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JP4918233B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

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JP4918233B2
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Description

この発明は、燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
近年、燃料電池の排熱を給湯に利用した燃料電池コージェネレーションシステムが提案されている。そのシステムには、一般に固体高分子型の燃料電池が使用される。固体高分子型燃料電池で発電を行うには、固体高分子膜に水分を含有させる必要があるため、燃料(水素ガス)や空気を加湿して燃料電池の内部に水分を供給する必要がある。一方、水分が過剰に供給されると、燃料電池の内部で水分が凝縮してガス通路が閉塞され、ガスの拡散が妨げられて燃料電池の出力低下を招くという不具合がある。
そこで、例えば特許文献1に記載される技術にあっては、水分の凝縮が生じやすい低温時に、給湯システムに貯留された温水を熱交換器に流入させて燃料電池の冷却水との間で熱交換を行わせ、冷却水を昇温させて燃料電池を速やかに暖機させると共に、暖機完了後は熱交換器への温水の流入を制御し、燃料電池の温度(冷却水の温度)を一定に保つように構成している。
特開2005−116256号公報(段落0049から0054)
ところで、燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、電気負荷と熱負荷の大きさに応じ、燃料電池の温度や生成される水分量が変化する。また、燃料電池に供給される空気の湿度も一定ではない。そのため、燃料電池内部の水分量は逐次変化する。しかしながら、上記した従来技術では燃料電池の温度や生成される水分量の変化、供給される空気の湿度変化については勘案されておらず、燃料電池の運転状態によっては水分の過不足が生じて出力電圧の低下を招くおそれがあった。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池内部の水分量を運転状態に応じて調節し、出力電力の低下を防止するようにした燃料電池コージェネレーションシステムを提供することにある。
上記の目的を解決するために、請求項1にあっては、空気と燃料が供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の排熱を利用して温水を生成する給湯システムとを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記燃料電池に前記空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池に供給される空気の湿度を検出する湿度検出手段と、前記検出された空気の湿度が上昇するほど前記空気の目標供給量が増加し、前記温水の目標温度が上昇するほど前記空気の目標供給量が減少するように、前記空気の目標供給量を決定する目標供給量決定手段と、および前記燃料電池に供給される空気の量が前記決定された目標供給量となるように前記空気供給手段の動作を制御する制御手段とを備えるように構成した。
また、請求項2に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、さらに、前記燃料電池の出力電力を検出する出力電力検出手段を備えると共に、前記目標供給量決定手段は、前記検出された空気の湿度と前記温水の目標温度が同条件であれば、前記検出された出力電力が大きいほど前記空気の目標供給量が増加するように、前記目標供給量を決定するように構成した。
また、請求項3に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、さらに、前記検出された空気の湿度と前記温水の目標温度とに基づき、前記燃料電池の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する判断手段と、および前記水分量が前記所定範囲にないと判断されるとき、前記温水の目標温度を変更する目標温度変更手段とを備えるように構成した。
また、請求項4に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、前記湿度検出手段は、前記燃料電池に供給される空気の温度を検出する温度検出手段と、および前記燃料電池コージェネレーションシステムが使用される地域における、気温に対する平均湿度の特性を記憶した記憶手段とを備えると共に、前記検出された空気の温度から前記特性に従って前記平均湿度を求め、前記求めた平均湿度を前記燃料電池に供給される空気の湿度とするように構成した。
また、請求項5にあっては、空気と燃料が供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の排熱を利用して温水を生成する給湯システムとを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記燃料電池に前記空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池に供給される空気の露点を検出する露点検出手段と、前記検出された空気の露点が上昇するほど前記空気の目標供給量が増加し、前記温水の目標温度が上昇するほど前記空気の目標供給量が減少するように、前記空気の目標供給量を決定する目標供給量決定手段と、および前記燃料電池に供給される空気の量が前記決定された目標供給量となるように前記空気供給手段の動作を制御する制御手段とを備えるように構成した。
また、請求項6に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、さらに、前記燃料電池の出力電力を検出する出力電力検出手段を備える共に、前記目標供給量決定手段は、前記検出された空気の露点と前記温水の目標温度が同条件であれば、前記検出された出力電力が大きいほど前記空気の目標供給量が増加するように、前記目標供給量を決定するように構成した。
また、請求項7に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、さらに、前記検出された空気の露点と前記温水の目標温度とに基づき、前記燃料電池の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する判断手段と、および前記水分量が前記所定範囲にないと判断されるとき、前記温水の目標温度を変更する目標温度変更手段とを備えるように構成した。
また、請求項8に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、さらに、前記燃料電池の冷却水が循環させられる冷却水循環系と、前記冷却水と前記温水が流入され、前記流入された冷却水と温水の間で熱交換を行わせる熱交換器と、前記冷却水循環系に配置されて前記冷却水の温度を調節する冷却水温度調節手段と、前記熱交換器に流入される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、および前記検出された冷却水温度が前記温水の目標温度となるように前記冷却水温度調節手段の動作を制御する冷却水温度制御手段とを備えるように構成した。
請求項1に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、燃料電池に供給される空気の湿度を検出し、空気の湿度が上昇するほど空気の目標供給量が増加し、温水の目標温度(燃料電池の温度を反映する値)が上昇するほど空気の目標供給量が減少するように、空気の目標供給量を決定すると共に、燃料電池に供給される空気の量が前記目標供給量となるように空気供給手段の動作を制御するように構成したので、燃料電池内部の水分量を運転状態(具体的には、燃料電池の温度と空気の湿度)に応じて調節することができ、出力電力の低下を防止することができる。
また、請求項2に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、燃料電池の出力電力を検出すると共に、空気の湿度と温水の目標温度が同条件であれば、出力電力が大きいほど空気の目標供給量が増加するように、空気の目標供給量を決定するように構成したので、燃料電池内部の水分量を運転状態(具体的には、燃料電池の温度と生成水の発生量と空気の湿度)に応じて調節することができ、出力電力の低下をより効果的に防止することができる。
また、請求項3に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、空気の湿度と温水の目標温度とに基づいて燃料電池内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断すると共に、水分量が所定範囲にないと判断されるとき、温水の目標温度を変更するように構成したので、上記した効果に加え、燃料電池内部の水分量に過不足が生じないように燃料電池の温度を調節することができ、よって出力電力の低下をより確実に防止することができる。
また、請求項4に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、システムが使用される地域における、気温に対する平均湿度の特性を記憶しておくと共に、燃料電池に供給される空気の温度を検出し、空気の温度から前記特性に従って平均湿度を求め、求めた平均湿度を燃料電池に供給される空気の湿度とするように構成したので、上記した効果に加え、温度センサの出力に基づいて空気の湿度を検出することができ、構成を簡素化することができる。
また、請求項5に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、燃料電池に供給される空気の露点を検出し、空気の露点が上昇するほど空気の目標供給量が増加し、温水の目標温度(燃料電池の温度を反映する値)が上昇するほど空気の目標供給量が減少するように、空気の目標供給量を決定すると共に、燃料電池に供給される空気の量が前記目標供給量となるように空気供給手段の動作を制御するように構成したので、燃料電池内部の水分量を運転状態(具体的には、燃料電池の温度と空気の露点)に応じて調節することができ、出力電力の低下を防止することができる。
また、請求項6に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、燃料電池の出力電力を検出すると共に、空気の露点と温水の目標温度が同条件であれば、出力電力が大きいほど空気の目標供給量が増加するように、空気の目標供給量を決定するように構成したので、燃料電池内部の水分量を運転状態(具体的には、燃料電池の温度と生成水の発生量と空気の露点)に応じて調節することができ、出力電力の低下をより効果的に防止することができる。
また、請求項7に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、空気の露点と温水の目標温度とに基づいて燃料電池内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断すると共に、水分量が所定範囲にないと判断されるとき、温水の目標温度を変更するように構成したので、上記した効果に加え、燃料電池内部の水分量に過不足が生じないように燃料電池の温度を調節することができ、よって出力電力の低下をより確実に防止することができる。
また、請求項8に係る燃料電池コージェネレーションシステムにあっては、燃料電池の冷却水が循環させられる冷却水循環系と、冷却水と温水が流入されてそれらの間で熱交換を行わせる熱交換器と、冷却水循環系に配置されて冷却水の温度を調節する冷却水温度調節手段とを備えると共に、熱交換器に流入される冷却水の温度を検出し、冷却水温度が温水の目標温度となるように冷却水温度調節手段の動作を制御するように構成したので、上記した効果に加え、温水の温度を精度良く調節することができる。
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの最良の実施の形態について説明する。
図1は、この発明の第1実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムのシステム図である。
図1において符号10は、燃料電池コージェネレーションシステムを示す。燃料電池コージェネレーションシステム10は、家庭や工場などに設置される定置型のシステムであり、空気(カソードガス)と燃料(アノードガス)が供給されて発電する燃料電池(スタック)12と、燃料電池12の排熱を利用して温水を生成する給湯システム14とを備える。
燃料電池12は、電解質膜(固体高分子膜)と、それを挟持する空気極と燃料極と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。
燃料電池12の空気極には、空気供給路16と空気排出路18が接続される。空気供給路16と空気排出路18の途中には加湿器20が配置される。加湿器20は、空気供給路16と空気排出路18を隔てる水蒸気透過膜(図示せず)を備える。また、空気供給路16において加湿器20よりも上流側には空気ポンプ(エアブロワ)22が配置される一方、加湿器20よりも下流側の燃料電池12との接続端付近(空気極への入り口付近)には湿度センサ24が配置される。湿度センサ24は、燃料電池12に供給される空気の湿度(相対湿度。以下「供給空気湿度」という)Hを示す出力を生じる。
一方、燃料電池12の燃料極には、燃料供給路26と燃料排出路28が接続される。燃料供給路26は、その途中に改質器30が配置されると共に、改質器30よりも上流側は都市ガスなどの原燃料の供給源(図示せず)に接続される。
燃料電池12の出力端子(図示せず)には、出力回路32を介して電気負荷(外部の電気機器)34が接続される。出力回路32には、電流センサ36と電圧センサ38とが接続される。電流センサ36と電圧センサ38は、それぞれ燃料電池12の出力電流Iと出力電圧Vを示す出力を生じる。
また、燃料電池12の冷却水通路(図示せず)には、冷却水循環系40を介して熱交換器42が接続される。冷却水循環系40は、燃料電池12と熱交換器42の間を接続する第1の冷却水通路44と第2の冷却水通路46を備える。
第1の冷却水通路44には、冷却水を圧送する冷却水ポンプ48が配置される。冷却水は、冷却水ポンプ48に圧送されることにより、第1の冷却水通路44、燃料電池12、第2の冷却水通路46、熱交換器42、第1の冷却水通路44の順で循環させられる。従って、第1の冷却水通路44が燃料電池12への冷却水の供給路となり、第2の冷却水通路46が燃料電池12からの冷却水の流出路となる。
第1の冷却水通路44において冷却水ポンプ48よりも上流側(熱交換器42側)には、三方電磁弁50が配置される。第1の冷却水通路44は、三方電磁弁50を介して第3の冷却水通路52に接続される。第3の冷却水通路52は、その上流端が三方電磁弁50に接続される一方、下流端が第1の冷却水通路44において三方電磁弁50よりも下流側に接続される。第3の冷却水通路52の途中にはラジエータ54が配置される。ラジエータ54は、ファン56を備える。
第2の冷却水通路46において燃料電池12との接続端付近(冷却水の出口付近)には、冷却水温度センサ60が配置される。冷却水温度センサ60は、燃料電池12から流出された冷却水の温度(以下「冷却水温度」という)Toを示す出力を生じる。また、第2の冷却水通路46には三方電磁弁62が配置される。第2の冷却水通路46は、三方電磁弁62を介して第4の冷却水通路64に接続される。第4の冷却水通路64は、その上流端が三方電磁弁62に接続される一方、下流端が第1の冷却水通路44において第3の冷却水通路52の接続位置よりも下流側(即ち、ラジエータ54よりも下流側)に接続される。
熱交換器42には、給湯システム14が接続される。給湯システム14は、温水を貯留する貯湯タンク66と、貯湯タンク66と熱交換器42の間を接続する第1の温水通路68と第2の温水通路70を備える。
第1の温水通路68には、温水を圧送する温水ポンプ72が配置される。温水は、温水ポンプ72に圧送されることにより、温水は第1の温水通路68、熱交換器42、第2の温水通路70、貯湯タンク66、第1の温水通路68の順で循環させられる。また、貯湯タンク66には温水温度センサ74が取り付けられる。温水温度センサ74は、貯湯タンク66に貯留された温水の温度(以下「温水温度」という)Twを示す出力を生じる。
また、給湯システム14は、操作者によって操作自在な温水温度設定スイッチ76を備える。温水温度設定スイッチ76は、操作者の操作に応じ、温水の目標温度(設定温度。以下「目標温水温度」という)dTwを示す信号を出力する。
次いで、燃料電池コージェネレーションシステム10の動作について説明する。
空気ポンプ22によって吸引された空気は、空気供給路16と加湿器20を介して燃料電池12の空気極に供給される。また、燃料供給路26に流入させられた都市ガスは、改質器30で水素を主成分とするガスに改質され、燃料極に供給される。
燃料電池12に供給された空気と燃料は、電気化学反応を生じる。燃料極および空気極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
空気極:H→2H+2e
空気極:1/2O+2H+2e→H
従って、全体の反応は下記となる。
全体:H+1/2O→H
上記の反応によって燃料電池12が発電した電力(直流電流)は、出力回路32を介して電気負荷34に供給される。
尚、上記反応に用いられなかった燃料は、燃料排出路28を介して燃料電池12の外部に排出される。同様に上記反応に用いられなかった空気は、空気排出路18と加湿器20を介して燃料電池12の外部に排出される。排出された空気には発電によって生成された水分(生成水)が含まれる。かかる生成水は、加湿器20の内部に設けられた水蒸気透過膜を透過して空気供給路16を通過する空気に供給され、よって燃料電池12に供給される空気が加湿される。
冷却水ポンプ48から圧送された冷却水は、第1の冷却水通路44を通過して燃料電池1の冷却水通路に供給され、燃料電池1を冷却する。燃料電池1を冷却することによって昇温させられた冷却水は、第2の冷却水通路46と三方電磁弁62を通過して熱交換器42に流入される。また、温水ポンプ72から圧送された温水は、第1の温水通路68を通過して熱交換器42に流入させられる。熱交換器42の内部では、流入させられた冷却水と温水の間で熱交換が行われる、具体的には、冷却水の熱が温水に伝達され、温水が昇温させられる。
熱交換器42を通過した冷却水は、第1の冷却水通路44と三方電磁弁50を通過して冷却水ポンプ48に吸引される。また、熱交換器42を通過して昇温させられた温水は、第2の温水通路70を介して貯湯タンク66に流入し、貯留される。貯湯タンク66に貯留された温水は、給湯管78を介して任意の給湯先に供給される。尚、貯湯タンク66に貯留された温水の減少分は、水道管80を介して水道水が供給されることによって補充される。
また、燃料電池コージェネレーションシステム10は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)84を備える。ECU84はマイクロ・コンピュータからなり、CPUやROM、RAMなど(いずれも図示せず)を備える。上記した各センサの出力は、ECU84に入力される。ECU84は、それら入力に基づいて空気ポンプ22や三方電磁弁50,62、ファン56の動作を制御することで、燃料電池12の内部の水分量や給湯システム14の温水の温度を調節する。
図2は、ECU84で実行される燃料電池内部の水分量と温水温度の調節処理を表すフローチャートである。
以下、図2フローチャートの処理について説明すると、先ずS10において、電流センサ36の出力と電圧センサ38の出力に基づき、燃料電池12の出力電力Pを算出する。出力電力P(単位[W])は、具体的には出力電流Iと出力電圧Vの積である。
次いでS12に進み、算出された出力電力Pに基づいてマップの選択を行う。
図3は、図2フローチャートのS12の処理で選択されるマップを示す説明図である。図示のマップは、ECU84のROMに記憶される。
図3において、目標空気供給量dQaとは、燃料電池12の空気極に供給される空気量の目標値である。また、目標温水温度dTwは、前記した温水温度設定スイッチ76の操作によって60℃から80℃に設定される。尚、熱交換器42に流入される温水と冷却水は、最終的には熱平衡に至る。従って、目標温水温度dTwは、熱交換器42に流入させられる冷却水、別言すれば、燃料電池12から流出される冷却水の目標温度と等価であり、燃料電池12の温度を反映する値といえる。
マップ90には、目標空気供給量dQaが供給空気湿度Hと目標温水温度dTwに対する特性として設定される。即ち、目標空気供給量dQaは、供給空気湿度Hと目標温水温度dTwとから検索自在とされる。尚、目標空気供給量dQaは、供給空気湿度Hが上昇するほど増加するように設定される。これは、供給空気湿度Hが上昇すると燃料電池内部の水分量が過剰となるおそれがあることから、供給空気の圧力を増加させて余分な水分の排出を促進するためである。また、目標空気供給量dQaは、目標温水温度dTwが上昇するほど減少するように設定される。即ち、目標温水温度dTw(燃料電池12の温度)が高いときは燃料電池内部で蒸発する水分量が増加し、燃料電池内部の水分量が不足するおそれがあることから、供給空気の圧力による水分の排出を抑制する。
また、マップ90は、燃料電池12の出力電力Pの大きさに応じて複数枚用意される。従って目標空気供給量dQaは、具体的には、供給空気湿度Hと、目標温水温度dTwと、出力電力Pとから検索自在とされる。目標空気供給量dQaは、供給空気湿度Hと目標温水温度dTwが同条件であれば、出力電力Pが大きいときほど増加するように設定される。即ち、出力電力Pが大きければ生成水の量が増加して水分量が過剰となるおそれがあることから、供給空気の圧力を増加させて余分な水分の排出を促進する。
図2フローチャートの説明に戻ると、S12で出力電力Pに応じたマップ90を選択した後、S14に進んで目標温水温度dTwを入力すると共に、S16に進んで湿度センサ24で検出された供給空気湿度Hを入力する。
次いでS18に進み、出力電力Pと供給空気湿度Hと目標温水温度dTwとに基づいて目標空気供給量dQaを決定すると共に、供給空気湿度Hと目標温水温度dTwに基づいて燃料電池12の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する。具体的には、出力電力Pに基づいて選択されたマップ90を供給空気湿度Hと目標温水温度dTwとから検索して目標空気供給量dQaを決定すると共に、マップ90において、決定された目標空気供給量dQaが記述される領域が安定領域内にあるか否か判断する。
図3に示すように、マップ90において目標空気供給量dQaが記述される領域は、安定領域とウェット(不安定)領域とドライ(不安定)領域の3つの領域に分類される。安定領域とは、そこに分類される目標空気供給量dQaに従って空気を供給すれば燃料電池12の内部の水分量が適正となり(所定範囲となり)、安定した運転が可能であることを意味する。また、ウェット領域とは、そこに分類される目標空気供給量dQaに従って空気を供給しても燃料電池内部の水分量が過剰となり、逆にドライ領域とは、そこに分類される目標空気供給量dQaに従って空気を供給しても燃料電池内部の水分量が不足するおそれがあることを意味する。
具体的には、目標温水温度dTwが高く(燃料電池12の温度が高く蒸発する水分量が多く)、かつ供給空気湿度Hが低いときは、目標空気供給量dQaの調整のみでは水分量の不足を補いきれない可能性があるため、そのときの目標空気供給量dQaが記述される領域はドライ領域に設定される。一方、目標温水温度dTwが低く(燃料電池12の温度が低く蒸発する水分量が少なく)、かつ供給空気湿度Hが高いときは、目標空気供給量dQaの調整のみでは水分量が過剰になるのを抑制しきれない可能性があるため、そのときの目標空気供給量dQaが記述される領域はウェット領域に設定される。
図2フローチャートの説明に戻ると、S18で肯定されるとき、即ち、水分量が所定範囲にあると判断されるときはS20に進み、目標空気供給量dQaをS18で決定(検索)された値に更新(設定)する。また、S22に進み、目標温水温度dTwを目標冷却水温度dTo(燃料電池12から流出される冷却水の目標温度)に設定する。
そして、S24に進み、目標空気供給量dQaに基づいて空気ポンプ22の動作を制御すると共に、目標冷却水温度dToに基づいて冷却水温度調節デバイスの動作を制御する。具体的には、燃料電池12に供給される空気の量が目標空気供給量dQaとなるように空気ポンプ22の動作(回転数)を制御する。また、冷却水温度Toが目標冷却水温度dTo(即ち、目標温水温度dTw)となるように冷却水温度調節デバイス、より詳しくは、三方電磁弁50,62とファン56の動作を制御する。
冷却水温度調節デバイスの動作制御について説明すると、例えば冷却水温度Toが目標冷却水温度dToよりも高い場合は、第1の冷却水通路44を通過する冷却水が第3の冷却水通路52を介してラジエータ54に流入されるように三方電磁弁50の動作を制御すると共に、温度の過度分に応じてファン56の回転数を制御する。また、冷却水温度Toが温水温度Twよりも低い場合は、第2の冷却水通路46を通過する冷却水が第4の冷却水通路64を介して第1の冷却水通路44に流入されるように(即ち、熱交換器42に流入されないように)三方電磁弁62の動作を制御する。
一方、図2フローチャートのS18で否定されて水分量が所定範囲にないと判断されるときは、目標温水温度dTwが変更される。具体的には、S26に進み、S18で決定された目標空気供給量dQaが記述される領域がドライ領域にあるか否か判断し、S26で肯定されるときはS28で目標温水温度dTwを1ランク低下させる一方、S26で否定されるときはS30で目標温水温度dTwを1ランク上昇させる。S28またはS30の処理を実行した後は、再度S18以降の処理を実行する。
図3に示すように、目標温水温度dTwは、その値に応じて複数(5つ)のランクに区分される。また、供給空気湿度Hも、その値に応じて複数(7つ)のランクに区分される。例えば、目標温水温度dTwが80℃、供給空気湿度Hが35%であるときに検索される目標空気供給量dQaはドライ領域に記述されるが、目標温水温度dTwが1ランク下の72.5℃から77.5℃の間の値に低下させられることにより、安定領域に移行する。従って、次回のS18の処理では水分量が所定範囲にあると判断されてS20以降の処理に進む。尚、例えば目標温水温度dTwが80℃、供給空気湿度Hが30%未満であるときのように、目標温水温度dTwを1ランク低下させても目標空気供給量dQaが記述される領域が安定領域に移行しないときは、再度S26以降の処理に進み、安定領域に移行するまで目標温水温度dTwが低下させられる。
即ち、目標空気供給量dQaの調整のみでは水分量の不足を補いきれない可能性があるときは、目標温水温度dTwを低下させることによって燃料電池1の温度を低下させ、
燃料電池内部の水分が蒸発するのを抑制する。
他方、例えば目標温水温度dTwが65℃、供給空気湿度Hが75%であるときに検索される目標空気供給量dQaはウェット領域に記述されるが、目標温水温度dTwが1ランク上の67.5℃から72.5℃の間の値に上昇させられることによって安定領域に移行する。従って、次回のS18の処理では水分量が所定範囲にあると判断されてS20以降の処理に進む。また、例えば目標温水温度dTwが60℃、供給空気湿度Hが80%以上であるときのように、目標温水温度dTwを1ランク上昇させても目標空気供給量dQaが記述される領域が安定領域に移行しないときは、再度S26以降の処理に進み、安定領域に移行するまで目標温水温度dTwが上昇させられる。
即ち、目標空気供給量dQaの調整のみでは水分量が過剰となるのを抑制しきれない可能性があるときは、目標温水温度dTwを上昇させることによって燃料電池1を昇温させ、燃料電池内部の水分の蒸発を促進する。
このように、この発明の第1実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム10にあっては、燃料電池12に供給される空気の湿度Hを検出し、供給空気湿度Hと温水の目標温度dTw(即ち、燃料電池12の温度を反映する値)とに基づいて空気の目標供給量dQaを決定すると共に、燃料電池12に供給される空気の量が目標空気供給量dQaとなるように空気ポンプ22の動作を制御するように構成したので、燃料電池12の内部の水分量を運転状態(具体的には、燃料電池12の温度と供給される空気の湿度)に応じて調節することができ、出力電力の低下を防止することができる。
より具体的には、燃料電池12の出力電力Pを検出すると共に、供給空気湿度Hと目標温水温度dTwと出力電力Pとに基づき、目標空気供給量dQaを決定するように構成したので、燃料電池12の内部の水分量を運転状態(燃料電池12の温度と生成水の発生量と供給される空気の湿度)に応じて調節することができ、出力電力の低下をより効果的に防止することができる。
また、供給空気湿度Hと目標温水温度dTwとに基づいて燃料電池12の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断すると共に、水分量が所定範囲にないと判断されるとき、目標温水温度dTwを変更するように構成したので、上記した効果に加え、燃料電池1の内部の水分量に過不足が生じないように燃料電池1の温度を調節することができ、よって出力電力の低下をより確実に防止することができる。
また、熱交換器42に流入される冷却水の温度Toを検出し、冷却水温度Toが目標温水温度dTwとなるように三方電磁弁50,62の動作を制御するように構成したので、上記した効果に加え、温水温度Twを精度良く調節することができる。
次いで、この発明の第2実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムについて説明する。
図4は、第2実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムのシステム図である。
以下、第1実施例との相違点について説明すると、第2実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム10にあっては、図4に示すように、湿度センサ24に代えて露点センサ90を備える。露点センサ90は、空気供給路16において燃料電池12との接続部付近(空気極への入り口付近)に配置され、燃料電池12の空気極に供給される空気の露点(以下「供給空気露点」という)DPを示す出力を生じる。露点センサ90の出力は、ECU84に入力される。尚、第1実施例と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
図5は、ECU84で実行される燃料電池内部の水分量と温水温度の調節処理を、第1実施例の図2フローチャートとの相違点を中心に部分的に表すフローチャートである。
図5フローチャートに示すように、第2実施例にあっては、S12bにおいて、燃料電池12の出力電力Pに基づいてマップを選択する。
図6は、図5フローチャートのS12bの処理で選択されるマップを示す説明図である。図示のマップは、ECU84のROMに記憶される。
図6に示すように、マップ90bには、目標空気供給量dQaが供給空気露点DPと目標温水温度dTwに対する特性として設定される。即ち、目標空気供給量dQaは、供給空気露点DPと目標温水温度dTwとから検索自在とされる。尚、供給空気露点DPは、前述した供給空気湿度Hと同様に、値に応じて複数(7つ)のランクに区分される。また、目標空気供給量dQaは、供給空気露点DPが上昇するほど増加するように設定される。即ち、供給空気露点Hが上昇すると燃料電池内部の水分量が過剰となるおそれがあることから、供給空気の圧力を増加させて余分な水分の排出を促進する。
また、マップ90bは、燃料電池12の出力電力Pの大きさに応じて複数枚用意される。従って目標空気供給量dQaは、具体的には、供給空気露点DPと、目標温水温度dTwと、出力電力Pとから検索自在とされる。
図5フローチャートの説明に戻ると、次いでS14に進み、目標温水温度dTwを入力すると共に、S16bに進み、露点センサ90で検出された供給空気露点DPを入力する。そしてS18bに進み、出力電力Pと供給空気露点DPと目標温水温度dTwとに基づいて目標空気供給量dQaを決定すると共に、供給空気露点DPと目標温水温度dTwとに基づいて燃料電池12の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する。具体的には、出力電力Pに基づいて選択されたマップ90bを供給空気露点DPと目標温水温度dTwとから検索して目標空気供給量dQaを決定すると共に、マップ90bにおいて、決定された目標空気供給量dQaが記述される領域が安定領域内にあるか否か判断する。尚、残余の処理は図2フローチャートの処理と同様であるので、説明を省略する。
このように、この発明の第2実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム10にあっては、燃料電池12に供給される空気の露点DPを検出し、供給空気露点DPと温水の目標温度dTwとに基づいて空気の目標供給量dQaを決定するように構成したので、燃料電池12の内部の水分量を運転状態(具体的には、燃料電池12の温度と供給される空気の露点)に応じて調節することができ、出力電力の低下を防止することができる。
より具体的には、供給空気露点DPと目標温水温度dTwと出力電力Pとに基づいて目標空気供給量dQaを決定するように構成したので、燃料電池12の内部の水分量を運転状態(燃料電池12の温度と生成水の発生量と供給される空気の露点)に応じて調節することができ、出力電力の低下をより効果的に防止することができる。
また、供給空気露点DPと目標温水温度dTwとに基づいて燃料電池12の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断すると共に、水分量が所定範囲にないと判断されるとき、目標温水温度dTwを変更するように構成したので、上記した効果に加え、燃料電池1の内部の水分量に過不足が生じないように燃料電池1の温度を調節することができ、よって出力電力の低下をより確実に防止することができる。
また、空気の湿度Hに代えて露点DPを検出することで、燃料電池12に供給される水分量をより精度良く推定することができ、よって燃料電池12の出力電力の低下をより一層効果的に防止することができる。
次いで、この発明の第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムについて説明する。
図7は、第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムのシステム図である。
以下、第1実施例との相違点について説明すると、第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム10にあっては、図7に示すように、湿度センサ24に代えて温度センサ100を備える。温度センサ100は、空気供給路16において燃料電池12との接続部付近(空気極への入り口付近)に配置され、燃料電池12の空気極に供給される空気の温度(以下「供給空気温度」という)Tを示す出力を生じる。
また、燃料電池コージェネレーションシステム10は、使用地域選択スイッチ102を備える。使用地域選択スイッチ102は、具体的には複数個のスイッチ、あるいは複数のポジションを有するスイッチから構成され、操作者によって操作自在な位置に配置される。使用地域選択スイッチ102は、予め設定された複数、具体的には3つの地域A,B,Cのうち、操作者によって選択された地域(システム10が使用(設置)される地域)を示す出力を生じる。温度センサ100と使用地域選択スイッチ102の出力は、ECU84に入力される。尚、第1実施例と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
図8は、ECU84で実行される燃料電池内部の水分量と温水温度の調節処理を、第1実施例の図2フローチャートとの相違点を中心に部分的に表すフローチャートである。
図8フローチャートに示すように、第3実施例にあっては、S16cにおいて、使用地域選択スイッチ102によって選択されたシステム10の使用地域と、温度センサ100で検出された供給空気温度Tとに基づき、供給空気湿度Hを決定する。
具体的には、過去の気象データから、上記したA,B,Cの3つの地域のそれぞれにおける、気温に対する平均湿度の特性(図9に示す)をECU84のROMに記憶しておく。そして、記憶された3つの特性の中から、使用地域選択スイッチ102によって選択された地域に対応する特性を選択すると共に、検出された供給空気温度Tからかかる特性に従って平均湿度を求め、求めた平均湿度を供給空気湿度Hとする。
次いでS18に進み、S16cで決定された供給空気湿度Hと目標温水温度dTwとから、前述したマップ90を検索して目標空気供給量dQaを決定すると共に、供給空気湿度Hと目標温水温度dTwに基づいて水分量が所定範囲にあるか否か判断する。尚、残余の処理は図2フローチャートの処理と同様であるので、説明を省略する。
このように、この発明の第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム10にあっては、システム10が使用される地域における、気温に対する平均湿度の特性を記憶しておくと共に、供給空気温度Tを検出し、検出された供給空気温度Tから前記特性に従って平均湿度を求め、求めた平均湿度を供給空気湿度Hとするように構成したので、第1実施例で述べた効果に加え、温度センサの出力に基づいて空気の湿度を検出することができ、構成を簡素化することができる。
以上のように、この発明の第1および第3実施例にあっては、空気と燃料が供給されて発電する燃料電池(12)と、前記燃料電池(12)の排熱を利用して温水を生成する給湯システム(14)とを備えた燃料電池コージェネレーションシステム(10)において、前記燃料電池(12)に前記空気を供給する空気供給手段(空気ポンプ22)と、前記燃料電池(12)に供給される空気の湿度(供給空気湿度H)を検出する湿度検出手段(湿度センサ24、温度センサ100、ECU84)と、前記検出された空気の湿度(H)が上昇するほど前記空気の目標供給量(目標空気供給量dQa)が増加し、と前記温水の目標温度(目標温水温度dTw)が上昇するほど前記空気の目標供給量が減少するように、前記空気の目標供給量を決定する目標供給量決定手段(ECU84、図2および図8フローチャートのS18)と、および前記燃料電池(12)に供給される空気の量が前記決定された目標供給量(dQa)となるように前記空気供給手段(22)の動作を制御する制御手段(ECU84、図2フローチャートのS24)とを備えるように構成した。
また、第1および第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム(10)にあっては、さらに、前記燃料電池(12)の出力電力(P)を検出する出力電力検出手段(電流センサ36、電圧センサ38、ECU84)を備えると共に、前記目標供給量決定手段は、前記検出された空気の湿度(H)と前記温水の目標温度(dTw)が同条件であれば、前記検出された出力電力(P)が大きいほど前記空気の目標供給量(dQa)が増加するように、前記目標供給量を決定する(ECU84、図2および図8フローチャートのS18)ように構成した。
また、第1および第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム(10)にあっては、さらに、前記検出された空気の湿度(H)と前記温水の目標温度(dTw)とに基づき、前記燃料電池(12)の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する判断手段(ECU84、図2および図8フローチャートのS18)と、および前記水分量が前記所定範囲にないと判断されるとき、前記温水の目標温度(dTw)を変更する目標温度変更手段(ECU84、図2フローチャートのS26からS30)とを備えるように構成した。
また、第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム(10)にあっては、前記湿度検出手段は、前記燃料電池(12)に供給される空気の温度(供給空気温度T)を検出する空気温度検出手段(温度センサ100)と、および前記燃料電池コージェネレーションシステム(10)が使用される地域における、気温に対する平均湿度の特性を記憶した記憶手段(ECU84)とを備えると共に、前記検出された空気の温度(T)から前記特性に従って前記平均湿度を求め、前記求めた平均湿度を前記燃料電池(12)に供給される空気の湿度(H)とする(ECU84、図8フローチャートのS16c)ように構成した。
また、第2実施例にあっては、空気と燃料が供給されて発電する燃料電池(12)と、前記燃料電池(12)の排熱を利用して温水を生成する給湯システム(14)とを備えた燃料電池コージェネレーションシステム(10)において、前記燃料電池(12)に前記空気を供給する空気供給手段(空気ポンプ22)と、前記燃料電池(12)に供給される空気の露点(供給空気露点DP)を検出する露点検出手段(露点センサ90)と、前記検出された空気の露点(DP)が上昇するほど前記空気の目標供給量(目標空気供給量dQa)が増加し、と前記温水の目標温度(目標温水温度dTw)が上昇するほど前記空気の目標供給量が減少するように、前記空気の目標供給量を決定する目標供給量決定手段(ECU84、図5フローチャートのS18b)と、および前記燃料電池(12)に供給される空気の量が前記決定された目標供給量(dQa)となるように前記空気供給手段(22)の動作を制御する制御手段(ECU84)とを備えるように構成した。
また、第2実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム(10)にあっては、さらに、前記燃料電池(12)の出力電力(P)を検出する出力電力検出手段(電流センサ36、電圧センサ38、ECU84)を備えると共に、前記目標供給量決定手段は、前記検出された空気の露点(DP)と前記温水の目標温度(dTw)が同条件であれば、前記検出された出力電力(P)が大きいほど前記空気の目標供給量(dQa)が増加するように、前記目標供給量を決定する(ECU84、図5フローチャートのS18b)ように構成した。
また、第2実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム(10)にあっては、さらに、前記検出された空気の露点(DP)と前記温水の目標温度(dTw)とに基づき、前記燃料電池(12)の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する判断手段(ECU84、図5フローチャートのS18b)と、および前記水分量が前記所定範囲にないと判断されるとき、前記温水の目標温度(dTw)を変更する目標温度変更手段(ECU84)とを備えるように構成した。
また、第1から第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステム(10)にあっては、さらに、前記燃料電池(12)の冷却水が循環させられる冷却水循環系(40)と、前記冷却水と前記温水が流入され、前記流入された冷却水と温水の間で熱交換を行わせる熱交換器(42)と、前記冷却水循環系(40)に配置されて前記冷却水の温度を調節する冷却水温度調節手段(三方電磁弁50,62、ファン56)と、前記熱交換器(42)に流入される冷却水の温度(冷却水温度To)を検出する冷却水温度検出手段(冷却水温度センサ60)と、および前記検出された冷却水温度(To)が前記温水の目標温度(dTw)となるように前記冷却水温度調節手段(50,62)の動作を制御する冷却水温度制御手段(ECU84、図2フローチャートのS24)とを備えるように構成した。
尚、上記において、供給空気湿度Hや目標温水温度dTwなどの具体的な値を示したが、それらは例示であり、限定されるものではない。
また、第2実施例において、供給空気露点DPを露点センサ90で検出するようにしたが、空気供給路16に湿度センサと温度センサを設けて空気の湿度と温度を検出すると共に、検出された湿度と温度とから公知の湿り空気線図を検索することで露点DPを求めるようにしてもよい。
また、第3実施例において、システム10が使用される地域を複数の地域に区分するようにしたが、必ずしも区分する必要はない。また、複数の地域に区分する場合、その数も上記の例(3つ)に限られるものではない。
この発明の第1実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムのシステム図である。 図1に示すECUで実行される燃料電池内部の水分量と温水温度の調節処理を表すフローチャートである。 図2フローチャートの処理で使用されるマップを示す説明図である。 この発明の第2実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムのシステム図である。 図4に示すECUで実行される燃料電池内部の水分量と温水温度の調節処理を、図2フローチャートとの相違点を中心に部分的に表すフローチャートである。 図5フローチャートの処理で使用されるマップを示す説明図である。 この発明の第3実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムのシステム図である。 図7に示すECUで実行される燃料電池内部の水分量と温水温度の調節処理を、図2フローチャートとの相違点を中心に部分的に表すフローチャートである。 図8フローチャートの処理で使用される、気温に対する平均湿度の特性を示すグラフである。
符号の説明
10:燃料電池コージェネレーションシステム、12:燃料電池、14:給湯システム、22:空気ポンプ(空気供給手段)、24:湿度センサ(湿度検出手段)、36:電流センサ(出力電力検出手段)、38:電圧センサ(出力電力検出手段)、40:冷却水循環系、42:熱交換器、50,62:三方電磁弁(冷却水温度調節手段)、56:ファン(冷却水温度調節手段)、60:冷却水温度センサ(冷却水温度検出手段)、84:ECU(湿度検出手段、目標供給量決定手段、制御手段、出力電力検出手段、記憶手段、判断手段、変更手段、冷却水温度制御手段)、90:露点センサ(露点検出手段)、100:温度センサ(湿度検出手段、温度検出手段)

Claims (8)

  1. 空気と燃料が供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の排熱を利用して温水を生成する給湯システムとを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
    a.前記燃料電池に前記空気を供給する空気供給手段と、
    b.前記燃料電池に供給される空気の湿度を検出する湿度検出手段と、
    c.前記検出された空気の湿度が上昇するほど前記空気の目標供給量が増加し、前記温水の目標温度が上昇するほど前記空気の目標供給量が減少するように、前記空気の目標供給量を決定する目標供給量決定手段と、
    および
    d.前記燃料電池に供給される空気の量が前記決定された目標供給量となるように前記空気供給手段の動作を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
  2. さらに、
    e.前記燃料電池の出力電力を検出する出力電力検出手段、
    を備えると共に、前記目標供給量決定手段は、前記検出された空気の湿度と前記温水の目標温度が同条件であれば、前記検出された出力電力が大きいほど前記空気の目標供給量が増加するように、前記目標供給量を決定することを特徴とする請求項1記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  3. さらに、
    f.前記検出された空気の湿度と前記温水の目標温度とに基づき、前記燃料電池の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する判断手段と、
    および
    g.前記水分量が前記所定範囲にないと判断されるとき、前記温水の目標温度を変更する目標温度変更手段と、
    を備えることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  4. 前記湿度検出手段は、
    h.前記燃料電池に供給される空気の温度を検出する温度検出手段と、
    および
    i.前記燃料電池コージェネレーションシステムが使用される地域における、気温に対する平均湿度の特性を記憶した記憶手段と、
    を備えると共に、前記検出された空気の温度から前記特性に従って前記平均湿度を求め、前記求めた平均湿度を前記燃料電池に供給される空気の湿度とすることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  5. 空気と燃料が供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の排熱を利用して温水を生成する給湯システムとを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
    a.前記燃料電池に前記空気を供給する空気供給手段と、
    b.前記燃料電池に供給される空気の露点を検出する露点検出手段と、
    c.前記検出された空気の露点が上昇するほど前記空気の目標供給量が増加し、前記温水の目標温度が上昇するほど前記空気の目標供給量が減少するように、前記空気の目標供給量を決定する目標供給量決定手段と、
    および
    d.前記燃料電池に供給される空気の量が前記決定された目標供給量となるように前記空気供給手段の動作を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
  6. さらに、
    e.前記燃料電池の出力電力を検出する出力電力検出手段、
    を備える共に、前記目標供給量決定手段は、前記検出された空気の露点と前記温水の目標温度が同条件であれば、前記検出された出力電力が大きいほど前記空気の目標供給量が増加するように、前記目標供給量を決定することを特徴とする請求項5記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  7. さらに、
    f.前記検出された空気の露点と前記温水の目標温度とに基づき、前記燃料電池の内部の水分量が所定範囲にあるか否か判断する判断手段と、
    および
    g.前記水分量が前記所定範囲にないと判断されるとき、前記温水の目標温度を変更する目標温度変更手段と、
    を備えることを特徴とする請求項5または6記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  8. さらに、
    j.前記燃料電池の冷却水が循環させられる冷却水循環系と、
    k.前記冷却水と前記温水が流入され、前記流入された冷却水と温水の間で熱交換を行わせる熱交換器と、
    l.前記冷却水循環系に配置されて前記冷却水の温度を調節する冷却水温度調節手段と、
    m.前記熱交換器に流入される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
    および
    n.前記検出された冷却水温度が前記温水の目標温度となるように前記冷却水温度調節手段の動作を制御する冷却水温度制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
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