JP2008078101A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池システムに係り、特に車両の搭載に適した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system suitable for mounting on a vehicle.
従来、例えば、特開2005−243477号公報に開示されるように、アノードガスを内部に留める型の燃料電池システムが開示されている。アノードガスの主成分は水素ガスである。燃料電池の動作の際、カソードガスとアノードガスが供給され、電池の発電に伴い、カソード側で水が生成される。カソード側の水の一部は、アノード側へ浸透する。さらに、カソードガスに含まれる窒素などのガスの一部は、燃料電池のアノード側へ浸透する。アノードガスを内部に留める型の燃料電池システムでは、燃料電池の稼動時間の経過と共に、水や窒素などの不純物が燃料電池のアノード側に溜まり易い。燃料電池内部に不純物が多いと、電池の動作が妨げられ、電池の性能が低下してしまう。そこで、上記従来の技術では、燃料電池内部の不純物濃度が上昇した際に、燃料電池の不純物を含むアノードガスの一時的な排出を行っていた。 Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-243477, a fuel cell system of a type in which an anode gas is kept inside has been disclosed. The main component of the anode gas is hydrogen gas. During the operation of the fuel cell, cathode gas and anode gas are supplied, and water is generated on the cathode side as the battery generates power. A part of the water on the cathode side penetrates to the anode side. Furthermore, part of the gas such as nitrogen contained in the cathode gas penetrates into the anode side of the fuel cell. In the fuel cell system of the type in which the anode gas is kept inside, impurities such as water and nitrogen tend to accumulate on the anode side of the fuel cell as the operating time of the fuel cell elapses. When there are many impurities inside the fuel cell, the operation of the battery is hindered, and the performance of the battery is degraded. Therefore, in the above conventional technique, when the impurity concentration inside the fuel cell is increased, the anode gas containing impurities of the fuel cell is temporarily discharged.
しかし、アノードガスには水素ガスを含むため、アノードガスの排出を多量に行うことはできない。よって、上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池内部に不純物が残ってしまうおそれがあった。 However, since the anode gas contains hydrogen gas, the anode gas cannot be discharged in a large amount. Therefore, in the conventional fuel cell system, there is a possibility that impurities remain inside the fuel cell.
よって、この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水素ガスの排出を少なく抑えつつ、燃料電池内部の不純物を排出しやすい燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system that easily discharges impurities inside the fuel cell while suppressing the discharge of hydrogen gas to a small extent. .
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池のアノードガスを排出する管路と、前記管路に備えられ、前記燃料電池内部に圧力変動を起こす第1の流量でアノードガスを排出する第1流通手段と、前記管路に備えられ、第1の流量より少ない第2の流量でアノードガスを排出する第2流通手段と、前記第1流通手段と前記第2流通手段とを切り替える切り替え手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system, comprising a fuel cell, a conduit for discharging anode gas of the fuel cell, the conduit, and a pressure inside the fuel cell. A first flow means for discharging the anode gas at a first flow rate causing fluctuations; a second flow means for discharging the anode gas at a second flow rate less than the first flow rate provided in the conduit; And switching means for switching between the first distribution means and the second distribution means.
第2の発明は、第1の発明において、前記第1の流量でガス流通を行う第1バルブと、前記第2の流量でガス流通を行う第2バルブとを備え、前記第1流通手段は第1バルブを含み、前記第2流通手段は第2バルブを含むことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the first valve includes a first valve that circulates gas at the first flow rate, and a second valve that circulates gas at the second flow rate. A second valve is included, and the second flow means includes a second valve.
第3の発明は、第1の発明において、前記第1の流量でガス流通を行う第1バルブを備え、前記第1流通手段は前記第1バルブと前記第1バルブを連続的に流通させる手段を含み、前記第2流通手段は前記第1バルブと前記第1バルブを断続的に流通させる手段を含むことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the first valve includes a first valve that circulates the gas at the first flow rate, and the first flow means is a means for continuously flowing the first valve and the first valve. The second circulation means includes means for intermittently circulating the first valve and the first valve.
第4の発明は、第1−3の発明のうちのいずれか1つに記載の燃料電池システムであって、前記第1の流量は、前記燃料電池内部の液体状の不純物に初動を与える圧力変動を起こす流量であることを特徴とする。 A fourth invention is the fuel cell system according to any one of the first to third inventions, wherein the first flow rate is a pressure that gives initial action to liquid impurities inside the fuel cell. It is characterized by a flow rate that causes fluctuations.
第5の発明は、第1−4の発明のうちのいずれか1つに記載の燃料電池システムであって、前記第2の流量は、前記燃料電池内部の主に気体状の不純物を排出させる流量であることを特徴とする。 A fifth invention is the fuel cell system according to any one of the first to fourth inventions, wherein the second flow rate causes mainly gaseous impurities inside the fuel cell to be discharged. It is a flow rate.
第6の発明は、第1−5のいずれか1つに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電を検出する発電検出手段をさらに備え、前記切り替え手段は、前記燃料電池の発電の増加を検出したとき、第1流通手段に切り替えること含むことを特徴とする。 6th invention is a fuel cell system as described in any one of 1-5, Comprising: The electric power generation detection means which detects the electric power generation of the said fuel cell is further provided, The said switching means is the electric power generation of the said fuel cell. Switching to the first distribution means when an increase is detected.
第7の発明は、第1−6のいずれか1つに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の起動を検出する起動検出手段をさらに備え、前記切り替え手段は、前記燃料電池の起動を検出したとき、前記第1流通手段に切り替えることを含むことを特徴とする。 A seventh invention is the fuel cell system according to any one of the first to sixth aspects, further comprising activation detection means for detecting activation of the fuel cell, wherein the switching means is activation of the fuel cell. Switching to the first distribution means when it is detected.
第1の発明によれば、燃料電池内部に圧力変動を与え、不純物を排出されやすくする。そして、第1の流量より少ない第2の流量での排出に切り替えても、燃料電池内部の不純物を十分に排出することができる。さらには、第2の流量の排出では、第1流量より少ない流量で排出することから、水素ガスの排出を抑えることができる。したがって、本発明によれば、水素ガスの排出を少なく抑えつつ、燃料電池内部の不純物を適度に排出することできる。 According to the first aspect of the invention, pressure fluctuation is given to the inside of the fuel cell, and impurities are easily discharged. And even if it switches to discharge | emission by the 2nd flow rate smaller than a 1st flow rate, the impurity inside a fuel cell can fully be discharged | emitted. Furthermore, since the second flow rate is discharged at a flow rate lower than the first flow rate, the discharge of hydrogen gas can be suppressed. Therefore, according to the present invention, it is possible to appropriately discharge impurities inside the fuel cell while suppressing the discharge of hydrogen gas to a small amount.
第2の発明によれば、第1バルブで圧力変動を生じさせる排出を行う。そして、第2バルブで、アノードガスの流出を少なく抑えた不純物の排出を行う。 According to the second aspect of the invention, the first valve performs discharge that causes a pressure fluctuation. Then, the second valve discharges impurities while suppressing the outflow of the anode gas.
第3の発明によれば、第1バルブを連続的に流通させることで、第1の流量での排出を行う。さらには、第1バルブを断続的に流通させることで、第2の流量での排出を行う。本発明では、第1の流量と第2の流量での排出を、単一のバルブを用いて行うことができる。 According to the third invention, the first valve is continuously circulated to discharge at the first flow rate. Furthermore, by discharging the first valve intermittently, discharging at the second flow rate is performed. In the present invention, discharge at the first flow rate and the second flow rate can be performed using a single valve.
第4の発明によれば、第1の流量での排出では、燃料電池内部の液体の不純物に初動を与える。液体の不純物は、燃料電池内部に滞留しやすいため、燃料電池の電池性能を妨げやすい。よって、本発明によれば、液体の不純物に初動を与える流量での排出を行うことで、液体の不純物を排出しやすくする。さらには、初動を与えられた液体の不純物は、第2の流量での排出でも、十分に排出できる。したがって、本発明によれば、燃料電池内部の不純物をより多く排出できる。 According to the fourth aspect of the invention, the discharge at the first flow rate gives an initial action to the liquid impurities inside the fuel cell. Since liquid impurities are likely to stay inside the fuel cell, the cell performance of the fuel cell tends to be hindered. Therefore, according to the present invention, the liquid impurities can be easily discharged by discharging the liquid impurities at a flow rate that gives an initial motion to the liquid impurities. Furthermore, the liquid impurities given the initial motion can be sufficiently discharged even when discharged at the second flow rate. Therefore, according to the present invention, more impurities inside the fuel cell can be discharged.
第5の発明によれば、第2の流量は、燃料電池内部の主に気体状の不純物の排出を行う流量である。第2の流量で気体状の不純物を排出することで、燃料電池内部の不純物を少なくできる。 According to the fifth invention, the second flow rate is a flow rate for discharging mainly gaseous impurities inside the fuel cell. By discharging gaseous impurities at the second flow rate, impurities inside the fuel cell can be reduced.
第6の発明によれば、燃料電池の発電量が増加した際には、アノードガスの排出を行い、燃料電池内部に圧力変動を与え、不純物を排出しやすくする。燃料電池の発電量が増加するときには、燃料電池の性能の向上が特に求められる。このとき、本発明によれば、燃料電池の発電量の増加を検知したときに、効果的に不純物の排出を行い、燃料電池の電池性能を向上することができる。 According to the sixth aspect of the invention, when the power generation amount of the fuel cell increases, the anode gas is discharged, pressure fluctuation is given to the inside of the fuel cell, and impurities are easily discharged. When the amount of power generated by the fuel cell increases, it is particularly required to improve the performance of the fuel cell. At this time, according to the present invention, when an increase in the power generation amount of the fuel cell is detected, impurities are effectively discharged, and the cell performance of the fuel cell can be improved.
第7の発明によれば、燃料電池の起動時には、アノードガスの排出を行い、燃料電池内部に圧力変動を与え、不純物を排出しやすくする。燃料電池の起動時には、燃料電池内部に不純物が溜まりやすい。本発明によれば、燃料電池の起動時に不純物を排出することによって、燃料電池の電池性能を向上させることができる。 According to the seventh aspect of the invention, when starting the fuel cell, the anode gas is discharged, pressure fluctuation is given to the inside of the fuel cell, and impurities are easily discharged. When starting the fuel cell, impurities are likely to accumulate inside the fuel cell. According to the present invention, the cell performance of the fuel cell can be improved by discharging impurities when the fuel cell is started.
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を説明するための図である。実施の形態1の燃料電池システムは、燃料電池10を備える。燃料電池10は、カソードガスを供給する管路12と、カソードガスを排出する管路14を備える。燃料電池10は、アノードガスを供給する管路16と、燃料電池から外部へアノードガスを排出する管路18を備える。また、燃料電池10は電流センサ19を備える。電流センサ19は燃料電池10の電流を測定する。電流センサ19はECU22と接続され、電流センサ19で測定された電流はECU22に送信される。
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a fuel cell system according to
燃料電池10から外部への管路18には、圧力センサ20が備えられる。圧力センサ20は、管路18内のガスの圧力を測定する。また、圧力センサ20はECU22と接続され、圧力センサ20で測定された圧力はECU22に送信される。燃料電池から外部への管路18は、大流量バルブ24を介し、燃料電池システム外部への管路28に接続される。大流量バルブ24は、燃料電池から外部へアノードガスを排出する管路18から燃料電池システム外部への管路28へと、ガスを流通させる。大流量バルブ24は、ECU22と接続され、ECU22からの信号に従い、開閉することができる。また、管路18と燃料電池システム外部への管路28とを結ぶように、管路30が備えられる。管路30には、小流量バルブ32が備えられる。小流量バルブ32は、管路30内にガスを流通させる。小流量バルブ32は、ECU22と接続され、ECUからの信号に伴い、開閉することができる。
A pressure sensor 20 is provided in the
[実施の形態1の作用]
燃料電池10の動作の際に、カソードガスとして空気が管路12から供給され、アノードガスとして水素ガスが管路16から燃料電池10に供給される。燃料電池10内部では、カソードガスとアノードガスの供給に伴い、発電反応が行われる。この発電反応に伴い、燃料電池10のカソード側で水が生成される。カソード側で生成された水の一部は、アノード側へ移動し、主に液体状の不純物として滞留する。さらに、カソードガスである空気の一部は、カソード側からアノード側に透過し、気体状の不純物として滞留する。また、燃料電池10のアノード側には、まだ発電反応に用いられていない水素ガスが存在している。したがって、燃料電池10のアノード側には、水並びに窒素などの不純物と水素ガスを含むアノードガスが存在している。
[Operation of the first embodiment]
During the operation of the
アノードガス中に存在する気体状の不純物は、例えば、燃料電池10から少量のアノードガス排出を行うことで、燃料電池10外部に排出することができる。しかし、液体状の不純物は、アノードガスの流れが少ないと、燃料電池10内部に留まったままである。よって、少量の排出では、液体の不純物をうまく排出することができない。そこで、液体や気体にかかわらず、アノードガス中の不純物を適切に除去するために、以下のような動作を行う。
Gaseous impurities present in the anode gas can be discharged outside the
図2は実施の形態1で行われる特徴的な動作を説明する図である。図2(A)は、燃料電池10から排出される水素流量の時間変化をあらわす。図2(B)は、圧力センサ20で測定したガス圧力の時間変化をあらわす。図2(C)は、大流量バルブ24を流れるガス流量の時間変化をあらわす。図2(D)は、小流量バルブ32を流れるガス流量の時間変化をあらわす。
FIG. 2 is a diagram for explaining characteristic operations performed in the first embodiment. FIG. 2A shows the change over time of the flow rate of hydrogen discharged from the
時刻t1から時刻t2まで、大流量バルブ24が開弁し、小流量バルブ32は閉弁している。大流量バルブ24が開弁すると、管路18付近に存在するガスは、燃料電池システム外部に排出される。ここで、このときの単位時間あたりに大流量バルブ24を流れるガスの流量を第1の流量とする。このとき、図2(B)で示されるように、管路18でのガスの圧力は急激に減少する。管路18での圧力が急激に低下すると、燃料電池10内部にガス大きな圧力変動が生じる。そして、この際、燃料電池10はアノードガスの供給を受け続けているので、燃料電池10内部にアノードガスの急激な流れが起こる。このアノードガスの流れにより、燃料電池10内部に滞留している液体状の不純物は初動を生ずる。初動を生じた液体状の不純物は、燃料電池10内部を移動しやすい。よって、液体状の不純物は、排出されるアノードガスの流れに伴い、燃料電池システム外部へ排出される。このとき、燃料電池10に存在する気体状の不純物は、排出されるアノードガスの流れに伴い、燃料電池システム外部に排出される。
From time t1 to time t2, the
時刻t2以降、大流量バルブ24は閉弁し、小流量バルブ32が開弁している。小流量バルブ32が開弁すると、燃料電池10内部のアノードガスは、単位時間あたり第2の流量で、燃料電池システム外部に排出される。第2の流量は、第1の流量より少ない流量である。大流量バルブ24での排出により初動を生じた液体の不純物は、小流量バルブ32の排出でも、燃料電池10外部に排出される。小流量バルブ32の開弁中には、燃料電池10内部の気体状の不純物も、十分に排出されている。また、第2の流量での排出は少ないので、燃料電池システム外部に排出される水素ガスは少なく抑えられる。
After time t2, the
[実施の形態1の効果]
上述のとおり、燃料電池10内部の液体状の不純物は、大流量バルブ24での排出によって、初動を生ずる。初動を生じた液体状の不純物は、燃料電池10内部を動きやすい。よって、大流量バルブ24から小流量バルブ32での排出に切り替えても、液体の不純物を十分に排出することができる。
[Effect of Embodiment 1]
As described above, the liquid impurities inside the
上述のとおり、小流量バルブ32は、十分に少ない流量での排出である。小流量バルブ32の開弁中は、気体の不純物は排出され続ける。このとき。燃料電池システム外部に排出される水素ガスは十分に少ない。よって、小流量バルブ32での開弁を続ければ、水素ガスの排出を抑えつつ、燃料電池10内部の不純物を少なくすることができる。
As described above, the small
なお、第1の流量は、燃料電池10内部の液体状の不純物に初動を生じさせるための圧力変動を与える流量である。一般的な燃料電池の場合、第1の流量は200L/分程度である。なお、第2の流量は、十分に少なく、燃料電池10内部に滞留する主に気体状の不純物を燃料電池システム外部に排出する流量である。一般的な燃料電池の場合、第2の流量は第1の流量の1/100−1/10程度である。
The first flow rate is a flow rate that gives a pressure fluctuation for causing an initial motion to liquid impurities inside the
[実施の形態1の具体的処理]
図3は実施の形態1のECU22での処理をあらわすフローチャートである。図3のフローチャートは、燃料電池の運転開始とともに実行される。まず、小流量バルブ32を閉じる(ステップ100)。ここでは、小流量バルブ32は閉じられ、第2の流量でのガス排出を止める。続いて、大流量バルブ24を開け、第1の流量での排出を行う(ステップ102)。ここでは、第1の流量は、液体の不純物に初動を与えて排出しやすくする流量である。
[Specific processing of the first embodiment]
FIG. 3 is a flowchart showing processing in
そして、圧力センサ20で測定された圧力Pを読み込む(ステップ104)。圧力センサ20は、燃料電池10から外部への管路18でのガスの圧力を測定する。ここでは、ECU22は、圧力センサ20で測定された管路18での圧力Pを取得する。そして、圧力Pとあらかじめ設定された基準値とを比較する(ステップ106)。燃料電池10内部に十分な圧力変動を与えれば、液体の不純物に初動を与えることで、液体の不純物を排出しやすくできる。ここで、燃料電池10の下流側に備えられた圧力センサ20での圧力が変動すれば、燃料電池10内部に圧力変動が生じていると考える。圧力Pが基準値以上である場合、燃料電池10内部に十分な圧力変動が与えられていないため、大流量バルブ24を開いたままにしておく。そして、圧力Pが基準値より小さくなった場合、燃料電池10内部に十分な圧力変動が与えられたと考え、大流量バルブ24を閉じる(ステップ108)。なお、ここでは、圧力が低下した後すぐに大流量バルブ24を閉じているが、圧力が基準値より小さくなった後さらに一定時間にわたり、大流量バルブ24を開くように処理を行っても良い。
Then, the pressure P measured by the pressure sensor 20 is read (step 104). The pressure sensor 20 measures the pressure of the gas in the
次に、小流量バルブ32を開け、第2の流量での排出を開始する(ステップ110)。このとき、液体の不純物には初動が与えられているため、液体の不純物とともに気体状の不純物を排出する。さらに、水素ガスの排出を十分低く抑えている。小流量バルブ32での開時間Tが、時間T2となるか否か比較する(ステップ112)。小流量バルブ32での開時間Tが時間T2より短ければ、小流量バルブ32を開け続ける。小流量バルブ32での開時間Tが時間T2以上となったとき、燃料電池10の運転終了か否か判断する(ステップ113)。燃料電池10の運転終了でない場合、燃料電池10の運転に伴って不純物の排出を行うために、ステップ100に戻って以降の処理が実行される。これより、小流量バルブ32の流量では排出できなかった液体の不純物は、大流量バルブ24での排出により初動を与えられ、排出されやすくなる。燃料電池10の運転終了である場合、本ルーチンを終了する。
Next, the small
以上の具体的処理を周期的に行うことによって、圧力センサ20での測定値を基準値と比較し、比較結果により大流量バルブ24を閉めることより、大流量バルブ24の開いている時間を適当に調節することができる。したがって、大流量バルブ24での排出を過不足ない分量で行い、大流量バルブ24での不必要な水素ガスの排出を抑えることができる。
By periodically performing the above specific processing, the measured value of the pressure sensor 20 is compared with a reference value, and the
なお、小流量バルブ32の開いている時間T2は、一般的な燃料電池の場合、10分から1時間までの範囲が考えられ、より好適には30分程度である。
In the case of a general fuel cell, the time T2 during which the small
なお、ステップ106で用いた基準値は、あらかじめ設定された基準値を用いたが、これに限られるものではない。1例として、圧力センサ20で測定された過去の圧力の変化から基準値を設定してもよい。
The reference value used in
[実施の形態1の具体的処理の変形例1]
図4は実施の形態1の具体的処理の変形例をあらわすフローチャートである。図4のフローチャートは、ステップ104とステップ106がステップ114に置換されている点を除いて、図3のフローチャートと同様である。図4において図3に示すステップと同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
[Modified Example 1 of Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 4 is a flowchart showing a modification of the specific process of the first embodiment. The flowchart of FIG. 4 is the same as the flowchart of FIG. 3 except that
図4に示すルーチンでは、ステップ102に続いて、大流量バルブ24の開時間T´が時間T1となるか否か比較する(ステップ114)。時間T1は、あらかじめ設定された時間であり、水素ガスの排出を抑えつつ、液体の不純物に十分な初動を与える排出を行うための時間である。ステップ114において、開時間T´が時間T1に満たない場合、液体の不純物に十分な初動が与えられていないと判断し、大流量バルブ24を開け続ける。開時間T´が時間T1以上となった場合、液体の不純物に十分な初動が与えられたと判断し、大流量バルブ24を閉じる。よって、図4に示すルーチンを行う場合、実施の形態1の構成において圧力センサ20を備えずとも、燃料電池10内部の不純物を十分に排出し、かつ水素ガスの排出を抑えることができる。なお、大流量バルブの開時間T1は、一般的な燃料電池の場合、1秒程度が好ましい。
In the routine shown in FIG. 4, following
[実施の形態1の具体的処理の変形例2]
図5は実施の形態1の具体的処理の変形例をあらわすフローチャートである。図5のフローチャートは、ステップ112がステップ116に置換されている点を除いて、図3のフローチャートと同様である。図5において図3に示すステップと同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
[Modification Example 2 of Specific Processing of Embodiment 1]
FIG. 5 is a flowchart showing a modification of the specific process of the first embodiment. The flowchart in FIG. 5 is the same as the flowchart in FIG. 3 except that
図5に示すルーチンでは、ステップ110に続いて、燃料電池10内部での不純物が多いか否かを判定する(ステップ116)。ここでは、不純物の測定は、電流センサ19での出力電流Iを測定する。燃料電池10内部の不純物が多いと、燃料電池の発電性能が妨げられる。このとき、発電量が負荷により一定で電圧が小さく、出力電流Iが大きい。出力電流Iの変化から、不純物の多さを推定することが可能である。ステップ116では、より具体的には、出力電流Iがあらかじめ設定された基準値より大きいか否かが判断される。ステップ116で、出力電流Iが基準値より大きくない場合、不純物が多くないと判断できる。このとき、小流量バルブ32を開けたままとする。ステップ116で、出力電流Iが基準値より大きい場合、不純物が多いと判断される。このとき、ステップ100に戻り小流量バルブ32を閉じ、大流量バルブ24を開けて、より多くの不純物を排出する。以上の処理により、大流量バルブ24での排出開始の時期を適当に調節することができる。
In the routine shown in FIG. 5, following
なお、ステップ116において、燃料電池10内部での不純物が多いか否かの判断は、出力電流Iの測定を用いて行ったが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池10の起電力やインピーダンスの測定を用いて不純物の多少を判断してもよい。また、燃料電池がセルのスタック構造を有する場合には、セル毎の起電力や出力電流Iやインピーダンスの分布から、不純物の多少を判断してもよい。さらには、セル毎の起電力や出力電流Iやインピーダンスの時間変化の分布を用いて行ってもよい。または、不純物そのものの濃度の測定を用いて行ってもよい。
In
なお、実施の形態1の燃料電池システムは、アノードガスを少量ずつ排出し続ける燃料電池システムである。しかしながら、本発明の対象とするシステムは、アノードガスを循環させない燃料電池であれば、これに限られるものではない。例えば、アノードガスを内部に留める型の燃料電池システムに用いてもよい。このときの本発明の具体的な動作は、第1の流量での排出と第2の流量での排出と無排出とを切り替えて行う。より具体的には、第2の流量での排出を止め、無排出を一定期間行った後に、第1の流量での排出を行う。アノードガスの無排出時には排出時と比べ、燃料電池10内部の圧力は高い。無排出期間を設けることで、燃料電池10内部の圧力を高めることができる。よって、無排出期間の後に第1の流量での排出を行うことより、燃料電池10内部に多くの圧力変動を与えることができる。
The fuel cell system according to
なお、本実施の形態1では、燃料電池は、水素ガスと空気ガスを燃料とする燃料電池を用いたが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池は、メタノール直接型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)を用いることができる。このとき、アノードガスとしてメタノール溶液を用い、カソードガスとして、空気(酸素ガス)を用いる。 In the first embodiment, a fuel cell using hydrogen gas and air gas as fuel is used as the fuel cell, but the present invention is not limited to this. For example, a direct methanol fuel cell can be used as the fuel cell. At this time, a methanol solution is used as the anode gas, and air (oxygen gas) is used as the cathode gas.
なお、本実施の形態では、水素ガスがアノードガスの燃料成分に相当する。たとえば、燃料電池としてメタノール直接型燃料電池を用いる場合、メタノールがアノードガスの燃料成分である。 In the present embodiment, hydrogen gas corresponds to the fuel component of the anode gas. For example, when a methanol direct fuel cell is used as the fuel cell, methanol is a fuel component of the anode gas.
実施の形態2.
図6は実施の形態2の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図6の実施の形態2の燃料電池システムの構成は、管路18の下流側を除いて、図1と同様である。図6において図1と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment. The configuration of the fuel cell system according to
燃料電池10から外部への管路18は、大流量バルブ24を備える。大流量バルブ24は、管路33を介し、可変流量調節弁34結ばれる。可変流量調節弁34は、燃料電池システム外部への管路28と接続される。可変流量調節弁34は、管路33と燃料電池システム外部への管路28との間を流通するガスの流量を、所定の流量に調節する。可変流量調節弁34はECU22と接続される。可変流量調節弁34は、ECU22からの信号に従って、ガスの流量を変化させることができる。
The
図7は実施の形態2の具体的処理を説明するためのフローをあらわす図である。実施の形態2の具体的処理は、ステップ100と102をステップ118に、ステップ108と110をステップ120に置き換える点を除いて、図3と同様である。ステップ118では、大流量バルブ24を開き、可変流量調節弁34でのガス流量を第1の流量とし、第1の流量での排出を行う。このとき、第1の流量での排出より、燃料電池10内部の液体状の不純物に初動が与えられる。ステップ120では、大流量バルブ24を開き、可変流量調節弁34でのガス流量を第2の流量とし、第2の流量での排出を行う。このとき、第2の流量での排出より、初動を与えられた液体状の不純物とともに、気体状の不純物を排出する。以上の具体的処理により、可変流量調節弁34でのガス流量を調節することによって、燃料電池10内部の不純物を効果的に排出することができる。
FIG. 7 is a diagram showing a flow for explaining the specific processing of the second embodiment. The specific processing of the second embodiment is the same as that in FIG. 3 except that steps 100 and 102 are replaced with
図8は実施の形態2で行われる特徴的な動作を説明する図である。図8(A)は、燃料電池10から排出される水素流量の時間変化をあらわす。図8(B)は、圧力センサ20で測定したガス圧力の時間変化をあらわす。図8(C)は、可変流量調節弁34を流通するガス流量の時間変化をあらわす。まず、時刻t1から時刻t2の間は、可変流量調節弁34を流通するガス流量は第1の流量であり、第1の流量でのアノードガスの排出が行われる。このとき、燃料電池10内部の圧力は急激に低下し、燃料電池10内部に圧力変動が生じる。そして、時刻0から時刻t1までと時刻t2以降において、可変流量調節弁34でのガス流量は第2の流量である。このとき、燃料電池10から第2の流量での排出が行われる。このとき、初動を与えられた液体の不純物とともに、気体の不純物の排出が行われる。
FIG. 8 is a diagram for explaining characteristic operations performed in the second embodiment. FIG. 8A shows the change over time in the flow rate of hydrogen discharged from the
なお、実施の形態2のシステムでは、燃料電池から外部への管路18に備えられた大流量バルブ24を閉弁すると、燃料電池10から外部へアノードガスは排出されない。ただし、本発明の構成はこれに限られるものでなく、アノードガスの排出が不要の場合、大流量バルブ24を備えなくてもよい。
In the system of the second embodiment, when the large
実施の形態3.
実施の形態3の燃料電池システムについて説明する。実施の形態3の燃料電池システムは、小流量バルブ32と管路30を備えないという点を除いて、実施の形態1の燃料電池システムと同様である。実施の形態3において実施の形態1と同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
A fuel cell system according to Embodiment 3 will be described. The fuel cell system of the third embodiment is the same as the fuel cell system of the first embodiment except that the
実施の形態3では、大流量バルブ24を連続的に開けると、第1の流量での排出が行われる。そして、大流量バルブ24を断続的に開けると、第2の流量での排出が行われ、水素ガスの排出をより抑えた排出が実現される。これらより、単一のバルブを用いて、第1と第2の流量での排出を行い、不純物を排出することができる。
In the third embodiment, when the large
図9は実施の形態3の具体的処理を説明するためのフローをあらわす図である。実施の形態3の具体的処理は、ステップ100と102をステップ122に、ステップ108と110をステップ124に置き換える点を除いて、図3と同様である。本実施の形態では、大流量バルブ24を連続的に開いて、第1の流量での排出を行う(ステップ122)。このとき、燃料電池10内部の液体の不純物は、圧力変動を与えられ、初動を生じる。そして、ステップ106で圧力変動の発生が認められたら、大流量バルブ24を断続的に開いて、単位時間あたり第2の流量での排出を行う(ステップ124)。ここでは、大流量バルブ24の短時間の開閉を繰り返す。大流量バルブ24が開いているときは、第1の流量での排出が行われる。そこで、大流量バルブ24の開閉を所定の割合で繰り返すと、単位時間あたり平均して第2の流量での排出が実現される。
FIG. 9 is a diagram illustrating a flow for explaining specific processing of the third embodiment. The specific processing of the third embodiment is the same as that of FIG. 3 except that steps 100 and 102 are replaced with
図10は実施の形態3の特徴的な動作を説明するための図である。時刻t1から時刻t2までの間、大流量バルブ24を連続的に開くと、単位時間あたり第1の流量での燃料電池10からの排出が行われる。時刻0から時刻t1までと時刻t2以降には、大流量バルブ24を断続的に開くことによって、第2の流量でのアノードガスの排出が行われる。
FIG. 10 is a diagram for explaining the characteristic operation of the third embodiment. When the large
実施の形態4.
実施の形態4の燃料電池システムについて説明する。実施の形態4の構成は、図1と同様である。図11は実施の形態4の具体的処理を説明するためのフローチャートである。図11のフローチャートにおいて、図3,4と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。図11に示すフローチャートは、実施の形態1から3に示すフローチャートと同時に用いることができる。まず、出力電流Iを読み込む(ステップ126)。ここでは、電流センサ19で測定された出力電流Iを取得する。次に、出力電流Iの微分値が基準値より大きいか否かを比較する(ステップ128)。ここで、基準値はあらかじめ設定された所定の値を用いる。燃料電池システムの動作中、発電量が急激に増加する場合がある。このとき、発電量の増加に対応するため、電池性能を上昇させる必要がある。燃料電池10内部の不純物を少なくすると、その分電池性能が上昇する。そこで、出力電流Iの微分値が基準値より大きければ、発電量が急激に増加したと判断し、大流量バルブ24を開弁し、時間T1のあいだ第1の流量での排出を行う(ステップ102、114)。出力電流Iの微分値が基準値より小さければ、発電量がそれほど増加していないと判断し、通常の動作を続行する(ステップ130)。ここで、通常の動作は、周期的に行われている実施の形態1のフローチャート(図3)である。以上のステップを所定の間隔ごとに周期的に行うことで、発電量の急激な増加時に効果的に不純物を排出し、電池性能を上昇させることができる。
Embodiment 4 FIG.
A fuel cell system according to Embodiment 4 will be described. The configuration of the fourth embodiment is the same as that of FIG. FIG. 11 is a flowchart for explaining specific processing of the fourth embodiment. In the flowchart of FIG. 11, the same parts as those in FIGS. The flowchart shown in FIG. 11 can be used simultaneously with the flowcharts shown in the first to third embodiments. First, the output current I is read (step 126). Here, the output current I measured by the
なお、ステップ114において、大流量バルブ24の開いている時間は時間T1としたが、これに限られるものではない。例えば、大流量バルブ24の開いている時間は、通常の動作での開時間T1より長い所定の時間としてもよい。このとき、大流量バルブ24の開いている時間が長いと、排出する不純物の量は多くなる。不純物をより多く排出すると、燃料電池10の電池性能をより向上させることができる。例えば、大流量バルブ24の開いている時間は、圧力センサ20で測定された圧力が十分小さくなるまでのあいだとしてもよい。また、大流量バルブ24の開いている時間は、十分な圧力変動を与えた後さらに一定時間としてもよい。
In
なお、ステップ130において、通常の動作は、実施の形態1の具体的処理を用いたが、これに限られるものではない。例えば、実施の形態1−3に挙げられる具体的処理を用いてもよい。これにかかわらず、大流量バルブ24と小流量バルブ32の切り替えを行う排出であればよい。
In
なお、本実施の形態では、発電量の増加の判断は、出力電流Iの測定を用いて行っているが、これに限られるものではない。発電量の変化が検知できるものであればよい。例えば、起電力の測定や発電量そのものの測定を用いて、発電量の増加を判断してもよい。 In the present embodiment, the determination of the increase in the amount of power generation is performed using the measurement of the output current I, but is not limited to this. Any device that can detect a change in the amount of power generation is acceptable. For example, an increase in the amount of power generation may be determined using measurement of electromotive force or measurement of the amount of power generation itself.
実施の形態5.
実施の形態5の燃料電池システムについて説明する。実施の形態5の構成は図3と同様である。図12は実施の形態5の具体的処理を説明するためのフローチャートである。図12のフローチャートは、ステップ126とステップ127がステップ132に置き換わっている点を除いて、図11のフローチャートと同様である。図12のフローチャートにおいて図11と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明は省略する。図12に示すフローチャートは、実施の形態1から4に示すフローチャートと同時に用いることができる。図12に示すフローチャートでは、まず、燃料電池10の始動時か否かを判断する(ステップ132)。ここで、燃料電池10の起動時での電池内部の温度は、燃料電池10の動作中に比べ、低くなっている。このとき燃料電池10内部の水は、主に液体状として存在する。液体状の水は、燃料電池10内部に滞留しやすい。液体状の水が多いと、電池性能が下がってしまう。ステップ132では、より具体的には、電流センサ19での出力電流Iを取得し、出力電流Iが立ち上がりであるか否かが判断される。出力電流が出力0からの立ち上がりであると判断された場合には、燃料電池10の起動時と考えられる。このとき、大流量バルブ24を開けて第1の流量でガスを排出する(ステップ102)。また出力電流Iが立ち上がりでないと判断された場合には、燃料電池10の起動時でないと考え、通常の動作を行う(ステップ130)。ここで、通常の動作は、周期的に行われている実施の形態1のフローチャート(図3)である。以上の具体的処理を周期的に行うことにより、燃料電池10の起動時に、効果的に不純物を排出することができる。
Embodiment 5. FIG.
A fuel cell system according to Embodiment 5 will be described. The configuration of the fifth embodiment is the same as that of FIG. FIG. 12 is a flowchart for explaining specific processing of the fifth embodiment. The flowchart of FIG. 12 is the same as the flowchart of FIG. 11 except that
なお、本実施の形態では、燃料電池10の起動時の検知は、出力電流Iの測定を用いて行っている。これに限られるものではなく、燃料電池10の起動を検知できるものであればよい。例えば、発電量の測定を用いて燃料電池10の起動を検知してもよい。車載の燃料電池の場合、イグニッションスイッチを用いて燃料電池の起動を検知してもよい。
In the present embodiment, detection at the time of startup of the
10 燃料電池
18 燃料電池から外部へアノードガスを排出する管路
19 電流センサ
20 圧力センサ
24 大流量バルブ
32 小流量バルブ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
燃料電池のアノードガスを排出する管路と、
前記管路に備えられ、前記燃料電池内部に圧力変動を起こす第1の流量でアノードガスを排出する第1流通手段と、
前記管路に備えられ、第1の流量より少ない第2の流量でアノードガスを排出する第2流通手段と、
前記第1流通手段と前記第2流通手段とを切り替える切り替え手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
A conduit for discharging the anode gas of the fuel cell;
First flow means provided in the pipe line and discharging anode gas at a first flow rate causing pressure fluctuation inside the fuel cell;
A second flow means provided in the conduit for discharging the anode gas at a second flow rate less than the first flow rate;
Switching means for switching between the first distribution means and the second distribution means;
A fuel cell system comprising:
前記第1の流量でガス流通を行う第1バルブと、
前記第2の流量でガス流通を行う第2バルブとを備え、
前記第1流通手段は第1バルブを含み、
前記第2流通手段は第2バルブを含むことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
A first valve for flowing gas at the first flow rate;
A second valve for circulating gas at the second flow rate,
The first flow means includes a first valve;
The fuel cell system, wherein the second circulation means includes a second valve.
前記第1の流量でガス流通を行う第1バルブを備え、
前記第1流通手段は前記第1バルブと前記第1バルブを連続的に流通させる手段を含み、
前記第2流通手段は前記第1バルブと前記第1バルブを断続的に流通させる手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
Comprising a first valve for circulating gas at the first flow rate;
The first flow means includes means for continuously flowing the first valve and the first valve;
The fuel cell system, wherein the second circulation means includes means for intermittently circulating the first valve and the first valve.
前記第1の流量は、前記燃料電池内部の液体状の不純物に初動を与える圧力変動を起こす流量であることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1-3,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the first flow rate is a flow rate causing a pressure fluctuation that causes an initial motion to liquid impurities inside the fuel cell.
前記第2の流量は、前記燃料電池内部の主に気体状の不純物を排出させる流量であることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1-4,
The fuel cell system characterized in that the second flow rate is a flow rate for discharging mainly gaseous impurities inside the fuel cell.
前記燃料電池の発電を検出する発電検出手段をさらに備え、
前記切り替え手段は、前記燃料電池の発電の増加を検出したとき、第1流通手段に切り替えること含むことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein
Further comprising power generation detection means for detecting power generation of the fuel cell,
The switching means includes switching to the first distribution means when an increase in power generation of the fuel cell is detected.
前記燃料電池の起動を検出する起動検出手段をさらに備え、
前記切り替え手段は、前記燃料電池の起動を検出したとき、前記第1流通手段に切り替えることを含むことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein
Further comprising activation detection means for detecting activation of the fuel cell;
The switching means includes switching to the first distribution means when detecting activation of the fuel cell.
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