JP4860130B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化する、と言うことを防ぐ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、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの中のいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下する、と言うことを防ぐ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、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力をできるだけ一致させる燃料電池システムを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、目標とする燃料供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給する燃料供給装置と、目標とする空気供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池スタックの電圧又は電流が目標電圧又は目標電流になるように制御して、前記燃料電池スタックが出力する電力を負荷装置に供給する電力変換器と、前記燃料供給量、前記空気供給量、及び前記燃料電池スタックの前記目標電圧又は前記目標電流を決定するコントローラと、を備え、前記コントローラは、負荷装置が要求した要求電力に基づいて、全燃料電池セルへの燃料供給量の総量及び/又は全燃料電池セルへの空気供給量の総量、並びに前記燃料電池スタックの前記目標電圧又は前記目標電流を決定し、所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池の電圧と前記複数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、前記複数の燃料電池セルの各電圧のばらつきが低減されるように、前記燃料供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量を決定し、及び/又は前記複数の燃料電池セルの各電圧のばらつきが低減されるように、前記空気供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記空気供給量を決定し、前記燃料供給装置は、前記燃料電池セル毎の前記燃料供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び/又は前記空気供給装置は前記燃料電池セル毎の前記空気供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する、ことを特徴とする燃料電池システムである。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できる、有利な効果が得られる。
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの中のいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できる、有利な効果が得られる。
本発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力をできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できるという有利な効果が得られる。
図1〜4を用いて、本発明の実施の形態1の燃料電池システムを説明する。図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示すように本発明の実施の形態1の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルで構成される燃料電池スタック100、燃料電池スタック100の各燃料電池セルに燃料を供給するための燃料供給装置101(1)〜101(n)(nは2以上の任意の正整数)、燃料電池スタック100の各燃料電池セルに空気を供給するための空気供給装置102、燃料電池スタック100の電圧を制御するための電力変換器103、燃料電池スタック100の発電電力が負荷装置の要求電力に満たないときに不足分の電力を補うための2次電池104、燃料電池スタック100の各燃料電池セルの電圧を計測するための電圧計測器105、燃料電池スタック100の電流を計測するための電流計測器106、燃料電池スタック100の温度を計測するための温度計測器107、燃料電池システムを制御するためのコントローラ108で構成される。燃料電池システムは、負荷装置109に電力を供給する。
空気供給装置102は、コントローラ108から空気供給量を入力し、その空気供給量に基づいて燃料電池セル110(1)〜110(n)に、空気を供給する。空気供給量は、n個全ての燃料電池セル110(1)〜110(n)に対して共通の値である。
電力変換器103は、実施の形態1において入力電圧一定型のDC−DCコンバータである。電力変換器103は、燃料電池スタック100の電圧(直列に接続した燃料電池セル110(1)〜110(n)の総電圧)が、コントローラ108が指示した目標電圧になるように制御する。
電流計測器106は、燃料電池スタック100の出力電流を計測して、計測した電流値をコントローラ108と電力変換器103とに伝送する。
温度計測器107は、燃料電池スタック100の温度を計測して、コントローラ108に伝送する。
コントローラ108は、燃料供給総量テーブル401(図4)を有する。図4については後述する。コントローラ108は、負荷装置109が要求してきた要求電力と温度計測器107が計測した温度とを入力して、燃料供給総量テーブル401から、燃料電池セル110(1)〜110(n)に供給する燃料供給総量を算出する。
コントローラ108は、n個の燃料供給量をそれぞれ対応する燃料供給装置101(1)〜(n)に出力する。コントローラ108は、所定の空気供給量の値を空気供給装置102に出力する。
コントローラ108は、燃料供給総量(Rtotal)を燃料電池セルの数(n)で除算した値を、各燃料電池セルへの燃料供給量(Ri)の初期値に設定する(Ri←Rtotal/n (i=1〜n))(ステップ201)。
電力変換器103は、燃料電池スタック100の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御する。
燃料電池セル毎に、電圧(V1〜Vn)と平均電圧(Vave)との差であるセル電圧偏差(ei)を算出する(ei=Vi−Vave(i=1〜n))(ステップ205)。
ΣRi=ΣRi−k1Σei
=ΣRi−k1(ΣVi−nVave)
=ΣRi−k1×0
=ΣRi
=Rtotal
燃料供給装置101(1)〜(n)は、飽和処理後の燃料供給量(Ri)(i=1〜n)に基づいて、燃料電池セル110(1)〜110(n)にそれぞれ燃料を供給する。
まず、燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧の最小値(min(Vi)(i=1〜n))と、所定値(Vref_min)との差であるセル最小電圧偏差(em)を算出する(em←min(Vi)(i=1〜n)−Vref_min)(ステップ220)。セル最小電圧偏差(em)が所定値より小さいか否か判断する(ステップ221)。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ、燃料電池スタック100の目標電圧を増加させる(目標電圧←目標電圧+k3×em)(ステップ222)。ここで、k3は所定の係数である。このようにコントローラ108は目標電圧を増加させ、電力変換器103はステップ222で設定された新たな目標電圧に一致するように、燃料電池スタック100の電圧を増加させる。これにより、燃料電池セルの電圧が所定値未満になって過放電が起こり、燃料電池セルの電解質膜が破損または劣化することを防いでいる。
セル最小電圧偏差が所定値以上であれば、目標電圧を元の値V0に戻す(ステップ223)。
一方、n個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧のばらつきが小さくなったと判断し、燃料電池スタック100の最新の所定時間内の発電電力(P)を算出する(電力P=総電圧(ΣVi)×電流)(ステップ209)。
電力差(ep)の絶対値が所定値以上であれば、燃料供給総量の過不足が生じていると判断し、電力差に応じて燃料供給総量を算出し直す(Rtotal←Rtotal+k2×ep)(ステップ212)。ここで、k2は所定の正定数[cc/min/V]である。具体的には、燃料電池スタック100の発電電力(P)が、要求電力(Preq)より小さいときには、燃料供給量不足と判断し、燃料供給総量(Rtotal)を増加させる。発電電力(P)が要求電力(Preq)より大きいときには、燃料供給量過剰と判断し、燃料供給総量(Rtotal)を減少させる。
燃料供給総量(Rtotal)を変更することにより、燃料電池セル110(1)〜110(n)への各燃料供給量(Ri)(i=1〜n)がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ202に戻る。
その後この燃料電池システムはステップ202以降を繰り返し、燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの燃料供給量((Ri)(i=1〜n))を調整しながら、要求電力(Preq)と燃料電池スタック100の発電電力(P)を一致させる。
燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧の最小値が所定値より小さくなった場合には、燃料電池スタック100の電圧を増加させることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
図5〜9を用いて、本発明の実施の形態2の燃料電池システムを説明する。図5は、本発明の実施の形態2の燃料電池システムの構成を示す図である。図5において、図1と同一の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。実施の形態2の燃料電池システムは、空気を供給する空気供給装置502(1)〜502(n)(nは2以上の任意の正整数)を燃料電池セル101(1)〜101(n)毎に設置し、各燃料電池セルに均一に燃料を供給する燃料供給装置501を一つ設置する。コントローラ108は、空気供給総量テーブル801(図8)を有する。それ以外の構成について、実施の形態2の燃料電池システムは実施の形態1と同じである。
まず、コントローラ108は、負荷装置109が要求する要求電力(Preq)と、温度計測器107が出力する燃料電池スタック100の温度計測値(T1)とを入力し、空気供給総量テーブル801から空気供給総量(Atotal)を算出する(ステップ600)。このとき、コントローラ108は要求電力に基づいて、燃料電池スタック100の目標電圧V0を決定し、電力変換器103に出力する。
コントローラ108は、空気供給総量(Atotal)を燃料電池セルの数(n)で除算した値を、各燃料電池セルへの空気供給量(Ai)の初期値に設定する(Ai←Atotal/n (i=1〜n))(ステップ601)。
電力変換器103は、燃料電池スタック100の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御する。
燃料電池セル毎に、電圧(V1〜Vn)と平均電圧(Vave)との差であるセル電圧偏差(ei)を算出する(ei=Vi−Vave(i=1〜n))(ステップ205)。
ΣAi=ΣAi−k1Σei
=ΣAi−k1(ΣVi−nVave)
=ΣAi−k1×0
=ΣAi
=Atotal
空気供給装置502(1)〜(n)は、飽和処理後の空気供給量(Ai)(i=1〜n)に基づいて、燃料電池セル110(1)〜110(n)にそれぞれ空気を供給する。
まず、燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧の最小値(min(Vi)(i=1〜n))と、所定値(Vref_min)との差であるセル最小電圧偏差(em)を算出する(em←min(Vi)(i=1〜n)−Vref_min)(ステップ220)。セル最小電圧偏差(em)が所定値より小さいか否か判断する(ステップ221)。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ、燃料電池スタック100の目標電圧を増加させる(目標電圧←目標電圧+k3×em)(ステップ222)。ここで、k3は所定の係数である。このようにコントローラ108は目標電圧を増加させ、電力変換器103はステップ222で設定された新たな目標電圧に一致するように、燃料電池スタック100の電圧を増加させる。これにより、燃料電池セルの電圧が所定値未満になって過放電が起こって、燃料電池セルの電解質膜が破損または劣化する、と言うことを防いでいる。
セル最小電圧偏差が所定値以上であれば、目標電圧を元の値V0に戻す(ステップ223)。
一方、n個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧のばらつきが小さくなったと判断し、燃料電池スタック100の最新の所定時間内の発電電力(P)を算出する(電力P=総電圧(ΣVi)×電流)(ステップ209)。
電力差(ep)の絶対値が所定値以上であれば、空気供給総量の過不足が生じていると判断し、電力差に応じて空気供給総量を算出し直す(Atotal←Atotal+k2×ep)(ステップ612)。ここで、k2は所定の正定数[L/min/V]である。具体的には、燃料電池スタック100の発電電力(P)が、要求電力(Preq)より小さいときには、空気供給量不足と判断し、空気供給総量(Atotal)を増加させる。発電電力(P)が要求電力(Preq)より大きいときには、空気供給量過剰と判断し、空気供給総量(Atotal)を減少させる。
空気供給総量(Atotal)を変更することにより、燃料電池セル110(1)〜110(n)への各空気供給量(Ai)(i=1〜n)がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ202に戻る。
その後この燃料電池システムはステップ202以降を繰り返し、燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの空気供給量((Ai)(i=1〜n))を調整しながら、要求電力(Preq)と燃料電池スタック100の発電電力(P)を一致させる。
燃料電池セル110(1)〜110(n)の電圧の最小値が所定値より小さくなった場合には、燃料電池スタックの電圧を増加させることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
101、501 燃料供給装置
102、502 空気供給装置
103 電力変換器
104 2次電池
105 電圧計測器
106 電流計測器
107 温度計測器
108 コントローラ
109 負荷装置
110 燃料電池セル
Claims (6)
- 複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、
目標とする燃料供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給する燃料供給装置と、
目標とする空気供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池スタックの電圧又は電流が目標電圧又は目標電流になるように制御して、前記燃料電池スタックが出力する電力を負荷装置に供給する電力変換器と、
前記燃料供給量、前記空気供給量、及び前記燃料電池スタックの前記目標電圧又は前記目標電流を決定するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、負荷装置が要求した要求電力に基づいて、全燃料電池セルへの燃料供給量の総量及び/又は全燃料電池セルへの空気供給量の総量、並びに前記燃料電池スタックの前記目標電圧又は前記目標電流を決定し、
所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池の電圧と前記複数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、
前記複数の燃料電池セルの各電圧のばらつきが低減されるように、前記燃料供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量を決定し、
及び/又は前記複数の燃料電池セルの各電圧のばらつきが低減されるように、前記空気供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記空気供給量を決定し、
前記燃料供給装置は、前記燃料電池セル毎の前記燃料供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び/又は前記空気供給装置は前記燃料電池セル毎の前記空気供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する、
ことを特徴とする記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの温度を計測する温度計測器を更に備え、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの温度と前記負荷装置の要求電力とから、前記燃料供給量の総量を算出する燃料供給総量テーブル及び/又は前記空気供給量の総量を算出する空気供給総量テーブルを有し、
前記コントローラは、前記温度計測器から前記燃料電池スタックの温度を入力し、前記負荷装置から要求電力を入力して、前記燃料供給総量テーブル及び/又は前記空気供給総量テーブルに基づいて前記燃料供給量の総量及び/又は前記空気供給量の総量を算出し、前記燃料供給量の総量及び/又は前記空気供給量の総量を前記燃料電池セルの総数で除した量を前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量及び/又は前記空気供給量の初期値とし、
所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池の電圧と前記複数の各燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、各々の前記燃料電池セルの前記燃料供給量及び/又は前記空気供給量から前記電圧偏差に所定の値を乗算した値を減算して目標とする燃料供給量及び/又は空気供給量を得て、この動作を繰り返すことにより、セル電圧のばらつきを低減する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記コントローラは、所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池セルの電圧と前記複数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、
前記複数の燃料電池セルの前記電圧偏差の絶対値の最大値が所定値よりも小さくなった場合に、一定時間内の前記燃料電池スタックの発電電力を算出し、その発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に応じて、前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量を増減させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックの発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に所定の値を乗じた値をこれまでの前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量に加算することによって前記燃料供給量の総量又は空気供給量の総量を増減させることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記複数の燃料電池セルの各電圧の中の最小電圧値が所定電圧値よりも小さくなった際には、前記コントローラが前記目標電圧を増加させることにより、前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラが前記目標電流を減少させることにより、前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電流を減少させることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかの請求項に記載の燃料電池システム。
- 前記複数の燃料電池セルの各電圧の中での最小電圧値が所定電圧値よりも小さくなった際には、前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電圧に加算し、前記目標電圧に基づいて前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電流から減算し、前記目標電流に基づいて前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電流を減少させ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。
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