JP2008192541A - 燃料電池の運転制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】システムを大型化することなく、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能な燃料電池の運転制御システムを提供する。
【解決手段】発電効率決定・調節部52は、発電効率マップMP1を利用することで、負荷推定部51から供給される推定結果に基づき、設定すべき燃料電池20の発電効率を決定する。そして、発電効率決定・調節部52は、決定した発電効率が得られるように燃料電池のI−V特性を制御する。燃料電池のI−V特性は、供給する酸化ガス量に応じて変動するため、本発明では燃料電池に供給する酸化ガス量(すなわちエアストイキ比)を調整し、I−V特性を変えることで発電効率の調節を行う。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池の運転制御システムに関し、特に、家庭用や業務用として利用される定置型燃料電池の運転制御システムに関する。
現在、家庭用や業務用として利用されている定置型燃料電池は、200W〜30kW級程度の発電容量の小さい機種が開発されている。このような定置型燃料電池を経済的に運用するためには、電力負荷および熱負荷の変動パターンに追従して運転を制御し、余剰となる電力や熱の発生を極力抑える必要がある。
このような要請に応えるべく、下記特許文献1には、発電容量の小さな燃料電池を複数台設置し、電力負荷や熱負荷に応じて各燃料電池の運転状態を個別に制御する方法が提案されている。
特開2004−342440号公報
しかしながら、上記構成では、燃料電池を複数台設置する必要があるため、システムが大型化してしまうという問題がある。
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、システムを大型化することなく、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能な燃料電池の運転制御システムを提供することを目的とする。
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池の運転制御システムは、燃料電池に要求される発熱量および発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定する決定手段と、決定された発電効率に応じて前記燃料電池に関わるパラメータを調整する調整手段とを具備することを特徴とする。
かかる構成によれば、燃料電池に要求される発熱量および発電量に基づき、燃料電池の発電効率を決定し、決定した発電効率が得られるように燃料電池に関わるパラメータが調整されるため、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能となる。また、複数の燃料電池を設置する必要がないため、上述した従来構成に比べて、小型化を図ることが可能となる。
ここで、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池に供給するガス量を調整する態様が好ましい。
さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、前記調整手段は、前記酸化ガスのガス量を調整する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の温度を調整する態様が好ましい。
さらに、上記構成にあっては、前記調整手段は、前記燃料電池を循環する冷却水と貯湯タンク内の貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器の位置を制御することで、前記燃料電池の温度を調整する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を調整する態様が好ましい。
さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、前記調整手段は、前記酸化ガスに含まれる水分量を調整する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電極面積を調整する態様が好ましい。
さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池に要求される発熱量および発電量を推定する推定手段をさらに備え、前記決定手段は、前記推定手段によって推定された前記発熱量および前記発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定する態様が好ましい。
以上説明したように、本発明によれば、システムを大型化することなく、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能な燃料電池の運転制御システムを提供することができる。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
A.本実施形態
(1)実施形態の構成
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム100の要部構成を示す図である。
本実施形態では、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置型の燃料電池システムを想定するが、これに限定する趣旨ではなく、車両、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体に適用可能である。
また、本実施形態では、酸化剤、燃料として、それぞれガス状態の酸化ガス、燃料ガスを使用しているが、これに限定されない。例えば、燃料としてメタノール等の液体を使用しても良い。また、燃料ガスとして改質ガスを使用する代わりに、水素ガス、水素含有ガス等を使用してもよい。
図1に示すように、酸化ガスとしての空気(外気)は、エアポンプ、エアフィルタ等からなるスタックエアー供給系1から加湿器2により加湿された後、燃料電池(FCスタック)20に供給される。燃料電池20から排出される空気オフガスは、凝縮器(図示略)により水回収された後、排気される。
他方、燃料ガスとしての改質ガス(水素含有ガス)は、改質器30に供給される都市ガス等が水素を含むガスに変換された後、燃料電池20に供給される。燃料電池20から排出される改質ガスオフガス(残ガス)は、凝縮器(図示略)で水回収された後、改質器30に導入されて改質反応の熱源として利用される。
また燃料電池20には、スタック冷却水が循環される。スタック冷却水は、燃料電池20の発電に伴う熱を吸収し、貯湯タンク15内の貯湯水との間で熱交換器16を介して熱交換される。熱交換器16によるスタック冷却水と貯湯水との間での熱交換は、制御ユニット50によって制御される。
貯湯タンク15に供給される水道水や貯湯タンク15から排出される給湯水の水量は、制御ユニット50が制御弁81〜83の弁開度等を調整することによって制御する。制御弁81〜83としては、例えば電磁弁や空気作動弁等を用いることができる。
インバータ21は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御ユニット80から与えられる制御指令に応じて燃料電池20から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、負荷40へ供給する。この負荷40としては、例えばテレビや冷蔵庫、エアコン、照明機器などの電力機器が挙げられる。
燃料電池20は、供給される反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)から電力を発生する手段であり、単セルを所要数積層した燃料電池スタック(FCスタック)として構成されている。単セルは、MEAと、MEAを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態を有している。セパレータは、ガス不透過の導電性材料よりなり、MEA側に対向する面には、酸化ガスまたは燃料ガスのガス流路が形成されている。燃料電池20の出力電圧(FC電圧)及び出力電流(FC電流)は、それぞれ電圧センサ25及び電流センサ26によって検出される。
MEAは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極とで構成されている。電極は、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。一方の電極には、空気などの酸化ガスが供給され、他方の電極には、改質ガスなどの燃料ガスが供給され、MEA11内で電気化学反応が生じることで電力を発生する。
制御ユニット50は、負荷40からの要求電力や、該システムに設けられた各センサからの制御情報を受け取り、システム各部の運転を制御する。なお、制御ユニット50は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
図2は、制御ユニット50の機能ブロック図である。
制御ユニット50は、負荷推定部51と、発電効率決定・調節部52と、運転制御部53とを備えている。
負荷推定部51は、使用パターン履歴データベースDBに登録されている過去の実績などに基づいて、その日の電力使用量及び給湯使用量を推定する。使用パターン履歴データベースDBには、例えば過去数日の使用パターン履歴を示す直近使用パターン履歴情報R1、天候別の使用パターン履歴を示す天候別使用パターン履歴情報R2、季節別の使用パターン履歴を示す季節別使用パターン履歴情報R3など、様々な種類の使用パターン履歴情報が登録されている。
負荷推定部51は、この使用パターン履歴データベースDBに登録されている種々の使用パターン履歴と、図示せぬセンサから供給される環境情報(当該時点の日時や天気、気温などをあらわす情報)などに基づいて、その日の電力使用量及び給湯使用量を推定し、推定結果を発電効率決定・調節部52に出力する。なお、電力使用量や給湯使用量は、どのような方法で推定しても良く、また推定する期間(例えば数時間や数日など)なども任意に設定すれば良い。
発電効率決定・調節部52は、負荷推定部51から供給される推定結果に基づいて、燃料電池20の発電量と発熱量の比を算出し、設定すべき発電効率(=1/発熱効率)を決定する。ここで、発電効率とは、消費燃料エネルギーに対する燃料電池20の出力電力の割合をいい、発電効率が100%(理論値)であれば消費燃料の全てが電力に変換される(すなわち発熱しない)。ここで、図3は、発電効率決定・調節部52が保持する発電効率マップMP1を例示した図であり、横軸はFC電流、縦軸は出力電力(FC電力)を示す。
図3に示すように、発電効率マップMP1には、様々な発電効率をあらわすI−Pラインl0〜ln(n≧2)が登録されている。図3では、I−Pラインl0→I−Pラインl1→・・・→I−Pラインlnの順で発電効率が低くなっている。ここで、発電量と発熱量の関係について、I−Pラインl1上の(I1,P1)を例に説明すると、FC電流I1の場合は発電量P1と発熱量Ploss1が得られることになる。
発電効率決定・調節部52は、この発電効率マップMP1を利用することで、負荷推定部51から供給される推定結果に基づき、設定すべき燃料電池20の発電効率(本実施形態ではI−Pライン)を決定する。そして、発電効率決定・調節部52は、決定した発電効率が得られるように燃料電池20のI−V特性を制御する。周知のとおり、燃料電池20のI−V特性は、供給する酸化ガス量に応じて変動する。よって、本実施形態では、燃料電池20に供給する酸化ガス量(すなわちエアストイキ比)を調整し、I−V特性を変えることで発電効率の調節を行う。
図4は、エアストイキ比を変えた場合のI−V特性を例示した図であり、横軸にFC電流、縦軸にFC電圧をあらわしている。
図4では、I−VカーブC1→I−VカーブC2→・・・I−VカーブCm(m≧3)の順でエアストイキ比が小さく設定されている。図4から明らかなように、エアストイキ比が小さくなるにつれ、発電効率が低くなる。発電効率決定・調節部52は、決定した発電効率に応じて燃料電池20に供給する酸化ガス量を調整することで、燃料電池20のI−V特性を変更し、決定した発電効率を得る。なお、発電効率の調節は、燃料電池20に対する酸化ガスの供給量を調整する方法(別言すれば、エアストイキ比の増減によって濃度分極を増減する方法)に限らず、種々の方法を採用することができる(詳細は変形例を参照)。
運転制御部53は、発電効率決定・調節部52によって決定・調整された発電効率(例えば図4に示すいずれかのI−Vライン上)にて運転が行われるよう、DC/DCコンバータ(図示略など)を用いて燃料電池20の発電を制御する。
(2)実施形態の動作
図5は、制御ユニット50によって実行される発電制御処理のフローチャートである。
制御ユニット50の負荷推定部51は、タイマなどを利用して本日分の負荷を推定すべきタイミングが到来したことを検知すると、使用パターン履歴データベースDBに登録されている過去の実績などに基づいて、その日の負荷、すなわち電力使用量及び給湯使用量を推定する(ステップS10)。そして、負荷推定部51は、推定結果を発電効率決定・調節部52に出力する。なお、推定するタイミングは、予め制御ユニット50に設定しても良いが、ユーザがボタン操作などによって自由に設定・変更できるように構成しても良い。
発電効率決定・調節部52は、負荷推定部51から推定結果を受け取ると、受け取った推定結果に基づいて燃料電池20の発電量と発熱量の比を算出し、設定すべき発電効率(=1/発熱効率)を決定する(ステップS20)。具体的には、負荷推定部51から供給される推定結果と発電効率マップMP1(図3参照)を利用することで、設定すべき燃料電池20の発電効率(図3ではI−Pライン)を決定する。
そして、発電効率決定・調節部52は、決定した発電効率が得られるように燃料電池20のI−V特性を制御する。具体的には、決定した発電効率に応じて燃料電池20に供給する酸化ガス量を調整することで、燃料電池20のI−V特性を変更し、決定した発電効率を得る(ステップS30)。
このようにして発電効率が決定し、調節されると、運転制御部53は、調節された発電効率(例えば図4に示すいずれかのI−Vライン上)にて運転が行われるよう、DC/DCコンバータ(図示略)などを用いて燃料電池20の発電を制御する(ステップS40)。
以上説明したように、本実施形態によれば、電力使用量及び給湯使用量の推定結果に基づいて、燃料電池の発電効率を決定し、決定した発電効率が得られるように燃料電池に供給する酸化ガスのガス量(エアストイキ比)が調整されるため、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能となる。また、複数の燃料電池を設置する必要がないため、上述した従来構成に比べて、小型化を図ることが可能となる。
B.変形例
<変形例1>
上述した本実施形態では、燃料電池20に供給する酸化ガス量を調整することで発電効率を調節したが、これに代えて(あるいは加えて)燃料電池20に供給する燃料ガス量を調整することで発電効率を調節しても良い。
<変形例2>
また、燃料電池20の温度(FC温度)を調整することで発電効率を調節しても良い。図6は、FC温度を変えた場合のI−V特性を例示した図であり、横軸にFC電流、縦軸にFC電圧をあらわしている。図6では、I−VカーブC1→I−VカーブC2→・・・I−VカーブCm(m≧3)の順でFC温度が低く設定されている。図5から明らかなように、FC温度が低くなるにつれ、発電効率も低くなる。発電効率決定・調節部52は、決定した発電効率に応じてFC温度を調整することで、燃料電池20のI−V特性を変更し、決定した発電効率を得る。
図7は、FC温度を調整する具体的な方法を説明するための図である。通常、燃料電池20を循環するスタック冷却水は、貯湯タンク15の一端側(図7では上部)の貯湯水との間で熱交換が行われる。従って、貯湯タンク15内では一端側の貯湯水が高温になり、他端側の貯湯水が低温になるといった温度勾配が生じる。この温度勾配を利用して、決定した発電効率に応じて上記熱交換を行う熱交換器16の位置をシフトさせる。例えば、決定した発電効率がこれまでの発電効率よりも低い場合には、制御ユニット50は、上記熱交換を行う熱交換器16の位置を図7の実線で示す位置から図7の破線で示す位置までシフトさせる。これにより、FC温度は下がり(例えば80℃→20℃)、決定した発電効率を得ることが可能となる(図6参照)。このように、FC温度を調整することで(別言すれば、FC温度変更による活性化分極の増減により)、発電効率を調節しても良い。
<変形例3>
また、燃料電池20を構成する電解質膜の湿潤状態を調整することで発電効率を調節しても良い。図8は、電解質膜の湿潤状態を変えた場合のI−V特性を例示した図であり、横軸にFC電流、縦軸にFC電圧をあらわしている。図8では、I−VカーブC1→I−VカーブC2→・・・I−VカーブCm(m≧3)の順で電解質膜が高湿潤状態(ウェット)から低湿潤状態(ドライ)に設定されている。図8から明らかなように、電解質膜が乾燥するにつれ、発電効率も低くなる。発電効率決定・調節部52は、決定した発電効率に応じて電解質膜の湿潤状態を調整することで(別言すれば、電解質膜の湿潤状態変更によるプロトン伝導/抵抗分極の増減により)、発電効率を調節しても良い。なお、電解質膜の湿潤状態を調整するためには、例えば燃料電池20に供給する酸化ガス量などを調整すれば良い。
<変形例4>
また、燃料電池20の電極面積を調整することで発電効率を調整しても良い。発電効率決定・調節部52は、例えば決定した発電効率が低い場合には、発電に利用する電極面積を小さくする設定する一方、決定した発電効率が高い場合には、発電に利用する電極面積を大きく設定する。このように、燃料電池20の電極面積を調整することが発電効率を調整しても良い。
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 制御ユニットの機能ブロック図である。 発電効率マップを例示した図である。 エアストイキ比を変えた場合のI−V特性を例示した図である。 発電制御処理のフローチャートである。 FC温度を変えた場合のI−V特性を例示した図である。 FC温度を調整する具体的な方法を説明するための図である。 電解質膜の湿潤状態を変えた場合のI−V特性を例示した図である。
符号の説明
100・・・燃料電池システム、1・・・スタックエアー供給系、2・・・加湿器、15・・・貯湯タンク、20・・・燃料電池、21・・・インバータ、30・・・加湿器、40・・・負荷、50・・・制御ユニット、51・・・負荷推定部、DB・・・使用パターン履歴データベース、52・・・発電効率決定・調節部、MP1・・・発電効率マップ、53・・・運転制御部。

Claims (9)

  1. 燃料電池に要求される発熱量および発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定する決定手段と、
    決定された発電効率に応じて前記燃料電池に関わるパラメータを調整する調整手段と
    を具備することを特徴とする燃料電池の運転制御システム。
  2. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池に供給するガス量を調整することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運転制御システム。
  3. 前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、
    前記調整手段は、前記酸化ガスのガス量を調整することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池の運転制御システム。
  4. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の温度を調整することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運転制御システム。
  5. 前記調整手段は、前記燃料電池を循環する冷却水と貯湯タンク内の貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器の位置を制御することで、前記燃料電池の温度を調整することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池の運転制御システム。
  6. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を調整することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運転制御システム。
  7. 前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、
    前記調整手段は、前記酸化ガスに含まれる水分量を調整することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池の運転制御システム。
  8. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電極面積を調整することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運転制御システム。
  9. 前記燃料電池に要求される発熱量および発電量を推定する推定手段をさらに備え、
    前記決定手段は、前記推定手段によって推定された前記発熱量および前記発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1の請求項に記載の燃料電池の運転制御システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016219227A (ja) * 2015-05-20 2016-12-22 スズキ株式会社 燃料電池システム

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