CN102792507A

CN102792507A - 燃料电池系统及其电流控制方法

Info

Publication number: CN102792507A
Application number: CN2011800131854A
Authority: CN
Inventors: 水野环树; 井深丈
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2012-11-21
Also published as: EP2546911A1; EP2546911A4; WO2011111702A1; US20130004870A1; JP5289361B2; US8808936B2; JP2011187391A

Abstract

燃料电池系统中，基于发电功率目标值控制从燃料电池中取出的电流时，将电流上限值设定为最适当值，尽可能地减少电压下降导致的运转停止。对规定的延迟时间(例如10秒)前的电流平均值加上规定的偏置值(例如2A)，设定电流上限值。基于发电功率目标值控制从燃料电池取出的电流时，比较电流值和电流上限值，控制电流。

Description

燃料电池系统及其电流控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及控制从燃料电池取出的电流的技术。

背景技术

家庭用的燃料电池系统(发电单元)一般构成为，包括:具有改性烃系燃料(例如城市燃气、LPG、灯油等)生成氢的改性器的制氢装置；由生成的氢和空气中的氧通过电化学反应产生直流功率的燃料电池(燃料电池堆)；取出燃料电池产生的直流功率，并转换为交流功率提供给家庭内的电器的功率调节器；回收燃料电池等产生的热与热水供应单元侧进行热交换的热交换器。

在这样的燃料电池系统中，已知有如下的方法：通过根据需要功率设定发电功率目标值，据此调整燃料供给量等，控制发电功率，并基于发电功率目标值控制从燃料电池取出的电流，又，对于从燃料电池取出的电流，与电流上限值比较来限制电流。

又，专利文献1中，当燃料电池的输出电压下降到燃料电池能够稳定发电的电压下限值时，限制从燃料电池取出的电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本公开专利公报:特开2006-309979

发明内容

发明所要解决的问题

以往的燃料电池系统中，基于发电功率目标值控制从燃料电池取出的电流，但是会有发电功率目标值骤增导致从燃料电池取出的电流骤增时，根据I-V特性，燃料电池的输出电压骤减至小于燃料电池能够稳定发电的电压下限值，导致运转停止的情况。

因此，对于从燃料电池取出的电流，虽然设定了电流上限值进行限制，但是以往根据发电功率目标值设定电流上限值，在电流瞬间接近电流上限值时，无法防止电压下降超过电压下限值并导致运转停止的结果。

又，专利文献1中，燃料电池的输出电压下降到燃料电池能够稳定发电的电压下限值以下时，对从燃料电池取出的电流进行限制，但其是在燃料电池的电压下降发生以后进行控制的，因此无法事先对电压的下降进行防止。

本发明鉴于上述情况，对从燃料电池取出的电流的上限值进行最合适的设定，尽可能地减少电压下降导致的运转停止。

解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统，包括：基于发电功率目标值控制从燃料电池取出的电流的电流控制单元；和比较所述电流与电流上限值，限制所述电流的电流限制单元，且该燃料电池系统设有电流上限值设定单元，该电流上限值设定单元对规定的延迟时间前的电流平均值加上规定的偏置值来设定所述电流上限值。

发明的效果

根据本发明，通过将电流上限值设定为在规定的延迟时间前的电流平均值上加上规定的偏置值，对相对缓慢的发电功率目标值的变化不进行不必要的电流抑制，相对急剧的发电功率目标值的变化，通过迅速地将电流上限值更新为最合适值，可防止急剧的电流上升导致的电压下降，可减少电压下降导致的运转停止的情况。

附图说明

图1是显示本发明的一实施方式的燃料电池系统的示意性构成图。

图2是电流上限值设定的框图。

图3是电流上限值设定的说明图。

图4是电流上限值设定过程的流程图。

图5是电流控制过程的基本例的流程图。

图6是功率控制过程的其他实例的流程图。

图7是现有技术和本实施方式下的电流控制的时序图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式，进行详细说明。

图1是显示本发明的一实施方式的燃料电池系统(发电单元)的示意性构成图。

家庭用的燃料电池系统(发电单元)构成为在系统框体1内包括：制氢装置2、燃料电池3、功率调节器(PCS)4、热交换器5。

制氢装置2构成为以改性器为主体，该改性器采用改性催化剂将烃系燃料(例如城市燃气、LPG、灯油等)在水蒸气供给下通过改性生成氢(含有H₂、CO₂的富氢燃气)。还包括用于改性反应(吸热反应)的改性器加热用的燃烧器(バーナー)6，燃烧器6中，使燃料电池3的燃料极侧的废气(废气产生前为改性前的燃料)燃烧。

省略图示，此外，制氢装置2还包括：设于改性器的上游侧、将包含于改性前的烃系燃料的硫黄化合物采用吸着剂吸着去除或采用脱硫催化剂转换去除的脱硫器；和设于改性器的下游侧、将改性气体中的副产物CO通过转化催化剂与残留水蒸气反应转变为CO₂和H₂的CO转化反应器。

又，根据需要制氢装置2还可进一步包括，将转化反应后的气体中稍许残存的CO以选择氧化催化剂在空气供给下选择性氧化转变为CO₂的CO选择氧化器。

燃料电池3为例如固体高分子形(PEFC)的燃料电池堆，由多个电池单元重叠构成。电池单元包括：燃料极(阳极)、空气极(阴极)、配置在其间的电解质层(高分子的离子交换膜)。因此，燃料电池3向电解质层的一端侧的燃料极提供氢(富氢燃气)、向电解质层的另一端侧的空气极提供空气中的氧，通过氢和氧的电化学反应(发热反应)，产生直流功率。又，燃料电池3不限定于固体高分子形(PEFC)，也可为磷酸型(PAFC)、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)、或碱性电解质型(AFC)等的其他形式的燃料电池。

功率调节器(PCS)4用于取出燃料电池3产生的直流功率，还包括逆变器，将直流功率转换为交流功率，提供给家庭内的电器(负载)EI。又，功率调节器4附设有剩余功率加热器7，燃料电池3的发电功率超出电器EI的需要功率时，为防止反向功率流，将通过逆变器转换前的直流功率或转换后的交流功率的一部分提供至剩余功率加热器7，以消耗剩余功率。又，燃料电池3的发电功率不满足电器EI的需要功率时，将来自商用电力系统CE的辅助功率提供至电器EI。

热交换器5的一次侧构成燃料电池3冷却用的冷却水循环通路8的一部分，热交换器5的二次侧构成热水供应单元(热水存储单元)侧的热回收通路12的一部分，热交换器5回收燃料电池3产生的热与热水供应单元进行热交换。

热交换器5的一次侧的冷却水循环通路8中，水箱9内的水通过水泵10输送到燃料电池3的冷却器11，在此处升温后的水流到热交换器5的一次侧，与来自热水供应单元的水进行热交换后，返回水箱9内。省略图示，该冷却水也可用于制氢装置2内的CO转化反应器和CO选择氧化器中的发热反应的冷却。

又，热交换器5的二次侧的热回收通路12中配置所述剩余功率加热器7，消耗剩余功率时，进行热回收，向制氢装置(改性器)2提供改性所需的水。

燃料电池系统(发电单元)还包括，根据电器EI的需要功率控制燃料电池3的发电功率的控制装置13。控制装置13由微计算机构成，包括CPU、ROM、RAM和输入输出接口等。

为了进行对应于电器EI的需要功率的控制，向控制装置13输入来自测量器14、15的信号。测量器14测定从燃料电池3提供给电器EI的供给功率，将供给功率的测定值输出到控制装置13。测量器15测定从商用功率系统CE提供给电器EI的辅助功率，辅助功率的测定值输出到控制装置13。电器EI的需要功率计算为供给功率和辅助功率之和。

控制装置13对发电功率的控制通过如下控制来进行，通过燃料供给控制单元(泵和/或控制阀)16控制对制氢装置2的燃料供给量，以控制对燃料电池3的改性燃料的供给量，以及，通过空气供给控制单元(泵和/或控制阀)17控制对燃料电池3的空气的供给量来进行控制。实际上，另外，控制装置13还对制氢装置(改性器)2的改性用水的供给、对燃烧器6的燃料供给、对CO选择氧化器的空气供给、对各部的冷却水的供给等进行协调控制。

因此，控制装置13根据电器EI的需要功率，设定燃料电池3的发电功率目标值，由此(为了达到发电功率目标值)，通过控制燃料供给量、空气供给量等，控制燃料电池3的发电功率。

控制装置13还控制功率调节器4。具体来说，基于燃料电池3的发电功率目标值，设定·控制从燃料电池3取出的电流。更具体的，燃料电池3的发电功率目标值除以燃料电池3的输出电压(瞬间值)，以设定电流目标值，根据该电流目标值控制从燃料电池3取出电流。

又，燃料电池3中附设有，检测燃料电池3的输出电压的燃料电池电压计18、检测燃料电池3的输出电流的燃料电池电流计19，这些信号被输入到控制装置13。

控制装置13进一步的，在燃料电池3的发电功率超过电器EI的需要功率时，降低燃料电池3的发电功率值，控制功率调节器4，将实际功率下降期间产生的剩余功率提供给剩余功率加热器7，转换为热能用于热水供应。

接着，本实施方式中，对控制装置13中的，通过功率调节器4对从燃料电池3取出的电流进行设定·控制的电流控制，进一步进行详细说明。

图2是电流上限值设定的框图。

平均化处理部21中，将电流计19(图1)检测出的电流瞬间值平均化(平滑化)。具体来说，每隔一定时间间隔(例如0.5秒)，对电流计输出(电流瞬间值)进行采样，例如，求得当前时点、0.5秒前、1.0秒前、1.5秒前这样4点的电流平均值。

即，参照图3(a)，对于时点t0，求得时点t0的电流值i0、时点t1’的电流值i1’、时点t2’的电流值i2’、时点t3’的电流值i3’的平均值(参照下式)。

电流平均值=(i0+i1’+i2’+i3’)/4

延迟处理部22中，使平均化处理部21所求得的电流平均值向后段的输出延迟规定的延迟时间(例如10秒)。换言之，将规定的延迟时间(例如10秒)前的电流平均值向后段(加法器23)输出。

即，参照图3(a)，在时点t0之后10秒的时点t20，输出时点t0中求得的电流平均值。

换言之，参照图3(b)，在时点t0，输出规定的延迟时间(10秒)前的时点t20’、t21’、t22’、t23’这4点的电流平均值(参照下式)。

电流平均值=(i20’+i21’+i22’+i23’)/4

加法器23中，对来自延迟处理部22的规定的延迟时间前的电流平均值加上规定的偏置值(例如2A)。将其作为电流上限值。

图4是基于上述说明计算电流上限值的流程图。本流程每隔一定时间间隔(0.5秒)执行。

S1中，检测实际电流(电流瞬间值)i。

S2中，对于电流值，对存储从当前时点开始每隔0.5秒直到21.5秒前总计24点的电流数据的移位寄存器(i0～i23’)中的存储值进行移位处理。即，存储21.5秒前的电流数据的i23’中写入21.0秒前的i22’的数据，下面也以相同顺序移位，存储最新的电流数据的i0中写入当前检测出的实际电流i的数据。

S3中，读取规定的延迟时间(10秒)前的4点的数据i20’、i21’、i22’、i23’，通过计算该4点的平均值，求得规定的延迟时间前的电流平均值。

S4中，在S3中所求得的规定的延迟时间前的电流平均值加上规定的偏置值(例如2A)，求得电流上限值。

图5是采用上述电流上限值的电流控制的流程图，为最简单的控制方式。

S11中，读取图4的流程算出的最新的电流上限值。

S12中，根据电流计19(图1)的输出检测实际电流(电流瞬间值)i，判定实际电流i是否超过电流上限值(实际电流i>上限值)。

实际电流i≦电流上限值时，进到S21，使发电电流上升。另一方面，实际电流i＞电流上限值时，进到S22，使发电电流下降，由此抑制电压下降。

图6是与图5一样地采用上述电流上限值的电流控制的流程图，包含与发电功率目标值等的关联。

S11中，读取图4的流程算出的最新的电流上限值。

S12中，根据电流计19(图1)的输出检测实际电流(电流瞬间值)i，判定实际电流i是否超过电流上限值(实际电流i＞上限值)。

实际电流i≦电流上限值时，进到S13。

S13中，判定是否过去实际电流i＞电流上限值、设为标记F=1，当为否、即F=0时，以通常模式控制，因此进到S14、S15。

S14中，读取燃料电池的发电功率目标值。发电功率目标值通过其他过程根据需要功率被设定。

S15中，基于发电功率目标值，设定·控制从燃料电池取出的电流。具体来说，燃料电池的发电功率目标值除以燃料电池的输出电压(瞬间值)，设定电流目标值，根据该电流目标值，控制从燃料电池取出电流。

在S12的判定中，实际电流i＞上限值时，进入到S16，设置标记F=1之后，由于在限制模式下的控制，进入到S17、S18。

S17中，设定功率限制值，限制实际功率。因此，此时减少对燃料电池的燃料供给量或空气供给量等，以将燃料电池的发电功率抑制在功率限制值以下。

S18中，基于功率限制值，控制从燃料电池取出的电流。具体来说，燃料电池的功率限制值除以燃料电池的输出电压(瞬间值)，设定电流目标值，根据该电流目标值，控制从燃料电池取出的电流。

进入限制模式时，标记F=1(S16)。因此，之后，通过S12的判定，即使实际电流i≦上限值，S13的判定为是，只要S19中规定的恢复条件不成立，就进到S17、S18，继续限制模式。在恢复条件不成立，例如，例举有单元温度比容许上限值高，燃料利用率比容许上限值高，空气利用率比容许上限值高等情况。S19中规定的恢复条件成立的话，在S20中使标记F=0后，进到S14、S15，返回通常模式。

又，本实施方式中，限制模式中，功率限制值设定为与功率目标值不同，但也可将功率目标值向减少方面补正来使用。

接着，参照图7，对现有技术和本实施方式的控制的不同进行说明。

图7(a)为现有技术的情况。

现有技术中，基于发电功率目标值控制从燃料电池取出的电流(电流=功率目标值/电压)。但是，发电功率目标值骤增，从燃料电池取出的电流骤增的话，根据I-V特性，燃料电池的输出电压骤减，下降到燃料电池能够稳定发电的电压下限值以下，可能导致运转停止。

因此，关于从燃料电池取出的电流，设定电流上限值，进行限制，但现有技术中，根据发电功率目标值设定电流上限值，当电流瞬间接近电流上限值时，无法防止电压低于电压下限值，并导致运转停止的错误。

即，功率目标值增大、实际电流增大，实际电压随之下降时，由于某种原因实际电压急剧下降，实际电流急剧上升的话，无法抑制实际电流，也无法抑制电压的下降。因此，实际电压下降到小于电压下限值，导致运转停止的错误。

图7(b)是本实施方式的情况。

根据本实施方式，电流上限值设定为在规定的延迟时间前的实际电流平均值上加上规定的偏置值。

因此，发电功率目标值增大，从燃料电池取出的电流增大，根据I-V特性，燃料电池的输出电压下降，此时输出电压急剧下降的话，即使电流进一步增大，也可迅速抑制电流的上升，由此，可抑制电压的下降。这样，可防止实际电压低于电压下限值防止导致运转停止的错误。

根据本实施方式，通过将电流上限值设定为，在规定的延迟时间(例如10秒)前的电流平均值上加上规定的偏置值(例如2A)，可抑制电流的急剧变动，不对系统内的急剧的变动进行过度反应，稳定运转。

尤其是，通过基于电流平均值设定电流上限值，可避免受到电流瞬间值的变动的影响而导致电流上限值变动。即，可避免电流瞬间下降后立即反应进行不必要地电流抑制。因此，电流平均值设定为，实现能够避免电流瞬间值的影响程度的平均化(平滑化)。

又，通过基于规定的延迟时间前的电流平均值设定，抑制急剧的电流上升的同时，对于相对缓慢的电流上升不进行抑制。又，规定的延迟时间过长的话，即使是通常的相对较缓慢的负载上升也进行不必要的电流抑制，因此，对于相对较缓慢的负载上升不进行电流抑制的值根据机种不同而不同，一般情况下，例如20秒为过长，可为10秒左右。即，考虑负载上升速度和延迟时间常数来设定。

又，通过加上规定的偏置值进行设定，上限值比实际电流更高，且可进行控制使得朝着电流的较高方向的跟随速度得到限制。又，由于规定的偏置值过小的话，即使通常状态下的通常的电流变动也进行不必要的电流抑制，导致电流上升速度变的过缓，对通常的电流变动不进行电流抑制的值，根据机种的不同而不同，例如，不设为0.5A左右，而设为1A以上。又，相比新品电池搭载机，由于在劣化电池搭载机中，通常的电流变动增大，也可考虑电池的劣化程度进行设定。

这样，可对从燃料电池取出的电流的上限值进行最适当的确定，对于相对较缓慢的功率目标值的变化，不进行造成防止负载追随的过多电流抑制，对于急剧的功率目标值的变化，通过迅速地将电流上限值更新为最合适值，可防止由于急剧的电流的上升导致的电压下降，可尽可能地减少由于电压下降导致的运转停止。

又，根据本实施方式，所述电流平均值设为一定时间间隔(例如0.5秒间隔)的多点(例如4点)电流的平均值，可相对简单地避免电流瞬间值的变动的影响。但是，时间间隔和点数不限于实施方式所示的，只要是2点以上的平均值即可。

又，根据本实施方式，从燃料电池取出的电流超过所述电流上限值时，通过控制发电电流，可确切地抑制电压下降。

又，以上的说明中，对具有制氢装置的燃料电池系统进行了说明，但作为制氢装置的替代，也可采用制氢钢瓶等，对于所谓纯氢型的燃料电池系统，本发明也能适用。

又，以上的图示的实施方式用于例示本发明，除了本发明说明的实施方式直接的揭示的以外，也可包含在发明权利要求内根据本领域技术人员进行的各种改良和改变。

符号说明

1系统框体

2制氢装置(改性器)

3燃料电池(堆)

4功率调节器

5热交换器

6燃烧器

7剩余功率加热器

8冷却水循环通路

9水箱

10水泵

11冷却器

12热回收通路

13控制装置

14测量器

15测量器

16燃料供给控制单元

17空气供给控制单元

18燃料电池电压计

19燃料电池电流计

Claims

1.一种燃料电池系统，其包括：基于发电功率目标值控制从燃料电池取出的电流的电流控制单元；和比较所述电流与电流上限值，限制所述电流的电流限制单元，

该燃料电池系统的特征在于，设有电流上限值设定单元，该电流上限值设定单元对规定的延迟时间前的电流平均值加上规定的偏置值来设定所述电流上限值。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电流平均值为一定时间间隔的多点的电流的平均值。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电流限制单元在所述电流超过了所述电流上限值时，通过控制发电电流，来抑制电压下降。

4.一种燃料电池系统的电流控制方法，其特征在于，在一面基于发电功率目标值控制从燃料电池取出的电流，一面比较所述电流和电流上限值，以限制所述电流之时，

对规定的延迟时间前的电流平均值加上规定的偏置值来设定所述电流上限值。