JP6394875B2 - Fuel cell system - Google Patents
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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
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.
〈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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
That is, the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
The
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
〈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
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
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
13 Heat exchanger for
Claims (6)
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.
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