JP2015125873A - 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、燃料電池に供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力よりも高く維持した状態で測定した活性化過電圧領域の出力電圧が、所定の電圧値以下であった場合に、電解質膜を介してアノードガス流路からカソードガス流路へと漏れ出すアノードガスの流量（以下「水素クロスリーク量」という。）が増加していると判定するものがある（特許文献１参照）。このように、この従来の燃料電池システムは、燃料電池に供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力よりも高くしたときに、出力電圧が低下すれば水素クロスリーク量が増加していると判定するものである。 As a conventional fuel cell system, when the output voltage of the activation overvoltage region measured in a state where the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is maintained higher than the pressure of the cathode gas is below a predetermined voltage value, Some determine that the flow rate of the anode gas that leaks from the anode gas channel to the cathode gas channel through the electrolyte membrane (hereinafter referred to as “hydrogen cross leak amount”) is increasing (see Patent Document 1). . Thus, in this conventional fuel cell system, when the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is made higher than the pressure of the cathode gas, it is determined that the amount of hydrogen cross leak increases if the output voltage decreases. To do.
しかしながら、燃料電池に供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力よりも高くしたときに、水素クロスリーク量が増加していなくても出力電圧が低下する場合があることが知見された。そのため、前述した従来の燃料電池システムでは、実際には水素クロスリーク量が増加していないにもかかわらず、水素クロスリーク量が増加していると判定するおそれがある。 However, it has been found that when the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is made higher than the pressure of the cathode gas, the output voltage may decrease even if the hydrogen cross leak amount does not increase. Therefore, in the above-described conventional fuel cell system, there is a risk that it is determined that the hydrogen cross leak amount is increasing although the hydrogen cross leak amount is not actually increasing.
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、水素クロスリーク量の増加を精度良く判定す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 accurately determine an increase in the amount of hydrogen cross leak.
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させる燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池の負荷に基づいて燃料電池に供給するカソードガスの圧力及び流量を制御し、燃料電池に供給するアノードガスの圧力がカソードガスの圧力以上となるように脈動させ、燃料電池システムの運転状態に基づいてアノード系内のアノードガス濃度を制御する。そして、アノードガスの脈動昇圧時における燃料電池の電圧変化を検出し、脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときにアノード系内のアノードガス濃度を変更し、濃度変更前後の脈動昇圧時における電圧変化に基づいてアノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定する。 According to an aspect of the present invention, a fuel cell system is provided in which anode gas and cathode gas are supplied to a fuel cell to generate power. The fuel cell system controls the pressure and flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell based on the load of the fuel cell, and pulsates so that the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is equal to or higher than the pressure of the cathode gas. The anode gas concentration in the anode system is controlled based on the operating state of the fuel cell system. Then, the voltage change of the fuel cell at the time of pulsation boosting of the anode gas is detected, and when the voltage drops at the time of pulsation boosting or when it does not change, the anode gas concentration in the anode system is changed, and before and after the concentration change It is determined whether or not the cross leak amount of the anode gas is increased based on the voltage change at the time of pulsation boosting.
この態様によれば、仮に脈動昇圧時におけるセル電圧の低下又は無変化が水素クロスリーク量の増大によるものであれば、水素濃度を変更することによってリーク水素と反応して消費される酸素量が変化する。そのため、水素濃度の変更後は、セル電圧の変化量が変化する。したがって、濃度変更前後のセル電圧の変化に基づいて水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定すれば、脈動昇圧時におけるセル電圧の低下又は無変化が、水素クロスリーク量の増大によるものか否かを精度良く判定することができる。 According to this aspect, if the cell voltage drop or no change during pulsation boosting is due to an increase in the hydrogen cross leak amount, the amount of oxygen consumed by reacting with the leaked hydrogen by changing the hydrogen concentration is reduced. Change. Therefore, the change amount of the cell voltage changes after the change of the hydrogen concentration. Therefore, if it is determined whether or not the hydrogen cross leak amount has increased based on the change in the cell voltage before and after the concentration change, the decrease or no change in the cell voltage during pulsation boosting is due to the increase in the hydrogen cross leak amount. It is possible to accurately determine whether or not.
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
（第１実施形態）
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）とによって挟み、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。
(First embodiment)
In a fuel cell, an electrolyte membrane is 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）（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、ＭＥＡ１１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 anode electrode 112 includes a
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 anode electrode 112, 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、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、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、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１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１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
When such a
図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of the
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。
The
燃料電池スタック１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、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。
The
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。
The cathode gas supply / discharge device 2 includes a cathode
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
The cathode
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
The cathode
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
The
エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
The
カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
The
カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）を検出する。なお、以下では、このカソード圧力センサ２６の検出値を、必要に応じて「検出カソード圧」という。
The
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
The
カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。なお、カソード調圧弁２８を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。
The cathode
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ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 gas supply /
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１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
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
The anode
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
The anode pressure regulating valve 33 is provided in the anode
アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられ、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。本実施形態では、このアノード圧力を、燃料電池スタック１からバッファタンク３６までのアノード系内の圧力として使用している。以下では、このアノード圧力センサ３４の検出値を、必要に応じて「検出アノード圧力」という。
The
アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がバッファタンク３６に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水分（生成水や水蒸気）などを含む不活性ガスと、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を流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁３８が開かれているときに、パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。
The
パージ通路３７は、一端がアノードガス排出通路３５に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
The
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６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を制御する。以下の説明において、パージ弁３８を開いてカソードガス排出通路２２にアノードオフガスを排出することを、必要に応じて「パージ」という。
The
アノードガス排出通路３５を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
The anode off gas discharged to the cathode
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、入口水温センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。
The
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路であって、一端が燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端が燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。
The cooling
ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
The
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。
The
三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が所定温度よりも高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が所定温度よりも低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
The three-
循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。
The
ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
The
入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「入口水温」という。）を検出する。
The inlet
出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「出口水温」という。）を検出する。
The outlet
本実施形態では、入口水温及び出口水温の平均水温の燃料電池スタック１内の温度（以下「スタック温度」という。）として用いている。 In the present embodiment, the average water temperature of the inlet water temperature and the outlet water temperature is used as the temperature in the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “stack temperature”).
電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。
The
電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。
The
電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧（以下「セル電圧」という。）を検出し、燃料電池１０の総電圧を出力電圧として検出している。なお、燃料電池１０の複数枚ごとの電圧（セル群電圧）を検出するようにしても良い。
The
走行モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。
The
インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、走行モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ５３に供給する。一方で、走行モータ５３を発電機として機能させるときは、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。
The inverter 54 includes a plurality of semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). The semiconductor switch of the inverter 54 is controlled to be opened / closed by the
バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ５３に供給される。
The
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。
The DC /
コントローラ６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６には、前述したエアフローセンサ２４等の他にも、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６１などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。
The
コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標発電電力を算出する。具体的には、走行モータ５３の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求などに基づいて、目標発電電力を算出する。コントローラ６は、目標発電電力に基づいて、例えば予め定められた燃料電池スタック１のＩＶ特性（電流電圧特性）を参照して燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。
The
そしてコントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ５３や補機類に必要な電力を供給する。
Then, the
また、コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度（含水率）が発電に適した湿潤度になるように、カソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。具体的には、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係にある燃料電池スタック１の内部インピーダンス（High Frequency Resistance；以下「ＨＦＲ」という。）を、例えば交流インピーダンス法等によって算出する。そして、ＨＦＲが目標ＨＦＲとなるようにカソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。ＨＦＲが小さいほど電解質膜１１１の湿潤度は高くなる。なお本実施形態では、目標ＨＦＲを予め実験等で定めた発電に適した所定値としている。
Further, the
また、コントローラ６は、燃料電池スタック１の負荷、すなわち目標出力電流に基づいて、カソード圧力の目標値（以下「目標カソード圧力」という。）と、カソード流量の目標値（以下「目標カソード流量」という。）と、を算出する。目標カソード圧力及び目標カソード流量は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、少なくとも各燃料電池１０のカソード電極１１３において電極反応に必要な酸素分圧が確保できるような値以上に設定される。コントローラ６は、カソード圧力及びカソード流量がそれぞれ目標カソード圧力及び目標カソード流量となるように、カソードコンプレッサ２５やカソード調圧弁２８などを制御する。
Further, the
また、コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力及び脈動下限圧力の範囲内でアノード圧力を周期的に昇降圧させて、アノード圧力を脈動させる。このような脈動運転を行うことで、アノード圧力の昇圧時（脈動昇圧時）にアノードガス流路１２１の液水をアノードガス排出通路３５へ排出し、アノードガス流路１２１における排水性を確保している。
Further, the
また、コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、パージ弁３８の開閉を制御する。これにより、バッファタンク３６からパージ通路３７を介してアノード系外へ排出するアノードオフガスの量（バイパス流量）を調節し、アノード系内のアノードガス濃度が所定濃度となるように調節している。
The
図４は、本実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart illustrating pulsation operation control according to the present embodiment.
ステップＳ１において、コントローラ６は、図５のマップを参照し、目標出力電流とＨＦＲとに基づいて、脈動幅を算出する。図５のマップに示すように、脈動幅は、目標出力電流が高くなるほど、また、ＨＦＲが小さくなるほど大きくなる。つまり、燃料電池スタック１内の水分量が多くなるほど、脈動幅は大きくなる。
In step S1, the
ステップＳ２において、コントローラ６は、目標出力電流に基づいて算出された目標カソード圧力以上の圧力値を、脈動下限圧力として設定する。本実施形態では、目標カソード圧力よりも少し高い圧力値を脈動下限圧力として設定している。
In step S2, the
ステップＳ３において、コントローラ６は、脈動下限圧力に脈動幅を加算した圧力値を、脈動上限圧力として設定する。
In Step S3, the
ステップＳ４において、コントローラ６は、アノード圧力が脈動上限圧力以上か否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力が脈動上限圧力以上であれば、アノード圧力を低下させるためにステップＳ５の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動上限圧力未満であれば、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６は、目標アノード圧力を脈動下限圧力に設定する。
In step S5, the
ステップＳ６において、コントローラ６は、アノード圧力が脈動下限圧力以下か否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力が脈動下限圧力以下であれば、アノード圧力を増加させるためにステップＳ７の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動下限圧力よりも高ければ、ステップＳ８の処理を行う。
In step S6, the
ステップＳ７において、コントローラ６は、目標アノード圧力を脈動上限圧力に設定する。
In step S7, the
ステップＳ８において、コントローラ６は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。
In step S8, the
ステップＳ９において、コントローラ６は、脈動下限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動下限圧力となるように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁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１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、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、アノード圧力が低下する。
In step S9, when the pulsation lower limit pressure is set as the target anode pressure, the
また、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ると、一時的にバッファタンク３６内の圧力がアノードガス流路１２１内（燃料電池スタック１内）の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６から燃料電池スタック１側へとアノードオフガスが逆流する。
Further, when the anode gas left in the
このとき、パージ弁３８が閉じられていれば、バッファタンク３６から逆流したアノードオフガスがアノードガス流路１２１に流れ込み、アノードガス流路１２１内の残りのアノードガスと、逆流したアノードオフガス中のアノードガスとが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧力が低下する。一方で、パージ弁３８が開かれていれば、バッファタンク３６から逆流したアノードオフガスはパージ通路３７を介してアノード系内からパージされる。
At this time, if the
また、ステップＳ９において、コントローラ６は、脈動上限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が所定の昇圧変化率で脈動上限圧力まで増加するように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、アノード圧力が増加する。
In step S9, when the pulsation upper limit pressure is set as the target anode pressure, the
図６は、本実施形態によるパージ弁３８の開閉制御について説明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating the opening / closing control of the
前述したように、アノードガス排出通路３５に排出されたアノードオフガスには、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水分などが含まれている。そのため、パージ弁３８を閉じたままにしていると、アノード系内に窒素や水分が蓄積されてアノード系内の水素濃度が低下し、特に脈動運転中の降圧時にアノードガス流路１２１で水素不足（いわゆる水素スタベーション）が発生するおそれがある。
As described above, the anode off-gas discharged to the anode
そこで本実施形態では、アノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水分がアノード系内から排出されるようにパージ弁３８を開閉制御し、アノード系内の水素濃度が所定濃度以下とならないように制御している。具体的には、図６に示すように、パージ弁３８は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて設定されたデューティ比（開弁時間／所定周期）に応じて開閉される。例えば設定されたデューティ比が０．５であれば、パージ弁３８は所定周期の初めから所定周期の半分まで開かれ、設定されたデューティ比が１であれば所定周期の最初から最後まで開かれる。
Therefore, in this embodiment, the
なお、所定濃度を高く設定し過ぎると、その分アノードオフガスと共にパージされるアノードガス（水素）が増加するので燃費が悪化する。一方で、所定濃度を低く設定し過ぎると、水素スタベーションが発生するおそれがある。したがって、所定濃度は、これらを考慮して実験等で求めた適切な値に設定されている。 Note that if the predetermined concentration is set too high, the anode gas (hydrogen) purged together with the anode off gas increases accordingly, and the fuel efficiency deteriorates. On the other hand, if the predetermined concentration is set too low, hydrogen starvation may occur. Therefore, the predetermined concentration is set to an appropriate value obtained by experiments or the like in consideration of these.
本実施形態では、パージ弁３８のデューティ比の設定は以下のようにして行う。
In the present embodiment, the duty ratio of the
まず、図７のマップを参照し、検出カソード圧力及びスタック温度に基づいて、アノードガス流路１２１へと透過してくる透過窒素量を推定する。そして、図８のテーブルを参照し、透過窒素量に基づいて窒素排出要求デューティ比を算出する。図７のマップに示すように、透過窒素量は、カソード圧力が高くなるほど、またスタック温度が高くなるほど多くなる。また、図８のテーブルに示すように、窒素排出要求デューティ比は、透過窒素量が多くなるほど大きくなる。
First, referring to the map of FIG. 7, the amount of permeated nitrogen permeating into the anode
また、図９のテーブルを参照し、目標出力電流に応じてアノードガス流路１２１から排出する必要のある水分量（以下「排出水分量」という。）を推定する。そして、図１０のテーブルを参照し、排出水分量に基づいて水分排出要求デューティ比を算出する。図９のテーブルに示すように、排出水分量は、目標出力電流が高くなるほど多くなる。図１０のテーブルに示すように、水分排出デューティ比は、排出水分量が多くほど大きくなる。 Further, referring to the table of FIG. 9, the amount of water that needs to be discharged from the anode gas flow path 121 (hereinafter referred to as “discharged water amount”) is estimated according to the target output current. Then, referring to the table of FIG. 10, the moisture discharge request duty ratio is calculated based on the discharged water amount. As shown in the table of FIG. 9, the amount of discharged water increases as the target output current increases. As shown in the table of FIG. 10, the moisture discharge duty ratio increases as the amount of discharged water increases.
そして、窒素排出要求デューティ比及び水分排出要求デューティ比の大きい方をパージ弁３８のデューティ比とする。これにより、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水分が確実にカソードガス排出通路２２に排出されるようにしている。
The larger one of the nitrogen discharge request duty ratio and the water discharge request duty ratio is set as the duty ratio of the
ここで、ＭＥＡ１１の損傷や経時劣化によって、例えば電解質膜１１１に部分的に孔が生じると、その孔を介してアノードガス流路１２１からカソードガス流路１３１へと漏れ出すアノードガス量（水素クロスリーク量）が増加する。水素クロスリーク量が増加すると、カソードガス流路１３１からカソードガス排出通路２２に排出されるカソードオフガス中の水素濃度が増大し、最終的に大気中に排出される排出ガス中の水素濃度が可燃濃度を超えるおそれがある。このような状態になると、燃料電池スタック１での発電を停止させる必要がある。したがって、水素クロスリーク量が増加しているときは、それを精度良く検知し、無用に燃料電池スタック１での発電を停止させないようにすることが求められる。
Here, for example, when a hole is partially generated in the electrolyte membrane 111 due to damage or deterioration with time of the
アノードガス流路１２１からカソードガス流路１３１へと漏れ出したアノードガス（以下「リーク水素」という。）は、カソード電極１１３でカソードガス中の酸素と反応して消費される。そのため、水素クロスリーク量が増加するほど、カソードガス流路１３１内の酸素濃度が低下する。したがって、水素クロスリークが生じていない正常な燃料電池１０（以下「正常セル」という。）のセル電圧と比較して、水素クロスリーク量が増大している燃料電池１０（以下「リーク増大セル」という。）のセル電圧は、酸素濃度の低下分だけ低下する。
The anode gas leaked from the
図１１は、脈動運転中における正常セルとリーク増大セルのそれぞれのセル電圧の変化を比較して説明する図である。 FIG. 11 is a diagram illustrating a comparison of changes in cell voltages of a normal cell and a leak-enhanced cell during pulsation operation.
図１１に示すように、脈動運転中において、正常セルのセル電圧は、アノード圧力の脈動に合わせて微小に変動している。具体的には、正常セルのセル電圧は、アノード圧力を脈動上限圧力に向かって増加させているとき（以下「脈動昇圧時」という。）は、アノード圧力の増加に合わせて増加する。そして、アノード圧力を脈動下限圧力に向かって低下させているとき（以下「脈動降圧時」という。）は、アノード圧力の低下に合わせて低下する。つまり、正常セルの場合は、脈動運転中のアノード圧力の圧力変動の位相と、セル電圧変動の位相とが、同位相となる。 As shown in FIG. 11, during the pulsation operation, the cell voltage of the normal cell fluctuates slightly according to the pulsation of the anode pressure. Specifically, the cell voltage of a normal cell increases with an increase in the anode pressure when the anode pressure is increased toward the pulsation upper limit pressure (hereinafter referred to as “at the time of pulsation boosting”). When the anode pressure is decreased toward the pulsation lower limit pressure (hereinafter referred to as “at the time of pulsation pressure reduction”), the anode pressure decreases in accordance with the decrease in the anode pressure. That is, in the case of a normal cell, the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure during the pulsation operation and the phase of the cell voltage fluctuation are the same phase.
一方で、リーク増大セルのセル電圧は、脈動昇圧時にアノード圧力の増加に合わせて低下し、脈動降圧時にアノード圧力の低下に合わせて増加する。つまり、リーク増大セルの場合は、脈動運転中のアノード圧力の圧力変動の位相と、セル電圧変動の位相とが、逆位相となる。 On the other hand, the cell voltage of the leak increasing cell decreases as the anode pressure increases when the pulsation is increased, and increases as the anode pressure decreases when the pulsation is decreased. That is, in the case of the leak increasing cell, the phase of the anode pressure fluctuation during the pulsation operation is opposite to the phase of the cell voltage fluctuation.
脈動運転を実施する場合は、脈動昇圧時にアノード圧力とカソード圧力との差圧が大きくなる。つまり、電解質膜１１１を挟んだアノードガス流路１２１内の圧力とカソード流路１３１内の圧力との差圧（以下「膜間差圧」という。）が大きくなる。そのため、リーク増大セルでは脈動昇圧時に水素クロスリーク量が増加する。その結果、アノード圧力の増加によるセル電圧の増加量よりも、リーク水素と反応して酸素が消費されることによるセル電圧の低下量のほうが大きくなって、リーク増大セルではアノード圧力の圧力変動の位相とセル電圧変動の位相とが逆位相となるものと考えられる。
When the pulsation operation is performed, the differential pressure between the anode pressure and the cathode pressure increases during the pulsation pressure increase. That is, the differential pressure (hereinafter referred to as “transmembrane differential pressure”) between the pressure in the
したがって、脈動昇圧時のセル電圧の変化を検出し、セル電圧が低下しているか、又は、変化していない燃料電池１０があれば、その燃料電池１０は水素クロスリーク量が増大しているとも考えられる。
Therefore, if a change in the cell voltage at the time of pulsation boosting is detected and there is a
しかしながら、水素クロスリーク量が増大していなくても、脈動昇圧時にセル電圧が低下する場合や変化しない場合があることがわかった。つまり、正常セルでも脈動運転中に、アノード圧力の圧力変動の位相と、セル電圧変動の位相とが、逆位相になる場合があることがわかった。この理由について図１２及び図１３を参照して説明する。 However, it has been found that even when the amount of hydrogen cross leak does not increase, the cell voltage may decrease or may not change during pulsation boosting. That is, it has been found that the phase of the anode pressure fluctuation and the phase of the cell voltage fluctuation may be in opposite phases during pulsating operation even in a normal cell. The reason for this will be described with reference to FIGS.
図１２は、アノード圧力の圧力変動の位相とセル電圧変動の位相とが逆位相になっている正常セルの脈動昇圧前の様子を示す断面図である。図１３は、アノード圧力の圧力変動の位相とセル電圧変動の位相とが逆位相になっている正常セルの脈動昇圧後の様子を示す断面図である。 FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state before the pulsation boosting of the normal cell in which the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure and the phase of the cell voltage fluctuation are in opposite phases. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state after pulsation boosting of a normal cell in which the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure and the phase of the cell voltage fluctuation are opposite to each other.
前述したように、脈動運転を実施する場合は、脈動昇圧時に膜間差圧が大きくなる。そのため、図１３に示すように、脈動昇圧時にＭＥＡ１１がカソード側に押圧されてカソードガス流路１３１の断面積が減少し、図１２に示す脈動昇圧前と比べてカソードガス流量が低下する場合がある。その結果、脈動昇圧時にカソードガス流路１３１内の酸素濃度が低下してしまい、クロスリーク量が増大したときと同様に、アノード圧力の増加によるセル電圧の増加量よりも、酸素濃度低下によるセル電圧の低下量のほうが大きくなって、正常セルでもアノード圧力の圧力変動の位相とセル電圧変動の位相とが逆位相になる。
As described above, when the pulsation operation is performed, the transmembrane pressure difference increases during the pulsation pressure increase. Therefore, as shown in FIG. 13, the
したがって、水素クロスリーク量が増大しているか否かを精度良く検知するには、脈動昇圧時のセル電圧の低下が、水素クロスリーク量の増加によるものか、又は、流路断面積の減少によるカソードガス流量の低下によるものかを判別する必要がある。 Therefore, in order to accurately detect whether or not the hydrogen cross leak amount is increasing, the decrease in the cell voltage at the time of pulsation boosting is due to the increase in the hydrogen cross leak amount or due to the decrease in the channel cross-sectional area. It is necessary to determine whether this is due to a decrease in the cathode gas flow rate.
そこで本実施形態では、まずは脈動昇圧時のセル電圧の変化を検出し、セル電圧が低下しているか、又は、変化していない燃料電池１０があるか否かを判定する。そして、そのような燃料電池１０があった場合は、パージ流量を制御してアノードガス流路１２１内の水素濃度を変更した上で、再度脈動昇圧時のセル電圧の変化を検出する。そして、再度検出したセル電圧の変化に基づいて、水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定する。
Therefore, in the present embodiment, first, a change in cell voltage at the time of pulsation boosting is detected, and it is determined whether or not there is a
これは、仮に脈動昇圧時のセル電圧の低下が水素クロスリーク量の増大によるものであれば、水素濃度を変更したことによって、再度検出したセル電圧の低下量が変化する。なぜなら、水素濃度を上げた場合は、その分リーク水素と反応して消費される酸素量が増加するため、水素濃度を上げる前と比較してセル電圧の低下量が増加するからである。また水素濃度を下げた場合は、逆にリーク水素と反応して消費される酸素量が減少するため、水素濃度を下げる前と比較してセル電圧の低下量が減少するからである。 If the decrease in the cell voltage at the time of pulsation boosting is due to an increase in the hydrogen cross leak amount, the amount of decrease in the cell voltage detected again is changed by changing the hydrogen concentration. This is because when the hydrogen concentration is increased, the amount of oxygen consumed by reacting with the leaked hydrogen is increased accordingly, so that the amount of decrease in the cell voltage is increased compared to before increasing the hydrogen concentration. In contrast, when the hydrogen concentration is lowered, the amount of oxygen consumed by reacting with leaked hydrogen is reduced, so that the amount of decrease in cell voltage is reduced as compared to before the hydrogen concentration is lowered.
一方で、脈動昇圧時のセル電圧の低下が、流路断面積の減少によるカソードガス流量の低下によるものであれば、水素濃度を変更しても、再度検出したセル電圧の低下量は変化しない。 On the other hand, if the decrease in cell voltage during pulsation boosting is due to a decrease in the cathode gas flow rate due to a decrease in the cross-sectional area of the flow path, the amount of decrease in the detected cell voltage will not change even if the hydrogen concentration is changed. .
以下、この本実施形態による水素クロスリーク判定制御について説明する。 Hereinafter, the hydrogen cross leak determination control according to this embodiment will be described.
図１４は、コントローラ６によって実施される水素クロスリーク判定制御について説明するフローチャートである。
FIG. 14 is a flowchart illustrating the hydrogen cross leak determination control performed by the
ステップＳ１１において、コントローラ６は、脈動昇圧時のセル電圧の変化を検出する。
In step S11, the
ステップＳ１２において、コントローラ６は、脈動昇圧時にセル電圧が低下しているか、又は、変化していない燃料電池１０があるか否か、すなわちアノード圧力の圧力変動の位相とセル電圧変動の位相とが逆位相になっている燃料電池１０があるか否かを判定し、そのような燃料電池１０があった場合はステップＳ１３の処理を行い、なかった場合は今回の処理を終了する。
In step S12, the
ステップＳ１３において、コントローラ６は、アノード系内の水素濃度を通常時よりも上げる。具体的には、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて設定したパージ弁３８のデューティ比を増大させる補正を行う。これにより、通常よりもアノード系内から排出される窒素や水分が多くなる。そのため、アノード系内の水素濃度を上昇させることができる。なお、本実施形態では、予め設定しておいた所定値を加えることでデューティ比を増大補正している。
In step S13, the
ステップＳ１４において、コントローラ６は、水素濃度を通常時よりも上げた後の脈動昇圧時のセル電圧の変化を検出する。
In step S14, the
ステップＳ１５において、コントローラ６は、水素濃度を上げた後の脈動昇圧時のセル電圧の低下量（変化量）が、水素濃度を上昇させる前よりも大きくなっているか否かを判定する。コントローラ６は、セル電圧の低下量が大きくなっていれば、ステップＳ１６の処理を行う。一方で、セル電圧の低下量に変化がなければ、ステップＳ１７の処理を行う。
In step S15, the
ステップＳ１６において、コントローラ６は、水素クロスリーク量が増大していると判定する。この場合、燃料電池スタック１での発電を停止させる。
In step S16, the
ステップＳ１７において、コントローラ６は、カソードガス流路１３１の断面積が正常時よりも減少して燃料電池スタック１内に供給されるカソード流量が目標カソード流量よりも少なくなっていると判定し、燃料電池スタック１の発電量を制限する。すなわち、目標出力電流を予め定められた上限値まで低下させる。これにより、脈動幅が小さくなって膜間差圧も小さくなる。そのため、脈動昇圧時にＭＥＡ１１がカソード側に押圧されることによるカソードガス流路１３１の断面積の減少が抑制される。その結果、カソードガス流量の低下を抑制することができる。
In step S17, the
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の負荷（目標出力電流）に基づいてカソード圧力を制御し、アノード圧力がカソード圧力以上となるようにアノード圧力を脈動させる。また、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、例えばアノード系内からパージするアノードオフガスの流量を制御し、アノード系内の水素濃度を制御する。
The
そして、アノードガスの脈動昇圧時におけるセル電圧の変化を検出し、脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときはアノード系内の水素濃度を変更させて、濃度変更前後の脈動昇圧時における電圧変化に基づいてアノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定する。 Then, a change in cell voltage at the time of pulsation boosting of the anode gas is detected, and when the voltage drops at the time of pulsation boosting or when it has not changed, the hydrogen concentration in the anode system is changed to change the pulsation before and after the concentration change. It is determined whether or not the cross leak amount of the anode gas is increased based on the voltage change at the time of boosting.
仮に脈動昇圧時におけるセル電圧の低下又は無変化が水素クロスリーク量の増大によるものであれば、水素濃度を変更することによってリーク水素と反応して消費される酸素量が変化する。そのため、水素濃度の変更後は、セル電圧の変化量が変化する。 If the decrease or no change in the cell voltage during pulsation boosting is due to an increase in the hydrogen cross leak amount, the amount of oxygen consumed by reacting with the leaked hydrogen changes by changing the hydrogen concentration. Therefore, the change amount of the cell voltage changes after the change of the hydrogen concentration.
よって、このように濃度変更前後のセル電圧の変化に基づいて水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定すれば、脈動昇圧時におけるセル電圧の低下又は無変化が、水素クロスリーク量の増大によるものか否かを精度良く判定することができる。 Therefore, if it is determined whether or not the hydrogen cross leak amount is increased based on the change in the cell voltage before and after the concentration change, the decrease or no change in the cell voltage at the time of pulsation boosting is the hydrogen cross leak amount. It can be accurately determined whether or not the increase is caused.
また、本実施形態による燃料電池システム１００は、濃度変更前の脈動昇圧時における電圧変化量と、濃度変更後の脈動昇圧時おける電圧変化量とに基づいて、アノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定する。具体的には、濃度変更前の脈動昇圧時における電圧変化量と濃度変更後の脈動昇圧時おける電圧変化量とに変化があれば、クロスリーク量が増加していると判定する。一方で、それぞれの電圧変化量に変化がなければ、燃料電池１０内のカソードガス流路１３１の断面積が正常時よりも減少していると判定する。
Further, in the
これにより、脈動昇圧時におけるセル電圧の低下又は無変化が、水素クロスリーク量の増加によるものか、又は、カソードガス流路１３１の流路断面積の減少によるものなのかを識別することができる。
This makes it possible to identify whether the cell voltage drop or no change during pulsation boosting is due to an increase in the amount of hydrogen cross leak or due to a decrease in the cross-sectional area of the cathode
また、本実施形態による燃料電池システム１００は、脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときに前記アノード系内のアノードガス濃度を上昇させる。
In addition, the
濃度変更前と濃度変更後との電圧変化を見るために、アノードガス濃度を低下させてしまうと、目標発電電力を発電するために必要な水素が不足し、アノード電極の触媒を劣化させてしまうおそれがある。そこで、本実施形態のようにアノードガス濃度を上昇させることとすれば、このようなアノード電極の触媒劣化を防止することができる。 If the anode gas concentration is decreased in order to see the voltage change before and after the concentration change, the hydrogen required to generate the target generated power will be insufficient and the anode electrode catalyst will deteriorate. There is a fear. Therefore, if the anode gas concentration is increased as in the present embodiment, such catalyst deterioration of the anode electrode can be prevented.
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、水素濃度を変更したときのセル電圧の変化量が大きくなるように、水素濃度の変更量を大きくする点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the change amount of the hydrogen concentration is increased so that the change amount of the cell voltage when the hydrogen concentration is changed is increased. Hereinafter, the difference will be mainly described. In each of the following embodiments, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and repeated descriptions are omitted as appropriate.
図１５は、本実施形態による水素クロスリーク判定制御について説明するフローチャートである。 FIG. 15 is a flowchart illustrating the hydrogen cross leak determination control according to this embodiment.
ステップＳ２１において、コントローラ６は、アノード系内の水素濃度を通常時よりも下げる。具体的には、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて設定されるパージ弁３８のデューディ比を減少させる補正を行う。これにより、通常時よりもアノード系内から排出される窒素や水分が少なくなる。そのため、アノード系内の水素濃度を下げることができる。なお、本実施形態では、予め設定しておいた所定値を引くことでデューティ比の減少補正を行っている。
In step S21, the
ステップＳ２２において、コントローラ６は、水素濃度を下げた後の脈動昇圧時のセル電圧の変化を検出する。
In step S22, the
ステップＳ２３において、コントローラ６は、一旦下げたアノード系内の水素濃度を、今度は通常時よりも上げる。具体的には、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて設定されるパージ弁３８のデューディ比を増大させる補正を行う。
In step S23, the
ステップＳ２４において、コントローラ６は、水素濃度を上げた後の脈動昇圧時のセル電圧の変化を検出する。
In step S24, the
ステップＳ２５において、コントローラ６は、水素濃度を下げた後の脈動昇圧時のセル電圧の変化量と、水素濃度を上げた後の脈動昇圧時のセル電圧の変化量と、の差分が所定の閾値以上か否かを判定する。コントローラ６は、差分が閾値以上であれば、水素濃度を変更したことによってリーク水素と反応して消費される酸素量が変化し、これによりセル電圧の変化量が変化したと考えることができるため、水素クロスリーク量が増大しているとしてステップＳ１６の処理を行う。一方で、閾値未満であればステップＳ１７の処理を行う。
In step S25, the
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００によれば、脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときに、アノード系内の水素濃度を一旦下げてから上げる。
According to the
そして、水素濃度を一旦下げた後の脈動昇圧時における電圧変化と、水素濃度を上げた後の脈動昇圧時における電圧変化と、に基づいて、アノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定する。 Whether or not the amount of anode gas cross-leakage is increased based on the voltage change at the time of pulsation boosting after lowering the hydrogen concentration and the voltage change at the time of pulsation boosting after raising the hydrogen concentration. Determine.
このように、本実施形態では、濃度変更前後の脈動昇圧時におけるセル電圧の変化を検出するにあたって、水素濃度の変更量を多くする。 As described above, in this embodiment, the change amount of the hydrogen concentration is increased when detecting the change of the cell voltage at the time of pulsation boosting before and after the concentration change.
水素クロスリーク量が増大していた場合には、水素濃度の変更量を多くすれば、その分濃度変更前後の脈動昇圧時におけるセル電圧の変化量が大きくなる。このようにセル電圧の変化量が大きくなれば、その分判定もしやすくなるので、水素クロスリークの判定精度を向上させることができる。 If the amount of hydrogen cross leak has increased, the amount of change in cell voltage at the time of pulsation boosting before and after the concentration change increases as the amount of change in hydrogen concentration increases. As the amount of change in the cell voltage increases in this way, it is easier to make the determination, so that the accuracy of determining the hydrogen cross leak can be improved.
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、上記の各実施形態では、燃料電池システムの一例として、アノードオフガスをポンプ等によってアノードガス供給通路３２に戻さない、いわゆるデッドエンド型のシステムを用いて説明した。しかしながら、アノードオフガスをポンプ等によってアノードガス供給通路３２に戻すいわゆる循環型のシステムでも良い。この場合は、アノードオフガスの循環量を調節することで、アノードガス濃度を制御すれば良い。
For example, in each of the above embodiments, as an example of the fuel cell system, a so-called dead end type system in which the anode off gas is not returned to the anode
また、上記の各実施形態では、燃料電池スタック１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。
Further, in each of the above embodiments, the
また、上記の各実施形態では、ＭＥＡ１１の劣化を抑制するために、アノード圧力がカソード圧力以下とならないように制御していたが、水素クロスリーク判定をするときにアノード圧力がカソード圧力以上になっていれば良い。
In each of the above embodiments, the anode pressure is controlled not to be lower than the cathode pressure in order to suppress the deterioration of the
また、上記の各実施形態において、セル電圧の変化量を比較していたが、脈動昇圧完了時（アノード圧力が脈動上限圧力となっているとき）の電圧を濃度変更前後で比較して水素クロスリークの判定をしても良い。この場合、脈動昇圧完了時の電圧が濃度変更前後で変化していれば水素クロスリークの増大と判定しても良いし、濃度変更前後の脈動昇圧完了時の電圧の差分を算出し、その差分が所定の閾値以上のときに水素クロスリークの増大と判定しても良い。 In each of the above embodiments, the amount of change in the cell voltage is compared, but the voltage at the time of completion of pulsation boosting (when the anode pressure is the pulsation upper limit pressure) is compared before and after the concentration change, A leak may be determined. In this case, if the voltage at the time of completion of pulsation boosting changes before and after the concentration change, it may be determined that hydrogen cross leak increases, or the difference in voltage at the completion of pulsation boosting before and after the concentration change is calculated and the difference May be determined to be an increase in hydrogen cross leak.
また、上記の各実施形態では、アノード系内からパージするアノードオフガスの流量を調整することでアノード系内の水素濃度を変更していたが、燃料電池システム１００の運転状態に基づいてアノード調圧弁３３の開度を調整し、これにより高圧タンク３１からのアノードガス供給量を変更することで水素濃度を変更しても良い。
Further, in each of the above embodiments, the hydrogen concentration in the anode system is changed by adjusting the flow rate of the anode off gas purged from within the anode system, but the anode pressure regulating valve is based on the operating state of the
６ コントローラ（カソードガス供給制御手段、アノード圧力制御手段、濃度制御手段、電圧変化検出手段、クロスリーク判定手段）
１００ 燃料電池システム
6 Controller (Cathode gas supply control means, anode pressure control means, concentration control means, voltage change detection means, cross leak judgment means)
100 Fuel cell system
Claims (7)
前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力及び流量を制御するカソードガス供給制御手段と、
前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力が、カソードガスの圧力以上となるように脈動させるアノード圧力制御手段と、
前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、その燃料電池システムのアノード系内のアノードガス濃度を制御する濃度制御手段と、
アノードガスの脈動昇圧時における前記燃料電池の電圧変化を検出する電圧変化検出手段と、
脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときに前記アノード系内のアノードガス濃度を変更し、濃度変更前後の脈動昇圧時における電圧変化に基づいてアノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定するクロスリーク判定手段と、
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 power by supplying anode gas and cathode gas to a fuel cell,
Cathode gas supply control means for controlling the pressure and flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell based on the load of the fuel cell;
Anode pressure control means for pulsating so that the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is equal to or higher than the pressure of the cathode gas;
A concentration control means for controlling the anode gas concentration in the anode system of the fuel cell system based on the operating state of the fuel cell system;
Voltage change detecting means for detecting a voltage change of the fuel cell at the time of pulsation boosting of the anode gas;
When the voltage drops or does not change during pulsation boosting, the anode gas concentration in the anode system is changed, and the amount of anode gas cross leak increases based on the voltage change during pulsation boosting before and after the concentration change. Cross leak judging means for judging whether or not
A fuel cell system comprising:
濃度変更前の脈動昇圧時における電圧変化量と、濃度変更後の脈動昇圧時おける電圧変化量とに基づいて、アノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定する、
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 cross leak judging means
Based on the voltage change amount at the time of pulsation boosting before the concentration change and the voltage change amount at the time of pulsation boosting after the concentration change, it is determined whether or not the cross leak amount of the anode gas is increased.
The fuel cell system according to claim 1.
前記濃度変更前の脈動昇圧時における電圧変化量と前記濃度変更後の脈動昇圧時おける電圧変化量とに変化があれば、クロスリーク量が増加していると判定し、変化がなければ、前記燃料電池内のカソードガス流路の断面積が正常時よりも減少していると判定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 The cross leak judging means
If there is a change in the voltage change amount at the time of pulsation boosting before the concentration change and the voltage change amount at the time of pulsation boosting after the concentration change, it is determined that the cross leak amount has increased, and if there is no change, It is determined that the cross-sectional area of the cathode gas passage in the fuel cell is smaller than normal.
The fuel cell system according to claim 2.
脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときに、前記アノード系内のアノードガス濃度を上昇させる、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The cross leak judging means
When the voltage drops during pulsation boosting, or when it does not change, the anode gas concentration in the anode system is increased,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときに、前記アノード系内のアノードガス濃度を一旦下げてから上げて、
アノードガス濃度を一旦下げた後の脈動昇圧時における電圧変化と、アノードガス濃度を上げた後の脈動昇圧時における電圧変化と、に基づいてアノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The cross leak judging means
When the voltage drops during pulsation boosting, or when it has not changed, the anode gas concentration in the anode system is once lowered and then raised,
Based on the voltage change at the time of pulsation boost after the anode gas concentration is lowered and the voltage change at the time of pulsation boost after the anode gas concentration is raised, whether or not the cross leak amount of the anode gas is increased judge,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
濃度変更前の脈動昇圧完了時における電圧と、濃度変更後の脈動昇圧完了時おける電圧とに基づいて、アノードガスのクロスリーク量が増加しているか否かを判定する、
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 cross leak judging means
Based on the voltage at the completion of the pulsation boosting before the concentration change and the voltage at the completion of the pulsation boosting after the concentration change, it is determined whether or not the amount of cross leak of the anode gas has increased.
The fuel cell system according to claim 1.
脈動昇圧時に電圧が低下したとき、又は、変化しなかったときに、前記アノード系内からパージするアノードオフガスの流量を変更するか、又は、前記燃料電池に供給するアノードガスの流量を変更することで、前記アノード系内のアノードガス濃度を変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
The cross leak judging means
When the voltage drops or does not change during pulsation boosting, the flow rate of the anode off-gas purged from the anode system is changed, or the flow rate of the anode gas supplied to the fuel cell is changed. And changing the anode gas concentration in the anode system,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2013269045A JP2015125873A (en) | 2013-12-26 | 2013-12-26 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2013269045A JP2015125873A (en) | 2013-12-26 | 2013-12-26 | Fuel cell system |
Publications (1)
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|---|---|
| JP2015125873A true JP2015125873A (en) | 2015-07-06 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018095953A (en) * | 2016-12-13 | 2018-06-21 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Electrochemical type hydrogen compression device |
| KR20190008734A (en) * | 2017-07-17 | 2019-01-25 | 현대자동차주식회사 | Control method for fuel cell vehicle |
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-
2013
- 2013-12-26 JP JP2013269045A patent/JP2015125873A/en active Pending
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| KR20190008734A (en) * | 2017-07-17 | 2019-01-25 | 현대자동차주식회사 | Control method for fuel cell vehicle |
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