JP2003317765A - 燃料電池制御システム - Google Patents

燃料電池制御システム

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JP2003317765A JP2002117086A JP2002117086A JP2003317765A JP 2003317765 A JP2003317765 A JP 2003317765A JP 2002117086 A JP2002117086 A JP 2002117086A JP 2002117086 A JP2002117086 A JP 2002117086A JP 2003317765 A JP2003317765 A JP 2003317765A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池制御装置を提供する。 【解決手段】 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、電
力を生成する燃料電池4と、燃料電池の運転状態を検出
する運転状態検出手段8、9と、前記運転状態検出手段
の検出値に基づき前記燃料電池の暖機が終了したか否か
を判定し、暖機が終了していない場合に前記燃料電池の
運転効率が低下するように制御するコントローラ12を
備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池制御シス
テムに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の燃料電池制御システムとしては、
特開2000−277136号公報に記載のものがあ
る。これは、燃料電池スタックのうち、1つまたは隣り
合う2つのセルごとに暖機用負荷を接続し、各セル毎に
発電を行い、暖機を行うものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、暖機用
負荷を1つまたは2つのセルごとに接続して徐々に全体
を暖機する構成になっているので、下記のような問題点
があった。 1)全セルの暖機が終了するまでは外部に電力を取り出
すことができない。 2)暖機中のセル以外では発熱が無いため放熱等により
暖機終了と判定されたセルも温度が低下する。 3)セルごとに暖機するため、全セルの暖機終了と判断
した直後は燃料電池スタック内での温度分布が生じる。
【0004】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点を解決する燃料電池制御システムを提供することに
ある。
【0005】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、燃料ガス
と酸化ガスの供給を受けて、電力を生成する燃料電池
と、燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段
と、前記運転状態検出手段の検出値に基づき前記燃料電
池の暖機が終了したか否かを判定し、暖機が終了してい
ない場合に前記燃料電池の運転効率が低下するように制
御するコントローラを備えた。
【0006】第2の発明は、第1の発明において、前記
コントローラは、前記燃料ガスと酸化ガスの少なくとも
一方の流量を制御することで前記燃料電池の運転効率を
制御する。
【0007】第3の発明は、第1または2の発明におい
て、前記コントローラは、前記燃料ガスと酸化ガスの少
なくとも一方の圧力を制御することで前記燃料電池の運
転効率を制御する。
【0008】第4の発明は、第1から3のいずれか一つ
の発明において、前記運転状態検出手段は、前記燃料電
池の出力電圧、出力電流、出力電力のうち少なくとも2
つを検出する手段であって、第1パラメータは、一方の
検出手段によって検出された出力値であり、第2パラメ
ータは、他方の検出手段によって検出された出力値であ
り、前記コントローラは、この第1パラメータに基づき
第2パラメータに対する基準値を演算し、この基準値と
第2パラメータとの比較に基づき燃料電池の暖機状態を
判定する。
【0009】第5の発明は、第4の発明において、前記
暖機状態の判定は、第1パラメータが出力電力値、第2
パラメータが出力電流値の場合には、第2パラメータの
検出値が基準値より所定値以上大きい場合に暖機終了前
と判定し、第1、第2パラメータの組み合わせが前述の
組み合わせ以外の場合には、第2パラメータの検出値が
基準値より所定値以上小さい場合に暖機終了前と判定す
る。
【0010】第6の発明は、第1から4のいずれか一つ
の発明において、前記運転状態検出手段は、前記燃料電
池の出力電圧、出力電流、出力電力のうち少なくとも2
つを検出する手段であって、第1パラメータは、一方の
検出手段によって検出された出力値であり、第2パラメ
ータは、他方の検出手段によって検出された出力値であ
り、前記コントローラは、この第1パラメータに基づき
第2パラメータに対する基準値を演算し、この基準値と
第2パラメータとの差が所定値以下の時に燃料電池の暖
機終了を判定し、通常運転に移行する。
【0011】第7の発明は、第1から6のいずれか一つ
の発明において、前記コントローラは、前記燃料電池の
運転を通常状態に復帰させる際に、所定の遅れを持って
運転効率を復帰させる。
【0012】第8の発明は、第1から6のいずれか一つ
の発明において、前記コントローラは、前記燃料電池の
運転を通常状態に復帰させる際に、前記第2パラメータ
と基準値の差に応じて運転を通常状態に復帰させる。
【0013】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、燃料電池の運
転効率を低下させて運転することで燃料電池の発熱量を
大きくし、電力を負荷に供給しながらかつ外部に特殊な
熱源を設けなくても燃料電池本体の暖機を促進できる。
【0014】請求項2の発明によれば、燃料電池の運転
効率を低下させるために、燃料ガスまたは酸化ガスの少
なくとも一方の流量を制御するようにしたので、特殊な
デバイスを追加装備することなく実現できる。
【0015】請求項3の発明によれば、燃料電池の運転
効率を低下させるために、燃料ガスまたは酸化ガスの少
なくとも一方の圧力を制御するようにしたので、特殊な
デバイスを追加装備することなく実現できる。また例え
ば燃料ガス経路をエゼクタのような受動的デバイスを用
いて循環系を構成しているように流量の制御を行うこと
が困難な場合でも実現できる。
【0016】請求項4、5の発明によれば、燃料電池の
運転状態として、出力電流、出力電圧、出力電流のいず
れか2つとしたことで、特殊な装置を用いることなく安
価に燃料電池が暖機終了前であることを検出することが
出来る。
【0017】請求項6の発明によれば、燃料電池の運転
状態として、出力電流、出力電圧、出力電流ののうちい
ずれか2つとしたことで、特殊な装置を用いることなく
安価に燃料電池が暖機終了後であることを検出すること
が出来る。
【0018】請求項7の発明によれば、燃料電池の暖機
終了後、徐々に運転状態を復帰させることで、運転状態
が急変し燃料電池の出力が不安定になることを防止でき
る。
【0019】請求項8の発明によれば、燃料電池の暖機
状態に応じて、徐々に運転状態を復帰させることで、暖
機が完全に終了した時点では燃料電池は定格運転が可能
になる。
【0020】
【発明の実施の形態】図1は本発明の第1実施形態の構
成を例示する概略構成図である。本実施形態は、請求項
1、2、4、5、7に係る発明の構成に対応するもので
ある。
【0021】燃料ガスタンク1から流路3を通じて燃料
ガスが圧力制御弁2の作用により所定圧力で燃料電池4
のアノード極4aに供給される。一方、カソード極4b
にはコンプレッサ6からの空気が流路5を通じて供給さ
れる。カソード極4bに供給される空気は、空気流量計
7により検出され、その流量はコンプレッサ6の回転数
によって制御される。
【0022】燃料電池4にて発電に用いられた燃料ガス
は、燃料電池4から排出され、再び流路3に循環され
る。排出された燃料ガスが循環する流路と流路3の合流
部にはエゼクタ3aが設置される。一方、発電後に燃料
電池4から排出される空気は排気管11から大気に放出
される。
【0023】燃料電池4には、その出力を制御する出力
制御器10が接続され、出力制御器10に設置された電
流計8および電圧計9によって燃料電池4の出力電流と
出力電圧が検出される。
【0024】検出された出力電流値と出力電圧値は、燃
料電池システムの運転制御を行うコントローラ12に送
られる。コントローラ12には更に、空気流量計7より
検出された空気流量と図示しない要求出力演算部から燃
料電池の目標発電電力が入力される。
【0025】コントローラ12は、目標電力に応じて目
標カソードストイキレシオ(以下、ストイキレシオをS
Rと示す。)と目標燃料ガス圧力と目標空気圧力と燃料
電池4の出力電力を演算し、これを実現するようにコン
プレッサ6と圧力制御弁2と出力制御器10と圧力制御
弁13を制御する。出力制御器10には図示しない駆動
モータなどの負荷が接続されている。なお、図1に示す
構成では燃料ガス系はエゼクタ3aを用いた循環系を構
成しているので、燃料ガスの流量を積極的に制御するこ
とは出来ない。
【0026】図2にコントローラ12のブロック構成を
示す。目標電力演算部12aには目標電力と補機消費電
力とが入力され、補機消費電力分を加味して目標電力が
補正される。この補正された目標電力に基づき、目標取
り出し電力、目標燃料ガス圧力と目標空気圧力、目標S
Rがそれぞれの演算部12b、12c、12dで演算さ
れる。
【0027】演算された目標電力は、パワーモジュール
(以下、PM)制御部12eに送られ、PM制御部12
eは目標電力に基づき出力制御器10を制御する。目標
燃料ガス圧力と目標空気圧力はそれぞれ、アノード圧力
弁制御部12fとカソード制御弁制御部12gに送信さ
れ、各制御部12fと12gは制御弁2と13の開度を
制御する。
【0028】目標SRは、暖機判断、暖機中処理演算部
12hに送られる。処理演算部12hは燃料電池4の出
力電流と空気流量が入力されて実SRを演算する実SR
演算部12iと、演算された実SRと出力電流から基準
電圧を演算する基準電圧演算部12jと、この基準電圧
と燃料電池4の出力電圧から暖機状態を判断する暖機判
断部12kと、目標SRを暖気状態に基づき補正する目
標SR補正部12pとからなり、前述のように燃料電池
4の出力電流及び出力電圧、空気流量に基づき、目標S
Rを補正する。この補正された目標SRに基づき、空気
流量制御部12mがコンプレッサ6の回転数を制御す
る。
【0029】暖機終了判断時のコントローラ12の制御
内容を図3に示すフローチャートで説明する。
【0030】ステップ100で暖機終了判断と暖機運転
を開始する。
【0031】ステップ110で出力電流計8の検出値
(第1パラメータ)を読み込む。
【0032】ステップ120で空気流量計7の検出値を
読み込む。
【0033】ステップ130で実カソードSRを下式を
用いて算出する。
【0034】
【数1.1】
【0035】
【数1.2】 ここで、SRCathodeは実カソードSR、QAIRは空気流
量計7で測定された空気流量[NL/min]、Iは出
力電流計8で検出された電流[A]、Fはファラデー定
数である。
【0036】ステップ140で電圧基準値を演算する。
これは図4に示すようなあらかじめ測定しておいた燃料
電池4の特性を用いて実カソードSRと電流から算出す
る。図4に示すように実SRは電圧が同一であれば電流
が大きいほど、電流が同一であれば電圧が大きいほど大
きくなる傾向を有する。なお、本実施の形態では、電流
と電圧を用いて、燃料電池4の暖機状態を判定したが、
電力を用いることもできる。つまり、電力、電流、電圧
のうち2つを選択して燃料電池の運転状態として検出
し、暖機状態を判定することができる。
【0037】ステップ150で燃料電池の出力電圧計9
の検出値(第2パラメータ)を読み込む。
【0038】ステップ160で燃料電池4の暖機が終了
したかを判断する。電圧計9の検出電圧値と所定値との
合計が基準値より大きいか否かで暖機の状態を判断する
が、ここで判断の基準になる所定値は使用する燃料電池
4の特性によって任意に設定できるが、例えば400セ
ルを積層した燃料電池であれば280V程度を設定す
る。
【0039】ここで、暖機終了前と判断した場合、すな
わち基準値が所定値と検出値の合計より大きい場合に
は、ステップ170へ処理を移行する。
【0040】なお、電圧、電流、電力のいづれか2つを
用い、前述の関係から燃料電池4の暖機状態を判定でき
るが、基準値との大小関係は後述する第2の実施形態の
場合のみ逆転する必要がある。つまり、第1パラメータ
として電力値、第2パラメータとして電流値を用いた場
合には、電流値が基準値より所定値以上大きいときに暖
機終了前と判定する。
【0041】ステップ170では予め目標電力に応じて
設定された目標のカソードSRを下式を用いて補正す
る。
【0042】
【数1.3】 ここで、 SRt1:目標電力に応じて設定された目標のカソードS
R SRt2:補正された目標のカソードSR tV:電圧基準値 VR:検出された燃料電池出力電圧 κ:1以下の任意の定数。ただし電圧基準値と検出され
た燃料電池出力電圧の差などに応じて可変させても良
い。
【0043】式(1.3)で補正目標カソードSR
t2は、補正前の目標カソードSRt1より小さくなる。こ
れは、図4に示すように出力電圧が小さくなることを意
味し、その結果、燃料電池4の発電効率が低下し、燃料
電池4の発熱量が大きくなる。この増加した熱量によっ
て燃料電池4が速やかに暖機を終了することができる。
【0044】ステップ160で暖機終了と判断された時
(すなわち、所定値が検出値以下の場合)、またはステ
ップ170の処理終了後、ステップ180へ処理を移行
し、暖機判断および暖機中処理を終了する。
【0045】また、燃料電池4の暖機状態に応じて、燃
料電池の運転状態を徐々に復帰させ、暖機終了時に燃料
電池4の運転状態が定格運転となるように制御すること
も可能である。
【0046】ステップ170では(1.3)式を用いて
目標カソードSRの補正を行ったが、任意のテーブルを
あらかじめ設定しておきそれに従って補正しても良い。
【0047】なお、本実施形態では空気(カソードガ
ス)流量でのみ燃料電池の効率制御を行ったが、アノー
ドガス流量が制御可能であれば、燃料ガスでも同様に出
来る。
【0048】したがって、燃料電池4の運転効率を低下
させて運転することにより、電力を負荷に供給しながら
かつ燃料電池の発熱量が増加し、外部に特殊な熱源を設
けなくても燃料電池本体の暖機を促進できる。
【0049】燃料電池の運転効率を低下させる方法とし
て、燃料(アノード)ガスまたは酸化(カソード)ガス
の少なくとも一方の流量を制御するとしたことで、特殊
なデバイスを追加装備する必要がなく、コスト、重量の
増加を抑制できる。
【0050】また、燃料電池の運転状態として、燃料電
池の出力電力、出力電圧、出力電流のいずれか2つとし
たことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃料電池
が暖機終了前であることを検出することが出来る。
【0051】同様に燃料電池の運転状態として、出力電
流、出力電圧、出力電流のいずれか2つから検出するこ
ととしたことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃
料電池が暖機終了後であることを検出することが出来
る。
【0052】更に燃料電池の暖機状態に応じて、徐々に
運転状態を復帰させることで、暖機が完全に終了した時
点では燃料電池は定格運転が可能になる。
【0053】図5は本発明の第2実施形態の構成を例示
する概略構成図である。本実施形態は、請求項1、3、
4、5、6に係る発明の構成を示すものである。
【0054】図1に示した第1の実施形態の構成との違
いは、流路3にアノード4aに供給される燃料ガス流量
を制御する流量制御弁15が備えられるとともに、アノ
ード4aから排出される燃料ガスが排気管から大気に放
出され、その排気管に圧力制御弁2が設置される。また
カソード4bから排出される空気は排気管11から大気
に放出され、その排気管11に圧力制御弁13が設置さ
れ、カソード4bから排出される空気の圧力を制御す
る。これら制御弁2、13、15はコントローラ12に
よって制御される。更に電圧計9が燃料電池4の出力電
力を検出する電力計14に変更される。
【0055】またコントローラ12の構成を示すブロッ
ク図を示す図6と第1の実施形態の図2との相違点は、
第1の実施形態では目標SRを補正したが、第2の実施
形態のコントローラ12の構成では、目標圧力を暖機状
態に応じて補正するようにした点が異なる。
【0056】第2の実施形態の暖機終了判断時のコント
ローラ12の制御内容を図7に示すフローチャートで説
明する。
【0057】ステップ200で暖機終了判断と暖機運転
を開始する。
【0058】ステップ210で燃料電池の出力電流計8
の検出値を読み込む。
【0059】ステップ220で空気流量計7の検出値を
読み込む。
【0060】ステップ230で実カソードSRを下式を
用いて算出する。
【0061】
【数1.1】
【0062】
【数1.2】 ここで、SRCathodeは実カソードSR、QAIRは空気流
量計7で測定された空気流量[NL/min]、Iは出
力電流計8で検出された電流[A]、Fはファラデー定
数である。
【0063】ステップ240で燃料電池の出力電力計1
4の検出値を読み込む。
【0064】ステップ250で電流基準値を演算する。
これは図8に示すようなあらかじめ測定しておいた燃料
電池の特性を用いて実カソードSRと電力から算出す
る。図8の燃料電池特性は、一定電力であれば電流が大
きいほどSRは小さく、一定電流であれば電力が大きい
ほどSRは大きくなる傾向を示す。
【0065】ステップ260で燃料電池4の暖機が終了
したかを判断する。暖機状態は、電流基準値と検出され
た電流値との比較により判定される。検出値から所定値
を減じた値が電流基準値より大きい場合に暖機未終了と
判定し、ステップ270に進み、それ以外は暖機終了と
判定し、ステップ290に進む。
【0066】ステップ270では暖機中フラグをセット
する。
【0067】ステップ280ではあらかじめ目標電力に
応じて設定された目標の圧力(燃料ガスまたは空気の圧
力)を下式を用いて補正する。
【0068】
【数2.1】 ここで、 Pt1:目標電力に応じて設定された目標圧力 Pt2:補正後目標圧力 κ:1以下の任意の定数。ただし電流基準値と検出され
た燃料電池出力電流の差などに応じて可変させても良
い。燃料電池4の暖機状態に応じて徐々に運転状態を通
常運転に移行することで、暖機完了時には燃料電池4の
運転を定格運転とすることができる。
【0069】ここで数式(2.1)で明らかなように補
正後の目標圧力Pt2は、目標圧力Pt1以下であり、
燃料電池に供給する燃料ガスと空気の少なくとも一方の
圧力を低下することで、燃料電池4の運転効率を低下さ
せて運転することにより、電力を負荷に供給しながらか
つ燃料電池の発熱量が増加し、外部に特殊な熱源を設け
なくても燃料電池本体の暖機を促進できる。
【0070】ステップ290では暖機未終了フラグを確
認する。暖機未終了フラグがセットされていたら、ステ
ップ300へ移り暖機終了処理を行う。暖機終了処理の
内容を図9のフローチャートに示す。
【0071】まず、ステップ400で暖機終了処理を開
始する。
【0072】ステップ410で補正後目標圧力Pt2を
目標圧力Pt1に一致させるように下式を用いて、新た
な補正後目標圧力Pt2を設定する。
【0073】
【数2.2】 ここで、ΔP:一定値。
【0074】ステップ420で補正後目標圧力Pt2と
目標圧力Pt1を比較し、目標圧力Pt1が大きい場合
には、ステップ410に戻り、再び式(2.2)を用い
て新たな補正後目標圧力Pt2を設定し、この演算を目
標圧力Pt1と補正後目標圧力Pt2が等しくなるまで
繰り返す。この演算を行うことにより、暖機終了時に遅
れを発生されることができ、暖機終了時に遅れを持って
燃料電池の運転効率を復帰させて運転状態が急変し、燃
料電池の出力が不安定になることを防止できる。
【0075】一方、一致していればステップ430へ処
理を移行する。
【0076】ステップ430では暖機未終了フラグをク
リアする。
【0077】本実施形態では暖機終了後の目標圧力の復
帰に式(2.2)を用いたが、1次遅れなどのフィルタ
を用いても良い。
【0078】したがって、第2の実施の形態では燃料電
池の運転効率を低下させる方法として、燃料ガスまたは
空気(酸化ガス)の少なくとも一方の圧力を制御するの
で、特殊なデバイスを追加装備する必要がない。また例
えば燃料ガス経路をエゼクタのような受動的デバイスを
用いて循環系を構成しているように流量の制御を行う事
が困難な場合でも実施することができる。
【0079】本発明は、上記した実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した燃料電池システムの構成図で
ある。
【図2】コントローラの構成を示すブロック図である。
【図3】暖機終了判断時の制御内容を説明するフローチ
ャート図である。
【図4】燃料電池の特性を示す図である。
【図5】第2の実施形態の燃料電池システムの構成図で
ある。
【図6】第2の実施形態のコントローラの構成を示すブ
ロック図である。
【図7】第2の実施形態の暖機終了判断時の制御内容を
説明するフローチャート図である。
【図8】第2の実施形態の燃料電池の特性を示す図であ
る。
【図9】第2の実施形態の暖機終了時の制御内容を説明
するフローチャート図である。
【符号の説明】
1 燃料ガスタンク 2 圧力制御弁 3 燃料ガス流路 4 燃料電池 4a アノード 4b カソード 5 空気流路 6 コンプレッサ 7 空気流量計 8 電流計 9 電圧計 10 出力制御器 11 排気管 12 コントローラ 13 圧力制御弁

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、電力
    を生成する燃料電池と、 燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、 前記運転状態検出手段の検出値に基づき前記燃料電池の
    暖機が終了したか否かを判定し、暖機が終了していない
    場合に前記燃料電池の運転効率が低下するように制御す
    るコントローラを備えたことを特徴とする燃料電池制御
    システム。
  2. 【請求項2】前記コントローラは、前記燃料ガスと酸化
    ガスの少なくとも一方の流量を制御することで前記燃料
    電池の運転効率を制御することを特徴とする請求項1に
    記載の燃料電池制御システム。
  3. 【請求項3】前記コントローラは、前記燃料ガスと酸化
    ガスの少なくとも一方の圧力を制御することで前記燃料
    電池の運転効率を制御することを特徴とする請求項1ま
    たは2に記載の燃料電池制御システム。
  4. 【請求項4】前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の
    出力電圧、出力電流、出力電力のうち少なくとも2つを
    検出する手段であって、 第1パラメータは、一方の検出手段によって検出された
    出力値であり、 第2パラメータは、他方の検出手段によって検出された
    出力値であり、 前記コントローラは、この第1パラメータに基づき第2
    パラメータに対する基準値を演算し、この基準値と第2
    パラメータとの比較に基づき燃料電池の暖機状態を判定
    することを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに
    記載の燃料電池制御システム。
  5. 【請求項5】前記暖機状態の判定は、第1パラメータが
    出力電力値、第2パラメータが出力電流値の場合には、
    第2パラメータの検出値が基準値より所定値以上大きい
    場合に暖機終了前と判定し、第1、第2パラメータの組
    み合わせが前述の組み合わせ以外の場合には、第2パラ
    メータの検出値が基準値より所定値以上小さい場合に暖
    機終了前と判定することを特徴とする請求項4に記載の
    燃料電池制御システム。
  6. 【請求項6】前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の
    出力電圧、出力電流、出力電力のうち少なくとも2つを
    検出する手段であって、 第1パラメータは、一方の検出手段によって検出された
    出力値であり、 第2パラメータは、他方の検出手段によって検出された
    出力値であり、 前記コントローラは、この第1パラメータに基づき第2
    パラメータに対する基準値を演算し、この基準値と第2
    パラメータとの差が所定値以下の時に燃料電池の暖機終
    了を判定し、通常運転に移行することを特徴とする請求
    項1から4のいずれか一つに記載の燃料電池制御システ
    ム。
  7. 【請求項7】前記コントローラは、前記燃料電池の運転
    を通常状態に復帰させる際に、所定の遅れを持って運転
    効率を復帰させることを特徴とする請求項1から6のい
    ずれか一つに記載の燃料電池制御システム。
  8. 【請求項8】前記コントローラは、前記燃料電池の運転
    を通常状態に復帰させる際に、前記第2パラメータと基
    準値の差に応じて運転を通常状態に復帰させることを特
    徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電
    池制御システム。
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