JP2005235584A - 燃料電池システム及びその暖機方法 - Google Patents
燃料電池システム及びその暖機方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005235584A JP2005235584A JP2004043422A JP2004043422A JP2005235584A JP 2005235584 A JP2005235584 A JP 2005235584A JP 2004043422 A JP2004043422 A JP 2004043422A JP 2004043422 A JP2004043422 A JP 2004043422A JP 2005235584 A JP2005235584 A JP 2005235584A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- cathode
- pressure
- pump
- refrigerant
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】簡単なシステム構成により、水素や、水素を生成するための燃料等の消費を抑制すると共に迅速に燃料電池の暖機を行い、暖機後には即座に燃料電池における発電を開始することができる燃料電池システム及びその暖機方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システム1は、アノード流路22、カソード流路23及び電解質体21を備えた燃料電池2と、カソード流路23の入口部に接続されたカソードポンプ3とを有している。燃料電池2において発電を行う前の電池始動時においては、カソードポンプ3の吐出圧力を、燃料電池2において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、カソードポンプ3の吐出ガスを昇温させる。そして、この昇温された吐出ガスをカソードガスGcとしてカソード流路23に供給することにより、燃料電池2の暖機を迅速に行う。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池システム1は、アノード流路22、カソード流路23及び電解質体21を備えた燃料電池2と、カソード流路23の入口部に接続されたカソードポンプ3とを有している。燃料電池2において発電を行う前の電池始動時においては、カソードポンプ3の吐出圧力を、燃料電池2において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、カソードポンプ3の吐出ガスを昇温させる。そして、この昇温された吐出ガスをカソードガスGcとしてカソード流路23に供給することにより、燃料電池2の暖機を迅速に行う。
【選択図】図1
Description
本発明は、水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システム及びその暖機方法に関する。
水素を利用して発電を行うタイプの燃料電池システムにおいては、例えば、燃料から水素を生成する改質器と、この改質器によって生成した水素を酸素と反応させて発電を行う燃料電池とを備えて構成されている。改質器は、部分酸化反応を行って改質器の温度を制御していると共に、水蒸気改質反応を行って水素を含むアノードガスを生成している。また、燃料電池は、改質器において生成したアノードガスが供給されるアノード流路と、空気が供給されるカソード流路と、これらの流路の間に配設された電解質体とを備えている。
そして、燃料電池において発電を行う前の電池始動時においては、改質器及び燃料電池の温度がそれらの動作温度よりも低くなっている。そのため、例えば、改質器において燃焼反応を行って改質器の暖機を行うと共に、上記燃焼を行った後の高温の燃焼ガスを、燃料電池のアノード流路に供給して、燃料電池の暖機も行っている。
しかしながら、このような方法によると、改質器からその後流側に位置する燃料電池へと順次暖機を行うことになるため、暖機時間が長くなるだけでなく、暖機に要する燃料消費量も増大してしまう。
しかしながら、このような方法によると、改質器からその後流側に位置する燃料電池へと順次暖機を行うことになるため、暖機時間が長くなるだけでなく、暖機に要する燃料消費量も増大してしまう。
一方で、例えば、特許文献1に示されるように、上記電池始動時において、燃料電池のカソード流路に接続された空気圧縮機から高温空気を改質器に供給して、この改質器を暖機する方法がある。この方法によれば、改質器を暖機するための燃料消費量を少なくすると共に、短時間で改質器の暖機を行うことができる。
しかしながら、特許文献1においては、あくまでも改質器の暖機を行うことを目的としている。そのため、改質器の暖機が完了しても、燃料電池の暖機が完了しておらず、暖機が完了した時点で即座に燃料電池システムの運転を開始できないおそれがある。また、特許文献1においては、改質器の暖機を行うために、空気圧縮機をカソード流路に接続された状態から改質器に接続された状態へと切り替えている。そのため、改質器の暖機を行うためだけに切り替え手段等が必要になり、燃料電池システムの構成を複雑にしてしまう。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単なシステム構成により、水素や、水素を生成するための燃料等の消費を抑制すると共に迅速に燃料電池の暖機を行い、暖機後には即座に燃料電池における発電を開始することができる燃料電池システムの暖機方法を提供しようとするものである。
第1の発明は、水素を含むアノードガスが供給されるアノード流路と、酸素を含むカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池を有し、上記カソード流路には、これに上記カソードガスを供給するためのカソードポンプを接続してなる燃料電池システムを暖機する方法において、
上記燃料電池において発電を行う前の電池始動時において、上記カソードポンプの吐出圧力を、上記燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることにより、当該カソードポンプの吐出ガスを昇温させ、
該昇温された吐出ガスを上記カソードガスとして上記カソード流路に供給することにより、上記燃料電池の暖機を行うことを特徴とする燃料電池システムの暖機方法にある(請求項1)。
上記燃料電池において発電を行う前の電池始動時において、上記カソードポンプの吐出圧力を、上記燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることにより、当該カソードポンプの吐出ガスを昇温させ、
該昇温された吐出ガスを上記カソードガスとして上記カソード流路に供給することにより、上記燃料電池の暖機を行うことを特徴とする燃料電池システムの暖機方法にある(請求項1)。
本発明の燃焼電池システムの暖機方法は、燃料電池のカソード流路にカソードガスを供給するためのカソードポンプを利用して、発電を行う前の燃料電池を迅速に暖機することができる方法である。
すなわち、本発明においては、燃料電池が発電を行う前の電池始動時において、カソードポンプを動作させ、このカソードポンプから燃料電池のカソード流路へカソードガスを供給する。このとき、カソードポンプの吐出圧力は、燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、ガス圧縮に伴う発熱及びカソードポンプの機械損失増加による発熱等によって、カソードポンプの吐出ガスを昇温させる。これにより、燃料電池のカソード流路には、上記昇温されたカソードポンプの吐出ガスをカソードガスとして供給することができ、燃料電池を迅速に暖機することができる。
すなわち、本発明においては、燃料電池が発電を行う前の電池始動時において、カソードポンプを動作させ、このカソードポンプから燃料電池のカソード流路へカソードガスを供給する。このとき、カソードポンプの吐出圧力は、燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、ガス圧縮に伴う発熱及びカソードポンプの機械損失増加による発熱等によって、カソードポンプの吐出ガスを昇温させる。これにより、燃料電池のカソード流路には、上記昇温されたカソードポンプの吐出ガスをカソードガスとして供給することができ、燃料電池を迅速に暖機することができる。
そのため、燃料電池の暖機を行った後には、カソードポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力に変更するだけで、即座に燃料電池のカソード流路へのカソードガスの供給を開始することができる。そのため、燃料電池の暖機後には、迅速に燃料電池における発電を開始することができる。
また、燃料電池の暖機は、燃料電池の発電時にカソード流路にカソードガスを供給するためのカソードポンプを用いることにより行うことができ、カソードポンプの運転条件を変更するだけで行うことができる。
また、燃料電池の暖機は、燃料電池の発電時にカソード流路にカソードガスを供給するためのカソードポンプを用いることにより行うことができ、カソードポンプの運転条件を変更するだけで行うことができる。
それ故、本発明によれば、簡単なシステム構成により、水素や、水素を生成するための燃料等の消費を抑制すると共に迅速に燃料電池の暖機を行い、暖機後には即座に燃料電池における発電を開始することができる。
第2の発明は、水素を含むアノードガスが供給されるアノード流路と、酸素を含むカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池を有し、上記カソード流路には、これに上記カソードガスを供給するためのカソードポンプを接続してなる燃料電池システムであって、
該燃料電池システムは、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソードポンプの吐出圧力を、上記燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるカソードポンプ増圧手段を有していることを特徴とする燃料電池システムにある(請求項13)。
該燃料電池システムは、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソードポンプの吐出圧力を、上記燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるカソードポンプ増圧手段を有していることを特徴とする燃料電池システムにある(請求項13)。
本発明の燃料電池システムにおいては、上記カソードポンプ増圧手段によって、燃料電池が発電を行う前の電池始動時において、カソードポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させる。これにより、上記発明と同様に、ガス圧縮に伴う発熱及びカソードポンプの機械損失増加による発熱等によって、カソードポンプの吐出ガスを昇温させ、この吐出ガスをカソードガスとしてカソード流路へ供給することにより、燃料電池を迅速に暖機することができる。
それ故、本発明によっても、簡単なシステム構成により、水素や、水素を生成するための燃料等の消費を抑制すると共に迅速に燃料電池の暖機を行い、暖機後には即座に燃料電池における発電を開始することができる。
また、上記カソードガス増圧手段は、例えば、カソードポンプを制御する制御装置における制御プログラムによって構成することができ、また、燃料電池システムを制御する制御装置における制御プログラムによって構成することもできる。
また、上記カソードガス増圧手段は、例えば、カソードポンプを制御する制御装置における制御プログラムによって構成することができ、また、燃料電池システムを制御する制御装置における制御プログラムによって構成することもできる。
上述した第1、第2発明における好ましい実施の形態につき説明する。
第1の発明において、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記カソードポンプの回転数を、上記燃料電池において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、上記カソードポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を迅速かつ効果的に行うことができる。
第1の発明において、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記カソードポンプの回転数を、上記燃料電池において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、上記カソードポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を迅速かつ効果的に行うことができる。
また、上記カソード流路の出口部には、カソード出口調圧弁が接続されており、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記カソード出口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソード出口調圧弁の開度を減少させることによって、カソードポンプの吐出圧力を一層迅速に上記定常吐出圧力よりも増圧させることができる。これにより、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソード出口調圧弁の開度を減少させることによって、カソードポンプの吐出圧力を一層迅速に上記定常吐出圧力よりも増圧させることができる。これにより、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
また、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソードポンプの吐出圧力が上記燃料電池又は上記カソードポンプの少なくとも一方の許容最大圧力を超える場合には、上記カソード出口調圧弁の開度を、上記カソードポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記カソード出口調圧弁の開度の増加により、上記カソードポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、カソードポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。
この場合には、上記カソード出口調圧弁の開度の増加により、上記カソードポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、カソードポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。
また、この場合には、カソード出口調圧弁の開度の増加により、上記カソード流路に供給するカソードガスの流量を増加させて、カソードガスとカソード流路との熱伝達を促進させることができる。
なお、上記燃料電池の許容最大圧力は、燃料電池の耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。また、カソードポンプの許容最大圧力は、カソードポンプの耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。
なお、上記燃料電池の許容最大圧力は、燃料電池の耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。また、カソードポンプの許容最大圧力は、カソードポンプの耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。
また、上記カソード流路の入口部には、カソード入口調圧弁が接続されており、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記カソード入口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることが好ましい(請求項5)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソード入口調圧弁の開度を減少させることによって、カソードポンプの吐出圧力を増加させると共に、カソード流路内の圧力が必要以上に高くなってしまうことを防止することができる。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソード入口調圧弁の開度を減少させることによって、カソードポンプの吐出圧力を増加させると共に、カソード流路内の圧力が必要以上に高くなってしまうことを防止することができる。
ところで、カソードポンプにおける許容最大圧力が、燃料電池における許容最大圧力よりも高い場合には、カソードポンプはまだ増圧できるが、カソード流路はこれ以上増圧できないときがある。このとき、上記カソード入口調圧弁により、カソード流路内の圧力が増加することを防止した状態で、さらにカソードポンプの吐出圧力を増加させることができる。そのため、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
また、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソードポンプの吐出圧力が上記燃料電池又は上記カソードポンプの少なくとも一方の許容最大圧力を超える場合には、上記カソード入口調圧弁の開度を、上記カソードポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記カソード入口調圧弁の開度の増加により、上記カソードポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、カソードポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。また、この場合には、カソード入口調圧弁の開度の増加により、上記カソード流路に供給するカソードガスの流量を増加させて、カソードガスとカソード流路との熱伝達を促進させることができる。
この場合には、上記カソード入口調圧弁の開度の増加により、上記カソードポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、カソードポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。また、この場合には、カソード入口調圧弁の開度の増加により、上記カソード流路に供給するカソードガスの流量を増加させて、カソードガスとカソード流路との熱伝達を促進させることができる。
また、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路を備えており、上記冷媒流路には、これに上記冷媒ガスを供給するための冷媒ポンプが接続されており、上記電池始動時においては、上記冷媒ポンプの吐出圧力を、上記燃料電池を冷却する際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることにより、当該冷媒ポンプの吐出ガスを昇温させ、該昇温された吐出ガスを上記冷媒ガスとして上記冷媒流路に供給することにより、上記燃料電池の暖機を行うことが好ましい(請求項7)。
この場合には、上記電池始動時における燃料電池の暖機は、上記カソードポンプだけではなく、上記冷媒ポンプも作動させて行うことができる。そのため、燃料電池を一層迅速に暖機することができる。
この場合には、上記電池始動時における燃料電池の暖機は、上記カソードポンプだけではなく、上記冷媒ポンプも作動させて行うことができる。そのため、燃料電池を一層迅速に暖機することができる。
また、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記冷媒ポンプの回転数を、上記燃料電池において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、上記冷媒ポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることが好ましい(請求項8)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を迅速かつ効果的に行うことができる。
この場合には、上記燃料電池の暖機を迅速かつ効果的に行うことができる。
また、上記冷媒流路の出口部には、冷媒出口調圧弁が接続されており、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記冷媒出口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることが好ましい(請求項9)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒出口調圧弁の開度を減少させることによって、冷媒ポンプの吐出圧力を一層迅速に上記定常吐出圧力よりも増圧させることができる。これにより、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒出口調圧弁の開度を減少させることによって、冷媒ポンプの吐出圧力を一層迅速に上記定常吐出圧力よりも増圧させることができる。これにより、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
また、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記燃料電池又は上記冷媒ポンプの少なくとも一方の許容最大圧力を超える場合には、上記冷媒出口調圧弁の開度を、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることが好ましい(請求項10)。
この場合には、上記冷媒出口調圧弁の開度の増加により、上記冷媒ポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、冷媒ポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。
この場合には、上記冷媒出口調圧弁の開度の増加により、上記冷媒ポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、冷媒ポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。
また、この場合には、冷媒出口調圧弁の開度の増加により、上記冷媒流路に供給する冷媒ガスの流量を増加させて、冷媒ガスと冷媒流路との熱伝達を促進させることができる。
なお、上記燃料電池の許容最大圧力は、燃料電池の耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。また、冷媒ポンプの許容最大圧力は、冷媒ポンプの耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。
なお、上記燃料電池の許容最大圧力は、燃料電池の耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。また、冷媒ポンプの許容最大圧力は、冷媒ポンプの耐圧に安全率を掛けた値とすることができる。
また、上記冷媒流路の入口部には、冷媒入口調圧弁が接続されており、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記冷媒入口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることが好ましい(請求項11)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒入口調圧弁の開度を減少させることによって、冷媒ポンプの吐出圧力を増加させると共に、冷媒流路内の圧力が必要以上に高くなってしまうことを防止することができる。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒入口調圧弁の開度を減少させることによって、冷媒ポンプの吐出圧力を増加させると共に、冷媒流路内の圧力が必要以上に高くなってしまうことを防止することができる。
ところで、冷媒ポンプにおける許容最大圧力が、燃料電池における許容最大圧力よりも高い場合には、冷媒ポンプはまだ増圧できるが、冷媒流路はこれ以上増圧できないときがある。このとき、上記冷媒入口調圧弁により、冷媒流路内の圧力が増加することを防止した状態で、さらに冷媒ポンプの吐出圧力を増加させることができる。そのため、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
また、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記燃料電池又は上記冷媒ポンプの少なくとも一方の許容最大圧力を超える場合には、上記冷媒入口調圧弁の開度を、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることが好ましい(請求項12)。
この場合には、上記冷媒入口調圧弁の開度の増加により、上記冷媒ポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、冷媒ポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。また、この場合には、冷媒入口調圧弁の開度の増加により、上記冷媒流路に供給する冷媒ガスの流量を増加させて、冷媒ガスと冷媒流路との熱伝達を促進させることができる。
この場合には、上記冷媒入口調圧弁の開度の増加により、上記冷媒ポンプの回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したまま、冷媒ポンプの吐出圧力を許容最大圧力未満に減少させることができる。また、この場合には、冷媒入口調圧弁の開度の増加により、上記冷媒流路に供給する冷媒ガスの流量を増加させて、冷媒ガスと冷媒流路との熱伝達を促進させることができる。
また、第2の発明において、上記カソードポンプ増圧手段は、上記カソードポンプの回転数を、上記燃料電池において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、上記カソードポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるよう構成することが好ましい(請求項14)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を迅速かつ効果的に行うことができる。
この場合には、上記燃料電池の暖機を迅速かつ効果的に行うことができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソード流路の出口部に接続されたカソード出口調圧弁と、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソード出口調圧弁の開度を上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させる調圧弁調整手段とを有していることが好ましい(請求項15)。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記調圧弁調整手段により、上記カソード出口調圧弁の開度を減少させることによって、上記カソードポンプの吐出圧力を一層迅速に上記定常吐出圧力よりも増圧させることができる。これにより、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
この場合には、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記調圧弁調整手段により、上記カソード出口調圧弁の開度を減少させることによって、上記カソードポンプの吐出圧力を一層迅速に上記定常吐出圧力よりも増圧させることができる。これにより、燃料電池の暖機を一層迅速に行うことができる。
また、上記調圧弁調整手段は、例えば、カソード出口調圧弁を制御する制御装置における制御プログラムによって構成することができ、また、燃料電池システムを制御する制御装置における制御プログラムによって構成することもできる。
以下に、図面を用いて本発明の燃料電池システム及びその暖機方法にかかる実施例につき説明する。
(実施例1)
本例の燃料電池システム1は、図1に示すごとく、カソードポンプ3及び冷媒ポンプ4を利用して、発電を行う前の燃料電池2を迅速に暖機することができるものである。
すなわち、本例の燃料電池システム1は、以下の燃料電池2、カソードポンプ3及び冷媒ポンプ4を有して構成されている。上記燃料電池2は、水素を含むアノードガスGaが供給されるアノード流路22と、酸素を含むカソードガスGcが供給されるカソード流路23と、このカソード流路23と上記アノード流路22との間に配設された電解質体21とを備えている。また、燃料電池2は、これを冷却するための冷媒ガスGdが供給される冷媒流路24を備えている。
(実施例1)
本例の燃料電池システム1は、図1に示すごとく、カソードポンプ3及び冷媒ポンプ4を利用して、発電を行う前の燃料電池2を迅速に暖機することができるものである。
すなわち、本例の燃料電池システム1は、以下の燃料電池2、カソードポンプ3及び冷媒ポンプ4を有して構成されている。上記燃料電池2は、水素を含むアノードガスGaが供給されるアノード流路22と、酸素を含むカソードガスGcが供給されるカソード流路23と、このカソード流路23と上記アノード流路22との間に配設された電解質体21とを備えている。また、燃料電池2は、これを冷却するための冷媒ガスGdが供給される冷媒流路24を備えている。
また、上記カソードポンプ3は、燃料電池2のカソード流路23の入口部に接続されており、このカソード流路23に上記カソードガスGcを供給する。また、上記冷媒ポンプ4は、燃料電池2の冷媒流路24の入口部に接続されており、この冷媒流路24に上記冷媒ガスGdを供給する。
また、上記燃料電池システム1は、燃料電池2の暖機を行う際に、上記カソードポンプ3の吐出圧力を、上記燃料電池2において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるカソードポンプ増圧手段51を有している。このカソードポンプ増圧手段51は、燃料電池システム1を制御する制御装置5内に設定された制御プログラムにより構成されている。
また、上記燃料電池システム1は、燃料電池2の暖機を行う際に、上記カソードポンプ3の吐出圧力を、上記燃料電池2において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるカソードポンプ増圧手段51を有している。このカソードポンプ増圧手段51は、燃料電池システム1を制御する制御装置5内に設定された制御プログラムにより構成されている。
そして、燃料電池システム1の暖機方法として、上記燃料電池2において発電を行う前の電池始動時において、カソードポンプ増圧手段51により、カソードポンプ3の吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、カソードポンプ3の吐出ガスを昇温させる。そして、この昇温された吐出ガスをカソードガスGcとして上記カソード流路23に供給することにより、燃料電池2の暖機を迅速に行うことができる。
以下に、これを詳説する。
以下に、これを詳説する。
本例においては、図1に示すごとく、上記燃料電池2のカソード流路23の入口部には、これに上記カソードガスGcを供給するためのカソードガス供給ライン31が接続されており、上記カソードポンプ3は、このカソードガス供給ライン31に配設されている。また、カソードガス供給ライン31には、カソード流路23に供給するカソードガスGcの温度Tcを検出するカソード温度計32と、上記カソードガスGcの吐出圧力Pc、すなわちカソードポンプ3から吐出されたカソードガスGcの圧力Pcを検出するカソード圧力計33とが配設されている。また、本例のカソードガスGcは空気である。
そして、燃料電池システム1を制御する制御装置5は、カソード温度計32及びカソード圧力計33からそれぞれ検出した温度Tc及び圧力Pcを受信して、カソードポンプ3にその出力回転数を決定するための出力データを送信するよう構成されている。
そして、燃料電池システム1を制御する制御装置5は、カソード温度計32及びカソード圧力計33からそれぞれ検出した温度Tc及び圧力Pcを受信して、カソードポンプ3にその出力回転数を決定するための出力データを送信するよう構成されている。
本例においては、カソードポンプ増圧手段51は、カソードポンプ3の出力回転数を、燃料電池2において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、カソードポンプ3の吐出圧力Pcを上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるよう構成されている。
また、上記燃料電池2の発電時におけるカソードポンプ3の定常吐出圧力は、燃料電池2の構造等によっても異なるが、例えば、0.1〜0.2MPaとすることができる。このとき、上記燃料電池2の暖機時におけるカソードポンプ3の吐出圧力(暖機吐出圧力)は、例えば、上記定常吐出圧力よりも高い、0.2〜1.0MPaとすることができる。
また、上記燃料電池2の発電時におけるカソードポンプ3の定常吐出圧力は、燃料電池2の構造等によっても異なるが、例えば、0.1〜0.2MPaとすることができる。このとき、上記燃料電池2の暖機時におけるカソードポンプ3の吐出圧力(暖機吐出圧力)は、例えば、上記定常吐出圧力よりも高い、0.2〜1.0MPaとすることができる。
また、上記制御装置5は、カソードポンプ3の暖機吐出圧力を、上記カソード圧力計33により検出した圧力Pcが上記定常吐出圧力よりも高い規定圧力になるよう制御することができる。この際に、制御装置5は、暖機吐出圧力が、燃料電池2における許容最大圧力Pav未満であり、カソードポンプ3における許容最大圧力Pap未満になるようカソードポンプ3を制御することができる。
また、制御装置5は、カソードポンプ3の暖機吐出圧力を、上記カソード温度計32により検出した温度Tcが目標とする規定温度になるよう制御することができる。この際に、制御装置5は、上記カソードガスGcの温度Tcが、燃料電池2における許容最大温度Tav未満であり、カソードポンプ3における許容最大温度Tap未満になるようカソードポンプ3を制御することができる。
また、図1に示すごとく、上記燃料電池2の冷媒流路24の入口部には、これに上記冷媒ガスGdを供給するための冷媒ガス供給ライン41が接続されており、上記冷媒ポンプ4は、この冷媒ガス供給ライン41に配設されている。また、冷媒ガス供給ライン41には、冷媒流路24に供給する冷媒ガスGdの温度Tdを検出する冷媒温度計42と、上記冷媒ガスGdの吐出圧力、すなわち冷媒ポンプ4から吐出された冷媒ガスGdの圧力Pdを検出する冷媒圧力計43とが配設されている。また、本例の冷媒ガスGdは空気である。
また、上記制御装置5は、冷媒温度計42及び冷媒圧力計43からそれぞれ温度Td及び圧力Pdを受信して、冷媒ポンプ4にその吐出圧力を決定するための出力データを送信するよう構成されている。
また、上記制御装置5は、冷媒温度計42及び冷媒圧力計43からそれぞれ温度Td及び圧力Pdを受信して、冷媒ポンプ4にその吐出圧力を決定するための出力データを送信するよう構成されている。
本例の燃料電池システム1は、燃料電池2の暖機を行う際に、上記冷媒ポンプ4の吐出圧力を、上記燃料電池2において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させる冷媒ポンプ増圧手段52を有している。この冷媒ポンプ増圧手段52は、燃料電池システム1を制御する制御装置5内に設定された制御プログラムにより構成されている。
そして、上記電池始動時には、冷媒ポンプ増圧手段52は、上記冷媒ポンプ4の吐出圧力も、燃料電池2を冷却する際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、冷媒ポンプ4の吐出ガスを昇温させることができる。そして、この昇温された吐出ガスを冷媒ガスGdとして上記冷媒流路24に供給することにより、燃料電池2の暖機を一層迅速に行うことができる。
そして、上記電池始動時には、冷媒ポンプ増圧手段52は、上記冷媒ポンプ4の吐出圧力も、燃料電池2を冷却する際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、冷媒ポンプ4の吐出ガスを昇温させることができる。そして、この昇温された吐出ガスを冷媒ガスGdとして上記冷媒流路24に供給することにより、燃料電池2の暖機を一層迅速に行うことができる。
本例においては、冷媒ポンプ増圧手段52は、冷媒ポンプ4の回転数を、燃料電池2において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、冷媒ポンプ4の吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるよう構成されている。
また、上記燃料電池2の発電時における冷媒ポンプ4の定常吐出圧力は、燃料電池2の構造等によっても異なるが、例えば、0.1〜0.2MPaとすることができる。このとき、上記燃料電池2の暖機時における冷媒ポンプ4の吐出圧力(暖機吐出圧力)は、例えば、上記定常吐出圧力よりも高い、0.2〜1.0MPaとすることができる。
また、上記燃料電池2の発電時における冷媒ポンプ4の定常吐出圧力は、燃料電池2の構造等によっても異なるが、例えば、0.1〜0.2MPaとすることができる。このとき、上記燃料電池2の暖機時における冷媒ポンプ4の吐出圧力(暖機吐出圧力)は、例えば、上記定常吐出圧力よりも高い、0.2〜1.0MPaとすることができる。
また、制御装置5は、冷媒ポンプ4の暖機吐出圧力を、上記冷媒圧力計43により検出した圧力Pdが上記定常吐出圧力よりも高い規定圧力になるよう制御することができる。この際に、制御装置5は、暖機吐出圧力が、燃料電池2における許容最大圧力Pav未満であり、冷媒ポンプ4における許容最大圧力Pap未満になるよう冷媒ポンプ4を制御することができる。
また、制御装置5は、冷媒ポンプ4の暖機吐出圧力を、上記冷媒温度計42により検出した温度Tdが目標とする規定温度になるよう制御することができる。この際に、制御装置5は、上記冷媒ガスGdの温度Tdが、燃料電池2における許容最大温度Tav未満であり、冷媒ポンプ4における許容最大温度Tap未満になるよう冷媒ポンプ4を制御することができる。
また、図1に示すごとく、カソードポンプ3には、これを冷却する冷却手段3A、当該カソードポンプ3の回転数Npを検出する回転数検出手段3B及び当該カソードポンプ3の温度Tpを検出するポンプ温度検出手段3Cが接続されている。
また、冷媒ポンプ4にも、これを冷却する冷却手段4A、当該冷媒ポンプ4の回転数Npを検出する回転数検出手段4B及び当該冷媒ポンプ4の温度Tpを検出するポンプ温度検出手段4Cが接続されている。
また、冷媒ポンプ4にも、これを冷却する冷却手段4A、当該冷媒ポンプ4の回転数Npを検出する回転数検出手段4B及び当該冷媒ポンプ4の温度Tpを検出するポンプ温度検出手段4Cが接続されている。
また、図1に示すごとく、上記カソード流路23の出口部には、燃料電池2の暖機を行う際に、カソードポンプ3の背圧を増加させるためのカソード出口調圧弁34が接続されている。
また、制御装置5は、燃料電池2の暖機を行う際に、カソード出口調圧弁34の開度を燃料電池2において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させるカソード出口調圧弁調整手段53を有している。このカソード出口調圧弁調整手段53は、制御装置5内に設定された制御プログラムによって構成されている。そして、燃料電池2の暖機を行う際には、カソード出口調圧弁調整手段53により、カソード出口調圧弁34の開度を減少させることによって、カソードポンプ3の吐出圧力を一層迅速に増加させることができる。
また、制御装置5は、燃料電池2の暖機を行う際に、カソード出口調圧弁34の開度を燃料電池2において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させるカソード出口調圧弁調整手段53を有している。このカソード出口調圧弁調整手段53は、制御装置5内に設定された制御プログラムによって構成されている。そして、燃料電池2の暖機を行う際には、カソード出口調圧弁調整手段53により、カソード出口調圧弁34の開度を減少させることによって、カソードポンプ3の吐出圧力を一層迅速に増加させることができる。
また、上記冷媒流路24の出口部には、燃料電池2の暖機を行う際に、冷媒ポンプ4の背圧を増加させるための冷媒出口調圧弁44が接続されている。
また、制御装置5は、燃料電池2の暖機を行う際に、冷媒出口調圧弁44の開度を燃料電池2において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させる冷媒出口調圧弁調整手段54を有している。この冷媒出口調圧弁調整手段54は、制御装置5内に設定された制御プログラムによって構成されている。そして、燃料電池2の暖機を行う際には、冷媒出口調圧弁調整手段54により、冷媒出口調圧弁44の開度を減少させることによって、冷媒ポンプ4の吐出圧力を一層迅速に増加させることができる。
また、制御装置5は、燃料電池2の暖機を行う際に、冷媒出口調圧弁44の開度を燃料電池2において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させる冷媒出口調圧弁調整手段54を有している。この冷媒出口調圧弁調整手段54は、制御装置5内に設定された制御プログラムによって構成されている。そして、燃料電池2の暖機を行う際には、冷媒出口調圧弁調整手段54により、冷媒出口調圧弁44の開度を減少させることによって、冷媒ポンプ4の吐出圧力を一層迅速に増加させることができる。
また、図示は省略するが、上記燃料電池2のアノード流路22には、燃料から水素を含むアノードガスGaを生成するための改質器が接続されている。そして、この改質器においては、触媒を介して燃料と水等を用いて水蒸気改質反応を行い、上記アノードガスGaを生成する。
また、図1に示すごとく、本例の燃料電池2における電解質体21は、上記アノード流路22に供給されたアノードガスGa中の水素を透過させるための水素分離金属層211と、この水素分離金属層211を透過させた水素をプロトンの状態にして透過させてカソード流路23に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層212とを積層してなる。
また、図1に示すごとく、本例の燃料電池2における電解質体21は、上記アノード流路22に供給されたアノードガスGa中の水素を透過させるための水素分離金属層211と、この水素分離金属層211を透過させた水素をプロトンの状態にして透過させてカソード流路23に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層212とを積層してなる。
そして、水素分離金属層211は、パラジウム(Pd)を含む金属から構成されており、プロトン伝導体層212は、BaCeO3系又はSrCeO3系のペロブスカイト型酸化物から構成されている。そして、本例の燃料電池2は、プロトン伝導体層212に水分を含浸させずに発電を行うことができ、例えば300〜600℃の高温状態で作動させることができる。
そして、燃料電池2における発電を行う際には、改質器において生成したアノードガスGaを、燃料電池2のアノード流路22に供給し、アノードガスGa中の水素をアノード流路22から電解質体21の水素分離金属層211を透過させる。そして、水素分離金属層211を透過させた水素を、プロトンの状態にして電解質体21のプロトン伝導体層212を透過させ、燃料電池2のカソード流路23まで到達させる。こうして、カソード流路23において、プロトン状態の水素と、カソードポンプ3から供給されたカソードガスGc中の酸素とを反応させて、燃料電池2の発電を行う。
次に、上記燃料電池システム1の暖機方法により、電池発電前の燃料電池2を暖機する方法の一例を図2のフローチャートと共に詳説する。
同図に示すごとく、燃料電池2において発電を行う前の電池始動時には、カソードポンプ3を起動し、このカソードポンプ3の出力回転数を上記定常回転数よりも高い回転数にする(ステップS100)。そして、カソードポンプ3の吐出圧力Pcを迅速に増圧させるために、燃料電池2のカソード流路23の出口部に接続したカソード出口調圧弁34の開度を規定値まで減少させる(S101)。
このように、燃料電池2の暖機を開始した初期においては、燃料電池2の温度とカソードガスGcの温度との差が大きいため、カソード流路23を流れるカソードガスGcの流量を小さくして効果的に燃料電池2の暖機を行うことができる。
同図に示すごとく、燃料電池2において発電を行う前の電池始動時には、カソードポンプ3を起動し、このカソードポンプ3の出力回転数を上記定常回転数よりも高い回転数にする(ステップS100)。そして、カソードポンプ3の吐出圧力Pcを迅速に増圧させるために、燃料電池2のカソード流路23の出口部に接続したカソード出口調圧弁34の開度を規定値まで減少させる(S101)。
このように、燃料電池2の暖機を開始した初期においては、燃料電池2の温度とカソードガスGcの温度との差が大きいため、カソード流路23を流れるカソードガスGcの流量を小さくして効果的に燃料電池2の暖機を行うことができる。
次いで、燃料電池2のカソード流路23の入口部に接続したカソード温度計32により、カソードポンプ3から吐出されたカソードガスGcの温度Tcを検出する(S102)。そして、このカソードガス温度TcがカソードガスGcを昇温する目標温度であるカソードガス目標温度Tcr以上になったか否かを判別する(S103)。なお、カソードガス目標温度Tcrは、燃料電池2における許容最大温度Tavよりも小さな値とする。
カソードガス温度Tcがカソードガス目標温度Tcr未満である場合(S103の判別がNoの場合)には、カソードポンプ3に接続した回転数検出手段3Bにより、カソードポンプ3の回転数Npを検出する(S104)。そして、この検出したカソードポンプ回転数Npが、カソードポンプ3の許容回転数Nmax未満であるか否かを判別する(S105)。カソードポンプ回転数Npがカソードポンプ3の許容回転数Nmax未満である場合(S105の判別がYesの場合)には、カソードガス温度Tcを上昇させるために、カソードポンプ3の出力回転数をさらに増加させ、カソードポンプ3の吐出圧力を増圧させる(S106)。
一方で、カソードガス温度Tcがカソードガス目標温度Tcr以上である場合(S103の判別がYesの場合)及びカソードポンプ回転数Npがカソードポンプ3の許容回転数Nmax以上である場合(S105の判別がNoの場合)には、カソードポンプ3の出力回転数をさらに増加させることなく、次のステップ(S107)を実行する。
次いで、カソード流路23の入口部に接続したカソード圧力計33により、カソードポンプ3の吐出圧力を検出する(S107)。本例では、このカソード圧力計33により検出した圧力値は、カソードポンプ3から吐出されたカソードガスGcの圧力を示すと共に、燃料電池2のカソード流路23内の圧力も示すものとし、カソードガス圧力Pcとよぶ。
次いで、カソードガス圧力Pcが燃料電池2における許容最大圧力Pav未満であるか否かを判別する(S108)。カソードガス圧力Pcが燃料電池2における許容最大圧力Pav以上になってしまった場合(S108の判別がNoの場合)には、カソードポンプ3の出力回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したままカソードガス圧力Pcを減少させると共にカソードガスGcとカソード流路23との熱伝達を促進させるために、カソード出口調圧弁34の開度を増加させ(S110)、その後、カソードポンプ3の吐出圧力を再び検出する(S107)。そして、カソードガス圧力Pcが燃料電池2における許容最大圧力Pav未満になるまで、S110を繰り返す。
一方で、カソードガス圧力Pcが燃料電池2における許容最大圧力Pav未満である場合(S108の判別がYesの場合)には、カソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap未満であるか否かを判別する(S109)。カソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap以上になってしまった場合(S109の判別がNoの場合)には、カソードガス圧力Pcを減少させると共にカソードガスGcとカソード流路23との熱伝達を促進させるために、カソード出口調圧弁34の開度を増加させ(S110)、その後、カソードポンプ3の吐出圧力を再び検出する(S107)。そして、カソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap未満になるまで、S110を繰り返す。
一方で、カソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap未満である場合(S109の判別がYesの場合)には、カソードポンプ3に接続したポンプ温度検出手段3Cにより、カソードポンプ3の温度Tpを検出する(S111)。そして、このカソードポンプ温度Tpが、カソードポンプ3の許容最大温度Tap未満であるか否かを判別する(S112)。
カソードポンプ温度Tpがカソードポンプ3の許容最大温度Tap以上になってしまった場合(S112の判別がNoの場合)には、カソードポンプ3を冷却するために、カソードポンプ3に接続した冷却手段3Aによりカソードポンプ3の冷却制御を開始する(S113)。その後、燃料電池2に配設した燃料電池温度計(図示略)により、燃料電池2の温度Tvを検出する(S114)。
一方で、カソードポンプ温度Tpがカソードポンプ3の許容最大温度Tap未満である場合(S112の判別がYesの場合)には、カソードポンプ3の冷却制御は開始せずに、S114を実行する。
一方で、カソードポンプ温度Tpがカソードポンプ3の許容最大温度Tap未満である場合(S112の判別がYesの場合)には、カソードポンプ3の冷却制御は開始せずに、S114を実行する。
そして、上記燃料電池温度Tvが、燃料電池2を暖機しようとする暖機目標温度Tvr以上になったか否かを判別する(S115)。燃料電池温度Tvが暖機目標温度Tvr以上である場合(S115の判別がYesの場合)には、燃料電池2の暖機を終了する。
一方で、燃料電池温度Tvが暖機目標温度Tvr未満である場合(S115の判別がNoの場合)には、カソードポンプ3から吐出されたカソードガスGcの温度Tcを再び検出し(S102)、その後、燃料電池温度Tvが暖機目標温度Tvr以上になるまでS102〜S115を繰り返す。
一方で、燃料電池温度Tvが暖機目標温度Tvr未満である場合(S115の判別がNoの場合)には、カソードポンプ3から吐出されたカソードガスGcの温度Tcを再び検出し(S102)、その後、燃料電池温度Tvが暖機目標温度Tvr以上になるまでS102〜S115を繰り返す。
このようにして、カソードポンプ3を利用して燃料電池2を迅速に暖機することができ、その後、迅速に燃料電池2における発電を開始することができる。
なお、図2においてはカソードポンプ3を用いて燃料電池2の暖機を行う方法について詳説したが、上記冷媒ポンプ4を用いて燃料電池2の暖機を行う場合についても図3に示すごとく同様である。
また、上記フローチャートに示した一連の動作は、すべて制御装置5に内蔵したプログラムにより行うことができる。
なお、図2においてはカソードポンプ3を用いて燃料電池2の暖機を行う方法について詳説したが、上記冷媒ポンプ4を用いて燃料電池2の暖機を行う場合についても図3に示すごとく同様である。
また、上記フローチャートに示した一連の動作は、すべて制御装置5に内蔵したプログラムにより行うことができる。
本例においては、燃料電池2が発電を行う前の電池始動時において、燃料電池2の発電時にカソード流路23にカソードガスGcを供給するためのカソードポンプ3を援用して、燃料電池2の暖機を行う。このとき、カソードポンプ3の吐出圧力は、上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させ、ガス圧縮(ガスの断熱圧縮)に伴う発熱及びカソードポンプ3の機械損失増加による発熱等によって、カソードポンプ3の吐出ガスを昇温させる。これにより、燃料電池2のカソード流路23には、上記昇温されたカソードポンプ3の吐出ガスをカソードガスGcとして供給することができ、燃料電池2を迅速に暖機することができる。
そのため、燃料電池2の暖機を行った後には、カソードポンプ3の吐出圧力を上記定常吐出圧力に変更するだけで、即座に燃料電池2のカソード流路23へのカソードガスGcの供給を開始することができる。そのため、燃料電池2の暖機後には、迅速に燃料電池2における発電を開始することができる。
また、燃料電池2の暖機は、燃料電池2の発電時にカソード流路23にカソードガスGcを供給するためのカソードポンプ3を用いることにより行うことができ、カソードポンプ3の運転条件を変更するだけで行うことができる。
また、燃料電池2の暖機は、燃料電池2の発電時にカソード流路23にカソードガスGcを供給するためのカソードポンプ3を用いることにより行うことができ、カソードポンプ3の運転条件を変更するだけで行うことができる。
また、本例の燃料電池2は、上記のごとく、水素分離金属層211とプロトン伝導体層212とを積層してなる電解質体21を有しており、例えば300〜600℃の高温状態で作動するものである。そのため、燃料電池2の発電を行う際には、カソードポンプ3の運転条件、すなわち吐出圧力を上記定常吐出圧力に変更するだけで、カソード流路23には、上記燃料電池2の暖機時における発熱により高温に加熱されたカソードガスGcを直接供給することも可能である。
そのため、上記燃料電池2の暖機を行った直後においても、カソード流路23に供給するカソードガスGcを冷却する必要はなく、一層迅速に燃料電池2における発電を開始することができる。
そのため、上記燃料電池2の暖機を行った直後においても、カソード流路23に供給するカソードガスGcを冷却する必要はなく、一層迅速に燃料電池2における発電を開始することができる。
また、燃料電池2の暖機の際には、上記改質器において水素又は燃料等を燃焼させ、この燃焼による熱を利用して、改質器及び燃料電池2の暖機を行うことができる。そして、この場合にも、上記カソードポンプ3又は冷媒ポンプ4の少なくとも一方を利用した燃料電池2の暖機により、水素又は燃料等の消費を抑制することができる。
それ故、本例によれば、簡単なシステム構成により、水素や、水素を生成するための燃料等の消費を抑制すると共に迅速に燃料電池2の暖機を行い、暖機後には即座に燃料電池2における発電を開始することができる。
それ故、本例によれば、簡単なシステム構成により、水素や、水素を生成するための燃料等の消費を抑制すると共に迅速に燃料電池2の暖機を行い、暖機後には即座に燃料電池2における発電を開始することができる。
なお、上記燃料電池システム1を運転し、燃料電池2において発電を行う際には、上記カソードポンプ3、カソード圧力計33、カソード出口調圧弁34は、例えば以下のようにして使用することもできる。
すなわち、燃料電池2の発電中に、燃料電池2によって駆動される負荷からの要求により、燃料電池2の電圧を向上させたいときがある。このとき、カソード出口調圧弁34を絞ると共に、カソードポンプ3の吐出圧力を増圧させる。そして、燃料電池2に配設した電流計(図示略)により検出した電流値が一定になるようにして、カソード出口調圧弁34の開度を制御すると共にカソードポンプ3の吐出圧力を制御する。これにより、カソード流路23における酸素分圧が増加して、燃料電池2の電圧が増加する。
すなわち、燃料電池2の発電中に、燃料電池2によって駆動される負荷からの要求により、燃料電池2の電圧を向上させたいときがある。このとき、カソード出口調圧弁34を絞ると共に、カソードポンプ3の吐出圧力を増圧させる。そして、燃料電池2に配設した電流計(図示略)により検出した電流値が一定になるようにして、カソード出口調圧弁34の開度を制御すると共にカソードポンプ3の吐出圧力を制御する。これにより、カソード流路23における酸素分圧が増加して、燃料電池2の電圧が増加する。
この燃料電池2の電圧が増加する理由を図4を用いて詳説する。
すなわち、同図に示すごとく、燃料電池2における発電特性を示す指標として、燃料電池2のアノード電極とカソード電極との間から取り出される電流密度(I)と電圧(V)との関係を示すI・V特性がある。そして、このI・V特性においては、電流密度が増加したときには、燃料電池2の抵抗が大きくなり電圧が減少するという性質がある。
すなわち、同図に示すごとく、燃料電池2における発電特性を示す指標として、燃料電池2のアノード電極とカソード電極との間から取り出される電流密度(I)と電圧(V)との関係を示すI・V特性がある。そして、このI・V特性においては、電流密度が増加したときには、燃料電池2の抵抗が大きくなり電圧が減少するという性質がある。
そして、カソード電極の構造に依存する分極抵抗による電圧損失(カソード過電圧)Vrは、カソード流路23における酸素分圧に依存する。そのため、上記燃料電池2の出力電流値が一定になるようにしてカソード流路23における酸素分圧を増加させたときには、上記カソード過電圧(電圧損失)Vrが減少して、燃料電池2の電圧を増加させることができる。すなわち、図4において、I・VカーブL0がI・VカーブL1へと変化する。なお、同図において、ラインLは、理論電圧を示す。
なお、上記アノード電極は、上記電解質体21のプロトン伝導体層212におけるアノード流路22側の表面に接合された電極であり、上記カソード電極は、上記電解質体21のプロトン伝導体層212におけるカソード流路23側の表面に接合された電極である。
なお、上記アノード電極は、上記電解質体21のプロトン伝導体層212におけるアノード流路22側の表面に接合された電極であり、上記カソード電極は、上記電解質体21のプロトン伝導体層212におけるカソード流路23側の表面に接合された電極である。
(実施例2)
本例は、図5に示すごとく、上記燃料電池2のカソード流路23の入口部に、燃料電池2の暖機を行う際にカソード流路23内の圧力の増加を抑制するためのカソード入口調圧弁35を接続し、また、燃料電池2の冷媒流路24の入口部に、燃料電池2の暖機を行う際に冷媒流路24内の圧力の増加を抑制するための冷媒入口調圧弁45を接続した例である。
本例は、図5に示すごとく、上記燃料電池2のカソード流路23の入口部に、燃料電池2の暖機を行う際にカソード流路23内の圧力の増加を抑制するためのカソード入口調圧弁35を接続し、また、燃料電池2の冷媒流路24の入口部に、燃料電池2の暖機を行う際に冷媒流路24内の圧力の増加を抑制するための冷媒入口調圧弁45を接続した例である。
また、上記カソード圧力計33は、上記カソードガス供給ライン31において、カソードポンプ3とカソード入口調圧弁35との間に配設されており、カソード入口調圧弁35と燃料電池2のカソード流路23との間には、カソード流路23内の圧力Pvcを検出するための電池カソード圧力計36が配設されている。また、上記冷媒圧力計43は、上記冷媒ガス供給ライン41において、冷媒ポンプ4と冷媒入口調圧弁45との間に配設されており、冷媒入口調圧弁45と燃料電池2の冷媒流路24との間には、冷媒流路24内の圧力Pvdを検出するための電池冷媒圧力計46が配設されている。
本例においては、カソードポンプ3における許容最大圧力Papは、燃料電池2における許容最大圧力Pavよりも高くなっている。そして、燃料電池2の暖機を行う際には、カソード入口調圧弁35により、カソード流路23内の圧力が燃料電池2における許容最大圧力Pavよりも高くなることを防止した状態で、カソードポンプ3の吐出圧力を燃料電池2における許容最大圧力Pavよりも高く増加させることができる。そのため、カソードポンプ3の吐出圧力を燃料電池2を保護した状態で最大限増加させることができ、燃料電池2の暖機を一層迅速に行うことができる。
また、冷媒ポンプ4についても同様に、冷媒ポンプ4における許容最大圧力Papは、燃料電池2における許容最大圧力Pavよりも高くなっている。そして、燃料電池2の暖機を行う際には、冷媒入口調圧弁45により、冷媒流路24内の圧力が燃料電池2における許容最大圧力Pavよりも高くなることを防止した状態で、冷媒ポンプ4の吐出圧力を燃料電池2における許容最大圧力Pavよりも高く増加させることができる。そのため、冷媒ポンプ4の吐出圧力を燃料電池2を保護した状態で最大限増加させることができ、燃料電池2の暖機を一層迅速に行うことができる。
本例において、燃料電池2を暖機する方法の一例としては、ほとんど実施例1と同じであるが、異なる部分について図6のフローチャートを用いて詳説する。
同図において、ステップS200〜S205は、実施例1のS100〜S105と同様である。そして、本例では、カソードポンプ回転数Npがカソードポンプ3の許容回転数Nmax未満である場合(S205の判別がYesの場合)には、カソード流路23内の圧力Pvcの増加を抑制しつつカソードポンプ3の吐出圧力の増加を促進するために、上記カソード流路23の入口部に接続したカソード入口調圧弁35の開度を減少させる(S206)。その後は、S106と同様に、カソードポンプ3の回転数を増加させる(S207)。
同図において、ステップS200〜S205は、実施例1のS100〜S105と同様である。そして、本例では、カソードポンプ回転数Npがカソードポンプ3の許容回転数Nmax未満である場合(S205の判別がYesの場合)には、カソード流路23内の圧力Pvcの増加を抑制しつつカソードポンプ3の吐出圧力の増加を促進するために、上記カソード流路23の入口部に接続したカソード入口調圧弁35の開度を減少させる(S206)。その後は、S106と同様に、カソードポンプ3の回転数を増加させる(S207)。
次いで、本例では、カソード流路23の入口部に接続した電池カソード圧力計36により、カソード流路23内の圧力Pvcを検出する(S208)。そして、この検出を行ったカソード流路圧力Pvcが燃料電池2における許容最大圧力Pav未満であるか否かを判別する(S209)。カソード流路圧力Pvcが燃料電池2における許容最大圧力Pav以上になってしまった場合(S209の判別がNoの場合)には、カソード流路圧力Pvcを減少させるために、カソード出口調圧弁34の開度を増加させ(S210)、その後、カソード流路圧力Pvcを再び検出する(S208)。そして、カソード流路圧力Pvcが燃料電池2における許容最大圧力Pav未満になるまで、S210を繰り返す。
一方で、カソード流路圧力Pvcが燃料電池2における許容最大圧力Pav未満である場合(S209の判別がYesの場合)には、カソードポンプ3の吐出口に接続したカソード圧力計33により、カソードポンプ3の吐出圧力(カソードガス圧力)Pcを検出する(S211)。
そして、この検出を行ったカソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap未満であるか否かを判別する(S212)。カソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap以上である場合(S212の判別がNoの場合)には、カソードポンプ3の出力回転数は上記定常回転数よりも高い回転数に維持したままカソードガス圧力Pcを減少させると共にカソードガスGcとカソード流路23との熱伝達を促進させるために、カソード入口調圧弁35の開度を増加させ(S213)、その後、カソード流路圧力Pvcを再び検出する(S208)。そして、カソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap未満になるまで、S213を繰り返す。
一方で、カソードガス圧力Pcがカソードポンプ3における許容最大圧力Pap未満である場合(S212の判別がYesの場合)には、実施例1におけるS111〜S115と同様に、S214〜S218を実行する。そして、燃料電池温度Tvが暖機目標温度Tvr以上になるまでS202〜S218を繰り返す。
このようにして、本例においては、燃料電池2を保護した状態で、カソードポンプ3の吐出圧力を最大限増加させることができ、燃料電池2の暖機を一層迅速に行うことができる。
なお、図6においてはカソードポンプ3を用いて燃料電池2の暖機を行う方法について詳説したが、上記冷媒ポンプ4を用いて燃料電池2の暖機を行う場合についても同様である。また、上記フローチャートに示した一連の動作は、すべて上記制御装置5に内蔵したプログラムにより行うことができる。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
なお、図6においてはカソードポンプ3を用いて燃料電池2の暖機を行う方法について詳説したが、上記冷媒ポンプ4を用いて燃料電池2の暖機を行う場合についても同様である。また、上記フローチャートに示した一連の動作は、すべて上記制御装置5に内蔵したプログラムにより行うことができる。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
1 燃料電池システム
2 燃料電池
21 電解質体
22 アノード流路
23 カソード流路
24 冷媒流路
3 カソードポンプ
34 カソード出口調圧弁
35 カソード入口調圧弁
4 冷媒ポンプ
44 冷媒出口調圧弁
45 冷媒入口調圧弁
5 制御装置
Ga アノードガス
Gc カソードガス
Gd 冷媒ガス
2 燃料電池
21 電解質体
22 アノード流路
23 カソード流路
24 冷媒流路
3 カソードポンプ
34 カソード出口調圧弁
35 カソード入口調圧弁
4 冷媒ポンプ
44 冷媒出口調圧弁
45 冷媒入口調圧弁
5 制御装置
Ga アノードガス
Gc カソードガス
Gd 冷媒ガス
Claims (15)
- 水素を含むアノードガスが供給されるアノード流路と、酸素を含むカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池を有し、上記カソード流路には、これに上記カソードガスを供給するためのカソードポンプを接続してなる燃料電池システムを暖機する方法において、
上記燃料電池において発電を行う前の電池始動時において、上記カソードポンプの吐出圧力を、上記燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることにより、当該カソードポンプの吐出ガスを昇温させ、
該昇温された吐出ガスを上記カソードガスとして上記カソード流路に供給することにより、上記燃料電池の暖機を行うことを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。 - 請求項1において、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記カソードポンプの回転数を、上記燃料電池において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、上記カソードポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
- 請求項1又は2において、上記カソード流路の出口部には、カソード出口調圧弁が接続されており、
上記燃料電池の暖機を行う際には、上記カソード出口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。 - 請求項3において、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソードポンプの吐出圧力が上記燃料電池又は上記カソードポンプの少なくとも一方の許容最大圧力を超える場合には、上記カソード出口調圧弁の開度を、上記カソードポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項において、上記カソード流路の入口部には、カソード入口調圧弁が接続されており、
上記燃料電池の暖機を行う際には、上記カソード入口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。 - 請求項5において、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソードポンプの吐出圧力が上記カソードポンプの許容最大圧力を超える場合には、上記カソード入口調圧弁の開度を、上記カソードポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒ガスが供給される冷媒流路を備えており、上記冷媒流路には、これに上記冷媒ガスを供給するための冷媒ポンプが接続されており、
上記電池始動時においては、上記冷媒ポンプの吐出圧力を、上記燃料電池を冷却する際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることにより、当該冷媒ポンプの吐出ガスを昇温させ、
該昇温された吐出ガスを上記冷媒ガスとして上記冷媒流路に供給することにより、上記燃料電池の暖機を行うことを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。 - 請求項7において、上記燃料電池の暖機を行う際には、上記冷媒ポンプの回転数を、上記燃料電池において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、上記冷媒ポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
- 請求項7又は8において、上記冷媒流路の出口部には、冷媒出口調圧弁が接続されており、
上記燃料電池の暖機を行う際には、上記冷媒出口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。 - 請求項9において、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記燃料電池又は上記冷媒ポンプの少なくとも一方の許容最大圧力を超える場合には、上記冷媒出口調圧弁の開度を、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
- 請求項7〜10のいずれか一項において、上記冷媒流路の入口部には、冷媒入口調圧弁が接続されており、
上記燃料電池の暖機を行う際には、上記冷媒入口調圧弁の開度を、上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。 - 請求項11において、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記冷媒ポンプの許容最大圧力を超える場合には、上記冷媒入口調圧弁の開度を、上記冷媒ポンプの吐出圧力が上記許容最大圧力を超える時点の開度よりも増加させることを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
- 水素を含むアノードガスが供給されるアノード流路と、酸素を含むカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池を有し、上記カソード流路には、これに上記カソードガスを供給するためのカソードポンプを接続してなる燃料電池システムであって、
該燃料電池システムは、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソードポンプの吐出圧力を、上記燃料電池において発電を行う際の吐出圧力である定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるカソードポンプ増圧手段を有していることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項13において、上記カソードポンプ増圧手段は、上記カソードポンプの回転数を、上記燃料電池において発電を行う際の回転数である定常回転数よりも高い回転数まで増加させることにより、上記カソードポンプの吐出圧力を上記定常吐出圧力よりも高い圧力まで増圧させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項13又は14において、上記燃料電池システムは、上記カソード流路の出口部に接続されたカソード出口調圧弁と、上記燃料電池の暖機を行う際に、上記カソード出口調圧弁の開度を上記燃料電池において発電を行う際の開度である定常開度よりも少ない開度まで減少させる調圧弁調整手段とを有していることを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004043422A JP2005235584A (ja) | 2004-02-19 | 2004-02-19 | 燃料電池システム及びその暖機方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004043422A JP2005235584A (ja) | 2004-02-19 | 2004-02-19 | 燃料電池システム及びその暖機方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005235584A true JP2005235584A (ja) | 2005-09-02 |
Family
ID=35018311
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004043422A Pending JP2005235584A (ja) | 2004-02-19 | 2004-02-19 | 燃料電池システム及びその暖機方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005235584A (ja) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008041432A (ja) * | 2006-08-07 | 2008-02-21 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システムおよびこの制御方法 |
JP2008041433A (ja) * | 2006-08-07 | 2008-02-21 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システムおよびこの制御方法 |
JP2009099543A (ja) * | 2007-09-26 | 2009-05-07 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム及びその運転方法 |
JP2011096553A (ja) * | 2009-10-30 | 2011-05-12 | Yamaha Motor Co Ltd | 燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器 |
US8815463B2 (en) | 2006-07-26 | 2014-08-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and its control method |
WO2015049964A1 (ja) * | 2013-10-01 | 2015-04-09 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
JP2016091609A (ja) * | 2014-10-29 | 2016-05-23 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
WO2017022053A1 (ja) * | 2015-08-03 | 2017-02-09 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
-
2004
- 2004-02-19 JP JP2004043422A patent/JP2005235584A/ja active Pending
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8815463B2 (en) | 2006-07-26 | 2014-08-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and its control method |
JP2008041432A (ja) * | 2006-08-07 | 2008-02-21 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システムおよびこの制御方法 |
JP2008041433A (ja) * | 2006-08-07 | 2008-02-21 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システムおよびこの制御方法 |
JP2009099543A (ja) * | 2007-09-26 | 2009-05-07 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム及びその運転方法 |
JP2011096553A (ja) * | 2009-10-30 | 2011-05-12 | Yamaha Motor Co Ltd | 燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器 |
CN105594043A (zh) * | 2013-10-01 | 2016-05-18 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池系统 |
WO2015049964A1 (ja) * | 2013-10-01 | 2015-04-09 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
US9780397B2 (en) | 2013-10-01 | 2017-10-03 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
CN105594043B (zh) * | 2013-10-01 | 2017-10-20 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池系统 |
JP2016091609A (ja) * | 2014-10-29 | 2016-05-23 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
US10586991B2 (en) | 2014-10-29 | 2020-03-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and fuel cell system control method |
WO2017022053A1 (ja) * | 2015-08-03 | 2017-02-09 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
JPWO2017022053A1 (ja) * | 2015-08-03 | 2018-06-21 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
US10122029B2 (en) | 2015-08-03 | 2018-11-06 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method for controlling fuel cell system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6627888B2 (ja) | 固体酸化物型燃料電池システム、固体酸化物型燃料電池システムの制御方法 | |
JP5112642B2 (ja) | 固体酸化物型燃料電池システム | |
JP5074669B2 (ja) | 燃料電池システム | |
EP1829145B1 (en) | Fuel cell system | |
CN108370050B (zh) | 燃料电池系统的控制方法以及燃料电池系统 | |
KR100502870B1 (ko) | 연료전지 시스템 및 그 기동방법 | |
JP2002093445A (ja) | 燃料電池装置及びその運転方法 | |
JP2008251335A (ja) | 燃料電池システムの暖機装置 | |
JP2005235584A (ja) | 燃料電池システム及びその暖機方法 | |
JP3876608B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US7049016B2 (en) | Fuel cell system and its startup control | |
JP2004296351A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007305334A (ja) | 燃料電池システム | |
JP4575693B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2009054427A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007042566A (ja) | 燃料電池システムとその起動方法 | |
JP4950386B2 (ja) | 燃料電池暖機装置 | |
JP2004152666A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2005285502A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2008210646A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007012565A (ja) | 燃料電池システム | |
JP5261987B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US9214690B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP2008300217A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007311270A (ja) | 燃料電池システム、および燃料電池システムを搭載した車両 |