JP5910127B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特にスタック(燃料電池)を即時に起動してシステムに要求される目標出力に到達させる技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technique for starting a stack (fuel cell) immediately to reach a target output required for the system.
固体酸化物型燃料電池システム等の燃料電池システムでは、燃料電池スタック(以下、単に「スタック」と略す)を起動させる際に、該スタックの温度を発電開始温度まで昇温させる必要があり、従来より、スタックのカソード上流側に燃焼バーナを設置し、スタック起動時に燃焼バーナを燃焼させ、発生する燃焼ガスをカソードに供給してスタックを昇温している。そして、スタックが発電可能温度に達した後にスタックによる発電を開始し、スタック温度が所定値に達し、且つ、発電電流または発電電力が所定値に達した場合に、燃焼バーナを停止させて定格運転状態とする(例えば、特許文献1参照)。 In a fuel cell system such as a solid oxide fuel cell system, when starting a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as “stack”), it is necessary to raise the temperature of the stack to a power generation start temperature. Thus, a combustion burner is installed on the upstream side of the cathode of the stack, the combustion burner is combusted when the stack is activated, and the generated combustion gas is supplied to the cathode to raise the temperature of the stack. Then, after the stack reaches the power generation possible temperature, power generation by the stack is started, and when the stack temperature reaches a predetermined value and the generated current or generated power reaches the predetermined value, the combustion burner is stopped and rated operation is performed. State (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述した特許文献1に開示された従来例は、燃焼バーナを停止させるタイミングを制御することを目的としており、スタックが定格運転状態(一定の出力を得ることができる状態)に至る以前に、燃焼バーナによる加熱を停止し、その後、徐々に定格運転に移行させるので、燃焼バーナを停止することによってスタックの昇温速度を遅延させてしまう場合があり、急速に目標出力へ到達させることが要求される車載用燃料電池への適用は難しいという問題があった。 However, the conventional example disclosed in Patent Document 1 described above is intended to control the timing at which the combustion burner is stopped, and before the stack reaches the rated operation state (a state where a constant output can be obtained). Since the heating by the combustion burner is stopped and then gradually shifted to the rated operation, stopping the combustion burner may delay the rate of temperature rise of the stack, so that the target output can be reached quickly. There was a problem that it was difficult to apply to the required on-vehicle fuel cell.
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の起動時に即時に目標出力に到達させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can immediately reach a target output when the fuel cell is started. There is.
上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池と、該燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、酸化剤供給手段とカソードとの間に設けられ、酸化剤供給手段より出力される酸化剤を加熱する酸化剤加熱手段とを備える。また、燃料電池の起動時に、酸化剤加熱手段で加熱された酸化剤をカソードに供給して燃料電池を昇温する制御を行い、燃料電池が発電可能温度に到達した後には、燃料電池の目標出力が予め設定した所定値X1以下の場合には、該燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、下記(a)、(b)の双方を実施し、目標出力が所定値X1を上回る場合には、該燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、下記(b)と、(a)及び(c)の少なくとも一方と、を実施する。
(a)酸化剤加熱手段より出力される酸化剤の酸素過剰率を、燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御
(b)燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御
(c)酸化剤加熱手段による加熱制御
To achieve the above object, the present invention is provided with a fuel cell, an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell, and an oxidant supply means and a cathode. And an oxidant heating means for heating the outputted oxidant. Further, when the fuel cell is started, the temperature of the fuel cell is controlled by supplying the oxidant heated by the oxidant heating means to the cathode, and after the fuel cell reaches the power generation possible temperature, the target of the fuel cell is controlled. When the output is less than or equal to a preset predetermined value X1, both of the following (a) and (b) are performed until the fuel cell reaches a predetermined target output or target temperature, and the target output is a predetermined value. When exceeding X1, the following (b) and at least one of (a) and (c) are performed until the fuel cell reaches a predetermined target output or target temperature .
(A) Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell (b) The output per unit area of the fuel cell peak (C) Heating control by oxidant heating means is set so that the cell voltage is set near the cell voltage.
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の温度が発電可能温度に到達した後、通常運転時の目標出力、または目標温度となるまで、昇温制御を実施する。この際、燃料電池の目標出力が予め設定した所定値X1以下の場合には、(a)酸化剤加熱手段より出力される酸化剤の酸素過剰率を、燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、及び(b)燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御、の双方を実施する。目標出力が所定値X1を上回る場合には、(b)燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御と、(a)酸化剤加熱手段より出力される酸化剤の酸素過剰率を、燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御及び(c)酸化剤加熱手段による加熱制御の少なくとも一方と、の制御を行うので、燃料電池の出力を迅速に目標出力に到達させることができる。 In the fuel cell system according to the present invention, after the temperature of the fuel cell reaches the power generation possible temperature, the temperature rise control is performed until the target output during normal operation or the target temperature is reached . At this time, when the target output of the fuel cell is equal to or less than a predetermined value X1, the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means is set to the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell. And (b) control for setting the cell voltage when the output per unit area of the fuel cell reaches a peak and setting the cell voltage to be close to the cell voltage. To implement. When the target output exceeds the predetermined value X1, (b) the cell voltage when the output per unit area of the fuel cell reaches a peak is set, and the cell voltage is set to be close to this cell voltage. Control, (a) control for setting the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell, and (c) heating control by the oxidant heating means. Since at least one of the controls is performed, the output of the fuel cell can quickly reach the target output.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態の説明]
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図1に示すように、該燃料電池システム100は、カソード11a、及びアノード11bを備えた燃料電池スタック11(以下、「スタック11」と略す)と、カソード11aに空気(酸化剤)を供給する空気ブロワ(酸化剤供給手段)12と、該空気ブロワ12より送出される空気を加熱する熱交換器13と、スタック11のアノード11bに炭化水素燃料等の燃料を供給する第1燃料ポンプ14と、該第1燃料ポンプ14より送出される燃料を気化させる蒸発器25と、該蒸発器25で気化した燃料を改質してアノード11bに供給する熱交換型プレ改質装置15と、を備えている。
[Description of First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
熱交換型プレ改質装置15は、プレ改質器16、及び該プレ改質器16を加熱する燃焼器17を備えており、燃焼器17には、空気ブロワ12より送出される空気の一部、及びアノードオフガス(アノード11bより排出されるガス)が供給されて燃焼し、プレ改質器16を加熱する。また、燃焼器17の出力側は熱交換器13の高温側に接続されており、該燃焼器17より出力される排ガスは熱交換器13の加熱用ガスとして用いられる。
The heat exchange type pre-reformer 15 includes a pre-reformer 16 and a
また、プレ改質器16には、空気ブロワ12より送出される空気の一部、及び第1燃料ポンプ14より送出され蒸発器25で気化された燃料、及びアノードオフガスの一部が供給され、燃焼器17で発生する熱により燃料を改質し、改質した燃料をスタック11のアノード11bに供給する。
The pre-reformer 16 is supplied with a part of the air sent from the
また、空気ブロワ12の出力側は、熱交換器13の低温側に接続され、更にその出口はスタック11の起動時にカソード11aを加熱するための燃焼バーナ(酸化剤加熱手段)21に接続されている。燃焼バーナ21は、第2燃料ポンプ22に接続され、該第2燃料ポンプ22より燃料が供給される。従って、燃焼バーナ21には、熱交換器13で加熱された空気、及び第2燃料ポンプ22より送出される燃料が供給されて燃焼する。そして、この燃焼ガスがスタック11のカソード11aに供給される。
The output side of the
アノード11bの出力側には、アノードオフガス循環器23が設けられており、アノード11bより出力されるアノードオフガスを2系統に分岐させ、一方に分岐したアノードオフガスをプレ改質器16に供給し、他方に分岐したアノードオフガスを燃焼器17に供給する。
An anode off-
空気ブロワ12と熱交換型プレ改質装置15との間には、流量制御装置19,20が設けられており、プレ改質器16に供給する空気流量、及び燃焼器17に供給する空気流量が所望の流量となるように調整することができる。
Between the
スタック11には、入口付近の温度を測定する入口温度センサ41a、及び出口付近の温度を測定する出口温度センサ41bと、スタック11の出力電流及び電圧を検出する電流・電圧センサ42が設けられている。
The
また、本実施形態に係る燃料電池システム100は、システム全体を総括的に制御する制御部(制御手段)31を備えている。特に、制御部31は、スタック11に設けられる入口温度センサ41a、及び出口温度センサ41bで測定されるスタック温度(例えば、入口温度と出口温度の平均値)、及び電流・電圧センサ42で測定され、演算される発電出力に基づいて、第2燃料ポンプ22による燃料の供給量、及び空気ブロワ12による空気量を制御する処理を行う。なお、制御部31は、例えば、中央演算ユニット(CPU)や、RAM、ROM、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。
In addition, the
[第1実施形態の動作説明]
次に、第1実施形態に係る燃料電池システム100の、起動時における処理動作を、図2〜図8に示すフローチャートを参照して説明する。図2は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム100の起動時におけるスタックの昇温操作の全体の処理手順を示すフローチャートである。
[Description of Operation of First Embodiment]
Next, the processing operation at the start-up of the
初めに、ステップS11において、制御部31は、スタック11を起動するか否かを判断し、起動する場合には(ステップS11でYES)、ステップS12において、制御部31は、燃焼バーナ21によるスタック11の加熱が終了したか否かを判断する。そして、加熱が終了していなければ(ステップS12でNO)、ステップS13において、制御部31は、継続して燃焼バーナ21によるスタック11の加熱制御を行う。スタック加熱制御の詳細については、図3に示すフローチャートを参照して後述する。その後、ステップS14に処理を進める。
First, in step S11, the
ステップS14において、制御部31は、スタック昇温制御が終了しているか否かを判断する。そして、昇温制御が終了していなければ(ステップS14でNO)、ステップS15において、制御部31は、スタック昇温制御を行う。スタック昇温制御の詳細については、図4に示すフローチャートを参照して後述する。その後、本処理を終了する。なお、「スタック加熱制御」とはスタック11を発電可能温度まで昇温させる制御であり、「スタック昇温制御」とは発電可能温度まで昇温されたスタック11の温度を更に昇温して発電目標温度まで上昇させる制御である。
In step S14, the
次に、図2のステップS13に示した燃焼バーナ21によるスタック11の加熱制御の処理手順を、図3に示すフローチャートを参照して説明する。
Next, the processing procedure of the heating control of the
初めに、ステップS21において、制御部31は、空気ブロワ12を起動して、燃焼バーナ21に空気を供給する。
First, in step S <b> 21, the
ステップS22において、制御部31は、燃焼バーナ21を起動させて、第2燃料ポンプ22より供給される燃料及び空気ブロワ12より供給される空気により該燃焼バーナ21を燃焼させる。そして、燃焼バーナ21にて生成される燃焼ガスをスタック11のカソード11a内に供給し、カソード11aを昇温する。
In step S <b> 22, the
ステップS23において、制御部31は、空気ブロワ12からカソード11a内に供給される空気量を制御し、更に、ステップS24において、燃焼バーナ21に供給する燃料量を制御する。これにより、燃焼バーナ21からカソード11aに供給される燃焼ガス量、及び燃焼バーナ21の出口温度が所定の状態になるように制御する。
In step S23, the
ステップS25において、制御部31は、入口温度センサ41a、出口温度センサ41bによりスタック11の温度(例えば、入口温度と出口温度の平均値)を検出し、ステップS26において、スタック11の温度が所定の温度(スタック11の発電可能温度)に達したか否かを判断する。所定温度に達していなければ(ステップS26でNO)、ステップS23に処理を戻し、所定温度に達していれば(ステップS26でYES)、ステップS27において、制御部31は、燃焼バーナ21による加熱を終了する。そして、加熱終了判定のフラグをオンとする。こうして、スタック11を発電可能温度まで昇温させることができる。
In step S25, the
次に、図2のステップS15に示したスタック昇温制御の詳細な処理を、図4に示すフローチャートを参照して説明する。図4に示すステップS31において、制御部31は、スタック11の温度、及び出力(電力、及び電流より演算される)を検出する。ステップS32において、制御部31は、スタック11の出力が目標出力に到達しているか否かを判断する。
Next, detailed processing of the stack temperature raising control shown in step S15 of FIG. 2 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In step S31 shown in FIG. 4, the
そして、目標出力に到達している場合には(ステップS32でYES)、ステップS35において、スタック11の発電出力が目標出力になるように電流値を制御する。更に、ステップS36において、目標出力に到達したことを示すフラグをオンとする。その後、ステップS37に処理を進める。
If the target output has been reached (YES in step S32), in step S35, the current value is controlled so that the power generation output of the
一方、目標出力に達していない場合には(ステップS32でNO)、ステップS33において、制御部31は、メモリ(図示省略)等に記憶されているセル電圧目標値を読み込み、更に、ステップS34において、このセル電圧目標値となるようにセル電圧を制御する。具体的には、セル電圧が所定値となるように制御することによって、スタック11の温度の上昇に伴い、スタック11の出力が目標出力となるように制御する。なお、スタック11は、複数のセルが積層された構造体であり、セル電圧とは各セルの出力電圧のことである。この際、セル電圧は、0.5V程度に制御することが望ましい。セル電圧の制御については、図16を参照して後述する。その後、ステップS37に処理を進める。
On the other hand, if the target output has not been reached (NO in step S32), in step S33, the
ステップS37において、制御部31は、スタック11の目標出力が、予め設定した所定出力よりも大きいか否かを判断する。即ち、図15に示す特性曲線に示しているように、目標出力が予め設定した所定値X1よりも大きいか否かを判断する。ここで、図15に示すように、スタック11の目標出力とスタック11に投入するエネルギーとの関係は、燃焼バーナ21のオン時とオフ時で相違する。
In step S37, the
そして、図15の曲線Q1は燃焼バーナ21のオン時の特性を示し、曲線Q2は燃焼バーナ21のオフ時の特性を示しており、目標出力がX1を超えると燃焼バーナ21をオンとした方が、投入エネルギーを低減できることが判る。従って、本実施形態に係る燃料電池システムでは、目標出力がX1を上回る場合には、燃焼バーナ21を作動させることによりスタック11を目標温度まで昇温させ、目標出力がX1を下回る場合には、燃焼バーナ21を作動させずにスタック11を昇温させる。ここで、「目標温度」とは、スタック11が定常運転されているときの温度であり、発電可能温度よりも高い温度である。
15 shows the characteristics when the
目標出力が所定値X1よりも大きい場合には(ステップS37でYES)、ステップS38において、制御部31は、スタック11の温度が目標温度に到達したか否かを判断する。そして、目標温度に到達していない場合には(ステップS38でNO)、ステップS39において、制御部31は、バーナ及び酸素過剰率制御[1]を実行する。この制御の詳細については、図5に示すフローチャートを参照して後述する。一方、目標温度に到達している場合には(ステップS38でYES)、ステップS40において、制御部31は、バーナ及び酸素過剰率制御[2]を実行する。この制御の詳細については、図6に示すフローチャートを参照して後述する。
When the target output is larger than the predetermined value X1 (YES in step S37), in step S38, the
また、ステップS37の処理で、目標出力が所定値X1以下であると判断された場合には(ステップS37でNO)、ステップS41において、制御部31は、スタック11の温度が目標温度に到達したか否かを判断する。そして、目標温度に到達していない場合には(ステップS41でNO)、ステップS42において、制御部31は、酸素過剰率制御[1]を実行する。この制御の詳細については、図7に示すフローチャートを参照して後述する。一方、目標温度に到達している場合には(ステップS41でYES)、ステップS43において、制御部31は、酸素過剰率制御[2]を実行する。この制御の詳細については、図8に示すフローチャートを参照して後述する。
If it is determined in step S37 that the target output is less than or equal to the predetermined value X1 (NO in step S37), in step S41, the
そして、バーナ及び酸素過剰率制御[1]、[2]及び酸素過剰率制御[1]、[2]のうちのいずれかの処理が実行されると、ステップS44において、制御部31は、スタック11の温度が目標温度に到達したか否かを判断する。目標温度に到達した場合には(ステップS44でYES)、ステップS45において、制御部31は、目標温度に到達したものと判定し、目標温度到達判定フラグをオンとする。
When any one of the burner and oxygen excess rate control [1], [2] and the oxygen excess rate control [1], [2] is executed, in step S44, the
ステップS46において、制御部31は、スタック11の温度、及び出力が目標温度及び目標出力に到達したか否かを判断し、目標温度及び目標出力に到達していなければ、本処理を終了する。一方、目標温度及び目標出力に到達していれば、ステップS47において、制御部31は、スタック昇温制御を終了し、スタック昇温制御終了判定フラグをオンとする。そして、ステップS45の処理で目標温度到達フラグがオンとなり、且つ、ステップS47の処理でスタック昇温制御終了フラグがオンとされた場合には、図2のステップS15に示したスタック昇温制御が終了する。
In step S46, the
次に、ステップS34の処理でセル電圧を0.5V前後に制御することについて、図16に示す特性図を参照して説明する。図16は、電流密度(A/cm2)とセル電圧(V)、及び出力密度(W/cm2)との関係を示しており、符号V1は温度T1のときの出力電圧を示し、符号V2は温度T2(>T1)のときの出力電圧を示し、符号V3は温度T3(>T2)のときの出力電圧を示している。また、符号W1は温度T1のときの出力密度(W/cm2)を示し、符号W2は温度T2のときの出力密度を示し、符号W3は温度T3のときの出力密度を示している。 Next, the control of the cell voltage to about 0.5 V in the process of step S34 will be described with reference to the characteristic diagram shown in FIG. FIG. 16 shows the relationship between the current density (A / cm 2), the cell voltage (V), and the output density (W / cm 2). The reference symbol V1 indicates the output voltage at the temperature T1, and the reference symbol V2 indicates The output voltage at the temperature T2 (> T1) is shown, and the symbol V3 shows the output voltage at the temperature T3 (> T2). Reference sign W1 indicates the output density (W / cm 2) at the temperature T1, reference sign W2 indicates the output density at the temperature T2, and reference sign W3 indicates the output density at the temperature T3.
そして、図16の特性図から理解されるように、各温度T1,T2,T3において、セル電圧が0.5(V)付近のときに、単位面積当たりの出力電力、即ち出力密度がピーク値となっている。従って、図4のステップS34に示す処理では、セル電圧を0.5(V)程度に制御することにより、出力電力を高め、ひいては多くの発熱量を得ることができる。即ち、セル電圧を0.5(V)程度に制御することにより、スタック11の昇温効果を向上させることができる。
As can be understood from the characteristic diagram of FIG. 16, at each temperature T1, T2, T3, when the cell voltage is around 0.5 (V), the output power per unit area, that is, the output density is a peak value. It has become. Therefore, in the process shown in step S34 of FIG. 4, by controlling the cell voltage to about 0.5 (V), the output power can be increased and thus a large amount of heat can be obtained. That is, the temperature rise effect of the
次に、図4のステップS39に示したバーナ及び酸素過剰率制御[1]の詳細な処理手順を、図5に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップS51において、制御部31は、目標酸素過剰率を読み込む。この処理では、予めメモリ(図示省略)等に記憶されている目標酸素過剰率(例えば、1.3等)を読み込んで取得する。ここで、メモリ等に記憶されている目標酸素過剰率は、通常運転時における目標酸素過剰率よりも低い数値に設定されている。従って、この目標酸素過剰率を用いてカソード11aに供給する酸素量を制御すると、通常運転時よりも少ない酸素(空気)が供給されることになるので、スタック11の温度は上昇することになる。
Next, the detailed processing procedure of the burner and oxygen excess rate control [1] shown in step S39 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S51, the
ステップS52において、制御部31は、燃焼バーナ21の目標出口温度を読み込む。この処理では、予めメモリ(図示省略)等に記憶されている燃焼バーナ21の目標出口温度を読み込んで取得する。
In step S52, the
ステップS53において、制御部31は、スタック11に設けられる電流・電圧センサ42により、スタック11の出力電流を検出する。
In step S <b> 53, the
ステップS54において、制御部31は、ステップS53の処理で検出した出力電流に応じた最低の要求酸素量を演算する。具体的には、出力電流が得られるために必要となる酸素量の最低値に、ステップS51の処理で取得した酸素過剰率を乗じた数値を要求酸素量として求める。
In step S54, the
ステップS55において、制御部31は、ステップS52の処理で取得した燃焼バーナ21の目標出口温度に基づき、この温度とするために必要とする燃焼バーナ21の要求燃料量を演算する。即ち、スタック11の要求酸素量、及び燃焼バーナ21の目標出口温度が決まれば、要求燃料量を求めることができる。
In step S55, the
ステップS56において、制御部31は、ステップS54の処理で求めた要求酸素量と、ステップS55の処理で求めた要求燃料量とに基づき、空気ブロワ12より送出する空気量を演算する(この際、燃焼バーナ21での燃焼によって消費される酸素量を勘案し、燃焼バーナ21出口の酸素過剰率が、ステップS54の処理で設定された要求酸素量となるように空気量が演算される)。即ち、空気ブロワ12より送出する空気が燃焼バーナ21に供給され、且つ、該燃焼バーナ21で燃焼した後に排出されるガス中の酸素量が、ステップS54の処理で求めた要求酸素量となるように、要求カソード空気量を演算する。
In step S56, the
ステップS57において、制御部31は、ステップS56の処理で求められた空気量をカソード11aに供給する空気量として設定し、更に、ステップS58において、燃焼バーナ21に供給する燃料量を設定し、これらの空気量、及び燃料量となるように、空気ブロワ12、及び第2燃料ポンプ22を制御する。
In step S57, the
こうして、カソード11aに供給する空気量、及び燃焼バーナ21に供給する燃料量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック11を昇温させることができる。つまり、燃焼バーナ21の燃焼ガスを供給し、且つ通常運転時よりも低い酸素過剰率とすることにより、スタック11の温度を急速に昇温することができる。
Thus, the
次に、図4のステップS40に示したバーナ及び酸素過剰率制御[2]の詳細な処理手順を、図6に示すフローチャートを参照して説明する。この処理では、前述したバーナ及び酸素過剰率制御[1]と異なり、スタック11が目標温度に到達しているので、スタック11の出口と入口の温度差ΔT(出口温度−入口温度)、或いはスタック11の出口温度に基づいて、スタック11の温度が目標温度を維持するように、燃焼バーナ21及び酸素過剰率を制御する。
Next, the detailed procedure of the burner and oxygen excess rate control [2] shown in step S40 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In this process, unlike the burner and oxygen excess rate control [1] described above, the
初めに、ステップS61において、制御部31は、スタック11の出口温度と入口温度との温度差ΔTを検出する。或いは、カソード11aの出口温度を検出する。
First, in step S61, the
ステップS62において、制御部31は、燃焼バーナ21の目標出口温度を読み込む。この処理では、図5のステップS52の処理と同様に、メモリ等に記憶されている目標出口温度を読み込んで取得する。
In step S <b> 62, the
ステップS63において、制御部31は、カソード11aに供給する酸素過剰燃焼ガス量、即ち、燃焼バーナ21で燃焼した後に排出される酸素過剰ガスの流量(以下、「供給ガス量」という)を演算する。そして、この供給ガス量となるように制御する。
In step S63, the
具体的には、ステップS61の処理で温度差ΔTを検出した場合には、ΔT>0の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、ΔT<0の場合には供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔTがゼロに近づくように制御する。また、ステップS61で出口温度を検出した場合には、(出口温度)>(目標温度)の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、(出口温度)<(目標温度)の場合に供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、スタック11の温度が目標温度になるように制御する。
Specifically, when the temperature difference ΔT is detected in the process of step S61, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT> 0, and the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT <0. By decreasing, the temperature difference ΔT is controlled to approach zero. If the outlet temperature is detected in step S61, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when (exit temperature)> (target temperature), and the supply gas when (exit temperature) <(target temperature). By reducing the amount by a predetermined amount, control is performed so that the temperature of the
ステップS64において、制御部31は、ステップS63の処理で求めた供給ガス量に基づいて、空気ブロワ12より送出する要求カソード空気量を演算する。即ち、空気ブロワ12より送出する空気が燃焼バーナ21に供給され、且つ、該燃焼バーナ21で燃焼した後に排出されるガス量が、ステップS63の処理で求めた供給ガス量となるように、空気ブロワ12が送出する空気量を演算する。
In step S64, the
ステップS65において、制御部31は、ステップS62の処理で取得した燃焼バーナ21の目標出口温度に基づき、この温度とするために必要とする燃焼バーナ21の要求燃料量を演算する。
In step S65, based on the target outlet temperature of the
ステップS66において、制御部31は、ステップS64の処理で求められた空気量をカソード11aに供給する空気量として設定し、更に、ステップS67において、燃焼バーナ21に供給する燃料量を設定し、これらの空気量、及び燃料量となるように、空気ブロワ12、及び第2燃料ポンプ22を制御する。
In step S66, the
こうして、カソード11aに供給する空気量、及び燃焼バーナ21に供給する燃料量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック11の温度を目標温度に保持することができる。
Thus, by controlling the amount of air supplied to the
次に、図4のステップS42に示した酸素過剰率制御[1]の詳細な処理手順を、図7に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップS71において、制御部31は、目標酸素過剰率を読み込む。この処理では、予めメモリ(図示省略)等に記憶されている目標酸素過剰率を読み込んで取得する。この酸素過剰率は、スタック11の通常運転時の酸素過剰率よりも低い数値に設定されている。
Next, the detailed processing procedure of oxygen excess rate control [1] shown in step S42 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S71, the
ステップS72において、制御部31は、スタック11に設けられる電流・電圧センサ42により、スタック11の出力電流を検出する。
In step S <b> 72, the
ステップS73において、制御部31は、ステップS72の処理で検出した出力電流に応じた最低の要求酸素量を演算する。具体的には、出力電流が得られるために必要となる酸素量の最低値に、ステップS71の処理で取得した酸素過剰率を乗じた数値を要求酸素量として求める。
In step S73, the
ステップS74において、制御部31は、ステップS73の処理で求めた要求酸素量に基づいて、空気ブロワ12より送出する空気量を演算する。即ち、要求酸素量をカソード11aに供給するために必要な空気量を演算する。
In step S74, the
ステップS75において、制御部31は、ステップS74の処理で求められた空気量をカソード11aに供給する空気量として設定し、この空気となるように、空気ブロワ12を制御する。
In step S75, the
こうして、カソード11aに供給する空気量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック11を昇温させることができる。つまり、上述したように、目標酸素過剰率は通常運転時の酸素過剰率よりも低く設定されているので、カソード11aに供給される酸素量(空気量)は通常運転時よりも少なくなり、冷却効果が低減し、ひいてはスタック11を昇温することができる。
Thus, the
次に、図4のステップS43に示した酸素過剰率制御[2]の詳細な処理手順を、図8に示すフローチャートを参照して説明する。この処理では、前述した酸素過剰率制御[1]と異なり、スタック11が目標温度に到達しているので、スタック11の出口と入口の温度差ΔT(出口温度−入口温度)、或いはスタック11の出口温度に基づいて、スタック11の温度が目標温度を維持するように、酸素過剰率を制御する。
Next, the detailed processing procedure of oxygen excess rate control [2] shown in step S43 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In this process, unlike the oxygen excess rate control [1] described above, since the
初めに、ステップS81において、制御部31は、スタック11の出口温度と入口温度との温度差ΔTを検出する。或いは、カソード11aの出口温度を検出する。
First, in step S81, the
ステップS82において、制御部31は、空気ブロワ12より送出する要求カソード空気量を演算する。そして、この空気量となるように制御する。具体的には、ステップS81の処理で温度差ΔTを検出した場合には、ΔT>0の場合に供給空気量を所定量だけ増加させ、ΔT<0の場合には供給空気量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔTがゼロに近づくように制御する。また、ステップS81で出口温度を検出した場合には、(出口温度)>(目標温度)の場合に供給空気量を所定量だけ増加させ、(出口温度)<(目標温度)の場合に供給空気量を所定量だけ減少させることにより、スタック11の温度が目標温度に近づくように制御する。
In step S <b> 82, the
ステップS83において、制御部31は、ステップS82の処理で求められた空気量をカソード11aに供給する空気量として設定し、この空気となるように、空気ブロワ12を制御する。
In step S83, the
こうして、カソード11aに供給する空気量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、スタック11を目標温度に維持することができる。
Thus, the
このようにして、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムでは、スタック11のセル電圧、及びカソード11aに供給するガスの酸素過剰率、及び燃焼バーナ21より出力される燃焼ガスのうちの少なくとも一つを制御することにより、発電可能温度まで昇温されたスタック11を目標出力での運転に必要な目標温度まで昇温させるので、スタック11の昇温が促進され、迅速に目標温度または目標出力に到達させることができる。従って、例えば車両に搭載する場合のように、即応性が要求されるスタックの場合に極めて有用である。また、昇温に要するエネルギー量を低減することができる。
Thus, in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, the cell voltage of the
また、燃料電池システム100に要求される目標出力が図16に示したX1を下回る場合には、燃焼バーナ21を作動させずにスタック11を昇温する。即ち、カソード11aに供給するガスの酸素過剰率制御、及びスタック11のセル電圧制御のうちの少なくとも一つを制御し、燃焼バーナ21を停止させた状態で、燃料電池を目標温度まで昇温する。従って、消費するエネルギー量を低減することができる。
When the target output required for the
更に、セル電圧を制御する際に、燃料電池出力がピークとなる電圧値に対して、一定の割合となる電圧値、例えば、セル電圧を0.5(V)付近とするように制御するので、効率良くスタック11を目標温度まで昇温させることができる。
Furthermore, when controlling the cell voltage, the voltage value at a certain ratio to the voltage value at which the fuel cell output reaches a peak, for example, the cell voltage is controlled to be around 0.5 (V). The
[第2実施形態の説明]
次に、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図9は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システム100aの構成を示すブロック図である。第2実施形態に係る燃料電池システム100aは、前述した第1実施形態の構成と対比して、スタック11(1段目スタック)の後段にカソード32a、及びアノード32bを有する2段目スタック32が設けられている点、及び、1段目スタック(第1燃料電池)11のカソード11a出口と、2段目スタック(第2燃料電池)32のカソード32a入口を接続する流路が、冷却空気導入通路(バイパス流路)33に接続されており、該冷却空気導入通路33を経由して空気ブロワ12より送出される空気の一部がカソード32aに導入される点で相違している。また、冷却空気導入通路33には、カソード32aに導入する空気量を調整するための冷却空気流量制御装置34が設けられている。
[Description of Second Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a
また、2段目スタック32には、入口側の温度を測定する入口温度センサ51a、及び出口側の温度を測定する出口温度センサ51bと、出力電流及び電圧を測定する電流・電圧センサ52が設けられている。それ以外の構成は、図1に示した構成と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。
The
[第2実施形態の動作説明]
次に、第2実施形態に係る燃料電池システム100aの作用を、図10〜図14に示すフローチャートを参照して説明する。図10は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システム100aの起動時におけるスタックの昇温操作の全体の処理手順を示すフローチャートである。
[Description of Operation of Second Embodiment]
Next, the operation of the
初めに、ステップS101において、制御部31は、1段目スタック11を起動するか否かを判断し、起動する場合には(ステップS101でYES)、ステップS102において、制御部31は、燃焼バーナ21による1段目スタック11の加熱が終了したか否かを判断する。そして、加熱が終了していなければ(ステップS102でNO)、ステップS103において、制御部31は、継続して燃焼バーナ21による1段目スタック11の加熱制御を行う。スタック加熱制御の詳細は、前述した図3に示したフローチャートと同様の処理であるので説明を省略する。その後、ステップS104に処理を進める。
First, in step S101, the
ステップS104において、制御部31は、1段目スタック11の昇温制御が終了しているか否かを判断する。そして、昇温制御が終了していなければ(ステップS104でNO)、ステップS105において、制御部31は、1段目スタック11の昇温制御を行う。1段目スタック11の昇温制御は、図4に示したフローチャートと同様の処理であるので説明を省略する。その後、ステップS106に処理を進める。
In step S104, the
ステップS106において、制御部31は、2段目スタック32の第1昇温制御が必要であるか否かを判断する。なお、第1昇温制御とは、2段目スタック32が発電可能温度に到達するまで昇温する制御のことである。そして、2段目スタック32が発電可能温度に到達しておらず、第1昇温制御が必要である場合には(ステップS106でYES)、ステップS107において、制御部31は、2段目スタック32の第1昇温制御を実行する。第1昇温制御の詳細については、図11を参照して後述する。
In step S <b> 106, the
一方、第1昇温制御が必要でない場合(ステップS106でNO)、或いは第1昇温制御が終了した場合には、ステップS108において、制御部31は、2段目スタックの第2昇温制御が必要であるか否かを判断する。ここで、第2昇温制御とは、2段目スタック32が発電可能温度に到達した後、更に通常運転時の温度まで昇温させる制御のことである。そして、2段目スタック32が通常運転時の温度に到達しておらず、第2昇温制御が必要である場合には、ステップS109において、制御部31は、2段目スタック32の第2昇温制御を実行する。第2昇温制御の詳細については、図13を参照して後述する。
On the other hand, when the first temperature increase control is not necessary (NO in step S106), or when the first temperature increase control is completed, in step S108, the
第2昇温制御が必要でない場合(ステップS108でNO)、或いは第2昇温制御が終了した場合には、本処理を終了する。 If the second temperature increase control is not necessary (NO in step S108), or if the second temperature increase control is completed, this process is terminated.
次に、図10のステップS107に示した2段目スタック32の第1昇温制御の処理手順について、図11に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップS111において、制御部31は、メモリ(図示省略)等に記憶されている目標出力(1段目スタック11と2段目スタック32の合計の目標出力)を読み込む。
Next, the processing procedure of the first temperature rise control for the
ステップS112において、制御部31は、1段目スタック11のみの運転で目標出力を得ることが可能であるか否かを判断する。そして、可能であれば(ステップS112でYES)、ステップS116において、制御部31は、2段目スタック32の第1昇温制御不必要判定フラグをオンとする。
In step S112, the
一方、可能でなければ(ステップS112でNO)、ステップS113において、制御部31は、2段目スタック32に設けられた入口温度センサ51aと出口温度センサ51bにより、該2段目スタック32の温度(例えば、入口温度と出口温度の平均値)を検出する。
On the other hand, if not possible (NO in step S112), in step S113, the
ステップS114において、制御部31は、2段目スタック32の昇温が必要であるか否かを判断する。つまり、ステップS113の処理にて2段目スタック32の温度が発電可能温度に達している場合には、第1昇温制御は不要となりステップS116に処理を進める。一方、発電可能温度に達していない場合には、第1昇温制御は必要であるので、ステップS115に処理を進める。
In step S114, the
ステップS115において、制御部31は、バーナ及び酸素過剰率制御[3]を実行する。この制御の詳細については図12に示すフローチャートを参照して後述する。
In step S115, the
次に、図11のステップS115に示したバーナ及び酸素過剰率制御[3]の詳細な処理手順について、図12に示すフローチャートを参照して説明する。 Next, a detailed processing procedure of the burner and oxygen excess rate control [3] shown in step S115 of FIG. 11 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
初めに、ステップS121において、制御部31は、1段目スタック11に設けられる入口温度センサ41aで測定される入口温度と、出口温度センサ41bで測定される出口温度との温度差ΔT(出口温度−入口温度)を検出する。或いは、カソード11aの出口温度を検出する。
First, in step S121, the
ステップS122において、制御部31は、目標出力と1段目スタック11の現在の出力との関係から、これらの差分を演算する。
In step S122, the
ステップS123において、制御部31は、ステップS122の処理で求めた差分値に基づき、燃焼バーナ21を起動する必要が有るか否かを判断する。即ち、差分値が一定値よりも大きい場合には、燃焼バーナ21を起動させる必要があると判断する。そして、燃焼バーナ21を起動させる必要があると判断された場合には(ステップS123でYES)、ステップS124に処理を進め、必要がないと判断された場合には(ステップS123でNO)、ステップS130に処理を進める。
In step S123, the
ステップS124において、制御部31は、燃焼バーナ21の目標出口温度を読み込む。この処理では、メモリ等に記憶されている目標出口温度を読み込んで取得する。具体的には、図17に示す如くの、差分値(目標出力と現状出力の差分)と燃焼バーナ21の出口温度との関係を示す特性曲線が記憶されており、ステップS122の処理で求められる差分値を図17の特性曲線に当てはめることにより、燃焼バーナ21の出口温度を取得する。
In step S124, the
ステップS125において、制御部31は、1段目スタック11のカソード11aに供給する酸素過剰燃焼ガス量、即ち、燃焼バーナ21で燃焼した後に排出される酸素過剰ガスの流量(以下、「供給ガス量」という)を演算する。そして、この供給ガス量となるように制御する。
In step S125, the
具体的には、ステップS121の処理で温度差ΔTを検出した場合には、ΔT>0の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、ΔT<0の場合には供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔTがゼロに近づくように制御する。また、ステップS121で出口温度を検出した場合には、(出口温度)>(目標温度)の場合に供給ガス量を所定量だけ増加させ、(出口温度)<(目標温度)の場合に供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、1段目スタック11の温度が目標温度になるように制御する。
Specifically, when the temperature difference ΔT is detected in the process of step S121, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT> 0, and the supply gas amount is increased by a predetermined amount when ΔT <0. By decreasing, the temperature difference ΔT is controlled to approach zero. When the outlet temperature is detected in step S121, the supply gas amount is increased by a predetermined amount when (exit temperature)> (target temperature), and the supply gas when (exit temperature) <(target temperature). By reducing the amount by a predetermined amount, control is performed so that the temperature of the
ステップS126において、制御部31は、ステップS125の処理で求めた供給ガス量に基づいて、空気ブロワ12より送出する要求カソード空気量を演算する。即ち、空気ブロワ12より送出する空気が燃焼バーナ21、及び1段目スタック11を経由して2段目スタック11に供給されるガス量が、ステップS125の処理で求めた供給ガス量となるように、空気ブロワ12が送出する空気量を演算する。
In step S126, the
ステップS127において、制御部31は、ステップS124の処理で取得した燃焼バーナ21の目標出口温度に基づき、この温度とするために必要とする燃焼バーナ21の要求燃料量を演算する。即ち、2段目スタック32の温度が発電可能温度に到達していない場合には、システムに要求される目標出力が高いほど、燃焼バーナ21より出力する燃焼ガス温度を高くするように制御する。
In step S127, the
ステップS128において、制御部31は、ステップS126の処理で求められた空気量をカソード11aに供給する空気量として設定し、更に、ステップS129において、燃焼バーナ21に供給する燃料量を設定し、これらの空気量、及び燃料量となるように、空気ブロワ12、及び第2燃料ポンプ22を制御する。
In step S128, the
一方、燃焼バーナ21の起動が必要でない場合には(ステップS123でNO)、ステップS130において、制御部31は、目標出力に基づいて、空気ブロワ12より送出する要求カソード空気量を演算する。この処理では、燃焼バーナ21を停止させた状態で、ステップS125に示した処理と同様の処理を実施する。
On the other hand, when it is not necessary to start the combustion burner 21 (NO in step S123), in step S130, the
即ち、ステップS121の処理で温度差ΔTを検出した場合には、ΔT>0の場合に供給ガス量(酸素量に対応)を所定量だけ増加させ、ΔT<0の場合には供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、温度差ΔTがゼロに近づくように制御する。また、ステップS121で出口温度を検出した場合には、(出口温度)>(目標温度)の場合に供給ガス量(酸素量に対応)を所定量だけ増加させ、(出口温度)<(目標温度)の場合に供給ガス量を所定量だけ減少させることにより、1段目スタック11の温度が目標温度になるように制御する。
That is, when the temperature difference ΔT is detected in the process of step S121, the supply gas amount (corresponding to the oxygen amount) is increased by a predetermined amount when ΔT> 0, and the supply gas amount is increased when ΔT <0. By reducing the temperature by a predetermined amount, the temperature difference ΔT is controlled to approach zero. If the outlet temperature is detected in step S121, the amount of supplied gas (corresponding to the amount of oxygen) is increased by a predetermined amount when (outlet temperature)> (target temperature), and (outlet temperature) <(target temperature). ), The temperature of the first-
更に、ステップS131において、制御部31は、ステップS130の処理で求めた空気量となるように、空気ブロワ12より送出する空気量を設定する。
Further, in step S131, the
こうして、1段目スタック11のカソード11aに供給するガス量、及び燃焼バーナ21に供給する燃料量を酸素過剰率に基づいて制御することにより、1段目スタック11のカソード11aから2段目スタック32のカソード32aに流入する1段目スタック作動温度とほぼ同一温度のガス流量が増加するため、目標温度(発電可能温度)まで迅速に昇温させることができることとなる。
Thus, by controlling the amount of gas supplied to the
次に、図10のステップS109に示した2段目スタック32の第2昇温制御の詳細な処理手順について、図13に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、図13のステップS141において、制御部31は、システムに要求される目標出力を、例えば、車載用のシステムであれば、アクセルの操作量等から演算し、その結果を目標出力として読み込む。
Next, a detailed processing procedure of the second temperature rise control of the
ステップS142において、制御部31は、燃料電池システム100aの現状出力を検出する。現状出力は、1段目スタック11に設けられた電流・電圧センサ42と、2段目スタック32に設けられた電流・電圧センサ52で検出される出力電流と電圧に基づいて求めることができる。更に、目標出力と現状出力の差分を求め、これを差分値Aとする。その後、ステップS143において、制御部31は、2段目スタック32の温度を検出する。この処理では、2段目スタック32に設けられる入口温度センサ51aと出口温度センサ51bにより、例えば平均値としてスタック温度を検出する。
In step S142, the
ステップS144において、制御部31は、2段目スタック32を昇温する必要があるか否かを判断する。例えば、2段目スタック32の温度が所定値以上であれば、上記の差分値Aが所定値以上であっても目標出力となる電力を発電することができるので、このような場合には2段目スタック32を昇温する必要は無いと判断する。そして、必要有りと判断された場合には(ステップS144で「必要」)、ステップS145に処理を進め、必要無しと判断された場合には(ステップS144で「不要」)、ステップS155に処理を進める。
In step S144, the
ステップS145において、制御部31は、2段目スタック32の出力が目標出力に到達したか否かを判断する。そして、目標出力に到達した場合には(ステップS145でYES)、ステップS149に処理を進め、到達しない場合には(ステップS145でNO)、ステップS147に処理を進める。
In step S145, the
ステップS147,S148において、制御部31は、2段目スタック32の目標セル電圧をメモリ等から読み込み、セル電圧を所定値に制御して、2段目スタック32の作動温度の上昇に伴って増大する発電出力が目標出力に到達するように制御する。この処理は、前述した図4のステップS33,S34と同様の処理を実施する。この処理が終了した場合には、ステップS151に処理を進める。
In steps S147 and S148, the
一方、2段目スタック32の出力が目標出力に到達した場合には(ステップS145でYES)、ステップS149において、制御部31は、2段目スタック32の出力が目標出力を維持するように出力電流を制御し、ステップS150において、目標出力判定フラグをオンとする。
On the other hand, when the output of the second-
つまり、ステップS145〜S150の処理では、2段目スタック32の出力が目標出力に到達していなければ、セル電圧制御を行うことにより2段目スタック32を昇温させることができ、目標出力に到達している場合には、これ以上出力を上昇させる必要が無いため、セル電圧制御を行わずに目標出力に到達したことを示すフラグをオンとしている。
That is, in the processing of steps S145 to S150, if the output of the
ステップS151において、制御部31は、2段目スタック32の温度が目標温度(2段目スタック32の通常運転時の温度)に到達したか否かを判断し、目標温度に到達していない場合には(ステップS151でNO)、ステップS152に処理を進め、目標温度に到達している場合には(ステップS151でYES)、ステップS153に処理を進める。
In step S151, the
ステップS152において、制御部31は、酸素過剰率制御[3]を実行する。この制御の詳細については、図14に示すフローチャートを参照して後述する。
In step S152, the
ステップS153において、制御部31は、2段目スタック32の温度が目標温度に到達したことを示す目標温度到達判定フラグをオンとする。その後、ステップS154に処理を進める。
In step S153, the
ステップS154において、制御部31は、2段目スタック32が目標温度、及び目標出力に到達したか否かを判断し、到達した場合には(ステップS154でYES)ステップS155に処理を進め、その後、本処理を終了する。到達していない場合には(ステップS154でNO)、本処理を終了する。
In step S154, the
次に、図13のステップS152に示した酸素過剰率制御[3]の詳細な処理手順について、図14に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、図14のステップS161において、制御部31は、1段目スタック11より出力されるガス中の酸素量を演算する。この演算は、1段目スタック11に供給される酸素量と、発電に用いられる酸素量との関係から求めることができる。
Next, a detailed processing procedure of the excess oxygen ratio control [3] shown in step S152 of FIG. 13 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S161 in FIG. 14, the
ステップS162において、制御部31は、2段目スタック32の目標最小酸素過剰率を読み込む。この処理は、例えば、メモリ(図示省略)に記憶されている数値を読み込むことにより取得する。
In step S <b> 162, the
ステップS163において、制御部31は、電流・電圧センサ52により2段目スタック32の出力電流を検出する。
In step S <b> 163, the
ステップS164において、制御部31は、2段目スタック32の要求最小酸素量を演算する。この処理では、ステップS163の処理で検出した出力電流に基づき、この電流を発生させるために必要な酸素量(最低限必要な酸素量)を求め、更に、この酸素量にステップS162の処理で取得した目標最小酸素過剰率を乗じることにより、最小酸素量を求める。この際、ステップS161の処理で読み込む酸素過剰率は、通常運転時の酸素過剰率よりも低い数値に設定されているので、最小酸素量は、通常運転時における最小酸素量よりも低い数値となる。
In step S164, the
ステップS165において、制御部31は、ステップS164の処理で求めた最小酸素量と、ステップS161の処理で求めた1段目スタック11より出力されるガス中の酸素量(2段目供給酸素量)とを比較する。そして、2段目供給酸素量の方が最小酸素量よりも大きい場合には(ステップS165でYES)、ステップS166に処理を進め、2段目供給酸素量の方が最小酸素量よりも小さい場合には(ステップS165でNO)、ステップS167に処理を進める。
In step S165, the
ステップS166において、制御部31は、図9に示した冷却空気流量制御装置34より2段目スタック32に供給する冷却空気流量をゼロに設定する。つまり、1段目スタック11より送出されるガス中に含まれる酸素量よりも2段目スタック32が要求する最小酸素量の方が小さい場合には、2段目スタック32の発電に要する酸素が足りているので、空気ブロワ12からの冷却空気を供給しない。
In step S166, the
ステップS167において、制御部31は、冷却空気流量制御装置34より2段目スタック32に供給する冷却空気流量を演算する。つまり、1段目スタック11より送出されるガス中に含まれる酸素量(2段目供給酸素量)よりも2段目スタック32が要求する最小酸素量の方が大きい場合には、2段目スタック32の発電に要する酸素が足りないので、冷却空気流量制御装置34より供給するべき冷却空気量を求める。
In
ステップS168において、制御部31は、1段目スタック11に供給される空気と、冷却空気流量制御装置34より送出される空気の加算値を、1段目スタック11と2段目スタック32が要求する空気量の合算値として演算する。
In step S168, the
ステップS169において、制御部31は、2段目スタック32のカソード32aに供給する空気量を設定する。その後、ステップS170において、冷却空気流量制御装置34の開度を調整して、カソード32aに供給する冷却空気量が所望する数値となるように制御する。こうして、2段目スタック32のカソード32aに供給される酸素量が、必要最小限の酸素量に酸素過剰率を乗じた酸素量以下にならないように制御し、且つ、発電に必要な酸素量を供給することができ、2段目スタック32の冷却効果を低減させることにより、該2段目スタック32の温度を即時に昇温させることができるのである。
In step S169, the
このようにして、第2実施形態に係る燃料電池システムでは、互いに直列接続された1段目スタック11、及び2段目スタック32を有する場合において、2段目スタック32を起動する際に、燃焼バーナ21より送出される燃焼ガス量の制御、及び酸素過剰率の制御、及びセル電圧を所定の範囲とする制御のうちの少なくとも一つの制御を行うので、2段目スタック32を迅速に目標出力に到達させることができ、2段目スタック32による発電をいち早く開始することができる。
Thus, in the fuel cell system according to the second embodiment, when the first-
また、2段目スタック32の温度が発電可能温度に到達していない場合には、システムに要求される目標出力が高いほど、燃焼バーナ21(酸化剤加熱手段)より出力する燃焼ガスの温度が高くなるように制御するので、燃焼バーナ21より出力される燃焼ガスが1段目スタック11を経由して2段目スタック32のカソード32aに流入するので、2段目スタック32を迅速に昇温でき、目標温度に到達させるまでの時間をより一層短縮することができる。
When the temperature of the
更に、2段目スタック32の温度が発電可能温度に到達している場合には、燃焼バーナ21による加熱を停止し、2段目スタック32に供給する酸素過剰率を低く設定する制御、または、2段目スタック32のセル電圧を所定の範囲内とする制御のうちの少なくとも一つを行うので、燃焼バーナ21を燃焼させるために要する燃料量を削減でき、エネルギーの消費を低減することができる。
Further, when the temperature of the
また、1段目スタック11のカソード11a出口と、2段目スタック32のカソード32a入口を接続する流路に、冷却空気導入通路33を接続し、該冷却空気導入通路33を経由して、空気ブロワ12より送出される空気の一部がカソード32aに導入するので、2段目スタック32のカソード32aにて必要とする最小酸素量を確実に確保することができる。
Further, a cooling
[第3実施形態の説明]
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図18は、第3本実施形態に係る燃料電池システム100が、外部負荷61に接続される様子を示す説明図であり、燃料電池システム100、及び外部電源62により、中継装置63を経由して外部負荷61に電力が供給される構成とされている。そして、燃料電池システム100は、外部負荷61の要求電力に応じて、目標出力、及び目標温度を設定する。なお、燃料電池システム100は、図1に示す構成を有している。
[Description of Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 18 is an explanatory diagram showing a state in which the
以下、第3実施形態に係る燃料電池システムの作用について、図19に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップS201において、燃料電池システム100の制御部31(図1参照)は、外部負荷61の要求電力を検出する。
The operation of the fuel cell system according to the third embodiment will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S201, the control unit 31 (see FIG. 1) of the
ステップS202において、制御部31は、スタック11の発電電力を求める。次いで、ステップS203において、外部負荷要求電力とスタック11の発電電力との差分値を演算する。
In step S <b> 202, the
ステップS204において、制御部31は、ステップS203の処理で求められた差分値に基づいて、目標出力、及び目標温度を設定する。
In step S204, the
即ち、外部負荷要求電力とスタック11の発電電力との差分値は、外部電源62より供給されていることになるので、この外部電源62により供給される電力を補うために、差分値に応じた目標出力、及び目標温度を設定する。
That is, the difference value between the external load required power and the generated power of the
こうして、第3実施形態に係る燃料電池システムでは、外部電源62による供給電力の不足分を差分値として演算し、この差分値に応じてスタック11の目標出力が変動するように制御されるので、外部負荷61が必要とする電力に応じて、即時に発電量を変更して外部負荷61に供給することができるようになる。従って、スタック11の昇温速度が必要に応じて制御されることになり、昇温制御に要するエネルギー量を低減することができる。
Thus, in the fuel cell system according to the third embodiment, the shortage of the power supplied by the
[第4実施形態の説明]
次に、本発明の第4実施形態について説明する。図20は、第4本実施形態に係る燃料電池システム100が、外部負荷61に接続される様子を示す説明図であり、燃料電池システム100、及び蓄電装置64により、外部負荷61に電力が供給される構成とされている。そして、燃料電池システム100は、外部負荷61の要求電力、及び蓄電装置64の蓄電量に応じて、目標出力、及び目標温度を設定する。なお、燃料電池システム100は、図1に示す構成を有している。
[Description of Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 20 is an explanatory diagram showing a state in which the
以下、第4実施形態に係る燃料電池システムの作用について、図21に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップS211において、燃料電池システム100の制御部31(図1参照)は、外部負荷61の要求電力を検出する。
The operation of the fuel cell system according to the fourth embodiment will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S211, the control unit 31 (see FIG. 1) of the
ステップS212において、制御部31は、蓄電装置64の蓄電量割合(SOC;State Of Charge)を検出する。更に、ステップS213において、制御部31は、燃料電池システム100の目標出力、及び目標温度を設定する。この処理は、図22に示すマップを用いて設定することができる。即ち、図22はSOCと外部負荷要求電力との関係を示すマップであり、このマップに基づいてスタック11の目標出力、及び目標温度を設定する。
In step S <b> 212, the
こうして、第4実施形態に係る燃料電池システムでは、蓄電装置64の蓄電量割合(SOC)に応じてスタック11の目標出力が変動するように制御されるので、外部負荷61が必要とする電力に応じて、即時に発電量を変更して外部負荷61に供給することができるようになる。従って、スタック11の昇温速度が、蓄電装置64の蓄電量割合に応じて制御されることになり、昇温制御に要するエネルギー量を低減することができる。
Thus, in the fuel cell system according to the fourth embodiment, the target output of the
[第5実施形態の説明]
次に、本発明の第5実施形態について説明する。図23は、第5本実施形態に係る燃料電池システム100が、例えば、外部負荷61(本実施形態では車両用モータとする)に接続される様子を示す説明図であり、燃料電池システム100、及び蓄電装置64により、外部負荷61に電力が供給される構成とされている。
[Description of Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 23 is an explanatory diagram showing a state in which the
燃料電池システム100は、車両に搭載される制御装置から、車両の移動速度、及び移動方向のデータを取得可能な構成とされている。そして、燃料電池システム100は、車両の移動方向、移動速度に基づき、所定時間後の要求出力を推定し、推定した要求出力と蓄電装置64の蓄電量割合(SOC)に基づいて、燃料電池システム100の目標出力または目標温度を設定する。
The
以下、第5実施形態に係る燃料電池システムの作用について、図24に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップS231において、燃料電池システム100の制御部31(図1参照)は、燃料電池システム100が搭載される車両の位置情報(高度情報を含む)を取得する。この位置情報は、例えば、車両に搭載されるナビゲーションシステムのGPS情報より取得することができる。
The operation of the fuel cell system according to the fifth embodiment will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S231, the control unit 31 (see FIG. 1) of the
ステップS232において、制御部31は、車両の移動方向を演算する。更に、ステップS233において、車両の移動速度を検出する。
In step S232, the
ステップS234において、制御部31は、車両の移動速度、及び移動方向に基づいて、所定時間後の要求出力を推定する。
In step S234, the
ステップS235において、制御部31は、蓄電装置64の蓄電割合(SOC)を検出する。
In step S235,
ステップS236において、制御部31は、SOCの値に基づいて、目標出力或いは目標温度を設定する。この際、目標出力或いは目標温度は図25に示すように、時系列的なデータとして設定する。また、この処理は、図26に示すマップを用いて設定することができる。即ち、図26はSOCと推定出力との関係を示すマップであり、このマップに基づいてスタック11の目標出力、及び目標温度を設定する。
In step S236, the
こうすることにより、車両走行時における燃料電池システム100の目標温度、及び目標出力を、車両の走行状況に応じた時系列的なデータとして取得することができ、走行状況に応じた柔軟性の高い電力供給が可能となる。
By doing so, the target temperature and target output of the
このようにして第5実施形態に係る燃料電池システムでは、スタック11の昇温速度が、GPS情報等により推定される所定時間後の目標出力、目標温度に応じて制御されるため、所定の出力が要求される時刻よりも早い時点で昇温制御を行うことができ、昇温制御に要するエネルギー消費量を低減することができる。
Thus, in the fuel cell system according to the fifth embodiment, the temperature increase rate of the
以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 Although the fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.
例えば、上述した各実施形態では、車載用に燃料電池システムの例について説明したが、本発明は車載用に限定されるものではなく、一般家庭用に用いられる燃料電池等の他の用途として用いることも可能である。 For example, in each of the above-described embodiments, an example of a fuel cell system for in-vehicle use has been described. However, the present invention is not limited to in-vehicle use, and is used for other uses such as a fuel cell for general household use. It is also possible.
本発明は、スタック温度をいち早く目標運転時の温度まで昇温することに利用することができる。 The present invention can be used to quickly raise the stack temperature to the temperature at the target operation.
11 スタック、1段目スタック(燃料電池スタック)
11a カソード
11b アノード
12 空気ブロワ
13 熱交換器
14 第1燃料ポンプ
15 熱交換型プレ改質装置
16 プレ改質器
17 燃焼器
19,20 流量制御装置
21 燃焼バーナ
22 第2燃料ポンプ
23 アノードオフガス循環器
25 蒸発器
31 制御部
32 2段目スタック
32a カソード
32b アノード
33 冷却空気導入通路
34 冷却空気流量制御装置
41a 入口温度センサ
41b 出口温度センサ
42 電流・電圧センサ
51a 入口温度センサ
51b 出口温度センサ
52 電流・電圧センサ
61 外部負荷
62 外部電源
63 中継装置
64 蓄電装置
100,100a 燃料電池システム
11 stacks, 1st stack (fuel cell stack)
11a
Claims (8)
前記カソードの上流側に設けられ、該カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記酸化剤供給手段と前記カソードとの間に設けられ、前記酸化剤供給手段より出力される酸化剤を加熱する酸化剤加熱手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤加熱手段で加熱された酸化剤を前記カソードに供給して前記燃料電池を昇温し、前記燃料電池が発電可能温度に到達した後には、前記燃料電池の目標出力が予め設定した所定値X1以下の場合には、該燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、下記(a)、(b)の双方を実施し、目標出力が前記所定値X1を上回る場合には、該燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、下記(b)と、(a)及び(c)の少なくとも一方と、を実施する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
(a)前記酸化剤加熱手段より出力される酸化剤の酸素過剰率を、前記燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御
(b)前記燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定し、このセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御
(c)前記酸化剤加熱手段による加熱制御 A fuel cell in which reformed gas is supplied to the anode and oxidant is supplied to the cathode to generate electricity;
An oxidant supply means provided upstream of the cathode and for supplying an oxidant to the cathode;
An oxidant heating means that is provided between the oxidant supply means and the cathode and heats the oxidant output from the oxidant supply means;
At the start of the fuel cell, wherein the heated oxidant with oxidant heating means is supplied to the cathode by elevating the temperature of the fuel cell, after the fuel cell has reached the power generation possible temperature of the fuel cell When the target output is less than or equal to the preset predetermined value X1, both of the following (a) and (b) are performed until the fuel cell reaches the predetermined target output or the target temperature, and the target output is Control means for implementing the following (b) and at least one of (a) and (c) until the fuel cell reaches a predetermined target output or target temperature when the predetermined value X1 is exceeded ; A fuel cell system comprising:
(A) Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant output from the oxidant heating means to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the fuel cell (b) per unit area of the cell of the fuel cell Control for setting a cell voltage when the output reaches a peak, and setting the cell voltage so as to be close to the cell voltage (c) Heating control by the oxidant heating means
を特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The predetermined value X1 is a target at the point where the characteristic curve of the target output and input energy when the oxidant heating means is off intersects the characteristic curve of the target output and input energy when the oxidant superheating means is on. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is an output .
前記カソードの上流側に設けられ、該カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、An oxidant supply means provided upstream of the cathode and for supplying an oxidant to the cathode;
前記酸化剤供給手段と前記カソードとの間に設けられ、前記酸化剤供給手段より出力される酸化剤を加熱する酸化剤加熱手段と、を有し、An oxidant heating unit that is provided between the oxidant supply unit and the cathode and heats the oxidant output from the oxidant supply unit;
前記燃料電池は、第1燃料電池、及び該第1燃料電池の下流側に直列配置される第2燃料電池を含み、更に、前記第1燃料電池及び第2燃料電池を制御する制御手段を有し、The fuel cell includes a first fuel cell and a second fuel cell arranged in series downstream of the first fuel cell, and further includes control means for controlling the first fuel cell and the second fuel cell. And
前記制御手段は、The control means includes
前記第1燃料電池の起動時に、前記酸化剤加熱手段で加熱された酸化剤を前記カソードに供給して前記第1燃料電池を昇温する制御を行い、When starting the first fuel cell, the oxidant heated by the oxidant heating means is supplied to the cathode to control the temperature of the first fuel cell,
更に、前記第1燃料電池がシステムに要求される目標出力に応じた運転条件で運転された後、前記第2燃料電池を起動する際に、該第2燃料電池が所定の目標出力、或いは目標温度に到達するまで、システムに要求される目標出力、及び前記第2燃料電池の温度に応じて、Further, when the second fuel cell is started after the first fuel cell is operated under an operating condition corresponding to a target output required for the system, the second fuel cell has a predetermined target output or target Depending on the target power required for the system and the temperature of the second fuel cell until the temperature is reached,
前記第2燃料電池のカソードに供給する酸化剤の酸素過剰率を該第2燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant supplied to the cathode of the second fuel cell to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the second fuel cell;
及び、前記燃料電池のセルの単位面積当たりの出力がピークとなるときのセル電圧を設定しこのセル電圧付近となるようにセル電圧を設定する制御、And a control for setting a cell voltage so that the output per unit area of the cell of the fuel cell reaches a peak and setting the cell voltage to be close to the cell voltage,
及び、前記酸化剤加熱手段よる加熱制御、And heating control by the oxidant heating means,
のうちの少なくとも一つの制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell system performing at least one of the controls.
前記第2燃料電池のカソードに供給する酸化剤の酸素過剰率を該第2燃料電池の目標出力での酸素過剰率よりも低く設定する制御、及び、第2燃料電池の出力電圧を所定の範囲内とする制御、のうちの少なくとも一つの制御を行い、前記酸化剤加熱手段による加熱制御を停止す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。 When the target output or target temperature required for the second fuel cell is higher than the current output or temperature after the second fuel cell reaches the power generation possible temperature ,
Control for setting the oxygen excess rate of the oxidant supplied to the cathode of the second fuel cell to be lower than the oxygen excess rate at the target output of the second fuel cell, and the output voltage of the second fuel cell in a predetermined range 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein at least one of the internal control is performed, and the heating control by the oxidant heating means is stopped .
前記制御手段は、該燃料電池が接続される外部負荷の推定出力と、前記外部負荷に別系統で電力を供給する蓄電池の蓄電量割合を、前記マップに当てはめることにより、前記燃料電池に要求する目標出力または目標温度を設定すること
を特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
When the storage amount ratio and the estimated output are determined, a map for determining the target output or target temperature corresponding to this is set in advance,
The control means requests the fuel cell by applying an estimated output of an external load to which the fuel cell is connected and a storage amount ratio of a storage battery that supplies power to the external load in a separate system to the map. Setting the target output or target temperature
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 , wherein:
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