JPH06231792A - 燃料電池システムとその制御方法 - Google Patents
燃料電池システムとその制御方法Info
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- JPH06231792A JPH06231792A JP5017225A JP1722593A JPH06231792A JP H06231792 A JPH06231792 A JP H06231792A JP 5017225 A JP5017225 A JP 5017225A JP 1722593 A JP1722593 A JP 1722593A JP H06231792 A JPH06231792 A JP H06231792A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 燃料電池の急激な負荷低下などによるアノー
ド排ガスの発熱量の変化を迅速に検出して、改質器の燃
焼部の保護を図ること。 【構成】 負荷制御装置９には天然ガス量、スチーム
量、改質器反応部３での反応圧力、改質器反応部３の出
口温度と燃料電池アノード４とカソード５の間の電流、
電圧のデータが取り込まれ、これらを演算することによ
り、アノード排ガスの発熱量を算出し、この値が適正値
になるように制御する。前記発熱量が改質器燃焼部８の
触媒保護のための設定温度相当となる値以上になった場
合、まず燃焼用空気流量調節弁７の開度を上げ空気供給
量を増加することにより改質器燃焼部８でのアノード排
ガスの燃焼温度の上昇を抑える。燃料電池のアノード、
カソードの各電極間に流れる電流は、燃料電池における
反応量（＝Ｈ2消費量）に比例するため、アノード排ガ
スの発熱量をリアルタイムに算出でき、また燃焼式熱量
計の検知限界以下の発熱量も算出できる。
ド排ガスの発熱量の変化を迅速に検出して、改質器の燃
焼部の保護を図ること。 【構成】 負荷制御装置９には天然ガス量、スチーム
量、改質器反応部３での反応圧力、改質器反応部３の出
口温度と燃料電池アノード４とカソード５の間の電流、
電圧のデータが取り込まれ、これらを演算することによ
り、アノード排ガスの発熱量を算出し、この値が適正値
になるように制御する。前記発熱量が改質器燃焼部８の
触媒保護のための設定温度相当となる値以上になった場
合、まず燃焼用空気流量調節弁７の開度を上げ空気供給
量を増加することにより改質器燃焼部８でのアノード排
ガスの燃焼温度の上昇を抑える。燃料電池のアノード、
カソードの各電極間に流れる電流は、燃料電池における
反応量（＝Ｈ2消費量）に比例するため、アノード排ガ
スの発熱量をリアルタイムに算出でき、また燃焼式熱量
計の検知限界以下の発熱量も算出できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池システムに係わ
り、特に、アノード排ガス発熱量の変動から改質器燃焼
部を保護するのに好適な燃料電池システムに関する。
り、特に、アノード排ガス発熱量の変動から改質器燃焼
部を保護するのに好適な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の燃料電池システムの構造を図５に
示す。改質原料の天然ガス（炭化水素）とスチームは流
量調節弁１、２で流量を調節された後、改質器反応部３
に入り、改質触媒（図示せず）の作用で水素リッチの改
質ガスになる。改質ガスは燃料電池のアノード４に供給
される。燃料電池カソード５には空気が供給されるの
で、燃料電池アノード４の改質ガス中の水素と電池カソ
ード５の空気中の酸素とが電気化学反応を起こして直流
電力が発生する。発生した直流電力はインバータ６によ
り交流電力に変換される。また、燃料電池アノード４か
ら出る未反応のＨ2を含むアノード排ガスは、アノード
排ガス配管１６を通って改質器燃焼部８に供給されて燃
焼し、改質器反応部３に反応熱を与える。一方、外部よ
り供給された空気は空気配管２４を通って改質器燃焼部
８へ供給され、アノード排ガスの燃焼用の酸素源として
利用されるものと、空気配管２５を経由して電池カソー
ド５へ供給され、酸素源として利用されるものがある。
改質器燃焼部８において可燃分としてのＨ2を含むアノ
ード排ガスと空気配管２４を通って供給された空気は燃
焼し、燃焼ガスは空気配管２５から供給される空気と合
流し電池カソード５に供給される。一般に、アノード排
ガスは４００〜１５００ｋｃａｌ／ｍ3Ｎの低カロリー
ガスであるため改質器燃焼部８でのアノード排ガスの燃
焼には燃焼触媒が用いられる。
示す。改質原料の天然ガス（炭化水素）とスチームは流
量調節弁１、２で流量を調節された後、改質器反応部３
に入り、改質触媒（図示せず）の作用で水素リッチの改
質ガスになる。改質ガスは燃料電池のアノード４に供給
される。燃料電池カソード５には空気が供給されるの
で、燃料電池アノード４の改質ガス中の水素と電池カソ
ード５の空気中の酸素とが電気化学反応を起こして直流
電力が発生する。発生した直流電力はインバータ６によ
り交流電力に変換される。また、燃料電池アノード４か
ら出る未反応のＨ2を含むアノード排ガスは、アノード
排ガス配管１６を通って改質器燃焼部８に供給されて燃
焼し、改質器反応部３に反応熱を与える。一方、外部よ
り供給された空気は空気配管２４を通って改質器燃焼部
８へ供給され、アノード排ガスの燃焼用の酸素源として
利用されるものと、空気配管２５を経由して電池カソー
ド５へ供給され、酸素源として利用されるものがある。
改質器燃焼部８において可燃分としてのＨ2を含むアノ
ード排ガスと空気配管２４を通って供給された空気は燃
焼し、燃焼ガスは空気配管２５から供給される空気と合
流し電池カソード５に供給される。一般に、アノード排
ガスは４００〜１５００ｋｃａｌ／ｍ3Ｎの低カロリー
ガスであるため改質器燃焼部８でのアノード排ガスの燃
焼には燃焼触媒が用いられる。
【０００３】上記燃料電池発電システムにおける負荷制
御は、負荷指令を受けた負荷制御装置９が改質器反応部
３に供給される天然ガス量、スチーム量をそれぞれの供
給量調節弁１、２により制御し、また、改質器燃焼部８
へ供給される空気量を調節弁７により制御することによ
り行われる。一方、アノード排ガスの発熱量は、負荷お
よび電池本体の使用環境によって大きく変化するため、
アノード排ガス配管１６に設けられた熱量計１３によっ
てその発熱量を監視し、発熱量の変動に伴って燃料（ア
ノード排ガス）を絞り込むことあるいは改質器燃焼部８
へ天然ガス等を別個に供給する助燃が行われている。
御は、負荷指令を受けた負荷制御装置９が改質器反応部
３に供給される天然ガス量、スチーム量をそれぞれの供
給量調節弁１、２により制御し、また、改質器燃焼部８
へ供給される空気量を調節弁７により制御することによ
り行われる。一方、アノード排ガスの発熱量は、負荷お
よび電池本体の使用環境によって大きく変化するため、
アノード排ガス配管１６に設けられた熱量計１３によっ
てその発熱量を監視し、発熱量の変動に伴って燃料（ア
ノード排ガス）を絞り込むことあるいは改質器燃焼部８
へ天然ガス等を別個に供給する助燃が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来システム
の方式では、改質器燃焼部８の保護、特に該燃焼部８の
触媒の保護のためのアノード排ガス発熱量の監視、制御
が十分でなかった。すなわち、前記燃料電池システム運
転中に最も問題となるのは、運転中の燃料電池の急激な
負荷低下などにより、アノード排ガス中のＨ2が増加
し、改質器燃焼部８で発熱量が急増することである。こ
の発熱量の急増により改質器燃焼部８の温度は燃焼触媒
の耐熱限界１０００℃を大きく越えて上昇し、燃焼触媒
は短時間のうちに劣化する。
の方式では、改質器燃焼部８の保護、特に該燃焼部８の
触媒の保護のためのアノード排ガス発熱量の監視、制御
が十分でなかった。すなわち、前記燃料電池システム運
転中に最も問題となるのは、運転中の燃料電池の急激な
負荷低下などにより、アノード排ガス中のＨ2が増加
し、改質器燃焼部８で発熱量が急増することである。こ
の発熱量の急増により改質器燃焼部８の温度は燃焼触媒
の耐熱限界１０００℃を大きく越えて上昇し、燃焼触媒
は短時間のうちに劣化する。
【０００５】しかし、既存のアノード排ガス発熱量を検
出する熱量計１３である燃焼式のガスメータとガスクロ
マトグラフィは各々下記の欠点を有している。すなわ
ち、燃焼式のガスメータは検知しうる最低発熱量が７０
０ｋｃａｌ／ｍ3Ｎ程度であり、発熱量が４００〜６０
０ｋｃａｌ／ｍ3Ｎであるアノード排ガスを使用するシ
ステムにおいては、ガスの発熱量を正確に検知できな
い。また、ガスクロマトグラフィは、ガス組成の検出に
最低９０秒ほどかかり、このため、燃料電池システムの
急激な負荷変化時（１０％／分〜２５％／分）において
は、９０秒毎のデータしか測定できず、９０秒のサンプ
リングサイクルの中間に発生する組成変動には対応でき
ない。そこで本発明の目的は燃料電池の急激な負荷低下
などによるアノード排ガスの発熱量の変化を迅速に検出
して、改質器の燃焼部の保護を図ることである。
出する熱量計１３である燃焼式のガスメータとガスクロ
マトグラフィは各々下記の欠点を有している。すなわ
ち、燃焼式のガスメータは検知しうる最低発熱量が７０
０ｋｃａｌ／ｍ3Ｎ程度であり、発熱量が４００〜６０
０ｋｃａｌ／ｍ3Ｎであるアノード排ガスを使用するシ
ステムにおいては、ガスの発熱量を正確に検知できな
い。また、ガスクロマトグラフィは、ガス組成の検出に
最低９０秒ほどかかり、このため、燃料電池システムの
急激な負荷変化時（１０％／分〜２５％／分）において
は、９０秒毎のデータしか測定できず、９０秒のサンプ
リングサイクルの中間に発生する組成変動には対応でき
ない。そこで本発明の目的は燃料電池の急激な負荷低下
などによるアノード排ガスの発熱量の変化を迅速に検出
して、改質器の燃焼部の保護を図ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、改質装置の反応部
に改質原料とスチームを供給して水蒸気改質反応により
水素を発生させ、該改質装置反応部で発生した水素を燃
料電池のアノードに供給してカソードに供給される酸素
との反応により電力を発生させ、燃料電池の生成する未
反応のＨ2を主可燃成分とする電池アノード排ガスを改
質装置燃焼部へ供給する燃料電池システムにおいて、改
質装置反応部へ供給される改質原料供給量とスチーム供
給量、改質装置反応部の出口温度、改質反応圧力、燃料
電池で発生する直流電流量、燃料電池のアノードとカソ
ード間電圧の各々を検出値に基づき、改質装置燃焼部入
口のアノード排ガスの発熱量を算出し、該発熱量算出値
が大きく設定値を上回る場合には、改質装置燃焼部へ供
給する空気量を増加するかあるいは電池アノード排ガス
供給量を絞り込む操作の少なくともいずれかの操作を行
う燃料電池システムの制御方法である。ここで、改質装
置反応部への改質原料供給量とスチーム供給量、改質反
応部の反応温度、反応圧力をデータとして平衡計算によ
り改質ガス量および発生Ｈ2ガス量を算出し、その後、
燃料電池のアノードとカソード間の電流、電圧データを
もとに発電により移動する電子数および消費されるＨ2
の量を算出し、最後に先に算出した改質ガス量、発生Ｈ
2量と消費Ｈ2量より、アノード排ガス量およびアノード
排ガス発熱量を算出する制御方法とすることができる。
前記燃料電池システムの制御方法に加えて、燃焼式熱量
計またはガスクロマトグラフィによる燃料電池アノード
排ガスの発熱量の検出値も用いて改質装置燃焼部へ供給
する空気量を増加するかあるいは改質装置反応部への燃
料量を絞り込む操作を行う制御方法としても良い。
構成によって達成される。すなわち、改質装置の反応部
に改質原料とスチームを供給して水蒸気改質反応により
水素を発生させ、該改質装置反応部で発生した水素を燃
料電池のアノードに供給してカソードに供給される酸素
との反応により電力を発生させ、燃料電池の生成する未
反応のＨ2を主可燃成分とする電池アノード排ガスを改
質装置燃焼部へ供給する燃料電池システムにおいて、改
質装置反応部へ供給される改質原料供給量とスチーム供
給量、改質装置反応部の出口温度、改質反応圧力、燃料
電池で発生する直流電流量、燃料電池のアノードとカソ
ード間電圧の各々を検出値に基づき、改質装置燃焼部入
口のアノード排ガスの発熱量を算出し、該発熱量算出値
が大きく設定値を上回る場合には、改質装置燃焼部へ供
給する空気量を増加するかあるいは電池アノード排ガス
供給量を絞り込む操作の少なくともいずれかの操作を行
う燃料電池システムの制御方法である。ここで、改質装
置反応部への改質原料供給量とスチーム供給量、改質反
応部の反応温度、反応圧力をデータとして平衡計算によ
り改質ガス量および発生Ｈ2ガス量を算出し、その後、
燃料電池のアノードとカソード間の電流、電圧データを
もとに発電により移動する電子数および消費されるＨ2
の量を算出し、最後に先に算出した改質ガス量、発生Ｈ
2量と消費Ｈ2量より、アノード排ガス量およびアノード
排ガス発熱量を算出する制御方法とすることができる。
前記燃料電池システムの制御方法に加えて、燃焼式熱量
計またはガスクロマトグラフィによる燃料電池アノード
排ガスの発熱量の検出値も用いて改質装置燃焼部へ供給
する空気量を増加するかあるいは改質装置反応部への燃
料量を絞り込む操作を行う制御方法としても良い。
【０００７】また、本発明の上記目的は次の構成によっ
ても達成される。すなわち、改質装置の反応部に改質原
料とスチームを供給して水蒸気改質反応により水素を発
生させ、該改質装置反応部で発生した水素を燃料電池の
アノードに供給してカソードに供給される酸素との反応
により電力を発生させ、燃料電池の生成する未反応のＨ
2を主可燃成分とする電池アノード排ガスを改質装置燃
焼部へ供給する燃料電池システムにおいて、アノード排
ガスに既知発熱量の増熱ガスを添加し、熱量計の検出限
界以上のアノード排ガス発熱量とし、さらにこの増熱ア
ノード排ガス発熱量の検出値をバックアップするため
に、改質装置反応部へ供給される改質原料供給量とスチ
ーム供給量、改質装置反応部の出口温度、改質反応圧
力、燃料電池で発生する直流電流量、燃料電池のアノー
ドとカソード間電圧の各々を検出値に基づき、改質装置
燃焼部入口のアノード排ガスの発熱量を算出し、前記両
方のアノード排ガスの発熱量のうち、主として前記増熱
アノード排ガス発熱量が大きく設定値を上回る場合に
は、改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加するかある
いは改質装置反応部への燃料量を絞り込む操作の少なく
ともいずれかの操作を行う燃料電池システムの制御方法
である。
ても達成される。すなわち、改質装置の反応部に改質原
料とスチームを供給して水蒸気改質反応により水素を発
生させ、該改質装置反応部で発生した水素を燃料電池の
アノードに供給してカソードに供給される酸素との反応
により電力を発生させ、燃料電池の生成する未反応のＨ
2を主可燃成分とする電池アノード排ガスを改質装置燃
焼部へ供給する燃料電池システムにおいて、アノード排
ガスに既知発熱量の増熱ガスを添加し、熱量計の検出限
界以上のアノード排ガス発熱量とし、さらにこの増熱ア
ノード排ガス発熱量の検出値をバックアップするため
に、改質装置反応部へ供給される改質原料供給量とスチ
ーム供給量、改質装置反応部の出口温度、改質反応圧
力、燃料電池で発生する直流電流量、燃料電池のアノー
ドとカソード間電圧の各々を検出値に基づき、改質装置
燃焼部入口のアノード排ガスの発熱量を算出し、前記両
方のアノード排ガスの発熱量のうち、主として前記増熱
アノード排ガス発熱量が大きく設定値を上回る場合に
は、改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加するかある
いは改質装置反応部への燃料量を絞り込む操作の少なく
ともいずれかの操作を行う燃料電池システムの制御方法
である。
【０００８】また、本発明の上記目的は次の構成によっ
ても達成される。すなわち、水蒸気改質反応により水素
を発生させるための改質原料とスチームを導入する改質
装置反応部と、該改質装置反応部で発生した水素と酸素
の反応により化学的発電により電力を発生する燃料電池
と、該燃料電池から生成する未反応のＨ2を主可燃成分
とする電池アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給する
循環流路を備えた燃料電池システムにおいて、改質装置
反応部への改質原料供給量とスチーム供給量、改質装置
反応部の出口温度、改質反応圧力、燃料電池で発生する
直流電流量、燃料電池のアノードとカソード間電圧の各
々の検出手段と、該各々の検出手段の検出値に基づき、
改質装置燃焼部入口のアノード排ガスの発熱量を算出す
るアノード排ガス発熱量算出手段と、該発熱量が大きく
設定値を上回る場合には、改質装置燃焼部へ供給する空
気量を増加するかあるいは改質装置反応部への燃料量を
絞り込む操作の少なくともいずれかの操作を行う制御手
段を備えた燃料電池システムである。
ても達成される。すなわち、水蒸気改質反応により水素
を発生させるための改質原料とスチームを導入する改質
装置反応部と、該改質装置反応部で発生した水素と酸素
の反応により化学的発電により電力を発生する燃料電池
と、該燃料電池から生成する未反応のＨ2を主可燃成分
とする電池アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給する
循環流路を備えた燃料電池システムにおいて、改質装置
反応部への改質原料供給量とスチーム供給量、改質装置
反応部の出口温度、改質反応圧力、燃料電池で発生する
直流電流量、燃料電池のアノードとカソード間電圧の各
々の検出手段と、該各々の検出手段の検出値に基づき、
改質装置燃焼部入口のアノード排ガスの発熱量を算出す
るアノード排ガス発熱量算出手段と、該発熱量が大きく
設定値を上回る場合には、改質装置燃焼部へ供給する空
気量を増加するかあるいは改質装置反応部への燃料量を
絞り込む操作の少なくともいずれかの操作を行う制御手
段を備えた燃料電池システムである。
【０００９】
【作用】燃料電池のアノード、カソードの各電極間に流
れる電流は、燃料電池における反応量（＝Ｈ2消費量）
に比例するため、アノード排ガスの発熱量をリアルタイ
ムに算出でき、また燃焼式熱量計の検知限界以下の発熱
量も算出できる。
れる電流は、燃料電池における反応量（＝Ｈ2消費量）
に比例するため、アノード排ガスの発熱量をリアルタイ
ムに算出でき、また燃焼式熱量計の検知限界以下の発熱
量も算出できる。
【００１０】
【実施例】本発明の一実施例を図面とともに説明する。
本実施例の燃料電池システムを図１に示す。図１に示す
燃料電池システムにおける部材で図５に示す従来の燃料
電池システムの部材と同一のものはそれぞれ同一符号を
付し、その説明は省略する。図１の燃料電池システムの
燃料電池アノード４とカソード５の間には電流計１１と
電圧計１２が設置されており、これらの測定データは負
荷制御装置９に取り込まれる。また、改質器反応部３の
出口温度を検出する温度計１０が改質器反応部３の出口
部に設けられ、改質器反応部３へ供給する天然ガスとス
チームの合流する配管部であって改質器反応部３の入口
近傍に圧力計元弁１４を備えた圧力計１５が設けられ
る。負荷制御装置９には天然ガス量、スチーム量、改質
器反応部３での反応圧力、改質器反応部３の出口温度と
燃料電池アノード４とカソード５の間の電流、電圧のデ
ータが取り込まれ、これらを演算することにより、アノ
ード排ガスの発熱量を算出し、この値が適正値になるよ
うに制御する。前記発熱量による計算燃焼温度が改質器
燃焼部８の触媒保護のための設定温度相当となる値以上
になった場合、まず燃焼用空気流量調節弁７の開度を上
げ空気供給量を増加することにより改質器燃焼部８での
アノード排ガスの燃焼温度の上昇を抑える。そこで、燃
焼用空気供給量の操作だけで改質器燃焼部８の温度上昇
抑制に対応できない場合、燃料量の絞り込みの操作を行
う。通常、改質器燃焼部８の温度制御には燃焼温度のＴ
ＩＣが用いられるが、アノード排ガス発熱量が急増し、
上記の設定値以上になった場合、燃焼用空気供給量の制
御はＴＩＣ（改質器燃焼部８のアノード排ガス供給量制
御）に優先して行われ、アノード排ガス発熱量が正常に
なった後、ＴＩＣを復活させる。
本実施例の燃料電池システムを図１に示す。図１に示す
燃料電池システムにおける部材で図５に示す従来の燃料
電池システムの部材と同一のものはそれぞれ同一符号を
付し、その説明は省略する。図１の燃料電池システムの
燃料電池アノード４とカソード５の間には電流計１１と
電圧計１２が設置されており、これらの測定データは負
荷制御装置９に取り込まれる。また、改質器反応部３の
出口温度を検出する温度計１０が改質器反応部３の出口
部に設けられ、改質器反応部３へ供給する天然ガスとス
チームの合流する配管部であって改質器反応部３の入口
近傍に圧力計元弁１４を備えた圧力計１５が設けられ
る。負荷制御装置９には天然ガス量、スチーム量、改質
器反応部３での反応圧力、改質器反応部３の出口温度と
燃料電池アノード４とカソード５の間の電流、電圧のデ
ータが取り込まれ、これらを演算することにより、アノ
ード排ガスの発熱量を算出し、この値が適正値になるよ
うに制御する。前記発熱量による計算燃焼温度が改質器
燃焼部８の触媒保護のための設定温度相当となる値以上
になった場合、まず燃焼用空気流量調節弁７の開度を上
げ空気供給量を増加することにより改質器燃焼部８での
アノード排ガスの燃焼温度の上昇を抑える。そこで、燃
焼用空気供給量の操作だけで改質器燃焼部８の温度上昇
抑制に対応できない場合、燃料量の絞り込みの操作を行
う。通常、改質器燃焼部８の温度制御には燃焼温度のＴ
ＩＣが用いられるが、アノード排ガス発熱量が急増し、
上記の設定値以上になった場合、燃焼用空気供給量の制
御はＴＩＣ（改質器燃焼部８のアノード排ガス供給量制
御）に優先して行われ、アノード排ガス発熱量が正常に
なった後、ＴＩＣを復活させる。
【００１１】上記制御システムの作動原理を次に説明す
る。燃料電池の基本的な反応原理は下記の２式で示され
る。 （１）アノード４での反応： Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （２）カソード５での反応： ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ アノード４において水素（Ｈ2）が水素イオン（２Ｈ+）
に変化するときに出る電子（ｅ-）の流れが電流として
取り出されるのが燃料電池の原理であるが、１アンペア
・秒の電荷が流れる時に電子は６．２４×１０18個流れ
ることになり、この時、Ｈ2は０．０１８６６ｍｏｌ消
費される。この原理に基づき、図２に示す計算手順によ
りアノード排ガスの発熱量を推算することができる。ま
ず、改質器反応部３入口の天然ガス量とスチーム量と改
質反応圧力、改質反応温度から改質反応転化率を次のよ
うにして計算して、改質ガス組成割合を算出する（ステ
ップ１〜５）。なお、転化率の計算式は次式の通りであ
る。 転化率＝１−改質ガス中の未反応ＣＨ4ｍｏｌ数／原料
炭化水素中のＣｍｏｌ数
る。燃料電池の基本的な反応原理は下記の２式で示され
る。 （１）アノード４での反応： Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （２）カソード５での反応： ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ アノード４において水素（Ｈ2）が水素イオン（２Ｈ+）
に変化するときに出る電子（ｅ-）の流れが電流として
取り出されるのが燃料電池の原理であるが、１アンペア
・秒の電荷が流れる時に電子は６．２４×１０18個流れ
ることになり、この時、Ｈ2は０．０１８６６ｍｏｌ消
費される。この原理に基づき、図２に示す計算手順によ
りアノード排ガスの発熱量を推算することができる。ま
ず、改質器反応部３入口の天然ガス量とスチーム量と改
質反応圧力、改質反応温度から改質反応転化率を次のよ
うにして計算して、改質ガス組成割合を算出する（ステ
ップ１〜５）。なお、転化率の計算式は次式の通りであ
る。 転化率＝１−改質ガス中の未反応ＣＨ4ｍｏｌ数／原料
炭化水素中のＣｍｏｌ数
【００１２】次に、天然ガス量とスチーム量から生成し
た改質ガス量を計算し（ステップ６）、次いで、ステッ
プ５で算出した改質ガス組成割合とステップ６で算出し
た改質ガス量からＨ2発生量を算出する（ステップ
７）。次に燃料電池のアノード４とカソード５の間の電
流、電圧を読み込み（ステップ８、９）、対象の燃料電
池固有の電圧−電流特性から、電池での反応により生じ
る電流値（Ｉ）を補正し（ステップ１０）、電流補正値
に基づき次式から電子数（ｅ）を計算する（ステップ１
１）。 ｅ＝Ｉ／１．６０２×１０-19 ステップ１１で算出した電子数から消費されるＨ2のモ
ル数（Ｈ）を次式に従って算出する（ステップ１２）。 Ｈ＝３６００ｅ／２×６．０２×１０23 前記Ｈ2モル数とステップ６で算出した改質ガス量から
アノード排ガス量Ｇを次式により算出する（ステップ１
３）。 Ｇ＝ａ×Ｈ ただし、ａはアノードリサイクル量に基づく係数であ
り、Ｈは消費されるＨ2ガスのモル数である。このアノ
ード排ガス量Ｇとステップ７で算出した改質ガス中のＨ
2量とステップ１２で算出した消費Ｈ2量よりアノード排
ガス発熱量を算出する（ステップ１４）。
た改質ガス量を計算し（ステップ６）、次いで、ステッ
プ５で算出した改質ガス組成割合とステップ６で算出し
た改質ガス量からＨ2発生量を算出する（ステップ
７）。次に燃料電池のアノード４とカソード５の間の電
流、電圧を読み込み（ステップ８、９）、対象の燃料電
池固有の電圧−電流特性から、電池での反応により生じ
る電流値（Ｉ）を補正し（ステップ１０）、電流補正値
に基づき次式から電子数（ｅ）を計算する（ステップ１
１）。 ｅ＝Ｉ／１．６０２×１０-19 ステップ１１で算出した電子数から消費されるＨ2のモ
ル数（Ｈ）を次式に従って算出する（ステップ１２）。 Ｈ＝３６００ｅ／２×６．０２×１０23 前記Ｈ2モル数とステップ６で算出した改質ガス量から
アノード排ガス量Ｇを次式により算出する（ステップ１
３）。 Ｇ＝ａ×Ｈ ただし、ａはアノードリサイクル量に基づく係数であ
り、Ｈは消費されるＨ2ガスのモル数である。このアノ
ード排ガス量Ｇとステップ７で算出した改質ガス中のＨ
2量とステップ１２で算出した消費Ｈ2量よりアノード排
ガス発熱量を算出する（ステップ１４）。
【００１３】上記図２に示す手順に基づく改質器燃焼部
制御方法のフローを図３に示す。図３のステップ２１〜
２９は図２のフローを簡略化して記載したものである。
そこで、アノード排ガスの発熱量による計算燃焼温度が
改質器燃焼部８の触媒保護のための設定温度相当となる
値を超えると、改質器燃焼部８のＴＩＣを停止して（ス
テップ３１）、空気流量調節弁７の開度を大きくして改
質器燃焼部８への空気供給量を増やし、燃焼触媒の劣化
を防ぐ（ステップ３２）。また、アノード排ガスの発熱
量による計算燃焼温度が改質器燃焼部８の触媒保護のた
めの設定温度相当となる値以下になると、空気流量調節
弁７の開度が設定値であるかどうかを判断し（ステップ
３３）、設定値と等しいと次回の計測までの時間待ちを
行い（ステップ３４）、ステップ２１からの操作を繰り
返す。もし、空気流量調節弁７の開度が設定値でない
と、ステップ３１での改質器燃焼部８のＴＩＣカット状
態が維持されているので、空気流量調節弁７の開度を設
定値にして（ステップ３５）、改質器燃焼部８のＴＩＣ
を復活させる（ステップ３６）。図３ではアノード排ガ
ス発熱量算出値が大きく設定値を上回る場合には、改質
装置燃焼部へ供給する空気量を増加する操作と電池アノ
ード排ガス供給量を絞り込む操作の両方を行っている
が、本発明はこれに限らず、アノード排ガス発熱量算出
値が設定値の範囲内に迅速に収束する限り、上記いずれ
かの操作を行うだけでも良い。こうして、燃料電池に急
激な負荷低下があっても、アノード排ガスの発熱量をリ
アルタイムに算出して、改質器燃焼部８への空気供給量
を迅速に増加させることができ、改質器燃焼部８の燃焼
触媒を劣化させることがなくなる。しかも、本実施例の
方法によれば、燃焼式熱量計の検知限界以下の発熱量も
算出できる利点もある。
制御方法のフローを図３に示す。図３のステップ２１〜
２９は図２のフローを簡略化して記載したものである。
そこで、アノード排ガスの発熱量による計算燃焼温度が
改質器燃焼部８の触媒保護のための設定温度相当となる
値を超えると、改質器燃焼部８のＴＩＣを停止して（ス
テップ３１）、空気流量調節弁７の開度を大きくして改
質器燃焼部８への空気供給量を増やし、燃焼触媒の劣化
を防ぐ（ステップ３２）。また、アノード排ガスの発熱
量による計算燃焼温度が改質器燃焼部８の触媒保護のた
めの設定温度相当となる値以下になると、空気流量調節
弁７の開度が設定値であるかどうかを判断し（ステップ
３３）、設定値と等しいと次回の計測までの時間待ちを
行い（ステップ３４）、ステップ２１からの操作を繰り
返す。もし、空気流量調節弁７の開度が設定値でない
と、ステップ３１での改質器燃焼部８のＴＩＣカット状
態が維持されているので、空気流量調節弁７の開度を設
定値にして（ステップ３５）、改質器燃焼部８のＴＩＣ
を復活させる（ステップ３６）。図３ではアノード排ガ
ス発熱量算出値が大きく設定値を上回る場合には、改質
装置燃焼部へ供給する空気量を増加する操作と電池アノ
ード排ガス供給量を絞り込む操作の両方を行っている
が、本発明はこれに限らず、アノード排ガス発熱量算出
値が設定値の範囲内に迅速に収束する限り、上記いずれ
かの操作を行うだけでも良い。こうして、燃料電池に急
激な負荷低下があっても、アノード排ガスの発熱量をリ
アルタイムに算出して、改質器燃焼部８への空気供給量
を迅速に増加させることができ、改質器燃焼部８の燃焼
触媒を劣化させることがなくなる。しかも、本実施例の
方法によれば、燃焼式熱量計の検知限界以下の発熱量も
算出できる利点もある。
【００１４】上記実施例のアノード排ガス発熱量算出シ
ステムによると、天然ガス流量、スチーム流量、改質反
応圧力、改質反応温度、電池電流、電流電圧より演算を
行い、アノード排ガス発熱量を推算しているため、流体
の流量計および改質器反応部の温度計の誤差などにより
推算値に誤差が生ずる可能性がある。従って、下記のど
ちらかの方法で従来のガスメータと組み合わせる方式が
信頼性向上の上で有効である。一つは、ガスクロマトグ
ラフィ方式のガスメータと併用して、定期的にアノード
排ガスの推算値と実測値を比較し補正する方法であり、
もう一つの方式は燃焼式ガスメータと併用して、下記方
法により、アノード排ガスの発熱量をカサ上げする方法
で燃焼式ガスメーターの検知発熱量下限以上とする方法
である。図４（ａ）に示すように、図１の燃料電池シス
テムのアノード排ガス用の配管１６から分岐させたサン
プリング配管１７を設け、この配管１７に燃焼式のサン
プリングガス熱量計１８を設け、さらに、このサンプリ
ング配管１７の前記熱量計１８の入口部分に少量の高発
熱量（既知発熱量）の増熱ガス用の配管１９を接続し、
サンプリング配管１７と増熱ガス用の配管１９の流量を
それぞれガス流量計２１、２２で検出して、制御器２０
で増熱ガスの供給量を制御する。その結果、図４（ｂ）
のグラフに示すように、増熱前の発熱量が燃焼式ガス熱
量計１８の検知限界（破線）以下の場合にも増熱後は燃
焼式ガス熱量計１８の検知限界以上にすることができ、
アノード排ガス発熱量の測定精度を向上させ、燃料電池
システム制御の信頼性を高めることができる。
ステムによると、天然ガス流量、スチーム流量、改質反
応圧力、改質反応温度、電池電流、電流電圧より演算を
行い、アノード排ガス発熱量を推算しているため、流体
の流量計および改質器反応部の温度計の誤差などにより
推算値に誤差が生ずる可能性がある。従って、下記のど
ちらかの方法で従来のガスメータと組み合わせる方式が
信頼性向上の上で有効である。一つは、ガスクロマトグ
ラフィ方式のガスメータと併用して、定期的にアノード
排ガスの推算値と実測値を比較し補正する方法であり、
もう一つの方式は燃焼式ガスメータと併用して、下記方
法により、アノード排ガスの発熱量をカサ上げする方法
で燃焼式ガスメーターの検知発熱量下限以上とする方法
である。図４（ａ）に示すように、図１の燃料電池シス
テムのアノード排ガス用の配管１６から分岐させたサン
プリング配管１７を設け、この配管１７に燃焼式のサン
プリングガス熱量計１８を設け、さらに、このサンプリ
ング配管１７の前記熱量計１８の入口部分に少量の高発
熱量（既知発熱量）の増熱ガス用の配管１９を接続し、
サンプリング配管１７と増熱ガス用の配管１９の流量を
それぞれガス流量計２１、２２で検出して、制御器２０
で増熱ガスの供給量を制御する。その結果、図４（ｂ）
のグラフに示すように、増熱前の発熱量が燃焼式ガス熱
量計１８の検知限界（破線）以下の場合にも増熱後は燃
焼式ガス熱量計１８の検知限界以上にすることができ、
アノード排ガス発熱量の測定精度を向上させ、燃料電池
システム制御の信頼性を高めることができる。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、 次のような効果があ
る。 （１）燃料電池アノード排ガスの発熱量をリアルタイム
に、また、燃焼式ガス熱量計の検出限界以下まで把握で
きる。 （２）燃料電池本体の電流、電圧を測定データとして利
用しているため燃料電池アノード排ガスの熱量計のガス
サンプリング位置より上流でデータを採取でき、電池の
異常などに対し熱量計方式より時間的な余裕をもって対
応操作ができる。
る。 （１）燃料電池アノード排ガスの発熱量をリアルタイム
に、また、燃焼式ガス熱量計の検出限界以下まで把握で
きる。 （２）燃料電池本体の電流、電圧を測定データとして利
用しているため燃料電池アノード排ガスの熱量計のガス
サンプリング位置より上流でデータを採取でき、電池の
異常などに対し熱量計方式より時間的な余裕をもって対
応操作ができる。
【図１】 本発明の一実施例による燃料電池システムを
示す図。
示す図。
【図２】 図１の燃料電池システムのアノード排ガス発
熱量算出手順を示すフロー図。
熱量算出手順を示すフロー図。
【図３】 図１の燃料電池システムの制御手順を示すフ
ロー図。
ロー図。
【図４】 本発明の他の実施例の燃料電池システムの要
部を示す図。
部を示す図。
【図５】 従来方式による燃料電池システムを示す図。
１…天然ガス流量調節弁、２…スチーム流量調節弁、３
…改質器反応部、４…燃料電池アノード、５…燃料電池
カソード、６…インバータ、７…燃焼用空気流量調節
弁、８…改質器燃焼部、９…負荷制御装置、１０…改質
器反応部出口温度計、１５…反応部圧力計、１６…アノ
ード排ガス配管、１８…サンプルガス熱量計、２０…制
御器
…改質器反応部、４…燃料電池アノード、５…燃料電池
カソード、６…インバータ、７…燃焼用空気流量調節
弁、８…改質器燃焼部、９…負荷制御装置、１０…改質
器反応部出口温度計、１５…反応部圧力計、１６…アノ
ード排ガス配管、１８…サンプルガス熱量計、２０…制
御器
Claims (5)
- 【請求項１】 改質装置の反応部に改質原料とスチーム
を供給して水蒸気改質反応により水素を発生させ、該改
質装置反応部で発生した水素を燃料電池のアノードに供
給してカソードに供給される酸素との反応により電力を
発生させ、燃料電池の生成する未反応のＨ2を主可燃成
分とする電池アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給す
る燃料電池システムにおいて、 改質装置反応部へ供給される改質原料供給量とスチーム
供給量、改質装置反応部の出口温度、改質反応圧力、燃
料電池で発生する直流電流量、燃料電池のアノードとカ
ソード間電圧の各々を検出値に基づき、改質装置燃焼部
入口のアノード排ガスの発熱量を算出し、該発熱量算出
値が大きく設定値を上回る場合には、改質装置燃焼部へ
供給する空気量を増加するかあるいは電池アノード排ガ
ス供給量を絞り込む操作の少なくともいずれかの操作を
行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 【請求項２】 改質装置反応部への改質原料供給量とス
チーム供給量、改質反応部の反応温度、反応圧力をデー
タとして平衡計算により改質ガス量および発生Ｈ2ガス
量を算出し、その後、燃料電池のアノードとカソード間
の電流、電圧データをもとに発電により移動する電子数
および消費されるＨ2の量を算出し、最後に先に算出し
た改質ガス量、発生Ｈ2量と消費Ｈ2量より、アノード排
ガス量およびアノード排ガス発熱量を算出することを特
徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御方法。 - 【請求項３】 改質装置の反応部に改質原料とスチーム
を供給して水蒸気改質反応により水素を発生させ、該改
質装置反応部で発生した水素を燃料電池のアノードに供
給してカソードに供給される酸素との反応により電力を
発生させ、燃料電池の生成する未反応のＨ2を主可燃成
分とする電池アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給す
る燃料電池システムにおいて、 アノード排ガスに既知発熱量の増熱ガスを添加し、熱量
計の検出限界以上のアノード排ガス発熱量とし、さらに
この増熱アノード排ガス発熱量の検出値をバックアップ
するために、改質装置反応部へ供給される改質原料供給
量とスチーム供給量、改質装置反応部の出口温度、改質
反応圧力、燃料電池で発生する直流電流量、燃料電池の
アノードとカソード間電圧の各々を検出値に基づき、改
質装置燃焼部入口のアノード排ガスの発熱量を算出し、
前記両方のアノード排ガスの発熱量のうち、主として前
記増熱アノード排ガス発熱量が大きく設定値を上回る場
合には、改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加するか
あるいは改質装置反応部への燃料量を絞り込む操作の少
なくともいずれかの操作を行うことを特徴とする燃料電
池システムの制御方法。 - 【請求項４】 請求項１記載の燃料電池システムの制御
方法に加えて、燃焼式熱量計またはガスクロマトグラフ
ィによる燃料電池アノード排ガスの発熱量の検出値も用
いて改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加するかある
いは改質装置反応部への燃料量を絞り込む操作を行うこ
とを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 【請求項５】 水蒸気改質反応により水素を発生させる
ための改質原料とスチームを導入する改質装置反応部
と、該改質装置反応部で発生した水素と酸素の反応によ
り化学的発電により電力を発生する燃料電池と、該燃料
電池から生成する未反応のＨ2を主可燃成分とする電池
アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給する循環流路を
備えた燃料電池システムにおいて、 改質装置反応部への改質原料供給量とスチーム供給量、
改質装置反応部の出口温度、改質反応圧力、燃料電池で
発生する直流電流量、燃料電池のアノードとカソード間
電圧の各々の検出手段と、該各々の検出手段の検出値に
基づき、改質装置燃焼部入口のアノード排ガスの発熱量
を算出するアノード排ガス発熱量算出手段と、該発熱量
が大きく設定値を上回る場合には、改質装置燃焼部へ供
給する空気量を増加するかあるいは改質装置反応部への
燃料量を絞り込む操作の少なくともいずれかの操作を行
う制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システ
ム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5017225A JP2840000B2 (ja) | 1993-02-04 | 1993-02-04 | 燃料電池システムとその制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5017225A JP2840000B2 (ja) | 1993-02-04 | 1993-02-04 | 燃料電池システムとその制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06231792A true JPH06231792A (ja) | 1994-08-19 |
| JP2840000B2 JP2840000B2 (ja) | 1998-12-24 |
Family
ID=11938013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5017225A Expired - Fee Related JP2840000B2 (ja) | 1993-02-04 | 1993-02-04 | 燃料電池システムとその制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2840000B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001041244A1 (fr) * | 1999-11-29 | 2001-06-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Systeme de pile a combustible et procede de fonctionnement associe |
| JP2005093346A (ja) * | 2003-09-19 | 2005-04-07 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2006282450A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水素燃料供給システム |
| US7135050B2 (en) | 2000-08-25 | 2006-11-14 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Hydrogen generator |
| JP2007001798A (ja) * | 2005-06-22 | 2007-01-11 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水素燃料供給システム及び燃料電池システム |
| WO2009028327A1 (ja) * | 2007-08-29 | 2009-03-05 | Nippon Oil Corporation | 燃料電池システムとその起動方法 |
| CN114976130A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-08-30 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种车用燃料电池系统健康状态评价方法、系统、电子设备和存储介质 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57212779A (en) * | 1981-06-23 | 1982-12-27 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Fuel controlling method in fuel cell power generating system |
| JPS62186472A (ja) * | 1986-02-10 | 1987-08-14 | Toshiba Corp | 燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置 |
| JPS6344932A (ja) * | 1986-08-12 | 1988-02-25 | Fuji Electric Co Ltd | 改質器の温度制御装置 |
| JPH04325402A (ja) * | 1991-04-25 | 1992-11-13 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池用水素製造方法及び装置並びに供給方法 |
-
1993
- 1993-02-04 JP JP5017225A patent/JP2840000B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS57212779A (en) * | 1981-06-23 | 1982-12-27 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Fuel controlling method in fuel cell power generating system |
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001041244A1 (fr) * | 1999-11-29 | 2001-06-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Systeme de pile a combustible et procede de fonctionnement associe |
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| JP2005093346A (ja) * | 2003-09-19 | 2005-04-07 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP4610875B2 (ja) * | 2003-09-19 | 2011-01-12 | アイシン精機株式会社 | 燃料電池システム |
| JP2006282450A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水素燃料供給システム |
| JP4549216B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2010-09-22 | 株式会社豊田中央研究所 | 水素燃料供給システム |
| JP2007001798A (ja) * | 2005-06-22 | 2007-01-11 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水素燃料供給システム及び燃料電池システム |
| WO2009028327A1 (ja) * | 2007-08-29 | 2009-03-05 | Nippon Oil Corporation | 燃料電池システムとその起動方法 |
| US8574775B2 (en) | 2007-08-29 | 2013-11-05 | Nippon Oil Corporation | Fuel cell system and method for starting up the same |
| CN114976130A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-08-30 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种车用燃料电池系统健康状态评价方法、系统、电子设备和存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2840000B2 (ja) | 1998-12-24 |
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