JP6222050B2 - 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
MN *=C×MN=MN+MC ・・・(1)
ここで、MCは、理論上の水素量MNに対して、水素ストイキ比Cを確保するために必要な追加の水素量であり、MC=(C−1)×MNである。
MC=PH2VH2/RT ・・・(2)
ここで、Rは気体定数であり、Tはアノードのガス温度(K)である。式(2)から、RTが一定の場合には、アノード排ガスの流量VH2を増加させると、追加の水素量MCを確保する上で必要な水素分圧PH2を低減できることがわかる。アノード排ガスの流量VH2は、循環ポンプ64の回転数RPと相関する(VH2=αRP α:単位変換係数)。このことから、アノード排ガスの循環量を増加させることによって、必要な水素ストイキ比Cを確保しつつ、水素分圧PH2を低減できることがわかる。
MTL=ML+βWP ・・・(3)
ここで、βは、消費電力WPを水素の損失量に変換する単位変換係数である。
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第1実施形態では、制御部20は、循環ポンプ64の回転数RPをR1とR2のいずれかに切り換えるものとして構成として説明した。しかし、制御部20は、電流値Iに応じて、最適回転数を特定し、循環ポンプ64を制御して、その回転数RPを、特定した最適回転数に変更する構成であってもよい。例えば、制御部20には、燃料電池10の電流値Iごとの最適回転数および目標水素分圧PTH2が予め記憶されているものとする。この場合、制御部20は、電流値Iから最適回転数と目標水素分圧PTH2を特定することができる。また、例えば、制御部20には、燃料電池10の電流値IごとのRP−PTH2マップと、図3に示す、回転数RPと消費電力WPとの関係を示したマップ(RP−WPマップ)とが記憶されているものとする。この場合、制御部20は、RP−PTH2マップから各回転数RPにおけるクロスリーク量MLを特定し、RP−WPマップから各回転数RPにおける消費電力WPを特定することができる。特定した各回転数RPにおけるクロスリーク量と消費電力WPとの組合せを上述した式(3)にあてはめることによって、総合水素損失量MTLが最小となる最適回転数を特定することができる。この構成であっても、水素の損失を低減させて発電効率の向上を図ることができる。
本実施形態では、図5の運転制御は燃料電池10の間欠運転時に実行されるものとして説明した。しかし、図5の運転制御は、燃料電池10の間欠運転時以外の状態においても実行されてもよい。この場合であっても、水素の損失を低減させて発電効率の向上を図ることができる。
2…カソード
3…アノード
10…燃料電池
20…制御部
30…カソードガス供給部
31…カソードガス配管
32…エアコンプレッサ
33…エアフロメータ
34…供給バルブ
35…圧力計測部
40…カソード排ガス排出部
41…カソード排ガス配管
43…排出バルブ
50…アノードガス供給部
51…アノードガス配管
52…水素タンク
53…開閉弁
54…レギュレータ
55…水素供給装置
56…圧力計測部
60…アノードガス循環部
61…アノード排ガス配管
62…気液分離部
63…アノードガス循環配管
64…循環ポンプ
65…アノード排水配管
66…排水弁
100…燃料電池システム
Claims (3)
- 燃料電池システムであって、
アノードとカソードとを備える単セルを含む燃料電池と、
前記アノードに水素ガスを供給する水素供給装置と、
前記燃料電池の発電に使用されずに前記アノードから排出される水素を含むアノード排ガスを再び前記アノードに供給して前記アノード排ガスを循環させる循環ポンプと、
前記水素供給装置による水素ガスの供給量、および、前記循環ポンプの回転数を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の間欠運転において、所定の電流値において、前記循環ポンプを駆動させるために必要な電力に相当する水素量と、前記燃料電池のアノード側からカソード側へ通過する水素量との合計である総合水素損失量が最小となる前記循環ポンプの最適回転数に回転数が近づくように前記循環ポンプを駆動させ、
前記制御部は、
二つの目標電流値に対応する前記循環ポンプの最適回転数をそれぞれ実現する設定を記憶しており、
前記間欠運転において、
電流値が増加し、前記二つの目標電流値のうち大きい方の目標電流値を上回った場合に、前記大きい方の目標電流値に対応する最適回転数を実現する設定で、前記循環ポンプの運転を行い、
電流値が減少し、前記二つの目標電流値のうち小さい方の目標電流値を下回った場合に、前記小さい方の目標電流値に対応する最適回転数を実現する設定で、前記循環ポンプの運転を行い、
電流値が変化し、前記大きい方の目標電流値を下回った場合、および前記小さい方の目標電流値を上回った場合は、それまでになされた設定を維持して前記循環ポンプの運転を行う、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の通常運転と前記間欠運転とを切り替え、
前記燃料電池の通常運転時において、前記総合水素損失量が最小となる最適回転数よりも小さい回転数で前記循環ポンプを駆動させ、
前記燃料電池の間欠運転時に所定の電流値において、前記総合水素損失量が最小となる前記最適回転数に回転数が近づくように前記循環ポンプを駆動させる、燃料電池システム。 - 燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池の通常運転時において、前記燃料電池から得られる電流の増加にともなって、水素ガスの供給量を増加させ、
前記燃料電池の間欠運転時において、
前記燃料電池から得られる電流の増加にともなって、前記燃料電池のアノードから排出されて再び前記アノードに供給されるアノード排ガスの流量を増加させ、前記アノードの水素分圧を、前記燃料電池の通常運転時において前記電流を発生させるために必要となる水素分圧よりも低下させ、
あらかじめ記憶されている設定であって、二つの目標電流値に対応する循環ポンプの最適回転数をそれぞれ実現する設定に基づいて、
電流値が増加し、前記二つの目標電流値のうち大きい方の目標電流値を上回った場合に、前記大きい方の目標電流値に対応する最適回転数を実現する設定で、前記循環ポンプの運転を行い、
電流値が減少し、前記二つの目標電流値のうち小さい方の目標電流値を下回った場合に、前記小さい方の目標電流値に対応する最適回転数を実現する設定で、前記循環ポンプの運転を行い、
電流値が変化し、前記大きい方の目標電流値を下回った場合、および前記小さい方の目標電流値を上回った場合は、それまでになされた設定を維持して前記循環ポンプの運転を行う、制御方法。
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