JP5858138B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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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。
従来、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とリサイクルタンク(バッファタンク)とを設けた燃料電池システムが知られている(JP2007−517369A参照)。この燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、常閉ソレノイドバルブ及び常開ソレノイドバルブを周期的に開閉することで、リサイクルタンクに蓄えた未使用のアノードガスを燃料電池スタックに逆流させて再利用している。
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、アノードガスの圧力を周期的に増減させる脈動運転の減圧時に、燃料電池内部でアノードガス濃度が低下し、アノードガス濃度の低下度合いによっては、発電効率が低下することがわかった。
本発明は、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転の減圧時に、燃料電池内部のアノードガス濃度の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。
一実施形態における燃料電池システムは、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁と、調圧弁を周期的に開閉することによって、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御手段とを備える。この燃料電池システムにおいて、脈動運転の減圧時は、増圧時よりもパージ流量が増量するようにパージ弁を制御する。
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
−第1の実施形態−
燃料電池は電解質膜をアノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス(燃料ガス)、カソード電極に酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
アノード電極 : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード電極 : 4H+ +4e- +O2 →2H2O …(2)
燃料電池は電解質膜をアノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス(燃料ガス)、カソード電極に酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
アノード電極 : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード電極 : 4H+ +4e- +O2 →2H2O …(2)
式(1)及び式(2)の電極反応によって燃料電池は1ボルト程度の起電力を生じる。
図1Aおよび図1Bは、第1の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図である。図1Aは、燃料電池10の斜視図である。図1Bは、図1Aの燃料電池の1B−1B断面図である。
燃料電池10は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)11の表裏両面に、アノードセパレータ12とカソードセパレータ13とが配置されて構成される。
MEA11は、電解質膜111と、アノード電極112と、カソード電極113と、を備える。MEA11は、電解質膜111の一方の面にアノード電極112を有し、他方の面にカソード電極113を有する。
電解質膜111は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜111は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
アノード電極112は、触媒層112aとガス拡散層112bとを備える。触媒層112aは、電解質膜111と接する。触媒層112aは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層112bは、触媒層112aの外側(電解質膜111の反対側)に設けられ、アノードセパレータ12と接する。ガス拡散層112bは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
カソード電極113もアノード電極112と同様に、触媒層113aとガス拡散層113bとを備える。
アノードセパレータ12は、ガス拡散層112bと接する。アノードセパレータ12は、ガス拡散層112bと接する側に、アノード電極112にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路121を有する。
カソードセパレータ13は、ガス拡散層113bと接する。カソードセパレータ13は、ガス拡散層113bと接する側に、カソード電極113にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路131を有する。
アノードガス流路121を流れるアノードガスと、カソードガス流路131を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。
このような燃料電池10を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池10を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
図2は、第1の実施形態におけるアノードガス非循環型の燃料電池システム1の概略構成図である。
燃料電池システム1は、燃料電池スタック2と、アノードガス供給装置3と、コントローラ4と、を備える。
燃料電池スタック2は、複数枚の燃料電池10を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力(例えばモータを駆動するために必要な電力)を発電する。
燃料電池スタック2にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック2を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。
アノードガス供給装置3は、高圧タンク31と、アノードガス供給通路32と、調圧弁33と、圧力センサ34と、アノードガス排出通路35と、バッファタンク36と、パージ通路37と、パージ弁38と、を備える。
高圧タンク31は、燃料電池スタック2に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
アノードガス供給通路32は、高圧タンク31から排出されたアノードガスを燃料電池スタック2に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク31に接続され、他端部が燃料電池スタック2のアノードガス入口孔21に接続される。
調圧弁33は、アノードガス供給通路32に設けられる。調圧弁33は、高圧タンク31から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック2に供給する。調圧弁33は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ4によって制御される。コントローラ4は、調圧弁33に供給する電流の量を制御することによって、調圧弁33の開度を制御する。
圧力センサ34は、調圧弁33よりも下流のアノードガス供給通路32に設けられる。圧力センサ34は、調圧弁33よりも下流のアノードガス供給通路32を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ34で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路121とバッファタンク36とを含むアノード系全体の圧力(以下「アノード圧」という。)として代用する。
アノードガス排出通路35は、一端部が燃料電池スタック2のアノードガス出口孔22に接続され、他端部がバッファタンク36の上部に接続される。アノードガス排出通路35には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路121へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスとの混合ガス(以下「アノードオフガス」という。)が排出される。
バッファタンク36は、アノードガス排出通路35を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク36内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
パージ通路37は、一端部がバッファタンク36の下部に接続される。パージ通路37の他端部は、開口端となっている。バッファタンク36に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路37を通って開口端から外気へ排出される。
パージ弁38は、パージ通路37に設けられる。パージ弁38は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ4によって制御される。パージ弁38の開度を調節することで、バッファタンク36からパージ通路37を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク36内のアノードガス濃度が一定以下となるように調節する。これは、バッファタンク36内のアノードガス濃度が高くなり過ぎると、バッファタンク36からパージ通路37を通って外気へ排出されるアノードガス量が多くなり、無駄となるからである。
コントローラ4は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。
コントローラ4には、前述した圧力センサ34の他にも、燃料電池スタック2の出力電流を検出する電流センサ41や燃料電池スタック2を冷却する冷却水の温度(以下「冷却水温」という。)を検出する温度センサ42、アクセルペダルの踏み込み量(以下「アクセル操作量」という。)を検出するアクセルストロークセンサ43などの、燃料電池システム1の運転状態を検出するための信号が入力される。
コントローラ4は、これらの入力信号に基づいて調圧弁33を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁38の開度を調節してバッファタンク36から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク36内のアノードガス濃度を一定以下に保つ。
アノードガス非循環型の燃料電池システム1の場合、調圧弁33を開いたままにして高圧タンク31から燃料電池スタック2にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック2から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、バッファタンク36からパージ通路37を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。
そこで、本実施形態では、調圧弁33を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、バッファタンク36に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック2に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。
図3は、燃料電池システム1の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。
図3(A)に示すように、コントローラ4は、燃料電池システム1の運転状態(燃料電池スタックの負荷)に基づいて燃料電池スタック2の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。
具体的には、時刻t1でアノード圧が下限値に達したら、図3(B)に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁33を開く。この状態のとき、アノードガスは、高圧タンク31から燃料電池スタック2に供給され、バッファタンク36へと排出される。
時刻t2でアノード圧が上限値に達したら、図3(B)に示すように調圧弁33を全閉とし、高圧タンク31から燃料電池スタック2へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、上述した(1)の電極反応によって、燃料電池スタック内部のアノードガス流路121に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
また、アノードガス流路121に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク36の圧力がアノードガス流路121の圧力よりも高くなるので、バッファタンク36からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路121に残されたアノードガスと、アノードガス流路121に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。
時刻t3でアノード圧が下限値に達したら、時刻t1のときと同様に調圧弁33が開かれる。そして、時刻t4で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁33を全閉とする。
図4は、脈動運転制御のフローチャートである。ステップS10から始まる処理は、コントローラ4によって行われる。
ステップS10では、燃料電池システム1の運転状態に基づいて、燃料電池スタック2の目標出力を算出する。
ステップS20では、ステップS10で算出した燃料電池スタック2の目標出力に基づいて、脈動運転時のアノード圧の上限値及び下限値を設定するとともに、設定した上限値及び下限値に基づいて、アノード圧目標値を決定する。アノード圧の増圧時には、上限値がアノード圧目標値となり、降圧時には、下限値がアノード圧目標値となる。
ステップS30では、圧力センサ34によってアノード圧を検出する。
ステップS40では、ステップS20で決定したアノード圧目標値と、ステップS30で検出したアノード圧との差に基づいて、アノード圧がアノード圧目標値に近づくように、調圧弁33の開閉を制御するフィードバック制御を行う。
ここで、脈動運転の降圧時には、アノードガス流路121内に残されたアノードガスが消費されるので、バッファタンク36の圧力がアノードガス流路121の圧力よりも高くなると、バッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流してくる。そうすると、アノードガス流路121をバッファタンク36側に流れるアノードガスと、バッファタンク36側からアノードガス流路121へと逆流してきたアノードオフガスとの合流部において、アノードガス濃度が低下して最小となる。特に、アノードガス濃度が最小となる位置のアノードガス濃度は、脈動運転の昇圧する直前に最も低くなる。
従って、本実施形態における燃料電池システムでは、脈動運転の降圧時にパージ弁38を開くことにより、バッファタンク36側からアノードガス流路121へのアノードオフガスの逆流を防いで、アノードガス濃度の低下を抑制する。
脈動運転の降圧時のパージ弁38の開閉制御について説明する前に、パージ弁38の一般的な開閉制御について説明する。
図5は、一般的なパージ制御のフローチャートである。
ステップS110では、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過してくる窒素の透過量を算出する。
図6は、燃料電池スタック2の温度および湿度と、窒素の透過量との関係を示す図である。図6に示すように、燃料電池スタック2の温度が高いほど、また、湿度が高いほど、窒素の透過量は多くなる。ここでは、燃料電池スタック2の温度として、温度センサ42によって検出される温度を用いるとともに、高周波抵抗(HFR)に基づいて、湿度を求める。ステップS110では、燃料電池スタック2の温度および湿度を求め、予め用意した図6に示すような関係のテーブルを参照することによって、窒素の透過量を算出する。
ステップS120では、燃料電池スタック2に接続されている負荷(燃料電池スタック2の目標出力)を検出する。
ステップS130では、圧力センサ34によって、アノード圧を検出する。
ステップS140では、ステップS110で算出した窒素透過量、ステップS120で検出した負荷、および、ステップS130で検出したアノード圧に基づいて、窒素をパージするために必要なパージ弁38の開度を算出する。すなわち、窒素透過量が多いほど、負荷が大きいほど、アノード圧が高いほど、パージ弁38の開度が大きくなるようにする。
図7は、本実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁38の開閉制御のフローチャートである。ステップS210から始まる処理は、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転制御時に、コントローラ4によって行われる。
ステップS210では、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過してくる窒素の透過量を算出する。この処理は、図6のステップS110の処理と同じである。
ステップS220では、燃料電池スタック2に対する負荷(燃料電池スタック2の目標出力)を検出する。
ステップS230では、圧力センサ34によって、アノード圧を検出する。
ステップS240では、アノード圧を降圧させる降圧制御中であるか否かを判定する。降圧制御中であると判定すると、ステップS250に進み、昇圧制御中であると判定すると、ステップS260に進む。
ステップS250では、ステップS210で算出した窒素透過量、ステップS220で検出した負荷、および、ステップS230で検出したアノード圧に基づいて、窒素をパージするために必要なパージ弁38の開度を算出する。すなわち、窒素透過量が多いほど、負荷が大きいほど、アノード圧が高いほど、パージ弁38の開度が大きくなるようにする。
一方、ステップS260では、パージ弁38を閉じる。
図8は、第1の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。パージ弁の開度の時間変化を示す図では、パージ弁の開度を一定とする従来技術の制御結果を点線で示し、本実施形態の制御結果を実線で示している。
図8に示すように、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転時の降圧時にのみパージ弁38を開き、昇圧時にはパージ弁38を閉じる。これにより、降圧時に、バッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを防ぐことができるので、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
以上、第1の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンク36を備え、調圧弁33を周期的に開閉することによって、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転を行う燃料電池システムにおいて、脈動運転の減圧時にパージ弁38が開くように、増減圧の周期に応じてパージ弁38の開閉を制御する。これにより、降圧時に、バッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを防ぐことができるので、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
−第2の実施形態−
第1の実施形態における燃料電池システムでは、脈動運転制御時に、アノード圧の昇圧工程が終了して降圧工程に入ると、パージ弁38を開くようにした(図8参照)。しかしながら、降圧過程に入った最初のうちは、アノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク36からのアノードオフガスの逆流が少なく、パージ弁38を開く必要性は低い。
第1の実施形態における燃料電池システムでは、脈動運転制御時に、アノード圧の昇圧工程が終了して降圧工程に入ると、パージ弁38を開くようにした(図8参照)。しかしながら、降圧過程に入った最初のうちは、アノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク36からのアノードオフガスの逆流が少なく、パージ弁38を開く必要性は低い。
従って、第2の実施形態における燃料電池システムでは、降圧工程の途中からパージ弁38を開くように制御する。
図9は、第2の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。時刻t51に、アノード圧の降圧が開始されるが、降圧の途中の時刻t52において、パージ弁38が開かれている。パージ弁38を開くタイミングは、任意のタイミングに設定することができる。例えば、降圧を開始してから所定時間経過後としてもよいし、アノード圧が所定量降圧した後としてもよい。
以上、第2の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧の途中でパージ弁38が開くように、パージ弁38の開閉を制御するので、適切なタイミングでパージ弁38を開くことにより、アノードガスの無駄な排出を抑制しつつ、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
−第3の実施形態−
第3の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧が低下しても、パージ流量が略一定となるように、パージ弁38の開度を制御する。
第3の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧が低下しても、パージ流量が略一定となるように、パージ弁38の開度を制御する。
図10は、第3の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。アノード圧の低下時にパージ弁38の開度を一定とすると、降圧につれてパージ流量が減少する。従って、第3の実施形態における燃料電池システムでは、降圧につれてパージ弁38の開度を大きくすることによって、アノード圧が低下しても、パージ流量が略一定となるようにする。これにより、パージ流量の減少に起因してバッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防ぐことができるので、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
以上、第3の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧期間中のパージ流量が略一定となるように、パージ弁38の開閉を制御するので、アノード圧の減圧時にパージ流量が減少することに起因してバッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防ぐことができる。これにより、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下をより効果的に抑制することができる。
−第4の実施形態−
アノードガス流路121内のアノードガス濃度は、降圧時間の経過に伴い、加速度的に減少する。従って、第4の実施形態における燃料電池システムでは、降圧時間の経過に伴い、パージ流量を加速度的に増加させることによって、バッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防いで、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制する。
アノードガス流路121内のアノードガス濃度は、降圧時間の経過に伴い、加速度的に減少する。従って、第4の実施形態における燃料電池システムでは、降圧時間の経過に伴い、パージ流量を加速度的に増加させることによって、バッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防いで、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制する。
図11は、第4の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。降圧時間の経過に伴い、パージ弁38の開度を大きくしていくことにより、パージ流量を加速度的に増やしていく。
以上、第4の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧期間の経過に応じてパージ流量が増加するように、パージ弁38の開閉を制御するので、バッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防いで、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を効果的に抑制することができる。
−第5の実施形態−
燃料電池スタック2に対する負荷が高い状態、すなわち、燃料電池スタック2の要求出力が大きくなると、脈動運転制御時の脈動周期が短くなる。この場合、脈動周期に合わせて、降圧時にパージ弁38を開き、昇圧時にパージ弁38を閉じる制御を行うためには、応答性の良い高価なパージ弁を用いる必要がある。
燃料電池スタック2に対する負荷が高い状態、すなわち、燃料電池スタック2の要求出力が大きくなると、脈動運転制御時の脈動周期が短くなる。この場合、脈動周期に合わせて、降圧時にパージ弁38を開き、昇圧時にパージ弁38を閉じる制御を行うためには、応答性の良い高価なパージ弁を用いる必要がある。
第5の実施形態における燃料電池システムでは、高負荷で燃料電池スタック2の要求出力が大きい場合には、パージ弁38の開閉を脈動周期に同期させない。
図12は、第5の実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁38の開閉制御のフローチャートである。図7に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
ステップS230に続くステップS300では、高負荷状態であるか否か、すなわち、燃料電池スタック2の要求出力が大きいか否かを判定する。ここでは、燃料電池スタック2の要求出力が所定出力以上であれば、高負荷状態であると判定する。高負荷状態であると判定すると、ステップS310に進む。
ステップS310では、パージ弁38の開度を決定する。ここでのパージ弁38の開度は、アノード圧の脈動周期に同期しない値とする。すなわち、昇圧時にパージ弁38を開くこともあれば、降圧時であっても、パージ弁38が閉じたままの状態が存在する場合がある。
一方、ステップS300において高負荷状態ではないと判定すると、ステップS240に進む。ステップS240〜S260の処理は、図7に示すフローチャートの処理と同じである。なお、ステップ240〜S260で行われるパージ弁38の開閉制御は、第1の実施形態で説明したように、アノード圧の脈動周期に同期した制御である。
図13は、負荷と脈動周期との関係、および、パージ弁38の開閉を脈動周期に同期させるか否かを示す図である。図13に示すように、負荷が高くなるほど、脈動周期は短くなる。また、負荷が高い場合、すなわち、脈動周期が短い場合には、パージ弁38の開閉を脈動周期に同期させない。
以上、第5の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池の要求出力が所定出力より大きい場合には、増減圧の周期に応じたパージ弁38の開閉制御は行わないので、応答性の良くないパージ弁を用いても、脈動運転の降圧時に、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。すなわち、高負荷状態で脈動周期が短くなる場合でも、脈動周期に同期させずにパージ弁38の開閉を行うことにより、バッファタンク36側からアノードガス流路121へとアノードオフガスが逆流するのを防いで、燃料電池スタック2内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
−第6の実施形態−
第1〜第5の実施形態では、脈動運転の降圧工程が終了して昇圧工程に入ると、未燃焼のアノードガスがバッファタンク36に入っていくため、高濃度のアノードガスが外気に排出されるのを抑制するために、昇圧工程に入るタイミングで、パージ弁38を閉じるように制御している。しかしながら、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、未燃焼のアノードガスはバッファタンク36に入っていかない。また、圧力センサ34は、燃料電池スタック2の上流側に設けられているため、バッファタンク36に近い下流側のアノード圧が圧力センサ34によって検出されるアノード圧と一致するまでには時間遅れが生じる。従って、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、パージ弁38を閉じずに開いておいても、高濃度のアノードガスが外気に排出される可能性は低く、かつ、バッファタンク36内にある低濃度のアノードガスを外気に排出することができる。
第1〜第5の実施形態では、脈動運転の降圧工程が終了して昇圧工程に入ると、未燃焼のアノードガスがバッファタンク36に入っていくため、高濃度のアノードガスが外気に排出されるのを抑制するために、昇圧工程に入るタイミングで、パージ弁38を閉じるように制御している。しかしながら、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、未燃焼のアノードガスはバッファタンク36に入っていかない。また、圧力センサ34は、燃料電池スタック2の上流側に設けられているため、バッファタンク36に近い下流側のアノード圧が圧力センサ34によって検出されるアノード圧と一致するまでには時間遅れが生じる。従って、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、パージ弁38を閉じずに開いておいても、高濃度のアノードガスが外気に排出される可能性は低く、かつ、バッファタンク36内にある低濃度のアノードガスを外気に排出することができる。
従って、第6の実施形態における燃料電池システムでは、昇圧工程に入ったタイミングではパージ弁38を閉じずに開いたままとし、昇圧工程の途中でパージ弁38を閉じるように制御する。
図14は、第6の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。時刻t71において、脈動運転の降圧工程が終了してもパージ弁38は閉じずに開いたままとする。そして、昇圧工程の途中の時刻t72において、パージ弁38を閉じている。
ここで、降圧工程が終了してから、パージ弁38を閉じるまでの期間は、圧力センサ34が設けられている位置や、アノード系内の容積等を考慮して、適切な値に設定しておく。
また、時刻t73において、脈動運転の昇圧工程が終了してもパージ弁38は閉じずに、降圧工程の途中の時刻t74において、パージ弁38を開いている。これは、バッファタンク36に近い下流側のアノード圧が圧力センサ34によって検出されるアノード圧と一致するまでには時間遅れが生じること、および、降圧工程に入ってもしばらくの間はアノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク36からのアノードオフガスの逆流が少なく、パージ弁38を開く必要性が低いからである。
以上、第6の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧が終了してもパージ弁38を開いたままとし、増圧の途中でパージ弁38を閉じるので、脈動運転の減圧が終了してもしばらくの間は、低濃度のアノードガスを外気に排出することができる。
本発明は、上述した各実施形態に限定されることはない。例えば、燃料電池システムを車両に搭載した例を挙げて説明したが、車両以外の様々なものに適用することもできる。
本願は、2012年2月29日に日本国特許庁に出願された特願2012−043942に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (7)
- アノードガスおよびカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、
前記バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁と、
前記調圧弁を周期的に開閉することによって、前記調圧弁よりも下流のアノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御手段と、
前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御時において、前記脈動運転の減圧期間中は、増圧期間中よりもパージ流量が増量するように前記パージ弁を制御するパージ弁制御手段と、
を備える燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間の途中で前記パージ弁が開くように、前記パージ弁の開閉を制御する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間中のパージ流量が略一定となるように、前記パージ弁の開閉を制御する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間の経過に応じて、前記パージ流量が増加するように、前記パージ弁の開閉を制御する、
燃料電池システム。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記脈動運転制御手段は、前記燃料電池の要求出力が大きい程、前記脈動運転の脈動周期を短くし、
前記パージ弁制御手段は、前記燃料電池の要求出力が所定出力より大きい場合には、増減圧の周期に応じた前記パージ弁の開閉制御は行わない、
燃料電池システム。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間が終了しても前記パージ弁を開いたままとし、増圧期間の途中で前記パージ弁を閉じる、
燃料電池システム。 - 燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、前記バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁とを備え、アノードガスおよびカソードガスを前記燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムの制御方法であって、
前記調圧弁を周期的に開閉することによって、前記調圧弁よりも下流のアノードガスの圧力を周期的に増減圧させる工程と、
前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御時において、前記脈動運転の減圧期間中は、増圧期間中よりもパージ流量が増量するように前記パージ弁を制御する工程と、
を備える燃料電池システムの制御方法。
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