JP2015179620A - Fuel cell system, and control method for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システム及び燃料電池の制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell control method.
近年、自動車向け燃料電池として固体高分子電解質型燃料電池が注目されている。固体高分子電解質型燃料電池は、多数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。ここで、単セルは、高分子電解質膜が一対の電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、それを両側から挟み込む一対のセパレータとからなる。カソード側のセパレータを介して供給された空気（カソードガス）と、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。 In recent years, solid polymer electrolyte fuel cells have attracted attention as fuel cells for automobiles. A solid polymer electrolyte fuel cell includes a cell stack in which a large number of single cells are stacked. Here, the single cell includes a membrane / electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, and a pair of separators that sandwich the membrane / electrode assembly from both sides. Power is generated by an oxidation-reduction reaction between air (cathode gas) supplied via the cathode-side separator and hydrogen gas supplied via the anode-side separator.
このような燃料電池では、登坂走行や高速走行などの高負荷走行によりセルスタックの温度（スタック温度）が上昇すると、セルスタックが乾燥し、抵抗が上昇することにより燃料電池の発電効率が低下してしまう。この現象はスタック温度の低下によって回復可能な一時的な（可逆的な）ものであるが、セルスタックの乾燥が繰り返されると、燃料電池の恒久的な（不可逆的な）性能劣化を招来してしまう。 In such a fuel cell, when the temperature of the cell stack (stack temperature) rises due to high load running such as uphill running or high speed running, the cell stack dries and the resistance rises, thereby reducing the power generation efficiency of the fuel cell. End up. This phenomenon is temporary (reversible) that can be recovered by lowering the stack temperature, but repeated drying of the cell stack leads to permanent (irreversible) performance degradation of the fuel cell. End up.
このような問題に対して、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、スタック温度が所定の基準温度を超える場合には、カソードガスの排気弁を閉じることによりカソードガスの背圧を上げ、セルスタックの乾燥を抑制している。 With respect to such a problem, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, when the stack temperature exceeds a predetermined reference temperature, the back pressure of the cathode gas is increased by closing the exhaust valve of the cathode gas, The drying of the cell stack is suppressed.
発明者は、上述の燃料電池システムに関し、以下の課題を見出した。
特許文献１に開示された燃料電池システムでは、スタック温度が所定の基準温度未満に戻った場合には、カソードガスの排気弁を開けることによりカソードガスの背圧を元に戻している。
The inventor has found the following problems regarding the above-described fuel cell system.
In the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, when the stack temperature returns below a predetermined reference temperature, the cathode gas back pressure is restored by opening the cathode gas exhaust valve.
しかしながら、発明者は、スタック温度が一旦基準温度を超えた後、その基準温度未満に戻った場合に、カソードガスの背圧を元に戻すと、セルスタックが乾燥し、上述の発電効率低下や性能劣化を招く場合があることを見出した。 However, when the stack temperature once exceeds the reference temperature and then returns to below the reference temperature, the inventor returns to the original back pressure of the cathode gas, and the cell stack dries, and the power generation efficiency is reduced. It has been found that there is a possibility of causing performance degradation.
他方、これを回避するために、単純に基準温度を下げると、カソードガスの背圧を上げている期間が長くなり、システム全体の効率が低下してしまう。カソードガスの背圧を上げると、カソードガスを供給するためのコンプレッサの吐出圧を上げる必要があるからである。 On the other hand, if the reference temperature is simply lowered in order to avoid this, the period during which the back pressure of the cathode gas is raised becomes longer, and the efficiency of the entire system is lowered. This is because when the back pressure of the cathode gas is increased, it is necessary to increase the discharge pressure of the compressor for supplying the cathode gas.
本発明は、上記を鑑みなされたものであって、セルスタックの乾燥を抑制しつつ、システム全体の効率にも優れる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that is excellent in the efficiency of the entire system while suppressing drying of the cell stack.
本発明に係る燃料電池システムは、
複数のセルが積層されてなる燃料電池と、
前記燃料電池のカソードガスの背圧を調整するための調圧弁と、
前記燃料電池の温度に基づいて前記調圧弁を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、
当該燃料電池システムの起動後、前記燃料電池の温度が最初に第１の基準温度Ｔ１を超えた場合に、前記背圧を第１の圧力からより高圧の第２の圧力へ切り換え、
前記第１の基準温度Ｔ１において前記第２の圧力へ切り換えた後には、前記燃料電池の温度が第２の基準温度Ｔ２（但し、Ｔ２＜Ｔ１）を下回った場合に前記背圧を前記第１の圧力へ切り換え、前記第２の基準温度Ｔ２を超えた場合に前記背圧を前記第２の圧力へ切り換えるものである。
このような構成により、セルスタックの乾燥を効果的に抑制できる上、システム全体の効率にも優れている。
A fuel cell system according to the present invention includes:
A fuel cell in which a plurality of cells are stacked;
A pressure regulating valve for adjusting the back pressure of the cathode gas of the fuel cell;
A control unit that controls the pressure regulating valve based on the temperature of the fuel cell, and a fuel cell system comprising:
The controller is
After the fuel cell system is activated, when the temperature of the fuel cell first exceeds the first reference temperature T1, the back pressure is switched from the first pressure to a higher second pressure,
After switching to the second pressure at the first reference temperature T1, the back pressure is changed to the first pressure when the temperature of the fuel cell falls below a second reference temperature T2 (where T2 <T1). When the second reference temperature T2 is exceeded, the back pressure is switched to the second pressure.
With such a configuration, drying of the cell stack can be effectively suppressed, and the overall system efficiency is also excellent.
前記燃料電池の温度と前記背圧との関係を示すマップを格納する記憶部を更に備え、前記記憶部には、前記第１の基準温度Ｔ１において前記背圧を前記第１の圧力と前記第２の圧力との間で切り換えるための第１のマップと、前記第２の基準温度Ｔ２において前記背圧を前記第１の圧力と前記第２の圧力との間で切り換えるための第２のマップと、が格納されていることが好ましい。このような構成により、エア背圧を高速に制御することができる。 The apparatus further includes a storage unit that stores a map indicating a relationship between the temperature of the fuel cell and the back pressure, and the storage unit stores the back pressure at the first reference temperature T1 and the first pressure. A first map for switching between two pressures and a second map for switching the back pressure between the first pressure and the second pressure at the second reference temperature T2. Are preferably stored. With such a configuration, the air back pressure can be controlled at high speed.
前記制御部は、当該燃料電池システムの起動時に前記背圧を前記第１の圧力に制御することが好ましい。また、前記第１の圧力が大気圧であることが好ましい。システム全体の効率が向上する。
前記第２の圧力へ切り換えた後に、前記燃料電池の電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２よりも小さくなることが好ましい。このような場合に特に好適である。
The control unit preferably controls the back pressure to the first pressure when the fuel cell system is activated. The first pressure is preferably atmospheric pressure. The efficiency of the entire system is improved.
It is preferable that the current density of the fuel cell becomes smaller than 0.2 A / cm 2 after switching to the second pressure. It is particularly suitable for such a case.
本発明に係る燃料電池の制御方法は、
複数のセルが積層されてなる燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の起動後、前記燃料電池の温度が最初に第１の基準温度Ｔ１を超えた場合に、前記燃料電池のカソードガスの背圧を第１の圧力からより高圧の第２の圧力へ切り換え、
前記第１の基準温度Ｔ１において前記第２の圧力へ切り換えた後には、前記燃料電池の温度が第２の基準温度Ｔ２（但し、Ｔ２＜Ｔ１）を下回った場合に前記背圧を前記第１の圧力へ切り換え、前記第２の基準温度Ｔ２を超えた場合に前記背圧を前記第２の圧力へ切り換えるものである。
このような構成により、セルスタックの乾燥を効果的に抑制できる上、システム全体の効率にも優れている。
A fuel cell control method according to the present invention includes:
A method for controlling a fuel cell in which a plurality of cells are stacked,
After the fuel cell is started, when the temperature of the fuel cell first exceeds the first reference temperature T1, the back pressure of the cathode gas of the fuel cell is changed from the first pressure to a higher second pressure. switching,
After switching to the second pressure at the first reference temperature T1, the back pressure is changed to the first pressure when the temperature of the fuel cell falls below a second reference temperature T2 (where T2 <T1). When the second reference temperature T2 is exceeded, the back pressure is switched to the second pressure.
With such a configuration, drying of the cell stack can be effectively suppressed, and the overall system efficiency is also excellent.
本発明により、セルスタックの乾燥を抑制しつつ、システム全体の効率にも優れる燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that is excellent in efficiency of the entire system while suppressing drying of the cell stack.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, for clarity of explanation, the following description and drawings are simplified as appropriate.
（実施の形態１）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、実施の形態１に係る燃料電池システムは、燃料電池ＦＣ、エア供給経路１０、コンプレッサ１１、エア排出経路２０、背圧調整弁２１、燃料ガス供給経路３０、燃料ガスタンク３１、調圧弁３２、燃料ガス循環経路４０、循環ポンプ４１、制御部５０、温度センサＴＳ、圧力センサＰＳを備えている。ここで、制御部５０は、記憶部５１を備えている。
(Embodiment 1)
First, the fuel cell system according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1. FIG. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to Embodiment 1 includes a fuel cell FC, an
本実施の形態では、一例として燃料電池自動車に適用する燃料電池システムについて説明する。燃料電池自動車は、燃料電池ＦＣにより発電した電気によりモータを駆動し、走行する。但し、実施の形態１に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車用途に限定されるものではなく、他の用途に適用することもできる。 In this embodiment, a fuel cell system applied to a fuel cell vehicle will be described as an example. The fuel cell vehicle travels by driving a motor with electricity generated by the fuel cell FC. However, the fuel cell system according to Embodiment 1 is not limited to the fuel cell automobile application, and can be applied to other applications.
燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。ここで、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを両側から挟み込む一対のセパレータとを有している。燃料電池ＦＣは、カソード側のセパレータを介して供給された空気中の酸素ガスと、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。 The fuel cell FC is a solid polymer electrolyte fuel cell and includes a cell stack in which a large number of single cells are stacked. Here, the single cell has a membrane / electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and a pair of separators that sandwich the MEA from both sides. . The fuel cell FC generates power by an oxidation-reduction reaction between oxygen gas in the air supplied via the cathode separator and hydrogen gas supplied via the anode separator.
具体的には、アノード電極では、式（１）の酸化反応が生じており、カソード電極では、式（２）の還元反応が生じている。そして、燃料電池ＦＣ全体として、式（３）の化学反応が生じている。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ ・・・（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ ・・・（３）
Specifically, the oxidation reaction of formula (1) occurs in the anode electrode, and the reduction reaction of formula (2) occurs in the cathode electrode. And the chemical reaction of Formula (3) has arisen as the whole fuel cell FC.
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
図１に示すように、燃料電池ＦＣには、セルスタックの温度（スタック温度）を測定する温度センサＴＳが取り付けられている。温度センサＴＳにより測定されたスタック温度は、制御部５０に入力される。
As shown in FIG. 1, a temperature sensor TS that measures the temperature of the cell stack (stack temperature) is attached to the fuel cell FC. The stack temperature measured by the temperature sensor TS is input to the
エア供給経路１０は、燃料電池ＦＣへ酸化ガス（カソードガス）である空気を供給するためのガス配管である。
コンプレッサ１１は、エア供給経路１０上に設けられている。コンプレッサ１１は、システム外から取り込んだ空気（ＡＩＲ＿ＩＮ）を圧縮し、燃料電池ＦＣへ送出する。コンプレッサ１１の吐出圧は、燃料電池ＦＣにおける空気の背圧（エア背圧）に応じて、制御部５０により制御される。具体的には、エア背圧が高い程、コンプレッサ１１の吐出圧も高くする必要がある。
The
The
エア排出経路２０は、燃料電池ＦＣから反応後の空気を排出するためのガス配管である。
背圧調整弁２１は、エア排出経路２０上に設けられている。背圧調整弁２１により、燃料電池ＦＣにおけるエア背圧が調圧される。背圧調整弁２１を通過した空気（ＡＩＲ＿ＯＵＴ）は、システム外へ放出される。
The
The back
ここで、燃料電池ＦＣから排出される反応後の空気には、式（２）に示されるように水分が含まれる。そのため、スタック温度が高い場合には、背圧調整弁２１を調整し、エア背圧を上げることにより、セルスタックの乾燥を抑制することができる。背圧調整弁２１は、スタック温度に基づいて、制御部５０により制御される。制御部５０によるエア背圧の制御方法についての詳細は後述する。
Here, the air after reaction discharged from the fuel cell FC contains moisture as shown in the equation (2). Therefore, when the stack temperature is high, drying of the cell stack can be suppressed by adjusting the back
圧力センサＰＳは、燃料電池ＦＣのエア排出口と背圧調整弁２１との間のエア排出経路２０上に設けられている。圧力センサＰＳにより、燃料電池ＦＣにおけるエア背圧が測定される。圧力センサＰＳにより測定されたエア背圧は、制御部５０に入力される。すなわち、制御部５０は、圧力センサＰＳにより測定されたエア背圧が目標値に近付くように、背圧調整弁２１を調整する。
The pressure sensor PS is provided on the
燃料ガス供給経路３０は、燃料電池ＦＣへ燃料ガス（アノードガス）である水素ガスを供給するためのガス配管である。
燃料ガスタンク３１は、燃料ガス供給経路３０の終端に設けられている。燃料ガスタンク３１には、例えば高圧の水素ガスが貯蔵されている。
調圧弁３２は、燃料ガス供給経路３０上に設けられている。調圧弁３２により、燃料電池ＦＣへ供給する水素ガスの圧力が調圧される。さらに、調圧弁３２により、燃料ガスタンク３１から燃料電池ＦＣへの水素ガスの供給を遮断することもできる。
The fuel
The
The
燃料ガス循環経路４０は、燃料電池ＦＣから排出された水素ガスを燃料ガス供給経路３０へ戻すためのガス配管である。
循環ポンプ４１は、燃料ガス循環経路４０上に設けられている。循環ポンプ４１は、燃料電池ＦＣから排出された水素ガスを加圧し、燃料ガス供給経路３０へ送出する。
The fuel
The
制御部５０は、燃料電池システム内の各種機器の動作を制御する。図１では、代表して温度センサＴＳにより測定されたスタック温度及び圧力センサＰＳにより測定されたエア背圧に基づいて、背圧調整弁２１及びコンプレッサ１１を制御する様子を示している。制御部５０によるエア背圧の制御方法についての詳細は後述する。
The
記憶部５１は、スタック温度とエア背圧の目標値との関係を示した背圧マップを格納している。具体的には、第１の基準温度Ｔ１においてエア背圧を第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２との間で切り換えるための背圧マップ１（第１のマップ）と、第２の基準温度Ｔ２においてエア背圧を第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２との間で切り換えるための背圧マップ２（第２のマップ）とが、記憶部５１に格納されている。記憶部５１に格納された背圧マップを参照しながら、制御部５０は背圧調整弁２１を制御する。そのため、エア背圧を高速に制御することができる。なお、マップの内容の詳細については、図３を参照して後述する。また、図１の例では、記憶部５１は制御部５０の内部に設けられているが、制御部５０の外部に設けられていてもよい。
The
次に、図２、３を参照して、実施の形態１に係る燃料電池システムにおけるエア背圧の制御方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る燃料電池システムにおけるエア背圧の制御方法を説明するためのフローチャートである。図３は、スタック温度とエア背圧の目標値との関係を示すグラフである。 Next, a method for controlling the air back pressure in the fuel cell system according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart for explaining a control method of air back pressure in the fuel cell system according to Embodiment 1. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the stack temperature and the target value of air back pressure.
まず、図２に示すように、当該燃料電池システムの起動すなわち発電開始とともに、制御部５０は背圧調整弁２１を制御してエア背圧を第１の圧力Ｐ１に調整する（ステップＳＴ１）。この第１の圧力Ｐ１は、システム効率の観点から大気圧とすることが好ましい。この第１の圧力Ｐ１を大気圧より高い圧力とすると、コンプレッサ１１の吐出圧も高くする必要があるため、システム効率が低下する。
First, as shown in FIG. 2, when the fuel cell system is started, that is, when power generation is started, the
次に、図２に示すように、制御部５０は、温度センサＴＳによって測定されたスタック温度が第１の基準温度Ｔ１を超えたか否か判定する（ステップＳＴ２）。ここで、第１の基準温度Ｔ１を超えるほどにスタック温度を上昇させる要因としては、登坂走行や高速走行などの高負荷走行が考えられる。通常の走行では、スタック温度は７０℃未満であり、スタックの乾燥が問題になることはない。図３の例では、第１の基準温度Ｔ１を８０℃としている。
Next, as shown in FIG. 2, the
第１の基準温度Ｔ１の温度は、７０〜９０℃であることが好ましく、７５〜８５℃であることがさらに好ましい。第１の基準温度Ｔ１が９０℃を超えると、セルスタックの乾燥が進行してしまうため、燃料電池ＦＣの発電効率低下や性能劣化の抑制が不充分となる。一方、第１の基準温度Ｔ１が７０℃を下回ると、エア背圧を上げている期間が長くなり、システム全体の効率が低下してしまう。 The temperature of the first reference temperature T1 is preferably 70 to 90 ° C, and more preferably 75 to 85 ° C. When the first reference temperature T1 exceeds 90 ° C., the cell stack is dried, so that the power generation efficiency of the fuel cell FC is not sufficiently reduced and the performance deterioration is not sufficiently suppressed. On the other hand, when the first reference temperature T1 is lower than 70 ° C., the period during which the air back pressure is increased becomes longer, and the efficiency of the entire system is lowered.
図２に示すように、スタック温度が第１の基準温度Ｔ１を超えていない場合（ステップＳＴ２ＮＯ）、エア背圧は第１の圧力Ｐ１に維持される。一方、スタック温度が第１の基準温度Ｔ１を超えた場合（ステップＳＴ２ＹＥＳ）、制御部５０は背圧調整弁２１を制御してエア背圧を第１の圧力Ｐ１よりも高圧の第２の圧力Ｐ２に調整する（ステップＳＴ３）。すなわち、エア背圧を第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２に切り換える。
As shown in FIG. 2, when the stack temperature does not exceed the first reference temperature T1 (step ST2 NO), the air back pressure is maintained at the first pressure P1. On the other hand, when the stack temperature exceeds the first reference temperature T1 (step ST2 YES), the
図２に示すように、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ３では、制御部５０は、図３に示す背圧マップ１を参照して、背圧調整弁２１を制御する。具体的には、スタック温度が第１の基準温度Ｔ１を超えたら、エア背圧を第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２へ切り換える。上述の通り、背圧マップ１は記憶部５１に格納されている。
As shown in FIG. 2, in step ST1 to step ST3, the
また、第２の圧力Ｐ２は、第１の圧力Ｐ１の１．１〜２．０倍が好ましく、１．２〜１．５倍であることがさらに好ましい。第２の圧力Ｐ２が第１の圧力Ｐ１の１．１倍よりも小さいと、スタックの乾燥を抑制する効果が不充分となる。一方、第２の圧力Ｐ２を第１の圧力Ｐ１の２．０倍よりも大きくしても、コンプレッサ１１の吐出圧が高くなり、システム全体の効率が低下してしまう。
In addition, the second pressure P2 is preferably 1.1 to 2.0 times, more preferably 1.2 to 1.5 times the first pressure P1. If the second pressure P2 is smaller than 1.1 times the first pressure P1, the effect of suppressing the drying of the stack will be insufficient. On the other hand, even if the second pressure P2 is larger than 2.0 times the first pressure P1, the discharge pressure of the
次に、図２に示すように、制御部５０は、温度センサＴＳによって測定されたスタック温度が第２の基準温度Ｔ２（＜Ｔ１）を下回ったか否か判定する（ステップＳＴ４）。ここで、図３の例では、第２の基準温度Ｔ２を５０℃としている。
Next, as shown in FIG. 2, the
第２の基準温度Ｔ２の温度は、４０〜６０℃であることが好ましく、４５〜５５℃であることがさらに好ましい。第２の基準温度Ｔ２が６０℃を超えると、スタックの乾燥を抑制する効果が不充分となる。一方、第１の基準温度Ｔ１が４０℃を下回ると、エア背圧を上げている期間が長くなり、システム全体の効率が低下してしまう。 The temperature of the second reference temperature T2 is preferably 40 to 60 ° C, and more preferably 45 to 55 ° C. When the second reference temperature T2 exceeds 60 ° C., the effect of suppressing the drying of the stack becomes insufficient. On the other hand, when the first reference temperature T1 is lower than 40 ° C., the period during which the air back pressure is raised becomes longer, and the efficiency of the entire system is lowered.
図２に示すように、スタック温度が第２の基準温度Ｔ２を下回っていない場合（ステップＳＴ４ＮＯ）、エア背圧は第２の圧力Ｐ２に維持される。一方、スタック温度が第２の基準温度Ｔ２を下回った場合（ステップＳＴ４ＹＥＳ）、制御部５０は背圧調整弁２１を制御して、エア背圧を第１の圧力Ｐ１に調整する（ステップＳＴ５）。すなわち、エア背圧を第２の圧力Ｐ２から第１の圧力Ｐ１に切り換える。
As shown in FIG. 2, when the stack temperature is not lower than the second reference temperature T2 (step ST4 NO), the air back pressure is maintained at the second pressure P2. On the other hand, when the stack temperature is lower than the second reference temperature T2 (step ST4 YES), the
次に、図２に示すように、制御部５０は、温度センサＴＳによって測定されたスタック温度が第２の基準温度Ｔ２を超えたか否か判定する（ステップＳＴ６）。スタック温度が第２の基準温度Ｔ２を超えていない場合（ステップＳＴ６ＮＯ）、エア背圧は第１の圧力Ｐ１に維持される。一方、スタック温度が第２の基準温度Ｔ２を超えた場合（ステップＳＴ６ＹＥＳ）、制御部５０は背圧調整弁２１を制御して、エア背圧を第２の圧力Ｐ２に調整する（ステップＳＴ７）。すなわち、エア背圧を第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２に切り換える。
Next, as shown in FIG. 2, the
図２に示すように、ステップＳＴ４〜ステップＳＴ７では、制御部５０は、図３に示す背圧マップ２を参照して、背圧調整弁２１を制御する。具体的には、スタック温度が第２の基準温度Ｔ２を下回ったら、エア背圧を第２の圧力Ｐ２から第１の圧力Ｐ１へ切り換え、第２の基準温度Ｔ２を超えたら、エア背圧を第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２へ切り換える。上述の通り、背圧マップ２は記憶部５１に格納されている。
As shown in FIG. 2, in step ST4 to step ST7, the
図２に示すように、イグニッションスイッチをオフしない場合（ステップＳＴ８Ｎｏ）、背圧マップ２によるステップＳＴ５〜ステップＳＴ７の動作を繰り返す。一方、イグニッションスイッチをオフした場合（ステップＳＴ８ＹＥＳ）、システムは終了する。なお、イグニッションスイッチはいつでもオフになり得るため、図２におけるステップＳＴ８の挿入位置は便宜的なものである。すなわち、ステップＳＴ８の判断は常時行われておりイグニッションスイッチがオフになり次第、システムは終了する。 As shown in FIG. 2, when the ignition switch is not turned off (No in step ST8), the operations in steps ST5 to ST7 based on the back pressure map 2 are repeated. On the other hand, when the ignition switch is turned off (YES in step ST8), the system ends. Since the ignition switch can be turned off at any time, the insertion position of step ST8 in FIG. 2 is convenient. That is, the determination in step ST8 is always performed, and the system ends as soon as the ignition switch is turned off.
以上に説明したように、実施の形態１に係る燃料電池システムでは、起動後には、背圧マップ１を利用する。すなわち、スタック温度が第１の基準温度Ｔ１を超えた場合にエア背圧を第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２（＞Ｐ１）へ切り換える。そして、スタック温度が最初に第１の基準温度Ｔ１を超え、背圧を第２の圧力Ｐ２へ切り換えた後には、システム終了まで背圧マップ２を利用し続ける。すなわち、第２の基準温度Ｔ２（＜Ｔ１）において背圧を第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２との間で切り換える。
つまり、実施の形態１に係る燃料電池システムでは、最初は第１の基準温度Ｔ１で背圧を切り換え、一度スタック温度が第１の基準温度Ｔ１を超えたら、システム終了まで第２の基準温度Ｔ２（＜Ｔ１）で背圧を切り換える。
As described above, in the fuel cell system according to Embodiment 1, the back pressure map 1 is used after startup. That is, when the stack temperature exceeds the first reference temperature T1, the air back pressure is switched from the first pressure P1 to the second pressure P2 (> P1). Then, after the stack temperature first exceeds the first reference temperature T1 and the back pressure is switched to the second pressure P2, the back pressure map 2 is continuously used until the end of the system. That is, the back pressure is switched between the first pressure P1 and the second pressure P2 at the second reference temperature T2 (<T1).
That is, in the fuel cell system according to Embodiment 1, the back pressure is initially switched at the first reference temperature T1, and once the stack temperature exceeds the first reference temperature T1, the second reference temperature T2 is maintained until the system ends. The back pressure is switched at (<T1).
そのため、第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２との切り換えを第１の基準温度Ｔ１のみで行う燃料電池システムに比べ、セルスタックの乾燥に起因する燃料電池の発電効率低下や性能劣化を抑制することができる。他方、第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２との切り換えを第２の基準温度Ｔ２のみで行う燃料電池システムに比べ、システム全体の効率に優れている。このように、実施の形態１に係る燃料電池システムは、セルスタックの乾燥を効果的に抑制できる上、システム全体の効率にも優れている。 Therefore, compared with a fuel cell system in which switching between the first pressure P1 and the second pressure P2 is performed only at the first reference temperature T1, reduction in power generation efficiency and performance deterioration of the fuel cell due to drying of the cell stack are suppressed. can do. On the other hand, the overall system efficiency is superior to a fuel cell system in which switching between the first pressure P1 and the second pressure P2 is performed only at the second reference temperature T2. As described above, the fuel cell system according to Embodiment 1 can effectively suppress the drying of the cell stack and is excellent in the efficiency of the entire system.
ところで、上述したように、発明者は、第１の基準温度Ｔ１でエア背圧を第２の圧力Ｐ２へ切り換えた後、スタック温度が第１の基準温度Ｔ１に戻った時点で第１の圧力Ｐ１に戻すと、セルスタックが乾燥する場合があることを見出した。この現象は、燃料電池ＦＣの電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２よりも小さくなると特に顕著になる。電流密度が低いために、発電による生成水が少ないことが原因であると考えられる。従って、スタック温度が一度第１の基準温度Ｔ１を超えたら、システム終了までより低温の第２の基準温度Ｔ２で背圧を切り換える実施の形態１に係る燃料電池システムは、このような場合に特に有効である。 By the way, as described above, the inventor changed the first pressure when the stack temperature returned to the first reference temperature T1 after switching the air back pressure to the second pressure P2 at the first reference temperature T1. It was found that returning to P1 may dry the cell stack. This phenomenon becomes particularly remarkable when the current density of the fuel cell FC is smaller than 0.2 A / cm 2 . It is thought that the cause is that there is little water generated by power generation because of the low current density. Therefore, once the stack temperature exceeds the first reference temperature T1, the fuel cell system according to Embodiment 1 that switches the back pressure at the lower second reference temperature T2 until the end of the system is particularly suitable in such a case. It is valid.
なお、スタック温度が第１の基準温度Ｔ１よりも高い温度のまま（つまりエア背圧が第２の圧力Ｐ２のまま）システムを終了した場合であっても、終了後直ちに（数秒程度）でスタック温度は少なくとも第２の基準温度Ｔ２よりも低い温度まで低下する。また、スタックへのガスの供給及びスタックからのガスの排気が停止することにより、スタック内が湿潤状態となる。そのため、発電を開始する際には常時、図２に示したフローでエア背圧を制御することができる。つまり、発電開始時のエア背圧を常に第１の圧力Ｐ１に設定することができ、システム全体の効率が向上する。 Even when the system is terminated while the stack temperature is higher than the first reference temperature T1 (that is, the air back pressure remains at the second pressure P2), the stack immediately after the termination (about several seconds). The temperature decreases to a temperature that is at least lower than the second reference temperature T2. Further, when the supply of gas to the stack and the exhaust of gas from the stack are stopped, the inside of the stack becomes wet. Therefore, when starting power generation, the air back pressure can always be controlled according to the flow shown in FIG. That is, the air back pressure at the start of power generation can always be set to the first pressure P1, and the efficiency of the entire system is improved.
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
１０ エア供給経路
１１ コンプレッサ
２０ エア排出経路
２１ 背圧調整弁
３０ 燃料ガス供給経路
３１ 燃料ガスタンク
３２ 調圧弁
４０ 燃料ガス循環経路
４１ 循環ポンプ
５０ 制御部
５１ 記憶部
ＦＣ 燃料電池
ＰＳ 圧力センサ
ＴＳ 温度センサ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記燃料電池のカソードガスの背圧を調整するための調圧弁と、
前記燃料電池の温度に基づいて前記調圧弁を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、
当該燃料電池システムの起動後、前記燃料電池の温度が最初に第１の基準温度Ｔ１を超えた場合に、前記背圧を第１の圧力からより高圧の第２の圧力へ切り換え、
前記第１の基準温度Ｔ１において前記第２の圧力へ切り換えた後には、前記燃料電池の温度が第２の基準温度Ｔ２（但し、Ｔ２＜Ｔ１）を下回った場合に前記背圧を前記第１の圧力へ切り換え、前記第２の基準温度Ｔ２を超えた場合に前記背圧を前記第２の圧力へ切り換える、
燃料電池システム。 A fuel cell in which a plurality of cells are stacked;
A pressure regulating valve for adjusting the back pressure of the cathode gas of the fuel cell;
A control unit that controls the pressure regulating valve based on the temperature of the fuel cell, and a fuel cell system comprising:
The controller is
After the fuel cell system is activated, when the temperature of the fuel cell first exceeds the first reference temperature T1, the back pressure is switched from the first pressure to a higher second pressure,
After switching to the second pressure at the first reference temperature T1, the back pressure is changed to the first pressure when the temperature of the fuel cell falls below a second reference temperature T2 (where T2 <T1). When the second reference temperature T2 is exceeded, the back pressure is switched to the second pressure.
Fuel cell system.
前記記憶部には、
前記第１の基準温度Ｔ１において前記背圧を前記第１の圧力と前記第２の圧力との間で切り換えるための第１のマップと、
前記第２の基準温度Ｔ２において前記背圧を前記第１の圧力と前記第２の圧力との間で切り換えるための第２のマップと、が格納されている、
請求項１に記載の燃料電池システム。 A storage unit for storing a map showing a relationship between the temperature of the fuel cell and the target value of the back pressure;
In the storage unit,
A first map for switching the back pressure between the first pressure and the second pressure at the first reference temperature T1;
A second map for switching the back pressure between the first pressure and the second pressure at the second reference temperature T2 is stored;
The fuel cell system according to claim 1.
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 The control unit controls the back pressure to the first pressure when starting the fuel cell system.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The first pressure is atmospheric pressure;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 After switching to the second pressure, the current density of the fuel cell is less than 0.2 A / cm 2 ;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
前記燃料電池の起動後、前記燃料電池の温度が最初に第１の基準温度Ｔ１を超えた場合に、前記燃料電池のカソードガスの背圧を第１の圧力からより高圧の第２の圧力へ切り換え、
前記第１の基準温度Ｔ１において前記第２の圧力へ切り換えた後には、前記燃料電池の温度が第２の基準温度Ｔ２（但し、Ｔ２＜Ｔ１）を下回った場合に前記背圧を前記第１の圧力へ切り換え、前記第２の基準温度Ｔ２を超えた場合に前記背圧を前記第２の圧力へ切り換える、
燃料電池の制御方法。 A method for controlling a fuel cell in which a plurality of cells are stacked,
After the fuel cell is started, when the temperature of the fuel cell first exceeds the first reference temperature T1, the back pressure of the cathode gas of the fuel cell is changed from the first pressure to a higher second pressure. switching,
After switching to the second pressure at the first reference temperature T1, the back pressure is changed to the first pressure when the temperature of the fuel cell falls below a second reference temperature T2 (where T2 <T1). When the second reference temperature T2 is exceeded, the back pressure is switched to the second pressure.
Fuel cell control method.
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