JP6394875B2 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP6394875B2
JP6394875B2 JP2014188823A JP2014188823A JP6394875B2 JP 6394875 B2 JP6394875 B2 JP 6394875B2 JP 2014188823 A JP2014188823 A JP 2014188823A JP 2014188823 A JP2014188823 A JP 2014188823A JP 6394875 B2 JP6394875 B2 JP 6394875B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
air
temperature
increase
amount
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014188823A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016062711A (en
Inventor
岩切　保憲
保憲 岩切
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2014188823A priority Critical patent/JP6394875B2/en
Publication of JP2016062711A publication Critical patent/JP2016062711A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6394875B2 publication Critical patent/JP6394875B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

本発明は、出力要求に応じて燃料電池の温度を低下調整する機能を備えた燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system having a function of adjusting the temperature of a fuel cell to be lowered in response to an output request.

近年では、地球環境問題への関心の高まりから、燃料電池を用いた自動車の研究開発が進められている。各種燃料電池のうち、中でも効率の高い固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素の多く含まれるガスを燃料とし、酸素を酸化剤として、水素及び一酸化炭素、炭化水素との電気化学的反応で発電を行うのであるが、各種液体燃料を改質して得た改質ガスを燃料として用いるものもある。   In recent years, research and development of automobiles using fuel cells have been promoted due to increasing interest in global environmental problems. Among various types of fuel cells, the solid oxide fuel cell (SOFC), which has high efficiency, uses electrochemical gas with hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons, using gas containing a lot of hydrogen as fuel and oxygen as oxidant. Electricity is generated by reaction, but there are also fuels that use reformed gas obtained by reforming various liquid fuels.

また、固体酸化物型燃料電池は、自動車用の電源として使用する場合、定置用電池と異なって起動停止が頻繁に行なわれるので、劣化が生じ易く、発電出力の低下が車両走行性能に直接的に影響する。   Also, when used as a power source for automobiles, solid oxide fuel cells are frequently started and stopped unlike stationary batteries, so that they are liable to deteriorate and a decrease in power generation output directly affects vehicle running performance. Affects.

固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載されているように、燃料電池の性能低下で生じる温度上昇を検出し、燃料量を減少させ且つ空気量を増加させることで燃料電池の温度を低下させ、過度の温度上昇を防止して性能劣化を抑制するようにしたものがあった。   As a fuel cell system using a solid oxide fuel cell, for example, as described in Patent Document 1, a temperature increase caused by a decrease in the performance of the fuel cell is detected, the fuel amount is decreased, and the air amount is increased. As a result, the temperature of the fuel cell is lowered, and an excessive temperature rise is prevented to suppress performance deterioration.

特開２０１３−１６４９２８号公報JP 2013-164928 A

しかしながら、固体酸化物型燃料電池は、発電中において温度分布を有するので、劣化で温度上昇が生じた場合、作動上限温度に達する箇所は部分的に限られており、その温度に達した箇所を的確に測定することは構造上不可能である。仮に、多数の測定点を設けたとしても、高コストになる。また、従来の燃料電池システムのように、燃料電池の温度を低下させるための燃料量を減少させると、発電出力自体を低下させざるを得ず、車載用の場合には、意図する車両走行性能が維持できなくなるので、これらの問題点を解決することが課題となっていた。   However, since the solid oxide fuel cell has a temperature distribution during power generation, when the temperature rises due to deterioration, the place where the operation upper limit temperature is reached is partially limited, and the place where the temperature is reached is limited. It is impossible to measure accurately. Even if a large number of measurement points are provided, the cost is high. In addition, when the amount of fuel for lowering the temperature of the fuel cell is reduced as in the conventional fuel cell system, the power generation output itself is inevitably reduced. Therefore, it has been a problem to solve these problems.

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、燃料電池の性能低下等に伴う最高温度の上昇を検出し、燃料電池の運転条件を変化させ、発電出力を維持したまま燃料電池の温度を上限温度以下に抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and detects a rise in the maximum temperature accompanying a decrease in the performance of the fuel cell, changes the operating conditions of the fuel cell, and maintains the power generation output while maintaining the power generation output. It aims at providing the fuel cell system which can suppress the temperature of a battery below to upper limit temperature.

本発明に係わる燃料電池システムは、電解質層をアノード極及びカソード極で挟んだ構造を有する燃料電池と、燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給装置と、燃料電池及び空気供給装置を制御する運転制御装置を備えている。そして、燃料電池システムは、運転制御装置が、燃料電池の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段と、発電出力維持手段による同一出力の発電状態における発電電圧に基づいて燃料電池の劣化を検出する電池劣化検出手段と、電池劣化検出手段により燃料電池の劣化を検出したときにカソード極に供給する空気を増量させるように空気供給装置を制御する空気増量手段と、空気増量手段の空気増量による燃料電池の温度低下を発電電圧の低下量で判断してカソード極に供給した空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、空気増量効果確認手段による空気増量の効果の確認結果、及び空気増量手段による空気増量値に基づいて燃料電池の運転条件を再設定する運転条件設定手段とを有することを特徴としている。
A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell having a structure in which an electrolyte layer is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an air supply device that supplies air to the cathode electrode of the fuel cell, and controls the fuel cell and the air supply device. An operation control device is provided. In the fuel cell system, the operation control device detects the deterioration of the fuel cell based on the power generation output maintaining means for maintaining the power generation output of the fuel cell constant and the power generation voltage in the same power generation state by the power generation output maintaining means The battery deterioration detecting means, the air increasing means for controlling the air supply device to increase the amount of air supplied to the cathode when the deterioration of the fuel cell is detected by the battery deterioration detecting means, and the air increase of the air increasing means Air increase effect confirmation means for confirming the effect of the increase in the air supplied to the cathode electrode by judging the temperature decrease of the fuel cell by the amount of decrease in the generated voltage, the confirmation result of the effect of the air increase by the air increase effect confirmation means, and And operating condition setting means for resetting the operating condition of the fuel cell based on the air increase value by the air increasing means .

本発明に係わる燃料電池システムによれば、燃料電池の性能低下等に伴う最高温度の上昇を検出し、燃料電池の運転条件を変化させ、発電出力を維持したまま燃料電池の温度を上限温度以下に抑制することができる。これにより、燃料電池システムは、車載用に適用した場合には、燃料電池が劣化した場合でも、意図する車両走行性能を維持することが可能になる。また、燃料電池システムは、上記の電池劣化検出手段の採用により、燃料電池の劣化を簡単な構成で検出することができ、低コスト化や運転制御の高精度化に貢献することができる。さらに、燃料電池システムは、上記の空気増量効果確認手段及び運転条件設定手段の採用により、燃料電池が劣化した際に、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持することができる。
According to the fuel cell system of the present invention, an increase in the maximum temperature accompanying a decrease in the performance of the fuel cell is detected, the operating condition of the fuel cell is changed, and the temperature of the fuel cell is kept below the upper limit temperature while maintaining the power generation output. Can be suppressed. As a result, when the fuel cell system is applied to a vehicle, even if the fuel cell is deteriorated, the intended vehicle running performance can be maintained. Further, the fuel cell system can detect the deterioration of the fuel cell with a simple configuration by adopting the above-described battery deterioration detecting means, and can contribute to cost reduction and high accuracy of operation control. Further, the fuel cell system can maintain the power generation amount while suppressing the performance deterioration when the fuel cell is deteriorated by adopting the air increase effect confirmation means and the operating condition setting means.

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 燃料電池システムの発電性能劣化に伴う燃料電池温度の変化（ａ）及びガス温度の変化（ｂ）を示すグラフである。It is a graph which shows the change (a) of fuel cell temperature and the change (b) of gas temperature accompanying the power generation performance degradation of a fuel cell system. 燃料電池システムの発電性能の劣化度と燃料電池の最高温度と平均温度との関係を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the degree of degradation of power generation performance of the fuel cell system and the maximum temperature and average temperature of the fuel cell. 燃料電池システムの発電性能の劣化度と燃料電池の最高温度との関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between the degree of degradation of power generation performance of the fuel cell system and the maximum temperature of the fuel cell. 燃料電池システムの空気増量に伴う燃料電池温度の変化（ａ）及びガス温度の変化（ｂ）を示すグラフである。It is a graph which shows the change (a) of a fuel cell temperature and the change (b) of gas temperature accompanying the air increase of a fuel cell system. 燃料電池システムの発電性能の劣化度と出力電圧との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the deterioration degree of the power generation performance of a fuel cell system, and an output voltage. 燃料電池システムの発電性能の劣化度と空気増量により燃料電池の最高温度を上限温度以下に設定する際の電圧降下目標値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the voltage drop target value at the time of setting the maximum temperature of a fuel cell to below upper limit temperature by the deterioration degree of the power generation performance of a fuel cell system, and air increase. 燃料電池システムの燃料電池の発電性能劣化に伴う燃料電池温度及び出力電流グラフである。It is a fuel cell temperature and output current graph accompanying the power generation performance degradation of the fuel cell of a fuel cell system. 燃料電池システムの運転制御装置の処理工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the operation control apparatus of a fuel cell system. 第１実施形態に対してガス流れ方向を異ならせた場合の効果を説明するグラフである。It is a graph explaining the effect at the time of making a gas flow direction different with respect to 1st Embodiment. 本発明に係わる燃料電池システムの第２実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of the fuel cell system concerning this invention. 本発明に係わる燃料電池システムの第３実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 3rd Embodiment of the fuel cell system concerning this invention.

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池システム１００は、電解質層（図示略）をカソード極１１ａ及びアノード極１１ｂで挟んだ構造を有する燃料電池１１と、燃料電池１１のカソード極１１ａに空気（カソードガス：酸化剤ガス）を供給する空気供給装置としての第１空気ブロワ１２と、燃料電池１１及び第１空気ブロワ（空気供給装置）１２を制御する運転制御装置３１と備えている。なお、カソードガスは、この実施形態では空気を例示しているが、これに限定されるものではなく、酸素を含むガスであれば空気以外でも構わない。 <First Embodiment>
A fuel cell system 100 shown in FIG. 1 includes a fuel cell 11 having a structure in which an electrolyte layer (not shown) is sandwiched between a cathode electrode 11a and an anode electrode 11b, and air (cathode gas: oxidant) on the cathode electrode 11a of the fuel cell 11. A first air blower 12 as an air supply device for supplying gas), and an operation control device 31 for controlling the fuel cell 11 and the first air blower (air supply device) 12. In this embodiment, the cathode gas is exemplified by air, but the cathode gas is not limited thereto, and may be other than air as long as it contains oxygen.

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であって、上記したように、電解質層、カソード極１１ａ及びアノード極１１ｂを有している。一例として、電解質層は、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、カソード極１１ａは、ランタンストロンチュウムマンガナイトであり、アノード極１１ｂは、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットである。   The fuel cell 11 is, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC), and includes the electrolyte layer, the cathode electrode 11a, and the anode electrode 11b as described above. As an example, the electrolyte layer is 8 mol% yttria stabilized zirconia, the cathode 11a is lanthanum strontium manganite, and the anode 11b is nickel + yttria stabilized zirconia cermet.

この燃料電池１１は、カソード極１１ａに空気を供給すると共に、アノード極１１ｂに改質した燃料を供給することにより、電気化学反応により電気エネルギを発生し、その電力をモータ等の電力需要設備に供給する。また、燃料電池１１は、より具体的には、カソード極１１ａとの間に空気流路を形成するセパレータ、及びアノード極１１ｂとの間に燃料流路を形成するセパレータなどを含み、これを積層して燃料電池スタックを形成する。   The fuel cell 11 supplies air to the cathode electrode 11a and also supplies the reformed fuel to the anode electrode 11b, thereby generating electric energy by an electrochemical reaction and supplying the electric power to a power demand facility such as a motor. Supply. More specifically, the fuel cell 11 includes a separator that forms an air flow path with the cathode electrode 11a, a separator that forms a fuel flow path with the anode electrode 11b, and the like. Thus, a fuel cell stack is formed.

なお、図１には、反応用ガスの流通系を説明する都合上、燃料電池１１としてカソード極１１ａ及びアノード極１１ｂのみを示したが、燃料電池１１を燃料電池スタックに置き換えることもできる。つまり、燃料電池スタックの場合には、内部構成として、個々の燃料電池１１に空気及び燃料を流通させる流路を備えているので、外部構成としては、基本的に図１と同様の流通系が用いられる。   In FIG. 1, only the cathode electrode 11a and the anode electrode 11b are shown as the fuel cell 11 for convenience of explaining the reaction gas flow system. However, the fuel cell 11 may be replaced with a fuel cell stack. That is, in the case of the fuel cell stack, the internal configuration includes a flow path for circulating air and fuel to the individual fuel cells 11, so that the external configuration is basically the same distribution system as in FIG. Used.

また、燃料電池システム１００は、空気加熱用熱交換器１３と、第１燃料ポンプ１４と、燃料改質器１５とを備えている。空気加熱用熱交換器１３は、第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱するものである。第１燃料ポンプ１４は、燃料電池１１のアノード極１１ｂに炭化水素燃料等の燃料（アノードガス：燃料ガス）を供給するものである。   The fuel cell system 100 includes an air heating heat exchanger 13, a first fuel pump 14, and a fuel reformer 15. The air heating heat exchanger 13 heats the air sent from the first air blower 12. The first fuel pump 14 supplies fuel (anode gas: fuel gas) such as hydrocarbon fuel to the anode 11 b of the fuel cell 11.

燃料改質器１５は、第１燃料ポンプ１４により燃料ガス流路Ｌｌを通して燃料が供給されると共に、改質器加熱用熱交換器１６により加熱され、その熱を利用して燃料を触媒反応により改質する。改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）は、燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給される。   The fuel reformer 15 is supplied with fuel through the fuel gas flow path Ll by the first fuel pump 14 and is heated by the heat exchanger 16 for heating the reformer, and the fuel is catalytically reacted using the heat. Reform. The reformed fuel (reformed gas including hydrogen gas) is supplied to the anode 11 b of the fuel cell 11.

さらに、燃料電池システム１００は、燃料循環ブロワ１７と、改質器加熱用熱交換器１６と、燃料流路圧力調整弁１８と、排気流路圧力調整弁１９と、燃焼バーナ２３とを備えている。   The fuel cell system 100 further includes a fuel circulation blower 17, a reformer heating heat exchanger 16, a fuel flow path pressure adjustment valve 18, an exhaust flow path pressure adjustment valve 19, and a combustion burner 23. Yes.

燃料循環ブロワ１７は、アノード極１１ｂより排出された燃料排ガスを燃料改質器１５に循環させるものである。改質器加熱用熱交換器１６は、カソード極１１ａより排出された排気ガスを排気ガス流路Ｌ２に通して導入し、同排気ガスの熱により燃料改質器１５を加熱するものである。   The fuel circulation blower 17 circulates the fuel exhaust gas discharged from the anode 11 b to the fuel reformer 15. The reformer heating heat exchanger 16 introduces exhaust gas discharged from the cathode electrode 11a through the exhaust gas passage L2, and heats the fuel reformer 15 with the heat of the exhaust gas.

燃料流路圧力調整弁１８は、燃料循環ブロワ１７の出力口と排気ガス流路Ｌ２との間に設けられ、開放により、アノード極１１ｂより排出された燃料排ガスの一部を排気ガス流路Ｌ２に導入する。排気流路圧力調整弁１９は、改質器加熱用熱交換器１６の入口近傍の排気ガス流路Ｌ２に設けられ、排気ガス流路Ｌ２を経由して改質器加熱用熱交換器１６に導入した排気ガスの一部を外部へ排出するものである。   The fuel flow path pressure regulating valve 18 is provided between the output port of the fuel circulation blower 17 and the exhaust gas flow path L2, and when opened, a part of the fuel exhaust gas discharged from the anode 11b is removed from the exhaust gas flow path L2. To introduce. The exhaust passage pressure regulating valve 19 is provided in the exhaust gas passage L2 near the inlet of the reformer heating heat exchanger 16, and is connected to the reformer heating heat exchanger 16 via the exhaust gas passage L2. Part of the introduced exhaust gas is discharged to the outside.

燃焼バーナ２３は、第２空気ブロワ２１より供給される空気と、第２燃料ポンプ２２より供給される燃料とを混合燃焼させるものであり、その熱により、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気を加熱する。   The combustion burner 23 causes the air supplied from the second air blower 21 and the fuel supplied from the second fuel pump 22 to be mixed and burned, and is supplied to the cathode 11 a of the fuel cell 11 by the heat. Heat the air.

さらに、燃料電池システム１００では、第１空気ブロワ１２、第１燃料ポンプ１４、第２空気ブロワ２１、第２燃料ポンプ２２、排気流路圧力調整弁１９、燃料流路圧力調整弁１８、及び燃料循環ブロワ１７が、運転制御装置３１に夫々接続されている。   Further, in the fuel cell system 100, the first air blower 12, the first fuel pump 14, the second air blower 21, the second fuel pump 22, the exhaust passage pressure regulating valve 19, the fuel passage pressure regulating valve 18, and the fuel Circulating blowers 17 are connected to the operation control device 31, respectively.

運転制御装置３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び各種の操作子等からなるコンピュータ装置であり、燃料電池１１の出力要求に応じて、各機器に制御信号を送信して各機器を制御する機能を有している。この運転制御装置は、主な機能としては、燃料電池１１の要求出力に応じた空気量や燃料量となるように、第１空気ブロワ１２及び第１燃料ポンプ１４の動作を制御する。   The operation control device 31 is a computer device including, for example, a CPU, a RAM, a ROM, and various operators, and controls each device by transmitting a control signal to each device in response to an output request of the fuel cell 11. It has a function. This operation control device controls the operations of the first air blower 12 and the first fuel pump 14 so that the amount of air and the amount of fuel corresponding to the required output of the fuel cell 11 are the main functions.

また、運転制御装置３１は、燃料電池１１の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段と、燃料電池１１の劣化を検出する電池劣化検出手段と、電池劣化検出手段により燃料電池１１の劣化を検出したときにカソード極１１ａに供給する空気を増量させるように空気供給装置（第１空気ブロワ１２）を制御する空気増量手段とを有している。   In addition, the operation control device 31 detects the deterioration of the fuel cell 11 by means of a power generation output maintaining unit that maintains the power generation output of the fuel cell 11 constant, a battery deterioration detection unit that detects deterioration of the fuel cell 11, and a cell deterioration detection unit. Air increasing means for controlling the air supply device (first air blower 12) to increase the amount of air supplied to the cathode 11a when detected.

さらに、運転制御装置３１は、カソード極１１ａに供給した空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、燃料電池１１の運転条件を再設定する運転条件設定手段とを有している。ここで、空気供給装置（第１空気ブロワ１２）及び運転制御装置３１による空気の増量は、予め定めた空気量の最大許容量以下、若しくは燃料電池作動上限温度以下で行われるものとしている。   Further, the operation control device 31 has an air increase effect confirmation means for confirming the effect of the increase in the air supplied to the cathode electrode 11a, and an operation condition setting means for resetting the operation conditions of the fuel cell 11. Here, it is assumed that the air increase by the air supply device (first air blower 12) and the operation control device 31 is performed below the predetermined maximum allowable air amount or below the fuel cell operating upper limit temperature.

なお、上記した発電出力維持手段、電池劣化検出手段、空気増量手段、空気増量効果確認手段、及び運転条件設定手段は、コンピュータのソフトウエアとして、運転制御装置３１における発電出力維持機能、電池劣化検出機能、空気増量機能、空気増量効果確認機能、及び運転条件設定機能と表現することができる。   The above-described power generation output maintaining means, battery deterioration detection means, air increase means, air increase effect confirmation means, and operation condition setting means are the software of the computer, and the power generation output maintenance function, battery deterioration detection in the operation control device 31. It can be expressed as a function, an air increase function, an air increase effect confirmation function, and an operating condition setting function.

さらに、運転制御装置３１は、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、警告を出す機能と、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、燃料電池の発電量を低下させる運転モードに移行させる機能とを有している。   Further, the operation control device 31 has a function of issuing a warning when the air increase value reaches a predetermined maximum allowable air amount value or a fuel cell operation upper limit temperature, and the air increase value is determined in advance. It has a function of shifting to an operation mode for reducing the power generation amount of the fuel cell when the maximum allowable value of the air amount or the fuel cell operation upper limit temperature is reached.

また、運転制御装置３１は、より好ましい実施形態として、電池劣化検出手段が、予め定めた同一出力の発電状態における発電電圧に基づいて燃料電池１１の劣化を予測検出する手段であるものとしている。この電池劣化検出手段は、燃料電池１１のアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａの少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいて燃料電池１１の劣化を予測検出する手段とすることもできる。   Further, as a more preferred embodiment, the operation control device 31 is configured such that the battery deterioration detection means predicts and detects deterioration of the fuel cell 11 based on a power generation voltage in a power generation state with the same output set in advance. The battery deterioration detecting means can be a means for predicting and detecting deterioration of the fuel cell 11 based on the gas inlet / outlet temperature of at least one of the anode 11b and the cathode 11a of the fuel cell 11.

さらに、運転制御装置３１は、より好ましい実施形態として、空気増量効果確認手段が、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する手段であり、運転条件設定手段が、空気増量値を運転条件として再設定する手段であるものとしている。   Further, as a more preferred embodiment, the operation control device 31 is a means for the air increase effect confirmation means to confirm the effect of the increase in the air supplied to the cathode electrode 11a due to the temperature drop of the fuel cell 11, and the operation condition setting means. Is a means for resetting the air increase value as the operating condition.

空気増量効果確認手段は、燃料電池１１の温度低下を発電電圧の低下量で判断することにより、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する手段とすることもできる。   The air increase effect confirmation means is a means for confirming the effect of the increase in the air supplied to the cathode electrode 11a due to the temperature decrease of the fuel cell 11 by judging the temperature decrease of the fuel cell 11 by the decrease amount of the generated voltage. You can also.

また、空気増量効果確認手段は、燃料電池１１の温度低下を発電電圧の低下量で判断するのに加えて、燃料電池１１のアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａの少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいてカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する手段とすることもできる。   Further, the air increase effect confirmation means determines the temperature decrease of the fuel cell 11 based on the amount of decrease in the generated voltage, and in addition, the gas inlet / outlet temperature of at least one of the anode 11b and the cathode 11a of the fuel cell 11 Based on the above, it can also be a means for confirming the effect of the increase in the amount of air supplied to the cathode 11a.

さらに、燃料電池システム１００は、カソード極１１ａに導入される空気の温度を測定する入口温度センサＴｃｉｎと、カソード極１１ａから排出された排気ガスの温度を測定する出口温度センサＴｃｏｕｔと、燃料電池１１のセパレータ温度を測定するセパレータ温度センサＴｓと、アノード極１１ｂから排出された燃料排ガスの温度を測定する出口温度センサＴａｏｕｔなどを備えている。これらの温度センサＴｃｉｎ，Ｔｃｏｕｔ，Ｔｓ，Ｔａｏｕｔによる測定値は、運転制御装置３１に入力される。   Further, the fuel cell system 100 includes an inlet temperature sensor Tcin that measures the temperature of air introduced into the cathode electrode 11a, an outlet temperature sensor Tcout that measures the temperature of exhaust gas discharged from the cathode electrode 11a, and the fuel cell 11. A separator temperature sensor Ts for measuring the separator temperature, an outlet temperature sensor Taout for measuring the temperature of the fuel exhaust gas discharged from the anode 11b, and the like. Measurement values obtained by these temperature sensors Tcin, Tcout, Ts, and Taout are input to the operation control device 31.

次に、燃料電池システム１００の運転開始時における動作について説明する。
すなわち、燃料電池システム１００は、燃焼バーナ２３を駆動してシステムの起動を行う。発電運転中の燃料電池システム１００では、電気ヒータ（図示省略）等で燃料電池１１を加熱することによって運転温度を変化させ、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気量、及びアノード極１１ｂに供給する燃料量を変化させて、出力電力の変化に対応させる。 Next, the operation at the start of operation of the fuel cell system 100 will be described.
That is, the fuel cell system 100 drives the combustion burner 23 to start up the system. In the fuel cell system 100 during power generation operation, the operating temperature is changed by heating the fuel cell 11 with an electric heater (not shown) or the like, and the amount of air supplied to the cathode electrode 11a of the fuel cell 11 and the anode electrode 11b The amount of fuel to be supplied is changed to correspond to the change in output power.

運転開始時には、初期的な動作として、第２燃料ポンプ２２を作動させ、且つ第２空気ブロワ２１を起動させることにより、燃焼バーナ２３に燃料及び空気を供給する。そして、燃焼バーナ２３にて燃料及び空気を混合燃焼させ、その燃焼ガスを燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する。これにより、燃料電池１１は、燃焼バーナ２３から供給される燃焼ガスの熱により昇温される。   At the start of operation, fuel and air are supplied to the combustion burner 23 by operating the second fuel pump 22 and starting the second air blower 21 as an initial operation. The combustion burner 23 mixes and burns fuel and air, and supplies the combustion gas to the cathode 11 a of the fuel cell 11. Thereby, the temperature of the fuel cell 11 is raised by the heat of the combustion gas supplied from the combustion burner 23.

その後、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の温度が定格温度（例えば６５０℃）に達した場合に、燃焼バーナ２３を停止し、空気供給装置としての第１空気ブロワ１２の出力に切り替える。第１空気ブロワ１２により送出された空気は、空気加熱用熱交換器１３の低温側（熱を吸収する側）を通過し、その後、カソード極１１ａの酸化剤ガス供給口に導入される。この際、空気加熱用熱交換器１３の高温側（熱を放出する側）には、改質器加熱用熱交換器１６から排出された高温のガスが導入される。このため、第１空気ブロワ１２より送出された空気は、高温ガスとの間の熱交換により加熱されて、カソード極１１ａに導入される。   Thereafter, when the temperature of the fuel cell 11 reaches a rated temperature (for example, 650 ° C.), the fuel cell system 100 stops the combustion burner 23 and switches to the output of the first air blower 12 as an air supply device. The air sent out by the first air blower 12 passes through the low temperature side (the side that absorbs heat) of the air heating heat exchanger 13, and is then introduced into the oxidant gas supply port of the cathode electrode 11a. At this time, the high temperature gas discharged from the reformer heating heat exchanger 16 is introduced to the high temperature side (the side from which heat is released) of the air heating heat exchanger 13. For this reason, the air sent out from the first air blower 12 is heated by heat exchange with the high-temperature gas and introduced into the cathode 11a.

また、空気加熱用熱交換器１３で加熱された空気は、通常、燃料電池１１の定格温度よりも２００〜３００℃程度低い温度であるから、燃焼バーナ２３から第１空気ブロワ１２への切り替え直後には、カソード極１１ａの温度が一時的に低下する。しかし、発電開始による電池自体の発熱により、カソード極１１ａの温度が上昇して定格温度に達する。このため、電力需要設備に電力を供給することが可能となる。すなわち燃料電池システム１００は、車載用である場合には、電力需要設備であるモータに電力を供給し、車両を走行させることが可能な状態となる。   In addition, since the air heated by the air heating heat exchanger 13 is usually at a temperature lower by about 200 to 300 ° C. than the rated temperature of the fuel cell 11, immediately after switching from the combustion burner 23 to the first air blower 12. In this case, the temperature of the cathode electrode 11a temporarily decreases. However, the temperature of the cathode electrode 11a rises and reaches the rated temperature due to the heat generation of the battery itself due to the start of power generation. For this reason, it becomes possible to supply electric power to an electric power demand installation. That is, when the fuel cell system 100 is used in a vehicle, the fuel cell system 100 is in a state in which power can be supplied to a motor that is a power demand facility to drive the vehicle.

次に、燃料電池システム１００が稼働状態であるときの、燃料電池１１の運転状態について説明する。すなわち、燃料電池システム１００において、カソ−ド極１１ａに導入される空気の温度は、通常の燃料電池１１の運転温度（６５０℃〜７５０℃）よりも、例えば２００℃〜３００℃低い温度とされている。このため、カソード極１１ａに導入した空気は、燃料電池１１の発電に伴って生じる熱エネルギにより加熱されてカソード極１１ａから排出される。この際、空気は、燃料電池１１や燃料電池スタックの冷却用流体としても機能している。定格運転では、燃料電池１１の運転温度に対応した発電に伴って生じる熱量と、空気を含むガスへの伝達熱量とがバランスしているので、燃料電池１１の温度は、材料の熱特性の制約により上限温度以下になるように運転条件（ガス流量）が設定されている。   Next, the operation state of the fuel cell 11 when the fuel cell system 100 is in an operating state will be described. That is, in the fuel cell system 100, the temperature of the air introduced into the cathode electrode 11a is, for example, 200 ° C. to 300 ° C. lower than the normal operating temperature of the fuel cell 11 (650 ° C. to 750 ° C.). ing. For this reason, the air introduced into the cathode electrode 11a is heated by the heat energy generated with the power generation of the fuel cell 11, and is discharged from the cathode electrode 11a. At this time, the air also functions as a cooling fluid for the fuel cell 11 and the fuel cell stack. In the rated operation, the amount of heat generated by the power generation corresponding to the operating temperature of the fuel cell 11 and the amount of heat transferred to the gas containing air are balanced, so the temperature of the fuel cell 11 is a restriction on the thermal characteristics of the material. The operating conditions (gas flow rate) are set so as to be lower than the upper limit temperature.

ここで、図２は、燃料電池システム１００の発電性能劣化に伴う燃料電池温度の変化（ａ）及びガス温度（カソード極のガス温度）の変化（ｂ）を示すグラフである。この図２は、横軸が燃料電池（図では「セル」と記載している）１１の位置を示している。この燃料電池は、一方側に燃料の導入部と空気の排出部を配置すると共に、他方側に燃料の排出部と空気の導入部を配置した構成である。これにより、燃料電池は、図中に矢印で示すように、燃料（アノードガス）の流れ方向と空気（カソードガス）の流れ方向とが対向する状態（互いに逆向きの状態）になっている。   Here, FIG. 2 is a graph showing a change (a) in the fuel cell temperature and a change (b) in the gas temperature (cathode electrode gas temperature) accompanying the deterioration of the power generation performance of the fuel cell system 100. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the position of the fuel cell (described as “cell” in the figure) 11. This fuel cell has a configuration in which a fuel introduction portion and an air discharge portion are arranged on one side, and a fuel discharge portion and an air introduction portion are arranged on the other side. As a result, the fuel cell is in a state where the flow direction of the fuel (anode gas) and the flow direction of the air (cathode gas) face each other (a state opposite to each other), as indicated by arrows in the drawing.

燃料電池１１の劣化が無い状態では、図２（ａ）及び（ｂ）中に『ＢＡＳＥ』として示すように、燃料電池１１の発電量を確保し、且つ全面で上限温度以下となるように燃料電池１１の運転条件が設定されている。これを行うのが、運転制御装置３１において、燃料電池１１の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段である。 In a state where there is no deterioration of the fuel cell 11, as shown as “BASE” in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the amount of power generated by the fuel cell 11 is secured and the fuel is set so that the entire surface is below the upper limit temperature. The operating conditions of the battery 11 are set. To do this, the operation control device 31, a power output maintaining means for maintaining the power output of the fuel cell 11 constant.

これに対して、燃料電池１１が劣化して発電性能が低下すると、発電エネルギの一部が発熱に変わることから、増加した熱が主にカソード極の空気に伝達されるものの、発熱分すべてが空気に吸収されることはできないため、燃料電池１１自体の温度が上昇するその際、燃料電池１１では、発電性能が劣化していない状態に対して内部での温度差が顕著になる。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）中に『劣化』として示すように、図２（ａ）中で左側である燃料の導入側（空気の排出側）では温度変化が小さく、他方、図２（ａ）中で右側である燃料の排出側（空気の導入側）では、もともと高かった温度がさらに上昇して、上限温度を越える部分が現れる。   In contrast, when the fuel cell 11 is deteriorated and the power generation performance is reduced, a part of the generated energy is changed to heat generation, so that the increased heat is mainly transmitted to the cathode electrode air, but all the heat generation amount is generated. Since the temperature of the fuel cell 11 itself rises because it cannot be absorbed by air, the internal temperature difference becomes significant in the fuel cell 11 with respect to the state where the power generation performance is not deteriorated. Specifically, as shown as “deterioration” in FIGS. 2A and 2B, the temperature change is small on the fuel introduction side (air discharge side) on the left side in FIG. On the other hand, on the fuel discharge side (air introduction side) on the right side in FIG. 2A, the originally high temperature further rises, and a portion exceeding the upper limit temperature appears.

これは、燃料電池１１の発電性能が劣化しているために、温度変化の小さい燃料の導入側（空気極ガスの出口側）では、発電量が劣化前とあまり変わらないものの小さくなる。このため、発電量を一定に保つために、燃料の排出側（空気の導入側）では、発電量が増えて温度が部分的に高くなる。このようにして、燃料の排出側（空気の導入側）で燃料電池１１の温度が上昇するという現象が起こる。   This is because the power generation performance of the fuel cell 11 has deteriorated, but on the fuel introduction side (air electrode gas outlet side) where the temperature change is small, the power generation amount is not significantly different from that before the deterioration, but is small. For this reason, in order to keep the power generation amount constant, the power generation amount increases and the temperature partially increases on the fuel discharge side (air introduction side). In this way, a phenomenon occurs in which the temperature of the fuel cell 11 rises on the fuel discharge side (air introduction side).

図３には、燃料電池システムの発電性能の劣化度と燃料電池１１の最高温度（Ｔｍａｘ）と平均温度（Ｔａｖｅ）との関係を示す。ここで、劣化度は、燃料電池１１が劣化しておらず、一定出力を発電している状態での初期の発電電圧と、発電性能の劣化が進行して発電電圧が低下した際の発電電圧との比である。   FIG. 3 shows the relationship between the degree of degradation of the power generation performance of the fuel cell system, the maximum temperature (Tmax) and the average temperature (Tave) of the fuel cell 11. Here, the degree of deterioration refers to the initial power generation voltage in a state where the fuel cell 11 is not deteriorated and is generating a constant output, and the power generation voltage when the power generation voltage is lowered as the power generation performance deteriorates. And the ratio.

図３から明らかなように、燃料電池１１の劣化度が大きくなると、一定出力を発電するために平均温度（Ｔａｖｅ）は上昇するが、それ以上に最高温度（Ｔｍａｘ）が上昇する。この関係に基づいて、一定量の発電をしている際の燃料電池１１の発電電圧を劣化がない場合の発電電圧と比較することにより、燃料電池１１の劣化度が予測でき、且つ、図４に示すように燃料電池の最高温度を予測することができる。これを行うのが、運転制御装置３１において、燃料電池１１の劣化を検出する劣化検出手段である。   As is apparent from FIG. 3, when the degree of deterioration of the fuel cell 11 increases, the average temperature (Tave) increases to generate a constant output, but the maximum temperature (Tmax) increases more than that. Based on this relationship, the degree of deterioration of the fuel cell 11 can be predicted by comparing the power generation voltage of the fuel cell 11 when generating a certain amount of power with the power generation voltage when there is no deterioration, and FIG. The maximum temperature of the fuel cell can be predicted as shown in FIG. This is performed by the deterioration detecting means for detecting the deterioration of the fuel cell 11 in the operation control device 31.

そこで、燃料電池１１の劣化が起こった場合、電池内部では部分的な温度上昇が起こっているだけであるので、一定出力を保ちながら、上限温度を越えた部分の温度を抑制する。そのためには、燃料量は変化させずに、燃料の排出側（空気極ガスの導入側）から供給する空気を増量させる。これを行うのが、運転制御装置３１において、電池劣化検出手段により燃料電池１１の劣化を検出したときにカソード極１１ａに供給する空気を増量させるように空気供給装置（第１空気ブロワ１２）を制御する空気増量手段である。   Therefore, when the fuel cell 11 is deteriorated, only a partial temperature rise occurs inside the cell. Therefore, the temperature of the portion exceeding the upper limit temperature is suppressed while maintaining a constant output. For this purpose, the amount of air supplied from the fuel discharge side (air electrode gas introduction side) is increased without changing the fuel amount. This is done by setting the air supply device (first air blower 12) to increase the amount of air supplied to the cathode electrode 11a when the deterioration of the fuel cell 11 is detected by the battery deterioration detection means in the operation control device 31. Air increasing means to control.

図５（ａ）及び（ｂ）には、空気を増量した場合の燃料電池１１の状態を示す。燃料（アノードガス）及び空気（カソードガス）の流れの方向は図２と同じである。   5A and 5B show the state of the fuel cell 11 when air is increased. The flow directions of the fuel (anode gas) and air (cathode gas) are the same as those in FIG.

図５（ａ）に示すように、空気の増量により燃料電池１１の熱は増加前に比べて空気に多く移動する。空気は、受け取った熱量を燃料の導入側（空気の排出側）に運び、図５中で左側である燃料の導入側の温度を上昇させる。このため、燃料電池１１では、燃料の導入側で発電量が増加し、燃料電池全体の発電収支として、燃料の排出側の発電量が減るため、燃料の排出側の温度が低下する。燃料電池１１の全体としては、空気を増量することで、電池内部の温度幅を小さくする。つまり、発電量の差を小さくすることができ、これにより、一定の出力を維持しつつ、燃料電池１１の最高温度を引き下げて、上限温度以下にすることが可能となる。   As shown in FIG. 5A, the heat of the fuel cell 11 moves to the air more than before the increase due to the increase in air. The air carries the received heat quantity to the fuel introduction side (air discharge side), and raises the temperature of the fuel introduction side, which is the left side in FIG. For this reason, in the fuel cell 11, the power generation amount increases on the fuel introduction side, and the power generation amount on the fuel discharge side decreases as the power generation balance of the entire fuel cell, so the temperature on the fuel discharge side decreases. The fuel cell 11 as a whole reduces the temperature width inside the battery by increasing the amount of air. That is, it is possible to reduce the difference in the amount of power generation, which makes it possible to lower the maximum temperature of the fuel cell 11 and keep it below the upper limit temperature while maintaining a constant output.

一方、空気を増量して一定の出力を維持しつつ、最高温度を引き下げて上限温度以下にした際、燃料電池１１の発電電圧は、図６に示すように、空気を増量する前よりも低下した状態で発電を行う。これは、空気を増量する前の燃料電池１１の高温状態による高い電圧での発電が緩和されることによるものである。よって、空気を増量させた際、燃料電池１１の温度が上限温度以下になったことを検出するのに、出力電圧の低下量を指標として用いることができる。   On the other hand, when the maximum temperature is lowered to below the upper limit temperature while increasing the air to maintain a constant output, the power generation voltage of the fuel cell 11 is lower than before increasing the air, as shown in FIG. Power is generated in the state. This is because power generation at a high voltage due to the high temperature state of the fuel cell 11 before increasing the amount of air is alleviated. Therefore, when the amount of air is increased, the amount of decrease in the output voltage can be used as an index to detect that the temperature of the fuel cell 11 has become the upper limit temperature or less.

図７には、空気を増量して燃料電池１１の最高温度を低下させる際の目標とする電圧降下量の例を示す。電池内に最高温度部分を持つ温度分布は、燃料及び空気の入口出口温度などでは検出できないため、電圧の降下量が指標として有効に用いられる。   FIG. 7 shows an example of the target voltage drop when the air is increased to lower the maximum temperature of the fuel cell 11. Since the temperature distribution having the highest temperature portion in the battery cannot be detected by the fuel and air inlet / outlet temperatures, the voltage drop amount is effectively used as an index.

以上のことから、図８に示すように、発電状態において部位によって発電量が異なるために生じる燃料電池１１の温度のバラツキは、初期設定の運転状態では最高温度が使用最高温度を越えないように設定してある。   From the above, as shown in FIG. 8, the variation in the temperature of the fuel cell 11 caused by the amount of power generation varies depending on the site in the power generation state, so that the maximum temperature does not exceed the maximum use temperature in the initial operation state. It is set.

燃料電池１１は、発電を続けるに従って徐々に発電性能の劣化を起こすと、発電に伴う発熱量が増加し、同じ発電量を維持できていても温度が部分的に上昇し、その温度を越えると材料や構造に影響を与え、セルの発電性能の低下を促進させる温度となり、使用上限温度に近いか又はこれを越える状態（図８のＴ１の状態）になる。   When the fuel cell 11 gradually deteriorates in power generation performance as power generation continues, the amount of heat generated by power generation increases, and even if the same amount of power generation can be maintained, the temperature partially rises and exceeds that temperature. It becomes a temperature that affects the material and structure and promotes a decrease in the power generation performance of the cell, and is in a state close to or exceeding the use upper limit temperature (state T1 in FIG. 8).

このとき、燃料電池１１は、劣化に伴って発電電圧が低下しているため、この電圧低下を検出して劣化を予測検出し、空気のみを増量させる。燃料電池１１は、空気を増量させると温度状態が変化し、図２〜図８に基づいて説明してきたように、最高温度が低下し、温度の低い部分は温度上昇を起こして、劣化前と同じ出力を発電しながらも最高温度を低下できる状態（図８のＴ２の状態）を実現する。これにより、燃料電池１１は、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持した運転を継続することができる。   At this time, since the power generation voltage has decreased with deterioration, the fuel cell 11 detects this voltage decrease and predicts and detects deterioration to increase only the air. When the air is increased, the fuel cell 11 changes its temperature state, and as described with reference to FIGS. 2 to 8, the maximum temperature is lowered, and the low temperature part is raised in temperature. A state (state T2 in FIG. 8) in which the maximum temperature can be lowered while generating the same output is realized. Thereby, the fuel cell 11 can continue the operation | movement which maintained the electric power generation amount, suppressing performance degradation.

図９は、運転制御装置３１の処理工程を示すフローチャートである。
運転制御装置３１は、発電出力維持手段の機能により、燃料電池１１の発電出力が一定に維持される空気量及び燃料量となるように、第１空気ブロワ１２（空気供給装置）及び第１燃料ポンプ１４の動作を制御している。 FIG. 9 is a flowchart showing the processing steps of the operation control device 31.
The operation control device 31 uses the function of the power generation output maintaining means to set the first air blower 12 (air supply device) and the first fuel so that the power generation output of the fuel cell 11 is maintained at a constant air amount and fuel amount. The operation of the pump 14 is controlled.

そして、燃料電池１１に供給する制御を開始（Ｓｔａｒｔ）すると、ステップＳ１０１において、電池劣化検出手段により、発電出力維持手段の機能で同一出力を発電している際の発電電圧に基づいて燃料電池１１の劣化を検出する。具体的には、出力電圧の低下から燃料電池１１の性能の劣化を予測検出する。   Then, when control to supply to the fuel cell 11 is started (Start), in step S101, the fuel cell 11 is detected based on the power generation voltage when the same output is generated by the battery deterioration detection unit using the function of the power generation output maintaining unit. Detect degradation of Specifically, the deterioration of the performance of the fuel cell 11 is predicted and detected from the decrease in the output voltage.

次に、運転制御装置３１は、燃料電池１１の性能の劣化を予測検出した後、ステップＳ１０２において、空気増量手段により第１空気ブロア１２を制御して、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給する空気を増量させる。この際、第２空気ブロア２１を制御して、燃料電池１１に供給する空気を増量させることもできる。したがって、空気増量手段に第２空気ブロア２１を用いることができる。   Next, after predicting and detecting the deterioration of the performance of the fuel cell 11, the operation control device 31 controls the first air blower 12 by the air increasing means and supplies it to the cathode 11 a of the fuel cell 11 in step S <b> 102. Increase air volume. At this time, the air supplied to the fuel cell 11 can be increased by controlling the second air blower 21. Therefore, the second air blower 21 can be used as the air increasing means.

そして、ステップＳ１０３において、空気増量効果確認手段により、カソード極１１ａに供給した空気の増量による効果を確認する。具体的には、空気増量による最高温度の降下に伴うセル発電電圧の低下を検出し、劣化度に応じた目標電圧降下を確認する。この目標電圧降下を確認すると、ステップＳ１０４において、その時の第１空気ブロア１２の吐出量及び吐出量に相当する制御量が予め許容したブロアの作動範囲内であることを確認する。   In step S103, the effect of increasing the amount of air supplied to the cathode 11a is confirmed by the air increasing effect confirming means. Specifically, a drop in cell power generation voltage accompanying a drop in the maximum temperature due to an increase in air is detected, and a target voltage drop according to the degree of deterioration is confirmed. If this target voltage drop is confirmed, in step S104, it is confirmed that the discharge amount of the first air blower 12 at that time and the control amount corresponding to the discharge amount are within the blower operating range permitted in advance.

このステップＳ１０４において、第１空気ブロア１２の吐出量及び吐出量に相当する制
御量が予め許容したブロアの作動範囲内である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１０５に移行して、運転条件設定手段により燃料電池１１の運転条件を再設定し、制御開始（Ｓｔａｒｔ）に戻る。 In step S104, when the discharge amount of the first air blower 12 and the control amount corresponding to the discharge amount are within the blower operating range allowed in advance (YES), the process proceeds to step S105, and the operating condition setting means As a result, the operating conditions of the fuel cell 11 are reset, and the control returns to Start (Start).

また、ステップＳ１０４において、第１空気ブロア１２の吐出量及び吐出量に相当する制御量が予め許容したブロアの作動範囲内ではない場合（ＮＯ）、すなわち、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時には、ステップＳ１０６に移行して、劣化を示す警告を出力したり、燃料電池の発電量を低下させる出力低下モードに移行させたりして、制御を終了（Ｅｎｄ）する。   Further, in step S104, when the discharge amount of the first air blower 12 and the control amount corresponding to the discharge amount are not within the allowable operation range of the blower (NO), that is, the air increase value is a predetermined air amount. When the maximum allowable amount of fuel or the fuel cell operation upper limit temperature is reached, the process proceeds to step S106, where a warning indicating deterioration is output, or a transition to a power reduction mode for reducing the power generation amount of the fuel cell is performed. Then, the control is ended (End).

このようにして、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の性能低下等に伴う最高温度の上昇を検出し、燃料電池１１の運転条件を変化させ、発電出力を維持したまま燃料電池１１の温度を上限温度以下に抑制することができる。これにより、燃料電池システム１００は、車載用に適用した場合には、燃料電池１１が劣化した場合でも、意図する車両走行性能を維持することが可能になる。   In this way, the fuel cell system 100 detects an increase in the maximum temperature associated with a decrease in the performance of the fuel cell 11, changes the operating conditions of the fuel cell 11, and changes the temperature of the fuel cell 11 while maintaining the power generation output. It can be suppressed below the upper limit temperature. As a result, when the fuel cell system 100 is applied to a vehicle, even if the fuel cell 11 is deteriorated, it is possible to maintain the intended vehicle running performance.

また、燃料電池システム１００は、予め定めた同一出力の発電状態における発電電圧に基づいて燃料電池の劣化を予測検出する電池劣化検出手段を採用したことで、燃料電池１１の劣化を簡単な構成で検出することができ、低コスト化や運転制御の高精度化に貢献することができる。   In addition, the fuel cell system 100 employs a battery deterioration detection unit that predicts and detects deterioration of the fuel cell based on a power generation voltage in a predetermined power generation state with the same output, so that the deterioration of the fuel cell 11 can be simplified. It can be detected, and can contribute to cost reduction and high accuracy of operation control.

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池１１のアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａの少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいて燃料電池１１の劣化を予測検出する電池劣化検出手段を採用したことにより、最小限数の温度センサを用いた簡単な構成で燃料電池１１の劣化を検出することができる。   Further, the fuel cell system 100 employs cell deterioration detection means that predicts and detects deterioration of the fuel cell 11 based on the gas inlet / outlet temperature of at least one of the anode 11b and the cathode 11a of the fuel cell 11. The deterioration of the fuel cell 11 can be detected with a simple configuration using a minimum number of temperature sensors.

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、空気増量値を運転条件として再設定する運転条件設定手段とを採用したことにより、燃料電池１１が劣化した際に、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持した運転を継続することができる。   Further, the fuel cell system 100 includes an air increase effect confirmation means for confirming an effect due to an increase in the amount of air supplied to the cathode electrode 11a due to a temperature drop of the fuel cell 11, and an operation condition setting means for resetting the air increase value as an operation condition. By adopting the above, when the fuel cell 11 deteriorates, it is possible to continue the operation while maintaining the power generation amount while suppressing the performance deterioration.

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池１１の温度低下を発電電圧の低下量で判断することにより、燃料電池１１の温度低下によりカソード極１１ａに供給する空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段を採用したことにより、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持する制御を確実に行うことができる。   Further, the fuel cell system 100 determines the effect of the increase in the amount of air supplied to the cathode 11a due to the decrease in the temperature of the fuel cell 11 by determining the decrease in the temperature of the fuel cell 11 based on the decrease in the generated voltage. By adopting the confirmation means, it is possible to reliably perform control to maintain the power generation amount while suppressing performance deterioration.

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池の温度低下を発電電圧の低下量で判断するのに加えて、燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいてカソード極に供給する空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段を採用したことにより、性能劣化を抑制しつつ発電量を維持する制御をより一層確実に行うことができる。   Further, the fuel cell system 100 determines whether the temperature of the fuel cell has decreased based on the amount of decrease in the generated voltage, and in addition, determines the cathode electrode based on the gas inlet / outlet temperature of at least one of the anode and cathode of the fuel cell. By adopting the air increase effect confirmation means for confirming the effect of the increase in the amount of air supplied to the vehicle, it is possible to more reliably perform the control for maintaining the power generation amount while suppressing the performance deterioration.

さらに、燃料電池システム１００は、空気供給装置（第１空気ブロア１２）及び運転制御装置３１による空気の増量を、予め定めた空気量の最大許容量以下、若しくは燃料電池作動上限温度以下で行うようにしたので、燃料電池１１が性能劣化した場合に、燃料電池１１の過度の温度上昇を抑制しつつ発電量を維持することができる。   Further, the fuel cell system 100 increases the amount of air by the air supply device (first air blower 12) and the operation control device 31 at or below the predetermined maximum allowable air amount or below the fuel cell operating upper limit temperature. Therefore, when the performance of the fuel cell 11 deteriorates, the power generation amount can be maintained while suppressing an excessive temperature rise of the fuel cell 11.

さらに、燃料電池システム１００は、運転制御装置３１において、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、警告を出す機能及び燃料電池１１の発電量を低下させる出力低下モードに移行させる機能を持たせたことにより、燃料電池１１に破損が生じる虞を事前に把握したり未然に阻止したりことが可能になる。   Further, the fuel cell system 100 has a function of issuing a warning when the operation control device 31 reaches a predetermined maximum allowable air amount or a fuel cell operation upper limit temperature, and an output for reducing the power generation amount of the fuel cell 11. By providing the function of shifting to the lowering mode, it becomes possible to grasp in advance or prevent the fuel cell 11 from being damaged.

上記の実施形態では、図２及び図５に示すように、燃料電池１１における燃料の流れ方向と空気の流れ方向とを対向させた場合を説明した。この場合には、空気の増量のみによる最高温度の降下と発電出力の維持とを顕著に行うことができる。ただし、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料及び空気の流れ方向が限定されるものではない。   In the above embodiment, as shown in FIGS. 2 and 5, the case where the fuel flow direction and the air flow direction in the fuel cell 11 are opposed to each other has been described. In this case, it is possible to remarkably reduce the maximum temperature and maintain the power generation output only by increasing the amount of air. However, the fuel cell system according to the present invention is not limited in the flow direction of fuel and air.

図１０に示すように、燃料の流れ方向と空気の流れ方向とは並行である場合には、増量した空気によって燃料電池１１から持ち去られる熱量が増加する。これにより、燃料電池１１の温度は、ガス排出部以外では低下傾向を示し、ガス導入側の発電量が増加せずに発電量を一定に保つため、アノード極１１ｂの排出側の発電量が増加し、ガス排出部で温度が急激に上昇する傾向を示す。このため、燃料電池１１の最高温度は、空気の増量前に比べて低下する傾向にあるが、燃料と空気とを対向させて流す場合に比べて、空気の増量のみでのセル最高温度を抑制することが難しくなる。   As shown in FIG. 10, when the fuel flow direction and the air flow direction are parallel, the amount of heat taken away from the fuel cell 11 by the increased amount of air increases. As a result, the temperature of the fuel cell 11 tends to decrease except in the gas discharge section, and the power generation amount on the discharge side of the anode 11b increases to keep the power generation amount constant without increasing the power generation amount on the gas introduction side. However, the temperature tends to rise rapidly in the gas discharge part. For this reason, although the maximum temperature of the fuel cell 11 tends to be lower than before the increase in air, the maximum cell temperature is suppressed only by increasing the air, compared with the case where the fuel and air are made to face each other. It becomes difficult to do.

ただし、燃料と空気とを並行に流す場合は、燃料電池１１の最高温度が燃料の排出部にあることから、燃料電池１１の劣化に伴う温度の過昇温状態や、空気の増量による燃料電池１１の温度低下効果を検出する際、アノード極１１ｂ及びカソード極１１ａ入口出口温度、若しくは燃料電池１１の最高温度を示すアノード極出口部のセパレータ温度を直接検出することで燃料電池１１の温度に近い温度検出を行い、これを指標として使用できるというメリットがある。   However, when fuel and air are allowed to flow in parallel, the maximum temperature of the fuel cell 11 is in the fuel discharge section, so that the fuel cell 11 is overheated due to deterioration of the fuel cell 11 or the fuel cell is caused by an increase in air. 11, the temperature of the anode 11 b and the cathode 11 a and the temperature at the inlet and outlet of the anode 11, or the separator temperature at the anode outlet, which indicates the maximum temperature of the fuel cell 11, are directly detected. There is an advantage that temperature can be detected and used as an index.

図１１及び図１２は、本発明に係わる燃料電池システムの第２及び第３の実施形態を説明するブロック図である。なお、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。   11 and 12 are block diagrams for explaining the second and third embodiments of the fuel cell system according to the present invention. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

〈第２実施形態〉
図１１に示す燃料電池システム１００は、第１実施形態（図１参照）と同様の基本構成を備えると共に、カソード極１１ａに供給する空気をシステム内の第１及び第２の空気ブロア１２，２１の負荷を変えずに増量させるため、第１空気ブロア１２とカソード極１１ａとの間にエジェクタ４１を設置している。 Second Embodiment
A fuel cell system 100 shown in FIG. 11 has the same basic configuration as that of the first embodiment (see FIG. 1), and the first and second air blowers 12 and 21 in the system supply air supplied to the cathode electrode 11a. In order to increase the load without changing the load, an ejector 41 is installed between the first air blower 12 and the cathode electrode 11a.

この燃料電池システム１００では、空気加熱用熱交換器１３の高温側（熱を放出する側）を通過して排出される排気の一部を、流路分岐部４３及び還流通路４２を通してエジェクタ４１に供給し、エジェクタ効果により第１空気ブロア１２により送出される空気の流れを促進させて、その空気をカソード極１１ａに供給する。これにより、空気を増量させる際に、第１空気ブロア１２や第２空気ブロア２１の負荷を変えることなく、燃料電池１１に供給する空気量を増加させることができる。   In this fuel cell system 100, a part of the exhaust discharged through the high temperature side (the side from which heat is released) of the air heating heat exchanger 13 is transferred to the ejector 41 through the flow passage branch 43 and the reflux passage 42. Then, the flow of air sent out by the first air blower 12 is promoted by the ejector effect, and the air is supplied to the cathode 11a. Thereby, when increasing the amount of air, the amount of air supplied to the fuel cell 11 can be increased without changing the load of the first air blower 12 and the second air blower 21.

〈第３実施形態〉
図１２に示す燃料電池システム１００は、第１実施形態（図１参照）と同様の基本構成を備えると共に、発電を行う燃料電池１１（又は燃料電池スタック）を複数個設置した構成である。この場合、前段の燃料電池１０を通過したガスを導入する後段の燃料電池１１は、前段の燃料電池１０に比してアノード極１１ｂ及びカソード極１１ａ共にガス組成及びガス温度の条件によって、燃料電池温度が高くなる特性を持つため、劣化によるセル温度の影響が後段スタック１１で顕著に起りやすい。 <Third Embodiment>
A fuel cell system 100 shown in FIG. 12 has a basic configuration similar to that of the first embodiment (see FIG. 1) and a configuration in which a plurality of fuel cells 11 (or fuel cell stacks) for generating power are installed. In this case, the latter-stage fuel cell 11 that introduces the gas that has passed through the former-stage fuel cell 10 is different from the preceding-stage fuel cell 10 in that both the anode electrode 11b and the cathode electrode 11a have different gas compositions and gas temperature conditions. Since the temperature increases, the influence of the cell temperature due to deterioration is likely to occur significantly in the rear stack 11.

そのため、燃料電池システム１００では、燃料電池１０，１１の劣化を検出した際に、後段の燃料電池１１のカソード極１１ａのみに空気を増加させるように、空気バイパス通路４４を設置した構造を有する。このように、空気の増量が必要な燃料電池１１のカソード極１１ａにのみ空気の増量を行うことにより、効果的に燃料電池１０の最高温度を低下させることができる。   Therefore, the fuel cell system 100 has a structure in which an air bypass passage 44 is installed so that air is increased only in the cathode electrode 11a of the subsequent fuel cell 11 when the deterioration of the fuel cells 10 and 11 is detected. Thus, the maximum temperature of the fuel cell 10 can be effectively lowered by increasing the amount of air only to the cathode electrode 11a of the fuel cell 11 that needs to increase the amount of air.

本発明に係わる燃料電池システムは、その構成が、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。   The configuration of the fuel cell system according to the present invention is not limited to the above embodiments, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.

１１ 燃料電池
１１ａ カソード極
１１ｂ アノード極
１２ 第１空気ブロワ（空気供給装置）
１３ 空気加熱用熱交換器
１４ 第１燃料ポンプ
１５ 燃料改質器
１６ 改質器加熱用熱交換器
１７ 燃料循環ブロワ
１８ 燃料流路圧力調整弁
１９ 排気流路圧力調整弁
２１ 第２空気ブロワ
２２ 第２燃料ポンプ
２３ 燃焼バーナ
３１ 運転制御装置
４２ 還流通路
４４ 空気バイパス通路
１００ 燃料電池システム 11 Fuel Cell 11a Cathode Electrode 11b Anode Electrode 12 First Air Blower (Air Supply Device)
13 Heat exchanger for air heating 14 First fuel pump 15 Fuel reformer 16 Heat exchanger for reformer heating 17 Fuel circulation blower 18 Fuel flow path pressure regulation valve 19 Exhaust flow path pressure regulation valve 21 Second air blower 22 Second fuel pump 23 Combustion burner 31 Operation control device 42 Recirculation passage 44 Air bypass passage 100 Fuel cell system

Claims (6)

電解質層をアノード極及びカソード極で挟んだ構造を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソード極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池及び前記空気供給装置を制御する運転制御装置を備え、
前記運転制御装置が、
前記燃料電池の発電出力を一定に維持する発電出力維持手段と、
前記発電出力維持手段による同一出力の発電状態における発電電圧に基づいて前記燃料電池の劣化を検出する電池劣化検出手段と、
前記電池劣化検出手段により燃料電池の劣化を検出したときに前記カソード極に供給する空気を増量させるように前記空気供給装置を制御する空気増量手段と、
前記空気増量手段の空気増量による前記燃料電池の温度低下を発電電圧の低下量で判断して前記カソード極に供給した空気の増量による効果を確認する空気増量効果確認手段と、
前記空気増量効果確認手段による空気増量の効果の確認結果、及び前記空気増量手段による空気増量値に基づいて前記燃料電池の運転条件を再設定する運転条件設定手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having sandwiched an electrolyte layer with an anode electrode and a cathode electrode, and an air supply device for supplying air to the cathode of the fuel cell, the operation control device for controlling the fuel cell and the air supply device Prepared,
The operation control device is
A power generation output retention means for maintaining the power output of the fuel cell at a constant,
Battery deterioration detecting means for detecting deterioration of the fuel cell based on a power generation voltage in a power generation state of the same output by the power generation output maintaining means ;
Air increasing means for controlling the air supply device so as to increase the air supplied to the cathode electrode upon detection of the deterioration of the fuel cell by the battery deterioration detecting means,
An air increase effect confirmation means for confirming the effect of the increase in the air supplied to the cathode electrode by judging the temperature decrease of the fuel cell due to the air increase of the air increase means based on the decrease amount of the generated voltage ;
It characterized in that it has confirmed the result of the effect of air increase, and the operating condition setting means for resetting the operating conditions of the fuel cell on the basis of the air increase value by the air increasing unit by the air increasing effect confirmation means fuel cell system. 電池劣化検出手段が、燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいて燃料電池の劣化を予測検出する手段であ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。 2. The fuel according to claim 1 , wherein the battery deterioration detecting means is means for predicting and detecting deterioration of the fuel cell based on a gas inlet / outlet temperature of at least one of an anode electrode and a cathode electrode of the fuel cell. Battery system. 空気増量効果確認手段が、燃料電池の温度低下を発電電圧の低下量で判断するのに加えて、燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の極のガス入口出口温度に基づいてカソード極に供給する空気の増量による効果を確認する手段であ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。 In addition to the fact that the air increase effect confirmation means determines the temperature decrease of the fuel cell by the amount of decrease in the generated voltage, the air increase effect confirmation means 3. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the fuel cell system is a means for confirming an effect due to an increase in the amount of air to be supplied. 空気供給装置及び運転制御装置による空気の増量は、予め定めた空気量の最大許容量以下、若しくは燃料電池作動上限温度以下で行われ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。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the increase in air by the air supply device and the operation control device is performed below a predetermined maximum allowable air amount or below a fuel cell operation upper limit temperature. 運転制御装置は、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、警告を出す機能を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 Operation control device, increase value of air, the maximum allowable value of a predetermined amount of air, or when it reaches the fuel cell operating upper limit temperature, any of the preceding claims, characterized in that it has a function of issuing a warning The fuel cell system according to claim 1. 運転制御装置が、空気の増量値が、予め定めた空気量の最大許容値、若しくは燃料電池作動上限温度に達した時に、燃料電池の発電量を低下させる出力低下モードに移行させる機能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The operation control device has a function of shifting to an output reduction mode for reducing the power generation amount of the fuel cell when the air increase value reaches a predetermined maximum allowable air amount or a fuel cell operation upper limit temperature. The fuel cell system according to claim 1 , wherein:
JP2014188823A 2014-09-17 2014-09-17 Fuel cell system Active JP6394875B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014188823A JP6394875B2 (en) 2014-09-17 2014-09-17 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014188823A JP6394875B2 (en) 2014-09-17 2014-09-17 Fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016062711A JP2016062711A (en) 2016-04-25
JP6394875B2 true JP6394875B2 (en) 2018-09-26

Family

ID=55796149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014188823A Active JP6394875B2 (en) 2014-09-17 2014-09-17 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6394875B2 (en)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4523298B2 (en) * 2004-02-10 2010-08-11 株式会社豊田中央研究所 Fuel cell system and power generation method thereof
JP2007287633A (en) * 2006-04-20 2007-11-01 Mitsubishi Materials Corp Fuel cell power generator and control program as well as control method
WO2010114046A1 (en) * 2009-03-31 2010-10-07 Toto株式会社 Solid electrolyte fuel cell
JP2012079410A (en) * 2010-09-30 2012-04-19 Toto Ltd Fuel cell device
JP5536636B2 (en) * 2010-12-28 2014-07-02 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 Fuel cell system
JP5846537B2 (en) * 2011-04-04 2016-01-20 日産自動車株式会社 Solid oxide fuel cell system
JP5910127B2 (en) * 2012-02-03 2016-04-27 日産自動車株式会社 Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016062711A (en) 2016-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108604693B (en) Solid oxide fuel cell system and method for controlling solid oxide fuel cell system
US9406949B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
US7972736B2 (en) Fuel cell system with warming-up and method of operating the same
Zhang et al. Investigation of heating and cooling in a stand-alone high temperature PEM fuel cell system
CN108370050B (en) Control method for fuel cell system and fuel cell system
US8092953B2 (en) Fuel cell system and method of operating the fuel cell system
JP6706820B2 (en) Hydrogen generation system and fuel cell system
JP2009295534A (en) Fuel cell system and operation method for fuel cell system
JP5502553B2 (en) Fuel cell system
KR102168486B1 (en) System and method for fuel cell stack temperature control
JP6394875B2 (en) Fuel cell system
JP2014089920A (en) Solid oxide fuel cell system
CN102792507A (en) Fuel cell system and method for controlling electric current of same
JP2018181455A (en) Solid oxide fuel cell system
JP7298503B2 (en) Fuel cell system and its control method
KR101362445B1 (en) Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same
JP6390253B2 (en) Fuel cell power generation system
US20080305370A1 (en) Fuel cell system and method of operating a fuel cell
JP7257905B2 (en) fuel cell system
JP7359029B2 (en) fuel cell system
JP7110859B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM
US20240136555A1 (en) Fuel Cell Cooling Control System and Method
JP5659868B2 (en) Fuel cell system
JP5060185B2 (en) Stack edge battery heater control method
JP6323241B2 (en) Fuel cell power generation system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170330

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180118

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180123

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180322

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180801

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180814

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6394875

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151