JP2010153247A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムに関し、とりわけ、排出される燃料ガスを希釈する機能を備えた燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as oxygen, and more particularly to a fuel cell system having a function of diluting discharged fuel gas. .
燃料電池システムとして、燃料電池のアノード極に水素を含む燃料ガスが供給されるとともに、カソード極に空気等の酸化剤ガスが供給されるものがある。この燃料電池システムにおいては、燃料ガス中の水素がイオン化されて固体高分子電解質膜を介してカソード極に移動し、この間に生じた電子が外部回路に取り出される。
アノード極に接続される排出通路にはアノード極回りのガスを新鮮なガスに置き換えるためのパージ弁が設けられており、このパージ弁が所定のタイミングで開くことにより、水素を消費したアノードオフガスが外部に排出される。このアノードオフガス中には、燃料電池で完全に消費できなかった燃料ガス(水素)が残存するため、通常は、希釈ボックスで空気等の酸化剤ガスによって希釈された後にシステム外部に排出される。
Some fuel cell systems include a fuel gas containing hydrogen supplied to the anode electrode of the fuel cell and an oxidant gas such as air supplied to the cathode electrode. In this fuel cell system, hydrogen in the fuel gas is ionized and moves to the cathode electrode through the solid polymer electrolyte membrane, and electrons generated during this time are taken out to an external circuit.
The exhaust passage connected to the anode electrode is provided with a purge valve for replacing the gas around the anode electrode with fresh gas, and when the purge valve is opened at a predetermined timing, the anode off-gas that has consumed hydrogen is removed. It is discharged outside. Since the fuel gas (hydrogen) that could not be completely consumed by the fuel cell remains in the anode off gas, the anode gas is usually diluted with an oxidant gas such as air in a dilution box and then discharged outside the system.
ところで、このような燃料電池システムにおいては、希釈ボックスで燃料ガスを充分に希釈することが重要になるが、燃料電池側のアノードオフガス通路の燃料ガス濃度は燃料電池の運転環境等によって変化するため、例えば、定期的に一定時間パージ弁を開く場合には希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度が変化し、希釈ボックスによる安定した希釈が難しくなる状況が考えられる。 By the way, in such a fuel cell system, it is important to sufficiently dilute the fuel gas in the dilution box, but the fuel gas concentration in the anode off-gas passage on the fuel cell side changes depending on the operating environment of the fuel cell. For example, when the purge valve is opened periodically for a certain period of time, the concentration of the fuel gas introduced into the dilution box may change, and it may be difficult to perform stable dilution with the dilution box.
このため、これに対処する燃料電池システムとして、希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度を求め、その濃度に応じてパージ弁の開弁間隔等を制御するものが案出されている(例えば、特許文献1,2参照)。 For this reason, as a fuel cell system to cope with this, a system has been devised that obtains the concentration of the fuel gas introduced into the dilution box and controls the opening interval of the purge valve in accordance with the concentration (for example, (See Patent Documents 1 and 2).
特許文献1に記載の燃料電池システムでは、パージ弁の開弁前と開弁後のガス圧の変化量を求め、そのガス圧変化量を基にして希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度を演算によって求めるようにしている。 In the fuel cell system described in Patent Document 1, the amount of change in gas pressure before and after opening the purge valve is obtained, and the concentration of fuel gas introduced into the dilution box is determined based on the amount of change in gas pressure. It is calculated by calculation.
また、特許文献2に記載の燃料電池システムでは、希釈ボックスの下流側に濃度センサを設置し、希釈ボックス内の燃料ガスの濃度を濃度センサによって直接検出するようにしている。
しかし、この従来の燃料電池システムは、希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度が規定値よりも高い場合に、パージ弁からの燃料ガスの排出量を制限するものであるため、例えば、燃料電池の内部に湿潤過多(フラッディング)が生じた場合には、これを抑制し得るものではなかった。そして、燃料電池の内部に湿潤過多が生じると、水分がアノード極の周囲に滞留して燃料ガスの反応が阻害され、燃料電池の発電が不安定になり易い。
また、逆に燃料電池の内部に湿潤不足が生じて場合には、固体高分子電解質膜上での水素のイオン化が阻害され、燃料電池の発電効率が低下する。このため、現在この点の改善も望まれている。
However, this conventional fuel cell system limits the amount of fuel gas discharged from the purge valve when the concentration of the fuel gas introduced into the dilution box is higher than a specified value. In the case where excessive wetting (flooding) occurred in the inside of the glass, this could not be suppressed. When excessive wetting occurs inside the fuel cell, moisture stays around the anode electrode, the reaction of the fuel gas is hindered, and the power generation of the fuel cell tends to become unstable.
On the other hand, if wetting deficiency occurs inside the fuel cell, hydrogen ionization on the solid polymer electrolyte membrane is hindered, and the power generation efficiency of the fuel cell decreases. Therefore, improvement of this point is now desired.
そこでこの発明は、簡単な構成によって燃料電池の内部の湿潤過多や湿潤不足を抑制できる燃料電池システムを提供しようとするものである。 Accordingly, the present invention is intended to provide a fuel cell system capable of suppressing excessive or insufficient wetting inside the fuel cell with a simple configuration.
上記の課題を解決する請求項1に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池(例えば、後述の実施形態における燃料電池1)と、この燃料電池のアノード極(例えば、後述の実施形態におけるアノード極3)から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段(例えば、後述の実施形態における希釈ボックス8)と、前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁(例えば、後述の実施形態におけるパージ弁12)と、前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段(例えば、後述の実施形態における濃度センサ24)と、前記排出弁を制御する制御手段(例えば、後述の実施形態における制御装置13)と、を備えている燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段の検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤過多と相関する閾値濃度よりも低い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を増加補正することを特徴とする。
燃料電池の内部が湿潤過多になると、燃料ガス中に混在する水蒸気の分圧が高くなり、その結果、排出弁を通して希釈手段に排出される燃料ガスの濃度が低下する。したがって、希釈手段側の燃料ガスの濃度が閾値濃度よりも低い場合には、燃料電池内が湿潤過多の状態であるものと判断することができる。こうして、湿潤過多と判断されたときには、燃料ガスの排出量を増大させることによって燃料電池内の水分の排出を促すことができる。
The invention according to claim 1, which solves the above problem, includes a fuel cell (for example, a fuel cell 1 in an embodiment described later) that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, and an anode electrode of the fuel cell. For example, a diluting means for diluting the fuel gas discharged from the anode electrode 3 (for example, an
When the inside of the fuel cell becomes excessively wet, the partial pressure of water vapor mixed in the fuel gas increases, and as a result, the concentration of the fuel gas discharged to the dilution means through the discharge valve decreases. Therefore, when the concentration of the fuel gas on the dilution means side is lower than the threshold concentration, it can be determined that the inside of the fuel cell is excessively wet. Thus, when it is determined that there is excessive wetness, it is possible to promote the discharge of moisture in the fuel cell by increasing the discharge amount of the fuel gas.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、燃料ガスの排出量を増加補正した後に、経過時間と、前記排出弁の開弁頻度と、燃料ガスの排出積算量のうちの少なくともいずれか一つが規定値を超えたときに、燃料ガスの排出量を元に戻すことを特徴とする。
経過時間、排出弁の開弁頻度、燃料ガスの排出積算量はいずれも燃料ガスの排出量に関係するパラメータであるため、これらの値に注目することによって燃料ガスの排出量を正確に把握することができる。したがって、燃料電池内の湿潤過多が充分解消されたところで、燃料ガスの排出量制御が元に戻されるようになる。
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the control means corrects an increase in the amount of discharge of the fuel gas, and then determines the elapsed time, the frequency of opening the exhaust valve, the fuel When at least one of the accumulated gas discharge amounts exceeds a specified value, the discharge amount of the fuel gas is restored.
Elapsed time, valve opening frequency, and accumulated fuel gas emissions are all parameters related to fuel gas emissions, so it is important to accurately grasp the fuel gas emissions by paying attention to these values. be able to. Therefore, when the excess wetness in the fuel cell is sufficiently eliminated, the control of the fuel gas discharge amount is restored.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の燃料電池システムにおいて、前記増加補正は、燃料ガスの検出濃度と前記閾値濃度との差に応じて行うことを特徴とする。
これにより、燃料ガスの排出量が燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて増加補正され、差が大きいほど増加補正量が増加する。
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first or second aspect, the increase correction is performed according to a difference between a detected concentration of fuel gas and the threshold concentration.
As a result, the discharge amount of the fuel gas is increased and corrected in accordance with the difference between the detected concentration of the fuel gas and the threshold concentration, and the increase correction amount increases as the difference increases.
請求項4に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段と、前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁と、前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、前記排出弁を制御する制御手段と、を備えている燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段による燃料ガスの検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤不足と相関する閾値濃度よりも高い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を減少補正することを特徴とする。
燃料電池の内部が湿潤不足になると、電池内部の電解質膜が乾燥することで燃料ガスがイオン化されにくくなる。このため、燃料電池での燃料ガスの消費量が減少し、その結果、排出弁から排出される燃料ガスの濃度が増加する。したがって、希釈手段側の燃料ガスの濃度が閾値濃度よりも高い場合には、燃料電池内が湿潤不足の状態であるものと判断することができる。こうして、湿潤不足と判断されたときには、燃料ガスの排出量を減少させることによって燃料電池内の水分の排出を抑制することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell for generating power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, a diluting means for diluting the fuel gas discharged from the anode electrode of the fuel cell with the oxidant gas, A discharge valve for adjusting the discharge of the fuel gas from the anode electrode to the dilution means, a concentration detection means for detecting the concentration of the fuel gas provided in the dilution means or downstream of the dilution means, and a control means for controlling the discharge valve In the fuel cell system, the control means, after opening the discharge valve, the detected concentration of the fuel gas by the concentration detection means is more than a threshold concentration that correlates with insufficient wetting in the fuel cell. Is higher, the emission amount of the fuel gas is corrected to decrease in accordance with the detected concentration.
When the inside of the fuel cell becomes insufficiently wet, the electrolyte membrane inside the cell is dried, so that the fuel gas is hardly ionized. For this reason, the consumption amount of the fuel gas in the fuel cell decreases, and as a result, the concentration of the fuel gas discharged from the discharge valve increases. Therefore, when the concentration of the fuel gas on the dilution means side is higher than the threshold concentration, it can be determined that the inside of the fuel cell is insufficiently wet. Thus, when it is determined that the moisture is insufficient, the discharge of moisture in the fuel cell can be suppressed by reducing the discharge amount of the fuel gas.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、燃料ガスの排出量を減少補正した後に、経過時間と、前記排出弁の開弁頻度と、燃料ガスの排出積算量のうちの少なくともいずれか一つが規定値を超えたときに、燃料ガスの排出量を元に戻すことを特徴とする。
これにより、アノード極側の湿潤不足が充分に解消されたところで、燃料ガスの排出量制御が元に戻されるようになる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention, the control means corrects a decrease in the amount of discharged fuel gas, and then the elapsed time, the opening frequency of the discharge valve, the fuel When at least one of the accumulated gas discharge amounts exceeds a specified value, the discharge amount of the fuel gas is restored.
As a result, when the shortage of wetness on the anode side is sufficiently resolved, the control of the fuel gas discharge amount is restored.
請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の燃料電池システムにおいて、前記減少補正は、燃料ガスの検出濃度と前記閾値濃度との差に応じて行うことを特徴とする。
これにより、燃料ガスの排出量が燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて減少補正され、差が大きいほど減少補正量が増加する。
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the fourth or fifth aspect, the decrease correction is performed according to a difference between a detected concentration of fuel gas and the threshold concentration.
As a result, the amount of fuel gas discharged is corrected to decrease in accordance with the difference between the detected concentration of fuel gas and the threshold concentration, and the amount of decrease correction increases as the difference increases.
請求項7に記載の発明は、前記制御手段は、所定時間の間の、燃料電池の発電電流の変動幅または燃料電池に導入される酸化剤ガスの変動幅が規定幅よりも小さい場合に、請求項1または4に記載の制御を開始することを特徴とする。
これにより、燃料電池の運転時等に発電電流や酸化剤ガスが大きく変動する場合には、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われなくなる。
According to a seventh aspect of the present invention, when the control means has a fluctuation width of the generated current of the fuel cell or a fluctuation width of the oxidant gas introduced into the fuel cell for a predetermined time, the control means is smaller than the specified width, The control according to claim 1 or 4 is started.
As a result, when the generated current or the oxidant gas fluctuates greatly during the operation of the fuel cell or the like, it is no longer necessary to determine whether or not the fuel gas emission amount needs to be corrected or to perform actual correction.
請求項8に記載の発明は、前記制御手段は、燃料電池の発電電流が所定値以下の場合に、請求項1または4に記載の制御を開始することを特徴とする。
これにより、燃料電池の運転によって発電電流が大きくなる状況では、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われなくなる。
The invention according to
As a result, in a situation where the generated current becomes large due to the operation of the fuel cell, it is no longer necessary to determine whether or not to correct the fuel gas emission amount or to perform actual correction.
請求項1に記載の発明によれば、排出弁を開弁した後に、希釈手段側の燃料ガスの濃度を検出し、検出濃度が閾値濃度よりも低く燃料電池内が湿潤過多である場合には、検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を増加補正するため、簡単な構成でありながら燃料電池の内部の湿潤過多を確実に解消することができる。したがって、燃料電池の安定的な発電を得ることができる。 According to the first aspect of the present invention, after the discharge valve is opened, the concentration of the fuel gas on the dilution means side is detected, and when the detected concentration is lower than the threshold concentration and the fuel cell is excessively wet. Since the amount of discharge of the fuel gas is increased and corrected in accordance with the detected concentration, excessive wetting inside the fuel cell can be reliably eliminated with a simple configuration. Therefore, stable power generation of the fuel cell can be obtained.
請求項2に記載の発明によれば、燃料ガスの排出量に関係するパラメータである経過時間、排出弁の開弁頻度、燃料ガスの排出積算量のうちのいずれかを利用して燃料ガスの排出量を元に戻すタイミングを判断するため、燃料電池内の水分が充分に排出された適正タイミングで燃料ガスの排出量を元に戻すことができ、適正な湿潤状態に維持することができる。 According to the second aspect of the present invention, the fuel gas is discharged by utilizing any one of the elapsed time, the valve opening frequency, and the fuel gas discharge integrated amount that are parameters related to the fuel gas discharge amount. In order to determine the timing for returning the discharge amount, the fuel gas discharge amount can be returned to the original timing at a proper timing when the water in the fuel cell is sufficiently discharged, and the proper wet state can be maintained.
請求項3に記載の発明によれば、燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて燃料ガスの排出量を増加補正するため、希釈手段内の燃料ガス濃度の不要な急増を招くことなく燃料電池の内部の湿潤過多を迅速に解消することができる。 According to the third aspect of the present invention, since the amount of discharge of the fuel gas is increased and corrected in accordance with the difference between the detected concentration of the fuel gas and the threshold concentration, an unnecessary rapid increase in the concentration of the fuel gas in the dilution means is caused. In addition, excessive wetting inside the fuel cell can be quickly eliminated.
請求項4に記載の発明によれば、排出弁を開弁した後に、希釈手段側の燃料ガスの濃度を検出し、検出濃度が閾値濃度よりも高く燃料電池内が湿潤不足である場合には、検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を減少補正するため、簡単な構成でありながら燃料電池の内部の湿潤不足を確実に解消することができる。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, after the discharge valve is opened, the concentration of the fuel gas on the dilution means side is detected, and when the detected concentration is higher than the threshold concentration and the fuel cell is insufficiently wet. In addition, since the discharge amount of the fuel gas is corrected to decrease in accordance with the detected concentration, it is possible to reliably eliminate deficiency in the inside of the fuel cell with a simple configuration. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.
請求項5に記載の発明によれば、燃料ガスの排出量に関係するパラメータである経過時間、排出弁の開弁頻度、燃料ガスの排出積算量のうちのいずれかを利用して燃料ガスの排出量を元に戻すタイミングを判断するため、燃料電池内が充分加湿された適正タイミングで燃料ガスの排出量を元に戻すことができ、適正な湿潤状態に維持することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the fuel gas is discharged by utilizing any one of the elapsed time, the valve opening frequency, and the fuel gas discharge integrated amount that are parameters related to the fuel gas discharge amount. Since the timing for returning the discharge amount to the original state is determined, the discharge amount of the fuel gas can be returned to the original state at an appropriate timing when the inside of the fuel cell is sufficiently humidified, and the proper wet state can be maintained.
請求項6に記載の発明によれば、燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて燃料ガスの排出量を減少補正するため、アノード極側のパージ不足を招くことなく燃料電池の内部の湿潤不足を迅速に解消することができる。 According to the sixth aspect of the present invention, since the discharge amount of the fuel gas is corrected to decrease according to the difference between the detected concentration of the fuel gas and the threshold concentration, the inside of the fuel cell is not caused without insufficient purge on the anode electrode side. Insufficient wetting can be quickly resolved.
請求項7,8に記載の発明によれば、燃料電池の運転時等に燃料ガスや酸化剤ガスの変動し易い状況では、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われないため、燃料電池内の湿潤の過不足に応じた適正な制御を行うことができる。 According to the seventh and eighth aspects of the present invention, in the situation where the fuel gas and the oxidant gas are likely to fluctuate during the operation of the fuel cell or the like, it is determined whether or not the fuel gas emission amount needs to be corrected and the actual correction is performed. Therefore, appropriate control according to excess or deficiency of the wetness in the fuel cell can be performed.
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下で説明する実施形態の燃料電池システムは燃料電池車両に搭載される態様である。
図1は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池1は、複数の電池セル(以下「セル」と呼ぶ)が積層されて成り、各セルは、固体高分子電解質膜2(以下、「電解質膜2」と呼ぶ)の両側にアノード極3とカソード極4が設けられ、アノード極3とカソード極4の外側に反応ガスを供給するためのガス通路(図示せず)が設けられている。なお、図1においては、セル内部の構造を把握できるように一つのセルのイメージを模式的に示している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In addition, the fuel cell system of embodiment described below is an aspect mounted in a fuel cell vehicle.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system. The fuel cell 1 is formed by stacking a plurality of battery cells (hereinafter referred to as “cells”), and each cell has an
燃料電池1は、アノード極3に水素ガスを主成分とする燃料ガスが供給されるとともに、カソード極4に酸素を含む空気(酸化剤ガス)が供給される。燃料電池1のアノード極3では、触媒反応によって水素イオンが発生し、その水素イオンが電解質膜2を透過してカソード極4まで移動する。カソード極4では、水素イオンが酸素と電気化学反応を起こすことで電力を発生する。
In the fuel cell 1, a fuel gas containing hydrogen gas as a main component is supplied to the
空気は、酸化剤供給手段であるエアコンプレッサ5からエア供給路6を通して燃料電池1のカソード極4に供給される。カソード極4に供給された空気は、該空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池1からエア排出路7を通って後述する希釈ボックス8(希釈手段)に供給される。 Air is supplied to the cathode electrode 4 of the fuel cell 1 through an air supply path 6 from an air compressor 5 which is an oxidant supply means. The air supplied to the cathode 4 is supplied from the fuel cell 1 through the air discharge path 7 to a dilution box 8 (dilution means) described later after oxygen in the air is supplied as an oxidant.
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給手段である燃料タンク9から燃料ガス供給路10を通して燃料電池1のアノード極3に供給される。燃料ガス供給路10には、燃料電池1のアノードオフガスを燃料ガス供給路10に合流してアノード極3に戻すエゼクタ20が設けられている。エゼクタ20にはアノード極の排出側に接続される循環通路21が接続され、循環通路21には、循環通路21内の不要なガスを外部に排出するパージ通路22が設けられ、このパージ通路22に希釈ボックス8が接続されている。パージ通路22には、電磁式の開閉弁から成るパージ弁12(排出弁)が設けられており、このパージ弁12の開閉操作によって循環通路21から希釈ボックス8へのアノードオフガス(燃料ガスを含む)の排出を調整するようになっている。パージ弁12は、エアコンプレッサ5や他の弁類とともに制御装置13(制御手段)によって制御される。
On the other hand, the fuel gas is supplied to the
希釈ボックス8は、パージ通路22から導入されたアノードオフガスを滞留させる滞留室が内部に設けられるとともに、その滞留室にエア排出路7が接続されている。パージ通路22から滞留室に導入されたアノードオフガスは、エア排出路7から導入される空気(酸化剤ガス)によって希釈された後、排出通路23からシステム外部に排出される。排出通路23には、排出ガス中の燃料ガス濃度(水素濃度)を検出する濃度センサ24(濃度検出手段)が設けられている。この濃度センサ24によって検出された検出信号は制御装置13に入力される。
なお、図1中14は、燃料電池1で発電される電流を検出する電流センサである。
The
In FIG. 1,
ところで、制御装置13は、燃料電池1の運転中にパージ弁12を一定間隔で、若しくは、予め設定されたタイミングで一定時間開弁するように制御する(以下、この制御によるパージ弁12の開弁を「通常パージ」と呼ぶ)。
また、制御手段13は、この通常パージを行う一方で、希釈ボックス8から排出されるガス中の燃料ガス濃度を濃度センサ24を用いて監視する。そして、制御装置13は、通常パージ後に濃度センサ24によって検出される燃料ガス濃度が、燃料電池1内の湿潤過多と相関する下限閾値濃度C1よりも低い場合に、燃料ガスの排出量を増加させるようにパージ弁12の開弁時間を延長補正する。ここで延長補正する時間は燃料ガスの検出濃度に応じた時間とする。
なお、下限閾値濃度C1とは、希釈ボックス8の燃料ガス濃度がその閾値濃度よりも低下したときに、燃料電池1内が湿潤過多となる濃度である。この下限閾値濃度は実験等によって求める。
By the way, the
Further, the control means 13 monitors the fuel gas concentration in the gas discharged from the
The lower limit threshold concentration C1 is a concentration at which the inside of the fuel cell 1 becomes excessively wet when the fuel gas concentration in the
また、制御装置13は、濃度センサ24による検出濃度が、燃料電池1内の湿潤不足と相関する上限閾値濃度C2よりも高い場合に、燃料ガスの排出量を減少させるようにパージ弁12の開弁時間を短縮補正する。ここで短縮補正する時間は燃料ガスの検出濃度に応じた時間とする。
上限閾値濃度C2とは、希釈ボックス8の燃料ガス濃度がその閾値濃度よりも上昇したときに、燃料電池1内が湿潤不足となる濃度である。この上限閾値濃度C2は下限閾値濃度C1と同様に実験等によって求める。
Further, the
The upper limit threshold concentration C2 is a concentration at which the inside of the fuel cell 1 becomes insufficiently wet when the fuel gas concentration in the
つづいて、この燃料電池システムにおける具体的なパージ制御を、図3のタイミングチャートを参照つつ、図2のフローチャートに沿って説明する。なお、この燃料電池システムにおいては、このフローチャートの処理とは別に通常パージが実行される。また、図3のタイミングチャートは、燃料電池内が湿潤過多の場合の制御を示している。
ステップS101においては、電流センサ14の検出値を基にして燃料電池1の発電電流の変動幅を調べ、所定時間T1(図3参照)の間の発電電流の変動幅が予め設定された規定幅W1を下回るか否かを判定する。ここで、YESの場合、つまり燃料電池1の負荷変動が少なく安定状態である場合には、ステップS102に進み、NOの場合には処理を終了して断続的な通常パージを継続する。
Next, specific purge control in this fuel cell system will be described along the flowchart of FIG. 2 with reference to the timing chart of FIG. In this fuel cell system, normal purge is executed separately from the processing of this flowchart. Further, the timing chart of FIG. 3 shows control when the inside of the fuel cell is excessively wet.
In step S101, the fluctuation range of the generated current of the fuel cell 1 is checked on the basis of the detection value of the
ステップS102においては、次の通常パージが完了し、その後に所定時間T2(図3参照)が経過したか否かを判定し、YESの場合には、ステップS103に進み、NOの場合には、ステップS104に進む。ステップS104においては、検出される燃料ガス濃度の最大値Cmaxを更新し、つづくステップS105においては、検出される燃料ガス濃度の最小値Cminを更新した後にステップS102に戻る。したがって、所定時間T2が経過するまでは、燃料ガス濃度の最大値Cmaxと最小値Cminが更新されつづける。 In step S102, it is determined whether or not the next normal purge is completed and then a predetermined time T2 (see FIG. 3) has elapsed. If YES, the process proceeds to step S103. If NO, Proceed to step S104. In step S104, the maximum value Cmax of the detected fuel gas concentration is updated, and in step S105, the minimum value Cmin of the detected fuel gas concentration is updated, and then the process returns to step S102. Therefore, the maximum value Cmax and the minimum value Cmin of the fuel gas concentration are continuously updated until the predetermined time T2 elapses.
ステップS103に進んだ場合には、燃料ガス濃度の最大値Cmaxが下限閾値濃度C1よりも小さいか否かを判定し、ここでYESの場合には、ステップS106に進み、NOの場合には、ステップS107へと進む。
ステップS107においては、燃料ガス濃度の最小値Cminが上限閾値濃度C2よりも大きいか否かを判定し、ここでYESの場合には、ステップS108に進み、NOの場合には、処理を終了して断続的な通常パージを継続する。
When the process proceeds to step S103, it is determined whether or not the maximum value Cmax of the fuel gas concentration is smaller than the lower threshold concentration C1, and if YES here, the process proceeds to step S106, and if NO, Proceed to step S107.
In step S107, it is determined whether or not the minimum value Cmin of the fuel gas concentration is larger than the upper limit threshold concentration C2. If YES here, the process proceeds to step S108. If NO, the process ends. And continue normal purge.
ステップS106に進んだ場合(燃料電池1内が湿潤過多と判定した場合)には、燃料ガス濃度の最大値Cmaxと下限閾値濃度C1の差の絶対値を基にしてパージ補正量(パージ弁12の開弁延長時間)を算出する。
つづくステップS109においては、通常パージの完了後に所定時間T3(図3参照)が経過したか否かを判定し、NOの場合には、ステップS110に進んで算出したパージ補正量で補正してパージを実行する。このステップS110の処理は所定時間T3が経過するまで継続される。所定時間T3が経過した場合には、処理を終了して通常パージに戻る。
したがって、燃料電池1内が湿潤過多であると判定された場合には、燃料ガスの検出濃度に応じてパージ弁12の開弁時間が延長補正され、開弁時間を補正したパージ処理(以下、「補正パージ処理」と呼ぶ)が所定時間T3の間実行される。この間、補正パージ処理によって循環通路21からの燃料ガスの排出量が増加し、燃料電池1と循環通路21内の水分が速やかに外部に排出され、燃料電池1内の湿潤過多が解消される。この結果、燃料電池1では安定的な発電が行われるようになる。
When the process proceeds to step S106 (when it is determined that the fuel cell 1 is excessively wet), the purge correction amount (purge valve 12) is based on the absolute value of the difference between the maximum value Cmax of the fuel gas concentration and the lower limit threshold concentration C1. The valve opening extension time) is calculated.
In the subsequent step S109, it is determined whether or not a predetermined time T3 (see FIG. 3) has elapsed after the completion of the normal purge. If NO, the process proceeds to step S110 to correct the purge correction amount calculated and purge. Execute. The process in step S110 is continued until a predetermined time T3 has elapsed. When the predetermined time T3 has elapsed, the process is terminated and the normal purge is resumed.
Therefore, when it is determined that the inside of the fuel cell 1 is excessively wet, the opening time of the
一方、ステップS108に進んだ場合(燃料電池1内が湿潤不足と判定した場合)には、燃料ガス濃度の最小値Cminと上限閾値濃度C2の差の絶対値を基にしてパージ補正量(パージ弁12の開弁短縮時間)を算出する。
ステップS111においては、通常パージの完了後に所定時間T3が経過したか否かを判定し、NOの場合には、ステップS112に進んで算出したパージ補正量で補正してパージを実行する。このステップS112の処理は所定時間T3が経過するまで継続される。所定時間T3が経過した場合には、処理を終了して通常パージに戻る。
したがって、燃料電池1内が湿潤不足であると判定された場合には、燃料ガスの検出濃度に応じてパージ弁12の開弁時間が短縮補正され、開弁時間を補正したパージ処理(以下、「補正パージ処理」と呼ぶ)が所定時間T3の間実行される。この間、補正パージ処理によって循環通路21からのアノードオフガスの排出量が減少し、燃料電池1と循環通路21内に水分が滞留し易くなる。この結果、燃料電池1内の湿潤不足が解消され、燃料電池1の発電効率が向上する。
On the other hand, when the process proceeds to step S108 (when the inside of the fuel cell 1 is determined to be insufficiently wet), the purge correction amount (purge) is based on the absolute value of the difference between the minimum value Cmin of the fuel gas concentration and the upper limit threshold concentration C2. The valve opening shortening time of the valve 12) is calculated.
In step S111, it is determined whether or not a predetermined time T3 has elapsed after completion of the normal purge. If NO, the process proceeds to step S112, and the purge is corrected with the calculated purge correction amount, and the purge is executed. The process in step S112 is continued until a predetermined time T3 has elapsed. When the predetermined time T3 has elapsed, the process is terminated and the normal purge is resumed.
Therefore, when it is determined that the inside of the fuel cell 1 is insufficiently wet, the opening time of the
また、この燃料電池システムにおいては、ステップS110やステップS112で、補正パージ処理を開始した後に、予め設定した所定時間T3が経過したところで通常パージに戻すため、燃料電池1内の水分が充分に排出され、或いは、燃料電池1内が適度な湿潤状態にされた、適正タイミングで通常パージに早期に戻すことができる。
なお、この実施形態においては、補正パージ処理の開始後に経過時間(T3)を管理して通常パージに戻すようにしているが、補正パージ処理の開始後に排出弁の開弁頻度や、燃料ガスの排出積算量を管理して通常パージに戻すようにしても良い。これらのいずれの場合にも、燃料ガスの排出量に関係するパラメータを管理することになるため、適正タイミングで通常パージ処理に戻すことができる。
Further, in this fuel cell system, after the correction purge process is started in step S110 or step S112, the normal purge is resumed when a predetermined time T3 elapses, so that the water in the fuel cell 1 is sufficiently discharged. Alternatively, the fuel cell 1 can be returned to the normal purge at an early stage at an appropriate timing when the inside of the fuel cell 1 is appropriately moistened.
In this embodiment, the elapsed time (T3) is managed to return to the normal purge after the start of the correction purge process. However, after the correction purge process is started, the frequency of opening the exhaust valve and the fuel gas The integrated amount of discharge may be managed and returned to normal purge. In any of these cases, parameters related to the fuel gas discharge amount are managed, so that the normal purge process can be restored at an appropriate timing.
さらに、この燃料電池システムにおいては、燃料ガスの検出濃度と、上限閾値濃度C2や下限閾値濃度C2との差に応じて燃料ガスの排出量(パージ弁12の開弁時間)を補正するため、排出燃料ガス濃度の急増やパージ不足を招くことなく、燃料電池1内の湿潤状態を迅速に調整することができる。 Further, in this fuel cell system, in order to correct the fuel gas discharge amount (opening time of the purge valve 12) according to the difference between the detected concentration of the fuel gas and the upper limit threshold concentration C2 and the lower limit threshold concentration C2, The wet state in the fuel cell 1 can be quickly adjusted without causing a sudden increase in exhaust fuel gas concentration or insufficient purge.
また、この燃料電池システムでは、ステップS101において、燃料電池1の発電電流の変動幅が規定幅W1よりも小さい場合にのみ、補正パージ処理の要否の判定や実行を行い、発電電流の変動幅が大きく排出燃料ガス濃度が変動し易い状況下で補正パージ処理の要否の判定や実行を行わないため、燃料電池1内の実際の湿潤状態に即した適切な制御を行うことができる。
この実施形態においては、燃料電池1の発電電流の変動幅が規定幅W1よりも小さい場合に、補正パージ処理の要否の判定や実行を行うようにしているが、燃料電池1に導入される酸化剤ガスの変動幅が規定幅よりも小さい場合や、燃料電池1の発電電流の絶対値が所定値よりも小さい場合に、補正パージ処理の要否の判定や実行を行うようにしても良い。
Further, in this fuel cell system, in step S101, only when the fluctuation range of the generated current of the fuel cell 1 is smaller than the specified width W1, the necessity for the correction purge process is determined and executed, and the fluctuation range of the generated current is determined. Therefore, it is possible to perform appropriate control in accordance with the actual wet state in the fuel cell 1 because the determination or execution of the necessity for the correction purge process is not performed in a situation where the exhaust fuel gas concentration is likely to fluctuate.
In this embodiment, when the fluctuation range of the generated current of the fuel cell 1 is smaller than the specified width W1, whether or not the correction purge process is necessary is determined and executed, but is introduced into the fuel cell 1. When the fluctuation range of the oxidant gas is smaller than the specified range, or when the absolute value of the generated current of the fuel cell 1 is smaller than a predetermined value, it may be determined whether or not the correction purge process is necessary. .
なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上記の実施形態においては、濃度センサを希釈ボックスの下流側に設置したが、濃度センサは希釈ボックス内に設置するようにしても良い。 In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various design change is possible in the range which does not deviate from the summary. For example, in the above embodiment, the concentration sensor is installed on the downstream side of the dilution box, but the concentration sensor may be installed in the dilution box.
1…燃料電池
3…アノード極
8…希釈ボックス(希釈手段)
12…パージ弁(排出弁)
13…制御装置(制御手段)
24…濃度センサ(濃度検出手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
12 ... Purge valve (discharge valve)
13. Control device (control means)
24 ... Concentration sensor (concentration detection means)
Claims (8)
この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段と、
前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁と、
前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、
前記排出弁を制御する制御手段と、を備えている燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段の検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤過多と相関する閾値濃度よりも低い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を増加補正することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
Dilution means for diluting the fuel gas discharged from the anode of the fuel cell with an oxidant gas;
A discharge valve for adjusting the discharge of fuel gas from the anode electrode to the dilution means;
A concentration detection means for detecting the concentration of fuel gas provided in the dilution means or downstream of the dilution means;
A fuel cell system comprising: control means for controlling the discharge valve;
The control means, after opening the discharge valve, when the detected concentration of the concentration detecting means is lower than a threshold concentration correlated with excessive wetness in the fuel cell, A fuel cell system that corrects an increase in emissions.
この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段と、
前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁と、
前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、
前記排出弁を制御する制御手段と、を備えている燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段の検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤不足と相関する閾値濃度よりも高い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を減少補正することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
Dilution means for diluting the fuel gas discharged from the anode of the fuel cell with an oxidant gas;
A discharge valve for adjusting the discharge of fuel gas from the anode electrode to the dilution means;
A concentration detection means for detecting the concentration of fuel gas provided in the dilution means or downstream of the dilution means;
A fuel cell system comprising: control means for controlling the discharge valve;
When the detected concentration of the concentration detecting means is higher than a threshold concentration that correlates with insufficient wetting in the fuel cell after opening the discharge valve, the control means determines the amount of fuel gas according to the detected concentration. A fuel cell system, wherein emission is reduced and corrected.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008331233A JP2010153247A (en) | 2008-12-25 | 2008-12-25 | Fuel cell system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2021083660A1 (en) * | 2019-10-29 | 2021-05-06 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a fuel cell system and control device for same |
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2008
- 2008-12-25 JP JP2008331233A patent/JP2010153247A/en active Pending
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WO2021083660A1 (en) * | 2019-10-29 | 2021-05-06 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a fuel cell system and control device for same |
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