燃料电池系统及其控制方法

相关申请

本申请享受以日本专利申请2010-200239号(申请日：2019年11月01日)为基础申请的优先权。本申请通过参考该基础申请而包括基础申请的全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及燃料电池系统及其控制方法。

背景技术

作为将燃料气体所具有的化学能直接转换为电的系统，已知有燃料电池系统。该燃料电池系统内的燃料电池使作为燃料的氢与作为氧化剂的氧发生电化学反应而直接取出电。为了使燃料电池系统发电，需要充足的燃料和充足的空气(氧)，其需要量与电池电流成比例。

在通常的系统互联运转时，由于输出按照所指定的负载上升率而上升，因此电池电流的上升不会达到其以上的速度。另一方面，在独立运转时，需要通过根据外部的负载使发电输出瞬间变化，电池电流有可能急剧上升。

然而，在将空气送入阴极的鼓风机以系统互联中的稳定运转为目的而使用时间常数大的鼓风机的情况下，有可能不追随独立运转中的电池电流的上升而空气不足从而无法继续发电。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种能够抑制独立运转中的发电量的变化的追随延迟的燃料电池系统及其控制方法。

本实施方式的燃料电池系统具备燃料电池组、气体供给部、流量调整部以及控制部。燃料电池组使用氢和氧产生电。气体供给部向燃料电池组供给含氧气体。流量调整部设置于燃料电池组与气体供给部之间，对供给至燃料电池组的含氧气体的流量进行调整。控制部以供给规定的流量的含氧气体的方式控制气体供给部，并且基于燃料电池组所要求的要求发电量，控制流量调整部。

附图说明

图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的框图。

图2是表示第一实施方式的燃料电池系统的动作的流程图。

图3是表示变形例1的燃料电池系统的结构的框图。

图4是表示第二实施方式的燃料电池系统的结构的框图。

图5是表示变形例2的燃料电池系统的结构的框图。

图6是表示变形例3的燃料电池系统的结构的框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本实施方式并不限定本发明。附图是示意性或概念性的，各部分的比率等未必与现实的相同。在说明书和附图中，对于已出现的附图，对与上述相同的要素标注相同的附图标记并适当省略详细的说明。

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的燃料电池系统100的结构的框图。

燃料电池系统100具备燃料电池组1、电源装置2、鼓风机3、流量调整部4、电流计5以及控制装置6。燃料电池系统100例如是纯氢燃料电池系统。

燃料电池组1使用氢和氧产生电。燃料电池组1具备阳极电极(燃料极)1a和阴极电极(空气极)1b。另外，燃料电池组1从燃料气体的供给源被供给氢作为燃料气体，从鼓风机3被供给空气。氢经由氢供给系统被供给至阳极电极1a，空气经由空气供给系统被供给至阴极电极1b。燃料电池组1使氢与空气中的氧发生反应而生成水，通过该反应而产生电。该电作为直流电流从燃料电池组1输出。燃料电池组1将供给至阳极电极1a的氢的剩余作为阳极排气排出，将供给至阴极电极1b的空气的剩余作为阴极排气排出。例如，阳极排气再次被供给至阳极电极1a，阴极排气被排出至燃料电池系统100的外部。

电源装置2通过电流取出线而与燃料电池组1的阳极电极1a和阴极电极1b连接，经由电流取出线从燃料电池组1取出直流电流。另外，电源装置2将发电得到的直流电变换为交流电，向电力系统200或者独立负载300送电。电源装置2对燃料电池系统100与电力系统200连接的系统互联运行和燃料电池系统100与独立负载300连接的独立运行进行切换。电源装置2例如对电力系统200的状态进行监视，对系统互联运转和独立运转进行切换。另外，以下，只要没有特别否定，就对独立运转时进行说明。

作为气体供给部的鼓风机3向阴极电极1b(燃料电池组1)供给含氧气体。含氧气体例如是包含氮、氧的空气等。鼓风机3由控制装置6控制。

另外，向阳极电极1a供给的氢例如被调整为规定的压力。在该情况下，若通过反应而氢被消耗，则向阳极电极1a供给氢以维持规定的压力。因此，在图1所示的例子中，未设置送入氢的鼓风机等。另外，氢的供给源例如是储氢罐。储氢罐可以位于燃料电池系统100的内部，也可以位于外部。

流量调整部4设置于燃料电池组1与鼓风机3之间，对向燃料电池组1供给的空气的流量进行调整。另外，流量调整部4具有分支部41、第一流路部41a、第二流路部41b以及第一调整阀42。

分支部41设置于与鼓风机3连接的第一流路部41a上，从第一流路部41a分支为第二流路部41b。

第一流路部41a使从鼓风机3供给的氧流向燃料电池组1。第一流路部41a与阴极电极1b连接。第一流路部41a例如是气体管。

第二流路部41b从第一流路部41a分支，使空气的一部分向燃料电池组1以外流动。即，第二流路部41b使在第一流路部41a流动的空气的一部分不流向燃料电池组1。通过第二流路部41b的空气例如向大气开放。另外，通过第二流路部41b的空气也可以与通过阴极电极1b的空气合流。第二流路部41b例如可以是与第一流路部41a同样的气体管。另外，为了调整从第一流路部41a分流的空气的量，第二流路部41b的连接目的地也可以成为负压，第二流路部41b的气体管的直径也可以变更。

第一调整阀42设置于第二流路部41b上，能够调整空气的流量。第一调整阀42由控制装置6控制。以下，只要没有特别否定，第一调整阀42设为能够开闭的阀。在该情况下，第一调整阀42通过数字式进行调整以便ON(开)/OFF(闭)。第一调整阀42例如是电磁阀等能够以高响应速度进行动作的阀。第一调整阀42通过开闭使空气通过或者将空气的通过切断。

鼓风机3供给空气，例如供给100L/min的空气。在第一调整阀42关闭的情况下，空气不通过第二流路部41b。例如，在第一流路部41a中流动100L/min的空气，在第二流路部41b中不流动空气。另一方面，在第一调整阀42打开的情况下，空气的一部分通过第二流路部41b。例如，在通过分支部41后的第一流路部41a中流动60L/min的空气，在第二流路部41b中流动40L/min的空气。因此，流量调整部4通过打开第一调整阀42，使供给至燃料电池组1的空气的流量从100L/min减少至60L/min。另外，流量调整部4通过关闭第一调整阀42，使向燃料电池组1供给的空气的流量从60L/min增加到100L/min。

作为发电量检测部的电流计5检测从燃料电池组1输出的输出发电量。更详细而言，输出发电量是从燃料电池组1输出的电流的值。电流计5例如设置于电流取出线，测量从燃料电池组1输出的电流的值。在图1所示的例子中，电流计5设置于阳极电极1a与电源装置2之间。另外，电流计5也可以设置于输出侧、即独立负载300与电源装置2之间。但是，为了得到更准确的发电量，电流计5优选设置于燃料电池组1与电源装置2之间。另外，电流计5将检测出的电流值向控制装置6发送。

控制装置6控制图1的燃料电池系统100的各种动作。控制装置6的例子是处理器、控制电路、计算机等。控制装置6例如控制燃料电池组1的发电动作，或者对表示燃料电池系统100的状态的信息进行显示、保存、发送等输出与燃料电池系统100有关的各种信息。该信息可以向燃料电池系统100内的设备输出，也可以向燃料电池系统100外的设备输出。

控制装置6具有设定部6a和控制部6b。

设定部6a设定燃料电池系统100的动作控制所必要的设定值。设定值例如包括独立运转时的鼓风机3的流量(输出)、供给至燃料电池组1的空气的流量、用于进行流量调整部4的流量的切换的电流值等。设定值例如也可以针对每个燃料电池组1而变更。设定部6a例如可以从预先存储有设定值的存储装置(未图示)读出设定值，也可以从作业者受理设定值。

控制部6b以供给规定流量的空气的方式控制鼓风机3，并且基于燃料电池组1所要求的要求发电量，控制流量调整部4。规定的流量例如是燃料电池组1的发电量达到最大的氧的流量。规定的流量例如为100L/min。更详细而言，控制部6b基于要求发电量来控制第一调整阀42(的开闭)。

另外，控制部6b基于输出发电量来控制流量调整部4。即，也可以将要求发电量作为输出发电量(电流值)。这是因为，由电源装置2取出的电流与独立负载300的负载的大小成比例。因此，控制部6b将电流计5检测出的电流值用于流量调整部4的控制。

在系统互联运转时，控制部6b关闭第一调整阀42，控制鼓风机3的流量。控制部6b例如按照指定的负载上升率，控制鼓风机3以改变空气的供给量。另一方面，在独立运转时，控制部6b如上述那样、使鼓风机3的流量大致恒定，并基于电流值通过第一调整阀42的开闭来调整流量。另外，流量调整部4例如与鼓风机3相比能够高速地调整空气的流量。即，第一调整阀42以高响应速度进行动作。由此，能够抑制独立运转中的发电量的变化的追随延迟。

接着，对燃料电池系统100的控制方法进行说明。

图2是表示第一实施方式的燃料电池系统100的动作的流程图。另外，燃料电池系统100是独立运转时的状态。

首先，设定部6a设定规定的阈值、第一流量及第二流量。规定的阈值是通过流量调整部4切换流量所用的电流值的阈值。第一流量以及第二流量是向燃料电池组1供给的空气的流量的设定值。第一流量是第一调整阀42关闭的情况下的流量。第二流量比第一流量低，是第一调整阀42打开的情况下的流量。第一流量及第二流量例如如上所述分别为100L/min及60L/min。设定部6a例如从存储装置读出规定的阈值、第一流量以及第二流量。

接着，鼓风机3向燃料电池组1供给发电量达到最大的流量的空气(S20)。控制部6b例如向鼓风机3发送控制信号。鼓风机3例如供给100L/min的氧。接着，电流计5检测从燃料电池组1输出的电流(S30)。接着，控制部6b判定电流值是否为规定的阈值以上(S40)。

在电流值为规定的阈值以上的情况下(步骤S40的是)，流量调整部4调整流量以向燃料电池组1供给第一流量(100L/min)的空气(S50)。即，控制部6b在电流值(输出发电量)为规定的阈值以上的情况下，以向燃料电池组1供给第一流量的空气的方式控制流量调整部4。

在电流值为规定的阈值以上的情况下，独立负载300的负载较大，从燃料电池组1取出较多的电流。在该情况下，若空气的供给量少，则有可能不追随电池电流的上升而空气不足而无法继续发电。因此，控制部6b进行控制以关闭第一调整阀42。由此，能够将第一流量(100L/min)的空气向燃料电池组1供给。另外，100L/min也是燃料电池组1的发电量成为最大的氧的流量。因此，即使所需的发电量变大，流量调整部4也供给足够量的空气以能够稳定地使运转继续。另外，在步骤S50中流量调整部4已经供给了第一流量的空气的情况下，流量调整部4只要继续供给空气即可。

另一方面，在电流值低于规定的阈值的情况下(步骤S40的否)，流量调整部4调整流量以向燃料电池组1供给第二流量(60L/min)的空气(S60)。即，控制部6b在输出发电量低于规定的阈值的情况下，以向燃料电池组1供给比第一流量少的第二流量的空气的方式控制流量调整部4。

在电流值低于规定的阈值的情况下，独立负载300的负载小，从燃料电池组1取出的电流少。燃料电池组1通常因反应而表得高温(例如，约70℃～约90℃)。因此，在燃料电池系统100中，例如，使水循环而对高温的燃料电池组1进行冷却。另外，通过燃料电池组1的反应而生成的水也被回收而用作冷却水。进而，在阴极排气中含有挥发的冷却水，通过使水蒸气冷凝，也能够回收水。但是，若持续供给大量的空气，则冷却水及生成的水容易挥发，另外，流速高，来自阴极排气的水回收变得困难。因此，存在冷却水不足的可能性。因此，在独立负载300的负载小的情况下，控制部6b使向燃料电池组1的空气的供给量减少。由此，能够抑制冷却水的减少。另外，在步骤S60中流量调整部4已经供给了第二流量的空气的情况下，流量调整部4只要继续供给空气即可。

在步骤S50或步骤S60之后，再次执行步骤S30、S40。步骤S30～S60例如以规定的周期反复执行。规定的周期例如设定为追随自支撑负载300的负载的变动即可。

如上所述，根据第一实施方式，流量调整部4设置于燃料电池组1与鼓风机3之间，对向燃料电池组1供给的空气的流量进行调整。另外，控制部6b以供给规定的流量的氧的方式控制鼓风机3，并且基于燃料电池组1所要求的要求发电量，控制流量调整部4。在通常的系统互联运转时，输出随着所指定的负载上升率而上升，因此电池电流的上升不会达到其以上的速度。另一方面，在独立运转时，需要根据所连接的负载(独立负载300)瞬间使发电输出变化，电池电流有可能急剧上升。在第一实施方式中，能够通过流量调整部4调整空气的流量。由此，即使在以系统互联运转中的稳定运转为目的而使用时间常数大的鼓风机3的情况下，也能够应对独立运转中必要的发电量的变化。其结果，能够抑制独立运转中的发电量的变化的追随延迟。另外，能够与鼓风机3的性能无关地抑制发电量的变化的追随延迟。

如果不进行基于流量调整部4的流量的调整，则需要持续向燃料电池组1流动独立运转中的最大输出相当的空气。但是，在该情况下，如在图2的步骤S60中说明的那样，存在冷却水不足的可能性。即，挥发的水的量变得比回收的水的量大，燃料电池系统100变为水独立不良。水自立是所回收的水的量为挥发的水的量以上，是不需要从外部补给冷却水的状态。若水自立不良，则例如有可能导致燃料电池组1的破损、寿命劣化等。因此，需要监视冷却水的量。

与此相对，在第一实施方式中，根据需要的发电量来调整向燃料电池组1供给的空气的流量。因此，能够抑制冷却水的过度挥发，能够抑制水自立不良。

另外，规定的流量是燃料电池组1的发电量达到最大所必要的流量。如上所述，流量调整部4使从鼓风机3供给的空气的流量减少。因此，能够扩大通过流量调整部4能够调整的流量的范围。

另外，控制部6b以供给大致恒定的流量的空气的方式控制鼓风机3。大致恒定的流量例如只要是距规定的流量为某程度的范围内的流量即可。即，优选鼓风机3的流量的变动少。由此，能够使向燃料电池组1供给的空气的流量更加稳定化。

另外，第一调整阀42不限于数字式的阀。例如，第一调整阀42也可以是模拟式的阀。即，例如，也可以通过调整第一调整阀42的流路面积来调整开度。在该情况下，能够任意地、或者阶段性地调整向燃料电池组1供给的空气的流量。

(变形例1)

图3是表示变形例1的燃料电池系统100的结构的框图。第一实施方式的变形例1与第一实施方式的不同点在于，第一流路部41a分支为多个这一点上。

流量调整部4具有多个分支部41、多个第二流路部41b以及多个第一调整阀42。多个第一调整阀42设置于各个第二流路部41b上。在图3所示的例子中，分支部41及第二流路部41b沿着第一流路部41a设置。另外，也可以以从1个分支部41分支的方式设置多个第二流路部41b。

在图3所示的例子中，设置有2个第二流路部41b以及2个第一调整阀42。鼓风机3例如供给100L/min的空气。例如，在2个第一调整阀42关闭的情况下，向燃料电池组1供给100L/min的空气。另外，在1个第二调整阀45打开的情况下，40L/min的空气通过与打开的第一调整阀42对应的第二流路部41b。因此，向燃料电池组1供给60L/min的空气。另外，在2个第一调整阀42打开的情况下，40L/min的空气分别通过2个第二流路部41b。因此，向燃料电池组1供给20L/min的空气。

控制部6b基于要求发电量，控制多个第一调整阀42(的开闭)。

变形例1的燃料电池系统100的其他结构与第一实施方式的燃料电池系统100的对应结构相同，因此省略其详细说明。

如上所述，流量调整部4能够通过多个第一调整阀42的开闭来以100L/min、60L/min、20L/min这3个阶段调整向燃料电池组1供给的空气的流量。因此，将电流值的规定的阈值设定为2个。将2个规定的阈值例如设为第一阈值及比第一阈值低的第二阈值。例如，在电流值为第一阈值以上的情况下，控制部6b关闭2个第一调整阀42。在该情况下，向燃料电池组1供给100L/min的空气。在电流值低于第一阈值且为第二阈值以上的情况下，控制部6b打开一个第一调整阀42，关闭另一个第一调整阀42。在该情况下，向燃料电池组1供给60L/min的空气。在电流值低于第二阈值的情况下，控制部6b打开2个第一调整阀42。在该情况下，向燃料电池组1供给20L/min的空气。另外，在进一步设置多个第二流路部41b以及第一调整阀42的情况下也是同样的。

这样，在变形例中，通过多个第一调整阀42的开闭，能够使向燃料电池组1供给的空气的流量阶段性地变化。在该情况下，设定多个规定的阈值。另外，也可以以与规定的阈值对应的方式设定多个第一流量和第二流量。

另外，通过各个第一调整阀42打开而减少的空气的流量也可以不同。

变形例1的燃料电池系统100能够得到与第一实施方式相同的效果。另外，在变形例1中，能够进一步阶段性地调整向燃料电池组1供给的空气的流量。

(第二实施方式)

图4是表示第二实施方式的燃料电池系统100的结构的框图。第二实施方式与第一实施方式的不同点在于，通过压力损失使流量减少这一点上。

流量调整部4具有分支部43、第三流路部43a、第四流路部43b、压损部件44以及第二调整阀45。

分支部43与鼓风机3连接，分支为第三流路部43a和第四流路部43b。

第三流路部43a和第四流路部43b使从鼓风机3供给的空气分支地流向燃料电池组1。第三流路部43a和第四流路部43b例如可以是与第一流路部41a同样的气体管。

作为压力损失部的压损部件44设置于第四流路部43b上，使通过的空气产生压力损失。压损部件44通过压力损失使由鼓风机3加压后的空气的压力减少。即，压损部件44的下游侧的空气的压力减少，流量减少。其结果，通过鼓风机3的空气的流量以及流入燃料电池组1的空气的流量减少。压损部件44例如只要减小配管的流路面积即可，是节流、阀、节流孔中的至少1个。另外，压损部件44例如也可以通过手动变更流路面积等，能够从外部调整压力损失的高低。

第二调整阀45设置于第三流路部43a上，能够调整空气的流量。第二调整阀45由控制装置6控制。第二调整阀45例如可以是与第一调整阀42同样的阀。

鼓风机3例如以供给最大流量100L/min的空气的方式，以100％的输出供给空气。另外，实际上通过鼓风机3的空气的流量根据配管的压力损失(配管阻力)而变化。在第二调整阀45打开的情况下，在压力损失低的第三流路部43a中，与设有压损部件44的第四流路部43b相比，流量变大。第三流路部43a和第四流路部43b中的流量之和成为向燃料电池组1供给的空气的流量。因此，例如，鼓风机3供给100L/min的空气，向燃料电池组1供给100L/min的空气。另一方面，在第二调整阀45关闭的情况下，空气仅通过具有压损部件44的第四流路部43b。因此，例如，鼓风机3供给30L/min的空气，向燃料电池组1供给30L/min的空气。因此，通过第二调整阀45的开闭，从鼓风机3到燃料电池组1的压力损失(配管阻力)发生变化，从鼓风机3供给的空气的流量发生变化。

控制部6b基于要求发电量，控制第二调整阀45(的开闭)。

在系统互联运转时，控制部6b打开第二调整阀45，控制鼓风机3的流量。另一方面，在独立运转时，如上所述，控制部6b使鼓风机3的输出(流量)大致恒定，基于电流值通过第二调整阀45的开闭来控制流量。

第二实施方式的燃料电池系统100的其他结构与第一实施方式的燃料电池系统100的对应的结构相同，因此省略其详细说明。

例如，在电流值为规定的阈值以上的情况下，控制部6b打开第二调整阀45。在该情况下，向燃料电池组1供给100L/min(第一流量)的空气。在电流值低于规定的阈值的情况下，控制部6b关闭第二调整阀45。在该情况下，向燃料电池组1供给30L/min(第二流量)的空气。

第二实施方式的燃料电池系统100能够得到与第一实施方式同样的效果。

(变形例2)

图5是表示变形例2的燃料电池系统100的结构的框图。第二实施方式的变形例2与第二实施方式的不同点在于，设置第三调整阀46这一点上。

流量调整部4还具备第三调整阀46。第三调整阀46设置于第四流路部43b上，能够调整空气的流量。第三调整阀46由控制装置6控制。第三调整阀46例如可以是与第一调整阀42同样的阀。

控制部6b基于要求发电量，控制第二调整阀45以及第三调整阀46(的开闭)。

变形例2的燃料电池系统100的其他结构与第二实施方式的燃料电池系统100的对应的结构相同，因此省略其详细说明。

在变形例2中，控制部6b在第二调整阀45打开的情况下，能够进一步控制第三调整阀46的开闭。即，控制部6b能够使空气仅通过第三流路部43a。因此，能够如在变形例1中说明的那样、以3个阶段阶段性地调整流量。另外，在第二调整阀45关闭的情况下，控制部6b以不停止空气的供给的方式打开第三调整阀46。

另外，在系统互联运转时，第三调整阀46的开闭可以是任意的。

变形例2的燃料电池系统100能够得到与第二实施方式同样的效果。另外，在变形例2中，能够进一步阶段性地调整向燃料电池组1供给的空气的流量。

(变形例3)

图6是表示变形例3的燃料电池系统100的结构的框图。第二实施方式的变形例3与第二实施方式的不同点在于，设置多个第四流路部43b这一点上。

流量调整部4具有多个分支部43、多个第四流路部43b、多个压损部件44、1个或多个第三调整阀46。多个压损部件44设置于各个第四流路部43b上。第三调整阀46与变形例2的第三调整阀46相同。在图6所示的例子中，以从第四流路部43b进一步分支的方式设置分支部43和第四流路部43b。另外，也可以从1个分支部43设置多个第四流路部43b。另外，每个压损部件44的压力损失的高度也可以不同。

1个或多个第三调整阀46设置于各个第四流路部43b上，能够调整空气的流量。在图6所示的例子中，设置有与第四流路部43b相同数量的2个第三调整阀46。但是，第三调整阀46也可以是1个。

在图6所示的例子中，设置有2个第四流路部43b以及2个第二调整阀45。鼓风机3例如以100％的输出供给空气。例如，在第二调整阀45以及2个第三调整阀46打开的情况下，向燃料电池组1供给100L/min的空气。若任一阀关闭，则供给至燃料电池组1的空气的流量减少。另外，配管的压力损失越高，通过的空气的流量越小，因此阀关闭时的整体的流量的减少越小。

控制部6b基于要求发电量，控制第二调整阀45以及1个或者多个第三调整阀46(的开闭)。

在变形例3中，根据阀打开的数量，能够调整向燃料电池组1供给的空气的流量。因此，能够如在变形例1中说明的那样、阶段性地调整流量。另外，在进一步设置多个第四流路部43b以及第三调整阀46的情况下也是同样的。

变形例3的燃料电池系统100的其他结构与第二实施方式的燃料电池系统100的对应的结构相同，因此省略其详细说明。

控制部6b如变形例1中说明的那样，通过多个规定的阈值来控制第二调整阀45以及第三调整阀46即可。

变形例3的燃料电池系统100能够得到与第二实施方式同样的效果。另外，在变形例3中，能够进一步阶段性地调整向燃料电池组1供给的空气的流量。

以上，说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更等。这些实施方式及其变形例包含在发明的范围及主旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

附图标记说明

100燃料电池系统、1燃料电池组、3鼓风机、4流量调整部、41a第一流路部、41b第二流路部、42第一调整阀、43a第三流路部、43b第四流路部、44压损部件、45第二调整阀、46第三调整阀、5电流计、6b控制部。