JP2015201408A - 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.
燃料電池は、固体高分子電解質膜がアノード電極およびカソード電極で挟持された膜電極接合体(MEA、(Membrane Electrode Assembly)と、MEAの両側に配置されているセパレータと、からなる単セルを備えている。アノード電極と一のセパレータとの間には、燃料ガス流路が形成されている。カソード電極と他のセパレータとの間には、酸化ガス流路が形成されている。燃料ガス流路に燃料ガスとしての水素ガスを供給し、酸化ガス流路に酸化ガスとしての空気を供給することによって、燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応による発電を行うことができる。 The fuel cell includes a single cell comprising a membrane electrode assembly (MEA, (Membrane Electrode Assembly) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and separators disposed on both sides of the MEA. A fuel gas flow path is formed between the anode electrode and one separator, and an oxidizing gas flow path is formed between the cathode electrode and another separator. By supplying hydrogen gas as the fuel gas to the channel and supplying air as the oxidizing gas to the oxidizing gas channel, the fuel cell can generate electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
このような燃料電池において、電気化学反応の際に生成される水が、燃料ガス流路や酸化ガス流路に残留することがある(以降「残留水」とも呼ぶ。)。残留水は、MEAに対する燃料ガス供給や酸化ガス供給の妨げとなり、燃料電池の発電性能を低下させるという課題があった。また、氷点下環境においては、残留水が凍結することによって、MEAの発電面積が低下し、燃料電池の発電性能を低下させるという課題があった。このような課題を解決するために、燃料ガス流路や酸化ガス流路における残留水の量を予測する予測手段と、残留水を除去する掃気手段と、を備える燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1)。 In such a fuel cell, water generated in the electrochemical reaction may remain in the fuel gas channel or the oxidizing gas channel (hereinafter also referred to as “residual water”). Residual water hinders fuel gas supply and oxidant gas supply to the MEA, causing a problem of reducing the power generation performance of the fuel cell. Further, in a sub-freezing environment, there is a problem that the power generation area of the MEA is reduced due to freezing of residual water, and the power generation performance of the fuel cell is reduced. In order to solve such a problem, a fuel cell system is known that includes a predicting unit that predicts the amount of residual water in the fuel gas channel and the oxidizing gas channel, and a scavenging unit that removes residual water. (For example, patent document 1).
特許文献1に記載の予測手段は、掃気手段による残留水の除去中における「残留水の量の予測」については想定されていない。このため、特許文献1に記載の技術では、掃気手段による残留水の除去の効果を、さらなる残留水の除去が必要か否かの判定にリアルタイムに反映できず、残留水の除去の処理効率が悪いという課題があった。また、特許文献2〜6に記載の技術では、残留水の量を予測することについては想定されていない。
The prediction means described in
このため、ガス流路における残留水の量の推定と、残留水の除去とが可能な燃料電池システムにおいて、残留水の除去の効果を、さらなる残留水の除去が必要か否かの判定にリアルタイムに反映することにより、残留水の除去の処理効率を向上させることを目的とする。そのほか、従来の技術では、燃料電池システムの発電性能の向上、信頼性の向上、耐久性の向上、製造効率の向上、製造の容易化、低コスト化等が望まれていた。 Therefore, in a fuel cell system that can estimate the amount of residual water in the gas flow path and remove residual water, the effect of residual water removal can be determined in real time in determining whether further residual water needs to be removed. The purpose is to improve the treatment efficiency of residual water removal. In addition, in the prior art, improvement in power generation performance, reliability, durability, improvement in manufacturing efficiency, ease of manufacturing, cost reduction, and the like of the fuel cell system have been desired.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
(1)本発明の一形態によれば、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;ガス流路を備える燃料電池と;前記ガス流路内に残留している残留水を除去するための除去部と、を備え;前記除去部は;前記残留水の除去中における前記燃料電池の電圧変化率と、前記残留水の除去中における前記ガス流路の圧力損失の変化率と、のうちの少なくともいずれか一方に基づいて、前記残留水の量を推定し;推定された前記残留水の量に応じて、さらなる前記残留水の除去が必要か否かを判定する。この形態の燃料電池システムによれば、除去部は、残留水の除去中における燃料電池の電圧変化率と、残留水の除去中におけるガス流路の圧力損失の変化率と、のうちの少なくともいずれか一方に基づいて、残留水の除去中における残留水の量をリアルタイムに推定することができる。また、除去部は、推定された残留水の量に応じてさらなる残留水の除去が必要か否かを判定するため、残留水の除去の効果を、さらなる残留水の除去が必要か否かの判定にリアルタイムに反映することができる。この結果、燃料電池システムにおいて、残留水の除去の処理効率を向上させることができる。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system includes: a fuel cell including a gas flow path; and a removal unit for removing residual water remaining in the gas flow path; the removal part; Estimating the amount of the residual water based on at least one of the rate of change of the voltage of the fuel cell in FIG. 5 and the rate of change of the pressure loss of the gas flow path during the removal of the residual water; It is determined whether further removal of the residual water is necessary according to the amount of the residual water. According to the fuel cell system of this aspect, the removing unit includes at least one of a voltage change rate of the fuel cell during the removal of residual water and a change rate of the pressure loss of the gas flow path during the removal of residual water. On the other hand, the amount of residual water during the removal of residual water can be estimated in real time. Further, the removal unit determines whether or not further residual water needs to be removed according to the estimated amount of residual water. It can be reflected in judgment in real time. As a result, in the fuel cell system, it is possible to improve the processing efficiency of the residual water removal.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、それらを備える移動体等の態様で実現することができる。また、本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略して構成することもできる。 The present invention can be realized in various forms. For example, it is realizable with aspects, such as a fuel cell system, a control method of a fuel cell system, and a mobile object provided with them. In addition, the present invention does not necessarily have all the various features described above, and may be configured by omitting some of them.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A.実施形態:
A−1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム10の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、自動車等の車両に推進力を与えるためのモータ等に接続され、車両に電力を供給する。燃料電池システム10は、燃料電池20と、制御部110と、水素供給部120と、酸素供給部130と、冷却部140と、を備えている。
A. Embodiment:
A-1. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池20は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池である。本実施形態では、燃料電池20に供給される反応ガスには、水素(H2)を含有する燃料ガス(以降「水素ガス」とも呼ぶ。)と、酸素(O2)を含有する酸化ガス(以降「空気」とも呼ぶ。)と、が含まれる。燃料電池20に供給された水素ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池20の外部に排出される。燃料電池20に供給された空気は、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池20の外部に排出される。
The
燃料電池20は、複数の単セルが電気的に直列に複数積層されたスタック構造を有している。単セルは、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、ガス拡散層と、セパレータとを備えている。
The
MEAは、電解質膜の両面に、アノード電極と、カソード電極とからなる電極触媒層が積層された構成を有する。電解質膜は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体(例えば、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜)で形成されている。アノード電極およびカソード電極は、電解質膜を介して行われる水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料(例えば、白金を含有する白金系触媒を担持した炭素担体に、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂を混合した材料)で形成されている。 The MEA has a configuration in which an electrode catalyst layer composed of an anode electrode and a cathode electrode is laminated on both surfaces of an electrolyte membrane. The electrolyte membrane is formed of a proton conductor having proton conductivity (for example, a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane using an ionomer resin). The anode electrode and the cathode electrode are materials having gas permeability, conductivity and water repellency (for example, platinum containing platinum) in addition to a catalytic function for promoting an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen performed through an electrolyte membrane. The material is formed by mixing an ionomer resin, which is a proton conductor, on a carbon support carrying a catalyst.
ガス拡散層は、MEAの両側に配置されている。ガス拡散層は、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料(例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーに撥水樹脂を含浸させた材料)で形成されている。セパレータは、ガス拡散層の両側に配置されている。アノード電極側に配置されているセパレータは、MEAにおけるアノード側の面に水素ガスを流すアノード流路を形成する。カソード電極側に配置されているセパレータは、MEAにおけるカソード側の面に空気を流すカソード流路を形成する。セパレータは、水素ガスや空気を流す上で十分な強度およびガス不透過性に加え導電性を有する材料(例えば、ステンレス、カーボン樹脂、導電性セラミックス)で形成されている。 The gas diffusion layers are disposed on both sides of the MEA. The gas diffusion layer is formed of a material having gas permeability, conductivity, and water repellency (for example, a material obtained by impregnating a carbon cloth or carbon paper with a water repellent resin). The separator is disposed on both sides of the gas diffusion layer. The separator disposed on the anode electrode side forms an anode flow channel for flowing hydrogen gas on the anode side surface of the MEA. The separator disposed on the cathode electrode side forms a cathode flow channel for flowing air on the cathode side surface of the MEA. The separator is formed of a material (for example, stainless steel, carbon resin, conductive ceramics) having conductivity in addition to sufficient strength and gas impermeability for flowing hydrogen gas or air.
制御部110は、PCU(Power Control Unit)111と、電流計測部112と、電圧計測部113と、を備えている。PCU111は、図示しない昇圧コンバータと、インバータとを備え、燃料電池20の出力を制御する機能を有する。また、PCU111は、後述の残留水除去処理を実行する。本実施形態の残留水除去処理は、アノード流路内に残留した生成水などの水(以降「残留水」とも呼ぶ)を除去する処理である。ここで「生成水」とは、燃料電池20の電気化学反応の際に生成された水を意味する。電流計測部112は、燃料電池20が出力する電流値を計測し、計測結果をPCU111へ送信する。電圧計測部113は、燃料電池20が出力する電圧値を計測し、計測結果をPCU111へ送信する。なお、制御部110は「除去部」として機能する。
The control unit 110 includes a PCU (Power Control Unit) 111, a
水素供給部120は、PCU111の指示に基づき、水素ガスを燃料電池20へ供給する機能を有する。水素供給部120は、インジェクタ121と、水素ポンプ122と、供給路側圧力計123と、アノード流路124と、排出路側圧力計125と、シャット弁126と、を備えている。インジェクタ121は、水素ガスが貯留された水素タンクに接続され、燃料電池20へ供給される水素ガスの供給量を調整するための調整弁として機能する。水素ポンプ122は、燃料電池20へ水素ガスを送り出す動力として機能する。供給路側圧力計123は、燃料電池20への水素ガスの供給路における圧力を計測する。アノード流路124は、燃料電池20のMEAにおけるアノード側の面に水素ガスを流す流路である。排出路側圧力計125は、燃料電池20からのアノードオフガスの排出路における圧力を計測する。シャット弁126は、アノードオフガスや水蒸気を外部へ排出する際の排出量を調整するための調整弁として機能する。
The
酸素供給部130は、PCU111の指示に基づき、空気を燃料電池20へ供給する機能を有する。酸素供給部130は、フローメーター131と、ACP132と、カソード流路134と、排出路側圧力計135と、調圧弁136と、を備えている。フローメーター131は、燃料電池20へ供給される空気の流量を計測する。ACP132は、燃料電池20へ空気を送り出す動力として機能する。カソード流路134は、燃料電池20のMEAにおけるカソード側の面に空気を流す流路である。排出路側圧力計135は、燃料電池20からのカソードオフガスの排出路における圧力を計測する。調圧弁136は、カソードオフガスや水蒸気を外部へ排出する際の排出量を調整するための調整弁として機能する。
The
冷却部140は、燃料電池20の内部とラジエーター141との間で、冷媒としての冷却水(不凍液)を循環させながら冷却水の熱を大気中に発散させることで、燃料電池20を冷却する。冷却部140は、ラジエーター141と、ウォーターポンプ142と、水温計143と、を備えている。ラジエーター141は、冷却水の熱を大気中に放熱させるための装置である。ウォーターポンプ142は、燃料電池20とラジエーター141との間の流路中において冷却水を循環させるための動力として機能する。水温計143は、冷却水の温度を計測する。
The
なお、本実施形態ではアノード流路124とカソード流路134とを総称して、単に「ガス流路」とも呼ぶ。
In the present embodiment, the
A−2.残留水除去処理:
図2は、残留水除去処理の手順を示すフローチャートである。本実施形態の残留水除去処理は、アノード流路124(図1)内に残留した残留水を除去するための処理であり、制御部110によって実行される。残留水除去処理は、任意のタイミングで実行することができる。例えば、残留水除去処理は、燃料電池20の発電中において継続的に実行されてもよいし、燃料電池20の発電開始時および終了時に実行されてもよいし、燃料電池20の発電中において定期的に実行されてもよい。また、燃料電池20を搭載した車両のユーザーの指示により実行されてもよい。
A-2. Residual water removal treatment:
FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of the residual water removal process. The residual water removal process of this embodiment is a process for removing residual water remaining in the anode flow path 124 (FIG. 1), and is executed by the control unit 110. The residual water removal process can be executed at an arbitrary timing. For example, the residual water removal process may be executed continuously during power generation of the
ステップS10においてPCU111は、残留水除去処理において使用する変数n(nは0以上の整数)に「0」をセットする。なお、変数nは、電圧変化率を計算するために使用される。
In step S10, the
図3は、残留水除去処理のステップS12について説明するための説明図である。残留水除去処理(図2)のステップS12においてPCU111は、アノード(水素極)側の脈動を開始する。具体的には、PCU111は、インジェクタ121の開度と、水素ポンプ122の駆動力とを調整することで、アノード流路124に供給される水素ガスの圧力(KPa)を周期的に増減させる(図3)。アノード流路124に供給される水素ガスの圧力が図3のように増減することで、アノード流路124内に停滞している残留水の排出路側への送出が促進され、残留水は、シャット弁126を介して外部へ除去される。なお、水素ガスの圧力を周期的に増減させることに代えて、PCU111は、アノード流路124に供給される水素ガスの流量(L/min)、または、インジェクタ121の開度(%)を周期的に増減させてもよい。このようにしても、水素ガスの圧力を周期的に増減させると同様の効果を得ることができる。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining step S12 of the residual water removal process. In step S12 of the residual water removal process (FIG. 2), the
残留水除去処理(図2)のステップS14においてPCU111は、燃料電池20の経時的な電圧変化(Vn、ΔVn+1)を取得する。具体的には、PCU111は、ステップS12における水素ガスの圧力増減の周期にあわせて、水素ガスの圧力増減の前後において電圧計測部113により得られた電圧値の変化の大きさ(ΔVn、ΔVn+1)を取得する。
In step S14 of the residual water removal process (FIG. 2), the
ステップS16においてPCU111は、ステップS14で取得した経時的な電圧変化を用いて、電圧変化率(ΔVn+1/ΔVn)を計算する。
In step S16, the
ステップS18においてPCU111は、計算した電圧変化率が所定の閾値αよりも大きいか否かを判定する(ΔVn+1/ΔVn>α)。なお、所定の閾値αは任意に定めることができる。
In step S18, the
電圧変化率が所定の閾値α以下である場合(ステップS18:NO)、ステップS20においてPCU111は、nをカウントアップする。その後、PCU111は、処理をステップS14に遷移させ、アノード側の脈動を継続しつつ、ステップS14〜S20の処理を繰り返す。これにより、電圧変化率が所定の閾値αよりも大きくなるまで、PCU111はアノード側の脈動を継続して、アノード流路124内に停滞している残留水の除去を行うことができる。
When the voltage change rate is equal to or less than the predetermined threshold value α (step S18: NO), the
電圧変化率が所定の閾値αよりも大きい場合(ステップS18:YES)、PCU111は、処理をステップS22へ遷移させる。ステップS22においてPCU111は、インジェクタ121の開度と、水素ポンプ122の駆動力とを調整することで、アノード側の脈動を終了させる。その後、PCU111は、処理を終了させる。
When the voltage change rate is larger than the predetermined threshold α (step S18: YES), the
図4は、燃料電池20の電圧変化率と、残留水の除去の効果と、の関係について説明するための説明図である。図4では縦軸に電圧変化(ΔV)を、横軸に時間(sec)をとっている。図4の横軸は、図3と対応している。残留水除去処理(図2)のステップS12においてアノード流路124内に停滞している残留水が除去されることに伴って、MEAに対する水素ガスの供給状態が良好となり、燃料電池20の発電性能は徐々に向上する。燃料電池20の発電性能の向上に伴って、燃料電池20の出力電圧のぶれが解消され、電圧変化ΔVは小さくなる。従って、図4において初回に取得した電圧変化ΔV0よりも、2回目に取得した電圧変化ΔV1の方がより小さくなり、2回目に取得した電圧変化ΔV1よりも、3回目に取得した電圧変化ΔV2の方がより小さくなる。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the voltage change rate of the
このため、n回目の電圧変化ΔVnと、n+1回目の電圧変化ΔVn+1と、の電圧変化率(ΔVn+1/ΔVn)が所定の閾値αより大きくなった場合、換言すれば、n回目の電圧変化と、n+1回目の電圧変化と、の間の変化量が十分に少なくなった場合には、アノード流路124内に停滞している残留水の量は、さらなる残留水の除去を必要としない程度まで減少したと推定することができる。従って、PCU111は、さらなる残留水の除去は不要であると判定し、残留水除去処理を終了させる(図2、ステップS22)。一方、n回目の電圧変化ΔVnと、n+1回目の電圧変化ΔVn+1と、の電圧変化率(ΔVn+1/ΔVn)が所定の閾値α以下である場合、換言すれば、n回目の電圧変化と、n+1回目の電圧変化と、の間の変化量が未だ大きい場合には、アノード流路124内には残留水が未だ一定量存在すると推定することができる。従って、PCU111は、さらなる残留水の除去が必要であると判定し、図2のステップS12の処理を継続する。
Therefore, when the voltage change rate (ΔV n + 1 / ΔV n ) between the nth voltage change ΔV n and the (n + 1) th voltage change ΔV n + 1 is larger than the predetermined threshold value α, in other words, , When the amount of change between the nth voltage change and the (n + 1) th voltage change is sufficiently small, the amount of residual water stagnating in the
なお、上記実施形態では、PCU111は、燃料電池20の電圧変化率からアノード流路124内に停滞している残留水の量を推定し、アノード流路124に供給される水素ガスの圧力または流量を増減させることで、アノード流路124内に停滞している残留水の除去を行うこととした。これは、燃料電池20は、特に低温環境下において、アノード流路124における残留水の液水溜りの発生が顕著であるためである。上記実施形態の変形として、PCU111は、燃料電池20の電圧変化率から、アノード流路124内およびカソード流路134内に停滞している残留水の量を推定し、アノード流路124に供給される水素ガスの圧力または流量と、カソード流路134に供給される空気の圧力または流量と、の両方を増減させることで、アノード流路124内およびカソード流路134内に停滞している残留水の除去を行っても良い。また、PCU111は、燃料電池20の電圧変化率から、カソード流路134内に停滞している残留水の量を推定し、カソード流路134に供給される空気の圧力または流量を増減させることで、カソード流路134内に停滞している残留水の除去を行っても良い。
In the above embodiment, the
以上のように、本実施形態の残留水除去処理によれば、制御部110(除去部)のPCU111は、残留水の除去中における燃料電池20の電圧変化率(ΔVn+1/ΔVn)に基づいて、残留水の除去中における残留水の量をリアルタイムに推定することができる。また、制御部110のPCU111は、推定された残留水の量に応じてさらなる残留水の除去が必要か否かを判定するため、残留水の除去の効果を、さらなる残留水の除去が必要か否かの判定にリアルタイムに反映することができる。この結果、燃料電池システム10において、残留水の除去の処理効率を向上させることができる。
As described above, according to the residual water removal process of the present embodiment, the
A−3.残留水除去処理(変形1):
本実施形態の燃料電池システム10では、図2に示した残留水除去処理に代えて、図5に示す残留水除去処理を実行してもよい。図5の残留水除去処理では、PCU111は、燃料電池20の電圧変化率に代えて、燃料電池20のガス流路の圧力損失の変化率(以降、単に「圧力損失変化率」とも呼ぶ。)に基づいて、残留水の量を推定する。
A-3. Residual water removal treatment (deformation 1):
In the
図5は、残留水除去処理(変形1)の手順を示すフローチャートである。本変形の残留水除去処理は、図2と同様、アノード流路124(図1)内に残留した残留水を除去するための処理であり、制御部110によって実行される。本変形の残留水除去処理は、任意のタイミングで実行することができる。 FIG. 5 is a flowchart showing a procedure of residual water removal processing (modification 1). The residual water removal process of this modification is a process for removing residual water remaining in the anode channel 124 (FIG. 1), as in FIG. 2, and is executed by the control unit 110. The residual water removal process of this modification can be executed at an arbitrary timing.
ステップS30においてPCU111は、残留水除去処理において使用する変数n(nは0以上の整数)に「0」をセットする。なお、変数nは、圧力損失変化率を計算するために使用される。
In step S30, the
ステップS32においてPCU111は、アノード側の脈動を開始する。詳細は図2のステップS12と同様である。
In step S32, the
ステップS34においてPCU111は、燃料電池20のアノード側流路における経時的な圧力損失(Pn、Pn+1)を取得する。アノード側流路における圧力損失(以降、「アノード圧損」とも呼ぶ。)とは、水素ガスが燃料電池20のアノード流路124を通過する際に生じる圧力損失であり、水素供給部120に設けられている供給路側圧力計123の検出値と、排出路側圧力計125の検出値と、の差分によって表される。なお、ステップS34においてPCU111は、ステップS32における水素ガスの圧力増減の周期にあわせて、アノード圧損(Pn、Pn+1)を取得する。
In step S <b> 34, the
ステップS36においてPCU111は、ステップS34で取得した経時的なアノード圧損を用いて、アノード側流路における圧力損失の変化率である、アノード圧力損失変化率(Pn−Pn+1/Pn)を計算する。
In step S36, the
ステップS38においてPCU111は、計算したアノード圧力損失変化率が所定の閾値βよりも小さいか否かを判定する(Pn−Pn+1/Pn<β)。なお、所定の閾値βは任意に定めることができる。
In step S38, the
アノード圧力損失変化率が所定の閾値β以上である場合(ステップS38:NO)、ステップS40においてPCU111は、nをカウントアップする。その後、PCU111は、処理をステップS34に遷移させ、アノード側の脈動を継続しつつ、ステップS34〜S40の処理を繰り返す。これにより、アノード圧力損失変化率が所定の閾値βより小さくなるまで、PCU111はアノード側の脈動を継続して、アノード流路124内に停滞している残留水の除去を行うことができる。
When the anode pressure loss change rate is equal to or higher than the predetermined threshold β (step S38: NO), the
アノード圧力損失変化率が所定の閾値βよりも小さい場合(ステップS38:YES)、PCU111は、処理をステップS42へ遷移させる。ステップS42においてPCU111は、インジェクタ121の開度と、水素ポンプ122の駆動力とを調整することで、アノード側の脈動を終了させる。その後、PCU111は、処理を終了させる。
When the anode pressure loss change rate is smaller than the predetermined threshold β (step S38: YES), the
図6は、燃料電池20のアノード圧力損失変化率と、残留水の除去の効果と、の関係について説明するための説明図である。図6では縦軸にアノード圧力損失(kPa)を、横軸に時間(sec)をとっている。図6の横軸は、図3と対応している。残留水除去処理(図5)のステップS32においてアノード流路124内に停滞している残留水が除去されることに伴って、MEAに対する水素ガスの供給状態が良好となる。水素ガスの供給状態の向上に伴って、アノード圧損P(水素ガスが燃料電池20のアノード流路124を通過する際に生じる圧力損失)は徐々に一定の値に近づく。従って、図5において初回に取得したアノード圧損P1と2回目に取得したアノード圧損P2との差分(P1−P2)よりも、2回目に取得したアノード圧損P2と3回目に取得したアノード圧損P3との差分(P2−P3)の方が小さくなる。
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the anode pressure loss change rate of the
このため、n回目のアノード圧損Pnと、n+1回目のアノード圧損Pn+1と、のアノード圧力損失変化率(Pn−Pn+1/Pn)が所定の閾値βより小さくなった場合、換言すれば、n回目のアノード圧損と、n+1回目のアノード圧損と、の間の変化量が十分に少なくなった場合には、アノード流路124内に停滞している残留水の量は、さらなる残留水の除去を必要としない程度まで減少したと推定することができる。従って、PCU111は、さらなる残留水の除去は不要であると判定し、残留水除去処理を終了させる(図5、ステップS42)。一方、n回目のアノード圧損Pnと、n+1回目のアノード圧損Pn+1と、のアノード圧力損失変化率(Pn−Pn+1/Pn)が所定の閾値β以上である場合、換言すれば、n回目のアノード圧損と、n+1回目のアノード圧損と、の間の変化量が未だ大きい場合には、アノード流路124内には残留水が未だ一定量存在すると推定することができる。従って、PCU111は、さらなる残留水の除去が必要であると判定し、図5のステップS32の処理を継続する。
Therefore, the anode pressure loss change rate (P n −P n + 1 / P n ) between the nth anode pressure loss P n and the n + 1th anode pressure loss P n + 1 is smaller than the predetermined threshold value β. In other words, in other words, when the amount of change between the nth anode pressure loss and the n + 1th anode pressure loss is sufficiently small, the amount of residual water stagnating in the
なお、本変形においても、アノード流路124に代えて、またはアノード流路124と共に、カソード側流路における圧力損失の変化率を用いてカソード流路134内に停滞している残留水の量を推定してもよく、カソード流路134内に停滞している残留水の除去を行っても良い。
In this modification as well, the amount of residual water stagnating in the
以上のように、本変形の残留水除去処理によれば、制御部110(除去部)のPCU111は、残留水の除去中におけるガス流路(アノード流路124、カソード流路134)の圧力損失の変化率(Pn−Pn+1/Pn)に基づいて、残留水の除去中における残留水の量をリアルタイムに推定することができる。また、制御部110のPCU111は、推定された残留水の量に応じてさらなる残留水の除去が必要か否かを判定するため、残留水の除去の効果を、さらなる残留水の除去が必要か否かの判定にリアルタイムに反映することができる。この結果、燃料電池システム10において、残留水の除去の処理効率を向上させることができる。
As described above, according to the residual water removal process of this modification, the
A−4.残留水除去処理(変形2):
本実施形態の燃料電池システム10では、図2に示した残留水除去処理に代えて、図7に示す残留水除去処理を実行してもよい。図7の残留水除去処理では、PCU111は、燃料電池20の電圧変化率に代えて、燃料電池20のガス流路の圧力損失の変化率(圧力損失変化率)に基づいて、残留水の量を推定する。
A-4. Residual water removal treatment (deformation 2):
In the
図7は、残留水除去処理(変形2)の手順を示すフローチャートである。図5に示した変形2との違いは、ステップS36に代えてステップS50を備える点と、ステップS38に代えてステップS52を備える点である。ステップS50においてPCU111は、アノード圧力損失変化率を、n回目のアノード圧損Pnと、n+1回目のアノード圧損Pn+1と、を用いて、(Pn+1/Pn)によって求める。また、ステップS52においてPCU111は、アノード圧力損失変化率の求め方が異なることに伴って、所定の閾値βに代えて、所定の閾値γを用いて比較を実施する。その他の詳細は、図5に示した変形2と同様である。
FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of the residual water removal process (modification 2). The difference from Modification 2 shown in FIG. 5 is that step S50 is provided instead of step S36, and step S52 is provided instead of step S38. In step S50, the
以上のように、本変形の残留水除去処理によっても、図5に示した変形2と同様の効果を得ることができる。 As described above, the same effect as that of the modification 2 shown in FIG. 5 can be obtained by the residual water removing process of the present modification.
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、ソフトウェアによって実現した機能は、ハードウェアによって実現するものとしてもよい。そのほか、以下のような変形が可能である。
B. Variation:
In addition, this invention is not restricted to said Example and embodiment, A various structure can be taken in the range which does not deviate from the summary. For example, a function realized by software may be realized by hardware. In addition, the following modifications are possible.
・変形例1:
上記実施例では、燃料電池システムの構成について例示した。しかし、これらの構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に定めることができる。
・ Modification 1:
In the said Example, it illustrated about the structure of the fuel cell system. However, these configurations can be arbitrarily determined without departing from the scope of the present invention.
例えば、燃料電池としては、種々のタイプの燃料電池を使用することができ、固体高分子型燃料電池に限られない。具体的には、例えば、熔融炭酸塩型燃料電池を使用してもよい。 For example, various types of fuel cells can be used as the fuel cell, and the fuel cell is not limited to a solid polymer fuel cell. Specifically, for example, a molten carbonate fuel cell may be used.
例えば、水素供給部は、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素を供給する構成であるとしたが、例えば、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素を供給する装置であっても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素を供給する装置であっても良い。 For example, the hydrogen supply unit is configured to supply hydrogen from a tank that compresses and stores hydrogen. However, for example, the hydrogen supply unit may be a device that supplies hydrogen from a hydrogen storage alloy that stores hydrogen, or a natural supply unit. An apparatus that supplies hydrogen from a reformer that takes out hydrogen by reforming a hydrocarbon fuel such as gas, methanol, or gasoline may be used.
・変形例2:
上記実施形態では、残留水除去処理の一例を示した。しかし、上記の残留水除去処理の手順はあくまで一例であり、種々の変形が可能である。例えば、一部のステップを省略してもよいし、更なる他のステップを追加してもよい。また、実行されるステップの順序を変更してもよい。
Modification 2
In the said embodiment, an example of the residual water removal process was shown. However, the procedure of the residual water removal process is merely an example, and various modifications can be made. For example, some steps may be omitted, and other steps may be added. Further, the order of the steps to be executed may be changed.
例えば、アノード側の脈動を開始する(図2のステップS12、図5,7のステップS32実行前)前に、残留水の量を推定(図2のステップS18、図5のステップS38、図7のステップS52)してもよい。そうすれば、残留水を除去する必要が無い場合において、アノード側の脈動が開始されてしまうことを抑制することができ、残留水除去処理の効率をさらに向上させることができる。 For example, the amount of residual water is estimated (step S18 in FIG. 2, step S38 in FIG. 5, FIG. 7) before starting the pulsation on the anode side (before execution of step S12 in FIG. 2 and step S32 in FIGS. 5 and 7). Step S52). If it does so, when it is not necessary to remove residual water, it can suppress that the pulsation by the side of an anode is started, and the efficiency of a residual water removal process can be improved further.
例えば、図2のステップS12、図5,7のステップS32においては、アノード側の脈動(アノード流路に供給される水素ガスの圧力の増減、流量の増減、インジェクタ開度の増減)に代えて、他の方法を用いて、残留水の除去を実施してもよい。 For example, in Step S12 of FIG. 2 and Step S32 of FIGS. 5 and 7, instead of pulsation on the anode side (increase / decrease in pressure of hydrogen gas supplied to the anode flow path, increase / decrease in flow rate, increase / decrease in injector opening). Other methods may be used to remove residual water.
・変形例3:
上記実施例では、燃料電池システムは、燃料電池で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるものとしたが、他の態様を採用することもできる。例えば、燃料電池システムを、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
・ Modification 3:
In the above embodiment, the fuel cell system is a system mounted on a vehicle that travels using the power generated by the fuel cell, but other modes can also be adopted. For example, the fuel cell system may be applied to a system installed as a power source for a house or facility, or may be applied to a system mounted as a power source on an electromechanical device that operates by electricity.
10…燃料電池システム
20…燃料電池
110…制御部
112…電流計測部
113…電圧計測部
120…水素供給部
121…インジェクタ
122…水素ポンプ
123…供給路側圧力計
124…アノード流路
125…排出路側圧力計
126…シャット弁
130…酸素供給部
131…フローメーター
134…カソード流路
135…排出路側圧力計
136…調圧弁
140…冷却部
141…ラジエーター
142…ウォーターポンプ
143…水温計
n…変数
ΔVn…電圧変化
Pn…アノード圧損
DESCRIPTION OF
Claims (1)
ガス流路を備える燃料電池と、
前記ガス流路内に残留している残留水を除去するための除去部と、
を備え、
前記除去部は、
前記残留水の除去中における前記燃料電池の電圧変化率と、前記残留水の除去中における前記ガス流路の圧力損失の変化率と、のうちの少なくともいずれか一方に基づいて、前記残留水の量を推定し、
推定された前記残留水の量に応じて、さらなる前記残留水の除去が必要か否かを判定する、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell comprising a gas flow path;
A removal section for removing residual water remaining in the gas flow path;
With
The removing unit is
Based on at least one of the voltage change rate of the fuel cell during the removal of the residual water and the change rate of the pressure loss of the gas flow path during the removal of the residual water, the residual water Estimate the quantity,
A fuel cell system that determines whether or not further removal of the residual water is necessary according to the estimated amount of the residual water.
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2014
- 2014-04-10 JP JP2014080987A patent/JP2015201408A/en not_active Withdrawn
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