JP2005209467A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池を過負荷の状態とすることなく適切な電力取り出しを行うための技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a technique for appropriately taking out electric power without bringing a fuel cell into an overload state.
燃料電池システムは、燃料電池に燃料となる水素及び酸化剤となる空気を供給することで、燃料電池で電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムでは、燃料電池から過渡的に高出力を取り出そうとすると、燃料電池の出力電圧の急低下やフラッディング(水詰まり)を招く場合があることが知られており、このような問題を回避するために、必要に応じて燃料電池からの出力に制限を加えることが種々検討されている(例えば、特許文献1や特許文献2を参照。)。 A fuel cell system is a power generation system in which hydrogen as a fuel and air as an oxidant are supplied to a fuel cell to cause an electrochemical reaction in the fuel cell to obtain generated power. In such a fuel cell system, it is known that when a high output is transiently taken out from the fuel cell, the output voltage of the fuel cell may be suddenly lowered or flooded (water clogged). In order to avoid the problem, various studies have been made to limit the output from the fuel cell as necessary (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
特許文献1には、燃料電池から過渡的に出力を取り出す際、発電量制御装置が燃料電池に供給するガスの圧力や流量から取り出し上限出力を演算し、この取り出し上限出力に基づいて燃料電池から取り出す出力を制限することで、過負荷による出力電圧の急低下を防止する技術が開示されている。 In Patent Document 1, when the output is transiently taken out from the fuel cell, the upper limit output is calculated from the pressure or flow rate of the gas supplied to the fuel cell by the power generation amount control device, and the fuel cell is based on the upper limit output. A technique for preventing a sudden drop in output voltage due to overload by limiting the output to be extracted is disclosed.
また、特許文献2には、ソリッドプレート型燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、起動直後等の温度の低い状態で燃料電池から過渡的に高出力を取り出した場合に懸念されるカソード極側での急激なフラッディングを回避するために、燃料電池の運転温度が低温域にある場合には、温度に応じてアノード極側への供給水素量に制限をかけるように弁を制御することで、燃料電池からの出力を制限する技術が開示されている。
ところで、出力電圧の急低下等の問題を招くことなく燃料電池から取り出し可能な電力量は、燃料電池のコンディショニングの状態や性能低下の状態にも依存しており、運転温度等の他の条件が同じ場合であっても、コンディショニングが不十分な燃料電池や性能が低下し始めている燃料電池では、これらが良好なものに比べて、取り出し可能な電力量が低くなることが分かってきた。ここで、燃料電池のコンディショニングとは、水素や空気、他の供給流体等に対する燃料電池の馴染みのことをいう。したがって、実際に使用されて間もない燃料電池はコンディショニングが十分ではないが、ある程度の使用を重ねて燃料電池からの電力取り出しを行うことで、燃料電池のコンディショニングは良好なものとなる。また、燃料電池の性能低下は、適正な状態で使用されている限り経時的な要因で起こるものであり、燃料電池からの電力取り出しが繰り返されて使用回数が多くなると、ある段階で性能低下が始まることになる。 By the way, the amount of power that can be extracted from the fuel cell without causing problems such as a sudden drop in output voltage depends on the condition of the fuel cell and the state of performance degradation. Even in the same case, it has been found that a fuel cell with insufficient conditioning and a fuel cell whose performance is beginning to deteriorate have a lower amount of power that can be taken out than those with good performance. Here, the conditioning of the fuel cell refers to the familiarity of the fuel cell with respect to hydrogen, air, other supply fluids, and the like. Therefore, although the fuel cell that has been actually used is not sufficiently conditioned, the fuel cell is well conditioned by taking out the power from the fuel cell after repeated use to some extent. In addition, as long as the fuel cell is used in an appropriate state, the deterioration in performance occurs due to a factor over time.If power is repeatedly extracted from the fuel cell and the number of times of use increases, the performance deterioration occurs at a certain stage. Will start.
しかしながら、上述した従来の技術では、燃料電池のコンディショニングや性能低下の状態については全く考慮することなく、燃料電池への供給水素量や燃料電池の運転温度等にのみ着目して出力制限を行うようにしていたので、必ずしも最適な出力制限制御が行えないといった問題がある。 However, in the above-described conventional technology, the output is limited by paying attention only to the amount of hydrogen supplied to the fuel cell, the operating temperature of the fuel cell, etc. without considering the condition of the fuel cell and the state of performance degradation at all. Therefore, there is a problem that optimal output restriction control cannot always be performed.
すなわち、従来の技術では、コンディショニングが十分で性能低下が始まっていない最適な状態の燃料電池を前提にして出力制限を行うための上限値(以下、出力制限値という。)を設定しているので、コンディショニングが不十分な燃料電池や性能低下を始めている燃料電池では、設定した出力制限値以下の電力取り出しによっても出力電圧の急低下を招く場合があり、燃料電池が過負荷の状態となって劣化に繋がることが懸念される。これを回避するために、コンディショニングが不十分な燃料電池或いは性能低下を始めている燃料電池を前提にして出力制限値を設定することも考えられるが、この場合には、コンディショニングが十分で性能が低下していない燃料電池では、本来取り出し可能な出力よりも低い値で出力が制限され、効率的な電力取り出しが行えないといった問題が生じる。 In other words, in the conventional technique, an upper limit value (hereinafter referred to as an output limit value) is set for performing output restriction on the assumption that the fuel cell is in an optimum state in which the conditioning is sufficient and performance degradation has not started. In a fuel cell with insufficient conditioning or a fuel cell that is starting to deteriorate in performance, the output voltage may suddenly drop even when power is taken below the set output limit value, causing the fuel cell to become overloaded. There is concern that it will lead to deterioration. In order to avoid this, it may be possible to set the output limit value on the premise of a fuel cell with insufficient conditioning or a fuel cell that has begun to deteriorate in performance. In this case, however, the conditioning is sufficient and the performance deteriorates. In the case of a fuel cell that is not provided, the output is limited to a value lower than the output that can be taken out originally, and there is a problem that efficient electric power cannot be taken out.
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、燃料電池のコンディショニング状態及び性能低下の状態も考慮した最適な出力制限制御を行って、燃料電池を過負荷の状態にすることなく適切に電力の取り出しを行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention was devised in view of the above-described conventional circumstances, and performs optimal output restriction control that also takes into account the state of fuel cell conditioning and the state of performance degradation, thereby overloading the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of appropriately taking out electric power without entering a state.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、燃料電池の運転温度が所定の温度域にある場合に、燃料電池からの出力を制限する燃料電池出力制限手段とを備える。このような構成の燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、燃料電池出力制限手段が、燃料電池の運転温度と、燃料電池から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力とに基づいて、燃料電池から取り出す出力の上限値である出力制限値を決定するようにしている。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, and a fuel cell output that limits output from the fuel cell when the operating temperature of the fuel cell is within a predetermined temperature range. Limiting means. In the fuel cell system having such a configuration, in the present invention, in order to achieve the above object, the fuel cell output limiting means is the integrated value of the operating temperature of the fuel cell and the amount of power taken out from the fuel cell in the past. Based on the integrated power, an output limit value that is an upper limit value of the output taken out from the fuel cell is determined.
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、この燃料電池から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力を含む複数の条件に応じて、燃料電池からの出力を制限する燃料電池出力制限手段とを備える。そして、燃料電池出力制限手段が、複数の条件毎に燃料電池から取り出す出力の上限値である出力制限値の候補となる値をそれぞれ求め、これら複数の条件毎の候補となる値のうちで最も低い値を出力上限値として決定するようにしている。 In addition, another fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, and a plurality of conditions including an integrated power that is an integrated value of the amount of power extracted from the fuel cell in the past. And a fuel cell output limiting means for limiting the output from the fuel cell. Then, the fuel cell output limiting means obtains a value that is a candidate of an output limit value that is an upper limit value of the output to be taken out from the fuel cell for each of a plurality of conditions, and most of the values that are candidates for the plurality of conditions. A low value is determined as the output upper limit value.
燃料電池のコンディショニングは、上述したように、ある程度の使用を重ねて燃料電池からの電力取り出しを行うことで良好なものとなる。また、燃料電池の性能低下は、燃料電池からの電力取り出しが繰り返し行われてある段階に達したときに始まることになる。したがって、燃料電池のコンディショニングや性能低下の状態は、燃料電池から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力に基づいて推定することが可能である。 As described above, the conditioning of the fuel cell is improved by taking out the power from the fuel cell after repeated use to some extent. In addition, the performance degradation of the fuel cell starts when the power extraction from the fuel cell is repeated and reaches a certain stage. Therefore, it is possible to estimate the state of fuel cell conditioning or performance degradation based on integrated power, which is an integrated value of the amount of power extracted from the fuel cell in the past.
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池出力制限手段が燃料電池の出力制限を行う際に、燃料電池の積算電力もパラメータとして用いて燃料電池から取り出す出力の上限値である出力制限値を決定するようにしているので、燃料電池のコンディショニングや性能低下の状態も考慮した最適な出力制限制御を行うことが可能となる。 In the fuel cell system of the present invention, when the fuel cell output limiting means limits the output of the fuel cell, the integrated power of the fuel cell is also used as a parameter to determine the output limit value that is the upper limit value of the output taken out from the fuel cell. As a result, it is possible to perform optimum output restriction control in consideration of the condition of the fuel cell and the state of performance degradation.
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池のコンディショニングや性能低下の状態も考慮した最適な出力制限制御を行って、燃料電池を過負荷の状態にすることなく適切に電力の取り出しを行うことができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the optimum output restriction control is performed in consideration of the condition of the fuel cell and the state of performance degradation, and the electric power is appropriately extracted without putting the fuel cell into an overload state. Can do.
以下、本発明に係る燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, specific embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムは、図1に示すように、燃料ガスである水素及び酸化剤ガスである空気の供給により発電する燃料電池1と、この燃料電池1に燃料ガスである水素を供給するための水素供給装置2、燃料電池1に酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給装置3、燃料電池1に温度調整のための冷却水を供給するための冷却水供給装置4とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment supplies a fuel cell 1 that generates power by supplying hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas, and supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel cell 1. A
燃料電池1は、水素が供給されるアノード極と空気が供給されるカソード極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルのアノード極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、カソード極側にそれぞれ移動する。また、カソード極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。 The fuel cell 1 has a structure in which a power generation cell in which an anode electrode to which hydrogen is supplied and a cathode electrode to which air is supplied is overlapped with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween is stacked in a multistage manner. It converts chemical energy into electrical energy. At the anode electrode of each power generation cell, hydrogen ions and electrons are dissociated when hydrogen is supplied, the hydrogen ions pass through the electrolyte, the electrons generate power through an external circuit, and move to the cathode electrode side. To do. Further, at the cathode electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.
燃料電池1の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。 As the electrolyte of the fuel cell 1, for example, a solid polymer electrolyte is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is made of an ion (proton) conductive polymer film such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
水素供給装置2は、詳しい図示を省略するが、例えば、水素タンク等の水素貯蔵手段に貯蔵された水素を減圧して取り出し、所望の圧力及び流量に調整した上で燃料電池1のアノード極側に供給する構成となっている。
Although not shown in detail in the
空気供給装置3は、詳しい図示を省略するが、例えば、コンプレッサ等の駆動により所望の流量の外気を取り込み、フィルタによって清浄化した後、所望の圧力に調整した上で燃料電池1のカソード極側に供給する構成となっている。
Although not shown in detail in the
冷却水供給装置4は、詳しい図示を省略するが、例えば、水タンクに貯蔵された冷却水を冷却水ポンプで吸引して、燃料電池1に供給する構成となっている。また、燃料電池1から排出される冷却水は、水タンクに回収されるようになっている。 Although the detailed illustration of the cooling water supply device 4 is omitted, for example, the cooling water stored in the water tank is sucked by the cooling water pump and supplied to the fuel cell 1. The cooling water discharged from the fuel cell 1 is collected in a water tank.
また、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池1は変圧器5を介してモータや補機類等の負荷に接続されており、燃料電池1での発電により得られる電力は、制御装置6による制御のもとで、変圧器5で昇圧された後、モータや補機類等の負荷に供給されるようになっている。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the fuel cell 1 is connected to a load such as a motor or auxiliary equipment via the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池1の冷却水出口付近に温度センサ7、燃料電池1と変圧器5との間に電流センサ8及び電圧センサ9がそれぞれ設置されており、これら各センサによる検出値が制御装置6に入力されるようになっている。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, a temperature sensor 7 and a
制御装置6は、本実施形態の燃料電池システム全体の動作制御を司るものである。具体的には、この制御装置6は、例えば、温度センサ7が検出する燃料電池1の冷却水出口温度に基づいて燃料電池1の運転温度を判定し、この運転温度が適正温度となるように燃料電池1の温度管理を行う。また、制御装置6は、電流センサ8及び電圧センサ9の検出値より燃料電池1から取り出す電力量を監視して、燃料電池1の電力管理を行う。そして、この電力管理の一環として、制御装置6は、モータや補機類等の負荷で要求される電力が急増した場合等において、燃料電池1から急激に高出力を取り出すことによって燃料電池1の出力電圧の急低下を招くといった不都合を生じさせないように、過渡応答時には燃料電池1からの出力を制限する制御を行う。すなわち、本実施形態の燃料電池システムにおいて、制御装置6は、燃料電池1からの出力を制限する燃料電池出力制限手段としての機能を有している。
The
そして、特に本実施形態の燃料電池システムにおいては、この制御装置6が燃料電池1からの出力を制限する出力制限制御を行う際に、燃料電池1から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力もパラメータとして用いて、出力制限を行うための値、すなわち、燃料電池1から取り出す出力の上限値である出力制限値を決定するようにしている。
In particular, in the fuel cell system of the present embodiment, when the
以下、この制御装置6により実行される燃料電池1の出力制限制御について、具体的な例を挙げながら詳しく説明する。
Hereinafter, the output restriction control of the fuel cell 1 executed by the
燃料電池システムの起動直後等において、燃料電池1の運転温度が大気温度程度の低い状態で燃料電池1から過渡的に出力を取り出そうとすると、燃料電池1の出力電圧が急低下して、図2に示すように、発電中の各発電セルにおける電圧値(セル電圧)が下限値(例えば、0.5V/cell)以下となる場合がある。そして、このように燃料電池1のセル電圧が下限値以下となった状態では、燃料電池1内の固体高分子電解質膜内でプロトンが欠乏して燃料電池1が過負荷の状態になり、固体高分子電解質膜を構成する高分子膜にもダメージを与えることになるため、燃料電池1を劣化させることになる。そこで、制御装置6は、以上のような燃料電池1の運転温度等をパラメータとして、燃料電池1の出力電圧の急低下を招くことなく燃料電池1から取り出し可能な出力の上限値(出力制限値)を決定し、この出力制限値に基づいて燃料電池1から取り出す出力を制限するようにしている。
Immediately after starting up the fuel cell system, if an attempt is made to transiently extract output from the fuel cell 1 with the operating temperature of the fuel cell 1 being as low as the atmospheric temperature, the output voltage of the fuel cell 1 rapidly drops, and FIG. As shown in FIG. 4, the voltage value (cell voltage) in each power generation cell during power generation may be lower than the lower limit (for example, 0.5 V / cell). When the cell voltage of the fuel cell 1 is lower than the lower limit as described above, protons are deficient in the solid polymer electrolyte membrane in the fuel cell 1 and the fuel cell 1 is overloaded, and the solid Since the polymer membrane constituting the polymer electrolyte membrane is also damaged, the fuel cell 1 is deteriorated. Therefore, the
ところで、以上のような燃料電池1の劣化を招くことになる出力電圧の急低下は、燃料電池1のコンディショニングが不十分な状態のとき、或いは、燃料電池1の性能低下が進行している状態のときに特に顕著に表れる。したがって、コンディショニングが十分で性能低下が始まっていない最適な状態の燃料電池1を前提にして出力制限値を決定し、これに基づいて燃料電池1に対する出力制限制御を行うようにしたのでは、コンディショニングが不十分な燃料電池1や性能低下を始めている燃料電池1では、出力制限値以下の電力取り出しによっても出力電圧の急低下を招き、燃料電池1の劣化を招いてしまう場合がある。 By the way, the sudden drop of the output voltage that causes the deterioration of the fuel cell 1 as described above is in a state where the conditioning of the fuel cell 1 is insufficient, or the performance of the fuel cell 1 is being deteriorated. This is particularly noticeable. Therefore, if the output limit value is determined on the assumption that the fuel cell 1 is in an optimal state in which the conditioning is sufficient and the performance has not started to deteriorate, and the output limit control for the fuel cell 1 is performed based on this, the conditioning is performed. However, in the fuel cell 1 in which the performance is insufficient or the performance of the fuel cell 1 is starting to deteriorate, the output voltage may be rapidly decreased even when the power is taken below the output limit value, and the fuel cell 1 may be deteriorated.
ここで、燃料電池1のコンディショニングは、ある程度の使用を重ねて燃料電池1からの電力取り出しを行うことで良好なものとなり、燃料電池1の性能低下は、燃料電池1からの電力取り出しが繰り返し行われてある段階に達したときに始まることになるので、燃料電池1のコンディショニングや性能低下の状態は、燃料電池1から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力に基づいて推定することが可能である。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、制御装置6が、燃料電池1の運転温度等の他に、燃料電池1から取り出した積算電力もパラメータとして用いて出力制限値を決定し、これに基づいて燃料電池1に対する出力制限制御を行うようにしている。
Here, the conditioning of the fuel cell 1 is improved by taking out the electric power from the fuel cell 1 after repeated use to some extent, and the performance degradation of the fuel cell 1 is repeatedly taken out of the electric power from the fuel cell 1. Since it starts when it reaches a certain stage, the condition of the fuel cell 1 and the state of performance degradation should be estimated based on the integrated power that is the integrated value of the amount of power extracted from the fuel cell 1 in the past. Is possible. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the
具体的には、本実施形態の燃料電池システムでは、図1に示したように、システム内に積算電力記録装置10が設けられ、制御装置6が、電流センサ8及び電圧センサ9の検出値により燃料電池1から取り出した電力量を演算して、その結果を積算電力記録装置10に随時記録していく。そして、燃料電池1に対する出力制限制御を行う際には、制御装置6が積算電力記録装置10からその時点での積算電力を読み出し、また、温度センサ7の検出値から燃料電池1の運転温度を判定して、例えば図3に示すような出力制限テーブルを参照して出力制限値を決定し、電流センサ8及び電圧センサ9の検出値より演算される燃料電池1の出力がこの出力制限値を超えないように、燃料電池1から変圧器5への電力供給を制御するようにしている。
Specifically, in the fuel cell system of the present embodiment, as shown in FIG. 1, an integrated
ここで、図3に示す出力制限テーブルは、予め実験等を行うことによって作成されるものであり、燃料電池1から取り出した積算電力が第1の所定値W1(例えば10万kW)以上で且つ第2の所定値W2(例えば、1000万kW)未満の場合(以下、パターン1という。)と、燃料電池1から取り出した積算電力が第1の所定値W1未満又は第2の所定値W2以上の場合(以下、パターン2という。)とで、それぞれ異なる値の出力制限値が、燃料電池1の運転温度毎に記載されたものである。パターン1は、燃料電池1のコンディショニングが十分で、且つ、燃料電池1の性能低下が始まっていないと推定される場合であり、パターン2は、燃料電池1のコンディショニングが不十分、或いは燃料電池1が性能低下を開始していると推定される場合である。したがって、この出力制限テーブルでは、燃料電池1の運転温度が同じ場合であっても、パターン2の場合にはパターン1の場合に比べて出力制限値として低い値が指定されるようになっており、この出力制限テーブルを参照して出力制限値を決定することによって、燃料電池1のコンディショニングや性能低下の状態も考慮した最適な出力制限制御を行うことが可能となる。
Here, the output restriction table shown in FIG. 3 is created by conducting an experiment or the like in advance, and the integrated power taken out from the fuel cell 1 is not less than a first predetermined value W1 (for example, 100,000 kW) and When it is less than the second predetermined value W2 (for example, 10 million kW) (hereinafter referred to as pattern 1), the integrated power taken out from the fuel cell 1 is less than the first predetermined value W1 or greater than or equal to the second predetermined value W2. In this case (hereinafter, referred to as pattern 2), different output limit values are described for each operating temperature of the fuel cell 1. Pattern 1 is a case where the conditioning of the fuel cell 1 is sufficient and it is presumed that the performance degradation of the fuel cell 1 has not started, and the
なお、燃料電池1のコンディショニングや性能低下の状態を推定する基準となり得る積算電力の値は燃料電池1の仕様等によって様々であるので、上述した第1の所定値W1や第2の所定値W2は、燃料電池システムで採用する燃料電池1の仕様等に応じて適宜設定すればよい。 Since the value of the integrated power that can be a reference for estimating the condition of the conditioning and performance degradation of the fuel cell 1 varies depending on the specifications of the fuel cell 1 and the like, the first predetermined value W1 and the second predetermined value W2 described above. May be set as appropriate according to the specifications of the fuel cell 1 employed in the fuel cell system.
次に、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池1に対する出力制限を行う際に制御装置6により実行される制御の一例について、図4を参照して具体的に説明する。
Next, in the fuel cell system of the present embodiment, an example of control executed by the
燃料電池システムが起動されると、先ず、ステップS1において起動運転が開始され、燃料電池1に対する水素や空気、冷却水等の各流体の供給が開始される。そして、燃料電池システムが通常の制御が可能なアイドル状態に到達すると、起動運転から通常運転へと移行する(ステップS2)。 When the fuel cell system is activated, first, an activation operation is started in step S1, and supply of fluids such as hydrogen, air, and cooling water to the fuel cell 1 is started. When the fuel cell system reaches an idle state in which normal control is possible, the operation shifts from the startup operation to the normal operation (step S2).
通常運転時には、モータや補機類等の負荷で要求される電力量に応じて、制御装置6に対して出力取り出し指示が入力される(ステップS3)。制御装置6は、出力取り出し指示が入力されると、先ず、ステップS4において温度センサ7の検出値から燃料電池1の運転温度を判定し、ステップS5において、燃料電池1の運転温度が出力制限制御の必要な温度域にあるかどうかを判断する。そして、燃料電池1の運転温度が出力制限制御の必要な温度域にあると判断した場合にはステップS6に進み、出力制限制御が不要な温度域であると判断した場合には、ステップS11へと処理を移行する。
During normal operation, an output extraction instruction is input to the
ステップS6では、制御装置6が、積算電力記録装置10からその時点での積算電力、すなわち、その時点までに燃料電池1から取り出された電力量の積算値である積算電力を読み出す。そして、ステップS7において、その時点での積算電力が上述した第1の所定値W1以上で、且つ第2の所定値W2未満の範囲内となっているかどうかを判断する。
In step S <b> 6, the
その結果、積算電力が第1の所定値W1以上且つ第2の所定値W2未満である場合には、制御装置6は、ステップS8において、図3に示したような出力制限テーブルを参照して、上述したパターン1の場合での燃料電池1の運転温度に対応した出力制限値を読み出す。一方、積算電力が第1の所定値W1未満、又は第2の所定値W2以上である場合には、ステップS9において、図3に示したような出力制限テーブルを参照して、上述したパターン2の場合での燃料電池1の運転温度に対応した出力制限値を読み出す。そして、ステップS10において、ステップS8又はステップS9で読み出した出力制限値を、燃料電池1から取り出す出力の上限値に決定する。
As a result, when the integrated power is greater than or equal to the first predetermined value W1 and less than the second predetermined value W2, the
次に、制御装置6は、ステップS11において、燃料電池1からの出力がステップS10で決定した出力制限値を超えない範囲で、変圧器5に対して燃料電池1からの出力取り出しを指示する。そして、ステップS12において、変圧器5が制御装置6による指示に従って燃料電池1から電力の取り出しを行い、取り出した電力を昇圧してモータや補機類等の負荷に供給する。
Next, in step S11, the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、制御装置6が燃料電池1の出力制限制御を行う際に、燃料電池1の運転温度等の他に、燃料電池1から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力もパラメータとして用いて出力制限値を決定し、これに基づいて燃料電池1に対する出力制限制御を行うようにしているので、燃料電池1のコンディショニングや性能低下の状態も考慮した最適な出力制限制御を行って、燃料電池1を過負荷の状態にすることなく適切に電力の取り出しを行うことができる。
As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, when the
また、出力制限値を決定するための図3に示したような出力制限テーブルを予め作成しておき、制御装置3がこの出力制限テーブルを参照して出力制限値を決定するようにすることで、制御装置3の処理負担を大幅に低減することができる。さらに、燃料電池1のコンディショニング状態を推定する基準となる第1の所定値W1と、燃料電池1の性能低下を推定する基準となる第2の所定値W2とを定めておき、出力制限テーブルには、積算電力が第1の所定値W1以上で且つ第2の所定値W2未満である場合(パターン1)と、積算電力が第1の所定値W1未満又は第2の所定値W2以上である場合(パターン2)とで、それぞれ異なる値の出力制限値を燃料電池1の運転温度毎に記載するという構成にすることにより、出力制限テーブルに必要な情報量を大幅に少なくしながら、燃料電池1のコンディショニングや性能低下の状態を適切に反映した出力制限値を決定することができ、最適な出力制限を行うことができる。
Further, an output limit table as shown in FIG. 3 for determining the output limit value is created in advance, and the
また、燃料電池1の積算電力を積算電力記録装置10に記録しておき、必要に応じてこの積算電力記録装置10から積算電力を読み出すという構成にすることにより、燃料電池1の積算電力の値を高い精度で判断し、これに応じて最適な出力制限を行うことができる。
Further, the integrated power of the fuel cell 1 is recorded in the integrated
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第1の実施形態と同様とし、制御装置6が燃料電池1の出力制限制御を行う際の出力制限値を決定する手法が第1の実施形態とは異なるものである。以下、第1の実施形態と同様の部分については詳細な説明を省略し、本実施形態に特徴的な制御装置6での処理内容について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system of this embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment described above, and the first method is to determine the output limit value when the
本実施形態の燃料電池システムでは、制御装置6が燃料電池1の出力制限制御を行う際に、燃料電池1から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力を含む複数の条件毎に出力制限値の候補となる値をそれぞれ求め、これら複数の条件毎の候補となる値のうちで最も低い値を出力制限値として決定するようにしている。
In the fuel cell system of the present embodiment, when the
具体的な例を挙げて説明すると、例えば、燃料電池1の運転温度と積算電力と運転圧力との3つの条件に基づいて出力制限値を決定する場合、制御装置6は、温度センサ7の検出値から燃料電池1の運転温度を判定し、積算電力記録装置10からその時点での積算電力を読み出す。また、図示を省略するが、水素供給装置2の燃料電池入口付近や空気供給装置3の燃料電池入口付近に圧力センサを設けておき、この圧力センサの検出値から燃料電池1の運転圧力を判定する。
A specific example will be described. For example, when the output limit value is determined based on three conditions of the operating temperature, the integrated power, and the operating pressure of the fuel cell 1, the
そして、制御装置6は、例えば図5(a)〜(c)に示すような出力制限テーブルを参照して、各条件毎の出力制限値の候補を求め、求めた各条件毎の候補値のうちで最も低い値を出力制限値として決定する。なお、図5(a)の出力制限テーブルは燃料電池1の運転温度に対応した出力制限値の候補値を記載したものであり、図5(b)の出力制限テーブルは積算電力に対応した出力制限値の候補値を記載したものであり、図5(c)の出力制限テーブルは、燃料電池1の運転圧力に対応した出力制限値の候補値を記載したものである。
And the
例えば、燃料電池1の運転温度が60(deg.c)、積算電力が10000000(kW)、燃料電池1の運転圧力が150(kPa_a)であると判定された場合、出力制限値の候補値として、図5(a)の出力制限テーブルから80kW、図5(b)の出力制限テーブルから40kW、図5(c)の出力制限テーブルから60kWが求められるので、制御装置6は、これらの候補値のうちで最も低い値、すなわち40kWを出力制限値として決定する。 For example, when it is determined that the operating temperature of the fuel cell 1 is 60 (deg.c), the integrated power is 10000000 (kW), and the operating pressure of the fuel cell 1 is 150 (kPa_a), 5, 80 kW is obtained from the output restriction table in FIG. 5A, 40 kW is obtained from the output restriction table in FIG. 5B, and 60 kW is obtained from the output restriction table in FIG. 5C. The lowest value among them, that is, 40 kW, is determined as the output limit value.
以上のようにして出力制限値を決定したら、制御装置6は、上述した第1の実施形態と同様に、燃料電池1からの出力が決定した出力制限値を超えない範囲で、変圧器5に対して燃料電池1からの出力取り出しを指示する。そして、変圧器5が制御装置6による指示に従って燃料電池1から電力の取り出しを行い、取り出した電力を昇圧してモータや補機類等の負荷に供給する。
When the output limit value is determined as described above, the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、制御装置6が燃料電池1の出力制限制御を行う際に、燃料電池1から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力もパラメータとして用いて出力制限値を決定し、これに基づいて燃料電池1に対する出力制限制御を行うようにしているので、上述した第1の実施形態と同様に、燃料電池1のコンディショニングや性能低下の状態も考慮した最適な出力制限制御を行って、燃料電池1を過負荷の状態にすることなく適切に電力の取り出しを行えるといった効果が得られる。
As described above, also in the fuel cell system of the present embodiment, when the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、制御装置6が複数の条件毎に出力制限値の候補となる値をそれぞれ求め、これら複数の条件毎の候補値のうちで最も低い値を出力制限値として決定するようにしているので、様々な運転条件下で最適な出力制限値を効率良く決定することができる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the
また、各条件毎に図5(a)〜(c)に示したような出力制限値の候補値を記載した出力制限テーブルを予め作成しておき、制御装置3がこれらの出力制限テーブルを参照して各条件毎の出力制限値の候補値を求めるようにすることで、制御装置3の処理負担を大幅に低減することができると共に、パラメータとして考慮する条件の追加や削除にも柔軟に対応することが可能となる。
Further, an output restriction table in which candidate values of output restriction values as shown in FIGS. 5A to 5C are prepared in advance for each condition, and the
1 燃料電池
2 水素供給装置
3 空気供給装置
4 冷却水供給装置
5 変圧器
6 制御装置
7 温度センサ
8 電流センサ
9 電圧センサ
10 積算電力記録装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記燃料電池の運転温度が所定の温度域にある場合に、前記燃料電池からの出力を制限する燃料電池出力制限手段とを備え、
前記燃料電池出力制限手段が、前記燃料電池の運転温度と、前記燃料電池から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力とに基づいて、前記燃料電池から取り出す出力の上限値である出力制限値を決定することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying fuel gas and oxidant gas;
A fuel cell output limiting means for limiting output from the fuel cell when the operating temperature of the fuel cell is in a predetermined temperature range;
Output that is the upper limit value of the output that the fuel cell output limiting means takes out from the fuel cell based on the operating temperature of the fuel cell and the integrated power that is the integrated value of the amount of power extracted from the fuel cell in the past A fuel cell system characterized by determining a limit value.
前記燃料電池出力制限手段は、前記出力制限テーブルを参照して、前記燃料電池の運転温度と前記燃料電池の積算電力とに応じた出力制限値を決定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 Output limits of different values depending on whether the integrated power is less than the first predetermined value or greater than the second predetermined value and when the accumulated power is greater than or equal to the first predetermined value and less than the second predetermined value. An output limit table in which values are described for each operating temperature of the fuel cell;
3. The fuel cell output limiting means determines an output limit value according to an operating temperature of the fuel cell and an integrated power of the fuel cell with reference to the output limit table. Fuel cell system.
前記燃料電池出力制限手段は、前記出力制限値を決定する際に、前記積算電力記録手段から前記燃料電池の積算電力を読み出すことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池システム。 An integrated power recording means for recording the integrated power of the fuel cell as needed;
4. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell output limiting unit reads the integrated power of the fuel cell from the integrated power recording unit when determining the output limit value. 5. system.
前記燃料電池から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力を含む複数の条件に応じて、前記燃料電池からの出力を制限する燃料電池出力制限手段とを備え、
前記燃料電池出力制限手段が、前記複数の条件毎に前記燃料電池から取り出す出力の上限値である出力制限値の候補となる値をそれぞれ求め、これら複数の条件毎の候補となる値のうちで最も低い値を前記出力上限値として決定することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying fuel gas and oxidant gas;
Fuel cell output limiting means for limiting the output from the fuel cell according to a plurality of conditions including an integrated power that is an integrated value of the amount of power taken out from the fuel cell in the past,
The fuel cell output limiting means obtains a value that is a candidate for an output limit value that is an upper limit value of output to be taken out from the fuel cell for each of the plurality of conditions, and among the values that are candidates for each of the plurality of conditions A fuel cell system, wherein the lowest value is determined as the output upper limit value.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2004
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