JP2010257606A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜23を介してアノード電極24Aとカソード電極24Bとの間で行われる水移動を考慮して、各単セル2のセル面内における反応ガス流25A,25Bの残水量分布及び電解質膜23の含水量分布を推定する推定部を備えている。低負荷になったとき、低負荷状態が継続した場合における所定時間t1後の残水量を推定し、その推定した残水量のうち比較的増加が抑えられる間欠頻度Xで間欠運転を行う。
【選択図】図3
Description
しかし、間欠運転中は燃料電池が昇温しないため、単セル内は水が溜まり易い状況となる。特に、外気温が低い場合には単セル内で水蒸気が凝縮する。このため、間欠運転から通常運転に切り替えた場合、間欠運転中に液水(残水量)が多く溜まった単セルでは、反応ガスの供給が阻害されてセル電圧の低下が生じるおそれがある。
図1及び図2に示すように、スタック構造の燃料電池1は、固体高分子電解質型の単セル2を複数積層してなるセル積層体3を有する。セル積層体3の両端にある単セル2(以下、「端部セル2a」という。)の外側に、それぞれ、集電板5a、5b、絶縁板6a、6b及びエンドプレート7a、7bが配置される。テンションプレート8,8がエンドプレート7a、7b間に架け渡されてボルト9で固定され、エンドプレート7bと絶縁板6bとの間に弾性モジュール10が設けられる。
図6に示すように、燃料電池システム100は、空気配管系300、水素配管系400、冷媒配管系500及び制御装置600を備える。燃料電池システム100は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム100を例に説明する。
本実施形態の水分量の推定方法では、残水量と含水量とを区別して推定し、その際、アノード側とカソード側とを分けて残水量分布を推定する。また、残水量と含水量とについて、セル面内での分布のみならずセル積層方向での分布も推定する。以下では、先ず、セル面内での水分布(残水量分布及び含水量分布)の推定方法について説明する。次いで、推定に際してセル積層方向の温度バラツキ・配流バラツキをどのように考慮するかについて説明し、セル積層方向での水分布の推定方法に言及する。
図8に示すように、先ず、電流値I、セル入口温度Tin,i、セル出口温度TOUT,i、エア流量Qair,i、水素流量QH2,i、エア背圧Pair,i及び水素圧PH2,iを読み込む(ステップS1)。
Tin,i:温度センサT1による検出値
TOUT,i:温度センサT2による検出値
Qair,i:流量センサF1による検出値
QH2,i:流量センサF2による検出値から求めた水素供給流量
Pair,i:圧力センサP1による検出値
PH2,i::圧力センサP2による検出値
Td、CA=Td、AN=Tin,i
VH2O、CA→AN=DH2O×(PH2O、CA−PH2O、AN)
I=f(Td、CA、Td、AN、TOUT,i、Pair,i、PH2,i、Qair,i、QH2,i、VH2O、CA→AN、ix)
RH=f(Td、CA、Td、AN、TOUT,i、Pair,i、PH2,i、Qair,i、QH2,i、VH2O、CA→AN、ix)
Vvap→liq=k1×σ1
Vliq→vap=k2×σ2
ここで、係数k1、k2は、温度や撥水性による因子であり、反応ガス流路の物性によるものである。係数k1、k2は、実験から予めマップ化される。
V_liq=k3×V_gas
各単セル2iについてのTIN,i、TOUT,i、Pair,i、PH2,i、Qair,i及びQH2,iを求めるには、次のように行う。
図14に示すように、先ず、スタック入口温度Tin、冷媒流量QLLC、外気温T外気、及び車速V車速を読み込む(ステップS11)。ここで、Tinは、温度センサT1による検出値である。QLLCは、燃料電池1に供給される冷媒流量であり、冷却ポンプ50の回転数その他の検出値から推定することができる。あるいは、冷媒流路51に流量センサを設け、流量センサによる検出値を用いてもよい。T外気は、外気温センサ62による検出値であり、V車速は、車速センサ63による検出値である。
TIN,i=f(QLLC、TIN、T外気、V車速)
これにより、上記したQLLC、TIN、T外気及び車速の各値からセルチャンネルiに対応するセル入口温度TIN,iを求めることができる。
図16に示すように、先ず、エア流量Qair、エア背圧Pair、スタック入口温度TIN、スタック出口温度TOUT及び電流値Iを読み込む(ステップS21)。ここで、エア流量Qair、エア背圧Pair及びスタック出口温度TOUTは、それぞれ、流量センサF1、圧力センサP1及び温度センサT2による検出値である。また、ステップS21では、マニホールド15aに流入するエアのガス密度をスタック入口温度TIN及びエア流量Qairの関数として算出する。
図19に示すように、先ず、温度センサT2の検出値として、スタック出口温度TOUTを読み込む(ステップS31)。また、上述したスタック入口温度TINの場合と同様に、冷媒流量QLLC、外気温T外気、及び車速V車速を読み込む。さらに、セル電圧Vi及び電流値Iを読み込み、単セル2iごとのI−V特性から各単セル2iの発熱量Qcell,iを推定する。
る発熱と過電圧による熱損失とに起因したものである。
TOUT,i=f(Qcell,i、QLLC,i、TOUT、T外気、V車速)
これにより、これらのパラメータに示す各検出値又は推定値からセルチャンネルiに対応するセル出口温度TOUT,iを求めることができる。
次に、上記推定方法による推定結果を利用した制御例について説明する。本制御例は、精度の高い推定結果を利用して、燃料電池1の水分布を考えた上で燃料電池1の間欠運転の頻度を設定し、間欠運転による水溜りの上昇を抑制することができるものである。以下、燃料電池システム100を車両に搭載した例にて、間欠運転を行う頻度(以下、間欠頻度という。)を設定する制御例を説明する。
車両は、車輪に連結されたモータ701(負荷)を駆動力源とするものであり、モータ701には、燃料電池1又は蓄電装置702からの電流がインバータ703で三相交流に変換されて供給される。蓄電装置702は、充放電可能な二次電池又はキャパシタであり、モータ701に対し高圧DC/DCコンバータ704を介して燃料電池1に並列接続される。高圧DC/DCコンバータ704により、燃料電池1の出力電圧及び蓄電装置702の充放電が制御される。高圧DC/DCコンバータ704と燃料電池1との間には、燃料電池システム100の運転に供せられる補機類705(例えばコンプレッサ33、インジェクタ45、水素ポンプ46、冷却ポンプ50など)が接続される。なお、高圧DC/DCコンバー704の接続位置など、電気系統の各構成は適宜設計変更できる。
間欠運転とは、燃料電池1のシステム効率が低下する所定の低負荷時(アイドリング時など)に燃料電池1の発電を停止する運転をいう。間欠運転では、電極24A,24Bへ水素ガス及び空気を供給する補機類705(コンプレッサ33、インジェクタ45、水素ポンプ46など)の作動を停止すると共に、燃料電池1の発電を停止する。そして、この間欠運転中に必要なモータ701の駆動力及び補機類705の補機動力は、蓄電装置702などの補助電源から供給される。上記した制御装置600の記憶部65には、間欠運転を行うモード及び間欠運転を行わない通常運転のモードなどが記憶されており、運転制御部68が、所定の低負荷のときに、必要に応じて通常運転のモードから間欠運転のモードに切り替える。
X=Ton/(Ton+TOFF)
より詳細に説明すると、図23に示すように、間欠頻度Xの大きさにより、時間経過ごとの残水量は異なることになる。例えば、間欠頻度X=0.25である場合の曲線L1と、間欠頻度X=0.5である場合の曲線L2とでは、燃料電池1の発電による昇温のし易さの関係上、時間経過に伴う残水量の変化量が異なる。間欠運転の開始時(時間t0)から所定時間t1が経過した時点では、間欠頻度が低い曲線L1の方が残水量が多いが、その後の時間2の時点では、両者の関係は逆転する。
ステップS104では、ステップS103で間欠頻度Xごとに推定された残水量のうち、残水量の増加(上昇幅)が比較的抑えられる間欠頻度で間欠運転を行う。例えば図23に示した一例に照らすと、所定時間t1の時点では曲線L2(間欠頻度X=0.5)の方が残水量が比較的少ないので、この間欠頻度X=0.5にて間欠運転を行うように、通常運転モードから間欠運転モードに切り替える。
Claims (7)
- アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜及び反応ガス流路を有する単セルを複数積層してなるセル積層体を含む燃料電池を備えると共に、所定の低負荷のときに前記燃料電池の間欠運転を行うモードを備える燃料電池システムにおいて、
前記電解質膜を介して前記アノード電極と前記カソード電極との間で行われる水移動を考慮して、各単セルのセル面内における反応ガス流路の残水量分布及び電解質膜の含水量分布を推定する推定部と、
前記推定部により推定された反応ガス流路の残水量に応じて、前記間欠運転を行う頻度(以下、間欠頻度という。)を設定する運転制御部と、備えた、燃料電池システム。 - 前記運転制御部は、前記残水量の増加が比較的抑えられる間欠頻度で間欠運転を行う、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記推定部は、前記所定の低負荷になったときに、この状態が継続した場合における所定時間後の残水量を二以上の間欠頻度毎に推定し、
前記運転制御部は、間欠頻度毎に推定された残水量のうち、比較的少ない残水量に係る間欠頻度で間欠運転を行う、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記運転制御部は、前記比較的少ない残水量に係る間欠頻度に代えて、前記所定時間後の全単セル中の最大残水量と最小残水量との差が比較的小さくなる間欠頻度を用いる、請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記所定時間を記憶する記憶部を更に備え、
前記記憶部は、当該燃料電池システムの運転傾向に応じて、前記所定時間を学習する、請求項3又は4に記載の燃料電池システム。 - 前記記憶部は、前記所定の低負荷の状態が最も長く続いたときの継続時間に、前記所定時間を更新する、請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記記憶部は、前記所定の低負荷のたびにその継続時間を記憶すると共に、その記憶した継続時間の中で頻度が高い継続時間に前記所定時間を更新する、請求項5に記載の燃料電池システム。
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