JP2022022560A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する2枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン(H+)伝導性を有する固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
例えば特許文献1では、排出ガス経路が連結された複数のスタックを備えたシステムで、第2燃料電池スタックの第2内部反応ガス流路からの排ガスの運動エネルギーを利用することによって、第1燃料電池スタックの第1内部反応ガス流路内の水を排出する、燃料電池システムが開示されている。
上記特許文献1に記載の燃料電池システムでは、運動エネルギーを発生させる駆動力として、複数のスタックのガス排出側に設けたそれぞれのタービンの駆動力(吸引力)を用いている。フラッディングが発生しやすいのは低電流域での燃料電池の使用時である。低電流域は、排出ガス圧の小さい発電領域であるため、燃料電池の入口と出口の圧力差を大きくできないことから、運動エネルギーを発生させようとすると無理やりタービンを回して吸引力を大きくする必要が生じる。そのため、余分な電力を消費し車両等の燃費の悪化を招く場合がある。
また、上記特許文献2に記載の燃料電池システムでは、一方のスタックのアノードオフガスを別のスタックに供給するだけでは定常状態であるため、燃料系ガス流路等の排水性を向上させる手段とはならない。
また、上記特許文献3に記載の燃料電池システムにおいては、脈動制御部は、エジェクタよりも上流のアノードガスの温度に基づいて、アノードガス圧力の脈動巾を変更している。しかし、燃料電池の排出ガス圧が低下した状態で、アノードガスを燃料電池に供給することで脈動を発生させる場合があり、任意のタイミングで脈動を発生させることが難しい。
第2燃料電池スタックと、
前記第1燃料電池スタック、及び、前記第2燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第1燃料電池スタックとを接続する第1供給流路と、
前記第1燃料電池スタックの各燃料極から排出された第1燃料オフガスを回収し、第1循環ガスとして前記第1燃料電池スタックに戻す第1循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第2燃料電池スタックとを接続する第2供給流路と、
前記第2燃料電池スタックの各燃料極から排出された第2燃料オフガスを回収し、第2循環ガスとして前記第2燃料電池スタックに戻す第2循環流路と、
第1開閉弁を備え、且つ、前記第1循環流路と前記第2供給流路とを接続し、前記第1燃料電池スタックを迂回して前記第2燃料電池スタックに前記第1循環ガスを供給することを可能にする第1バイパス流路と、
第2開閉弁を備え、且つ、前記第2循環流路と前記第1供給流路とを接続し、前記第2燃料電池スタックを迂回して前記第1燃料電池スタックに前記第2循環ガスを供給することを可能にする第2バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第1開閉弁および前記第2開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第1燃料電池スタックと前記第2燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第1ステップを実施し、
前記制御部は、前記第1ステップ後、前記第1燃料電池スタック及び前記第2燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第1燃料電池スタックであるときは、前記第1開閉弁を開き、一方、前記第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第2燃料電池スタックであるときは、前記第2開閉弁を開く第2ステップを実施することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
第2燃料電池スタックと、
前記第1燃料電池スタック、及び、前記第2燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第1燃料電池スタックとを接続する第1供給流路と、
前記第1燃料電池スタックの各燃料極から排出された第1燃料オフガスを回収し、第1循環ガスとして前記第1燃料電池スタックに戻す第1循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第2燃料電池スタックとを接続する第2供給流路と、
前記第2燃料電池スタックの各燃料極から排出された第2燃料オフガスを回収し、第2循環ガスとして前記第2燃料電池スタックに戻す第2循環流路と、
第1開閉弁を備え、且つ、前記第1循環流路と前記第2供給流路とを接続し、前記第1燃料電池スタックを迂回して前記第2燃料電池スタックに前記第1循環ガスを供給することを可能にする第1バイパス流路と、
第2開閉弁を備え、且つ、前記第2循環流路と前記第1供給流路とを接続し、前記第2燃料電池スタックを迂回して前記第1燃料電池スタックに前記第2循環ガスを供給することを可能にする第2バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第1開閉弁および前記第2開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第1燃料電池スタックと前記第2燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第1ステップを実施し、
前記制御部は、前記第1ステップ後、前記第1燃料電池スタック及び前記第2燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第1燃料電池スタックであるときは、前記第1開閉弁を開き、一方、前記第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第2燃料電池スタックであるときは、前記第2開閉弁を開く第2ステップを実施することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
なお、燃料系ガスとは、燃料ガス、燃料オフガス、及び、燃料ガスと循環ガスを含む混合ガスを包含する概念である。また、燃料系ガス流路とは、燃料ガス供給流路、燃料オフガス排出流路、循環流路、アノード入口マニホールド、アノード出口マニホールド等を含む概念である。
燃料電池の低電流域での発電では、燃料系ガスの流量が少なく燃料系ガスの流路等にフラッディングを生じやすい。フラッディングの原因となる燃料系ガス流路中の水を排出するために燃料系ガス流路下流(燃料オフガス排出流路等)と燃料系ガス流路上流(燃料ガス供給流路等)に圧力差を発生(=脈動)させることは有効である。
しかしながら、上記の通り従来技術では、任意のタイミングでの脈動が難しい。
その他脈動させる手段としては、燃料系ガス流路の圧力が燃料電池の通常運転時よりも相対的に高い状態で運転をして、一時的に燃料オフガスを排気すること等が挙げられる。しかし、燃料を無駄に排気することになり、車両等の燃費が悪化する。
また、その他脈動させる手段としては、燃料系ガス流路の圧力が燃料電池の通常運転時よりも相対的に低い状態で運転をして、一時的に高圧の燃料ガスを供給すること等が挙げられる。しかし、圧力が低い状態での燃料電池の運転は、低電流域での運転であるため、燃料ガスの流量が少ないことによるスタックの各単セル間の燃料ガスの分配不良と低燃料ガス分圧によるスタック全体の燃料ガス不足が発生するという問題がある。
本開示によれば、排水のための余分な電力の消費量を抑制しつつ、燃料電池の入口と出口の圧力差を発生させる際にも燃料系ガスの流量を調整することのみであり余分な燃料ガスを使用することなく、2つのスタックのフラッディングによる燃料不足の発生の抑制が可能となる。
また、本開示によれば、2つのスタックの内、圧力を下げるスタックでは循環ガス流量を増加させてもよい。これにより、スタック内での各単セルの各燃料極の分圧の低下に伴う各燃料極の燃料ガス分配不良による燃料ガス不足の発生を抑制することができる。また、気体の状態方程式により、圧力を下げたとしても反応するガスのモル数は変わらないため、燃料電池の発電効率が低下するおそれもほとんどない。
また、本開示でのフラッディング解消までの時間については例えば20~30秒程度であり、上記特許文献1のタービンONによるフラッディング解消までの時間よりは時間がかかる場合がある。しかし、本開示でのフラッディングが発生するまでの時間規模は約数分であるため、時間のかかるステップ1で燃料電池の入口と出口の圧力差を設けあらかじめフラッディングに備えておけば、ステップ2で圧力開放を行うことで直ちにフラッディングの解消が可能となる。
図1に示す燃料電池システム100は、第1燃料電池スタック11と、第1供給流路12と、第1循環流路13と、第2燃料電池スタック21と、第2供給流路22と、第2循環流路23と、燃料ガス供給部30と、第1開閉弁41を備える第1バイパス流路42と、第2開閉弁43を備える第2バイパス流路44と、制御部50と、温度検出部51と、電流検出部52と、電圧検出部53と、を備える。
燃料ガス供給部30と、第1開閉弁41と、第2開閉弁43と、温度検出部51と、電流検出部52と、電圧検出部53は、それぞれ制御部50と電気的に接続され、制御部50は燃料ガス供給部30と、第1開閉弁41と、第2開閉弁43を制御する。
電動機は、特に限定されず、従来公知のモータであってもよい。
第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックの各燃料電池スタックは、燃料電池の単セルを複数個積層して構成される。
燃料電池スタックにおける単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよく、2~200個であってもよい。
第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックにおける単セルの積層数は同じであってもよく、異なっていてもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを備えてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷却水を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷却水供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷却水排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷却水入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷却水出口マニホールド等が挙げられる。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子(触媒粒子)と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子(担持用カーボン粒子)は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子(カーボン粉末)を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、及び、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は制御部と電気的に接続され、制御部からの信号により燃料ガス供給部が燃料ガスを供給する燃料電池スタックの燃料ガス流量を制御することが可能となっていてもよい。
第1供給流路は、燃料ガス供給部と第1燃料電池スタックとを接続する。
第1供給流路は、燃料ガス供給部と第1燃料電池スタックの燃料系ガス入口(アノード入口マニホールド等)とを接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの第1燃料電池スタックへの供給を可能にする。
第2供給流路は、燃料ガス供給部と第2燃料電池スタックとを接続する。
第2供給流路は、燃料ガス供給部と第2燃料電池スタックの燃料系ガス入口(アノード入口マニホールド等)とを接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの第2燃料電池スタックへの供給を可能にする。
第1循環流路は、第1燃料電池スタックの燃料オフガス排出口(アノード出口マニホールド等)と第1供給流路を接続し、第1燃料電池スタックの各燃料極から排出された第1燃料オフガスを回収し、第1循環ガスとして第1燃料電池スタックに戻すことを可能にする。
第2循環流路は、第2燃料電池スタックの燃料オフガス排出口(アノード出口マニホールド等)と第2供給流路を接続し、第2燃料電池スタックの各燃料極から排出された第2燃料オフガスを回収し、第2循環ガスとして第2燃料電池スタックに戻すことを可能にする。
第1燃料オフガス及び第2燃料オフガスの各燃料オフガスは、主に、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガスと、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分と、を含む。
気液分離器において、除去された結露水は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。
また、循環流路には、循環ガスを燃料電池スタックに効率的に供給するための水素ポンプ等の循環用ポンプ及びエジェクタ等が設けられていてもよい。
エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
また、各燃料ガス供給流路上のエジェクタと燃料ガス供給部との間にはインジェクタが設けられていてもよい。
インジェクタはエジェクタに供給される燃料ガスのガス圧を調整する。
第1バイパス流路は、第1開閉弁を備え、且つ、第1循環流路と第2供給流路とを接続し、第1燃料電池スタックを迂回して第2燃料電池スタックに第1循環ガスを供給することを可能にする。
第2バイパス流路は、第2開閉弁を備え、且つ、第2循環流路と第1供給流路とを接続し、第2燃料電池スタックを迂回して第1燃料電池スタックに第2循環ガスを供給することを可能にする。
燃料オフガス排出部は、燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である燃料オフガスを外部に排出してもよい。なお、外部とは、燃料電池システムの外部を意味する。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスの排出流量を調整する。
燃料オフガス排出流路は、各循環流路から分岐されていてもよい。
燃料オフガス排出部は、例えば、燃料オフガス中の水素等の燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である場合に当該燃料オフガスを外部に排出してもよい。なお、燃料ガスの所定の濃度は特に限定されず、例えば、燃料電池システムの燃費等を考慮して適宜設定してもよい。
燃料オフガス中の燃料ガスの濃度の検出方法は特に限定されず、例えば、従来公知の濃度センサ等を用いることができる。
温度検出部としては、特に限定されず、温度センサ等が挙げられる。
電流検出部としては、特に限定されず、電流センサ等が挙げられる。
電圧検出部としては、特に限定されず、電圧センサ等が挙げられる。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池スタックの各酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側(酸化剤極、カソード入口マニホールド等)に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池スタックを接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池スタックの各酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池スタックの各酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
冷却水循環流路は、燃料電池スタックに設けられる冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドに連通し、冷却水供給部から供給される冷却水を燃料電池スタック内外で循環させ、燃料電池スタックの冷却を可能にする。
冷却水供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷却水(冷媒)としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
制御部は、温度検出部、電流検出部、電圧検出部、燃料ガス供給部、燃料オフガス排出部、及び、酸化剤ガス供給部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、CPU(中央演算処理装置)等の演算処理装置と、CPUで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するROM(リードオンリーメモリー)、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAM(ランダムアクセスメモリー)等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ECU(エンジンコントロールユニット)等の制御装置であってもよい。
制御部は、第1開閉弁および第2開閉弁を閉じて各燃料電池スタックを運転する通常運転モード、第1ステップ、第2ステップ、及び、第3ステップ等を実施する。
図2に示す制御方法では、まず制御部は、第1開閉弁および第2開閉弁を閉じて通常運転モードを実施する。
そして、制御部は、システム温度が所定の温度(温度の閾値)未満、且つ、システム電流が所定の閾値(電流の閾値)未満である場合に第1燃料電池スタックを第2燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第1ステップを行う。なお、第2燃料電池スタックの方が第1燃料電池スタックよりも高圧での運転履歴が短い場合は第2燃料電池スタックを第1燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転してもよい。一方、制御部は、システム温度が所定の温度(温度の閾値)以上、及び/又は、システム電流が所定の閾値(電流の閾値)以上である場合は、通常運転モードを継続する。
そして、制御部は、第1ステップ後、第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値(電圧の閾値)を下回った場合に第1開閉弁を開く第2ステップを実施する。一方、第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値(電圧の閾値)以上である場合は通常運転モードに戻る。
そして、制御部は、第2ステップ後、第1燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値(電圧の閾値)を下回っている場合は、第1燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、第2燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値(電圧の閾値)を下回っている場合は、第2燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、第2ステップにおいて開いた第1開閉弁を閉じる第3ステップを実施する。一方、第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値(電圧の閾値)以上である場合は第2ステップにおいて開いた第1開閉弁を閉じて通常運転モードに戻る。また、第1燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値(電圧の閾値)を下回っている場合は、第1燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第2燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第2ステップにおいて開いた第1開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。さらに、第2燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値(電圧の閾値)を下回っている場合は、第2燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第1燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第2ステップにおいて開いた第1開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。
制御部が実施する第1ステップは、第1開閉弁および第2開閉弁を閉じて各燃料電池スタックを運転する通常運転モード中において、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、第1燃料電池スタックと第2燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転するステップである。第1ステップにより2つの燃料電池スタック間に一時的な圧力差を発生させることにより、流路に存在する液滴が流出されやすくなる。また、圧力の変動は閉じた燃料ガス循環系で行われるので燃料ガスを無駄に消費することがない。
なお、システム温度が所定の温度以上、及び/又は、システム電流が所定の閾値以上である場合は、通常運転モードを継続してもよい。
システム温度の所定の温度は、特に限定されず、予めフラッディングが発生するシステム温度を測定しておき、燃料電池システムの性能を考慮したフラッディングが発生しやすくなるシステム温度に適宜設定すればよい。例えばシステム温度が70℃未満に低下すると、燃料系ガス流路内で水蒸気が結露してフラッディングが発生しやすくなる。
システム温度を検出するタイミングは特に限定されず、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時にも行ってもよく、通常運転モード中は常時各燃料電池スタックの温度を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
システム電流の所定の閾値は、特に限定されず、予めシステム電流とガス流量との関係を示すデータ群を用意しておき、そのデータ群から、燃料電池システムの性能を考慮して適宜設定すればよい。
システム電流を検出するタイミングは特に限定されず、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時にも行ってもよく、通常運転モード中は常時各燃料電池スタックの電流を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
システム温度とシステム電流を検出するタイミングは、同じであっても異なっていてもよいが、便宜的には同じであってもよい。
燃料電池スタックを高いガス圧で運転する所定の時間は、2つの燃料電池スタック間に圧力差を発生させることができる時間であれば特に限定されず、燃料電池スタックの性能に応じて適宜設定すればよい。
高いガス圧で運転する燃料電池スタックのガス圧は、もう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧であれば特に限定されないが、所定のガス圧を設定してもよい。すなわち、通常運転モード時のガス圧よりも高い所定のガス圧で燃料電池スタックを運転してもよい。
所定のガス圧は燃料電池システムの性能などを考慮して適宜設定してもよい。
制御部が実施する第2ステップは、第1ステップ後、第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックが第1燃料電池スタックであるときは、第1開閉弁を開き、一方、第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックが第2燃料電池スタックであるときは、第2開閉弁を開くステップである。
なお、第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値以上である場合は第1ステップを継続してもよいし通常運転モードに戻ってもよい。
スタック電圧の所定の電圧値は、特に限定されず、フラッディングが発生したときのスタック電圧を測定しておき、燃料電池システムの性能を考慮したスタック電圧値に適宜設定すればよい。
スタック電圧を検出するタイミングは特に限定されず、第1ステップ中は、第1ステップ開始から所定の時間経過毎に行ってもよいし、第1ステップ開始時にも行ってもよく、第1ステップ中は常時各燃料電池スタックの電圧を検出してもよい。さらに、スタック電圧を検出するタイミングは、第2ステップ中は、第2ステップ開始から所定の時間経過毎に行ってもよいし、第2ステップ開始時にも行ってもよく、第2ステップ中は常時各燃料電池スタックの電圧を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
第1ステップで各燃料電池スタックを、圧力差を設けて運転した後に、第2ステップで高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックの開閉弁を開くことにより、フラッディングを速やかに解消することができる。
制御部が実施する第3ステップは、第2ステップ後、第1燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値を下回っている場合は、第1燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、第2燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値を下回っている場合は、第2燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、第2ステップにおいて開いた開閉弁を閉じるステップである。第2ステップにおいて開いた開閉弁を閉じることにより、通常運転モードに戻る。一方、第1燃料電池スタック及び第2燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値以上である場合は第2ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。また、第1燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値を下回っている場合は、第1燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第2燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第2ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。さらに、第2燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値を下回っている場合は、第2燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第1燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第2ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。
第3ステップは、開閉弁を開いて、燃料電池スタック間の差圧を利用して燃料系ガス流路の結露水の除去を試みたが、それでもスタック電圧が所定の電圧値以上に戻らずフラッディングが解消できていないと判断される場合は、従来公知の方法で燃料ガス流量を大きくしてフラッディングを解消するステップである。
開閉弁を閉じるタイミングは、例えば、燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値以上になった時点としてもよい。
12 第1供給流路
13 第1循環流路
21 第2燃料電池スタック
22 第2供給流路
23 第2循環流路
30 燃料ガス供給部
41 第1開閉弁
42 第1バイパス流路
43 第2開閉弁
44 第2バイパス流路
50 制御部
51 温度検出部
52 電流検出部
53 電圧検出部
100 燃料電池システム
Claims (3)
- 第1燃料電池スタックと、
第2燃料電池スタックと、
前記第1燃料電池スタック、及び、前記第2燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第1燃料電池スタックとを接続する第1供給流路と、
前記第1燃料電池スタックの各燃料極から排出された第1燃料オフガスを回収し、第1循環ガスとして前記第1燃料電池スタックに戻す第1循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第2燃料電池スタックとを接続する第2供給流路と、
前記第2燃料電池スタックの各燃料極から排出された第2燃料オフガスを回収し、第2循環ガスとして前記第2燃料電池スタックに戻す第2循環流路と、
第1開閉弁を備え、且つ、前記第1循環流路と前記第2供給流路とを接続し、前記第1燃料電池スタックを迂回して前記第2燃料電池スタックに前記第1循環ガスを供給することを可能にする第1バイパス流路と、
第2開閉弁を備え、且つ、前記第2循環流路と前記第1供給流路とを接続し、前記第2燃料電池スタックを迂回して前記第1燃料電池スタックに前記第2循環ガスを供給することを可能にする第2バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第1開閉弁および前記第2開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第1燃料電池スタックと前記第2燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第1ステップを実施し、
前記制御部は、前記第1ステップ後、前記第1燃料電池スタック及び前記第2燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第1燃料電池スタックであるときは、前記第1開閉弁を開き、一方、前記第1ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第2燃料電池スタックであるときは、前記第2開閉弁を開く第2ステップを実施することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第1ステップにおいてガス圧を高くする前記燃料電池スタックは、高いガス圧での運転履歴が短い方の当該燃料電池スタックとする、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記第2ステップ後、前記第1燃料電池スタックの電圧が、所定の前記電圧値を下回っている場合は、前記第1燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、前記第2燃料電池スタックの電圧が、所定の前記電圧値を下回っている場合は、前記第2燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、前記第2ステップにおいて開いた開閉弁を閉じる第3ステップを実施する、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
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