JP5347719B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置10の装置構成を示す図である。図1に示す燃料電池装置(燃料電池システム)10は、燃料電池1、圧縮機2、加湿器3、高圧水素タンク4、圧力調整機構5、圧力検出センサ6、バッファタンク7、パージ弁8、排水機構9、コントローラ11等を有する構成である。
図2は、コントローラ11の通常時の制御ロジックを示すフローチャートである。図2に示す制御ロジックを実行する前提として、コントローラ11は、外部から受け取った発電要求に係る要求発電量に基づいてアノード極1bに供給する水素ガスの目標圧力として上限圧力P1と下限圧力P2とを予め算出しているものとする。
図4は、本実施形態に係るコントローラ11の制御ロジックの第1の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ11は、原則的に図2の通常時の制御ロジックを実行するとともに(S48)、アノード極1bの水溜り量が所定量よりも大きくなったときに制御態様を切り替える(S42からS47)。なお、図4に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的(例えば10ms毎)に実行される。
以上、第1の例に係るコントローラ11の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ11を備えた燃料電池装置10によれば、以下のような作用効果がある。
図7は、本実施形態に係るコントローラ11の制御ロジックの第2の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ11は、原則的に図2の通常時の制御ロジックを実行するとともに(S77)、フラッディングを検出したときに制御態様を切り替える(S72からS76)。なお、図7に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的(例えば10ms毎)に実行される。
以上、第2の例に係るコントローラ11の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ11を備えた燃料電池装置10によれば、以下のような作用効果がある。
図9は、本実施形態に係るコントローラ11の制御ロジックの第3の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ11は、原則的に図2の通常時の制御ロジックを実行するとともに(S95)、アノード極1bの水溜り量が所定量よりも大きくなったとき又はフラッディングを検出したときに制御態様を切り替える(S94)。なお、図9に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的(例えば10ms毎)に実行される。
以上、第3の例に係るコントローラ11の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ11を備えた燃料電池装置10によれば、以下のような作用効果がある。
図11は、本実施形態に係るコントローラ11の制御ロジックの第4の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ11は、原則的に図2の通常時の制御ロジックを実行するとともに(S95)、水溜り量が所定量よりも大きくなったとき又はフラッディングを検出したときに制御態様を切り替える(S114)。なお、図11に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的(例えば10ms毎)に実行される。また、以下では前述の第3の例(図9)と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
以上、第4の例に係るコントローラ11の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ11を備えた燃料電池装置10によれば、以下のような作用効果がある。
図12は、本実施形態に係るコントローラ11の制御ロジックの第5の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ11は、原則的に図2の通常時の制御ロジックを実行するとともに(S123)、フラッディングを検出したときに制御態様を切り替える(S122)。なお、図12に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的(例えば10ms毎)に実行される。また、図1には図示していないが、この第5の例に係る燃料電池装置10は、燃料電池1を冷却する冷却装置としての冷却水ポンプを備えている。
以上、第5の例に係るコントローラ11の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ11を備えた燃料電池装置10によれば、以下のような作用効果がある。
図1を用いて本実施形態に係るアノードデッドエンド方式の燃料電池装置10について前述した。このアノードデッドエンド方式の燃料電池装置10は、アノード極1bに水素ガスを使用量だけ供給すればよい点で理想的である。しかしながら、実際にはカソード極1cから電解質膜1aを介してアノード極1bに流入してきた水、窒素ガス等によってアノード極1bにおける水素ガスの上記式(1)の反応が阻害される。
図2及び図3を用いてコントローラ11の通常時の制御ロジックについて前述した。かかるコントローラ11は、燃料電池1に対する要求発電量に応じて水素ガスの目標圧力として上限圧力P1と下限圧力P2とを設定するとともに、設定された上限圧力P1と下限圧力P2との間で圧力を振幅させるよう圧力調整機構5を制御している。
以上のように、本実施形態によれば、アノード極1bに溜まった水溜り量が一定量を超えたときに、供給するアノードガスの目標圧力の下限圧力を下げることで圧力の振幅(すなわち圧力差)を大きくしている。このように圧力差を大きくすることで、圧力差が小さい場合に比べてアノードに溜まった生成水を排出させるとともに生成水の排出性能を向上させることができる。
1a 電解質膜
1b アノード極(アノードチャンネル)
1c カソード極(カソードチャンネル)
2 圧縮機
3 加湿器
4 高圧水素タンク(アノードガス供給手段)
5 圧力調整機構(圧力調整手段)
6 圧力検出センサ
7 バッファタンク
8 パージ弁
9 排水機構
10 燃料電池装置(燃料電池システム)
11 コントローラ(圧力設定手段、制御手段)
P1 上限圧力(第1の上限圧力)
P2 下限圧力(第1の下限圧力)
P3 水排出下限圧力(第2の下限圧力)
Pmax 許容上限圧力(第2の上限圧力)
Pmin 許容下限圧力
ステップS1 圧力設定手段
ステップS2 制御手段
ステップS41(S91) 水溜り量検出手段
ステップS71(S93、S121) フラッディング検出手段
ステップS45 圧力設定手段、制御手段
Claims (9)
- 電解質膜をはさんでアノードとカソードが対設された燃料電池と、
前記アノードにアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
供給される前記アノードガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
前記燃料電池に対する要求発電量に応じて、前記アノードガスの目標圧力として第1の上限圧力と第1の下限圧力とを設定する圧力設定手段と、
前記圧力調整手段を制御して、前記圧力設定手段により設定された第1の上限圧力と第1の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御手段と、
を有する燃料電池装置であって、
前記アノードに溜まった水溜り量を検出する水溜り量検出手段を備え、
前記水溜り量検出手段により所定量以上の水溜り量が検出されると、前記圧力設定手段は前記アノードガスの目標圧力として前記第1の上限圧力と前記第1の下限圧力より低い第2の下限圧力とを設定し、前記制御手段は前記第1の上限圧力と前記第2の下限圧力との間で圧力を振幅させることを特徴とする燃料電池装置。 - 当該燃料電池装置におけるフラッディングを検出するフラッディング検出手段を備え、
前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記圧力設定手段は前記アノードガスの目標圧力として前記第1の上限圧力と前記第2の下限圧力とを設定し、前記制御手段は前記第1の上限圧力と前記第2の下限圧力との間で圧力を振幅させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。 - 前記制御手段は、前記第1の上限圧力と前記第1の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様から前記第1の上限圧力と前記第2の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様へ移行する際には、圧力の振幅に係る下限圧力を前記第1の下限圧力から前記第2の下限圧力に達するまで徐々に下げるとともに、圧力の振幅に係る上限圧力を前記第1の上限圧力から徐々に下げることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池装置。
- 前記制御手段は、前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、圧力を減圧中であっても昇圧させるよう切り替えることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池装置。
- 前記圧力設定手段は、前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記圧力設定手段は前記アノードガスの目標圧力として前記第1の上限圧力よりも高い第2の上限圧力と前記第2の下限圧力とを設定し、前記圧力制御手段は前記第2の上限圧力と前記第2の下限圧力との間で圧力を振幅させることを特徴とする請求項2又は4に記載の燃料電池装置。
- 前記制御手段は、前記第1の上限圧力と前記第1の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様から前記第2の上限圧力と前記第2の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様へ移行する際には、圧力の振幅に係る上限圧力を前記第2の上限圧力まで一旦上げた後に徐々に下げるとともに、圧力の振幅に係る下限圧力を前記第2の下限圧力に達するまで徐々に下げることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池装置。
- 前記水溜り量検出手段により所定量以上の水溜り量が検出されると又は前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記制御手段は圧力を昇圧させる際の昇圧時間を短くすることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
- 前記アノードに溜まったアノードガスを排出するパージ弁及び/又は前記アノードに溜まった生成水を貯留するバッファタンクを備え、
前記水溜り量検出手段により所定量以上の水溜り量が検出されると又は前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記制御手段は圧力を減圧させる際に前記パージ弁を開いてアノードガスを排出する又は前記バッファタンクに貯留された生成水を排出することを特徴とする請求項2乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池装置。 - 燃料電池を冷却する冷却装置を備え、
前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記制御手段は前記冷却装置を停止又は前記冷却装置の作動に係る回転速度を低減することを特徴とする請求項2乃至8のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
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