JP2006221986A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 複数の燃料電池の起動時の電圧降下処理における起動電圧のばらつきを抑制し、性能低下を防止することを課題とする。
【解決手段】 酸素濃度センサ14〜17で検出された各燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度に基づいて、各燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度の差異を判別し、判別された差異が所定の判別値以上である場合には、システムの起動前に各燃料電池1の酸化剤極3を空気で置換し、酸素濃度の差異が判別値以下になると各燃料電池1に可変抵抗18,19の負荷を接続して電圧降下処理を行う。
【選択図】 図1
【解決手段】 酸素濃度センサ14〜17で検出された各燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度に基づいて、各燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度の差異を判別し、判別された差異が所定の判別値以上である場合には、システムの起動前に各燃料電池1の酸化剤極3を空気で置換し、酸素濃度の差異が判別値以下になると各燃料電池1に可変抵抗18,19の負荷を接続して電圧降下処理を行う。
【選択図】 図1
Description
本発明は、複数の燃料電池の起動時に、酸化剤極の酸素濃度に基づいて起動制御を行う燃料電池システムに関する。
燃料電池システムの系統内に残存している可燃ガス、凝縮水を除去する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1)。この文献1に記載された技術では、燃料改質器、燃料電池本体ならびに燃料供給系統にパージ運転を行わせる際に、最初に蒸気によるパージ運転を行わせた後、空気によるパージ運転を行い、系統内に残っている可燃ガス、凝縮水を確実に除去するようにしている。
一方、りん酸型燃料電池における各単電池のマトリックスが保持するりん酸量が発電中に飛散して減少することによって生じるりん酸不足を監視する技術として、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献2)。この文献1に記載された技術では、燃料極、酸化剤極の出口から排出されたオフガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを設け、この酸素濃度センサで検出された酸素濃度または濃度の増加率が所定レベルを超えたときにりん酸残量の低下を報知するようにしている。
特開2002−231293
特開平03−101061号公報
複数の燃料電池を同時に起動する場合に、それぞれの燃料電池の酸化剤極内の酸素濃度が異なる状態のままで燃料電池を起動すると、起動時の電圧降下処理において、不具合が生じていた。すなわち、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の違いにより、燃料ガスの水素との反応が行われやすい燃料電池と行われにくい燃料電池とが生じ、それぞれの燃料電池の起動電圧に差異が発生して、一部の燃料電池が起動時に負電圧状態となるおそれがあった。起動時にこのような状態を繰り返すことによって、燃料電池の触媒層の劣化を引き起こすという問題があった。
しかし、上記不具合は、上述した従来の技術のように、可燃ガスや凝縮水のパージ、オフガス中の酸素濃度の検出だけでは、解決するに至っていなかった。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の燃料電池の起動時の電圧降下処理における起動電圧のばらつきを抑制し、性能低下を防止した燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数備えた燃料電池システムにおいて、前記各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された酸素濃度に基づいて、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異を判別する判別手段と、前記判別手段で判別された酸素濃度の差異に基づいて、前記燃料電池システムの起動方法を決定して実行する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異に基づいて、燃料電池システムの起動方法を決定することで、システム起動時の各燃料電池の起動電圧のばらつきを防止することができる。
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1のシステムは、2つの燃料電池1を備えており、この2つの燃料電池1の燃料極2ならびに酸化剤極3には並列に燃料ガスならびに酸化剤ガスが供給される。すなわち、燃料タンク4に貯蔵された例えば水素ガスの燃料ガスは、各燃料電池1に並列に設けられた燃料供給配管6ならびに燃料の供給を制御するとともに燃料電池1と外気とを選択的に遮断制御する燃料供給弁10を介して各燃料電池1の燃料極2に供給される。各燃料電池1から排出された燃料オフガスは、各燃料電池1に並列に設けられた燃料排気配管7ならびに燃料排気逆止弁11を介して希釈された後排気される。
一方、酸化剤ガスとなる空気は、空気を圧縮して供給する酸化剤ブロアー5、各燃料電池1に並列に設けられた酸化剤供給配管8ならびに酸化剤の供給を制御するとともに燃料電池1と外気とを選択的に遮断制御する酸化剤供給弁12を介して各燃料電池1の酸化剤極3に供給される。各燃料電池1から排出された酸化剤オフガスは、各燃料電池1に並列に設けられた酸化剤排気配管9ならびに酸化剤排気逆止弁13を介して排気される。
酸化剤供給配管8及び酸化剤排気配管9と酸化剤極3との接合部には、酸素濃度を検出する手段としての酸素濃度センサ14〜17が設けられている。すなわち、酸素濃度センサ14では、一方の燃料電池1の酸化剤極入口側の酸素濃度を検出し、酸素濃度センサ15では、一方の燃料電池1の酸化剤極出口側の酸素濃度を検出し、酸素濃度センサ16では、他方の燃料電池1の酸化剤極入口側の酸素濃度を検出し、酸素濃度センサ17では、他方の燃料電池1の酸化剤極出口側の酸素濃度を検出する。
各燃料電池1の酸化剤極3の入口から酸化剤供給配管8が合流する合流部までの酸化剤供給配管8の長さ及び配管径は同一に形成され、各燃料電池1の酸化剤極3の出口から酸化剤排気配管9の合流部23までの酸化剤排気配管9の長さ及び配管径は同一に形成され、酸化剤排気逆止弁13により合流部23の下流の酸化剤排気配管9から燃料電池1に外気が浸入のを防止している。
一方の燃料電池1の発電で得られた電力を取り出す出力端子間には、直列接続された可変抵抗18とスイッチング素子のリレー20が接続され、同様に他方の燃料電池1の発電で得られた電力を取り出す出力端子間には、直列接続された可変抵抗19とスイッチング素子のリレー21が接続されている。この可変抵抗18,19を介して各燃料電池1の出力端子間が選択的に短絡され、起動時に各燃料電池1で電圧降下処理が実施される。可変抵抗18,19は、制御部22の制御の下にその抵抗値が可変される。リレー20,21は、制御部22でスイッチング制御される。
制御部22は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御部22は、酸素濃度センサ14〜17を含む各センサ(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、リレー20,21を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する起動時の動作を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
図2は実施例1における燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池システムの起動時に、複数の燃料電池1の酸化剤極3内の酸素濃度に差異がある状態で、燃料極2へ燃料ガスが導入されると、酸素濃度が低い酸化剤極3では起動電圧が立たない一方、酸素濃度が高い酸化剤極3では起動電圧が立つことになる。このような場合に、複数の燃料電池1で負荷を介して出力端子間を短絡する電圧降下処理を行うと、それぞれの燃料電池1の起動電圧に差異が発生する。これを防止するために、図2に示す手順で燃料電池システムの起動制御を行う。
図2において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動させる前に、酸素濃度センサ14〜17にて各燃料電池1の酸化剤極3内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極3の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度として設定する。その後、燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度の差異を制御部22で算出し、その差異が予め設定された所定の判定値以上であるか否かを判別する(ステップS21)。
なお、2以上の燃料電池を備えている場合には、すべての組み合わせで燃料電池間での酸素濃度の差異を算出する。
判別の結果、差異が判定値以上である場合には、酸化剤ブロア−5を作動して各燃料電池1に酸化剤ガスの空気を供給し、全ての燃料電池1の酸化剤極3内を空気で置換し、全ての酸化剤極3内の酸素濃度を同一状態とする(ステップS22)。燃料電池間での酸素濃度の差異が判定値以下となるまで上記ステップS21、S22を繰り返し、差異が判定値以下となった場合には、制御部22によりリレー20,21をオンして可変抵抗18,19を介して各燃料電池1の出力端子間を短絡し、電圧降下処理を行った後、システムを起動する(ステップS23)。
このように、上記実施例1では、電気化学反応によって発電する燃料電池1を複数備える燃料電池システムにおいて、各燃料電池1内の酸化剤極3の入口側と出口側に設置された酸素濃度センサ14〜17で検出された酸素濃度に基づいて、各燃料電池1の酸化剤極3内の酸素濃度を略均一化することで、システム起動時の電圧降下処理におけるそれぞれの燃料電池1の起動電圧のばらつきを防止することができる。
酸化剤供給配管8と燃料電池1の酸化剤ガス入口との接合部、及び酸化剤排気配管9と燃料電池1の酸化剤オフガスの出口との接合部に酸素濃度センサ14〜17を備えることで、直接に計測が出来ない酸化剤極3内の酸素濃度を高い精度で検出することができる。
複数の燃料電池1の酸化剤供給配管8が分岐し、それぞれの燃料電池1の酸化剤極3に分配されるまでの酸化剤供給配管8の長さ及び配管径を同一とし、また複数の燃料電池1の酸化剤排気配管9において、酸化剤極3から合流するまでの酸化剤排気配管9の長さ及び配管径を同一とすることで、配管を介して各燃料電池1に外気の浸入があった場合でも、それぞれの燃料電池1の酸化剤極3内の酸素濃度をほぼ同じ状態に保ちやすくなり、またまた酸化剤供給系を空気でパージした場合に、それぞれの燃料電池1の酸化剤極3内の酸素濃度を概ね同一状態とすることが可能となる。
酸化剤供給配管8に酸化剤供給弁12を設け、酸化剤排気配管9に酸化剤排気逆止弁13を設置し、同様に燃料供給配管6に燃料供給弁10を設け、燃料排気配管7に燃料排気逆止弁11を設置することで、各弁を閉弁することで外部から酸化剤極3内に侵入する外気を遮断し、それぞれの酸化剤極3内の酸素濃度を低い状態に保つことができる。
酸素濃度センサ14〜17で複数の燃料電池1の酸化剤供給配管8内及び酸化剤排気配管9内の酸素濃度を検出することにより、複数の燃料電池1間の酸素濃度の差異を的確に把握することができる。
複数の燃料電池1内の酸化剤極3の酸素濃度の差異が所定の判定値以上の場合にのみ燃料電池システム起動前に複数の燃料電池1の酸化剤極3の空気置換を行うことで、それぞれの酸化剤極3内の酸素濃度をほぼ同一状態にすることができる。
図3はこの実施例2を適用した燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートであり、構成は先の図1に示す実施例1と同様である。図3において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動する前に、酸素濃度センサ14〜17にて各燃料電池1の酸化剤極内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極3の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度とする。その後、各燃料電池1の酸化剤極の酸素濃度の差異を制御部22で算出し、その差異が予め設定された所定の判定値以上であるか否かを判別する(ステップS31)。
判別の結果、差異が判定値以上である場合には、各燃料電池1の酸素濃度値を認識し(ステップS32)、各酸素濃度値に応じて電圧降下処理を行う(ステップS33)。すなわち、制御部22では、各燃料電池1に対応した可変抵抗18,19を酸素濃度値に応じた抵抗値に調整設定し、調整設定された可変抵抗18,19でもって実施例1と同様に電圧降下処理を行う。酸化剤極3の酸素濃度値と負荷(可変抵抗18,19の抵抗値)との関係は、実験や机上検討により予め取得し、テーブル化等して制御部22に記憶される。
一方、先のステップS31で酸素濃度の差異が判定値以下である場合には、予め設定された抵抗値の可変抵抗18,19でもって先の実施例1と同様にして電圧降下処理を行った後、システムを起動する(ステップS34)。
このような実施例2においては、先の実施例1と同様の効果を得ることができることに加えて、燃料電池システム起動時の複数の燃料電池1の起動電圧を概ね同一状態とすることができる。
図4はこの実施例3を適用した燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートであり、構成は先の図1に示す実施例1と同様である。図4において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動する前に、酸素濃度センサ14〜17にて各燃料電池1の酸化剤極3内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極3の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度とする。その後、各燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度の差異を制御部22で算出し、その差異が予め設定された所定の判定値以上であるか否かを判別する(ステップS41)。
判別の結果、差異が判定値以上である場合には、酸素濃度が最も低い燃料電池1を特定する(ステップS42)。続いて、最も低い酸素濃度値に応じてすべての燃料電池1の電圧降下処理を同様に行う(ステップS43)。すなわち、制御部22では、各燃料電池1に対応した可変抵抗18,19を最も低い酸素濃度値に対応した抵抗値に調整設定し、調整設定された可変抵抗18,19でもって実施例1と同様に電圧降下処理を行う。ここで、可変抵抗18,19の抵抗値は、最も低い酸素濃度の燃料電池1で電圧降下処理を行っても、燃料電池1の出力電圧が負電圧とならないように選択される。酸化剤極3の酸素濃度値と負荷(可変抵抗18,19の抵抗値)との関係は、実験や机上検討により予め取得し、テーブル化等して制御部22に記憶される。
一方、先のステップS41で酸素濃度の差異が判定値以下である場合には、予め設定された抵抗値の可変抵抗18,19でもって先の実施例1と同様にして電圧降下処理を行った後、システムを起動する(ステップS44)。
このような実施例3においては、先の実施例1と同様の効果を得ることができることに加えて、各燃料電池1の起動電圧が負電圧となることを防止することができる。
図5はこの実施例4を適用した燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートであり、構成は先の図1に示す実施例1と同様である。図5において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動する前に、酸素濃度センサ14〜17にて各燃料電池1の酸化剤極3内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極3の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度とする。続いて、すべての燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度が予め設定された所定の判定値(先の実施例1〜3の判定値とは異なる)以下であるか否かを判別する(ステップS51)。
判別の結果、すべての燃料電池1の酸化剤極3の酸素濃度が判定値以下である場合には、燃料電池システムの起動時に電圧降下処理を実施せずに起動を開始する(ステップS52)。これにより、燃料電池システム起動時の電圧降下処理により、酸素濃度が低い燃料電池1の起動電圧が負電圧になることを防止することができる。
一方、先のステップS51の判別結果において、少なくとも1つの酸素濃度が判定値以上である場合には、燃料電池システムの起動時に予め設定された抵抗値の可変抵抗18,19でもって先の実施例1と同様に電圧降下処理を行った後、システムを起動する(ステップS53)。
このような実施例4においては、酸素濃度が少なく起動電圧が立たない状態での電圧降下処理による燃料電池1への負荷を回避することができる。また、システムの起動時に選択的に電圧降下処理を実施しないので、システムの起動制御に掛かる時間を短縮することができる。
なお、上記実施例1〜4では、燃料電池が2つの場合で説明したが、燃料電池が2以上であっても同様に実施して同様の効果を得ることができ、また上記実施例1〜4を適宜組み合わせて実施してもよい。
1…燃料電池
2…燃料極
3…酸化剤極
4…燃料タンク
5…酸化剤ブロアー
6…燃料供給配管
7…燃料排気配管
8…酸化剤供給配管
9…酸化剤排気配管
10…燃料供給弁
11…燃料排気逆止弁
12…酸化剤供給弁
13…酸化剤排気逆止弁
14〜17…酸素濃度センサ
18,19…可変抵抗
20,21…リレー
22…制御部
23…合流部
2…燃料極
3…酸化剤極
4…燃料タンク
5…酸化剤ブロアー
6…燃料供給配管
7…燃料排気配管
8…酸化剤供給配管
9…酸化剤排気配管
10…燃料供給弁
11…燃料排気逆止弁
12…酸化剤供給弁
13…酸化剤排気逆止弁
14〜17…酸素濃度センサ
18,19…可変抵抗
20,21…リレー
22…制御部
23…合流部
Claims (9)
- 燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数備えた燃料電池システムにおいて、
前記各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された酸素濃度に基づいて、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異を判別する判別手段と、
前記判別手段で判別された酸素濃度の差異に基づいて、前記燃料電池システムの起動方法を決定して実行する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記各燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給配管と、
前記各燃料電池の酸化剤極から酸化剤オフガスを排出する酸化剤排気配管とを備え、
前記検出手段は、前記酸化剤供給配管内の酸素濃度を検出する第1の酸素濃度センサと、前記酸化剤排気配管内の酸素濃度を検出する第2の酸素濃度センサとで構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記酸化剤供給配管において、前記酸化剤供給配管の分岐部からそれぞれの酸化剤極に分配される間の前記酸化剤供給配管の長さ及び配管径を同一とし、
前記酸化剤排気配管において、それぞれの酸化剤極から合流するまでの間の前記酸化剤排気配管の長さ及び配管径を同一とした
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記各燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給配管と、
前記酸化剤供給配管に設けられて、酸化剤極と外気とを選択的に遮断する弁体と、
前記各燃料電池の酸化剤極から酸化剤オフガスを排出する酸化剤排気配管と、
前記酸化剤排気配管に設けられて、前記酸化剤排気配管で酸化剤オフガスが外部に流通する方向が常時開となる逆止弁と、
前記各燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給配管と、
前記燃料供給配管に設けられて、燃料極と外気とを選択的に遮断する弁体と、
前記各燃料電池の燃料極から燃料オフガスを排出する燃料排気配管と、
前記燃料排気配管に設けられて、前記燃料排気配管で燃料オフガスが外部に流通する方向が常時開となる逆止弁と
を有することを特徴とする請求項2または3に記載の燃料電池システム。 - 前記第1の酸素濃度センサで検出された酸素濃度と、前記第2の酸素濃度センサで検出された酸素濃度とに基づいて、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度を設定し、
前記判別手段は、前記設定された酸素濃度に基づいて各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異を判定する
ことを特徴とする請求項2,3及び4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記判別手段で各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異が、予め設定された所定の第1の判定値以上であると判別された場合には、前記燃料電池システムの起動前に各燃料電池の酸化剤極へ空気を供給する手段を備えた
ことを特徴とする請求項1,2,3,4及び5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記判別手段で各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異が、予め設定された所定の第1の判定値以上であると判別された場合には、前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動前に、前記検出手段で検出された前記各燃料電池のそれぞれの酸化剤極の酸素濃度に応じた負荷を用いて各燃料電池で電圧降下処理を行う
ことを特徴とする請求項1,2,3,4及び5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記判別手段で各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異が、予め設定された所定の判定値以上であると判別された場合には、前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動前に、前記検出手段で検出された前記各燃料電池のそれぞれの酸化剤極の酸素濃度の内、最も濃度が低い酸素濃度に応じた負荷を用いて各燃料電池で電圧降下処理を行う
ことを特徴とする請求項1,2,3,4及び5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記判別手段は、前記検出手段で検出された各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度と予め設定された所定の第2の判定値とを比較し、
前記制御手段は、前記判別手段の比較結果において、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度のすべてが前記第2の判定値以下となった場合には、前記各燃料電池で電圧降下処理を実施せずに前記燃料電池システムの起動を開始する
ことを特徴とする請求項1,2,3,4及び5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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