JP2011187391A - 燃料電池システム及びその電流制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 所定の遅れ時間(例えば10秒)前の電流平均値に所定のオフセット値(例えば2A)を付して、電流上限値を設定する。そして、発電電力目標値に基づいて燃料電池から取り出す電流を制御する際に、電流値を電流上限値と比較して、電流を制御する。
【選択図】 図2
Description
また、特許文献1では、燃料電池の出力電圧が燃料電池が安定して発電することができる電圧下限値を下回った場合は、燃料電池から取り出す電流を制限するようにしている。
そこで、燃料電池から取り出す電流に関し、電流上限値を設定して、制限しているが、従来は、発電電力目標値に応じて電流上限値を設定しており、電流が瞬時に電流上限値に近づいたときには、電圧が電圧下限値を超えて低下し、運転停止に至るのを防げなかった。
本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池から取り出す電流の上限値を最適に設定して、電圧低下による運転停止を可及的に減少させることを課題とする。
図1は本発明の一実施形態を示す燃料電池システム(発電ユニット)の概略構成図である。
家庭用の燃料電池システム(発電ユニット)は、システム筐体1内に、水素製造装置2と、燃料電池3と、パワーコンディショナー(PCS)4と、熱交換器5とを備えて構成される。
また、必要に応じ、シフト反応後のガス中にわずかながら残存するCOを選択酸化触媒を用いて空気供給下で選択的に酸化してCO2に変えるCO選択酸化器を更に備えてもよい。
熱交換器5の一次側の冷却水循環通路8では、水タンク9内の水を水ポンプ10により燃料電池3の冷却器11に送り、ここで昇温した水を熱交換器5の一次側に流して、給湯ユニットからの水と熱交換した後、水タンク9内に戻している。図示は省略するが、この冷却水は水素製造装置2内のCOシフト反応器及びCO選択酸化器での発熱反応の冷却にも用いられる。
燃料電池システム(発電ユニット)はまた、電気機器EIの需要電力に応じて、燃料電池3の発電電力を制御する制御装置13を備えて構成される。制御装置13は、マイクロコンピュータにより構成され、CPU、ROM、RAM及び入出力インターフェイスなどを備えている。
制御装置13はまた、パワーコンディショナー4を制御する。具体的には、燃料電池3の発電電力目標値に基づいて、燃料電池3から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、燃料電池3の発電電力目標値を燃料電池3の出力電圧(瞬時値)で除算して、電流目標値を設定し、この電流目標値に従って、燃料電池3から取り出す電流を制御する。
制御装置13は更にまた、燃料電池3の発電電力が電気機器EIの需要電力を超える場合は、燃料電池3の発電電力値を下げるが、パワーコンディショナー4を制御して、実電力が降下している間に生じる余剰電力を余剰電力ヒータ7に供給し、熱エネルギーに変換して、給湯に用いる。
図2は電流上限値設定のブロック図である。
平均化処理部21では、電流計19(図1)により検出される電流瞬時値を平均化(平滑化)する。具体的には、一定時間隔(例えば0.5秒)毎に、電流計出力(電流瞬時値)をサンプリングし、例えば、現時点、0.5秒前、1.0秒前、1.5秒前の4点の電流平均値を求める。
電流平均値=(i0+i1’+i2’+i3’)/4
遅れ処理部22では、平均化処理部21で求めた電流平均値の後段への出力を所定の遅れ時間(例えば10秒)遅らせる。言い換えれば、所定の遅れ時間(例えば10秒)前の電流平均値を後段(加算器23)へ出力する。
言い換えれば、図3(b)を参照し、時点t0において、所定の遅れ時間(10秒)前の、時点t20’、t21’、t22’、t23’の4点の電流平均値を出力する(次式参照)。
加算器23では、遅れ処理部22からの所定の遅れ時間前の電流平均値に、所定のオフセット値(例えば2A)を加算する。これが電流上限値となる。
図4は上記に基づく電流上限値算出のフローチャートである。本フローは一定時間隔(0.5秒)毎に実行される。
S2では、電流値について、現時点から0.5秒毎に21.5秒前まで計24点の電流データを記憶するシフトレジスタ(i0〜i23’)の記憶値をシフト処理する。すなわち、21.5秒前の電流データを記憶するi23’に21.0秒前のi22’のデータを書込み、以下同様に順にシフトして、最新の電流データを記憶するi0に今回検出した実電流iのデータを書込む。
S4では、S3で求めた所定の遅れ時間前の電流平均値に、所定のオフセット値(例えば2A)を加算して、電流上限値を求める。
S11では、図4のフローで算出される最新の電流上限値を読込む。
S12では、電流計19(図1)の出力より実電流(電流瞬時値)iを検出し、実電流iが電流上限値を超えた(実電流i>上限値)か否かを判定する。
図6は図5と同様に上記電流上限値を用いた電流制御のフローチャートであり、発電電力目標値等との関連を含めて記述したものである。
S12では、電流計19(図1)の出力より実電流(電流瞬時値)iを検出し、実電流iが電流上限値を超えた(実電流i>上限値)か否かを判定する。
実電流i≦電流上限値の場合は、S13へ進む。
S13では、過去に実電流i>電流上限値となって、フラグF=1にセットされたままか否かを判定し、NO、すなわちF=0の場合は、通常モードでの制御のため、S14、S15へ進む。
S15では、発電電力目標値に基づいて、燃料電池から取り出す電流を設定・制御する。具体的には、燃料電池の発電電力目標値を燃料電池の出力電圧(瞬時値)で除算して、電流目標値を設定し、この電流目標値に従って、燃料電池から取り出す電流を制御する。
S17では、電力制限値を設定し、実電力を制限する。従って、このときは、燃料電池の発電電力を電力制限値に抑制するように、燃料電池への燃料供給量や空気供給量などを減少させる。
制限モードに入ったときは、フラグF=1となる(S16)。従って、その後、S12の判定で、実電流i≦上限値となっても、S13の判定でYESとなり、S19で所定の回復条件が成立しない限り、S17、S18へ進み、制限モードが継続される。回復条件が成立しない場合としては、例えば、セル温度が許容上限値より高い、燃料利用率が許容上限値より高い、空気利用率が許容上限値より高い場合などが挙げられる。S19で所定の回復条件が成立すると、S20でフラグF=0とした後、S14、S15へ進み、通常モードに戻る。
次に、図7を参照して、従来技術と本実施形態とでの制御の違いについて説明する。
図7(a)は従来技術の場合である。
従来技術では、発電電力目標値に基づいて燃料電池から取り出す電流を制御するようにしている(電流=電力目標値/電圧)。しかし、発電電力目標値が急増して、燃料電池から取り出す電流が急増すると、I−V特性に従って、燃料電池の出力電圧が急減し、燃料電池が安定して発電することができる電圧下限値を下回り、運転停止に至ることがある。
すなわち、電力目標値が増大して、実電流が増大し、これに伴って実電圧が低下するときに、何らかの理由で実電圧が急低下し、実電流が急上昇すると、実電流を抑制することができず、電圧の低下を抑えることができない。このため、実電圧が電圧下限値を下回って、運転停止に至るエラーとなる。
本実施形態によれば、電流上限値を、所定の遅れ時間前の実電流平均値に所定のオフセット値を付して設定している。
従って、発電電力目標値が増大して、燃料電池から取り出す電流が増大し、I−V特性に従って燃料電池の出力電圧が低下し、このときに出力電圧が急低下すると、電流が更に増大しても、電流の上昇を速やかに抑制でき、その分、電圧の低下を抑えることができる。これにより、実電圧が電圧下限値を下回って運転停止に至るエラーを防止することができる。
特に、電流上限値を、電流平均値に基づいて設定することで、電流瞬時値の変動の影響を受けて電流上限値が変動するのを回避できる。すなわち、電流が瞬間的に低下した直後にすぐ反応して不必要に電流を抑制するのを回避できる。従って、電流平均値は、電流瞬時値の影響を回避できる程度の平均化(平滑化)を実現するように設定される。
また、本実施形態によれば、燃料電池から取り出す電流が前記電流上限値を超えたときに、発電電流を制御することにより、電圧低下を確実に抑制することができる。
また、以上の図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
2 水素製造装置(改質器)
3 燃料電池(スタック)
4 パワーコンディショナー
5 熱交換器
6 燃焼器
7 余剰電力ヒータ
8 冷却水循環通路
9 水タンク
10 水ポンプ
11 冷却器
12 熱回収通路
13 制御装置
14 計測器
15 計測器
16 燃料供給制御手段
17 空気供給制御手段
18 燃料電池電圧計
19 燃料電池電流計
Claims (4)
- 発電電力目標値に基づいて燃料電池から取り出す電流を制御する電流制御手段と、前記電流を電流上限値と比較して、前記電流を制限する電流制限手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記電流上限値を、所定の遅れ時間前の電流平均値に所定のオフセット値を付して設定する、電流上限値設定手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記電流平均値は、一定時間隔の複数点の電流の平均値である請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記電流制限手段は、前記電流が前記電流上限値を超えたときに、発電電流を制御することにより、電圧低下を抑制することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。
- 発電電力目標値に基づいて燃料電池から取り出す電流を制御する一方、前記電流を電流上限値と比較して、前記電流を制限するに際し、
前記電流上限値を、所定の遅れ時間前の電流平均値に所定のオフセット値を付して設定することを特徴とする燃料電池システムの電流制御方法。
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