JP2008300262A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】必要以上のパージが行われるのを防止することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】起動時の燃料電池の温度を用いて、アノード流路水分が発生する時期を判断する閾値(所定値3)を設定する(S420)。そして、燃料電池の温度が所定値1以上である場合には(S430、Yes)、アノード流路内に水分が発生していると判断する(S460)。また、燃料電池の温度が所定値1以上でない場合であっても(S430、No)、燃料電池の温度が所定値2以上、かつ、起動時からの電流積算値が所定値3以上である場合には(S440、Yes)、アノード流路内に水分が発生していると判断する(S460)。
【選択図】図3
【解決手段】起動時の燃料電池の温度を用いて、アノード流路水分が発生する時期を判断する閾値(所定値3)を設定する(S420)。そして、燃料電池の温度が所定値1以上である場合には(S430、Yes)、アノード流路内に水分が発生していると判断する(S460)。また、燃料電池の温度が所定値1以上でない場合であっても(S430、No)、燃料電池の温度が所定値2以上、かつ、起動時からの電流積算値が所定値3以上である場合には(S440、Yes)、アノード流路内に水分が発生していると判断する(S460)。
【選択図】図3
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池システムでは、例えば水素(燃料ガス)を有効利用するために、燃料電池から排出された未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させるように構成した水素循環系を備えている。また、燃料電池は水素と酸素との電気化学反応により発電し、同時にカソード側では水が生成される。このため、発電中においては、燃料電池の電解質膜を通してカソード側からアノード側に、生成水や空気(酸化ガス)に含まれる窒素などの不純物が透過して発電性能を低下させる問題があった。そこで、水素循環系内の生成水や不純物を排出するために定期的にパージ弁を開弁して発電性能を確保することが行われている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−243417号公報(段落0028、図1および図4)
しかしながら、特許文献1に記載のような従来の技術では、アノード側に水分が発生する時期の判断を行っていなかった。つまり、アノード側に水分が発生していれば水分と窒素とを排出するパージが必要となり、水分が発生していなければ窒素を排出するパージで済むが、従来は定期的にパージを行う際にもアノード側の水分の発生有無にかかわらず同様なパージを行っていたため、窒素のみを排出するパージで充分にもかからず生成水を排出するパージを実行して、無駄なパージが行われるという問題があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、必要以上のパージが行われるのを防止することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、カソード流路にカソードガスが、アノード流路にアノードガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記アノード流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、前記アノード側水分発生有無判定手段は、前記燃料電池温度検出手段により検出された温度が第1所定温度以上である場合に前記アノード流路に生成水が発生していると判定することを特徴とする。
請求項1に係る発明によれば、燃料電池の温度が予め設定された第1所定温度以上になると、電解質膜を介してカソード流路側で発生した水分(生成水)がアノード流路側にリークしてくるため、前記第1所定温度を境にアノード流路側の水分の発生有無を精度よく判定することが可能になる。
請求項2に係る発明は、前記燃料電池の起動時からの積算発電量を検出する積算発電量検出手段を備え、前記アノード側水分発生有無判定手段は、前記燃料電池温度検出手段により検出された温度が前記第1所定温度より低く設定された第2所定温度以上であって、前記積算発電量算出手段により求められた積算発電量が所定閾値以上であるときに、前記アノード流路に生成水が発生していると判断することを特徴とする。
請求項2に係る発明によれば、燃料電池の温度が第1所定温度未満でも、第1所定温度未満に設定された第2所定温度以上であり、かつ、積算発電量が所定閾値以上になる場合にもアノード流路側に水分が発生するため、アノード流路側の水分の発生有無をさらに精度よく判定することが可能になる。
請求項3に係る発明は、前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の起動時の温度に基づいて前記所定閾値を設定する積算発電量閾値設定手段を備え、前記積算発電量閾値設定手段は、前記燃料電池の起動時の温度が低いほど、前記所定閾値を高い値に設定することを特徴とする。
請求項3に係る発明によれば、起動時の燃料電池の温度によってアノード流路側に水分が発生するときの積算発電量が変動しても、アノード流路側の水分発生有無の判定を精度よく行うことが可能になる。
請求項4に係る発明は、前記燃料電池が低温状態からの起動でない場合には、前記アノード側水分発生有無判定手段による前記アノード流路における水分の発生有無の判定を行わないことを特徴とする。
請求項4に係る発明によれば、低温起動ではない、つまり常温から起動した場合などには、常にアノード流路側に水分が発生するため、アノード流路の水分発生有無の判定を行う必要がなくなる。よって、低温起動ではない場合には、前記水分発生有無の判定を行わないため、アノード流路に水分が存在することを前提とした制御を行うことが可能になる。
請求項5に係る発明は、カソード流路にカソードガスが、前記燃料電池のアノード流路にアノードガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記アノード流路に水分が発生しているか否かを判定するステップを備え、前記燃料電池の温度が第1所定温度以上である場合には、前記アノード流路に生成水が発生していると判定することを特徴とする。
請求項5に係る発明によれば、請求項1と同様に、燃料電池の温度が予め設定された第1所定温度以上になると、電解質膜を介してカソード流路側で発生した水分(生成水)がアノード流路側にリークしてくるため、前記第1所定温度を境にアノード流路側の水分の発生有無を精度よく判定することが可能になる。
請求項6に係る発明は、前記燃料電池の起動時からの積算発電量を検出するステップを備え、前記燃料電池の温度が第1所定温度より低く設定された第2所定温度以上であって、前記積算発電量が第1所定積算発電量以上である場合には、前記アノード流路に水分が発生していると判定することを特徴とする。
請求項6に係る発明によれば、請求項2と同様に、燃料電池の温度が第1所定温度未満でも、第1所定温度未満に設定された第2所定温度以上であり、かつ、積算発電量が所定閾値以上になる場合にもアノード流路側に水分が発生するため、アノード流路側の水分の発生有無をさらに精度よく判定することが可能になる
請求項7に係る発明は、前記燃料電池が低温状態からの起動でない場合には、前記アノード流路内の水分の発生有無判定を行わないことを特徴とする。
請求項7に係る発明によれば、請求項4と同様に、低温起動ではない、つまり常温から起動した場合などには、常にアノード流路側に水分が発生するため、アノード流路の水分発生有無の判定を行う必要がなくなる。よって、低温起動ではない場合には、前記水分発生有無の判定を行わないため、アノード流路に水分が存在することを前提とした制御を行うことが可能になる。
本発明によれば、アノード流路側の水分の発生有無を精度よく判定できるため、必要以上のパージが行われるのを防止することが可能になる。
図1は本実施形態の燃料電池システムの一例を全体構成図、図2は燃料電池システムの起動制御を示すフローチャート、図3はアノード側の水分発生有無を判定するためのサブフローチャート、図4は図2の常温用定期パージを示すサブフローチャート、図5は図2の低温用定期パージを示すサブフローチャート、図6(a)は起動時FC温度とFC電流積算値との関係を示すマップ、(b)はFC温度に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、(c)はFC温度とFC電流積算値に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、図7(a)は常温用定期パージ制御におけるタイムチャート、(b)は低温用定期パージ制御におけるタイムチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池自動車などの車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶、航空機、定置式の家庭用電源などあらゆる用途に適用できる。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池10と、アノードガス供給手段20、水素循環配管30、パージ弁40、カソードガス供給手段50、希釈装置60、制御装置70などを含んで構成されている。
前記燃料電池10は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜11の両面を、触媒(Pt等)を含むアノード(燃料極)12および触媒(Pt等)を含むカソード(空気極)13で挟んでなる膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を有し、さらに膜電極接合体を一対のセパレータ14,15で挟んで構成したものである。各単セルのセパレータ14には、膜電極接合体のアノード12と対向する面に水素が流通するアノード流路14aが形成されている。また、各単セルのセパレータ15には、膜電極接合体のカソード13に対向する面に空気(酸素)が流通するカソード流路15aが形成されている。なお、図1では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。
なお、本実施形態で用いられる電解質膜11は、膜温度に応じてカソード13からアノード12への水透過性が変化する種類のものであり、例えば、低温(氷点下)では生成水(水分)がカソード13からアノード12へは透過せず、常温(例えば、10℃や20℃)では生成水がカソード13からアノード12へ透過する種類のものである。
そして、燃料電池10のアノード12に水素(アノードガス、燃料ガス)が、カソード13に酸素を含む空気(カソードガス、酸化ガス)が、それぞれ供給されると、アノード12、カソード13に含まれる触媒の作用によって電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池10に対して、外部負荷(自動車であれば、走行モータなど)から発電要求があると、燃料電池10が前記発電要求に応じて発電するようになっている。
前記アノードガス供給手段20は、燃料電池10のアノード12に水素を供給する機能を有し、高圧の水素が充填された水素タンク21、真空ポンプの一種であるエゼクタ22などで構成されている。また、配管24aを介して水素タンク21とエゼクタ22とが接続され、配管24bを介してエゼクタ22と燃料電池10のアノード12側の入口10aとが接続されている。なお、図示省略しているが、アノードガス供給手段20には、水素タンク21の近傍に電磁作動式の遮断弁、この遮断弁とエゼクタ22との間に減圧弁などが設けられている。
前記水素循環配管30は、燃料電池10から排出された未反応の水素を再び燃料電池10に戻す機能を有し、下流側(排出側)の一端が、燃料電池10のアノード12側の出口10bに接続された配管24cと接続され、上流側(供給側)の他端がエゼクタ22と接続されている。
前記パージ弁40は、定期的に開弁する機能を有し、前記配管24cの水素循環配管30との分岐部より下流側に設けられている。また、パージ弁40は、後記する制御装置70によって開閉制御される。また、パージ弁40は、配管24dを介して後記する希釈装置60と接続されている。
なお、本実施形態では、アノード流路14a、配管24b,24cおよび水素循環配管30によってアノード循環流路Rが構成されている。
前記カソードガス供給手段50は、燃料電池10のカソード13に空気(酸素)を供給する機能を有し、エアコンプレッサ51などで構成されている。また、配管24eを介してエアコンプレッサ51と燃料電池10のカソード13側の入口10cとが接続されている。また、エアコンプレッサ51はスーパーチャージャなどで構成され、後記する制御装置70によってモータの回転速度が制御される。
なお、燃料電池10は、そのカソード13側の出口10dが配管24fを介して、カソード13側の圧力を調整するための背圧弁52と接続され、この背圧弁52が配管24gを介して後記する希釈装置60と接続されるように構成されている。また、図示省略しているが、カソードガス供給手段50には、エアコンプレッサ51から導入された空気を加湿するための加湿器などが設けられている。
前記希釈装置60は、パージ弁40を介して、アノード循環流路R内の不純物を排出する機能を有し、燃料電池10のカソード13側の出口10dから排出されたカソードオフガスを滞留させる空間(図示せず)を備えている。なお、希釈装置60は、カソードオフガスのみを導入するものに限定されず、カソードオフガスとともに燃料電池10の上流側のカソードガス(空気)を導入するように構成してもよい。
前記制御装置70は、燃料電池システム1を電子制御するユニットであって、CPU(Central Control Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Randam Access Memory)、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。なお、制御装置70は、本実施形態のアノード側水分発生有無判定手段、積算発電量検出手段、積算発電量閾値設定手段を備えている。
また、制御装置70は、温度計71および電流計72と接続されている。温度計71は、燃料電池10の温度を検出する機能を有し、燃料電池10のアノード12側の出口10b近傍の配管24c、またはカソード13側の出口10d近傍の配管24f、または燃料電池10を冷却する冷媒が流通する配管などに設けられる。電流計72は、燃料電池10から取り出される電流値を検出する機能を有し、燃料電池10と外部負荷との間に設けられている。
次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図2ないし図4を参照(適宜図1を参照)して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム1の運転停止時には、遮断弁(図示せず)が閉じられ、パージ弁40が閉じられ、エアコンプレッサ51が停止している。
そして、図2に示すように、運転者によってイグニッションスイッチ(IGSW、図示せず)がONにされると、ステップS100において、制御装置70は、燃料電池10の起動制御(FC起動制御)を実行する。FC起動制御とは、遮断弁(不図示)を開いて、水素タンク21から燃料電池10のアノード12に水素を供給し、エアコンプレッサ51の駆動を開始して、燃料電池10のカソード13に空気を供給する。また制御装置70は、同時にパージ弁40を開いて、アノード循環流路R内を水素に置換する制御を行う。また、外気温度などに基づいて燃料電池システム1の暖機を行うか否かを決定する。
そして、ステップS200に進み、制御装置70は、温度計71によって燃料電池10の温度(FC温度)を検出する。
そして、ステップS300に進み、制御装置70は、燃料電池10と外部負荷(図示せず)とを接続して、燃料電池10の発電(FC発電)を開始する。なお、FC発電開始の条件とは、例えば、アノードガス循環流路R内の水素濃度が高められて、燃料電池10の開放端電圧(開回路電圧)が所定電圧を超えたときである。
そして、ステップS400に進み、制御装置70は、アノード側(アノード循環流路R内)に水分が発生しているか否かを推定する。なお、このステップS400が、本実施形態におけるアノード側水分発生有無推定手段が実施する処理に相当する。このステップS400は、図3に示すサブフローに基づいて制御される。
すなわち、図3に示すように、ステップS410において、制御装置70は、燃料電池10が氷点下起動(低温状態からの起動)であるか否かを判断する。なお、氷点下起動であるか否かは、ステップS100のFC起動制御によって既に決定されているため、ステップS100に基づいて判断できる。ステップS410において、制御装置70は、燃料電池10が氷点下起動でないと判断した場合には(No)、常温起動であると判断して、ステップS460に進み、アノード循環流路R内に水分が発生している判断する。
また、ステップS410において、制御装置70は、燃料電池10が氷点下起動であると判断した場合には(Yes)、ステップS420に進み、図2のステップS200で検出した起動時のFC温度を用いて、アノード側の水分発生時期を判断する閾値(所定値3)を設定する。なお、このステップS420が、本実施形態の積算発電量閾値設定手段が実施する処理に相当する。また、この所定値3は、燃料電池10から取り出される電流の積算値(FC電流積算値)であり、例えば、図6(a)に示すマップに基づいて設定される。図6(a)に示すように、起動時(IGSWオン時)のFC温度が低い場合には、所定値3が高く設定され、起動時のFC温度が高い場合には、所定値3が低く設定される。なお、所定値3は、マップに限定されるものではなく、テーブルや関数などを用いて算出してもよい。
そして、ステップS430に進み、制御装置70は、FC温度が所定値1以上であるか否かを判断する。なお、所定値1(第1所定温度)は、カソード13で生成された水が電解質膜11を透過してアノード12に透過を始める温度であり、例えば30℃に設定される。また、所定値1は、30℃に限定されるものではなく、燃料電池10に用いられている電解質膜11の種類や厚みなどに応じて適宜変更できる。
ステップS430において、制御装置70は、FC温度が所定値1以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS460に進み、アノード流路14aを含むアノード循環流路R内に水分が発生していると推定する。すなわち、図6(b)を参照して説明すると、FC温度が所定値1を超えることにより、アノード循環流路R内に水分が発生していると判断される。ちなみに、このような場合にアノード循環流路R内に水分が発生するのは、FC温度が所定値1以上になると、電解質膜11の内部の空隙が拡大して、カソード13側の生成水が電解質膜11を透過してアノード12に移動するからであると推測される。
また、ステップS430において、制御装置70は、FC温度が所定値1以上でないと判断した場合には(No)、ステップS440に進み、FC温度が所定値2以上、かつ、FC電流積算値が所定値3以上であるか否かを判断する。なお、所定値2(第2所定温度)は、所定値1よりも低い値に設定され、例えば20℃に設定される。また、このステップS440が、本実施形態の積算発電量検出手段が実施する処理を含んでいる。
ステップS440において、制御装置70は、FC温度が所定値2以上、かつ、FC電流積算値が所定値3以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS460に進み、アノード流路14aを含むアノード循環流路R内に水分が発生していると推定する。この場合、例えばフラグ(判定値)を立てる。すなわち、図6(c)を参照して説明すると、時刻t3において、アノード循環流路R内に水分が発生していると判断される。ちなみに、このような場合、アノード循環流路R内に水分が発生するのは、電解質膜11を介してカソード13からアノード12に透過した水分ではなく、発電による発熱によってもともとアノード12内部(電極内部)に存在していた水分がアノード12の表面に溶け出すからであると推測される。
また、ステップS440において、制御装置70は、FC温度が所定値2未満且つFC電流積算値が所定値3以上の場合(No)、またはFC温度が所定値2以上且つFC電流積算値が所定値3未満の場合(No)、またはFC温度が所定値2未満且つFC電流積算値が所定値3未満の場合(No)、ステップS450に進み、アノード流路14aを含むアノード循環流路R内には水分が発生していないと推定する。この場合、例えばステップS460において水分発生有りと推定したときのフラグとは異なるフラグ(判定値)を立てる。なお、図6(c)では、時刻t2が、FC温度が所定値2以上且つFC電流積算値が所定値3未満の場合であり、時刻t1が、FC温度が所定値2未満且つFC電流積算値が所定値3未満の場合である。
そして、図2のフローに戻って、ステップS500に進み、制御装置70は、ステップS400によって推定された水分発生有無の判定値に基づいてアノード循環流路R内に水分が発生しているか否かを判断する。ステップS500において、アノード循環流路R内に水分が発生していると判断した場合には(Yes)、ステップS600に進み、常温用定期パージを実行する。常温用定期パージは、図4のサブフローに基づいて実行される。
図4に示すように、ステップS610において、制御装置70は、まず前回の定期パージ制御からの時間を検出する。なお、この時間は、例えば、制御装置70に内蔵されたタイマ(不図示)を用いて検出される。また、初回の定期パージの場合には、発電開始からの時間を検出する。
そして、ステップS620に進み、制御装置70は、ステップS610で検出した時間が所定時間1以上であるか否かを判断する。なお、所定時間1は、予め実験等によって設定され、アノード循環流路R内に発生する主に空気中に含まれる窒素とカソード13からリークしてくる生成水とからなる不純物が所定量溜まる時間に設定される。ステップS620において、制御装置70は、所定時間1以上でないと判断した場合には(No)、ステップS610に戻り、所定時間1以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS630に進む。
ステップS630において、制御装置70は、定期パージ要求を出力する。なお、ここでは、定期パージ要求のフラグをたてておくだけで、パージ弁40を開弁して定期パージを実行することはしない。
そして、ステップS640に進み、制御装置70は、希釈ガス量が所定量1以上であるか否かを判断する。なお、本実施形態における希釈ガスは、燃料電池10のカソード13から排出されたカソードオフガス(主に空気と生成水)である。また、希釈ガス量とは、希釈装置60内に蓄積されるカソードオフガスの積算量である。また、所定量1は、パージを行っても、規定量を超える水素が車外(外部)に排出されることがない程度まで希釈できる量に設定される。また、このステップS640が、本実施形態の希釈ガス積算量検出手段およびパージ許可判断手段が実行する処理に相当する。
ステップS640において、制御装置70は、希釈ガス量が所定量1以上でないと判断した場合には(No)、ステップS640に戻り、希釈ガス量が所定量1以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS650に進み、パージ弁40を開いて定期パージを実行する。これにより、アノード循環流路R内に蓄積された不純物(窒素および生成水)が、水素(アノードガス)とともにパージ弁40を通って希釈装置60に向けて排出される。
そして、ステップS660に進み、制御装置70は、パージ弁40の開弁時間が所定時間2以上経過したか否かを判断する。なお、所定時間2は、予め実験等によって設定され、アノード循環流路R内に蓄積した不純物(窒素、生成水)を排出するために必要な時間に設定される。
ステップS660において、制御装置70は、パージ弁40の開弁時間が所定時間2以上経過していないと判断した場合には(No)、ステップS660に戻り、開弁時間が所定時間2以上経過していると判断された場合には(Yes)、ステップS670に進み、パージ弁40を閉じて、定期パージを終了する。
そして、図2のフローに戻って、ステップS700に進み、制御装置70は、発電中であるか否かを判断する。発電中であるかどうかの判断は、イグニッションスイッチ(IG SW)がオフにされたかどうかで判断でき、ステップS700において、制御装置70は、イグニッションスイッチがオフではなく、発電中であると判断した場合には(Yes)、ステップS600に戻り、常温用定期パージを継続する。また、ステップS700において、制御装置70は、イグニッションスイッチがオフにされ、発電中ではないと判断した場合には(No)、処理を終了する。
一方、ステップS500において、制御装置70は、アノード循環流路R内に水分が発生していないと判断した場合には(No)、ステップS800に進み、低温用定期パージを実行する。低温用定期パージは、図5のサブフローに基づいて実行される。
図5に示すように、ステップS810において、制御装置70は、図4のステップS610と同様に、前回の定期パージ制御からの時間を検出する。なお、この時間は、例えば制御装置70に内蔵されたタイマ(不図示)を用いて検出される。また、初回の定期パージの場合には、発電開始からの時間を検出する。
そして、ステップS820に進み、制御装置70は、ステップS810で検出した時間が所定時間3以上であるか否かを判断する。なお、所定時間3は、予め実験等により設定され、図4の常温用定期パージでの所定時間1より長く設定される。つまり、この所定時間3は、アノード循環流路R内には水分(生成水)がリークしてこない、またはリークしたとしても極少量であるため、アノード循環流路R内で窒素が溜まる時間に設定される(生成水については考慮しない)。
ステップS820において、制御装置70は、検出した時間が所定時間3以上でないと判断した場合には(No)、ステップS810に戻り、所定時間3以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS830に進む。
ステップS830において、制御装置70は、定期パージ要求を出力する。なお、ここでは、例えば定期パージ要求のフラグをたてておくだけで、パージ弁40を開弁して定期パージを実行することはしない。
そして、ステップS840に進み、制御装置70は、希釈ガス量が所定量2以上であるか否かを判断する。なお、所定量2は、パージを行っても、規定量を超える水素が車外に排出されることがない程度まで希釈できる量に設定され、例えば、図4の常温用定期パージでの所定量1よりも少ない量に設定される。これは、後記するように、パージ弁40の開弁時間が常温用定期パージよりも短く設定されるからである。また、このステップS840が、本実施形態の希釈ガス積算量検出手段およびパージ許可判断手段が実行する処理に相当する。
ステップS840において、制御装置70は、希釈ガス量が所定量2以上でないと判断した場合には(No)、ステップS840に戻り、希釈ガス量が所定量2以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS850に進み、パージ弁40を開いて定期パージを実行する。これにより、アノード循環流路R内に蓄積された不純物(窒素)が、水素(アノードガス)とともにパージ弁40を通って希釈装置60に向けて排出される。
そして、ステップS860に進み、制御装置70は、パージ弁40の開弁時間が所定時間4以上経過したか否かを判断する。なお、所定時間4は、アノード循環流路R内に蓄積した不純物(窒素)を排出するために必要な時間に設定される。また、所定時間4は、予め実験等によって設定され、図4の常温用定期パージにおける所定時間2よりも短い時間に設定される。
ステップS860において、制御装置70は、パージ弁40の開弁時間が所定時間4以上経過していないと判断された場合には(No)、ステップS860に戻り、開弁時間が所定時間4以上経過していると判断された場合には(Yes)、ステップS870に進み、パージ弁40を閉じて、定期パージを終了する。
そして、図2のフローに戻って、ステップS900に進み、制御装置70は、発電中であるか否かを判断する。発電中であるかどうかの判断は、前記と同様に、イグニッションがオフにされたかどうかで判断でき、ステップS900において、制御装置70は、イグニッションがオフではなく、発電中であると判断された場合には(Yes)、ステップS400に戻る。ステップS400において、再度アノード循環流路R内に水分発生の有無を推定し、まだ水分が発生していないと推定される場合には(S500、No)、低温用定期パージ(S800)を継続し、水分が発生していると推定された場合には(S500、Yes)、常温用定期パージ(S600)に移行する。また、ステップS900において、制御装置70は、イグニッションがオフにされ、発電中ではないと判断された場合には(No)、処理を終了する。
また、図7のタイムチャートを参照して説明すると、FC温度が所定値1以上の場合(S430、Yes)、またはFC温度が所定値1未満であってもFC温度が所定値2以上かつFC電流積算値が所定値3以上の場合(S440、Yes)、図7(a)に示す常温用定期パージが実行される。この場合には、発電が開始されるとアノード循環流路R内の窒素量および水分量が徐々に増加する。そして、発電開始(2回目からは前回のパージ)から所定時間1が経過するとパージ弁40が所定時間2開かれて、アノード循環流路R内の不純物(窒素および水分)が希釈装置60に向けて排出される。ただし、本実施形態では、前記したように、希釈装置60に所定量1の希釈ガスが溜まるまでパージ弁40を開弁せず、所定量1の希釈ガスが溜まったらパージ弁40を開弁して定期パージを実行する。
また、FC温度が所定値2以上であってもFC電流積算値が所定値3未満の場合、またはFC電流積算値が所定値3以上であってもFC温度が所定値2未満の場合、またはFC温度が所定値2未満でFC電流積算値が所定値3未満の場合には、図7(b)に示す低温用定期パージが実行される。この場合には、発電が開始されるとアノード循環流路R内の窒素量が徐々に増加するが、水分については、FC温度が低温なのでアノード循環流路R内に発生しない。なお、所定時間3は、窒素のみが所定量溜まる時間を設定すればよいので、所定時間1よりも長く設定できる。そして、発電開始から所定時間3が経過するとパージ弁40が所定時間4開かれて、アノード循環流路R内の不純物(窒素)が希釈装置60に向けて排出される。なお、所定時間4は、窒素のみを排出すればよいので、所定時間2よりも短く設定できる。
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池10の温度が予め設定された所定温度1以上になると電解質膜11を介してカソード流路15a側で発生した水分(生成水)がアノード流路14a側にリークするため、この所定温度1を境にアノード流路14a側の水分の発生有無を判定することにより、水分発生有無を精度よく判定することが可能になる。
また、本実施形態によれば、燃料電池10の温度が所定温度1未満であっても、所定温度1未満に設定された所定温度2以上であり、かつ、積算発電量が所定値3以上になる場合にもアノード流路14a側に水分が発生するため、アノード流路14a側の水分の発生有無をさらに精度よく判定することが可能になる。
また、本実施形態によれば、起動時の燃料電池10の温度によってアノード流路14a側に水分が発生するときの積算発電量(所定値3)が変動しても、アノード流路14a側の水分発生有無の判定を精度よく行うことが可能になる
また、本実施形態によれば、常温で起動した場合には、アノード循環流路R内に水分が発生するが、この場合にはパージ間隔およびパージ弁40の開弁時間を変更しないため、アノード循環流路R内の窒素や水分などの不純物を確実に排出することが可能になり、発電性能が安定する。
なお、前記実施形態では、図7(b)に示すように、定期パージの間隔を所定時間3として、パージ弁40の開弁時間を所定時間4としたが、これに限定されるものではなく、定期パージを禁止するように制御してもよい。その場合には、図中破線Sで示すように、アノード循環流露R内の窒素量が増加する。
また、前記した実施形態では、燃料電池10の積算発電量として、FC電流積算値を用いているが、これに替えて電力(FC積算電力値)に基づいて算出してもよい。
また、前記した実施形態では、氷点下起動と通常起動の処理を共通化して、図3のステップS410で氷点下起動か否かを判断して処理を分岐しているが、例えば、ステップS100において、氷点下起動と通常起動の処理を分岐し、途中でS410の判断を行うことなく、アノード循環流路R内の水分の有無を判定してもよい。
1 燃料電池システム
10 燃料電池
14a アノード流路
15a カソード流路
20 アノードガス供給手段
30 水素循環配管
40 パージ弁
50 カソードガス供給手段
60 希釈装置
70 制御装置
71 温度計(燃料電池温度検出手段)
72 電流計
R アノード循環流路
10 燃料電池
14a アノード流路
15a カソード流路
20 アノードガス供給手段
30 水素循環配管
40 パージ弁
50 カソードガス供給手段
60 希釈装置
70 制御装置
71 温度計(燃料電池温度検出手段)
72 電流計
R アノード循環流路
Claims (7)
- カソード流路にカソードガスが、アノード流路にアノードガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノード流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、
前記アノード側水分発生有無判定手段は、前記燃料電池温度検出手段により検出された温度が第1所定温度以上である場合に前記アノード流路に生成水が発生していると判定することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池の起動時からの積算発電量を検出する積算発電量検出手段を備え、
前記アノード側水分発生有無判定手段は、前記燃料電池温度検出手段により検出された温度が前記第1所定温度より低く設定された第2所定温度以上であって、前記積算発電量算出手段により求められた積算発電量が所定閾値以上であるときに、前記アノード流路に生成水が発生していると判断することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の起動時の温度に基づいて前記所定閾値を設定する積算発電量閾値設定手段を備え、
前記積算発電量閾値設定手段は、前記燃料電池の起動時の温度が低いほど、前記所定閾値を高い値に設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池が低温状態からの起動でない場合には、前記アノード側水分発生有無判定手段による前記アノード流路における水分の発生有無の判定を行わないことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- カソード流路にカソードガスが、前記燃料電池のアノード流路にアノードガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記アノード流路に水分が発生しているか否かを判定するステップを備え、
前記燃料電池の温度が第1所定温度以上である場合には、前記アノード流路に生成水が発生していると判定することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 - 前記燃料電池の起動時からの積算発電量を検出するステップを備え、
前記燃料電池の温度が第1所定温度より低く設定された第2所定温度以上であって、前記積算発電量が第1所定積算発電量以上である場合には、前記アノード流路に水分が発生していると判定することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システムの運転方法。 - 前記燃料電池が低温状態からの起動でない場合には、前記アノード流路内の水分の発生有無判定を行わないことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の燃料電池システムの運転方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007146487A JP2008300262A (ja) | 2007-06-01 | 2007-06-01 | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=40173573
Family Applications (1)
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JP2007146487A Pending JP2008300262A (ja) | 2007-06-01 | 2007-06-01 | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 |
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JP (1) | JP2008300262A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110176611A (zh) * | 2018-02-20 | 2019-08-27 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池系统及控制燃料电池系统的方法 |
US11695136B2 (en) | 2020-05-29 | 2023-07-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method for fuel cell system |
-
2007
- 2007-06-01 JP JP2007146487A patent/JP2008300262A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110176611A (zh) * | 2018-02-20 | 2019-08-27 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池系统及控制燃料电池系统的方法 |
CN110176611B (zh) * | 2018-02-20 | 2022-05-27 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池系统及控制燃料电池系统的方法 |
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