JP4634163B2

JP4634163B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4634163B2
Application number: JP2005018218A
Authority: JP
Inventors: 徳寿佐薙
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-01-26
Also published as: JP2006210047A

Description

本発明は、純水素や副生水素などを原燃料とする燃料電池システムにおいて、水素不足運転を検出して燃料電池の停止を未然に防止可能にした燃料電池システムに関する。

従来、純水素や副生水素などを原燃料とする燃料電池システムにおいては、電池本体に供給される原燃料の流量を流量計により検出し、その流量検出値に基づき、発電出力に応じて必要な原燃料を電池本体のアノード極に供給している。

図７は従来の燃料電池システムの構成を示す系統図であり、以下その概要について説明する。

この燃料電池システムは、図７に示すように主要な機器として電池本体１、この電池本体１に繋がる原燃料供給系に設けられた原燃料流量調節弁３、原燃料供給系より原燃料流量調節弁３を介して電池本体１のアノード極に供給される原燃料流量を検出する原燃料流量計２およびこの原燃料流量計２により検出された流量検出値をもとに流量設定値に基づいて原燃料流量調節弁３を制御するＰＩ制御器４を備えている。

このような構成の燃料電池システムにおいて、電池本体１のアノード極で消費される水素量は発電出力により決まるため、電池電流などを図示しない原燃料流量設定関数発生器に入力し、この原燃料流量設定関数発生器から得られる原燃料流量設定値をＰＩ制御器４に与える。

この状態で原燃料流量計２により検出された流量検出値がＰＩ制御器４に入力されると、このＰＩ制御器４はこの流量検出値をもとに原燃料流量設定値に基づいて比例積分演算し、その演算結果に基づいて原燃料流量調節弁３を制御することで、発電出力に見合った水素が電池本体１のアノード極に供給される。

従って、原燃料流量計２で計測される原燃料流量値が正確である限り、電池本体１のアノード極に適切な量の水素が供給されることになる。

しかしながら、かかる従来の燃料電池システムにおいては、原燃料流量計２が何らかの原因で水素流量を誤指示すると、適切な水素量を電池本体１のアノード極に供給することが不可能になる。特に実際の流量より多い水素流量を検出すると電池本体１のアノード極に供給される水素量が不足するため、電池電圧の低下により発電が継続できなくなり、燃料電池システムが停止するという不具合が発生するばかりでなく、水素不足の状態が長時間続くと電池本体１へ不可逆な損傷を与えることもある。

また、純水素や副生水素などを原燃料とする燃料電池システムでは、発電効率を高めることを目的に理論的に必要な水素量に僅かな余剰分を足した水素量を電池本体のアノード極に供給することもあり、このような場合には原燃料流量計が僅かでも高い流量値を検出しただけで、水素不足の状態になり得るという問題がある。

一方、都市ガスなどを原燃料とする改質器を有する燃料電池システムにおいては、改質器の温度により原燃料流量計の誤指示をある程度検出することが可能で、改質器の温度で原燃料流量設定値を補正する機能を有しているため、原燃料流量計の誤指示に対して一定の耐性を持っている。

しかし、純水素や副生水素などを原燃料とする燃料電池システムは、改質器を持たないため、原燃料流量計の誤指示に対して燃料電池本体への水素供給量に直ちに影響を与えてしまう。

本発明は上記の問題を解消し、原燃料流量計の誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避できると共に、電池本体への損傷を防ぐことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、純水素や副生水素などの原燃料を原燃料供給系に設けられた原燃料流量調節弁を介して電池本体のアノード極に供給して発電出力を得る燃料電池システムにおいて、前記電池本体に供給される原燃料の流量を検出する原燃料流量計と、この原燃料流量計により検出された原燃料検出値と原燃料流量設定値に基づいて前記原燃料流量調節弁の制御開度を求める制御手段と、電池電流をパラメータとして原燃料流量調節弁の下限開度を発生する下限開度関数発生手段と、前記制御手段により求められた制御開度が前記下限開度関数発生手段より発生する下限開度以上のときは制御開度を、下限開度未満のときは下限開度を選択して前記原燃料流量調節弁を制御する選択手段とを備える。

本発明によれば、原燃料流量計の誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避でき、電池本体の損傷を防ぐことができる。また、原燃料流量計の誤差を考慮しないで原燃料流量設定値を与えることができるため、余剰な原燃料を極限まで低減することができ、従来よりも高高率な燃料電池システムを提供できる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を示す系統構成図で、図７と同一部分には同一符号を付して説明する。

図１において、１は電池本体で、この電池本体１に繋がる原燃料供給系には原燃料流量調節弁３が設けられている。また、原燃料供給系には原燃料流量調節弁３を介して電池本体１のアノード極に供給される原燃料流量を検出する原燃料流量計２が設けられ、この原燃料流量計２により検出された流量検出値はＰＩ制御器４に入力される。

このＰＩ制御器４は、原燃料流量計２により検出された流量検出値をもとに原燃料流量設定関数発生器５から電池電流をパラメータとして発生する原燃料流量設定値に基づいて原燃料流量調節弁３の制御開度を求めるものである。

一方、６は電池電流をパラメータとして原燃料流量調節弁３の下限開度を発生させる下限開度関数発生器で、この下限開度関数発生器６より出力される下限開度はＰＩ制御器４により求められた制御開度と共に高値選択回路７にそれぞれ与えられる。

この高値選択回路７は、下限開度とＰＩ制御器４により求められた制御開度のうち高値の方を選択して流量調節弁３の開度を制御する。

このような構成の燃料電池システムにおいて、いま燃料供給系より流量調節弁３を介して電池本体１に発電出力に見合った水素量が供給されているとき、原燃料流量計２が何らかの原因により誤指示を出すと、ＰＩ制御器４はこの誤指示による原燃料検出値と原燃料流量設定値に基づいて原燃料流量調節弁３の制御開度を求め、この制御開度は下限開度関数発生器６より出力される下限開度と高値選択回路７で比較され、常に下限開度よりも高値の開度で原燃料流量調節弁３が制御される。すなわち、原燃料流量調節弁３は制御開度が下限開度関数発生器６より発生する下限開度以上のときは制御開度を、下限開度未満のときは下限開度により制御される。

従って、原燃料流量計２が誤指示を発生した場合でも、原燃料流量調節弁３が下限開度未満にならないため、原燃料流量計２が誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避でき、電池本体の損傷を防ぐことができる。

（第２の実施形態）
図２は本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

第２の実施形態では、原燃料供給系より原燃料流量調節弁３を介して電池本体１のアノード電極に供給される原燃料の圧力を圧力検出器８により検出し、この圧力検出器８により検出された圧力検出値をＰＩ制御器９に入力し、このＰＩ制御器９により圧力検出値と電池電流をパラメータとして原燃料圧力設定値を発生させる原燃料圧力関数発生器１０より得られる原燃料圧力設定値に基づいて原燃料流量設定値に対する補正係数を求め、この補正係数と原燃料流量設定関数発生器５から得られる原燃料流量設定値とを乗算器１１により乗算してＰＩ制御器４に与えるようにしたもので、それ以外は図１と同様である。

このような構成の燃料電池システムにおいて、ＰＩ制御器４は原燃料流量計２で計測された原燃料検出値が原燃料流量設定値に追従するように原燃料流量調節弁３を制御するが、この場合原燃料流量設定値は単に燃料電池出力から一義的に決まる値ではなく、電池本体１へ供給される原燃料圧力によっても左右される。

本実施形態では、原燃料流量計２が誤指示を出し、その結果電池本体１へ供給される原燃料圧力が変動した場合でも、ＰＩ制御器９により圧力検出器８で検出された原燃料圧力値と原燃料圧力関数発生器１０より得られる原燃料圧力設定値に基づいて求められる補正係数により原燃料流量設定値が補正され、原燃料圧力が正常になるように原燃料流量調節弁３の開度を制御することができる。これにより、原燃料流量計２の誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避でき、電池本体１の損傷を防ぐことができる。

この場合、ＰＩ制御器４はこの誤指示による原燃料検出値をもとに補正された原燃料流量設定値に基づいて原燃料流量調節弁３の制御開度を求め、この制御開度が下限開度関数発生器６より出力される下限開度と高値選択回路７で比較され、常に下限開度よりも高値の開度で原燃料流量調節弁３が制御されることは第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
図３は本発明による燃料電池システムの第３の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

第３の実施形態では、電池本体１のアノード電極出口から排出される可燃ガスの濃度を可燃ガス濃度検出器１２により検出し、その可燃ガス濃度検出値をＰＩ制御器９に入力し、このＰＩ制御器９により可燃ガス濃度検出値と電池電流をパラメータとして可燃ガス濃度設定値を発生させる可燃ガス濃度関数発生器１３より得られる可燃ガス濃度設定値に基づき原燃料流量設定値に対する補正係数を求め、この補正係数と原燃料流量設定関数発生器５から得られる原燃料流量設定値とを乗算器１１により乗算してＰＩ制御器４に与えるようにしたもので、それ以外は図１と同様である。

このような構成の燃料電池システムにおいて、ＰＩ制御器４は原燃料流量計２で計測された原燃料検出値が原燃料流量設定値に追従するように原燃料流量調節弁３を制御するが、この場合原燃料流量設定値は単に燃料電池出力から一義的に決まる値ではなく、燃料電池本体１から排出される可燃ガスの濃度によっても左右される。

本実施形態では、原燃料流量計２が誤指示を出し、その結果電池本体１から排出される可燃ガス濃度が変化した場合でも、ＰＩ制御器９により可燃ガス濃度検出器８で検出された可燃ガス濃度検出値と可燃ガス濃度関数発生器１３より得られる可燃ガス濃度設定値に基づいて求められる補正係数で原燃料流量設定値が補正され、可燃ガス濃度が正常になるように原燃料流量調節弁３の開度を制御することができる。これにより、原燃料流量計２の誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避でき、電池本体１の損傷を防ぐことができる。

（第４の実施形態）
図４は本発明による燃料電池システムの第４の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

第４の実施形態では、電池本体１のアノード電極出口側から排出される可燃ガスを小型燃料電池１４に供給して発電させると共に、その出力電圧Ｖを電圧検出器１５により検出し、この電圧検出器１５で検出された電圧検出値をＰＩ制御器９に入力し、このＰＩ制御器９により電圧検出値と電池電流をパラメータとして電圧設定値を発生させる電圧関数発生器１６より得られる電圧設定値に基づき原燃料流量設定値に対する補正係数を求め、この補正係数と原燃料流量設定関数発生器５から得られる原燃料流量設定値とを乗算器１１により乗算してＰＩ制御器４に与えるようにしたもので、それ以外は図１と同様である。

このような構成の燃料電池システムにおいて、ＰＩ制御器４は原燃料流量計２で計測された原燃料検出値が原燃料流量設定値に追従するように原燃料流量調節弁３を制御するが、この場合原燃料流量設定値は単に燃料電池出力から一義的に決まる値ではなく、電池本体１から排出される可燃ガスを燃料として発電する小型燃料電池１４の出力電圧によっても左右される。

本実施形態では、原燃料流量計２が誤指示を出し、その結果小型燃料電池１４の出力電圧が変動した場合でも、ＰＩ制御器９により電圧検出器１５で検出された電圧検出値と電圧関数発生器１６より得られる電圧設定値に基づいて求められる補正係数により原燃料流量設定値が補正され、小型燃料電池１４の出力電圧が正常になるように原燃料流量調節弁３の開度を制御することができる。これにより、原燃料流量計２の誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避でき、電池本体１の損傷を防ぐことができる。

（第５の実施形態）
図５は本発明による燃料電池システムの第５の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

第５の実施形態では、電池本体１のアノード電極出口側から排出される可燃ガスを触媒酸化器１７により酸化させて排出すると共に、この触媒酸化器１７の温度を温度検出器１８により検出し、この温度検出器１８で検出された温度検出値Ｔ１をＰＩ制御器９に入力し、このＰＩ制御器９により温度検出値Ｔ１と電池電流をパラメータとして触媒酸化器１７の温度設定値を発生させる温度関数発生器１９より得られる温度設定値に基づき原燃料流量設定値に対する補正係数を求め、この補正係数と原燃料流量設定関数発生器５から得られる原燃料流量設定値とを乗算器１１により乗算してＰＩ制御器４に与えるようにしたもので、それ以外は図１と同様である。

このような構成の燃料電池システムにおいて、ＰＩ制御器４は原燃料流量計２で計測された原燃料検出値が原燃料流量設定値に追従するように原燃料流量調節弁３を制御するが、この場合原燃料流量設定値は単に燃料電池出力から一義的に決まる値ではなく、電池本体１から排出される可燃ガスを酸化させる触媒酸化器１７の反応熱による温度によっても左右される。

本実施形態では、原燃料流量計２が誤指示を出し、その結果触媒酸化器１７の反応熱により温度が変化した場合でも、ＰＩ制御器９により温度検出器１８で検出された温度検出値Ｔ１と温度関数発生器１６より得られる温度設定値に基づいて求められる補正係数により原燃料流量設定値が補正され、触媒酸化器１７の温度が正常になるように原燃料流量調節弁３の開度を制御することができる。これにより、原燃料流量計２の誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避でき、電池本体１の損傷を防ぐことができる。

（第６の実施形態）
図６は本発明による燃料電池システムの第６の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

第６の実施形態では、電池本体１のアノード電極出口側から排出される可燃ガスを燃焼器２０により燃焼させて排出すると共に、この燃焼器２０の燃焼温度を燃焼温度検出器２１により検出し、この燃焼温度検出器２１で検出された燃焼温度検出値Ｔ２をＰＩ制御器９に入力し、このＰＩ制御器９により燃焼温度検出値Ｔ２と電池電流をパラメータとして燃焼器２０の燃焼温度設定値を発生させる燃焼温度関数発生器２２より得られる燃焼温度設定値に基づき原燃料流量設定値に対する補正係数を求め、この補正係数と原燃料流量設定関数発生器５から得られる原燃料流量設定値とを乗算器１１により乗算してＰＩ制御器４に与えるようにしたもので、それ以外は図１と同様である。

このような構成の燃料電池システムにおいて、ＰＩ制御器４は原燃料流量計２で計測された原燃料検出値が原燃料流量設定値に追従するように原燃料流量調節弁３を制御するが、この場合原燃料流量設定値は単に燃料電池出力から一義的に決まる値ではなく、電池本体１から排出される可燃ガスを燃焼させる燃焼器２０の燃焼温度によっても左右される。

本実施形態では、原燃料流量計２が誤指示を出し、その結果、燃焼器２０の燃焼温度が変化した場合でも、ＰＩ制御器９により燃焼温度検出器２１で検出された燃焼温度検出値Ｔ２と燃焼温度関数発生器２２より得られる燃焼温度設定値に基づいて求められる補正係数により原燃料流量設定値が補正され、燃焼器２０の燃焼温度が正常になるように原燃料流量調節弁３の開度を制御することができる。これにより、原燃料流量計２の誤指示に対して一定の耐性を持ち、水素不足による燃料電池停止という不具合を回避でき、電池本体１の損傷を防ぐことができる。

本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を示す系統構成図。本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を示す系統構成図。本発明による燃料電池システムの第３の実施形態を示す系統構成図。本発明による燃料電池システムの第４の実施形態を示す系統構成図。本発明による燃料電池システムの第５の実施形態を示す系統構成図。本発明による燃料電池システムの第６の実施形態を示す系統構成図。従来の燃料電池システムを示す系統構成図。

符号の説明

１…電池本体、２…原燃料流量計、３…原燃料流量調節弁、４，９…ＰＩ制御器、５…原燃料流量設定関数発生器、６…下限開度関数発生器、７…高値選択回路、８…圧力検出器、１０…原燃料圧力関数発生器、１１…乗算器、１２…可燃ガス濃度検出器、１３…可燃ガス濃度関数発生器、１４…小型燃料電池、１５…電圧検出器、１６…電圧関数発生器、１７…触媒酸化器、１８…温度検出器、１９…温度関数発生器、２０…燃焼器、２１…燃焼温度検出器、２２…燃焼温度関数発生器

Claims

純水素や副生水素などの原燃料を原燃料供給系に設けられた原燃料流量調節弁を介して電池本体のアノード極に供給して発電出力を得る燃料電池システムにおいて、
前記電池本体に供給される原燃料の流量を検出する原燃料流量計と、この原燃料流量計により検出された原燃料検出値と原燃料流量設定値に基づいて前記原燃料流量調節弁の制御開度を求める制御手段と、電池電流をパラメータとして原燃料流量調節弁の下限開度を発生する下限開度関数発生手段と、前記制御手段により求められた制御開度が前記下限開度関数発生手段より発生する下限開度以上のときは制御開度を、下限開度未満のときは下限開度を選択して前記原燃料流量調節弁を制御する選択手段とを備えた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において、前記電池本体に供給される原燃料の圧力を検出する原燃料圧力検出器を設け、この原燃料圧力検出器により検出された原燃料圧力検出値に基づいて前記制御手段に入力される原燃料流量設定値を補正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において、前記電池本体のアノード極の出口側に可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出器を設け、この可燃ガス濃度検出器により検出された可燃ガス濃度検出値に基づいて前記制御手段に入力される原燃料流量設定値を補正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において、前記電池本体のアノード極の出口側に小型燃料電池を設置すると共に、この小型燃料電池より発生する電圧を検出する電圧検出器を設け、この電圧検出器により検出された電圧検出値に基づいて前記制御手段に入力される原燃料流量設定値を補正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において、前記電池本体のアノード極の出口側に触媒酸化器を設置すると共に、この触媒酸化器の温度を検出する温度検出器を設け、この温度検出器により検出された温度検出値に基づいて前記制御手段に入力される原燃料流量設定値を補正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において、前記電池本体のアノード極の出口側に燃焼器を設置すると共に、この燃焼器の温度を検出する温度検出器を設け、この温度検出器により検出された温度検出値に基づいて前記制御手段に入力される原燃料流量設定値を補正することを特徴とする燃料電池システム。