JP2010092726A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ステップ200では、セルスタック電流の変化量を求める。ステップ210では、セルスタック電流変化量が正か否かを判定する。ステップ220では、セルスタック電流変化量に応じて、加算目標セルスタック電圧を設定する。ステップ240では、基準目標セルスタック電圧に加算電圧を加え、目標とする制御電圧である目標セルスタック電圧を求める。ステップ250では、目標セルスタック電圧からセルスタック電圧を引いて、電圧偏差を求める。ステップ260では、電圧偏差に応じて、燃料利用率を求める。ステップ270では、セルスタック電流と燃料利用率に応じて、燃料流量を求める。
【選択図】図6
Description
この特許文献1の技術は、燃料電池に接続された負荷の消費電力への追従性向上を図るものであり、初期I−V特性に基づいた燃料流量の規格流量を基本として、別途算出した補正流量を加算するものである。ここで、燃料電池(例えば複数の発電セルを積層したセルスタック)の発電能力低下の補正は、初期I−V特性から得られるセルスタック電圧の規定値と実測値との偏差をパラメータとして補正流量を求め、この補正流量を加算することにより実現している。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも簡易な手法で、負荷の消費電力の変化に速やかに対応できる燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
また、本発明では、負荷消費電力の増加に備えた燃料増量を、目標電圧の設定値を上げることにより実現できるために、流量計算を同一の処理で行うことができ、簡潔な制御となる。
その上、本発明では、上述した制御を行うことにより、さまざまな条件に起因する発電能力の低下を補正した上で、最適燃料流量による発電が可能となる。なお、燃料電池の発電能力の低下は、目標電圧にフィードバック制御することで、自動的に補正することができる。
なお、負荷消費電力から間接的に出力電流を求める場合には、例えば、負荷消費電力と出力電圧とを用い、(負荷消費電力/出力電圧)の演算により出力電流を算出することができる。
ここで、前記各発明の各構成について説明する。
[実施形態]
a)まず、本実施形態である燃料電池システムの構成について、図1に基づいて説明する。
前記触媒燃焼器7は、セルスタック3から排出される排出ガス中に含まれる残余の可燃ガスを、例えば白金、ロジウム、パラジウム等の触媒を利用して燃焼させる装置である。この触媒燃焼器7における燃焼によって、断熱容器1内の温度を、セルスタック3における発電を好適に行う温度(例えば約700℃)に保つことができる。
b)次に、燃料電池システムの基本的動作について説明する。
<セルスタック電流を直接用いる場合>
Q=(Is・α)/(Uf・Vh2/100) ・・・(1)
<負荷消費電力から間接的にセルスタック電流を算出して用いる場合>
Q=[(P・Es)・α]/(η・Uf・Vh2/100) ・・・(2)
Q:燃料流量[L/min]
Es:セルスタック電圧[V]
Is:セルスタック電流[A]
P:負荷消費電力[W]
α:セルスタック電流1[A]の取り出しに必要な水素流量[L/min・A]
η:定電圧変換器の変換効率[%]
Uf:燃料利用率[%]
Vh2:燃料中の水素割合[%]
この式(1)又は(2)で、燃料利用率Ufとは、都市ガス等の燃料流量の総流量に対する発電に寄与する流量の割合のことであり、燃料中の水素割合Vh2とは、都市ガス等の燃料ガスに含まれる水素の割合のことである。
c)次に、燃料電池システムを制御するための原理について、図2〜図4に基づいて説明する。
図2に、セルスタック3の電流−電圧特性(I−V特性)を示す。
この図2から明らかな様に、燃料利用率を低く(即ち燃料流量を多くする)ほど、発電能力は高くなり、逆に、燃料利用率を高く(即ち燃料流量を少なくする)ほど、発電能力は低くなる。
図3に示す様に、初期I−V特性(例えば点Aを含む下方のカーブ)を元に、セルスタック電圧に基準となる目標電圧(基準目標電圧)を設定し、これを一定に保つように、前記式(1)又は(2)の燃料流量計算式の燃料利用率を可変として制御する(実際には燃料流量を制御する)。これにより、I−V特性は負荷消費電力に応じたものに変化する(例えば図3の点Bを含む中間のカーブ又は点Cを含む上方のカーブ参照)。
図4に示す様に、負荷消費電力が一定で安定している場合、即ちセルスタック電流の変化量が0[A]の場合を基準目標電圧(例えば12[V])とし、これにセルスタック電流の増加量に応じた電圧(加算電圧)を加算したものを目標電圧して、燃料利用率(即ち燃料流量)を制御する。
(1)メインルーチン
図5に示す様に、本メインルーチンは、燃料電池システムの制御部29を作動させる電源がONされると開始される。
続くステップ120では、セルスタック電流を直接測定するか否か、即ち、セルスタック電流を直接測定するか、負荷消費電力を測定し間接的にセルスタック電流を算出するかを判定する。ここで肯定判断されるとステップ130に進み、一方否定判断されるとステップ140に進む。なお、この判定は、例えばどちらの処理を行うかを示すフラグ等を利用して行うことができる。
一方、ステップ140では、第2電圧計25により測定された電圧と第2電流計27により測定された電流により、負荷消費電力を算出する。
(2)燃料流量計算ルーチン
図6に示す様に、ステップ200では、セルスタック電流の変化量を求める。具体的には、今回測定されたセルスタック電流と例えば3秒前に測定したセルスタック電流との差を求め、その差を単位時間(例えば前述の3秒)で除したものをセルスタック電流変化量(増加量)[A/sec]として算出する。
続くステップ210では、セルスタック電流変化量が正か否か、即ち、セルスタック電流が増加しているか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ220に進み、一方否定判断されるとステップ230に進む。
ステップ240では、基準目標セルスタック電圧(例えば図4の点Aの電圧)に加算目標セルスタック電圧(例えば点Aから点A’の電圧差)を加え、目標とする制御電圧である目標セルスタック電圧を求める。
ステップ280では、今回のセルスタック電流を前回のセルスタック電流に設定し、一旦本処理を終了する。
その上、本実施形態では、上述した制御を行うことにより、さまざまな条件に起因する発電能力の低下を補正した上で、最適燃料流量による発電が可能となる。
3…セルスタック
5…改質器
7…触媒燃焼器
9…空気供給部
11…燃料供給部
13…定電圧変換器
21…負荷
29…制御部
Claims (4)
- 燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、
システムの制御を行う制御部と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記電圧検出部によって検出された出力電圧が目標電圧になるように燃料流量を算出し、該燃料流量を燃料電池に供給するように制御する第1制御手段と、
前記電流検出部によって検出された出力電流の変化量に基づいて、前記目標電圧を可変させる第2制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記電流検出部は、電流計を用いて直接に前記出力電流を求めること、又は、前記燃料電池に接続された負荷の消費電力を検出し、この負荷消費電力から間接的に前記出力電流を求め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。
- 燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、
を備えた燃料電池システムの制御方法において、
前記電圧検出部によって検出された出力電圧が目標電圧になるように燃料流量を算出し、該燃料流量を燃料電池に供給するように制御する第1制御工程と、
前記電流検出部によって検出された出力電流の変化量に基づいて、前記目標電圧を可変させる第2制御工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 前記電流検出部は、電流計を用いて直接に前記出力電流を求めること、又は、前記燃料電池に接続された負荷の消費電力を検出し、この負荷消費電力から間接的に前記出力電流を求め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の制御方法。
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