JP2009231212A - Fuel cell and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and an operation method thereof.
燃料電池の起動時間を早めるために、燃料電池を構成する燃料電池セルの温度上昇を早めることに着目した技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。下記特許文献１に記載されている技術では、同文献図１に示されているように、制御部と、第１加熱部と、燃料電池セルとを具備する燃料電池モジュールを用いている。ここで、第１加熱部は、酸化剤ガスを加熱するものである。燃料電池セルは、酸化剤ガスと、燃料ガスとを供給され、発電を行う。そして、制御部は、起動時に、燃料電池セルに予め設定された第１電流を流すように燃料電池セルを制御している。また、制御部は、起動時に、酸化剤ガスを予め設定された第１温度にするように第１加熱部を制御している。
上記特許文献１に記載されている燃料電池では、起動時に予め設定された第１電流を流すように燃料電池セルを制御している。より具体的には、燃料電池セルが発電可能な温度に到達した後に、予め定められた第１電流を流している。その第１電流の大きさは、第１電流の大きさは、燃料電池セルで通電可能、燃料電池セルが経時劣化等のセル性能の劣化を起こさない、燃料電池セルのセル電圧が負電位にならない、等の条件を考慮して設定されると記載されている。条件は、燃料電池セルの諸特性により決まるもので、予め実験やシミュレーション等を行い決定する。例えば、高燃料利用率で低セル出力（低電流）の状態（無駄な発熱が多い状態）となる電流の大きさ、あるいは、各温度における燃料電池モジュール本体の開放電圧に対して、燃料電池モジュール本体の電圧がその８０％よりも小さくならない大きさ、等であると記載されている。 In the fuel cell described in Patent Document 1, the fuel cell is controlled so as to flow a first current that is set in advance at the time of startup. More specifically, a predetermined first current is passed after the fuel cell reaches a temperature at which power can be generated. The magnitude of the first current is such that the fuel battery cell can be energized, the fuel battery cell does not deteriorate in cell performance such as deterioration over time, and the cell voltage of the fuel battery cell becomes a negative potential. It is described that it is set in consideration of conditions such as not to be. The conditions are determined by various characteristics of the fuel cell, and are determined in advance through experiments and simulations. For example, the fuel cell module with respect to the magnitude of the current that results in a low fuel cell output (low current) state (a lot of wasteful heat generation) or the open voltage of the fuel cell module body at each temperature It is described that the voltage of the main body does not become less than 80%.
しかしながら、上記従来の技術でもまだ定常的な発電を行う状態に至るまでの起動時間は長い時間がかかっており、より起動時間を短縮することが求められている。 However, even in the above-described conventional technology, the startup time until a state where steady power generation is performed still takes a long time, and it is required to further shorten the startup time.
そこで本発明では、より起動時間を短縮することのできる燃料電池、及びその運転方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of further shortening the startup time and an operation method thereof.
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する燃料電池セルを備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御する負荷制御部と、前記燃料電池モジュールの運転状態を判定する状態判定部と、を備える燃料電池であって、前記負荷制御部は、前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、前記燃料電池モジュールから電流を取り出し始めてから定格出力に至る前であると判定した場合には、基準電圧を保つように前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御し、前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、定格出力に至ると判定した場合には、前記燃料電池モジュールから取り出す電流を一定に保つように前記燃料電池モジュールを制御することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention includes a fuel cell module including a fuel cell operated by a fuel gas and an oxidant gas, and a load control unit that controls a current extracted from the fuel cell module. A state determination unit that determines an operation state of the fuel cell module, wherein the load control unit is configured to determine the operation state of the fuel cell module from the fuel cell module. If it is determined that the current output is not yet reached before the rated output is reached, the current extracted from the fuel cell module is controlled so as to maintain the reference voltage, and the state determination unit determines the operating state of the fuel cell module. When it is determined that the rated output is reached, the fuel cell module is maintained so that the current taken out from the fuel cell module is kept constant. And controlling the Le.
本発明によれば、より起動時間を短縮することのできる燃料電池、及びその運転方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can shorten starting time more, and its operating method can be provided.
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。 Prior to describing the best mode for carrying out the present invention, the function and effect of the present invention will be described.
本発明に係る燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する燃料電池セルを備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御する負荷制御部と、前記燃料電池モジュールの運転状態を判定する状態判定部と、を備える燃料電池であって、前記負荷制御部は、前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、前記燃料電池モジュールから電流を取り出し始めてから定格出力に至る前であると判定した場合には、基準電圧を保つように前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御し、前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、定格出力に至ると判定した場合には、前記燃料電池モジュールから取り出す電流を一定に保つように前記燃料電池モジュールを制御することを特徴とする。 A fuel cell according to the present invention includes a fuel cell module including a fuel cell operated by a fuel gas and an oxidant gas, a load control unit that controls a current taken out from the fuel cell module, and an operating state of the fuel cell module A load determination unit, wherein the load determination unit sets the operating state of the fuel cell module to a rated output after starting to extract current from the fuel cell module. If it is determined that the current is not reached, the current extracted from the fuel cell module is controlled so as to maintain the reference voltage, and the state determination unit determines that the operation state of the fuel cell module reaches the rated output. In the case, the fuel cell module is controlled so as to keep a current taken out from the fuel cell module constant. That.
また、本発明に係る燃料電池の運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する燃料電池セルを備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御する負荷制御部と、前記燃料電池モジュールの運転状態を判定する状態判定部と、を備える燃料電池の運転方法であって、前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、前記燃料電池モジュールから電流を取り出し始めてから定格出力に至る前であると判定した場合に、前記負荷制御部が基準電圧を保つように前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御し、前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、定格出力に至ると判定した場合には、前記負荷制御部が前記燃料電池モジュールから取り出す電流を一定に保つように前記燃料電池モジュールを制御することを特徴とする。 The fuel cell operating method according to the present invention includes a fuel cell module including a fuel cell operated by a fuel gas and an oxidant gas, a load control unit for controlling a current taken out from the fuel cell module, and the fuel. A fuel cell operation method comprising: a state determination unit that determines an operation state of the battery module, wherein the state determination unit is configured to rate the operation state of the fuel cell module after starting to extract current from the fuel cell module. When it is determined that the output is not reached, the load control unit controls the current taken out from the fuel cell module so as to maintain a reference voltage, and the state determination unit determines the operating state of the fuel cell module. When it is determined that the output is reached, the fuel is extracted so that the current taken out from the fuel cell module by the load control unit is kept constant. And controlling the battery module.
本発明では、燃料電池モジュールを起動させて電流を取り出すことが可能になった後に、その取り出す電流の定め方を２つの場面に分けて制御している。具体的には、燃料電池モジュールから電流を取り出し始めてから定格出力に至る前と、定格出力に至った後とである。定格出力に至る前においては、基準電圧を保つように燃料電池モジュールから取り出す電流を制御することで、燃料電池モジュールから取り出す電流が過大にならないように制御している。燃料電池モジュールから取り出す電流が過大になると、燃料電池セルが劣化し燃料電池セルの温度上昇が鈍化し、燃料電池モジュールの運転に最適な温度に到達するのにかえって時間がかかってしまう。そこで、燃料電池セルが劣化しない基準電圧を保つように燃料電池モジュールから取り出す電流を制御し、燃料電池セルの劣化防止と燃料電池セルの温度上昇とを両立させている。このように制御することで、燃料電池モジュールの運転に最適な温度に早く到達することができ、定格出力に早く到達することができる。定格出力に到達した後は、燃料電池モジュールから取り出す電流を一定に保つことで電圧を所望の値まで早く立ち上げることができ、結果として燃料電池の起動時間を早めることができる。 In the present invention, after the fuel cell module is activated and the current can be taken out, the method for determining the current to be taken out is controlled in two scenes. Specifically, after starting to take out the current from the fuel cell module, before reaching the rated output and after reaching the rated output. Before reaching the rated output, the current extracted from the fuel cell module is controlled so as not to become excessive by controlling the current extracted from the fuel cell module so as to maintain the reference voltage. If the current taken out from the fuel cell module becomes excessive, the fuel cell deteriorates and the temperature rise of the fuel cell slows down, and it takes time to reach the optimum temperature for the operation of the fuel cell module. Therefore, the current taken from the fuel cell module is controlled so as to maintain the reference voltage at which the fuel cell does not deteriorate, and both the prevention of the deterioration of the fuel cell and the increase in the temperature of the fuel cell are achieved. By controlling in this way, the temperature optimum for the operation of the fuel cell module can be reached quickly, and the rated output can be reached quickly. After reaching the rated output, by keeping the current taken out from the fuel cell module constant, the voltage can be quickly raised to a desired value, and as a result, the startup time of the fuel cell can be shortened.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態に係る燃料電池を説明するために、本実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池モジュールの一例について説明する。 In order to describe the fuel cell according to the present embodiment, an example of a fuel cell module constituting the fuel cell according to the present embodiment will be described.
図１は、燃料電池モジュールＦＣを部分的に破断した概略的な斜視図である。燃料電池モジュールＦＣは、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。 FIG. 1 is a schematic perspective view in which the fuel cell module FC is partially broken. The fuel cell module FC is configured as a device for generating electric power by causing an electrochemical reaction between fuel gas and air (oxidant gas).
燃料電池モジュールＦＣは、燃料電池セル２と、集電部材３，４と、集電ロッド５と、空気ヘッダ６と、空気供給管７と、モジュール容器８と、絶縁断熱部材９と、断熱部材１０とを備えている。
The fuel cell module FC includes a
燃料電池セル２は、２列×６列の１２本ごとに燃料電池セルスタック（図１において明示しない）として構成され、モジュール容器８内に収められている。各燃料電池セル２は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。燃料電池セル２の内壁すなわち空気極に空気、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ２−イオンが移動して電気化学反応が起こり空気極と燃料極との間に電位差が生じで発電が行われる。燃料電池セル２が発電した電気は、集電部材３，４によって集電され、集電ロッド５によって外部に取出される。
The
各燃料電池セル２に供給される空気は、空気供給管７を通って空気ヘッダ６に供給された空気が分配されて供給される。本実施形態の場合空気ヘッダ６は３つ設けられており、それぞれの空気ヘッダ６に空気供給管７が繋がれている。空気供給管７の上流側は空気の供給元に連結されている。
The air supplied to each
空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割を果たすと共に、各燃料電池セル２に空気を分配する役割も果たしている。空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給する空気の流路を燃料電池セル２の数に応じて複数の系統に分配するためのものでもあるので、燃料電池セル２の数に応じてその配置数量が増減される。
The
各燃料電池セル２に供給される燃料ガスは、各燃料電池セル２の下方から供給される（詳細は後述する）。
The fuel gas supplied to each
燃料電池セル２、集電部材３，４、及び空気ヘッダ６は、直方体形状のモジュール容器８に収容されている。このモジュール容器８は、運転時に高温になることから、例えば、インコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成されている。また、燃料ガスや空気を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器８の内側には、燃料電池セル２とモジュール容器８とを絶縁すると共に、モジュール容器８内部を保温するための絶縁断熱部材９が設けられている。絶縁断熱部材９は、アルミナ繊維等で形成されている。モジュール容器８は更に、動作温度を安定に保つためにその全体が断熱部材１０で覆われている。
The
続いて、図２を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様について説明する。図２は、図１において空気ヘッダ６側から燃料電池セル２側を見通す方向における横断面図である。燃料電池セル集合体２１は、複数の燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えている。各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、１２本の燃料電池セル２を有し、それぞれの燃料電池セル２は、２列（図中ｘ方向）×６列（図中ｙ方向）に配置されている。
Then, the arrangement | positioning aspect of the
各燃料電池セル２は有底円筒状であって、その開口部２ａを空気ヘッダ６側に向けて配置されている。各燃料電池セル２は、セル間集電部材１３及び導電性のセル接続部材１４を介して、電気的に２並列×６直列に接続されている。なお、燃料電池セル２は、発電容量等に応じて本数や配列が適宜選択される。
Each
各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、所定の間隔を置いて３列（図中ｘ方向）に配置されており、３６本の燃料電池セル２を有する燃料電池セル集合体２１を構成している。それぞれの燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、集電部材３を介して電気的に直列に接続されている。このように直列接続された燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの両端に配置される燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃの端部には、集電部材４が繋がれている。集電部材４は集電ロッド５に繋がれているので、集電ロッド５を介して外部に電力が取り出すことができる。
The
各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃにはそれぞれ、燃料電池セル２が６列に並べられている一対の側面に接するように絶縁板１６が配置されている。更に、隣接する絶縁板１６の間には熱伝導板１５が配置されている。燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃと絶縁断熱部材９との間にも熱伝導板１５が配置されている。熱伝導板１５と集電部材３，４との間には、絶縁棒１１が配置されている。
Each of the
このように熱伝導板１５が配置されることで、局部的に燃料電池セル２の温度が部分的に高くなっても、熱伝導板１５を介して高温部分から低温部分へ熱が移動しやすくなり、燃料電池セル２の温度分布を均一化させることができる。
By arranging the
また、上述したように絶縁板１６及び絶縁棒１１が配置されることで、熱伝導板１５と燃料電池セル２との間の電気絶縁性、及び熱伝導板１５と集電部材３，４との間の電気絶縁性が確保される。
Further, as described above, the insulating
続いて、図３を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様と燃料ガス及び空気の供給態様について説明する。図３は、燃料電池モジュールＦＣの縦断面図であって、モジュール容器８の内部を示す図である。
Subsequently, an arrangement mode of the
図３に示すように、モジュール容器８の下方には、モジュール容器８内に導入する燃料ガスを均一に分散するための燃料ガス分散室１７が配置されている。この燃料ガス分散室１７内には、燃料ガスを予備分散する予備分散板１８が配置されている。この予備分散板１８は、例えばアルミナからなり、燃料ガス通気孔１９が一様に形成されている。また、予備分散板１８の上方には、例えばＮｉフォームからなる燃料ガス分散材３０が配置されている。燃料ガス分散室１７の上流側（図中下側）には、燃料ガス供給管２２が設けられ、この燃料ガス供給管２２の上流側は燃料ガスの供給元に連結されている。また、モジュール容器８と燃料ガス分散室１７との間には、燃料ガスを燃料ガス分散室１７からモジュール容器８に通気させるための燃料ガス分散板２３が設けられている。この燃料ガス分散板２３には、複数の燃料ガス供給孔２４が形成されている。
As shown in FIG. 3, a fuel
また、燃料電池セル集合体２１の上方に配置される空気ヘッダ６には、燃料電池セル２の空気極に空気を導入する複数の空気導入管２５が連結されている。この空気導入管２５は、燃料電池セル２の管内に挿入され、その下端部は燃料電池セル２の底面付近まで延びている。
In addition, a plurality of
また、モジュール容器８内には、燃料電池セル２の長尺方向に対して垂直方向に沿って形成される矩形状の仕切板２６が設けられている。この仕切板２６は、アルミナ繊維を積層してブランケット状に形成したものが用いられている。モジュール容器８内において、この仕切板２６で仕切られた上側に燃焼室２７が形成され、下側に発電室２８が形成される。ここで、燃焼室２７は、発電室２８で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル２の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための空間である。発電室２８は、燃料ガス供給孔２４から導入される燃料ガスを各燃料電池セル２に接触させ、各燃料電池セル２の管内に流れる空気との電気化学反応を生じさせて発電させるための空間である。
In the
また、仕切板２６には、残余の燃料ガスを発電室２８から燃焼室２７に排出するための、例えばアルミナからなる筒状の燃料ガス排出管（図示しない）が複数挿通されている。従って、仕切板２６には、発電室２８から燃焼室２７へと燃料ガスを通過させるための複数のガス排出孔が形成されていることになる。
The
続いて、図４を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図４は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図４に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰ（負荷制御部）と、制御部ＣＳ（状態判定部）と、記録装置ＬＧを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。 Next, the configuration of the fuel cell FCS using the fuel cell module FC will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell FCS. As shown in FIG. 4, the fuel cell FCS includes a fuel cell module FC, a fuel supply unit FP, an air supply unit AP, a water supply unit WP, a power extraction unit EP (load control unit), and a control unit CS. (State determination unit) and a recording device LG. The fuel supply unit FP, the air supply unit AP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP constitute an auxiliary device AD of the fuel cell FCS.
燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管２２へと送り出される。
The fuel supply unit FP is a part that supplies fuel gas from a city gas pipe as a fuel supply source to the fuel cell module FC, and includes a fuel pump and an electromagnetic valve. The fuel gas supplied from the fuel supply unit FP is sent out to the fuel
空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を固体酸化物形燃料電池モジュール１に供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管８へと送り出される。
The air supply part AP is a part that supplies air from the atmosphere as an air supply source to the solid oxide fuel cell module 1, and has an air blower and an electromagnetic valve. The air supplied from the air supply unit AP is sent out to the
水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を固体酸化物形燃料電池モジュール１に供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって送り出される。 The water supply unit WP is a part that supplies water to the solid oxide fuel cell module 1 from a water pipe as a water supply source, and includes a water pump and a solenoid valve. The water supplied from the water supply unit WP is sent out as water vapor inside the fuel cell module FC.
電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、電子負荷装置（パワーコンディショナー）として機能しており、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、集電ロッド５と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。
The power extraction unit EP is a part that extracts electric power from the fuel cell module FC, functions as an electronic load device (power conditioner), and includes a power conversion device such as an inverter. The power extraction unit EP is connected to the
制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。 The control unit CS is a part for controlling each of the fuel supply unit FP, the air supply unit AP, the driving auxiliary device AD, and the power extraction unit EP, and includes a CPU and a ROM. The operation of the fuel cell module FC is executed based on an instruction signal from the control unit CS.
記録装置ＬＧは、燃料電池モジュールＦＣに設けられた熱電対等から出力される信号を記録して制御部ＣＳへと出力する部分である。記録装置ＬＧは、データとして、燃料電池モジュールＦＣの温度や電流値、電圧値を出力する。 The recording device LG is a part that records a signal output from a thermocouple or the like provided in the fuel cell module FC and outputs the signal to the control unit CS. The recording device LG outputs the temperature, current value, and voltage value of the fuel cell module FC as data.
このように構成された燃料電池ＦＣＳの動作について説明する。発電室２８を電気化学反応が生じる温度（７００〜１０００℃）に昇温する。空気供給部ＡＰから空気を空気供給管７に供給し、空気ヘッダ６内に貯留する。貯留された空気は、複数の空気導入管２５内を下方に流れ、下端から燃料電池セル２の筒内に流出する。流出した空気は、燃料電池セル２の筒内を上方に流れる。このとき、空気は、空気極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった空気は、燃料電池セル２の開口部２ａから燃焼室２７に達する。
The operation of the fuel cell FCS configured as described above will be described. The
また、燃料供給部ＦＰから燃料ガスを燃料ガス供給管２２に供給し、燃料ガス分散室１７内に貯留する。貯留された燃料ガスは、燃料ガス分散板２３に形成された複数の燃料ガス供給孔２４から発電室２８内に導入され、発電室２８内を各燃料電池セル２を包囲しながら上方に流れる。このとき、燃料ガスは、燃料極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった燃料ガスは、仕切板２６の燃料ガス排出管（図示しない）を通って燃焼室２７に達する。
Further, the fuel gas is supplied from the fuel supply unit FP to the fuel
燃焼室２７に達した残余の燃料ガスと残余の空気とは、所定の点火装置を用いて燃焼され排出ガスが、モジュール容器８の上壁に連結された排ガス管から燃焼室２７の外に排出される。この排出ガスは高温となるために、発電室２８を加熱するための熱源として利用される。
The remaining fuel gas and the remaining air that have reached the
上述した初期運転動作に対応させて、制御部ＣＳは記録装置ＬＧから出力されるデータに基づいて、電力取出部ＥＰを次のように制御する。その制御フローを図５に示す。また、その際の時間―温度、時間―電流、時間―電圧の相互関係を図６に示す。図６の（ａ）が時間―電流の関係を示し、図６の（ｂ）が時間―温度の関係を示し、図６の（ｃ）が時間―電圧の関係を示している。更に、図６に示す本実施形態における時間―温度、時間―電流、時間―電圧の相互関係に対して、従来のものにおける時間―温度、時間―電流、時間―電圧の相互関係を図７に示す。図７の（ａ）が時間―電流の関係を示し、図７の（ｂ）が時間―温度の関係を示し、図７の（ｃ）が時間―電圧の関係を示している。 Corresponding to the initial operation described above, the control unit CS controls the power extraction unit EP as follows based on the data output from the recording device LG. The control flow is shown in FIG. FIG. 6 shows the interrelationships of time-temperature, time-current, and time-voltage at that time. 6A shows the time-current relationship, FIG. 6B shows the time-temperature relationship, and FIG. 6C shows the time-voltage relationship. Further, in contrast to the time-temperature, time-current, and time-voltage relationships in the present embodiment shown in FIG. 6, the time-temperature, time-current, and time-voltage relationships in the prior art are shown in FIG. Show. 7A shows the time-current relationship, FIG. 7B shows the time-temperature relationship, and FIG. 7C shows the time-voltage relationship.
上述のように燃料電池ＦＣＳに燃料ガス及び空気を供給して発電を開始すると、燃料電池セル２の温度が上昇し（図６の（ｂ）参照）、燃料電池モジュールＦＣの電圧も上昇する（図６の（ｃ）参照）。時刻ｔ１（１本の燃料電池セル２あたりに基準電圧（これ以下になると、保つことができなくなる限界値。例えば、０．６Ｖ）がかかる時刻）に到達すると、制御部ＣＳは電力取出部ＥＰに対して、温度上昇にともなう電圧上昇（＋ΔＶ１）と電流増加にともなう電圧降下（−ΔＶ２）が釣り合うように電圧値が一定になるように、燃料電池モジュールＦＣに流れる電流を徐々に増やすように指示する（図５のステップＳ０１、図６の（ａ），（ｃ））。このように制御することで、燃料電池モジュールＦＣの１本の燃料電池セル２にかかる電圧を、燃料電池セル２の劣化が生じない電圧値（基準電圧、例えば、０．６Ｖ）に保ちながら電流を流すことができる。このように電圧値を保ちながら電流を増加させながら流し続けると、燃料電池モジュールＦＣの温度は上昇する（図６の（ｂ））。
As described above, when power generation is started by supplying fuel gas and air to the fuel cell FCS, the temperature of the
その後、電流値が所定の目的値（例えば、７７Ａ）に到達すると（図６の時刻ｔ２）、制御部ＣＳは燃料電池モジュールＦＣが定格出力に至ると判断し、電流値が一定になるように電力取出部ＥＰに対して指示する（図５のステップＳ０２）。そのまま運転を継続すると、燃料電池モジュールＦＣの温度が更に上昇する（図５のステップＳ０３）。更に運転を継続すると、燃料電池モジュールＦＣの温度が理想的な運転状態の温度である９５０℃に近づく（図５のステップＳ０４）。その燃料電池モジュールＦＣの温度上昇に呼応して、燃料電池モジュールＦＣの電圧が上昇する（図５のステップＳ０５）。更に燃料電池モジュールＦＣの電圧が上昇して定格出力（例えば、１ｋＷ）に到達する（図５のステップＳ０６）。燃料電池モジュールＦＣの出力が定格出力に到達すると、その定格出力を保つように制御部ＣＳは電力取出部ＥＰに対して指示する（図５のステップＳ０７）。 Thereafter, when the current value reaches a predetermined target value (for example, 77A) (time t2 in FIG. 6), the control unit CS determines that the fuel cell module FC reaches the rated output, so that the current value becomes constant. The power extraction unit EP is instructed (step S02 in FIG. 5). If the operation is continued as it is, the temperature of the fuel cell module FC further increases (step S03 in FIG. 5). If the operation is further continued, the temperature of the fuel cell module FC approaches 950 ° C., which is an ideal operating state temperature (step S04 in FIG. 5). In response to the temperature rise of the fuel cell module FC, the voltage of the fuel cell module FC rises (step S05 in FIG. 5). Further, the voltage of the fuel cell module FC rises and reaches a rated output (for example, 1 kW) (step S06 in FIG. 5). When the output of the fuel cell module FC reaches the rated output, the control unit CS instructs the power extraction unit EP to maintain the rated output (step S07 in FIG. 5).
一方、従来の燃料電池では、図７に示すように、時刻ｔ１に到達すると、電圧値が開放電圧値の８０％よりも小さくならないように制御する（図７の（ａ），（ｃ））。このように制御すると、電流増加にともなう電圧降下により、電圧が上昇して回復するのを待って運転を行う必要がある。従って、結果として電圧の上昇が緩やかなものとなってしまい、定格出力に到達するのが遅くなってしまう。 On the other hand, in the conventional fuel cell, as shown in FIG. 7, when time t1 is reached, control is performed so that the voltage value does not become less than 80% of the open-circuit voltage value (FIGS. 7A and 7C). . When controlled in this way, it is necessary to wait for the voltage to rise and recover due to a voltage drop accompanying an increase in current. Therefore, as a result, the increase in voltage becomes gradual, and reaching the rated output is delayed.
２…燃料電池セル、３，４…集電部材、５…集電ロッド、６…空気ヘッダ、７…空気供給管、８…モジュール容器、９…絶縁断熱部材、１０…断熱部材、２１…燃料電池セル集合体、２５…空気導入管、２６…仕切板、２７…燃焼室、２８…発電室、２９…燃料ガス排出孔、ＦＣ…燃料電池モジュール、ＦＣＳ…燃料電池。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御する負荷制御部と、
前記燃料電池モジュールの運転状態を判定する状態判定部と、を備える燃料電池であって、
前記負荷制御部は、
前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、前記燃料電池モジュールから電流を取り出し始めてから定格出力に至る前であると判定した場合には、基準電圧を保つように前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御し、
前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、定格出力に至ると判定した場合には、前記燃料電池モジュールから取り出す電流を一定に保つように前記燃料電池モジュールを制御することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell module comprising a fuel cell operated by a fuel gas and an oxidant gas;
A load control unit for controlling a current taken out from the fuel cell module;
A state determination unit for determining an operation state of the fuel cell module, and a fuel cell comprising:
The load control unit
When the state determination unit determines that the operation state of the fuel cell module is before the rated output is reached after starting to extract current from the fuel cell module, the fuel cell module is configured to maintain a reference voltage. Control the current to be extracted,
When the state determination unit determines that the operating state of the fuel cell module reaches a rated output, the state determination unit controls the fuel cell module so as to keep a current taken out from the fuel cell module constant. Fuel cell.
前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御する負荷制御部と、
前記燃料電池モジュールの運転状態を判定する状態判定部と、を備える燃料電池の運転方法であって、
前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、前記燃料電池モジュールから電流を取り出し始めてから定格出力に至る前であると判定した場合に、前記負荷制御部が基準電圧を保つように前記燃料電池モジュールから取り出す電流を制御し、
前記状態判定部が、前記燃料電池モジュールの運転状態を、定格出力に至ると判定した場合には、前記負荷制御部が前記燃料電池モジュールから取り出す電流を一定に保つように前記燃料電池モジュールを制御することを特徴とする燃料電池の運転方法。 A fuel cell module comprising a fuel cell operated by a fuel gas and an oxidant gas;
A load control unit for controlling a current taken out from the fuel cell module;
A state determination unit for determining an operation state of the fuel cell module, and a fuel cell operation method comprising:
When the state determination unit determines that the operation state of the fuel cell module is before the rated output is reached after starting to extract current from the fuel cell module, the load control unit maintains the reference voltage so as to maintain the reference voltage. Controlling the current drawn from the fuel cell module,
When the state determination unit determines that the operating state of the fuel cell module reaches a rated output, the load control unit controls the fuel cell module so as to keep a current taken out from the fuel cell module constant. A method for operating a fuel cell.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2008077999A JP2009231212A (en) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | Fuel cell and its operation method |
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