JP2004362806A

JP2004362806A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004362806A
Application number: JP2003156608A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukuda; 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP4752171B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of purging according to an operating pressure, reducing the volume of wastefully exhausted hydrogen to a minimum, without fear of causing deterioration of operating efficiency. <P>SOLUTION: A hydrogen exhaust adjustment means for switching a hydrogen exhaust flow channel 8 and changing a cross section area of the flow channel is provided at the hydrogen exhaust flow channel 8 for exhausting hydrogen from a hydrogen electrode of a fuel cell stack 1 outside the system. As the hydrogen exhaust adjustment means, for instance, a purge valve 9 with variable opening areas is used. Then, the opening areas of the purge valve 9 are set in accordance with pressures (operating pressures) in a hydrogen circulation flow channel 7, by detecting the pressures inside the hydrogen circulation flow channel 7 in the vicinity of the purge valve 9 by a pressure sensor 33, and judging the operating pressures from detected values of the pressure sensor 33 by a control unit 35. To be more precise, an opening area of the purge valve 9 is set larger at a low-load region with a lower operating pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、水素循環流路におけるパージ方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料となる水素及び空気を燃料電池スタックの水素極及び空気極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギー変換システムである。燃料電池システムでは、前記電気化学反応によって生成するのは水のみであって、有害物質を含む排気ガスや二酸化炭素が排出されることはない。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、供給された水素が全て燃料電池スタックで使用されるわけではなく、水素の利用効率を上げるための工夫として、燃料電池スタックで使用されなかった未使用の水素を、再度燃料電池スタックへと循環させて再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００４】
この特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの燃料極から排出された余剰の水素を再循環ガス回路を経てエゼクタポンプに戻し、この戻した余剰の水素と別途エゼクタポンプに導入される水素濃度の高い原燃料とを混合した混合燃料を、燃料極に供給するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素循環形式の燃料電池システムでは、水素を循環させることによって水素循環経路内に窒素やＣＯ等の不純物が蓄積し、水素分圧が降下していくため燃料電池スタックの効率が低下することから、不純物濃度が高くなった場合や燃料電池システム起動時等に、パージ弁を開放して水素循環経路内のガスをパージし、水素循環経路内から不純物を除去することが行われている。例えば、上述した特許文献１記載の燃料電池システムにおいても、燃料極である水素極に異物が付着した場合に、パージ弁を開いて水素供給量を増加させ、これら異物を除去するようにしている。
【０００７】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、前記パージはパージ弁を一律に開放することで行われており、必ずしも必要最小限のパージが実施されるとは限らず、不必要な水素放出を行っている可能性がある。逆に、運転圧力が低い低負荷領域では、パージ流量が極端に減少して十分なパージが行われず、運転効率の悪化を招く虞れもある。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、運転圧力に応じたパージが可能で、無駄に排出する水素の量を最小限に低減することができ、また運転効率の悪化を引き起こすこともない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給流路と、燃料電池スタックに水素を供給する水素供給流路と、燃料電池スタックから排出された未使用水素を循環させて水素供給流路を通る水素に混合させる水素循環流路と、水素循環流路から分岐される水素排気流路と、水素排気流路に設けられて水素排気流路の開閉及び流路断面積の変更を行う水素排気調整手段とを備える。そして、この燃料電池システムでは、水素循環流路内の圧力が高いほど、水素排気調整手段により水素排気流路の流路断面積を小さく設定するようにしている。
【００１０】
以上の構成を有する本発明の燃料電池システムによれば、運転圧力に応じて適正なパージが実行されることになり、特に中負荷以上での過大なパージ流量による水素の排出が抑えられると共に、パージ流量の減少が懸念される低負荷領域では最大限のパージを実施することができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの運転圧力に応じたパージが可能であり、例えば中負荷以上での過大なパージ流量による水素の過剰排出を抑えることができ、無駄に排出する水素量を最小限に低減することができる。また、本発明に係る燃料電池システムでは、パージ流量の減少が懸念される低負荷領域では最大限のパージを実施することができるので、不純物の除去を適切に行って水素分圧を適正に保つことができ、運転効率の悪化を引き起こすこともない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの主要部分の構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される水素極と酸化剤ガスである空気（酸素）が供給される空気極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、水素極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１５】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１６】
燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１の各発電セルの電圧をモニタリングするためのセル電圧モニタ（電圧検出手段）２が接続されている。燃料電池スタック１は、このセル電圧モニタ２により各燃料電池セルの電圧がモニタリングされることによって、その発電状態が監視されるようになっている。
【００１７】
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの水素極や空気極に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系及び空気供給系が設けられている。
【００１８】
水素供給系は、例えば、水素タンク３、圧力制御弁４、水素供給流路５、エゼクタ６を備える。そして、水素供給源である水素タンク３から供給される水素が、圧力制御弁４で減圧され、水素供給流路５及びエゼクタ６を通って燃料電池スタック１の水素極に送り込まれるようになっている。
【００１９】
燃料電池スタック１では供給された水素が全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池スタック１の水素極から排出される水素）は、新たに水素タンク３から供給されて水素供給流路５を流れる水素とエゼクタ６にて混合されて、再度燃料電池スタック１の水素極に供給される。このため、燃料電池スタック１には水素循環流路７が接続されており、燃料電池スタック１の水素極から排出される水素が水素循環流路７を通ってエゼクタ６に環流されるようになっている。エゼクタ６は、水素供給流路５を流れる水素の流体エネルギを利用して、水素循環流路８を流れる水素を循環させる。
【００２０】
また、水素循環流路７の前段側には、この水素循環流路７から分岐するようにして、燃料電池スタック１の燃料極からの水素を系外に排出するための水素排気流路８が接続されており、この水素排気流路８の水素循環流路７からの分岐位置の下流側には、水素排気調整手段としてのパージ弁９が設けられている。このパージ弁９は、燃料電池スタック１の水素極から排出される水素の流路を切り替える機能を有するものであり、このパージ弁９を切り替えることにより水素排気流路７の開閉が行われ、燃料電池スタック１の水素極から排出される水素が、水素排気流路８と水素循環流路７の何れかに導かれるようになっている。また、特に本実施形態の燃料電池システムにおいては、このパージ弁９が、水素排気流路８の流路断面積を変更する機能を有しており、パージ弁９によって水素排気流路８の流路断面積が変更されることで、水素排気流路８から系外に排出される水素量を調整できるようになっている。
【００２１】
上述したように水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率低下に繋がるので、このような場合には、パージ弁９を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路８から系外に排出する。また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時においても、このパージ弁９が開放されて、系内の水素を含むガスが水素排気流路８を介して系外に排出されるようになっている。
【００２２】
一方、空気供給系は、外気を吸入して燃料電池スタック１の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ１０及び空気供給流路１１を備え、コンプレッサ１０によって空気供給流路１１内に空気が送り込まれて、燃料電池スタック１の空気極へと供給されるようになっている。空気供給流路１１には、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサ１０から排出されるオイル等をトラップするフィルタ１２が設けられており、燃料電池スタック１の空気極には、このフィルタ１２で清浄化された空気が供給されることになる。
【００２３】
また、燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１から空気を排出するための空気排気流路１３が接続されており、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気流路１３を通して系外に排出されるようになっている。また、空気排気流路１３には圧力制御弁１４が設けられており、この圧力制御弁１４の動作によって、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力が所望の圧力に制御される。
【００２４】
また、空気供給系には、燃料電池スタック１の空気極に供給する空気を加湿するための加湿手段が設けられている。この加湿手段は、空気供給流路１１の中途部に設けられる加湿器１５と、空気排気流路１３の圧力制御弁１４の上流位置に設けられ燃料電池スタック１で生成した水等を回収する水分凝縮装置１６、回収された回収水を収容する水タンク１７、加湿水を循環供給する水循環流路１８、水循環流路１８に設けられるバルブ１９及びポンプ２０とから構成されている。
【００２５】
加湿器１５内の余分な水は、加湿水回収流路２１を経由して水タンク１７に戻される。このとき、圧力調整弁２２によってポンプ２０から当該圧力調整弁２２までの間の加湿水回収流路２１内の圧力が略一定に保たれる。また、この加湿水回収流路２１内の圧力は、圧力センサ２３によって検出され、この検出値に応じて圧力調整弁２２が制御されるようになっている。さらに、水タンク１７には水位センサ２４が設けられており、この水位センサ２４によって水タンク１７内の水の過不足を検出して、運転者に告知できるようになっている。
【００２６】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却液循環流路２５及び冷却液ポンプ２６を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて燃料電池スタック１を冷却し、これを最適な温度に維持する。
【００２７】
冷却機構の冷却液循環流路２５内には、ラジエータ２７が設けられており、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷却液は、ここで冷却される。また、ラジエータ２７と並列にバイパス流路２８が設けられると共に、分岐部分にサーモスタット三方切り替え弁２９が設けられており、冷却液の温度に応じてこの三方切り替え弁２９が動作することで、冷却液の流路が切り替えられる。なお、三方切り替え弁２９が冷却液の流路を切り替える温度は、例えば４０℃に設定される。
【００２８】
以上のような冷却機構において、燃料電池スタック１で発生した熱は、冷却液循環流路２５を流れる冷却液によって持ち去られ、ラジエータ２７で外部に放出される。ラジエター２７は、図示しないラジエータファンによりラジエータ出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。温度調整された冷却液が通る冷却液循環流路２５には、リザーバタンク３０が設けられており、冷却液の熱膨張、収縮分の吸収及び冷却液の補給等に使用される。リザーバタンク３０の上部は大気開放されており、リザーバ機能を有している。また、バイパス流路２８を流れる冷却液は、図１中Ａ部において上述した加湿手段の水タンク１７に導かれて加湿水の暖機促進に用いられ、その後、再度バイパス流路２８に環流される。
【００２９】
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１に温度センサ３１が設けられ、燃料電池スタック１の空気極入口に温湿度センサ３２が設けられている。また、パージ弁９近傍の水素循環流路７には、この水素循環流路７内の圧力を検出する圧力センサ３３及び水素循環流路７内の温度を検出する温度センサ３４が設けられている。そして、これら各センサからの情報に基づいて各種制御を行うコントロールユニット３５を備えている。このコントロールユニット３５は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。
【００３０】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいては、水素タンク３から水素供給流路５に送り込まれた水素と水素循環流路７を通る水素とがエゼクタ６にて混合され、燃料電池スタック１の水素極に供給される。燃料電池スタック１を通過した水素は、通常、水素循環流路７を通過してエゼクタ６に導かれ、新たに水素タンク３から送り込まれる水素と混合されて再度燃料電池スタック１に供給される。
【００３１】
水素循環流路７内の窒素やＣＯ等の不純物濃度が高くなった場合や、システム起動時には、パージ弁９が開放されることにより水素（水素を含むガス）が水素排気流路８へと導かれ、この水素排気流路８を通って系外（例えば車外）に排出される。
【００３２】
外気を吸入、圧送するコンプレッサ１０により空気供給流路１１内に圧送された空気は、フィルタ１２によって清浄化された後、加湿器１５で加湿されて、燃料電池スタック１の空気極に供給される。燃料電池スタック１で生成された水は、その下流に設けられた水分凝縮装置１６にて凝集されて回収され、バルブ１９を経由して水タンク１７に導かれる。
【００３３】
加湿手段のポンプ２０はコントロールユニット３５からの指令によってオン、オフ及び回転数制御され、加湿器１５に、水タンク１７から流出した水を圧送している。燃料電池スタック１の運転に必要な加湿量は、この加湿器１５によって供給される。また、加湿量をコントロールユニット３５で監視するため、加湿器１５を通過後の湿度を温湿度センサ３２により計測している。
【００３４】
燃料電池スタック１の発熱に対する冷却手段としては、冷却液として水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入したものを使用し、冷却液循環流路２５を通して燃料電池スタック１の内部に流すことで冷却を行う。燃料電池スタック１の熱を奪った冷却液は、三方切り替え弁２９によってその流路が切り替えられ、ラジエータ２７を通過する流路とラジエータ２７を迂回してバイパス流路２８を通る流路の何れかを流れる。
【００３５】
ラジエータ２７は、さらに、コントロールユニット３５の信号に基づいて、図示しないラジエターファンにより出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。また、冷却液循環流路２５には冷却液ポンプ２６が備えられ、燃料電池スタック１に設けられた温度センサ３１の出力に応じてコントロールユニット３５で判断された流量となるように、冷却液ポンプ２６によって冷却液が圧送されて、燃料電池スタック１に送られる。
【００３６】
バイパス流路２８は、加湿手段の水タンク１７に接続され（図１中Ａ部）、水タンク１７内部の熱交換部で熱交換することにより加湿水の暖機を促進する。その後、再度バイパス流路２８から冷却液循環流路２５へと環流され、リザーバタンク３０において熱膨張及び収縮分が吸収される。
【００３７】
コントロールユニット３５は、燃料電池スタック１に接続されたセル電圧モニタ２、温度センサ３１、温湿度センサ３２や、パージ弁９近傍の水素循環流路７に設けられた圧力センサ３３、温度センサ３４等の各種センサからの入力信号が入力され、またその入力値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力する。
【００３８】
次に、本実施形態の燃料電池システムの運転動作について、車両用の燃料電池システムとして用いた場合を例にして簡単に説明する。
【００３９】
燃料電池システムの運転の際には、運転者の操作によるアクセル開度に応じた出力（電力）に相応な水素量及び空気量に応じて、燃料電池スタック１の水素極側には圧力制御弁４により圧力調整された水素の供給が行われると共に、燃料電池スタック１の空気極側にはコンプレッサ１０により空気の供給が行われる。また、加湿器１５により、コンプレッサ１０からの空気が加湿された状態で燃料電池スタック１の空気極へと導かれる。このとき、運転圧力については、図２に示すように運転負荷に応じて設定されるようになっており、低負荷運転では低く、高負荷運転では高く設定されている。また、運転圧力は、水素循環流路７に設けられた圧力センサ３３によって、水素循環流路７内の圧力として実測により検出されるようになっている。
【００４０】
運転に際しては、温湿度センサ３２で燃料電池スタック１の空気極入口の温度及び湿度が監視されており、燃料電池スタック１の空気極に供給される空気の加湿量が万一不足するような場合には、運転圧力を上昇補正することで、加湿器１５の圧力も上昇させて、加湿不足にならないように補正制御する。
【００４１】
また、冷却液ポンプ２６は、燃料電池スタック１の発熱量に応じた流量の冷却液を燃料電池スタック１に流通すべく流量を調整し、燃料電池スタック１の温度センサ３１により検出される燃料電池スタック１温度に応じて流量が補正されている。このとき、燃料電池スタック１の温度が極低温である場合には、冷却液がラジエータ２７を通過させずにバイパス流路２８を通過するように、サーモスタット三方切り替え弁２９が切り替えられる。ラジエータ２７の出口温度は、燃料電池スタック１の温度センサ３１で検出された温度に応じて、図示しないラジエータファンの回転数を制御することにより、略一定温度を保つように制御されている。
【００４２】
運転中には、空気供給系において、水分凝縮装置１６により燃料電池スタック１から排出された空気中の水分が凝縮回収され、水循環流路１８を通して水タンク１７へと導かれて加湿用水として貯蔵される。
【００４３】
また、水素供給系において、燃料電池スタック１の水素極から排出された水素は水素循環流路７及びエゼクタ６により循環されているが、運転に伴って燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の透過等により窒素等の不純物の濃度が次第に増加したり、水が詰まったりしてセル電圧低下を引き起こすため、セル電圧モニタ３２によってセル電圧を監視し、セル電圧が低下した場合にパージ弁９を開弁することで、水素循環流路７内及び燃料電池スタック１内の水素をパージして、不純物を水素と共に系外に排出するようにしている。
【００４４】
以上のような通常時動作により、運転者のアクセル操作に応じた出力が燃料電池システムから取り出され、図示しないモータにより車両が駆動されることになる。
【００４５】
ところで、以上のような燃料電池システムの運転において、パージ弁９の開口面積、すなわちパージ弁９が開弁されたときの水素排気流路８の流路断面積を一定として一律にパージを行った場合、パージにより排出される水素流量（パージ流量）は、図３に示すように、運転圧力に応じて変化するものとなり、運転圧力が低い低負荷領域でのパージ流量が極端に減少する傾向にある。低負荷領域でのパージ流量が減少すると、水素循環流路７内及び燃料電池スタック１内に蓄積された不純物を十分に排出することができず、適正な運転に支障をきたす虞がある。
【００４６】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、パージ弁９の開口面積を可変として、パージ弁９に水素排気流路８の流路断面積を変更する機能を持たせ、パージ時に運転圧力（圧力センサ３３により検出される水素循環流路７内の圧力）に応じて水素排気流路８の流路断面積を変更することで、パージ流量を調整するようにしている。具体的には、例えば図４に示すように、運転圧力が所定値Ｐ１に満たない低負荷領域では、運転圧力が低いほど、パージ弁９の開口面積（水素排気流路８の流路断面積）を大きく設定することでパージ流量を増やし、不純物の排出を十分に行えるようにしている。
【００４７】
また、低負荷領域でのパージ流量確保のためにパージ弁９の開口面積を大きく設定したままであると、運転圧力が上昇した中負荷領域以上でのパージ流量が過大となって水素が無駄に排出されることになるが、図４に示したように、運転圧力が所定値Ｐ１を越える中負荷領域以上では、パージ弁９の開口面積を小さい値で一定に保持することによって、無駄な水素の排出を抑制することができる。図４に示すようにパージ弁９の開口面積を設定した場合、パージ流量は図５に示すようなものとなる。
【００４８】
以下、本実施形態の燃料電池システムにおけるパージ動作の一例について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４９】
先ず、ステップＳ１では、セル電圧モニタ２によって検出される燃料電池スタック１の各セルの電圧がコントロールユニット３５に読み込まれ、全セルの平均電圧が計算される。次に、ステップＳ２では、ステップＳ１で計算された全セルの平均電圧から、０．１Ｖ以上低い電圧値を示すセルがあるか否かが判断される。そして、セル平均電圧よりも０．１Ｖ以上低い電圧値を示すセルがある場合にパージが必要であると判断されて、次のステップＳ３へ進む。一方、セル平均電圧よりも０．１Ｖ以上低い電圧値を示すセルがない場合には、パージは不要であると判断されてリターンする。
【００５０】
ステップＳ３では、運転者によるアクセル開度等に応じた運転負荷がコントロールユニット３５に読み込まれると共に、運転圧力（水素循環流路７内の圧力）、パージ弁９付近の温度（水素循環流路７内の温度）が、圧力センサ３３や温度センサ３４によって検出され、コントロールユニット３５に読み込まれる。そして、ステップＳ４において、運転圧力が図４に破線で示した所定値Ｐ１を越えているかによって、パージ弁９の開口面積の変更を行うか否かが判断され、開口面積の変更を行う場合には、図４に示したグラフより必要な開口面積が求められる。その後、再度運転負荷が読み込まれるが、これは前述のように加湿度の補正のために運転圧力を変更している場合があるからである。さらに、図７に示すグラフに基づいて、水素循環流路７内の温度に応じてパージ弁９の開口面積が補正される。ここで、水素循環流路７内の温度に応じてパージ弁９の開口面積を補正するのは、水素循環流路７内の水分濃度をも考慮してより正確なパージを実行するためである。
【００５１】
ステップＳ５では、ステップＳ４で求めた開口面積でパージ弁９が開弁される。これにより、パージ弁９の開口面積に応じた流路断面積で水素排気流路８が開放され、所定のパージ流量で水素循環流路７内及び燃料電池スタック１内部の水素が不純物と共に水素排気流路８から系外へと排出される。そして、ステップＳ６において、ステップＳ５でパージ弁９を開いてからの時間と、所定時間（例えば５秒）とが比較され、所定時間経過した段階でステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、パージ弁９が閉弁されて水素排気流路８が遮断される。これにより、一連のパージ動作が終了してリターンする。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、パージ弁９の開口面積を可変として、パージ弁９に水素排気流路８の流路断面積を変更する機能を持たせ、パージ時に運転圧力（圧力センサ３３により検出される水素循環流路７内の圧力）に応じて水素排気流路８の流路断面積を変更することで、パージ流量を調整するようにしているので、運転圧力の低い低負荷領域においても十分なパージ流量を確保することができ、水素循環流路８内や燃料電池スタック１内部に蓄積された不純物を適切に排出して運転効率の悪化を防止することができると共に、運転圧力が上昇した中負荷領域以上では、パージ流量が過大となることを有効に抑制して無駄に排出される水素量を低減することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、パージ弁９近傍の水素循環流路８内の温度が高いほど、パージ弁９の開口面積が大きくなるように開口面積の補正を行うようにしているので、水素循環流路８内に含まれる水分濃度をも考慮した正確なパージが実行可能であり、無駄に排出される水素量をより一層低減することができ、また運転効率の悪化もより確実に防止することができる。
【００５４】
なお、以上説明した本実施形態の燃料電池システムでは、圧力センサ３３で実測される水素循環流路８内の圧力を運転圧力として求め、これに応じてパージ弁９の開口面積を変更するようにしているが、燃料電池スタック１の他の運転パラメータを用いて運転圧力を推定し、その推定値を用いてパージ弁９の開口面積を変更するようにしてもよい。同様に、本実施形態の燃料電池システムでは、水素循環流路７内の温度を温度センサ３４で直接検出し、それに応じてパージ弁９の開口面積を補正するようにしているが、他の運転パラメータを用いて水素循環流路７内の温度を推定し、その推定値を用いてパージ弁９の開口面積を補正するようにしてもよい。また、パージ弁９近傍の水素循環流路７内の不純物濃度、若しくはその推定値を求め、これらの値が高い程、パージ弁９の開口面積が大きくなるように補正すれば、水素循環流路７内の水分濃度をより正確に考慮したパージを実行することが可能となる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、図８に示すように、基本的な構成を上述した第１の実施形態と同様とし、水素排気流路８の流路断面積を変更するための水素排気流量調整手段が、開口面積の異なる複数のパージ弁９Ａ，９Ｂを並列接続することにより構成されている点を特徴としたものである。以下、本実施形態に特徴的な部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分については、図中同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
上述した第１の実施形態では、パージ弁９の開口面積が可変とされており、図６に示したフローチャートのステップＳ４においてパージ弁９の開口面積を計算し、ステップＳ５において計算された開口面積でパージ弁９を開弁することで、水素排気流路８の流路断面積を運転圧力に応じて変更できるようにしているが、本実施形態では、開口面積が一定のパージ弁９Ａ，９Ｂを組み合わせて、これらパージ弁９Ａ，９Ｂの開閉を選択的に行うことによって、水素排気流路８の流路断面積を運転圧力に応じて変更できるようにしている。この場合、パージ弁９Ａ，９Ｂの開閉は、これらを組み合わせた開口面積が図６に示したフローチャートのステップＳ４で計算された開口面積以上となるように設定される。
【００５７】
パージ弁９Ａ，９Ｂの組み合わせによる開口面積設定の様子を図９に示す。この図９に示すように、運転圧力が高い高負荷領域では、開口面積の小さいパージ弁９Ａを開弁し、それよりも運転圧力が低い中負荷領域では、開口面積がパージ弁９Ａより大きいパージ弁９Ｂを開弁させる。また、さらに運転圧力が低い低負荷領域では、パージ弁９Ａ及び９Ｂを双方とも開弁させる。これにより、図１０に示すような運転負荷に応じたパージ流量を得ることができる。
【００５８】
本実施形態の燃料電池システムによれば、第１の実施形態に比べて簡素な構成のパージ弁９Ａ，９Ｂを用いて、第１の実施形態と同様に運転圧力に応じたパージ流量の調整を行うことが可能であり、運転圧力の低い低負荷領域においても十分なパージ流量を確保して適切なパージを行うことができると共に、運転圧力が上昇した中負荷領域以上では、パージ流量が過大となることを有効に抑制して無駄に排出される水素量を低減することができる。
【００５９】
なお、以上の例では、パージ弁９Ａ，９Ｂとして開口面積の異なるものを用いているが、これらパージ弁９Ａ，９Ｂとしては、同等の開口面積を有するものを用いることもでき、その場合には、部品共用化によるコストダウンを実現することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】運転負荷と運転圧力との関係を示す図である。
【図３】パージを一律に行った場合の運転圧力とパージ流量との関係を示す図である。
【図４】第１の実施形態における運転圧力とパージ弁開口面積との関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態における運転圧力とパージ流量との関係を示す図である。
【図６】第１の実施形態におけるパージ動作を示すフローチャートである。
【図７】パージ弁付近の温度とパージ弁の開口面積補正係数との関係を示す図である。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図９】第２の実施形態における運転圧力とパージ弁開口面積との関係を示す図である。
【図１０】第２の実施形態における運転圧力とパージ流量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２セル電圧モニタ
５水素供給流路
６エゼクタ
７水素循環流路
８水素排気流路
９，９Ａ，９Ｂパージ弁（水素排気調整手段）
１１空気供給流路
１３空気排気流路
３３圧力センサ
３４温度センサ
３５コントロールユニット[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack that generates power by supplying hydrogen and air, and more particularly to an improvement in a purge method in a hydrogen circulation flow path.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency has attracted attention as a countermeasure against recent environmental problems, in particular, air pollution caused by exhaust gas from automobiles and the like, and global warming caused by carbon dioxide. 2. Description of the Related Art A fuel cell system is an energy conversion system that supplies hydrogen and air serving as fuel to a hydrogen electrode and an air electrode of a fuel cell stack to cause an electrochemical reaction to convert chemical energy into electric energy. In the fuel cell system, only water is generated by the electrochemical reaction, and no exhaust gas containing harmful substances or carbon dioxide is emitted.
[0003]
In such a fuel cell system, not all of the supplied hydrogen is used in the fuel cell stack, and as a measure to increase the utilization efficiency of hydrogen, unused hydrogen that has not been used in the fuel cell stack is There is known a hydrogen circulation type fuel cell system which circulates the fuel cell stack again and reuses it (for example, see Patent Document 1).
[0004]
In the fuel cell system described in Patent Literature 1, surplus hydrogen discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack is returned to the ejector pump via the recirculation gas circuit, and the returned surplus hydrogen is separately introduced into the ejector pump. A mixed fuel obtained by mixing a raw fuel having a high hydrogen concentration is supplied to the fuel electrode.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-231294
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in a hydrogen circulation type fuel cell system, circulating hydrogen causes impurities such as nitrogen and CO to accumulate in the hydrogen circulation path, and the hydrogen partial pressure decreases, so that the efficiency of the fuel cell stack decreases. Therefore, when the impurity concentration becomes high or when the fuel cell system is started, the purge valve is opened to purge the gas in the hydrogen circulation path and to remove the impurities from the hydrogen circulation path. For example, also in the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, when foreign matter adheres to the hydrogen electrode serving as the fuel electrode, the purge valve is opened to increase the hydrogen supply amount and remove the foreign matter. .
[0007]
However, in the conventional fuel cell system, the purging is performed by uniformly opening the purge valve, and the necessary minimum purge is not always performed, and unnecessary hydrogen is released. there is a possibility. Conversely, in a low-load region where the operating pressure is low, the purge flow rate is extremely reduced, and sufficient purging is not performed, which may cause a decrease in operating efficiency.
[0008]
The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and purging can be performed according to the operating pressure, the amount of wastefully discharged hydrogen can be reduced to a minimum, and operating efficiency can be reduced. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that does not cause deterioration of the fuel cell.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack that generates power by supplying hydrogen and air, an air supply channel that supplies air to the fuel cell stack, and a hydrogen supply channel that supplies hydrogen to the fuel cell stack. A hydrogen circulation channel for circulating unused hydrogen discharged from the fuel cell stack and mixing it with hydrogen passing through the hydrogen supply channel, a hydrogen exhaust channel branched from the hydrogen circulation channel, and a hydrogen exhaust channel. A hydrogen exhaust adjusting means for opening and closing the hydrogen exhaust flow path and changing the cross-sectional area of the flow path. In this fuel cell system, the higher the pressure in the hydrogen circulation flow path, the smaller the flow sectional area of the hydrogen discharge flow path is set by the hydrogen discharge adjustment means.
[0010]
According to the fuel cell system of the present invention having the above configuration, appropriate purging is performed in accordance with the operating pressure, and the discharge of hydrogen due to an excessive purge flow rate particularly at a medium load or higher can be suppressed. In the low load region where the purge flow rate is likely to decrease, the maximum purge can be performed.
[0011]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, purging can be performed according to the operating pressure of the fuel cell stack. For example, excessive discharge of hydrogen due to an excessive purge flow rate at a medium load or higher can be suppressed, and wasteful discharge can be achieved. The amount of hydrogen generated can be reduced to a minimum. Further, in the fuel cell system according to the present invention, since the maximum purge can be performed in a low load region where a decrease in the purge flow rate is concerned, the impurities are appropriately removed and the hydrogen partial pressure is appropriately maintained. And it does not cause a decrease in operating efficiency.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0013]
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of a main part of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell stack 1 that generates power by supplying hydrogen and air.
[0014]
In the fuel cell stack 1, a hydrogen electrode to which hydrogen as a fuel gas is supplied and an air electrode to which air (oxygen) as an oxidant gas is supplied with an electrolyte interposed therebetween to constitute a power generation cell, It has a stack structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electric energy by an electrochemical reaction based on hydrogen and oxygen in air. In each power generation cell of the fuel cell stack 1, a reaction occurs in which hydrogen supplied to the hydrogen electrode is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate power. , Move to the cathode respectively. At the air electrode, oxygen in the supplied air reacts with hydrogen ions and electrons moved through the electrolyte to generate water, which is discharged to the outside.
[0015]
As an electrolyte of the fuel cell stack 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is formed of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin-based ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
[0016]
A cell voltage monitor (voltage detecting means) 2 for monitoring the voltage of each power generation cell of the fuel cell stack 1 is connected to the fuel cell stack 1. The power generation state of the fuel cell stack 1 is monitored by monitoring the voltage of each fuel cell by the cell voltage monitor 2.
[0017]
In order to generate power in the fuel cell stack 1, it is necessary to supply hydrogen as a fuel gas and air as an oxidizing gas to the hydrogen electrode and the air electrode of each power generation cell. In the fuel cell system, hydrogen is used as a mechanism for this purpose. A supply system and an air supply system are provided.
[0018]
The hydrogen supply system includes, for example, a hydrogen tank 3, a pressure control valve 4, a hydrogen supply flow path 5, and an ejector 6. Then, the hydrogen supplied from the hydrogen tank 3 as the hydrogen supply source is reduced in pressure by the pressure control valve 4, and is sent to the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 through the hydrogen supply passage 5 and the ejector 6. I have.
[0019]
Not all of the supplied hydrogen is consumed in the fuel cell stack 1, and the remaining hydrogen (hydrogen discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1) is newly supplied from the hydrogen tank 3 to the hydrogen supply passage. The hydrogen flowing through the fuel cell stack 5 is mixed with the hydrogen flowing through the ejector 6 and supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 again. For this reason, the hydrogen circulation channel 7 is connected to the fuel cell stack 1, and hydrogen discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 is returned to the ejector 6 through the hydrogen circulation channel 7. ing. The ejector 6 circulates the hydrogen flowing through the hydrogen circulation channel 8 using the fluid energy of the hydrogen flowing through the hydrogen supply channel 5.
[0020]
Further, a hydrogen exhaust passage 8 for discharging hydrogen from the fuel electrode of the fuel cell stack 1 to the outside of the system is provided on the upstream side of the hydrogen circulation passage 7 so as to branch from the hydrogen circulation passage 7. A purge valve 9 is provided on the downstream side of the hydrogen exhaust passage 8 at a branch position from the hydrogen circulation passage 7. The purge valve 9 has a function of switching a flow path of hydrogen discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1. By switching this purge valve 9, the hydrogen exhaust flow path 7 is opened and closed, and The hydrogen discharged from the hydrogen electrode of the battery stack 1 is guided to one of the hydrogen exhaust passage 8 and the hydrogen circulation passage 7. In particular, in the fuel cell system according to the present embodiment, the purge valve 9 has a function of changing the cross-sectional area of the hydrogen exhaust passage 8, and the purge valve 9 controls the flow of the hydrogen exhaust passage 8. By changing the cross-sectional area of the road, the amount of hydrogen discharged from the hydrogen exhaust passage 8 to the outside of the system can be adjusted.
[0021]
As described above, when hydrogen is circulated and used, impurities such as nitrogen and CO may be accumulated in the system as the hydrogen is circulated, and if the impurities are excessively accumulated, the hydrogen partial pressure may be reduced. In such a case, the purge valve 9 is opened to purge the hydrogen, and the impurities are discharged from the hydrogen exhaust passage 8 to the outside of the system together with the hydrogen. I do. Further, in the fuel cell system of the present embodiment, even when the system is started, the purge valve 9 is opened so that the gas containing hydrogen in the system is discharged out of the system via the hydrogen exhaust passage 8. Has become.
[0022]
On the other hand, the air supply system includes a compressor 10 and an air supply passage 11 for sucking outside air and forcing air to the air electrode of the fuel cell stack 1, and air is sent into the air supply passage 11 by the compressor 10. And supplied to the air electrode of the fuel cell stack 1. The air supply flow path 11 is provided with a filter 12 for trapping micro dust and sulfur content, oil discharged from the compressor 10, and the like. The air electrode of the fuel cell stack 1 is cleaned by the filter 12. Will be supplied.
[0023]
Further, an air exhaust passage 13 for discharging air from the fuel cell stack 1 is connected to the fuel cell stack 1, and oxygen not consumed in the fuel cell stack 1 and other components in the air are The air is exhausted out of the system through the air exhaust passage 13. Further, a pressure control valve 14 is provided in the air exhaust passage 13, and the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 is controlled to a desired pressure by the operation of the pressure control valve 14.
[0024]
Further, the air supply system is provided with humidifying means for humidifying the air supplied to the air electrode of the fuel cell stack 1. The humidifying means includes a humidifier 15 provided at an intermediate portion of the air supply passage 11 and a moisture provided at an upstream position of the pressure control valve 14 in the air exhaust passage 13 to collect water and the like generated in the fuel cell stack 1. It comprises a condenser 16, a water tank 17 for storing the collected recovered water, a water circulation channel 18 for circulating humidified water, a valve 19 provided in the water circulation channel 18, and a pump 20.
[0025]
Excess water in the humidifier 15 is returned to the water tank 17 via the humidified water recovery flow path 21. At this time, the pressure in the humidified water recovery flow path 21 between the pump 20 and the pressure control valve 22 is maintained substantially constant by the pressure control valve 22. Further, the pressure in the humidified water recovery flow path 21 is detected by a pressure sensor 23, and the pressure regulating valve 22 is controlled according to the detected value. Further, the water tank 17 is provided with a water level sensor 24. The water level sensor 24 detects excess or deficiency of water in the water tank 17, and can notify the driver.
[0026]
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, a cooling mechanism for cooling the fuel cell stack 1 is provided. For example, the solid polymer electrolyte type fuel cell stack 1 has a relatively low operating temperature of about 80 ° C., and it is necessary to cool the fuel cell stack when it is overheated. The cooling mechanism has a coolant circulation channel 25 for circulating a coolant and a coolant pump 26, and cools the fuel cell stack 1 by circulating a coolant in which an antifreezing agent such as ethylene glycol is mixed in water, for example. Maintain this at the optimal temperature.
[0027]
A radiator 27 is provided in the coolant circulation channel 25 of the cooling mechanism, and the coolant heated by cooling the fuel cell stack 1 is cooled here. In addition, a bypass flow path 28 is provided in parallel with the radiator 27, and a thermostat three-way switching valve 29 is provided at a branch portion. The three-way switching valve 29 is operated according to the temperature of the coolant, whereby the coolant is operated. Are switched. The temperature at which the three-way switching valve 29 switches the flow path of the coolant is set to, for example, 40 ° C.
[0028]
In the above-described cooling mechanism, heat generated in the fuel cell stack 1 is carried away by the coolant flowing through the coolant circulation channel 25 and is released to the outside by the radiator 27. The radiator 27 adjusts the temperature of the coolant using a radiator fan (not shown) so that the radiator outlet temperature becomes a desired temperature. A reservoir tank 30 is provided in the coolant circulation channel 25 through which the temperature-adjusted coolant passes, and is used for absorbing thermal expansion and contraction of the coolant, replenishing the coolant, and the like. The upper part of the reservoir tank 30 is open to the atmosphere, and has a reservoir function. Further, the coolant flowing through the bypass passage 28 is guided to the water tank 17 of the humidifying means described above at the portion A in FIG. 1 to be used for promoting warming-up of the humidified water, and thereafter is returned to the bypass passage 28 again. You.
[0029]
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, a temperature sensor 31 is provided in the fuel cell stack 1, and a temperature / humidity sensor 32 is provided at an air electrode inlet of the fuel cell stack 1. Further, a pressure sensor 33 for detecting a pressure in the hydrogen circulation channel 7 and a temperature sensor 34 for detecting a temperature in the hydrogen circulation channel 7 are provided in the hydrogen circulation channel 7 near the purge valve 9. . Further, a control unit 35 for performing various controls based on information from these sensors is provided. The control unit 35 includes, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a CPU peripheral circuit, and the like, and has a microprocessor configuration in which these are connected via a bus.
[0030]
In the fuel cell system having the above configuration, the hydrogen fed from the hydrogen tank 3 to the hydrogen supply channel 5 and the hydrogen passing through the hydrogen circulation channel 7 are mixed by the ejector 6, and the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 is Supplied to Normally, the hydrogen that has passed through the fuel cell stack 1 is guided to the ejector 6 through the hydrogen circulation channel 7, mixed with hydrogen newly fed from the hydrogen tank 3, and supplied to the fuel cell stack 1 again.
[0031]
When the concentration of impurities such as nitrogen and CO in the hydrogen circulation channel 7 becomes high, or when the system is started, the purge valve 9 is opened so that hydrogen (gas containing hydrogen) is introduced into the hydrogen exhaust channel 8. Then, it is discharged outside the system (for example, outside the vehicle) through the hydrogen exhaust passage 8.
[0032]
The air pumped into the air supply passage 11 by the compressor 10 that sucks in and pumps the outside air is cleaned by the filter 12, humidified by the humidifier 15, and supplied to the air electrode of the fuel cell stack 1. . Water generated in the fuel cell stack 1 is collected and collected by a water condensing device 16 provided downstream thereof, and guided to a water tank 17 via a valve 19.
[0033]
The pump 20 of the humidifying means is turned on, off and controlled in rotation speed by a command from the control unit 35, and pumps the water flowing out of the water tank 17 to the humidifier 15. The humidification amount required for the operation of the fuel cell stack 1 is supplied by the humidifier 15. Further, the humidity after passing through the humidifier 15 is measured by the temperature / humidity sensor 32 in order to monitor the humidification amount by the control unit 35.
[0034]
As a cooling means for the heat generation of the fuel cell stack 1, a mixture of water and an antifreezing agent such as ethylene glycol is used as a cooling liquid, and the cooling is performed by flowing the inside of the fuel cell stack 1 through the cooling liquid circulation channel 25. I do. The flow path of the coolant that has taken the heat of the fuel cell stack 1 is switched by the three-way switching valve 29, and either the flow path passing through the radiator 27 or the flow path passing through the bypass flow path 28 bypassing the radiator 27. Flows through.
[0035]
The radiator 27 further adjusts the temperature of the coolant based on a signal from the control unit 35 by using a radiator fan (not shown) so that the outlet temperature becomes a desired temperature. Further, a coolant pump 26 is provided in the coolant circulation channel 25, and the coolant pump is controlled so as to have a flow rate determined by the control unit 35 according to the output of the temperature sensor 31 provided in the fuel cell stack 1. The coolant is pumped by 26 and sent to the fuel cell stack 1.
[0036]
The bypass flow passage 28 is connected to the water tank 17 of the humidifying means (part A in FIG. 1), and promotes warming-up of the humidified water by exchanging heat in a heat exchange unit inside the water tank 17. Thereafter, the refrigerant is recirculated from the bypass passage 28 to the coolant circulation passage 25 again, and the thermal expansion and contraction are absorbed in the reservoir tank 30.
[0037]
The control unit 35 includes a cell voltage monitor 2, a temperature sensor 31, a temperature and humidity sensor 32 connected to the fuel cell stack 1, a pressure sensor 33 provided in the hydrogen circulation flow path 7 near the purge valve 9, a temperature sensor 34, and the like. Input signals from the various sensors are input, and various control signals are output according to the judgment and the calculation result for the input values.
[0038]
Next, the driving operation of the fuel cell system according to the present embodiment will be briefly described by taking as an example a case where the fuel cell system is used as a vehicle fuel cell system.
[0039]
During operation of the fuel cell system, a pressure control valve is provided on the hydrogen electrode side of the fuel cell stack 1 in accordance with the amount of hydrogen and the amount of air corresponding to the output (electric power) corresponding to the accelerator opening by the driver's operation. The supply of hydrogen whose pressure has been adjusted by 4 is performed, and the compressor 10 supplies air to the air electrode side of the fuel cell stack 1. The humidifier 15 guides the air from the compressor 10 to the air electrode of the fuel cell stack 1 in a humidified state. At this time, the operating pressure is set according to the operating load as shown in FIG. 2, and is set low for low load operation and high for high load operation. Further, the operating pressure is detected by a pressure sensor 33 provided in the hydrogen circulation channel 7 as a pressure in the hydrogen circulation channel 7 by actual measurement.
[0040]
During operation, the temperature and humidity at the air electrode inlet of the fuel cell stack 1 are monitored by the temperature and humidity sensor 32, and if the amount of humidification of the air supplied to the air electrode of the fuel cell stack 1 becomes insufficient, In this case, the operating pressure is corrected to increase, the pressure of the humidifier 15 is also increased, and the correction control is performed so that the humidification is not insufficient.
[0041]
Further, the coolant pump 26 adjusts the flow rate so that the coolant flows through the fuel cell stack 1 at a flow rate corresponding to the calorific value of the fuel cell stack 1, and the fuel cell detected by the temperature sensor 31 of the fuel cell stack 1. The flow rate is corrected according to the temperature of the stack 1. At this time, when the temperature of the fuel cell stack 1 is extremely low, the thermostat three-way switching valve 29 is switched so that the coolant passes through the bypass passage 28 without passing through the radiator 27. The outlet temperature of the radiator 27 is controlled to maintain a substantially constant temperature by controlling the rotation speed of a radiator fan (not shown) according to the temperature detected by the temperature sensor 31 of the fuel cell stack 1.
[0042]
During operation, in the air supply system, moisture in the air discharged from the fuel cell stack 1 is condensed and recovered by the moisture condensing device 16, guided to the water tank 17 through the water circulation channel 18, and stored as humidifying water. You.
[0043]
In the hydrogen supply system, the hydrogen discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 is circulated through the hydrogen circulation channel 7 and the ejector 6. Since the concentration of impurities such as nitrogen gradually increases due to permeation or the like, and water is clogged, causing a decrease in cell voltage, the cell voltage is monitored by the cell voltage monitor 32, and when the cell voltage decreases, the purge valve 9 is turned on. By opening the valve, hydrogen in the hydrogen circulation channel 7 and the fuel cell stack 1 is purged, and impurities are discharged out of the system together with the hydrogen.
[0044]
Through the normal operation as described above, an output corresponding to the driver's accelerator operation is extracted from the fuel cell system, and the vehicle is driven by a motor (not shown).
[0045]
By the way, in the operation of the fuel cell system as described above, purging was performed uniformly with the opening area of the purge valve 9, that is, the flow path cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8 when the purge valve 9 was opened. In this case, as shown in FIG. 3, the hydrogen flow rate (purge flow rate) discharged by the purge changes according to the operating pressure, and the purge flow rate in the low load region where the operating pressure is low tends to decrease extremely. is there. If the purge flow rate in the low load region decreases, impurities accumulated in the hydrogen circulation channel 7 and the fuel cell stack 1 cannot be sufficiently discharged, which may hinder proper operation.
[0046]
Therefore, in the fuel cell system according to the present embodiment, the opening area of the purge valve 9 is made variable so that the purge valve 9 has a function of changing the cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8. The purge flow rate is adjusted by changing the flow cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8 according to the pressure in the hydrogen circulation flow path 7 detected by 33). Specifically, for example, as shown in FIG. 4, in a low load region where the operating pressure is less than the predetermined value P1, the lower the operating pressure, the smaller the opening area of the purge valve 9 (the cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8). ) Is set to a large value to increase the purge flow rate so that impurities can be sufficiently discharged.
[0047]
Further, if the opening area of the purge valve 9 is set to be large in order to secure the purge flow rate in the low load area, the purge flow rate becomes excessive in the middle load area where the operating pressure is increased, and hydrogen is wasted. As shown in FIG. 4, as shown in FIG. 4, when the operating pressure is equal to or higher than the medium load region exceeding the predetermined value P1, the opening area of the purge valve 9 is kept constant at a small value, so that unnecessary hydrogen is generated. Emission can be suppressed. When the opening area of the purge valve 9 is set as shown in FIG. 4, the purge flow rate is as shown in FIG.
[0048]
Hereinafter, an example of the purge operation in the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0049]
First, in step S1, the voltage of each cell of the fuel cell stack 1 detected by the cell voltage monitor 2 is read into the control unit 35, and the average voltage of all cells is calculated. Next, in step S2, it is determined whether or not there is a cell having a voltage value lower by 0.1 V or more from the average voltage of all cells calculated in step S1. Then, when there is a cell having a voltage value lower than the cell average voltage by 0.1 V or more, it is determined that the purging is necessary, and the process proceeds to the next step S3. On the other hand, when there is no cell having a voltage value lower than the cell average voltage by 0.1 V or more, it is determined that the purging is unnecessary, and the process returns.
[0050]
In step S3, the operation load corresponding to the accelerator opening by the driver is read into the control unit 35, and the operation pressure (the pressure in the hydrogen circulation passage 7) and the temperature near the purge valve 9 (the hydrogen circulation passage 7 Is detected by the pressure sensor 33 and the temperature sensor 34 and read into the control unit 35. Then, in step S4, it is determined whether to change the opening area of the purge valve 9 based on whether the operating pressure exceeds the predetermined value P1 indicated by the broken line in FIG. Is obtained from the graph shown in FIG. Thereafter, the operation load is read again, because the operation pressure may be changed for the correction of the humidification as described above. Further, based on the graph shown in FIG. 7, the opening area of the purge valve 9 is corrected according to the temperature in the hydrogen circulation channel 7. Here, the reason why the opening area of the purge valve 9 is corrected in accordance with the temperature in the hydrogen circulation channel 7 is to perform more accurate purging in consideration of the moisture concentration in the hydrogen circulation channel 7. .
[0051]
In step S5, the purge valve 9 is opened with the opening area determined in step S4. As a result, the hydrogen exhaust passage 8 is opened with a passage cross-sectional area corresponding to the opening area of the purge valve 9, and hydrogen in the hydrogen circulation passage 7 and the fuel cell stack 1 is discharged together with impurities at a predetermined purge flow rate. It is discharged from the flow channel 8 to the outside of the system. Then, in step S6, the time after opening the purge valve 9 in step S5 is compared with a predetermined time (for example, 5 seconds), and when a predetermined time has elapsed, the process proceeds to step S7. In step S7, the purge valve 9 is closed, and the hydrogen exhaust passage 8 is shut off. As a result, a series of purge operations is completed and the process returns.
[0052]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the opening area of the purge valve 9 is made variable so that the purge valve 9 has a function of changing the cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8, and the operation at the time of purging is performed. The purge flow rate is adjusted by changing the flow cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8 according to the pressure (the pressure in the hydrogen circulation flow path 7 detected by the pressure sensor 33). It is possible to secure a sufficient purge flow rate even in a low-load region where the pressure is low, and to appropriately discharge impurities accumulated in the hydrogen circulation flow path 8 and the fuel cell stack 1 to prevent deterioration of operation efficiency. In addition to the above, it is possible to effectively suppress the purge flow rate from becoming excessively large in the middle load region where the operating pressure is increased, and to reduce the amount of wastefully discharged hydrogen.
[0053]
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the opening area is corrected so that the opening area of the purge valve 9 increases as the temperature in the hydrogen circulation flow path 8 near the purge valve 9 increases. Accurate purging in consideration of the concentration of water contained in the hydrogen circulation flow path 8 can be performed, the amount of wastefully discharged hydrogen can be further reduced, and the operation efficiency can be more reliably reduced. Can be prevented.
[0054]
In the fuel cell system of the present embodiment described above, the pressure in the hydrogen circulation channel 8 measured by the pressure sensor 33 is determined as the operating pressure, and the opening area of the purge valve 9 is changed accordingly. However, the operating pressure may be estimated using other operating parameters of the fuel cell stack 1 and the opening area of the purge valve 9 may be changed using the estimated value. Similarly, in the fuel cell system according to the present embodiment, the temperature in the hydrogen circulation flow path 7 is directly detected by the temperature sensor 34, and the opening area of the purge valve 9 is corrected accordingly. The temperature in the hydrogen circulation channel 7 may be estimated using the parameters, and the opening area of the purge valve 9 may be corrected using the estimated value. Further, if the impurity concentration in the hydrogen circulation flow path 7 near the purge valve 9 or its estimated value is obtained and the correction is made so that the opening area of the purge valve 9 becomes larger as the values are higher, the hydrogen circulation flow path can be obtained. It is possible to execute the purge in which the moisture concentration in the sample 7 is more accurately considered.
[0055]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 8, the fuel cell system according to the present embodiment has a basic configuration similar to that of the first embodiment described above, and a hydrogen exhaust flow rate for changing the flow cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8. It is characterized in that the adjusting means is configured by connecting a plurality of purge valves 9A and 9B having different opening areas in parallel. Hereinafter, the characteristic portions of the present embodiment will be described, and the same portions as those of the first embodiment will be denoted by the same reference numerals in the drawings, and description thereof will be omitted.
[0056]
In the first embodiment described above, the opening area of the purge valve 9 is variable, and the opening area of the purge valve 9 is calculated in step S4 of the flowchart shown in FIG. 6, and the opening area calculated in step S5. By opening the purge valve 9, the flow cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path 8 can be changed according to the operating pressure. However, in the present embodiment, the purge valves 9A and 9B having a fixed opening area are provided. By selectively opening and closing the purge valves 9A and 9B, the cross-sectional area of the hydrogen exhaust passage 8 can be changed according to the operating pressure. In this case, the opening and closing of the purge valves 9A and 9B are set such that the combined opening area is equal to or larger than the opening area calculated in step S4 of the flowchart shown in FIG.
[0057]
FIG. 9 shows how the opening area is set by the combination of the purge valves 9A and 9B. As shown in FIG. 9, a purge valve 9A having a small opening area is opened in a high load region where the operating pressure is high, and a purge valve having an opening area larger than the purge valve 9A is opened in a medium load region where the operating pressure is lower. The valve 9B is opened. In the low load region where the operating pressure is lower, both of the purge valves 9A and 9B are opened. Thereby, a purge flow rate according to the operation load as shown in FIG. 10 can be obtained.
[0058]
According to the fuel cell system of the present embodiment, the purge flow rate according to the operating pressure is adjusted using the purge valves 9A and 9B having a simpler configuration than in the first embodiment, as in the first embodiment. It is possible to secure a sufficient purge flow rate even in a low load region where the operating pressure is low, and perform appropriate purging.In addition, the purge flow rate is excessive in a middle load region where the operating pressure is increased. Is effectively suppressed, and the amount of wastefully discharged hydrogen can be reduced.
[0059]
In the above example, the purge valves 9A and 9B having different opening areas are used. However, as the purge valves 9A and 9B, those having the same opening area can be used. Also, it is possible to realize cost reduction by sharing parts.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between an operating load and an operating pressure.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an operating pressure and a purge flow rate when purging is performed uniformly.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between an operating pressure and a purge valve opening area in the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an operating pressure and a purge flow rate in the first embodiment.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a purge operation according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a temperature near a purge valve and a correction coefficient of an opening area of the purge valve.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between an operating pressure and a purge valve opening area according to the second embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between an operating pressure and a purge flow rate according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Cell voltage monitor
5 Hydrogen supply channel
6 Ejector
7 Hydrogen circulation channel
8 Hydrogen exhaust passage
9, 9A, 9B Purge valve (hydrogen exhaust adjustment means)
11 Air supply channel
13 Air exhaust passage
33 Pressure sensor
34 temperature sensor
35 Control unit

Claims

A fuel cell stack that generates power by supplying hydrogen and air;
An air supply channel for supplying air to the fuel cell stack,
A hydrogen supply channel for supplying hydrogen to the fuel cell stack,
A hydrogen circulation channel that circulates unused hydrogen discharged from the fuel cell stack and mixes it with hydrogen that passes through the hydrogen supply channel,
A hydrogen exhaust passage branched from the hydrogen circulation passage,
Hydrogen exhaust adjustment means provided in the hydrogen exhaust flow path to open and close the hydrogen exhaust flow path and change the cross-sectional area of the flow path,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the higher the pressure in the hydrogen circulation flow path is, the smaller the flow sectional area of the hydrogen discharge flow path is set by the hydrogen discharge adjustment means.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen exhaust adjusting unit is configured by a purge valve having a variable opening area.

When the pressure in the hydrogen circulation flow path is equal to or lower than a predetermined value, the lower the pressure in the hydrogen circulation flow path, the larger the flow cross-sectional area of the hydrogen exhaust / exhaust flow path is set. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein when the pressure in the passage exceeds a predetermined value, the passage cross-sectional area of the hydrogen exhaust passage is made constant.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen exhaust adjustment unit is configured by connecting a plurality of purge valves having different opening areas in parallel. 3.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen exhaust adjustment unit is configured by connecting a plurality of purge valves having substantially equal opening areas in parallel. 3.

The fuel cell system according to claim 4, wherein the flow path cross-sectional area of the hydrogen exhaust flow path is set so as to gradually decrease in accordance with the pressure in the hydrogen circulation flow path.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the pressure in the hydrogen circulation channel is detected by actual measurement.

7. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure in the hydrogen circulation channel is estimated based on an operation parameter of the fuel cell stack.

9. The method according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the hydrogen exhaust passage set by the hydrogen exhaust adjusting unit is corrected according to a temperature in the hydrogen circulation passage. Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 9, wherein the temperature in the hydrogen circulation channel is detected by actual measurement.

The fuel cell system according to claim 9, wherein the temperature in the hydrogen circulation channel is estimated based on an operation parameter of the fuel cell stack.