JP2015125911A - 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、圧力差によって燃料電池内のカソード側の流路断面積が減少してカソードガス流量が低下し、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, when the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is made higher than the pressure of the cathode gas, the cross-sectional area on the cathode side in the fuel cell decreases due to the pressure difference, the cathode gas flow rate decreases, and the hydrogen cross It has been found that the output voltage may decrease even if the amount of leakage 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を制御し、脈動昇圧時のアノードガスの圧力がカソードガスの圧力よりも高くなるように燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる。また、アノードガスの圧力変化を検出し、燃料電池の電圧変化を検出する。そして、圧力変化の位相と電圧変化の位相とが逆位相になっているときに、アノードガスの脈動下限圧力とカソードガスの圧力との差圧が大きくなるようにカソード圧力及び/又はアノード圧力を変更し、圧力変更後の圧力変化の位相と電圧変化の位相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。 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. This fuel cell system controls the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell based on the load of the fuel cell, and supplies the fuel cell so that the pressure of the anode gas at the time of pulsation increase is higher than the pressure of the cathode gas. The pressure of the anode gas to pulsate is pulsated. Moreover, the pressure change of anode gas is detected and the voltage change of a fuel cell is detected. Then, when the pressure change phase and the voltage change phase are opposite to each other, the cathode pressure and / or the anode pressure are set so that the differential pressure between the anode gas pulsation lower limit pressure and the cathode gas pressure is increased. Then, based on the pressure change phase and the voltage change phase after the pressure change, it is determined whether or not the cross leak amount of the anode gas is increased.
この態様によれば、逆位相となっている要因が水素クロスリーク量の増大によるものであれば、差圧が大きくなるように、すなわちアノード側から見てカソード側の圧力が低下するように圧力を変更しても、アノード圧力の圧力変動の位相とセル電圧変動の位相が逆位相になっている状態が維持される。一方で、逆位相となっている要因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、差圧が大きくなるように圧力を変更すれば、アノード圧力の圧力変動の位相とセル電圧変動の位相が同位相となる。 According to this aspect, if the cause of the reverse phase is due to an increase in the amount of hydrogen cross leak, the pressure is increased so that the differential pressure increases, that is, the cathode pressure decreases as viewed from the anode side. Even if is changed, the state 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 is maintained. On the other hand, if the cause of the reverse phase is due to a decrease in the flow rate of the cathode gas due to a decrease in the cross-sectional area of the flow path, if the pressure is changed so that the differential pressure increases, The phase of the cell voltage fluctuation is the same phase.
したがって、圧力変更後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ことで、圧力変更前において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要因が水素クロスリーク量の増大によるものなのかを精度良く判定することができる。 Therefore, by determining whether or not the hydrogen cross leak amount has increased based on the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure after the pressure change and the phase of the cell voltage fluctuation, the pressure fluctuation of the anode pressure before the pressure change is determined. It can be accurately determined whether the cause of the phase and the phase of cell voltage fluctuation being opposite is due to an increase in the amount of hydrogen cross leak.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments 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。 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
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、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 fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of
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 /
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。
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 WRD 27 is connected to each of the cathode
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
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。
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 stack cooling device 4 is a device that cools the fuel cell stack 1 and maintains the fuel cell stack 1 at a temperature suitable for power generation. The stack cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a
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 water circulation passage 41 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 1 circulates, and one end is connected to the cooling water inlet hole of the fuel cell stack 1 and the other end is the cooling water of the fuel cell stack 1. Connected to the outlet hole.
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 water temperature sensor 47 is provided in the cooling water circulation passage near the cooling water inlet hole of the fuel cell stack 1. The inlet water temperature sensor 47 detects the temperature of cooling water flowing into the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “inlet water temperature”).
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 power system 5 includes a
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
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 controller 6 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
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 controller 6 detects the operating state of 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 controller 6 calculates the target generated power of the fuel cell stack 1 based on the operating state of 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 controller 6 controls the output voltage of the fuel cell stack 1 by the DC /
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 controller 6 controls 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 controller 6 determines the target value of the cathode pressure (hereinafter referred to as “target cathode pressure”) and the target value of the cathode flow rate (hereinafter referred to as “target cathode flow rate”) based on the load of the fuel cell stack 1, that is, the target output current. Is calculated). The target cathode pressure and the target cathode flow rate are set to values higher than the oxygen partial pressure necessary for the electrode reaction at least at 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 controller 6 performs a pulsating operation that periodically increases or decreases the anode pressure based on the operating state of 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 controller 6 controls the opening and closing of 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 controller 6 refers to the map of FIG. 5 and calculates the pulsation width based on the target output current and the HFR. As shown in the map of FIG. 5, the pulsation width increases as the target output current increases and as the HFR decreases. That is, the pulsation width increases as the amount of water in the fuel cell stack 1 increases.
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 controller 6 sets a pressure value equal to or higher than the target cathode pressure calculated based on the target output current as the pulsation lower limit pressure. In this embodiment, a pressure value slightly higher than the target cathode pressure is set as the pulsation lower limit pressure.
このように、本実施形態では燃料電池スタック1内のアノード側の圧力が、常にカソード側の圧力以上となるようにしている。これは、例えば脈動下限圧力を目標カソード圧力よりも低い値に設定してしまうと、脈動運転を実施することによって、燃料電池スタック1内においてアノード側の圧力がカソード側の圧力よりも高くなる状態と低くなる状態とが周期的に訪れることになる。そうすると、アノード側とカソード側との圧力差によってMEA11が周期的に波打つ等してMEA11を劣化させるおそれがあるためである。
Thus, in this embodiment, the pressure on the anode side in the fuel cell stack 1 is always equal to or higher than the pressure on the cathode side. This is because, for example, if the pulsation lower limit pressure is set to a value lower than the target cathode pressure, the anode side pressure becomes higher than the cathode side pressure in the fuel cell stack 1 by performing the pulsation operation. The state that becomes lower will come periodically. This is because there is a possibility that the
なお、これはあくまで脈動運転の圧力設定の一例であり、脈動上限圧力が目標カソード圧力よりも高くなるのであれば、脈動下限圧力を目標カソード圧力よりも低い値に設定しても構わない。つまり、少なくともアノード圧力の昇圧時(脈動昇圧時)にアノード圧力がカソード圧力よりも高くなるようにアノード圧力を脈動させればそれで構わない。 This is merely an example of pressure setting for pulsation operation, and if the pulsation upper limit pressure is higher than the target cathode pressure, the pulsation lower limit pressure may be set to a value lower than the target cathode pressure. In other words, it is sufficient if the anode pressure is pulsated so that the anode pressure becomes higher than the cathode pressure at least when the anode pressure is increased (when pulsation is increased).
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 controller 6 sets a pressure value obtained by adding the pulsation width to the pulsation lower limit pressure as the pulsation upper limit pressure.
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 controller 6 determines whether or not the anode pressure is equal to or higher than the pulsation upper limit pressure. If the anode pressure is equal to or higher than the pulsation upper limit pressure, the controller 6 performs the process of step S5 to reduce the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is less than the pulsation upper limit pressure, the process of step S6 is performed.
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 controller 6 sets the target anode pressure to the pulsation lower limit pressure.
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 controller 6 determines whether or not the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit pressure. If the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit pressure, the controller 6 performs the process of step S7 to increase the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is higher than the pulsation lower limit pressure, the process of step S8 is performed.
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 controller 6 sets the target anode pressure to the pulsation upper limit pressure.
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 controller 6 sets the target anode pressure to the same target anode pressure as the previous time.
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 controller 6 feedback-controls the anode
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 controller 6 feedback-controls the anode
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
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6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動の様子を示す図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating how the cell voltages of the normal cell and the leakage increasing cell change during pulsation operation.
図6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. 6, 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、脈動運転中のアノード圧力の圧力変動の位相に対し、セル電圧変動の位相が逆位相になっている燃料電池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 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7及び図8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7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8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. 7 is a cross-sectional view showing a state before pulsation boosting of a normal cell in which the phase of pressure fluctuation of the anode pressure and the phase of cell voltage fluctuation are in opposite phases. FIG. 8 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 in opposite phases.
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8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7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. 8, 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、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要因が、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 cause of the reverse phase of the anode pressure pressure fluctuation phase and the cell voltage fluctuation phase is the hydrogen cross leak amount. It is necessary to determine whether it is due to an increase or due to a decrease in the cathode gas flow rate due to a decrease in the flow path cross-sectional area.
そこで本実施形態では、まずはアノード圧力の圧力変動とセル電圧変動とを検出し、アノード圧力の圧力変動の位相に対し、セル電圧変動の位相が逆位相になっている燃料電池10があるか否かを判定する。
Therefore, in this embodiment, first, the pressure fluctuation of the anode pressure and the cell voltage fluctuation are detected, and whether or not there is the
次に、そのような燃料電池10があった場合は、脈動下限圧力からカソード圧力を引いた圧力差分値が正の方向に大きくなるようにカソード圧力及びアノード圧力の一方又は双方を変更する。
Next, when there is such a
すなわち、本実施形態のように、脈動下限圧力がカソード圧力以上となるように制御している場合には、膜間差圧が大きくなるように、カソード圧力を下げ、又は、脈動下限圧力を上げるか、カソード圧力を下げると共に脈動下限圧力を上げる。一方で、例えばカソード圧力が脈動下限圧力よりも高くなるように制御している場合であれば、カソード圧力が脈動下限圧力以下となるまでは、膜間差圧が小さくなるように、そしてカソード圧力が脈動下限圧力以下となった後は膜間差圧が大きくなるように、カソード圧力を下げ、又は、脈動下限圧力を上げるか、カソード圧力を下げると共に脈動下限圧力を上げる。このように、アノード側から見てカソード側の圧力が低下するように、脈動下限圧力とカソード圧力との差圧を大きくする。 That is, when the pulsation lower limit pressure is controlled to be equal to or higher than the cathode pressure as in this embodiment, the cathode pressure is decreased or the pulsation lower limit pressure is increased so that the transmembrane pressure difference is increased. Or lower the cathode pressure and raise the pulsation lower limit pressure. On the other hand, if the cathode pressure is controlled to be higher than the pulsation lower limit pressure, for example, the transmembrane pressure difference is reduced until the cathode pressure becomes lower than the pulsation lower limit pressure, and the cathode pressure is reduced. After the pressure becomes equal to or lower than the pulsation lower limit pressure, the cathode pressure is decreased, or the pulsation lower limit pressure is increased, or the cathode pressure is decreased and the pulsation lower limit pressure is increased so that the transmembrane pressure increases. As described above, the differential pressure between the pulsation lower limit pressure and the cathode pressure is increased so that the pressure on the cathode side as viewed from the anode side decreases.
そして最後に、カソード圧力及びアノード圧力の一方又は双方を変更した後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。 Finally, it is determined whether or not the hydrogen cross leak amount is increased based on the pressure fluctuation phase of the anode pressure and the phase of the cell voltage fluctuation after changing one or both of the cathode pressure and the anode pressure. .
このように、圧力変更後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できる理由について、図9及び図10を参照して説明する。 The reason why it is possible to determine whether or not the hydrogen cross leak amount has increased based on the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure after the pressure change and the phase of the cell voltage fluctuation is described with reference to FIGS. 9 and 10. I will explain.
図9は、脈動運転中の正常セル及びリーク増大セルのそれぞれのセル電圧変動を、カソード圧力を低下させる前と後とで比較して示した図である。図10は、脈動運転中の2つの正常セル(ただし、一方は流路断面積の減少によりカソードガス流量が低下して、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っている正常セル(流量低下セル))のそれぞれのセル電圧変動を、カソード圧力を低下させる前と後とで比較して示した図である。 FIG. 9 is a diagram showing cell voltage fluctuations of the normal cell and the leak increasing cell during the pulsation operation before and after the cathode pressure is lowered. FIG. 10 shows that two normal cells during pulsation operation (one of which has a cathode gas flow rate decreased due to a decrease in the flow path cross-sectional area, and the anode pressure pressure fluctuation phase and the cell voltage fluctuation phase are opposite phases). It is the figure which showed each cell voltage fluctuation | variation of the normal cell (flow rate fall cell) which has become compared before and after lowering | hanging a cathode pressure.
図9に示すように、仮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っている要因が水素クロスリーク量の増大によるものであれば、例えばカソード圧力を低下させて膜間差圧が大きくなるように圧力を変更しても、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は逆位相のままとなる。 As shown in FIG. 9, if the reason why the phase of the anode pressure fluctuation and the phase of the cell voltage fluctuation are opposite is due to an increase in the amount of hydrogen cross leak, for example, the cathode pressure is lowered. Even if the pressure is changed so as to increase the transmembrane pressure difference, the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure and the phase of the cell voltage fluctuation remain opposite to each other.
なぜなら、逆位相となっている要因が水素クロスリーク量の増大によるものであれば膜間差圧を大きくしても、その分水素クロスリーク量が増加して、リーク水素と反応して消費されるカソードガス流路131内の酸素量が増加するだけである。そのため、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いるという状態に変化は生じないからである。
This is because if the cause of the reverse phase is due to an increase in the amount of hydrogen cross leak, even if the transmembrane pressure difference is increased, the amount of hydrogen cross leak will increase and react with the leaked hydrogen. Only the amount of oxygen in the
一方で、図10に示すように、逆位相となっている要因が脈動昇圧時に流路断面積が減少することによるカソードガス流量の低下によるものであれば、例えばカソード圧力を低下させて膜間差圧が大きくなるように圧力を変更すると、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。 On the other hand, as shown in FIG. 10, if the cause of the reverse phase is due to a decrease in the cathode gas flow rate due to a decrease in the cross-sectional area of the flow path during pulsation boosting, for example, the cathode pressure is decreased to When the pressure is changed so as to increase the differential pressure, the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure and the phase of the cell voltage fluctuation become the same phase.
なぜなら、逆位相となっている要因が脈動昇圧時の流路断面積の減少によるものであれば、膜間差圧を大きくすることで、脈動昇圧後だけではなく、脈動昇圧前もMEA11がカソード側に押圧されてカソードガス流路131の断面積が減少した状態となる。つまり、脈動昇圧時にのみカソードガス流路131の断面積が減少してカソードガス流量が低下する状態ではなく、常にカソードガス流路131の断面積が減少した状態となり、カソードガス流量が低下した状態となる。
This is because if the cause of the reverse phase is due to a decrease in the cross-sectional area of the flow path at the time of pulsation boosting, the
そのため、常にカソード流量が低下した状態となって全体的にセル電圧が低下するものの、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増加し、脈動降圧時にアノード圧力の低下に合わせて低下するようになる。つまり、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。 Therefore, although the cathode flow rate always decreases and the cell voltage decreases as a whole, the cell voltage increases as the anode pressure increases during pulsation pressure increase and decreases as the anode pressure decreases during pulsation pressure reduction. To come. That is, the phase of the anode pressure fluctuation and the phase of the cell voltage fluctuation are the same.
以下、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 the present embodiment will be described.
図11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. 11 is a flowchart illustrating the hydrogen cross leak determination control performed by the controller 6.
ステップS11において、コントローラ6は、アノード圧力の圧力変動とセル電圧変動とを検出する。 In step S11, the controller 6 detects the pressure fluctuation of the anode pressure and the cell voltage fluctuation.
ステップS12において、コントローラ6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か否かを判定する。コントローラ6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れば、ステップS13の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。 In step S12, the controller 6 determines whether or not the phase of the anode pressure pressure fluctuation and the phase of the cell voltage fluctuation are opposite to each other. The controller 6 performs the process of step S13 if the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure is opposite to the phase of the cell voltage fluctuation, and otherwise ends the current process.
ステップS13において、コントローラ6は、カソード圧力を通常時よりも低下させる。具体的には、目標出力電流に基づいて算出される目標カソード圧力を減少させる補正を行う。そして、カソード圧力が減少補正した目標カソード圧力となるように、カソードコンプレッサ25やカソード調圧弁28を制御する。
In step S13, the controller 6 decreases the cathode pressure from the normal time. Specifically, correction for reducing the target cathode pressure calculated based on the target output current is performed. Then, the
なお、ステップS13において、脈動下限圧力を通常時よりも高くしても良い。具体的には、目標カソード圧力に応じて設定される脈動下限圧力を増大させる補正を行う。また、ステップS13において、カソード圧力を通常時よりも低下させると共に、脈動下限圧力を通常時よりも高くしても良い。 In step S13, the pulsation lower limit pressure may be made higher than normal. Specifically, correction is performed to increase the pulsation lower limit pressure set according to the target cathode pressure. Further, in step S13, the cathode pressure may be lowered than usual and the pulsation lower limit pressure may be made higher than usual.
ステップS14において、コントローラ6は、カソード圧力を低下させた後のアノード圧力の圧力変動とセル電圧変動とを検出する。 In step S14, the controller 6 detects the pressure fluctuation of the anode pressure and the cell voltage fluctuation after the cathode pressure is lowered.
ステップS15において、コントローラは、カソード圧力を低下させた後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になっているか否かを判定する。コントローラ6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のまま変化しなければステップS16の処理を行う。一方で、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に変化していれば、ステップS17の処理を行う。 In step S15, the controller determines whether the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure after decreasing the cathode pressure is the same as the phase of the cell voltage fluctuation. If the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure and the phase of the cell voltage fluctuation remain unchanged, the controller 6 performs the process of step S16. On the other hand, if the pressure fluctuation phase of the anode pressure and the phase of the cell voltage fluctuation have changed to the same phase, the process of step S17 is performed.
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 controller 6 determines that the hydrogen cross leak amount has increased. In this case, power generation in the fuel cell stack 1 is stopped.
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。なお、燃料電池スタック1の発電量を制限せずに、目標カソード圧力を下げた状態で燃料電池システム100の運転を継続させても良い。
In step S17, the controller 6 determines that the cross-sectional area of the cathode
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、脈動昇圧時のアノード圧力がカソード圧力よりも高くなるようにアノード圧力を脈動させる。また、アノード圧力の圧力変動を検出し、セル電圧変動を検出する。
The
そして、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ときに、アノードガスの脈動下限圧力とカソード圧力との差圧(圧力差分値)が大きくなるようにカソード圧力及びアノード圧力の一方又は双方を変更し、圧力変更後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。 When the anode pressure fluctuation phase and the cell voltage fluctuation phase are opposite, the cathode pressure difference value (pressure difference value) between the anode gas pulsation lower limit pressure and the cathode pressure is increased. One or both of the pressure and the anode pressure are changed, and it is determined whether or not the hydrogen cross leak amount is increased based on the phase of the pressure fluctuation of the anode pressure after the pressure change and the phase of the cell voltage fluctuation.
逆位相となっている要因が水素クロスリーク量の増大によるものであれば、圧力差分値が大きくなるように、すなわちアノード側から見てカソード側の圧力が低下するように、カソード圧力及びアノード圧力の一方又は双方を変更しても、リーク水素と反応して消費されるカソードガス流路131内の酸素量が増加するだけである。そのため、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いるという状態に変化は生じない。したがって、圧力変更後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っている状態が維持される。
If the cause of the reverse phase is due to an increase in the amount of hydrogen cross leak, the cathode pressure and anode pressure are set so that the pressure differential value increases, that is, the cathode side pressure decreases as viewed from the anode side. Even if one or both of these are changed, only the amount of oxygen in the
一方で、逆位相となっている要因が脈動昇圧時に流路断面積が減少することによるカソードガス流量の低下によるものであれば、圧力差分値が大きくなるようにカソード圧力及びアノード圧力の一方又は双方を変更すると、脈動昇圧後だけではなく、脈動昇圧前もMEA11がカソード側に押圧されてカソードガス流路131の断面積が減少した状態となる。つまり、脈動昇圧時にのみカソードガス流路131の断面積が減少してカソードガス流量が低下する状態ではなく、常にカソードガス流路131の断面積が減少した状態となり、カソードガス流量が低下した状態となる。
On the other hand, if the cause of the reverse phase is due to a decrease in the cathode gas flow rate due to a decrease in the flow path cross-sectional area during pulsation pressure increase, either the cathode pressure or the anode pressure or If both are changed, the
そのため、常にカソード流量が低下した状態となって全体的にセル電圧が低下するものの、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増加し、脈動降圧時にアノード圧力の低下に合わせて低下するようになる。つまり、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。 Therefore, although the cathode flow rate always decreases and the cell voltage decreases as a whole, the cell voltage increases as the anode pressure increases during pulsation pressure increase and decreases as the anode pressure decreases during pulsation pressure reduction. To come. That is, the phase of the anode pressure fluctuation and the phase of the cell voltage fluctuation are the same.
よって、本実施形態による燃料電池システム100のように、圧力変更後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ことで、圧力変更前において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要因が水素クロスリーク量の増大によるものなのかを精度良く判定することができる。
Therefore, as in the
また、本実施形態による燃料電池システム100において、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ときに、カソード圧力を、燃料電池スタック1の負荷(目標出力電流)に基づいて設定される目標カソード圧力よりも低下させることとすれば、カソードコンプレッサ25の供給流量を減少させることができる。そのため、カソードコンプレッサ25の消費電力を抑えることができる。
Further, in the
一方で、例えば目標カソード圧力が大気圧相当に設定され、それ以上カソード圧力を低下させることができない場合がある。したがって、本実施形態による燃料電池システム100において、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ときに、脈動下限圧力を高くすることとすれば、カソード圧力を低くできない運転状態のときであっても、水素クロスリーク判定を実施することができる。
On the other hand, for example, the target cathode pressure may be set to be equivalent to atmospheric pressure, and the cathode pressure may not be lowered any further. Therefore, in the
また、本実施形態による燃料電池システム100は、圧力を変更する際、カソード圧力を脈動下限圧力よりも低下させている。カソード圧力が脈動下限圧力よりも低くなるほど、脈動昇圧前においてもMEA11がカソード側に押圧されてカソードガス流路131の断面積が減少した状態になりやすい。
Further, in the
したがって、カソード圧力を脈動下限圧力よりも低下させることで、圧力変更後において、MEA11がカソード側に押圧されてカソードガス流路131の断面積が減少した状態を確実に維持することができる。よって、圧力変更後における逆位相から同位相への変化を確実に生じさせることができるので、水素クロスリーク判定の精度を向上させることができる。
Therefore, by reducing the cathode pressure below the pulsation lower limit pressure, the state where the
また、本実施形態による燃料電池システム100は、圧力変更後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のままであれば水素クロスリーク量が増加していると判定し、同位相に変化すればカソードガス流路131の流路断面積が正常時よりも減少していると判定する。
In addition, the
これにより、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要因が水素クロスリーク量の増大によるものか、又は、脈動昇圧時に流路断面積が減少することによるカソードガス流量の低下によるものなのかを識別することができる。 As a result, the reason why the phase of the anode pressure fluctuation and the phase of the cell voltage fluctuation are opposite is due to an increase in the amount of hydrogen cross leak, or due to a decrease in the channel cross-sectional area during pulsation boosting. Whether the cathode gas flow rate is reduced can be identified.
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 the above embodiment, 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 the above embodiment, the
また、上記の実施形態では、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 the above embodiment, the anode pressure is controlled not to be equal to or lower than the cathode pressure in order to suppress the deterioration of the
また、上記の実施形態では、目標カソード圧力を燃料電池スタック1の負荷に基づいて算出していたが、燃料電池スタック1の負荷以外にも、燃料電池システム100を最適に運転にするために必要な条件(例えば部品の耐圧、耐熱保護等)も考慮して目標カソード圧力を設定しても良い。この場合、燃料電池スタック1の負荷以外も考慮して算出された目標カソード圧力よりもカソード圧力を低下させるようにすれば良い。
Further, in the above embodiment, the target cathode pressure is calculated based on the load of the fuel cell stack 1, but other than the load of the fuel cell stack 1, it is necessary for optimal operation of the
6 コントローラ(カソード圧力制御手段、アノード圧力制御手段、圧力変動検出手段、電圧変動検出手段、圧力変更手段、クロスリーク判定手段)
100 燃料電池システム
6 Controller (cathode pressure control means, anode pressure control means, pressure fluctuation detection means, voltage fluctuation detection means, pressure change means, cross leak judgment means)
100 Fuel cell system
Claims (5)
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を制御するカソード圧力制御手段と、
脈動昇圧時のアノードガスの圧力がカソードガスの圧力よりも高くなるように、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力制御手段と、
アノードガスの圧力変動を検出する圧力変動検出手段と、
前記燃料電池の電圧変動を検出する電圧変動検出手段と、
前記圧力変動の位相と前記電圧変動の位相とが逆位相になっているときに、アノードガスの脈動下限圧力とカソードガスの圧力との差圧が大きくなるようにカソードガス及び/又はアノードガスの圧力を変更する圧力変更手段と、
圧力変更後の前記圧力変動の位相と前記電圧変動の位相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クロスリーク判定手段と、
を備え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 pressure control means for controlling the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell based on the load of the fuel cell;
Anode pressure control means for pulsating the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell so that the pressure of the anode gas at the time of pulsation increase is higher than the pressure of the cathode gas;
Pressure fluctuation detecting means for detecting the pressure fluctuation of the anode gas;
Voltage fluctuation detecting means for detecting voltage fluctuation of the fuel cell;
When the phase of the pressure fluctuation and the phase of the voltage fluctuation are opposite to each other, the cathode gas and / or the anode gas is controlled so that the differential pressure between the anode gas pulsation lower limit pressure and the cathode gas pressure increases. Pressure changing means for changing the pressure;
Cross-leak determination means for determining whether or not the amount of cross-leakage of the anode gas is increased based on the phase of the pressure fluctuation after the pressure change and the phase of the voltage fluctuation;
A fuel cell system comprising:
前記カソード圧力制御手段によって前記燃料電池の負荷に基づいて算出されるカソードガスの目標圧力よりも、カソードガスの圧力を低下させる、
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 pressure changing means is
Lowering the cathode gas pressure from the cathode gas target pressure calculated by the cathode pressure control means based on the load of the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1.
カソードガスの圧力を、アノードガスの脈動下限圧力よりも低下させる、
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。 The pressure changing means is
Reducing the pressure of the cathode gas below the pulsation lower limit pressure of the anode gas,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized by the above.
アノードガスの脈動下限圧力を、前記アノード圧力制御手段によって設定される脈動下限圧力よりも高くする、
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 pressure changing means is
Making the pulsation lower limit pressure of the anode gas higher than the pulsation lower limit pressure set by the anode pressure control means,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
圧力変更後の前記圧力変動の位相と前記電圧変動の位相が逆位相のままであればアノードガスのクロスリーク量が増加していると判定し、同位相に変化す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。
The cross leak judging means
If the phase of the pressure fluctuation after the pressure change and the phase of the voltage fluctuation remain in opposite phases, it is determined that the cross leak amount of the anode gas has increased, and if the phase changes to the same phase, the cathode in the fuel cell Judging that the cross-sectional area of the gas flow path is smaller than normal,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is provided.
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