JP2007052937A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents
Fuel cell system and its operation method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007052937A JP2007052937A JP2005235512A JP2005235512A JP2007052937A JP 2007052937 A JP2007052937 A JP 2007052937A JP 2005235512 A JP2005235512 A JP 2005235512A JP 2005235512 A JP2005235512 A JP 2005235512A JP 2007052937 A JP2007052937 A JP 2007052937A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- amount
- moisture
- discharged
- water
- 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
Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.
燃料電池システムでは、水素ガスに代表される燃料ガス、及び空気に代表される酸化ガスが燃料電池に供給され、燃料ガスと酸化ガスとの発電反応(水生成反応)により電力が発生する。燃料電池としては、種々のタイプのものが開発されており、それらのなかでは、電解質の散逸・保持等の問題がなく、常温で起動し且つ起動時間が極めて早い等の利点を有する固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cells )が特に注目され、高電圧を得るためにスタック化されたPEFCが自動車等の移動体等に採用されつつある。 In a fuel cell system, a fuel gas typified by hydrogen gas and an oxidizing gas typified by air are supplied to the fuel cell, and electric power is generated by a power generation reaction (water generation reaction) between the fuel gas and the oxidizing gas. Various types of fuel cells have been developed. Among them, there are no problems such as electrolyte dissipation and retention, solid polymer having advantages such as startup at room temperature and extremely fast startup time. In particular, a type of fuel cell (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cells) is attracting attention, and a PEFC stacked to obtain a high voltage is being adopted for a moving body such as an automobile.
この固体高分子型燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとの反応におけるプロトンの伝導を高分子電解質層が担うため、発電反応を効率よく維持するには、高分子電解質層の湿潤状態や温度状態を監視して適正な状態に制御する必要がある。 In this polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte layer is responsible for proton conduction in the reaction between the fuel gas and the oxidizing gas. Therefore, in order to maintain the power generation reaction efficiently, the polymer electrolyte layer is in a wet or temperature state. Must be monitored and controlled to an appropriate state.
このような制御を行うべく、例えば特許文献1には、燃料電池への流入ガス及び燃料電池からの排出ガスの温度、湿度、及び流量を測定して燃料電池に対する水分量の収支を算出し、燃料電池の電力から算出された生成水分量との比較を行って流入ガスの流量制御を行い、燃料電池内部に残留している水分量を高分子電解質層に好適な水準内に制御する燃料電池システム及び方法が提案されている。
しかし、上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池内の水収支の計算において、高分子電解質層の湿潤状態を電流遮断法によって実測し、その実測結果に基づいて水収支の積算値を修正することにより、誤差の蓄積を解消する手法が採られており、高分子電解質層の湿潤状態の実測が必要な点で操作が煩雑であった。 However, in the above conventional fuel cell system, in the calculation of the water balance in the fuel cell, the wet state of the polymer electrolyte layer is measured by the current interruption method, and the integrated value of the water balance is corrected based on the actual measurement result. Therefore, a technique for eliminating the accumulation of errors is adopted, and the operation is complicated in that it is necessary to actually measure the wet state of the polymer electrolyte layer.
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内の水収支を判定する際に、簡便な方法で誤差を低減できる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reducing errors by a simple method when determining the water balance in the fuel cell and an operation method thereof. And
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムの運転方法は、燃料電池へ流入する水分量、その燃料電池内で生成される水分量、及び、その燃料電池から排出される水分量のうち少なくともいずれか1つの水分量を積算し、少なくともその積算された水分量から燃料電池の内部に含まれる水分量の積算値を算出する水分量積算ステップと、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、水分量の積算値を初期化する初期化ステップとを備える。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system operating method according to the present invention includes the amount of water flowing into a fuel cell, the amount of water generated in the fuel cell, and the amount of water discharged from the fuel cell. A moisture amount integrating step of integrating at least one of the moisture amounts, and calculating an integrated value of the amount of moisture contained in the fuel cell from at least the accumulated moisture amount, and moisture contained in the fuel cell. And an initialization step of forcibly discharging to the outside and initializing the integrated value of the amount of water.
燃料電池が通常の負荷(通常の反応ガス流量)で運転されると、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)によって燃料電池内へ水分が流入し、また、発電に伴って燃料電池の内部で水が生じて燃料電池内の含水量が増大する。一方、燃料電池から排出されるガスによって燃料電池内の水分が排出され、その分燃料電池内の水分が減少する。通常、これらの水分量から計算される水収支は正(プラス)であり、すなわち時間の経過とともに燃料電池内に水分が溜まっていく。 When the fuel cell is operated at a normal load (normal reaction gas flow rate), water flows into the fuel cell due to the reaction gas (fuel gas and oxidizing gas), and water is generated inside the fuel cell due to power generation. Occurs and the water content in the fuel cell increases. On the other hand, the moisture in the fuel cell is discharged by the gas discharged from the fuel cell, and the moisture in the fuel cell is reduced accordingly. Usually, the water balance calculated from these amounts of water is positive (plus), that is, water accumulates in the fuel cell with the passage of time.
なお、水の生成反応は酸化ガスが供給される酸素極(カソード)側で生じるが、生じた水は、燃料ガスが供給される燃料極(アノード)側へ拡散していくので、程度の差はあれ、酸化ガス供給系及び燃料ガス供給系の双方の極側で、水収支は正(プラス)となって水分が溜まっていく傾向にある。 The water generation reaction occurs on the oxygen electrode (cathode) side to which the oxidizing gas is supplied, but the generated water diffuses to the fuel electrode (anode) side to which the fuel gas is supplied. Nevertheless, on the extreme sides of both the oxidizing gas supply system and the fuel gas supply system, the water balance tends to be positive and water tends to accumulate.
本発明の燃料電池システムにおける水分量積算ステップでは、単位時間当たりの流入水分量、生成水分量、及び排出水分量のうち少なくともいずれか1つの水分量が算出され、それらの水分量が積算される。このとき、時々刻々求められる水分量には不可避的に誤差が含まれており、それらの積算に伴って各水分量に含まれる誤差が累積されて増大していくので、従来の方法では、水収支の計算判定精度が徐々に低下するおそれがある。 In the moisture amount integration step in the fuel cell system of the present invention, at least one of the inflow moisture amount, the generated moisture amount, and the discharged moisture amount per unit time is calculated and the moisture amount is integrated. . At this time, the amount of moisture obtained every moment inevitably contains an error, and the error contained in each amount of moisture is accumulated and increased with the integration, so in the conventional method, There is a possibility that the calculation accuracy of the balance will gradually decrease.
これに対し、初期化ステップでは、燃料電池の内部に含まれる水分が強制的に外部へ排出され、その水分量(含水量)の積算値が初期化(リセット)される。よって、水分量の積算に伴って累積増大した誤差が、その時点で解消される。このとき、水分量の所定値としては、例えば、フラッディングの発生が懸念されるような累積水分量(特に低温時)を予め把握しておき、その水分量に基づいて決定することができる。 On the other hand, in the initialization step, the water contained in the fuel cell is forcibly discharged to the outside, and the integrated value of the water content (water content) is initialized (reset). Therefore, the error which has increased cumulatively with the accumulation of the moisture amount is eliminated at that time. At this time, as the predetermined value of the moisture amount, for example, a cumulative moisture amount (especially at low temperatures) that may cause flooding may be grasped in advance and determined based on the moisture amount.
より具体的には、初期化ステップを、水分量積算ステップにおいて算出された積算値が所定の値以上となったときに実行すると好ましい。或いは、燃料電池の運転時間によって燃料電池の内部に蓄積される水分量をある程度予測することが可能であり、初期化ステップにおいて、水分量積算ステップにおける水分量の積算時間が所定の値以上となったときに、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、その水分量(含水量)の積算値及び積算時間を初期化(リセット)してもよい。このようにしても、水分量の積算に伴って累積増大した誤差がその時点で解消される。 More specifically, it is preferable to execute the initialization step when the integrated value calculated in the moisture content integrating step is equal to or greater than a predetermined value. Alternatively, the amount of water accumulated in the fuel cell can be predicted to some extent according to the operation time of the fuel cell. In the initialization step, the amount of water accumulated in the amount of water accumulation step becomes a predetermined value or more. In this case, the moisture contained in the fuel cell may be forcibly discharged to the outside, and the accumulated value and accumulated time of the moisture content (moisture content) may be initialized (reset). Even if it does in this way, the error which increased accumulatively with the accumulation of moisture will be canceled at that time.
また、水分量積算ステップと初期化ステップは、その順に実施してもよいし、或いは、初期化ステップを水分量積算ステップに先立って実施してもよい。後者の好ましい具体例としては、初期化ステップを、燃料電池又は燃料電池システムの始動の際に実行する方法が挙げられる。この場合、燃料電池又は燃料電池システムの運転に際して、それまでに燃料電池内に溜まった水分を常に一旦リセットした状態で運転中の水分量の積算が行われるので、例えば、バッテリークリアー等によって燃料電池内の水分量の値が消失してしまったようなときに対応でき、更には、水収支計算の初期値に含まれる誤差を確実に解消することができる。 Further, the moisture amount integration step and the initialization step may be performed in that order, or the initialization step may be performed prior to the moisture amount integration step. A preferred embodiment of the latter is a method in which the initialization step is performed at the start of the fuel cell or fuel cell system. In this case, during the operation of the fuel cell or the fuel cell system, the water amount during operation is accumulated in a state where the water accumulated in the fuel cell is always reset once. It is possible to cope with the case where the value of the amount of water has disappeared, and furthermore, it is possible to reliably eliminate the error included in the initial value of the water balance calculation.
また、初期化ステップにおいて燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させる好ましい方法としては、燃料電池内の水分量を低減できる方法であれば特に制限されず、例えば、燃料電池内へ供給するガスの流量を予め設定しておいた所定の値よりも増大させる方法が挙げられる。或いは、燃料電池(スタック)の温度を上昇させて内部の水分を気化させる方法、燃料電池内へ供給するガスを加湿している場合にその加湿を停止する方法、等を用いても好適である。 Further, a preferable method for forcibly discharging the moisture contained in the fuel cell to the outside in the initialization step is not particularly limited as long as it is a method capable of reducing the amount of moisture in the fuel cell. There is a method of increasing the flow rate of the gas to be supplied to a predetermined value that is set in advance. Alternatively, it is also preferable to use a method of evaporating the moisture inside by increasing the temperature of the fuel cell (stack), a method of stopping the humidification when the gas supplied into the fuel cell is humidified, or the like. .
燃料電池の内部に含まれる水分は、気体成分としてガス中に含まれるものに加え、温度条件によっては微小液滴(ミスト)等の液体成分も多いので、燃料電池の内部に通常の運転状態における供給ガス流量よりも大きい流量でガスを供給すれば、燃料電池の内部の水分が掃引されて外部へ排出される。すなわち、燃料電池の反応ガスを、その内部に含まれる水分をパージするためのガスとして使用することができる。 Moisture contained in the fuel cell contains many liquid components such as fine droplets (mist) depending on temperature conditions in addition to those contained in the gas as a gas component. If the gas is supplied at a flow rate larger than the supply gas flow rate, the moisture inside the fuel cell is swept and discharged to the outside. That is, the reaction gas of the fuel cell can be used as a gas for purging moisture contained therein.
また、水分量積算ステップにおいては、燃料電池から排出される水分量として、燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量を算出することが好ましい。 In the moisture amount integrating step, it is preferable to calculate the moisture amount discharged from the fuel cell as a gas component and the moisture amount discharged as a liquid component as the moisture amount discharged from the fuel cell.
上述の如く、燃料電池の内部に含まれる水分は、気体成分として存在するほか液体成分としても存在するが、従来の燃料電池システムにおける水収支の計算においては、液体成分として排出される水分量が勘案されない傾向にあった。この場合、燃料電池内の含水量の算定値には、その分が更に誤差として含まれていた。これに対し、水分量積算ステップにおいて、燃料電池から排出される水分量として、気体成分のみならず液体成分として排出される水分量をも加味することにより、水収支の計算精度が一層高められる。 As described above, the moisture contained in the fuel cell exists as a gas component as well as a liquid component. However, in the calculation of the water balance in the conventional fuel cell system, the amount of moisture discharged as the liquid component is There was a tendency not to be taken into account. In this case, the calculated value of the water content in the fuel cell further includes that amount as an error. On the other hand, in the moisture amount integration step, the water balance calculation accuracy is further improved by taking into account not only the gas component but also the moisture amount discharged as a liquid component as the moisture amount discharged from the fuel cell.
さらに、燃料電池、又は燃料電池から排出されるガスの温度を測定するガス温度測定ステップを更に備え、水分量積算ステップにおいては、実測されたその温度が所定の値以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定するようにしても好ましい。 Furthermore, a gas temperature measuring step for measuring the temperature of the fuel cell or the gas discharged from the fuel cell is further provided. In the moisture amount integrating step, when the measured temperature is equal to or lower than a predetermined value, the liquid component It is also preferable to calculate the amount of water discharged as
燃料電池の内部温度、又は燃料電池から排出されるガスの温度が低いほど飽和水蒸気圧が下がるので、排出されるガス中に存在し得る液体成分の水分量が増大する傾向にある。その結果、燃料電池から液体成分として排出される水分量も増大する。よって、ガス温度測定ステップにおいて、燃料電池又は排出ガスの温度を測定し、水分量積算ステップで、その実測温度と所定の温度とを比較し、燃料電池が低温状態にあると判断したときに、液体成分として排出される水分量を算定してそれを水収支の計算に含めることにより、そのような低温運転時における燃料電池の内部に残留する水分量がより正確に把握される。 Since the saturated water vapor pressure decreases as the internal temperature of the fuel cell or the temperature of the gas discharged from the fuel cell decreases, the moisture content of the liquid component that may exist in the discharged gas tends to increase. As a result, the amount of water discharged from the fuel cell as a liquid component also increases. Therefore, when the temperature of the fuel cell or the exhaust gas is measured in the gas temperature measurement step, the measured temperature is compared with a predetermined temperature in the moisture amount integration step, and when it is determined that the fuel cell is in a low temperature state, By calculating the amount of water discharged as a liquid component and including it in the calculation of the water balance, the amount of water remaining inside the fuel cell during such low temperature operation can be grasped more accurately.
さらにまた、初期化ステップにおいては、燃料電池内へ供給するガスが酸化ガスであると殊に有用である。 Furthermore, in the initialization step, it is particularly useful that the gas supplied into the fuel cell is an oxidizing gas.
上述したように、燃料電池では、発電の際に酸化ガスが供給されるカソード側で水が生成されるので、この水が凝縮によって液体化してガスの流路が閉塞され、発電が阻害され燃料電池の出力が低下してしまうフラッディング状態は、酸素極側で生じ易い傾向にある。また、水収支を計算する際の積算値の誤差もカソード側の方が比較的大きくなる。よって、初期化ステップにおいて、酸化ガスの流量を増大させてカソード側に含まれる水分を強制的に排出させると処理効率が向上される。 As described above, in the fuel cell, water is generated on the cathode side to which the oxidizing gas is supplied during power generation, so this water is liquefied by condensation and the gas flow path is blocked, and power generation is hindered and fuel is generated. A flooding state in which the battery output decreases tends to occur on the oxygen electrode side. Also, the error in the integrated value when calculating the water balance is relatively large on the cathode side. Therefore, in the initialization step, if the flow rate of the oxidizing gas is increased to forcibly discharge the moisture contained on the cathode side, the processing efficiency is improved.
なお、前述したように、カソード側で生成した水は、電解質膜を介してアノード側にも拡散・浸出し得るので、かかるフラッディングをより一層防止するための観点からは、初期化ステップにおいて、燃料ガスの流量をも増大させてアノード側の水分も強制的に排出させると好適である。 As described above, water generated on the cathode side can be diffused and leached to the anode side through the electrolyte membrane. From the viewpoint of further preventing such flooding, in the initialization step, It is preferable to increase the gas flow rate and forcibly discharge the moisture on the anode side.
また、本発明による燃料電池システムは、本発明の燃料電池システムの運転方法を有効に実施するためのものであり、燃料電池と、燃料電池へ流入する水分量、その燃料電池内で生成される水分量、及び、その燃料電池から排出される水分量のうち少なくともいずれか1つの水分量が積算され、少なくともその積算された水分量から燃料電池の内部に含まれる水分量の積算値が算出される水分量積算部と、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、水分量の積算値を初期化する初期化部とを備える。 The fuel cell system according to the present invention is for effectively carrying out the operation method of the fuel cell system of the present invention, and is generated in the fuel cell, the amount of water flowing into the fuel cell, and the fuel cell. At least one of the water amount and the water amount discharged from the fuel cell is integrated, and the integrated value of the water amount contained in the fuel cell is calculated from at least the integrated water amount. And an initialization unit that forcibly discharges the moisture contained in the fuel cell to the outside and initializes the integrated value of the moisture amount.
さらに、初期化部は、燃料電池又は燃料電池システムの始動の際、水分量積算部で算出された積算値が所定の値以上となったとき、又は、水分量積算ステップにおける積算時間が所定の値以上となったときに、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させるものであると好ましい。 Furthermore, the initialization unit is configured to start up the fuel cell or the fuel cell system when the integrated value calculated by the moisture amount integrating unit exceeds a predetermined value or when the integrated time in the moisture amount integrating step is predetermined. It is preferable that the water contained in the fuel cell is forcibly discharged to the outside when the value becomes equal to or greater than the value.
またさらに、初期化部は、燃料電池内の水分量を低減するものであれば特に制限されず、例えば、燃料電池内へ供給するガスの流量を所定の値以上に増大させるものが挙げられる。或いは、燃料電池の温度を上昇させて内部の水分を気化させる手段、燃料電池内へ供給するガスを加湿している場合にその加湿を停止する手段、等も好適である。 Furthermore, the initialization unit is not particularly limited as long as it reduces the amount of water in the fuel cell, and includes, for example, a unit that increases the flow rate of the gas supplied into the fuel cell to a predetermined value or more. Alternatively, a means for increasing the temperature of the fuel cell to vaporize the water inside, a means for stopping the humidification when the gas supplied into the fuel cell is humidified, and the like are also suitable.
さらにまた、水分量積算部は、燃料電池から排出される水分量として、燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量を算出するものであると好適である。 Furthermore, it is preferable that the moisture amount integrating unit calculates the moisture amount discharged as a gas component and the moisture amount discharged as a liquid component from the fuel cell as the moisture amount discharged from the fuel cell.
加えて、燃料電池、又は燃料電池から排出されるガスの温度を測定するガス温度測定部を備えると共に、水分量積算部は、そのガスの温度が所定の値以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定するものであると特に有用である。 In addition, the fuel cell or a gas temperature measuring unit that measures the temperature of the gas discharged from the fuel cell is provided, and the moisture amount integrating unit is a liquid component when the temperature of the gas is a predetermined value or less. It is particularly useful to calculate the amount of water discharged.
本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させてその水分量の積算値をリセットし、これにより累積した誤差が解消されるので、簡易な処理で精度の高い水収支の計算判定が可能となる。また、強制的な水分の排出を行うことにより、フラッディングの発生を有効に防止できる。 According to the fuel cell system and the operation method thereof of the present invention, moisture contained in the fuel cell is forcibly discharged to the outside, and the accumulated value of the moisture amount is reset, thereby eliminating accumulated errors. Therefore, it is possible to calculate and determine the water balance with high accuracy by simple processing. In addition, flooding can be effectively prevented by forcibly discharging moisture.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted. Further, the positional relationship such as up, down, left and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.
図1は、本発明による運転方法が適用される燃料電池システムの一実施形態を模式的に示す構成図である。燃料電池システム1は、多数のセルを積層したスタック構造からなる固体高分子電解質型の燃料電池2を備えている。燃料電池2は、酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素ガス(H2)の供給を受けて電力を発生する。
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing one embodiment of a fuel cell system to which an operation method according to the present invention is applied. The
燃料電池システム1には、空気を燃料電池2に供給するための供給配管11と、燃料電池2から排出された空気オフガス(排出ガス)を外部に排出するための排出配管12とを有する空気供給系3が接続されている。供給配管11には、フィルタ13を介して大気を取り込むコンプレッサ14と、コンプレッサ14により圧送される空気を加湿する加湿器15がそれぞれ配設されている。また、供給配管11における燃料電池2と加湿器15との間の部位には、流量計F10、圧力計P10、及び湿度計H10が設けられている。
The
また、加湿器15は、排出配管12上にも配置されるように設けられており、これにより、圧送される空気と空気オフガスとの間で水分交換を行う。水分交換後の空気は、供給配管11を介して燃料電池2に送られ、燃料電池2での発電に供される。排出配管12における加湿器15と燃料電池2との間の部位には、燃料電池2内の空気の圧力を調整する背圧調整弁16が設置されている。排出配管12を流れる空気オフガスは、その背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、最終的にシステム外の大気中に排気される。さらに、排出配管12における燃料電池2と背圧調整弁16との間の部位には、圧力計P11及び温度計T11(ガス温度測定部)が設けられている。
Moreover, the
また、燃料電池システム1には、高圧の水素ガスを貯蔵した水素供給源としての高圧タンク21と、高圧タンク21の水素ガスを燃料電池2に供給する供給配管22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(未反応の水素ガス;排出ガス)を供給配管22に戻すための循環配管23と、循環配管23の水素オフガスを供給配管22に還流させる水素ポンプ24と、循環配管23に分岐接続され且つ下流端が空気供給系3の排出配管12に接続された排出配管25とを有する水素ガス供給系4が接続されている。
Also, the
供給配管22の上流側には、高圧タンク21からの新たな水素ガスの圧力を調整するレギュレータ27が介設され、レギュレータ27の下流側の合流点Aに循環配管23が接続されている。合流点Aで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池2に供給される。また、供給配管22における燃料電池2と合流点Aとの間の部位には、流量計F20、圧力計P20、及び湿度計H20が設けられている。
A
循環配管23の水素ポンプ24の上流側には、循環配管23を流れる水素オフガスから水分を分離させる気液分離器30が介設されている。循環配管23を流れる流体には、燃料電池2から排出される水素オフガスと、燃料電池2での電気化学反応によって生成された生成水が含まれている。気液分離器30では、この生成水たる水分を水素オフガスから分離させる。気液分離器30で分離された水素オフガスは水素ポンプ24によって合流点Aに達する一方、気液分離器30で分離された水分は、ドレイン弁31を介して流体配管32から空気供給系3の排出配管12に排出される。
A gas-
流体配管32は、上流端が気液分離器30のドレイン弁31に接続され、下流端が空気供給系3の排出配管12に接続されており、気液分離器30で分離された水分を排出配管12に流入させる配管として機能する。さらに、循環配管23における燃料電池2と気液分離器30との間の部位には、圧力計P21及び温度計T21(ガス温度測定部)が設けられている。
The
排出配管25には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁33が設けられている。パージ弁33が燃料電池システム1の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に排出配管25を通って、酸素系の排出配管12に排出される。排出配管25を設けることで、水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素の濃度を上げることができる。排出配管25を流れる流体には、気液分離器30を設けてはいるものの、この種の不純物のほかに水分が含有されている。すなわち、排出配管25は、これに流れる水分を含む流体を空気供給系3の排出配管12に流入させる流体配管として機能する。
The
また、燃料電池2には、DC−DCコンバータ及び蓄電部(共に図示せず)を有する出力系5が図示しないサービスプラグを介して接続されている。さらに、燃料電池システム1は、CPUやMPU、及び記憶装置等を有する演算処理・記憶部91と入出力インターフェイス92を有し、且つ、その入出力インターフェイス92を介して空気供給系3、水素ガス供給系4、及び出力系5に接続された制御部9(水分量積算部)を備えている。
In addition, an
なお、演算処理・記憶部91では、後述するように種々の演算が行われ、それらの各演算における計算結果及び水分量の積算値が、逐次記憶装置に記憶されるようになっている。この記憶装置としては、例えば、書き換え可能なメモリ装置が挙げられ、後述するようにこの記憶装置に記憶された水分量の積算値は、所定の条件下で初期化される。
In the arithmetic processing /
また、この制御部9には、上述した流量計F10,F20、圧力計P10,P11,P20,P21、湿度計H10,H20、及び温度計T11,T21が、入出力インターフェイス92を介して接続されている。
Further, the flowmeters F10 and F20, the pressure gauges P10, P11, P20, and P21, the hygrometers H10 and H20, and the thermometers T11 and T21 are connected to the control unit 9 via the input /
このように構成された燃料電池システム1の運転方法の一実施形態について以下に説明する。図2は、本実施形態の運転方法の手順を示すフロー図である。まず、燃料電池システム1の運転が開始されると、単位時間当たりの燃料電池2への流入水分量、燃料電池2内での生成水分量、及び燃料電池2からの排出水分量を算出する(ステップSP11)。
One embodiment of the operation method of the
具体的には、燃料電池2に空気及び水素ガスの供給が開始され燃料電池2が運転状態になると、空気の供給配管11に設けられた流量計F10、圧力計P10、及び湿度計H10により、燃料電池2に流入する空気の流量f(air-in)、圧力p(air-in)、及び湿度h(air-in)を測定する。また、空気の排出配管12に設けられた圧力計P11、及び温度計T11により、燃料電池2から排出される空気の圧力p(air-out)、及び温度t(air-out)を測定する。
Specifically, when the supply of air and hydrogen gas to the
同様に、水素ガスの供給配管22に設けられた流量計F20、圧力計P20、及び湿度計H20により、燃料電池2に流入する水素ガスの流量f(hyd-in)、圧力p(hyd-in)、及び湿度h(hyd-in)を測定する。また、水素ガスの循環配管23に設けられた圧力計P21、及び温度計T21により、燃料電池2から排出される水素ガスの圧力p(hyd-out)、及び温度t(hyd-out)を測定する。
Similarly, the flow rate f (hyd-in) and pressure p (hyd-in) of the hydrogen gas flowing into the
なお、排出される空気の温度t(air-out)の測定、及び排出される水素ガスの温度t(hyd-out)の測定が、いずれも本発明におけるガス温度測定ステップに相当する。 The measurement of the temperature t (air-out) of the discharged air and the measurement of the temperature t (hyd-out) of the discharged hydrogen gas both correspond to the gas temperature measurement step in the present invention.
空気及び水素ガスに対するこれら物理量の実測値信号は、連続的に又は所定時間間隔で断続的に制御部9へ出力される。また、出力系5では、燃料電池2の発電によって得られる発電電流Iが測定され、その実測値信号が制御部9へ出力される。
The measured value signals of these physical quantities for air and hydrogen gas are output to the control unit 9 continuously or intermittently at predetermined time intervals. In the
制御部9では、それらの実測値信号に基づいて、種々の演算が行われる。すなわち、空気の流入流量f(air-in)、及び流入圧力p(air-in)から、燃料電池2に単位時間あたりに流入する空気の体積(量)が求められ、これと湿度h(air-in)から、空気によって燃料電池2の内部に単位時間あたりに持ち込まれる(流入する)水分量W(air-in)を算出する。また、水素ガスの流入流量f(hyd-in)、及び流入圧力p(hid-in)から、燃料電池2に単位時間あたりに流入する水素ガスの体積(量)が求められ、これと湿度h(air-in)から、水素ガスによって燃料電池2の内部に単位時間あたりに持ち込まれる(流入する)水分量W(hyd-in)を算出する。
In the control unit 9, various calculations are performed based on those actually measured value signals. That is, the volume (amount) of air flowing into the
さらに、発電電流Iは、燃料電池2の内部で単位時間に消費される空気に含まれる酸素ガスの量及び水素ガスの量と相関するので、発電電流Iから、燃料電池2の内部で消費される空気流量及び水素ガス流量(ともに消費流量)を算出する。そして、それらの消費流量と、燃料電池2への空気の流入流量f(air-in)及び水素ガスの流入流量f(hyd-in)との差分が、それぞれ燃料電池2からの空気の排出流量f(air-out)及び水素ガスの排出流量f(hyd-out)として算定される。
Furthermore, since the generated current I correlates with the amount of oxygen gas and hydrogen gas contained in the air consumed per unit time inside the
また、そうして得られた空気の排出流量f(air-out)と実測された排出圧力p(air-out)とから、燃料電池2から単位時間あたりに排出される空気の体積(量)を求め、これと、温度t(air-out)における飽和水蒸気圧(飽和水蒸気量)とから、燃料電池2の内部から空気によって単位時間あたりに気体成分として持ち出される(排出される)水分量Wv(air-out)を算出する。
Further, the volume (amount) of air discharged from the
同様に、上記の如く得られた水素ガスの排出流量f(hyd-out)と実測された排出圧力p(hyd-out)とから、燃料電池2から単位時間あたりに排出される空気の体積(量)を求め、これと、温度t(hyd-out)における飽和水蒸気圧(飽和水蒸気量)とから、燃料電池2の内部から水素ガスによって単位時間あたりに気体成分として持ち出される(排出される)水分量Wv(hyd-out)を算出する。
Similarly, the volume of air discharged from the
またさらに、前述の如く、発電電流Iは、燃料電池2の内部で単位時間に消費される空気に含まれる酸素ガスの量及び水素ガスの量と相関するので、発電電流Iから、化学量論的に、燃料電池2における生成水量Wgを算出する。なお、水の生成は、空気が供給される空気供給系3のカソード側で起こるが、その生成水は、時間の経過(燃料電池の運転停止中にあっては放置時間;間欠運転時の停止時間を含む)と共に、固体電解質層を通して、水素ガスが供給される水素ガス供給系4のアノード側へ拡散する傾向にある。そこで、カソード側からアノード側への生成水の拡散率(移行率)を予め取得しておき、実際の運転時には経過時間を考慮してアノード側へ移行した生成水量Wg(hyd)を算出し、生成水量WgからこのWg(hyd)を減じてカソード側に留まる生成水量Wg(air)を算出する。
Furthermore, as described above, the generated current I correlates with the amount of oxygen gas and the amount of hydrogen gas contained in the air consumed per unit time inside the
それから、このようにして算出されたW(air-in)及びWg(air)を合算してカソード側における単位時間あたりの水分の増加量を算出し、W(hyd-in)及びWg(hyd)を合算してアノード側における単位時間あたりの水分の増加量を算出する。また、Wv(air-out)及びWv(hyd-out)は、それぞれカソード側及びアノード側における単位時間あたりの水分の減少量(但し、気体成分として排出される水分量)に相当する。そして、必要に応じて、そのように得られた水分の増加量から減少量を減じることにより、燃料電池2のカソード側及びアノード側における水収支の正・負が判断される。
Then, the amount of water increase per unit time on the cathode side is calculated by adding the W (air-in) and Wg (air) calculated in this way, and W (hyd-in) and Wg (hyd) are calculated. Is added to calculate the amount of increase in moisture per unit time on the anode side. Wv (air-out) and Wv (hyd-out) correspond to the amount of water decrease per unit time (however, the amount of water discharged as a gas component) on the cathode side and anode side, respectively. Then, if necessary, the positive / negative of the water balance on the cathode side and the anode side of the
この水収支が負(マイナス)であれば、燃料電池2から気体成分として排出される水分量が、燃料電池2へ流入した水分とその内部で生成した水分の合計量よりも多いことを示すので、通常、燃料電池2の内部の空気及び水素ガスは過飽和とはなっておらず、水分が凝縮により液滴化する等して液体成分として存在している可能性は低い。
If this water balance is negative (minus), it indicates that the amount of water discharged as a gas component from the
それとは逆に、この水収支が正(プラス)であれば、燃料電池2の内部にある空気及び/又は水素ガスが過飽和となっており、そのため凝縮により液滴化する等して液体成分として存在している可能性が高い。この場合、液体成分として存在する水分は、燃料電池2から排出される空気及び水素ガスによって燃料電池2の外部へ排出され得る。
On the other hand, if this water balance is positive (plus), the air and / or hydrogen gas inside the
そこで、この水収支が正(プラス)の場合には、上記のように算出された排出される空気の排出流量f(air-out)及び水素ガスの排出流量f(hyd-out)、又は燃料電池2の発電電流Iに基づいて、燃料電池2から空気によって液体成分として排出される水分量Wl(air-out)及び水素ガスによって液体成分として排出される水分量Wl(hyd-out)、又はそれらの合計量を算出する。
Therefore, when the water balance is positive (plus), the discharge flow rate f (air-out) of the discharged air and the discharge flow rate f (hyd-out) of hydrogen gas calculated as described above, or the fuel Based on the generated current I of the
この場合、具体的には、まず、燃料電池システム1の運転に先立って、空気の排出流量f(air-out)及び水素ガスの排出流量f(hyd-out)、又は燃料電池2の発電電流Iを種々変化させ、そのとき燃料電池2から液体成分として排出される水分量を測定し、それらの関係を予め取得しておく。それから、得られた関係を、例えば、表データや数式データとして制御部9の演算処理・記憶部91に記憶させておき、燃料電池システム1の実際の運転時に、実測値に基づいて算出された空気の排出流量f(air-out)及び水素ガスの排出流量f(hyd-out)、又は実測された発電電流Iを、その記憶させたデータに当てはめることにより、水分量Wl(air-out)及び水分量Wl(hyd-out)、又はその合計量を算定することができる。
In this case, specifically, prior to the operation of the
ここで、図3は、燃料電池2からの空気の排出流量f(air-out)及び水素ガスの排出流量f(hyd-out)(単位は例えばL/min)と、それぞれのガスによって液体成分として排出される水分量Wl(air-out)及びWl(hyd-out)(単位は、例えばg/min)との関係を示すグラフである。図中、曲線C1,C2は、それぞれ空気及び水素ガスにおける関係を示す。また、図4は、燃料電池2の発電電流Iと、液体成分として排出される水分量の合計量(すなわち、Wl(air-out)+Wl(hyd-out))との関係を示すグラフである。
Here, FIG. 3 shows the discharge flow f (air-out) of air from the
制御部9では、こうして算定された液体成分として排出される水分量Wl(air-out)及びWl(hyd-out)を、それぞれカソード側及びアノード側における上述した気体成分としての水分の減少量Wv(air-out)及びWv(hyd-out)に加え、カソード側(空気供給系3)において排出される水分量W(air-out)、及びアノード側(水素ガス供給系4)において排出される水分量W(hyd-out)を算出する。なお、液体成分として排出される水分量の合計量(Wl(air-out)+Wl(hyd-out))を求めた場合には、予め取得しておいたカソード側からアノード側への水分の拡散率に基づいて、カソード側及びアノード側のそれぞれにおける排出水分量へ割り振ることができる。 In the control unit 9, the water amounts Wl (air-out) and Wl (hyd-out) discharged as liquid components calculated in this way are used as the above-described gas component reduction amounts Wv on the cathode side and anode side, respectively. In addition to (air-out) and Wv (hyd-out), the amount of water W (air-out) discharged on the cathode side (air supply system 3) and the anode side (hydrogen gas supply system 4) Calculate the water content W (hyd-out). When the total amount of water discharged as a liquid component (Wl (air-out) + Wl (hyd-out)) is obtained, the diffusion of moisture from the cathode side to the anode side acquired in advance. Based on the rate, it can be allocated to the amount of discharged water on each of the cathode side and the anode side.
それから、上記のようにして得られた単位時間当たりの各水分量を積算し、カソード側とアノード側毎に水分の増加量から減少量を差し引いて、燃料電池2における水収支すなわちカソード側及びアノード側における積算含水量を計算する(ステップSP12)。このようにステップSP11,SP12から水分量積算ステップが構成されている。
Then, the water amounts per unit time obtained as described above are integrated, and the water balance in the
次に、この積算含水量と、予め設定しておいた所定の値との比較を行い(ステップSP21)、カソード側の積算含水量が所定値以上である場合には空気の供給流量を、また、アノード側の積算含水量が所定値以上である場合には水素ガスの供給量を、例えば、通常負荷よりも高負荷状態に対応する流量(所定値)へと増大させる(ステップSP22)。このようにステップSP21,SP22から初期化ステップが構成されている。 Next, the accumulated water content is compared with a predetermined value set in advance (step SP21). If the accumulated water content on the cathode side is equal to or greater than the predetermined value, the air supply flow rate is When the accumulated water content on the anode side is greater than or equal to a predetermined value, the supply amount of hydrogen gas is increased to, for example, a flow rate (predetermined value) corresponding to a higher load state than the normal load (step SP22). Thus, the initialization step is composed of steps SP21 and SP22.
これにより、燃料電池2の内部に含まれる水分(気体成分+液体成分)を強制的に外部へ排出させ、燃料電池2内の水分量を物理的に初期化する。つまり、水分の累積値(含水量)がゼロとなるように積算値をクリアーする。また、それと共に、各水分量の積算時間も初期化(ゼロクリアー)する。その後、処理をステップSP11へ移行し、再び、同様の処理を繰り返す。
Thereby, the moisture (gas component + liquid component) contained in the
一方、カソード側の積算含水量が所定値未満である場合、又は、アノード側の積算含水量が所定値以上である場合には、そのような強制的な水分の排出を行わず、次のステップSP3へ移行する。 On the other hand, if the cumulative moisture content on the cathode side is less than the predetermined value, or if the cumulative moisture content on the anode side is greater than or equal to the predetermined value, such forced drainage is not performed and the next step Move to SP3.
ステップSP3では、ステップSP1における各水分量の積算時間と、予め設定しておいた所定の値との比較を行い(ステップSP31)、ステップSP1における各水分量の積算時間が所定の値以上である場合に、空気の供給流量及び水素ガスの供給量を、例えば、通常負荷よりも高負荷状態に対応する流量(所定値)へと増大させる(ステップSP32)。このように、ステップSP31,SP32からも初期化ステップが構成されている。また、この場合、水分の蓄積速度の相違を考慮して、カソード側とアノード側でそれぞれ異なる積算時間の所定値を設定することもできる。 In step SP3, the accumulated time of each moisture amount in step SP1 is compared with a predetermined value set in advance (step SP31), and the accumulated time of each moisture amount in step SP1 is greater than or equal to a predetermined value. In this case, the air supply flow rate and the hydrogen gas supply amount are increased to, for example, a flow rate (predetermined value) corresponding to a higher load state than the normal load (step SP32). Thus, the initialization step is also composed of steps SP31 and SP32. In this case, in consideration of the difference in moisture accumulation rate, it is also possible to set a predetermined value for different integration times on the cathode side and the anode side.
これにより、燃料電池2内の含水量が所定の値に達していなくても、一定時間間隔毎に、燃料電池2の内部に含まれる水分(気体成分+液体成分)を強制的に外部へ排出させ、燃料電池2内の水分量を物理的に初期化する。また、それと共に、各水分量の積算時間も初期化(ゼロクリアー)する。その後、処理をステップSP11へ移行し、再び、同様の処理を繰り返す。
Thereby, even if the water content in the
一方、ステップSP1における積算時間が所定値未満の場合には、処理をステップSP11へ移行し、再び、同様の処理を繰り返し、燃料電池システム1の運転停止により一連の処理を終了する。
On the other hand, when the integration time in step SP1 is less than the predetermined value, the process proceeds to step SP11, the same process is repeated again, and the series of processes is terminated by stopping the operation of the
なお、終了時点で得られている燃料電池2の内部の含水量積算値を制御部9に記憶させておき、燃料電池システム1の始動時又は運転再開時の初期値とすることができる。ただし、バッテリークリアー等によって、制御部9に記憶させておいた前回値が消失したような場合には、ステップSP22,SP32における処理と同様にして、燃料電池2の内部に含まれる水分(気体成分+液体成分)を強制的に外部へ排出させ(例えば、燃料電池システム1の始動又は運転再開の際における燃料電池2のイグニッションオンを契機として先ずステップSP22,SP32と同様の処理を実行し)、燃料電池2内の水分量及び積算時間を初期化(リセット)することが望ましい。
In addition, the water content integrated value inside the
或いは、燃料電池2の停止の際に、例えばイグニッションオフを契機としてステップSP22,SP32と同様の処理を実行し、燃料電池システム1の次回の始動又は運転再開に先立って、燃料電池2内の水分量及び積算時間を初期化(リセット)しても好ましい。
Alternatively, when the
このような燃料電池システム1及びその運転方法によれば、時間経過に応じて積算された燃料電池2の内部に含まれる水分量、又はその積算時間が所定の値以上となったときに、燃料電池2の内部の水分を強制的に外部へ排出させて積算値を初期化するので、それまでに累積した誤差が解消される。よって、燃料電池2への供給ガスの流量を増大させる簡易な処理で、精度の高い水収支の計算判定が可能となる。
According to such a
また、このように強制的な水分の排出を行うことにより、燃料電池2におけるフラッディングの発生を有効に防止できる。さらに、カソード側とアノード側のそれぞれにおいて、水分量の積算と強制的な水分の排出を行うので、水収支計算の精度をより向上させることができると共に、フラッディングが相対的に発生し易いカソード側でのフラッディング発生を一層防止することができる。よって、発電効率や始動性をより高めることが可能となる。
In addition, by forcibly discharging moisture in this way, flooding in the
さらに、燃料電池2から排出される水分量として、気体成分として排出される水分量Wv(air-out)及びWv(hyd-out)のみならず、それに加えて液体成分として排出される水分量Wl(air-out)及びWl(hyd-out)を加味するので、燃料電池2の内部の水収支をより正確に把握することができる。
Furthermore, as the amount of water discharged from the
またさらに、従来のように液体成分として排出される水分量を考慮しない場合には、燃料電池の内部の水分量を過大に判定・評価してしまうおそれがあるのに対し、本発明の燃料電池システム1の運転方法によれば、燃料電池2の内部の水分量を適正に判定・評価できる。よって、液体成分の排出による水分の過度な持ち出しに起因して固体高分子電解層の湿潤度が不都合に低下するとか、場合によってはセパレータの乾燥によるドライアウトが生じてしまうといった事態を抑止できる。
Furthermore, when the amount of water discharged as a liquid component is not considered as in the prior art, the amount of water inside the fuel cell may be excessively determined and evaluated, whereas the fuel cell of the present invention According to the operation method of the
さらにまた、制御部9では、燃料電池2の内部温度(スタック温度)、或いは排出される空気及び/又は水素ガスの温度が所定の温度以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定して水収支の計算を行ってもよい。
Furthermore, the control unit 9 determines the amount of water discharged as a liquid component when the internal temperature (stack temperature) of the
本発明者の知見によれば、ある燃料電池2のスタック温度が80℃のときに、排出される空気又は水素ガス中に存在する全水分のうち液滴として存在する水の割合(質量基準)は、概ね5%であった。これに対し、その燃料電池2のスタック温度が20℃のときには、排出される空気又は水素ガス中に存在する全水分のうち液滴として存在する水の割合(質量基準)は、概ね95%であった。
According to the knowledge of the present inventor, when the stack temperature of a
このように、液体成分として含まれる水分量は、排出される空気又は水素ガスの温度が高い場合に比して低い場合の方が大きい傾向にあるので、低温状態の方が、燃料電池2の外部へ持ち去られる液体成分の水分量も増大する傾向にある。その場合、燃料電池2の水収支に与える影響が相対的に大きくなる。よって、燃料電池2或いは排出される空気の温度t(air-out)又は水素ガスの温度t(hyd-out)が所定の温度以下であるときに、上述した液体成分として排出される水分量Wl(air-out)及びWl(hyd-out)を算定すれば、そのような低温時における燃料電池2の水収支及び内部の湿潤状態をより正確に判断できるので、燃料電池システム1の運転性能を一層向上させることができる。
Thus, the amount of water contained as the liquid component tends to be larger when the temperature of the discharged air or hydrogen gas is lower than when the temperature of the discharged air or hydrogen gas is high. There is also a tendency for the water content of the liquid component carried away to the outside to increase. In that case, the influence on the water balance of the
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ステップSP2及びSP3のいずれか一方のみ実施してもよく、両方実施する場合には、ステップSP3をステップSP2よりも先に実行しても構わない。また、排出配管12,23に流量計及び湿度計を設けて、それらの実測値と圧力の実測値により空気及び水素ガスの排出流量を算出してもよい。さらに、湿度計H10,H20に代えて、露点計等を設けて空気及び水素ガス中の水分含有量を実測してもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible in the limit which does not change the summary. For example, only one of steps SP2 and SP3 may be performed, and when both are performed, step SP3 may be executed before step SP2. Further, a flow meter and a hygrometer may be provided in the
またさらに、空気供給系3及び水素ガス供給系4の両方において、液体成分として排出される水分量を加味した水収支の計算、及び水分の強制的な排出を行うことが好ましいが、いずれか一方のみにおいて実施しても構わず、その場合、生成水によるフラッディングが比較的生じ易い空気供給系3のカソード極側において実施することが好ましい。 Furthermore, in both the air supply system 3 and the hydrogen gas supply system 4, it is preferable to calculate the water balance in consideration of the amount of water discharged as a liquid component and forcibly discharge the water. However, in this case, it is preferable to carry out on the cathode side of the air supply system 3 where flooding due to the generated water is relatively likely to occur.
さらにまた、燃料電池2の温度を上昇させて内部の水分を気化させたり、加湿器15による空気の加湿を停止したりすることにより、燃料電池2内の水分を外部へ排出させてもよい。また、燃料電池2への流入水分量、燃料電池2内での生成水分量、及び燃料電池2からの排出水分量の全てを積算しなくともよく、これらのうち少なくともいずれか1つの水分量を積算し、それに基づいて水収支を判定しても構わない。
Furthermore, the moisture in the
なお、本発明の燃料電池システムの運転方法及びそれが適用される燃料電池システム1は、車両や携帯機器等の移動体に搭載することはもちろん、例えば、燃料電池2を定置用として、燃料電池システム1をコージェネレーション(熱電併給)システムに組み入れることもでき、コージェネレーションシステムについては、商用はもちろんのこと家庭用住居にも導入することが可能である。
The fuel cell system operation method of the present invention and the
本発明による燃料電池システムによれば、燃料電池内の水収支を判定する際に、簡便な方法で誤差を低減でき、しかもフラッディングを有効に防止して運転効率を高めることができるので、車両や携帯機器等の移動体に搭載することはもちろん、燃料電池を定置用として用いる商用及び家庭用のコージェネレーション(熱電併給)システム等の設備等にも広く利用することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when determining the water balance in the fuel cell, errors can be reduced by a simple method, and flooding can be effectively prevented to increase driving efficiency. In addition to being mounted on a mobile body such as a portable device, it can be widely used for facilities such as commercial and household cogeneration systems that use fuel cells as stationary devices.
1…燃料電池システム、2…燃料電池、3…空気供給系、4…水素ガス供給系、5…出力系、9…制御部、11,22…供給配管、12,23,25…排出配管、13…フィルタ、14…コンプレッサ、15…加湿器、16…背圧調整弁、21…高圧タンク、23…循環配管、24…水素ポンプ、27…レギュレータ、30…気液分離器、31…ドレイン弁、32…流体配管、33…パージ弁、91…演算処理・記憶部、92…入出力インターフェイス、A…合流点、F10,F20…流量計、H10,H20…湿度計、P10,P11,P20,P21…圧力計、T11,T21…温度計。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、前記水分量の積算値を初期化する初期化ステップと、
を備える燃料電池システムの運転方法。 The amount of water flowing into the fuel cell, the amount of water generated in the fuel cell, and the amount of water discharged from the fuel cell are integrated, and at least from the integrated amount of water A moisture amount integrating step for calculating an integrated value of the amount of moisture contained in the fuel cell;
An initialization step of forcibly discharging moisture contained in the fuel cell to the outside and initializing an integrated value of the amount of water;
A method for operating a fuel cell system comprising:
請求項1記載の燃料電池システムの運転方法。 Performing the initialization step at the time of starting the fuel cell or the fuel cell system or prior to the moisture amount integrating step;
The operation method of the fuel cell system according to claim 1.
請求項1記載の燃料電池システムの運転方法。 Executing the initialization step when the integrated value calculated in the moisture content integrating step is equal to or greater than a predetermined value;
The operation method of the fuel cell system according to claim 1.
請求項1記載の燃料電池システムの運転方法。 The initialization step is performed when the integration time in the moisture amount integration step is a predetermined value or more, and in the initialization step, the integration time is also initialized.
The operation method of the fuel cell system according to claim 1.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。 In the initialization step, the flow rate of the gas supplied into the fuel cell is increased to a predetermined value or more.
The operation method of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。 In the moisture amount integrating step, as the amount of moisture discharged from the fuel cell, a moisture amount discharged as a gas component from the fuel cell and a moisture amount discharged as a liquid component are calculated.
The operation method of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
前記水分量積算ステップにおいては、前記温度が所定の値以下であるときに、前記液体成分として排出される水分量を算定する、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。 A gas temperature measuring step for measuring the temperature of the fuel cell or the gas discharged from the fuel cell;
In the moisture amount integrating step, when the temperature is equal to or lower than a predetermined value, the amount of moisture discharged as the liquid component is calculated.
The operation method of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 6.
請求項5〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。 In the initialization step, the gas supplied into the fuel cell is an oxidizing gas.
The operation method of the fuel cell system according to any one of claims 5 to 7.
前記燃料電池へ流入する水分量、該燃料電池内で生成される水分量、及び該燃料電池から排出される水分量のうち少なくともいずれか1つの水分量が積算され、少なくとも該積算された水分量から該燃料電池の内部に含まれる水分量の積算値が算出される水分量積算部と、
前記燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、前記水分量の積算値を初期化する初期化部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell;
At least one of the moisture amount flowing into the fuel cell, the moisture amount generated in the fuel cell, and the moisture amount discharged from the fuel cell is accumulated, and at least the accumulated moisture amount A moisture amount integrating unit for calculating an integrated value of the amount of moisture contained in the fuel cell from
An initializing unit for forcibly discharging the moisture contained in the fuel cell to the outside and initializing the integrated value of the moisture amount;
A fuel cell system comprising:
請求項9記載の燃料電池システム。 The initialization unit, when starting the fuel cell or the fuel cell system, when the integrated value calculated by the moisture amount integrating unit is equal to or greater than a predetermined value, or the integration time in the moisture amount integrating step Is forcibly draining the moisture contained in the fuel cell to the outside when the value is equal to or greater than a predetermined value.
The fuel cell system according to claim 9.
請求項9又は10に記載の燃料電池システム。 The initialization unit is for increasing the flow rate of gas supplied into the fuel cell to a predetermined value or more.
The fuel cell system according to claim 9 or 10.
請求項9〜11のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The moisture amount integration unit calculates the moisture amount discharged as a gas component and the moisture amount discharged as a liquid component from the fuel cell as the moisture amount discharged from the fuel cell.
The fuel cell system according to any one of claims 9 to 11.
前記水分量積算部は、前記温度が所定の値以下であるときに、前記液体成分として排出される水分量を算定するものである、
請求項9〜12のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
A gas temperature measuring unit for measuring the temperature of the fuel cell or the gas discharged from the fuel cell;
The moisture amount integrating unit calculates the amount of moisture discharged as the liquid component when the temperature is equal to or lower than a predetermined value.
The fuel cell system according to any one of claims 9 to 12.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005235512A JP2007052937A (en) | 2005-08-15 | 2005-08-15 | Fuel cell system and its operation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005235512A JP2007052937A (en) | 2005-08-15 | 2005-08-15 | Fuel cell system and its operation method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007052937A true JP2007052937A (en) | 2007-03-01 |
Family
ID=37917245
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005235512A Pending JP2007052937A (en) | 2005-08-15 | 2005-08-15 | Fuel cell system and its operation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007052937A (en) |
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009004291A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-08 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and performance recovery method therefor |
JP2009252511A (en) * | 2008-04-04 | 2009-10-29 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2009301771A (en) * | 2008-06-11 | 2009-12-24 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2013008497A (en) * | 2011-06-23 | 2013-01-10 | Nippon Soken Inc | Fuel cell system and controlling method of fuel cell system |
WO2013076556A1 (en) | 2011-11-22 | 2013-05-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method for controlling fuel cell system |
WO2013088463A1 (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | トヨタ自動車株式会社 | Method for estimating amount of liquid water inside fuel cell, method for estimating amount of liquid water discharged from fuel cell, device for estimating amount of liquid water inside fuel cell, and fuel cell system |
JP2013541135A (en) * | 2010-08-31 | 2013-11-07 | ユーティーシー パワー コーポレイション | Hydration of fuel cells |
JP2014006973A (en) * | 2012-06-21 | 2014-01-16 | Aisin Seiki Co Ltd | Fuel cell system |
DE102014222199A1 (en) | 2013-11-05 | 2015-05-07 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and control method for it |
EP2924791A1 (en) | 2014-03-25 | 2015-09-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and water content control method of fuel cell |
JP2016081694A (en) * | 2014-10-16 | 2016-05-16 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP2016143621A (en) * | 2015-02-04 | 2016-08-08 | トヨタ自動車株式会社 | Break-in system for fuel battery |
US10593971B1 (en) | 2018-11-06 | 2020-03-17 | Nuvera Fuel Cells, LLC | Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell |
WO2020096574A1 (en) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | Nuvera Fuel Cells, LLC | Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell |
CN113711401A (en) * | 2018-11-30 | 2021-11-26 | 燃料电池能有限公司 | Fuel cell grading for molten carbonate fuel cells |
US11843150B2 (en) | 2018-11-30 | 2023-12-12 | ExxonMobil Technology and Engineering Company | Fuel cell staging for molten carbonate fuel cells |
US11888199B2 (en) | 2019-11-26 | 2024-01-30 | ExxonMobil Technology and Engineering Company | Operation of molten carbonate fuel cells with high electrolyte fill level |
US11888187B2 (en) | 2018-11-30 | 2024-01-30 | ExxonMobil Technology and Engineering Company | Operation of molten carbonate fuel cells with enhanced CO2 utilization |
-
2005
- 2005-08-15 JP JP2005235512A patent/JP2007052937A/en active Pending
Cited By (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009004291A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-08 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and performance recovery method therefor |
JP2009252511A (en) * | 2008-04-04 | 2009-10-29 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2009301771A (en) * | 2008-06-11 | 2009-12-24 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
US9564644B2 (en) | 2010-08-31 | 2017-02-07 | Audi Ag | Hydrating a fuel cell |
JP2013541135A (en) * | 2010-08-31 | 2013-11-07 | ユーティーシー パワー コーポレイション | Hydration of fuel cells |
JP2013008497A (en) * | 2011-06-23 | 2013-01-10 | Nippon Soken Inc | Fuel cell system and controlling method of fuel cell system |
WO2013076556A1 (en) | 2011-11-22 | 2013-05-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method for controlling fuel cell system |
WO2013088463A1 (en) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | トヨタ自動車株式会社 | Method for estimating amount of liquid water inside fuel cell, method for estimating amount of liquid water discharged from fuel cell, device for estimating amount of liquid water inside fuel cell, and fuel cell system |
JP2014006973A (en) * | 2012-06-21 | 2014-01-16 | Aisin Seiki Co Ltd | Fuel cell system |
DE102014222199A1 (en) | 2013-11-05 | 2015-05-07 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and control method for it |
US9728798B2 (en) | 2013-11-05 | 2017-08-08 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and control method for the same |
EP2924791A1 (en) | 2014-03-25 | 2015-09-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and water content control method of fuel cell |
KR101807918B1 (en) * | 2014-10-16 | 2017-12-11 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | Fuel cell system |
JP2016081694A (en) * | 2014-10-16 | 2016-05-16 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
US10103394B2 (en) | 2014-10-16 | 2018-10-16 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system programmed for improved air compressor control |
JP2016143621A (en) * | 2015-02-04 | 2016-08-08 | トヨタ自動車株式会社 | Break-in system for fuel battery |
US10593971B1 (en) | 2018-11-06 | 2020-03-17 | Nuvera Fuel Cells, LLC | Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell |
WO2020096574A1 (en) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | Nuvera Fuel Cells, LLC | Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell |
US11081711B2 (en) | 2018-11-06 | 2021-08-03 | Nuvera Fuel Cells, LLC | Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell |
JP2022517705A (en) * | 2018-11-06 | 2022-03-10 | ヌヴェラ・フュエル・セルズ,エルエルシー | Methods and systems for controlling water imbalances in electrochemical cells |
CN113711401A (en) * | 2018-11-30 | 2021-11-26 | 燃料电池能有限公司 | Fuel cell grading for molten carbonate fuel cells |
CN113711401B (en) * | 2018-11-30 | 2023-09-01 | 燃料电池能有限公司 | Fuel cell classification for molten carbonate fuel cells |
US11843150B2 (en) | 2018-11-30 | 2023-12-12 | ExxonMobil Technology and Engineering Company | Fuel cell staging for molten carbonate fuel cells |
US11888187B2 (en) | 2018-11-30 | 2024-01-30 | ExxonMobil Technology and Engineering Company | Operation of molten carbonate fuel cells with enhanced CO2 utilization |
US11888199B2 (en) | 2019-11-26 | 2024-01-30 | ExxonMobil Technology and Engineering Company | Operation of molten carbonate fuel cells with high electrolyte fill level |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2007052937A (en) | Fuel cell system and its operation method | |
JP2007052936A (en) | Fuel cell system | |
CA2552705C (en) | Fuel cell system and control method of fuel cell system | |
US8195407B2 (en) | Online method to estimate hydrogen concentration estimation in fuel cell systems at shutdown and startup | |
JP2006210004A (en) | Fuel cell system | |
JP2005141943A (en) | Fuel cell system | |
JP2008103137A (en) | Fuel cell system and its membrane moisture content control method | |
JP5003792B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2002352827A (en) | Fuel cell system | |
JP5123568B2 (en) | Fuel cell system and air flow control method thereof | |
JP7312283B2 (en) | Fuel cell stack degradation determination method and fuel cell vehicle equipped with fuel cell stack | |
JP2007157414A (en) | Fuel cell system, and moisture content measurement method of fuel cell | |
JP2007165103A (en) | Fuel cell system, its operation method, and movable body | |
JP2008234970A (en) | Fuel cell system | |
JP4797346B2 (en) | Fuel cell system | |
US20230074636A1 (en) | Apparatus and method for estimating an amount of condensed water in an anode of a fuel cell system and method of controlling a drain valve using same | |
CN116742069A (en) | Fuel cell system and valve control method for fuel cell system | |
JP4831938B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2006040610A (en) | Fuel cell system | |
JP2013246935A (en) | Fuel cell system | |
JP2012059557A (en) | Fuel cell system | |
JP2004349067A (en) | Fuel cell system | |
JP2005085537A (en) | Fuel cell system | |
CN117154154B (en) | Cathode purging time determination method and device, electronic equipment and fuel cell | |
JP2005174649A (en) | Humidifier for fuel cell |