JP2008505450A - 再循環燃料ブロワの動作状態に応答する燃料電池の燃料パージ制御 - Google Patents

Abstract

燃料電池発電装置の燃料パージ弁（２６）は、燃料再循環ブロワ（２０）によって推進される再循環燃料の指標となる燃料再循環ブロワのパラメータ（４０，４０ａ）に応答して制御されるが、このパラメータは単独か、もしくは負荷電流（３３）、ブロワ（５０，５１）の圧力上昇、および燃料再循環ガス（４４）の温度と組み合わせられるかのいずれかであり、パージ弁を制御するパルス幅変調制御信号（２８）を提供する。

Description

本発明は、燃料電池の再循環ブロワにおける速度や電流などの動作状態を監視して再循環流中の水素ガスの非水素ガスに対する割合を予測し、これにより燃料パージ弁を制御することに関する。

燃料電池発電装置は１００％の燃料利用率で作動させることはできず、すなわち、スタック内の種々の燃料セルにおける様々な領域で燃料枯渇をもたらすことなく、所望の電気負荷を発生させる際に消費される正確な量の燃料を提供することはできないということはよく知られている。燃料電池の枯渇により、炭素性触媒の担体の腐食がもたらされ、システムの電力性能が低下する。この問題を解決するために、アノード燃料流れ場を出る燃料の一部をアノード燃料流れ場のインレットへと再循環させることにより、セル毎の１回の通過に対する燃料電池利用率は低くなるが、燃料電池スタック全体の利用率がほぼ１００％になる。

また再循環燃料は、カソード中の空気から多孔質膜の電解質を通ってクロスオーバーする窒素などの不活性ガスと混合した劣化水素を含むことが知られている。アノードから不活性ガスを排除し、新鮮な水素が内部を流れることを保証するためには、少ない一定の量で、もしくはより一般的にはパルスパージによって、すなわち、デューティサイクル毎に周期的にパージ弁を開くことによってパージが達成される。パージ速度は一般的に、燃料電池モデルの初期検査時に、生成される電流の密度に基づいて決定される。その後、燃料電池スタックの電流密度の関数として予め決められたようにパージが行われる。

この方法における問題は、膜の変化や燃料電池の性能損失などに起因するサージや窒素のクロスオーバーのばらつきを考慮に入れていないことである。

これらの問題を解決するために、パージが意図的に若干高く設定され、パージが十分となることを保証するために二義的なパージを与える。このことは必然的に、場合によっては達成し得る効率を下回るほどにシステム全体の効率を低下させる。燃料電池システムを含む筐体中にパージガスが放出される場合、二義的な余分なパージは、筐体換気システムにおいても増加し、ノイズレベルおよび寄生電力損失を増大させる。

本発明の目的は、追加の装置を必要としない燃料電池アノードパージの簡単かつ効果的な制御と、水素センサを必要とすることなく燃料電池のアノードを通流する水素の情報を提供することと、燃料電池発電装置の改善された起動および停止を提供することと、アノード燃料流の実際の状態に対応した燃料電池発電装置のパージ制御を提供することと、二義的な余分な燃料流なしに燃料電池発電装置内に適切な燃料流を保証することと、アノードガス流の実際のガス組成に対応した燃料電池発電装置アノードパージと、を含む。

用語「再循環ブロワ」は、本明細書において便宜上使用され、燃料電池の燃料流れ場を出るガスの少なくとも一部を燃料電池の燃料流れ場インレットに戻す任意の適切な燃料再循環ガスムーバもしくはインペラを含むことを理解されたい。この用語は、ファン状ブロワ、ポンプ、コンプレッサ、および他の適切なインペラを含む。

本発明では、燃料パージ弁を制御するために速度もしくは電流などの燃料電池の燃料再循環ブロワの動作状態が利用される。本発明では、再循環燃料ブロワ速度、流体の圧力上昇、温度もしくは電流に応答してパージ弁のパルス幅変調を制御することによりパルスパージが適応され得る。本発明の一実施例では、名目上、一定の速度もしくは一定の駆動信号で動作される再循環ブロワ中の再循環燃料濃度は、電流、速度および圧力上昇を含む再循環ブロワ状態、再循環ガス温度、ならびに負荷電流などのパラメータから予測される。本発明の一態様では、燃料再循環ブロワの速度（Ｓ）、および再循環ガスの温度（Ｔ）もしくは負荷電流（Ｉ）の関数が、計算された予測圧力上昇を提供し、この予測圧力上昇が、再循環ブロワの両端間の実際の測定圧力と比較され、その誤差は、燃料パージ弁を制御するために使用される負荷電流信号を変更または調整するために使用される。例えば、ａＩ＋ｂＳ＋ｃＩＳである。しかし、燃料電池スタック性能および再循環ブロワに関するパラメータの他の組合せが本発明の範囲内で使用され得る。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示される、それらの例示的な実施例の以下の詳細な説明に鑑みてより明白になろう。

図１を参照すると、燃料電池スタック９は、カソード流れ場１０を備え、かつ水素などの燃料供給源１４から弁１３を通して燃料インレットコンジット１２内の燃料反応ガスが供給されるアノード流れ場１１を備える。当業者に周知のように、コンジット１８内の燃料排気は、コンジット１９中の燃料再循環ガスを再循環ポンプ２０へと送り、再循環ポンプ２０のアウトプットは、コンジット２１によって燃料インレットコンジット１２へと接続されている。弁１３は、制御装置１６からのライン１５の信号によって制御される。

アノード流れ場１１内の不活性（非燃料）ガスの量を制御するために、パージ弁２６は、アノード流れ場１１を出る少量のガスを排気部２７に定期的に放出することができ、排気部２７は、周知のように、適切な排気環境またはバーナでもよい。パージ弁２６の制御は、制御装置１６からの信号ライン２８のパルス幅変調コマンドに応答するものでもよく、制御装置１６は、システムから排出するパージガスの量を決定するために、負荷の電流に応答する部位３０を有する。

負荷電流の指標は、電流を負荷３６に供給する燃料電池スタック出力ライン３４，３５の電流に応答するセンサ３３によって得られる。図１の公知のシステムでは、燃料電池のタイプ毎に、または必要に応じて燃料電池毎に適宜決定される負荷電流のある関数に応答して、開時間と閉時間の割合が定められる。しかし、図１のシステムは、経時的なシステムの変化、あるシステムと別のシステムとの違い、特に、動作状態に依存して生じ得る窒素のクロスオーバーのばらつきを考慮に入れていない。また、図１のシステムは、いずれのセルにおいても燃料枯渇なしに、かつ不必要な消費なしに全体でほぼ１００％の燃料利用率を達成するように、ちょうどよい量のパージを提供しようと試みる上での負荷電流の急激なサージ、および他の摂動を考慮に入れていない。

図２では、本発明の簡単な実施例が、再循環ブロワ２０の回転速度Ｓを示すライン４０の信号を提供し、この信号が制御装置１６の関数３０ａで用いられてライン２８のパルス幅変調信号を決定し、パージ弁２６のオン／オフ動作を制御し、これにより、アノード流れ場から流出するガスの平均パージ速度を制御する。関数３０ａは、実時間で計算されたか、もしくはルックアップ表に保存されたかのいずれかの、実験的に求められた単調関数でもよい。

本発明の、より拡張された例が図３に示される。図３の構成は、図１にあるようなセンサ３３からの電流信号や、図２にあるようなライン４０の速度信号を利用するだけでなく、ライン４５の温度信号を提供する温度センサ４４によって測定される再循環ガスの温度も利用する。

また、図３の構成は、２つの圧力センサ４８，４９によって測定される再循環ポンプ２０を横切る圧力上昇に応答して、対応するライン５０，５１により制御装置１６へと信号を供給する。制御装置の部位３０ｂが図４に示される。ここで、上流の圧力から下流の圧力を減算して実際のデルタ圧力ｄＰａを提供する加算器５４によって、再循環ブロワの実際の測定圧力上昇が決定される。関数発生器５５は、ブロワの速度Ｓおよび再循環ガスの温度Ｔに応じて燃料サイクルブロワの予測補正圧力上昇ｄＰｃを生成する。例えば関数５５は、ａＩ＋ｂＳ＋ｃＩＳである。実際の圧力上昇と計算された圧力上昇との差は、加算器５７によって決定され、誤差ｄＰｅが比例／積分増幅器５８に印加され、比例／積分増幅器５８は制限回路５９によりその出力に制限が加えられ、制限回路５９の出力が乗算器６０に供給される。加算器５４，５７の関数は組み合わせられ得る。これらは、別個の回路ブロックとして示されているが、多くの場合ソフトウェアによって実行される。

乗算器６０により、実際の圧力上昇が流れの速度や温度に適切であると判断されると、制限回路５９からの信号が１．０となり、ライン３３の信号は乗算器６０によって変更されなくなる。実際の圧力上昇が予測された圧力上昇よりも大きい場合、これは燃料再循環流内に必要とするよりも多くの不活性ガスがあることを示しており、その結果、乗算器６０が、１よりも若干多く電流信号を増加させる。実際の圧力上昇が予測された圧力上昇未満である場合、これは燃料再循環内に通常よりも多くの水素があることを意味し、その結果、制限回路５９からの信号が、１よりも僅かに少ない値だけ電流信号を減少させる。乗算器６０は、ライン２８にパージ弁制御信号を供給する従来のパルス幅乗算回路（即ちコンピュータ化した制御装置の関数）６２に信号を供給する。

前述の実施例はブロワ速度を利用し、これは一般的に周波数（ヘルツ）によって与えられる。しかしながら、図５のライン４０ａによって示されるように、ブロワによって行われる仕事の指標として、これにより循環ガスの密度の指標として、代わりにブロワ電流が用いられうる。この場合の関数は、入力として速度が利用される関数が僅かに変化する。

本明細書における実施例は、パージ弁のパルス幅変調を用いたが、弁は、ブロワによって推進されるガスの濃度を示す再循環ブロワ状態の関数である信号に応答して、連続して測定されてもよい。

従来技術の燃料電池スタックにおける燃料部の概略図。 本発明の簡単な実施例を利用する燃料電池発電装置の燃料部の概略図。 本発明の別の実施例を利用する燃料電池発電装置の燃料部の概略図。 図３の構成の例示的な制御方法の機能的な説明図。 パージ弁を制御するために使用される再循環ブロワパラメータがブロワモータの電流である場合の部分概略図。

Claims (8)

1. 各々がアノード燃料流れ場（１１）を有するとともに、各々の燃料流れ場がインレット（１２）およびアウトレット（１８）を有する燃料セルのスタック（９）と、
   制御装置（１６）と、
   前記制御装置に応答して前記燃料流れ場の前記インレットに水素を供給する供給源（１４）と、
   前記燃料流れ場の前記アウトレット（１８）に接続されるとともに、前記燃料流れ場の前記インレット（１２）に再循環燃料を供給する再循環ブロワ（２０）と、
   前記燃料流れ場の前記アウトレット（１８）と排気部（２７）との間に接続されるパージ弁（２６）であって、前記排気部（２７）が、バーナもしくは排気環境から選択され、前記制御装置に応答して動作されるパージ弁（２６）と、
   前記再循環ブロワによって推進されるガスの濃度の関数として、前記再循環ブロワが要する仕事の指標である再循環ブロワパラメータを検知し、前記再循環ブロワパラメータを示すパラメータ信号（４０，４５，５０，５１）を提供する手段（３３，４０，４４，４８，４９）と、
   を備え、
   前記制御装置が、前記パージ弁の前記動作を制御するために前記パラメータ信号に応答する燃料電池発電装置。
2. 前記パラメータが、再循環ブロワ速度（７０）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記パラメータが、再循環ブロワ電流（３３）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記制御装置が前記パージ弁を制御する際に、前記パージ弁を制御する前記パラメータ信号を提供するように、前記ブロワの両端間の圧力上昇（４８，４９）と、前記燃料電池スタックによって電力供給される負荷を通る電流（３３）と、前記燃料再循環ガスの温度（４４）と、に応答することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
5. 燃料再循環ブロワにより推進されるガスの濃度を示すものとして、前記再循環ブロワの電流（３３）および速度（４０）から選択された前記燃料再循環ブロワの少なくとも１つのパラメータを検知する手段と、
   前記パラメータに応じて前記燃料パージ弁を制御する手段（１６）と、
   を備えてなる燃料電池発電装置の燃料パージ弁（２６）の制御装置。
6. 燃料再循環ブロワにより推進されるガスの濃度を示すものとして、前記再循環ブロワの電流（３３）および速度（４０）から選択された前記燃料再循環ブロワの少なくとも１つのパラメータを検知し、
   前記パラメータに応じて前記燃料パージ弁を制御する（１６）ことを備えてなる燃料電池発電装置の燃料パージ弁（２６）の制御方法。
7. 前記検知ステップが、（ｉ）前記燃料電池発電装置によって負荷に供給される電流（３７）と、（ｉｉ）前記再循環ブロワの速度（４０）と、を検知するステップを備えてなることを特徴とする請求項６に記載の制御方法。
8. 前記検知ステップが、前記パージ弁を制御する前記パラメータ信号を提供するように、前記ブロワの両端間の圧力上昇（４８，４９）と、前記燃料電池スタックによって電力供給される負荷を通る電流（３３）と、前記燃料再循環ガスの温度（４４）と、を検知するステップを備えてなることを特徴とする請求項６に記載の制御方法。

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