專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。更具體地，本發(fā)明涉及在抑制多余燃料消耗的情況下根據(jù)外部負(fù)載發(fā)電所需電力的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
目前已提出了一種燃料電池堆疊體(參見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1)，該燃料電池堆疊體在工作溫度下以所選效率向負(fù)載裝置供給電力，并且包括(a)多個(gè)燃料電池子堆疊體和(b)未反應(yīng)燃料導(dǎo)管，其中，各燃料電池子堆疊體內(nèi)的各燃料電池連接至氧化劑供給源和燃料供給源，并且未反應(yīng)燃料導(dǎo)管連接至各個(gè)燃料電池子堆疊體內(nèi)的各燃料電池和各燃燒器，以使得從這些子堆疊體之一內(nèi)的燃料電池排出的未反應(yīng)燃料通過(guò)未反應(yīng)燃料導(dǎo)管流至一個(gè)、兩個(gè)或更多個(gè)子堆疊體內(nèi)的燃燒器，以對(duì)這個(gè)或這些子堆疊體進(jìn)行加熱。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特表2007-509470

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，在上述專(zhuān)利文獻(xiàn)1所述的燃料電池堆疊體中，所排出的燃料在燃燒器內(nèi)燃燒，以對(duì)陰極(cathode)區(qū)域進(jìn)行加熱，這意味著所排出的燃料不用于發(fā)電，從而導(dǎo)致效率有可能劣化。有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力而不消耗多余燃料的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。用于解決問(wèn)題的方案為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明人已對(duì)上述缺陷進(jìn)行了認(rèn)真研究。結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過(guò)提供用于使多個(gè)燃料電池的燃料電極等串聯(lián)連接的燃料氣體供給路徑能夠?qū)崿F(xiàn)該目的，并作出了本發(fā)明。S卩，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括(a)發(fā)電部件，其包括多個(gè)燃料電池、燃料氣體供給路徑和氧化劑氣體供給路徑，其中，所述多個(gè)燃料電池能夠經(jīng)由連接端子以串聯(lián)和/ 或并聯(lián)的方式相連接，所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的燃料電極經(jīng)由所述燃料氣體供給路徑串聯(lián)連接，并且所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的空氣電極經(jīng)由所述氧化劑氣體供給路徑串聯(lián)連接；(b)切換部件，其對(duì)所述連接端子與外部負(fù)載裝置的連接部件之間的電連接狀態(tài)進(jìn)行切換；(C)向所述燃料氣體供給路徑供給燃料氣體的燃料氣體供給部件和向所述氧化劑氣體供給路徑供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給部件；(d)負(fù)荷檢測(cè)部件， 其檢測(cè)所述外部負(fù)載裝置的負(fù)荷；以及(e)控制部件，其基于預(yù)先得到的與相連接燃料電池的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電輸出曲線(xiàn)和工作溫度區(qū)間之間的關(guān)系，根據(jù)來(lái)自所述負(fù)荷檢測(cè)部件的輸入選擇在所述工作溫度區(qū)間內(nèi)的輸出曲線(xiàn)，并且選擇使燃料電池的電壓最高的相連接燃料電池?cái)?shù)量，由此控制所述切換部件、所述燃料氣體供給部件和所述氧化劑氣體供給部件。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，提供了如下配置，其中，該配置包括(a)發(fā)電部件，其包括多個(gè)燃料電池、燃料氣體供給路徑和氧化劑氣體供給路徑，其中，所述多個(gè)燃料電池能夠經(jīng)由連接端子以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式相連接，所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的燃料電極經(jīng)由所述燃料氣體供給路徑串聯(lián)連接，并且所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的空氣電極經(jīng)由所述氧化劑氣體供給路徑串聯(lián)連接；(b)切換部件，其對(duì)所述連接端子與外部負(fù)載裝置的連接部件之間的電連接狀態(tài)進(jìn)行切換；(c)向所述燃料氣體供給路徑供給燃料氣體的燃料氣體供給部件和向所述氧化劑氣體供給路徑供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給部件；(d)負(fù)荷檢測(cè)部件，其檢測(cè)所述外部負(fù)載裝置的負(fù)荷；以及(e)控制部件，其基于預(yù)先得到的與相連接燃料電池的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電輸出曲線(xiàn)和工作溫度區(qū)間之間的關(guān)系，根據(jù)來(lái)自所述負(fù)荷檢測(cè)部件的輸入選擇在所述工作溫度區(qū)間內(nèi)的輸出曲線(xiàn)，并且選擇使燃料電池的電壓最高的相連接燃料電池?cái)?shù)量，由此控制所述切換部件、所述燃料氣體供給部件和所述氧化劑氣體供給部件。利用這種配置，本發(fā)明可以提供能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力而不消耗多余燃料的燃料電池系統(tǒng)。


圖1是示意性示出作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)示例(即，第一實(shí)施例)的說(shuō)明圖。圖2是示出作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中電流(I)-電壓(V)特性和電流(I)-發(fā)電輸出⑵特性這兩者的圖。圖3是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓(即，端子間電壓)和總發(fā)電輸出之間的關(guān)系的映射。圖4A是示出圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電效率之間的關(guān)系的映射關(guān)系的平面圖。圖4B是示出圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電效率之間的關(guān)系的映射關(guān)系的立體圖。圖5是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和來(lái)自所有燃料電池的熱輻射量之間的關(guān)系的映射。圖6A是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、 燃料電池電壓和總發(fā)電輸出之間的關(guān)系的映射。圖6B是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、 燃料電池電壓和總發(fā)電效率之間的關(guān)系的映射。圖6C是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、 燃料電池電壓和來(lái)自所有燃料電池的熱輻射量之間的關(guān)系的映射。圖7A是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、 燃料電池電壓和總發(fā)電輸出之間的關(guān)系的映射。要注意，該圖用于從與圖6A所涉及的觀點(diǎn)不同的觀點(diǎn)考慮本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)。
圖7B是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、 燃料電池電壓和總發(fā)電效率之間的關(guān)系的映射。要注意，該圖用于從與圖6B所涉及的觀點(diǎn)不同的觀點(diǎn)考慮本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)。圖7C是圖示作為本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、 燃料電池電壓和來(lái)自所有燃料電池的熱輻射量之間的關(guān)系的映射。要注意，該圖用于從與圖6C所涉及的觀點(diǎn)不同的觀點(diǎn)考慮本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)。圖8是示出本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的操作的流程圖。圖9是示意性示出作為本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的另一示例(即，第二實(shí)施例)的說(shuō)明圖。圖10是圖示作為本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的另一示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓(即，端子間電壓)和總發(fā)電輸出之間的關(guān)系的映射。圖11是圖示作為本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的另一示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電效率之間的關(guān)系的映射。圖12是圖示作為本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的另一示例中相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和來(lái)自所有燃料電池的熱輻射量之間的關(guān)系的映射。
具體實(shí)施例方式以下將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)。本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)是包括發(fā)電部件、切換部件、燃料氣體供給部件、氧化劑氣體供給部件、負(fù)荷檢測(cè)部件和控制部件的系統(tǒng)。所述發(fā)電部件包括多個(gè)燃料電池、燃料氣體供給路徑和氧化劑氣體供給路徑，其中，所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的燃料電極經(jīng)由所述燃料氣體供給路徑串聯(lián)連接， 所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的空氣電極經(jīng)由所述氧化劑氣體供給路徑串聯(lián)連接。這些燃料電池能夠經(jīng)由連接端子以串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)結(jié)合的方式相互電連接。所述切換部件是用于對(duì)所述連接端子和外部負(fù)載裝置的連接部件之間的電連接狀態(tài)進(jìn)行切換的部件。所述燃料氣體供給部件是用于向燃料氣體供給路徑供給燃料氣體的部件，并且所述氧化劑氣體供給部件是用于向氧化劑氣體供給路徑供給氧化劑氣體的部件。此外，所述負(fù)荷檢測(cè)部件是用于檢測(cè)所述外部負(fù)載裝置的負(fù)荷的部件。此外，所述控制部件是如下的部件，該部件用于基于預(yù)先得到的與相連接燃料電池的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電輸出曲線(xiàn)和工作溫度區(qū)間之間的關(guān)系，根據(jù)來(lái)自負(fù)荷檢測(cè)部件的輸入來(lái)控制所述切換部件、所述燃料氣體供給部件和所述氧化劑氣體供給部件。具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)能夠具有高效待機(jī)狀態(tài)而不消耗多余燃料，因而該系統(tǒng)能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力。S卩，通過(guò)提供包括串聯(lián)連接多個(gè)燃料電池中至少一部分的燃料電極的燃料氣體供給路徑和串聯(lián)連接多個(gè)燃料電池中至少一部分的空氣電極的氧化劑氣體供給路徑的配置， 使得高溫氣體能夠從位于上游側(cè)的燃料電池流向位于下游側(cè)的燃料電池?？紤]如下情況利用切換部件阻斷下游側(cè)燃料電池的連接端子與外部負(fù)載裝置的連接部件之間的電連接，由此停止利用下游側(cè)燃料電池進(jìn)行的發(fā)電。
在這種情況下，下游側(cè)燃料電池的溫度逐漸接近上游側(cè)燃料電池的輸出溫度。實(shí)際上，由于因熱輻射所引起的溫度下降，下游側(cè)燃料電池的溫度無(wú)法達(dá)到與輸出溫度相同的溫度。然而，通過(guò)適當(dāng)設(shè)置燃料電池、燃料氣體供給路徑和氧化劑氣體供給路徑的配置狀態(tài)，可以對(duì)溫度下降進(jìn)行控制，因而當(dāng)利用切換部件再次執(zhí)行連接時(shí)，溫度可以達(dá)到不影響發(fā)電的水平。在下游側(cè)燃料電池停止發(fā)電的狀態(tài)下，當(dāng)燃料氣體保持在燃料氣體供給路徑中并且同時(shí)氧化劑氣體保持在氧化劑氣體供給路徑中時(shí)，這些下游側(cè)燃料電池可以保持待機(jī)狀態(tài)、即處于開(kāi)路(OCV)狀態(tài)。因而，處于高溫狀態(tài)的燃料電池可以防止燃料電極被氧化并防止空氣電極被還原。由于下游側(cè)燃料電池正停止發(fā)電，因此抑制了下游側(cè)燃料電池中的燃料氣體和氧化劑氣體減少。要注意，燃料電池是包括能夠單獨(dú)發(fā)電的至少一個(gè)單元燃料電池的裝置，并且將燃料電池堆疊體理解為燃料電池。因此，當(dāng)燃料電池中的單元燃料電池串聯(lián)組合時(shí)，在該燃料電池的各單元燃料電池中流動(dòng)的電流展現(xiàn)恒定水平。此外，當(dāng)燃料電池中的單元燃料電池并聯(lián)組合時(shí)，該燃料電池的各單元燃料電池的端子間電壓展現(xiàn)恒定水平。在本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選將燃料氣體供給路徑和氧化劑氣體供給路徑分別配置有循環(huán)路徑。具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)能夠具有高效待機(jī)狀態(tài)而不消耗多余燃料，因而該系統(tǒng)能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力，并且無(wú)需恒定保持最上游燃料電池處于發(fā)電狀態(tài)。因此，如果任意燃料電池保持處于發(fā)電狀態(tài)，則經(jīng)由循環(huán)路徑連接至該工作中(ON)的燃料電池的其它燃料電池可以進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，由此可以根據(jù)燃料電池的劣化等來(lái)選擇燃料電池。此外，可以通過(guò)去除對(duì)氣體加熱的燃燒器以及去除熱交換器來(lái)縮小燃料電池系統(tǒng)的大小，這是有利的。此外，在本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選地，將多個(gè)燃料電池、燃料氣體供給路徑和氧化劑氣體供給路徑安裝在熱絕緣部件內(nèi)。具有這種結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)能夠具有高效待機(jī)狀態(tài)而不消耗多余燃料，因而該系統(tǒng)不僅能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力，還能夠使處于發(fā)電狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)下的各燃料電池的溫度保持恒定水平。特別地，由于將所有的燃料電池封裝在熱絕緣部件內(nèi)的配置， 可以抑制各燃料電池的性能和劣化的變動(dòng)。在本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選地，控制部件根據(jù)來(lái)自外部負(fù)載裝置的發(fā)電輸出需求和熱需求來(lái)控制切換部件。具有這種結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)能夠具有高效待機(jī)狀態(tài)而不消耗多余燃料，因而該系統(tǒng)不僅能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力，還能夠根據(jù)來(lái)自外部負(fù)載裝置的發(fā)電輸出需求和熱需求選擇該系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)。此外，在本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，為了使控制部件根據(jù)來(lái)自外部負(fù)載裝置的發(fā)電輸出需求和熱需求來(lái)控制切換部件，優(yōu)選基于針對(duì)各相連接燃料電池?cái)?shù)量所準(zhǔn)備的工作映射來(lái)控制該相連接燃料電池?cái)?shù)量。具有這種結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)能夠具有高效待機(jī)狀態(tài)而不消耗多余燃料，因而該系統(tǒng)能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力。此外，該系統(tǒng)能夠具有不受在該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變波動(dòng)所影響的控制目標(biāo)，由此可以平滑地執(zhí)行該系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變。此外，在本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，為了使控制部件根據(jù)來(lái)自外部負(fù)載的低發(fā)電輸出需求來(lái)控制切換部件，優(yōu)選基于針對(duì)各相連接燃料電池?cái)?shù)量所準(zhǔn)備的工作映射來(lái)減少相連接燃料電池?cái)?shù)量。要注意，“低發(fā)電輸出需求”表示如下的發(fā)電輸出需求在各燃料電池根據(jù)該發(fā)電輸出需求持續(xù)發(fā)電的時(shí)間內(nèi)，無(wú)法維持提供燃料電池系統(tǒng)的熱平衡所需的溫度。具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)能夠具有高效待機(jī)狀態(tài)而不消耗多余燃料，因而該系統(tǒng)能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力。此外，該系統(tǒng)能夠具有不受在該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變波動(dòng)所影響的控制目標(biāo)，由此可以平滑地執(zhí)行該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變。 此外，由于抑制了不直接促成發(fā)電的燃料燃燒，因此由發(fā)電量和熱輻射量的組合所提供的所謂的整體效率得以提高。S卩，在低輸出工作時(shí)，發(fā)電效率基本上提高，并且隨著燃料電池的數(shù)量增加，發(fā)電效率提高。隨著這種提高，來(lái)自燃料電池的熱輻射量減少。因此，當(dāng)發(fā)電輸出需求低于預(yù)定水平時(shí)，來(lái)自燃料電池的熱輻射量有可能低于維持該系統(tǒng)的熱平衡的水平。即使在這種情況下，通過(guò)減少相連接燃料電池?cái)?shù)量以增加來(lái)自燃料電池的熱輻射量，也可以避免在燃燒器內(nèi)燃燒燃料。此外，在本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，為了使控制部件根據(jù)來(lái)自外部負(fù)載裝置的高熱需求來(lái)控制切換部件，優(yōu)選基于針對(duì)各相連接燃料電池?cái)?shù)量所準(zhǔn)備的工作映射來(lái)減少相連接燃料電池的數(shù)量。要注意，“高熱需求”表示如下的熱輻射量需求，該熱輻射量需求超過(guò)了從作為發(fā)電部件的元件的燃料電池、燃料氣體供給部件和氧化劑氣體供給部件自然輻射的熱量。具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)能夠具有高效待機(jī)狀態(tài)而不消耗多余燃料，因而該系統(tǒng)能夠發(fā)電根據(jù)外部負(fù)載所需的電力。此外，該系統(tǒng)能夠具有不受在該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變波動(dòng)所影響的控制目標(biāo)，由此可以平滑地執(zhí)行該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變。 此外，在熱需求高的狀況下，可以提高由發(fā)電量和熱輻射量的組合所提供的整體效率。第一實(shí)施例以下將參考附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)示例。圖1是示意性示出作為本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)示例的說(shuō)明圖。如該圖所示，該燃料電池系統(tǒng)包括發(fā)電部件10、切換部件20、燃料氣體供給部件31、氧化劑氣體供給部件32、負(fù)荷檢測(cè)部件40和控制部件50。發(fā)電部件10包括五個(gè)固體氧化物燃料電池IlA 11E、串聯(lián)連接所有這五個(gè)固體氧化物燃料電池的燃料電極12A 12E所用的燃料氣體供給路徑13和串聯(lián)連接所有這五個(gè)固體氧化物燃料電池的空氣電極14A 14E所用的氧化劑氣體供給路徑15。在該例子中，燃料氣體供給路徑13和氧化劑氣體供給路徑15分別配備有循環(huán)路徑16和17。此外，在該例子中，將固體氧化物燃料電池IlA 11E、燃料氣體供給路徑13、氧化劑氣體供給路徑15以及循環(huán)路徑16和17安裝在由熱絕緣材料制成的熱絕緣部件60內(nèi)。
此外，在該例子中，五個(gè)固體氧化物燃料電池IlA IlE各自具有單元燃料電池 (未示出)串聯(lián)連接的所謂的燃料電池堆疊體。從圖1可以看出，固體氧化物燃料電池IlA IlE能夠經(jīng)由連接端子18A 18E 和19A 19E以并聯(lián)的方式相互電連接。切換部件20是用于對(duì)連接端子18A 18E和19A 19E與例如外部負(fù)載裝置(馬達(dá))的連接部件110之間的電連接進(jìn)行切換的部件，并且在該例子中，使用開(kāi)關(guān)作為該切換部件。連接部件110是配備有逆變器(未示出)的電路。燃料氣體供給部件31是用于向燃料氣體供給路徑13供給燃料氣體的裝置，并且在該例子中，該部件31包括燃料泵31A和31B以及流量調(diào)節(jié)裝置31C。氧化劑氣體供給部件32是用于向氧化劑氣體供給路徑15供給氧化劑氣體的裝置，并且在該例子中，該部件32 包括送風(fēng)裝置32A和流量調(diào)節(jié)裝置32B。負(fù)荷檢測(cè)部件40是用于檢測(cè)外部負(fù)載裝置(馬達(dá))100的負(fù)荷的裝置，并且在該例子中，該負(fù)荷檢測(cè)部件是加速器開(kāi)度傳感器?？刂撇考?0是用于根據(jù)從負(fù)荷檢測(cè)部件40輸入的信息向切換部件20、燃料氣體供給部件31和氧化劑氣體供給部件32輸出指示的裝置?？刂撇考?0可以是如下的控制裝置，其中，該控制裝置存儲(chǔ)參考相連接燃料電池?cái)?shù)量和端子間電壓(或電流密度)所設(shè)置的各自示出后述的發(fā)電輸出、發(fā)電效率和熱輻射量之間的關(guān)系的映射，并且根據(jù)所輸入的信息輸出指示。在該例子的燃料電池系統(tǒng)中，在燃料氣體供給路徑13的上游位置配置有燃料重整器70。燃料重整器70通過(guò)處理送風(fēng)裝置71所供給的空氣、燃料泵31A和31B以及流量調(diào)節(jié)裝置31C所供給的燃料、以及水，來(lái)產(chǎn)生重整后的燃料。在該例子中，如圖2所示，各燃料電池具有電流(I)-電壓(V)特性和電流(I)-發(fā)電輸出⑵特性。從該圖可以看出，在各燃料電池中，隨著電流升高，電壓下降。此外，在各燃料電池中，當(dāng)電流展現(xiàn)給定值時(shí)，發(fā)電輸出表示最高值。圖3示出如下的映射，其中，該映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓(即， 端子間電壓)和總發(fā)電輸出(即，在不考慮輔助裝置的電力消耗的情況下所提供的輸出) 之間的關(guān)系。從該映射可以看出，隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量減少，總發(fā)電輸出變低，并且隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量增加，總發(fā)電輸出變高。并且，對(duì)于各相連接燃料電池?cái)?shù)量，總發(fā)電輸出相對(duì)于(由于并聯(lián)連接而與燃料電池系統(tǒng)的電壓相對(duì)應(yīng)的)燃料電池電壓具有峰值。隨著該電壓高于峰值，總發(fā)電輸出變低，并且當(dāng)該電壓低于峰值時(shí)，總發(fā)電輸出降低。圖4A和4B分別是如下的映射的平面圖和立體圖，其中，這些映射各自示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電效率(即，在不考慮輔助裝置的電力消耗的情況下所提供的效率)之間的關(guān)系。從這些映射可以看出，無(wú)論相連接燃料電池?cái)?shù)量如何，隨著電壓升高，總發(fā)電效率都變高。圖5示出如下的映射，其中，該映射表示相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓(即， 端子間電壓)和來(lái)自所有燃料電池的熱輻射量之間的關(guān)系。
從該映射可以看出，隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量減少，熱輻射量變低，并且隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量增加，熱輻射量變高。隨著(由于并聯(lián)連接而與燃料電池系統(tǒng)的電壓相對(duì)應(yīng)的)燃料電池電壓升高，熱輻射量變低，并且隨著燃料電池電壓降低，熱輻射量變高。在本例子的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)存在來(lái)自外部的總發(fā)電輸出需求(例如，在由圖 6A的粗曲線(xiàn)所表示的值的情況)時(shí)，通過(guò)控制相連接燃料電池?cái)?shù)量和燃料電池電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)由圖6B的粗曲線(xiàn)所表示的總發(fā)電效率和由圖6C的粗曲線(xiàn)所表示的熱輻射量。然而，當(dāng)該輸入是低發(fā)電輸出需求時(shí)，總發(fā)電效率基本上提高。特別地，隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量增加，總發(fā)電效率提高。據(jù)此，來(lái)自燃料電池的熱輻射量變低。圖6A、6B和6C的陰影區(qū)域示出來(lái)自燃料電池的熱輻射量比維持燃料電池系統(tǒng)的熱平衡的水平低的范圍。在該范圍中，迄今為止所使用的燃料電池系統(tǒng)需要在燃料器內(nèi)燃燒添加的燃料，因而整體效率劣化。然而，在本發(fā)明的該例子的燃料電池系統(tǒng)中，對(duì)于該系統(tǒng)的工作，通過(guò)減少相連接燃料電池?cái)?shù)量以使該系統(tǒng)不在點(diǎn)“A”處而在點(diǎn)“B”處工作，可以在滿(mǎn)足總發(fā)電輸出的需求的情況下使熱輻射量變高。如上所述，在本發(fā)明的該例子的燃料電池系統(tǒng)中，可以在不消耗多余燃料的情況下獲得高效待機(jī)狀態(tài)，因而可以根據(jù)外部負(fù)載裝置的需求進(jìn)行發(fā)電。此外，可以具有不受在該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變波動(dòng)所影響的控制目標(biāo)，因而可以平滑地執(zhí)行該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變。此外，由于抑制了不直接促成發(fā)電的燃料燃燒，因此由發(fā)電量和熱輻射量的組合所提供的所謂的整體效率得以提高。此外，在本發(fā)明的該例子的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)存在來(lái)自外部的總發(fā)電輸出需求 (例如，由圖7A的粗曲線(xiàn)所表示的值的情況)時(shí)，可以通過(guò)僅控制相連接燃料電池?cái)?shù)量和燃料電池電壓這兩者來(lái)獲得由圖7B的粗曲線(xiàn)所表示的總發(fā)電效率和由圖7C的粗曲線(xiàn)所表示的熱輻射量這兩者。當(dāng)存在低熱需求時(shí)，可以通過(guò)在增加相連接燃料電池?cái)?shù)量的情況下使該系統(tǒng)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)總發(fā)電輸出增加(例如，在點(diǎn)“A”處工作的情況)。當(dāng)存在高熱需求時(shí)，可以通過(guò)例如減少相連接燃料電池?cái)?shù)量以使該系統(tǒng)在點(diǎn)“B” 處而不是在點(diǎn)“A”處工作，來(lái)在滿(mǎn)足總發(fā)電輸出需求的情況下實(shí)現(xiàn)熱輻射量增加。如上所述，在本發(fā)明的該例子的燃料電池系統(tǒng)中，可以在不消耗多余燃料的情況下實(shí)現(xiàn)高效待機(jī)狀態(tài)，因而可以根據(jù)外部負(fù)載裝置的負(fù)荷發(fā)電所需電力。此外，可以具有不受在該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變波動(dòng)所影響的控制目標(biāo)，因而可以平滑地執(zhí)行該系統(tǒng)的工作狀態(tài)改變。此外，通過(guò)抑制不直接促成發(fā)電的燃料燃燒，由發(fā)電量和熱輻射量的組合所提供的整體效率得以提高。將參考圖8來(lái)說(shuō)明該例子的燃料電池系統(tǒng)的操作。圖8是示出該燃料電池系統(tǒng)的操作的流程圖。步驟1(其在附圖中被略寫(xiě)為“Si”，并且以相同的方式來(lái)表示步驟1之后的步驟) 是如下的步驟從外部裝置將包括與發(fā)電輸出需求有關(guān)的指示或與熱需求有關(guān)的指示的輸出改變指示輸入至控制部件。然后，該操作流程進(jìn)入步驟2。在步驟2中，參考圖3 5的工作映射計(jì)算工作點(diǎn)、即相連接燃料電池?cái)?shù)量，并選擇該數(shù)量。在這種情況下，以避免設(shè)置在圖6A、6B和6C的陰影區(qū)域中的工作點(diǎn)的方式選擇工作點(diǎn)。然后，該操作流程進(jìn)入步驟3。上述控制與用于在圖6A、6B和6C以及圖7A、7B和 7C的圖中選擇諸如點(diǎn)“A”和點(diǎn)“B”等的工作點(diǎn)的控制相對(duì)應(yīng)。在步驟3中，為了實(shí)現(xiàn)所選擇的工作點(diǎn)，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換操作來(lái)控制相連接燃料電池?cái)?shù)量，并且通過(guò)控制燃料氣體供給部件和氧化劑氣體供給部件這兩者來(lái)控制燃料氣體流量和空氣流量。在完成這些控制之后，使該工作變?yōu)檎９ぷ?。要注意，圖3 5的工作映射的橫軸表示相連接燃料電池?cái)?shù)量。此外，燃料氣體流量和空氣流量是參考圖3以及圖4A和4B中的工作映射而預(yù)先設(shè)置的值，其中，圖3中的工作映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電輸出之間的關(guān)系，圖4A和4B中的工作映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電效率之間的關(guān)系。第二實(shí)施例以下將參考附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的另一示例。圖9是示意性示出作為本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的另一示例的說(shuō)明圖。如該圖所示，該燃料電池系統(tǒng)包括發(fā)電部件10、切換部件20、燃料氣體供給部件31、氧化劑氣體供給部件32、負(fù)荷檢測(cè)部件40和控制部件50。發(fā)電部件10包括五個(gè)固體氧化物燃料電池IlA 11E、串聯(lián)連接所有這五個(gè)固體氧化物燃料電池的燃料電極12A 12E所用的燃料氣體供給路徑13和串聯(lián)連接所有這五個(gè)固體氧化物燃料電池的空氣電極14A 14E所用的氧化劑氣體供給路徑15。在該例子中，燃料氣體供給路徑13和氧化劑氣體供給路徑15分別配備有循環(huán)路徑16和17。此外，在該例子中，將固體氧化物燃料電池IlA 11E、燃料氣體供給路徑13、氧化劑氣體供給路徑15以及循環(huán)路徑16和17安裝在由熱絕緣材料制成的熱絕緣部件60內(nèi)。此外，在該例子中，五個(gè)固體氧化物燃料電池IlA IlE各自具有單元燃料電池 (未示出)串聯(lián)連接的所謂的燃料電池堆疊體。從圖9可以看出，固體氧化物燃料電池IlA IlE能夠經(jīng)由連接端子18A 18E 和19A 19E以串聯(lián)的方式相互電連接。切換部件20是用于對(duì)連接端子18A 18E和19A 19E與例如外部負(fù)載裝置(馬達(dá))的連接部件110之間的電連接進(jìn)行切換的部件，并且在該例子中，使用開(kāi)關(guān)作為該切換部件。連接部件110是配備有逆變器(未示出)的電路。燃料氣體供給部件31是用于向燃料氣體供給路徑13供給燃料氣體的裝置，并且在該例子中，該部件31包括燃料泵31A和31B以及流量調(diào)節(jié)裝置31C。氧化劑氣體供給部件32是用于向氧化劑氣體供給路徑15供給氧化劑氣體的裝置，并且在該例子中，該部件32 包括送風(fēng)裝置32A和流量調(diào)節(jié)裝置32B。負(fù)荷檢測(cè)部件40是用于檢測(cè)外部負(fù)載裝置(馬達(dá))100的負(fù)荷的裝置，并且在該例子中，該負(fù)荷檢測(cè)部件是加速器開(kāi)度傳感器?？刂撇考?0是用于根據(jù)從負(fù)荷檢測(cè)部件40輸入的信息向切換部件20、燃料氣體供給部件31和氧化劑氣體供給部件32輸出指示的裝置?？刂撇考?0可以是如下的控制裝置，其中，該控制裝置存儲(chǔ)各自示出后述的相連接燃料電池?cái)?shù)量、基于燃料電池電壓(即， 端子間電壓)的總發(fā)電輸出、總發(fā)電效率和熱輻射量之間的關(guān)系的映射，并且根據(jù)所輸入的信息輸出指示。
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在該例子的燃料電池系統(tǒng)中，在燃料氣體供給路徑13的上游位置配置有燃料重整器70。燃料重整器70通過(guò)處理送風(fēng)裝置71所供給的空氣、燃料泵31A和31B以及流量調(diào)節(jié)裝置31C所供給的燃料、以及水，來(lái)產(chǎn)生重整后的燃料。圖10示出如下的映射，其中，該映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電輸出(即，在不考慮輔助裝置的電力消耗的情況下所提供的輸出)之間的關(guān)系。從該映射可以看出，隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量減少，總發(fā)電輸出變低，并且隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量增加，總發(fā)電輸出變高。并且，對(duì)于各相連接燃料電池?cái)?shù)量，總發(fā)電輸出相對(duì)于燃料電池電壓具有峰值。隨著燃料電池電壓高于該峰值，總發(fā)電輸出變低，并且當(dāng)燃料電池電壓低于該峰值時(shí)，總發(fā)電輸出降低。圖11示出如下的映射，其中，該映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電效率(即，在不考慮輔助裝置的電力消耗的情況下所提供的效率)之間的關(guān)系。從該映射可以看出，隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量增加，總發(fā)電效率變高，并且隨著燃料電池電壓升高，總發(fā)電效率變高。圖12示出如下的映射，其中，該映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和來(lái)自所有燃料電池的熱輻射量之間的關(guān)系。從該映射可以看出，隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量減少，熱輻射量變高，并且隨著相連接燃料電池?cái)?shù)量增加，熱輻射量變低。此外，隨著燃料電池電壓降低，熱輻射量變高，并且隨著燃料電池電壓升高，熱輻射量變低。此外，在該例子的燃料電池系統(tǒng)中，可以執(zhí)行與上述第一實(shí)施例的操作控制相同的操作控制。S卩，步驟1是如下的步驟從外部裝置將包括與發(fā)電輸出需求有關(guān)的指示或與熱需求有關(guān)的指示的輸出改變指示輸入至控制部件。然后，該操作流程進(jìn)入步驟2。在步驟2中，參考圖10 12的工作映射來(lái)計(jì)算工作點(diǎn)、即相連接燃料電池?cái)?shù)量， 并選擇該數(shù)量。然后，該操作流程進(jìn)入步驟3。該選擇與在圖6A、6B和6C以及圖7A、7B和 7C的圖中選擇諸如點(diǎn)“A”和點(diǎn)“B”等的工作點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。在步驟3中，為了實(shí)現(xiàn)所設(shè)置的工作點(diǎn)，利用開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)行切換操作以控制相連接燃料電池?cái)?shù)量，并且通過(guò)控制燃料氣體供給部件和氧化劑氣體供給部件這兩者來(lái)控制燃料氣體流量和空氣流量。在完成這些控制之后，使該工作變?yōu)檎９ぷ?。要注意，圖10 12的工作映射的橫軸表示相連接燃料電池?cái)?shù)量。此外，燃料氣體流量和空氣流量是參考圖10和11中的工作映射所預(yù)先設(shè)置的值，其中，圖10中的工作映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電輸出之間的關(guān)系，以及圖11中的工作映射示出相連接燃料電池?cái)?shù)量、燃料電池電壓和總發(fā)電效率之間的關(guān)系。如根據(jù)以上顯然可知，已參考兩個(gè)實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。即，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變形。以上僅說(shuō)明了燃料電池以并聯(lián)方式連接的情況(第一實(shí)施例)和燃料電池以串聯(lián)方式連接的情況(第二實(shí)施例)這兩個(gè)情況。然而，無(wú)需說(shuō)明，本發(fā)明可應(yīng)用于燃料電池能夠以并聯(lián)連接和串聯(lián)連接相結(jié)合的方式連接的情況。例如，可以利用第二實(shí)施例的五個(gè)燃料電池來(lái)替換第一實(shí)施例的各個(gè)燃料電池， 并且可以利用第一實(shí)施例的五個(gè)燃料電池來(lái)替換第二實(shí)施例的各個(gè)燃料電池。
附圖標(biāo)記說(shuō)明10發(fā)電部件11A、11B、11C、IlDUlE 固體氧化物燃料電池12A、12B、12C、12D、12E 燃料電極13燃料氣體供給路徑14A、14B、14C、14D、14E 空氣電極15氧化劑氣體供給路徑16、17 循環(huán)路徑18A、18B、18C、18D、18E、19A、19B、19C、19D、19E 連接端子20切換部件31燃料氣體供給部件31A、31B 燃料泵31C、32B流量調(diào)節(jié)裝置32氧化劑氣體供給部件32A、71 送風(fēng)裝置40負(fù)荷檢測(cè)部件(加速器開(kāi)度傳感器)50控制部件60熱絕緣部件(熱絕緣材料)70燃料重整器100外部負(fù)載裝置(馬達(dá))110連接部件
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括 發(fā)電部件，其包括多個(gè)燃料電池，其能夠經(jīng)由連接端子以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式相連接； 燃料氣體供給路徑，所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的燃料電極通過(guò)所述燃料氣體供給路徑串聯(lián)連接；和氧化劑氣體供給路徑，所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的空氣電極通過(guò)所述氧化劑氣體供給路徑串聯(lián)連接；切換部件，其對(duì)所述連接端子與外部負(fù)載裝置的連接部件之間的電連接狀態(tài)進(jìn)行切換；向所述燃料氣體供給路徑供給燃料氣體的燃料氣體供給部件和向所述氧化劑氣體供給路徑供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給部件；負(fù)荷檢測(cè)部件，其檢測(cè)所述外部負(fù)載裝置的負(fù)荷；以及控制部件，其基于預(yù)先得到的與相連接燃料電池的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電輸出曲線(xiàn)和工作溫度區(qū)間之間的關(guān)系，根據(jù)來(lái)自所述負(fù)荷檢測(cè)部件的輸入來(lái)選擇在工作溫度區(qū)間內(nèi)的輸出曲線(xiàn)，并且選擇使燃料電池的電壓最高的相連接燃料電池?cái)?shù)量，由此控制所述切換部件、所述燃料氣體供給部件和所述氧化劑氣體供給部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料氣體供給路徑和所述氧化劑氣體供給路徑至少之一配備有循環(huán)路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)燃料電池、所述燃料氣體供給路徑和所述氧化劑氣體供給路徑安裝在熱絕緣部件的內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制部件根據(jù)從所述外部負(fù)載裝置輸入的發(fā)電輸出需求和熱需求向所述切換部件輸出指示。
5.一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法， 所述燃料電池系統(tǒng)包括 發(fā)電部件，其包括多個(gè)燃料電池，其能夠經(jīng)由連接端子以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式相連接； 燃料氣體供給路徑，所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的燃料電極通過(guò)所述燃料氣體供給路徑串聯(lián)連接；和氧化劑氣體供給路徑，所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的空氣電極通過(guò)所述氧化劑氣體供給路徑串聯(lián)連接；切換部件，其對(duì)所述連接端子與外部負(fù)載裝置的連接部件之間的電連接狀態(tài)進(jìn)行切換；向所述燃料氣體供給路徑供給燃料氣體的燃料氣體供給部件和向所述氧化劑氣體供給路徑供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給部件；負(fù)荷檢測(cè)部件，其檢測(cè)所述外部負(fù)載裝置的負(fù)荷；以及控制部件，所述控制方法基于所述控制部件的以下操作，在該操作中基于預(yù)先得到的與相連接燃料電池的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電輸出曲線(xiàn)和工作溫度區(qū)間之間的關(guān)系，根據(jù)來(lái)自所述負(fù)荷檢測(cè)部件的輸入來(lái)選擇在工作溫度區(qū)間內(nèi)的輸出曲線(xiàn)，并且選擇使燃料電池的電壓最高的相連接燃料電池?cái)?shù)量，由此控制所述切換部件、所述燃料氣體供給部件和所述氧化劑氣體供給部件。
全文摘要
公開(kāi)了一種燃料電池系統(tǒng)，包括多個(gè)燃料電池，其能夠經(jīng)由連接端子以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式相互電連接；發(fā)電部件，其具有將所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的燃料電極串聯(lián)連接的燃料氣體供給路徑和將所述多個(gè)燃料電池的全部或一部分的空氣電極串聯(lián)連接的氧化劑氣體供給路徑；切換部件，其對(duì)所述連接端子與外部負(fù)載的連接部件進(jìn)行電連接或斷開(kāi)；向所述燃料氣體供給路徑供給燃料氣體的燃料氣體供給部件和向所述氧化劑氣體供給路徑供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給部件；負(fù)荷檢測(cè)部件，其檢測(cè)所述外部負(fù)載的負(fù)荷；以及控制部件，其利用預(yù)先獲取到的工作溫度范圍和與相連接燃料電池?cái)?shù)量相對(duì)應(yīng)的總發(fā)電輸出曲線(xiàn)之間的關(guān)系，根據(jù)來(lái)自所述負(fù)荷檢測(cè)部件的輸入選擇在工作溫度范圍內(nèi)的輸出曲線(xiàn)，并選擇使燃料電池電壓最大的相連接燃料電池?cái)?shù)量，以控制所述切換部件、所述燃料氣體供給部件和所述氧化劑氣體供給部件。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102439774SQ20108002219
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者三輪博通, 上條元久 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社