してから、空気極の酸素分圧を定格運転時の酸素分圧よりも低減させるように酸素分圧調整手段を制御する機能と、昇温では、制御開始とともに空気極の酸素分圧を定格運転時の酸素分圧よりも低減させるように酸素分圧調整手段を制御する機能と、低減させた空気極の酸素分圧が設定値か否かを判断する機能と、空気極の酸素分圧が設定値である場合に燃料電池スタックの温度が所定値か否かを判断する機能とを有すること特徴とする燃料電池システム。 - 酸素分圧調整手段が、空気供給系に配置され且つ燃料電池スタックへの空気の供給量を調整する調整バルブを備えていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池スタックから排出された排出燃料ガス及び排出空気を混合燃焼させる燃焼器を備え、
酸素分圧調整手段が、燃焼器の排気ガスを空気供給系側に還流させる還流経路と、空気供給系に対して還流経路を開閉する還流バルブとを備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 酸素分圧調整手段が、空気供給系に希釈ガスを供給する希釈ガス供給装置を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの運転温度を相対的に高温である第1温度から相対的に低温である第2温度に降温させるに際し、
S1.温度移行を決定する工程と、
S2.燃料電池スタックを降温させる工程と、
S3.空気極の酸素分圧を設定する工程と、
S4.空気極の酸素分圧を定格運転時の酸素分圧よりも低減する工程と、
S5.空気極の酸素分圧が設定値か否かを判断する工程と、
S6.燃料電池スタックの温度を計測する工程と、
S7.燃料電池スタックの温度が所定値か否かを判断する工程とを順に備え、
燃料電池スタックの温度が所定値に到るまで上記S2〜S7の工程を繰り返すことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの運転温度を相対的に高温である第1温度から相対的に低温である第2温度に降温させるに際し、
S1.温度移行を決定する工程と、
S2.燃料電池スタックを降温させる工程と、
S3.空気極の酸素分圧を設定する工程と、
S4.空気極の酸素分圧を定格運転時の酸素分圧よりも低減する工程と、
S5.空気極の酸素分圧が設定値か否かを判断する工程と、
S5a.燃料電池スタックの降温を継続する工程と、
S6.燃料電池スタックの温度を計測する工程と、
S7.燃料電池スタックの温度が所定値か否かを判断する工程とを順に備え、
燃料電池スタックの温度が所定値に到るまで上記S5a〜S7の工程を繰り返すことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの運転温度を相対的に低温である第2温度から相対的に高温である第1温度に昇温させるに際し、
S11.温度移行を決定する工程と、
S12.空気極の酸素分圧を設定する工程と、
S13.空気極の酸素分圧を定格運転時の酸素分圧よりも低減する工程と、
S14.空気極の酸素分圧が設定値か否かを判断する工程と、
S15.燃料電池スタックを昇温する工程と、
S16.燃料電池スタックの温度を計測する工程と、
S17.燃料電池スタックの温度が所定値か否かを判断する工程とを順に備え、
燃料電池スタックの温度が所定値に到るまで上記S12〜S17の工程を繰り返すことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの運転温度を相対的に低温である第2温度から相対的に高温である第1温度に昇温させるに際し、
S11.温度移行を決定する工程と、
S12.空気極の酸素分圧を設定する工程と、
S13.空気極の酸素分圧を定格運転時の酸素分圧よりも低減する工程と、
S14.空気極の酸素分圧が設定値か否かを判断する工程と、
S15.燃料電池スタックを昇温する工程と、
S16.燃料電池スタックの温度を計測する工程と、
S17.燃料電池スタックの温度が所定値か否かを判断する工程とを順に備え、
燃料電池スタックの温度が所定値に到るまで上記S15〜S17の工程を繰り返すことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 - 空気極の酸素分圧を定格運転時の酸素分圧よりも低減する工程において、空気極の酸素分圧が低減するように燃料電池スタックの出力制御を行うことを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。
- 空気極の酸素分圧を設定する工程において、空気極の酸素空孔と温度、空気極の酸素空孔と酸素分圧、酸素空孔と歪、及び酸素空孔と空気極の応力の関係の少なくとも1つを含む内部データに基づくと共に、燃料電池スタックの運転状況に応じて空気極の酸素分圧を設定することを特徴とする請求項5〜9のいずれか1項に記載の燃料電池システム運転方法。
- 空気極の酸素分圧を設定する工程において、予め規定した値を用いて空気極の酸素分圧を設定することを特徴とする請求項5〜9のいずれか1項に記載の燃料電池システム運転方法。
- 空気極の酸素分圧を設定する工程において、設定する酸素分圧の下限値が、予め実験で求めた空気極材料の導電性に基づく値であることを特徴とする請求項10又は11に記載の燃料電池システムの運転方法。
- 空気極の酸素分圧を設定する工程において、設定する酸素分圧の下限値が、燃料電池システムの運転条件の最低の酸素分圧値であることを特徴とする請求項10又は11に記載の燃料電池システムの運転方法。
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