(57)【要約】【課題】従来の燃料電池システムでは、実用上の流量検知センサーの信頼性が低いため（流量検知センサーの測定誤差が大きいため）、最適な所定の酸素利用率で運転できていなかった。それに伴い、燃料電池の転極による劣化などの問題が生じる可能性があった。【解決手段】流量検知センサーによるフィードバック制御ではなく、回転数Ｒもしくは出力Ｗ毎に予め測定したブロワポンプ固有のＰ−Ｑ−Ｒ（Ｗ）特性及び燃料電池の酸化剤ガス流路のおいて予め測定したＰ−Ｑ特性を用いて、燃料電池の酸化剤ガス流路を流す酸化剤ガスの流量Ｑとブロアポンプの回転数Ｒ（出力Ｗ）との対応データを求め、本対応データに基づきオープン制御を実施することで、より最適な酸素利用率で運転することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、該酸化剤ガス流路において前記酸化剤ガスを流すためのポンプと、前記制御器は、前記ポンプの回転数または出力と前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの流量との対応データを保持する記憶部と、制御器とを備え、前記制御器は、前記酸化剤ガス流路に所定の流量の前記酸化剤ガスを流す際に、前記記憶部に保持された前記対応データに基づき前記ポンプの回転数または出力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記対応データは、前記ポンプにおける回転数または出力に応じた圧力と流量の関係を示す第１の特性線と、前記酸化剤ガス流路の圧力損失と流量との関係を示す第２の特性線との交点から求められる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の発電電流を制御する発電電流制御器と、該発電電流制御器に対して前記燃料電池が発電するべき電流値を指令する発電電流指令器とを備え、前記制御部は、前記発電電流指令器により指令された前記電流値及び目標酸素利用率から算出される酸化剤ガス流量になるよう前記ポンプの回転数または出力を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の発電電流を制御する発電電流制御器を備え、前記制御部は、前記発電電流制御器により前記燃料電池から取り出される電流値から算出される酸素利用率が、目標酸素利用率になるよう前記ポンプの回転数または出力を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の発電電流を計測する電流計を備え、前記制御部は、前記電流計により計測される電流値から算出される酸素利用率が、目標酸素利用率になるよう前記ポンプの回転数または出力を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
大気温度に関連する温度を検知する温度検知手段をさらに具備し、前記制御器は、前記温度検知手段で検出された温度に基づきポンプの回転数または出力を補正することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池よりも上流側の酸化剤ガス流路に設けられた圧力検知手段をさらに具備し、前記圧力検知手段で検出された圧力を用いてポンプの回転数または出力を補正することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムでは、発電に用いられる酸化剤ガスである空気を供給するブロアプンプの出力について酸化剤ガス経路に取り付けられた流量検知センサーを用いて、フィードバック制御を行っていた。これを図８で説明する。酸化剤ガス流路を流れる空気流量は、酸化剤ガス経路に取り付けられた流量検知センサー３によって測定される。測定された空気流量と燃料電池１の出力電流から求められた酸素利用率と、制御器にテーブルとして記憶された所定の酸素利用率を比較し、酸素利用率と酸素利用率が等しくなるように、ブロワポンプ２の出力を変化させ、フィードバック制御を行う（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−８１６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが従来の燃料電池システムでは、ブロワポンプの脈動が大きいために、流量検知センサーの測定誤差が大きくなり、実用上の流量検知センサーの測定値の信頼性が低く、最適な所定の酸素利用率で運転できていなかった。それに伴い、以下のような問題が生じる可能性が大きかった。
【０００４】
例えば、最適な酸素利用率の上限値を超えてしまうと最悪の場合、燃料電池の転極が生じカソード触媒が劣化を引き起こし、燃料電池の電圧低下が起こり、燃料電池システムが停止してしまうという問題がある。また、ブロワが最適な所定の出力で作動しないため、発電効率が低下する等の問題も生じる可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、流量検知センサーを用いたフィードバック制御ではなく、流量検知センサーを用いずに酸化剤ガスの流量を制御することで最適な所定の酸素利用率で運転を可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、該酸化剤ガス流路において前記酸化剤ガスを流すためのポンプと、前記制御器は、前記ポンプの回転数または出力と前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの流量との対応データを保持する記憶部と、制御器とを備え、前記制御器は、前記酸化剤ガス流路に所定の流量の前記酸化剤ガスを流す際に、前記記憶部に保持された前記対応データに基づき前記酸化剤ガスの所定の流量に対応した前記ポンプの回転数または出力に制御することを特徴とする。
【０００７】
このことにより、流量計を取り付けることなく、酸化剤ガス流路に所望の流量の酸化剤ガスを流すことが可能になるので、流量計の測定誤差に起因する酸化剤ガス流量のズレが解消され、最適な酸素利用率で燃料電池システムを運転可能となる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池システムは、前記対応データが、前記ポンプにおける回転数または出力に応じた圧力と流量の関係を示す第１の特性曲線と、前記酸化剤ガス流路の圧力損失と流量との関係を示す第２の特性曲線との交点から求められる。
【０００９】
また、前記燃料電池の発電電流を制御する発電電流制御器と、該発電電流制御器に対して前記燃料電池が発電するべき電流値を指令する発電電流指令器とを備え、前記制御部は、前記発電電流指令器により指令された前記電流値及び目標酸素利用率から算出される酸化剤ガス流量になるよう前記ポンプの回転数または出力を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の発電電流を制御する発電電流制御器を備え、前記制御部は、前記発電電流制御器により前記燃料電池から取り出される電流値から算出される酸素利用率が、目標酸素利用率になるよう前記ポンプの回転数または出力を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の発電電流を計測する電流計を備え、前記制御部は、前記電流計により計測される電流値から算出される酸素利用率が、目標酸素利用率になるよう前記ポンプの回転数または出力を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、大気温度に関連する温度を検知する温度検知手段をさらに具備し、前記制御器は、前記温度検知手段で検出された温度に基づきポンプの回転数または出力を補正する。
【００１３】
このことにより、外気温度の変化の影響を受けることなく、最適な酸素利用率で燃料電池システムを運転することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池のカソード上流側の酸化剤ガス流路に設けられた圧力検知手段をさらに具備し、前記圧力検知手段で検出された圧力を用いてポンプの回転数または出力を補正することを特徴とする。
【００１５】
このことにより、外気圧力の変化の影響を受けることなく、最適な酸素利用率で燃料電池システムを運転することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したことから明らかなように本発明は、回転数もしくは出力と燃料電池の酸化剤ガス流路を流れる流量との対応関係を示すデータを予め保持し、これを用いてポンプの回転数もしくは出力を制御する（オープン制御）により燃料電池システムを運転することで、流量検知センサーを用いたフィードバック制御を行った場合に比べ、より最適な所定の酸素利用率で運転することが可能となり、燃料電池が転極等で劣化を引き起こし、燃料電池の電圧低下が起こる可能性が少なくより安定した燃料電池システムの運転が可能になる。また、ブロワが最適な所定の出力で作動するため、発電効率が低下する可能性も低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの構成図である。はじめに本実施の形態の燃料電池発電システムの構成図である図１を参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電システムの構成について説明する。
【００１９】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを用いて発電を行なう燃料電池１１と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１１に送り出すポンプとしてのブロワポンプ１２、酸化剤ガスとしての空気が燃料電池１１に供給され、燃料電池１１から大気に排出されるまでの空気が流通する酸化剤ガス流路１３、ブロワポンプ１２の回転数を制御する制御器１４、燃料電池で発電した電流を検知する電流計１５、酸化剤ガス流路１３の上流側に取り付けた本発明の温度検知器としての熱電対１６、燃料電池１１の発電電流を制御する本発明の発電電流制御器としてのインバータ１７、電力負荷の値に基づき発電電流制御器に燃料電池が発電すべき電流値を指令する発電電流指令器１８と、燃料電池の酸化剤ガス流路に流す空気流量と、この空気流量を流すのに必要なブロアポンプ１２の回転数もしくは出力との対応データを保持する記憶部２０を備える。
【００２０】
次に、本実施の形態における燃料電池システムの運転方法について図２に示すフロー図に基づき説明する。燃料電池システムの通常運転中、ブロワポンプ１２は、発電電流指令器１８が、インバータに対して燃料電池の発電電流値を指令すると共に制御器１４にも指令された発電電流値を出力する。（Ｓ２０１）制御器１４は、この発電電流値に基づき燃料電池１１が最適な所定の酸素利用率を満足するよう空気流量Ｑ１を流す必要があると判定する。（Ｓ２０２）ここで、制御部１４は、前記記憶部２０に保持された対応データを参照し、空気流量を流すのに必要なブロアポンプ１２の回転数もしくは出力を決定する。（Ｓ２０３）なお、上述において制御器１４は、発電電流指令器１８から出力される発電電流値に基づき最適な目標酸素利用率を満足するよう空気流量を決定したが、発電電流制御器が燃料電池から取り出す発電電流値かに基づき算出された酸素利用率が目標酸素利用率になるよう空気流量を決定しても構わないし、電流計１５で検知された電流値に基づき算出された酸素利用率が、所定の目標酸素利用率になるよう空気流量を決定しても構わない。なお、電流計１５は、燃料電池から取り出される電流が補機に流れる前の箇所に設置されることにより燃料電池が発電する電流値をより正確に把握することが可能となり好ましい。
【００２１】
ここで、上記対応データについて説明する。図３には、燃料電池システムに組み込む前に単体で測定した回転数Ｒに応じたブロワポンプの圧力Ｐと流量Ｑとの関係性を示す(Ｐ−Ｑ−Ｒ)特性線を示している。そこに、予め測定した燃料電池システムの酸化剤ガス流路における圧力損失Ｐとこの流路を流れる空気流量Ｑとの（Ｐ−Ｑ）特性線を重ねることで、両曲線の交点が、所定の燃料電池システムの酸化剤ガス流路に空気流量Ｑを流すのに必要なブロアポンプの回転数Ｒとなる。このようにして両特性線から求められる所定の燃料電池システムの酸化剤ガス流路に流す空気流量Ｑとブロアポンプの回転数Ｒとの対応データが記憶部２０に保持されている。
【００２２】
以上のようにブロアポンプの制御を、流量検知センサーを用いたフィードバック制御ではなくオープン制御によって行うことが可能になる。
【００２３】
また、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池よりも上流側の酸化剤ガス流路に熱伝対１６を設け、この熱伝対１６により温度Ｔ１を測定し、制御部１４が、上述のステップ２０２で算出した空気流量Ｑ１の値を、この検出された温度Ｔ１に基づき補正することで所定の酸素利用率により高い精度に調整することが可能となる。
【００２４】
この場合の補正式は基準温度をＴ０とし、補正後の空気流量をＱ１´として、（式１）のように表される。
【００２５】
Ｑ１´＝Ｑ１×（Ｔ１＋２７３）/(Ｔ０＋２７３)         （１）
なお、上記熱伝対は、大気温度に関連する温度を測定可能な箇所であれば本実施の形態の燃料電池システムのどの箇所に設置してもよいが、上述のような燃料電池の上流の酸化剤ガス流路のように機器（燃料電池）の発熱の影響が少ない箇所の方が好ましい。
【００２６】
また、図４に示すように燃料電池よりも上流側の酸化剤ガス流路、特にブロア出口近傍の酸化剤ガス経路１３の圧力を測定し、制御部１４が、上述のステップ２０２で算出した空気流量Ｑ１の値を、この検出された温度Ｔ１に基づき補正することで所定の酸素利用率により精度高く調節することが可能となる。
【００２７】
この場合の補正式は、基準圧力をＰ０とし、補正後の空気流量をＱ１´として、（式２）のように表される。
【００２８】
Ｑ２´＝Ｑ２×Ｐ０/Ｐ３                        （２）
次に、本実施の形態の燃料電池システムのようにブロワポンプ１２の（Ｐ−Ｑ−Ｒ）特性を予め測定してオープン制御による運転を行った場合の燃料電池の酸素利用率と、比較例として流量検知センサを用いたフィードバック制御による運転を行った場合の燃料電池の酸素利用率との比較検証を行った。
【００２９】
図５はこの検証結果であり、縦軸には酸素利用率、横軸には時間を示している。図４からもわかるように、フィードバック制御による運転では、酸素利用率の変動が大きく所定の酸素利用率に対するズレ量が大きいのに対し、オープン制御による運転では、所定の酸素利用率に対するズレ量が小さく、所定の酸素利用率により高い精度で調整できている。この検証結果より本実施の形態の燃料電池システムのブロアポンプ１２に対してオープン制御を実施することでより高精度に目標酸素利用率への制御が可能であることが分かる。
【００３０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムのについて説明する。
【００３１】
本実施の形態における燃料電池システムの構成は、図１もしくは図４と基本的に同一である。ただし、制御部２０に記憶されている対応データの種類及びそれに伴う制御部１４によるブロアポンプの制御が異なるのでその点を中心に説明する。
【００３２】
次に、本実施の形態における燃料電池システムの運転方法について図６に示すフロー図に基づき説明する。燃料電池システムの通常運転中のブロワポンプ１２は、発電電流指令器１８が、インバータに対して燃料電池の発電電流値を指令すると共に制御器１４にも指令された発電電流値を出力する。（Ｓ６０１）制御器１４は、この発電電流値に基づき燃料電池２１が最適な所定の酸素利用率を満足するように、空気流量Ｑ１を流す必要があると判定する。（Ｓ６０２）ここで、制御部１４は、前記記憶部２０に保持された対応データを参照し、空気流量を流すのに必要なブロアポンプ１２の回転数もしくは出力を決定する（Ｓ６０３）。
【００３３】
ここで、上記対応データについて説明する。図７には、燃料電池システムに組み込む前に単体で測定したブロア出力Ｗに応じたブロワポンプの圧力Ｐと流量Ｑとの関係性を示す特性図(Ｐ−Ｑ−Ｗ)特性線を示している。そこで、予め測定した燃料電池システムの酸化剤ガス流路における圧力損失Ｐとこの流路を流れる空気流量Ｑとの（Ｐ−Ｑ）特性線を重ねることで、両曲線の交点が、所定の燃料電池システムの酸化剤ガス流路に空気流量Ｑを流すのに必要なブロアポンプの出力Ｗとなる。このようにして両特性線から求められる所定の燃料電池システムの酸化剤ガス流路に流す空気流量Ｑとブロアポンプの回転数Ｒとの対応データが記憶部２０に保持されている。
【００３４】
より具体的に図７に示される流れ図を基に燃料電子システムにおけるブロアポンプの制御を説明する。Ｓ４０１、Ｓ４０２については、実施の形態１のＳ３０１、Ｓ３０２と同様に実施されるので詳細な説明は省略する。Ｓ４０２の後、制御器２４は、自らに記憶されたブロアポンプの圧力Ｐと流量Ｑとブロア出力Ｗの関係性を示す特性図(Ｐ−Ｑ−Ｗ)の基となる特性データテーブル（Ｐ−Ｑ−Ｗ）を参照し、このデータ、空気流量Ｑ２、及び酸化剤ガス流路１３の圧力損失Ｐ２から酸化剤ガス流路１３において空気流量Ｑ２を実現できるブロアポンプ１２の出力Ｗ２を決定する。
【００３５】
以上のように本実施の形態における燃料電池システムは、ブロアポンプ固有のＰ−Ｑ−Ｒ特性及び燃料電池の酸化剤ガス流路固有のＰ―Ｑ特性を予め測定することで、酸化剤ガス流路に設置されたブロアポンプの制御が、流量検知センサーを用いたフィードバック制御ではなくオープン制御によって行うことが可能となる。
【００３６】
なお、本実施の形態においても上述の実施の形態１と同様に燃料電池の上流側の酸化剤ガス流路に本発明の温度検知器としての熱伝対、もしくは本発明の圧力検知器としての圧力検知センサを設け、それぞれの検知器で検出される温度値、あるいは圧力値に基づいて制御部１４が、酸化剤ガス流路に流すのに必要な酸化剤ガス流量値を補正することで、より高精度に燃料電池における酸素利用率が目標酸素利用率と一致するよう制御することが可能となる。
【００３７】
次に、本実施の形態の燃料電池システムのようにブロワポンプ１２の（Ｐ−Ｑ−Ｗ）特性を予め測定してオープン制御を行った場合の燃料電池の酸素利用率と比較例として流量検知センサを用いたフィードバック制御による運転を行った場合の燃料電池の酸素利用率との比較検証を行ったが、上述の本実施の形態１と同様にフィードバック制御による運転では、酸素利用率の変動が大きく所定の酸素利用率に対するズレ量が大きいのに対し、オープン制御による運転では、所定の酸素利用率に対するズレ量が小さく、所定の酸素利用率により高い精度で調整できている。この検証結果より本実施の形態の燃料電池システムのブロアポンプ１２に対して酸化剤ガス流路に流すオープン制御を実施することでより高精度に目標酸素利用率への制御が可能であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池の酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを流すブロアポンプについて流量センサーを用いなくても流量を制御することを可能にするので、燃料電池を用いたシステム等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施の形態1の燃料電池発電システムを示す構成図
【図２】本実施の形態１の燃料電池システムにおけるブロワポンプ制御のフローチャート
【図３】本実施の形態１におけるブロワポンプの（Ｐ−Ｑ−Ｒ）特性線及び燃料電池システムの酸化剤ガス流路の（Ｐ−Ｑ）特性線を示す図
【図４】本実施の形態１の燃料電池発電システムを示す他の構成図
【図５】本実施の形態１における燃料電池システムのブロアポンプ制御における燃料電池の酸素利用率と従来のフィードバック制御における燃料電池の酸素利用率とを比較した図
【図６】本実施の形態２におけるブロワポンプの（Ｐ−Ｑ−Ｗ）特性線及び燃料電池システムの酸化剤ガス流路の（Ｐ−Ｑ）特性線を示す図
【図７】本実施の形態２の燃料電池システムにおけるブロワポンプ制御のフロ−チャート
【図８】従来の技術における燃料電池発電システムを示す構成図
【符号の説明】
【００４０】
１    燃料電池
２    ブロアポンプ
３    流量検知センサ
４    制御器
１１    燃料電池
１２    ブロワポンプ
１３    酸化剤ガス供給路
１４    制御器
１５    電流計
１６    熱伝対
１７    発電電流制御器
１８    発電電流指令器
１９    圧力検知センサ
２０    記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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