JP6477116B2

JP6477116B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6477116B2
Application number: JP2015062066A
Authority: JP
Inventors: 立樹杉浦
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: JP2016181462A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、アノード及びカソードを有する燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）等）を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに供給されるアノードガスと燃料電池のカソードに供給されるカソードガスとを電気化学的に反応させることによって発電を行う。

燃料電池のアノードに供給されるアノードガスは、改質器において、触媒上で都市ガスなどの炭化水素系の燃料と、改質水としての水と、が反応して生成される（例えば、特許文献１参照）。改質器には、燃料電池において出力しようとする所定の電流の値（目標電流値）に相当する量の燃料が供給される。

特開２００６−１４７２６４号公報

実際に燃料電池から出力される電流の値が、目標電流値よりも小さい場合には、燃料電池のアノードに、過剰にアノードガスが供給されることになり、燃料電池において熱余りの状態になり、高温になる。このため、燃料電池等が損傷する恐れがある。そこで、例えば、目標電流値を基準とした所定の比率の範囲内に、実際に燃料電池から出力される電流の値が入っていなければ、アラーム等を報知することが行われることが必要である。

しかし、燃料電池から出力される電流の値は一定ではなく、また、燃料電池から出力される電流の値が小さいときには、燃料電池から出力される電流の値が大きいときと比較して、アラーム等の報知が行われる回数が多くなる可能性がある。

本発明は、燃料電池において出力しようとする所定の電流の値が小さいときに、不必要な報知を抑える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池からの出力電流の値が所定の値となるように、前記燃料電池へ供給する燃料の量を制御する燃料供給制御部と、前記燃料供給制御部による制御により駆動される報知装置と、を有し、前記燃料供給制御部は、前記燃料電池から出力されている出力電流の値が、前記所定の値に応じて変化するように設定された出力電流許容範囲に入っているか否かを判断し、前記燃料電池から出力されている出力電流の値が、前記出力電流許容範囲に入っていない場合には、前記報知装置を駆動させる制御を行い、前記出力電流許容範囲は、前記所定の値と、前記所定の値に基づいて算出される所定の比率と、に基づいて設定され、前記所定の比率は、前記所定の値が大きくなるにつれて、小さくなるように設定されている、燃料電池システムに関する。

また、前記所定の値の変化に応じて、前記比率は、段階的に変化するように設定されていることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池において出力しようとする所定の電流の値が小さいときに、不必要な報知を抑える燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。本発明の実施形態による燃料電池システム１の燃料供給制御部５１による制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態による燃料電池システムについて、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。
図１において、実線はラインを示し、点線は電気的な接続（有線又は無線による信号の入出力のための接続）を示し、二重線は、電気的な接続（電力を供給するための接続）を示している。また、以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、燃料ガス供給部１４と、改質水供給端１５Ａと、改質水量調整部としての改質水量調整ポンプ１５Ｂと、カソードガス供給部１６と、カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａと、報知装置１９と、制御部５０と、を備える。

また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、改質水供給ラインＬ２と、アノードガス供給ラインＬ３と、カソードガス供給ラインＬ４と、アノードオフガスラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、排ガスラインＬ７と、を備える。

燃料ガス供給ラインＬ１の上流側端部は、燃料ガス供給部１４に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１の下流側端部は、改質器１２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１の途中には、弁１４Ａが設けられている。燃料ガス供給ラインＬ１には、燃料ガス供給部１４から改質器１２に供給される燃料ガスＧ１が流通する。弁１４Ａは、入力される制御信号に応じて、改質器１２に供給される燃料ガスＧ１の供給量を調整する。

改質水供給ラインＬ２の上流側端部は、改質水供給端１５Ａに接続されている。改質水供給ラインＬ２の下流側端部は、改質器１２に接続されている。改質水供給ラインＬ２の途中には、改質水量調整ポンプ１５Ｂが設けられている。改質水供給ラインＬ２には、改質水供給端１５Ａから改質器１２に供給される改質水Ｗ１が流通する。また、改質水量調整ポンプ１５Ｂは、入力される制御信号に応じて、改質器１２に供給される改質水Ｗ１の供給量を調整する。改質水供給端１５Ａ及び改質水量調整ポンプ１５Ｂは、改質水供給部１５を構成する。

アノードガス供給ラインＬ３の上流側端部は、改質器１２に接続されている。アノードガス供給ラインＬ３の下流側端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードガス供給ラインＬ３には、改質器１２において生成された水素を含むアノードガスＧ２が、燃料電池１１に向けて流通する。アノードガスＧ２には、水素や一酸化炭素、未反応のメタン、未利用の水蒸気等が含まれる。

カソードガス供給ラインＬ４の上流側端部は、カソードガス供給部１６に接続されている。カソードガス供給ラインＬ４の下流側端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードガス供給ラインＬ４の途中には、カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａが設けられている。カソードガス供給ラインＬ４には、カソードガス供給部１６から燃料電池１１のカソードに供給されるカソードガスとしての空気Ａ１が、燃料電池１１に向けて流通する。カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａは、入力される制御信号に応じて、燃料電池１１に向けて流通する空気Ａ１の量を調整する。

カソードガス供給部１６、カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ、及びカソードガス供給ラインＬ４は、カソードガス供給部２１を構成する。

アノードオフガスラインＬ５の上流側端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードオフガスラインＬ５の下流側端部は、燃焼器１３に接続されている。アノードオフガスラインＬ５には、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が、燃焼器１３に向けて流通する。

カソードオフガスラインＬ６の上流側端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードオフガスラインＬ６の下流側端部は、燃焼器１３に接続されている。カソードオフガスラインＬ６には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスＧ４が、燃焼器１３に向けて流通する。

排ガスラインＬ７の上流側端部は、燃焼器１３に接続されている。排ガスラインＬ７の下流側端部は、熱交換器等（不図示）に接続されている。排ガスラインＬ７には、燃焼器１３から排出される排ガスＧ５が流通する。

燃料電池１１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）である。燃料電池１１は、複数の燃料電池セルが積層配置されて、燃料電池スタック（不図示）とされたものである。燃料電池１１は、改質器１２から供給されたアノードガスＧ２及びカソードガス供給部２１から供給されたカソードガスＡ１を使用して発電する。より具体的には、燃料電池１１は、アノードガスＧ２に含まれる水素及びカソードガスＡ１に含まれる酸素を使用して発電する。

改質器１２は、燃料ガス供給部１４から供給される燃料ガスＧ１、及び、改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１を、所定の熱量で加熱して触媒上で反応させ、アノードガスＧ２を生成する。このアノードガスＧ２は、燃料電池１１に供給される。燃料ガス供給部１４から供給される燃料ガスＧ１の量及び改質水供給部１５から供給される改質水Ｗ１の量は、燃料電池１１において出力しようとする所定の電流の値（以下「目標電流値」）に相当する量のアノードガスＧ２を生成するために最適な量に設定される。

燃焼器１３は、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼させて、排ガスＧ５として排ガスラインＬ７に排出する。

パワーコンディショナ１８１は、ＤＣバスにより電気的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）と系統連系インバータ（不図示）とを有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池１１から出力される９０Ｖ〜１６０Ｖ程度の直流電圧を、所定の直流電圧に変換（昇圧）する。所定の直流電圧とは、例えば、系統連系インバータにおいて系統１８２に供給可能な電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）の生成ができる程度の電圧（例えば、ＤＣ２８０Ｖ）であり、この出力電圧は、固定値である。

従って、ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池１１から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも大きいときに、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する。逆に、ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池１１から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも小さいときには、直流電圧を昇圧する変換を停止する。最低入力許容電圧値とは、例えば、８０Ｖである。

系統連系インバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧されＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電圧を、系統１８２に供給可能な、系統１８２と同期の取れた所定の交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換して系統１８２に供給する。系統連系インバータは、交流電圧を系統１８２に供給するため、系統連系インバータから出力される交流電圧の値は、固定値である。

出力電流検出部１７は、電流センサを有している。出力電流検出部１７の電流センサは、燃料電池１１から出力されてパワーコンディショナ１８１のＤＣ／ＤＣコンバータに入力される直流電流値を検出する。検出した直流電流値は、制御部５０に出力され、制御部５０において検知される。

報知装置１９は、音や光等により報知を行うアラーム等により構成される。報知装置１９は、後述の制御部５０の燃料供給制御部５１による制御により駆動される。

制御部５０は、弁１４Ａ、改質水量調整ポンプ１５Ｂ、カソードガス供給量調整ポンプ１６Ａ、出力電流検出部１７、報知装置１９に電気的に接続されており、燃料供給制御部５１を有している。

制御部５０の燃料供給制御部５１は、燃料電池１１からの出力電流の値が目標電流値となるように、燃料電池１１へ供給する燃料の量を制御する。より具体的には、例えば、燃料電池１１の起動時には、目標電流値としての１Ａの電流を燃料電池１１が出力するように、予め設定された当該１Ａの出力電流に相当する量の燃料ガスＧ１を、燃料ガス供給部１４から改質器１２へ供給するように、弁１４Ａを制御する。また、例えば、燃料電池１１の定格運転時には、目標電流値としての１５Ａの電流を燃料電池１１が出力するように、予め設定された当該１５Ａの出力電流に相当する量の燃料ガスＧ１を、燃料ガス供給部１４から改質器１２へ供給するように、弁１４Ａを制御する。

また、制御部５０の燃料供給制御部５１は、実際に燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、目標電流値に応じて変化するように設定された出力電流許容範囲に入っているか否かを判断する。燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていない場合には、報知装置１９を駆動させる制御を行う。

より具体的には、出力電流許容範囲は、予め設定されている。制御部５０の燃料供給制御部５１が、目標電流値としての１Ａ〜５Ａの間の電流を燃料電池１１が出力するように制御を行う際には、出力電流許容範囲は、当該目標電流値を基準とした当該目標電流値の−５０％を下限とする値の範囲である。具体例を挙げると、出力電流許容範囲は、目標電流値が１Ａであれば、０．５Ａ以上の値の範囲である。０．５Ａ未満では、出力電流許容範囲外となる。また、制御部５０の燃料供給制御部５１が、目標電流値としての６Ａ〜１０Ａの間の電流を燃料電池１１が出力するように制御を行う際には、出力電流許容範囲は、当該目標電流値を基準とした当該目標電流値の−２０％を下限とする範囲である。具体例を挙げると、目標電流値が６Ａであれば、４．８Ａ以上の値の範囲である。４．８Ａ未満では、出力電流許容範囲外となる。また、制御部５０の燃料供給制御部５１が、目標電流値としての１０Ａを超える電流を燃料電池１１が出力するように制御を行う際には、出力電流許容範囲は、当該目標電流値を基準とした当該目標電流値の−１０％を下限とする範囲である。具体例を挙げると、目標電流値が１０Ａであれば、９Ａ以上の値の範囲である。９Ａ未満では、出力電流許容範囲外となる。

そして、前述のように、制御部５０の燃料供給制御部５１は、出力電流検出部１７により検出された、実際に燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っているか否かを判断する。例えば、燃料電池１１からの出力電流の値が目標電流値である１Ａとなるように、燃料供給制御部５１が、燃料電池１１へ供給する燃料の量を制御しているときに、実際に燃料電池１１から出力されている出力電流の値が０．６Ａであれば、出力電流許容範囲に入っている。この場合には、制御部５０の燃料供給制御部５１は、報知装置１９の駆動を行わない。これに対して、燃料電池１１からの出力電流の値が目標電流値である１Ａとなるように、燃料供給制御部５１が、燃料電池１１へ供給する燃料の量を制御しているときに、実際に燃料電池１１から出力されている出力電流の値が０．４Ａであれば、出力電流許容範囲に入っていない。この場合には、制御部５０の燃料供給制御部５１は、報知装置１９の駆動を行う。

上述のように、出力電流許容範囲は、所定の値である目標電流値と、目標電流値に基づいて算出される所定の比率（−５０％、−２０％、−１０％）と、に基づいて設定される。そして所定の比率は、目標電流値が大きくなるにつれて、小さくなるように設定されている。また、目標電流値の変化に応じて、比率は、段階的に変化するように設定されている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１において、燃料電池１１の起動時から燃料電池１１の出力電流が徐々に大きくなり、定格運転時に至るまでの間に、制御部５０の燃料供給制御部５１が行う制御の一例について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。図２は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の燃料供給制御部５１による制御を示すフローチャートである。

燃料電池１１の起動時には、燃料電池１１の出力電流の値は小さく設定される。燃料電池１１の起動時には、制御部５０の燃料供給制御部５１は、目標電流値としての１Ａ〜５Ａの値の電流を燃料電池１１が出力するように制御を行う。即ち、燃料供給制御部５１による制御は、Ｓ１１へ進む。

ステップＳ１１において、燃料供給制御部５１は、閾値である出力電流許容範囲を決定する所定の比率を「−５０％」に設定する。そして、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２において、燃料供給制御部５１は、出力電流検出部１７により検出された、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っているか否かを判断する。ステップＳ１２において、出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていないと、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＮＯ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３において、燃料供給制御部５１は、報知装置１９を駆動して、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていない旨を報知する。そして、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１２へ戻る。

ステップＳ１２において、出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていると、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＹＥＳ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４において、燃料供給制御部５１は、目標電流値が６Ａ以上になったか否かの判断を行う。ステップＳ１４において、目標電流値が６Ａ未満であると、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＮＯ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１４において、目標電流値が６Ａ以上になっていると、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＹＥＳ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５において、燃料供給制御部５１は、閾値である出力電流許容範囲を決定する所定の比率を「−２０％」に設定する。そして、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６において、燃料供給制御部５１は、出力電流検出部１７により検出された、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っているか否かを判断する。ステップＳ１６において、出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていないと、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＮＯ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７において、燃料供給制御部５１は、報知装置１９を駆動して、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていない旨を報知する。そして、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１６へ戻る。

ステップＳ１６において、出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていると、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＹＥＳ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８において、燃料供給制御部５１は、目標電流値が１０Ａを超える値とされたか否かの判断を行う。ステップＳ１８において、目標電流値が１０Ａ以下であると、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＮＯ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１５へ戻る。ステップＳ１８において、目標電流値が１０Ａを超える値になっていると、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＹＥＳ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ１９へ進む。

ステップＳ１９において、燃料供給制御部５１は、閾値である出力電流許容範囲を決定する所定の比率を「−１０％」に設定する。そして、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０において、燃料供給制御部５１は、出力電流検出部１７により検出された、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っているか否かを判断する。

ステップＳ２０において、出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていると、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＹＥＳ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ２０へ戻る。ステップＳ２０において、出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていないと、燃料供給制御部５１が判断した場合（ＮＯ）には、燃料供給制御部５１の処理は、ステップＳ２１へ進む。ステップＳ２１において、燃料供給制御部５１は、報知装置１９を駆動して、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていない旨を報知する。

上記本実施形態の燃料電池システム１によれば、以下のような効果を得ることができる。
燃料電池システム１は、燃料電池１１と、燃料電池１１からの出力電流の値が所定の値となるように、燃料電池１１へ供給する燃料の量を制御する燃料供給制御部５１と、燃料供給制御部５１による制御により駆動される報知装置１９と、を有する。燃料供給制御部５１は、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、所定の値である目標電流値に応じて変化するように設定された出力電流許容範囲に入っているか否かを判断し、燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲に入っていない場合には、報知装置１９を駆動させる制御を行う。

このため、燃料電池１１からの出力電流の所定の値（目標電流値）の大小に応じて出力電流許容範囲の広狭も変化する。即ち、出力電流許容範囲は、当該目標電流値を基準とした当該目標電流値の−５０％、−２０％、−１０％という具合に変化する。
従来では、目標電流値が大きい場合と比較して、目標電流値が小さいときには、精度が高くないため、実際に燃料電池１１から出力されている出力電流の値が、出力電流許容範囲から外れていると誤って検出されることが多かった。
しかし、前述のように、目標電流値の大小に応じて適切な出力電流許容範囲が設定されるように出力電流許容範囲の広狭も変化するため、燃料電池１１からの実際に出力される出力電流が頻繁に出力電流許容範囲外となることを抑えることができる。この結果、不必要に報知装置１９による報知が行われることを抑えることができる。

また、出力電流許容範囲は、所定の値である目標電流値と、目標電流値に基づいて算出される所定の比率と、に基づいて設定される。所定の比率は、目標電流値が大きくなるにつれて、小さくなるように設定されている。このため、目標電流値が小さいときに、不必要に報知装置１９による報知が行われることを抑えることができる。

また、所定の値の変化に応じて、所定の比率は、段階的に変化するように設定されている。このため、目標電流値が大きくなるにつれて、段階的に広狭の異なる複数の出力電流許容範囲で対応することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。
例えば、燃料供給制御部５１による制御における、所定の比率等の各値は、本実施形態の値に限定されない。また、所定の比率は、段階的に変化するように設定されていたが、これに限定されない。また、出力電流許容範囲は、所定の値と、所定の値に基づいて算出される所定の比率と、に基づいて設定されていたが、これに限定されない。また、所定の比率は、所定の値としての目標電流値が大きくなるにつれて、小さくなるように設定されていたが、これに限定されない。例えば、出力許容範囲や所定の比率は、関数式を用いて燃料供給制御部５１が適宜算出するようにしてもよい。

１燃料電池システム
１１燃料電池
１９報知装置
５０制御部
５１燃料供給制御部
Ｇ１燃料ガス

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池からの出力電流の値が所定の値となるように、前記燃料電池へ供給する燃料の量を制御する燃料供給制御部と、
前記燃料供給制御部による制御により駆動される報知装置と、を有し、
前記燃料供給制御部は、前記燃料電池から出力されている出力電流の値が、前記所定の値に応じて変化するように設定された出力電流許容範囲に入っているか否かを判断し、前記燃料電池から出力されている出力電流の値が、前記出力電流許容範囲に入っていない場合には、前記報知装置を駆動させる制御を行い、
前記出力電流許容範囲は、前記所定の値と、前記所定の値に基づいて算出される所定の比率と、に基づいて設定され、
前記所定の比率は、前記所定の値が大きくなるにつれて、小さくなるように設定されている、燃料電池システム。
前記所定の値の変化に応じて、前記比率は、段階的に変化するように設定されている請求項１に記載の燃料電池システム。