JP2010027580A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システムが、セルスタック8の出力電流を検出する電流検出手段12と、セルスタック8の出力電圧とセルスタック8の特定部位における一つ又は複数の燃料電池セル9の出力電圧とを検出可能な電圧検出手段11と、燃料ガスの供給量、酸化剤ガスの供給量及びセルスタック8の出力電流を制御可能である制御手段13と、セルスタック8の所定部位の温度を検出する温度検出手段14とを備え、制御手段13はセルスタック8の温度が安定状態にあるとき出力電流と燃料ガスの供給量と酸化剤ガスの供給量とを一定の比率で変化させたときの電圧検出手段11による検出結果に基づいてセルスタック8の特定部位の劣化状態を判定する。
【選択図】図1
Description
前記セルスタックの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記セルスタックの出力電圧と、前記セルスタックの特定部位における一つ又は複数の前記燃料電池セルの出力電圧とを検出可能な電圧検出手段と、
前記燃料ガスの供給量、前記酸化剤ガスの供給量及び前記セルスタックの出力電流を制御可能である制御手段と、
前記セルスタックの所定部位の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される前記セルスタックの温度が安定状態にあるとき、前記出力電流と前記燃料ガスの供給量と前記酸化剤ガスの供給量とを一定の比率で変化させたときの前記電圧検出手段による検出結果に基づいて、前記セルスタックの特定部位の劣化状態を判定するように構成されている点にある。
更に、制御手段が、出力電流と燃料ガスの供給量と酸化剤ガスの供給量とを一定の比率で変化させるので、出力電流を高いほうに変化させることが比較的容易になり、そのときの電流変化幅を大きくとることができる。
従って、セルスタックの特定部位の劣化を正確に判定可能な燃料電池システムを提供できる。
前記セルスタックの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記セルスタックの出力電圧と、前記セルスタックの特定部位における一つ又は複数の前記燃料電池セルの出力電圧とを検出可能な電圧検出手段と、
前記燃料ガスの供給量、前記酸化剤ガスの供給量及び前記セルスタックの出力電流を制御可能である制御手段と、
前記セルスタックの所定部位の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される前記セルスタックの温度が安定状態にあるとき、前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガスの供給量を一定のままで前記セルスタックの出力電流を変化させたときの前記電圧検出手段による検出結果に基づいて、前記セルスタックの特定部位の劣化状態を判定するように構成されている点にある。
更に、制御手段が、燃料ガスの供給量及び酸化剤ガスの供給量を一定のままでセルスタックの出力電流を変化させる場合(つまり、燃料利用率及び空気利用率の少なくとも一方が変化する場合)には、電流変化幅を慎重に設定する必要があるが、セルスタックの出力電流と出力電圧との関係を高感度に検知することができる。
従って、セルスタックの特定部位の劣化を正確に判定可能な燃料電池システムを提供できる。
本特徴構成によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスの流速がセルスタックでの平均流速よりも低くなる部位、即ち、上述したような局所的に燃料ガスの不足や酸化剤ガスの不足が生じている部位の出力電圧が検出されるので、その部分での局所的な劣化状態を良好に検出できる。
前記電流検出手段によって検出される前記セルスタックの出力電流と、導出した前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧との第1関係に基づいて、前記出力電流の所定電流範囲での前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧の第1変化量実測値を導出し、
前記電流検出手段によって検出される前記セルスタックの出力電流と、導出した前記セルスタックの出力電圧における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧との第2関係に基づいて、前記所定電流範囲での前記セルスタックの出力電圧の第2変化量実測値を導出し、
前記第1変化量実測値と前記第2変化量実測値との差が大きい程、前記セルスタックの特定部位の劣化の程度が大きいと判定するように構成されている点にある。
以下に、図面を参照して第1実施形態の燃料電池システムの構成について説明する。
図1は、燃料電池システムの構成を示す図である。この燃料電池システムにおいて、固体酸化物型燃料電池(SOFC)である燃料電池本体7は、供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する複数の燃料電池セル9を配列してなるセルスタック8を有する。燃料ガスとしては水素、一酸化炭素などを用いることができ、酸化剤ガスとしては酸素(空気)を用いることができる。燃料ガスは各燃料電池セル9の燃料極(図示せず)に供給され、酸化剤ガスは各燃料電池セル9の空気極(図示せず)に供給される。燃料極と空気極との間には、イットリアをドープしたジルコニアなどで構成される固体酸化物電解質(図示せず)が設けられる。
ところが、本実施形態では、電圧検出手段11が、燃料ガス及び酸化剤ガスの流速がセルスタック8における平均流速よりも低くなる部位において、その部位における一つ又は複数の燃料電池セル9の出力電圧を検出するように構成されている。よって、その出力電圧の低下の程度を見ることで、セルスタック8の特定部位における燃料電池セル9の劣化の兆候を知ることができる。つまり、従来から行われていたセルスタック8全体の出力電圧計測では、セルスタック8全体の劣化を診断することしかできなかったが、本実施形態では、セルスタック8の局所的な劣化を診断することが可能となる。
具体的には、制御手段13は、原燃料ポンプ1及び改質水ポンプ3の作動を制御して、セルスタック8に対する燃料ガス(水素)の供給量を一定に制御するとともに、ブロア6の作動を制御して、セルスタック8に対する酸化剤ガス(空気)の供給量を一定に制御する。また、制御手段13は、インバータ10を制御してセルスタック8の出力電流を変化させる。結果として、原燃料ガスと改質水と酸化剤ガスとの供給量は一定の状態で、セルスタック8の出力電流、燃料利用率、空気利用率、S/Cを変動させることができる。この場合、出力電流を増加させるとき、燃料枯れや空気枯れによるセルスタック8の急速劣化をおこすリスクもある。そのため、電流変化幅を慎重に設定する必要があるが、セルスタック8の出力電流と出力電圧との関係を高感度に検知することが可能で、電流変動の幅と時間が適切であれば、劣化診断に有効である。電圧検出が行われる部位としては、初期の設計上、燃料ガス及び酸化剤ガスの流速が平均の値よりも低くなる、一つ又は複数の燃料電池セル9を挟むような特定部位に設置することが望ましい。ここで、燃料利用率とは、実際に発電に使用した原燃料ガス量の、供給した原燃料ガス量に対する割合(%)であり、空気利用率とは、実際に発電に使用した空気量の、供給した空気量に対する割合(%)である。S/Cとは、原燃料ガスの炭化水素中に含まれる炭素数に対する水蒸気改質反応に供する水(水蒸気)のモル比率である。
図2は、セルスタック8の出力電流と出力電圧との関係を示すグラフであり、具体的には、燃料電池システムの劣化が生じていない初期状態での、燃料ガスの供給量及び酸化剤ガスの供給量を一定のままでセルスタック8の出力電流を変化させたときの電圧検出手段11による検出結果である。このとき、燃料利用率が変化している。グラフ中の縦軸及び横軸は、ある出力電圧及び出力電流を基準としてパーセント表示している。図2において、黒四角のマーカを付して破線で示すのは、図1に示す測定点a及び測定点cの間で測定されるセルスタック8の全体の出力電圧を各燃料電池セル9で平均化した、燃料電池セル9の1つ当たりの出力電圧である。また、図2において、白丸のマーカを付して実線で示すのは、図1に示す測定点a及び測定点bの間で測定されるセルスタック8の一部分(特定部位)の出力電圧(一つ又は複数の燃料電池セル9の出力電圧)を特定部位における燃料電池セル9の個数で平均化した、特定部位における燃料電池セル9の1つ当たりの出力電圧である。本実施形態において、測定点a及び測定点bの間は、燃料ガス及び酸化剤ガスの流速がセルスタック8の平均流速よりも低くなる特定部位である。
ここでは、出力電圧を比較するために、所定電流範囲での電圧の変化量を用いているが、電圧の変化率を用いてもよい。
具体的には、制御手段13は、図3に示した、ある一定時間経過後での、出力電流とセルスタック8の特定部位における燃料電池セル9の平均出力電圧との関係(実線)から、低電流範囲(例えば、出力電流98%〜100%)での出力電圧の変化量D(本発明の「低電流側変化率」)と、高電流範囲(例えば、100%〜102%)での出力電圧の変化量A(本発明の「高電流側変化率」)とを導出する。ここで、高電流側変化率は局所的な燃料ガスの供給不足や酸化剤ガスの供給不足に伴い反応抵抗が上昇するときの値であり、低電流側変化率は局所的な燃料ガスの供給不足や酸化剤ガスの供給不足がほとんど発生しないときの値である。つまり、上記高電流側変化率と上記低電流側変化率との差は、上述したような局所的な反応抵抗の上昇に起因するものであると見なせることから、その燃料ガスの供給不足や酸化剤ガスの供給不足が生じている特定部位の劣化状態を表しているといえる。そして、制御手段13は、上記高電流側変化率と上記低電流側変化率との差が大きい程、セルスタック8の特定部位の劣化が大きいと判定する。
ここでは、出力電圧を比較するために、所定電流範囲での電圧の変化率を用いているが、電圧の変化量を用いてもよい。
第2実施形態の燃料電池システムは、セルスタック8の特定部位の劣化状態を判定するに当たり、セルスタック8からの出力電流の変化のさせ方が上記第1実施形態と異なっている。以下に、第2実施形態の燃料電池システムの構成について説明するが、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。
具体的には、制御手段13は、原燃料ポンプ1及び改質水ポンプ3の作動を制御して、セルスタック8に対する燃料ガス(水素)の供給量を変化させるとともに、ブロア6の作動を制御して、セルスタック8に対する酸化剤ガス(空気)の供給量を変化させる。また、制御手段13は、インバータ10を用いてセルスタック8の出力電流を制御可能である。この場合、電流を高いほうに変化させるときの電流変化幅を大きくとることができる。
図5は、セルスタック8の出力電流と出力電圧との関係を示すグラフであり、具体的には、燃料電池システムの劣化が生じていない初期状態での、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御してセルスタック8の出力電流を変化させたときの電圧検出手段11による検出結果である。図5において、黒四角のマーカを付して破線で示すのは、図1に示す測定点a及び測定点cの間で測定されるセルスタック8の全体の出力電圧を各燃料電池セル9で平均化した、燃料電池セル9の1つ当たりの出力電圧である。また、図5において、白丸のマーカを付して実線で示すのは、図1に示す測定点a及び測定点bの間で測定されるセルスタック8の特定部における出力電圧(一つ又は複数の燃料電池セル9の出力電圧)を特定部位における燃料電池セル9の個数で平均化した、特定部位における燃料電池セル9の1つ当たりの出力電圧である。本実施形態において、測定点a及び測定点bの間は、燃料ガス及び酸化剤ガスの流速がセルスタック8の平均流速よりも低くなる特定部位である。
具体的には、制御手段13は、図6に示した、ある一定時間経過後での、出力電流とセルスタック8の特定部位における燃料電池セル9の平均出力電圧との関係(実線)から、低電流範囲(例えば、出力電流98%〜100%)での出力電圧の変化量D(本発明の「低電流側変化率」)と、高電流範囲(例えば、100%〜102%)での出力電圧の変化量A(本発明の「高電流側変化率」)とを導出する。ここで、高電流側変化率は局所的な燃料ガスの供給不足や酸化剤ガスの供給不足に伴い反応抵抗が上昇するときの値であり、低電流側変化率は局所的な燃料ガスの供給不足や酸化剤ガスの供給不足がほとんど発生しないときの値である。つまり、上記高電流側変化率と上記低電流側変化率との差は、上述したような局所的な反応抵抗の上昇に起因するものであると見なせることから、その燃料ガスの供給不足や酸化剤ガスの供給不足が生じている特定部位の劣化状態を表しているといえる。そして、制御手段13は、上記高電流側変化率と上記低電流側変化率との差が大きい程、セルスタック8の特定部位の劣化が大きいと判定する。
<1>
上記実施形態では、出力電圧の変化量実測値や変化率を導出するための電流範囲を、出力電流98%〜100%及び出力電流100%〜102%とした場合を例示したが、電流範囲は適宜設定可能である。
上記実施形態では、電圧検出手段11が出力電圧を検出するセルスタック8の特定部位の一例として、測定点a及び測定点bの間の出力電圧を測定する例について説明したが、燃料ガス及び酸化剤ガスの流速がセルスタック8の平均流速よりも低くなる部位であれば、他の一つ又は複数の特定部位の出力電圧の測定を行ってもよい。
9 燃料電池セル
11 電圧検出手段
12 電流検出手段
13 制御手段
14 温度検出手段
Claims (8)
- 供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックを有する燃料電池システムであって、
前記セルスタックの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記セルスタックの出力電圧と、前記セルスタックの特定部位における一つ又は複数の前記燃料電池セルの出力電圧とを検出可能な電圧検出手段と、
前記燃料ガスの供給量、前記酸化剤ガスの供給量及び前記セルスタックの出力電流を制御可能である制御手段と、
前記セルスタックの所定部位の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される前記セルスタックの温度が安定状態にあるとき、前記出力電流と前記燃料ガスの供給量と前記酸化剤ガスの供給量とを一定の比率で変化させたときの前記電圧検出手段による検出結果に基づいて、前記セルスタックの特定部位の劣化状態を判定するように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックを有する燃料電池システムであって、
前記セルスタックの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記セルスタックの出力電圧と、前記セルスタックの特定部位における一つ又は複数の前記燃料電池セルの出力電圧とを検出可能な電圧検出手段と、
前記燃料ガスの供給量、前記酸化剤ガスの供給量及び前記セルスタックの出力電流を制御可能である制御手段と、
前記セルスタックの所定部位の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される前記セルスタックの温度が安定状態にあるとき、前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガスの供給量を一定のままで前記セルスタックの出力電流を変化させたときの前記電圧検出手段による検出結果に基づいて、前記セルスタックの特定部位の劣化状態を判定するように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記電圧検出手段が出力電圧を検出する前記セルスタックの特定部位は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流速が前記セルスタックでの平均流速よりも低くなる部位であることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記セルスタックの出力電流と、前記電圧検出手段によって検出される前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セルの出力電圧との関係に基づいて、前記出力電流の低電流範囲での前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セルの出力電圧の低電流側変化率と、前記出力電流の高電流範囲での前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セルの出力電圧の高電流側変化率とを導出し、前記高電流側変化率と前記低電流側変化率との差が大きい程、前記セルスタックの特定部位の劣化が大きいと判定するように構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記セルスタックの出力電流と、前記電圧検出手段によって検出される前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セルの出力電圧との関係に基づいて、前記出力電流の所定電流範囲での前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セルの出力電圧の第1変化量実測値を導出し、当該第1変化量実測値と所定の第1変化量基準値との差が大きい程、前記セルスタックの特定部位の劣化の程度が大きいと判定するように構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出される前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧と、前記電圧検出手段によって検出される前記セルスタックの出力電圧における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧とを導出し、
前記電流検出手段によって検出される前記セルスタックの出力電流と、導出した前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧との第1関係に基づいて、前記出力電流の所定電流範囲での前記セルスタックの特定部位における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧の第1変化量実測値を導出し、
前記電流検出手段によって検出される前記セルスタックの出力電流と、導出した前記セルスタックの出力電圧における前記燃料電池セル1つ当たりの出力電圧との第2関係に基づいて、前記所定電流範囲での前記セルスタックの出力電圧の第2変化量実測値を導出し、
前記第1変化量実測値と前記第2変化量実測値との差が大きい程、前記セルスタックの特定部位の劣化の程度が大きいと判定するように構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記セルスタックの特定部位の劣化の程度が大きい程、前記燃料ガスの供給量及び前記酸化剤ガスの供給量を制御して燃料利用率及び空気利用率の少なくとも一方を下げた状態で前記セルスタックでの発電を行わせるように構成されていることを特徴とする請求項4〜6の何れか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、前記セルスタックの特定部位の劣化の程度が大きい程、前記出力電流の上限を下げた状態で発電を行わせるように構成されていることを特徴とする請求項4〜6の何れか一項に記載の燃料電池システム。
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