JP2011090912A - Fuel cell system, and starting control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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起動制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a startup control method for a fuel cell system.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池には、発電に適した動作温度範囲が存在するため、燃料電池を備える燃料電池システムでは、起動時に、燃料電池の温度を上記動作温度範囲まで速やかに昇温することが求められる。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. Since this fuel cell has an operating temperature range suitable for power generation, a fuel cell system equipped with a fuel cell is required to quickly raise the temperature of the fuel cell to the above operating temperature range at startup. It is done.
そこで、従来、燃料電池システムにおいて、起動時に、燃料電池の温度を速やかに昇温するための種々の技術が提案されている。例えば、氷点下からの低温起動時に、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給量に対するカソードへの酸化剤ガスの供給量を通常の発電時よりも少なくし、カソードへの酸化剤ガスの供給の遅れに起因する電圧降下(濃度過電圧(拡散過電圧))を通常の発電時よりも大きくして低効率発電を行い、発熱量を通常の発電時よりも大きくすることによって、燃料電池の温度を速やかに昇温する技術が知られている。 Therefore, conventionally, various techniques have been proposed for rapidly raising the temperature of the fuel cell at the time of startup in the fuel cell system. For example, at low temperature startup from below freezing point, the supply amount of oxidant gas to the cathode relative to the supply amount of fuel gas to the anode of the fuel cell is made smaller than that during normal power generation, and the supply of oxidant gas to the cathode is delayed. By making the voltage drop (concentration overvoltage (diffusion overvoltage)) caused by the battery to be lower than that during normal power generation and performing low-efficiency power generation, and increasing the amount of heat generation compared to during normal power generation, the temperature of the fuel cell can be quickly increased. Techniques for raising the temperature are known.
しかし、上述した燃料電池システムの起動方法では、燃料電池のカソードの表面において、酸化剤ガスが局所的に不足する領域が生じ、この領域において、燃料電池が集中的に劣化する場合がある。そして、このような燃料電池の局所的な劣化が生じた場合には、他の領域が劣化していなくても、燃料電池全体としての発電性能が低下し、燃料電池の寿命が短くなってしまう。 However, in the above-described method for starting the fuel cell system, there is a region where the oxidant gas is locally insufficient on the surface of the cathode of the fuel cell, and the fuel cell may deteriorate intensively in this region. When such local degradation of the fuel cell occurs, the power generation performance of the entire fuel cell is lowered even if other regions are not degraded, and the life of the fuel cell is shortened. .
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、低温起動時の燃料電池の局所的な劣化を抑制し、燃料電池の長寿命化を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to suppress the local deterioration of the fuel cell at a low temperature start-up and extend the life of the fuel cell in the fuel cell system. To do.
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]燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給量に対する前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給量の割合を、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高い場合の起動時よりも、前記燃料電池の濃度過電圧が大きくなるように制限するとともに、前記カソードへの前記酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するように、前記酸化剤ガス供給部の制御を行う低温起動制御を実行する、燃料電池システム。 Application Example 1 A fuel cell system, a fuel cell, a fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the anode of the fuel cell, and an oxidant gas supply unit that supplies oxidant gas to the cathode of the fuel cell And a control unit, wherein the control unit is configured to supply the oxidant gas to the cathode with respect to the supply amount of the fuel gas to the anode during startup when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature. The ratio of the supply amount is limited so that the concentration overvoltage of the fuel cell becomes larger than at the start-up when the temperature of the fuel cell is higher than the predetermined temperature, and the unit of the oxidant gas to the cathode A fuel cell system that performs low-temperature start-up control for controlling the oxidant gas supply unit so that the supply amount per hour repeatedly increases and decreases.
適用例1の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時(例えば、氷点下からの低温起動時)に、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給量に対するカソードへの酸化剤ガスの供給量の割合を上述したように制限する。したがって、燃料電池の温度が所定温度よりも高い場合の起動時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池の温度を速やかに昇温することができる。さらに、適用例1の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させるので、カソードの表面における酸化剤ガスの濃度分布が経時的に変化する。このため、カソードの表面において、酸化剤ガスが局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池のカソードにおいて、局所的に酸化剤ガス不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池の局所的な劣化を抑制し、燃料電池の長寿命化を図ることができる。 In the fuel cell system of Application Example 1, at the time of start-up when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, at low temperature start-up from below freezing point), the amount of fuel gas supplied to the anode of the fuel cell is supplied to the cathode. The ratio of the supply amount of the oxidant gas is limited as described above. Therefore, the temperature of the fuel cell can be quickly raised by performing low-efficiency power generation and increasing the amount of heat generated compared to when starting when the temperature of the fuel cell is higher than a predetermined temperature. Furthermore, in the fuel cell system of Application Example 1, the supply amount of the oxidant gas per unit time to the cathode of the fuel cell is repeatedly increased or decreased at the start-up when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature. The concentration distribution of the oxidant gas on the surface changes with time. For this reason, even if a region where the oxidant gas is locally insufficient occurs on the surface of the cathode, this region moves with time. Therefore, in the cathode of the fuel cell, local deterioration of the fuel cell at the time of low temperature start-up due to partial fixing of the region where the oxidant gas is locally insufficient is suppressed, and the life of the fuel cell is extended. be able to.
なお、適用例1の燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時の、燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させる態様として、種々の態様を適用可能であり、このような態様としては、例えば、パルス的な増減や、サイン波的な増減や、ノコギリ波的な増減等が挙げられる。 In the fuel cell system of Application Example 1, as a mode of repeatedly increasing / decreasing the supply amount per unit time of the oxidant gas to the cathode of the fuel cell at the start-up when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature, Various modes can be applied. Examples of such modes include pulse-like increase / decrease, sine wave-like increase / decrease, and sawtooth wave-like increase / decrease.
[適用例2]適用例1記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスは、水素であり、前記酸化剤ガスは、酸素であり、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、前記カソードから排出されたカソードオフガスを前記空気供給配管に環流させるためカソードオフガス環流部を備え、前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記カソードオフガス環流部との制御を行う、燃料電池システム。 [Application Example 2] The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the fuel gas is hydrogen, the oxidant gas is oxygen, and the oxidant gas supply unit uses air containing oxygen. An air supply pipe for supplying to the cathode; an air pump provided in the air supply pipe; and a cathode off-gas recirculation part for circulating the cathode off-gas discharged from the cathode to the air supply pipe. The fuel cell system performs control of the air pump and the cathode off-gas recirculation unit as the low-temperature start-up control.
適用例2の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、燃料電池のカソードに環流されるカソードオフガスの環流量が繰り返し増減するように、上記空気ポンプと、上記カソードオフガス環流部との制御を行うことによって、燃料電池のカソードへの酸化剤ガス(酸素)の単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させ、カソードの表面における酸化剤ガス(酸素)の濃度分布を経時的に変化させることができる。 In the fuel cell system of Application Example 2, the air pump and the above-described air pump are configured so that the flow rate of the cathode off-gas recirculated to the cathode of the fuel cell repeatedly increases and decreases during startup when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature. By controlling the cathode off-gas recirculation part, the supply amount of oxidant gas (oxygen) per unit time to the cathode of the fuel cell is repeatedly increased and decreased, and the concentration distribution of oxidant gas (oxygen) on the surface of the cathode is changed. It can be changed over time.
なお、適用例2の燃料電池システムにおいて、上記空気ポンプから燃料電池のカソードへの空気の供給量は、一定としてもよいし、変動するようにしてもよい。 In the fuel cell system of Application Example 2, the amount of air supplied from the air pump to the cathode of the fuel cell may be constant or may vary.
[適用例3]適用例1記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスは、水素であり、前記酸化剤ガスは、酸素であり、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、酸素によって水素を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排気される燃焼排気ガスを前記カソードに供給するための燃焼排気ガス供給部配管と、前記カソードへの前記燃焼排気ガスの供給量を制御するための燃焼排気ガス制御バルブと、を備え、前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記燃焼器と、前記燃焼排気ガス制御バルブとの制御を行う、燃料電池システム。 [Application Example 3] The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the fuel gas is hydrogen, the oxidant gas is oxygen, and the oxidant gas supply unit uses air containing oxygen. An air supply pipe for supplying to the cathode, an air pump provided in the air supply pipe, a combustor for burning hydrogen with oxygen, and combustion exhaust gas exhausted from the combustor is supplied to the cathode And a combustion exhaust gas control valve for controlling a supply amount of the combustion exhaust gas to the cathode, and the control unit serves as the air pump as the low temperature start control. And a fuel cell system that controls the combustor and the combustion exhaust gas control valve.
適用例3の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、上記燃焼器から燃料電池のカソードに供給される燃焼排気ガスの供給量が繰り返し増減するように、上記空気ポンプと、上記燃焼器と、前記燃焼排気ガス制御バルブとの制御を行うことによって、燃料電池のカソードへの酸化剤ガス(酸素)の単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させ、カソードの表面における酸化剤ガス(酸素)の濃度分布を経時的に変化させることができる。 In the fuel cell system of Application Example 3, the above-described fuel exhaust gas supplied from the combustor to the cathode of the fuel cell is repeatedly increased or decreased during startup when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature. By controlling the air pump, the combustor, and the combustion exhaust gas control valve, the supply amount of oxidant gas (oxygen) per unit time to the cathode of the fuel cell is repeatedly increased and decreased, and the surface of the cathode The concentration distribution of the oxidant gas (oxygen) in can be changed over time.
なお、適用例3の燃料電池システムにおいて、上記燃焼器に導入される酸素としては、例えば、上記空気ポンプから吐出される空気中の酸素を用いることができる。また、上記燃焼器に導入される水素としては、上記燃料ガスとしての水素を用いることができる。また、上記空気ポンプから燃料電池のカソードへの空気の供給量は、一定としてもよいし、変動するようにしてもよい。 In the fuel cell system of Application Example 3, as oxygen introduced into the combustor, for example, oxygen in the air discharged from the air pump can be used. Further, as the hydrogen introduced into the combustor, hydrogen as the fuel gas can be used. The amount of air supplied from the air pump to the cathode of the fuel cell may be constant or may vary.
[適用例4]適用例1記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスは、水素であり、前記酸化剤ガスは、酸素であり、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、を備え、前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプの制御を行う、燃料電池システム。 [Application Example 4] The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the fuel gas is hydrogen, the oxidant gas is oxygen, and the oxidant gas supply unit uses air containing oxygen. A fuel cell system comprising: an air supply pipe for supplying to the cathode; and an air pump provided in the air supply pipe, wherein the control unit controls the air pump as the low temperature start control.
適用例4の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、燃料電池のカソードに供給される空気の供給量が繰り返し増減するように、上記空気ポンプの制御を行うことによって、燃料電池のカソードへの酸化剤ガス(酸素)の単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させ、燃料電池のカソードの表面における酸化剤ガス(酸素)の濃度分布を経時的に変化させることができる。 In the fuel cell system of Application Example 4, the air pump is controlled so that the amount of air supplied to the cathode of the fuel cell repeatedly increases and decreases during startup when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature. By repeatedly increasing or decreasing the amount of oxidant gas (oxygen) supplied to the cathode of the fuel cell per unit time, the concentration distribution of the oxidant gas (oxygen) on the surface of the fuel cell cathode is changed over time. Can do.
本発明は、上述した種々の特徴を、適宜、組み合わせて構成することもできる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの起動制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。 The present invention can also be configured by appropriately combining the various features described above. Further, the present invention can be configured as an invention of a fuel cell system activation control method in addition to the above-described configuration as a fuel cell system. Further, the present invention can be realized in various modes such as a computer program that realizes these, a recording medium that records the program, and a data signal that includes the program and is embodied in a carrier wave. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやCD−ROM、DVD−ROM、光磁気ディスク、ICカード、ROMカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置(RAMやROMなどのメモリ)および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。 When the present invention is configured as a computer program or a recording medium storing the program, the entire program for controlling the operation of the fuel cell system may be configured, or only the portion that performs the function of the present invention is configured. It is good also as what to do. The recording medium includes a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a magneto-optical disk, an IC card, a ROM cartridge, a punch card, a printed matter on which a code such as a barcode is printed, a computer internal storage device (RAM or Various types of computer-readable media such as a memory such as a ROM and an external storage device can be used.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. First embodiment:
A1. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池10は、プロトン伝導性を有する電解質膜12と、電解質膜12の一方の面に形成されたアノード14と、電解質膜12の他方の面に形成されたカソード16とを備える。本実施例では、電解質膜12として、ナフィオン(登録商標)等の固体高分子膜を用いるものとした。なお、この燃料電池10には、燃料電池10の温度Tfcを検出するための温度センサ18が設けられている。
The
燃料電池10のアノード14には、例えば、高圧水素を貯蔵した水素タンク(図示省略)から、水素供給配管20を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池10のアノード14から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス用排気管24を介して、燃料電池10の外部に排出される。なお、アノードオフガス用排気管24、および、水素供給配管20に、アノードオフガスを燃料電池10のアノード14に環流させるためのアノードオフガス環流配管を接続するようにし、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を発電に再利用するようにしてもよい。この場合、アノードオフガス環流配管には、アノードオフガスを水素供給配管20に環流させるためのポンプが設けられる。
For example, hydrogen as fuel gas is supplied to the
燃料電池10のカソード16には、空気供給配管30を介して、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が、空気供給配管30に設けられたエアコンプレッサ32によって圧縮されて供給される。エアコンプレッサ32の回転数を変化させることによって、燃料電池10のカソード16への空気の供給量を変化させることができる。燃料電池10のカソード16から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス用排気管34を介して、燃料電池10の外部に排出される。エアコンプレッサ32は、[課題を解決するための手段]における空気ポンプに相当する。
Air containing oxygen as an oxidant gas is compressed and supplied to the
また、本実施例の燃料電池システム100では、カソードオフガス用排気管34、および、空気供給配管30に、カソードオフガスを空気供給配管30に環流させるためのカソードオフガス環流配管36が接続されている。そして、このカソードオフガス環流配管36には、環流ポンプ37と、シャットバルブ38とが設けられている。環流ポンプ37のオン/オフ、および、シャットバルブ38の開閉状態を切り換えることによって、カソードオフガスを燃料電池10のカソード16に環流させるか否かを切り換えることができる。また、環流ポンプ37の回転数を変化させることによって、燃料電池10のカソード16へのカソードオフガスの環流量を変化させることができる。カソードオフガス環流配管36、環流ポンプ37、シャットバルブ38は、[課題を解決するための手段]におけるカソードオフガス環流部に相当する。
Further, in the
燃料電池システム100の運転は、制御ユニット50によって制御される。制御ユニット50は、内部にCPU、RAM、ROM等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、燃料電池10に対する出力要求や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブ、ポンプ、エアコンプレッサ32の制御等、システムの運転を制御する。制御ユニット50は、[課題を解決するための手段]における制御部に相当する。以下、燃料電池システム100の起動制御処理について説明する。
The operation of the
A2.起動制御処理:
図2は、第1実施例の燃料電池システム100の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100の起動時に、制御ユニット50のCPUが実行する処理である。なお、本実施例では、起動制御処理が開始されると、燃料電池10のアノード14には、一定量の水素が供給されるものとする。
A2. Startup control processing:
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of start control processing of the
CPUは、環流ポンプ37の回転数をゼロとし(ステップS100)、カソードオフガス環流配管36に設けられたシャットバルブ38を閉弁し(ステップS102)、空気供給配管30に設けられたエアコンプレッサ32の回転数を所定回転数として(ステップS104)、燃料電池10のカソード16に空気を供給する。このときのエアコンプレッサ32の回転数は、燃料電池10のカソード16への空気(酸素)の供給量が通常の発電時よりも少なくなり、燃料電池10のカソード16への酸素の供給の遅れに起因する電圧降下(濃度過電圧)が通常の発電時よりも大きくなるように、通常の発電時よりも低い値が設定されている。なお、ステップS100,S102,S104は、順序を入れ替えてもよい。
The CPU sets the rotational speed of the
そして、CPUは、温度センサ18によって検出された燃料電池10の温度Tfcを取得して、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下であるか否かを判断する(ステップS110)。燃料電池10の温度Tfcが0(℃)よりも高い場合には(ステップS110:NO)、CPUは、通常起動制御処理を実行し(ステップS200)、その後、起動制御処理を終了する。なお、本実施例において、通常起動制御処理は、燃料電池10の温度Tfcが所望の温度に上昇するまで、燃料電池10のアノード14への水素の供給量、および、カソード16への空気の供給量を一定として発電を行う起動制御である。この通常起動制御処理において、エアコンプレッサ32の回転数は、濃度過電圧が通常の発電時と同等になる量の空気(酸素)が燃料電池10のカソード16に供給されるように設定されている。つまり、ステップS104におけるエアコンプレッサ32の回転数は、ステップS200におけるエアコンプレッサ32の回転数よりも低い。
Then, the CPU acquires the temperature Tfc of the
ステップS110において、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合には(ステップS110:YES)、CPUは、起動制御処理開始からの経過時間、または、後述するカウンタクリア(ステップS180)からの経過時間をカウントアップする(ステップS120)。すなわち、CPUは、環流ポンプ37を停止し、シャットバルブ38を閉弁して、燃料電池10のカソード16にカソードオフガスを環流させずに、エアコンプレッサ32を動作させている時間を累算する。
In step S110, when the temperature Tfc of the
そして、CPUは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する(ステップS130)。すなわち、CPUは、燃料電池10のカソード16にカソードオフガスを環流させずに、エアコンプレッサ32から吐出された空気をカソード16に供給している時間が、所定時間(例えば、1秒)以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には(ステップS130:NO)、CPUは、処理をステップS100に戻す。
Then, the CPU determines whether or not the counter is greater than or equal to a predetermined value (step S130). That is, the CPU supplies the
一方、カウンタが所定値以上である場合には(ステップS130:YES)、CPUは、カウンタをクリアし(ステップS140)、環流ポンプ37の回転数を所定回転数とし(ステップS150)、シャットバルブ38を開弁して(ステップS152)、カソードオフガスを燃料電池10のカソード16に環流させる。つまり、エアコンプレッサ32から吐出された空気とカソードオフガスとを混合した酸素濃度が比較的低い空気を、燃料電池10のカソード16に供給する。なお、ステップS150,S152は、順序を入れ替えてもよい。
On the other hand, if the counter is equal to or larger than the predetermined value (step S130: YES), the CPU clears the counter (step S140), sets the rotational speed of the circulating
そして、CPUは、ステップS140からの経過時間をカウントアップする(ステップS160)。すなわち、CPUは、燃料電池10のカソード16にカソードオフガスを環流させている時間を累算する。
Then, the CPU counts up the elapsed time from step S140 (step S160). That is, the CPU accumulates the time during which the cathode off gas is circulated to the
そして、CPUは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する(ステップS170)。すなわち、CPUは、燃料電池10のカソード16にカソードオフガスを環流させている時間が、所定時間(例えば、1秒)以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には(ステップS170:NO)、CPUは、処理をステップS150に戻す。一方、カウンタが所定値以上である場合には(ステップS170:YES)、CPUは、カウンタをクリアし(ステップS180)、処理をステップS100に戻し、燃料電池10のカソード16へのカソードオフガスの環流を停止する。
Then, the CPU determines whether or not the counter is equal to or greater than a predetermined value (step S170). That is, the CPU determines whether or not the time during which the cathode off gas is circulated to the
以上の説明から分かるように、本実施例の燃料電池システム100の起動制御処理では、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気(ステップS100〜S130)と、酸素濃度が比較的低い空気(ステップS150〜S170)とを、燃料電池10のカソード16にパルス的に交互に供給する。このようにすることによって、以下に説明する効果を得ることができる。
As can be seen from the above description, in the start-up control process of the
図3は、本実施例の燃料電池システム100の起動制御処理(低温起動時)による効果を説明するための説明図である。図3(a)に、酸素濃度が一定の空気を、供給量を一定として燃料電池10のカソード16に供給した場合のカソード16における酸素濃度の分布を模式的に示した。なお、このときの空気の供給量は、本実施例の燃料電池システム100の起動制御処理のステップS100〜S130における供給量であるものとする。また、図3(b)に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池10のカソード16にパルス的に交互に供給した場合、すなわち、本実施例の燃料電池システム100の起動制御処理を適用した場合のカソード16における酸素濃度の分布を模式的に示した。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the effect of the startup control process (at the time of low temperature startup) of the
図3(a)に示したように、酸素濃度が一定の空気を、供給量を一定として燃料電池10のカソード16に供給した場合には、空気中に含まれる酸素がカソード16における空気の入口から出口にかけて消費されるため、カソード16における空気の出口近傍において、酸素が局所的に不足する領域が生じる場合がある。この場合、この酸素が局所的に不足する領域は、カソード16への空気の供給量が一定のため、移動しない。このため、酸素不足となる空気の出口近傍の領域において、燃料電池10が集中的に劣化する。そして、このような燃料電池10の局所的な劣化が生じた場合には、他の領域が劣化していなくても、燃料電池10全体としての発電性能が低下し、燃料電池10の寿命が短くなってしまう。
As shown in FIG. 3A, when air with a constant oxygen concentration is supplied to the
これに対し、図3(b)に示したように、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池10のカソード16にパルス的に交互に供給した場合には、カソード16において、酸素濃度が比較的高い領域と、酸素濃度が比較的低い領域とを、それぞれ、空気の流れ方向に沿って、経時的に順次移動させることができる。これは、先に供給された酸素濃度が比較的低い空気が、後から供給された酸素濃度が比較的高い空気によって掃気され、また、先に供給された酸素濃度が比較的高い空気が、後から供給された酸素濃度が比較的低い空気によって掃気されるからである。こうすることによって、カソード16において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることを抑制し、燃料電池10の集中的な劣化を抑制することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when air having a relatively high oxygen concentration and air having a relatively low oxygen concentration are alternately supplied to the
以上説明した第1実施例の燃料電池システム100では、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合の低温起動時に、燃料電池10のカソード16への空気(酸素)の供給量、詳しくは、燃料電池10のアノード14への水素の供給量に対するカソード16への空気(酸素)の供給量の割合を、通常起動制御処理時よりも、燃料電池10の濃度過電圧が高くなるように制限する。したがって、通常起動制御処理時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池10の温度Tfcを速やかに昇温することができる。さらに、本実施例の燃料電池システム100では、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合の低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池10のカソード16にパルス的に交互に供給することによって、燃料電池10のカソード16の表面における酸素の濃度分布を経時的に変化させることができる。このため、カソード16の表面において、酸素が局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池10のカソード16において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池10の局所的な劣化を抑制し、燃料電池10の長寿命化を図ることができる。
In the
B.第2実施例:
B1.燃料電池システムの構成:
図4は、本発明の第2実施例としての燃料電池システム100Aの概略構成を示す説明図である。
B. Second embodiment:
B1. Configuration of fuel cell system:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
第2実施例の燃料電池システム100Aは、第1実施例の燃料電池システム100におけるカソードオフガス環流配管36と、環流ポンプ37と、シャットバルブ38とを備えていない。その代わりに、第2実施例の燃料電池システム100Aは、酸素によって水素を燃焼させる触媒燃焼器40と、水素供給配管20から触媒燃焼器40に水素を導入するための水素導入配管42と、空気供給配管30から触媒燃焼器40に空気を導入するための空気導入配管44と、触媒燃焼器40から排気される燃料排気ガスを燃料電池10のカソード16に供給するための燃焼排気ガス供給配管46と、を備えている。水素導入配管42には、触媒燃焼器40への水素の導入量を制御するためのインジェクタ43が設けられている。空気導入配管44には、触媒燃焼器40に空気を導入するか否かを切り換えるためのシャットバルブ45が設けられている。これら以外の燃料電池システム100Aの構成は、第1実施例の燃料電池システム100の構成と同じである。シャットバルブ45は、[課題を解決するための手段]における燃焼排気ガス制御バルブに相当する。
The
なお、第2実施例の燃料電池システム100Aは、第1実施例の燃料電池システム100における制御ユニット50の代わりに、制御ユニット50Aを備えている。以下、燃料電池システム100Aの起動制御処理について説明する。
Note that the
B2.起動制御処理:
図5は、第2実施例の燃料電池システム100Aの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100Aの起動時に、制御ユニット50AのCPUが実行する処理である。本実施例においても、第1実施例と同様に、起動制御処理が開始されると、燃料電池10のアノード14には、一定量の水素が供給されるものとする。第2実施例の燃料電池システム100Aの起動制御処理は、第1実施例の燃料電池システム100の起動制御処理と一部が異なっている。
B2. Startup control processing:
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of start control processing of the
CPUは、水素導入配管42に設けられたインジェクタ43を停止し(ステップS100A)、空気導入配管44に設けられたシャットバルブ45を閉弁し(ステップS102A)、空気供給配管30に設けられたエアコンプレッサ32の回転数を所定回転数として(ステップS104)、燃料電池10のカソード16に空気を供給する。なお、ステップS100A,S02A,S104は、順序を入れ替えてもよい。
The CPU stops the
そして、CPUは、温度センサ18によって検出された燃料電池10の温度Tfcを取得して、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下であるか否かを判断する(ステップS110)。燃料電池10の温度Tfcが0(℃)よりも高い場合には(ステップS110:NO)、CPUは、通常起動制御処理を実行し(ステップS200)、その後、起動制御処理を終了する。一方、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合には(ステップS110:YES)、CPUは、起動制御処理開始からの経過時間、または、後述するカウンタクリア(ステップS180)からの経過時間をカウントアップする(ステップS120)。すなわち、CPUは、インジェクタ43を停止し、シャットバルブ45を閉弁して、燃料電池10のカソード16に触媒燃焼器40からの燃焼排気ガスを供給せずに、エアコンプレッサ32を動作させている時間を累算する。
Then, the CPU acquires the temperature Tfc of the
そして、CPUは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する(ステップS130)。すなわち、CPUは、燃料電池10のカソード16に触媒燃焼器40からの燃焼排気ガスを供給せずに、エアコンプレッサ32から吐出された空気をカソード16に供給している時間が、所定時間(例えば、1秒)以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には(ステップS130:NO)、CPUは、処理をステップS100に戻す。
Then, the CPU determines whether or not the counter is greater than or equal to a predetermined value (step S130). That is, the CPU does not supply the combustion exhaust gas from the
一方、カウンタが所定値以上である場合には(ステップS130:YES)、CPUは、カウンタをクリアし(ステップS140)、シャットバルブ45を開弁し(ステップS150A)、インジェクタ43を駆動して(ステップS152A)、触媒燃焼器40からの燃焼排気ガスを燃料電池10のカソード16に供給する。つまり、エアコンプレッサ32から吐出された空気と触媒燃焼器40からの燃焼排気ガスとを混合した酸素濃度が比較的低い空気を、燃料電池10のカソード16に供給する。なお、ステップS150A,S152Aは、順序を入れ替えてもよい。
On the other hand, if the counter is equal to or greater than the predetermined value (step S130: YES), the CPU clears the counter (step S140), opens the shut valve 45 (step S150A), and drives the injector 43 (step S150A). In step S152A), the combustion exhaust gas from the
そして、CPUは、ステップS140からの経過時間をカウントアップする(ステップS160)。すなわち、CPUは、燃料電池10のカソード16に触媒燃焼器40からの燃焼排気ガスを供給している時間を累算する。
Then, the CPU counts up the elapsed time from step S140 (step S160). That is, the CPU accumulates the time during which the combustion exhaust gas from the
そして、CPUは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する(ステップS170)。すなわち、CPUは、燃料電池10のカソード16に触媒燃焼器40からの燃焼排気ガスを供給している時間が、所定時間(例えば、1秒)以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には(ステップS170:NO)、CPUは、処理をステップS150に戻す。一方、カウンタが所定値以上である場合には(ステップS170:YES)、CPUは、カウンタをクリアし(ステップS180)、処理をステップS100に戻し、燃料電池10のカソード16への燃焼排気ガスの供給を停止する。
Then, the CPU determines whether or not the counter is equal to or greater than a predetermined value (step S170). That is, the CPU determines whether or not the time during which the combustion exhaust gas from the
以上の説明から分かるように、本実施例の燃料電池システム100Aの起動制御処理においても、第1実施例の燃料電池システム100の起動制御処理と同様に、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池10のカソード16にパルス的に交互に供給する。
As can be seen from the above description, in the start-up control process of the
以上説明した第2実施例の燃料電池システム100Aでは、第1実施例の燃料電池システム100と同様に、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合の低温起動時に、燃料電池10のカソード16への空気(酸素)の供給量、詳しくは、燃料電池10のアノード14への水素の供給量に対するカソード16への空気(酸素)の供給量の割合を、通常起動制御処理時よりも、燃料電池10の濃度過電圧が高くなるように制限する。したがって、通常起動制御処理時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池10の温度Tfcを速やかに昇温することができる。さらに、本実施例の燃料電池システム100Aでは、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合の低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池10のカソード16にパルス的に交互に供給することによって、燃料電池10のカソード16の表面における酸素の濃度分布を経時的に変化させることができる。このため、カソード16の表面において、酸素が局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池10のカソード16において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池10の局所的な劣化を抑制し、燃料電池10の長寿命化を図ることができる。
In the
C.第3実施例:
C1.燃料電池システムの構成:
図6は、本発明の第3実施例としての燃料電池システム100Bの概略構成を示す説明図である。第3実施例の燃料電池システム100Bは、第1実施例の燃料電池システム100におけるカソードオフガス環流配管36と、環流ポンプ37と、シャットバルブ38とを省略したものである。なお、第3実施例の燃料電池システム100Bは、第1実施例の燃料電池システム100における制御ユニット50の代わりに、制御ユニット50Bを備えている。以下、燃料電池システム100Bの起動制御処理について説明する。
C. Third embodiment:
C1. Configuration of fuel cell system:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
C2.起動制御処理:
図7は、第3実施例の燃料電池システム100Bの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100Bの起動時に、制御ユニット50BのCPUが実行する処理である。本実施例においても、第1実施例と同様に、起動制御処理が開始されると、燃料電池10のアノード14には、一定量の水素が供給されるものとする。第3実施例の燃料電池システム100Bの起動制御処理は、第1実施例の燃料電池システム100の起動制御処理と一部が異なっている。
C2. Startup control processing:
FIG. 7 is a flowchart showing the flow of start control processing of the
CPUは、空気供給配管30に設けられたエアコンプレッサ32の回転数を第1の所定回転数Naとして(ステップS100B)、燃料電池10のカソード16に空気を供給する。このときのエアコンプレッサ32の回転数(第1の所定回転数Na)は、燃料電池10のカソード16への空気(酸素)の供給量が通常の発電時よりも少なくなり、燃料電池10のカソード16への酸素の供給の遅れに起因する電圧降下(濃度過電圧)が通常の発電時よりも大きくなるように、通常の発電時よりも低い値が設定されている。
The CPU supplies air to the
そして、CPUは、温度センサ18によって検出された燃料電池10の温度Tfcを取得して、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下であるか否かを判断する(ステップS110)。燃料電池10の温度Tfcが0(℃)よりも高い場合には(ステップS110:NO)、CPUは、通常起動制御処理を実行し(ステップS200)、その後、起動制御処理を終了する。一方、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合には(ステップS110:YES)、CPUは、起動制御処理開始、または、後述するカウンタクリア(ステップS180)からの経過時間をカウントアップする(ステップS120)。すなわち、CPUは、エアコンプレッサ32の回転数を第1の所定回転数Naとして動作させている時間を累算する。
Then, the CPU acquires the temperature Tfc of the
そして、CPUは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する(ステップS130)。すなわち、CPUは、第1の所定回転数Naで動作するエアコンプレッサ32から吐出された空気をカソード16に供給している時間が、所定時間(例えば、1秒)以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には(ステップS130:NO)、CPUは、処理をステップS100に戻す。
Then, the CPU determines whether or not the counter is greater than or equal to a predetermined value (step S130). That is, the CPU determines whether or not the time during which the air discharged from the
一方、カウンタが所定値以上である場合には(ステップS130:YES)、CPUは、カウンタをクリアし(ステップS140)、エアコンプレッサ32の回転数を第2の所定回転数Nbとして(ステップS150B)、燃料電池10のカソード16に空気を供給する。なお、第2の所定回転数Nbは、第1の所定回転数Naよりも低い。
On the other hand, if the counter is equal to or greater than the predetermined value (step S130: YES), the CPU clears the counter (step S140) and sets the rotation speed of the
そして、CPUは、ステップS140からの経過時間をカウントアップする(ステップS160)。すなわち、CPUは、エアコンプレッサ32の回転数を第2の所定回転数Nbとして動作させている時間を累算する。
Then, the CPU counts up the elapsed time from step S140 (step S160). That is, the CPU accumulates the time during which the rotation speed of the
そして、CPUは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する(ステップS170)。すなわち、CPUは、エアコンプレッサ32の回転数を第2の所定回転数Nbとして動作させている時間が、所定時間(例えば、1秒)以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には(ステップS170:NO)、CPUは、処理をステップS150Bに戻す。一方、カウンタが所定値以上である場合には(ステップS170:YES)、CPUは、カウンタをクリアし(ステップS180)、処理をステップS100に戻し、エアコンプレッサ32の回転数を第1の所定回転数Naに増大させる。
Then, the CPU determines whether or not the counter is equal to or greater than a predetermined value (step S170). That is, the CPU determines whether or not the time during which the rotation speed of the
以上の説明から分かるように、本実施例の燃料電池システム100の起動制御処理では、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である低温起動時に、燃料電池10のカソード16に、空気の供給量をパルス的に増減させて供給する。
As can be seen from the above description, in the start-up control process of the
以上説明した第3実施例の燃料電池システム100Bでは、第1実施例の燃料電池システム100と同様に、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合の低温起動時に、燃料電池10のカソード16への空気(酸素)の供給量局、詳しくは、燃料電池10のアノード14への水素の供給量に対するカソード16への空気(酸素)の供給量の割合を、通常起動制御処理時よりも燃料電池10の濃度過電圧が高くなるように制限する。したがって、通常起動制御処理時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池10の温度Tfcを速やかに昇温することができる。さらに、本実施例の燃料電池システム100Bでは、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合の低温起動時に、燃料電池10のカソード16に、空気の供給量をパルス的に増減させて供給することによって、燃料電池10のカソード16の表面における酸素の濃度分布を経時的に変化させることができる。このため、カソード16の表面において、酸素が局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池10のカソード16において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池10の局所的な劣化を抑制し、燃料電池10の長寿命化を図ることができる。
In the
D.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
D. Variation:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in a various aspect is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
図8は、変形例としての燃料電池システム100Cの概略構成を示す説明図である。図8と図1との比較から分かるように、変形例の燃料電池システム100Cは、第1実施例の燃料電池システム100におけるシャットバルブ38の代わりに、カソードオフガス環流配管36と空気供給配管30との接続部に、三方弁39を備える。これ以外の燃料電池システム100Cの構成は、第1実施例の燃料電池システム100の構成と同じである。なお、変形例の燃料電池システム100Cは、第1実施例の燃料電池システム100における制御ユニット50の代わりに、制御ユニット50Cを備えている。そして、制御ユニット50CのCPUは、燃料電池システム100Cの起動時に、以下の起動制御処理を実行する。
D1. Modification 1:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図9は、変形例の燃料電池システム100Cの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。図9と図2との比較から分かるように、変形例の燃料電池システム100Cの起動制御処理では、第1実施例の起動制御処理のステップS102、および、ステップS152において、シャットバルブ38の開閉状態を切り換える代わりに、三方弁39を切り換える(ステップS102C、および、ステップS152C)こと以外は、第1実施例と同じである。なお、三方弁39の切り換えは、燃料電池10のカソード16に、エアコンプレッサ32から吐出された空気を供給するか、カソードオフガスを供給するかを切り換えるようにしてもよいし、エアコンプレッサ32から吐出された空気を供給するか、エアコンプレッサ32から吐出された空気とカソードオフガスとを混合させて供給するかを切り換えるようにしてもよい。
FIG. 9 is a flowchart showing the flow of activation control processing of the
変形例の燃料電池システム100Cによっても、第1実施例の燃料電池システム100と同様に、燃料電池10のカソード16において、酸素が不足する領域が固定されることによる低温起動時の燃料電池10の局所的な劣化を抑制し、燃料電池10の長寿命化を図ることができる。
Also in the
D2.変形例2:
上記第1,2実施例では、燃料電池システム100,100Aの起動制御処理のステップS104(図2,5)において、エアコンプレッサ32の回転数を、燃料電池10の濃度過電圧が通常の発電時よりも高くなる程度の空気(酸素)が燃料電池10のカソード16に供給されるように制限して設定するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池10のアノード14への水素の供給量に対するカソード16への酸素の供給量の割合を、通常起動制御処理時(ステップS200)よりも、燃料電池10の濃度過電圧が高くなるように制限すればよい。
D2. Modification 2:
In the first and second embodiments, in step S104 (FIGS. 2 and 5) of the start-up control process of the
D3.変形例3:
上記第1,2実施例では、燃料電池システム100,100Aの起動制御処理において、エアコンプレッサ32の回転数を一定としたが、本発明は、これに限られない。エアコンプレッサ32の回転数を、例えば、パルス的に増減させるようにしてもよい。
D3. Modification 3:
In the first and second embodiments, the rotation speed of the
D4.変形例4:
上記第1,2実施例では、燃料電池システム100,100Aの起動制御処理において、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池10のカソード16にパルス的に交互に供給するものとしたが、本発明は、これに限られない。また、上記第3実施例では、燃料電池システム100Bの起動制御処理において、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である低温起動時に、燃料電池10のカソード16に、空気の供給量をパルス的に増減させて供給するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池システム100,100A,100Bの起動制御処理において、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である低温起動時に、燃料電池10のカソード16への酸素の単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するようにすればよい。
D4. Modification 4:
In the first and second embodiments, in the start-up control process of the
D5.変形例5:
上記第1,2実施例では、酸素濃度が比較的低い空気として、大気中の空気と、カソードオフガスとを混合した空気を用いたり(第1実施例)、大気中の空気と、触媒燃焼器40から排気される燃焼排気ガスとを混合した空気を用いたり(第2実施例)するものとしたが、本発明は、これに限られない。酸素濃度が比較的低い空気として、例えば、大気中の空気と、窒素やアルゴン等の不活性ガスとを混合した混合ガスを用いるようにしてもよい。
D5. Modification 5:
In the first and second embodiments, as air having a relatively low oxygen concentration, air mixed with air in the atmosphere and cathode offgas is used (first embodiment), air in the atmosphere, and catalytic combustor. Although air mixed with combustion exhaust gas exhausted from 40 is used (second embodiment), the present invention is not limited to this. As the air having a relatively low oxygen concentration, for example, a mixed gas obtained by mixing air in the atmosphere and an inert gas such as nitrogen or argon may be used.
D6.変形例6:
上記第1実施例では、燃料電池システム100の起動制御処理において、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合に、環流ポンプ37をパルス的にオン/オフするとともに、シャットバルブ38をパルス的に開閉するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、環流ポンプ37を常時動作させた状態で、シャットバルブ38の開度をパルス的に増減するようにしてもよい。
D6. Modification 6:
In the first embodiment, in the start-up control process of the
また、上記第2実施例では、燃料電池システム100Aの起動制御処理において、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合に、インジェクタ43をパルス的にオン/オフするとともに、シャットバルブ45をパルス的に開閉するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、環流ポンプ37を常時動作させた状態で、シャットバルブ38の開度をパルス的に増減するようにしてもよい。
In the second embodiment, in the start-up control process of the
D7.変形例7:
上記第2実施例では、燃焼排気ガス制御バルブとして、シャットバルブ45を空気導入配管44に設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。シャットバルブ45を、空気導入配管44の代わりに、燃焼排気ガス供給配管46に設けるようにしてもよい。また、空気導入配管44、および、燃焼排気ガス供給配管46の双方にシャットバルブを設けるようにしてもよい。
D7. Modification 7:
In the second embodiment, the
D8.変形例8:
上記実施例では、燃料電池システムの起動制御処理において、燃料電池10の温度Tfcが0(℃)以下である場合に、燃料電池10のカソード16への空気(酸素)の供給量を制限するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池10の温度Tfcが、所定温度、すなわち、予め定められた閾値以下である場合に、燃料電池10のカソード16への空気(酸素)の供給量を制限すればよい。この所定温度は、燃料電池10の速やかな昇温が求められる比較的低温の範囲内で、任意に設定可能である。
D8. Modification 8:
In the above embodiment, in the start control process of the fuel cell system, when the temperature Tfc of the
D9.変形例9:
上記実施例では、燃料電池10の温度Tfcを、燃料電池10に設けられた温度センサ18によって検出するものとしたが、本発明は、これに限れない。燃料電池10以外の部位に、燃料電池10の温度Tfcを間接的に検出可能な温度センサを設けるようにしてもよい。
D9. Modification 9:
In the above embodiment, the temperature Tfc of the
100,100A,100B,100C…燃料電池システム
10…燃料電池
12…電解質膜
14…アノード
16…カソード
18…温度センサ
20…水素供給配管
24…アノードオフガス用排気管
30…空気供給配管
32…エアコンプレッサ
34…カソードオフガス用排気管
36…カソードオフガス環流配管
37…環流ポンプ
38…シャットバルブ
39…三方弁
40…触媒燃焼器
42…水素導入配管
43…インジェクタ
44…空気導入配管
45…シャットバルブ
46…燃焼排気ガス供給配管
50,50A,50B,50C…制御ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100A, 100B, 100C ...
Claims (5)
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、
前記アノードへの前記燃料ガスの供給量に対する前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給量の割合を、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高い場合の起動時よりも、前記燃料電池の濃度過電圧が大きくなるように制限するとともに、前記カソードへの前記酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するように、前記酸化剤ガス供給部の制御を行う低温起動制御を実行する、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell;
An oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the cathode of the fuel cell;
A control unit,
The control unit, at startup when the temperature of the fuel cell is below a predetermined temperature,
The ratio of the supply amount of the oxidant gas to the cathode with respect to the supply amount of the fuel gas to the anode is the concentration of the fuel cell than at the start-up when the temperature of the fuel cell is higher than the predetermined temperature. Performing low temperature start-up control for controlling the oxidant gas supply unit so as to limit the overvoltage to be large and to repeatedly increase or decrease the supply amount of the oxidant gas to the cathode per unit time.
Fuel cell system.
前記燃料ガスは、水素であり、
前記酸化剤ガスは、酸素であり、
前記酸化剤ガス供給部は、
前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、
前記カソードから排出されたカソードオフガスを前記空気供給配管に環流させるためカソードオフガス環流部を備え、
前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記カソードオフガス環流部との制御を行う、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel gas is hydrogen;
The oxidant gas is oxygen;
The oxidant gas supply unit is
An air supply pipe for supplying the oxygen-containing air to the cathode;
An air pump provided in the air supply pipe;
A cathode offgas recirculation section for recirculating the cathode offgas discharged from the cathode to the air supply pipe;
The control unit performs the control of the air pump and the cathode offgas recirculation unit as the low-temperature start-up control.
Fuel cell system.
前記燃料ガスは、水素であり、
前記酸化剤ガスは、酸素であり、
前記酸化剤ガス供給部は、
前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、
酸素によって水素を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排気される燃焼排気ガスを前記カソードに供給するための燃焼排気ガス供給部配管と、
前記カソードへの前記燃焼排気ガスの供給量を制御するための燃焼排気ガス制御バルブと、を備え、
前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記燃焼器と、前記燃焼排気ガス制御バルブとの制御を行う、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel gas is hydrogen;
The oxidant gas is oxygen;
The oxidant gas supply unit is
An air supply pipe for supplying the oxygen-containing air to the cathode;
An air pump provided in the air supply pipe;
A combustor that burns hydrogen with oxygen;
A combustion exhaust gas supply pipe for supplying combustion exhaust gas exhausted from the combustor to the cathode;
A combustion exhaust gas control valve for controlling a supply amount of the combustion exhaust gas to the cathode,
The control unit controls the air pump, the combustor, and the combustion exhaust gas control valve as the low-temperature start-up control.
Fuel cell system.
前記燃料ガスは、水素であり、
前記酸化剤ガスは、酸素であり、
前記酸化剤ガス供給部は、
前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、を備え、
前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプの制御を行う、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel gas is hydrogen;
The oxidant gas is oxygen;
The oxidant gas supply unit is
An air supply pipe for supplying the oxygen-containing air to the cathode;
An air pump provided in the air supply pipe,
The control unit performs control of the air pump as the cold start control.
Fuel cell system.
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、を備え、
前記起動制御方法は、
前記燃料電池の温度が所定温度以下であるか否かを判断する工程と、
前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給量に対する前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給量の割合を、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高い場合の起動時よりも、前記燃料電池の濃度過電圧が大きくなるように制限するとともに、前記カソードへの前記酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するように、前記酸化剤ガス供給部の制御を行う工程と、
を備える燃料電池システムの起動制御方法。 A startup control method for a fuel cell system, comprising:
The fuel cell system includes:
A fuel cell;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell;
An oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the cathode of the fuel cell,
The activation control method includes:
Determining whether the temperature of the fuel cell is below a predetermined temperature;
When the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature, the ratio of the supply amount of the oxidant gas to the cathode with respect to the supply amount of the fuel gas to the anode is expressed as follows. The oxidant gas is limited so that the concentration overvoltage of the fuel cell becomes larger than that at the time of start-up when it is higher, and the supply amount of the oxidant gas to the cathode per unit time is repeatedly increased or decreased. A step of controlling the supply unit;
A start control method for a fuel cell system.
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JP2013114997A (en) * | 2011-11-30 | 2013-06-10 | Denso Corp | Fuel cell system |
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