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特開2019-207867燃料電池システムおよびその運転方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-207867(P2019-207867A)
(43)【公開日】2019年12月5日
(54)【発明の名称】燃料電池システムおよびその運転方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/04858 20160101AFI20191108BHJP
   H01M 8/0432 20160101ALI20191108BHJP
   H01M 8/0438 20160101ALI20191108BHJP
   H01M 8/04313 20160101ALI20191108BHJP
   H01M 8/04537 20160101ALI20191108BHJP
   H01M 8/04746 20160101ALI20191108BHJP
【FI】
   H01M8/04858
   H01M8/0432
   H01M8/0438
   H01M8/04313
   H01M8/04537
   H01M8/04746
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2019-76495(P2019-76495)
(22)【出願日】2019年4月12日
(31)【優先権主張番号】特願2018-100375(P2018-100375)
(32)【優先日】2018年5月25日
(33)【優先権主張国】JP
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000556
【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】可児 幸宗
(72)【発明者】
【氏名】見神 祐一
(72)【発明者】
【氏名】寺山 健
【テーマコード(参考)】
5H127
【Fターム(参考)】
5H127AA07
5H127AC05
5H127BA01
5H127BA05
5H127BA12
5H127BA13
5H127BA21
5H127BA56
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB36
5H127CC17
5H127CC18
5H127DB02
5H127DB03
5H127DB16
5H127DB42
5H127DB47
5H127DB66
5H127DB69
5H127DC02
5H127DC44
5H127DC46
5H127DC83
(57)【要約】
【課題】燃料電池システムは、炭素析出の抑制をさらに図ることができる。
【解決手段】燃料電池システム100は、燃料を供給する燃料供給器1と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタック6と、前記燃料電池スタック6の温度を検出する第1温度検出器7と、制御器10と、を備え、前記燃料電池スタック6は、プロトンが伝導する電解質膜6aと、前記電解質膜6aの一方の面に設けられたカソード6bと、もう一方の面に設けられたアノード6cとからなる膜電極接合体と、を備え、前記制御器10は、前記燃料電池スタック6の温度と前記燃料の供給量、および前記燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量に基づいて、前記燃料電池スタック6から取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタック6から取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料を供給する燃料供給器と、
前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの温度を検出する第1温度検出器と、
制御器と、を備え、
前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と、前記燃料の供給量と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、燃料電池システム。
【請求項2】
前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、
前記オフガスの温度を検出する第2温度検出器と、をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記燃料および前記水素含有ガスの少なくともいずれか一方を含み前記アノードに供給されるアノードガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と、前記燃料の供給量と、前記アノードガスの圧力と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、
前記オフガスの温度を検出する第2温度検出器と、をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量と、前記アノードガスの圧力と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、請求項3に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記燃料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器をさらに備える、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量を増加させるように構成されている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記燃料電池スタックに水を供給する水供給器と、
前記水供給器から供給される水を蒸発させる蒸発器と、をさらに備える、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項8】
前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されている、請求項7に記載の燃料電池システム。
【請求項9】
前記燃料電池スタックに水蒸気を供給する水蒸気供給器をさらに備える、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項10】
前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水蒸気の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されている、請求項9に記載の燃料電池システム。
【請求項11】
燃料を供給する燃料供給器と、
前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの温度を検出する第1温度検出器と、を備え、
前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックの温度と、前記燃料の供給量と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限する、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、プロトンが伝導する電解質膜を用いた燃料電池スタックを備えた燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【0002】
化学エネルギーを電気エネルギーへ直接、変換することができる燃料電池は、カルノー効率の制約を受けないため、原理上、高い発電効率を期待することができ、さらなる普及が期待されている。
【0003】
また、燃料電池の運転動作に起因する発電性能の低下を抑制するために、様々な取り組みがなされている。例えば、特許文献1では、炭素の析出による発電性能の低下を抑制する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2018−10860号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本開示は、炭素析出の抑制をさらに図ることができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様に係る燃料電池システムは、燃料を供給する燃料供給器と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度を検出する第1温度検出器と、制御器と、を備え、前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と、前記燃料の供給量と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている。
【発明の効果】
【0007】
本開示の燃料電池システムによれば、炭素析出の抑制をさらに図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本開示の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図2図2Aは、メタンを燃料としたS/C=2.0の場合における、酸化物イオン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化、および、プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化をプロットしたC−H−O三元図である。図2Bは、図1の燃料電池システムにおける炭素の析出領域を示すC−H−O三元図に、燃料をメタンとし、S/Cを2.0にした場合のアノードガス組成についてプロットした図である。
図3】本開示の第2実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図4】本開示の第3実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図5】本開示の第4実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図6】本開示の第5実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図7】本開示の第7実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図8】本開示の第8実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
(本開示の基礎となる知見)
本発明者らは燃料電池システムについて炭素析出の抑制をさらに図るために鋭意検討をした。この結果、本発明者らは下記を見出した。
【0010】
酸化物からなるプロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池スタックでは、アノードにおいて水素から生成したプロトンに加えて、ホールまたは電子も電解質を伝導する。このホール伝導または電子伝導により電解質の内部にリーク電流(内部リーク電流)が生じる。このため、アノードガス中の水素は、発電だけでなく、内部リーク電流によっても消費されてしまう。
【0011】
このように、アノードガス中の水素が消費されると、アノードガス中の水素比率が低下し、炭素の比率が増加する。その結果、炭素が析出し易くなる。そこで、本発明者らは、内部リーク電流による水素消費量を考慮することにより、より確実に炭素を抑制し得ることを見出した。本開示はこの知見に基づいてなされた。
【0012】
(実施の形態)
本開示の実施の第1態様に係る燃料電池システムは、燃料を供給する燃料供給器と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度を検出する第1温度検出器と、制御器と、を備え、前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と、前記燃料の供給量と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている。
【0013】
この構成によれば、燃料電池スタックから取り出す電流量を、内部リーク電流による燃料電池スタックにおける水素消費量も考慮した上限値以下に制限する。これにより、燃料電池スタックにおける炭素析出の抑制をさらに図ることができる。
【0014】
本開示の実施の第2態様に係る燃料電池システムでは、第1態様において、前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、前記オフガスの温度を検出する第2温度検出器と、をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されていてもよい。これにより、燃料電池スタックおよびオフガス経路における炭素の析出が抑制される。このため、燃料電池スタックおよびオフガス経路を含む燃料電池システムにおける発電効率の低下を抑制することができる。
【0015】
本開示の実施の第3態様に係る燃料電池システムでは、第1態様において、前記燃料および前記水素含有ガスの少なくともいずれか一方を含み前記アノードに供給されるアノードガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と、前記燃料の供給量と、前記アノードガスの圧力と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されていてもよい。
【0016】
本開示の実施の第4態様に係る燃料電池システムでは、第3態様において、前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、前記オフガスの温度を検出する第2温度検出器と、をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量と、前記アノードガスの圧力と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されていてもよい。
【0017】
これにより、たとえば、供給されるアノードガスの圧力が変動する場合、および、加圧運転を行う場合であっても、検出された圧力に基づいて燃料電池スタックから取り出す電流量が制限される。このため、燃料電池スタックにおける炭素の析出が抑制され、析出した炭素による燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができる。
【0018】
本開示の実施の第5態様に係る燃料電池システムでは、第1乃至4のいずれかの態様において、前記燃料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器をさらに備えていてもよい。
【0019】
本開示の実施の第6態様に係る燃料電池システムでは、第1乃至5のいずれかの態様において、前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量を増加させるように構成されていてもよい。これにより、炭素の析出を抑制しながら、要求電力量に応じた電力量を外部負荷に供給することができる。
【0020】
本開示の実施の第7態様に係る燃料電池システムでは、第1乃至5のいずれかの態様において、前記燃料電池スタックに水を供給する水供給器と、前記水供給器から供給される水を蒸発させる蒸発器と、をさらに備えていてもよい。
【0021】
本開示の実施の第8態様に係る燃料電池システムでは、第7態様において、前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されていてもよい。これにより、炭素の析出を抑制しながら、要求電力量に応じた電力量を外部負荷に供給することができる。
【0022】
本開示の実施の第9態様に係る燃料電池システムでは、第1乃至5のいずれかの態様において、前記燃料電池スタックに水蒸気を供給する水蒸気供給器をさらに備えていてもよい。
【0023】
本開示の実施の第10態様に係る燃料電池システムでは、第9態様において、前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水蒸気の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されていてもよい。これにより、炭素の析出を抑制しながら、要求電力量に応じた電力量を外部負荷に供給することができる。
【0024】
本開示の実施の第11態様に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料を供給する燃料供給器と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度を検出する第1温度検出器と、を備え、前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックの温度と、前記燃料の供給量と、前記燃料電池スタックにおける内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限する。
【0025】
以下、本開示の実施形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【0026】
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。燃料電池システム100は、燃料電池スタック6、第1温度検出器7、燃料供給器1、空気供給器5および電流取り出し線15および制御器10を備えている。さらに、燃料電池システム100は、水供給器2、蒸発器3を備えていてもよい。
【0027】
燃料電池スタック6は、水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する。燃料電池スタック6は1つまたは複数の膜電極接合体6eを備えており、膜電極接合体6eは電解質膜6a、カソード6bおよびアノード6cから構成されている。電解質膜6aは、プロトンが伝導する膜(プロトン伝導膜)であり、カソード6bは電解質膜6aの一方の面に設けられ、アノード6cは電解質膜6aのもう一方の面に設けられている。
【0028】
電解質膜6aは、プロトン伝導体で構成される。電解質膜6aは、イオン導電率が高く、且つ、電子導電率が低いものが望ましい。電解質膜6aのイオン導電率は、例えば、0.001S/cmより高く、好ましくは0.01S/cm以上である。電解質膜6aの電子導電率は、例えば、電解質膜6aのイオン導電率よりも1桁以上低く、好ましくは2桁以上低い。
【0029】
プロトン伝導体としては、例えば、組成式がBaZr1-xx3(0.05≦x≦0.5;M=Sc、In、Lu、Yb、Tm、Er、Y、Ho、Dy、Gd)で構成されてもよい。望ましくは、Ybをドープしたジルコン酸バリウム(BZYb)としてもよい。また、プロトン伝導体は、例えば、BaCe0.8Gd0.23-σ、BaZr0.80.23-σで構成されてもよい。
【0030】
電解質膜6aの厚みは、例えば、1μm以上であり50μm以下の範囲の値となる。電解質膜6aの厚みは、発電性能の観点では薄い方が好ましいが、強度の観点では厚い方が良好となる。このため、電解質膜6aの厚みは、両者を考慮して、例えば、5μm以上であり30μm以下となることがより好ましい。
【0031】
アノード6cは、電子およびプロトンの混合伝導体であることが好ましく、水素または改質ガスなどの還元ガスに安定な組成となる物質から構成されていることが好ましい。例えば、アノード6cは、ニッケル(Ni)とBaZr1-xx3(0.05≦x≦0.5;M=Sc、In、Lu、Yb、Tm、Er、Y、Ho、Dy、Gd)との混合物より構成することができる。このようにアノード6cが構成される場合、ニッケル(Ni)とBaZr1-xx3との重量比は、例えば、60:40とすることができる。なお、アノード6cはこの組成に限定されるものではない。
【0032】
アノード6cの厚さは、例えば、支持体として100μm以上であり2mm以下の範囲の値となることが好ましい。
【0033】
アノード6cは、改質機能を有していてもよく、アノード6cに供給された燃料が水蒸気改質され、水素を含むガス(水素含有ガス)が生成する。この水素はアノード6cにおいて水素イオン(プロトン)になり、この際に電子が放出される(式1)。プロトンは電解質膜6aを通り、カソード6bにおいて電子と空気中の酸素と反応し、水蒸気が生成する(式2)。内部リーク電流により、アノードで消費される水素の量に比して、外部へ取り出せる電流量は少なくなる。
アノード:H2 → 2H+ + 2e- (式1)
カソード:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (式2)
【0034】
第1温度検出器7は、燃料電池スタック6の温度を検出する。第1温度検出器7は、燃料電池スタック6のアノード6cにおける燃料の温度を検出することが好ましい。第1温度検出器7は、検出した温度を制御器10に出力する。
【0035】
燃料供給器1は、燃料電池スタック6に燃料を供給する。燃料供給器1は、その上流端が燃料供給源(図示せず)に接続され、下流端が燃料経路および第1供給経路11を介して燃料電池スタック6のアノード6cの上流端に接続されている。燃料供給源としては、たとえば、燃料ボンベおよび燃料インフラストラクチャなどが例示される。燃料は、アノードガスとしてアノード6cに供給される。燃料としては、天然ガス(都市ガス)およびプロパンガス等の炭化水素系燃料が例示される。また、燃料供給器1は、アノード6cに供給される燃料の流量(供給量)を調整する機能を有する。
【0036】
水供給器2は、燃料電池スタック6に水を供給する。水供給器2は、その上流端が水供給源(図示せず)に接続され、下流端が水経路および第1供給経路11を介して燃料電池スタック6のアノード6cの上流端に接続されている。水供給源としては、たとえば、水道などが例示される。水道を水供給源に用いる場合には、イオン交換樹脂を用いる等、含有イオンを除去する構成を取ることが好ましい。水供給器2は、蒸発器3に供給される水の流量(供給量)を調整する機能を有する。蒸発器3は、水供給器2から供給される水を蒸発させる機器であって、水経路に設けられている。
【0037】
燃料経路および水経路は、各下流端が接合されて、第1供給経路11に繋がる。第1供給経路11には、燃料経路を流通する燃料と水経路を流通する水蒸気とが混合したガス(アノードガス)が流れる。アノードガスは燃料電池スタック6のアノード6cに供給される。
【0038】
空気供給器5は、燃料電池スタック6に空気を供給する。空気供給器5は、その上流端が空気供給源(図示せず)に接続され、下流端が第2供給経路12を介して燃料電池スタック6のカソード6bの上流端に接続されている。空気供給源としては、たとえば、大気などが例示される。また、空気供給器5は、カソード6bに供給される空気の流量(供給量)を調整する機能を有する。空気は、カソードガスとして燃料電池スタック6のカソード6bに供給される。
【0039】
電流取り出し線15は燃料電池スタック6に接続されており、燃料電池スタック6の発電によって得られる電流を取り出す。また、電流取り出し線15は外部負荷(図示せず)にインバータなどの電力変換器などを介して接続されている。
【0040】
制御器10は、燃料電池システム100の各構成を制御する。たとえば、制御器10は燃料供給器1、水供給器2および空気供給器5に信号を出力し、その信号の電流パルスおよび電圧等を制御することにより各供給器の供給量を調整する。また、制御器10は、燃料電池スタック6の温度と、燃料の供給量と、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量に基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定し、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。
【0041】
制御器10は、制御機能を有するものであれば、どのような構成でも構わない。たとえば、制御器10は演算処理部(図示せず)および記憶部(図示せず)を備え、演算処理部としてはMPU、CPUが例示され、記憶部としてはメモリーが例示される。記憶部には、燃料電池システム100としての基本プログラムおよび各種固定データ等の情報が記憶されている。演算処理部は、記憶部に記憶された基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、燃料電池システム100の各種動作を制御する。制御器10は、集中制御を行う単独の制御器10で構成されていても構わないし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器10で構成されていても構わない。
【0042】
次に、第1実施形態に係る燃料電池システム100の運転方法を、図2Aおよび図2Bを参照して説明する。この運転方法は、制御器10により制御される。
【0043】
図2Aは、メタンを燃料としたS/C=2.0の場合における、酸化物イオン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化、および、プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化をプロットしたC−H−O三元図である。酸化物イオン伝導体を電解質に用いた場合では、発電が進行するにつれ、酸素の比率が高まる。プロトン伝導体を電解質に用いた場合では、発電が進行するにつれ、水素の比率が低下することが分かる。
【0044】
図2Bは、500℃、600℃における炭素の析出領域を示すC−H−O三元図(C:H:O比率情報)に、プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池において、燃料をメタンとし、S/Cを2にした場合のアノードガス組成についてプロットした図である。また、燃料にメタンを用いた場合について説明するが、他の燃料を用いた場合についても同様であるため、その説明を省略する。
【0045】
具体的には、起動指令に応じて燃料と空気が供給され、燃焼器(図示せず)からの燃焼熱およびヒーター(図示せず)により蒸発器3および燃料電池スタック6が加熱される。続いて、水の供給が開始され、水蒸気と燃料の混合気がアノード6cに供給され、電流を取り出す。この際、燃料電池スタック6の温度が低いと、炭素が析出するおそれがある。このため、炭素の析出を防止するために燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを制御する。
【0046】
制御器10は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量X、Y、Zを算出する。この各流量、燃料電池スタック6の温度および所定のアノードガスの圧力P0から、炭素が析出しない水素原子の限界流量YLを求める。なお、燃料の組成およびアノードガスの圧力P0は予め定められており、燃料の供給量および水蒸気の供給量は制御値であり、燃料電池スタック6の温度は第1温度検出器7の検出値である。
【0047】
具体的には、炭素原子の流量X、酸素原子の流量Z、燃料電池スタック6の温度およびアノードガスの圧力P0の各値は固定する。そして、水素原子の流量Yを減じ、アノードガスの熱力学平衡計算を行うことにより、炭素析出が起こらない最小水素原子流量を水素原子の限界流量YLとして求める。
【0048】
なお、水素原子の限界流量YLを求める度に、熱力学平衡計算を行ってもよいし、熱力学平衡計算により予め求められたテーブルを参照してもよい。H2Oを取り込むことによってプロトン伝導性を発現するプロトン伝導体の場合は、温度、圧力に応じて、相当分のH2O(水素原子2個、酸素原子1個)を減じていき、同時にそれに応じた水素分圧と酸素分圧分をアノードガス圧力からさらに減じて計算してもよい。ただし、燃料電池スタック6で発電可能な状態になるまでにH2Oはプロトン伝導体内部に取り込まれていることが多いため無視してもよい。
【0049】
続いて、制御器10は、例えば、事前に作成された参照用YCテーブルを用いて、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCを求める。参照用YCテーブルは、例えば、炭素原子の流量X、酸素原子の流量Z、燃料電池スタック6の温度およびアノードガスの圧力P0と水素消費量YCとの対応情報を保持する。参照用YCテーブル用のデータは下記のように取得できる。
【0050】
まず燃料電池スタック6のカソード6bの入口におけるH2Oの量(A)及びカソード6bの出口におけるH2Oの量(B)を測定する。これによって、カソード6bにおいて増加したH2Oの量(B−A)が分かる。さらに、燃料電池スタック6の発電量から、内部リーク電流がない場合にカソード6bにおいて生成されるH2Oの量(C)を上記式2から計算する。そして、測定値であるH2Oの量(B−A)と、理論値であるH2Oの量(C)との差(B−A)−Cを計算する。この差(B−A)−Cは、内部リーク電流によって生じたH2Oの量であり、内部リーク電流による水素消費量YCと等しい。
【0051】
また別の方法として、燃料電池スタック6のアノード6cの入口におけるH2の量(D)及びアノード6cの出口におけるH2の量(E)を測定する。これによって、アノード6cにおいて消費されたH2の量(D−E)が分かる。
【0052】
さらに、燃料電池スタック6の発電量から、内部リーク電流がない場合のアノード6cにおいて消費されるH2の量(F)を上記式1から計算する。そして、測定値であるH2の量(D−E)と、理論値であるH2の量(F)との差(D−E)−Fを、内部リーク電流による水素消費量YCとして計算する。
【0053】
上記のような方法により、様々な条件下の水素消費量YCのデータを取ることで、水素消費量YCの参照用テーブルを作成する。この参照テーブルを用いることで、内部リーク電流による燃料電池スタック6における水素消費量YCを求める。なお、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCの取得方法を上記の通り例示したが、この方法に限るものではない。例えば、燃料電池システムにおいて、ガス組成分析計を設けて、水素消費量YCを取得することがあげられる。
【0054】
その後、制御器10は水素原子の流量Yから、炭素析出が起こらない最小水素原子流量(水素原子の限界流量)YLと、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCとを引いた値を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値YM(=Y−YL−YC)とする。そして、制御器10は水素原子の上限値YMに基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。この水素原子の上限値YMと電流量Iの上限値Imとの関係は、実験等により予め定められており、例えば、データベースとして設けられる。これにより、運転条件に応じた燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCを予め把握し、データベースとして燃料電池システム100の運転時に参照することができる。
【0055】
他の方法として、たとえば図2Bを用いて、炭素が析出しない炭素原子、水素原子および酸素原子の流量(限界流量)を求める方法もある。この図2Bにおいて、実線は、所定のS/C(たとえば、2.0)で所定の圧力下における燃料電池スタック6のアノードガスにおける炭素原子、水素原子および酸素原子の各流量の割合(アノードガスの組成)(%)を示している。また、点線は、所定の圧力下において500℃で炭素の析出が生じるアノードガスの組成を示す線(境界線)である。一点鎖線は600℃における境界線である。これらの線の上側(炭素原子の割合が大きい側)の領域(炭素の析出領域)で熱力学的には炭素が析出する。
【0056】
たとえば、図2Bの実線上の点Xの組成のアノードガスは、500℃における境界線より上側に位置している。このため、燃料電池スタック6が500℃以下では炭素の析出が生じる。これに対し、実線上において水素の割合を増加する方向にアノードガスの組成を変化させると、500℃の境界線より下側にアノードガスの組成が位置するようになり、炭素の析出が回避される。600℃の場合、炭素析出は起こらない。
【0057】
このように、温度に応じた所定の炭素析出限界C:H:O比率情報と、燃料電池スタック6の温度とに基づいて、炭素が析出しない炭素原子、水素原子および酸素原子の各流量(限界流量)を求める。これにより、水素原子の限界流量YLが求められる。なお、所定のC:H:O比率情報は、たとえば、図2Aに示すように、所定のS/C、所定のアノードガスの圧力および所定の燃料の組成に基づいて、熱力学平衡計算により予め定められている。また、燃料電池スタック6の温度は、第1温度検出器7により検出される。
【0058】
そして、制御器10は、水素原子の流量Yから、水素原子の限界流量YLと、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCとを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値YMとして求める。そして、水素原子の上限値YMから燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。この水素原子の上限値YMと電流量Iの上限値Imとの関係は、実験等により予め定められている。
【0059】
制御器10は、たとえば、電流取り出し線15が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。これにより、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量まで考慮されるため、アノード6cにおける炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック6の性能低下を抑制することができる。
【0060】
なお、電流量Iの上限値Imに所定の安全率を乗じた電流量を上限としてもよい。そして、この電流量の上限以下に燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを制限してもよい。
【0061】
(第2実施形態)
図3は、第2実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、第1オフガス経路13および第2温度検出器16をさらに備えている。燃料電池システム100は、燃焼器8、および、第2オフガス経路14をさらに備えていてもよい。
【0062】
燃焼器8は、第1オフガス経路13によりアノード6cの下流端に接続され、第2オフガス経路14によりカソード6bの下流端に接続されている。これにより、アノード6cから排出されたガス(アノードオフガス)、および、カソード6bから排出されたガス(カソードオフガス)が燃焼器8に供給される。
【0063】
アノードオフガスは、水素、水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、および、改質されなかった燃料等を含んでいる。カソードオフガスは、たとえば、燃料電池スタック6の発電で使用されなかった酸素を含んでいる。燃焼器8は、可燃性ガスを酸素で燃焼して、ガス(燃焼ガス)を排出する。この燃焼熱および/または燃焼ガスの熱を用いて蒸発器3および燃料電池スタック6が加熱される。
【0064】
第2温度検出器16は、アノードオフガスの温度を検出する。第2温度検出器16は、第1オフガス経路13に設けられ、アノードオフガスの温度を検出し、検出した温度を制御器10に出力する。
【0065】
制御器10は、燃料電池スタック6の温度とアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、燃料の供給量と、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCとに基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。そして、制御器10は、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。
【0066】
具体的には、アノードガスだけでなく、アノードオフガスも燃料などの炭化水素および一酸化炭素を含んでいる。このため、放熱などにより第1オフガス経路13のアノードオフガスの温度が低いと、第1オフガス経路13でも炭素の析出が生じる可能性がある。よって、制御器10は、第1温度検出器7の検出値から燃料電池スタック6の温度を求め、また、第2温度検出器16の検出値からアノードオフガスの温度を求める。このうち低温の方で炭素が析出し易いため、燃料電池スタック6の温度およびアノードオフガスの温度から低い方の温度を求める。
【0067】
制御器10は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量X、Y、Zを算出する。この各流量、燃料電池スタック6の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度、および、所定のアノードガスの圧力P0から、炭素が析出しない水素原子の限界流量YLを求める。この際、たとえば、燃料電池スタック6の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度における最小水素原子流量から水素原子の限界流量YLを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図2Bなどを用いて所定の炭素析出限界C:H:O比率情報と、燃料電池スタック6の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度とに基づいて水素原子の限界流量YLを求めてもよい。
【0068】
さらに、制御器10は、例えば、上記の通りH2O又はH2の物質収支から、内部リーク電流による燃料電池スタック6における水素の消費量YCを取得する。
【0069】
制御器10は、水素原子の流量Yから、水素原子の限界流量YLと、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCとを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値YM(=Y−YL−YC)として求める。この水素原子の上限値YMから燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。
【0070】
そして、制御器10は、たとえば、電流取り出し線15が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。このように内部リーク電流による水素消費量を考慮することにより、アノード6cおよび第1オフガス経路13における炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック6の性能低下を抑制することができる。
【0071】
(第3実施形態)
図4は、第3実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、圧力検出器17および加圧部をさらに備えている。
【0072】
圧力検出器17は、アノード6cに供給されるガス(アノードガス)の圧力を検出するセンサである。圧力検出器17は、第1供給経路11に設けられ、第1供給経路11に流通するアノードガスの圧力を検出する。圧力検出器17は、検出した圧力を制御器10に出力する。
【0073】
加圧部は、たとえば、コンプレッサなどが用いられる。たとえば、加圧部は、アノードガスの加圧機能として燃料供給器1に持たせてもよい。また、加圧部は、カソードガスの加圧機能として空気供給器5に持たせてもよい。
【0074】
たとえば、非特許文献2に記載されているように、圧力に応じてC:H:O比率情報における炭素の析出領域が変化する。このため、制御器10は、燃料電池スタック6の温度と、燃料の供給量と、アノードガスの圧力と、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。そして、制御器10は、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。
【0075】
具体的には、制御器10は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量X、Y、Zを算出する。この各流量、燃料電池スタック6の温度、および、圧力検出器17により検出されたアノードガスの圧力Pから、炭素が析出しない水素原子の限界流量YLを求める。この際、たとえば、圧力検出器17により検出されたアノードガスの圧力Pにおける最小水素原子流量から水素原子の限界流量YLを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図2Bなどを用いて圧力検出器17により検出されたアノードガスの圧力に応じた所定の炭素析出限界C:H:O比率情報と燃料電池スタック6の温度とに基づいて水素原子の限界流量YLを求めてもよい。
【0076】
また、制御器10は、例えば、上記の通りH2O又はH2の物質収支から、内部リーク電流による燃料電池スタック6における水素の消費量YCを取得する。
【0077】
制御器10は、水素原子の流量Yから、水素原子の限界流量YLと燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCとを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値YM(=Y−YL−YC)として求める。この水素原子の上限値YMから燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。
【0078】
そして、制御器10は、たとえば、電流取り出し線15が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。このように内部リーク電流による水素消費量を考慮することにより、アノード6cにおける炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック6の性能低下を抑制することができる。
【0079】
(第4実施形態)
図5は、第4実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第3実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、第1オフガス経路13および第2温度検出器16をさらに備えている。燃料電池システム100は、燃焼器8、および、第2オフガス経路14をさらに備えていてもよい。これらの構成は、第2実施形態に係る燃料電池システム100の構成と同様であるため、その説明を省略する。
【0080】
制御器10は、燃料電池スタック6の温度とアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、燃料の供給量と、アノードガスの圧力と、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。そして、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。
【0081】
具体的には、制御器10は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量X、Y、Zを算出する。この各流量、燃料電池スタック6の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度、および、圧力検出器17により検出されたアノードガスの圧力Pから、炭素が析出しない水素原子の限界流量YLを求める。この際、たとえば、圧力検出器17により検出されたアノードガスの圧力P、ならびに、燃料電池スタック6の温度およびアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度における最小水素原子流量から水素原子の限界流量YLを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図2Bなどを用いて圧力検出器17により検出されたアノードガスの圧力に応じた所定の炭素析出限界C:H:O比率情報と、燃料電池スタック6の温度およびアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度とに基づいて水素原子の限界流量YLを求めてもよい。
【0082】
また、制御器10は、例えば、上記の通りH2O又はH2の物質収支から、内部リーク電流による燃料電池スタック6における水素の消費量YCを取得する。
【0083】
制御器10は、水素原子の流量Yから水素原子の限界流量YLと燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値YM(=Y−YL−YC)として求める。この水素原子の上限値から燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。
【0084】
そして、制御器10は、たとえば、電流取り出し線15が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。このように内部リーク電流による水素消費量を考慮することにより、アノード6cおよび第1オフガス経路13における炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック6の性能低下を抑制することができる。
【0085】
(第5実施形態)
図6は、第5実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、改質器4をさらに備えている。また、第1実施形態の燃料電池スタック6は、改質機能を有する内部改質方式であったが、第5実施形態の燃料電池スタック6は改質機能を有さず、外部に改質器4を有する外部改質方式である。なお、燃料電池スタック6は、改質器4に加えて、内部改質機能を有していてもよい。
【0086】
改質器4は、燃料経路により燃料供給器1に接続され、水経路により蒸発器3に接続され、第1供給経路11により燃料電池スタック6のアノード6cに接続されている。改質器4には、燃料供給器1から燃料が供給され、蒸発器3から水蒸気が供給される。また、改質器4には、Ru系の改質触媒が充填されている。改質器4では、改質触媒の存在下において燃料が水蒸気により改質されて、水素含有ガスを生成し、アノード6cに供給する。
【0087】
改質反応には、たとえば、水蒸気改質法、部分酸化法、および、水蒸気改質法と部分酸化法とを併用した自己熱改質法などが用いられる。なお、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。たとえば、部分酸化法および自己熱改質法を用いた改質反応では、酸化剤ガスを供給する供給器が改質器4に接続される。
【0088】
この改質器4を備える燃料電池システム100においても、制御器10は、燃料電池スタック6の温度と燃料の供給量と、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量に基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定し、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。これにより、アノード6cにおける炭素の析出が抑制される。
【0089】
なお、改質器4は、第2〜第4実施形態に係る各燃料電池システム100に設けられていてもよい。この場合、第2〜第4実施形態に係る各燃料電池システム100と同様の構成、作用および効果を有するため、その説明を省略する。この場合、アノードガスは、燃料および水素含有ガスの少なくともいずれか一方を含み、アノード6cに供給される。
【0090】
(第6実施形態)
第6実施形態に係る燃料電池システム100は、図1に示す第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成と同様の構成を備えている。制御器10は、予め定められた燃料電池スタック6の性能特性に基づいた燃料電池スタック6の供給電力量が外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、燃料の供給量および水の供給量の少なくとも一方を増加させる。燃料電池スタック6の性能特性の1つである電流出力特性は、実験などにより予め定められている。
【0091】
具体的には、制御器10は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量X、Y、Zを算出する。この各流量、燃料電池スタック6の温度、および、所定のアノードガスの圧力P0から、炭素が析出しない水素原子の限界流量YLを求める。この際、たとえば、熱力学平衡計算により最小水素原子流量から水素原子の限界流量YLを求めてもよいし、図2Bなどを用いて所定の炭素析出限界C:H:O比率情報と燃料電池スタック6の温度とに基づいて水素原子の限界流量YLを求めてもよい。
【0092】
また、制御器10は、例えば、上記の通りH2O又はH2の物質収支から、内部リーク電流による燃料電池スタック6における水素の消費量YCを取得する。
【0093】
制御器10は、水素原子の流量Yから水素原子の限界流量YLと燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値YM(=Y−YL−YC)として求める。この水素原子の上限値から燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。
【0094】
そして、制御器10は、たとえば、電流取り出し線15が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。これにより、アノード6cにおける炭素の析出が抑制される。しかしながら、この電流量Iでは、燃料電池スタック6から供給される電力量が外部負荷の要求電力量を満たさないことがある。
【0095】
このため、制御器10は外部負荷または電力変換器などから外部負荷の要求電力量を取得する。また、予め設定された電流出力特性に基づいて電流量の上限値Imから燃料電池スタック6の供給電力量を求める。そして、この燃料電池スタック6の供給電力量が外部負荷の要求電力量より小さい場合、供給電力量が要求電力量を満たせないと判定する。
【0096】
そこで、制御器10は、供給電力量を増加できるよう、燃料の供給量および水の供給量を増加させる、燃料の供給量を増加させる、または、水の供給量を増加させる。ここで、制御器10は、要求電力量に相当する供給電力量になるように、供給電力量と燃料および水の各供給量との関係を示す所定の情報に基づいた供給量に燃料および水の少なくとも一方を増加してもよい。これにより、燃料および水の少なくともいずれか一方の増加に伴い燃料電池スタック6の供給電力量が増加する。この結果、燃料電池システム100は、外部負荷からの要求電力量に応じた電力量を供給することができる。
【0097】
また、発電時間、発電総量、運転時間等に応じた燃料電池の劣化を考慮した電流出力特性を用いてもよい。
【0098】
なお、第2〜第5実施形態に係る各燃料電池システム100においても、第6実施形態に係る制御器10と同様の制御を行ってもよい。この場合、第2〜第5実施形態に係る各燃料電池システム100において、第6実施形態と同様の作用および効果を有するため、その説明を省略する。
【0099】
(第7実施形態)
図7は、第7実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の水供給器2および蒸発器3に代えて、水蒸気供給器9を備えている。
【0100】
水蒸気供給器9は、燃料電池スタック6に水蒸気を供給する。水蒸気供給器9は、その上流端が水蒸気供給源(図示せず)に接続され、下流端が水経路および第1供給経路11を介して燃料電池スタック6のアノード6cの上流端に接続されている。水蒸気供給器9は、アノード6cに供給される水蒸気の流量(供給量)を調整する。
【0101】
この水蒸気供給器9を備える燃料電池システム100においても、制御器10は、燃料電池スタック6の温度と燃料の供給量と、燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定し、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。これにより、アノード6cにおける炭素の析出が抑制される。
【0102】
さらに、制御器10は、予め定められた燃料電池スタック6の性能特性に基づいた燃料電池スタック6の供給電力量が外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、燃料の供給量および水蒸気の供給量を増加させる、燃料の供給量を増加させる、または、水蒸気の供給量を増加させる。ここで、制御器10は、要求電力量に相当する供給電力量になるように、供給電力量と燃料および水蒸気の各供給量との関係を示す所定の情報に基づいた供給量に燃料および水蒸気の少なくとも一方を増加してもよい。この結果、燃料電池システム100は、外部負荷からの要求電力量に応じた電力量を供給することができる。
【0103】
なお、第7実施形態に係る燃料電池システム100は、水供給器2を制御して水の供給量を増加させることに代えて、水蒸気供給器9を制御して水蒸気の供給量を増加させる。これにより、第6実施形態と同様の作用および効果を有するため、その説明を省略する。
【0104】
なお、水供給器2および蒸発器3に代えて、水蒸気供給器9が、第2〜第6実施形態に係る各燃料電池システム100に設けられていてもよい。この場合、第2〜第6実施形態に係る各燃料電池システム100において第7実施形態と同様の作用および効果を有するため、その説明を省略する。
【0105】
(第8実施形態)
図8は、第8実施形態に係る燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、第1実施形態に係る燃料電池システム100の各構成に加えて、入力部19をさらに備えている。
【0106】
入力部19は、燃料の組成を入力する装置である。ユーザが入力部19を操作することにより、または、入力部19が有する通信手段により、燃料の組成が入力部19を介して制御器10に入力される。
【0107】
制御器10は、燃料電池スタック6の温度と燃料の供給量と燃料の組成と燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量とに基づいて、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。そして、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。
【0108】
制御器10は、入力された燃料の組成に加えて、燃料の供給量および水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量X、Y、Zを算出する。この各流量、燃料電池スタック6の温度、および、所定のアノードガスの圧力P0から、炭素が析出しない水素原子の限界流量YLを求める。この際、たとえば、燃料電池スタック6の温度における最小水素原子流量から水素原子の限界流量YLを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図2Bなどを用いて所定の炭素析出限界C:H:O比率情報と、燃料電池スタック6の温度とに基づいて水素原子の限界流量YLを求めてもよい。
【0109】
また、制御器10は、例えば、上記の通りH2O又はH2の物質収支から、内部リーク電流による燃料電池スタック6における水素の消費量YCを取得する。
【0110】
制御器10は、水素原子の流量Yから、水素原子の限界流量YLと燃料電池スタック6における内部リーク電流による水素消費量YCを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値YM(=Y−YL−YC)として求める。この水素原子の上限値YMから燃料電池スタック6から取り出す電流量Iの上限値Imを設定する。
【0111】
そして、制御器10は、たとえば、電流取り出し線15が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック6から取り出す電流量Iを上限値Im以下に制限する。このように内部リーク電流による水素消費量を考慮することにより、アノード6cにおける炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック6の性能低下を抑制することができる。
【0112】
なお、入力部19が、第2実施形態〜第7実施形態に係る各燃料電池システム100に設けられていてもよい。この場合、第2実施形態〜第7実施形態に係る各燃料電池システム100において第8実施形態と同様の構成、作用および効果を有するため、その説明を省略する。
【0113】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【0114】
本開示に係る燃料電池システムおよびその運転方法は、炭素析出の抑制をさらに図ることができる燃料電池システムおよびその運転方法等として有用である。
【符号の説明】
【0115】
1 :燃料供給器
2 :水供給器
3 :蒸発器
4 :改質器
6 :燃料電池スタック
6a :電解質膜
6b :カソード
6c :アノード
6e :膜電極接合体
7 :第1温度検出器
9 :水蒸気供給器
10 :制御器
13 :第1オフガス経路(オフガス経路)
14 :第2オフガス経路
16 :第2温度検出器
17 :圧力検出器
100 :燃料電池システム
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8