JP2013191311A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池に供給される燃料の流量センサを確実かつ的確に補正する。
【解決手段】燃料電池システムおいては、制御装置は、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池の温度毎における燃料電池の出力電圧と燃料の利用率との相関関係を示すマップまたは演算式と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準利用率Rnに応じた流量を制御指令値として供給装置を制御することにより燃料を供給して燃料電池の発電を行う場合において温度センサにより検出された燃料電池の温度および電圧センサにより検出された燃料電池の出力電圧と、から燃料の実際の利用率である実利用率Rxを算出し、燃料の標準利用率と実利用率との差ΔRから燃料の流量誤差を算出し、該流量誤差に基づいて流量センサの検出値を補正する。
【選択図】 図7

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池システムは、原燃料ラインにオリフィス流量計等の瞬時流量計9aと、ガスメータ等の積算流量計9bを直列にして設置することで、原燃料ガスの瞬時流量計測を可能にするとともに、積算流量計9bの出力を利用しての瞬時流量計9aの補正を可能とし、長期間の安定な運転を継続できるようにしている。
また、燃料電池システムの他の一形式として、特許文献2に示されているものが知られている。特許文献2の図2に示されているように、燃料電池システムおいては、流量計測器13の指示値に基づいて空気供給装置12が制御されるが、この流量計測器13の指示値は、温度計測器14の指示値に対応する供給流量を示す値となるように補正されている。ここで、バーナ燃焼器8における燃焼によって加熱されたバーナ部19の加熱温度と、空気供給装置12によって供給された空気の供給流量との間には、所定の対応関係が存在するため、温度計測器14の指示値に対応する供給流量を示す値となるように流量計測器13の指示値を補正することで、空気供給装置12によって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが可能となっている。
また、燃料電池システムの他の一形式として、特許文献3に示されているものが知られている。特許文献3の図2に示されているように、燃料電池システムおいては、流量計測器13の指示値に基づいて空気供給装置12が制御されるが、この流量計測器13の指示値は、空気供給装置12によって空気が供給されていない場合に、流量ゼロを示す値となるように補正されている。これにより、流量計測器13の指示値が実際の供給流量を示すようになるので、空気供給装置12によって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが可能となっている。
特開2000−021432号公報 特開2010−218887号公報 特開2010−218888号公報
上述した特許文献1に記載されている燃料電池システムにおいては、瞬時流量計9aとは別に積算流量計9bが必要であるため、システムの大型化・高コストに繋がる。また、積算流量計9bとしてガスメータを使用する場合には、圧力、温度、湿度による補正が必要となりコストアップとなる。
上述した特許文献2に記載されている燃料電池システムにおいては、バーナ部19の加熱温度と空気供給装置12によって供給された空気の供給流量との間の所定の対応関係によって流量計測器13の指示値を補正しているが、十分に補正できないおそれがあった。
上述した特許文献3に記載されている燃料電池システムにおいては、この流量計測器13の指示値は、空気供給装置12によって空気が供給されていない場合に、流量ゼロを示す値となるように補正されているが、十分に補正できないおそれがあった。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池に供給される燃料の流量センサを確実かつ的確に補正することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する供給装置と、燃料電池に供給されている燃料の流量を検出する流量センサと、燃料電池の温度を検出する温度センサと、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、供給装置の供給量を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池の温度毎における燃料電池の出力電圧と燃料の利用率との相関関係を示すマップまたは演算式と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準利用率に応じた流量を制御指令値として供給装置を制御することにより燃料を供給して燃料電池の発電を行う場合において、温度センサにより検出された燃料電池の温度および電圧センサにより検出された燃料電池の出力電圧と、から燃料の実際の利用率である実利用率を算出し、燃料の標準利用率と実利用率との差から燃料の流量誤差を算出し、該流量誤差に基づいて流量センサの検出値を補正する。
また請求項2に係る発明は、請求項1において、マップまたは演算式は、燃料電池が所定電流値で発電をしている状態において、燃料の利用率を標準利用率にて燃料を供給し、そのときの燃料電池の温度および出力電圧を測定し、該標準利用率およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される。
また請求項3に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する供給装置と、燃料電池に供給されている燃料の流量を検出する流量センサと、燃料電池の温度を検出する温度センサと、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、供給装置の供給量を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池の温度毎における燃料電池の出力電圧と燃料の流量との相関関係を示すマップまたは演算式と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準流量を制御指令値として供給装置を制御することにより燃料を供給して燃料電池の発電を行う場合において、温度センサにより検出された燃料電池の温度および電圧センサにより検出された燃料電池の出力電圧と、から燃料の実際の流量である実流量を算出し、燃料の標準流量と実流量との差から燃料の流量誤差を算出し、該流量誤差に基づいて流量センサの検出値を補正する。
また請求項4に係る発明は、請求項3において、マップまたは演算式は、燃料電池が所定電流値で発電をしている状態において、燃料の流量を標準流量にて燃料を供給し、そのときの燃料電池の温度および出力電圧を測定し、該標準流量およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される。
本願の発明者は、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて、燃料電池の出力電圧は燃料利用率に対して応答性がよいため、燃料電池の温度が一定であるならば、燃料電池の出力電圧と燃料利用率とはよい相関性があることを見出した。すなわち、この相関関係と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準利用率に応じた流量を制御指令値として供給装置を制御することにより燃料を供給して燃料電池の発電を行う場合において温度センサにより検出された燃料電池の温度および電圧センサにより検出された燃料電池の出力電圧と、から燃料の実際の利用率である実利用率を算出できる。一方、燃料利用率は(燃料電池の出力電流(A))/(燃料電池に供給されている燃料の流量(単位時間あたりの流量))に比例するものであるため、燃料利用率は流量と逆比例の関係にある。よって、実利用率が制御指令値に応じた標準利用率と同一である場合は、すなわち実利用率に相当する燃料の実流量と標準利用率に応じた燃料の流量とが同一である場合は、燃料の流量センサに誤差が発生してないということである。一方、実利用率と制御指令値に応じた標準利用率との間に差がある場合は、すなわち実利用率に相当する燃料の実流量と標準利用率に応じた燃料の流量との間に差がある場合は、燃料の流量センサに誤差が発生しているということである。
したがって、上記のように構成した請求項1に係る発明においては、制御装置は、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池の温度毎における燃料電池の出力電圧と燃料の利用率との相関関係を示すマップまたは演算式と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準利用率に応じた流量を制御指令値として供給装置を制御することにより燃料を供給して燃料電池の発電を行う場合において、温度センサにより検出された燃料電池の温度および電圧センサにより検出された燃料電池の出力電圧と、から燃料の実際の利用率である実利用率を算出し、燃料の標準利用率と実利用率との差から燃料の流量誤差を算出し、該流量誤差に基づいて流量センサの検出値を補正することができる。よって、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池に供給される燃料の流量センサを確実かつ的確に補正することができる。
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1において、マップまたは演算式は、燃料電池が所定電流値で発電をしている状態において、燃料の利用率を標準利用率にて燃料を供給し、そのときの燃料電池の温度および出力電圧を測定し、該標準利用率およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される。これにより、より正確かつ確実に実利用率を算出することができるため、燃料電池に供給される燃料の流量センサをより確実かつ的確に補正することができる。
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する供給装置と、燃料電池に供給されている燃料の流量を検出する流量センサと、燃料電池の温度を検出する温度センサと、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、供給装置の供給量を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池の温度毎における燃料電池の出力電圧と燃料の流量との相関関係を示すマップまたは演算式と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準流量を制御指令値として供給装置を制御することにより燃料を供給して燃料電池の発電を行う場合において、温度センサにより検出された燃料電池の温度および電圧センサにより検出された燃料電池の出力電圧と、から燃料の実際の流量である実流量を算出し、燃料の標準流量と実流量との差から燃料の流量誤差を算出し、該流量誤差に基づいて流量センサの検出値を補正する。これにより、上述した請求項1に係る発明と同様に、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池に供給される燃料の流量センサを確実かつ的確に補正することができる。
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項3において、マップまたは演算式は、燃料電池が所定電流値で発電をしている状態において、燃料の流量を標準流量にて燃料を供給し、そのときの燃料電池の温度および出力電圧を測定し、該標準流量およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される。これにより、より正確かつ確実に実流量を算出することができるため、燃料電池に供給される燃料の流量センサをより確実かつ的確に補正することができる。
本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図2に示す記憶装置に記憶されているマップであり、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池の温度毎における燃料電池の出力電圧と燃料の利用率との相関関係を示すマップである。 図2に示す制御装置で実行される制御プログラム(マップ作成)のフローチャートである。 図4に示すフローチャートを実行して作成されたマップである。 図3に示す制御装置で実行される制御プログラム(流量誤差、補正量算出)のフローチャートである。 図6に示すフローチャートを実行したときの一実施例を示す図である。 図2に示す記憶装置に記憶されているマップであり、燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池の温度毎における燃料電池の出力電圧と燃料の流量との相関関係を示すマップである。
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、箱状の筐体11、燃料電池モジュール20、排熱回収システム30、インバータ装置50および制御装置60を備えている。
筐体11は、筐体11内を区画して第1室R1および第2室R2を形成する仕切部材12を備えている。第1室R1は第1空間を形成し、第2室R2は第2空間を形成する。仕切部材12は、筐体11を上下に区画する(仕切る)板状部材である。筐体11内には、仕切部材12より上方および下方に第1室R1および第2室R2が形成される。
燃料電池モジュール20は、第1室R1内に該第1室R1の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール20は、ケーシング21、燃料電池24を少なくとも含んで構成されるものである。本実施の形態では、燃料電池モジュール20は、ケーシング21、蒸発部22、改質部23および燃料電池24を備えている。
ケーシング21は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング21は、第1室R1内に該第1室R1の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。ケーシング21内には、蒸発部22、改質部23および燃料電池24が配設されている。このとき、蒸発部22、改質部23が燃料電池24の上方に位置するように配設されている。
蒸発部22は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部22は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部23に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
この蒸発部22には、一端(下端)が水タンク13内に配設された給水管41の他端が接続されている。給水管41には、改質水ポンプ41aが設けられている。改質水ポンプ41aは、蒸発部22に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。
また、蒸発部22には、燃料供給源(図示省略)からの改質用原料が改質用原料供給管42を介して供給されている。改質用原料供給管42には、上流から順番に一対の原料バルブ(図示省略)、流量センサ42a、脱硫器42b、および原料ポンプ42cが設けられている。なお、流量センサ42aは脱硫器42bの後でもよい。原料バルブは改質用原料供給管42を開閉する電磁開閉弁である。流量センサ42aは、燃料電池24に供給されている燃料(改質用原料)の流量すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置60に送信している。脱硫器42bは改質用原料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。原料ポンプ42cは、燃料電池24に燃料(改質用原料)を供給する供給装置であり、制御装置60からの制御指令値にしたがって燃料供給源からの燃料供給量を調整するものである。
改質部23は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部22から供給された混合ガス(改質用原料、水蒸気)から改質ガスを生成して導出するものである。改質部23内には、触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は燃料電池24の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス(メタンガス)を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
燃料電池24は、燃料極、空気極(酸化剤極)、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル24aが積層されて構成されている。本実施の形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池24の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は400〜1000℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部23は省略することができる。
セル24aの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路24bが形成されている。セル24aの空気極側には、酸化剤ガスである空気(カソードエア)が流通する空気流路24cが形成されている。
燃料電池24は、燃料電池24の温度を検出する温度センサ24dを備えている。温度センサ24dは、燃料電池24のセル24aの積層方向の中央部分であって上下方向中央部分に設けられている。温度センサ24dは、その検出結果を制御装置60に送信するようになっている。
燃料電池24は、マニホールド25上に設けられている。マニホールド25には、改質部23からの改質ガスが改質ガス供給管43を介して供給される。燃料流路24bは、その下端(一端)がマニホールド25の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ44a(カソードエア送出(送風)手段)によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管44を介して供給され、空気流路24cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
カソードエアブロワ44aは、第2室R2内に配設されている。カソードエアブロワ44aは、第2室R2内の空気を吸入し燃料電池24の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御(例えば燃料電池24の負荷電力量(消費電力量)に応じて制御)されるものである。
燃料電池24においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化1および化2に示す反応が生じ、空気極では、下記化3に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン(O2−)が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路24bおよび空気流路24cからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス(空気)が導出する。
(化1)
+O2−→HO+2e
(化2)
CO+O2−→CO+2e
(化3)
1/2O+2e→O2−
そして、燃料流路24bおよび空気流路24cから導出した、発電に使用されなかった改質ガスは、燃料電池24と蒸発部22(改質部23)の間の燃焼空間R3にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス(空気)によって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部22および改質部23が加熱される。さらには、燃料電池モジュール20内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは排気口21aから燃料電池モジュール20の外に排気される。
排熱回収システム30は、燃料電池24の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システム30は、貯湯水を貯湯する貯湯槽31と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン32と、燃料電池モジュール20からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器33と、が備えられている。
貯湯槽31は、1つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽31の柱状容器の下部には水道水などの水(低温の水)が補給され、貯湯槽31に貯留された高温の温水が貯湯槽31の柱状容器の上部から導出されるようになっている。
貯湯水循環ライン32の一端は貯湯槽31の下部に、他端は貯湯槽31の上部に接続されている。貯湯水循環ライン32上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ32a、第1温度センサ32b、熱交換器33、および第2温度センサ32cが配設されている。貯湯水循環ポンプ32aは、貯湯槽31の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン32を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽31の上部に吐出するものであり、その流量(送出量)が制御されるようになっている。貯湯水循環ポンプ32aは、第2温度センサ32cの検出温度(貯湯水の貯湯槽31の入口温度)が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。
第1温度センサ32bは、熱交換器33の貯湯水導入側の貯湯水循環ライン32であって熱交換器33と貯湯槽31との間に配設されている。第1温度センサ32bは、貯湯水の熱交換器33の入口温度すなわち貯湯水の貯湯槽31の出口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置60に送信するようになっている。
第2温度センサ32cは、熱交換器33の貯湯水導出側の貯湯水循環ライン32に配設されている。第2温度センサ32cは、貯湯水の熱交換器33の出口温度すなわち貯湯水の貯湯槽31の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置60に送信するようになっている。
熱交換器33は、燃料電池モジュール20から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽31からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この熱交換器33は、筐体11内に配設されている。本実施の形態では、熱交換器33は、燃料電池モジュール20の下部に設けられており、少なくとも熱交換器33の下部は仕切部材12を貫通して第2室R2に突出されて配設されている。
熱交換器33は、ケーシング33aを備えている。ケーシング33aの上部には、燃料電池モジュール20のケーシング21の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口21aに連通する接続管45が接続されている。ケーシング33aの下部には、第1排気口11aに接続されている排気管46が接続されている。ケーシング33aの底部には、純水器14に接続されている凝縮水供給管47が接続されている。ケーシング33a内には、貯湯水循環ライン32に接続されている熱交換部(凝縮部)33bが配設されている。
このように構成された熱交換器33においては、燃料電池モジュール20からの燃焼排ガスは、接続管45を通ってケーシング33a内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部33bを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管46を通って第1排気口11aから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管47を通って純水器14に供給される(自重で落水する)。一方、熱交換部33bに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。
また、燃料電池システムは、水タンク13および純水器14を備えている。水タンク13および純水器14は第2室R2内に配設されている。水タンク13は、純水器14から導出された純水を貯めておくものである。純水タンク13には、純水タンク13内の純水量を検出する図示しない水量センサ(水位センサ)が設けられている。水量センサは例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。水量センサは制御装置に検出信号を送信するようになっている。
純水器14は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器14は、熱交換器33からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器14は、配管48を介して純水タンク13に連通しており、純水器14内の純水は配管48を通って純水タンク13に導出される。
また、燃料電池システムは、第2室R2を形成する筐体11に形成された空気導入口11cと、第1室R1を形成する筐体11に形成された空気導出口11bと、仕切部材12に形成された空気導入口12aに設けられた換気用空気ブロワ15と、を備えている。この換気用空気ブロワ15が作動すると、外気が空気導入口11cを介して第2室R2内に吸い込まれ、換気用空気ブロワ15によって第1室R1内に送出され、第1室R1内の空気が空気導出口11bを介して外部に排出される。
さらに、燃料電池システムは、インバータ装置50を備えている。インバータ装置50は、燃料電池24から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源51および外部電力負荷53に接続されている電源ライン52に出力する第1機能と、系統電源51からの交流電圧を電源ライン52を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機や制御装置60に出力する第2機能と、を有している。
系統電源(または商用電源)51は、該系統電源51に接続された電源ライン52を介して電力負荷53に電力を供給するものである。燃料電池24はインバータシステム15を介して電源ライン52に接続されている。電力負荷53は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。
インバータ装置50は、燃料電池24の出力電圧を検出する電圧センサ50a、および燃料電池24の出力電流を検出する電流センサ50bを備えている。電圧センサ50aおよび電流センサ50bは、それぞれの検出結果を制御装置60に送信するようになっている。
補機は、燃料電池モジュール20に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプ41a,42c、換気用空気ブロワ15およびカソードエアブロワ44aなどから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。
さらに、燃料電池システムは、制御装置60を備えている。制御装置60には、上述した温度センサ32b,32c、流量センサ42a、電圧センサ50a、電流センサ50b、各ポンプ32a,41a,42c、各ブロワ15,44aが接続されている(図2参照)。制御装置60はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、燃料電池システムの運転を実施している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
また、制御装置60には、記憶装置60aに、燃料電池24が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池24の温度毎における燃料電池24の出力電圧と燃料の利用率との相関関係を示すマップ(図3参照)または演算式が記憶されている。このマップは燃料利用率が大きくなるほど出力電圧が小さくなる関係にあり、温度が高いほど出力電圧は高くなる関係にある。このマップは工場出荷時に記憶するようにしてもよく、燃料電池システムをユーザ先に設置した当初に作成して記憶するようにしてもよい。演算式は工場出荷時に記憶されている。
マップの作成方法について説明する。マップは実機を使用して作成する。所定電流値(例えば2A)に固定して燃料電池24を発電させる。すなわち、出力負荷を固定して燃料電池24を発電させる。
最初に、燃料利用率は、所定電流値に対応する燃料の標準状態における利用率である標準利用率に設定されている。この標準利用率に応じた流量で燃料が供給されている。その後この状態での発電が安定した時点における燃料電池24の出力電圧および燃料電池24の温度を測定する。そして、その測定した燃料電池24の温度を維持しながら燃料利用率(燃料流量)を変化させて、燃料利用率(燃料流量)に対する燃料電池24の出力電圧を測定する。これにより、燃料電池24が所定電流値で発電しているときについて燃料電池24の温度が温度TH1である場合における燃料電池24の出力電圧と燃料利用率との相関関係f1を作成することができる。
標準状態とは、燃料が所定温度(例えば0℃)、所定圧力(例えば1気圧)の状態である。
次に、燃料電池24の温度を温度TH1に維持しながら燃料利用率を標準利用率に戻した後に、外部から加熱するなどして燃料電池24の温度を所定温度ΔTHだけ上昇させる。そして、その温度TH2(=TH1+ΔTH)に燃料電池24の温度を維持しながら燃料利用率(燃料流量)を変化させて、燃料利用率(燃料流量)に対する燃料電池24の出力電圧を測定する。これにより、燃料電池24が所定電流値で発電しているときについて燃料電池24の温度が温度TH2である場合における燃料電池24の出力電圧と燃料利用率との相関関係f2を作成することができる。
同様にして、所定温度ΔTHずつ離れた各温度TH3,TH4,TH5における燃料電池24の出力電圧と燃料利用率との各相関関係f3,f4,f5をそれぞれ作成することができる。
なお、次のようにネルンスト式を用いてマップを作成してもよい。燃料電池24における化学反応式は上述した化1および化3であるため、ネルンスト式は下記数1に示す式で表わされる。
Figure 2013191311
ここで、Eは起電力、Eは標準電極電位、PH2は水素分圧、PO2は酸素分圧、PH2Oは水蒸気分圧、Fはファラデー定数、Rは気体定数、Tは絶対温度を表わしている。また、起電力Eは水素分圧(濃度、流量)が大きければ、大きくなる。
このネルンスト式の標準電極電位Eは、燃料電池システム毎に異なる値を取るため、実機を使って測定したデータから個々に求める。具体的には、前述の作成方法と同様に、所定電流値(例えば2A)に固定して燃料電池24を発電させる。すなわち、出力負荷を固定して燃料電池24を発電させる。そして、燃料利用率は所定電流値に対応する燃料の標準状態における利用率である標準利用率に設定されている。この標準利用率に応じた流量で燃料が供給されている。その後この状態での発電が安定した時点における燃料電池24の出力電圧および燃料電池24の温度を測定する。
そして、標準利用率を水素分圧に変換した値PH2a、測定した出力電圧Eaおよび燃料電池24の温度THaを上記数1(ネルンスト式)に代入すると、下記数2となる。
Figure 2013191311
ここで、Eaは標準利用率における標準電極電位Eaである。
上記数2から下記数3を導出する。
Figure 2013191311
このように算出される標準電極電位Eaを上記数1に代入した下記数4を用いて、マップを作成することができる。
Figure 2013191311
例えば、燃料電池24の温度が温度TH1であるとき、絶対温度Tは273+TH1である。このとき、燃料利用率を変化させてすなわち水素分圧PH2を変化させて、燃料利用率(燃料流量)に対する燃料電池24の出力電圧を上記数3を用いて算出する。これにより、燃料電池24が所定電流値で発電しているときについて燃料電池24の温度が温度TH1である場合における燃料電池24の出力電圧と燃料利用率との相関関係f1を作成することができる。
また、燃料電池24の温度が温度TH1より所定温度ΔTHだけ高い温度TH2のときも、温度TH1と同様にして、燃料電池24が所定電流値で発電しているときについて燃料電池24の温度が温度TH2である場合における燃料電池24の出力電圧と燃料利用率との相関関係f2を作成することができる。
さらに、燃料電池システムをユーザ先に設置した後にマップを作成する方法について図4,5を参照して説明する。制御装置60は、図示しない起動スイッチがオンされると、起動運転を行って燃料電池モジュール20の暖機を行い、燃料電池モジュール20の暖機が完了すると、発電運転を開始する。
また、制御装置60は、図4に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。制御装置60は、燃料電池システムを設置した後に初期性能評価が完了していない場合には、燃料電池24の発電が開始されて所定時間(例えば10時間)以上経過しているのを条件に、マップの初期特性を取得する。なお、初期性能評価とは、燃料電池システムを最初に発電させたときの性能の評価のことであり、その性能には上述したマップの初期特性などが含まれる。
マップの初期特性は、燃料電池システムを設置して稼動開始した当初について、燃料電池24の各温度における燃料電池24の出力電圧と温度との相関関係を示す特性である。マップの初期特性は、標準利用率に設定して燃料を供給し、燃料電池24が所定電流値で発電しているときにおける、燃料電池24の出力電圧および温度の実測値を第1ポイントとして取得し、その後、燃料利用率のみを変更し、燃料電池24が所定電流値で発電しているときにおける、燃料電池24の出力電圧および温度の実測値を第2ポイントとして取得し、これら第1および第2ポイントに基づいて算出することができる。
制御装置60は、ステップ102において、発電開始から所定時間経過したか否かを判定し、ステップ104において、初期性能評価が完了していないか否かを判定している。制御装置60は、発電開始から所定時間経過し、かつ、初期性能評価が完了していないときは、ステップ102,104にて「YES」とそれぞれ判定し、プログラムをステップ106以降に進めて、初期特性を取得する。
最初に、制御装置60は、標準利用率Rnに設定して燃料を供給し、燃料電池24が所定電流値で発電しているときにおける、燃料電池24の出力電圧および温度の実測値を第1ポイントとして取得する(図5参照)。具体的には、制御装置60は、ステップ106において、出力電流を所定電流値(例えば2A)に固定して燃料利用率を標準利用率Rnに設定して燃料を供給する。出力電流を所定電流に固定して行う発電が開始されて所定時間(例えば1時間)が経過すると、制御装置60は、発電状態が安定した判断して、ステップ108にて「YES」と判定し、プログラムをステップ110に進める。
制御装置60は、ステップ110において、燃料利用率を標準利用率Rnに設定して燃料を供給し、所定電流値に固定して発電する場合において、燃料電池24の出力電圧と温度を電圧センサ50aと温度センサ24dによって測定し、その測定結果(出力電圧:Ea0、温度:TH0)を第1ポイントとして記憶装置60aに記憶する。
次に、制御装置60は、燃料利用率を標準利用率Rnより所定値だけ小さい利用率Rn−cに設定して燃料を供給し、燃料電池24が所定電流値(ステップ106の電流値と同一である。)で発電しているときにおける、燃料電池24の出力電圧および温度の実測値を第2ポイントとして取得する(図5参照)。具体的には、制御装置60は、ステップ112において、出力電流を所定電流値(例えば2A)に固定して燃料利用率を利用率Rn−cに設定して燃料を供給する。この変更した設定による発電が開始されて所定時間(例えば1時間)が経過すると、制御装置60は、発電状態が安定した判断して、ステップ114にて「YES」と判定し、プログラムをステップ116に進める。なお、燃料電池24の発電は成り行きで行われており、燃料電池24の出力電圧および温度は成り行きで変化する。
制御装置60は、ステップ116において、燃料利用率を利用率Rn−cに設定して燃料を供給し、所定電流値に固定して発電する場合において、燃料電池24の出力電圧と温度を電圧センサ50aと温度センサ24dによって測定し、その測定結果(出力電圧:Eb5、温度:TH5)を第2ポイントとして記憶装置60aに記憶する。
次に、制御装置60は、ステップ118において、第1および第2ポイントから第3および第4ポイントを推定し、それらポイントからマップを作成する。第3ポイントは、第2ポイントと同一温度(TH5)と、その第2ポイントと同一温度(TH5)における標準利用率Rnに対する燃料電池24の出力電圧との座標で表される。第4ポイントは、第1ポイントと同一温度(TH0)と、その第1ポイントと同一温度(TH0)における利用率Rn−cに対する燃料電池24の出力電圧との座標で表される。
第3ポイントは次のように導出される。燃料電池24の温度は第2ポイントの温度(TH5)と同一であり、上記ネルンスト式に温度TH5、第3ポイントの利用率Rnを代入すれば、第3ポイントの出力電圧Ea5を算出することができ、第3ポイントを導出することができ、ひいては、特性fa5を導出することができる。なお、第3ポイントは、第1ポイントとネルンスト式とからも導出することができる。
第4ポイントは次のように導出される。燃料電池24の温度は第1ポイントの温度(TH0)と同一であり、上記ネルンスト式に温度TH0、第4ポイントの利用率Rn−cを代入すれば、第4ポイントの出力電圧Eb0を算出することができ、第4ポイントを導出することができ、ひいては、特性fa0を導出することができる。なお、第4ポイントは、第2ポイントとネルンスト式とからも導出することができる。
なお、燃料電池24の温度がTH0からTH5までの間にて所定温度毎における各特性も、第1〜第4ポイントとネルンスト式とから導出することもできる。図5において、各温度TH1〜TH4における、燃料電池24の出力電圧と燃料利用率との相関関係を示す各特性をfa1〜fa4で示している。
次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置60は、図示しない起動スイッチがオンされると、図6に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。発電運転中において、制御装置60は、ステップ202において、初期特性に係るマップの作成が完了しているか否かを判定する。図5に示すフローチャートに沿って作成する場合には、その作成が完了しているか否かを判定し、工場出荷時にマップまたは演算式を記憶させる場合には、その記憶が完了しているか否かを判定する。
マップの作成が完了している場合には、制御装置60は、ステップ204において、その作成後所定時間(例えば1週間)が経過しているか否かを判定する。制御装置60は、所定時間が経過していれば、プログラムをステップ206以降に進めて、流量誤差を算出し、流量誤差に基づく補正量を算出する。すなわち、燃料電池システムの起動スイッチを押すたびに、流量誤差を算出し、流量誤差に基づく補正量を算出することとなる。
制御装置60は、ステップ206において、所定電流値(例えば2A)に対応する燃料の標準状態における標準利用率Rnに応じた流量を制御指令値としてポンプ42cを制御することにより燃料を供給して燃料電池24の発電を行う。そして、この状態を所定時間(例えば1時間)維持した後で、燃料電池24の出力電圧と温度を電圧センサ50aと温度センサ24dによって測定する。本実施形態では、例えば、出力電圧としてExを取得し、温度としてTH2を取得する。
制御装置60は、ステップ208において、取得した出力電圧Exおよび温度TH2とマップとから流量誤差を算出する。具体的には、取得した温度TH2に係る特性fa2を選択し、その特性fa2において取得した出力電圧Exに対する燃料利用率Rxを算出する。この算出された燃料利用率は、燃料の実際の利用率(以下、実利用率という。)である。そして、制御装置60は、標準利用率Rnと実利用率Rxとの差から燃料の流量誤差ΔRを算出する。
制御装置60は、ステップ210において、算出した流量誤差ΔRに基づいて流量センサ42aの検出値を補正する補正量を算出する。このとき、流量誤差は利用率で表されており、流量に換算する必要がある。制御装置60は、ポンプ42cを流量センサ42aの検出値に基づいてフィードバック制御している。制御装置60は、このフィードバック制御において、先に算出した補正量にて流量センサ42aの検出値を補正して、ポンプ42cを制御している。
標準利用率Rnと実利用率Rxとの差から燃料の流量誤差ΔRを算出する理由を次に説明する。本願の発明者は、燃料電池24が所定電流値で発電をしているときについて、燃料電池24の出力電圧は燃料利用率に対して応答性がよいため、燃料電池24の温度が一定であるならば、燃料電池24の出力電圧と燃料利用率とはよい相関性があることを見出した。すなわち、この相関関係と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準利用率に応じた流量を制御指令値として供給装置を制御することにより燃料を供給して燃料電池24の発電を行う場合において温度センサ24dにより検出された燃料電池24の温度および電圧センサ50aにより検出された燃料電池24の出力電圧と、から燃料の実際の利用率である実利用率を算出できる。
一方、燃料利用率は(燃料電池の出力電流(A))/(燃料電池に供給されている燃料の流量(単位時間あたりの流量))に比例するものであるため、燃料利用率は流量と逆比例の関係にある。理由は次のとおりである。燃料利用率は下記数4で示される。
Figure 2013191311
ここで、電流は燃料電池24の固定した出力電流値であり、燃料流量はL/minであり、セルの枚数は燃料電池24のセルの枚数であり、22.4は標準状態における気体の体積であり、Cは燃料の成分に依存する定数である。
上記数4から明らかなように、燃料利用率は(燃料電池の出力電流(A))/(燃料電池に供給されている燃料の流量(単位時間あたりの流量))に比例する。
よって、実利用率が制御指令値に応じた標準利用率と同一である場合は、すなわち実利用率に相当する燃料の実流量と標準利用率に応じた燃料の流量とが同一である場合は、燃料の流量センサに誤差が発生してないということである。一方、実利用率と制御指令値に応じた標準利用率との間に差がある場合は、すなわち実利用率に相当する燃料の実流量と標準利用率に応じた燃料の流量との間に差がある場合は、燃料の流量センサに誤差が発生しているということである。
上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、燃料電池システムにおいては、制御装置60は、燃料電池24が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池24の温度毎における燃料電池24の出力電圧と燃料の利用率との相関関係を示すマップまたは演算式と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準利用率に応じた流量を制御指令値としてポンプ42cを制御することにより燃料を供給して燃料電池24の発電を行う場合において温度センサ24dにより検出された燃料電池の温度および電圧センサ50aにより検出された燃料電池の出力電圧と、から燃料の実際の利用率である実利用率を算出し(ステップ206、208)、燃料の標準利用率Rnと実利用率Rxとの差ΔRから燃料の流量誤差を算出し、該流量誤差に基づいて流量センサ42aの検出値を補正することができる。よって、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池24に供給される燃料の流量センサ42aを確実かつ的確に補正することができる。これにより、燃料が少ない側に誤差を発生させる場合、燃料利用率が高くなるのを抑制し、燃料電池24を劣化もしくは破損させるのを抑制することができる。燃料が多い側に誤差を発生させる場合、燃料量利用率が低くなり、発電効率が悪化するのを抑制し、ユーザメリットが薄れるのを抑制することができる。
また、マップまたは演算式は、燃料電池24が所定電流値で発電をしている状態において、燃料の利用率を標準利用率にて燃料を供給し、そのときの燃料電池の温度および出力電圧を測定し、該標準利用率およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される。これにより、より正確かつ確実に実利用率を算出することができるため、燃料電池に供給される燃料の流量センサをより確実かつ的確に補正することができる。
なお、上述した実施形態においては、マップまたは演算式は、燃料電池24の温度毎における燃料利用率と燃料電池24の出力電圧との相関関係を示すものであったが、燃料電池24の温度毎における燃料流量と燃料電池24の出力電圧との相関関係を示すものを使用してもよい。この場合、マップは図8に示すマップである。このマップは、上述した実施形態のマップと異なり、流量が大きくなるほど出力電圧が大きくなる関係にある。上述したように流量と燃料利用率は逆比例の関係にあるからである。また、温度が高いほど出力電圧は高くなる関係にある。
なお、制御においては、図4および図6のフローチャートの処理において、燃料利用率を燃料流量と、標準利用率を標準流量と、標準利用率より所定値小さい利用率を標準流量より所定値小さい流量と、実利用率を実流量と、して各処理を行えばよい。
この実施形態においては、制御装置60は、燃料電池24が所定電流値で発電をしているときについて燃料電池24の温度毎における燃料電池24の出力電圧と燃料の流量との相関関係を示すマップまたは演算式と、所定電流値に対応する燃料の標準状態における標準流量を制御指令値としてポンプ42cを制御することにより燃料を供給して燃料電池24の発電を行う場合において温度センサ24dにより検出された燃料電池24の温度および電圧センサ50aにより検出された燃料電池24の出力電圧と、から燃料の実際の流量である実流量を算出し、燃料の標準流量と実流量との差から燃料の流量誤差を算出し、該流量誤差に基づいて流量センサの検出値を補正する。これにより、上述した実施形態と同様に、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池に供給される燃料の流量センサを確実かつ的確に補正することができる。
また、マップまたは演算式は、燃料電池24が所定電流値で発電をしている状態において、燃料の流量を標準流量にて燃料を供給し、そのときの燃料電池24の温度および出力電圧を測定し、該標準流量およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される。これにより、より正確かつ確実に実流量を算出することができるため、燃料電池24に供給される燃料の流量センサ42aをより確実かつ的確に補正することができる。
11…筐体、11a…第1排気口、11b…空気導出口、11c…空気導入口、12…仕切部材、12a…空気導入口、13…水タンク、14…純水器、15…換気用空気ブロワ、20…燃料電池モジュール、21…ケーシング、21a…導出口、22…蒸発部、23…改質部、24…燃料電池、24a…セル、24b…燃料流路、24c…空気流路、24d…温度センサ、25…マニホールド、30…排熱回収システム(排熱回収系)、31…貯湯槽、32…貯湯水循環ライン、32…貯湯水循環ポンプ、32b,32c…温度センサ、33…熱交換器、42a…流量センサ、42c…原料ポンプ(供給装置)、50…インバータ装置、50a…電圧センサ、50b…電流センサ、51…系統電源、52…電源ライン、53…外部電力負荷、54…制御用電源、55…補機用電源、55a…電圧検出装置、56…電源遮断装置、56b…感熱部、56d…スイッチ部、57…電源回路、60…制御装置、R1…第1室、R2…第2室。

Claims (4)

  1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料を供給する供給装置と、
    前記燃料電池に供給されている前記燃料の流量を検出する流量センサと、
    前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、
    前記供給装置の供給量を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて前記燃料電池の温度毎における前記燃料電池の出力電圧と前記燃料の利用率との相関関係を示すマップまたは演算式と、前記所定電流値に対応する前記燃料の標準状態における標準利用率に応じた流量を制御指令値として前記供給装置を制御することにより前記燃料を供給して前記燃料電池の発電を行う場合において、前記温度センサにより検出された前記燃料電池の温度および前記電圧センサにより検出された前記燃料電池の出力電圧と、から前記燃料の実際の利用率である実利用率を算出し、
    前記燃料の標準利用率と実利用率との差から前記燃料の流量誤差を算出し、
    該流量誤差に基づいて前記流量センサの検出値を補正する燃料電池システム。
  2. 請求項1において、前記マップまたは演算式は、前記燃料電池が所定電流値で発電をしている状態において、前記燃料の利用率を前記標準利用率にて前記燃料を供給し、そのときの前記燃料電池の温度および出力電圧を測定し、該標準利用率およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される燃料電池システム。
  3. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料を供給する供給装置と、
    前記燃料電池に供給されている前記燃料の流量を検出する流量センサと、
    前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、
    前記供給装置の供給量を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池が所定電流値で発電をしているときについて前記燃料電池の温度毎における前記燃料電池の出力電圧と前記燃料の流量との相関関係を示すマップまたは演算式と、前記所定電流値に対応する前記燃料の標準状態における標準流量を制御指令値として前記供給装置を制御することにより前記燃料を供給して前記燃料電池の発電を行う場合において、前記温度センサにより検出された前記燃料電池の温度および前記電圧センサにより検出された前記燃料電池の出力電圧と、から前記燃料の実際の流量である実流量を算出し、
    前記燃料の標準流量と実流量との差から前記燃料の流量誤差を算出し、
    該流量誤差に基づいて前記流量センサの検出値を補正する燃料電池システム。
  4. 請求項3において、前記マップまたは演算式は、前記燃料電池が所定電流値で発電をしている状態において、前記燃料の流量を前記標準流量にて前記燃料を供給し、そのときの前記燃料電池の温度および出力電圧を測定し、該標準流量およびその測定した出力電圧を基準ポイントとして作成される燃料電池システム。


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