JP5968008B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムとして、ヒドラジンなどの液体燃料を燃料電池に供給するものが知られている。 As a fuel cell system, one that supplies liquid fuel such as hydrazine to a fuel cell is known.
燃料電池は、アノード(燃料極)およびカソード(酸素極)が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードには、燃料循環路が接続されている。すなわち、燃料循環路の一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環路から液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環路に排出される。一方、カソードには、空気が供給される。 The fuel cell has a structure in which an anode (fuel electrode) and a cathode (oxygen electrode) are arranged to face each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. A fuel circulation path is connected to the anode. That is, one end of the fuel circulation path is connected to the fuel supply port of the anode, and the other end is connected to the fuel discharge port of the anode. Liquid fuel is supplied to the anode from the fuel circulation path, and the liquid fuel that has passed through the anode is discharged to the fuel circulation path. On the other hand, air is supplied to the cathode.
アノードでは、窒素ガス(N2)、水(H2O)および電子(e−)が生成される。電子は、外部回路(図示せず)を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環路に排出される。一方、カソードでは、アニオン(OH−)が生成される。アニオンは、電解質膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、発電反応(電気化学反応)による起電力が発生する。 At the anode, nitrogen gas (N 2 ), water (H 2 O) and electrons (e − ) are generated. The electrons move to the cathode via an external circuit (not shown). Nitrogen gas and water are discharged into the fuel circuit together with unreacted liquid fuel. On the other hand, an anion (OH − ) is generated at the cathode. The anion passes through the electrolyte membrane and moves to the anode. As a result, an electromotive force is generated between the anode and the cathode due to a power generation reaction (electrochemical reaction).
発電反応に伴い、液体燃料が消費されるとともに、アノードで生成された水が燃料循環路に排出されるので、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下する。その液体燃料の濃度を算出するために、たとえば、燃料循環路を循環する液体の量を演算によって検出する手法が提案されている。そして、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下すると、燃料循環路に液体燃料が補給されて、その濃度が発電反応に適した濃度に調整される。 Along with the power generation reaction, liquid fuel is consumed and water generated at the anode is discharged to the fuel circulation path, so that the concentration of the liquid fuel in the liquid circulating in the fuel circulation path decreases. In order to calculate the concentration of the liquid fuel, for example, a method has been proposed in which the amount of liquid circulating in the fuel circulation path is detected by calculation. And if the density | concentration of the liquid fuel in the liquid which circulates through a fuel circulation path falls, liquid fuel will be replenished to a fuel circulation path, and the density | concentration will be adjusted to the density | concentration suitable for an electric power generation reaction.
ところが、アノードでの水の生成および燃料循環路に液体燃料が補給されることにより、燃料循環路を循環する液体の量が増加する。燃料循環路上の液体量が増え過ぎると、燃料循環路からの液漏れなどを生じるおそれがある。そのため、液体燃料を使用する燃料電池システムでは、燃料循環路上の液体量の管理が必要である。 However, generation of water at the anode and replenishment of liquid fuel to the fuel circulation path increase the amount of liquid circulating in the fuel circulation path. If the amount of liquid on the fuel circulation path increases excessively, liquid leakage from the fuel circulation path may occur. Therefore, in a fuel cell system using liquid fuel, it is necessary to manage the amount of liquid on the fuel circulation path.
本発明の目的は、燃料循環路上の液体量を管理することができる、燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of managing the amount of liquid on the fuel circulation path.
前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで対向配置されるアノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記アノードを経由して液体燃料が循環する燃料循環路と、前記カソードに空気を供給する空気供給手段と、前記カソードから気体を排出するための排出路と、前記排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁と、前記燃料循環路上の液体量を検出する液体量検出手段と、前記液体量検出手段によって検出された液体量に基づいて、前記背圧調整弁の開度を制御する背圧制御手段とを含み、前記背圧制御手段は、前記液体量検出手段によって検出される液体量が所定の上限値以上に上昇した場合、前記背圧調整弁の開度を大きく制御し、前記液体量検出手段によって検出される液体量が所定の下限値以下に低下した場合には、前記背圧調整弁の開度を小さく制御する。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell having an anode and a cathode arranged opposite to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel circulation path through which liquid fuel circulates via the anode. An air supply means for supplying air to the cathode, a discharge path for discharging gas from the cathode, a back pressure adjusting valve for adjusting the pressure in the discharge path, and the amount of liquid on the fuel circulation path the liquid amount detecting means for detecting, on the basis of the amount of detected liquid by the liquid amount detecting means, seen including a back pressure control means for controlling the opening of the back pressure regulating valve, the back pressure control means When the liquid amount detected by the liquid amount detecting means rises above a predetermined upper limit value, the degree of opening of the back pressure adjustment valve is largely controlled, and the liquid amount detected by the liquid amount detecting means is a predetermined amount. lower limit If the drops below controls decreases the opening of the back-pressure regulating valve.
燃料電池は、アノードおよびカソードが電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードには、燃料循環路を循環する液体燃料が供給される。カソードには、空気が供給される。これにより、燃料電池では、発電反応が生じ、発電反応による起電力が発生する。 The fuel cell has a structure in which an anode and a cathode are arranged to face each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. The anode is supplied with liquid fuel that circulates in the fuel circulation path. Air is supplied to the cathode. Thereby, in the fuel cell, a power generation reaction occurs, and an electromotive force is generated by the power generation reaction.
発電反応の生成物として、アノードで水が生成される。この水は、未反応の液体燃料とともに、アノードから燃料循環路に排出される。そのため、発電反応に伴って、燃料循環路上の液体量が増加する。一方、カソードからは、排出路を通して、気体が排出される。 Water is produced at the anode as a product of the power generation reaction. This water is discharged from the anode to the fuel circulation path together with the unreacted liquid fuel. Therefore, the amount of liquid on the fuel circulation path increases with the power generation reaction. On the other hand, gas is discharged from the cathode through the discharge path.
燃料循環路上の液体量が所定の上限値以上に上昇すると、排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁の開度を大きく制御する。これにより、排出路内の圧力が低下し、カソードから排出路に排出される気体の流量(リットル/min)が増大する。それに伴って、カソードから排出路に空気とともに排出される蒸気量が増加し、アノードから電解質膜を透過してカソードにクロスリーク(クロスオーバ)する水の量が増加する。その結果、燃料循環路上の液体量を減らすことができる。そして、燃料循環路上の液体量を減らすために、複雑な構成を追加する必要がない。 If the amount of liquid fuel circulation path rises above a predetermined upper limit value, that controls a large opening of the back pressure regulating valve for adjusting the pressure in the discharge passage. As a result, the pressure in the discharge path decreases, and the flow rate (liter / min) of the gas discharged from the cathode to the discharge path increases. Along with this, the amount of steam discharged together with air from the cathode increases, and the amount of water that crosses the electrolyte membrane from the anode and crosses to the cathode increases. As a result, the amount of liquid on the fuel circulation path can be reduced. Further, it is not necessary to add a complicated configuration in order to reduce the amount of liquid on the fuel circulation path.
また、燃料循環路上の液体量が所定の下限値以下に低下した場合には、排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁の開度を小さく制御する。これにより、排出路内の圧力が上昇し、カソードから排出路に排出される気体の流量(リットル/min)が減少する。それに伴って、カソードから排出路に空気とともに排出される蒸気量が減少する。そして、発電反応に伴って、アノードで水が生成され、その水が燃料循環路に排出されることにより、燃料循環路上の液体量が増加する。燃料循環路上の液体量を増やすために、複雑な構成を追加する必要がない。 Further, when the liquid amount of the fuel circulation path falls below a predetermined lower limit value, that controls smaller the opening of the back pressure regulating valve for adjusting the pressure in the discharge passage. Thereby, the pressure in the discharge path rises, and the flow rate (liter / min) of the gas discharged from the cathode to the discharge path decreases. Along with this, the amount of steam discharged together with air from the cathode to the discharge path decreases. As the power generation reaction occurs, water is generated at the anode, and the water is discharged to the fuel circulation path, thereby increasing the amount of liquid on the fuel circulation path. There is no need to add a complex configuration to increase the amount of liquid on the fuel circuit.
よって、コストアップを抑えながら、燃料循環路上の液体量を管理することができる。 Therefore, the amount of liquid on the fuel circulation path can be managed while suppressing an increase in cost.
また、燃料循環路上の液体量を減らすことにより、燃料循環路上の液体燃料の濃度の低下を抑制することができる。 Further, by reducing the amount of liquid on the fuel circulation path, it is possible to suppress a decrease in the concentration of liquid fuel on the fuel circulation path.
なお、燃料電池の温度が高いほど、カソードから排出される蒸気量が多くなる。また、カソードに供給される空気の流量が多いほど、カソードから排出される蒸気量が多くなる。背圧調整弁に加えて、燃料電池を冷却する冷却手段および/またはカソードに空気を供給する空気供給手段を制御することにより、カソードから排出される蒸気量をより細かく調整することができ、燃料循環路上の液体量を一層良好に管理することができる。 Note that the higher the temperature of the fuel cell, the greater the amount of vapor discharged from the cathode. Also, the greater the flow rate of air supplied to the cathode, the greater the amount of vapor discharged from the cathode. By controlling the cooling means for cooling the fuel cell and / or the air supply means for supplying air to the cathode, in addition to the back pressure regulating valve, the amount of vapor discharged from the cathode can be adjusted more finely. The amount of liquid on the circulation path can be managed better.
本発明によれば、コストアップを抑えながら、燃料循環路上の液体量を管理することができる。 According to the present invention, the amount of liquid on the fuel circulation path can be managed while suppressing an increase in cost.
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
燃料電池システム1は、液体燃料を用いる燃料電池システムであり、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。液体燃料は、たとえば、水加ヒドラジン(N2H4・H2O)である。
The
燃料電池システム1は、燃料電池2を備えている。燃料電池2は、アノード(燃料極)3およびカソード(酸素極)4が電解質膜5を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質膜5は、たとえば、アニオン(OH−)を透過させる性質を有する固体高分子膜である。
The
アノード3には、燃料流路が形成されている。燃料流路は、燃料入口6と燃料出口7とに接続され、たとえば、燃料入口6と燃料出口7との間で葛折り状に屈曲している。
A fuel flow path is formed in the
燃料入口6には、燃料循環路8の一端が接続されている。燃料循環路8の他端は、燃料出口7に接続されている。
One end of a
燃料循環路8の一端部および他端部には、それぞれ燃料入口弁9および燃料出口弁10が介装されている。燃料入口弁9および燃料出口弁10は、たとえば、電磁弁からなる。
A
燃料循環路8における燃料入口弁9と燃料出口弁10との間の部分には、燃料循環ポンプ11が介装されている。
A
燃料入口弁9および燃料出口弁10が開かれた状態で、燃料循環ポンプ11が駆動されると、液体燃料を含む液体が燃料循環路8を燃料出口7から燃料入口6に向かう方向に流れる。燃料循環路8を流れる液体は、燃料入口6からアノード3の燃料流路に流入する。燃料流路に流入した液体は、燃料流路を流通し、燃料出口7から燃料循環路8に排出される。このようにして、液体燃料を含む液体が燃料流路および燃料循環路8を循環する。
When the
燃料循環路8における燃料出口弁10と燃料循環ポンプ11との間の部分には、燃料サブタンク12が介装されている。燃料循環路8を循環する液体は、燃料サブタンク12で一時的に貯留される。燃料サブタンク12には、燃料サブタンク12内に貯留されている液量(液体量)を検出するための燃料サブタンク液量センサ13が設けられている。
A
燃料サブタンク12には、燃料供給管14を介して、燃料タンク15が接続されている。燃料タンク15には、液体燃料が貯留されている。燃料補給管12の途中部には、燃料供給ポンプ16が介装されている。燃料供給ポンプ16が駆動されると、燃料タンク15から燃料供給管14を通して燃料サブタンク12に液体燃料が供給される。
A
また、燃料循環路8における燃料出口弁10と燃料サブタンク12との間の部分には、気液分離器17が介装されている。気液分離器11は、燃料循環路8を流通する液体からその液体中に含まれる気体(たとえば、ヒドラジンを燃料とする場合には、発電時に生成されるN2ガス)を分離して、液体のみを燃料循環路8に戻すために設けられている。
Further, a gas-
気液分離器17には、パージ管18が接続されている。パージ管18の先端は、排気処理器19に接続されている。パージ管18の途中部には、パージ弁20が介装されている。パージ弁20は、たとえば、電磁弁からなる。パージ弁20が開かれると、気液分離器17内の気体がパージ管18を通して排気処理器19に送られる。排気処理器19に送られた気体は、有害成分が除去された後、大気に放出される。
A
カソード4には、エア流路が形成されている。エア流路は、エア入口21とエア出口22とに接続され、たとえば、エア入口21とエア出口22との間で葛折り状に屈曲している。
An air flow path is formed in the
エア入口21には、エア供給路23が接続されている。
An
エア供給路23の途中部には、エアコンプレッサ24が介装されている。
An
また、エア供給路23におけるエアコンプレッサ24とエア入口21との間の部分には、エア入口弁25が介装されている。エア入口弁25は、たとえば、電磁弁からなる。
An
エア出口22には、エア排出路26が接続されている。エア排出路26の先端は、排気処理器19に接続されている。
An
エア排出路26の途中部には、気液分離タンク27およびエア背圧調整弁28が介装されている。
A gas-
エア入口弁25およびエア背圧調整弁28が開かれた状態で、エアコンプレッサ24が駆動されると、エア(大気)がエアクリーナを通してエア供給路23内に取り込まれる。エア供給路23内に取り込まれたエアは、エア入口21からカソード4のエア流路に流入する。エア流路に流入したエアは、エア流路を流通し、エア出口22からエア排出路26に排出される。
When the
燃料電池システム1では、水および液体燃料がアノード3から電解質膜5を透過してカソード4に移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、エア排出路26に排出されるエアには、アノード3からカソード4にクロスリークした液体燃料および水を含む液体が含まれる。そのため、エア排出路26には、気液分離タンク27が介装されている。気液分離タンク27において、エア排出路26から流入するエアから液体が分離され、気液分離タンク27からエアのみがエア排出路26に戻される。エア排出路26に戻されたエアは、排気処理器19に送られて、有害成分が除去された後、大気に放出される。
In the
気液分離タンク27には、エアから分離された液体が貯留される。気液分離タンク27の底部には、再循環路29の一端が接続されている。再循環路29の他端は、燃料循環路8に介装された気液分離器17に接続されている。再循環路29の途中部には、気液分離タンク弁30が介装されている。気液分離タンク弁30は、たとえば、電磁弁からなる。
The gas-
また、気液分離タンク27には、気液分離タンク27内に貯留されている液量(液体量)を検出するための気液分離タンク液量センサ31が設けられている。
The gas-
さらに、エア排出路26におけるエア出口22の近傍、気液分離タンク27よりもエアの流通方向の上流側の部分には、エア排出路26内の圧力を検出するためのエア出口圧力センサ32が接続されている。
Further, an air
また、燃料電池システム1は、冷却水循環路33を備えており、冷却水循環路33を循環する冷却水により、燃料電池2が冷却されるようになっている。冷却水循環路33の途中部には、冷却水を冷却水循環路33に循環させるためのウォータポンプ34が介装されている。また、冷却水循環路33の途中部には、ラジエータファン35からの送風により、冷却水を冷却するためのラジエータ36が介装されている。さらにまた、冷却水循環路33におけるウォータポンプ34とラジエータ36との間には、三方弁37が介装されている。三方弁37の残り1つのポートには、冷却水循環路33における燃料電池2の冷却水出口とラジエータ36との間の部分から分岐した分岐管38が接続されている。
The
図2は、燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the fuel cell system.
燃料電池システム1は、CPUおよびメモリを含む構成のFC−ECU(電子制御ユニット)41が備えられている。
The
FC−ECU41には、燃料サブタンク液量センサ13、気液分離タンク液量センサ31およびエア出口圧力センサ32の検出信号が入力される。
The FC-
FC−ECU41は、メモリに格納されたプログラムに従い、燃料サブタンク液量センサ13、気液分離タンク液量センサ31およびエア出口圧力センサ32の検出信号に基づいて、燃料電池システム1の各部を制御する。すなわち、FC−ECU41は、燃料循環ポンプ11、燃料供給ポンプ16、エアコンプレッサ24、ウォータポンプ34およびラジエータファン35の駆動を制御する。また、FC−ECU41は、燃料入口弁9、燃料出口弁10、パージ弁20、エア入口弁25および気液分離タンク弁30の開閉を制御する。さらに、FC−ECU41は、エア背圧調整弁28の開度を制御する。
The FC-
通常の発電制御では、燃料入口弁9および燃料出口弁10が開かれ、燃料循環ポンプ11が駆動されて、アノード3の燃料流路に液体燃料が供給される。その一方で、エアコンプレッサ24が駆動されるとともに、エア入口弁25が開かれ、エア背圧調整弁28の開度が調整されて、カソード4のエア流路に空気が供給される。
In normal power generation control, the
これにより、燃料電池2において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。 Thereby, in the fuel cell 2, an electrochemical reaction occurs, and an electromotive force is generated by the electrochemical reaction.
具体的には、アノード3において、反応式(1)で示される反応が生じ、窒素ガス(N2)、水(H2O)および電子(e−)が生成される。電子は、外部回路(図示せず)を介して、カソード4に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料排出口10を介して燃料循環路8に排出される。一方、カソードでは、反応式(2)で示される反応が生じ、アニオン(OH−)が生成される。アニオンは、電解質膜5を透過して、アノード3に移動する。
Specifically, the reaction represented by the reaction formula (1) occurs at the
NH2NH2+4OH−→N2+4H2O+4e− ・・・(1) NH 2 NH 2 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (1)
O2+2H2O+4e−→4OH− ・・・(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (2)
この結果、アノード3とカソード4との間に、発電反応(電気化学反応)による起電力が発生する。
As a result, an electromotive force is generated between the
燃料供給ポンプ16は、燃料循環路8に液体燃料を補給する必要が生じたときに駆動される。
The
パージ弁20は、通常、開かれている。
The
図3は、液量管理制御の流れを示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing the flow of the liquid amount management control.
通常の発電制御が実行されている間、その発電制御と並行して、FC−ECU41により、図3に示される液量管理制御が実行される。この液量管理制御が実行されることにより、燃料サブタンク12内の液量が適正範囲内に保持され、結果として、燃料循環路8上の液量が適正範囲に保持される。
While the normal power generation control is being executed, the liquid amount management control shown in FIG. 3 is executed by the FC-
液量管理制御では、まず、燃料サブタンク液量センサ13の検出信号が参照される。燃料サブタンク液量センサ13には、たとえば、燃料サブタンク12内に備えられたフロートの上下量をポテンショメータによって抵抗値に変換して出力する構成のものが採用されている。燃料サブタンク液量センサ13の検出信号に基づいて、燃料サブタンク12内の液量(液面の位置)が検出される。そして、燃料サブタンク12内の液量が所定の適正範囲内であるか否か、つまり所定の適正範囲下限値Pminよりも大きく、かつ、所定の適正範囲上限値Pmaxよりも小さい範囲内であるか否かが判断される(ステップS1)。
In the liquid amount management control, first, the detection signal of the fuel sub tank
アノード3からカソード4にクロスリークした水および液体燃料は、カソード4のエア流路を流通するエアとともにエア排出路26に排出される。そのエア排出路26への水および液体燃料の排出量、とくにエア排出路26に蒸気で排出される水の排出量(排出蒸気量)は、エア排出路26内のエア出口22の近傍での圧力(エア背圧)が小さいほど多くなる。したがって、エア背圧を調整することにより、カソード4からエア排出路26に排出される蒸気量を調整することができる。エア背圧は、エア背圧調整弁28の制御によって調整が可能である。
The water and liquid fuel that cross leaked from the
そこで、燃料サブタンク12内の液量が所定の適正範囲外である場合(ステップS1のNO)、エア背圧調整弁28が制御される(ステップS2)。
Therefore, when the amount of liquid in the
具体的には、燃料サブタンク12内の液量が適正範囲下限値Pmin以下である場合には、エア背圧調整弁28の開度が通常の発電制御における開度よりも小さい所定の開度に変更される。これにより、エア背圧が上昇し、カソード4からエア排出路26に排出される蒸気量が減少する。そして、発電反応に伴って、アノード3で水が生成され、その水が燃料循環路8に排出されることにより、燃料サブタンク12内の液量が増加する。
Specifically, when the amount of liquid in the
一方、燃料サブタンク12内の液量が適正範囲上限値Pmax以上である場合には、エア背圧調整弁28の開度が通常の発電制御における開度よりも大きい所定の開度に変更される。これにより、エア背圧が低下し、カソード4からエア排出路26に排出される蒸気量が増加する。その結果、アノード3からカソード4にクロスリークする水および液体燃料の量が増加し、燃料サブタンク12内の液量が減少する。
On the other hand, when the amount of liquid in the
その後、燃料サブタンク12内の液量が所定の目標範囲内であるか否か、つまり所定の目標範囲下限値Tminよりも大きく、かつ、所定の目標範囲上限値Tmaxよりも小さい範囲内であるか否かが判断される(ステップS3)。目標範囲は、適正範囲内に設定されている。すなわち、目標範囲下限値Tminは、適正範囲下限値Pminよりも大きく(Tmin>Pmin)、目標範囲上限値Tmaxは、適正範囲上限値Pmaxよりも小さい(Tmax>Pmax)。
Thereafter, whether or not the amount of liquid in the
燃料サブタンク12内の液量が目標範囲内に収まるまでは(ステップS3のNO)、エア背圧調整弁28の制御が続けられる(ステップS2)。
Until the amount of liquid in the
燃料サブタンク12内の液量が目標範囲内に収まると(ステップS3のYES)、エア背圧調整弁28の制御が終了され、エア背圧調整弁28の開度が通常の発電制御における開度に戻されて、液量管理制御が終了される。
When the amount of liquid in the
液量管理制御の開始時点で、燃料サブタンク12内の液量が適正範囲内である場合には(ステップS1のYES)、液量管理制御が直ちに終了される。
If the liquid amount in the
図4は、液体回収制御の流れを示すフローチャートである。図5A,5B,5Cは、気液分離タンク内の液量の変化を図解的に示す図である。 FIG. 4 is a flowchart showing the flow of liquid recovery control. 5A, 5B, and 5C are diagrams schematically showing changes in the amount of liquid in the gas-liquid separation tank.
通常の発電制御が実行されている間、その発電制御と並行して、FC−ECU41により、図4に示される液体回収制御が実行される。この液体回収制御は、気液分離タンク27に貯留された液体を再循環路29を通して燃料循環路8に回収するための制御である。
While normal power generation control is being executed, the liquid recovery control shown in FIG. 4 is executed by the FC-
図5Aに示されるように、エア排出路26から気液分離タンク27に流入するエアに含まれる液体は、気液分離タンク27内に設けられた多孔質金属体51に捕獲されて、気液分離タンク27内の底部に溜められる。気液分離タンク27内の液量が一定値に達するまでは、液体の水面が気液分離タンク液量センサ31のフロートの位置まで上昇しておらず、気液分離タンク液量センサ31の検出信号がオフである。このとき、気液分離タンク弁30は、閉じられている。
As shown in FIG. 5A, the liquid contained in the air flowing into the gas-
気液分離タンク27内の液量が所定の回収しきい値以上になると、図5Bに示されるように、液体の水面が気液分離タンク液量センサ31のフロートの位置まで上昇し、気液分離タンク液量センサ31の検出信号がオンになる。
When the amount of liquid in the gas-
気液分離タンク液量センサ31の検出信号がオンになると(ステップS11のYES)、エア背圧調整弁28が制御されて、エア背圧調整弁28の開度が通常の発電制御における開度よりも小さい所定の開度に変更される(ステップS12)。このとき、気液分離タンク弁30は、閉じられたままである。そのため、エア背圧調整弁28の制御が開始されると、気液分離タンク27内を含め、エア排出路26におけるエア背圧調整弁28よりもエアの流通方向の上流側の内圧が上昇する。
When the detection signal of the gas-liquid separation tank
その後、エア出口圧力センサ32によって検出される圧力、つまりエア排出路26内のエア出口22の近傍での圧力(エア背圧)が所定圧力以上に上昇したか否かが調べられる(ステップS13)。
Thereafter, it is checked whether or not the pressure detected by the air
エア背圧が所定圧力以上に上昇するまで、気液分離タンク弁30が閉じられたままでのエア背圧調整弁28の制御が続けられる。
Control of the air back
エア背圧が所定圧力以上に上昇すると(ステップS13のYES)、気液分離タンク弁30が開かれる(ステップS14)。これにより、図5Cに示されるように、エア背圧により、気液分離タンク27内の液体が再循環路29に押し出される。そして、その液体は、再循環路29を通して、燃料循環路8に介装された気液分離器17に流入する。
When the air back pressure rises above a predetermined pressure (YES in step S13), the gas-liquid
気液分離タンク弁30が開かれてから所定時間が経過すると(ステップS15のYES)、気液分離タンク弁30が閉じられる(ステップS16)。
When a predetermined time has elapsed since the gas-liquid
そして、エア背圧調整弁28の制御が終了され(ステップS17)、エア背圧調整弁28の開度が通常の発電制御における開度に戻されて、液体回収制御が終了される。
Then, the control of the air back
また、気液分離タンク27内の液量が回収しきい値に達していない場合であっても(ステップS11のNO)、気液分離タンク27に貯留された液体を燃料循環路8に回収する動作(ステップS12〜S17)が前回実行されてから一定時間が経過した場合には(ステップS18のYES)、その気液分離タンク27に貯留された液体を燃料循環路8に回収する動作が実行される(ステップS12〜S18)。これにより、たとえ気液分離タンク液量センサ31が故障していても、一定時間間隔で気液分離タンク27に貯留された液体を燃料循環路8に回収することができるので、気液分離タンク27内に液体が溜まりすぎることを防止できる。
Even if the amount of liquid in the gas-
図6は、液量低減制御の流れを示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the liquid amount reduction control.
図3に示される液量管理制御が実行されても、燃料サブタンク12内の液量が増え続けた場合に、燃料サブタンク12内の液量を低減させるために、図6に示される液量低減制御がフェイルセーフ的に実行される。
Even if the liquid amount management control shown in FIG. 3 is executed, the liquid amount reduction shown in FIG. 6 is performed in order to reduce the liquid amount in the
燃料サブタンク液量センサ13によって検出される燃料サブタンク12内の液量が適正範囲上限値Pmax以上に上昇し、図3に示される液量管理制御が開始された後(ステップS21)、燃料サブタンク12内の液量が増え続けて、その液量が適正範囲上限値Pmaxよりも大きい一定値以上に増加すると(ステップS22のYES)、燃料電池2の温度を一時的に上昇させる温度制御が行われる(ステップS23)。
After the amount of liquid in the
この温度制御では、たとえば、ウォータポンプ34およびラジエータファン35が停止される。これにより、冷却水循環路33における冷却水の循環が停止し、燃料電池2の冷却が停止される。その一方で、燃料電池2の発電が続けられることにより、燃料電池2の温度が上昇する。燃料電池2の温度が上昇すると、電解質膜5が熱膨張し、電解質膜5に形成されている孔が広がる。そのため、アノード3から電解質膜5を透過してカソード4にクロスリークする水および液体燃料の量が増加する。その結果、燃料循環路8上の液量が減少し、燃料サブタンク12内の液量が減少する。
In this temperature control, for example, the
燃料サブタンク12内の液量が一定値以下に低下すると(ステップS24のYES)、温度制御が終了されて(ウォータポンプ34およびラジエータファン35の駆動が再開されて)、液量低減制御が終了される。
When the amount of liquid in the
以上のように、燃料電池2は、アノード3およびカソード4が電解質膜5を挟んで対向配置された構造を有している。アノード3には、燃料循環路8を循環する液体燃料が供給される。カソード4には、エアが供給される。これにより、燃料電池2では、発電反応が生じ、発電反応による起電力が発生する。
As described above, the fuel cell 2 has a structure in which the
発電反応の生成物として、アノード3で水が生成される。この水は、未反応の液体燃料とともに、アノード3から燃料循環路8に排出される。そのため、発電反応に伴って、燃料循環路8上の液体量が増加する。一方、カソード4からは、エア排出路26を通して、エアが排出される。
Water is generated at the
燃料循環路8上の液量が所定の適正範囲上限値Pmax以上に上昇すると、エア排出路26内の圧力を調整するためのエア背圧調整弁28の開度が大きくされる。これにより、エア排出路26内の圧力が低下し、カソード4からエア排出路26に排出されるエアの流量が増大する。それに伴って、カソード4からエア排出路26にエアとともに排出される蒸気量が増加し、アノード3から電解質膜5を透過してカソード4にクロスリークする水および液体燃料の量が増加する。その結果、燃料循環路8上の液量を減らすことができる。そして、燃料循環路8上の液量を減らすために、複雑な構成を追加する必要がない。
When the amount of liquid on the
また、燃料サブタンク12内の液量が適正範囲下限値Pmin以下である場合には、エア背圧調整弁28の開度が小さくされる。これにより、エア背圧が上昇し、カソード4からエア排出路26に排出される蒸気量が減少する。そして、発電反応に伴って、アノード3で水が生成され、その水が燃料循環路8に排出されることにより、燃料サブタンク12内の液量が増加する。
Further, when the amount of liquid in the
よって、コストアップを抑えながら、燃料循環路8上の液量を管理することができる。
Therefore, the liquid amount on the
また、燃料循環路8上の液量を減らすことにより、燃料循環路8上の液体燃料の濃度の低下を抑制することができる。
Further, by reducing the amount of liquid on the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
たとえば、前述の実施形態では、エア背圧の調整により、カソード4から排出される蒸気量を調整する場合を例にとった。しかしながら、カソード4から排出される蒸気量は、エア背圧だけでなく、燃料電池2の温度およびカソード4のエア流路に供給されるエアの流量によっても変化する。具体的には、燃料電池2の温度が高いほど、カソード4から排出される蒸気量が多くなる。また、カソード4のエア流路に供給されるエアの流量が多いほど、カソード4から排出される蒸気量が多くなる。
For example, in the above-described embodiment, the case where the amount of steam discharged from the
そこで、エア背圧調整弁28の制御に加えて、燃料電池2を冷却するためのウォータポンプ34およびラジエータファン35が制御されて、燃料電池2の温度が調整されてもよい。また、エア背圧調整弁28の制御に加えて、エアコンプレッサ24が制御されて、カソード4のエア流路に供給されるエアの流量が調整されてもよい。さらには、エア背圧調整弁28の制御に加えて、ウォータポンプ34およびラジエータファン35の制御とエアコンプレッサ24の制御との両方が行われてもよい。これらにより、カソード4から排出される蒸気量をより細かく調整することができ、燃料循環路8上の液量を一層良好に管理することができる。
Therefore, in addition to the control of the air back
なお、エア背圧を変更しても、燃料電池システム1の全体としての発電出力は、ほぼ変動しない。エア背圧が上がると、燃料電池2における発電効率が上がる一方で、エアコンプレッサ24の消費電力が増え、エア背圧が下がると、エアコンプレッサ24の消費電力が減るが、燃料電池2における発電効率が下がるからである。よって、エア背圧の調整によるカソード4からの排出蒸気量の調整は、燃料電池システム1の発電出力への影響が小さい点で優れている。
Even if the air back pressure is changed, the power generation output of the
また、前述の実施形態では、図4に示される液体回収制御において、エア背圧調整弁28の制御により、気液分離タンク27内の圧力が高められて、その圧力で気液分離タンク27内の液体が燃料循環路8に送られる構成を例にとった。しかしながら、再循環路29の途中部に、ポンプが介装されて、そのポンプの駆動により、気液分離タンク27内の液体が燃料循環路8に送られる構成が採用されてもよい。
In the above-described embodiment, in the liquid recovery control shown in FIG. 4, the pressure in the gas-
また、燃料サブタンク12内の液量を検出するために、ポテンショメータを含む燃料サブタンク液量センサ13が備えられた構成を取り上げた。しかしながら、燃料サブタンク12内を含む燃料循環路8上の液量は、たとえば、特開2011−216341号公報で提案されている手法によって算出されてもよい。
Further, in order to detect the amount of liquid in the
すなわち、その提案に係る手法では、燃料循環路8が外部から閉止された状態で、燃料電池2における発電が行われる。そして、一定時間に燃料電池2から発生した電流量が算出され、その電流量に基づいて、一定時間における液体燃料の消費量である燃料消費量、一定時間にアノード3で生成されるN2ガスの量である生成窒素量、および一定時間にアノード3で生成される水の量である生成水量が算出される。これらに基づいて、一定時間の終了時における燃料循環路8(アノード3および気液分離器17を含む。)内の空隙体積が算出され、燃料循環路8内の全容積からその算出された空隙体積が減算されることにより、燃料循環路8内の液量が算出される。
That is, in the method according to the proposal, power generation in the fuel cell 2 is performed with the
また、燃料電池2の温度を一時的に上昇させるための温度制御において、燃料電池2の発電が続けられながら、ウォータポンプ34およびラジエータファン35が停止されるとした。これに代わる制御として、燃料電池2の温度を一時的に上昇させるために、燃料電池2の発電が続けられながら、ウォータポンプ34が停止されずに、三方弁37が切り替えられて、燃料電池2の冷却水出口から排出される冷却水が分岐管38を通されることにより、その冷却水がラジエータ36を経由せずに燃料電池2に再度送り込まれてもよい。
Further, in the temperature control for temporarily raising the temperature of the fuel cell 2, the
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made to the above-described configuration within the scope of the matters described in the claims.
1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 アノード
4 カソード
5 電解質膜
8 燃料循環路
13 燃料サブタンク液量センサ(液体量検出手段)
26 エア排出路(排出路)
28 エア背圧調整弁(背圧調整弁)
41 FC−ECU(液体量検出手段、背圧制御手段)
DESCRIPTION OF
26 Air discharge path (discharge path)
28 Air back pressure adjustment valve (back pressure adjustment valve)
41 FC-ECU (liquid amount detection means, back pressure control means)
Claims (1)
前記アノードを経由して液体燃料が循環する燃料循環路と、
前記カソードに空気を供給する空気供給手段と、
前記カソードから気体を排出するための排出路と、
前記排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁と、
前記燃料循環路上の液体量を検出する液体量検出手段と、
前記液体量検出手段によって検出された液体量に基づいて、前記背圧調整弁の開度を制御する背圧制御手段とを含み、
前記背圧制御手段は、前記液体量検出手段によって検出される液体量が所定の上限値以上に上昇した場合、前記背圧調整弁の開度を大きく制御し、前記液体量検出手段によって検出される液体量が所定の下限値以下に低下した場合には、前記背圧調整弁の開度を小さく制御する、燃料電池システム。 A fuel cell having an anode and a cathode disposed opposite to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween;
A fuel circulation path through which liquid fuel circulates via the anode;
Air supply means for supplying air to the cathode;
A discharge path for discharging gas from the cathode;
A back pressure adjusting valve for adjusting the pressure in the discharge passage;
A liquid amount detecting means for detecting a liquid amount on the fuel circulation path;
Based on the amount of liquid detected by the liquid quantity detector means, seen including a back pressure control means for controlling the opening of the back pressure regulating valve,
The back pressure control means controls the opening of the back pressure regulating valve to be detected by the liquid quantity detection means when the liquid quantity detected by the liquid quantity detection means rises above a predetermined upper limit value. A fuel cell system that controls the opening of the back pressure adjustment valve to be small when the amount of liquid that falls below a predetermined lower limit value .
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