JP2014241260A - Fuel cell system - Google Patents
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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.
従来の燃料電池システムとして、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とバッファタンク(リサイクルタンク)とを設けたものがある。 As a conventional fuel cell system, there is one in which a normally closed solenoid valve is provided in an anode gas supply passage, and a normally open solenoid valve and a buffer tank (recycle tank) are provided in order from the upstream in an anode gas discharge passage.
この従来の燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施するものである。脈動運転を実施する燃料電池システムでは、アノードガス圧力の減圧時に、バッファタンク内のアノードオフガスが燃料電池側に逆流してくることがある。 This conventional fuel cell system is an anode gas non-circulation type fuel cell system in which unused anode gas discharged into the anode gas discharge passage is not returned to the anode gas supply passage. A pulsation operation for pulsating the pressure is performed. In a fuel cell system that performs pulsation operation, the anode off gas in the buffer tank may flow backward to the fuel cell side when the anode gas pressure is reduced.
しかしながら、燃料電池システムの運転中は、電解質膜を介してカソード側からアノード側へとカソードガス中の窒素が透過してくる。そのため、燃料電池システムの運転中は、徐々にバッファタンク内のアノードオフガスの窒素濃度が増加していく。このような窒素濃度の高いアノードオフガスを逆流させてしまうと、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。 However, during operation of the fuel cell system, nitrogen in the cathode gas permeates from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane. Therefore, during the operation of the fuel cell system, the nitrogen concentration of the anode off gas in the buffer tank gradually increases. If such an anode off gas having a high nitrogen concentration is caused to flow backward, the power generation efficiency of the fuel cell may be reduced.
そのため、バッファタンク内の窒素濃度がある程度高くなったら、バッファタンク内のアノードオフガスを燃料電池システムの外部に排出して、バッファタンク内の窒素濃度を下げる必要がある。 For this reason, when the nitrogen concentration in the buffer tank becomes high to some extent, it is necessary to discharge the anode off-gas in the buffer tank to the outside of the fuel cell system to lower the nitrogen concentration in the buffer tank.
このとき、燃料電池とバッファタンクとを結ぶ通路内のアノードオフガスを外部に排出する構成にすると、排出するタイミングによってはアノードガス自体を排出してしまい、バッファタンク内の窒素濃度を効率的に低下させることができないという問題点があった。 At this time, if the anode off gas in the passage connecting the fuel cell and the buffer tank is discharged to the outside, the anode gas itself is discharged depending on the discharge timing, and the nitrogen concentration in the buffer tank is effectively reduced. There was a problem that it could not be made.
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、バッファタンク内の窒素濃度を効率的に低下させることを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to efficiently reduce the nitrogen concentration in the buffer tank.
本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムが提供される。そして、その燃料電池システムが、燃料電池から排出されるアノードオフガスが蓄えられるバッファ部と、燃料電池とバッファ部とを結ぶ通路内のアノードオフガスを外部に排出するためのパージ弁と、燃料電池システムの運転状態に応じた脈動上限圧及び脈動下限圧の間で、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させるアノード圧制御手段と、燃料電池のシステムの運転状態に基づいて、パージ弁を開くパージ実行手段と、を備える。そして、パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を減圧させる。 According to an aspect of the present invention, a fuel cell system for generating electricity by supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell is provided. The fuel cell system includes a buffer unit for storing anode off-gas discharged from the fuel cell, a purge valve for discharging anode off-gas in a passage connecting the fuel cell and the buffer unit, and a fuel cell system. The anode pressure control means for pulsating the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell between the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure corresponding to the operation state of the fuel cell, and the purge valve is opened based on the operation state of the fuel cell system Purge execution means. Then, the pressure of the anode gas is reduced in accordance with the purge execution.
この態様によれば、パージ実行時に合わせてアノード圧が減圧させられるので、パージ実行中において、バッファ部側と燃料電池側の差圧を大きくして、バッファ部側から燃料電池側へアノードオフガスを逆流させることができる。そのため、バッファ部内の窒素濃度の高いアノードオフガスを多量に燃料電池システムの外部に排出することができる。したがって、バッファ部内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。 According to this aspect, the anode pressure is reduced in accordance with the purge execution time. Therefore, during the purge execution, the differential pressure between the buffer unit side and the fuel cell side is increased, and the anode off gas is supplied from the buffer unit side to the fuel cell side. It can be made to flow backward. Therefore, a large amount of the anode off gas having a high nitrogen concentration in the buffer unit can be discharged outside the fuel cell system. Therefore, the nitrogen concentration in the buffer unit can be efficiently reduced.
以下、図面等を参照して本発明の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
燃料電池は電解質膜をアノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス(燃料ガス)、カソード電極に酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。 A fuel cell has an electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
アノード電極 : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード電極 : 4H+ +4e- +O2 →2H2O …(2)
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
この(1)及び(2)の電極反応によって燃料電池は1ボルト程度の起電力を生じる。 The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
図1及び図2は、本発明の一実施形態による燃料電池10の構成について説明する図である。図1は、燃料電池10の概略斜視図である。図2は、図1の燃料電池10のII−II断面図である。
1 and 2 are diagrams illustrating the configuration of a
燃料電池10は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)11の表裏両面に、アノードセパレータ12とカソードセパレータ13とが配置されて構成される。
The
MEA11は、電解質膜111と、アノード電極112と、カソード電極113と、を備える。MEA11は、電解質膜111の一方の面にアノード電極112を有し、他方の面にカソード電極113を有する。
The
電解質膜111は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜111は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。 The electrolyte membrane 111 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.
アノード電極112は、触媒層112aとガス拡散層112bとを備える。触媒層112aは、電解質膜111と接する。触媒層112aは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層112bは、触媒層112aの外側(電解質膜111の反対側)に設けられ、アノードセパレータ12と接する。ガス拡散層112bは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
The
カソード電極113もアノード電極112と同様に、触媒層113aとガス拡散層113bとを備える。
Similarly to the
アノードセパレータ12は、ガス拡散層112bと接する。アノードセパレータ12は、ガス拡散層112bと接する側にアノード電極112にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路121を有する。
The
カソードセパレータ13は、ガス拡散層113bと接する。カソードセパレータ13は、ガス拡散層113bと接する側にカソード電極113にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路131を有する。
The
アノードガス流路121を流れるアノードガスと、カソードガス流路131を流れるカソードガスとは、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。
The anode gas flowing through the anode
このような燃料電池10を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池10を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
When such a
図3は、本発明の一実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム1の概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating
燃料電池システム1は、燃料電池スタック2と、アノードガス供給装置3と、コントローラ4と、を備える。
The
燃料電池スタック2は、複数枚の燃料電池10を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力(例えばモータを駆動するために必要な電力)を発電する。
The
燃料電池スタック2にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック2を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。
The cathode gas supply / discharge device for supplying and discharging the cathode gas to / from the
アノードガス供給装置3は、高圧タンク31と、アノードガス供給通路32と、調圧弁33と、圧力センサ34と、アノードガス排出通路35と、バッファタンク36と、パージ通路37と、パージ弁38と、を備える。
The anode
高圧タンク31は、燃料電池スタック2に供給するアノードガス(水素)を高圧状態に保って貯蔵する。
The high-
アノードガス供給通路32は、高圧タンク31から排出されたアノードガスを燃料電池スタック2に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク31に接続され、他端部が燃料電池スタック2のアノードガス入口孔21に接続される。
The anode
調圧弁33は、アノードガス供給通路32に設けられる。調圧弁33は、高圧タンク31から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック2に供給する。調圧弁33は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ4によって制御される。
The pressure regulating valve 33 is provided in the anode
圧力センサ34は、調圧弁33よりも下流のアノードガス供給通路32に設けられる。圧力センサ34は、調圧弁33よりも下流のアノードガス供給通路32を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ34で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路121とバッファタンク36とを含むアノード系全体の圧力(以下「アノード圧」という。)として代用する。
The
アノードガス排出通路35は、一端部が燃料電池スタック2のアノードガス出口孔22に接続され、他端部がバッファタンク36に接続される。アノードガス排出通路35には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路121へと透過してきた窒素等の不純ガスと、の混合ガス(以下「アノードオフガス」という。)が排出される。
The anode
バッファタンク36は、アノードガス排出通路35を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。
The
パージ通路37は、一端部がアノードガス排出通路35に接続され、他端部が開口端となっている。バッファタンク36に溜められたアノードオフガスは、アノードガス排出通路35を一旦逆流した後、パージ通路37を通って開口端から外気へ排出される。
The purge passage 37 has one end connected to the anode
パージ弁38は、パージ通路37に設けられる。パージ弁38は、コントローラによって開閉制御される電磁弁である。パージ弁38を開くことで、バッファタンク36に溜められたアノードオフガスがパージ通路37を通って開口端から外気へ排出される。
The
コントローラ4は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。
The
コントローラ4には、前述した圧力センサ34の他にも、燃料電池スタック2の出力電流を検出する電流センサ41や燃料電池スタック2の出力電圧を検出する電圧センサ42、燃料電池スタック2を冷却する冷却水の温度(以下「冷却水温」という。)を検出する温度センサ43、アクセルペダルの踏み込み量(以下「アクセル操作量」という。)を検出するアクセルストロークセンサ44などの、燃料電池システム1の運転状態を検出するための各種の信号が入力される。
In addition to the
コントローラ4は、これらの入力信号に基づいて、アノード圧を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。
Based on these input signals, the
図4は、燃料電池システム1の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation in which the operation state of the
図4(A)に示すように、コントローラ4は、燃料電池システム1の運転状態に基づいて燃料電池スタック2の目標出力電力(燃料電池スタック2の負荷)を算出し、目標出力電力に応じたアノード圧の上限圧及び下限圧を設定する。そして、設定したアノード圧の上限圧及び下限圧の間でアノード圧を周期的に昇降圧させる。
As shown in FIG. 4A, the
具体的には、時刻t1でアノード圧が下限圧に達したら、図4(B)に示すように、アノード圧が上限圧となるように調圧弁33の開度がフィードバック制御される。これにより、図4(A)に示すように、アノード圧が下限圧から上限圧に向けて上昇する。この状態のときは、アノードガスが高圧タンク31から燃料電池スタック2へと供給され、アノードオフガスがバッファタンク36へと押し込まれることになる。
Specifically, when the anode pressure reaches the lower limit pressure at time t1, as shown in FIG. 4B, the opening degree of the pressure regulating valve 33 is feedback controlled so that the anode pressure becomes the upper limit pressure. As a result, as shown in FIG. 4A, the anode pressure increases from the lower limit pressure toward the upper limit pressure. In this state, the anode gas is supplied from the
時刻t2で、アノード圧が上限圧に達したら、図4(B)に示すように、アノード圧が下限圧となるように調圧弁33の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、通常は調圧弁33の開度は全閉となり、高圧タンク31から燃料電池スタック2へのアノードガスの供給が停止される。そうすると、前述した(1)の電極反応によって、燃料電池スタック内部のアノードガス流路121に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、図4(A)に示すように、アノードガスの消費に応じてアノード圧が低下する。
When the anode pressure reaches the upper limit pressure at time t2, as shown in FIG. 4B, the opening degree of the pressure regulating valve 33 is feedback controlled so that the anode pressure becomes the lower limit pressure. As a result of this feedback control, the opening of the pressure regulating valve 33 is normally fully closed, and the supply of anode gas from the high-
そして、アノードガス流路121に残されたアノードガスが消費されてアノード圧が低下し、燃料電池スタック2側の圧力がバッファタンク36側の圧力よりも低くなると、バッファタンク36から燃料電池スタック2側へとアノードオフガスが逆流してくる。その結果、アノードガス流路121に残されたアノードガスと、アノードガス流路121に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。
Then, when the anode gas left in the anode
時刻t3でアノード圧が下限圧に達したら、時刻t1のときと同様に調圧弁33が開かれる。これにより、アノードガスが高圧タンク31から燃料電池スタック2へと供給されると共に、燃料電池スタック2側へと逆流していたアノードオフガスが再度バッファタンク36に押し込まれることになる。そして、時刻t4で再びアノード圧が上限圧に達したら、時刻t2のときと同様に調圧弁33を全閉とする。
When the anode pressure reaches the lower limit pressure at time t3, the pressure regulating valve 33 is opened as at time t1. As a result, the anode gas is supplied from the high-
ここで、燃料電池システム1の運転中は、前述したように、電解質膜111を介してカソード側からアノードガス流路121に窒素等の不純ガスが透過してくる。したがって、このようなアノードガス非循環型の燃料電池システム1では、パージ弁38を開かない限りは、バッファタンク36内のアノードオフガス中の窒素濃度が徐々に増加していくことになる。窒素濃度の高いアノードオフガスがアノードガス流路121に逆流すると、アノードガス流路121内で電極反応に必要なアノードガスが不足して、発電効率が低下するおそれがある。そのため、バッファタンク36内の窒素濃度が相対的に高くなったときは、パージ弁38を開いてバッファタンク36内のアノードオフガスを燃料電池システム1の外部に排出し、バッファタンク36内の窒素濃度を低下させる必要がある。
Here, during operation of the
そこで本実施形態では、バッファタンク36内の窒素濃度を効率的に低下させるため、バッファタンク36内の窒素濃度が所定濃度以上になったときは、アノード圧の下限圧を通常よりも低く設定して、パージ弁38を開くこととした。すなわち、パージ実行時に合わせて、アノード圧の下限圧を通常設定される下限圧よりも小さくすることとした。これにより、バッファタンク36から燃料電池スタック2側へと逆流するアノードオフガスの流量が通常よりも多くなる状態でパージ弁38が開かれることになるので、バッファタンク36内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。
Therefore, in this embodiment, in order to efficiently reduce the nitrogen concentration in the
以下、この本実施形態による脈動制御について説明する。 Hereinafter, the pulsation control according to this embodiment will be described.
図5は、本実施形態による脈動制御について説明するフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart illustrating pulsation control according to the present embodiment.
ステップS1において、コントローラ4は、図6のテーブルを参照し、燃料電池スタック2の目標出力電力に基づいて、アノード圧の上限圧及び下限圧を設定する。図6に示すように、上限圧と下限圧との差(脈動幅)は、目標出力電力が高くなるほど大きくなる。これは、燃料電池スタック2内からの生成水の排水性や透過窒素の排気性を考慮したものである。
In step S1, the
ステップS2において、コントローラ4は、アノード系内の窒素濃度を算出する窒素濃度算出処理を実施する。窒素濃度算出処理の詳細については、図7を参照して後述する。
In step S2, the
ステップS3において、コントローラ4は、アノード圧の降圧時であって、パージを実行する必要があるか否かを判定する。具体的には、昇圧フラグが0に設定されていて、かつ、パージ要求フラグが1に設定されているか否かを判定する。昇圧フラグは、アノード圧の昇圧時に1に設定されるフラグであって、初期値は1に設定される。パージ要求フラグは、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上となって、パージを実行する必要があるときに1に設定されるフラグであって、初期値は0に設定される。コントローラ4は、昇圧フラグが0に設定されていて、かつ、パージ要求フラグが1に設定されていればステップS17の処理を行い、そうでなければステップS4の処理を行う。
In step S3, the
ステップS4において、コントローラ4は、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になっているか否かを判定する。コントローラ4は、アノード系内の窒素濃度が所定濃度未満であればステップS5の処理を行い、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上であればステップS6の処理を行う。
In step S4, the
ステップS5において、コントローラ4は、パージ要求フラグを0に設定する。
In step S5, the
ステップS6において、コントローラ4は、パージ要求フラグを1に設定する。
In step S6, the
ステップS7において、コントローラ4は、パージ実行時に設定する下限圧(以下「パージ下限圧」という。)を算出する。本実施形態では、ステップS1で設定された下限圧から所定値を引いた値をパージ下限圧とし、パージ下限圧を燃料電池システム1の運転状態に応じた可変値としているが、予め定められた所定値をパージ下限圧としても良い。なお、パージ実行時においては、燃料電池スタック2内のアノード圧が低下することで、一部のアノードオフガスは燃料電池スタック2内に逆流してくることがある。そのため、所定値は、逆流してきたアノードオフガスの流量が燃料電池スタック2での発電に支障が生じない程度の流量となるように、燃料電池システム1の運転状態に応じて予め実験等で設定しておくことが望ましい。
In step S <b> 7, the
また、パージ下限圧は、大気圧よりも高い値に設定される。これは、パージ下限圧を大気圧よりも低い値に設定してしまうと、アノードガス排出通路35側の圧力の方が燃料電池システム1の外部の圧力(=大気圧)よりも低くなってしまうので、アノードオフガスを燃料電池システム1の外部に排出できなくなるからである。
The purge lower limit pressure is set to a value higher than the atmospheric pressure. This is because if the purge lower limit pressure is set to a value lower than the atmospheric pressure, the pressure on the anode
ステップS8において、コントローラ4は、昇圧フラグが1に設定されているか否かを判定する。コントローラ4は、昇圧フラグが1に設定されているとき、すなわちアノード圧の昇圧時であればステップS9の処理を行う。一方で、昇圧フラグが0に設定されているとき、すなわちアノード圧の降圧時であればステップS12の処理を行う。
In step S8, the
ステップS9において、コントローラ4は、圧力センサ34で検出したアノード圧が上限圧よりも低いか否かを判定する。コントローラ4は、アノード圧が上限圧よりも低ければステップS10の処理を行い、アノード圧が上限圧以上であればステップS11の処理を行う。
In step S9, the
ステップS10において、コントローラ4は、アノード圧が上限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁33の開度をフィードバック制御する。
In step S10, the
ステップS11において、コントローラ4は、昇圧フラグを0に設定する。
In step S11, the
ステップS12において、コントローラ4は、パージ要求フラグが1に設定されているか否かを判定する。コントローラ4は、パージ要求フラグが0に設定されていればステップS13の処理を行い、パージ要求フラグが1に設定されていればステップS17の処理を行う。
In step S12, the
ステップS13において、コントローラ4は、圧力センサ34で検出したアノード圧が下限圧よりも高いか否かを判定する。コントローラ4は、アノード圧が下限圧よりも高ければステップS14の処理を行い、アノード圧が下限圧以下であればステップS15の処理を行う。
In step S13, the
ステップS14において、コントローラ4は、アノード圧が下限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁33の開度をフィードバック制御する。
In step S14, the
ステップS15において、コントローラ4は、昇圧フラグを1に設定する。
In step S15, the
ステップS16において、コントローラ4は、アノード圧が上限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁33の開度をフィードバック制御する。
In step S16, the
ステップS17において、コントローラ4は、圧力センサ34で検出したアノード圧がパージ下限圧よりも高いか否かを判定する。コントローラ4は、アノード圧がパージ下限圧よりも高ければステップS18の処理を行い、アノード圧がパージ下限圧以下であればステップS20の処理を行う。
In step S17, the
ステップS18において、コントローラ4は、パージ弁38を開く。
In step S18, the
ステップS19において、コントローラ4は、アノード圧がパージ下限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁33の開度をフィードバック制御する。
In step S19, the
ステップS20において、コントローラ4は、昇圧フラグを1に設定する。
In step S20, the
ステップS21において、コントローラ4は、パージ要求フラグを0に設定する。
In step S21, the
ステップS22において、コントローラ4はパージ弁38を閉じる。
In step S22, the
図7は、窒素濃度算出処理について説明するフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart for explaining the nitrogen concentration calculation process.
ステップS201において、コントローラ4は、図8のマップを参照し、電解質膜111の温度及び含水率に基づいて、カソード側からアノードガス流路121に透過してくる窒素量(以下「窒素透過量」という。)を算出する。なお、本実施形態では、電解質膜111の温度として冷却水温を用いている。また、電解質膜111の含水率は、公知の種々の手法(例えば交流インピーダンス法など)で算出した燃料電池スタック2の内部高周波抵抗(HFR;High Frequency Resistance)に基づき算出している。
In step S201, the
ステップS202において、コントローラ4は、パージ弁38が開いているか否かを判定する。コントローラ4は、パージ弁38が閉じていればステップS203の処理を行い、パージ弁38が開いていればステップS204の処理を行う。
In step S202, the
ステップS203において、コントローラ4は、アノード系内全体の窒素量(以下「総窒素量」という。)を算出する。ここでは、総窒素量の前回値に窒素透過量を足したものを、総窒素量として算出する。
In step S203, the
ステップS204において、コントローラ4は、総窒素量を算出する。ここでは、総窒素量の前回値に窒素透過量を足したものから、圧力センサ34で検出されたアノード圧に基づいて算出される単位時間当りのパージ流量を差し引いたものを、総窒素量として算出する。なお、パージ流量は、パージ弁38の前後差圧、つまりアノード圧から大気圧を引いたものと、パージ弁38の開度によって決まるものである。本実施形態ではパージ弁38の開度は一定なので、アノード圧がわかればパージ流量を算出することができる。
In step S204, the
ステップS205において、コントローラ4は、総窒素量に基づいて、アノード系全体の窒素濃度を算出する。
In step S205, the
図9は、本実施形態による脈動制御の動作について説明するタイムチャートである。 FIG. 9 is a time chart for explaining the operation of pulsation control according to the present embodiment.
時刻t11までは、燃料電池スタック2の目標出力電力に応じて算出されたアノード圧の上限圧及び下限圧の範囲でアノード圧を昇降圧させる脈動運転が実施される(図9(A))。この間は、パージ弁38が閉じられたままなので(図9(C))、アノード系内の窒素濃度が徐々に増加していく(図9(F))。
Until time t11, a pulsation operation is performed in which the anode pressure is raised and lowered within the range of the upper limit pressure and the lower limit pressure of the anode pressure calculated according to the target output power of the fuel cell stack 2 (FIG. 9A). During this time, since the
時刻t12で、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になると(図9(F);S4でYes)、パージ要求フラグが1に設定され(図9(E);S6)、パージ下限圧が算出される(S7)。 When the nitrogen concentration in the anode system becomes equal to or higher than the predetermined concentration at time t12 (FIG. 9 (F); Yes in S4), the purge request flag is set to 1 (FIG. 9 (E); S6), and the purge lower limit pressure is set. Calculated (S7).
時刻t13で、アノード圧が上限圧に達し、昇圧フラグが0に設定されると(図9(D))、パージ弁38が開かれると共に(図9(C);S3でYes、S17でNo、S18)、アノード圧がパージ下限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁33の開度がフィードバック制御される(図9(A);S19)。
When the anode pressure reaches the upper limit pressure at time t13 and the pressure increase flag is set to 0 (FIG. 9D), the
そして、時刻t14でアノード圧がパージ下限圧まで達した後は、次にアノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になるまで、再び燃料電池スタック2の目標出力電力に応じて算出されたアノード圧の上限圧及び下限圧の範囲でアノード圧を昇降圧させる脈動運転が実施される。
Then, after the anode pressure reaches the purge lower limit pressure at time t14, the anode pressure calculated according to the target output power of the
以上説明した本実施形態によれば、パージ実行時に合わせて、アノード圧を通常設定される下限圧よりも小さいパージ下限圧まで低下させることとした。 According to the present embodiment described above, the anode pressure is lowered to the purge lower limit pressure that is smaller than the normally set lower limit pressure in accordance with the purge execution.
これにより、パージ実行中において、バッファタンク36側と燃料電池スタック2側の差圧を通常よりも大きくすることができ、バッファタンク36から燃料電池スタック2側へと逆流するアノードオフガスの流量を通常のアノード圧減圧時よりも多くすることができる。そのため、バッファタンク36内の窒素濃度の高いアノードオフガスを通常よりも多量にパージ通路37から燃料電池システム1の外部に排出することができる。したがって、バッファタンク36内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。
As a result, the pressure difference between the
また、このようにしてバッファタンク36内の窒素濃度を効率的に低下させておくことで、燃料電池スタック2の目標出力電力に応じて算出されたアノード圧の上限圧及び下限圧の範囲で脈動運転を実施しているときの降圧中に、窒素濃度の高いアノードオフガスがアノードガス流路121に逆流してくるのを抑制できる。よって、アノードガス流路121内で電極反応に必要なアノードガスが不足するのを抑制でき、発電効率が低下するのを抑制できる。
In addition, by effectively reducing the nitrogen concentration in the
また、本実施形態によれば、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になったことを判定した上で、パージを実行することとした。 Further, according to the present embodiment, purging is performed after determining that the nitrogen concentration in the anode system has reached a predetermined concentration or more.
パージ通路37から排出されるバッファタンク36内のアノードオフガスには、未反応のままバッファタンク36内に押し込まれたアノードガスも含まれている。そのため、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になったことを判定した上でパージを実行することで、窒素濃度の高いアノードオフガスをバッファタンク36から排出することができる。したがって、燃料電池システム1の外部に排出されるアノードガスの流量も減らすことができるので、燃料電池システム1の燃費も向上させることができる。
The anode off gas in the
また、本実施形態によれば、パージ下限圧を大気圧よりも高い値とした。 Further, according to this embodiment, the purge lower limit pressure is set to a value higher than the atmospheric pressure.
これにより、確実にパージ通路37からバッファタンク36内のアノードオフガスを燃料電池システム1の外部に排出することができる。
Thereby, the anode off gas in the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
例えば、上記実施形態では、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になった後、アノード圧が上限圧に達してからパージを実行し、それに合わせてアノード圧の減圧を開始していたが、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になった時点でパージを実行し、あのパージ実行時に合わせてアノード圧を減圧させるようにしても良い。つまりパージ要求があった時点で、その時点よりもアノード圧を減圧させるようにしても良い。 For example, in the above embodiment, after the nitrogen concentration in the anode system has reached a predetermined concentration or more, purge is performed after the anode pressure reaches the upper limit pressure, and the anode pressure is reduced in accordance with the purge. A purge may be executed when the nitrogen concentration in the anode system becomes equal to or higher than a predetermined concentration, and the anode pressure may be reduced in accordance with the purge execution. That is, when the purge request is made, the anode pressure may be reduced more than that time.
また、パージ弁38を開いてアノード圧をパージ下限圧まで低下させるときは、燃料電池スタック2の出力電力を所定量低下させるようにしても良い。燃料電池スタック2の出力電力を低下させることで、燃料電池スタック2内でのアノードガスの消費量が低下するので、アノード圧の低下速度を遅くすることができる。アノード圧の低下速度が遅くなると、アノード圧がパージ下限圧まで低下させるまでの時間が長くなるので、パージ弁38を開いている時間も長くなる。そのため、パージ実行時に燃料電池システム1の外部に排出できるアノードオフガスの流量を増量することができるので、より効率的にバッファタンク36内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。
Further, when the
また、上記実施形態では、燃料電池スタック2の下流に意識的にバッファタンク36を設けているが、このような部品が必ずしも必要というわけではなく、通常の配管や、燃料電池スタック2の内部マニホールドをバッファタンクとみなしても良い。
In the above embodiment, the
1 燃料電池システム
2 燃料電池スタック(燃料電池)
4 コントローラ(アノード圧制御手段、窒素濃度算出手段、パージ実行手段、パージ時アノード圧制御手段、出力制御手段)
35 アノードガス排出通路(通路)
36 バッファタンク(バッファ部)
38 パージ弁
1
4 Controller (Anode pressure control means, nitrogen concentration calculation means, purge execution means, purge anode pressure control means, output control means)
35 Anode gas discharge passage (passage)
36 Buffer tank (buffer part)
38 Purge valve
Claims (5)
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが蓄えられるバッファ部と、
前記燃料電池と前記バッファ部とを結ぶ通路内のアノードオフガスを外部に排出するためのパージ弁と、
前記燃料電池システムの運転状態に応じた脈動上限圧及び脈動下限圧の間で、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させるアノード圧制御手段と、
燃料電池のシステムの運転状態に基づいて、前記パージ弁を開くパージ実行手段と、
パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を減圧させるパージ時アノード圧制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system for generating electricity by supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell,
A buffer unit for storing anode off-gas discharged from the fuel cell;
A purge valve for discharging anode off-gas in the passage connecting the fuel cell and the buffer unit to the outside;
Anode pressure control means for pulsating the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell between the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure according to the operating state of the fuel cell system;
Purging means for opening the purge valve based on the operating state of the fuel cell system;
A purge anode pressure control means for reducing the pressure of the anode gas in accordance with the purge execution;
A fuel cell system comprising:
パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を前記脈動下限圧よりも低いパージ下限圧まで減圧する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The purge anode pressure control means includes:
The pressure of the anode gas is reduced to the purge lower limit pressure lower than the pulsation lower limit pressure in accordance with the purge execution.
The fuel cell system according to claim 1.
前記パージ実行手段は、
前記窒素濃度が所定濃度以上になった場合にパージを実行する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A nitrogen concentration calculating means for calculating a nitrogen concentration in an anode system including the fuel cell and the buffer unit;
The purge execution means includes
Performing a purge when the nitrogen concentration exceeds a predetermined concentration;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記燃料電池の電解質膜の温度及び含水率に基づいて、電解質膜をカソード側からアノード側に透過してくる透過窒素量を算出し、
前記透過窒素量に基づいて、前記燃料電池及び前記バッファ部を含むアノード系の窒素濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 The nitrogen concentration calculating means includes
Based on the temperature and water content of the electrolyte membrane of the fuel cell, the amount of permeated nitrogen that permeates the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side is calculated.
Based on the amount of permeated nitrogen, the nitrogen concentration of the anode system including the fuel cell and the buffer unit is calculated.
The fuel cell system according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1つに記載の燃料電池システム。 An output control means for reducing the output power of the fuel cell when the pressure of the anode gas is reduced in accordance with the purge execution;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is provided.
Priority Applications (1)
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JP2013123927A JP2014241260A (en) | 2013-06-12 | 2013-06-12 | Fuel cell system |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015133200A1 (en) * | 2014-03-07 | 2015-09-11 | 日産自動車株式会社 | Fluid control valve |
WO2020173985A1 (en) | 2019-02-27 | 2020-09-03 | Trinamix Gmbh | Optical sensor and detector for an optical detection |
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2013
- 2013-06-12 JP JP2013123927A patent/JP2014241260A/en active Pending
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WO2020173985A1 (en) | 2019-02-27 | 2020-09-03 | Trinamix Gmbh | Optical sensor and detector for an optical detection |
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