JP2008269911A - Fuel cell system, and gas pressure control method in fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a solid polymer fuel cell.
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池では、燃料電池の運転中に、燃料電池内の種々の状態変化によって、電池性能が低下することが考えられる。
例えば、燃料電池の中には、水素極の排気(以下、アノード排ガスと呼ぶ)を循環させて、再び水素極に供給する循環流路を設けて、アノード排ガスに含まれる残留水素を有効活用するようにしているものがある。このような燃料電池の場合、アノード排ガス中には、例えば、水蒸気、窒素なども含まれるため、アノード排ガスを長期間に亘って循環させ続けると、これらの成分濃度が高くなり、相対的に水素濃度が低減して、電池性能が低下するおそれがある。そのため、従来は、循環流路に、アノード排ガスの一部を外気へ排出するためのパージバルブを設け、パージバルブを定期的に開くことにより、窒素および水蒸気の濃度を低減させて、水素濃度の低下に起因する電池性能の低下を回避する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
In a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, it is considered that the cell performance is degraded due to various state changes in the fuel cell during operation of the fuel cell.
For example, in a fuel cell, a circulation passage for circulating the exhaust of the hydrogen electrode (hereinafter referred to as anode exhaust gas) and supplying the hydrogen electrode again is provided to effectively utilize the residual hydrogen contained in the anode exhaust gas. There is something like that. In the case of such a fuel cell, since the anode exhaust gas includes, for example, water vapor, nitrogen, etc., if the anode exhaust gas is continuously circulated for a long period of time, the concentration of these components increases, The concentration may be reduced, and the battery performance may be reduced. For this reason, conventionally, a purge valve for discharging a part of the anode exhaust gas to the outside air is provided in the circulation flow path, and the purge valve is opened periodically to reduce the concentration of nitrogen and water vapor, thereby reducing the hydrogen concentration. There has been proposed a technique for avoiding the deterioration in battery performance caused by the phenomenon (see, for example, Patent Document 1).
また、固体高分子型燃料電池では、電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して膜抵抗が増大し、その結果、出力電圧が低下して電池性能が低下する。このような不都合を抑制するために、電解質膜の含水量低下時における対策としては、カソード側におけるガス圧力を、より高める制御を行なう構成が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。 In the polymer electrolyte fuel cell, when the water content of the electrolyte membrane decreases, proton conductivity in the electrolyte membrane decreases and membrane resistance increases. As a result, the output voltage decreases and the cell performance decreases. In order to suppress such inconvenience, as a countermeasure against a decrease in the water content of the electrolyte membrane, a configuration has been proposed in which the gas pressure on the cathode side is further increased (see, for example, Patent Document 2).
カソード側におけるガス圧力を高めると、アノード側に対してカソード側のガス圧が相対的に高くなるため、カソード側で生成される水が、アノード側に移動する。そのため、電解質膜の含水量を増加させることができるようになる。しかしながら、カソード側へのガス供給は、通常、ポンプ等を用いて空気を加圧供給することによって行なわれるため、カソード側のガス圧力を高めると、ポンプ等の消費電力、すなわち、補機損が増大することになる。このように補機損が増大すると、システム全体のエネルギ効率が低下する。 When the gas pressure on the cathode side is increased, the gas pressure on the cathode side becomes relatively higher than that on the anode side, so that water generated on the cathode side moves to the anode side. Therefore, the water content of the electrolyte membrane can be increased. However, since the gas supply to the cathode side is normally performed by pressurizing and supplying air using a pump or the like, if the gas pressure on the cathode side is increased, the power consumption of the pump or the like, that is, the loss of auxiliary equipment is reduced. Will increase. When the auxiliary machine loss increases in this way, the energy efficiency of the entire system decreases.
そこで、本発明は、補機損の増大等に起因するエネルギ効率の低下を伴うことなく、電解質膜の含水量の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制すると共に、水素濃度の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制することを目的とする。 Therefore, the present invention suppresses fuel cell performance degradation due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane without causing a decrease in energy efficiency due to an increase in auxiliary machinery loss or the like, and also results from a decrease in hydrogen concentration. It aims at suppressing the performance fall of the fuel cell which carries out.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1] 固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記アノードガス圧調節部および前記不純物排出部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させる場合に、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を排出させ、その後、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記ガス圧を正圧から負圧に低下させることを要旨とする。
Application Example 1 A fuel cell system including a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane,
An anode gas pressure adjusting unit for adjusting a gas pressure on the anode side of the fuel cell;
An impurity discharge part for discharging impurities in the anode gas;
A control unit for controlling the anode gas pressure adjusting unit and the impurity discharge unit;
Further,
The controller is
When reducing the gas pressure on the anode side from a positive pressure to a negative pressure, the impurity discharge unit is controlled to discharge impurities in the anode gas, and then the anode gas pressure adjustment unit is controlled, The gist is to reduce the gas pressure from a positive pressure to a negative pressure.
本発明の燃料電池システムでは、アノード側におけるガス圧(以下、アノード内圧ともいう。)を正圧から負圧に低下させる場合には、まず、アノードガス中の不純物を燃料電池システム外へ排出させる。例えば、アノード内圧を負圧まで低下させた後に、アノードガス中の不純物を大気中へ排出しようとしても、圧力差により、不純物を大気中に排出することができない。本発明の燃料電池システムによれば、アノード内圧を低くするに先立って、アノードガス中の不純物を大気中へ排出しているため、良好に不純物を大気中へ排出することができる。従って、アノードガス中の不純物を大気中に排出して、アノードガス中の水素濃度を高めることによって、電池性能の低下を抑制することができる。 In the fuel cell system of the present invention, when reducing the gas pressure on the anode side (hereinafter also referred to as anode internal pressure) from positive pressure to negative pressure, first, impurities in the anode gas are discharged out of the fuel cell system. . For example, after reducing the anode internal pressure to a negative pressure, even if an impurity in the anode gas is discharged into the atmosphere, the impurity cannot be discharged into the atmosphere due to a pressure difference. According to the fuel cell system of the present invention, since the impurities in the anode gas are discharged into the atmosphere before the anode internal pressure is lowered, the impurities can be discharged into the atmosphere satisfactorily. Therefore, it is possible to suppress a decrease in battery performance by discharging impurities in the anode gas to the atmosphere and increasing the hydrogen concentration in the anode gas.
そして、例えば、フラッディングが原因で燃料電池の出力が低下する場合に、アノード内圧を負圧まで低下させると、アノードガスの流速が大きくなり、アノードガスの流れによって、燃料電池内のアノード側に滞留している液体の水を燃料電池外へ排出し易くなるため、アノード側におけるフラッディングを抑制することができる。したがって、アノードガスの流通が改善されるため、燃料電池の性能低下を抑制することができる。すなわち、本発明の燃料電池システムによれば、総合的に、電池性能の低下を抑制することができる。 And, for example, when the output of the fuel cell decreases due to flooding, if the anode internal pressure is reduced to a negative pressure, the anode gas flow rate increases, and the anode gas flows to stay on the anode side in the fuel cell. Since it is easy to discharge the liquid water out of the fuel cell, flooding on the anode side can be suppressed. Accordingly, since the circulation of the anode gas is improved, it is possible to suppress the performance deterioration of the fuel cell. That is, according to the fuel cell system of the present invention, it is possible to comprehensively suppress a decrease in battery performance.
さらに、アノード内圧を低下させる際にはエネルギ消費の増大を伴う必要がないため、エネルギ効率を低下させることなく、電池性能の低下を抑制することができる。 Furthermore, since it is not necessary to increase energy consumption when reducing the anode internal pressure, it is possible to suppress a decrease in battery performance without reducing energy efficiency.
[適用例2] 適用例1記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池内部の温度が、所定の温度以上であるか否かを判定し、前記燃料電池内部の前記温度が、前記所定の温度以上であると判定したときに、前記アノード側におけるガス圧を負圧まで低下させるようにしてもよい。 Application Example 2 In the fuel cell system according to Application Example 1, the control unit determines whether the temperature inside the fuel cell is equal to or higher than a predetermined temperature, and the temperature inside the fuel cell is When it is determined that the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the gas pressure on the anode side may be reduced to a negative pressure.
燃料電池内部の温度が上昇すると、例えば、電解質膜の含水量が低下すること等により、燃料電池性能が低下するおそれがある。適用例2のように、燃料電池内部の温度が所定の温度以上である場合に、アノード側におけるガス圧を低下させると、カソード側におけるガス圧(以下、カソード内圧ともいう。)に対して相対的にアノードガス圧が低くなるため、カソードからアノードへの水の移動が促進されて、電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。したがって、電解質膜の含水量の低下に基づく燃料電池性能の低下を抑制することができるため、結果として、燃料電池内部の温度上昇時における燃料電池性能の低下を抑制することができる。 When the temperature inside the fuel cell rises, the fuel cell performance may be lowered, for example, due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane. As in Application Example 2, when the temperature inside the fuel cell is equal to or higher than a predetermined temperature, if the gas pressure on the anode side is reduced, it is relative to the gas pressure on the cathode side (hereinafter also referred to as the cathode internal pressure). In addition, since the anode gas pressure is lowered, the movement of water from the cathode to the anode is promoted, and the decrease in the water content of the electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, a decrease in fuel cell performance based on a decrease in the water content of the electrolyte membrane can be suppressed, and as a result, a decrease in fuel cell performance when the temperature inside the fuel cell rises can be suppressed.
[適用例3] 適用例1記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池が備える電解質膜における含水量が低下した状態であるか否かを判定し、前記含水量が低下した状態であると判定したときに、前記アノード側におけるガス圧を負圧まで低下させるようにしてもよい。 Application Example 3 In the fuel cell system according to Application Example 1, the control unit determines whether or not the water content in the electrolyte membrane included in the fuel cell is reduced, and the water content is reduced. When it is determined that, the gas pressure on the anode side may be reduced to a negative pressure.
このようにすると、電解質膜の含水量が低下したときには、上記したように、カソード内圧に対して相対的にアノードガス圧が低くなるため、カソードからアノードへの水の移動が促進されて、電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。すなわち、水素濃度の低下に伴う燃料電池の性能低下を抑制すると共に、電解質膜の含水量低下に伴う燃料電池の性能低下を抑制することができる。 In this way, when the water content of the electrolyte membrane decreases, as described above, the anode gas pressure becomes lower relative to the cathode internal pressure, so that the movement of water from the cathode to the anode is promoted, and the electrolyte A decrease in the water content of the membrane can be suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the performance of the fuel cell due to a decrease in the hydrogen concentration and to suppress a decrease in the performance of the fuel cell due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane.
[適用例4] 適用例2記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池内部の温度に基づいて、前記含水量が低下した状態であるか否かを判定するようにしても良い。 Application Example 4 In the fuel cell system according to Application Example 2, the control unit may determine whether or not the water content is reduced based on the temperature inside the fuel cell. .
このようにすると、燃料電池の内部温度あるいは燃料電池の内部温度を反映する値を計測することにより、電解質膜の含水量低下状態を容易に判定することができる。 In this way, by measuring a value that reflects the internal temperature of the fuel cell or the internal temperature of the fuel cell, it is possible to easily determine whether the moisture content of the electrolyte membrane has decreased.
[適用例5] 適用例1ないし4のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を設定することとしても良い。
Application Example 5 In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 4,
A hydrogen gas supply path for supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell;
An anode exhaust gas path for guiding the gas discharged from the anode of the fuel cell to the hydrogen gas supply path,
A part of the hydrogen gas supply path and the anode exhaust gas path form a circulation path for circulating hydrogen between the inside of the fuel cell,
The anode gas pressure adjusting unit may set a pressure in the circulation channel as a gas pressure on the anode side.
このような構成とすれば、燃料ガスとして水素ガスを用いる燃料電池システムにおいて、水素ガスを効率良く利用しつつ、電池性能の低下を抑制することができる。 With such a configuration, in a fuel cell system that uses hydrogen gas as the fuel gas, it is possible to efficiently reduce the battery performance while efficiently using the hydrogen gas.
[適用例6] 適用例5記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御するようにしても良い。
Application Example 6 In the fuel cell system according to Application Example 5,
The anode gas pressure adjusting unit is
An injector provided upstream of the circulation flow path in the hydrogen gas supply path and having a discharge port for discharging the hydrogen gas to the circulation flow path side and a valve for opening and closing the discharge port;
The controller is
The anode gas adjusting unit may be controlled so as to reduce the gas pressure on the anode side from a positive pressure to a negative pressure by adjusting the opening / closing state of the discharge port by the valve of the injector.
このような構成とすれば、バルブによる吐出口の開閉状態を調節することにより、アノード側におけるガス圧力を、容易に所望の圧力へと調節することができる。 With such a configuration, the gas pressure on the anode side can be easily adjusted to a desired pressure by adjusting the opening / closing state of the discharge port by the valve.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、固体高分子電解質膜を備える燃料電池におけるアノード側におけるガス圧力の調節方法などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in a form such as a method for adjusting the gas pressure on the anode side in a fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.装置の全体構成:
B.アノード内圧と膜抵抗との関係:
C.膜含水量低下時における制御:
D.実施例の効果:
E.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overall configuration of the device:
B. Relationship between anode internal pressure and membrane resistance:
C. Control when membrane water content is reduced:
D. Effects of the embodiment:
E. Variation:
A.装置の全体構成:
図1は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム10の構成を示す説明図である。図1に示すように、燃料電池システム20は、燃料電池スタック22と、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック22に供給して、燃料電池スタック22から排出された排ガス(以下、アノード排ガスともいう。)を大気へ排出する水素給排系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック22に供給して、燃料電池スタック22から排出された排気ガスを大気へ排出する空気給排系と、燃料電池システム10の各部の動きを制御する制御部70と、を備える。
A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a
燃料電池スタック22は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
The
水素供給系は、水素タンク23と、水素供給路60と、アノード排ガス路63と、排ガス排出路64と、から主に構成される。
The hydrogen supply system mainly includes a
水素タンク23は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。あるいは、代わりに、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。
The
水素供給路60には、圧力調整弁61と、インジェクタ62とが設けられている。水素タンク23に貯蔵される水素ガスは、水素タンク23に接続する水素供給路60に放出された後、圧力調整弁61によって所定の圧力に調整(減圧)され、インジェクタ62を介して、燃料電池スタック22を構成する各単セルのアノードに燃料ガスとして供給される。なお、圧力調整弁61は、図1では単一の弁として記載されているが、水素タンク23から供給される高圧の水素ガスを、所望の圧力に減圧してインジェクタ62に供給できれば良く、必要な数の圧力調整弁を設けたものを用いてもよい。
The
インジェクタ62は、吐出口と、吐出口を開閉する電磁弁であるバルブとを備え、バルブの開放時に、インジェクタ62の前後にかかる差圧に応じた水素ガスを吐出口から噴射する装置である。そのため、インジェクタ62が備えるバルブの開弁時間によって、アノード側に供給する水素ガス量を調節することができる。具体的には、後述する制御部70からインジェクタ62に対して駆動信号(パルス信号)が送出され、インジェクタ62に入力された駆動信号がONのときにインジェクタ62のバルブが開弁され、OFFのときにバルブが閉弁される。この駆動信号のパルス幅(すなわちデューティー比)を調節することによって、インジェクタ62から噴射される水素ガス量を調節して、アノードに供給する水素ガス量を調節している。
The
また、インジェクタ62のバルブの開閉状態を制御することにより、アノード内圧を制御することができる。図2は、アノード内圧とインジェクタ62の動作との関係を表わす説明図である。インジェクタ62におけるバルブの開閉制御は、例えば、インジェクタ62に入力される駆動信号において、一定の周波数fでパルス幅を変更することによって行なうことができる。図2に示すように、バルブによって吐出口が開放状態になる間は、アノード内圧は上昇し、閉鎖状態になる間は、循環流路内の水素が発電のために消費されることによってアノード内圧は低下する。そのため、バルブを開閉することによって、アノード内圧は、図2に示すΔPの圧力差の範囲で脈動する。したがって、インジェクタ62におけるデューティー比を制御することで、アノード内圧は、微細に脈動しつつ、全体として所望の圧力に維持される。なお、本実施例におけるインジェクタ62が、請求項におけるアノードガス圧調節部に相当する。
Further, the anode internal pressure can be controlled by controlling the open / close state of the valve of the
アノード排ガス路63には、水素ポンプ65が設けられており、燃料電池スタック22のアノードから排出されるアノード排ガスを、水素供給路60においてインジェクタ62が配置される位置の下流側に再び流入させる。したがって、アノード排ガス中の残余の水素は、アノード排ガス路63と、水素供給路60の一部と、燃料電池スタック22内の流路と、から成る流路(以下、循環流路と呼ぶ)内を循環して再度電気化学反応に供される。このとき、電極反応による水素消費量(発電量や負荷要求に基づいて求められる)に応じて、インジェクタ62におけるデューティー比が調節され、水素消費量に相当する水素が、インジェクタ62を介して水素タンク23から循環流路へと補充される。また、アノード内圧に基づいて、インジェクタ62におけるデューティー比がフィードバック制御され、アノード内圧は、所定の略一定値に保たれている。なお、循環流路を構成する水素供給路60には、アノード内圧を計測するアノード内圧センサ50が設けられている。
A
排ガス排出路64は、アノード排ガス路63から分岐して、設けられている。排ガス排出路64にはパージバルブ27が設けられており、パージバルブ27が開弁されると、アノード排ガス路63内を流れるアノード排ガスの一部が排ガス排出路64を介して、外部に排出される。これにより、循環する水素含有ガスの一部を外部に排出して、水素含有ガス中の不純物濃度(電解質膜を介してアノード側に移動した、酸化ガスである空気中の窒素等の濃度)の上昇を抑えることができる。なお、本実施例におけるパージバルブ27および排ガス排出路64が、請求項における不純物排出部に相当する。
The exhaust
通常は、アノード排ガス路63内のアノード排ガス中の窒素濃度に基づいてパージバルブ27の開閉が制御されている。アノード排ガス中の窒素濃度は、例えば、以下のように求める。燃料電池スタック22内を流通する冷却水(後述する)の水温と、燃料電池スタック22の出力に応じた窒素濃度を予め測定して、その関係をマップとして制御部70(後述する)に記憶しておく。そして、燃料電池スタック22の運転中に上記水温および出力を計測して、上記マップを参照することにより、そのときの窒素濃度を求めることができる。
Normally, the opening and closing of the
また、排ガス排出路64は、希釈器26に接続されている。この希釈器26は、アノード排ガスを外部に排出する際に、排出に先立って、アノード排ガス中の水素をカソード排ガスによって希釈するために設けられている。
The exhaust
空気給排系は、エアコンプレッサ24と、酸化ガス供給路67と、カソード排ガス路68と、から主に構成されている。
The air supply / exhaust system mainly includes an
エアコンプレッサ24は、エアクリーナ28を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、酸化ガス供給路67を介して酸化ガスとして燃料電池スタック22のカソードに供給する。
The
カソード排ガス路68は、カソードから排出されたカソード排ガスを外部に排出させる。カソード排ガス路68および酸化ガス供給路67は、加湿モジュール25を経由している。加湿モジュール25では、水蒸気透過性を有する膜によって酸化ガス供給路67とカソード排ガス路68とが隔てられており、水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路68は、上記した希釈器26に接続されている。したがって、希釈器26において、アノード排ガスと、カソード排ガスとが混合され、アノード排ガスが希釈されて、外部に排出される。
The cathode
制御部70は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPU74と、CPU74で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM75と、同じくCPU74で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM76と、各種の信号を入出力する入出力ポート78等を備える。この制御部70は、燃料電池システム10に設けた各種センサ(例えば、アノード内圧センサ50や温度センサ52や電圧センサ54)の計測信号や、燃料電池スタック22に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム10が備えるインジェクタ62、エアコンプレッサ24、水素ポンプ65、あるいはパージバルブ27など、燃料電池スタック22の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
The
また、燃料電池スタック22は、その内部に、冷却水が循環する冷却水流路を備えている(図示せず)。燃料電池スタック22内部に形成される冷却水流路と、図示しないラジエータとの間で冷却水を循環させることによって、燃料電池スタック22の内部温度は、所定の温度範囲に保たれる。ここで、上記冷却水流路における燃料電池スタック22からの出口部近傍には、燃料電池スタック22の内部温度を計測するための温度センサとして、冷却水の出口温度を計測する温度センサ52が設けられている。なお、燃料電池スタック22の内部温度を計測する温度センサとしては、冷却水の出口温度を計測するセンサ以外のセンサを設けても良く、例えば、燃料電池スタック22の温度を直接計測する熱電対としても良い。また、燃料電池システム10には、燃料電池スタック22からの出力電圧を計測するための電圧センサ54が設けられている。
Further, the
本実施例の燃料電池システム10におけるアノード内圧は、燃料電池スタック22が定常運転を行なっているときには、燃料電池スタック22に対する負荷要求が変動して水素消費量が最大となる場合にも充分な水素量が確保できる値であって、カソード側のガス圧との釣り合いを考慮した正圧値として設定されている。ここで、燃料電池スタック22が定常運転を行なっているときとは、燃料電池スタック22の温度が充分に昇温しており、電解質膜の含水量が充分であって、負荷要求に応じて必要な電力を燃料電池スタック22によって支障なく発電可能な状態をいう。
The anode internal pressure in the
B.アノード内圧と膜抵抗との関係:
本実施例の燃料電池システム10は、固体高分子電解質膜における含水量の低下時には、含水量の低下に起因する電池性能の低下を抑制するために、アノード内圧を、定常運転時とは異なる、大気圧より低い値(負圧)に設定する制御を行なうことを特徴としている。このような本実施例の燃料電池システム10における制御の説明に先立って、燃料電池における内部抵抗(セル抵抗)とアノード内圧との関係について、以下に説明する。
B. Relationship between anode internal pressure and membrane resistance:
In the
図3は、アノード内圧と、セル抵抗およびセル電圧との関係を調べた結果を示す図である。ここでは、燃料電池として単セル(1対のセパレータで、MEA(膜電極接合体:Membrane‐Electrode Assembly)を挟持したもの)を用いており、燃料ガスである水素ガスの循環は行なっていない。そして、単セルを一定の負荷に接続しつつ、すなわち、出力電流値を一定値に保ちつつ、アノード側に供給する水素ガスの圧力(アノード内圧)を次第に変化させて、セル抵抗およびセル電圧を測定した。また、カソードに供給する酸化ガスとしては空気を用いており、単セル内の酸化ガス流路を流れる空気の圧力、すなわちカソード内圧は一定とした。また、単セル内には冷却水が流れる冷却水流路を設け、冷却水の出口温度を調節することによって、単セル内の温度を略一定に維持した。また、燃料ガスおよび酸化ガスの加湿条件としては、アノード内圧をカソード内圧と釣り合う圧力に設定する場合に、電解質膜の含水量が低下するような条件として設定した。 FIG. 3 is a diagram showing the results of examining the relationship between anode internal pressure, cell resistance, and cell voltage. Here, a single cell (a pair of separators sandwiching an MEA (membrane electrode assembly)) is used as a fuel cell, and hydrogen gas as a fuel gas is not circulated. Then, while connecting the single cell to a constant load, that is, while maintaining the output current value at a constant value, the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode side (anode internal pressure) is gradually changed, and the cell resistance and the cell voltage are changed. It was measured. Further, air is used as the oxidizing gas supplied to the cathode, and the pressure of the air flowing through the oxidizing gas flow path in the single cell, that is, the cathode internal pressure is constant. Moreover, the cooling water flow path through which cooling water flows was provided in the single cell, and the temperature in the single cell was maintained substantially constant by adjusting the outlet temperature of the cooling water. In addition, the humidification conditions of the fuel gas and the oxidizing gas were set such that the water content of the electrolyte membrane was lowered when the anode internal pressure was set to a pressure balanced with the cathode internal pressure.
ここで、燃料電池における内部抵抗としては、燃料電池の構成部材間における接触抵抗に起因するものと、燃料電池の各構成部材そのものが有する抵抗とがある。これら個々の抵抗を計測することは困難であるが、これらの抵抗の内、燃料電池の発電中に燃料電池の発電条件に応じて大きく変化し得るのは、含水量が変化することで値が変動する電解質膜の抵抗、すなわち膜抵抗である。そして、この膜抵抗は、電解質膜の含水量が低下して、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下することによって値が上昇する。そのため、図3に示す結果においては、電解質膜の含水量の低下に起因する膜抵抗の増大を、燃料電池スタック22の内部抵抗の増加として計測している。
Here, the internal resistance in the fuel cell includes a resistance caused by contact resistance between the constituent members of the fuel cell and a resistance possessed by each constituent member of the fuel cell itself. Although it is difficult to measure these individual resistances, the value of these resistances can vary greatly depending on the power generation conditions of the fuel cell during power generation of the fuel cell. Fluctuating electrolyte membrane resistance, ie membrane resistance. This membrane resistance increases as the water content of the electrolyte membrane decreases and the proton conductivity in the electrolyte membrane decreases. Therefore, in the result shown in FIG. 3, the increase in the membrane resistance due to the decrease in the water content of the electrolyte membrane is measured as the increase in the internal resistance of the
燃料電池の内部抵抗であるセル抵抗は、交流インピーダンス法により求めた。すなわち、単セルに対して、比較的周波数の高い(例えば10kHz)微弱な交流定電流を印加し、出力電圧から、フィルタ(コンデンサ)を用いて上記交流電流に起因する交流成分を分離して、交流成分の電圧値である交流インピーダンスを、セル抵抗として求めた。 The cell resistance, which is the internal resistance of the fuel cell, was determined by the AC impedance method. That is, a weak AC constant current having a relatively high frequency (for example, 10 kHz) is applied to a single cell, and an AC component caused by the AC current is separated from the output voltage using a filter (capacitor). The AC impedance, which is the voltage value of the AC component, was determined as the cell resistance.
図3に示すように、アノード内圧を低くすれば低くするほど、単セルにおけるセル抵抗が低下すると共に、セル電圧が上昇する結果が得られた。 As shown in FIG. 3, the lower the internal pressure of the anode, the lower the cell resistance in the single cell and the higher the cell voltage.
このように、アノード内圧を低下させるほど、セル抵抗が低下するのは、アノード内圧を低下させることにより、カソード内圧に対してアノード内圧が相対的に低くなって、両者間の差圧が大きくなるためであると考えられる。アノード内圧とカソード内圧との差圧が大きくなると、カソード側からアノード側へと向かう電解質膜内における水の移動が促進され、結果的に電解質膜の含水量が増加して、膜抵抗が低下するためであると考えられる。 As described above, the cell resistance decreases as the anode internal pressure decreases. By reducing the anode internal pressure, the anode internal pressure becomes relatively lower than the cathode internal pressure, and the differential pressure between the two increases. This is probably because of this. When the pressure difference between the anode internal pressure and the cathode internal pressure increases, the movement of water in the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side is promoted, resulting in an increase in the water content of the electrolyte membrane and a decrease in membrane resistance. This is probably because of this.
以上のように、図3の結果から、電解質膜の含水量が低下した場合に、アノード内圧を低下させると、低下させるほどに、セル抵抗を低下させることができ、その結果、セル電圧を上昇させることができるという知見が得られた。そこで、本実施例の燃料電池システム10では、以上の知見を利用して、電解質膜の含水量の低下時に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御を行なうことで、電池性能の維持を図っている。
As described above, from the results shown in FIG. 3, when the water content of the electrolyte membrane is reduced, if the anode internal pressure is lowered, the cell resistance can be lowered as the anode pressure is lowered. As a result, the cell voltage is increased. The knowledge that it can be made was obtained. Therefore, in the
なお、一般的に、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化ガスとして酸素濃度が比較的低い空気を用いて燃料電池を運転する際には、アノード内圧は、カソード内圧との釣り合いを考慮して設定されるため、所望の電力を得るために必要な値に比べて過剰となっている。したがって、負荷要求に応じた発電を行なうためには充分な範囲でアノード内圧を負圧まで低下させることにより、所望の電力を得つつ、セル抵抗の低下およびセル電圧の上昇を図ることができる。 In general, when operating a fuel cell using hydrogen gas as the fuel gas and air having a relatively low oxygen concentration as the oxidizing gas, the anode internal pressure is set in consideration of the balance with the cathode internal pressure. Therefore, it is excessive as compared with a value necessary for obtaining a desired power. Therefore, by reducing the anode internal pressure to a negative pressure within a sufficient range to generate power according to the load demand, it is possible to reduce cell resistance and increase cell voltage while obtaining desired power.
C.膜含水量低下時における制御:
図4は、燃料電池システム10が備える制御部70のCPU74において実行される膜含水量低下時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池スタック22の発電中に、所定の間隔で繰り返し実行される。
C. Control when membrane water content is reduced:
FIG. 4 is a flowchart showing a membrane water content lowering processing routine executed by the
本ルーチンが起動されると、CPU74は、まず、フラグを下げて(ステップS100)、燃料電池スタック22が所定の高温条件に該当するか否かを判定する(ステップS110)。本実施例では、燃料電池スタック22の内部温度として温度センサ52の計測温度を用い、内部温度が90℃以上の場合には、燃料電池スタック22が所定の高温条件に該当すると判定している。高温条件の判定基準を90℃としているのは、飽和蒸気圧が高くなることにより電解質膜の含水量が低下した状態になると考えられるからである。ステップS110では、燃料電池スタック22の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量の低下状態を判断している。このように、ステップS110の処理を実行する際には、CPU74は、請求項における制御部として機能している。
When this routine is started, the
ステップS110において、所定の高温条件に該当すると判定したときには、CPU74は、フラグが下がっているか否かを判断し(ステップS120)、フラグが下がっている場合は、アノード排ガス中の不純物を排出させるように制御する(ステップS130)。具体的には、CPU74からパージバルブ27へ駆動信号を出力することによって、パージバルブ27を開弁して、アノード排ガスの一部を排出させ、所定の時間経過した後、パージバルブ27を閉弁する。このように、ステップS130の処理を実行する際には、CPU74は、請求項における制御部として機能する。
When it is determined in step S110 that the predetermined high temperature condition is met, the
「B.アノード内圧と膜抵抗との関係」の項で述べたように、電解質膜の含水量が低下した状態の場合には、アノード内圧を低下させることによって、電解質膜の含水量を増加させることができ、結果として、燃料電池性能の低下を抑制することができる。そこで、ステップS110において、所定の高温条件に該当する(すなわち、電解質膜の含水量が低下している)と判定された場合は、後述するアノード内圧を低下させる制御(ステップS140)を行なうが、本実施例においては、ステップS140に先立って、アノード排ガスを排気させる制御を行なっている(ステップS130)。これは、アノード内圧を負圧まで低下させると、その後に、アノード排ガスを排気しようとしても、循環路内の圧力が、外気圧より低いため、逆に、外気が循環路内に流入してしまい、アノード排ガスを排気することができないからである。 As described in the section “B. Relationship between anode internal pressure and membrane resistance”, when the water content of the electrolyte membrane is reduced, the water content of the electrolyte membrane is increased by reducing the anode internal pressure. As a result, a decrease in fuel cell performance can be suppressed. Therefore, in step S110, when it is determined that the predetermined high temperature condition is satisfied (that is, the water content of the electrolyte membrane is reduced), control for reducing the anode internal pressure described later is performed (step S140). In the present embodiment, the control for exhausting the anode exhaust gas is performed prior to step S140 (step S130). This is because, when the anode internal pressure is reduced to a negative pressure, the pressure in the circulation path is lower than the outside air pressure even if the anode exhaust gas is exhausted after that, so that outside air flows into the circulation path. This is because the anode exhaust gas cannot be exhausted.
従来、アノード排ガスの排気は、アノードガス中の不純物濃度(例えば、窒素濃度)に基づいて、制御されている。しかしながら、アノード内圧を負圧にする場合は、上記したような問題があるため、本実施例においては、アノード内圧を正圧から負圧に低下させる場合には、そのタイミングに関連付けて、アノード内圧を低下させる前に、アノード排ガスの排出を行なっている。 Conventionally, the exhaust of the anode exhaust gas is controlled based on the impurity concentration (for example, nitrogen concentration) in the anode gas. However, when the anode internal pressure is set to a negative pressure, there are the above-described problems. Therefore, in this embodiment, when the anode internal pressure is decreased from the positive pressure to the negative pressure, the anode internal pressure is related to the timing. The anode exhaust gas is discharged before the pressure decreases.
ステップS130において、パージバルブ27を閉弁したら、続いて、CPU74は、アノード内圧の設定値を負圧まで低下させる制御を行なう(ステップS140)。そして、ステップS150で、フラグを上げて、再び、ステップS110に戻る。上記したように、アノード内圧は、燃料電池スタック22が定常運転を行なっているとき(すなわち、ステップS140の処理が実行されるまで)は、カソード側のガス圧との釣り合いを考慮した一定の正圧値として設定されている。アノード内圧を負圧に設定する制御は、具体的には、制御部70からインジェクタ62へと駆動信号を出力することによって、アノード内圧センサ50における計測値が大気圧よりも低い所定の値となるように、インジェクタ62におけるデューティー比を調節することによって行なう。このように、ステップS140の処理を実行する際には、CPU74は、請求項における制御部として機能する。
When the
そして、ステップS110に戻った際に、燃料電池スタック22が所定の高温条件に該当しないと判定されたときには、CPU74は、ステップS160に移行して、アノード内圧の制御として、定常運転時の制御(すなわち、所定の正圧値に制御される)を行ない、フラグを下げる(ステップS170)。そして、再び、ステップS110へ戻る。このように、ステップS110において、燃料電池スタック22が所定の高温条件に該当しないと判定されたときには、燃料電池内のガス流路における飽和蒸気圧がそれほど高くなく、電解質膜から燃料ガスおよび酸化ガスへの水分の気化が抑えられるため、電解質膜の含水量低下状態が許容範囲内であると考えられる。そのため、アノード内圧を負圧に制御する必要がないため、定常運転時の制御に戻すものである。
When it is determined that the
一方、ステップS140において、アノード内圧を負圧に制御した後、ステップS110に戻った際に、燃料電池スタック22が所定の高温条件に該当すると判定されたときには、ステップS120に進むが、既に、アノード内圧が負圧に制御され、フラグが上がっているため、アノード排ガスの排気を行なうことなく、ステップS110に戻る。
On the other hand, if it is determined in step S140 that the
このように、アノード内圧が、正圧値から負圧値に低下制御される場合には、負圧に制御するに先立って、アノード排ガスを排気させる制御を行なう。一方、アノード内圧が定常運転時の制御の場合(すなわち、所定の正圧値に制御されている場合)や、一定の負圧値に制御されている場合には、アノード排ガスの排気は、本ルーチンとは関係なく、アノードガス中の窒素濃度に基づいて、制御されている。 As described above, when the anode internal pressure is controlled to decrease from the positive pressure value to the negative pressure value, the anode exhaust gas is controlled to be exhausted before the negative pressure is controlled. On the other hand, when the anode internal pressure is controlled during steady operation (that is, controlled to a predetermined positive pressure value) or controlled to a constant negative pressure value, the exhaust gas of the anode exhaust gas is Regardless of the routine, it is controlled based on the nitrogen concentration in the anode gas.
D.実施例の効果:
図5は、膜含水量低下時処理ルーチンによる制御の影響を示すグラフである。図5(a)は燃料電池スタック22の内部温度、(b)はパージバルブ27の開閉状態、(c)はアノード排ガス中の窒素濃度、(d)はアノード内圧、(e)は燃料電池スタック22の出力電力(電流×電圧)を、それぞれ示す。なお、図5では、(a)〜(e)全てのグラフについて、横軸に時間を取って、同じ時間軸で示している。図5では、燃料電池システム10を搭載した車両が、坂道を登り続ける状態を模擬して、一定の高負荷で、燃料電池システム10を運転させた状態を示している。
D. Effects of the embodiment:
FIG. 5 is a graph showing the influence of control by the processing routine when the membrane water content is reduced. 5A shows the internal temperature of the
図5(a)に示す、燃料電池スタック22の内部温度が高温判定基準(例えば、90℃)を超えたとき(すなわち、上記のステップS110において、所定の高温条件に該当すると判定されたとき)、図5(b)に示すように、パージバルブ27が開状態になる。すると、アノード排ガス路63内のアノード排ガスの一部が、排ガス排出路64を介して、外部へ排出される。アノード排ガスの一部が排出されると、その分、水素タンク23から純水素が供給されるため、図5(c)に示すように、アノードガス中の窒素濃度が低下する。このとき、燃料電池スタック22のアノード内圧は定常運転時の制御をされている(図5(d))。そして、パージバルブ27を開けてから所定の時間が経過した後、閉弁され、続いて、インジェクタ62のバルブの開閉状態が調節されて、アノード内圧が大気圧より低い一定の負圧値になるように制御される(図5(d))。なお、パージバルブ27が閉弁された後は、アノードガス中の窒素濃度は、徐々に増加する(図5(c))。
When the internal temperature of the
一般的に、燃料電池が運転を開始して、燃料電池の内部温度が上昇すると、燃料電池の内部温度の上昇に伴い、電解質膜は徐々に乾燥して、電解質膜の抵抗は徐々に大きくなるため、一定の出力電流に対する出力電圧は小さくなる。したがって、負荷要求が一定の場合に、出力電流を一定にしていると、出力が小さくなってしまう。しかしながら、電解質膜の含水量が許容範囲内である場合は、出力電流を増やす等の制御を行なうことにより、燃料電池から一定の出力を得ることができる。 In general, when the fuel cell starts operation and the internal temperature of the fuel cell increases, the electrolyte membrane gradually dries and the resistance of the electrolyte membrane gradually increases as the internal temperature of the fuel cell increases. Therefore, the output voltage with respect to a constant output current becomes small. Therefore, if the load demand is constant and the output current is constant, the output becomes small. However, when the water content of the electrolyte membrane is within an allowable range, a constant output can be obtained from the fuel cell by performing control such as increasing the output current.
本実施例における燃料電池システム10では、高温条件に該当すると判定されたとき、電解質膜の含水量が許容範囲よりも低下しているものと判断している。図5に示す燃料電池スタック22の運転状況では、高負荷運転を続けることにより、高温条件に該当すると判定された後も、徐々に燃料電池スタック22の内部温度が上昇し続けるため、アノード内圧を調整しなければ、電解質膜の含水量は、さらに低下していく。
In the
そこで、高温条件に該当すると判定された後、アノード内圧を低下させることにより、カソード側に対してアノード側の圧力を相対的に低下させることによって、アノード側からの水の移動を促進させ、電解質膜の含水量が低下するのを抑制する(すなわち、電解質膜の含水量を維持する。)。これによって、燃料電池スタック22の出力を一定の高出力に維持している(図5(e))。
Therefore, after it is determined that the high temperature condition is satisfied, the anode internal pressure is decreased, and the pressure on the anode side is decreased relative to the cathode side, thereby promoting the movement of water from the anode side and the electrolyte. Suppressing a decrease in the water content of the membrane (ie, maintaining the water content of the electrolyte membrane). As a result, the output of the
本実施例の効果をより明確にするために、本実施例に対する比較例として、アノード内圧を負圧まで低下させた後に、アノード排ガスの排気を行なう制御について、説明する。図6は、比較例のアノード内圧の制御による出力への影響を示すグラフである。図6でも、図5と同様の一定の高負荷状態で、燃料電池スタック22を運転している。
In order to clarify the effect of the present embodiment, a control for exhausting the anode exhaust gas after reducing the anode internal pressure to a negative pressure will be described as a comparative example to the present embodiment. FIG. 6 is a graph showing the influence on the output by controlling the anode pressure in the comparative example. Also in FIG. 6, the
まず、燃料電池スタック22の内部温度が所定の基準値を上回ると(図6(a))、アノード内圧を大気圧より低い所定の負圧値にする制御がなされる(図6(d))。その後、アノードガス中の窒素濃度が所定の高濃度判定基準値に到達すると(図6(c))、パージバルブ27が開弁され、所定の時間経過後、閉弁される(図6(b))。パージバルブ27が開弁される際に、アノード内圧が大気圧より低い状態のままであると、パージバルブ27を開弁しても、アノード排ガスは圧力差により大気中へ排出されないため、パージバルブ27を開弁するタイミングに合わせて、一旦、アノード内圧を通常運転制御時の圧力(正圧)まで戻し、パージバルブ27を閉弁するタイミングに合わせて、アノード内圧を低下させる制御を行なっている。
First, when the internal temperature of the
高温条件に該当すると判定された後、アノード内圧を負圧に設定することにより、燃料電池スタック22の電解質膜の含水量は、さらに低下することなく維持されているため、図6(e)に示すように、出力も維持されている。しかしながら、上記したように、パージバルブ27を開けるタイミングに合わせて、アノード内圧を正圧に戻す制御を行なうと、カソード側の水がアノード側へ移動しにくくなるため、電解質膜の含水量が低下して、膜抵抗が増大し、その結果、出力電圧が低下して、燃料電池スタック22の出力が低下してしまう(図6(e))。
Since it is determined that the high temperature condition is satisfied and the anode internal pressure is set to a negative pressure, the water content of the electrolyte membrane of the
本実施例の燃料電池システム10では、電解質膜の含水量が低下していると判断された場合に、アノード内圧を負圧まで低下させるに先立って、パージバルブ27を開弁して、アノード排ガスの排気を行なっている。そのため、比較例のように出力低下を生じさせずに、アノード排ガス中の窒素濃度を低減させると共に、電解質膜の含水量の低下を抑制して、総合的に電池性能が低下するのを抑制することができる。
In the
さらに、インジェクタ62のバルブの開閉時間を調節することによってアノード内圧を低下させているため、エネルギ消費の増大を伴う必要がない。そのため、エネルギ効率を低下させることなく、電解質膜の含水量低下に起因する電池性能の低下を抑制することができる。
Furthermore, since the anode internal pressure is reduced by adjusting the opening / closing time of the valve of the
また、本実施例では、インジェクタ62のバルブの開閉制御という簡便な動作により、アノード内圧を容易に所望の値へと制御することができる。なお、インジェクタ62のバルブの開閉時間を調節する方法以外の方法によって、アノード内圧を調節してもよい。例えば、バルブの開度を調節することで、アノード内圧を調節しても良い。
In this embodiment, the anode internal pressure can be easily controlled to a desired value by a simple operation of opening / closing control of the valve of the
E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
E. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
(1)上記した実施例では、燃料電池スタック22の電池性能を低下させる要因の一つとして、電解質膜の含水量の低下を例に挙げて説明したが、その他の種々の要因で電池性能が低下する場合に、アノード内圧を負圧まで低下させるようにしてもよい。
(1) In the above-described embodiment, the reduction in the water content of the electrolyte membrane has been described as an example of one of the factors that deteriorate the cell performance of the
例えば、アノード側でフラッディングを起こしていると考えられる場合に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御をするようにしてもよい。具体的には、ステップS110において、フラッディングの状態になりうる低温条件(例えば、80℃以下)か否かを判定し、低温条件に該当した場合には、出力電圧の低下状態を判定して、所定の割合以上低下している場合には、フラッディングの状態になっていると判定する。 For example, when it is considered that flooding occurs on the anode side, control may be performed to reduce the anode internal pressure to a negative pressure. Specifically, in step S110, it is determined whether or not a low temperature condition (for example, 80 ° C. or lower) that can be in a flooding state. If the low temperature condition is satisfied, a decrease state of the output voltage is determined, If it is lower than a predetermined rate, it is determined that a flooding state has occurred.
出力電圧の低下状態を判定する方法としては、例えば、以下のように判定することができる。電圧センサ54が計測した燃料電池スタック22の出力電圧値を取得すると共に、図示しない電流センサが計測した燃料電池スタック22の出力電流値を取得する。一般に、定常運転を行なっている燃料電池は、出力電流値に応じて出力電圧値が一義的に定まる性質を有しており、出力電流値と出力電圧値との間には、一定の関係が成立する(電流―電圧特性)。CPU74は、取得した出力電流値と、制御部70に予め記憶されている燃料電池スタック22の電流―電圧特性と、に基づいて、定常運転時における出力電圧値の基準値である基準電圧値を求める。そして、求めた基準電圧値と、電圧センサ54から取得した出力電圧値の計測値とを比較して、出力電圧の低下状態を判定する。
As a method for determining the output voltage drop state, for example, it can be determined as follows. The output voltage value of the
そして、ステップS110において、フラッディングの状態と判定された場合には、アノード排ガスの排気制御を行い(ステップS130)、その後に、アノード内圧の低下制御を行なう(ステップS140)。 If it is determined in step S110 that the flooding state has occurred, the exhaust control of the anode exhaust gas is performed (step S130), and then the anode internal pressure reduction control is performed (step S140).
アノード内圧を負圧まで低下させると、アノードガスの流速が速くなるため、燃料電池スタック22内に滞留している水を排出し易くなり、フラッディングを抑制することができる。
When the anode internal pressure is reduced to a negative pressure, the flow rate of the anode gas is increased, so that water staying in the
(2)上記した実施例では、図4のステップS110において燃料電池スタック22の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しているが、異なる基準に基づいて電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。
(2) In the above-described embodiment, the water content reduction state of the electrolyte membrane is determined based on the internal temperature of the
例えば、燃料電池スタック22の出力電圧に基づいて、電解質膜の含水量が低下しているか否かを判定してもよい。例えば、(1)に述べたように、基準電圧値と、電圧センサ54から取得した出力電圧値の計測値とを比較して、基準電圧値に比べて実際の計測値が所定の割合以上低下している場合には、電解質膜の含水量が低下した状態であると判定してもよい。
For example, it may be determined based on the output voltage of the
あるいは、電解質膜の膜抵抗に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。上記したように、電解質膜の含水量が低下すると電解質膜の膜抵抗が上昇するため、膜抵抗が所定値以上に上昇しているときには、含水量低下状態であると判定することができる。 Alternatively, the reduced water content of the electrolyte membrane may be determined based on the membrane resistance of the electrolyte membrane. As described above, when the water content of the electrolyte membrane decreases, the membrane resistance of the electrolyte membrane increases. Therefore, when the membrane resistance increases to a predetermined value or more, it can be determined that the water content is in a reduced state.
また、カソードに供給される酸化ガスにおける圧損(カソード圧損)に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。膜含水量が少ないときには、酸化ガスの流路内においても水が少ない状態となり、液水による酸化ガス流れの阻害が少なくなって圧損が小さくなるため、カソード圧損が小さい場合には、含水量低下状態と判定することができる。同様に、アノードに供給される燃料ガスにおける圧損(アノード圧損)に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしてもよい。 Moreover, it is good also as determining the moisture content fall state of an electrolyte membrane based on the pressure loss (cathode pressure loss) in the oxidizing gas supplied to a cathode. When the water content of the membrane is low, the amount of water is also low in the oxidizing gas flow path, and the pressure loss is reduced by reducing the obstruction of the oxidizing gas flow by the liquid water. The state can be determined. Similarly, the water content reduction state of the electrolyte membrane may be determined based on the pressure loss (anode pressure loss) in the fuel gas supplied to the anode.
また、排ガス(カソード排ガスあるいはアノード排ガス)の湿度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。燃料電池においては、温度が比較的低いときには、排ガスにおける水蒸気圧は飽和蒸気圧となっている。しかしながら、燃料電池の温度が上昇して、電解質膜が含水量低下状態となり得るときには、排ガス中の水蒸気圧は飽和蒸気圧よりも低下する。そこで、含水量低下状態を判定するための基準となる排ガス湿度を予め定めておき、この基準となる排ガス湿度よりも、計測値に基づいて求めた排ガス湿度が下回るとき、電解質膜が含水量低下状態であると判定することができる。 Further, the moisture content reduction state of the electrolyte membrane may be determined based on the humidity of the exhaust gas (cathode exhaust gas or anode exhaust gas). In a fuel cell, when the temperature is relatively low, the water vapor pressure in the exhaust gas is a saturated vapor pressure. However, when the temperature of the fuel cell rises and the electrolyte membrane can be in a reduced water content state, the water vapor pressure in the exhaust gas falls below the saturated vapor pressure. Therefore, an exhaust gas humidity serving as a reference for determining a moisture content lowering state is determined in advance, and when the exhaust gas humidity determined based on the measured value is lower than the exhaust gas humidity serving as the reference, the electrolyte membrane has a reduced moisture content. It can be determined that it is in a state.
(3)上記した実施例では、循環流路に水素ガスを補充するためにインジェクタ62を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、インジェクタ62に代えて減圧弁を設け、減圧弁により、燃料電池スタック22に供給する燃料ガス圧を調節して、アノード内圧を低下させる制御を行なっても良い。
(3) In the above-described embodiment, the
(4)上記した実施例では、水素給排系では、循環流路を構成して、アノード排ガスを水素供給路60に戻す構成を示したが、アノード排ガスを循環させない構成としてもよい。例えば、アノード排ガス路63を設けず、排ガス排出路64が、燃料電池スタック22に直接接続される構成としてもよい。このような構成とした場合も、パージバルブ27を開弁することによって、燃料電池スタック22内のアノードガス中の不純物を排出することができる。このような構成にすると、例えば、供給された水素が、全て電極反応に用いられる場合等に、好適である。
(4) In the above-described embodiment, the hydrogen supply / discharge system has a configuration in which the circulation flow path is configured to return the anode exhaust gas to the
(5)上記した実施例では、水素を含有する燃料ガスとして、水素タンク23に貯蔵した水素ガスを用いたが、異なる構成としても良い。例えば、アルコールや炭化水素などの燃料から、水蒸気改質反応のような改質反応を利用して得られる水素リッチな改質ガスを、燃料ガスとして用いることとしても良い。この場合にも、電解質膜の含水量低下時には、アノード内圧を低下させる制御を行なうことによって電解質膜における抵抗の上昇を抑え、出力電圧を確保することにより、同様の効果を得ることができる。
(5) In the above-described embodiment, the hydrogen gas stored in the
10…燃料電池システム
22…燃料電池スタック
23…水素タンク
24…エアコンプレッサ
25…加湿モジュール
26…希釈器
27…パージバルブ
28…エアクリーナ
50…アノード内圧センサ
52…温度センサ
54…電圧センサ
60…水素供給路
61…圧力調整弁
62…インジェクタ
63…アノード排ガス路
64…排ガス排出路
65…水素ポンプ
67…酸化ガス供給路
68…カソード排ガス路
70…制御部
74…CPU
78…入出力ポート
DESCRIPTION OF
78 ... I / O port
Claims (7)
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記アノードガス圧調節部および前記不純物排出部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させる場合に、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を排出させ、その後、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記ガス圧を正圧から負圧に低下させることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane,
An anode gas pressure adjusting unit for adjusting a gas pressure on the anode side of the fuel cell;
An impurity discharge part for discharging impurities in the anode gas;
A control unit for controlling the anode gas pressure adjusting unit and the impurity discharge unit;
Further,
The controller is
When reducing the gas pressure on the anode side from a positive pressure to a negative pressure, the impurity discharge unit is controlled to discharge impurities in the anode gas, and then the anode gas pressure adjustment unit is controlled, A fuel cell system, wherein the gas pressure is reduced from a positive pressure to a negative pressure.
前記制御部は、
前記燃料電池内部の温度が、所定の温度以上であるか否かを判定し、前記燃料電池内部の前記温度が、前記所定の温度以上であると判定したときに、前記アノード側におけるガス圧を負圧まで低下させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The controller is
It is determined whether or not the temperature inside the fuel cell is equal to or higher than a predetermined temperature, and when it is determined that the temperature inside the fuel cell is equal to or higher than the predetermined temperature, the gas pressure on the anode side is set. A fuel cell system, wherein the fuel cell system is reduced to a negative pressure.
前記制御部は、
前記燃料電池が備える電解質膜における含水量が低下した状態であるか否かを判定し、前記含水量が低下した状態であると判定したときに、前記アノード側におけるガス圧を負圧まで低下させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The controller is
It is determined whether or not the water content in the electrolyte membrane included in the fuel cell is reduced, and when it is determined that the water content is in a reduced state, the gas pressure on the anode side is reduced to a negative pressure. A fuel cell system.
前記制御部は、
前記燃料電池内部の温度に基づいて、前記含水量が低下した状態であるか否かを判定することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
The controller is
A fuel cell system that determines whether or not the water content is reduced based on the temperature inside the fuel cell.
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と、
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を設定する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 4, further comprising:
A hydrogen gas supply path for supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell;
An anode exhaust gas path for guiding the gas discharged from the anode of the fuel cell to the hydrogen gas supply path;
With
A part of the hydrogen gas supply path and the anode exhaust gas path form a circulation path for circulating hydrogen between the inside of the fuel cell,
The fuel gas system according to claim 1, wherein the anode gas pressure adjusting unit sets a pressure in the circulation channel as a gas pressure on the anode side.
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
The anode gas pressure adjusting unit is
An injector provided upstream of the circulation flow path in the hydrogen gas supply path and having a discharge port for discharging the hydrogen gas to the circulation flow path side and a valve for opening and closing the discharge port;
The controller is
A fuel cell comprising: controlling the anode gas adjusting unit so as to reduce the gas pressure on the anode side from a positive pressure to a negative pressure by adjusting an opening / closing state of the discharge port by the valve of the injector. system.
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が正圧である場合に、前記アノード側におけるガス圧を負圧まで低下させると判断する第1の工程と、
前記第1の工程において、前記アノード側におけるガス圧を負圧まで低下させると判断されたときに、アノードガス中の不純物を前記燃料電池外へ排出させる第2の工程と、
前記第2の工程の後に、前記アノード側におけるガス圧力を、負圧に設定する第3の工程と、
を備えるガス圧力調節方法。 A gas pressure adjusting method for adjusting a gas pressure on an anode side of the fuel cell in a fuel cell system including a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane,
A first step of determining that the gas pressure on the anode side is reduced to a negative pressure when the gas pressure on the anode side of the fuel cell is a positive pressure;
A second step of discharging impurities in the anode gas out of the fuel cell when it is determined in the first step that the gas pressure on the anode side is reduced to a negative pressure;
After the second step, a third step of setting the gas pressure on the anode side to a negative pressure;
A gas pressure adjusting method comprising:
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008269910A (en) * | 2007-04-19 | 2008-11-06 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, and method for exhausting impurity in fuel cell system |
JP2011249143A (en) * | 2010-05-26 | 2011-12-08 | Toyota Motor Corp | Fuel battery system and method of controlling fuel battery |
WO2013103134A1 (en) * | 2012-01-05 | 2013-07-11 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP2016058400A (en) * | 2010-04-26 | 2016-04-21 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | Fuel cell water management through reduced anode reaction substance pressure |
JP6017785B2 (en) * | 2009-07-09 | 2016-11-02 | トヨタ自動車株式会社 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM |
CN113839070A (en) * | 2020-06-24 | 2021-12-24 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0922714A (en) * | 1995-07-07 | 1997-01-21 | Fuji Electric Co Ltd | Off-gas recycle system of fuel cell power generating device |
JP2000340241A (en) * | 1999-05-31 | 2000-12-08 | Toyota Motor Corp | Solid polymer fuel cell |
JP2001345113A (en) * | 2000-05-31 | 2001-12-14 | Honda Motor Co Ltd | Supply gas circulation device for fuel cell |
JP2002175821A (en) * | 2000-12-05 | 2002-06-21 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Fuel cell system |
JP2004127914A (en) * | 2002-07-29 | 2004-04-22 | Denso Corp | Fuel cell system |
JP2004179080A (en) * | 2002-11-28 | 2004-06-24 | Honda Motor Co Ltd | Fuel supply device of fuel cell |
JP2005190865A (en) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Low temperature type fuel cell system |
JP2006331884A (en) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2007012402A (en) * | 2005-06-30 | 2007-01-18 | Equos Research Co Ltd | Fuel cell system |
JP2007066565A (en) * | 2005-08-29 | 2007-03-15 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
-
2007
- 2007-04-19 JP JP2007110076A patent/JP5186794B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0922714A (en) * | 1995-07-07 | 1997-01-21 | Fuji Electric Co Ltd | Off-gas recycle system of fuel cell power generating device |
JP2000340241A (en) * | 1999-05-31 | 2000-12-08 | Toyota Motor Corp | Solid polymer fuel cell |
JP2001345113A (en) * | 2000-05-31 | 2001-12-14 | Honda Motor Co Ltd | Supply gas circulation device for fuel cell |
JP2002175821A (en) * | 2000-12-05 | 2002-06-21 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Fuel cell system |
JP2004127914A (en) * | 2002-07-29 | 2004-04-22 | Denso Corp | Fuel cell system |
JP2004179080A (en) * | 2002-11-28 | 2004-06-24 | Honda Motor Co Ltd | Fuel supply device of fuel cell |
JP2005190865A (en) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Low temperature type fuel cell system |
JP2006331884A (en) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2007012402A (en) * | 2005-06-30 | 2007-01-18 | Equos Research Co Ltd | Fuel cell system |
JP2007066565A (en) * | 2005-08-29 | 2007-03-15 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008269910A (en) * | 2007-04-19 | 2008-11-06 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, and method for exhausting impurity in fuel cell system |
JP6017785B2 (en) * | 2009-07-09 | 2016-11-02 | トヨタ自動車株式会社 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM |
JP2016058400A (en) * | 2010-04-26 | 2016-04-21 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | Fuel cell water management through reduced anode reaction substance pressure |
JP2011249143A (en) * | 2010-05-26 | 2011-12-08 | Toyota Motor Corp | Fuel battery system and method of controlling fuel battery |
WO2013103134A1 (en) * | 2012-01-05 | 2013-07-11 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
CN113839070A (en) * | 2020-06-24 | 2021-12-24 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
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