JP5599965B2 - 燃料電池スタックの動作全体にわたる水素排気放出の制御 - Google Patents
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Description
燃料電池システム内で排気ガス流からブリードされる水素の量を制御する方法に関する本発明の実施形態の以下の検討は、実際、単に例示であり、決して本発明あるいは、その適用例または用途を限定することを意図しない。例えば、以下の説明ではアノード再循環ループからの排気ガスからブリードされる水素の量を制御する方法について論じている。しかし、本発明の排気ガス流からブリードされる水素の量を制御する方法は、それらの分割スタックおよびアノード流シフトを利用するなどの別の燃料電池システムに対して応用される。
12 燃料電池スタック
14 水素源
16 混合合流点
18 アノード水素供給ライン
20 アノード排気ガスライン
26 ブリード弁
28 排気ライン
30 圧縮機
32 カソード空気供給ライン
34 カソード排気ガスライン
36 混合合流点
40 バイパスライン
42 バイパス弁
48 制御機
Claims (17)
- 燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにカソード供給空気を提供するカソード供給ラインと、
前記燃料電池スタックにアノード供給ガスを提供するアノード供給ラインと、
前記燃料電池スタックからのカソード排気ガスを提供するカソード排気ラインと、
前記燃料電池スタックからのアノード排気ガスを提供するアノード排気ラインと、
前記カソード排気ガスと前記アノード排気ガスを混合する混合合流点と、
前記混合されたカソードおよびアノード排気ガス中の水素濃度を制限するための制御機と、
前記アノード排気ラインを前記混合合流点又は前記アノード供給ラインの何れかに切り替えて、前記アノード排気ライン中のアノード排気ガスを前記混合合流点にブリードするブリード弁と、を含み、
前記ブリード弁は前記制御機によって制御され、
アノード排気ガス流は、所望のスタック電流密度に対する一定のカソード空気流量及びカソード化学量論に対応し、
混合された排気ガス中の水素濃度を所定百分率よりも低く維持するために、燃料電池スタックの電流密度に応じてアノード排気ガス圧力がカソード排気ガス圧力よりも所定値だけ高くなるように前記ブリード弁を制御することにより、アノード排気ラインとカソード排気ラインとの間の圧力バイアスは維持される、燃料電池システム。 - 前記圧力バイアスは、アノード排気ガス圧力がカソード排気ガス圧力より10kPa〜35kPa高くなるように維持される、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御機が、下降出力の過渡応答の間、前記ブリード弁を介する水素排気ガスのブリードを止める請求項1又は2に記載のシステム。
- カソード供給空気を提供する圧縮機と、前記燃料電池スタックをバイパスして前記カソード供給空気を前記混合合流点に供給するバイパス弁をさらに含む、請求項1〜3の何れかに記載のシステム。
- 前記制御機は、システム始動時に前記バイパス弁を開にする請求項4に記載のシステム。
- 前記制御機は、システム始動時の短い時間に前記燃料電池スタックをバイパスしてカソード空気を提供するように前記バイパス弁を開き、次いで、遅れて水素を前記燃料電池スタック中に流し、始動時に前記燃料電池スタックを通して流れ得る水素に対して多量の空気を混合合流点に提供する請求項5に記載のシステム。
- 前記燃料電池スタックに関し上昇出力の過渡応答の間に、カソード空気を供給する圧縮機の応答が、水素反応ガスを供給する水素源の応答よりも遅延することを減少させるように、前記制御機は、前記圧力バイアス設定値の上昇速度のスルーレートをカソード空気流の上昇速度より低く制限する請求項4〜6の何れかに記載のシステム。
- 前記水素濃度を体積で2%未満に維持する請求項1〜7の何れかに記載のシステム。
- 燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのカソード側にカソード供給空気を提供する圧縮機と、
前記圧縮機からのカソード供給空気が前記燃料電池スタックをバイパスすることを可能にするバイパス弁と、
前記燃料電池スタックからのアノード排気ガスをブリードするためのブリード弁と、
前記燃料電池スタックからのカソード排気ガスと前記スタックから前記ブリード弁を介してブリードされた前記アノード排気ガスとを混合する混合合流点と、
前記混合されたカソードおよびアノード排気ガス中の水素濃度を制限する制御機と、を含み、
前記ブリード弁は前記制御機によって制御され、
アノード排気ガス量は、所望のスタック電流密度に対する一定のカソード空気流量及びカソード化学量論に対応し、
混合された排気ガス中の水素濃度を所定百分率よりも低く維持するために、燃料電池スタックの電流密度に応じてアノード排気ガス圧力がカソード排気ガス圧力よりも所定値だけ高くなるように前記ブリード弁を制御することにより、アノード排気ラインとカソード排気ラインとの間の圧力バイアスを維持し、
前記制御機が、システム始動時に、前記燃料電池スタックをバイパスし、前記カソード排気ガスと前記アノード排気ガスに混合されるカソード空気を供給するように前記バイパス弁を制御し、
前記カソード供給空気を提供する前記圧縮機の応答が、水素反応ガスを提供する水素源の応答よりも遅延することを減少させるように、前記制御機は、前記燃料電池スタックに関し上昇出力の過渡応答の間に前記圧力バイアス設定値の上昇速度のスルーレートをカソード空気流の上昇速度より低く制限し、
前記制御機が、さらに下降出力の過渡応答の間に前記ブリード弁を介する水素排気ブリードを止める、燃料電池システム。 - 前記圧力バイアスは、アノード排気ガス圧力がカソード排気ガス圧力より10kPa〜35kPa高くなるように維持される、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記制御機は、システム始動時の短い時間に前記燃料電池スタックをバイパスしてカソード空気を提供するように前記バイパス弁を開き、次いで、遅れて水素を前記燃料電池スタック中に流し、始動時に前記燃料電池スタックを通して流れ得る水素に対して多量の空気を混合合流点に提供する請求項9又は10に記載のシステム。
- 前記水素濃度を体積で2%未満に維持する請求項9〜11の何れかに記載のシステム。
- 請求項1又は請求項9に記載のシステムにおいて、前記燃料電池スタックからのカソード排気ガスおよびアノード排気ガスの混合ガス中の水素濃度を制限する方法であって、
前記ブリード弁が開かれ、前記燃料電池スタックからのアノード排気ガスが前記混合合流点に提供され、
前記混合合流点にて前記アノード排気ガスと前記カソード排気ガスとが混合され、
アノード排気ガス量は、所望のスタック電流密度に対する一定のカソード空気流量及びカソード化学量論に対応し、
混合された排気ガス中の水素濃度を所定百分率よりも低く維持するために、燃料電池スタックの電流密度に応じてアノード排気ガス圧力がカソード排気ガス圧力よりも所定値だけ高くなるようにアノード排気ラインとカソード排気ラインとの間の圧力バイアスを維持する
ことを含む方法。 - 前記圧力バイアスは、アノード排気ガス圧力がカソード排気ガス圧力より10kPa〜35kPa高くなるように維持される、請求項13に記載の方法。
- 請求項4又は請求項9に記載のシステムにおいて、システム始動時に前記バイパス弁が開かれ、前記燃料電池をバイパスしてカソード供給空気が前記混合地点に提供され、混合されているカソード及びアノード排気ガスと混合される、
ことをさらに含む、請求項13又は14に記載の方法。 - 前記燃料電池スタックへのカソード空気供給が、前記燃料電池スタックへの水素反応ガス供給よりも遅延することを減少させるように、前記燃料電池スタックに関し上昇出力の過渡応答の間に前記圧力バイアス設定値の上昇速度のスルーレートをカソード空気流の上昇速度より低く制限することをさらに含む請求項13〜15に記載の方法。
- 下降出力の過渡応答の間に、前記ブリード弁を閉じてアノード排気ガスブリードを止めることをさらに含む請求項13〜16の何れかに記載の方法。
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