JP2010225460A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システム1は、積層された複数のセルを有する発電部5と、複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視するセル電圧監視部8と、発電部5から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部7と、負荷調整部7により負荷電流が第1の値から第2の値に調整された後に上記出力電圧が最小値となった時点から最大値となるまでの時間を測定し、この時間の温度に対する依存性を表す情報に基づいてセルの温度を推算する制御部9とを備える。
【選択図】図1
Description
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態は、負荷変動によるセル電圧の応答特性から時間評価値を測定し、この時間評価値から発電セルの温度を求める手法である。
なお、負荷調整部7に電力調整部10の役割を持たせることで、電力調整部10を省略させることも可能である。この場合、負荷電力11は負荷調整部7に接続される。
なお、アノード流路板22及びカソード流路板24は、それぞれMEA20のアノード極への燃料供給及び反応生成物の排出、カソード極への空気供給及び反応生成物の排出と、反応によって生成した電気の集電を行う為に設けられ、この目的を果たす限り、アノード流路板22及びカソード流路板24の形状は任意の形状をとることができる。例えば、アノード流路板22にサーペンタイン流路板を用いることができる。
発電を始めるにあたり、燃料供給部4は、制御部9による制御の下で、燃料タンク3から所定の濃度のメタノール水溶液(燃料)を流路L1、流路L2を介してアノード流路板22に供給する。また、空気供給部6は、制御部9による制御の下で、空気を流路L3を介してカソード流路板24に供給する。これにより、アノード流路板22のアノード側では、燃料が流通される流路からアノード極に燃料が浸透される。また、カソード流路板24のカソード側は、空気が流通される流路からカソード極に空気が浸透される。
温度センサレスによるセル積層構造50の運転温度の推算方法について説明する。
図3は、負荷調整部7で負荷が切り換えられ、セル積層構造50から取出される負荷電流Iがステップ状に負荷電流I1から負荷電流I2に変動した際の各セル51から出力されるセル電圧の応答特性(CA1、CA2、CA3、CA4)を示している。これらCA1〜CA4は、セル積層構造50における4つのセル511〜514において測定されたセル電圧の特性を示している。セル511〜514の各々は、セル電圧監視部8に接続され、各セル511〜514の電圧が個別に監視され、セル電圧信号が検知処理部9aに供給される。
上述した温度推算方法を用いて、発電部の出力効率を向上させるための温度制御処理について説明する。図5及び図6は、温度制御処理の手法を示す図である。
さらに、温度のバラツキを有するセル51については、負荷調整部7を通して、セル51の温度条件に対応した負荷電流密度を設定することにより、各セル51から最適な出力を引き出すことができる。図7は、負荷制御処理の手順を示すフローチャートである。
一例として、図9に本実施形態によるブリージング型DMFCの評価結果を示す。セル積層構造50から取り出される負荷電流Iがステップ状に負荷電流I1から負荷電流I2に変動した際のセル51から出力されるセル電圧の応答特性(CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6)を示している。これらのCB1〜CB6は、セル積層構造50における6つのセル511〜516において測定されたセル電圧の特性を示している。図9より、セル51(CB1〜CB6)の時間評価値(logΔt)を得ることができた。得られた時間評価値を、図10に示すように、データベース9bに予め格納された時間評価値の対数logΔtの温度依存性を表したグラフ(検量線)と照合することにより、各セル51(CB1〜CB6)の温度はそれぞれ45℃、50℃、55℃、60℃、65℃と推算できる。これらのセル51の温度条件及び図8に示すような出力密度と負荷電流密度との関係を示すグラフに基づいて、負荷調整部7を操作して、各セル51の負荷(Inx)を個別に調整することにより、各セル51から効率よく電力を引き出すことが可能となる。
本発明の第2の実施形態は、負荷変動によるセル電圧の応答特性から時間評価値と電圧評価値とを測定し、時間評価値と電圧評価値とから燃料濃度と温度とを同時に求める手法である。
セル積層構造50へ供給される燃料の濃度と運転温度とを同時に推算する方法について説明する。
図13は、負荷調整部7で負荷が切り換えられ、セル積層構造50から取り出される負荷電流Iがステップ状に負荷電流I1から負荷電流I2に変動した際のセル51から出力されるセル電圧の応答特性(X1、X2、X3)を示している。これらX1、X2、X3は、セル積層構造50における3つのセル511〜513においてそれぞれ測定されたセル電圧の応答特性を示している。各々のセル511〜513は、セル電圧監視部8に接続され、各セル511〜513の電圧が個別に監視され、セル電圧信号が検知処理部9aに供給される。図13において、上付のサフィックス(添え字)1〜3は、3枚のセル51のセル番号1〜3を示す。
実施例2−1はActive型(送気型)DMFCの場合の実施結果を示す。
異なる運転温度および燃料濃度において、負荷調整部7で負荷が切り換えられ、セル51に印加した負荷電流Iがステップ状に負荷電流I1から負荷電流I2に変動した際のセル51から出力されるセル電圧の応答特性がそれぞれG1、G2、G3、G4、G5、G6、G7のような応答曲線として得られたものとする(図示省略)。上付のサフィックス(添え字)はそれぞれ、異なる温度または燃料濃度条件における同一セル51から得られた電圧の応答特性を示す。
実施例2−2は、Passive型(ブリージング型)DMFCの場合の実施結果を示す。
燃料電池システム1において、安定なセル出力を維持するために、燃料供給部4から発電部5へ供給する燃料が所定の濃度範囲において保たれることが非常に重要である。
次に、上述した方法で推算された温度を用いて発電部の出力効率を向上させるための温度制御処理について説明する。図32は、制御部9の処理手順を示すフローチャートを示したものである。ここでは、制御部9は、上記図5のグラフを用いて温度調整部13により、セル積層構造50の温度を制御する。
Claims (12)
- 積層された複数のセルを有する発電部と、
前記複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視する電圧監視部と、
前記発電部から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部と、
前記負荷電流が第1の値から第2の値に調整された後に前記出力電圧が最小値となった時点から最大値となるまでの時間を測定する測定部と、
前記時間の温度に対する依存性を表す情報に基づいて前記セルの温度を推算する推算部と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記発電部又は前記セルの温度を調整する温度調整部と、
前記推算された温度に応じて前記温度調整部を制御する制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記温度調整部は、冷却器及び加熱器の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記推算された温度に応じて前記負荷電流を制御する負荷制御部をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 積層された複数のセルを有する発電部と、
前記セルに燃料を供給する、燃料供給量が調整可能な燃料供給部と、
前記複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視する電圧監視部と、
前記発電部から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部と、
前記負荷電流が第1の値から第2の値に調整された後に前記出力電圧が第1の出力応値となった時点から第2の出力応値となるまでの時間と、前記第1又は第2の出力応値に関する電圧値とを測定する測定部と、
前記時間及び前記電圧値の燃料濃度及び温度に対する依存性を表す情報に基づいて、前記セルへ供給される燃料濃度及び前記セルの温度を推算する推算部と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記電圧値は、前記第1の出力応値、前記第2の出力応値、又は前記第1の出力応値と前記第2の出力応値との差であることを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。
- 前記第1の出力応値は前記出力電圧の最小値であって且つ前記第2の出力応値は前記出力電圧の最大値であるとき、前記第2の値は前記第1の値より大きいことを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。
- 前記第1の出力応値は前記出力電圧の最大値であって且つ前記第2の出力応値は前記出力電圧の最小値であるとき、前記第2の値は前記第1の値より小さいことを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。
- 前記推算された燃料濃度に応じて前記燃料供給量を制御する制御部をさらに具備することを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。
- 前記発電部又は前記セルの温度を調整する温度調整部と、
前記推算された温度に応じて前記温度調整部を制御する制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記温度調整部は、冷却器及び加熱器の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記時間は、前記負荷電流が前記第2の値に調整されている時間を含むことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
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