JP2012104434A

JP2012104434A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法

Info

Publication number: JP2012104434A
Application number: JP2010253660A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Konishi; 充峻小西; Koichi Kubo; 浩一久保; Tomotaka Ishida; 友孝石田
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012063922A1

Abstract

【課題】環境温度が変化する場合においても、気体燃料の供給量を精度良く調整することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池システム１及び燃料電池システム１の運転方法によれば、環境温度を参照して流量測定装置３の流量計指示目標値Ｆｔが決定され、流量測定装置３が流量計指示目標値を示すように燃料供給装置２が制御されて気体燃料が改質器５に供給されるため、環境温度の高低に関わらず、燃料電池６の出力電流の電流値に応じた燃料物質量の燃料供給が可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池システムは、都市ガス、液化天然ガス（ＬＰＧ）、灯油等の水素含有燃料を改質器に供給して水素を生成し、水素を燃料電池スタックの燃料極に供給する。

通常、ポンプによって燃料電池の燃料極に供給される気体燃料の流量は、物質量を一定として考えた場合、環境温度によって異なる場合がある。例えば、体積流量計を用いる場合は、寒冷地であれば濃度が高まるため小さい体積流量となり、温暖地であれば濃度が低くなるため大きい体積流量となる。このような現象は、寒冷地において気体燃料が濃くなることで効率が低下したり、温暖地において気体燃料が薄くなることで燃料枯れが生じて燃料電池の損傷を招く。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載されるように、燃料電池の燃料極へ気体燃料を供給するポンプを備え、このポンプに対する制御指示値（出力制御量）をポンプ付近の環境温度（外気温度）に基づいて補正し、補正した制御指示値によりポンプを制御することで、環境温度が変化した場合でも供給量の安定化を図る燃料電池システムが知られている。

このシステムでは、例えば、ある環境温度における制御指示値の基準値を記憶しており、システムの運転時における環境温度とその基準値に対応する環境温度との比を基準値に乗じることで、気体の状態方程式に基づく制御指示値の演算を行っている。

特開２００４−２０７１３３号公報

しかしながら、実在の気体を取り扱う場合、また、上記特許文献１に記載されたような、外気温度及び出力電流に基づいて決定されるガス供給量を燃料電池等に供給するために、ガス供給手段の出力を直接的に調整する燃料電池システムにおいては、ガス供給手段の精度や劣化を考慮していないため、燃料電池等に実際に供給されるガス量が正確であるとは限らないという問題がある。

本発明は、環境温度が変化する場合においても、気体燃料の供給量を精度良く調整することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、改質器に気体燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に供給される気体燃料の流量を測定する流量測定手段と、燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定手段と、環境温度を測定する環境温度測定手段と、電流値に応じて改質器に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量を予め記憶し、環境温度を参照して燃料物質量に相当する流量で気体燃料を燃料供給手段に吐出させるための流量測定手段の指示目標値を決定し、流量測定手段が指示目標値を示すよう燃料供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、改質器に気体燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に供給される気体燃料の流量を測定する流量測定手段と、燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定手段と、環境温度を測定する環境温度測定手段と、電流値に応じた燃料物質量を予め記憶する制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、電流値に応じて改質器に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量を決定するステップと、環境温度を参照して燃料物質量に相当する流量で気体燃料を燃料供給手段に吐出させるための流量測定手段の指示目標値を決定するステップと、流量測定手段が指示目標値を示すよう燃料供給手段を制御するステップと、を備えることを特徴とする。

これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、環境温度を参照して、電流値に応じた燃料物質量に相当する流量の気体燃料が燃料供給手段によって吐出されるよう、流量測定手段の指示目標値が決定される。よって、環境温度が変化する場合においても、電流値に応じた燃料物質量を改質器に供給することができ、気体燃料の供給量を精度良く調整することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御手段は、流量測定手段の経年劣化情報を記憶しており、記憶した経年劣化情報を更に参照して指示目標値を決定することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法において、制御手段は、流量測定手段の経年劣化情報を記憶しており、経年劣化情報を参照して指示目標値を決定するステップを更に備えることが好ましい。

これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、長期間の使用により流量測定手段に経年劣化が生じた場合であっても、この経年劣化が燃料供給手段の制御に加味されるため、燃料供給手段の精度や劣化に拠らず、気体燃料の供給量を確実に調整でき、システムの運用効率および長期信頼性を高めることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御手段は、流量測定手段の運転時間の累積値を経年劣化情報として記憶することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法において、制御手段は、流量測定手段の運転時間の累積値を経年劣化情報として記憶しており、運転時間の累積値を参照して指示目標値を決定するステップを備えることが好ましい。

これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、経年劣化情報として流量測定手段の運転時間の累積値を用いることにより、流量測定手段を構成する部品等の機械的な劣化を容易に推定することができるため、気体燃料の供給量をより精度良く調整することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御手段は、流量測定手段によって測定される流量の累積値を経年劣化情報として記憶することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法において、制御手段は、流量測定手段によって測定される流量の累積値を経年劣化情報として記憶しており、流量測定手段によって測定される流量の累積値を参照して指示目標値を決定するステップを備えることが好ましい。

これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、経年劣化情報として流量測定手段によって測定される流量の累積値を用いることにより、気体燃料に含まれる不純物の蓄積等による流量測定手段の経年劣化状態を容易に推定することができるため、気体燃料の供給量をより精度良く調整することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御手段は、指示目標値をマップとして記憶しており、マップに基づいて指示目標値を決定することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法において、制御手段は、指示目標値をマップとして更に記憶しており、マップに基づいて指示目標値を決定するステップを備えることが好ましい。

これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、環境温度測定手段及び電流値測定手段によってそれぞれ測定される環境温度及び電流値、若しくは流量測定手段の経年劣化情報に対応づけられた制御指示値をマップから選択することにより、演算負荷を一層低減することができる。

また、上記作用をより効果的に発揮させる構成としては、流量測定手段は、体積に基づく流量測定手段である構成が挙げられる。

本発明によれば、環境温度が変化する場合においても、気体燃料の供給量を精度良く調整することができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示すブロック図である。燃料電池システムにおける制御手順を示すフローチャートである。流量測定手段の運転時間の累積値のマップを示す図である。第２実施形態における制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
図１に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１は、気体燃料を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器５と、改質ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池６と、を備えている。

改質器５は、内部に改質触媒を収容しており、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質などの改質反応により、改質ガスを生成する。改質触媒としては、公知の触媒を用いることができる。

気体燃料としては、改質ガスの原料として固体酸化物方燃料電池の分野で公知の炭化水素系燃料、すなわち、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはその混合物から適宜選んで用いることができる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類等、分子中に炭素と水素とを含む化合物である。より具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素類、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類等である。なかでも、灯油やＬＰＧは、入手が容易であるため好ましい。また、灯油やＬＰＧは、独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。更に、灯油やＬＰＧを利用した固体酸化物方燃料電池は、非常用電源として有用である。なお、常温で液体である燃料の場合、例えば気化器によって気化することで、気体燃料として用いることができる。

燃料電池６は、改質器５で生成された改質ガスを燃料として用い、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルを直列させてなるセルスタックで発電を行う。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と空気極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなり、８００℃〜１０００℃の温度で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと燃料極に供給される改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。空気極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、空気極に供給される空気中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。

また、燃料電池システム１は、改質器５に気体燃料を供給する燃料供給装置２と、燃料供給装置２によって改質器５に供給される気体燃料の流量を測定する流量測定装置３と、燃料電池６の出力電流の電流値を測定する電流値測定装置７と、環境温度を測定する環境温度測定装置８と、を備えている。更に、燃料電池システム１は、電流値測定装置７によって測定された電流値および環境温度測定装置８によって測定された環境温度に基づいて燃料供給装置２を制御する制御装置４を備えている。

ここで、環境温度とは、燃料電池システム１が設置された環境における外気温である。更に、以下の説明において用いる燃料物質量とは、燃料供給装置２によって改質器５に供給される気体燃料の単位時間あたりのモル数あるいは質量である。

燃料供給装置２は、改質器５に気体燃料を供給するためのポンプを有している。燃料供給装置２は、後述する流量測定手段３で取得される値が、改質器５に供給すべき気体燃料の単位時間当たりの燃料物質量に相当する流量になるようフィードバック制御することにより、改質器５に気体燃料を供給する。

燃料供給装置２は、ポンプの運転中においては、運転中である旨を示す情報を制御装置４に出力する。燃料供給装置２は、ポンプのほか、気体燃料の供給ラインに設けられた調節弁等を有している。

流量測定装置３は、気体燃料の供給ラインに設けられた流量計を有している。流量測定装置３は、体積に基づく気体燃料の流量を測定し、流量の測定値を制御装置４に出力する。ここで、流量測定装置３による流量の測定精度は、使用初期においては誤差が小さく高精度であるが、使用年月が長くなるにつれて、流量測定装置３を構成する部品の機械的な劣化や、気体燃料に含まれる不純物等が流路に付着することによる劣化により、測定精度が低下する傾向にある。

電流値測定装置７は、燃料電池６における掃引電流値を測定する電流計を有しており、測定した掃引電流値を制御装置４に出力する。

環境温度測定装置８は、環境温度を測定する温度計を有している。この温度計は、具体的には、燃料供給装置２の周辺に設置されて、燃料供給装置２の周辺の温度を測定し、測定した環境温度を制御装置４に出力する。

制御装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイス等を有して構成されており、燃料電池システム１のシステム全体を制御するものである。すなわち、制御装置４は、燃料電池６における発電量（例えば燃料電池６からの電流掃引）を制御する。また、制御装置４は、電流測定装置７から出力される掃引電流値Ｉを、環境温度測定装置８から出力される環境温度Ｋを、また流量測定装置３から出力される気体燃料の実流量Ｆａをそれぞれ取得する。そして、取得した各情報に基づいて所定の処理を実行することにより、燃料供給装置２を制御する。

制御装置４は、掃引電流値に応じた改質器５に供給すべき気体燃料の燃料物質量を予め記憶している。そのため、制御装置４は、電流測定装置７から取得した掃引電流Ｉを取得することにより、発電に必要な気体燃料の燃料物質量Ｎｆを決定することができる。なお、掃引電流値に応じた燃料物質量は、計算式として記憶していてもよいし、実験的に得られた好適な値をマップとして記憶していてもよい。

また、制御装置４は、環境温度測定装置８から取得した環境温度Ｋを参照して、流量測定装置３の指示目標値Ｆｔを決定する。指示目標値は、気体の状態方程式を用いて都度演算を行ってもよいし、環境温度毎に流量測定装置の好適な指示目標値をマップとして予め記憶しておき、そのマップを参照して指示目標値を決定してもよい。

更に、制御装置４は、流量測定装置３から取得した燃料供給装置２が吐出している実際の燃料流量Ｆａと、流量測定装置３の指示目標値Ｆｔとを比較する。そして、制御装置４は、実際の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとが等しくなるように燃料供給装置２を制御する。具体的には、実際の燃料流量Ｆａが指示目標値Ｆｔより小さい場合は燃料供給装置２の吐出量を上げ、反対に、実際の燃料流量Ｆａが指示目標値Ｆｔより大きい場合は燃料供給装置２の吐出量を下げるように、燃料供給装置２を制御する。

なお、図示は省略するが、燃料電池システム１は、改質器５に水蒸気を供給する水蒸気供給装置と、燃料電池６の空気極に空気を供給する空気供給装置と、を備えている。水蒸気供給装置は、改質器５と一体に又は改質器５とは別体に設けられた気化器によって水を気化し、水蒸気として改質器５に供給する。

続いて、本実施形態における制御装置４の機能について説明する。図２は、第１実施形態において、燃料電池システムが起動し、発電を開始したときに制御装置４が実行する処理のフロー図である。図２に示される各処理は、燃料電池システム１の通常運転中、制御装置４によって繰り返し実行される。

まず、制御装置４は、掃引電流値Ｉを取得し（Ｓ１）、取得した掃引電流値Ｉのときに改質器５に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量Ｎｆを決定する（Ｓ２）。

次に、環境温度Ｋを取得し（Ｓ３）、当該温度において燃料物質量Ｎｆに相当する所望の流量Ｘを決定する（Ｓ４）。そして、当該所望の流量で気体燃料を燃料供給装置２に吐出させるための流量測定装置３の指示目標値Ｆｔを決定する（Ｓ５）。

次に、制御装置４は、現在の改質器５に供給されている燃料流量Ｆａを取得し（Ｓ６）、指示目標値Ｆｔと比較する（Ｓ７）。現在の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとが等しい場合は、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ７の処理を繰り返す。一方、現在の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとが等しくない場合は、燃料供給装置２の出力を調整する（Ｓ８）。具体的には、制御装置４は、Ｆa＜Ｆｔの場合は燃料供給装置２の吐出量を増やすように燃料供給装置２を制御し、Ｆａ＞Ｆｔの場合は燃料供給装置２の吐出量を減らすように燃料供給装置２を制御する。そして、ステップＳ６に戻り、再び現在の燃料流量Ｆａを取得して指示目標値Ｆｔと比較する。

本実施形態の燃料電池システム１及び燃料電池システム１の運転方法によれば、環境温度を参照して流量測定装置３の流量計指示目標値Ｆｔが決定され、流量測定装置３が流量計指示目標値を示すように燃料供給装置２が制御されて気体燃料が改質器５に供給されるため、環境温度の高低に関わらず、燃料電池６の出力電流の電流値に応じた燃料物質量の燃料供給が可能になる。

また、環境温度に基づく制御指示値の設定は予めマップとして記憶することができるため、数式から求められる値の他、実験的に得られたより好適な値を記憶することができ、好適な値を低演算負荷で実現することができる。従って、環境温度が変化する場合においても、演算負荷を低減しつつ気体燃料の供給量を精度よく調整することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１と同様の構成を有しているが、制御装置４は、流量測定装置３の経年劣化情報を更に記憶しており、また、制御装置４における処理が第１実施形態とは異なっている。本実施形態においては、流量測定装置３の指示目標値を決定する際に流量測定装置３の経年劣化情報を加味する処理を有する。具体的には、経年劣化情報として、流量測定装置３の運転時間の累積値を用いる。図３は、当該経年劣化情報を加味した燃料吐出量と流量測定装置３指示値との関係を示すマップである。図４は、本実施形態において、燃料電池システムが起動し、発電を開始したときに制御装置４が実行する処理のフロー図である。図４に示される各処理は、燃料電池システムの通常運転中、制御装置４によって繰り返し実行される。

図４に示されるように、制御装置４は、環境温度Ｋを取得し（Ｓ３）、当該温度において燃料物質量Ｎｆに相当する所望の流量Ｘを決定した後、流量測定装置３の累積運転時間ｔを取得する（Ｓ９）。制御装置４は、流量測定装置３の累積運転時間ｔから経年劣化情報であるマップを選択する。具体的には、掃引電流値Ｉ、必要な燃料物質量Ｎｆ及び環境温度Ｋから決定される所望の燃料流量がＸ１である場合、０年≦ｔ年＜３年の場合はマップＭ１を参照し（Ｓ１０〜Ｓ１１Ａ）、指示目標値Ｘ１に決定する（Ｓ５Ａ）。３年≦ｔ年＜５年の場合はマップＭ２を参照し（Ｓ１０〜Ｓ１１Ｂ）、指示目標値ＦｔをＸ２に決定する（Ｓ５Ｂ）。５年≦ｔ年＜６年の場合はマップＭ３を参照し（Ｓ１０〜Ｓ１１Ｃ）、指示目標値ＦｔをＸ３に決定する（Ｓ５Ｃ）。以下、第１実施形態と同様に、現在の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとを比較する。

本実施形態の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、流量測定装置３を長期使用することにより生じる流量測定装置３を構成する部品類の機械的劣化や、燃料に含まれる不純物が流路に蓄積することによる劣化による、流量測定装置３の指示値と実際の吐出量との誤差を加味して指示目標値Ｆｔを決定することができる。これによって気体燃料の供給量を精度良く調整でき、システムの運用効率および長期信頼性を高めて長期的な寿命を確保することができる。

なお、上述の実施形態では、グラフ形式のマップを用いて説明したが、マトリックス形式のマップを用いてもよい。また、なお、ステップＳ９で取得する経年劣化情報は、流量測定装置３の累積運転時間ではなく、流量測定装置３の流量の累積値を用いても上記と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池を用いる場合について説明したが、本発明は、固体高分子形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池を用いた燃料電池システムにも適用できる。

また、上記各実施形態における運転方法では、ステップＳ８の後、流量の測定値を流量の指示目標値に追従させるステップＳ６に戻る場合について説明したが、掃引電流値を取得するステップＳ１や、環境温度を取得するステップＳ３に戻ってもよい。

１…燃料電池システム、２…燃料供給装置（燃料供給手段）、３…流量測定装置（流量測定手段）、４…制御装置（制御手段）、５…改質器、６…燃料電池、７…電流値測定装置（電流値測定手段）、８…環境温度測定装置（環境温度測定手段）。

Claims

気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記改質器に前記気体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質器に供給される前記気体燃料の流量を測定する流量測定手段と、
前記燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定手段と、
環境温度を測定する環境温度測定手段と、
前記電流値に応じて前記改質器に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量を予め記憶し、前記環境温度を参照して前記燃料物質量に相当する流量で前記気体燃料を前記燃料供給手段に吐出させるための前記流量測定手段の指示目標値を決定し、前記流量測定手段が前記指示目標値を示すよう前記燃料供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記流量測定手段の経年劣化情報を記憶しており、記憶した前記経年劣化情報を更に参照して前記指示目標値を決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記流量測定手段の運転時間の累積値を前記経年劣化情報として記憶することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記流量測定手段によって測定される流量の累積値を前記経年劣化情報として記憶することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記指示目標値をマップとして記憶しており、前記マップに基づいて前記指示目標値を決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記流量測定手段は、体積に基づく流量測定手段である請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記改質器に前記気体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質器に供給される前記気体燃料の流量を測定する流量測定手段と、
前記燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定手段と、
環境温度を測定する環境温度測定手段と、
前記電流値に応じた燃料物質量を予め記憶する制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記電流値に応じて前記改質器に供給すべき単位時間当たりの前記燃料物質量を決定するステップと、
前記環境温度を参照して前記燃料物質量に相当する流量で前記気体燃料を前記燃料供給手段に吐出させるための前記流量測定手段の指示目標値を決定するステップと、
前記流量測定手段が前記指示目標値を示すよう前記燃料供給手段を制御するステップと、を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
前記制御手段は、前記流量測定手段の経年劣化情報を記憶しており、
前記経年劣化情報を参照して前記指示目標値を決定するステップを更に備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの運転方法。
前記制御手段は、前記流量測定手段の運転時間の累積値を前記経年劣化情報として記憶しており、
前記運転時間の累積値を参照して前記指示目標値を決定するステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
前記制御手段は、前記流量測定手段によって測定される流量の累積値を前記経年劣化情報として記憶しており、
前記流量測定手段によって測定される流量の累積値を参照して前記指示目標値を決定するステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
前記制御手段は、前記指示目標値をマップとして更に記憶しており、
前記マップに基づいて前記指示目標値を決定するステップを備えることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。