JP2006086006A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素とから電気を発生する燃料電池システムに関し、特に、燃料(水素)ガス供給系の改良に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity from hydrogen and oxygen, and more particularly to an improvement in a fuel (hydrogen) gas supply system.
燃料電池は燃料ガスとしての水素ガスと酸化ガスとしての空気(酸素)とを電気化学反応させ、その過程で生成する電気を外部に取り出している。燃料電池は電解質膜の両側に水素ガスが供給される燃料極(アノード)と空気が供給される空気極(カソード)とを形成したセルを所要数積層して構成される。例えば、車載に好適な高分子電解質型燃料電池(PEFC)では、電解質膜として高分子のイオン交換膜を使用している。このイオン交換膜は膜厚が数十ミクロンと薄いので破損を防止するために、燃料極側の水素圧力と空気極側の空気圧力との圧力差(極間差圧)が過大にならないようにする必要がある。 In a fuel cell, hydrogen gas as a fuel gas and air (oxygen) as an oxidizing gas are electrochemically reacted, and electricity generated in the process is taken out to the outside. A fuel cell is formed by stacking a required number of cells each having a fuel electrode (anode) supplied with hydrogen gas and an air electrode (cathode) supplied with air on both sides of an electrolyte membrane. For example, in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) suitable for in-vehicle use, a polymer ion exchange membrane is used as an electrolyte membrane. Since this ion exchange membrane is as thin as several tens of microns, the pressure difference between the hydrogen pressure on the fuel electrode side and the air pressure on the air electrode side (interelectrode differential pressure) should not be excessive in order to prevent damage. There is a need to.
そこで、例えば、特開2003−68334号公報記載の発明では水素循環ラインにポンプを備え、水素減圧弁から供給される水素と水素オフガスとを合流して燃料電池に供給する構成において該燃料電池への空気供給ポンプの空気圧力によって水素ガスの圧力調圧弁を駆動して燃料ガスと空気圧力との差圧を所定範囲内に保つようにしている。
しかしながら、上述の構成によれば上記極間差圧は所定範囲内に維持されるものの、水素ガスの圧力調整弁の供給圧力の範囲がエアコンプレッサの吐出圧力のダイナミックレンジの大きさに影響される。また、エア圧が一方に印加されるダイヤフラムを使用した機械式調圧弁構造を利用しているために燃料電池に供給される水素ガス圧を別途独立して制御することは出来ない。 However, according to the above-described configuration, although the inter-electrode differential pressure is maintained within a predetermined range, the supply pressure range of the hydrogen gas pressure regulating valve is affected by the dynamic range of the discharge pressure of the air compressor. . Further, since a mechanical pressure regulating valve structure using a diaphragm to which air pressure is applied to one side is used, the hydrogen gas pressure supplied to the fuel cell cannot be controlled independently.
また、燃料電池の耐久性向上のためには、燃料電池への水素ガス供給圧は低いことが好ましいが、常に低いと、燃料ガス供給通路内に溜まった異物を取り除けず発電状態が不安定になる、燃料電池起動時や間欠運転復帰時の発電安定化までに時間を要する、フラッディング等が生じてセル電圧が低下する、水素漏れ検出の精度向上に一定の限界がある等の課題がある。逆に、水素ガス供給圧が常に高いと、上記耐久性の低下のみならず、水ガス漏洩時における外部への放出量が増える、フェイル時に燃料電池を損傷するおそれがある等の課題がある。 In order to improve the durability of the fuel cell, it is preferable that the hydrogen gas supply pressure to the fuel cell is low. However, if it is always low, the foreign matter accumulated in the fuel gas supply passage cannot be removed and the power generation state becomes unstable. There are problems such as that it takes time to stabilize the power generation when starting the fuel cell or returning to intermittent operation, flooding or the like occurs, the cell voltage decreases, and there is a certain limit to improving the accuracy of hydrogen leak detection. On the other hand, when the hydrogen gas supply pressure is constantly high, there are problems such as not only the above-described decrease in durability but also an increase in the amount of discharge to the outside at the time of water gas leakage and the possibility of damaging the fuel cell at the time of failure.
そこで、本発明は、燃料電池への燃料ガス供給圧を燃料電池システムの状態に応じて制御することで上記課題を解決することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problem by controlling the fuel gas supply pressure to the fuel cell in accordance with the state of the fuel cell system.
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、燃料ガス源から燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、燃料ガス供給通路に設けられ燃料ガス源からの燃料ガスの圧力を調圧して下流に排出する調圧装置と、を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの状態に応じて調圧装置の作動特性を変更する変更手段を備えることを特徴とする。
かかる構成とすることによって、燃料ガス圧力を燃料電池システムの状態に対応して制御することが可能となる。
調圧装置の作動特性の変更は、例えば、燃料電池システムの状態に関する物理量を状態検出手段で検出し、その出力に基づいて変更手段が行う。
In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a fuel gas supply passage for supplying fuel gas from a fuel gas source to the fuel cell, and a pressure of the fuel gas from the fuel gas source provided in the fuel gas supply passage. A fuel cell system comprising a pressure regulating device that regulates pressure and discharges downstream. The fuel cell system further comprises changing means for changing an operating characteristic of the pressure regulating device according to the state of the fuel cell system.
With this configuration, the fuel gas pressure can be controlled in accordance with the state of the fuel cell system.
The operating characteristic of the pressure regulator is changed by, for example, detecting a physical quantity related to the state of the fuel cell system by the state detecting unit and performing the changing unit based on the output.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの状態が燃料ガス供給通路における異物の堆積状態であって、異物を排出する場合、燃料電池システムの状態が燃料電池起動時または間欠運転からの復帰起動時であって、燃料電池が起動状態である場合、燃料電池システムの状態がセル電圧であって、セル電圧が所定値以下の状態である場合、および燃料電池システムの状態が燃料ガス漏れを検出する状態であって、燃料ガス漏れ検出を行う状態である場合には、調圧装置の二次側の吐出圧力を高くするように、調圧装置の作動特性を変更する。 In the fuel cell system according to the present invention, when the state of the fuel cell system is a foreign matter accumulation state in the fuel gas supply passage and the foreign matter is discharged, the state of the fuel cell system is started when the fuel cell is started or returned from intermittent operation. When the fuel cell is in the start-up state, the fuel cell system state is the cell voltage and the cell voltage is below the predetermined value, and the fuel cell system state detects the fuel gas leak When the fuel gas leak detection is performed, the operating characteristic of the pressure regulator is changed so as to increase the discharge pressure on the secondary side of the pressure regulator.
かかる構成とすることによって、通常時は低圧運転で燃料電池の耐久性を維持する一方、燃料ガス供給通路に異物が堆積して発電状態が不安定になった場合は高圧運転に切り替えて異物を燃料ガス供給系から押し出して取り除くことにより、発電状態を安定させることができる。
また、燃料電池起動時や間欠運転からの復帰起動時のように、発電の安定化までに時間を要する場合であっても、燃料電池への燃料ガス供給量を増やすことにより、早期安定化を図ることができる。
また、セル電圧が所定値以下となった場合には、セル外への生成水排出を促進することにより、セル電圧低下の一要因であるフラッディングを解消することができる。
また、燃料電池システムの燃料ガス漏れ検出を行う場合には、燃料ガス供給通路内の燃料ガス圧力を一時的に上昇させることにより、漏れ検出精度の向上を図ることができる。
By adopting such a configuration, the durability of the fuel cell is maintained in a low pressure operation during normal times, while when foreign matter accumulates in the fuel gas supply passage and the power generation state becomes unstable, the operation is switched to a high pressure operation to remove the foreign matter. By extruding and removing from the fuel gas supply system, the power generation state can be stabilized.
In addition, even when it takes time to stabilize power generation, such as when starting a fuel cell or when returning from intermittent operation, it is possible to achieve early stabilization by increasing the amount of fuel gas supplied to the fuel cell. Can be planned.
Further, when the cell voltage becomes equal to or lower than a predetermined value, flooding, which is a factor in reducing the cell voltage, can be eliminated by promoting discharge of generated water to the outside of the cell.
Further, when performing fuel gas leak detection in the fuel cell system, it is possible to improve the leak detection accuracy by temporarily increasing the fuel gas pressure in the fuel gas supply passage.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの状態が前記燃料ガス供給通路からの燃料ガス漏れ状態であって、燃料ガスが漏れ状態である場合や、燃料電池システムの状態が燃料ガス圧力であって、燃料ガス圧力が目標圧力から所定値以上乖離した状態である場合には、調圧装置の二次側の吐出圧力を低くするように調圧装置の作動特性を変更する。 In the fuel cell system of the present invention, the state of the fuel cell system is the state of fuel gas leakage from the fuel gas supply passage and the fuel gas is in the state of leakage, or the state of the fuel cell system is the fuel gas pressure. When the fuel gas pressure is deviated from the target pressure by a predetermined value or more, the operating characteristics of the pressure regulator are changed so as to reduce the discharge pressure on the secondary side of the pressure regulator.
かかる構成とすることによって、燃料ガスが漏れ状態である場合には、燃料電池入口側の燃料ガス圧力を通常運転時よりも低くし、外部へ放出される燃料ガス量を減らすことができる。
また、燃料ガス圧力が目標圧力から所定値以上乖離した場合には、燃料電池の運転領域を一定負荷以下に制限することにより、仮に調圧装置に異常が生じていたとしても、燃料電池を保護することができる。
With this configuration, when the fuel gas is leaking, the fuel gas pressure on the fuel cell inlet side can be made lower than that during normal operation, and the amount of fuel gas released to the outside can be reduced.
In addition, when the fuel gas pressure deviates from the target pressure by a predetermined value or more, the fuel cell is protected even if a malfunction occurs in the pressure regulator by limiting the operating range of the fuel cell to a certain load or less. can do.
本発明において、調圧装置は外部から加圧流体を導入することにより二次側吐出圧力を調整可能な構造とされており、変更手段は外部からの加圧流体を調圧装置に供給する加圧流体供給路と、加圧流体供給路の途中で加圧流体を供給路外に排出可能な排出弁と、排出弁の開度を燃料電池のシステム状態に応じて制御する制御手段と、を備えてなる構成としてもよい。 In the present invention, the pressure regulator has a structure capable of adjusting the secondary discharge pressure by introducing a pressurized fluid from the outside, and the changing means is a controller for supplying pressurized fluid from the outside to the pressure regulator. A pressurized fluid supply path, a discharge valve capable of discharging pressurized fluid outside the supply path in the middle of the pressurized fluid supply path, and a control means for controlling the opening degree of the discharge valve according to the system state of the fuel cell. It is good also as a structure provided.
かかる構成では、外部から調圧装置に供給される加圧流体の加圧流体供給路途中での排出量を増減させることにより、調圧装置の二次側吐出圧力を調整することが可能になる。このため、加圧流体の供給元圧力に制約されない二次側吐出圧力の制御が可能となる。 In such a configuration, it is possible to adjust the secondary-side discharge pressure of the pressure regulating device by increasing or decreasing the discharge amount of the pressurized fluid supplied from the outside to the pressure regulating device in the middle of the pressurized fluid supply path. . For this reason, it is possible to control the secondary discharge pressure that is not limited by the supply source pressure of the pressurized fluid.
本発明によれば、燃料ガス圧力を燃料電池システムの状態に応じて制御することが可能となる。特に、不安定な発電状態からの復帰、燃料電池起動時や間欠運転からの復帰起動時における発電の早期安定化、燃料ガス漏れ検出の精度向上、燃料ガス漏洩時における外部への放出量低減、フェイル発生後の燃料電池保護が可能となる。 According to the present invention, the fuel gas pressure can be controlled according to the state of the fuel cell system. In particular, recovery from an unstable power generation state, early stabilization of power generation at the time of fuel cell start-up or return start from intermittent operation, improved accuracy of fuel gas leak detection, reduction of the amount released to the outside at the time of fuel gas leak, The fuel cell can be protected after the failure occurs.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの基本構成を概略的に説明するブロック図である。同図において、酸化ガスとしての空気は空気供給路11を介して燃料電池1の空気供給口に供給される。空気供給路11にはエアコンプレッサ3、エアフィルタ2、および加湿器(図示省略)が設けられており、エアフィルタ2を経た空気は適当な圧力に加圧され、燃料電池セルの電解質膜に必要な水分が補充される。
燃料電池1から排出される空気オフガスは、排気路12を経て外部に放出される。排気路12には、供給空気の圧力(エア圧力)を調整する調圧器としての圧力調整弁(図示省略)が設けられており、燃料電池1へのエア圧力が所定値に保たれる。エア圧力の設定は、制御用コンピュータシステムによって構成された制御部(制御手段)50によって、エアコンプレッサ3及び圧力調整弁を調整することにより行われる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a basic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. In the figure, air as an oxidizing gas is supplied to an air supply port of the
The air off gas discharged from the
燃料ガスとしての水素ガスは、不図示の水素供給源(燃料ガス源)から水素ガス供給路(燃料ガス供給通路)21を介して燃料電池1の水素供給口に供給される。水素供給源は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金を用いたタンク、メタノール燃料改質器等が該当し、圧力調整弁、ポンプなどを含む。水素ガス供給路21には、水素供給源からの水素ガスの圧力を減圧(調圧)して下流に排出する水素調圧弁(調圧装置)6が設けられている。
燃料電池1で消費されなかった水素ガス(燃料ガス)は、水素オフガスとして水素循環路22に排出される。水素循環路22には水素ポンプ5が設けられており、水素ポンプ5で加圧された水素オフガスは、水素調圧弁6よりも下流側の水素ガス供給路21に戻されて水素ガスと合流し、燃料電池1で再利用される。水素ポンプ5は、制御部50によって動作が制御される。
Hydrogen gas as fuel gas is supplied from a hydrogen supply source (fuel gas source) (not shown) to a hydrogen supply port of the
Hydrogen gas (fuel gas) not consumed by the
水素調圧弁6は、例えば、バネで付勢されるダイヤフラムを用いた機械式の調圧弁であり、このダイヤフラムには、空気供給路11から分岐した空気圧伝搬路(加圧流体供給路)31を介して、燃料電池1へのエア圧力を圧力源とする圧力が印加される。
ダイヤフラムは、該印加圧力及びバネの圧力と燃料電池1入口の供給水素圧力との差圧に応じて変位し、水素ガス供給路21上の水素調圧弁6の弁開度(開弁率)を設定する。それにより、水素調圧弁6の二次側吐出圧力が変動するので、燃料電池1の入口の供給水素圧力も水素調圧弁6への印加圧力によって所定の圧力範囲となるように調整される。
このように、水素調圧弁6は、エアコンプレッサ3からの供給エア(加圧流体)を導入することにより二次側吐出圧力を調整可能な構造になっている。
The hydrogen
The diaphragm is displaced according to the differential pressure between the applied pressure and the pressure of the spring and the supply hydrogen pressure at the inlet of the
Thus, the hydrogen
空気圧伝搬路31には、その上流側から順にオリフィス4と脈動防止のためのバッファタンク8が設けられており、バッファタンク8と水素調圧弁6の間からは排気路32が分岐している。この排気路32には、水素調圧弁6へのエア圧力を減圧する排気弁(排出弁)7が設けられており、排気弁7の開弁率は、制御部50によって全閉〜全開まで連続的あるいは複数段階に調整される。
排気弁7が全閉状態(開弁率=0)であるときは、エアコンプレッサ3によるエア圧力が略そのまま水素調圧弁6に印加圧力として印加される。排気弁7が全開状態(開弁率=100%)であるときは、エアコンプレッサ3による供給エアが排気路32から略そのまま排気され、エア圧力は水素調圧弁6に印加されない。つまり、燃料電池1へのエア圧力と供給水素圧力とは無関係(独立)となる。両者の間の開弁率では、エアコンプレッサ3によるエア圧力を圧力源とし、排気弁7の開弁率を適宜に設定して所望の印加圧力を得る。これを水素調圧弁6のダイヤフラムに印加圧力として供給する。
以上のとおり、本実施の形態においては、エアコンプレッサ3からの供給エアを水素調圧弁6に供給する空気圧伝搬路31と、空気圧伝搬路31の途中で供給エアを伝搬路外に排気可能な排気弁7と、排気弁7の開度を燃料電池1のシステム状態に応じて制御する制御部50とを備えて本発明の変更手段が構成されている。
In the air
When the
As described above, in the present embodiment, the air
次に、排気弁7の開閉動作と、それに連動して変化する水素調圧弁6に印加されるエア圧力との関係について、図2および図3を参照しながら説明する。
図2に示すように、排気弁7の開弁率を下げると(昇圧時)、空気供給路11から空気圧伝搬路31側に分配されたエアコンプレッサ3からの空気Aは、排気路32側で排気されるよりも多く水素調圧弁6側に流れるので、水素調圧弁6への印加圧力は高くなる。したがって、水素調圧弁6の二次側の吐出圧力が高くなり、燃料電池1入口の供給水素圧力も高くなる。
Next, the relationship between the opening / closing operation of the
As shown in FIG. 2, when the valve opening rate of the
これに対し、図3に示すように、排気弁7の開弁率を上げると(降圧時)、空気供給路11から空気圧伝搬路31側に分配されたエアコンプレッサ3からの空気Aは、排気路32側により多く流れて排気されるので、水素調圧弁6への印加圧力は低くなる。したがって、水素調圧弁6の二次側の吐出圧力が低くなり、燃料電池1入口の供給水素圧力も低くなる。
このように、圧力供給源としてのエア圧力を排気弁7によって減圧調整して水素調圧弁6に印加圧力として供給することにより、図4の目標圧力マップに示すように、燃料電池1の入口側に供給される水素圧力をエア圧力に連動させることなく、言い換えれば、エア供給元であるエアコンプレッサ3の供給圧力に制約されることなく、所定のレンジで所望値に調整することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the valve opening rate of the
In this way, the air pressure as the pressure supply source is adjusted to be reduced by the
この図4について補足すると、この燃料電池システムでは、水素調圧弁6がその構造上本来的に備えている機械的な作動特性Xから、該作動特性Xにエアコンプレッサ3によるエア圧力分(矢線)を加えた作動特性Yまでの領域内で、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を制御することができる。
かかる制御は、通常運転時、水素ガス供給路21内への異物混入時、および燃料電池1や水素ガス供給路21等の水素流路から水素ガスが漏洩した場合のようなフェイル時における燃料電池1の入口の目標供給水素圧力を予めマップ(図4の異物混入時特性及びフェイル時特性参照)に設定しておき、かかる目標供給水素圧力となるような水素調圧弁6への印加エア圧力を得るべく、排気弁7をデューティ制御することで実現される。
Supplementing this FIG. 4, in this fuel cell system, from the mechanical operating characteristic X inherently provided in the structure of the hydrogen
Such control is performed during normal operation, when a foreign substance is mixed into the hydrogen
次に、図5のフローチャートを参照しながら、制御部50による一制御動作を説明する。この制御動作は、制御プログラムにおいて所定周期あるいは特定イベントの発生で生ずる割り込みによって実行され、まずステップS1において、水素ガス供給路21内に異物混入があるかどうかが判定される。この判定は、例えば水素ガス供給路21の適所に設置された圧力センサ(状態検出手段)の出力値に基づき行われる。
水素ガス供給路21内に異物混入があると判定された場合(ステップS1;YES)には、ステップ3に進み、図4に示す目標圧力マップの中から異物混入時の目標圧力マップを参照し、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を設定する。他方、異物混入がないと判定された場合(ステップS1;NO)には、ステップ10に進み、通常時の目標圧力マップを参照し、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を設定する。
Next, one control operation by the
When it is determined that foreign matter is mixed in the hydrogen gas supply path 21 (step S1; YES), the process proceeds to step 3, and the target pressure map at the time of foreign matter is referred to from the target pressure map shown in FIG. The target supply hydrogen pressure at the
以上のようにして燃料電池1入口の目標供給水素圧力を設定したら、ステップ5に進み、目標供給水素圧力となるような水素調圧弁6への印加エア圧力を得るべく、排気弁7をデューティ制御し、水素調圧弁6を制御する。
つまり、水素ガス供給路21内に異物混入がある場合には、図4に示すように、水素調圧弁二次側の吐出圧力が通常時よりも高くなるように水素調圧弁6の作動特性を変更し、水素ガス供給路21内での水素ガスの流れを良くすることにより、堆積している異物を水素流路から押し出して取り除くことができるので、異物混入による不安定な発電状態を早期に安定化させることができる。
When the target supply hydrogen pressure at the inlet of the
That is, when foreign matter is mixed in the hydrogen
本発明の燃料電池システムにおいては、図5のステップ1で実行される異物混入判定に代えて、以下の判定を行ってもよい。
[第1のフェイル判定]
水素ガス供給路21等水素流路からの水素漏れの有無によりフェイル判定を行う。そして、フェイル(水素漏れ有り)と判定されたときに実行されるステップ3においては、図4に示す目標圧力アップからフェイル時の目標圧力マップを参照し、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を通常時よりも低く設定する。
これにより、水素調圧弁6の二次側吐出圧力が通常時よりも低くなるように水素調圧弁6の作動特性が変更されるので、水素流路からの水素漏れを検知した場合には、外部に放出される水素ガス量を低減することができる。
In the fuel cell system of the present invention, the following determination may be performed instead of the foreign object contamination determination performed in
[First fail judgment]
Fail determination is performed based on the presence or absence of hydrogen leakage from a hydrogen flow path such as the hydrogen
As a result, the operating characteristics of the hydrogen
かかる燃料電池システムの水素漏れ検出を行う場合には、それに先だって、水素調圧弁6の二次側の吐出圧力を高くするように変更しておいてもよい。例えば図6に示すような水素漏れ検出用の目標圧力マップを参照し、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を所定区間内(図6中の破線部分参照)において通常時よりも高く設定する。
これにより、水素調圧弁6の二次側吐出圧力が通常時よりも高くなるように水素調圧弁6の作動特性が変更されるので、水素流路からの水素漏れ検出を行う際には、水素圧力を一時的に上昇させることにより、漏れ検出精度の向上を図ることができる。
When performing hydrogen leak detection in such a fuel cell system, prior to that, the discharge pressure on the secondary side of the hydrogen
As a result, the operating characteristics of the hydrogen
[第2のフェイル判定]
水素ガス供給路21等の水素流路の水素圧力からフェイル判定を行う。具体的には、図7に示すように、水素ガス供給路21の適所に配置された圧力センサによる実測値(図7中に示す破線部分)が、目標値(同実線部分)から所定値以上乖離した場合に、フェイルと判定する。そして、フェイルと判定されたときに実行されるステップ3においては、例えば上述した図4に示すフェイル時の目標圧力マップを参照し、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を通常時よりも低く設定する。
この場合にも、水素調圧弁6の二次側吐出圧力を通常時よりも低くするように水素調圧弁6の作動特性が変更されるので、水素調圧弁6に異常を来たしているおそれのある場合には、燃料電池1の運転領域が一定負荷以下に制限され、燃料電池1を保護することができる。
[Second fail judgment]
Fail determination is performed from the hydrogen pressure in the hydrogen flow path such as the hydrogen
Also in this case, since the operation characteristic of the hydrogen
[セル電圧判定]
燃料電池1のセル電圧モニター値が所定値まで低下しているかどうかを判定する。そして、その判定結果が「YES;所定値まで低下」であるときに実行されるステップ3においては、例えば図4に示すのと同様の目標圧力マップを参照し、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を通常時よりも高く設定する。
これにより、水素調圧弁6の二次側吐出圧力が通常時よりも高くなるように水素調圧弁6の作動特性が変更されるので、フラッディングが生じているおそれのある場合には、それを解消してセル電圧低下を防止することができる。
[Cell voltage judgment]
It is determined whether or not the cell voltage monitor value of the
As a result, the operation characteristics of the hydrogen
[起動判定または間欠運転復帰判定]
燃料電池システムの現在のシステム状態が燃料電池1の起動時であるか、あるいは間欠運転からの復帰時であるかを判定する。そして、その判定結果が「YES;起動時あるいは間欠運転からの復帰時」であるときに実行されるステップ3においては、例えば図4に示すのと同様な目標圧力マップを参照し、燃料電池1入口の目標供給水素圧力を通常時よりも高く設定する。
これにより、水素調圧弁6の二次側吐出圧力が通常時よりも高くなるように水素調圧弁6の作動特性が変更されるので、燃料電池1の起動時あるいは間欠運転からの復帰起動時における起動性が向上する。
[Startup judgment or intermittent operation return judgment]
It is determined whether the current system state of the fuel cell system is when the
As a result, the operating characteristics of the hydrogen
かかる起動性の更なる向上を図るために、図8に示すように、空気圧伝搬路31におけるバッファタンク8の上流側に逆止弁41を設けてもよい。図9は、この場合の燃料電池1入口の供給水素圧力及びバッファタンク8の下流の圧力変化を示すグラフである。
このように構成することにより、燃料電池1の起動時あるいは間欠運転からの復帰起動時のようにエアコンプレッサ3の圧力が低い場合でも、燃料電池1の運転停止前あるいは間欠運転開始前の空気圧伝搬路31内における圧力がバッファタンク8とその下流側に蓄圧されている。
よって、燃料電池1の起動時あるいは間欠復帰起動時であっても、図9の一点鎖線で示すように水素調圧弁6への初期印加圧力が確保されることになるので、同図の破線で示す逆止弁41がない場合に比して、燃料電池1入口の供給水素圧力の起ち上がりが早くなり、起動性の更なる向上を実現することができる。
In order to further improve the startability, a
With this configuration, even when the pressure of the air compressor 3 is low, such as when the
Therefore, even when the
なお、上記実施形態の構成では、燃料電池1への供給エア圧力を圧力源とし、これを水素調圧弁6のダイヤフラムの駆動圧力として使用しているが、供給エア圧力によって圧力伝搬媒体(例えば、窒素ガス等の不活性ガスや液体)を加圧あるいは減圧し、これを水素調圧弁6のダイヤフラムに印加する構成としても良い。不活性ガス(圧力伝搬媒体)を介してエア圧を水素調圧弁6のダイヤフラムに伝搬することによって、水素調圧弁6の酸化(劣化)を抑制し、水素調圧弁6の長寿命化あるいは信頼性向上を図ることが可能となる。
In the configuration of the above embodiment, the supply air pressure to the
調圧装置の作動特性を変更するための構成は、要するに所定圧に加圧された流体を途中で減圧して調圧装置に導入する構成であれば、上記請求項9や上記実施形態の構成に限定されない。例えば、燃料電池システムの状態に応じてポンプの作動状態(回転数制御により吐出圧を増減)を変更するだけでもよい。
また、加圧流体を調圧装置に導入しないで作動特性を変更してもよい。例えば、調圧装置(レギュレータ)の大気室に加圧流体を導入する代わりに、ダイヤフラムを電動アクチュエータによって直接的または間接的に移動させてもよい。
The configuration for changing the operating characteristic of the pressure regulator is basically the configuration of the above-described claim 9 or the embodiment as long as the fluid pressurized to a predetermined pressure is reduced in the middle and introduced into the pressure regulator. It is not limited to. For example, the operating state of the pump (increase or decrease the discharge pressure by controlling the rotational speed) may be changed according to the state of the fuel cell system.
Further, the operating characteristics may be changed without introducing the pressurized fluid into the pressure regulator. For example, instead of introducing a pressurized fluid into the atmospheric chamber of the pressure regulator (regulator), the diaphragm may be moved directly or indirectly by an electric actuator.
1 燃料電池、6 水素調圧弁(調圧装置)、7 排気弁(排出弁、変更手段の一部)、21 水素ガス供給通路(燃料ガス供給通路)、31 圧力伝搬路(加圧流体供給路、変更手段の一部)、50 制御部(制御手段、変更手段の一部)
DESCRIPTION OF
Claims (9)
燃料ガス供給通路に設けられ燃料ガス源からの燃料ガスの圧力を調圧して下流に排出する調圧装置と、を備える燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの状態に応じて調圧装置の作動特性を変更する変更手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel gas supply passage for supplying fuel gas from the fuel gas source to the fuel cell;
A pressure regulator that regulates the pressure of the fuel gas from the fuel gas source and discharges it downstream, provided in the fuel gas supply passage,
A fuel cell system comprising changing means for changing an operating characteristic of the pressure regulator according to a state of the fuel cell system.
変更手段は状態検出手段の出力に基づいて調圧装置の作動特性を変更することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 Comprising a state detecting means for detecting a physical quantity relating to the state of the fuel cell system;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the changing means changes the operating characteristic of the pressure regulator based on the output of the state detecting means.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008047418A (en) * | 2006-08-16 | 2008-02-28 | Nissan Motor Co Ltd | Air supply system of fuel battery |
US10062916B2 (en) | 2014-12-09 | 2018-08-28 | Hyundai Motor Company | Control method and system of fuel cell system |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5407132B2 (en) * | 2007-10-15 | 2014-02-05 | 日産自動車株式会社 | Start-up control device and start-up control method for fuel cell system |
DE102009026590A1 (en) * | 2009-05-29 | 2010-12-02 | Robert Bosch Gmbh | Detecting the leaving of an operating range of a fuel cell system and initiating the necessary steps |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR0171207B1 (en) * | 1994-11-11 | 1999-03-30 | 와다 아키히로 | Fuel cell |
US6096449A (en) * | 1997-11-20 | 2000-08-01 | Avista Labs | Fuel cell and method for controlling same |
JP3636068B2 (en) * | 2000-02-16 | 2005-04-06 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell control device |
US6861167B2 (en) * | 2001-07-25 | 2005-03-01 | Ballard Power Systems Inc. | Fuel cell resuscitation method and apparatus |
JP4209611B2 (en) * | 2001-12-05 | 2009-01-14 | 日産自動車株式会社 | Control device for fuel cell system |
CA2507053A1 (en) * | 2002-11-27 | 2004-06-10 | Hydrogenics Corporation | Method of operating a fuel cell power system to deliver constant power |
-
2004
- 2004-09-16 JP JP2004269215A patent/JP2006086006A/en active Pending
-
2005
- 2005-09-08 WO PCT/IB2005/002656 patent/WO2006030269A2/en active Application Filing
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008047418A (en) * | 2006-08-16 | 2008-02-28 | Nissan Motor Co Ltd | Air supply system of fuel battery |
US10062916B2 (en) | 2014-12-09 | 2018-08-28 | Hyundai Motor Company | Control method and system of fuel cell system |
Also Published As
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