CN102439774B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种燃料电池系统，包括：多个燃料电池，其能够经由连接端子以串联和/或并联的方式相互电连接；发电部件，其具有将所述多个燃料电池的全部或一部分的燃料电极串联连接的燃料气体供给路径和将所述多个燃料电池的全部或一部分的空气电极串联连接的氧化剂气体供给路径；切换部件，其对所述连接端子与外部负载的连接部件进行电连接或断开；向所述燃料气体供给路径供给燃料气体的燃料气体供给部件和向所述氧化剂气体供给路径供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部件；负荷检测部件，其检测所述外部负载的负荷；以及控制部件，其利用预先获取到的工作温度范围和与相连接燃料电池数量相对应的总发电输出曲线之间的关系，根据来自所述负荷检测部件的输入选择在工作温度范围内的输出曲线，并选择使燃料电池电压最大的相连接燃料电池数量，以控制所述切换部件、所述燃料气体供给部件和所述氧化剂气体供给部件。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其控制方法。更具体地，本发明涉及在抑制多余燃料消耗的情况下根据外部负载发电所需电力的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
目前已提出了一种燃料电池堆叠体(参见专利文献1)，该燃料电池堆叠体在工作温度下以所选效率向负载装置供给电力，并且包括(a)多个燃料电池子堆叠体和(b)未反应燃料导管，其中，各燃料电池子堆叠体内的各燃料电池连接至氧化剂供给源和燃料供给源，并且未反应燃料导管连接至各个燃料电池子堆叠体内的各燃料电池和各燃烧器，以使得从这些子堆叠体之一内的燃料电池排出的未反应燃料通过未反应燃料导管流至一个、两个或更多个子堆叠体内的燃烧器，以对这个或这些子堆叠体进行加热。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2007-509470
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述专利文献1所述的燃料电池堆叠体中，所排出的燃料在燃烧器内燃烧，以对阴极(cathode)区域进行加热，这意味着所排出的燃料不用于发电，从而导致效率有可能劣化。
有鉴于此，本发明的目的在于提供能够发电根据外部负载所需的电力而不消耗多余燃料的燃料电池系统及其控制方法。
用于解决问题的方案
为了实现该目的，本发明人已对上述缺陷进行了认真研究。
结果，本发明人发现通过提供用于使多个燃料电池的燃料电极等串联连接的燃料气体供给路径能够实现该目的，并作出了本发明。
即，本发明的燃料电池系统包括：(a)发电部件，其包括多个燃料电池、燃料气体供给路径和氧化剂气体供给路径，其中，所述多个燃料电池能够经由连接端子以串联和/或并联的方式相连接，所述多个燃料电池的全部或一部分的燃料电极经由所述燃料气体供给路径串联连接，并且所述多个燃料电池的全部或一部分的空气电极经由所述氧化剂气体供给路径串联连接；(b)切换部件，其对所述连接端子与外部负载装置的连接部件之间的电连接状态进行切换；(c)向所述燃料气体供给路径供给燃料气体的燃料气体供给部件和向所述氧化剂气体供给路径供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部件；(d)负荷检测部件，其检测所述外部负载装置的负荷；以及(e)控制部件，其基于预先得到的与相连接燃料电池的数量相对应的整体发电输出曲线和工作温度区间之间的关系，根据来自所述负荷检测部件的输入选择在所述工作温度区间内的输出曲线，并且选择使燃料电池的电压最高的相连接燃料电池数量，由此控制所述切换部件、所述燃料气体供给部件和所述氧化剂气体供给部件。
发明的效果
根据本发明，提供了如下配置，其中，该配置包括：(a)发电部件，其包括多个燃料电池、燃料气体供给路径和氧化剂气体供给路径，其中，所述多个燃料电池能够经由连接端子以串联和/或并联的方式相连接，所述多个燃料电池的全部或一部分的燃料电极经由所述燃料气体供给路径串联连接，并且所述多个燃料电池的全部或一部分的空气电极经由所述氧化剂气体供给路径串联连接；(b)切换部件，其对所述连接端子与外部负载装置的连接部件之间的电连接状态进行切换；(c)向所述燃料气体供给路径供给燃料气体的燃料气体供给部件和向所述氧化剂气体供给路径供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部件；(d)负荷检测部件，其检测所述外部负载装置的负荷；以及(e)控制部件，其基于预先得到的与相连接燃料电池的数量相对应的整体发电输出曲线和工作温度区间之间的关系，根据来自所述负荷检测部件的输入选择在所述工作温度区间内的输出曲线，并且选择使燃料电池的电压最高的相连接燃料电池数量，由此控制所述切换部件、所述燃料气体供给部件和所述氧化剂气体供给部件。利用这种配置，本发明可以提供能够发电根据外部负载所需的电力而不消耗多余燃料的燃料电池系统。
附图说明
图1是示意性示出作为本发明实施例的燃料电池系统的一个示例(即，第一实施例)的说明图。
图2是示出作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中电流(I)-电压(V)特性和电流(I)-发电输出(P)特性这两者的图。
图3是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压(即，端子间电压)和总发电输出之间的关系的映射。
图4A是示出图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率之间的关系的映射关系的平面图。
图4B是示出图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率之间的关系的映射关系的立体图。
图5是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和来自所有燃料电池的热辐射量之间的关系的映射。
图6A是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电输出之间的关系的映射。
图6B是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率之间的关系的映射。
图6C是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和来自所有燃料电池的热辐射量之间的关系的映射。
图7A是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电输出之间的关系的映射。要注意，该图用于从与图6A所涉及的观点不同的观点考虑本实施例的燃料电池系统。
图7B是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率之间的关系的映射。要注意，该图用于从与图6B所涉及的观点不同的观点考虑本实施例的燃料电池系统。
图7C是图示作为本发明实施例的燃料电池系统的示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和来自所有燃料电池的热辐射量之间的关系的映射。要注意，该图用于从与图6C所涉及的观点不同的观点考虑本实施例的燃料电池系统。
图8是示出本实施例的燃料电池系统的操作的流程图。
图9是示意性示出作为本发明另一实施例的燃料电池系统的另一示例(即，第二实施例)的说明图。
图10是图示作为本发明另一实施例的燃料电池系统的另一示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压(即，端子间电压)和总发电输出之间的关系的映射。
图11是图示作为本发明另一实施例的燃料电池系统的另一示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率之间的关系的映射。
图12是图示作为本发明另一实施例的燃料电池系统的另一示例中相连接燃料电池数量、燃料电池电压和来自所有燃料电池的热辐射量之间的关系的映射。
具体实施方式
以下将详细说明本发明实施例的燃料电池系统。
本实施例的燃料电池系统是包括发电部件、切换部件、燃料气体供给部件、氧化剂气体供给部件、负荷检测部件和控制部件的系统。
所述发电部件包括多个燃料电池、燃料气体供给路径和氧化剂气体供给路径，其中，所述多个燃料电池的全部或一部分的燃料电极经由所述燃料气体供给路径串联连接，所述多个燃料电池的全部或一部分的空气电极经由所述氧化剂气体供给路径串联连接。这些燃料电池能够经由连接端子以串联、并联或者串并联结合的方式相互电连接。
所述切换部件是用于对所述连接端子和外部负载装置的连接部件之间的电连接状态进行切换的部件。
所述燃料气体供给部件是用于向燃料气体供给路径供给燃料气体的部件，并且所述氧化剂气体供给部件是用于向氧化剂气体供给路径供给氧化剂气体的部件。
此外，所述负荷检测部件是用于检测所述外部负载装置的负荷的部件。
此外，所述控制部件是如下的部件，该部件用于基于预先得到的与相连接燃料电池的数量相对应的整体发电输出曲线和工作温度区间之间的关系，根据来自负荷检测部件的输入来控制所述切换部件、所述燃料气体供给部件和所述氧化剂气体供给部件。
具有上述结构的燃料电池系统能够具有高效待机状态而不消耗多余燃料，因而该系统能够发电根据外部负载所需的电力。
即，通过提供包括串联连接多个燃料电池中至少一部分的燃料电极的燃料气体供给路径和串联连接多个燃料电池中至少一部分的空气电极的氧化剂气体供给路径的配置，使得高温气体能够从位于上游侧的燃料电池流向位于下游侧的燃料电池。
考虑如下情况：利用切换部件阻断下游侧燃料电池的连接端子与外部负载装置的连接部件之间的电连接，由此停止利用下游侧燃料电池进行的发电。
在这种情况下，下游侧燃料电池的温度逐渐接近上游侧燃料电池的输出温度。
实际上，由于因热辐射所引起的温度下降，下游侧燃料电池的温度无法达到与输出温度相同的温度。然而，通过适当设置燃料电池、燃料气体供给路径和氧化剂气体供给路径的配置状态，可以对温度下降进行控制，因而当利用切换部件再次执行连接时，温度可以达到不影响发电的水平。
在下游侧燃料电池停止发电的状态下，当燃料气体保持在燃料气体供给路径中并且同时氧化剂气体保持在氧化剂气体供给路径中时，这些下游侧燃料电池可以保持待机状态、即处于开路(OCV)状态。
因而，处于高温状态的燃料电池可以防止燃料电极被氧化并防止空气电极被还原。由于下游侧燃料电池正停止发电，因此抑制了下游侧燃料电池中的燃料气体和氧化剂气体减少。
要注意，燃料电池是包括能够单独发电的至少一个单元燃料电池的装置，并且将燃料电池堆叠体理解为燃料电池。
因此，当燃料电池中的单元燃料电池串联组合时，在该燃料电池的各单元燃料电池中流动的电流展现恒定水平。此外，当燃料电池中的单元燃料电池并联组合时，该燃料电池的各单元燃料电池的端子间电压展现恒定水平。
在本发明实施例的燃料电池系统中，优选将燃料气体供给路径和氧化剂气体供给路径分别配置有循环路径。
具有上述结构的燃料电池系统能够具有高效待机状态而不消耗多余燃料，因而该系统能够发电根据外部负载所需的电力，并且无需恒定保持最上游燃料电池处于发电状态。因此，如果任意燃料电池保持处于发电状态，则经由循环路径连接至该工作中(ON)的燃料电池的其它燃料电池可以进入待机状态，由此可以根据燃料电池的劣化等来选择燃料电池。此外，可以通过去除对气体加热的燃烧器以及去除热交换器来缩小燃料电池系统的大小，这是有利的。
此外，在本发明实施例的燃料电池系统中，优选地，将多个燃料电池、燃料气体供给路径和氧化剂气体供给路径安装在热绝缘部件内。
具有这种结构的燃料电池系统能够具有高效待机状态而不消耗多余燃料，因而该系统不仅能够发电根据外部负载所需的电力，还能够使处于发电状态或待机状态下的各燃料电池的温度保持恒定水平。特别地，由于将所有的燃料电池封装在热绝缘部件内的配置，可以抑制各燃料电池的性能和劣化的变动。
在本发明实施例的燃料电池系统中，优选地，控制部件根据来自外部负载装置的发电输出需求和热需求来控制切换部件。
具有这种结构的燃料电池系统能够具有高效待机状态而不消耗多余燃料，因而该系统不仅能够发电根据外部负载所需的电力，还能够根据来自外部负载装置的发电输出需求和热需求选择该系统的最佳工作状态。
此外，在本发明实施例的燃料电池系统中，为了使控制部件根据来自外部负载装置的发电输出需求和热需求来控制切换部件，优选基于针对各相连接燃料电池数量所准备的工作映射来控制该相连接燃料电池数量。
具有这种结构的燃料电池系统能够具有高效待机状态而不消耗多余燃料，因而该系统能够发电根据外部负载所需的电力。此外，该系统能够具有不受在该系统的工作状态改变时出现的转变波动所影响的控制目标，由此可以平滑地执行该系统的工作状态的改变。
此外，在本发明实施例的燃料电池系统中，为了使控制部件根据来自外部负载的低发电输出需求来控制切换部件，优选基于针对各相连接燃料电池数量所准备的工作映射来减少相连接燃料电池数量。
要注意，“低发电输出需求”表示如下的发电输出需求：在各燃料电池根据该发电输出需求持续发电的时间内，无法维持提供燃料电池系统的热平衡所需的温度。
具有上述结构的燃料电池系统能够具有高效待机状态而不消耗多余燃料，因而该系统能够发电根据外部负载所需的电力。此外，该系统能够具有不受在该系统的工作状态改变时出现的转变波动所影响的控制目标，由此可以平滑地执行该系统的工作状态改变。此外，由于抑制了不直接促成发电的燃料燃烧，因此由发电量和热辐射量的组合所提供的所谓的整体效率得以提高。
即，在低输出工作时，发电效率基本上提高，并且随着燃料电池的数量增加，发电效率提高。随着这种提高，来自燃料电池的热辐射量减少。因此，当发电输出需求低于预定水平时，来自燃料电池的热辐射量有可能低于维持该系统的热平衡的水平。即使在这种情况下，通过减少相连接燃料电池数量以增加来自燃料电池的热辐射量，也可以避免在燃烧器内燃烧燃料。
此外，在本发明实施例的燃料电池系统中，为了使控制部件根据来自外部负载装置的高热需求来控制切换部件，优选基于针对各相连接燃料电池数量所准备的工作映射来减少相连接燃料电池的数量。
要注意，“高热需求”表示如下的热辐射量需求，该热辐射量需求超过了从作为发电部件的元件的燃料电池、燃料气体供给部件和氧化剂气体供给部件自然辐射的热量。
具有上述结构的燃料电池系统能够具有高效待机状态而不消耗多余燃料，因而该系统能够发电根据外部负载所需的电力。此外，该系统能够具有不受在该系统的工作状态改变时出现的转变波动所影响的控制目标，由此可以平滑地执行该系统的工作状态改变。此外，在热需求高的状况下，可以提高由发电量和热辐射量的组合所提供的整体效率。
第一实施例
以下将参考附图来详细说明本实施例的燃料电池系统的一个示例。
图1是示意性示出作为本实施例的燃料电池系统的一个示例的说明图。如该图所示，该燃料电池系统包括发电部件10、切换部件20、燃料气体供给部件31、氧化剂气体供给部件32、负荷检测部件40和控制部件50。
发电部件10包括五个固体氧化物燃料电池11A～11E、串联连接所有这五个固体氧化物燃料电池的燃料电极12A～12E所用的燃料气体供给路径13和串联连接所有这五个固体氧化物燃料电池的空气电极14A～14E所用的氧化剂气体供给路径15。
在该例子中，燃料气体供给路径13和氧化剂气体供给路径15分别配备有循环路径16和17。
此外，在该例子中，将固体氧化物燃料电池11A～11E、燃料气体供给路径13、氧化剂气体供给路径15以及循环路径16和17安装在由热绝缘材料制成的热绝缘部件60内。
此外，在该例子中，五个固体氧化物燃料电池11A～11E各自具有单元燃料电池(未示出)串联连接的所谓的燃料电池堆叠体。
从图1可以看出，固体氧化物燃料电池11A～11E能够经由连接端子18A～18E和19A～19E以并联的方式相互电连接。
切换部件20是用于对连接端子18A～18E和19A～19E与例如外部负载装置(马达)的连接部件110之间的电连接进行切换的部件，并且在该例子中，使用开关作为该切换部件。连接部件110是配备有逆变器(未示出)的电路。
燃料气体供给部件31是用于向燃料气体供给路径13供给燃料气体的装置，并且在该例子中，该部件31包括燃料泵31A和31B以及流量调节装置31C。氧化剂气体供给部件32是用于向氧化剂气体供给路径15供给氧化剂气体的装置，并且在该例子中，该部件32包括送风装置32A和流量调节装置32B。
负荷检测部件40是用于检测外部负载装置(马达)100的负荷的装置，并且在该例子中，该负荷检测部件是加速器开度传感器。
控制部件50是用于根据从负荷检测部件40输入的信息向切换部件20、燃料气体供给部件31和氧化剂气体供给部件32输出指示的装置。控制部件50可以是如下的控制装置，其中，该控制装置存储参考相连接燃料电池数量和端子间电压(或电流密度)所设置的各自示出后述的发电输出、发电效率和热辐射量之间的关系的映射，并且根据所输入的信息输出指示。
在该例子的燃料电池系统中，在燃料气体供给路径13的上游位置配置有燃料重整器70。燃料重整器70通过处理送风装置71所供给的空气、燃料泵31A和31B以及流量调节装置31C所供给的燃料、以及水，来产生重整后的燃料。
在该例子中，如图2所示，各燃料电池具有电流(I)-电压(V)特性和电流(I)-发电输出(P)特性。
从该图可以看出，在各燃料电池中，随着电流升高，电压下降。此外，在各燃料电池中，当电流展现给定值时，发电输出表示最高值。
图3示出如下的映射，其中，该映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压(即，端子间电压)和总发电输出(即，在不考虑辅助装置的电力消耗的情况下所提供的输出)之间的关系。
从该映射可以看出，随着相连接燃料电池数量减少，总发电输出变低，并且随着相连接燃料电池数量增加，总发电输出变高。并且，对于各相连接燃料电池数量，总发电输出相对于(由于并联连接而与燃料电池系统的电压相对应的)燃料电池电压具有峰值。随着该电压高于峰值，总发电输出变低，并且当该电压低于峰值时，总发电输出降低。
图4A和4B分别是如下的映射的平面图和立体图，其中，这些映射各自示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率(即，在不考虑辅助装置的电力消耗的情况下所提供的效率)之间的关系。
从这些映射可以看出，无论相连接燃料电池数量如何，随着电压升高，总发电效率都变高。
图5示出如下的映射，其中，该映射表示相连接燃料电池数量、燃料电池电压(即，端子间电压)和来自所有燃料电池的热辐射量之间的关系。
从该映射可以看出，随着相连接燃料电池数量减少，热辐射量变低，并且随着相连接燃料电池数量增加，热辐射量变高。随着(由于并联连接而与燃料电池系统的电压相对应的)燃料电池电压升高，热辐射量变低，并且随着燃料电池电压降低，热辐射量变高。
在本例子的燃料电池系统中，当存在来自外部的总发电输出需求(例如，在由图6A的粗曲线所表示的值的情况)时，通过控制相连接燃料电池数量和燃料电池电压来实现由图6B的粗曲线所表示的总发电效率和由图6C的粗曲线所表示的热辐射量。
然而，当该输入是低发电输出需求时，总发电效率基本上提高。特别地，随着相连接燃料电池数量增加，总发电效率提高。据此，来自燃料电池的热辐射量变低。
图6A、6B和6C的阴影区域示出来自燃料电池的热辐射量比维持燃料电池系统的热平衡的水平低的范围。在该范围中，迄今为止所使用的燃料电池系统需要在燃料器内燃烧添加的燃料，因而整体效率劣化。
然而，在本发明的该例子的燃料电池系统中，对于该系统的工作，通过减少相连接燃料电池数量以使该系统不在点“A”处而在点“B”处工作，可以在满足总发电输出的需求的情况下使热辐射量变高。
如上所述，在本发明的该例子的燃料电池系统中，可以在不消耗多余燃料的情况下获得高效待机状态，因而可以根据外部负载装置的需求进行发电。此外，可以具有不受在该系统的工作状态改变时出现的转变波动所影响的控制目标，因而可以平滑地执行该系统的工作状态改变。此外，由于抑制了不直接促成发电的燃料燃烧，因此由发电量和热辐射量的组合所提供的所谓的整体效率得以提高。
此外，在本发明的该例子的燃料电池系统中，当存在来自外部的总发电输出需求(例如，由图7A的粗曲线所表示的值的情况)时，可以通过仅控制相连接燃料电池数量和燃料电池电压这两者来获得由图7B的粗曲线所表示的总发电效率和由图7C的粗曲线所表示的热辐射量这两者。
当存在低热需求时，可以通过在增加相连接燃料电池数量的情况下使该系统工作来实现总发电输出增加(例如，在点“A”处工作的情况)。
当存在高热需求时，可以通过例如减少相连接燃料电池数量以使该系统在点“B”处而不是在点“A”处工作，来在满足总发电输出需求的情况下实现热辐射量增加。
如上所述，在本发明的该例子的燃料电池系统中，可以在不消耗多余燃料的情况下实现高效待机状态，因而可以根据外部负载装置的负荷发电所需电力。此外，可以具有不受在该系统的工作状态改变时出现的转变波动所影响的控制目标，因而可以平滑地执行该系统的工作状态改变。此外，通过抑制不直接促成发电的燃料燃烧，由发电量和热辐射量的组合所提供的整体效率得以提高。
将参考图8来说明该例子的燃料电池系统的操作。图8是示出该燃料电池系统的操作的流程图。
步骤1(其在附图中被略写为“S1”，并且以相同的方式来表示步骤1之后的步骤)是如下的步骤：从外部装置将包括与发电输出需求有关的指示或与热需求有关的指示的输出改变指示输入至控制部件。然后，该操作流程进入步骤2。
在步骤2中，参考图3～5的工作映射计算工作点、即相连接燃料电池数量，并选择该数量。在这种情况下，以避免设置在图6A、6B和6C的阴影区域中的工作点的方式选择工作点。然后，该操作流程进入步骤3。上述控制与用于在图6A、6B和6C以及图7A、7B和7C的图中选择诸如点“A”和点“B”等的工作点的控制相对应。
在步骤3中，为了实现所选择的工作点，通过对开关进行切换操作来控制相连接燃料电池数量，并且通过控制燃料气体供给部件和氧化剂气体供给部件这两者来控制燃料气体流量和空气流量。在完成这些控制之后，使该工作变为正常工作。
要注意，图3～5的工作映射的横轴表示相连接燃料电池数量。此外，燃料气体流量和空气流量是参考图3以及图4A和4B中的工作映射而预先设置的值，其中，图3中的工作映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电输出之间的关系，图4A和4B中的工作映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率之间的关系。
第二实施例
以下将参考附图来详细说明本实施例的燃料电池系统的另一示例。
图9是示意性示出作为本实施例的燃料电池系统的另一示例的说明图。如该图所示，该燃料电池系统包括发电部件10、切换部件20、燃料气体供给部件31、氧化剂气体供给部件32、负荷检测部件40和控制部件50。
发电部件10包括五个固体氧化物燃料电池11A～11E、串联连接所有这五个固体氧化物燃料电池的燃料电极12A～12E所用的燃料气体供给路径13和串联连接所有这五个固体氧化物燃料电池的空气电极14A～14E所用的氧化剂气体供给路径15。
在该例子中，燃料气体供给路径13和氧化剂气体供给路径15分别配备有循环路径16和17。
此外，在该例子中，将固体氧化物燃料电池11A～11E、燃料气体供给路径13、氧化剂气体供给路径15以及循环路径16和17安装在由热绝缘材料制成的热绝缘部件60内。
此外，在该例子中，五个固体氧化物燃料电池11A～11E各自具有单元燃料电池(未示出)串联连接的所谓的燃料电池堆叠体。
从图9可以看出，固体氧化物燃料电池11A～11E能够经由连接端子18A～18E和19A～19E以串联的方式相互电连接。
切换部件20是用于对连接端子18A～18E和19A～19E与例如外部负载装置(马达)的连接部件110之间的电连接进行切换的部件，并且在该例子中，使用开关作为该切换部件。连接部件110是配备有逆变器(未示出)的电路。
燃料气体供给部件31是用于向燃料气体供给路径13供给燃料气体的装置，并且在该例子中，该部件31包括燃料泵31A和31B以及流量调节装置31C。氧化剂气体供给部件32是用于向氧化剂气体供给路径15供给氧化剂气体的装置，并且在该例子中，该部件32包括送风装置32A和流量调节装置32B。
负荷检测部件40是用于检测外部负载装置(马达)100的负荷的装置，并且在该例子中，该负荷检测部件是加速器开度传感器。
控制部件50是用于根据从负荷检测部件40输入的信息向切换部件20、燃料气体供给部件31和氧化剂气体供给部件32输出指示的装置。控制部件50可以是如下的控制装置，其中，该控制装置存储各自示出后述的相连接燃料电池数量、基于燃料电池电压(即，端子间电压)的总发电输出、总发电效率和热辐射量之间的关系的映射，并且根据所输入的信息输出指示。
在该例子的燃料电池系统中，在燃料气体供给路径13的上游位置配置有燃料重整器70。燃料重整器70通过处理送风装置71所供给的空气、燃料泵31A和31B以及流量调节装置31C所供给的燃料、以及水，来产生重整后的燃料。
图10示出如下的映射，其中，该映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电输出(即，在不考虑辅助装置的电力消耗的情况下所提供的输出)之间的关系。
从该映射可以看出，随着相连接燃料电池数量减少，总发电输出变低，并且随着相连接燃料电池数量增加，总发电输出变高。并且，对于各相连接燃料电池数量，总发电输出相对于燃料电池电压具有峰值。随着燃料电池电压高于该峰值，总发电输出变低，并且当燃料电池电压低于该峰值时，总发电输出降低。
图11示出如下的映射，其中，该映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率(即，在不考虑辅助装置的电力消耗的情况下所提供的效率)之间的关系。
从该映射可以看出，随着相连接燃料电池数量增加，总发电效率变高，并且随着燃料电池电压升高，总发电效率变高。
图12示出如下的映射，其中，该映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和来自所有燃料电池的热辐射量之间的关系。
从该映射可以看出，随着相连接燃料电池数量减少，热辐射量变高，并且随着相连接燃料电池数量增加，热辐射量变低。此外，随着燃料电池电压降低，热辐射量变高，并且随着燃料电池电压升高，热辐射量变低。
此外，在该例子的燃料电池系统中，可以执行与上述第一实施例的操作控制相同的操作控制。
即，步骤1是如下的步骤：从外部装置将包括与发电输出需求有关的指示或与热需求有关的指示的输出改变指示输入至控制部件。然后，该操作流程进入步骤2。
在步骤2中，参考图10～12的工作映射来计算工作点、即相连接燃料电池数量，并选择该数量。然后，该操作流程进入步骤3。该选择与在图6A、6B和6C以及图7A、7B和7C的图中选择诸如点“A”和点“B”等的工作点相对应。
在步骤3中，为了实现所设置的工作点，利用开关来实行切换操作以控制相连接燃料电池数量，并且通过控制燃料气体供给部件和氧化剂气体供给部件这两者来控制燃料气体流量和空气流量。在完成这些控制之后，使该工作变为正常工作。
要注意，图10～12的工作映射的横轴表示相连接燃料电池数量。此外，燃料气体流量和空气流量是参考图10和11中的工作映射所预先设置的值，其中，图10中的工作映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电输出之间的关系，以及图11中的工作映射示出相连接燃料电池数量、燃料电池电压和总发电效率之间的关系。
如根据以上显然可知，已参考两个实施例说明了本发明。然而，本发明不限于这些实施例。即，在本发明的范围内可以进行各种变形。
以上仅说明了燃料电池以并联方式连接的情况(第一实施例)和燃料电池以串联方式连接的情况(第二实施例)这两个情况。然而，无需说明，本发明可应用于燃料电池能够以并联连接和串联连接相结合的方式连接的情况。
例如，可以利用第二实施例的五个燃料电池来替换第一实施例的各个燃料电池，并且可以利用第一实施例的五个燃料电池来替换第二实施例的各个燃料电池。
附图标记说明
10 发电部件
11A、11B、11C、11D、11E 固体氧化物燃料电池
12A、12B、12C、12D、12E 燃料电极
13 燃料气体供给路径
14A、14B、14C、14D、14E 空气电极
15 氧化剂气体供给路径
16、17 循环路径
18A、18B、18C、18D、18E、19A、19B、19C、19D、19E连接端子
20 切换部件
31 燃料气体供给部件
31A、31B 燃料泵
31C、32B 流量调节装置
32 氧化剂气体供给部件
32A、71 送风装置
40 负荷检测部件(加速器开度传感器)
50 控制部件
60 热绝缘部件(热绝缘材料)
70 燃料重整器
100 外部负载装置(马达)
110 连接部件
Claims (5)
1.一种燃料电池系统，包括：
发电部件，其包括：
多个燃料电池，其能够经由连接端子以串联和/或并联的方式相连接；
燃料气体供给路径，所述多个燃料电池的全部或一部分的燃料电极通过所述燃料气体供给路径串联连接；和
氧化剂气体供给路径，所述多个燃料电池的全部或一部分的空气电极通过所述氧化剂气体供给路径串联连接；
切换部件，其对所述连接端子与外部负载装置的连接部件之间的电连接状态进行切换；
向所述燃料气体供给路径供给燃料气体的燃料气体供给部件和向所述氧化剂气体供给路径供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部件；
负荷检测部件，其检测所述外部负载装置的负荷；以及
控制部件，其基于预先得到的与相连接燃料电池的数量相对应的整体发电输出曲线和工作温度区间之间的关系，根据来自所述负荷检测部件的输入来选择在工作温度区间内的输出曲线，并且选择使燃料电池的电压最高的相连接燃料电池数量，由此控制所述切换部件、所述燃料气体供给部件和所述氧化剂气体供给部件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料气体供给路径和所述氧化剂气体供给路径至少之一配备有循环路径。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多个燃料电池、所述燃料气体供给路径和所述氧化剂气体供给路径安装在热绝缘部件的内部。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制部件根据从所述外部负载装置输入的发电输出需求和热需求向所述切换部件输出指示。
5.一种燃料电池系统的控制方法，
所述燃料电池系统包括：
发电部件，其包括：
多个燃料电池，其能够经由连接端子以串联和/或并联的方式相连接；
燃料气体供给路径，所述多个燃料电池的全部或一部分的燃料电极通过所述燃料气体供给路径串联连接；和
氧化剂气体供给路径，所述多个燃料电池的全部或一部分的空气电极通过所述氧化剂气体供给路径串联连接；
切换部件，其对所述连接端子与外部负载装置的连接部件之间的电连接状态进行切换；
向所述燃料气体供给路径供给燃料气体的燃料气体供给部件和向所述氧化剂气体供给路径供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部件；
负荷检测部件，其检测所述外部负载装置的负荷；以及
控制部件，
所述控制方法基于所述控制部件的以下操作，在该操作中：
基于预先得到的与相连接燃料电池的数量相对应的整体发电输出曲线和工作温度区间之间的关系，根据来自所述负荷检测部件的输入来选择在工作温度区间内的输出曲线，并且
选择使燃料电池的电压最高的相连接燃料电池数量，由此控制所述切换部件、所述燃料气体供给部件和所述氧化剂气体供给部件。
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