(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、電力を生成する燃料電池と、
燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段の検出値に基づき前記燃料電池の暖機が終了したか否かを判定し、暖機が終了していない場合に、供給する前記燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方のガス流量と、目標電力に必要なそのガスの目標流量との比率を変化させ、前記燃料電池の運転効率を低下させるように制御するコントローラと、
を備え、
前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の出力電圧、出力電流、出力電力のうち少なくとも２つを検出する手段であって、
第１パラメータは、一方の検出手段によって検出された出力値であり、
第２パラメータは、他方の検出手段によって検出された出力値であり、
前記コントローラは、この第１パラメータに基づき第２パラメータに対する基準値を演算し、この基準値と第２パラメータとの比較に基づき燃料電池の暖機状態を判定することを特徴とする燃料電池制御システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の圧力を制御することで前記燃料電池の運転効率を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御システム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記燃料電池の運転を通常状態に復帰させる際に、所定の遅れを持って運転効率を復帰させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池制御システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記燃料電池の運転を通常状態に復帰させる際に、前記第２パラメータと基準値の差に基づいて運転を通常状態に復帰させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池制御システムとしては、特開２０００−２７７１３６号公報に記載のものがある。これは、燃料電池スタックのうち、１つまたは隣り合う２つのセルごとに暖機用負荷を接続し、各セル毎に発電を行い、暖機を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、暖機用負荷を１つまたは２つのセルごとに接続して徐々に全体を暖機する構成になっているので、下記のような問題点があった。
１）全セルの暖機が終了するまでは外部に電力を取り出すことができない。
２）暖機中のセル以外では発熱が無いため放熱等により暖機終了と判定されたセルも温度が低下する。
３）セルごとに暖機するため、全セルの暖機終了と判断した直後は燃料電池スタック内での温度分布が生じる。
【０００４】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決する燃料電池制御システムを提供することにある。
【０００５】
第１の発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、電力を生成する燃料電池と燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段の検出値に基づき前記燃料電池の暖機が終了したか否かを判定し、暖機が終了していない場合に供給する前記燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方のガス流量と、目標取り出し電力に必要なそのガスの目標流量との比率を変化させ、運転効率を低下させるように制御するコントローラを備え、前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の出力電圧、出力電流、出力電力のうち少なくとも２つを検出する手段であって、第１パラメータは、一方の検出手段によって検出された出力値であり、第２パラメータは、他方の検出手段によって検出された出力値であり、前記コントローラは、この第１パラメータに基づき第２パラメータに対する基準値を演算し、この基準値と第２パラメータとの比較に基づき燃料電池の暖機状態を判定する。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記コントローラは、前記燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の圧力を制御することで前記燃料電池の運転効率を制御する。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記コントローラは、前記燃料電池の運転を通常状態に復帰させる際に、所定の遅れを持って運転効率を復帰させる。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明において、前記コントローラは、前記燃料電池の運転を通常状態に復帰させる際に、前記第２パラメータと基準値の差に基づいて運転を通常状態に復帰させる。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料ガスまたは酸化ガスの少なくとも一方のガス流量を制御し、燃料電池の運転効率を低下させて運転することで燃料電池の発熱量を大きくし、電力を負荷に供給しながらかつ外部に特殊な熱源やデバイスを追加装備することなく燃料電池本体の暖機を促進できる。また、燃料電池の運転状態として、出力電流、出力電圧、出力電流のいずれか２つとしたことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃料電池が暖機終了前であることを検出することが出来る。
【００１５】
請求項２の発明によれば、燃料電池の運転効率を低下させるために、燃料ガスまたは酸化ガスの少なくとも一方の圧力を制御するようにしたので、特殊なデバイスを追加装備することなく実現できる。また例えば燃料ガス経路をエゼクタのような受動的デバイスを用いて循環系を構成しているように流量の制御を行うことが困難な場合でも実現できる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、燃料電池の暖機終了後、徐々に運転状態を復帰させることで、運転状態が急変し燃料電池の出力が不安定になることを防止できる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、燃料電池の暖機状態に基づいて、徐々に運転状態を復帰させることで、暖機が完全に終了した時点では燃料電池は定格運転が可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施形態の構成を例示する概略構成図である。本実施形態は、請求項１、３に係る発明の構成に対応するものである。
【００２１】
燃料ガスタンク１から流路３を通じて燃料ガスが圧力制御弁２の作用により所定圧力で燃料電池４のアノード極４ａに供給される。一方、カソード極４ｂにはコンプレッサ６からの空気が流路５を通じて供給される。カソード極４ｂに供給される空気は、空気流量計７により検出され、その流量はコンプレッサ６の回転数によって制御される。
【００２２】
燃料電池４にて発電に用いられた燃料ガスは、燃料電池４から排出され、再び流路３に循環される。排出された燃料ガスが循環する流路と流路３の合流部にはエゼクタ３ａが設置される。一方、発電後に燃料電池４から排出される空気は排気管１１から大気に放出される。
【００２３】
燃料電池４には、その出力を制御する出力制御器１０が接続され、出力制御器１０に設置された電流計８および電圧計９によって燃料電池４の出力電流と出力電圧が検出される。
【００２４】
検出された出力電流値と出力電圧値は、燃料電池システムの運転制御を行うコントローラ１２に送られる。コントローラ１２には更に、空気流量計７より検出された空気流量と図示しない要求出力演算部から燃料電池の目標発電電力が入力される。
【００２５】
コントローラ１２は、目標電力に応じて目標カソードストイキレシオ（以下、ストイキレシオをＳＲと示す。）と目標燃料ガス圧力と目標空気圧力と燃料電池４の出力電力を演算し、これを実現するようにコンプレッサ６と圧力制御弁２と出力制御器１０と圧力制御弁１３を制御する。出力制御器１０には図示しない駆動モータなどの負荷が接続されている。なお、図１に示す構成では燃料ガス系はエゼクタ３ａを用いた循環系を構成しているので、燃料ガスの流量を積極的に制御することは出来ない。
【００２６】
図２にコントローラ１２のブロック構成を示す。目標電力演算部１２ａには目標電力と補機消費電力とが入力され、補機消費電力分を加味して目標電力が補正される。この補正された目標電力に基づき、目標取り出し電力、目標燃料ガス圧力と目標空気圧力、目標ＳＲがそれぞれの演算部１２ｂ、１２ｃ、１２ｄで演算される。
【００２７】
演算された目標電力は、パワーモジュール（以下、ＰＭ）制御部１２ｅに送られ、ＰＭ制御部１２ｅは目標電力に基づき出力制御器１０を制御する。目標燃料ガス圧力と目標空気圧力はそれぞれ、アノード圧力弁制御部１２ｆとカソード制御弁制御部１２ｇに送信され、各制御部１２ｆと１２ｇは制御弁２と１３の開度を制御する。
【００２８】
目標ＳＲは、暖機判断、暖機中処理演算部１２ｈに送られる。処理演算部１２ｈは燃料電池４の出力電流と空気流量が入力されて実ＳＲを演算する実ＳＲ演算部１２ｉと、演算された実ＳＲと出力電流から基準電圧を演算する基準電圧演算部１２ｊと、この基準電圧と燃料電池４の出力電圧から暖機状態を判断する暖機判断部１２ｋと、目標ＳＲを暖気状態に基づき補正する目標ＳＲ補正部１２ｐとからなり、前述のように燃料電池４の出力電流及び出力電圧、空気流量に基づき、目標ＳＲを補正する。この補正された目標ＳＲに基づき、空気流量制御部１２ｍがコンプレッサ６の回転数を制御する。
【００２９】
暖機終了判断時のコントローラ１２の制御内容を図３に示すフローチャートで説明する。
【００３０】
ステップ１００で暖機終了判断と暖機運転を開始する。
【００３１】
ステップ１１０で出力電流計８の検出値（第１パラメータ）を読み込む。
【００３２】
ステップ１２０で空気流量計７の検出値を読み込む。
【００３３】
ステップ１３０で実カソードＳＲを下式を用いて算出する。
【００３４】
【数１．１】
0003873803.tif 000002
【００３５】
【数１．２】
0003873803.tif 000003
ここで、ＳＲCathodeは実カソードＳＲ、ＱAIRは空気流量計７で測定された空気流量［ＮＬ／ｍｉｎ］、Ｉは出力電流計８で検出された電流［Ａ］、Ｆはファラデー定数である。
【００３６】
ステップ１４０で電圧基準値を演算する。これは図４に示すようなあらかじめ測定しておいた燃料電池４の特性を用いて実カソードＳＲと電流から算出する。図４に示すように実ＳＲは電圧が同一であれば電流が大きいほど、電流が同一であれば電圧が大きいほど大きくなる傾向を有する。なお、本実施の形態では、電流と電圧を用いて、燃料電池４の暖機状態を判定したが、電力を用いることもできる。つまり、電力、電流、電圧のうち２つを選択して燃料電池の運転状態として検出し、暖機状態を判定することができる。
【００３７】
ステップ１５０で燃料電池の出力電圧計９の検出値（第２パラメータ）を読み込む。
【００３８】
ステップ１６０で燃料電池４の暖機が終了したかを判断する。電圧計９の検出電圧値と所定値との合計が基準値より大きいか否かで暖機の状態を判断するが、ここで判断の基準になる所定値は使用する燃料電池４の特性によって任意に設定できるが、例えば４００セルを積層した燃料電池であれば２８０Ｖ程度を設定する。
【００３９】
ここで、暖機終了前と判断した場合、すなわち基準値が所定値と検出値の合計より大きい場合には、ステップ１７０へ処理を移行する。
【００４０】
なお、電圧、電流、電力のいづれか２つを用い、前述の関係から燃料電池４の暖機状態を判定できるが、基準値との大小関係は後述する第２の実施形態の場合のみ逆転する必要がある。つまり、第１パラメータとして電力値、第２パラメータとして電流値を用いた場合には、電流値が基準値より所定値以上大きいときに暖機終了前と判定する。
【００４１】
ステップ１７０では予め目標電力に応じて設定された目標のカソードＳＲを下式を用いて補正する。
【００４２】
【数１．３】
0003873803.tif 000004
ここで、
ＳＲt1：目標電力に応じて設定された目標のカソードＳＲ
ＳＲt2：補正された目標のカソードＳＲ
ｔＶ：電圧基準値
ＶR：検出された燃料電池出力電圧
κ：１以下の任意の定数。ただし電圧基準値と検出された燃料電池出力電圧の差などに応じて可変させても良い。
【００４３】
式（１．３）で補正目標カソードＳＲt2は、補正前の目標カソードＳＲt1より小さくなる。これは、図４に示すように出力電圧が小さくなることを意味し、その結果、燃料電池４の発電効率が低下し、燃料電池４の発熱量が大きくなる。この増加した熱量によって燃料電池４が速やかに暖機を終了することができる。
【００４４】
ステップ１６０で暖機終了と判断された時（すなわち、所定値が検出値以下の場合）、またはステップ１７０の処理終了後、ステップ１８０へ処理を移行し、暖機判断および暖機中処理を終了する。
【００４５】
また、燃料電池４の暖機状態に応じて、燃料電池の運転状態を徐々に復帰させ、暖機終了時に燃料電池４の運転状態が定格運転となるように制御することも可能である。
【００４６】
ステップ１７０では（１．３）式を用いて目標カソードＳＲの補正を行ったが、任意のテーブルをあらかじめ設定しておきそれに従って補正しても良い。
【００４７】
なお、本実施形態では空気（カソードガス）流量でのみ燃料電池の効率制御を行ったが、アノードガス流量が制御可能であれば、燃料ガスでも同様に出来る。
【００４８】
したがって、燃料電池４の運転効率を低下させて運転することにより、電力を負荷に供給しながらかつ燃料電池の発熱量が増加し、外部に特殊な熱源を設けなくても燃料電池本体の暖機を促進できる。
【００４９】
燃料電池の運転効率を低下させる方法として、燃料（アノード）ガスまたは酸化（カソード）ガスの少なくとも一方の流量を制御するとしたことで、特殊なデバイスを追加装備する必要がなく、コスト、重量の増加を抑制できる。
【００５０】
また、燃料電池の運転状態として、燃料電池の出力電力、出力電圧、出力電流のいずれか２つとしたことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃料電池が暖機終了前であることを検出することが出来る。
【００５１】
同様に燃料電池の運転状態として、出力電流、出力電圧、出力電流のいずれか２つから検出することとしたことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃料電池が暖機終了後であることを検出することが出来る。
【００５２】
更に燃料電池の暖機状態に応じて、徐々に運転状態を復帰させることで、暖機が完全に終了した時点では燃料電池は定格運転が可能になる。
【００５３】
図５は本発明の第２実施形態の構成を例示する概略構成図である。本実施形態は、請求項１、２に係る発明の構成を示すものである。
【００５４】
図１に示した第１の実施形態の構成との違いは、流路３にアノード４ａに供給される燃料ガス流量を制御する流量制御弁１５が備えられるとともに、アノード４ａから排出される燃料ガスが排気管から大気に放出され、その排気管に圧力制御弁２が設置される。またカソード４ｂから排出される空気は排気管１１から大気に放出され、その排気管１１に圧力制御弁１３が設置され、カソード４ｂから排出される空気の圧力を制御する。これら制御弁２、１３、１５はコントローラ１２によって制御される。更に電圧計９が燃料電池４の出力電力を検出する電力計１４に変更される。
【００５５】
またコントローラ１２の構成を示すブロック図を示す図６と第１の実施形態の図２との相違点は、第１の実施形態では目標ＳＲを補正したが、第２の実施形態のコントローラ１２の構成では、目標圧力を暖機状態に応じて補正するようにした点が異なる。
【００５６】
第２の実施形態の暖機終了判断時のコントローラ１２の制御内容を図７に示すフローチャートで説明する。
【００５７】
ステップ２００で暖機終了判断と暖機運転を開始する。
【００５８】
ステップ２１０で燃料電池の出力電流計８の検出値を読み込む。
【００５９】
ステップ２２０で空気流量計７の検出値を読み込む。
【００６０】
ステップ２３０で実カソードＳＲを下式を用いて算出する。
【００６１】
【数１．１】
0003873803.tif 000005
【００６２】
【数１．２】
0003873803.tif 000006
ここで、ＳＲCathodeは実カソードＳＲ、ＱAIRは空気流量計７で測定された空気流量［ＮＬ／ｍｉｎ］、Ｉは出力電流計８で検出された電流［Ａ］、Ｆはファラデー定数である。
【００６３】
ステップ２４０で燃料電池の出力電力計１４の検出値を読み込む。
【００６４】
ステップ２５０で電流基準値を演算する。これは図８に示すようなあらかじめ測定しておいた燃料電池の特性を用いて実カソードＳＲと電力から算出する。図８の燃料電池特性は、一定電力であれば電流が大きいほどＳＲは小さく、一定電流であれば電力が大きいほどＳＲは大きくなる傾向を示す。
【００６５】
ステップ２６０で燃料電池４の暖機が終了したかを判断する。暖機状態は、電流基準値と検出された電流値との比較により判定される。検出値から所定値を減じた値が電流基準値より大きい場合に暖機未終了と判定し、ステップ２７０に進み、それ以外は暖機終了と判定し、ステップ２９０に進む。
【００６６】
ステップ２７０では暖機中フラグをセットする。
【００６７】
ステップ２８０ではあらかじめ目標電力に応じて設定された目標の圧力（燃料ガスまたは空気の圧力）を下式を用いて補正する。
【００６８】
【数２．１】
0003873803.tif 000007
ここで、
Ｐｔ１：目標電力に応じて設定された目標圧力
Ｐｔ２：補正後目標圧力
κ：１以下の任意の定数。ただし電流基準値と検出された燃料電池出力電流の差などに応じて可変させても良い。燃料電池４の暖機状態に応じて徐々に運転状態を通常運転に移行することで、暖機完了時には燃料電池４の運転を定格運転とすることができる。
【００６９】
ここで数式（２．１）で明らかなように補正後の目標圧力Ｐｔ２は、目標圧力Ｐｔ１以下であり、燃料電池に供給する燃料ガスと空気の少なくとも一方の圧力を低下することで、燃料電池４の運転効率を低下させて運転することにより、電力を負荷に供給しながらかつ燃料電池の発熱量が増加し、外部に特殊な熱源を設けなくても燃料電池本体の暖機を促進できる。
【００７０】
ステップ２９０では暖機未終了フラグを確認する。暖機未終了フラグがセットされていたら、ステップ３００へ移り暖機終了処理を行う。暖機終了処理の内容を図９のフローチャートに示す。
【００７１】
まず、ステップ４００で暖機終了処理を開始する。
【００７２】
ステップ４１０で補正後目標圧力Ｐｔ２を目標圧力Ｐｔ１に一致させるように下式を用いて、新たな補正後目標圧力Ｐｔ２を設定する。
【００７３】
【数２．２】
0003873803.tif 000008
ここで、ΔＰ：一定値。
【００７４】
ステップ４２０で補正後目標圧力Ｐｔ２と目標圧力Ｐｔ１を比較し、目標圧力Ｐｔ１が大きい場合には、ステップ４１０に戻り、再び式（２．２）を用いて新たな補正後目標圧力Ｐｔ２を設定し、この演算を目標圧力Ｐｔ１と補正後目標圧力Ｐｔ２が等しくなるまで繰り返す。この演算を行うことにより、暖機終了時に遅れを発生されることができ、暖機終了時に遅れを持って燃料電池の運転効率を復帰させて運転状態が急変し、燃料電池の出力が不安定になることを防止できる。
【００７５】
一方、一致していればステップ４３０へ処理を移行する。
【００７６】
ステップ４３０では暖機未終了フラグをクリアする。
【００７７】
本実施形態では暖機終了後の目標圧力の復帰に式（２．２）を用いたが、１次遅れなどのフィルタを用いても良い。
【００７８】
したがって、第２の実施の形態では燃料電池の運転効率を低下させる方法として、燃料ガスまたは空気（酸化ガス）の少なくとも一方の圧力を制御するので、特殊なデバイスを追加装備する必要がない。また例えば燃料ガス経路をエゼクタのような受動的デバイスを用いて循環系を構成しているように流量の制御を行う事が困難な場合でも実施することができる。
【００７９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】コントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】暖機終了判断時の制御内容を説明するフローチャート図である。
【図４】燃料電池の特性を示す図である。
【図５】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図６】第２の実施形態のコントローラの構成を示すブロック図である。
【図７】第２の実施形態の暖機終了判断時の制御内容を説明するフローチャート図である。
【図８】第２の実施形態の燃料電池の特性を示す図である。
【図９】第２の実施形態の暖機終了時の制御内容を説明するフローチャート図である。
【符号の説明】
１  燃料ガスタンク
２  圧力制御弁
３  燃料ガス流路
４  燃料電池
４ａ  アノード
４ｂ  カソード
５  空気流路
６  コンプレッサ
７  空気流量計
８  電流計
９  電圧計
１０  出力制御器
１１  排気管
１２  コントローラ
１３  圧力制御弁
【図１】
0003873803.tif 000009
【図２】
0003873803.tif 000010
【図３】
0003873803.tif 000011
【図４】
0003873803.tif 000012
【図５】
0003873803.tif 000013
【図６】
0003873803.tif 000014
【図７】
0003873803.tif 000015
【図８】
0003873803.tif 000016
【図９】
0003873803.tif 000017