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公開番号2021048091
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210325
出願番号2019170852
出願日20190919
発明の名称燃料電池装置
出願人京セラ株式会社,ダイニチ工業株式会社
代理人個人
主分類H01M 8/04664 20160101AFI20210226BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】 燃焼触媒の失活を判定できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 失活判定制御は、第1時間aにおける改質器12の第1平均温度Tri_(a)と、燃焼触媒部20の第1平均温度Toc_(a)とを算出する第1工程と、第2時間bの経過後において、第1時間aにおける改質器12の第2平均温度Tri_(a+b)と、燃焼触媒部20の第2平均温度Toc_(a+b)とを算出する第2工程と、を有し、第1工程における各第1平均温度と、第2工程における各第2平均温度とを比較して、燃焼触媒の失活を判定する第3工程と、を備えている。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行う燃料電池セルと、
該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、
該燃料電池セルより排出された排ガスを燃焼する燃焼部と、
該燃焼部を介して排出された排ガスを、燃焼触媒を用いて燃焼させるための燃焼触媒部と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記改質器の温度と、前記燃焼触媒部の温度とから、前記燃焼触媒の失活を判定する失活判定制御を行う燃料電池装置。
続きを表示(約 810 文字)【請求項2】
前記失活判定制御は、
第1時間における改質器の第1平均温度と、前記燃焼触媒部の第1平均温度とを算出する第1工程と、
第2時間経過後において、第1時間における改質器の第2平均温度と、前記燃焼触媒部の第2平均温度とを算出する第2工程と、を有し、
第1工程における各第1平均温度と、第2工程における各第2平均温度とを比較して、燃焼触媒の失活を判定する第3工程と、を備えている、請求項1に記載の燃料電池装置。
【請求項3】
前記第3工程は、前記改質器の第1平均温度と前記改質器の第2平均温度との差分を算出する第1差分工程と、
前記燃焼触媒部の第1平均温度と前記燃焼触媒部の第2平均温度との差分を算出する第2差分工程と、
前記第1差分工程における差分および前記第2差分工程における差分と、それぞれの差分に対して設定された所定温度差とを比較する差分比較工程と、を有している、請求項2に記載の燃料電池装置。
【請求項4】
前記第1差分工程における差分および前記第2差分工程における差分が、いずれも所定温度差以下であって、該失活判定制御を開始してからの期間が所定期間未満の場合に、前記第1工程に戻る、請求項3に記載の燃料電池装置。
【請求項5】
前記第1差分工程における差分および前記第2差分工程における差分が、いずれも所定温度差以下であって、該失活判定制御を開始してからの期間が所定期間以上の場合に、運転を停止する、請求項3に記載の燃料電池装置。
【請求項6】
前記制御装置は、前記改質器と、前記燃焼部と、前記燃焼触媒部との温度に基づき、前記燃焼部が失火したとされた場合に、失火回復制御を行い、該失火回復制御にて失火が回復しない場合に、前記失活判定制御を実行する、請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池装置に関する。
続きを表示(約 5,100 文字)【背景技術】
【0002】
固体酸化物形の燃料電池装置(SOFC)は、燃料ガス(水素含有ガス)および空気(酸素含有ガス)を用いて発電を行なう。このような燃料電池装置においては、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることが行われるほか、失火が生じた場合、燃料ガス量を増加させたり、着火装置を作動させたりするなどの方法により失火回復制御が行われる。
【0003】
このような失火回復制御については、例えば、温度センサによって検出された燃料電池温度および第二燃焼部温度から、全体的または部分的に吹き消えている第一燃焼部の燃焼復帰を行う燃焼復帰制御が必要であるか否かを判定する判定部と、判定部によって燃焼復帰制御が必要であると判定された場合に、原料ポンプを制御して原燃料の供給量を増大させる原燃料増大部制御と、を備える制御装置により燃焼復帰制御を行う燃料電池システムが知られている(特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2017−152303号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、このような燃焼復帰制御または失火回復制御においては、燃料電池の各部が正常に機能していることを前提として、失火判定が行われる。従って、例えば、排ガスを燃焼させるための燃焼触媒が失活している場合には、正しい失火判定を行うことができない。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の燃料電池装置は、
燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行う燃料電池セルと、
該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、
該燃料電池セルより排出された排ガスを燃焼する燃焼部と、
該燃焼部を介して排出された排ガスを、燃焼触媒を用いて燃焼させるための燃焼触媒部と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記改質器の温度と、前記燃焼触媒部の温度とから、前記燃焼触媒の失活を判定する失活判定制御を行う。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、燃焼触媒の失活を判定する失活判定制御を行う燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
本開示の実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。
燃料電池モジュールの概略構成図である。
本開示の実施形態の外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。
本開示の実施形態の失活判定制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下では、本開示の燃料電池装置の実施形態について説明する。
図1は、本開示の実施形態の燃料電池装置の概略構成図であり、図2は、燃料電池モジュールの概略構成図である。燃料電池装置100は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池モジュール1、燃料ポンプB1および原燃料流路Fを有する燃料ガス供給部13、空気ブロワB2および空気流路Gを有する酸素含有ガス供給部14、改質水タンク6および改質水ポンプP1などを含む、燃料電池の自立した発電運転を補助するための補機類を備える。
【0010】
燃料ガス供給部13には、燃料ポンプB1より供給される原燃料の流量を測定する燃料流量計FM1が配設されていてもよい。また、酸素含有ガス供給部14には、同様に、空気ブロワB2より供給される酸素含有ガスの量を測定する酸素含有ガス流量計GM1が配設されていてもよい。
【0011】
燃料電池モジュール1は、燃料電池セル10を複数組み合わせてなるセルスタック11、改質器12、これらを収納する収納容器15を備える。改質器12は、セルスタック11の上方に配置される。
【0012】
さらに、燃料電池装置100は、図1に示すように、排熱回収システム50を備える。排熱回収システム50は、熱交換器2、蓄熱タンク3、ラジエータ4などを含む。
【0013】
燃料電池セル10において発電に使用されなかった燃料ガスは、セルスタック11と改質器12との間の空間である燃焼部16にて燃焼される。燃焼部16には、燃料ガスを着火させるための着火装置17が、収納容器15の側面より挿入されている。着火装置17により燃料電池セル10を通過した燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池モジュール1内の温度を高温とすることができるほか、燃料電池セル10、改質器12の温度を高温にすることができる。
【0014】
燃料電池モジュール1から排出された排ガスは、排ガス流路(図示省略)を通じて収納容器15に設けられた排気口19から排出される。
【0015】
燃料電池装置100は、さらに、燃料電池モジュール1と熱交換器2との間に、燃焼部16を介して燃料電池モジュール1から排出された排ガスを、燃焼触媒を用いて燃焼させる燃焼触媒部20を備えている。なお、燃焼触媒部20は、図2に示すように、排気口19内に設けられる必要はなく、燃料電池モジュール1と熱交換器2との間に配設されていればよい。
【0016】
排ガスには、燃焼部16の失火などによって燃焼されなかった燃料ガスや、燃焼部16が失火していないが、流量が多く燃焼が不完全な燃料ガスが含まれる場合がある。そのような場合に、燃焼触媒部20によって、燃料電池モジュール1から排出される排ガスが浄化され、浄化された排ガスを燃料電池装置100の外部に排出することができる。
【0017】
燃焼触媒部20において使用する燃焼触媒としては、多孔質の担体に、白金、パラジウム等の貴金属類の他、マンガン、コバルト、銀、銅、ニッケル等を担持させたものを用いることができる。
【0018】
図3は、本開示の実施形態の外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。燃料電池装置100は、各フレーム41と各外装パネル42とからなるケース40の中に配設されている。このケース40の中の、燃料電池モジュール1および各補機の周りや流路、配管等には、複数の計測機器やセンサ等が設けられている。
【0019】
燃料電池装置100においては、特に、改質器12内に、改質器12の温度を測定するための第1温度センサ21が設けられている。また、燃焼部16および燃焼触媒部20にも、燃焼部16および燃焼触媒部20の各温度を測定するために、それぞれ第2温度センサ22、第3温度センサ23が設けられている。これらの温度センサとしては、熱電対、測温抵抗体、サーミスタなどを用いることができる。
【0020】
燃料電池装置100は、さらに、制御装置30を備えている。制御装置30は、燃料電池装置100を構成する各種構成部品および温度センサを含む各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置100の全体を制御および管理する。また、制御装置30は、少なくとも1つのプロセッサおよび記憶装置等を含み、記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置100の各部に係る種々の機能を実現する。
【0021】
種々の実施形態によれば、少なくとも1つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および/もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも1つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。
【0022】
1つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって1以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、1以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、1以上のデータ計算手続きまたは処理を実行するように構成された、ファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。
【0023】
種々の実施形態によれば、プロセッサは、1以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。
【0024】
制御装置30は、記憶装置および表示装置(ともに図示省略)と、燃料電池装置100を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置100の全体を制御および管理する。制御装置30は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置100の各部にかかる、種々の機能を実現する。
【0025】
制御装置30から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報等を送信する場合、制御装置30と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置30が行う、実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、実施形態において、制御装置30は特に、燃料電池装置に繋がる外部装置の指示、指令や、先に述べた各種センサの指示や計測値に基づいて、各種補機を制御する。図では、制御装置30と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。
【0026】
図示しない記憶装置は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよい。記憶装置は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体等の任意の非一時的(non−transitory)な記憶媒体を含んでよい。また、記憶装置は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置は、RAM(Random Access Memory)等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。
【0027】
なお、燃料電池装置の制御装置30および記憶装置は、燃料電池装置100の外部に有する構成として実現することもできる。さらに、本開示に係る制御装置30における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。
【0028】
制御装置30は、燃料ガス供給部13および酸素含有ガス供給部14の動作を制御して、燃料電池モジュール1に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの量を最適な量に制御し、燃料電池モジュール1に供給する。
【0029】
例えば、外部負荷の要求する電力が低くなった場合、制御装置30は、燃料ガス供給部13および酸素含有ガス供給部14より供給される燃料ガスおよび酸素含有ガスの供給量を、低下した外部負荷に応じて設定された供給量となるよう制御する。しかし、このような場合、燃料電池セル10より排出される燃料ガスの量が低下し、その結果、燃焼部16において燃料ガスの失火が発生することがある。
【0030】
燃料電池装置100における制御装置30は、このような失火が生じた場合に、失火の有無を判定する失火判定制御を行うとともに、失火判定が行われた場合に、該失火判定が正しく行われているかを検証するため、改質器12の温度と、燃焼触媒部20の温度とから、燃焼触媒部20における燃焼触媒の失活を判定する失活判定制御を行う。
(【0031】以降は省略されています)

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