JP2010153079A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の燃料電池システムでは、負荷からの要求が無い状態となった際に、カソードオフガスをカソードガスとして循環させるカソードガス循環を実行して、燃料電池の出力電圧が、負荷からの要求が無い状態において許容される許容電圧以下となるように、カソードガス給排系を制御する場合において、燃料電池セルの湿潤状態が許容範囲内に収まるように、カソードガスの循環流量を制御する。
【選択図】図1
Description
負荷からの電力要求に応じた電力を供給するための燃料電池システムであって、
電解質膜の両面にカソードおよびアノードが形成された燃料電池セルを備えた燃料電池と、
前記燃料電池セルのアノードに対してアノードガスの供給およびアノードオフガスの排出を行なうアノードガス給排系と、
前記燃料電池セルのカソードに対してカソードガスの供給およびカソードオフガスの排出を行なうカソードガス給排系と、
前記燃料電池の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記負荷からの要求が無い状態となった際に、前記カソードオフガスを前記カソードガスとして循環させるカソードガス循環を実行して、前記燃料電池の出力電圧が、前記負荷からの要求が無い状態において許容される許容電圧以下となるように、前記カソードガス給排系を制御する場合において、前記燃料電池セルの湿潤状態が許容範囲内に収まるように、前記カソードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、負荷からの要求が無い状態(無負荷運転状態)において、燃料電池セルの湿潤状態を適切な状態で維持しつつ、カソード循環によって燃料電池の出力電圧(開回路電圧)を、負荷からの要求が無い状態において許容される所定電圧以下とすることが可能となる。
適用例1記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池セルが所定温度以上である際にのみ、前記燃料電池セルの湿潤状態に応じて前記カソードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、所定温度、例えば、燃料電池セルが乾燥し易い温度以上において、燃料電池セルの湿潤状態を適切な状態で維持しつつ、カソード循環によって前記燃料電池の出力電圧を所定値以下とすることが可能となる。
適用例1または適用例2記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、
前記負荷からの要求が無い状態から有る状態となった際に、前記燃料電池セルの湿潤状態が、前記負荷からの要求に応じた電力を供給するための前記カソードガスの必要供給流量での動作を許容できる状態となるまで、前記カソードガスの流量を前記必要供給流量未満に制限する
ことを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、負荷からの要求に応じた電力を供給するためのカソードガスの必要供給流量での動作を許容できる状態となるまで、カソードガスの流量を必要供給流量未満に制限することにより、燃料電池セルの湿潤状態を適切な状態に維持することができる。
適用例1または適用例2記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記カソードガス循環を実行するとともに、アノードガス給排系を制御することにより、前記アノードオフガスを前記アノードガスとして循環させるアノード循環を実行し、前記燃料電池セルの湿潤状態に応じて、前記アノードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、アノードガスに含まれる水分がアノード側からカソード側に拡散して、燃料電池セルの湿潤状態を適切な状態に維持することが、さらに、容易となる。
負荷からの電力要求に応じた電力を供給するための燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷からの要求が無い状態となった際に、カソードオフガスをカソードガスとして循環させるカソードガス循環を実行して、前記燃料電池の出力電圧が許容電圧以下となるように、前記カソードガス給排系を制御する場合において、燃料電池に含まれる燃料電池セルの湿潤状態が許容範囲内に収まるように、前記カソードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
このようにすれば、負荷からの要求が無い状態(無負荷運転状態)において、燃料電池セルの湿潤状態を適切な状態で維持しつつ、カソード循環によって前記燃料電池の出力電圧(開回路電圧)を、負荷からの要求が無い状態において許容される所定電圧以下とすることが可能となる。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
A1.システム構成:
図1は、第1実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム10は、燃料電池100と、アノードガス給排系200と、カソードガス給排系300と、冷却装置400と、電力出力系500と、システム制御部600と、を備えている。
図2は、システム制御部600において実行される負荷状態監視処理を示す説明図である。この負荷状態監視処理は、燃料電池システム10の運転動作中において常時実行される。まず、システム制御部600に入力される負荷要求に基づいて、駆動負荷の状態がA:負荷要求無状態であるか、B:負荷要求有状態であるかを判定する(ステップS10)。負荷要求無状態の場合には、図2に示した負荷要求無状態対応象処理の開始を指示し(ステップS20)、負荷要求有状態の場合には、図8に示した負荷要求有状態対応処理の開始を指示する(ステップS30)。そして、入力される負荷要求に基づいて、負荷要求状態の変動の発生を監視する(ステップS40)。このとき、負荷要求状態に変動が発生した場合には、ステップS10に戻って、駆動負荷の状態判定、および、負荷要求無状態対応処理または負荷要求有状態対応処理を繰り返す。以下では、まず、負荷要求無状態の場合に実行される負荷要求無状態対応処理について説明し、続いて、負荷要求有状態となった場合に実行される負荷要求有状態対応処理について説明する。
図3は、図2のステップS20において実行される負荷要求無状態対応処理を示す説明図である。まず、電力出力制御部510を制御して、燃料電池100から出力される電力を制御することにより、燃料電池100の出力電圧Vfcが無負荷要求時の設定電圧Vocとなるように制御する(ステップS210)。具体的には、例えば、燃料電池100に対して実際に要求する負荷を変化させて、燃料電池100からの出力電流を変化させることにより、出力電圧Vfcを無負荷要求時の設定電圧Vocとなるように制御することができる。
図9は、図2のステップS30において実行される負荷要求有状態対応処理を示す説明図である。負荷要求無状態から負荷要求有状態に変化し、負荷要求有状態対応処理を開始すると、まず、要求負荷に対応する要求負荷電力Wfrq,要求負荷電流Ifrqを得るために必要な要求ガス供給流量Zsrqを算出する(ステップS452)。例えば、要求負荷電力Wfrq=W−3とする。このとき、あらかじめ求められている燃料電池の出力電流Ifcと出力電力Wfcとの関係から、要求負荷電力Wfrq=W−3に対応する要求負荷電流Ifrq=I−3を求めることができる。そして、あらかじめ求められているガスの供給流量Zsと出力電流Ifcとの関係から、要求負荷電流Ifrq=I−3を得るための要求ガス供給流量Zsrqを求めることができる。
図10は、第2実施例において実行される負荷要求有状態対応処理を示す説明図である。本実施例は、この負荷要求有状態対応処理を除いて第1実施例と全く同じであるので、以下では、この負荷要求有状態対応処理についてのみ説明を加える。
一方、測定値D−3が下限値DL−3よりも大きい場合には、図7のステップS412における供給流量Zsの決定と同様に、測定値D−3に対応する供給流量Zsaをマップ4に基づいて決定する(ステップS518)。
図11は、第3実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム10Aは、燃料電池100と気液分離器240とを繋ぐ配管280dに露点計292が接続されている点を除いて、第1実施例の燃料電池システム10と全く同じである。この露点計292により、燃料電池100のアノードから排出されたアノードオフガスの湿度が計測される。
一方、測定値Da−1が下限値DLaよりも大きい場合には、ステップS716へ進んで、ガスの供給流量Zsを要求ガス供給流量Zsrqに設定し、カソードガス循環を停止して通常運転を開始する。
10A...燃料電池システム
100...燃料電池
102...温度計
200...アノードガス給排系
210...水素供給源
220...コンプレッサ(A1)
230...マスフローコントローラ(A4)
240...気液分離器
250...コンプレッサ(A2)
260...切替弁(A3)
270...逆止弁
280a〜280h...配管
290...圧力計
292...露点計
300...カソードガス給排系
310...空気供給源
320...コンプレッサ(C1)
330...マスフローコントローラ(C4)
340...切替弁(C3)
350...コンプレッサ(C2)
380a〜380f...配管
390...圧力計
392...露点計
400...冷却装置
410a...配管
410b...配管
500...電力出力系
510...電力出力制御部
520...駆動用出力回路
530...補機用出力回路
540...蓄電用出力回路
600...システム制御部
Claims (5)
- 負荷からの電力要求に応じた電力を供給するための燃料電池システムであって、
電解質膜の両面にカソードおよびアノードが形成された燃料電池セルを備えた燃料電池と、
前記燃料電池セルのアノードに対してアノードガスの供給およびアノードオフガスの排出を行なうアノードガス給排系と、
前記燃料電池セルのカソードに対してカソードガスの供給およびカソードオフガスの排出を行なうカソードガス給排系と、
前記燃料電池の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記負荷からの要求が無い状態となった際に、前記カソードオフガスを前記カソードガスとして循環させるカソードガス循環を実行して、前記燃料電池の出力電圧が、前記負荷からの要求が無い状態において許容される許容電圧以下となるように、前記カソードガス給排系を制御する場合において、前記燃料電池セルの湿潤状態が許容範囲内に収まるように、前記カソードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池セルが所定温度以上である際にのみ、前記燃料電池セルの湿潤状態に応じて前記カソードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、
前記負荷からの要求が無い状態から有る状態となった際に、前記燃料電池セルの湿潤状態が、前記負荷からの要求に応じた電力を供給するための前記カソードガスの必要供給流量での動作を許容できる状態となるまで、前記カソードガスの流量を前記必要供給流量未満に制限する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記カソードガス循環を実行するとともに、アノードガス給排系を制御することにより、前記アノードオフガスを前記アノードガスとして循環させるアノード循環を実行し、前記燃料電池セルの湿潤状態に応じて、前記アノードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 負荷からの電力要求に応じた電力を供給するための燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷からの要求が無い状態となった際に、カソードオフガスをカソードガスとして循環させるカソードガス循環を実行して、前記燃料電池の出力電圧が許容電圧以下となるように、前記カソードガス給排系を制御する場合において、燃料電池に含まれる燃料電池セルの湿潤状態が許容範囲内に収まるように、前記カソードガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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