JP2007522629A - 燃料電池装置の管理方法及び管理システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、燃料電池（１）に水素を含有する改質燃料のガスを供給するための改質装置と、燃料電池（１）に空気を供給するための空気圧縮機（４）とを含み、燃料電池（１）は、Ｎｍｏｄモジュール（２、３）に編成されたセルから構成された燃料電池装置の管理方法に関する。燃料電池（１）の各モジュールの各セルの端子における電圧を測定し、燃料電池についてのセルの平均電圧／Ｕｃｅｌｌと予め定められたセルの平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌとの間の差を計算する。電圧の差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌを、予め定められた電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌと比較し、そこから燃料電池（１）の中の一酸化炭素による被毒の存在または不在を推定する。
Description
本発明は燃料電池装置の管理方法及び管理システムに関する。
燃料電池は、固定装置のため、あるいは航空または自動車の領域において、エネルギを供給するために使用され、一式の基本セルからなる。
セルとコレクタ間の流体の分布は、燃料電池の中心部における一酸化炭素濃度と同様に、燃料電池の電気的な平衡に強く影響し、動作の安定性を左右するものである。
特許出願ＵＳ ２００２／００２２１６７と同様に、ＵＳ ６２４２ １２０には、プロセスのパラメータを測定し、この測定値、またはこの測定値の一定時間の間の累積値を、それぞれの所定の参照値と比較し、その結果に応じてパージを開始する方法が記載されている。これらの方法は、燃料電池のセルの端子における電圧すなわち電位差を考慮していない。これらの方法は、燃料電池の一酸化炭素による被毒も考慮していない。
特許出願ＥＰ １ ０１８ ７７４には、測定圧力に応じてパージを開始する方法及び装置が記載されており、パージは、ガスの再循環によって実行される。この文献においては、燃料電池のセルの端子における電圧は使用されず、燃料電池の一酸化炭素による被毒も考慮されていない。
特許出願ＷＯ ０３／０１０８４５とＷＯ ０３／０１０８４２には、燃料電池の端子における電圧を、燃料電池のセルの数で割って計算されたセルの平均電圧を元にして、パージを開始する方法及び装置が記載されている。この値の所定の値との比較が、過剰な水があるか否かの検出を可能にし、過剰な水があるならパージが開始される。この文献においては、燃料電池の一酸化炭素による被毒は考慮されていない。
ＵＳ ２００２／００２２１６７
ＵＳ ６２４２ １２０
ＥＰ １ ０１８ ７７４
ＷＯ ０３／０１０８４５
ＷＯ ０３／０１０８４２
本発明は、上記の背景技術に鑑み、燃料電池の動作を最適化するように、燃料電池の動作を管理することを目的とする。
このため、本発明の１局面においては、燃料電池に水素を含有する改質燃料のガスを供給するための改質装置と、上記燃料電池に空気を供給するための空気圧縮機とを含み、上記燃料電池は、Ｎｍｏｄモジュールに編成されたセルから構成された燃料電池装置の管理方法が提供される。上記管理方法は：
上記燃料電池の各上記モジュールの各上記セルの端子における電圧を測定し；
上記燃料電池についての上記セルの平均電圧／Ｕｃｅｌｌと予め定められた上記セルの平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌとの間の差を計算し；
電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌを、予め定められた電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌと比較し；
電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいときには、上記燃料電池（１）の中に一酸化炭素による被毒が存在すると推定し、電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌよりも小であるときには、上記燃料電池の中に一酸化炭素による被毒が存在しないと推定する；
ステップを含む。
上記燃料電池の各上記モジュールの各上記セルの端子における電圧を測定し；
上記燃料電池についての上記セルの平均電圧／Ｕｃｅｌｌと予め定められた上記セルの平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌとの間の差を計算し；
電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌを、予め定められた電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌと比較し；
電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいときには、上記燃料電池（１）の中に一酸化炭素による被毒が存在すると推定し、電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌよりも小であるときには、上記燃料電池の中に一酸化炭素による被毒が存在しないと推定する；
ステップを含む。
このようにして、燃料電池の中の一酸化炭素による被毒の存在を決定することができる。燃料電池の中の一酸化炭素による被毒によって、燃料電池の中の一酸化炭素の累積を知ることができる。
望ましい１実施の形態においては、予め定められた上記セルの上記平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌと、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌは、上記燃料電池の動作モードに依存し、上記燃料電池は、上記動作モードとして、始動モードと、ノミナルモードと、停止モードを有する。
有利な１実施の形態においては、上記燃料電池の中に一酸化炭素による上記被毒が存在する場合には、上記改質燃料の上記ガスの中に空気を付加する。
望ましい１実施の形態においては、上記燃料電池の中に一酸化炭素による上記被毒が存在しない場合には：
上記燃料電池の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌと上記閾値σｓｅｕｉｌとの比較から、上記燃料電池の中の過剰な水の存在または不在を推定し、上記燃料電池の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことによって推定され、上記燃料電池の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることによって推定される。
上記燃料電池の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌと上記閾値σｓｅｕｉｌとの比較から、上記燃料電池の中の過剰な水の存在または不在を推定し、上記燃料電池の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことによって推定され、上記燃料電池の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることによって推定される。
燃料電池の中の過剰な水によって、燃料電池の中の水の累積を知ることができる。
本発明のもう１つの局面においては、燃料電池に水素を供給するための装置と、上記燃料電池に空気を供給するための空気圧縮機とを含み、上記燃料電池は、Ｎｍｏｄモジュールに編成されたセルから構成された燃料電池装置の管理方法が提供される。上記管理方法は、
上記燃料電池の各上記モジュールの各上記セルの端子における電圧を測定し；
上記燃料電池の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌと上記閾値σｓｅｕｉｌとの比較から、上記燃料電池の中の過剰な水の存在または不在を推定し、上記燃料電池の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことから推定され、上記燃料電池の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることから推定される；
ステップを含む。
上記燃料電池の各上記モジュールの各上記セルの端子における電圧を測定し；
上記燃料電池の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌと上記閾値σｓｅｕｉｌとの比較から、上記燃料電池の中の過剰な水の存在または不在を推定し、上記燃料電池の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことから推定され、上記燃料電池の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることから推定される；
ステップを含む。
望ましい１実施の形態においては、上記燃料電池の中に過剰な水が存在する場合には、上記過剰な水の排出操作を行う。
有利な１実施の形態においては、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌは、上記燃料電池の動作モードに依存し、上記燃料電池は、上記動作モードとして、始動モードと、ノミナルモードと、停止モードを有する。
望ましい１実施の形態においては、上記燃料電池の中に過剰な水が存在する場合に：
それぞれ各上記モジュールについて、上記モジュールの上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差を計算し；
各上記モジュールについて計算された、最も大きい上記標準偏差を有する上記モジュールを決定し；
最も水が過剰なモジュールである、最も大きい上記標準偏差を有する上記モジュールについてのみ、上記過剰な水の排出操作を行う。
それぞれ各上記モジュールについて、上記モジュールの上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差を計算し；
各上記モジュールについて計算された、最も大きい上記標準偏差を有する上記モジュールを決定し；
最も水が過剰なモジュールである、最も大きい上記標準偏差を有する上記モジュールについてのみ、上記過剰な水の排出操作を行う。
有利な１実施の形態においては、上記過剰な水の上記排出操作は、各上記モジュールの入口または最も水が過剰な上記モジュールの入口のアノード部とカソード部のガスの流量を増加させることによって実行される。
望ましい１実施の形態においては、上記過剰な水の上記排出操作は、各上記モジュールのアノード部とカソード部の出口、または最も水が過剰な上記モジュールのアノード部とカソード部の出口を大気圧にすることによって実行される。
本発明によれば、燃料電池に水素を含有する改質燃料のガスを供給するための改質装置と、上記燃料電池に空気を供給するための空気圧縮機と、電子制御装置とを含み、上記燃料電池は、Ｎｍｏｄモジュールに編成されたセルから構成された燃料電池装置の、第１の管理システムも提供される。上記第１の管理システムは：
各上記セルの端子における電圧の測定値を伝達するために、上記電子制御装置に接続された、上記燃料電池の各上記セルの端子における電圧のセンサ；
上記燃料電池の中の一酸化炭素による被毒の除去装置；
上記燃料電池の中の過剰な水の排出装置；
上記一酸化炭素による被毒の除去装置と上記過剰な水の排出装置の制御手段；
各上記セルの端子における上記電圧のセンサの測定値を受け、上記制御手段へ信号を供給する、上記電子制御装置の中の、計算手段と比較手段とを含む、処理手段；
を含む。
各上記セルの端子における電圧の測定値を伝達するために、上記電子制御装置に接続された、上記燃料電池の各上記セルの端子における電圧のセンサ；
上記燃料電池の中の一酸化炭素による被毒の除去装置；
上記燃料電池の中の過剰な水の排出装置；
上記一酸化炭素による被毒の除去装置と上記過剰な水の排出装置の制御手段；
各上記セルの端子における上記電圧のセンサの測定値を受け、上記制御手段へ信号を供給する、上記電子制御装置の中の、計算手段と比較手段とを含む、処理手段；
を含む。
望ましい１実施の形態においては、上記一酸化炭素による被毒の除去装置は、上記改質燃料の上記ガスの中へ付加する空気の流量を調整するための、上記空気圧縮機に連結された、上記制御手段によって操作される制御弁を含む。
本発明によれば、燃料電池に水素を供給する装置と、上記燃料電池に空気を供給するための空気圧縮機と、電子制御装置とを含み、上記燃料電池は、Ｎｍｏｄモジュールに編成されたセルから構成された燃料電池装置の第２の管理システムも提供される。上記第２の管理システムは：
各上記セルの端子における電圧の測定値を伝達するために、上記電子制御装置に接続された、上記燃料電池の各上記セルの端子における電圧のセンサ；
上記燃料電池の中の過剰な水の排出装置；
上記過剰な水の排出装置の制御手段；
上記燃料電池の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算することが可能な計算手段と、上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較することが可能な比較手段とを含む処理手段であって、上記処理手段は、上記燃料電池の中の過剰な水の存在または不在を推定することが可能であり、上記燃料電池の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことから推定され、上記燃料電池の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることから推定される、処理手段；
を含む。
各上記セルの端子における電圧の測定値を伝達するために、上記電子制御装置に接続された、上記燃料電池の各上記セルの端子における電圧のセンサ；
上記燃料電池の中の過剰な水の排出装置；
上記過剰な水の排出装置の制御手段；
上記燃料電池の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算することが可能な計算手段と、上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較することが可能な比較手段とを含む処理手段であって、上記処理手段は、上記燃料電池の中の過剰な水の存在または不在を推定することが可能であり、上記燃料電池の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことから推定され、上記燃料電池の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることから推定される、処理手段；
を含む。
有利な１実施の形態においては、上記燃料電池の中の上記過剰な水の排出装置は、上記モジュールのカソード部の全体の供給流量を制御するための、上記制御手段によって操作される制御弁、または各上記モジュールのカソード部の供給流量をそれぞれ制御するための、上記制御手段によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁を含む。
望ましい１実施の形態においては、上記燃料電池の中の上記過剰な水の排出装置は、上記モジュールのアノード部の全体の供給流量を制御するための、上記制御手段によって操作される制御弁、または各上記モジュールのアノード部の供給流量をそれぞれ制御するための、上記制御手段によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁を含む。
有利な１実施の形態においては、上記燃料電池の中の上記過剰な水の排出装置は、上記燃料電池のカソード部の全体の出口を大気圧にする、上記制御手段によって操作される制御弁、または各上記モジュールの各カソード部の出口をそれぞれ大気圧にする、上記制御手段によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁を含む。
望ましい１実施の形態においては、上記燃料電池の中の上記過剰な水の排出装置は、上記燃料電池のアノード部の全体の出口を大気圧にする、上記制御手段によって操作される制御弁、または各上記モジュールの各アノード部の出口をそれぞれ大気圧にする、上記制御手段によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁を含む。
本発明のその他の目的、特徴及び利点は、非限定的な例として示され、添付図面を参照する、以下の説明を読むことによって明らかとなるであろう。これらの図面において：
−図１は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの第１の実施の形態を示し；
−図２は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第１の実施の形態を示し；
−図３は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第２の実施の形態を示し；
−図４は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第２の実施の形態を示し；
−図５は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第３の実施の形態を示し；
−図６は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第３の実施の形態を示し；
本発明による、を供給される燃料電池装置の管理システムの、実施の形態を示し；
−図７は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第４の実施の形態を示し；
−図８は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第４の実施の形態を示し；
−図９は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第５の実施の形態を示し；
−図１０は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第５の実施の形態を示し；
−図１１は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第６の実施の形態を示し；
−図１２は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第６の実施の形態を示し；
−図１３は、本発明による燃料電池装置の管理方法の第１の実施の形態を示し；
−図１４は、本発明による燃料電池装置の管理方法の第２の実施の形態を示し；
−図１５は、本発明による燃料電池装置の管理方法の第３の実施の形態を示す。
−図１は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの第１の実施の形態を示し；
−図２は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第１の実施の形態を示し；
−図３は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第２の実施の形態を示し；
−図４は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第２の実施の形態を示し；
−図５は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第３の実施の形態を示し；
−図６は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第３の実施の形態を示し；
本発明による、を供給される燃料電池装置の管理システムの、実施の形態を示し；
−図７は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第４の実施の形態を示し；
−図８は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第４の実施の形態を示し；
−図９は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第５の実施の形態を示し；
−図１０は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第５の実施の形態を示し；
−図１１は、改質燃料を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第６の実施の形態を示し；
−図１２は、水素を供給される、本発明による燃料電池装置の管理システムの、第６の実施の形態を示し；
−図１３は、本発明による燃料電池装置の管理方法の第１の実施の形態を示し；
−図１４は、本発明による燃料電池装置の管理方法の第２の実施の形態を示し；
−図１５は、本発明による燃料電池装置の管理方法の第３の実施の形態を示す。
図１に、Ｎｍｏｄモジュールが結合された一式のセルから構成された燃料電池１を表す。図には、Ｎｍｏｄ＝２の場合を示すが、説明は、Ｎｍｏｄのあらゆる整数値について有効である。従って、燃料電池１のセルは、２つのモジュール２、３に分けられる。モジュール２、３は、それぞれアノード部Ａとカソード部Ｃを有する。このシステムは、燃料電池１のモジュール２、３のカソード部Ｃに酸素を供給することを可能にする空気圧縮機４も有する。酸素を含む圧縮空気の全体は、空気圧縮機４に連結された、高圧の空気を供給する導管５を介して供給される。この導管５は、燃料電池１のモジュール２、３のカソード部Ｃにそれぞれ酸素を供給する、２つの導管６、７に分離される。
電子制御装置すなわちＵＣＥ８は、モジュール２、３の各セルの端子における電圧センサ１０、１１から伝達される測定値を元にして、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒と過剰な水を検出することが可能な処理手段９を有する。処理手段９は、計算手段９ａと比較手段９ｂを有する。電圧センサ１０、１１は、それぞれ接続１２、１３を介して電子制御装置８に接続される。電子制御装置８は、燃料電池１の過剰な水の排出装置と、燃料電池１の一酸化炭素による被毒の除去装置を制御することが可能な制御手段１４も有する。
改質燃料全体の供給導管１５は、それぞれ供給導管１６、１７に分離して、燃料電池１の異なるモジュール２、３のアノード部Ａへ供給するための水素を含有するガスを供給する。供給導管１５へ改質燃料を供給する改質装置は、図には示されていない。
水素及び水素以外のものを含有する改質燃料は、燃料電池１の一酸化炭素による被毒のリスクを有する。従って、さらに、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒の除去装置を有する。一酸化炭素による被毒の除去装置は、空気圧縮機４を供給導管１５へ連結する導管１９が通り抜ける制御弁１８を有する。制御弁１８は、燃料電池１のモジュール２、３のカソード部Ｃへ供給される改質燃料中へ付加される空気流量を調整することを可能にする。供給される改質燃料全体の中における空気流量の増加は、一酸化炭素による被毒を除去することを可能にする。制御弁１８は、接続２１を介して電子制御装置８へ接続される。
燃料電池１の各モジュール２、３のアノード部Ａの排出導管２２、２３は、燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａの全体の出口２４に結合される。同様に、燃料電池１の各モジュール２、３のカソード部Ｃの排出導管２５、２６は、燃料電池１のモジュール２、３のカソード部Ｃの全体の出口２７に結合される。
このシステムは、さらに、燃料電池１における過剰な水を排出する装置を有する。過剰な水を排出する装置は、改質燃料全体の供給導管１５が通り抜け、接続２９を介して電子制御装置８へ接続される制御弁２８を有する。燃料電池１の過剰な水を排出する装置は、燃料電池１の空気、従って酸素、全体の供給配管５が通り抜ける制御弁３０も有する。制御弁３０は、接続３１を介して電子制御装置８へ接続される。制御弁２８、３０は、過剰な水が検出されたときに、過剰な水を排出するために、燃料電池１の全体の各供給流量を一時的に増加させることを可能にする。
図２は、図１に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムの燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａの全体に供給されるのは水素である。供給されるのが水素を含有する改質燃料ではなくて、水素であるので、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒のリスクはない。従って、このシステムは、一酸化炭素による被毒の除去装置を有さず、従って、制御弁１８、導管１９、接続２１は有しない。供給導管１５へ水素を供給する装置は、図には示されていない。
図３は、先に説明した図１に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムにおいては、燃料電池１の過剰な水を排出する装置は、制御弁２８、３０を有さず、燃料電池１のモジュール２、３のアノード部全体の出口２４を大気圧にする制御弁３２を有する。過剰な水を排出する装置は、さらに、燃料電池１のモジュール２、３のカソード部全体の出口２７を大気圧にする制御弁３３を有する。アノード部とカソード部全体の出口の制御弁３２、３３は、それぞれ接続３４、３５を介して電子制御装置８へ接続される。制御弁３２、３３は、燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａとカソード部Ｃを、一時的に大気圧にし、燃料電池の過剰な水を排出することを可能にする。
図４は、図３に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムの燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａの全体に供給されるのは水素である。供給されるのが水素を含有する改質燃料ではなくて、水素であるので、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒のリスクはない。従って、このシステムは、一酸化炭素による被毒の除去装置を有さず、従って、制御弁１８、導管１９、接続２１は有しない。供給導管１５へ水素を供給する装置は、図には示されていない。
図５は、先に説明した図１と３に示されたシステムと類似のシステムを示す。このシステムは、図１と３に示された、２つの過剰な水を排出する装置を組み合わせる。燃料電池１における過剰な水を排出する装置は、制御弁２８、３０、３２及び３３と、それらの接続２９、３１、３４及び３５を有する。この過剰な水を排出する装置は、先に説明した２つの過剰な水を排出する装置の機能を同時に組み合わせることによって、燃料電池１の中の過剰な水を排出することを可能にする。２つの過剰な水を排出する装置の機能を同時に組み合わせることは、特に水の排出を加速することによって、燃料電池の過剰な水を排出する装置の効率を改良することを可能にする。
図６は、図５に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムの燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａの全体に供給されるのは水素である。供給されるのが水素を含有する改質燃料ではなくて、水素であるので、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒のリスクはない。従って、このシステムは、一酸化炭素による被毒の除去装置を有さず、従って、制御弁１８、導管１９、接続２１は有しない。供給導管１５へ水素を供給する装置は、図には示されていない。
図７は、先に説明した図１に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムにおいては、改質燃料全体の供給を制御する制御弁２８は、燃料電池１の各モジュール２、３のアノード部Ａの各改質燃料供給口の流量を制御するための、一式の制御弁３６、３７によって置き換えられる。制御弁３６、３７は、それぞれ接続３８、３９を介して電子制御装置８へ接続される。さらに、空気全体の供給を制御する制御弁３０は、燃料電池１の各モジュール２、３のカソード部Ｃの各空気供給口の流量を制御するための、一式の制御弁４０、４１によって置き換えられる。制御弁４０、４１は、それぞれ接続４２、４３を介して電子制御装置８へ接続される。このシステムは、燃料電池１の水が過剰なモジュール、換言すれば水が最も過剰なモジュールにおいてのみ、燃料電池の中の過剰な水の排出を制御することを可能にする。処置手段９は、従って、水が最も過剰なモジュールを決定することを可能にする。
図８は、図７に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムの燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａの全体に供給されるのは水素である。供給されるのが水素を含有する改質燃料ではなくて、水素であるので、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒のリスクはない。従って、このシステムは、一酸化炭素による被毒の除去装置を有さず、従って、制御弁１８、導管１９、接続２１は有しない。供給導管１５へ水素を供給する装置は、図には示されていない。
図９は、図３に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムにおいては、アノード部全体の出口２４を大気圧にする制御弁３２と、カソード部全体の出口２７を大気圧にする制御弁３３は、燃料電池１の各モジュール２、３を大気圧にする一式の各制御弁によって置き換えられる。燃料電池１の各モジュール２、３のアノード部Ａを大気圧にする制御弁４４、４５は、それぞれ接続４６、４７を介して電子制御装置８へ接続される。燃料電池１の各モジュール２、３のカソード部Ｃを大気圧にする制御弁４８、４９は、それぞれ接続５０、５１を介して電子制御装置８へ接続される。このシステムは、燃料電池１の水が過剰なモジュール、換言すれば水が最も過剰なモジュールにおいてのみ、燃料電池の中の過剰な水の排出を制御することを可能にする。処置手段９は、従って、水が最も過剰なモジュールを決定することを可能にする。
図１０は、図９に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムの燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａの全体に供給されるのは水素である。供給されるのが水素を含有する改質燃料ではなくて、水素であるので、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒のリスクはない。従って、このシステムは、一酸化炭素による被毒の除去装置を有さず、従って、制御弁１８、導管１９、接続２１は有しない。供給導管１５へ水素を供給する装置は、図には示されていない。
図１１は、先に説明した図７と９に示されたシステムと類似のシステムを示す。このシステムは、図７と９に示された、２つの過剰な水を排出する装置を組み合わせる。燃料電池１の中の過剰な水を排出する装置は、制御弁３６、３７、４０及び４１と、大気圧にする制御弁４４、４５、４８、４９を有する。２つの過剰な水を排出する装置の機能を同時に組み合わせることは、特に水の排出を加速することによって、燃料電池の過剰な水を排出する装置の効率を改良することを可能にする。
図１２は、図１１に示されたシステムと類似のシステムを示すが、このシステムの燃料電池１のモジュール２、３のアノード部Ａの全体に供給されるのは水素である。供給されるのが水素を含有する改質燃料ではなくて、水素であるので、燃料電池１の中の一酸化炭素による被毒のリスクはない。従って、このシステムは、一酸化炭素による被毒の除去装置を有さず、従って、制御弁１８、導管１９、接続２１は有しない。供給導管１５へ水素を供給する装置は、図には示されていない。
その他のあらゆる組み合わせ、例えば全体の供給の制御弁と各モジュールの供給の制御弁との組み合わせが有効であることは勿論である。
図１３は、システムが改質燃料ではなく、水素を供給される場合における、本発明による燃料電池装置の管理方法の実施の形態を示す。燃料電池装置の管理方法は、燃料電池１の動作モードを検出するステップ５２から始まる。燃料電池１は、動作モードとして、始動モードと、ノミナルモードと、停止モードを有する。
ステップ５３においては、それぞれ各モジュール２、３のセルの端子における電圧センサ１０、１１を用いて、燃料電池１のセルの端子における電圧、すなわち電位差を測定する。セルの電圧の各測定値は、電子制御装置８へ伝達される。処理手段９の計算手段９ａは、燃料電池のセルの端子において測定された電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算する。標準偏差σＵｃｅｌｌの計算は、次式：
Ｎｃｅｌｌ＿ｍｏｄ（ｋ）は、モジュールｋのセルの数；
Ｎｍｏｄは、燃料電池１のモジュールの数；
Ｕｉ ｊ（ｔ）は、時間ｔにおけるモジュールｊのセルｉの端子における電圧；
／Ｕｃｅｌｌ（ｔ）は、時間ｔにおける１つのセルの端子における平均電圧（数式におけるオーバーバーの代わりに／を使用する。以下同じ。）；
を用いて実行される。
時間ｔにおける燃料電池１のセルの端子における平均電圧／Ｕｃｅｌｌ（ｔ）は、次式：
これらの全ての式は、燃料電池１のモジュールの数Ｎｍｏｄが１に等しいときにも有効であることは勿論である。
次のステップ５４においては、処理手段９の比較手段９ｂは、計算された標準偏差σＵｃｅｌｌと、燃料電池の動作モードに従って予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌとの比較を実行する。
標準偏差σＵｃｅｌｌが予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌよりも小であれば、燃料電池の中に過剰な水は存在しないので、上記のステップ５２へ戻る。
標準偏差σＵｃｅｌｌが予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌに等しいかより大であれば、最も水が過剰なセルを決定する、選択的なステップ５５へ進む。燃料電池１が１つのモジュールのみしか有しないとき、あるいは、図２、４、６に示すように、燃料電池１の過剰な水を排出する装置が、全体の供給調整用、または燃料電池のモジュール全体を大気圧にする制御弁のみしか有しないときには無用であるので、このステップは選択的である。このステップは、図８、１０、１２に示されたシステムについて実行される。
ステップ５５が実行されるときには、各モジュールのセルの電圧の標準偏差を計算し、最も大きい標準偏差を有するモジュールを決定する。最も大きい標準偏差を有するモジュールは、最も水が過剰なモジュールである。
モジュールｊの標準偏差σｊ Ｕｃｅｌｌは、処理手段９の計算手段９ａによって次式：
次いで、ステップ５６においては、制御手段１４は、システムに応じてステップ５５が存在するか否かに応じて、燃料電池１または最も水が過剰なモジュールの過剰な水の排出操作を行う。次いで、ステップ５３へ進む。
図１４は、システムが水素ではなく、改質燃料を供給される場合における、本発明による燃料電池装置の管理方法の実施の形態を示す。従って、燃料電池１の中に一酸化炭素による被毒が存在する可能性がある。燃料電池装置の管理方法は、ステップ５２とステップ５３から始まる。この実施の形態においては、ステップ５３の際に上述の標準偏差を計算する必要はない。しかし、計算手段９ａは、さらに、燃料電池１についてのセルの平均電圧／Ｕｃｅｌｌと、予め定められたセルの平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌとの間の電圧の差を計算する。予め定められたセルの平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌは、燃料電池１の中に一酸化炭素による被毒が存在しないときの平均電圧を表す。燃料電池１の中に一酸化炭素による被毒が存在するときには、水が過剰なセルの電圧のみが低下する過剰な水の場合とは反対に、燃料電池１のセルの全ての電圧が低下する。
比較のステップ５７が次に続く。このステップにおいては、処理手段９の比較手段９ｂは、上記の電圧の差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕ０ ｃｅｌｌを予め定められた電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌと比較する。電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌは、システムの動作モードに依存する。
電圧の差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕ０ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌよりも小なら、ステップ５２へ戻る。
電圧の差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕ０ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌより大であるか等しいかなら、ステップ５８へ進む。ステップ５８においては、制御装置１４は、例えば図１、３、５、７、９、１１に示されたような、一酸化炭素による被毒の除去装置を操作する。
図１５は、システムが水素ではなく、改質燃料を供給される場合における、本発明による燃料電池装置の管理方法の実施の形態を示す。この実施の形態は、燃料電池の中の一酸化炭素による被毒のリスクと、過剰な水のリスクを考慮する際に、上述の２つの方法のステップを組み合わせる。
従って、本発明は、燃料電池の中の一酸化炭素による被毒と過剰な水を検出し、一酸化炭素による被毒を除去し、過剰な水を排出して、燃料電池の動作を最適化することを可能にする。
また本発明は、燃料電池の過剰な水を、標的を定めるように、燃料電池のモジュールごとに排出することを可能にする。
Claims (17)
- 燃料電池（１）に水素を含有する改質燃料のガスを供給するための改質装置と、上記燃料電池（１）に空気を供給するための空気圧縮機（４）とを含み、上記燃料電池（１）は、Ｎｍｏｄモジュール（２、３）に編成されたセルから構成された燃料電池装置の管理方法において：
上記燃料電池（１）の各上記モジュールの各上記セルの端子における電圧を測定し；
上記燃料電池（１）についての上記セルの平均電圧／Ｕｃｅｌｌと予め定められた上記セルの平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌとの間の差を計算し；
電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌを、予め定められた電圧の差の閾値ΔＵｓｅｕｉｌと比較し；
電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいときには、上記燃料電池（１）の中に一酸化炭素による被毒が存在すると推定し、電圧の上記差／Ｕｃｅｌｌ−Ｕｏ ｃｅｌｌが、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌよりも小であるときには、上記燃料電池（１）の中に一酸化炭素による被毒が存在しないと推定する；
ことを特徴とする、燃料電池装置の管理方法。 - 予め定められた上記セルの上記平均電圧Ｕｏ ｃｅｌｌと、予め定められた電圧の差の上記閾値ΔＵｓｅｕｉｌは、上記燃料電池（１）の動作モードに依存し、上記燃料電池（１）は、上記動作モードとして、始動モードと、ノミナルモードと、停止モードを有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置の管理方法。
- 上記燃料電池（１）の中に一酸化炭素による上記被毒が存在する場合には、上記改質燃料の上記ガスの中に空気を付加することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池装置の管理方法。
- 上記燃料電池（１）の中に一酸化炭素による上記被毒が存在しない場合には：
上記燃料電池（１）の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌと上記閾値σｓｅｕｉｌとの比較から、上記燃料電池（１）の中の過剰な水の存在または不在を推定し、上記燃料電池（１）の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことによって推定され、上記燃料電池（１）の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることによって推定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池装置の管理方法。 - 燃料電池（１）に水素を供給するための装置と、上記燃料電池（１）に空気を供給するための空気圧縮機（４）とを含み、上記燃料電池（１）は、Ｎｍｏｄモジュール（２、３）に編成されたセルから構成された燃料電池装置の管理方法において：
上記燃料電池（１）の各上記モジュールの各上記セルの端子における電圧を測定し；
上記燃料電池（１）の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較し；
上記標準偏差σＵｃｅｌｌと上記閾値σｓｅｕｉｌとの比較から、上記燃料電池（１）の中の過剰な水の存在または不在を推定し、上記燃料電池（１）の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことから推定され、上記燃料電池（１）の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることから推定される；
ことを特徴とする、燃料電池装置の管理方法。 - 上記燃料電池（１）の中に過剰な水が存在する場合には、上記過剰な水の排出操作を行うことを特徴とする、請求項４または５に記載の燃料電池装置の管理方法。
- 予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌは、上記燃料電池（１）の動作モードに依存し、上記燃料電池（１）は、上記動作モードとして、始動モードと、ノミナルモードと、停止モードを有することを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理方法。
- 上記燃料電池（１）の中に過剰な水が存在する場合に：
それぞれ各上記モジュールについて、上記モジュールの上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差を計算し；
各上記モジュールについて計算された、最も大きい上記標準偏差を有する上記モジュールを決定し；
最も水が過剰なモジュールである、最も大きい上記標準偏差を有する上記モジュールについてのみ、上記過剰な水の排出操作を行う；
ことを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理方法。 - 上記過剰な水の上記排出操作は、各上記モジュールの入口または最も水が過剰な上記モジュールの入口のアノード部とカソード部のガスの流量を増加させることによって実行されることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理方法。
- 上記過剰な水の上記排出操作は、各上記モジュールのアノード部とカソード部の出口、または最も水が過剰な上記モジュールのアノード部とカソード部の出口を大気圧にすることによって実行されることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理方法。
- 燃料電池（１）に水素を含有する改質燃料のガスを供給するための改質装置と、上記燃料電池（１）に空気を供給するための空気圧縮機（４）と、電子制御装置（８）とを含み、上記燃料電池（１）は、Ｎｍｏｄモジュール（２、３）に編成されたセルから構成された燃料電池装置の管理システムにおいて：
各上記セルの端子における電圧の測定値を伝達するために、上記電子制御装置（８）に接続された、上記燃料電池（１）の各上記セルの端子における電圧のセンサ；
上記燃料電池（１）の中の一酸化炭素による被毒の除去装置；
上記燃料電池（１）の中の過剰な水の排出装置；
上記一酸化炭素による被毒の除去装置と上記過剰な水の排出装置の制御手段（１４）；
各上記セルの端子における上記電圧のセンサの測定値を受け、上記制御手段（１４）へ信号を供給する、上記電子制御装置（８）の中の、計算手段（９ａ）と比較手段（９ｂ）とを含む、処理手段（９）；
を含むことを特徴とする、燃料電池装置の管理システム。 - 上記一酸化炭素による被毒の除去装置は、上記改質燃料の上記ガスの中へ付加する空気の流量を調整するための、上記空気圧縮機（４）に連結された、上記制御手段（１４）によって操作される制御弁（１８）を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池装置の管理システム。
- 燃料電池（１）に水素を供給する装置と、上記燃料電池（１）に空気を供給するための空気圧縮機（４）と、電子制御装置（８）とを含み、上記燃料電池（１）は、Ｎｍｏｄモジュール（２、３）に編成されたセルから構成された燃料電池装置の管理システムにおいて：
各上記セルの端子における電圧の測定値を伝達するために、上記電子制御装置（８）に接続された、上記燃料電池（１）の各上記セルの端子における電圧のセンサ；
上記燃料電池（１）の中の過剰な水の排出装置；
上記過剰な水の排出装置の制御手段（１４）；
上記燃料電池（１）の上記セルの上記端子において測定された上記電圧の標準偏差σＵｃｅｌｌを計算することが可能な計算手段（９ａ）と、上記標準偏差σＵｃｅｌｌを、予め定められた標準偏差の閾値σｓｅｕｉｌと比較することが可能な比較手段（９ｂ）とを含む処理手段（９）であって、上記処理手段（９）は、上記燃料電池の中の過剰な水の存在または不在を推定することが可能であり、上記燃料電池の中の過剰な水の上記存在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも大であるか等しいことから推定され、上記燃料電池の中の過剰な水の上記不在は、上記標準偏差σＵｃｅｌｌが、予め定められた標準偏差の上記閾値σｓｅｕｉｌよりも小であることから推定される、処理手段（９）；
を含むことを特徴とする、燃料電池装置の管理システム。 - 上記燃料電池（１）の中の上記過剰な水の排出装置は、上記モジュールのカソード部（Ｃ）の全体の供給流量を制御するための、上記制御手段（１４）によって操作される制御弁（３０）、または各上記モジュール（２、３）のカソード部（Ｃ）の供給流量をそれぞれ制御するための、上記制御手段（１４）によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁（４０、４１）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理システム。
- 上記燃料電池（１）の中の上記過剰な水の排出装置は、上記モジュールのアノード部（Ａ）の全体の供給流量を制御するための、上記制御手段（１４）によって操作される制御弁（２８）、または各上記モジュール（２、３）のアノード部（Ａ）の供給流量をそれぞれ制御するための、上記制御手段（１４）によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁（３６、３７）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理システム。
- 上記燃料電池（１）の中の上記過剰な水の排出装置は、上記燃料電池（１）のカソード部（Ｃ）の全体の出口を大気圧にする、上記制御手段（１４）によって操作される制御弁（３３）、または各上記モジュール（２、３）の各カソード部（Ｃ）の出口（２５、２６）をそれぞれ大気圧にする、上記制御手段（１４）によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁（４８、４９）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理システム。
- 上記燃料電池（１）の中の上記過剰な水の排出装置は、上記燃料電池（１）のアノード部（Ａ）の全体の出口（２４）を大気圧にする、上記制御手段（１４）によって操作される制御弁（３２）、または各上記モジュール（２、３）の各アノード部（Ａ）の出口（２２、２３）をそれぞれ大気圧にする、上記制御手段（１４）によって操作されるＮｍｏｄ個の制御弁（４４、４５）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか１つに記載の燃料電池装置の管理システム。
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