JP6942259B2

JP6942259B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP6942259B2
Application number: JP2020536295A
Authority: JP
Inventors: 剛史小材
Original assignee: Kyocera Corp; Dainichi Co Ltd
Current assignee: Kyocera Corp; Dainichi Co Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: EP3933988A1; US11876260B2; WO2020175218A1; EP3933988A4; CN113519082A; US20220140364A1; JPWO2020175218A1

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。

従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。

国際公開第２０１１／０３７２５８号

本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと空気とで発電を行なう燃料電池と、
該燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池の中心温度を測定する温度測定部と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池が所定の温度を超えた場合に、前記燃料電池に供給する冷却のための空気量を増加するように前記空気供給装置を制御するとともに、前記所定の温度は、複数設定されており、
前記所定の温度は、
最も温度の高い第１の設定温度と、
検出された前記燃料電池の発電量が所定量未満の場合の第２の設定温度と、
検出された前記燃料電池の発電量が所定量以上の場合の設定温度であって、前記第２の設定温度よりも低い温度に設定される第３の設定温度と、を有している構成である。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。

本開示の実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す図である。外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。定格運転モードと部分負荷運転モードにおける燃料電池の温度を示すグラフである。空気増量制御を示すフローチャートである。

まず、本開示の燃料電池装置が基礎とする構成の燃料電池装置について説明する。

水素含有ガスである燃料ガスと、酸素含有ガスである空気とを用いて発電を行なう、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。このような燃料電池は、例えば、家電製品などの外部負荷が要求する電力量に対応するように、燃料ガスおよび空気の供給量を変化させて発電を行う。

以下、図面を用いて本開示の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。図１は、本開示の実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す図であり、図２は、外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。図３は、定格運転モードと部分負荷運転モードにおける燃料電池の温度を示すグラフである。図４は、空気増量制御を示すフローチャートである。

実施形態の燃料電池装置１００は、燃料ガスと空気とで発電を行なう燃料電池１１と、燃料電池１１に空気を供給する空気供給装置１３と、燃料電池１１の温度を測定する温度測定部ＴＣと、制御装置３０と、を備える。燃料電池装置１００は、複数種類の運転モードを適宜切り替えて運転することが可能に構成されている。本実施形態の運転モードには、少なくとも定格運転モードおよび部分負荷運転モード（負荷追従運転モード）が含まれる。定格運転モードは、定格の電力を発生させる運転モードである。定格の電力を発生させるために予め定める供給量に基づいて、燃料電池１１に燃料ガスおよび空気を供給し、一定の発電量となるように動作させる。部分負荷運転モードは、外部負荷の要求電力の変動に応じて発電量を変動させる運転モードである。例えば、使用する家電製品の種類、数が変動すると要求電力が変動する。この変動に応じた発電量で燃料電池を発電させる。

図１中に符号ＨＣ１で示すように、第１熱交換器２、蓄熱タンク３、冷却器５、熱媒ポンプＰ２およびこれらを繋ぐ循環流路等を有する排熱回収システムである第１の熱循環系（ヒートサイクル）を備える。図１中に符号ＨＣ２で示すように、第２熱交換器４（上水熱交換器ともいう）と、前述の蓄熱タンク３から熱媒を循環させる循環ポンプＰ３およびこれらを繋ぐ流路配管等を有する排熱回収システムである第２の熱循環系を備える。前述の蓄熱タンク３に貯留された高温の熱媒を用いて、外部から供給流路Ｋｉｎを介して供給された水道水等の水を第２熱交換器４で加温し、加温された水を外部の給湯器等の再加熱装置に向けて送給流路Ｋｏｕｔを介して送給する。

燃料電池モジュール１は、収納容器１０に収容された燃料電池１１と改質器１２とを含む。燃料電池１１は、燃料ガスと空気とで発電を行なうものであればよく、例えば、複数の燃料電池セルが配列されてなるセルスタック構造であってもよい。セルスタック構造の燃料電池１１は、各燃料電池セルの下端を、ガラスシール材等の絶縁性接合材によってマニホールドに固定して構成されている。また燃料電池１１の発電に必要な燃料ガスおよび空気は、燃料電池セルの下端側より供給される。燃料電池１１は、内部をガスが長手方向に沿って流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セルを立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル間に集電部材を介して電気的に直列に接続して構成されている。燃料電池セルとして、各種燃料電池セルが知られているが、部分負荷運転（負荷追従運転）モードを運転モードとして含む場合は、固体酸化物形燃料電池セルを用いてもよい。

燃料電池１１の温度の検出のために、燃料電池１１の温度を測定する温度測定部ＴＣが設けられる。温度測定部ＴＣとしては、熱電対など公知の測定装置を用いることができる。本実施形態では、燃料電池１１の温度の代表値として、燃料電池１１の中心位置における温度を熱電対で測定している。

燃料電池１１で発電した結果、燃料電池モジュール１から排出される排ガスは、第１熱交換器２で、第１熱交換器２内を流れる水等の熱媒または冷媒との間で熱交換される。この際、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が生じる。生じた凝縮水は、凝縮水流路Ｃを経由して回収され、改質水タンク６に貯留される。改質水タンク６の容量を超える凝縮水が生じた場合は、改質水タンク６からオーバーフローさせ、排水流路Ｄを経て排水される。

水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Ｅを介して、燃料電池装置の外に排気される。また、改質水タンク６に貯水された改質水は、改質水流路Ｒおよび改質水ポンプＰ１を介して、燃料電池モジュール１内の改質器１２に供給され、原燃料ガスの水蒸気改質に利用される。

燃料電池モジュール１での発電に用いられる空気は、ブロアＢ２と空気流路である配管Ｆとを含む空気供給装置１３によって燃料電池１１に導入される。原燃料ガスは、燃料ガスポンプＢ１と原燃料ガス流路である配管Ｇとを介して、改質水流路Ｒを経由した改質水とともに、改質器１２に導入される。

燃料電池装置１００は、発電および給湯などを行う場合に必要となる各種の構成をさらに備えていてもよい。上記に示した各構成は、一例であって、後述の空気増量制御に必要な構成以外は、任意の構成である。

燃料電池装置１００は、前述の燃料電池モジュール１等の他、その発電運転を補助する補機として、パワーコンディショナ２０、制御装置３０、表示装置や操作パネルを含む操作基板４０等を備える。そして、燃料電池装置１００は、例えば、図２に示すような、各フレーム５１と各外装パネル５２とからなるケース５０の中に配設されている。

そして、燃料電池装置１００は、以下に詳細に述べるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサおよび記憶装置等を含む制御装置３０を備える。

種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および／もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。

１つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって１以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、１以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続きまたは処理を実行するように構成された、ファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。

種々の実施形態によれば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。

制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置３０が行う本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、本実施形態において、制御装置３０は特に、燃料電池装置に繋がる外部装置の指示、指令や、先に述べた各種センサの指示や計測値にもとづいて、燃料ガスポンプＢ１等の各種補機を制御する。図では、制御装置３０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。

図示しない記憶装置は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置は、処理結果を一時的に記憶する作業領域として利用してもよい。記憶装置は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体等の任意の非一時的（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでいてもよい。また、記憶装置は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置は、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。

なお、燃料電池装置の制御装置３０および記憶装置は、燃料電池装置１００の外部に有する構成として実現することもできる。さらに、本開示に係る制御装置３０における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。

ここで、定格運転モードと部分負荷運転モードにおける、燃料電池１１の温度について簡単に説明する。図３は、定格運転モードと部分負荷運転モードにおける燃料電池の温度を示すグラフである。本実施形態の燃料電池１１は、柱状の燃料電池セルを立設させた状態で配列したセルスタック構造とし、燃料ガスおよび空気は燃料電池１１の下端側より供給される構造を例とする。定格運転モードでは、部分負荷運転モードに比べて燃料ガスおよび空気の供給量が多く、立設された燃料電池セルの先端部分での発電量が多いので、先端部分での温度が高くなる。すなわち、燃料電池セルの根本部分から先端部分にかけての温度勾配が大きくなる。一方、部分負荷運転モードでは、燃料ガスおよび空気の供給量が比較的少なく、立設された燃料電池セルの根元部分が空気によって冷却されないため、定格運転モードに比べて根元部分の温度が高くなる。さらに、燃料電池セルの先端部分での発電量は定格運転モードに比べて少ないので、先端部分の温度は低くなる。すなわち、燃料電池セルの根本部分から先端部分にかけての温度勾配が小さくなる。このような温度勾配が生じることにより、燃料電池１１の代表値として測定される燃料電池１１の中心位置の温度（中心温度）は、部分負荷運転モードの方が、定格運転モードよりも発電量が少ないにもかかわらず、高温となっている。発電量が多いほど中心温度が高いとの想定で、燃料電池１１の冷却のために空気の供給量を変動させると、十分に冷却することができない、過剰に冷却してしまうなどの問題が生じることになる。

燃料電池装置１００において、燃料電池１１の温度が所定の温度（閾値温度）を超えた場合に、燃料電池１１に供給する空気量を増加するように空気供給装置１３を制御するが、一律に一つの閾値温度で判断すると、運転モードの違いによる温度分布によって上記のような問題が生じてしまう。本実施形態では、閾値温度を複数設定することにより、運転モードが異なる場合でも適切に燃料電池１１を冷却することができるように構成されている。これにより、燃料電池装置１００は、耐久性が低下することを抑制することができる。なお、本実施形態では、運転モードの違いが発電量の違いに反映され、発電量は電流値によって検出されるものとする。

図３は、空気増量制御を示すフローチャートである。フローチャートでは、「ステップ」を「Ｓ」と略称するとともに、チャート内においては、判断制御における「正」（コンピュータフラグ＝１）を［Ｙｅｓ］で、「否」（コンピュータフラグ＝０ゼロ）を［Ｎｏ］で表している。

燃料電池装置１００の制御においては、〔スタート〕の前に、温度測定部ＴＣによって燃料電池２２の中心温度が、連続して測定されている。ここで測定される中心温度は、空気増量制御以外の制御において用いられてもよい。本実施形態の空気増量制御がスタートすると、制御装置３０は、燃料電池１１の中心温度の監視を開始する。

また、燃料電池装置１００は、発電量の増減に伴って空気供給装置１３を制御し、空気利用率Ｕａを適宜変更する。ここで空気利用率Ｕａは、燃料電池１１に供給される空気量に対する燃料電池１１の発電に用いられる空気量の割合であり、発電時には標準値である第１の利用率Ｕａ１が適応される。

〔Ｓ１〕において、中心温度が第１の設定温度Ｈ１を超えるかどうかを判断する。第１の設定温度Ｈ１は、第２の設定温度Ｈ２および第３の設定温度Ｈ３を含めて最も高い温度であり、燃料電池１１の運転上限温度である。第２の設定温度Ｈ２は、燃料電池１１の発電量が所定量未満の場合の設定温度、すなわち、部分負荷運転モードに対応する設定温度である。第３の設定温度Ｈ３は、燃料電池１１の発電量が所定量以上の場合の設定温度、すなわち、定格運転モードに対応する設定温度であって、第２の設定温度Ｈ２よりも低い設定温度としている。本実施形態において、例えば、Ｈ１は、７２０℃であり、Ｈ２は、６９０℃であり、Ｈ３は、６６０℃である。

中心温度が第１の設定温度Ｈ１を超える［Ｙｅｓ］場合、速やかに燃料電池１１の温度を低下させる必要がある。そこで、制御装置３０は、〔Ｓ２〕において、空気利用率Ｕａを標準値である第１の利用率Ｕａ１よりも低く設定された第２の利用率Ｕａ２とする。燃料電池１１の冷却のために、燃料電池１１に供給される空気量を増加させたとしても、発電に用いられる空気量はほぼ変化しないので、空気利用率Ｕａは低くなる。すなわち、〔Ｓ２〕においては、燃料電池１１に供給する空気量を増加するように空気供給装置１３を制御している。

中心温度が第１の設定温度Ｈ１以下［Ｎｏ］の場合は、〔Ｓ３〕において、中心温度が第１の設定温度Ｈ１以下を継続する継続時間が所定時間Ｔを超えるかどうかを判断する。継続時間がＴを超えない［Ｙｅｓ］場合、〔Ｓ１〕に戻る。一方、継続時間がＴを超える［Ｎｏ］場合、制御装置３０は、燃料電池１１の発電量を検出し、発電量が所定量以上であるかどうかを判断する。具体的には、発電量として燃料電池１１から出力される電流値を測定し、所定の電流値Ａ１以上であるかどうかを判断する。また、本実施形態において、継続時間Ｔは、例えば２分間である。

〔Ｓ４〕において、電流値がＡ１未満［Ｎｏ］の場合、〔Ｓ５〕において、中心温度が第２の設定温度Ｈ２を超えるかどうかを判断する。中心温度が第２の設定温度Ｈ２を超える［Ｙｅｓ］場合、制御装置３０は、〔Ｓ９〕において、空気利用率が第２の利用率Ｕａ２であるかどうかを判断する。空気利用率がＵａ２でない［Ｎｏ］場合、空気利用率を第２の利用率Ｕａ２に近付けるために、〔Ｓ１０〕において、空気利用率を１段階低下させる。すなわち、部分負荷運転モードの場合は、中心温度がＨ２を超える場合に、冷却のために空気の供給量を増加させる。

一方、〔Ｓ４〕において、電流値がＡ１以上［Ｙｅｓ］の場合、〔Ｓ６〕において、中心温度が第３の設定温度Ｈ３を超えるかどうかを判断する。中心温度が第３の設定温度Ｈ３を超える［Ｙｅｓ］場合、制御装置３０は、〔Ｓ９〕において、空気利用率が第２の利用率Ｕａ２であるかどうかを判断する。空気利用率がＵａ２でない［Ｎｏ］場合、空気利用率を第２の利用率Ｕａ２に近付けるために、〔Ｓ１０〕において、空気利用率を１段階低下させる。すなわち、定格運転モードの場合は、中心温度がＨ２よりも低いＨ３を超える場合に、冷却のために空気の供給量を増加させる。

なお、〔Ｓ９〕において、空気利用率が第２の利用率Ｕａ２である［Ｙｅｓ］場合、空気利用率は変更せずに維持して〔Ｓ１〕に戻る。つまり、空気利用率は、第２の利用率Ｕａ２を下限値として、段階的に低下するよう制御される。

〔Ｓ５〕において、中心温度が第２の設定温度Ｈ２以下［Ｎｏ］の場合、または〔Ｓ６〕において、中心温度が第３の設定温度Ｈ３以下［Ｎｏ］の場合、制御装置３０は、〔Ｓ７〕において、空気利用率が標準値である第１の利用率Ｕａ１であるかどうかを判断する。空気利用率がＵａ１でない［Ｎｏ］場合、〔Ｓ８〕において、空気利用率を１段階増加させる。すなわち、部分負荷運転モードまたは定格運転モードにおいて、中心温度が閾値温度以下であって、現在の空気利用率が標準値でない場合は、空気供給量を減少させて、空気利用率を標準値に戻すように制御する。つまり、空気利用率は、標準値である第１の利用率Ｕａ１を上限値として、段階的に増加するよう制御される。

〔Ｓ７〕において、空気利用率がＵａ１である［Ｙｅｓ］場合、空気利用率を変更せずに維持して〔Ｓ１〕に戻る。

本開示は次の実施の形態が可能である。

本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと空気とで発電を行なう燃料電池と、
該燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池が所定の温度を超えた場合に、前記燃料電池に供給する空気量を増加するように前記空気供給装置を制御するとともに、前記所定の温度は、複数設定されている構成である。

本開示の燃料電池装置によれば、耐久性が低下することを抑制することができる。

本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

１１燃料電池
１３空気供給装置
３０制御装置
１００燃料電池装置
ＴＣ温度測定部

Claims

燃料ガスと空気とで発電を行なう燃料電池と、
該燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池の中心温度を測定する温度測定部と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池が所定の温度を超えた場合に、前記燃料電池に供給する冷却のための空気量を増加するように前記空気供給装置を制御するとともに、前記所定の温度は、複数設定されており、
前記所定の温度は、
最も温度の高い第１の設定温度と、
検出された前記燃料電池の発電量が所定量未満の場合の第２の設定温度と、
検出された前記燃料電池の発電量が所定量以上の場合の設定温度であって、前記第２の設定温度よりも低い温度に設定される第３の設定温度と、を有している燃料電池装置。
前記制御装置は、前記燃料電池の温度が前記第１の設定温度を超える場合には、前記燃料電池に供給する空気量を増加するように前記空気供給装置を制御し、前記第１の設定温度を超えない場合には、前記第１の設定温度以下を継続する継続時間が所定時間を超える場合に、前記燃料電池の発電量を検出する、請求項１に記載の燃料電池装置。
前記燃料電池に供給される空気量に対する前記燃料電池の発電に用いられる空気量の割合である空気利用率の標準値である第１の利用率が設定されており、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電量が所定量未満であり、前記燃料電池の温度が、前記第２の設定温度を超える場合、前記空気利用率を低下する、請求項２に記載の燃料電池装置。
前記燃料電池に供給される空気量に対する前記燃料電池の発電に用いられる空気量の割合である空気利用率の標準値である第１の利用率が設定されており、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電量が所定量以上であり、前記燃料電池の温度が、前記第３の設定温度を超える場合、前記空気利用率を低下する、請求項２に記載の燃料電池装置。
前記第１の利用率より低い第２の利用率が設定されており、
前記制御装置は、前記燃料電池の温度が、前記第１の設定温度を超える場合に、前記空気利用率を前記第２の利用率にする制御を行い、前記燃料電池の発電量が所定量未満の場合であって、前記燃料電池の温度が、前記第２の設定温度を超える場合、または、前記燃料電池の発電量が所定量以上の場合であって、前記燃料電池の温度が、前記第３の設定温度を超える場合は、前記空気利用率を前記第２の利用率を下限として段階的に低下する制御を行う、請求項３または４に記載の燃料電池装置。
前記制御装置は、前記燃料電池の発電量が所定量未満の場合であって、前記燃料電池の温度が、前記第２の設定温度以下である場合、または、前記燃料電池の発電量が所定量以上の場合であって、前記燃料電池の温度が、前記第３の設定温度以下である場合、であって、前記空気利用率が、前記第１の利用率ではない場合に、前記空気利用率を増加する、請求項５記載の燃料電池装置。