JP2006100152A - Fuel cell system and its inspection system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の検査システムに係り、特に、極間差圧に起因する燃料電池の破損防止に有効な技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell inspection system, and more particularly to a technique effective in preventing damage to a fuel cell due to an inter-electrode differential pressure.
いわゆる固体高分子電解質型の燃料電池は、電解質膜の両側にアノード(燃料極)とカソード(空気極)とを備え、アノードに水素ガスに代表される燃料ガスが供給され、カソードに空気に代表される酸化ガスが供給されることで、電気を外部に取り出す。一般に、燃料ガスは、例えば高圧タンクに貯留されており、レギュレータで所定の圧力に調整されてアノードに供給され、酸化ガスはコンプレッサにより大気中の空気が圧送されることでカソードに供給される。 A so-called solid polymer electrolyte type fuel cell has an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) on both sides of an electrolyte membrane, a fuel gas typified by hydrogen gas is supplied to the anode, and a cathode is represented by air. Electricity is taken out by supplying the oxidized gas. In general, the fuel gas is stored in, for example, a high-pressure tank, adjusted to a predetermined pressure by a regulator, and supplied to the anode, and the oxidizing gas is supplied to the cathode by pressure-feeding atmospheric air by a compressor.
ところで、かかる燃料電池においては、実際に発電を行わせて不具合の有無を検査することがある。この検査は、例えば燃料電池への供給ガスを任意の流量,温度,湿度に調整する等して行われる(特許文献1,2参照)。
しかしながら、検査時にこれら供給ガスの温度や湿度等の条件を変えると、温度や湿度は圧力(背圧)に影響する要因であるため背圧が変動してしまい、極間差圧によって電解質膜が損傷し、燃料電池の破損に繋がるおそれがある。また、燃料電池システムの運転時においても、周辺環境の変化に伴い供給ガスの温度や湿度等の条件が変わり得るので、同様のおそれがある。さらに、背圧が上昇すると、コンプレッサの消費電力が増大し、燃料電池システムの発電効率が低下してしまうという課題もある。 However, if the conditions such as the temperature and humidity of these supply gases are changed during inspection, the back pressure fluctuates because the temperature and humidity are factors that affect the pressure (back pressure). There is a risk of damage to the fuel cell. Further, even during operation of the fuel cell system, conditions such as the temperature and humidity of the supply gas can change with changes in the surrounding environment, so that there is a similar risk. Furthermore, when the back pressure increases, there is a problem that the power consumption of the compressor increases and the power generation efficiency of the fuel cell system decreases.
そこで、本発明は、燃料電池からの排出ガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁の制御精度を向上させることにより、上記課題を解決することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems by improving the control accuracy of an air pressure control valve capable of controlling the back pressure of exhaust gas from a fuel cell.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出されるガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁と、該エア圧力制御弁の弁開度を制御することにより燃料電池入口側のガス圧力を目標空気流量に応じた目標ガス圧力に制御するガス圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記エア圧力制御弁の弁開度は、燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定されるものである。 The fuel cell system of the present invention includes an air pressure control valve capable of controlling the back pressure of gas discharged from the fuel cell, and the gas pressure on the fuel cell inlet side by controlling the valve opening degree of the air pressure control valve. In the fuel cell system comprising a gas pressure control means for controlling the target gas pressure in accordance with the target air flow rate, the valve opening degree of the air pressure control valve is at least one of gas temperature and humidity on the fuel cell inlet side It is decided according to.
この構成によれば、周辺環境が変化する等して燃料電池に導入されるガスの条件が変わっても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、エア圧力制御弁の高精度な制御が可能となる。 According to this configuration, even if the conditions of the gas introduced into the fuel cell change due to changes in the surrounding environment, etc., the valve opening degree of the air pressure control valve is adjusted in response to changes in the temperature and humidity of the gas. Therefore, the air pressure control valve can be controlled with high accuracy.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方を用いて前記エア圧力制御弁の弁開度を設定するフィードフォワード制御と、前記背圧の測定値と目標値との差分に応じて前記エア圧力制御弁の弁開度を設定するフィードバック制御とが所定条件下で切替可能な構成でもよい。 The fuel cell system of the present invention includes feedforward control for setting the valve opening of the air pressure control valve using at least one of the temperature and humidity of the gas on the fuel cell inlet side, the measured value of the back pressure, and the target A configuration in which feedback control for setting the valve opening degree of the air pressure control valve according to a difference from the value can be switched under a predetermined condition.
この構成によれば、人の操作等に対して高い応答性が求められているときには、前者のフィードフォワード制御によって、電解質膜破損のおそれを招来することなく可及的速やかにエア圧力制御弁の弁開度を目標値に近づけることができる。また、かかるフィードフォワード制御を実行した後は、後者のフィードバック制御によって、背圧の目標値に現在値を精度良く一致させることができる。 According to this configuration, when high responsiveness to human operation or the like is required, the former feedforward control enables the air pressure control valve to be as quickly as possible without incurring the risk of damage to the electrolyte membrane. The valve opening can be brought close to the target value. In addition, after the feedforward control is executed, the current value can be accurately matched with the target value of the back pressure by the latter feedback control.
本発明の燃料電池の検査システムは、燃料電池から排出されるガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁と、該エア圧力制御弁の弁開度を制御することにより燃料電池入口側のガス圧力を目標空気流量に応じた目標ガス圧力に制御するガス圧力制御手段とを備え、前記エア圧力制御弁の弁開度が燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定されるものであり、このガスの条件を様々に変更することによって燃料電池を検査するものである。 An inspection system for a fuel cell according to the present invention includes an air pressure control valve capable of controlling a back pressure of gas discharged from a fuel cell, and a gas on the fuel cell inlet side by controlling a valve opening degree of the air pressure control valve. Gas pressure control means for controlling the pressure to a target gas pressure corresponding to the target air flow rate, and the valve opening degree of the air pressure control valve is determined according to at least one of the temperature and humidity of the gas on the fuel cell inlet side The fuel cell is inspected by variously changing the gas conditions.
この構成によれば、検査のために燃料電池に導入するガスの条件を変えても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、電解質膜破損のおそれを招来することなく様々なガス条件での検査が可能となる。 According to this configuration, even if the conditions of the gas introduced into the fuel cell for inspection are changed, the valve opening degree of the air pressure control valve is adjusted in response to changes in the temperature and humidity of the gas. Inspection under various gas conditions is possible without causing the possibility of film breakage.
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に導入されるガスの条件が変わっても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、エア圧力制御弁の制御精度、言い換えれば、エア圧力の制御精度が向上し、燃料電池の破損を有効に防止することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, even if the condition of the gas introduced into the fuel cell changes, the valve opening degree of the air pressure control valve is adjusted in response to changes in the temperature and humidity of the gas. The control accuracy of the air pressure control valve, in other words, the control accuracy of the air pressure is improved, and the fuel cell can be effectively prevented from being damaged.
また、本発明の燃料電池の検査システムによれば、燃料電池に導入するガスの条件を変えても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、電解質膜の破損のおそれを招来することなく様々なガス条件での検査が可能となり、検査精度が向上する。 Further, according to the fuel cell inspection system of the present invention, even if the conditions of the gas introduced into the fuel cell are changed, the valve opening degree of the air pressure control valve is adjusted in response to changes in the temperature and humidity of the gas. Therefore, it is possible to inspect under various gas conditions without incurring the risk of damage to the electrolyte membrane, and the inspection accuracy is improved.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。 Hereinafter, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に示すように、この燃料電池システム1は、酸化ガスとしてのエア(空気)および燃料ガスとしての水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池2と、燃料電池2にエアを供給するエア供給系3と、燃料電池2に水素ガスを供給する水素ガス供給系4と、燃料電池2へのエア及び水素ガスにスチームを供給するスチーム供給系5と、これら供給系3〜5の構成部品などシステム全体を統括制御する制御装置(ガス圧力制御手段)100とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池2は、基本単位となる単セルを多数積層したスタック構造として構成されている。単セルは、いずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極(アノードおよびカソード)とで構成されている。
The
エア供給系3は、エアを燃料電池2に供給するための供給流路11と、燃料電池2から排出されたエアオフガスを外部に排出するための排出流路12とを備えている。そして、供給流路11には、その上流側から順に、エア供給源21、流量センサ22、流量調整弁23、ヒーター24、温度センサ25及び湿度センサ26が配設されている。また、排出流路12には、上流側から順に、圧力センサ27及び背圧調整弁(エア圧力制御弁)28が配設されている。
The air supply system 3 includes a
水素ガス供給系4は、水素ガスを燃料電池2に供給するための供給流路15と、燃料電池2から排出された水素オフガスを外部に排出するための排出流路16とを備えている。そして、供給流路15には、その上流側から順に、水素供給源41、流量センサ42、流量調整弁43、ヒータ44、温度センサ45及び湿度センサ46が配設されている。また、排出流路16には、上流側から順に、圧力センサ47及び背圧調整弁48が配設されている。
The hydrogen gas supply system 4 includes a
スチーム供給系5は、エア供給源21からのエア及び水素供給源41からの水素ガスにスチームを供給することによって、燃料電池2に供給されるエア及び水素ガスを加湿するものであり、スチーム供給源51と、流量調整弁52,53とを備えている。流量調整弁52は当該スチーム供給系5からエア供給系3への接続流路に配設され、流量調整弁53は当該スチーム供給系5から水素ガス供給系4への接続流路に配設されている。
The
エア供給源21からのエアは、流量調整弁23で所定流量に調整され、スチーム供給源(加湿器)51からのスチームの供給を受けて加湿された後、ヒーター24で所定温度に加熱され、燃料電池2のカソード側に供給される。一方、水素供給源41からの水素ガスは、流量調整弁43で所定流量(圧力)に調整され、スチーム供給源51からのスチームの供給を受けて加湿された後、ヒーター44で所定温度に加熱され、燃料電池2のアノード側に供給される。燃料電池2では、エアと水素ガスとの電気化学反応により発電が行われる。なお、スチーム供給源51、ヒーター24,44は省略してもよい。
The air from the
エア供給系3における燃料電池2出口側のガス圧力は、排出流路12に配設された背圧調整弁28の弁開度を制御することによって、目標エア流量に応じた目標ガス圧力に制御される。一方、水素供給系4における燃料電池2出口側のガス圧力は、排出流路16に配設された背圧調整弁48の弁開度を制御することによって、一定圧力となるように制御される。これら背圧調整弁28,48は、制御装置100から出力される制御信号によって弁開度が制御される。
The gas pressure on the outlet side of the
図2は、背圧調整弁28の制御系に係るブロック図である。
制御装置100は、目標背圧設定部30,背圧差分検出部31,背圧フィードバック部32,背圧調整弁開度演算部33,変化検出部34,背圧制御切替部35,及び背圧調整弁直線補正部38を備えてなり、圧力センサ27,流量センサ22,湿度センサ26,及び温度センサ25からの出力信号が入力されて、背圧調整弁28に対する制御信号を出力する。
FIG. 2 is a block diagram relating to the control system of the back
The
次に、信号の流れに従い、背圧調整弁28の制御に係る制御装置100の機能を説明する。まず、背圧調整弁28で制御される背圧の目標値が、人の操作や他装置からの信号に基づき目標背圧設定部30で設定され、背圧差分検出部31と背圧フィードバック部32と変化検出部34とに入力される。他方、背圧の現在値(測定値)は、圧力センサ27により検出され、背圧差分検出部31と背圧フィードバック部32とに入力される。
Next, the function of the
背圧差分検出部31では、圧力センサ27からの現在値と目標背圧設定部30からの目標値とを比較し、演算値制御(フィードフォワード制御)とフィードバック制御との切替信号を背圧制御切替部35へ出力する。フィードバック制御で設定される背圧調整弁28の弁開度は、圧力センサ27からの現在値と目標背圧設定部30からの目標値に基づき、背圧フィードバック部32で演算処理される。
The back pressure
他方、演算値制御で設定される背圧調整弁28の弁開度は、流量センサ22,湿度センサ26,及び温度センサ25からの各信号に基づき、背圧調整弁開度演算部33にて演算処理される。この背圧調整弁開度演算部33での演算は、実験から求めた下記式を用いて行う。
Y = f1(x1)+f2(x1,x2)+f3(x3)+d ・・・(式)
ここで、Y:弁開度,x1:流量,x2:湿度,x3:温度,d:定数であり、f1(x1)はx1を変数とする弁開度設定の関数,f2(x1,x2)はx1及びx2を変数とする弁開度設定の関数,f3(x3)はx3を変数とする弁開度設定の関数である。
On the other hand, the valve opening of the back
Y = f1 (x1) + f2 (x1, x2) + f3 (x3) + d (formula)
Here, Y: valve opening, x1: flow rate, x2: humidity, x3: temperature, d: constant, f1 (x1) is a function of setting the valve opening with x1 as a variable, f2 (x1, x2) Is a valve opening setting function with x1 and x2 as variables, and f3 (x3) is a valve opening setting function with x3 as a variable.
なお、背圧調整弁開度演算部33では、上記式による数値演算に代えて、例えば図3に示すマップを参照して弁開度を設定することも可能である。この図3のマップにおいては、燃料電池2に供給されるエア流量が増大するに従い、背圧調整弁28の弁開度も曲線的(非線形)に増大し、かつ、同一のエア流量でもエアオフガスの湿度が高くなるに従い背圧調整弁28の弁開度が増大するように設定されている。
Note that the back pressure adjusting
変化検出部34は、目標背圧設定部30で設定された目標背圧を記憶し、新たに設定された目標背圧(以下、今回値)と、その前に設定されていた目標背圧(以下、前回値)との差分、あるいはその差分に基づく切替信号を背圧制御切替部35に出力する。フィードバック制御と演算値制御との切り替えは背圧制御切替部35で行われる。この切り替えは、背圧差分検出部31と変化検出部34からの信号に基づき、所定の条件に従い行われる。
The
例えば、演算値制御からフィードバック制御への切り替えは、図4に示すように、背圧の現在値と目標値との差(以下、差分背圧)が、予め設定しておいたフィードバック差分範囲の二分の一以下になった後、その背圧差分が所定範囲に収束するまでの時間(以下、安定時間)が経過したときに行われる。この安定時間は、予め設定されている。一方、フィードバック制御から演算値制御への切り替えは、例えば、変化検出部34からの目標背圧変化量(目標背圧の前回値と今回値との差分)が所定範囲を超えたときに行われる。
For example, as shown in FIG. 4, switching from the calculation value control to the feedback control is performed when the difference between the current back pressure value and the target value (hereinafter referred to as differential back pressure) is within a preset feedback difference range. This is performed when the time until the back pressure difference converges to a predetermined range (hereinafter referred to as a stable time) has elapsed after becoming half or less. This stabilization time is preset. On the other hand, switching from feedback control to calculation value control is performed, for example, when the target back pressure change amount (difference between the previous value and the current value of the target back pressure) from the
ところで、フィードバック制御と演算値制御は、入力及び出力機器の特性が直線であるときに最適となる。本実施の形態では、入力機器である各センサ22,25〜27は直線特性(線形)であるので補正の必要はないが、出力機器である背圧調整弁28は非直線(非線形)がほとんどであるため、直線特性に補正しておくことが好ましい。そこで、この制御装置100からの出力信号は、背圧調整弁直線補正部38にて直線特性に補正された上で、背圧調整弁28に出力されるようになっている。
By the way, the feedback control and the calculation value control are optimal when the characteristics of the input and output devices are linear. In the present embodiment, the
以上説明したとおり、本実施形態によれば、背圧調整弁28の弁開度を設定する際に、燃料電池2に供給されるエア流量だけでなく、そのエアの湿度と温度の変化も考慮されて背圧調整弁28の弁開度が制御される。このため、エア流量だけで弁開度を制御する場合(図5参照)のように、エア流量が一定である間にエアの湿度が上昇して背圧が過剰に上昇する、ということはない。
As described above, according to the present embodiment, when setting the valve opening degree of the back
したがって、弁開度の制御精度、言い換えれば、ガス圧力の制御精度が向上し、電解質膜の破損を有効に防止することができ、燃料電池システムの信頼性も向上する。また、エア供給系3にコンプレッサを備える場合には、背圧の余計な上昇を回避することができる結果、コンプレッサの消費電力削減、ひいては燃料電池システムの発電効率の向上を図ることができる。 Therefore, the control accuracy of the valve opening, in other words, the control accuracy of the gas pressure is improved, the electrolyte membrane can be effectively prevented from being damaged, and the reliability of the fuel cell system is also improved. Further, when the air supply system 3 is provided with a compressor, it is possible to avoid an excessive increase in the back pressure, and as a result, it is possible to reduce the power consumption of the compressor and thus improve the power generation efficiency of the fuel cell system.
さらに、各センサ22,25,26からの出力を用いて弁開度を設定する演算値制御と、差分背圧に基づき弁開度を設定するフィードバック制御とを切り替え可能にし、目標背圧の変化量が大きいとき、言い換えれば、人の操作等に対して高い応答性が求められているときには、前者の演算値制御を行うことによって、電解質膜の破損のおそれなく、できるだけ早く背圧調整弁28の弁開度を目標値に近づける一方、かかる演算値制御を実行した後は、後者のフィードバック制御を行うことによって、背圧の目標値に現在値を精度良く一致させるようにしているので、信頼性向上と応答性向上との両立を図ることができる。
Furthermore, it is possible to switch between calculation value control for setting the valve opening using the outputs from the
以上は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を説明したものであるが、同様のシステム構成を燃料電池の検査システムに適用してもよい。
つまり、上記燃料電池システムと同様、燃料電池2入口側のエアの温度と湿度のうち少なく一方に応じて、背圧調整弁28の弁開度が制御されるようにしておき、当該エアの条件を様々に変更することにより、燃料電池2に不具合があるか否かの検査を行う。
かかる構成の検査システムによれば、電解質膜を破損することなく様々なガス条件で検査を行えるので、検査精度の向上を図ることができる。
The above describes one embodiment of the fuel cell system according to the present invention, but the same system configuration may be applied to a fuel cell inspection system.
That is, as in the fuel cell system, the valve opening degree of the back
According to the inspection system having such a configuration, the inspection can be performed under various gas conditions without damaging the electrolyte membrane, so that the inspection accuracy can be improved.
また、本発明のエア圧力制御弁は、要するに燃料電池2から排出されるエアオフガスの背圧を制御することが可能なものであれば、その構造や配置は上記背圧調整弁28の形態に限定されるものではない。
In addition, the structure and arrangement of the air pressure control valve of the present invention are limited to the form of the back
1…燃料電池システム、2…燃料電池、3…エア供給系、4…水素ガス供給系、 28…背圧調整弁(圧力制御弁)、 100…制御装置(ガス圧力制御手段)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記エア圧力制御弁の弁開度は、燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定される燃料電池システム。 An air pressure control valve capable of controlling the back pressure of gas discharged from the fuel cell, and a gas pressure on the fuel cell inlet side according to the target air flow rate by controlling the valve opening degree of the air pressure control valve In a fuel cell system comprising a gas pressure control means for controlling the pressure,
The valve opening degree of the air pressure control valve is determined according to at least one of gas temperature and humidity on the fuel cell inlet side.
前記エア圧力制御弁の弁開度が燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定されるものであり、このガスの条件を様々に変更することによって燃料電池を検査する燃料電池の検査システム。
An air pressure control valve capable of controlling the back pressure of gas discharged from the fuel cell, and a gas pressure on the fuel cell inlet side according to the target air flow rate by controlling the valve opening degree of the air pressure control valve Gas pressure control means for controlling the pressure,
The valve opening degree of the air pressure control valve is determined according to at least one of the temperature and humidity of the gas on the fuel cell inlet side, and the fuel cell is inspected by changing the gas conditions in various ways. Fuel cell inspection system.
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