JP2009043448A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009043448A JP2009043448A JP2007204488A JP2007204488A JP2009043448A JP 2009043448 A JP2009043448 A JP 2009043448A JP 2007204488 A JP2007204488 A JP 2007204488A JP 2007204488 A JP2007204488 A JP 2007204488A JP 2009043448 A JP2009043448 A JP 2009043448A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power generation
- electrode assembly
- membrane electrode
- target value
- decrease
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電を行う。電気化学反応は、膜電極接合体やガス拡散層を担持した燃料電池セルで行われる。 A fuel cell generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas. The electrochemical reaction is performed in a fuel cell carrying a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer.
例えば、特許文献1には、温度に応じて加湿度を制御する技術が記載されている。また、特許文献2には、セル電圧のバラつきに応じて水素量及び酸素量を制御する技術が記載されている。また、特許文献3には、セル電圧に応じて加湿量を制御する技術が記載されている。また、特許文献4には、水つまりを検出するとこれをパージする技術が記載されている。また、特許文献5には、セル電圧が所定値以上になると乾燥したガスを供給することで膜電極接合体の含水量を減らし、触媒層の劣化を抑制する技術が記載されている。また、特許文献6には、劣化の程度に応じて電気出力を制限する技術が記載されている。
燃料電池セルの触媒電極は、触媒を介して燃料ガスからプロトンを生成したり或いはプロトンと酸化ガスとを結合したりする。触媒電極は、触媒と反応ガスとの接触を増やすため、空孔によって表面積を広げている。 The catalyst electrode of the fuel cell generates protons from the fuel gas through the catalyst, or combines protons and oxidizing gas. In order to increase the contact between the catalyst and the reaction gas, the catalyst electrode has a surface area expanded by pores.
触媒電極は、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により生ずる生成水が付着する。触媒電極の空孔に生成水が溜まると、空孔を流れる反応ガスの流れが阻害されるために電気化学反応が弱まり、燃料電池セルの電気出力が低下する。 The catalyst electrode is attached with water produced by an electrochemical reaction between a fuel gas, which is a reaction gas, and an oxidizing gas. When the generated water accumulates in the pores of the catalyst electrode, the flow of the reaction gas flowing through the pores is hindered, so that the electrochemical reaction is weakened and the electric output of the fuel cell is lowered.
触媒電極は、発電を繰り返すことにより、その形態が徐々に変化する。例えば、触媒電極の空孔の形状が変化すると、空孔に溜まる生成水の溜まりやすさも変化する。燃料電池セルは、電解質膜に適度な水分を与えつつ、触媒と反応ガスとの接触を阻害しないようにする必要がある。このため、燃料電池セルは適切な水管理を施す必要があるが、触媒電極の形態が変化すると、最適な加湿量のパラメータ等も変化する。 The form of the catalyst electrode gradually changes as power generation is repeated. For example, when the shape of the pores of the catalyst electrode changes, the ease with which generated water that accumulates in the pores also changes. The fuel battery cell needs to prevent the contact between the catalyst and the reaction gas from being disturbed while providing appropriate moisture to the electrolyte membrane. For this reason, it is necessary to perform appropriate water management for the fuel cell, but when the form of the catalyst electrode changes, the parameter of the optimum humidification amount and the like also change.
本発明は、上記した問題に鑑み、触媒電極の形態変化に合わせて適切な水管理を行う燃料電池システムを提供することを課題とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that performs appropriate water management in accordance with a change in the shape of a catalyst electrode.
本発明は、上記課題を解決するため、触媒電極の空孔の形状変化に伴う膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、反応ガスの湿度の制御目標値を補正する。 In order to solve the above-described problems, the present invention corrects the control target value of the humidity of the reaction gas when detecting a decrease in the power generation capability of the membrane electrode assembly accompanying the change in the shape of the pores of the catalyst electrode.
詳細には、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池システムであって、電解質部と、前記反応ガスが流れる空孔を有し且つ該電解質部を挟んで配置される触媒電極部と、を有する膜電極接合体と、前記空孔に流す前記反応ガス
の湿度を、該空孔内に溜まる水によって該反応ガスの流れが阻害されない制御目標値に制御する湿度制御手段と、前記空孔の変形により、該空孔を流れる前記反応ガスの流れが該空孔内に溜まる水で阻害されることによる前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知する発電能力検知手段と、前記発電能力検知手段が前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、前記空孔内の前記反応ガスの流れが該空孔内に溜まる水で阻害されないように前記制御目標値を補正する制御目標値補正手段と、を備える。
Specifically, it is a fuel cell system that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas, which is a reaction gas, and an oxidizing gas, and has an electrolyte part and a hole through which the reaction gas flows, and is disposed across the electrolyte part. And a humidity that controls the humidity of the reaction gas flowing through the holes to a control target value that does not hinder the flow of the reaction gas by water accumulated in the holes. And a power generation capability for detecting a decrease in the power generation capability of the membrane electrode assembly caused by the flow of the reaction gas flowing through the pores being inhibited by water accumulated in the pores due to deformation of the pores. When the detection means and the power generation capacity detection means detect a decrease in the power generation capacity of the membrane electrode assembly, the control target is set so that the flow of the reactive gas in the holes is not hindered by the water accumulated in the holes. Control eye to correct the value It comprises a value correcting means.
燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させるための膜電極接合体を備える。この膜電極接合体は、電解質部が触媒電極部に挟まれた状態で配置されており、触媒電極部のアノード側で生成されたプロトンが電解質部を介して触媒電極部のカソード側に移動する。 The fuel cell system includes a membrane electrode assembly for electrochemically reacting a fuel gas, which is a reaction gas, and an oxidizing gas. This membrane electrode assembly is arranged with the electrolyte portion sandwiched between the catalyst electrode portions, and protons generated on the anode side of the catalyst electrode portion move to the cathode side of the catalyst electrode portion via the electrolyte portion. .
プロトンが移動するには、電解質部が水を含んでいる必要がある。電解質部は触媒電極部に挟まれているため、電解質部に水を与えるには、触媒電極部を流れる燃料ガスや酸化ガスを加湿する。触媒電極部は、触媒としての機能を高めるため、空孔により表面積を広げている。反応ガスの湿度が高い場合、電解質部には十分な水が与えられるが、触媒電極の空孔が水で塞がれ、触媒の機能が低下する。反応ガスの湿度が低い場合、触媒電極の空孔が水で塞がれないので触媒の機能は低下しないが、電解質部に十分な水が与えられず、アノード側からカソード側に移動するプロトンが減る。このため、燃料電池システムは、発電能力を高めるため、適切な水管理を行う必要がある。そこで、湿度制御手段が、空孔内に溜まる水によって反応ガスの流れが阻害されないように、空孔に流す反応ガスの湿度を制御する。 In order for protons to move, the electrolyte part needs to contain water. Since the electrolyte part is sandwiched between the catalyst electrode parts, in order to give water to the electrolyte part, the fuel gas and the oxidizing gas flowing through the catalyst electrode part are humidified. The catalyst electrode portion has a surface area widened by pores in order to enhance the function as a catalyst. When the humidity of the reaction gas is high, sufficient water is given to the electrolyte part, but the pores of the catalyst electrode are blocked with water, and the function of the catalyst is lowered. When the humidity of the reaction gas is low, the pores of the catalyst electrode are not blocked by water, so the function of the catalyst does not deteriorate, but sufficient water is not given to the electrolyte part, and protons moving from the anode side to the cathode side decrease. For this reason, the fuel cell system needs to perform appropriate water management in order to increase the power generation capacity. Therefore, the humidity control means controls the humidity of the reaction gas flowing through the holes so that the water flow in the holes does not hinder the flow of the reaction gas.
触媒電極部は、起動停止の繰り返しにより形態が変化する。触媒電極部の形態が変化すると空孔も変形する。空孔が変形すると、空孔が水で塞がれやすくなる場合がある。ここで、反応ガスの湿度の制御目標値を変えないと、触媒電極部の形態変化に伴い空孔が水で塞がれやすくなる。これにより、膜電極接合体の発電能力が低下する。そこで、制御目標値補正手段は、触媒電極部の形態変化に伴う膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、反応ガスの湿度を制御する湿度制御手段の制御目標値を補正する。制御目標値補正手段は、湿度制御手段の制御目標値を下げることで空孔に溜まる水を減らし、空孔内を流通するガスの流れを回復させる。なお、膜電極接合体の発電能力の低下は、発電能力低下検知手段が検知する。 The form of the catalyst electrode portion changes due to repeated starting and stopping. When the shape of the catalyst electrode portion is changed, the holes are also deformed. When the holes are deformed, the holes may be easily blocked with water. Here, unless the control target value of the humidity of the reaction gas is changed, the holes are likely to be clogged with water as the catalyst electrode portion changes in form. Thereby, the power generation capability of the membrane electrode assembly is lowered. Therefore, the control target value correcting means corrects the control target value of the humidity control means for controlling the humidity of the reactive gas when detecting a decrease in the power generation capacity of the membrane electrode assembly accompanying the change in the shape of the catalyst electrode portion. The control target value correction means reduces the water accumulated in the holes by lowering the control target value of the humidity control means, and restores the flow of gas flowing through the holes. Note that a decrease in the power generation capability of the membrane electrode assembly is detected by the power generation capability decrease detection means.
以上、本発明に係る燃料電池システムによれば、触媒電極の形態変化に合わせて適切な水管理を行うことが可能になる。 As mentioned above, according to the fuel cell system concerning the present invention, it becomes possible to perform appropriate water management according to the change in form of the catalyst electrode.
ここで、前記発電能力検知手段は、前記膜電極接合体の電気出力の低下を検出する電気出力検出手段と、前記電気出力検出手段が前記膜電極接合体の電気出力の低下を検出すると、前記空孔を流れる前記反応ガスの流速を上げる流速変更手段と、前記流速変更手段が前記反応ガスの流速を上げた時の前記膜電極接合体の電気出力の変化量に基づいて、前記電気出力検出手段が検出した前記膜電極接合体の電気出力の低下がフラッディングによるものであるか否かを検出するフラッディング検出手段と、を有し、前記電気出力検出手段が検出した電気出力の低下がフラッディングによるものでないことが前記フラッディング検出手段によって検出されると、該電気出力の低下が前記空孔の変形による発電能力の低下であることを検知するようにしてもよい。 Here, the power generation capacity detection means detects an electrical output detection means for detecting a decrease in the electrical output of the membrane electrode assembly, and the electrical output detection means detects a decrease in the electrical output of the membrane electrode assembly, The flow rate changing means for increasing the flow rate of the reaction gas flowing through the holes, and the electrical output detection based on the amount of change in the electrical output of the membrane electrode assembly when the flow rate change means increases the flow rate of the reaction gas. Flooding detection means for detecting whether or not the decrease in electrical output of the membrane electrode assembly detected by the means is due to flooding, and the decrease in electrical output detected by the electrical output detection means due to flooding When it is detected by the flooding detection means that the electric power is not, it is detected that the decrease in the electric output is a decrease in the power generation capacity due to the deformation of the holes. It may be.
膜電極接合体の発電能力が低下すると、電気出力が低下する。発電能力検知手段は、電気出力検出手段により電気出力の低下を検出することで、膜電極接合体の発電能力の低下を検知する。 When the power generation capacity of the membrane electrode assembly decreases, the electric output decreases. The power generation capability detection means detects a decrease in the power generation capability of the membrane electrode assembly by detecting a decrease in the electrical output by the electrical output detection means.
膜電極接合体の電気出力は、触媒電極の形態変化により低下以外に、触媒電極の表面に付着した水により低下する場合(フラッディングの場合)が挙げられる。フラッディングの場合、反応ガスの流速を変化させることで触媒電極の表面に付着した水が移動する。触媒電極の表面に付着した水が移動すると、膜電極接合体の電気出力が変化する。そこで、発電能力検知手段は、触媒電極の形態変化による電気出力の低下とフラッディングによる電気出力の低下とを区別するため、流速変更手段により反応ガスの流速を上げる。そして、フラッディング検出手段は、流速変更手段が反応ガスの流速を上げた際の電気出力の変化量を監視する。フラッディング検出手段は、この電気出力の変化量から、膜電極接合体がフラッディング状態にあるか否かを検出する。発電能力検知手段は、電気出力検出手段が検出した電気出力の低下がフラッディングによるものでない場合に、この電気出力の低下が空孔の変形によるものであることを判別する。以上により、触媒電極の形態変化を検知することが可能になる。 The case where the electrical output of the membrane electrode assembly decreases due to water adhering to the surface of the catalyst electrode (in the case of flooding) can be mentioned in addition to the decrease due to the change in the shape of the catalyst electrode. In the case of flooding, the water adhering to the surface of the catalyst electrode moves by changing the flow rate of the reaction gas. When water adhering to the surface of the catalyst electrode moves, the electrical output of the membrane electrode assembly changes. Therefore, the power generation capacity detecting means increases the flow rate of the reaction gas by the flow rate changing means in order to distinguish between a decrease in the electrical output due to a change in the shape of the catalyst electrode and a decrease in the electrical output due to flooding. The flooding detection means monitors the amount of change in electrical output when the flow rate changing means increases the flow rate of the reaction gas. The flooding detection means detects whether or not the membrane electrode assembly is in a flooding state from the amount of change in the electrical output. The power generation capacity detection unit determines that the decrease in the electrical output is due to deformation of the holes when the decrease in the electrical output detected by the electrical output detection unit is not due to flooding. As described above, it is possible to detect a change in the shape of the catalyst electrode.
ここで、前記制御目標値補正手段は、前記発電能力検知手段が前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、前記制御目標値を一時的に変化させて該膜電極接合体の電気出力が最も高くなる時の値を取得し、取得した値を前記湿度制御手段の新たな制御目標値に補正するようにしてもよい。 Here, the control target value correcting means, when the power generation capacity detecting means detects a decrease in the power generation capacity of the membrane electrode assembly, temporarily changes the control target value and outputs the electrical output of the membrane electrode assembly. It is also possible to acquire a value when the value becomes the highest and correct the acquired value to a new control target value of the humidity control means.
触媒電極が形態変化した場合、湿度制御手段の制御目標値を適切な値に補正する必要がある。適切な値とは、空孔内に反応ガスの流れを阻害する水が溜まらない値であり、例えば、膜電極接合体の電気出力が最も高くなる値である。制御目標値補正手段は、電気出力が最も高くなる時の値を取得するため、膜電極接合体の発電能力が低下すると、湿度制御手段の制御目標値を一時的に変化させる。すなわち、制御目標値補正手段は、発電能力の低下を検知したら、電気出力を監視しながら湿度制御手段の制御目標値を一時的に下げたり上げたりする。制御目標値補正手段は、電気出力が最も高くなる時の値を取得したら、これを湿度制御手段の新たな制御目標値にする。これにより、触媒電極の形態が変化しても膜電極接合体の発電能力を最大限に発揮させることが可能になる。 When the shape of the catalyst electrode changes, it is necessary to correct the control target value of the humidity control means to an appropriate value. An appropriate value is a value at which water that inhibits the flow of the reaction gas does not accumulate in the pores, and is, for example, a value at which the electrical output of the membrane electrode assembly is the highest. Since the control target value correction means acquires the value when the electric output becomes the highest, when the power generation capability of the membrane electrode assembly decreases, the control target value of the humidity control means is temporarily changed. That is, when the control target value correcting unit detects a decrease in the power generation capacity, the control target value correcting unit temporarily decreases or increases the control target value of the humidity control unit while monitoring the electrical output. When the control target value correcting means obtains the value when the electric output becomes the highest, it sets this as a new control target value for the humidity control means. This makes it possible to maximize the power generation capability of the membrane electrode assembly even when the form of the catalyst electrode changes.
ここで、前記制御目標値補正手段は、前記触媒電極の経年劣化に伴う前記空孔の変形により生ずる前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、該空孔を流れる前記反応ガスの流れが該空孔内に溜まる水によって阻害されないように前記制御目標値を補正してもよい。 Here, when the control target value correcting means detects a decrease in the power generation capability of the membrane electrode assembly caused by deformation of the holes due to aging of the catalyst electrode, the flow of the reaction gas flowing through the holes The control target value may be corrected so as not to be hindered by water accumulated in the holes.
触媒電極の形態変化は、長期間に渡る発電の繰り返しにより徐々に進行する。このような経年劣化に伴う発電能力の低下を検知し、触媒電極の形態変化に合わせて適切な水管理を行うことで、触媒電極が経年劣化しても膜電極接合体の発電能力を十分に発揮させることが可能になる。 The change in the shape of the catalyst electrode gradually proceeds with repeated power generation over a long period of time. By detecting such a decrease in power generation capacity due to aging and performing appropriate water management in accordance with changes in the shape of the catalyst electrode, sufficient power generation capacity of the membrane electrode assembly can be obtained even if the catalyst electrode deteriorates over time. It will be possible to demonstrate.
また、本発明は、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池システムであって、電解質部と、該電解質部を挟んで配置される触媒電極部と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体に流す前記反応ガスの湿度を、該膜電極接合体に付着する水の状態に応じた制御目標値に制御する湿度制御手段と、前記膜電極接合体の前記触媒電極部に付着する水の挙動と関連する該触媒電極部の物理的状態の変化による発電能力の低下であって、該膜電極接合体の該触媒電極部を流れる前記反応ガスの流れが該触媒電極部に付着する水で阻害されることによる該膜電極接合体の発電能力の低下を検知する発電能力検知手段と、前記発電能力検知手段が前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、前記触媒電極部を流れる前記反応ガスの流れが該触媒電極部に付着する水で阻害されないように前記制御目標値を補正する制御目標値補正手段と、を備えるものであってもよい。 Further, the present invention is a fuel cell system that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas that is a reaction gas and an oxidizing gas, and includes an electrolyte part and a catalyst electrode part that is disposed across the electrolyte part. Membrane electrode assembly, humidity control means for controlling the humidity of the reaction gas flowing through the membrane electrode assembly to a control target value corresponding to the state of water adhering to the membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly The flow of the reaction gas flowing through the catalyst electrode part of the membrane electrode assembly is reduced by the change in the physical state of the catalyst electrode part associated with the behavior of water adhering to the catalyst electrode part of the membrane electrode assembly A power generation capacity detecting means for detecting a decrease in the power generation capacity of the membrane electrode assembly due to being blocked by water adhering to the catalyst electrode part, and the power generation capacity detection means reduces the power generation capacity of the membrane electrode assembly When the catalyst electrode is detected, A control target value correcting means for correcting the control target value so as not to be inhibited by water adhering to the catalyst electrode part flow of the reaction gas flowing through, may be provided with a.
この燃料電池システムの発電能力検知手段は、膜電極接合体の水の状態を変化させるような膜電極接合体の物理的状態の変化による発電能力の低下を検知する。ここで、膜電極接合体の物理的状態の変化とは、膜電極接合体の触媒電極部に付着する水の挙動と関連する触媒電極部の物理的状態の変化であって、発電に最適な湿度の制御目標値が変化してしまう物理的状態の変化であり、例えば、触媒電極部の空孔の変形や素材の変質等によって影響を受ける撥水性や親水性等、触媒電極部の保水性や吸水性に関する特性の変化である。この燃料電池システムは、水に関する物理的状態の変化に応じて湿度の制御目標値を補正することにより、膜電極接合体の発電能力を十分に発揮させる。 The power generation capacity detecting means of this fuel cell system detects a decrease in power generation capacity due to a change in the physical state of the membrane electrode assembly that changes the water state of the membrane electrode assembly. Here, the change in the physical state of the membrane electrode assembly is a change in the physical state of the catalyst electrode portion related to the behavior of water adhering to the catalyst electrode portion of the membrane electrode assembly, and is optimal for power generation. This is a change in the physical state in which the humidity control target value changes.For example, the water repellency and hydrophilicity affected by deformation of the pores of the catalyst electrode and alteration of the material, etc. And changes in water absorption characteristics. In this fuel cell system, the humidity control target value is corrected in accordance with a change in the physical state relating to water, so that the power generation capability of the membrane electrode assembly is sufficiently exhibited.
本発明に係る燃料電池システムによれば、触媒電極の形態変化に合わせて適切な水管理を行うことが可能になる。 According to the fuel cell system of the present invention, appropriate water management can be performed in accordance with the change in the shape of the catalyst electrode.
<実施形態>
以下、本発明の実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
<Embodiment>
Hereinafter, embodiments of the present invention will be exemplarily described. Embodiment shown below is an illustration and this invention is not limited to these.
<実施形態の構成>
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1の構成図である。図1において示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2、燃料電池スタック2のアノード側に燃料ガスである水素を供給する水素貯蔵タンク3、及び燃料電池スタック2のカソード側に酸化ガスである酸素を含む空気を供給する空気圧縮機4を備えている。また、燃料電池システム1は、各機器を制御する制御装置5(ECU:Electronic Control Unit)を備え
ている。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1は、電気モータで走行する燃料電池自動車に搭載されることを前提としている。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、地上に設置したり、自動車以外の移動媒体に搭載したりしてもよい。
<Configuration of Embodiment>
FIG. 1 is a configuration diagram of a
燃料電池スタック2は、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)であり、水素と酸素の供給を受けて発電
する。燃料電池スタック2は、燃料ガスである水素と酸化ガスである酸素との電気化学反応によって発電する膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を多数備え
ており、これら膜電極接合体を有する燃料電池セルが積層されていることにより、所望の電圧を出力するように構成されている。
The
燃料電池システム1は、水素貯蔵タンク3から燃料電池スタック2へ水素を供給する通路の途中に、水素入口弁6を備えている。水素入口弁6は、制御装置5の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、水素貯蔵タンク3から燃料電池スタック2に流れる水素を制御する。
The
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2のアノード側から大気へアノードオフガスを放出する通路の途中に水素出口弁7を備えている。水素出口弁7は、制御装置5の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、大気へ放出するアノードオフガスを制御する。
Further, the
また、燃料電池システム1は、空気圧縮機4から燃料電池スタック2へ空気を供給する通路の途中に、加湿器8を備えている。加湿器8は、制御装置5の指令に応じて空気圧縮機4から燃料電池スタック2へ流れる空気の湿度を調整する。
In addition, the
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2のカソード側から大気へカソードオ
フガスを放出する通路の途中に空気出口弁9を備えている。空気出口弁9は、制御装置5の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、大気へ放出するカソードオフガスを制御する。
Further, the
制御装置5は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory
)、ROM(Read Only Memory)、及び入出力インターフェース等で構成されており、空気圧縮機4、加湿器8、空気出口弁9、水素入口弁6、及び水素出口弁7を制御する。
The
), A ROM (Read Only Memory), an input / output interface, and the like, and controls the air compressor 4, the humidifier 8, the
なお、制御装置5は、燃料電池スタック2の出力電圧を測定する電圧センサ10、及び燃料電池スタック2の出力電流を測定する電流センサ11と電気的に接続されており、燃料電池スタック2の出力電圧、及び出力電流を取得する。
The
図2は、制御装置5の機能ブロック図である。制御装置5は、図示しないCPU、RAM、ROM、及び入出力インターフェース等が協働することにより、弁や加湿器8、その他の補機類を制御する制御部5A(本発明でいう、湿度制御手段に相当する)、膜電極接合体の発電能力の低下を検知する発電能力検知部5B(本発明でいう、発電能力検知手段に相当する)、湿度制御部5Aの制御目標値を補正する制御目標値補正部5C(本発明でいう、制御目標値補正手段に相当する)の機能を実現する。
FIG. 2 is a functional block diagram of the
制御部5Aは、燃料電池スタック2の出力電圧や出力電流、水素や酸素の供給流量毎に応じて予め定められた、最適な加湿量や弁開度等の制御目標値を示すマップを備えている。燃料電池システム1が起動されると、制御部5Aは、このマップに基づいて各弁や加湿器8等の補機類を制御する。
The control unit 5A is provided with a map indicating control target values such as an optimal humidification amount and valve opening, which are determined in advance according to the output voltage and output current of the
発電能力検知部5Bは、触媒電極の形態変化(例えば、触媒の経年変化に伴い変化する保水性の変化)による膜電極接合体の発電能力の低下を検知する。発電能力検知部5Bは、電圧センサ10や電流センサ11から送られる信号に基づいて膜電極接合体の電気出力の低下を検出する電気出力検出部5B−aを有している。また、発電能力検知部5Bは、フラッディング現象による一時的な電気出力の低下と、触媒電極の劣化等による発電能力の低下とを区別するため、空気出口弁9の開度を変更する流速変更部5B−bと、流速変更部5B−bが空気出口弁9の開度を変更したときの電気出力の変化量からフラッディングの有無を検出するフラッディング検出部5B−cと、を有している。発電能力検知部5Bは、電気出力検出部5B−aが膜電極接合体の電気出力の低下を検出すると、流速変更部5B−bが空気の流速を上げる。フラッディングが発生している場合、空気の流速を上げると膜電極接合体に付着する水が移動するので反応ガスと触媒が接触しやすくなり、電気出力が変動する。そこで、フラッディング検出部5B−cが、流速変更部5B−bが空気の流速を上げた際の膜電極接合体の電気出力の変化量に基づいてフラッディングの有無を検出する。フラッディング検出部5B−cは、膜電極接合体の電気出力の低下がフラッディングによるものでない場合に、膜電極接合体の発電能力が低下していると判断する。
The power
制御目標値補正部5Cは、発電能力検知部5Bが膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、湿度制御部5Aのマップが示す制御目標値を補正する。
When the power
<実施形態の制御フロー>
次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転制御について説明する。図3は、燃料電池システム1の制御フロー図である。以下、図3に示す制御フロー図を参照しながら、燃料電池システム1の運転制御について説明する。
<Control Flow of Embodiment>
Next, operation control of the
(ステップS101:発電開始)燃料電池自動車に乗車した運転者によって燃料電池システム1が起動されると、制御部5Aは、水素入口弁6および水素出口弁7を開いて燃料
電池スタック2に水素を供給すると共に、空気出口弁9を開いて空気圧縮機4を起動し、マップの制御目標値に従って湿度を制御した空気を燃料電池スタック2に供給する。制御部5Aは、燃料電池スタック2への水素と酸素の供給を開始したら、燃料電池スタック2に電気的負荷を接続する。これにより、燃料電池スタック2内の膜電極接合体で水素と酸素とが電気化学反応し、発電が開始される。
(Step S101: Start of power generation) When the
(ステップS102:電気出力監視)電気出力検出部5B−aは、制御部5AがステップS101の処理を実行して発電を開始すると、電圧センサ10と電流センサ11で燃料電池スタック2の電気出力を監視する。図4において、経年劣化に伴う電気出力の変化を示す。図4において示すように、電気出力検出部5B−aは、燃料電池スタック2の電気出力の低下量(ΔV1)が所定値以上に達すると、燃料電池スタック2に供給する空気の
流速を変更する処理(ステップS103)を実行する。なお、所定値は、ROM等に予め記憶されている値であり、例えば、触媒電極の劣化が進行し、制御目標値を補正することが望ましい状態にあるときの膜電極接合体の電気出力である。
(Step S102: Electric Output Monitoring) When the control unit 5A executes the process of step S101 to start power generation, the electric
(ステップS103:流速変更)流速変更部5B−bは、電気出力検出部5B−aが燃料電池スタック2の電気出力の低下を検出すると、空気出口弁9の開度を一時的に上げ、再び元の開度に戻す。流速変更部5B−bが空気出口弁9の開度を上げることにより、燃料電池スタック2のカソード側を流れる空気の流量が上がるため、膜電極接合体に生成水が付着していた場合にこの水が下流側に流れる。
(Step S103: Flow Rate Change) The flow
(ステップS104:フラッディング検出)フラッディング検出部5B−cは、流速変更部5B−bが空気出口弁9の開度を変更した時の燃料電池スタック2の電気出力の変化を監視する。すなわち、フラッディング検出部5B−cは、流速変更部5B−bが空気出口弁9の開度を上げる前の燃料電池スタック2の電気出力と、空気出口弁9の開度を上げた後の燃料電池スタック2の電気出力とを比較し、電気出力の変化を監視する。フラッディング検出部5B−cは、流速変更部5B−bが流速を変更した後で燃料電池スタック2の電気出力が上がれば、電気出力検出部5B−aがステップS102で検出した電気出力の低下はフラッディングによるものと判断する。一方、フラッディング検出部5B−cは、流速変更部5B−bが流速を変更した後で燃料電池スタック2の電気出力が上がらなければ、電気出力検出部5B−aがステップS102で検出した電気出力の低下はフラッディングによるものでなく、触媒電極の形態変化(劣化)による膜電極接合体の発電能力の低下であると判断する。すなわち、フラッディング検出部5B−cは、触媒電極のカーボン担体が経年劣化により酸化し、カーボン担体間の空孔が小さくなって生成水が溜まりやすくなり、発電能力が低下したと判断する。
(Step S104: Flooding Detection) The
(ステップS105:制御目標値補正)制御目標値補正部5Cは、発電能力検知部5Bが膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、湿度制御部5Aのマップが示す制御目標値を補正する。制御目標値補正部5Cは、補正に際し、制御目標値を補正前よりも低い任意の値に補正する。制御目標値補正部5Cが制御目標値を補正することにより、燃料電池スタック2に供給される空気の加湿量が下がる。なお、制御目標値補正部5Cは、制御目標値の補正に際し、互いに異なる様々な値を設定し、燃料電池スタック2の電気出力が最も高くなる時の値を新たな制御目標値にする。図5において、加湿量を変更したときの電気出力との関係を時間経過のグラフで示す。図5において示すように、制御目標値補正部5Cは、制御目標値の補正に際して互いに異なる様々な値(加湿量A,B,C,D・・・)を設定してそれぞれの電気出力(WA,WB,WC,WD,・・・)を取得し、出力が最も高くなる時の加湿量を調べて新たな制御目標値に補正する。なお、制御目標地補正部5Cは、加湿量を変更しても電気出力が高くならない場合(すなわち、電気出力W1が最も高
い場合)、制御目標値を変更することなく制御部5Aに次のステップS106の処理を実行させる。
(Step S105: Control Target Value Correction) The control target
(ステップS106:運転継続)制御部5Aは、ステップS104またはステップS105の処理が終了した後、各弁や加湿器8等の補機類を制御して発電を継続する。ステップS105の処理が終了した後の場合であれば、制御部5Aは、制御目標値補正部5Cによって補正されたマップの制御目標値に基づいて加湿器8やその他の補機類を制御し、発電を継続する。
(Step S106: Continue Operation) After the process in step S104 or step S105 is completed, the control unit 5A controls auxiliary devices such as the valves and the humidifier 8 to continue power generation. In the case after the process of step S105 is completed, the control unit 5A controls the humidifier 8 and other auxiliary devices based on the control target value of the map corrected by the control target
<実施形態の効果>
以上、本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、フラッディングのような単位時間あたりの電圧変化が大きい挙動や、反応ガスの欠乏によるセル電圧の急激な低下、膜電極接合体の乾燥による抵抗の増加と、触媒電極の形態変化という比較的時間軸の長い経年変化とを区別し、経年変化に応じた水管理を行っているので効率的な発電を行うことが可能となる。
<Effect of embodiment>
As described above, according to the
なお、本実施形態において、制御目標値の補正はカソード側を流れる空気の湿度制御について行っているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、アノード側を流れる水素の湿度の制御目標値を補正することで電解質膜の水管理を適切に行うようにしてもよい。 In the present embodiment, the correction of the control target value is performed for the humidity control of the air flowing on the cathode side, but the present invention is not limited to this. That is, in the present invention, the water management of the electrolyte membrane may be appropriately performed by correcting the control target value of the humidity of hydrogen flowing on the anode side.
また、本実施形態において、燃料電池システム1は、電気出力検出部5B−aが燃料電池スタック2全体の電気出力を監視することで膜電極接合体の電気出力の低下を検出しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、電気出力検出部5B−aが、各燃料電池セルの電気出力を個別に取得し、電気出力が最も高い燃料電池セルと電気出力が最も低い燃料電池セルとの電気出力の差がある値を超えたときや、電気出力が最も低い燃料電池セルの電気出力がある値以下になったときに、ステップS103以降の処理を実行するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態において、燃料電池システム1は、空気圧縮機4から供給される空気を加湿する加湿器8の制御目標値を補正しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックに供給する反応ガスを加湿するにあたり、オフガスを冷却してオフガス中に含まれる水分を凝縮させ、凝縮した水を反応ガスの加湿に用いる水交換システムを用いたものであってもよい。
Further, in the present embodiment, the
なお、本実施形態において、燃料電池システム1は、触媒電極の空孔の形態変化に応じて制御目標値を補正しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、膜電極接合体の触媒電極の物理的状態の変化(発電に最適な湿度の制御目標値が変化してしまうような触媒電極の物理的状態の変化であり、例えば、触媒電極(触媒層)の撥水材の流出や変質、電解質膜の経年変化、流路の表面状態(撥水性、親水性等)の変化)による保水性や吸水性の変化に応じて制御目標値を補正するようにしても良い。
In the present embodiment, the
1・・・・・燃料電池システム
2・・・・・燃料電池スタック
3・・・・・水素貯蔵タンク
4・・・・・空気圧縮機
5・・・・・制御装置
5A・・・・制御部
5B・・・・発電能力検知部
5B−a・・電気出力検出部
5B−b・・流速変更部
5B−c・・フラッディング検出部
5C・・・・制御目標値補正部
6・・・・・水素入口弁
7・・・・・水素出口弁
8・・・・・加湿器
9・・・・・空気出口弁
10・・・・電圧センサ
11・・・・電流センサ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
電解質部と、前記反応ガスが流れる空孔を有し且つ該電解質部を挟んで配置される触媒電極部と、を有する膜電極接合体と、
前記空孔に流す前記反応ガスの湿度を、該空孔内に溜まる水によって該反応ガスの流れが阻害されない制御目標値に制御する湿度制御手段と、
前記空孔の変形により、該空孔を流れる前記反応ガスの流れが該空孔内に溜まる水で阻害されることによる前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知する発電能力検知手段と、
前記発電能力検知手段が前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、前記空孔内の前記反応ガスの流れが該空孔内に溜まる水で阻害されないように前記制御目標値を補正する制御目標値補正手段と、を備える
燃料電池システム。 A fuel cell system that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas, which is a reactive gas, and an oxidizing gas,
A membrane electrode assembly having an electrolyte part and a catalyst electrode part having a hole through which the reaction gas flows and sandwiching the electrolyte part;
Humidity control means for controlling the humidity of the reaction gas flowing through the holes to a control target value that does not impede the flow of the reaction gas by the water accumulated in the holes;
Power generation capacity detecting means for detecting a decrease in power generation capacity of the membrane electrode assembly due to the deformation of the holes, and the flow of the reaction gas flowing through the holes is blocked by water accumulated in the holes;
When the power generation capacity detecting means detects a decrease in the power generation capacity of the membrane electrode assembly, the control target value is corrected so that the flow of the reaction gas in the holes is not hindered by water accumulated in the holes. And a control target value correcting means.
前記膜電極接合体の電気出力の低下を検出する電気出力検出手段と、
前記電気出力検出手段が前記膜電極接合体の電気出力の低下を検出すると、前記空孔を流れる前記反応ガスの流速を上げる流速変更手段と、
前記流速変更手段が前記反応ガスの流速を上げた時の前記膜電極接合体の電気出力の変化量に基づいて、前記電気出力検出手段が検出した前記膜電極接合体の電気出力の低下がフラッディングによるものであるか否かを検出するフラッディング検出手段と、を有し、
前記電気出力検出手段が検出した電気出力の低下がフラッディングによるものでないことが前記フラッディング検出手段によって検出されると、該電気出力の低下が前記空孔の変形による発電能力の低下であることを検知する、
請求項1に記載の燃料電池システム。 The power generation capacity detecting means is
An electrical output detecting means for detecting a decrease in electrical output of the membrane electrode assembly;
When the electrical output detection means detects a decrease in electrical output of the membrane electrode assembly, flow rate changing means for increasing the flow rate of the reaction gas flowing through the holes,
The decrease in the electrical output of the membrane electrode assembly detected by the electrical output detection means is flooded based on the amount of change in the electrical output of the membrane electrode assembly when the flow rate changing means increases the flow rate of the reaction gas. Flooding detection means for detecting whether or not
When the flooding detection means detects that the decrease in electrical output detected by the electrical output detection means is not due to flooding, it detects that the decrease in electrical output is a decrease in power generation capacity due to deformation of the holes. To
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The control target value correcting means, when the power generation capacity detecting means detects a decrease in the power generation capacity of the membrane electrode assembly, temporarily changes the control target value to provide the highest electrical output of the membrane electrode assembly. Is obtained, and the obtained value is corrected to a new control target value of the humidity control means.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 When the control target value correcting means detects a decrease in power generation capability of the membrane electrode assembly caused by deformation of the pores due to aging of the catalyst electrode, the flow of the reaction gas flowing through the pores becomes the void. Correcting the control target value so as not to be hindered by water accumulated in the hole,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
電解質部と、該電解質部を挟んで配置される触媒電極部と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に流す前記反応ガスの湿度を、該膜電極接合体に付着する水の状態に応じた制御目標値に制御する湿度制御手段と、
前記膜電極接合体の前記触媒電極部に付着する水の挙動と関連する該触媒電極部の物理的状態の変化による発電能力の低下であって、該膜電極接合体の該触媒電極部を流れる前記反応ガスの流れが該触媒電極部に付着する水で阻害されることによる該膜電極接合体の発電能力の低下を検知する発電能力検知手段と、
前記発電能力検知手段が前記膜電極接合体の発電能力の低下を検知すると、前記触媒電極部を流れる前記反応ガスの流れが該触媒電極部に付着する水で阻害されないように前記
制御目標値を補正する制御目標値補正手段と、を備える
燃料電池システム。 A fuel cell system that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas, which is a reactive gas, and an oxidizing gas,
A membrane electrode assembly having an electrolyte part, and a catalyst electrode part disposed across the electrolyte part,
Humidity control means for controlling the humidity of the reaction gas flowing through the membrane electrode assembly to a control target value corresponding to the state of water adhering to the membrane electrode assembly;
A decrease in power generation capacity due to a change in physical state of the catalyst electrode part related to the behavior of water adhering to the catalyst electrode part of the membrane electrode assembly, which flows through the catalyst electrode part of the membrane electrode assembly Power generation capacity detecting means for detecting a decrease in power generation capacity of the membrane electrode assembly due to the flow of the reaction gas being inhibited by water adhering to the catalyst electrode part;
When the power generation capacity detection means detects a decrease in the power generation capacity of the membrane electrode assembly, the control target value is set so that the flow of the reaction gas flowing through the catalyst electrode section is not hindered by water adhering to the catalyst electrode section. And a control target value correcting means for correcting the fuel cell system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007204488A JP2009043448A (en) | 2007-08-06 | 2007-08-06 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007204488A JP2009043448A (en) | 2007-08-06 | 2007-08-06 | Fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009043448A true JP2009043448A (en) | 2009-02-26 |
Family
ID=40443997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007204488A Withdrawn JP2009043448A (en) | 2007-08-06 | 2007-08-06 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009043448A (en) |
-
2007
- 2007-08-06 JP JP2007204488A patent/JP2009043448A/en not_active Withdrawn
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1678773B1 (en) | Fuel cell system | |
JP4997804B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5333575B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4973060B2 (en) | Humidity determination device for fuel cell | |
JP5596758B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
WO2005053075A1 (en) | Fuel cell system and method of starting it | |
JP2013258111A (en) | Fuel cell system | |
JP2008269841A (en) | Fuel cell system | |
CA2837838C (en) | Fuel cell with pulsation operation and control | |
WO2011004485A1 (en) | Fuel cell system and method for operating fuel cell system | |
JP4973138B2 (en) | Fuel cell system | |
US8728641B2 (en) | Startup gas supply pressure control device of fuel cell system | |
JP5186794B2 (en) | Fuel cell system and gas pressure adjustment method in fuel cell system | |
JP5414225B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007115460A (en) | Fuel cell system | |
JP5239201B2 (en) | Fuel cell system and impurity discharge method in fuel cell system | |
JP4982977B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007220497A (en) | Fuel cell system | |
JP5109284B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007323993A (en) | Fuel cell system | |
JP5011670B2 (en) | Fuel cell voltage regulator | |
JP2007294359A (en) | Fuel cell system | |
JP5140993B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2006339103A (en) | Fuel cell system | |
JP2009043448A (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091102 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20110322 |