JP5384140B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
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Description
そうすると、要求電流値が小さく、水素の圧力が低い状態(低負荷状態という)では、前記したパージ弁を開いたとしても、アノード流路内の水分が、アノード流路から排出されにくくなる。
この場合において、前記したように、パージされる燃料オフガス中の燃料ガス濃度は、体積膨張により抑えられているので、希釈手段に導入される希釈用ガスの流量を少なくしたり、希釈手段の希釈能力(後記する実施形態では希釈器の大きさ)を小さくできる。
したがって、このようにパージ手段が通常にパージしても、水分が排出されやすい状態に近づく場合、目標圧力算出手段が燃料ガスの目標圧力を低くしないことにより、燃料ガスの圧力低下に要する処理や時間を省略できる。
このように燃料ガス流路における水分量に対応して、圧力の低下量及びアノード流路前後の差圧並びに体積膨張の程度を適切とし、燃料ガス流路の水分を適切に排出できる。
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
図1に示す第1実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、セル電圧モニタ15と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するECU60(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル11は直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
しかも、図3(a)、図3(b)に示すように、差圧ΔPは、アノード流路12の入口圧力P1が低くなるほど、大きくなるという特性を有している。
図1に戻って説明を続ける。
セル電圧モニタ15は、燃料電池スタック10を構成する複数の単セル11毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル11をスキャニングし、各単セル11のセル電圧を検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体(セル電圧モニタ15)は、平均セル電圧及び最低セル電圧をECU60に出力するようになっている。
アノード系は、水素タンク21と、常閉型の遮断弁22と、減圧弁23と、エゼクタ24と、逆止弁25と、常閉型のパージ弁26(パージ手段)と、を備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、減圧弁23、配管23a、エゼクタ24、配管24aを介して、アノード流路12の入口に接続されている。そして、ECU60からの指令によって遮断弁22が開かれると、水素が、水素タンク21から遮断弁22等を通って、アノード流路12に供給されるようになっている。
なお、配管27aの接続位置よりも上流の配管23bには、オリフィス(図示しない)が設けられている。
そして、逆止弁25が燃料ガス循環ラインに設けられているので、アノード流路12の入口圧力P1及び出口圧力P2が低い低負荷状態において、アノード流路12の入口圧力P1を一時的に低下させた場合、逆止弁25によって、アノードオフガスのエゼクタ24への通流が許容されにくく、その結果、入口圧力P1と出口圧力P2との差圧ΔPが大きくなるようになっている。
なお、ECU60は、例えば、最低セル電圧が所定セル電圧以下となった場合、不純物をパージする必要があると判定し、パージ弁26を開く設定となっている。
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段)と、背圧弁32と、希釈器33(希釈手段)と、を備えている。
コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路13の入口に接続されている。そして、コンプレッサ31は、ECU60の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管31aを介して、カソード流路13に供給するようになっている。
なお、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10及び/又はこの電力を蓄えるバッテリ(図示しない)を電源としている。
電力消費系は、走行用のモータ41と、電力制御器42と、出力検出器43(電流検出手段)とを備えている。モータ41は、電力制御器42、出力検出器43を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されている。
電力制御器42は、ECU60から入力される指令電流値に従って、燃料電池スタック10の発電電力(出力電流、出力電圧)を制御する機器であり、DC/DCチョッパ、DC/DCコンバータ等の電子回路を備えている。なお、アクセル開度が大きくなると、指令電流値は大きくなる。
アクセル51は、運転者が燃料電池車を走行させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル51は、その開度(踏み込み量)をECU60に出力するようになっている。
ECU60は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
ECU60(負荷要求量算出手段)は、アクセル51から入力されるアクセル開度に基づいて、モータ41(負荷)が燃料電池スタック10に要求する要求電流値(負荷要求量)を算出する負荷要求量算出機能を備えている。なお、アクセル開度が大きくなると、モータ41を高速で回転させるべく、要求電流値が大きくなる関係となっている(図4参照)。
そして、ECU60は、算出した要求電流値を指令値(指令電流値)として、電力制御器42に出力し、電力制御器42は、現在の燃料電池スタック10の出力電流値が、要求電流値となるように制御する。
また、ECU60(負荷要求量増加判定手段)は、現在、要求電流値が増加しているか否か、つまり、アクセル開度が増加し燃料電池車が現在加速中であるか判定する負荷要求量増加判定機能を備えている。
具体的には、ECU60は、単位時間(例えば0.5〜1秒)当たりにおける要求電流値(アクセル開度)の変化量が、所定変化量以上である場合、現在、要求電流値の増加中であると判定するように設定されている。
ECU60(目標圧力算出手段)は、要求電流値と、図4のマップとに基づいて、アノード流路12の入口における目標圧力を算出する目標圧力算出機能を備えている。図4に示すように、要求電流値が大きくなると、燃料電池スタック10で水素不足とならないように、目標圧力が高くなる関係となっている。
なお、図4のマップは、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。また、アクセル開度と要求電流値とは比例関係にあるから、アクセル開度に基づいて目標圧力を直接的に算出してもよく、このように算出しても技術的範囲に属することは言うまでもない。
ECU60(圧力制御手段)は、アノード流路12の入口圧力P1が目標圧力となるように、インジェクタ27をPWM制御する圧力制御機能を備えている。例えば、アノード流路12の入口圧力P1を低下させる場合、インジェクタ27による噴射時間及び/又は回数を増加し、減圧弁23に入力されるパイロット圧を低下させる。
ECU60(パージ判定手段)は、パージ弁26を開き、アノード流路12の水分W(結露水等)や、循環する不純物(水分、窒素)をパージする必要があるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ECU60は、(1)セル電圧モニタ15から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下である場合や、(2)平均セル電圧と最低セル電圧との差が所定セル電圧差以上である場合、パージする必要があると判定するように設定されている。この場合において、判断基準となる所定セル電圧や、所定セル電圧差は、事前試験等により求められ、アノード流路12の水分Wや、循環する不純物が多く、排出(パージ)すべきと判断される値に設定される。
なお、アノード流路12の水分Wや、不純物が増加すると、MEAのアノードに水素が供給されにくくなり、セル電圧が低下する。また、MEAのアノードの表面に水分Wが付着することは、フラッディングと称される。
ECU60は、パージする必要があると判定した場合において、現在の要求電流値(負荷要求量)に基づいて算出された目標圧力が、所定圧力(所定値)以下であるとき、減圧パージを実行する機能を備えている。
減圧パージを実行するとは、目標圧力が低くなるように補正し、補正後の目標圧力に従って、インジェクタ27を制御し、アノード流路12の入口圧力P1を低下させると共に、アノード流路12前後の差圧ΔP(入口圧力P1−出口圧力P2)を大きくした状態で、パージ弁26を開き、アノード流路12に残留する水分Wを、アノード流路12の下流に押し出すことをいう。
ECU60(水分量算出手段)は、現在、アノード流路12における水分Wの量を算出する水分算出機能を備えている。
具体的には、ECU60は、例えば、発電開始から現在、又は、後記するステップ106における減圧パージから現在までの間において、出力検出器43から入力される燃料電池スタック10の電力(出力電流)の積算値(積算電力値)と、発電に伴ってカソードで生成した水分のアノード流路12への透過率(クロスリーク率)と、アノードに透過した生成水がアノード流路12に残留する残留率と、に基づいて算出する。
すなわち、(1)積算電力値が大きくなるほど、(2)電解質膜の材質等に依存する透過率大きくなるほど、(3)アノード流路12が細長く、残留率が大きくなるほど、現在の水分量が多くなる。
ECU60(圧力低下量算出手段)は、前記した減圧パージを実行する場合において、目標圧力の低下量(圧力低下量)を、アノード流路12(燃料電池スタック10)の水分量と、図5のマップとに基づいて算出する圧力低下量算出機能を備えている。具体的には、アノード流路12の水分量が多くなるほど、圧力低下後におけるアノード流路12前後の差圧ΔPが大きくなるように、圧力低下量は大きく算出される。
次に、燃料電池システム1の動作について、図6を参照して説明する。
なお、初期状態において、水素及び空気が燃料電池スタック10に供給され、燃料電池スタック10はアクセル開度に対応して発電している。
一方、要求電流値は上昇中でない(加速中でない)と判定した場合(S102・No)、ECU60の処理はステップS103に進む。なお、このようにステップS103に進む場合、低負荷状態である
目標圧力は所定圧力以下であると判定した場合(S103・Yes)、ECU60の処理はステップS104に進む。一方、目標圧力は所定圧力以下でないと判定した場合(S103・No)、ECU60の処理はステップS108に進む。
具体的には、ECU60は、アノード流路12に残留する水分量と図5のマップとに基づいて、圧力低下量(補正量)を算出する。そして、ECU60は、要求電流値に基づいて算出された目標圧力から、圧力低下量を減じて、補正後の目標圧力とする。
その後、ECU60の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
その後、ECU60の処理は、リターンに進む。
次に、燃料電池システム1の効果について、図7を参照して説明する。
図7(a)に示すように、パージが必要である場合において(S101・Yes)、要求電流値に基づいて設定された目標圧力が所定圧力以下であるとき(S103・Yes)、目標圧力を低下するので(S104、S105)、圧力低下しない比較例(図7(b)参照)に対して、アノード流路12前後の差圧ΔPを増加できる。
そして、このように差圧ΔPが増加し、アノード流路12前後のガスが体積膨張した状態で、パージ弁26を開くので、アノード流路12に残留する水分Wを、効率的にアノード流路12の下流に押し出すことができる。
さらに、目標圧力の低下の程度(圧力低下量)は、アノード流路12の水分量に基づいて算出するので(S104、図5)、適切に目標圧力を低下させ、適切な差圧ΔPを発生し、適切に体積膨張できる。
さらにまた、要求電流値が上昇している場合(S102・Yes)、減圧パージ(S106)を実行しないので、減圧パージに係る処理や時間を省略できる。
次に、本発明の第2実施形態について、図8を参照して説明する。なお、第2実施形態では、ECU60に設定されたプログラムが一部異なり、この異なる部分のみを説明する。
所定回数は、事前試験等により求められ、パージが必要であると判定された場合において(S101・Yes)、目標圧力が所定圧力以下であるにも関わらず(S103・Yes)、通常パージ(S108)を連続して実行しても、燃料電池スタック10が発電が不安定とならない回数(例えば3〜5回)に設定される。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
12 アノード流路(燃料ガス流路)
13 カソード流路(酸化剤ガス流路)
23 減圧弁(圧力制御手段)
26 パージ弁(パージ手段)
27 インジェクタ(圧力制御手段)
33 希釈器(希釈手段)
41 モータ(負荷)
60 ECU(負荷要求量算出手段、目標圧力算出手段、水分量算出手段)
W 水分
Claims (5)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路からの燃料オフガスをパージするパージ手段と、
負荷が前記燃料電池に要求する負荷要求量を算出する負荷要求量算出手段と、
前記負荷要求量算出手段が算出した負荷要求量に基づいて、前記燃料ガス流路における燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、
前記目標圧力算出手段が算出した目標圧力に基づいて、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
を備え、
前記パージ手段がパージする場合において、前記目標圧力算出手段は、前記負荷要求量を満たすように前記燃料電池で発電させるための通常時の目標圧力が、前記パージによって前記燃料ガス流路の水分が除去されないかどうかの判定基準である所定値以下であるとき、燃料ガスの目標圧力を前記通常時の目標圧力から一時的に低下させた後、前記通常時の目標圧力に戻し、
前記パージ手段は、燃料ガスの目標圧力が前記一時的に低下された状態で、パージする
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記パージ手段の下流に、パージされた燃料オフガスと、希釈用ガスとを混合し、燃料オフガス中の燃料ガスを希釈する希釈手段を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記負荷要求量算出手段の算出する負荷要求量が増加している場合、前記目標圧力算出手段は、燃料ガスの目標圧力を低くしない
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料ガス流路における水分量を算出する水分量算出手段を備え、
前記目標圧力算出手段は、前記水分量算出手段の算出する水分量が少ないほど、目標圧力の低下量を小さくする
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路からの燃料オフガスをパージするパージ手段と、
を備え、
負荷が前記燃料電池に要求する負荷要求量に基づいて、前記燃料ガス流路における燃料ガスの目標圧力を算出し、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を前記目標圧力に制御する燃料電池システムの運転方法であって、
前記パージ手段によってパージする場合において、前記負荷要求量を満たすように前記燃料電池で発電させるための通常時の目標圧力が、前記パージによって前記燃料ガス流路の水分が除去されないかどうかの判定基準である所定値以下であるとき、
燃料ガスの目標圧力を前記通常時の目標圧力から一時的に低下させた後、前記通常時の目標圧力に戻し、燃料ガスの目標圧力を前記一時的に低下させた状態で、前記パージ手段によってパージする
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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