JP2016038973A - Fuel battery system and control method for the same - 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システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
発電用酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックは、燃料ガスが流れる燃料ガス通路と、発電用酸化剤ガスが流れる発電用酸化剤ガス通路と、冷却用酸化剤ガスが流れる冷却用酸化剤ガス通路とを備え、燃料電池スタックが冷却用酸化剤ガスでもって冷却される空冷式の燃料電池システムが公知である(例えば特許文献1参照)。 The fuel cell stack includes a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between the oxidant gas for power generation and the fuel gas. An air-cooled fuel cell system that includes a passage and a cooling oxidant gas passage through which a cooling oxidant gas flows is known in which a fuel cell stack is cooled with a cooling oxidant gas (see, for example, Patent Document 1). ).
特許文献1では、燃料電池スタックの各単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、膜電極接合体の他方の側に設けられ発電用酸化剤ガスが流れる発電用酸化剤ガス流通路とを備えている。燃料電池スタックの各単セルの燃料ガス流通路を並列に接続することにより燃料ガス通路が形成され、各単セルの発電用酸化剤ガス流通路を並列に接続することにより発電用酸化剤ガス通路が形成される。燃料ガス流通路内の燃料ガスの流れ方向と発電用酸化剤ガス流通路内の発電用酸化剤ガスの流れ方向とは互いに垂直な向きである。発電用酸化剤ガス流通路内の発電用酸化剤ガスの流れ方向と冷却用酸化剤ガス流通路内の冷却用酸化剤ガスの流れ方向とが互いに同じ向きである。
In
空冷式の燃料電池システムは、水冷式の燃料電池システムと比較して、構造が簡易であり、配管及び付属機器の点数が少なく、占有空間、重量及びコストなどが削減でき、メインテナンスも容易であるなどの利点を有している。そのため、空冷式の燃料電池システムについて研究開発が進められている。 The air-cooled fuel cell system has a simpler structure than the water-cooled fuel cell system, has fewer pipes and accessory equipment, can occupy less space, weight and cost, and is easy to maintain. It has the advantages such as. For this reason, research and development have been conducted on air-cooled fuel cell systems.
しかしながら、空冷式の燃料電池システムは、水冷式の燃料電池システムと比較して、冷却効率が低く、冷却効果が小さいという特徴を有している。そのため、空冷式の燃料電池システムでは、高出力運転のように発熱量が多い状況において、温度が十分に下がらない箇所が出現するおそれがある。例えば、酸化剤ガス流通路の出口付近の領域では、燃料電池の発電に伴う熱で加熱された酸化剤ガスが集中するために温度が十分に下がり難く、その結果、その領域の膜電極接合体は比較的高温になる。ここで、膜電極接合体が低温であるならば、カソード極で生成された水が電解質を介してアノード極側に拡散し、アノード極側の電解質や電極が潤う。しかし、膜電極接合体が比較的高温になるので、カソード極で生成された水が蒸発してしまい、電解質を介してアノード極側に拡散し難くなり、アノード極側の電解質や電極がカソード極側に比べて大きく乾燥してしまう。その結果、電解質のイオン導電性の低下などにより電気化学反応が低下して発電効率が低下してしまう。アノード極側の電解質や電極の乾燥を抑制する技術が望まれる。 However, the air-cooled fuel cell system has characteristics that the cooling efficiency is low and the cooling effect is small as compared with the water-cooled fuel cell system. Therefore, in the air-cooled fuel cell system, there may be a portion where the temperature does not sufficiently decrease in a situation where the amount of heat generation is large as in the case of high output operation. For example, in the region near the outlet of the oxidant gas flow passage, the oxidant gas heated by the heat generated by the power generation of the fuel cell is concentrated, so that the temperature is not sufficiently lowered. As a result, the membrane electrode assembly in that region Becomes relatively hot. Here, if the membrane electrode assembly is at a low temperature, the water generated at the cathode electrode diffuses to the anode electrode side through the electrolyte, and the electrolyte and electrode on the anode electrode side are moistened. However, since the membrane / electrode assembly becomes relatively high in temperature, the water produced at the cathode electrode evaporates, making it difficult to diffuse to the anode electrode side through the electrolyte. It will dry greatly compared to the side. As a result, the electrochemical reaction is lowered due to a decrease in the ionic conductivity of the electrolyte, and the power generation efficiency is lowered. A technique for suppressing drying of the electrolyte and electrodes on the anode electrode side is desired.
本発明の一の観点によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、前記膜電極接合体の他方の側に設けられ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流通路とを備え、前記燃料ガス流通路内の前記燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流通路内の前記酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるようにこれら燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路が形成されており、前記燃料電池スタックが冷却ガスでもって冷却される空冷式燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス流通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵する水貯蔵部と、前記水貯蔵部に貯蔵された水を前記燃料ガス流通路の入口に供給するための水供給部と、を備えた空冷式燃料電池システムが提供される。 According to one aspect of the present invention, a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas is provided. The fuel cell stack includes a membrane electrode assembly, and a membrane electrode assembly. A fuel gas flow passage that is provided on one side and through which the fuel gas flows; and an oxidant gas flow passage that is provided on the other side of the membrane electrode assembly and through which the oxidant gas flows. The fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are formed so that the flow direction of the fuel gas and the flow direction of the oxidant gas in the oxidant gas flow path are opposite to each other. An air-cooled fuel cell system in which a stack is cooled with a cooling gas, wherein the water storage unit condenses moisture in the cathode offgas flowing out from the oxidant gas flow passage and stores the condensed water, Air-cooled fuel cell system including a water supply unit, a for supplying stored in the storage unit water inlet of the fuel gas flow passage is provided.
本発明の他の観点によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、前記膜電極接合体の他方の側に設けられ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流通路とを備え、前記燃料ガス流通路内の前記燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流通路内の前記酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるようにこれら燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路が形成されており、前記燃料電池スタックが冷却ガスでもって冷却される空冷式燃料電池システムの制御方法であって、水貯蔵部により、前記酸化剤ガス通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵し、検出部により、前記燃料電池スタックの状態を検出し、前記燃料電池スタックの状態に基づいて、水供給部により、前記水貯蔵部から前記燃料ガス通路の入口に供給する水の量を制御する、空冷式燃料電池システムの制御方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas is provided. The fuel cell stack includes a membrane electrode assembly, and a membrane electrode assembly. A fuel gas flow passage that is provided on one side and through which the fuel gas flows; and an oxidant gas flow passage that is provided on the other side of the membrane electrode assembly and through which the oxidant gas flows. The fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are formed so that the flow direction of the fuel gas and the flow direction of the oxidant gas in the oxidant gas flow path are opposite to each other. A control method of an air-cooled fuel cell system in which a stack is cooled with a cooling gas, wherein water in the cathode offgas flowing out from the oxidant gas passage is condensed and condensed water is discharged by a water storage unit. The state of the fuel cell stack is detected by the storage unit, and the amount of water supplied from the water storage unit to the inlet of the fuel gas passage is determined by the water supply unit based on the state of the fuel cell stack. A method for controlling an air-cooled fuel cell system is provided.
空冷式燃料電池システムにおいて、アノード極側の電解質や電極の乾燥を抑制することができる。 In the air-cooled fuel cell system, drying of the electrolyte and electrodes on the anode electrode side can be suppressed.
図1を参照すると、燃料電池システムAは燃料電池スタック10を備える。燃料電池スタック10は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体20を含む。膜電極接合体20は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
Referring to FIG. 1, the fuel cell system A includes a
燃料電池単セルのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック10の電極を構成する。燃料電池スタック10の電極はDC/DCコンバータ11を介してインバータ12に電気的に接続され、インバータ12はモータジェネレータ13に電気的に接続される。また、燃料電池システムAは蓄電器14を備えており、この蓄電器14はDC/DCコンバータ15を介して上述のインバータ12に電気的に接続される。DC/DCコンバータ11は燃料電池スタック10からの電圧を高めてインバータ12に送るためのものであり、インバータ12はDC/DCコンバータ11又は蓄電器14からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。DC/DCコンバータ15は燃料電池スタック10又はモータジェネレータ13から蓄電器14への電圧を低くし、又は蓄電器14からモータジェネレータ13への電圧を高くするためのものである。なお、図1に示される燃料電池システムAでは蓄電器14はバッテリから構成される。
The anode electrode and the cathode electrode of the single fuel cell are electrically connected in series, and constitute an electrode of the
また、燃料電池単セル内には、図2に示されるように、膜電極接合体20の一方の側に設けられアノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路30aと、膜電極接合体20の他方の側に設けられカソード極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通路40aと、燃料電池単セルに冷却ガスを供給するための冷却ガス流通路50aとがそれぞれ形成されている。複数の燃料電池単セルの燃料ガス流通路30a、酸化剤ガス流通路40a、及び冷却ガス流通路50aをそれぞれ並列又は直列に接続することにより、燃料電池スタック10には燃料ガス通路30、酸化剤ガス通路40、及び冷却ガス通路50がそれぞれ形成される。
Further, as shown in FIG. 2, the fuel cell single cell has a fuel
燃料ガス流通路30a及び酸化剤ガス流通路40aは、膜電極接合体20の両側を互いに並行に延びている。そして、燃料ガス流通路30aの入口30aiと、酸化剤ガス流通路40aの出口40aoとが互いに隣接するように、燃料ガス流通路30a内の燃料ガスの流れと、酸化剤ガス流通路40a内の酸化剤ガスの流れとが設定されている。具体的には、燃料ガス流通路30a内の燃料ガスの流れ方向と、酸化剤ガス流通路40a内の酸化剤ガスの流れ方向とが、膜電極接合体20の両側において互いに逆向きになるように、燃料ガス流通路30a及び酸化剤ガス流通路40aが形成されている。したがって、膜電極接合体20のアノード極側を流れる燃料ガスと、膜電極接合体20のカソード極側を流れる酸化剤ガスとは、互いに向かい合う向きに流れる。このとき、燃料ガス流通路30a内の燃料ガスと、酸化剤ガス流通路40a内の酸化剤ガスとは、対向流を形成しているということができる。このとき、各ガスの流れの向きは、厳密な意味で互いに逆向き(互いに向かい合う向き)である必要はなく、少しの交差を有しつつ概ね互いに逆向きであってもよい。図1及び図2に示す実施例では、燃料ガス流通路30aの入口30aiと酸化剤ガス流通路40aの出口40aoとが概ね隣接し、燃料ガス通路30の入口と酸化剤ガス通路40の出口とが概ね隣接している。また、燃料ガス流通路30aの出口30aoと酸化剤ガス流通路40aの入口40aiとが概ね隣接している。
The fuel
また、冷却ガス流通路50aと酸化剤ガス流通路40aとは、燃料電池スタック10内で互いに並行に延びている。図2に示す実施例では、冷却ガス流通路50a内の冷却ガスの流れ方向と酸化剤ガス流通路40a内の酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるように、冷却ガス流通路50aが形成されることが好ましい。すなわち、冷却ガス流通路50a内の冷却ガスと、酸化剤ガス流通路40a内の酸化剤ガスとは、上記された意味で対向流を形成することが好ましい。この場合、温度が比較的高い酸化剤ガス流通路40aの出口40ao付近の領域と、温度が比較的低い冷却ガス流通路50aの入口50ai付近の領域とが隣接するので、酸化剤ガス流通路40aの出口40ao付近の膜電極接合体20を効率的に冷却でき、その付近のカソード極及びカソード極側の電解質の乾燥を効果的に抑制できる。
The cooling
燃料ガス通路30の入口には燃料ガス供給管31が連結され、燃料ガス供給管31は燃料ガス源32に連結される。図1に示される実施例では、燃料ガスは水素ガスから形成され、燃料ガス源32は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管31内には上流側から順に、遮断弁33と、燃料ガス供給管31内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ34と、燃料ガス源32からの燃料ガスを燃料電池スタック10に供給するための燃料ガスインジェクタ35と、が配置される。一方、燃料ガス通路30の出口にはアノードオフガス管36が連結される。遮断弁33が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ35が開弁されると、燃料ガス源32内の燃料ガスが燃料ガス供給管31を介して燃料電池スタック10内の燃料ガス通路30内に供給される。このとき燃料ガス通路30から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管36内に流入する。アノードオフガス管36内にはアノードオフガス管36内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス制御弁37が配置される。
A fuel
また、酸化剤ガス通路40の入口には酸化剤ガス供給管41が連結され、酸化剤ガス供給管41は酸化剤ガス源42に連結される。図1に示される実施例では、酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源42は大気である。酸化剤ガス供給管41内にはガスクリーナ43が配置される。一方、酸化剤ガス通路40の出口にはカソードオフガス管45の入口が連結され、カソードオフガス管45の出口は大気に連通される。カソードオフガス管45内には、ブロア44と放熱器46とが配置される。この場合、ブロア44の入口は酸化剤ガス通路40に連結され、ブロア44の出口は放熱器46に連結される。ブロア44が駆動されると、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給管41に引き込まれ、酸化剤ガス供給管41を介して燃料電池スタック10内の酸化剤ガス通路40内に供給される。このとき酸化剤ガス通路40から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管45内に流入し、ブロア44に吸入された後に、ブロア44から吐出され、放熱器46で放熱されて温度を下げられて、そのまま排気される。図示しない別の実施例では、カソードオフガス管45の出口はアノードオフガス希釈器に連結され、放熱器46で温度を下げられたカソードオフガスはアノードオフガスの希釈に利用される。図示しない更に別の実施例では、ブロア44の代わりに酸化剤ガス供給管41内にコンプレッサが配置され、コンプレッサが駆動されると、酸化剤ガス供給管41を介して燃料電池スタック10内の酸化剤ガス通路40内に供給される。
An oxidant
燃料電池システムAは、更に、酸化剤ガス流通路40aから流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に、凝縮された水を貯蔵する水貯蔵部68と、水貯蔵部68に貯蔵された水を燃料ガス流通路30aの入口に供給するための水供給部69とを備える。図1に示す実施例では、カソードオフガス管45の途中にカソードオフガス管45から分岐する分岐管61が連結され、分岐管61内に水貯蔵部68と水供給部69とが配置される。分岐管61は燃料ガスインジェクタ35下流の燃料ガス供給管31に連結され、水供給部69は水貯蔵部68に貯蔵された水を燃料ガス供給管31に供給する。別の実施例では、図3に示すように、分岐管61は燃料ガス通路30の入口に連結され、水供給部69は水貯蔵部68に貯蔵された水を燃料ガス通路30の入口に供給する。
The fuel cell system A further condenses the moisture in the cathode offgas flowing out from the oxidant
図1に示す実施例では、水貯蔵部68は、カソードオフガス管45から分岐管61内へ流れ込むカソードオフガスの量を制御する制御弁62と、カソードオフガス中の水分を凝縮する凝縮器63と、凝縮器63で凝縮された水を貯蔵する水タンク64と、凝縮器63で水分を除去されたカソードオフガスを外部へ排出する排気管61a内に設けられた排気弁67とを備える。図1に示す実施例では制御弁62は分岐管61の入口に配置された三方弁である。この場合、制御弁62はカソードオフガス管45を分岐管61に連通するか、又は、分岐管61から分離する。図示しない別の実施例では、制御弁62は分岐管61内に設けられた二方弁である。また、図示しない更に別の実施例では、凝縮器63と水タンク64とは一体である。一方、水供給部69は、水貯蔵部68に貯蔵された水に含まれるイオン性の不純物を除去するイオン交換器65と、水貯蔵部68に貯蔵された水を燃料ガス供給管31内に噴射する供給水インジェクタ66とを備える。図示しない別の実施例では、イオン交換器65は省略される。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61に連通され、排気弁67が開弁されると、カソードオフガス管45からカソードオフガスの一部又は全部が分岐管61に流入し、流入したカソードオフガス中の水分が凝縮器63により凝縮される。凝縮された水は水タンク64に貯蔵され、水分を除去された後のカソードオフガスは排気管61aから外部へ排出されるか、又は、アノードオフガスの希釈などに使用される。水タンク64に貯蔵された水は、イオン交換器65でイオン性の不純物を除去され、供給水インジェクタ66で燃料ガス供給管31へ送出される。図示しない別の実施例では、制御弁62を用いず、カソードオフガス管45内に水貯蔵部68と水供給部69とが配置され、カソードオフガス管45の出口が燃料ガス供給管31に連結されて、カソードオフガスの全量が常時、水貯蔵部68を通過して排気弁67から排気される。
When the
冷却ガス通路50の入口には冷却ガス供給管51が連結され、冷却ガス供給管51は冷却ガス源52に連結される。図1に示される実施例では、冷却ガスは空気から形成され、冷却ガス源52は大気から形成される。冷却ガス供給管51内には冷却ガスブロア54が配置される。一方、冷却ガス通路50の出口には冷却ガス排出管53の入口が連結され、冷却ガス排出管53の出口は大気に連通される。冷却ガスブロア54が駆動されると、冷却ガスが冷却ガス供給管51を介して燃料電池スタック10内の冷却ガス通路50内に供給される。このとき、冷却ガス通路50から流出する冷却ガス、すなわち排冷却ガスは冷却ガス排出管53に流入し、そのまま排気される。図示しない別の実施例では、冷却ガス供給管51の出口はアノードオフガス希釈器に連結され、冷却ガスはアノードオフガスの希釈に利用される。図示しない更に別の実施例では、冷却ガスブロア54の代わりにコンプレッサが用いられる。このように、図1に示す実施例の燃料電池システムAは、空冷式である。
A cooling
電子制御ユニット70はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス71によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)72、RAM(ランダムアクセスメモリ)73、CPU(マイクロプロセッサ)74、入力ポート75及び出力ポート76を具備する。燃料ガスインジェクタ35と燃料電池スタック10との間の燃料ガス供給管31には燃料ガス供給管31内の圧力を検出する圧力センサ81が取り付けられる。また、燃料電池スタック10の酸化剤ガス流通路40aの出口、すなわち燃料ガス流通路30aの入口付近には、その付近での燃料電池単セルの温度、すなわちセル温度を検出する温度センサ82が取り付けられる。また、燃料電池スタック10には出力電流値及び出力電圧値を検出する出力センサ83が取り付けられる。また、水タンク64には水タンクの水量を計測する水量センサ84が取り付けられる。燃料電池スタック10のセル温度、出力電流値及び出力電圧値は燃料電池スタック10の状態と見ることができ、温度センサ82及び出力センサ83は、燃料電池スタック10の状態を検出する検出部と見ることができる。圧力センサ81、温度センサ82及び出力センサ83の出力信号は対応するAD変換器77を介して入力ポート75に入力される。一方、出力ポート76は対応する駆動回路78を介して遮断弁33、レギュレータ34、燃料ガスインジェクタ35、アノードオフガス制御弁37、ブロア44、冷却ガスブロア54、制御弁62、排気弁67、供給水インジェクタ66に電気的に接続される。
The
ところで、燃料電池スタック10で発電すべきときには遮断弁33及び燃料ガスインジェクタ35が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック10に供給される。また、ブロア44が駆動され、空気が燃料電池スタック10に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応(H2→2H++2e−,(1/2)O2+2H++2e−→H2O)が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ13に送られる。その結果、モータジェネレータ13が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ13が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器14に蓄えられる。
By the way, when the
図1に示される燃料電池システムAでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ13の負荷及び蓄電器14の蓄電量に応じて燃料電池スタック10の目標電流値及び目標電圧値が求められる。次いで、燃料電池スタック10の出力電流値及び出力電圧値をそれぞれ目標電流値及び目標電圧値にするのに必要な燃料ガス量及び酸化剤ガス量、すなわち目標燃料ガス供給量及び目標酸化剤ガス供給量が求められる。次いで、燃料電池スタック10に送られる燃料ガス量が目標燃料ガス供給量となるようにレギュレータ34及び燃料ガスインジェクタ35が制御され、燃料電池スタック10に送られる酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス供給量となるようにブロア44が制御される。以上のようにして、燃料電池システムAでの発電が制御される。
In the fuel cell system A shown in FIG. 1, when power is to be generated, for example, the target current value and target of the
一方、図1に示される燃料電池システムAでは、燃料電池スタック10の温度を表す冷却ガス温度が予め設定された目標温度範囲内に維持されるように冷却ガスブロア54が供給する冷却ガス量が制御される。具体的には、冷却ガス温度を予め定められた目標温度範囲内に維持するのに必要な冷却ガス量、すなわち目標冷却ガス量が算出される。次いで、冷却ガス量が目標冷却ガス量になるように冷却ガスブロア54が制御される。以上のようにして、燃料電池システムAでの冷却が制御される。
On the other hand, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, the amount of cooling gas supplied by the cooling
ところが、空冷式燃料電池システムは、高出力運転のように発熱量が多い状況では、酸化剤ガス流通路40aの出口40ao付近、すなわちカソード極側出口付近のセル温度が高くなり過ぎて、膜電極接合体20のカソード極側から水分が蒸発して、反対側のアノード極側が大きく乾燥してしまうおそれがある。そうなると、膜電極接合体20での電気化学反応が低下して、燃料電池スタック10の出力が低下してしまう。そこで、図1に示す実施例では、酸化剤ガス流通路40aの出口40ao付近でのセル温度が予め設定された閾値温度より高くなると、水貯蔵部68に貯蔵された水を所定の流量で水供給部69から燃料ガス流通路30aの入口30aiへ向けて送出させるようにしている。すなわち、燃料ガス流通路30aの入口30ai、すなわちアノード極側入口から水分を補充することで、膜電極接合体20のアノード極側が乾燥することを回避することができる。その結果、膜電極接合体20でのアノード極入口付近での電気化学反応を維持することができ、燃料電池スタック10の出力の低下を防止できる。加えて、各セルにおいて、膜電極接合体20での電気化学反応の面内分布を均一化することができる。更に、水分の供給により温度の高いアノード極入口付近、すなわちカソード極出口付近が冷やされるので、膜電極接合体20での温度の面内分布を均一化することができる。また、膜電極接合体20が冷やされ、水の蒸発が低減されるので、カソード極及びカソード極側の電解質についても水分で潤うことができる。
However, in the situation where the air-cooled fuel cell system generates a large amount of heat as in high output operation, the cell temperature near the outlet 40ao of the oxidant
ここで、酸化剤ガス流通路40aの出口40ao付近、すなわちカソード極側出口付近の閾値温度T0は以下のようにして決定される。燃料電池スタック10の出力電流値が大きいほど発熱量が大きくなり、出力電圧値が小さいほど発熱量が大きくなるため、セル温度が上昇し易くなる。その結果、膜電極接合体20のカソード極側から水分が蒸発して、反対側のアノード極側が大きく乾燥する状況が発生し易くなる。したがって、それに対処するために、出力電流値が大きいほど閾値温度T0が低くなり、出力電圧値が小さいほど閾値温度T0が低くなるように閾値温度T0を設定する。言い換えれば、出力電流値が小さいほど閾値温度T0が高くなり、出力電圧値が大きいほど閾値温度T0が高くなるように閾値温度T0が設定される。それにより、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方の場合には、迅速に、水貯蔵部68に貯蔵された水を所定の流量で水供給部69から燃料ガス流通路30aの入口へ向けて送出させることができる。すなわち、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方であり、膜電極接合体20のアノード極側で水が不足しそうな場合を早期に検出して、燃料ガス流通路30aの入口30aiからアノード極側へ水分を迅速に補充できる。そのような閾値温度T0は、出力電流値及び出力電圧値の関数として予め設定されており、例えば図4に示される出力電流値I(I1、…、In)及び出力電圧値V(V1、…、Vm)と閾値温度T0(T011、…、T0mn)との関係を示すマップの形でROM72内に予め記憶されている。別の実施例では、閾値温度T0は目標電流値及び目標電圧値の関数として予め設定される。この場合、出力電流値及び出力電圧値を用いる場合と比較して、膜電極接合体20のアノード極側で水が不足しそうな場合をより早期に検出して、燃料ガス流通路30aの入口30aiからアノード極側へ水分をより迅速に補充できる。更に別の実施例では、閾値温度T0は一定値である。
Here, the threshold temperature T0 in the vicinity of the outlet 40ao of the oxidant
また、水供給部69から供給される水の流量Qは以下のようにして決定される。燃料電池スタック10の出力電流値が大きいほど発熱量が大きくなり、出力電圧値が小さいほど発熱量が大きくなるため、セル温度が上昇し易くなる。その結果、膜電極接合体20のアノード極側で不足する水の量が多くなる。したがって、それに対処するために、出力電流値が大きいほど流量Qが多くなり、出力電圧値が小さいほど流量Qが多くなるように流量Qを設定する。言い換えれば、出力電流値が小さいほど流量Qが少なくなり、出力電圧値が大きいほど流量Qが少なくなるように流量Qが設定される。それにより、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方の場合には、十分な量の水を、水供給部69から燃料ガス流通路30の入口へ向けて送出させることができる。すなわち、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方であり、膜電極接合体20のアノード極側で多量の水が不足しそうな場合を検出して、燃料ガス流通路30aの入口30aiからアノード極側へ十分な量の水分を補充できる。そのような流量Qは、出力電流値及び出力電圧値の関数として予め設定されており、例えば図5に示される出力電流値I(I1、…、In)及び出力電圧値V(V1、…、Vm)と流量Q(Q11、…、Qmn)との関係を示すマップの形でROM72内に予め記憶されている。別の実施例では、流量Qは目標電流値及び目標電圧値の関数として予め設定される。更に別の実施例では、流量Qは一定の流量である。
Further, the flow rate Q of water supplied from the
上記の流量Qは出力電流値及び出力電圧値に基づいて設定されているが、燃料電池スタック10の現実の状態によっては流量Qが十分でない状況も考え得る。そこで、図1の実施例では、そのような状況に応じて、流量Qを所定の増分ずつ増加させて対応する。流量Qを増加させる増分ΔQは、流量Qと同様の考え方で決定される。すなわち増分ΔQは、出力電流値が大きいほど増分ΔQが多くなり、出力電圧値が小さいほど増分ΔQが多くなるように増分ΔQが設定される。言い換えると、出力電流値が小さいほど増分ΔQが少なくなり、出力電圧値が大きいほど増分ΔQが少なくなるように増分ΔQが設定される。そのような増分ΔQは、出力電流値及び出力電圧値の関数として予め設定されており、例えば図6に示される出力電流値I(I1、…、In)及び出力電圧値V(V1、…、Vm)と増分ΔQ(ΔQ11、…、ΔQmn)との関係を示すマップの形でROM72内に予め記憶されている。別の実施例では、増分ΔQは目標電流値及び目標電圧値の関数として予め設定される。更に別の実施例では、増分ΔQは一定の量である。
The flow rate Q is set based on the output current value and the output voltage value. However, depending on the actual state of the
次に、カソードオフガスの水分を燃料ガス通路30の入口に供給するための制御、すなわち水供給制御について図7を参照して説明する。
Next, control for supplying moisture of the cathode off-gas to the inlet of the
水タンク64の水は、カソードオフガスが凝縮器63内を流通することにより凝縮器63内で生成される。言い換えると、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61に連通され、排気弁67が開弁されて、カソードオフガスが分岐管61に流入することにより、水タンク64の水の生成が開始される。一方、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61から分離され、排気弁67が閉弁されて、カソードオフガスが分岐管61に流入しなくなることにより、水タンク64の水の生成が停止される。
Water in the
図7においてXは、温度センサ82により測定されるセル温度Tが閾値温度T0よりも高い状態にあることを示している。ただし、閾値温度T0は、出力センサ83で検出された出力電流値I及び出力電圧値Vに基づいて、図4に示されるマップから算出される。時間t1において、セル温度Tが閾値温度T0よりも高い状態にあることが検知されると、供給水インジェクタ66が作動され、水タンク64の水が流量Q=Qaで燃料ガス供給管31へ噴射される。ただし、初期の流量Qaは、出力センサ83で検出された出力電流値I及び出力電圧値Vに基づいて、図5に示されるマップから算出される。それにより、水タンク64の水が燃料ガス通路30の入口に供給され、膜電極接合体20のアノード極側の入口に流入する。その結果、アノード極側に水分が補充され、セル温度Tは低下し始める。このとき、例えば、水量センサ84で検出された水タンク64の水量が閾値水量P0以上の場合、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61から分離され、排気弁67が閉弁(図示されず)された状態が維持される。その結果、凝縮器63へアノードオフガスが流入せず、凝縮器63で凝縮水が生成されない。すなわち、水タンク63からの水の使用(供給水インジェクタ66による噴射)が行われ、水タンク63での水の生成(凝縮器63による凝縮水の生成)は行われない。
In FIG. 7, X indicates that the cell temperature T measured by the
時間t2、すなわち時間t1から所定時間Δtsの経過後、温度センサ82によりセル温度Tが測定される。温度センサ82により測定されるセル温度Tが閾値温度T0よりも高い状態にあることが検知されると、供給水インジェクタ66から噴射される水の流量Qが増分ΔQだけ増加され、水タンク64の水が流量Q=Qb(=Qa+ΔQ)で燃料ガス供給管31へ噴射される。ただし、増分ΔQは、出力センサ83で検出された出力電流値I及び出力電圧値Vに基づいて、図6に示されるマップから算出される。それにより、水タンク64の水が増加された流量Qbで燃料ガス通路30の入口に供給され、膜電極接合体20のアノード極側の入口に流入する。その結果、アノード極側に水分が更に補充され、セル温度Tは更に低下する。このとき、水タンクの水量Pは、時間t1〜t2での水の噴射による減少で、例えば、元の水量P0から減少して水量Paになる。すなわち、水量センサ84で検出された水タンク64の水量が閾値水量P0未満であるため、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61に連通され、排気弁67が開弁される(図示されず)。その結果、凝縮器63へ流入するアノードオフガスが流入し、凝縮器63で凝縮水が生成され、水タンク64で貯蔵される。すなわち、水タンク63からの水の使用(供給水インジェクタ66による噴射)と、水タンク63での水の生成(凝縮器63による凝縮水の生成)とが同時に行われる。
After a lapse of a predetermined time Δts from time t2, that is, from time t1, the cell temperature T is measured by the
以下、同様のプロセスを、温度センサ82により測定されるセル温度Tが閾値温度T0以下になるまで繰り返される。ここでは、時間t4にセル温度Tが閾値温度T0になる場合を説明する。
Thereafter, the same process is repeated until the cell temperature T measured by the
時間t3、すなわち時間t2から所定時間Δtsの経過後、温度センサ82によりセル温度Tが測定される。温度センサ82により測定されるセル温度Tが閾値温度T0よりも高い状態にあることが検知されると、供給水インジェクタ66から噴射される水の流量Qが更に増分ΔQだけ増加され、水タンク64の水が流量Q=Qc(=Qb+ΔQ)で燃料ガス供給管31へ噴射される。それにより、水タンク64の水が増加された流量Qcで燃料ガス通路30の入口に供給され、膜電極接合体20のアノード極側の入口に流入する。その結果、アノード極側に水分が更に補充され、セル温度Tは更に低下する。このとき、水タンクの水量Pは、時間t2〜t3での水の噴射による減少と、凝縮器63へ流入するアノードオフガスの水分の凝縮による増加とで変動し、例えば、水量Paから減少して水量Pb(<Pa)になる。すなわち、水量センサ84で検出された水タンク64の水量が閾値水量P0未満であるため、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61に連通され、排気弁67が開弁された状態が維持される。
After a lapse of a predetermined time Δts from time t3, that is, from time t2, the cell temperature T is measured by the
時間t4、すなわち時間t3から所定時間Δtsの経過後、温度センサ82によりセル温度Tが測定される。温度センサ82により測定されるセル温度Tが閾値温度T0以下であることが検知されると、供給水インジェクタ66が停止される。すなわち、水の流量Qはゼロになる。このとき、水タンクの水量Pは、時間t3〜t4での水の噴射による減少と、凝縮器63へ流入するアノードオフガスの水分の凝縮による増加とで変動し、例えば水量Pbから減少して水量Pc(<Pb)になる。すなわち、水量センサ84で検出された水タンク64の水量が閾値水量P0未満であるため、水タンク64の水の補給を行うべく、供給水インジェクタ66が停止した後も制御弁62及び排気弁67の開弁の状態が維持される。それにより、アノードオフガスが凝縮器63へ導入され、アノードオフガス中の水分が凝縮されて、水タンク64の水量Pが増加する。ただし、所定時間Δtsの経過ごとに、水タンク64の水量Pが閾値水量P0に達したか否かが判断される。その後、例えば時間t5において、水タンク64の水量Pが閾値水量P0に達すると、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61から分離され、排気弁67が閉弁される。別の実施例では、制御弁62は中間の開度(例示:50%など)とすることが可能で、上記時間t1〜t4において中間の開度で開弁する。
After a lapse of a predetermined time Δts from time t4, that is, from time t3, the cell temperature T is measured by the
図8は、図1の燃料電池システムAにおけるカソードオフガスの水分をアノード極側に供給するための制御、すなわち水供給制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。 FIG. 8 shows a control for supplying the cathode off-gas moisture to the anode electrode side in the fuel cell system A of FIG. 1, that is, a water supply control routine. This routine is executed by interruption at regular intervals.
図8を参照すると、ステップ100では燃料電池スタック10の状態データが取得される。状態データは、出力センサ83で検出される出力電流値及び出力電圧値並びに温度センサ82で検出されるセル温度Tである。続くステップ101ではセル温度Tが閾値温度T0よりも高いか否かが判別される。セル温度Tが閾値温度T0以下の場合、プロセスは終了する。セル温度Tが閾値温度T0より高い場合、水タンク64の水が供給水インジェクタ66から燃料ガス通路30の入口に向けて流量Qで噴射される。続くステップ103では水タンク64の水が閾値水量P0未満であるか否かが判別される。水タンク64の水が閾値水量P0以上である場合、プロセスはステップ105へ進む。水タンク64の水が閾値水量P0未満である場合、ステップ104において、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61に連通され、及び排気弁67が開弁される。そして、ステップ105での所定時間Δts経過後に、ステップ106ではセル温度Tが閾値温度T0以下か否かが判別される。セル温度Tが閾値温度T0以下の場合、プロセスはステップ108へ進む。セル温度Tが閾値温度T0より高い場合、ステップ107において図6のマップから増分ΔQが算出されると共に、供給水インジェクタ66から噴射される水の流量Qが増分ΔQだけ増加される。以下、セル温度Tが閾値温度T0以下になるまで、ステップ102〜107が繰り返される。セル温度Tが閾値温度T0以下のとき、ステップ108では制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61に連通され、排気弁67が開弁されている場合にはその状態が維持される。一方、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61から分離され、排気弁67が開弁されていない場合には、制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61に連通され、排気弁67が開弁される。その後、ステップ109において、水タンク64の水が閾値水量P0以上になるまで、水タンク64に水が蓄積される。その後、水タンク64の水が閾値水量P0以上になると、ステップ110において制御弁62によりカソードオフガス管45が分岐管61から分離され、排気弁67が閉弁される。
Referring to FIG. 8, in
次に、図9を参照して燃料電池システムAの別の実施例を説明する。
図9に示す燃料電池システムAは、カソードオフガス管45の出口が冷却ガス通路50の入口に連結され、すなわち酸化剤ガス通路40の出口が冷却ガス通路50の入口に連結され、カソードオフガスが冷却ガスとして冷却ガス通路50を流れる点で、図1に示す燃料電池システムAと相違する。このとき、図1に示す燃料電池システムAと同様の効果を奏すると共に、更に、冷却ガスブロア54を省略でき、冷却ガスブロア54の動作に要する電力、冷却ガスブロア54の占有空間及び冷却ガスブロア54のコストを削減できる。
Next, another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIG.
In the fuel cell system A shown in FIG. 9, the outlet of the
図示しない別の実施例では、カソードオフガスのうちの目標冷却ガス量のカソードオフガスが冷却ガス通路50に供給されるように、カソードオフガス管45の出口近傍に三方弁が設けられ、カソードオフガスの全部又は一部が冷却ガス通路50へ供給され、残りが外部へ排気される。図示しない更に別の実施例では、カソードオフガス管45の出口に加えて排気管61aの出口も冷却ガス通路50の入口に連結される。
In another embodiment (not shown), a three-way valve is provided in the vicinity of the outlet of the
次に、図10を参照して燃料電池システムAの更に別の実施例を説明する。
図10に示す燃料電池システムAは、分岐管61が冷却ガス排出管53から分岐され、排冷却ガスが分岐管61へ供給される点で、図9に示す燃料電池システムAと相違する。この場合、図9に示す燃料電池システムAと比較して、冷却ガス通路50を通過することで凝縮器63に贈られるカソードオフガスの温度は高くなっているので、分岐管61の途中に放熱器46aが追加的に設けられる。この場合にも、図9の燃料電池システムAと同様の効果を得ることができる。
Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIG.
The fuel cell system A shown in FIG. 10 is different from the fuel cell system A shown in FIG. 9 in that the
A 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
30a 燃料ガス流通路
40a 酸化剤ガス流通路
50a 冷却ガス流通路
68 水貯蔵部
69 水供給部
82 温度センサ
83 出力センサ
A
Claims (5)
前記酸化剤ガス流通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵する水貯蔵部と、
前記水貯蔵部に貯蔵された水を前記燃料ガス流通路の入口に供給するための水供給部と、
を備えた、
空冷式燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas is provided. The fuel cell stack is provided on one side of the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly, and the fuel gas flows. A fuel gas flow path; and an oxidant gas flow path that is provided on the other side of the membrane electrode assembly and through which an oxidant gas flows. The flow direction of the fuel gas in the fuel gas flow path and the oxidant gas The fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage are formed so that the flow directions of the oxidant gas in the flow passage are opposite to each other, and the air cooling in which the fuel cell stack is cooled with a cooling gas. Fuel cell system,
A water storage unit for condensing moisture in the cathode offgas flowing out from the oxidant gas flow passage and storing the condensed water;
A water supply unit for supplying water stored in the water storage unit to an inlet of the fuel gas flow path;
With
Air-cooled fuel cell system.
前記水供給部は、前記燃料電池スタックの状態に基づいて、前記水貯蔵部から前記燃料ガス通路の入口に供給する水の量を制御する、請求項1から3までのいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。 A detector for detecting a state of the fuel cell stack;
The said water supply part controls the quantity of the water supplied to the inlet_port | entrance of the said fuel gas channel | path from the said water storage part based on the state of the said fuel cell stack. Air-cooled fuel cell system.
水貯蔵部により、前記酸化剤ガス流通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵し、
検出部により、前記燃料電池スタックの状態を検出し、
前記燃料電池スタックの状態に基づいて、水供給部により、前記水貯蔵部から前記燃料ガス流通路の入口に供給する水の量を制御する、
空冷式燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas is provided. The fuel cell stack is provided on one side of the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly, and the fuel gas flows. A fuel gas flow path; and an oxidant gas flow path that is provided on the other side of the membrane electrode assembly and through which an oxidant gas flows. The flow direction of the fuel gas in the fuel gas flow path and the oxidant gas The fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage are formed so that the flow directions of the oxidant gas in the flow passage are opposite to each other, and the air cooling in which the fuel cell stack is cooled with a cooling gas. A control method for a fuel cell system,
The water storage unit condenses moisture in the cathode offgas flowing out from the oxidant gas flow passage and stores the condensed water,
The detection unit detects the state of the fuel cell stack,
Based on the state of the fuel cell stack, the water supply unit controls the amount of water supplied from the water storage unit to the inlet of the fuel gas flow passage.
Control method of air-cooled fuel cell system.
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