JP2006269281A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コントローラ26が、水素循環配管6内の水素循環流量を推定し、推定された水素循環流量に応じて燃料電池3の出力を制限する。これにより、水素循環流量が不足している状態で燃料電池3から過度の出力を取り出してしまうことにより、燃料電池3が劣化することを防止できる。
【選択図】図1
Description
本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、アノード(水素極)1及びカソード(空気極)2にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池3を備える。なお、この実施形態では、燃料電池3は、アノード1とカソード2により固体高分子膜を挟持する固体高分子型燃料電池であるとするが、固体酸化物型燃料電池等のその他の形態の燃料電池であってもよい。また、燃料電池3を複数積層して燃料電池スタックを構成するようにしてもよい。また、図示しないが、水素や空気を加湿して燃料電池3に供給する加湿装置や、燃料電池3を冷却するための冷却系を燃料電池システムに設けるようにしてもよい。また、アノード1及びカソード2における電気化学反応及び燃料電池3全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
〔カソード〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔燃料電池全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素圧力調整弁(調圧弁)4を備え、高圧水素タンクや水素吸蔵材料により構成された水素容器に貯蔵されている水素の圧力を水素圧力調整弁4によって所定圧力まで減圧した後、水素供給配管5を介して燃料電池3のアノード1に水素を供給する。また、アノード1から排出された低圧力ガス(アノードオフガス)は水素循環配管6及び循環ポンプ7を介してアノード1の上流側へ圧送される。水素循環配管6及び循環ポンプ7を設け、アノードオフガスを再びアノード1に循環させることにより、アノード1で未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。
上記燃料電池システムは、空気を圧縮して吐出するコンプレッサ10を備え、コンプレッサ10から吐出された空気は、空気供給配管11を介して燃料電池3のカソード2に供給される。カソード2で未使用の空気は、空気圧力調整弁(調圧弁)12により圧力調整された後、カソードオフガスとして空気排出配管13から系外に排出される。
上記燃料電池システムは、アノードオフガスの圧力を検出する圧力センサ(P)14と、アノードオフガスの温度を検出する温度センサ(T)15と、カソードオフガスの圧力を検出する圧力センサ(P)16と、循環ポンプ7の回転数を検出する回転数センサ(R)17と、循環ポンプ7を回転駆動する循環ポンプモータ(M)18の回転速度を制御する循環ポンプインバータ(INV)19と、循環ポンプインバータ19に供給される電流値を検出する電流センサ(I)20と、コンプレッサ10を回転駆動するコンプレッサモータ(M)21の回転速度を制御するコンプレッサインバータ(INV)22と、燃料電池3から電力を取り出すDC/DCコンバータ23と、燃料電池3の出力電圧を検出する電圧センサ(V)24と、燃料電池3の出力電流(I)を検出する電流センサ25と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ26とを備える。なお、この実施形態では、コントローラ26は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェイスを備えたマイクロプロセッサにより構成され、CPUは、プログラムROM内部に記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、後述する水素濃度推定手段27及び水素循環流量推定手段28の機能を実現する。また、プログラムROM内には後述する出力制限テーブル29(図5参照)が記憶されている。
図2に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS1の処理に進む。なお、この出力制御処理は、システム起動後、所定制御周期(例えば20[mS])毎に繰り返し実行されるものとする。
本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムは、図6に示すような構成を有し、以下に示す点が上記第1の実施形態となる燃料電池システムの構成と異なる。すなわち、この燃料電池システムでは、電流センサ20及び水素濃度推定手段27はなく、アノード1の上流側及び下流側に水素濃度を検出する水素濃度センサ(C)31,32を備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ26が以下に示す出力制御処理を実行することにより、アノード1への水素循環流量が不足することによって燃料電池3が劣化することを防止する。以下、図7に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ26の動作について説明する。なお、図7に示すステップS23乃至ステップS34の処理は、図2に示すステップS3乃至ステップS14の処理と同じ内容であるので、以下では、ステップS21,S22の処理についてのみ説明する。
図7に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS21の処理に進む。なお、この出力制御処理は、システム起動後、所定制御周期(例えば20[mS])毎に繰り返し実行されるものとする。
2:カソード
3:燃料電池
4:水素圧力調整弁
5:水素供給配管
6:水素循環配管
7:循環ポンプ
8:水素排出配管
9:パージ弁
14,16:圧力センサ
15:温度センサ
17:回転数センサ
20,25:電流センサ
26:コントローラ
27:水素濃度推定手段
28:水素循環流量推定手段
29:出力制限テーブル
Claims (11)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池に循環させる燃料ガス循環手段と、
前記燃料ガス循環手段によって前記燃料電池に循環される燃料ガス中の水素流量を推定する水素循環流量推定手段と、
前記水素循環流量推定手段により推定された水素流量に応じて前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記水素循環流量推定手段は、前記燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度を推定する水素濃度推定手段と、燃料電池に循環される燃料ガスの総流量を推定する循環総流量推定手段とを備え、推定された水素濃度と燃料ガスの総流量を用いて燃料電池に循環される燃料ガス中の水素流量を推定することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度が所定範囲外である時に燃料電池の出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス循環手段の循環ガス流量を制御する循環流量制御手段を備え、前記出力制限手段は循環流量制御手段によって前記燃料電池が必要とする循環率を満たす水素循環流量を確保可能な出力量まで燃料電池の出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3又は請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度が所定範囲以上である場合、水素濃度の減少に応じて出力制限量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度が所定範囲以下である場合、水素濃度の増加に応じて出力制限量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス循環手段が燃料電池に循環させる燃料ガス中の水素濃度を制御する水素濃度制御手段を備え、水素濃度制御手段は、前記水素濃度推定手段より推定された水素濃度が所定範囲以上である場合、燃料電池に循環させる燃料ガス中の水素濃度を減少させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7に記載の燃料電池システムであって、
前記水素濃度制御手段は、前記水素濃度推定手段より推定された水素濃度が所定範囲以下である場合、燃料電池に循環させる燃料ガス中の水素濃度を増加させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3乃至請求項8のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、前記水素濃度推定手段より推定された水素濃度が燃料電池から最大電力を取り出す際に必要となる水素循環流量を確保可能な水素濃度になるのに応じて、燃料電池の出力制限を解除することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4乃至請求項9のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記循環流量制御手段は、前記燃料電池の出力が制限されている際、最大出力で作動することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項10のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の入口側における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段を備え、当該燃料ガス圧力制御手段は、燃料電池の出力が制限されている際、燃料ガスの運転圧を所定圧上昇させることにより、水素循環流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
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