JP6268493B2 - Fuel cell running-in system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池のならし運転システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell running-in system.
燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、電気エネルギを得るシステムである。 A fuel cell supplies a fuel gas (a gas mainly containing hydrogen) and an oxidant gas (a gas mainly containing oxygen) to an anode side electrode and a cathode side electrode to cause an electrochemical reaction. It is a system for obtaining energy.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セル(以下、セルとも称する)を備えている。この種のセルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. A cell (hereinafter also referred to as a cell) is provided. This type of cell is normally used as a fuel cell stack mounted on a vehicle such as an automobile, for example, by stacking a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
この種の固体高分子型燃料電池では、組み立て直後の電解質膜の含水量が十分でないため、初期発電性能が低くなっている。従って、通常、燃料電池の組み立て後に所望の発電性能を引き出すため、燃料電池のエージング運転と称される予備運転(ならし運転)が行われている。なお、ならし運転とは、燃料電池組み立て後、発電をすることでセルの性能が所望の能力を発揮できるようにすることを含む。 In this type of polymer electrolyte fuel cell, the initial power generation performance is low because the water content of the electrolyte membrane immediately after assembly is not sufficient. Therefore, in order to draw out a desired power generation performance after assembling the fuel cell, a preliminary operation (running operation) called an aging operation of the fuel cell is usually performed. Note that the running-in operation includes allowing the cell performance to exhibit a desired capability by generating power after assembling the fuel cell.
このならし運転としては、例えば下記特許文献1に記載された技術が公知である。下記特許文献1には、所定の時間の経過によってならし運転の終了を判断する技術が開示されている。 As this leveling operation, for example, a technique described in Patent Document 1 below is known. Patent Document 1 below discloses a technique for determining the end of a running-in operation after a lapse of a predetermined time.
ところで、燃料電池は、セル仕様(白金量、電解質膜の種類、アイオノマーの種類、ガス拡散層の種類、セパレータ流路等)の違いや個体差(製造上のばらつき等)が生じるものであるため、各々の燃料電池によってならし運転に要する時間の差が生じることが通常である。ところが、従来の技術では、予めセル仕様等に応じたならし運転に要する時間を測定する方法がなかったため、余裕を加えて(安全率をみて)ならし運転の時間指定をしていた結果、余分に発電を継続することによる無駄なコストが生じていた。このように、従来の技術では依然として解決すべき課題があり、ならし運転に要する時間(ならし運転の完了度)を測定する必要があった。 By the way, fuel cells are subject to differences in cell specifications (platinum amount, type of electrolyte membrane, type of ionomer, type of gas diffusion layer, separator flow path, etc.) and individual differences (such as manufacturing variations). Normally, a difference in time required for the leveling operation is caused by each fuel cell. However, in the prior art, there was no method for measuring the time required for the leveling operation according to the cell specifications in advance, so as a result of specifying the time for the leveling operation with a margin (in terms of safety factor), There was a wasteful cost due to the extra power generation. As described above, there is still a problem to be solved in the conventional technique, and it is necessary to measure the time required for the leveling operation (the degree of completion of the leveling operation).
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ならし運転の完了度を判断することが可能な燃料電池のならし運転システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell running-in system capable of determining the degree of completion of a running-in operation.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池のならし運転システムは、前記燃料電池に加湿ガスを供給する供給手段と、前記燃料電池へ供給される前記加湿ガスに含まれる水分量を測定する第1の測定手段と、前記燃料電池から排出されるガスに含まれる水分量を測定する第2の測定手段と、前記第1の測定手段によって測定された水分量をX1とし、前記第2の測定手段によって測定された水分量をX2と定義したときに、X2/X1が所定値の場合に前記燃料電池のならし運転の完了と判定する判定手段と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a running-in system for a fuel cell according to the present invention includes a supply means for supplying a humidified gas to the fuel cell, and measures the amount of moisture contained in the humidified gas supplied to the fuel cell. First measuring means, second measuring means for measuring the amount of water contained in the gas discharged from the fuel cell, and the amount of water measured by the first measuring means as X1, the second When the moisture content measured by the measurement means is defined as X2, the determination means determines that the fuel cell running-in operation is completed when X2 / X1 is a predetermined value.
本発明に係る燃料電池のならし運転システムでは、燃料電池へ供給されるガスに含まれる水分量(入口水蒸気量)、燃料電池から排出されるガスに含まれる水分量(出口水蒸気量)に基づき、ならし運転の完了を判定する。従来では、セル仕様の違いや個体差によるならし運転時間の変動を考慮して、余裕を加えて(安全率をみて)ならし運転を行っていたため、ならし運転の完了後においても発電を継続することによる無駄なコストが生じていた。これに対し、本発明では、上記入口水蒸気量及び出口水蒸気量に基づきならし運転の完了を判定し、ならし運転の完了次第、発電を停止することができるため、無駄なコストの消費を抑えることが可能となる。 In the fuel cell running-in system according to the present invention, based on the amount of water contained in the gas supplied to the fuel cell (inlet water vapor amount) and the amount of water contained in the gas discharged from the fuel cell (outlet water vapor amount). Determine the completion of the break-in operation. In the past, since the leveling operation was performed with a margin (seeing the safety factor) in consideration of fluctuations in the leveling operation time due to differences in cell specifications and individual differences, power generation was performed even after the leveling operation was completed. There was a wasteful cost of continuing. On the other hand, in the present invention, the completion of the leveling operation is determined based on the inlet water vapor amount and the outlet water vapor amount, and power generation can be stopped as soon as the leveling operation is completed, thereby suppressing wasteful cost consumption. It becomes possible.
また本発明に係る燃料電池のならし運転システムは、前記加湿ガスを供給する際に、前記燃料電池に電流を流す放電負荷手段と、前記放電負荷手段から流れる電流値に基づき、前記燃料電池の内部で生成される生成水量を算出する算出手段と、を更に備え、前記判定手段は、前記算出された生成水量をX3と定義したときに、X2/(X1+X3)が所定値の場合に前記燃料電池のならし運転の完了と判定することも好ましい。 The fuel cell run-in operation system according to the present invention includes: a discharge load means for supplying a current to the fuel cell when supplying the humidified gas; Calculating means for calculating the amount of water produced internally, wherein the determination means defines the fuel quantity when X2 / (X1 + X3) is a predetermined value when the calculated water quantity is defined as X3. It is also preferable to determine that the battery run-in has been completed.
この好ましい態様では、燃料電池に加湿ガスを供給する際に、放電負荷手段から燃料電池に電流を流してならし運転の完了の判定を行う。これにより、電流を流すことによって生じる生成水量も考慮したならし運転の完了度を判定することができる。 In this preferred embodiment, when the humidified gas is supplied to the fuel cell, a current is passed from the discharge load means to the fuel cell to determine whether the running operation is completed. As a result, the degree of completion of the leveling operation can be determined in consideration of the amount of generated water caused by flowing current.
また本発明に係る燃料電池のならし運転システムでは、前記判定手段は、前記X1が前記X2より大きい場合に、ならし途中と判定し、前記X2が前記X1より大きい場合に、電極乾燥中と判定することも好ましい。 Further, in the fuel cell running-in system according to the present invention, the determining means determines that the test is in progress when X1 is greater than X2, and determines that the electrode is being dried when X2 is greater than X1. It is also preferable to determine.
また本発明に係る燃料電池のならし運転システムでは、前記判定手段は、前記X1と前記X3との和が、前記X2より大きい場合に、ならし途中と判定し、前記X2が前記X1と前記X3との和より大きい場合に、電極乾燥中と判定することも好ましい。 Further, in the fuel cell running-in system according to the present invention, the determination means determines that the leveling is in progress when the sum of the X1 and the X3 is larger than the X2, and the X2 is determined as the X1 and the X1. It is also preferable to determine that the electrode is being dried when greater than the sum of X3.
本発明によれば、ならし運転の完了度を判断することが可能な燃料電池のならし運転システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the leveling operation system of the fuel cell which can determine the completion degree of leveling operation can be provided.
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The present invention is illustrated by the following preferred embodiments, but can be modified in many ways without departing from the scope of the present invention, and other embodiments other than this embodiment can be utilized. . Accordingly, all modifications within the scope of the present invention are included in the claims.
以下で説明するように、本実施形態ではならし運転の完了度を算出することを1つの特徴とするものであるが、後述する指標(ならし完了度)を用いるに至った背景としては次のようなことが挙げられる。具体的には、本発明者らは、ならし運転完了と相関があるものを調査していった中で、水分が十分に燃料電池スタック内にいきわたった状態とセル性能が上げ止まる(≒活性化電圧が最も小さくなる)タイミングに相関がある、との知見を得た。そこで、本発明者らは、水分が十分に燃料電池スタック内にいきわたった状態を表すものとして、後述する指標(ならし完了度)を用いることを見出した。 As will be described below, the present embodiment is characterized by calculating the degree of completion of the leveling operation, but the background for the use of an index (leveling completion level) to be described later is as follows. It is mentioned. Specifically, while investigating what correlates with the completion of the leveling operation, the present inventors stopped raising the cell performance and the state in which the moisture was sufficiently distributed in the fuel cell stack (≈activity We obtained knowledge that there is a correlation in timing). Therefore, the present inventors have found that an index (degree of completion) to be described later is used to represent a state where moisture has sufficiently spread in the fuel cell stack.
まず、本発明の第1実施形態における燃料電池のならし運転システムの構成について説明する。図1は、ならし運転システムの構成を示す模式図である。このならし運転システムは、燃料電池をならし運転させるために利用されるシステムである。 First, the configuration of the fuel cell running-in system according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a break-in operation system. The running-in operation system is a system used for running the fuel cell.
ならし運転システム100aは、上流側から順に、ガス供給手段10a、10bと、マスフローコントローラMFCa、MFCbと、バブラー20a、20bと、入口側露点計30a、30bと、バイパス管210a、210bと、燃料電池スタック2(以下、燃料電池2という)と、気化器70a、70bと、出口側露点計40a、40bと、ドレンポット50a、50bと、これらを繋ぐ配管110a、110b、111a、111bとを備える。
The
燃料電池2は、単セル(電解質膜の両面に、ガスが拡散可能な多孔質膜等の構造を有する電極を成膜したもの)を複数積層したスタック構造を有している。図1では、説明の便宜のため、燃料電池2として、アノード極(水素極)2a及びカソード極(空気極)2bとを有する単セルの構造のみを示している。
The
ガス供給手段10a、10bは、アノード側ガス供給手段10aと、カソード側ガス供給手段10bとを備える。アノード側ガス供給手段10aは、燃料電池2のアノード極2aに接続された配管110aを介して、アノード極2aに水素(燃料ガス)を供給するための装置である。カソード側ガス供給手段10bは、燃料電池2のカソード極2bに接続された配管110bを介して、燃料電池2のカソード極2bに酸素(酸化ガス)を供給するための装置である。ガス供給手段10a、10bから、燃料電池2のアノード極2a及びカソード極2bに、それぞれ燃料ガス及び酸化ガスが供給されて燃料電池2は発電し、電力が生成される。
The gas supply means 10a and 10b include an anode side gas supply means 10a and a cathode side gas supply means 10b. The anode-side gas supply means 10 a is a device for supplying hydrogen (fuel gas) to the
バイパス管210a、210bは、燃料電池2をバイパスするための流路であり、アノード側のバイパス管210aと、カソード側のバイパス管210bとを備える。アノード側のバイパス管210aは、燃料電池2のアノード極2aをバイパスするための流路であり、アノード極2aの上流側(図1では燃料電池2に対して左側)に接続された配管110aと、アノード極2aの下流側(図1では燃料電池2に対して右側)に接続された配管111aとを連通した流路となっている。このため、配管110a内を流れるガスは、バイパス管210a内を通り、配管111aに流入することとなる。言い換えれば、配管110a内を流れるガスは、燃料電池2を迂回して配管111a内に流入することとなる。カソード側のバイパス管210bは、燃料電池2のカソード極2bをバイパスするための流路であり、カソード極2bの上流側(図1では燃料電池2に対して左側)に接続された配管110bと、カソード極2bの下流側(図1では燃料電池2に対して右側)に接続された配管111bとを連通した流路となっている。このため、配管110b内を流れるガスは、バイパス管210b内を通り、配管111bに流入する。言い換えれば、配管110b内を流れるガスは、燃料電池2を迂回して配管111b内に流入することとなる。
The
マスフローコントローラMFCa、MFCbは、それぞれ配管110a内及び配管110b内を流れるガスの流量を調整する装置である。マスフローコントローラMFCaは、配管110aに配設され、燃料電池2のアノード極2aへ供給される燃料ガスの流量を調整する。マスフローコントローラMFCbは、配管110bに配設され、燃料電池2のカソード極2bへ供給される酸化ガスの流量を調整する。
The mass flow controllers MFCa and MFCb are devices that adjust the flow rate of the gas flowing in the
バブラー20a、20bは、ガス供給手段10a、10bから供給されるガスを加湿し、当該加湿したガスを燃料電池2に供給するものである。バブラー20aは、ガス供給手段10aと燃料電池2のアノード極2aとの間を接続する配管110aの途中に設けられる。ガス供給手段10aから供給される燃料ガスは、このバブラー20a内を通過することで加湿され、当該加湿された燃料ガスが燃料電池2のアノード極2aに供給される。バブラー20bは、ガス供給手段10bと燃料電池2のカソード極2bとの間を接続する配管110bの途中に設けられる。ガス供給手段10bから供給される酸化ガスは、このバブラー20b内を通過することで加湿され、当該加湿された酸化ガスが燃料電池2のカソード極2bに供給される。なお、バブラー20a、20b内の温度は、図示しない加熱手段により所定温度に調整されるようになっている。上述したガス供給手段10a、10bと、バブラー20a、20bとが、本発明における「供給手段」に相当するものである。
The
入口側露点計30a、30b(第1の測定手段)は、燃料電池2の入口側(上流側)に配設され、配管110a、110b内を流れるガスの露点を計測する装置である。アノード側に設けられる入口側露点計30aは、バブラー20aと燃料電池2のアノード極2aとの間の配管110aに配設され、配管110a内を流れる燃料ガスの露点を計測する。カソード側に設けられる入口側露点計30bは、バブラー20bと燃料電池2のカソード極2bとの間の配管110bに配設され、配管110b内を流れる酸化ガスの露点を計測する。ガスの露点を計測することは、ガス中の水分量を測定していることになるので、入口側露点計30a、30bは、ガス中の水分を測定する水分計とみることもできる。したがって、入口側露点計30a、30bにより、燃料電池2の入口側水蒸気量(入口水蒸気量)を測定することができる。測定された入口水蒸気量は、後述するならし完了度を算出するために用いられる。
The inlet side
気化器70a、70bは、燃料電池2の出口側(下流側)に配設され、配管111a、111b内を流れるガスの温度を上昇させる装置である。アノード側に設けられる気化器70aは、燃料電池2のアノード極2aの下流側に接続された配管111a内を流れる燃料ガスの温度を上昇させる。カソード側に設けられる気化器70bは、燃料電池2のカソード極2bの下流側に配設される配管111b内を流れる酸化ガスの温度を上昇させる。このように、気化器70a、70bによって配管111a、111b内を流れるガスの温度を上昇させることで、後述する出口側露点計40a、40bにより計測される水蒸気の総量を測定することが可能となる。なお、気化器70a、70bにより上昇させるガスの温度は、制御装置400により適宜調整される。また本実施形態では、気化器70a、70bを設けているが、配管111a、111b内を流れるガスの温度を上昇させる機能を有していれば、他の装置(例えばヒータ等)を設置することも可能である。
The
出口側露点計40a、40b(第2の測定手段)は、燃料電池2の出口側(下流側)に配設され、配管110a、110b内を流れるガスの露点を計測する装置である。アノード側の出口側露点計40aは、気化器70aとドレンポット50aとの間に接続される配管111aに設けられ、アノード極2aから排出されたガスの露点を計測する。カソード側の出口側露点計40bは、気化器70bとドレンポット50bとの間に接続される配管111bに設けられ、カソード極2bから排出されたガスの露点を計測する。ガスの露点を計測することは、ガス中の水分量を測定していることになるので、出口側露点計40a、40bは、ガス中の水分を測定する水分計とみることもできる。したがって、出口側露点計40a、40bにより、燃料電池2の出口側水蒸気量(出口水蒸気量)を測定することができる。測定された出口水蒸気量は、後述するならし完了度を算出するために用いられる。
The outlet side
ドレンポット50a、50bは、出口側露点計40a、40bの下流側に設けられ、燃料電池2から排出されたガスから回収した水を貯留するための容器である。詳細には、ドレンポット50a、50bの上流側に冷却部(図示省略)がそれぞれ設けられ、当該冷却部により、配管111a、111b内を流れるガスを冷却することにより、当該ガス中に含まれる水分を結露させ、当該結露させた水をドレンポット50a、50bにて回収することが可能となっている。アノード側のドレンポット50aは、燃料電池2のアノード極2aから排出されるガスから結露させた水を回収する。カソード側のドレンポット50bは、燃料電池2のカソード極2bから排出されるガスから結露させた水を回収する。
The
制御装置400は、論理演算を実行するCPUや、ROM、RAMを有するコンピューターとして構成される。本実施形態では、制御装置400は、ドレンポット50a、50bの水重量から基準露点を算出する機能を備える。また制御装置400は、算出した基準露点からバブラー20a、20bの温度、入口側露点計30a、30b及び出口側露点計40a、40bを補正する機能(ゼロ点合わせをする機能)を備える。また制御装置400は、入口側露点計30a、30b及び出口側露点計40a、40bの計測値に基づき、後述するならし完了度を算出する機能を備える。また制御装置400は、放電負荷装置(図6参照)から流れる負荷電流値から生成水量を算出し、当該生成水量、入口側露点計30a、30bの計測値、及び、出口側露点計40a、40bの計測値に基づき、後述するならし完了度を算出する機能を備える。
The
<燃料電池のならし判定工程>
図1に示した燃料電池のならし運転システム100aを用いた燃料電池のならし判定工程について説明する。図2は、燃料電池のならし判定工程の一例を示すフローチャートである。
<Fuel cell leveling process>
A fuel cell leveling determination process using the fuel cell leveling
(ステップS110)
ガス供給手段10a、10bから供給され、バブラー20a、20bを通過して加湿された加湿ガスが、燃料電池2を迂回するようバイパス管210a、210bを通るラインに切り替える(ステップS110)。アノード側、カソード側では以下のようにラインの切り替えを行う。すなわち、アノード側では、ガス供給手段10aから供給され、バブラー20aを通過して加湿された加湿ガスが、燃料電池2のアノード極2aを迂回するようバイパス管210aを通るラインに切り替える。カソード側では、ガス供給手段10bから供給され、バブラー20bを通過して加湿された加湿ガスが、燃料電池2のカソード極2bを迂回するようバイパス管210bを通るラインに切り替える。これにより、アノード側の配管110a内を流れるガスは、燃料電池2に供給されずに、バイパス管210aを介して、燃料電池2の下流側に接続された配管111a内を流れ、ドレンポット50aで回収される。また、カソード側の配管110b内を流れるガスは、燃料電池2に供給されずに、バイパス管210bを介して、燃料電池2の下流側に接続された配管111b内を流れていき、ドレンポット50bで回収される。なお、アノード側のバイパス管210aを通るラインへの切り替えは、例えば、バイパス管210aと配管110a、111bとの接続部に配設された切替弁(図示省略)の開度を制御装置400により制御することにより行われる。またカソード側のバイパス管210bを通るラインへの切り替えは、例えば、バイパス管210bと配管110b、111bとの接続部に配設された切替弁(図示省略)の開度を制御装置400により制御することにより行われる。
(Step S110)
The humidified gas supplied from the gas supply means 10a and 10b and humidified through the
(ステップS120)
ドレンポット50a、50bにて回収された水重量から、制御装置400は、基準露点を算出する(ステップS120)。この制御装置400による基準露点の算出方法について、図3、4、5を参照しながら説明する。
(Step S120)
From the water weight collected in the
図3は、基準露点の算出方法について説明するための図であって、バブラー20を通って加湿された加湿ガスに含まれる水分が、ドレンポット50にて回収されるシステムを模式的に示す図である。なお、図3では、説明の便宜のため、図1で示した燃料電池2やバイパス管210a、210b等の図示を省略している。また、図3では、図1で示したガス供給手段10a、10b、マスフローコントローラMFCa、MFCb、バブラー20a、20b、ドレンポット50a、50bを総称して、それぞれガス供給手段10、マスフローコントローラMFC、バブラー20、ドレンポット50と示している。
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of calculating the reference dew point, and schematically shows a system in which moisture contained in the humidified gas that has been humidified through the
図3に示すように、ガス供給手段10から供給され、バブラー20を通過して加湿された加湿ガスは、冷却部51で冷却されてその一部が結露し、ドレンポット50にて回収される。ドレンポット50にて回収されなかったガスは、外部へ排気される。
As shown in FIG. 3, the humidified gas supplied from the gas supply means 10 and humidified through the
バブラー20から供給される加湿ガスと、水蒸気の分圧と流量の関係は、図4に示す関係となる。具体的には、バブラー20から供給されるガス供給時の絶対圧(供給全圧)をa、ガス供給手段10からのガス供給流量をb、ドレンポット50にてドレン水となった水蒸気流量(ドレン水重量増加より算出した単位時間当たりの水蒸気量)をc、排気された水蒸気流量をd、バブラー20の水蒸気分圧をx、排気された水蒸気分圧をy、とすると、バブラー20の水蒸気分圧xは、下記式(1)で算出することができる。なお、排気された水蒸気分圧yは、冷却部51の温度及び図5の水蒸気圧曲線により求められる。また、各流量(b、c、d)は、例えばノルマル流量で表される値(b(NmL/min)、c(NmL/min)、d(NmL/min))を用いる。
x=(a×c)/(b+c+d)+y ・・・(1)
なお、d=y×(b+c)/(a−y)で表される。
The relationship between the humidified gas supplied from the
x = (a × c) / (b + c + d) + y (1)
Note that d = y × (b + c) / (a−y).
上記式(1)にて算出したバブラーの水蒸気分圧xの値から、図5に示す水蒸気圧曲線に基づき、露点温度を算出する。例えば、上記式(1)により、水蒸気分圧xの値がP1(kPa)と算出された場合は、図5の水蒸気圧曲線に基づき、露点は、T1(℃td)と算出される。 The dew point temperature is calculated based on the water vapor pressure curve shown in FIG. 5 from the value of the water vapor partial pressure x of the bubbler calculated by the above equation (1). For example, when the value of the water vapor partial pressure x is calculated as P1 (kPa) by the above equation (1), the dew point is calculated as T1 (° C. td) based on the water vapor pressure curve of FIG.
上述した基準露点の算出方法により基準露点が正確に算出されるが、以降のステップを実施するに際して、より関便で正確な基準露点測定手段があれば上述した基準露点の算出方法に限定しなくても良い。 The reference dew point is accurately calculated by the above-described reference dew point calculation method. However, when performing the subsequent steps, if there is a more convenient and accurate reference dew point measuring means, the method is not limited to the above-described reference dew point calculation method. May be.
(ステップS130)
ステップS120において算出した基準露点に基づき、制御装置400は、バブラー20a、20bの温度、入口側露点計30a、30b、出口側露点計40a、40bを補正する。言い換えれば、制御装置400は、バブラー温度、入口側露点、出口側露点のゼロ点合わせをする。
(Step S130)
Based on the reference dew point calculated in step S120, the
なお、バブラー温度のゼロ点合わせする目的は次のとおりである。理想的にはバブラー温度と基準露点が一致することが望ましいが、実際にはバブラー温度>基準露点となっていることが多い。この差分を最初に求めておき、その差分を用いてバブラー温度を補正(いわゆるゼロ点合わせ)することで、ならし運転の完了度(後述)の正確な導出を可能とする。例えば、バブラー温度が60℃であって基準露点が59℃である場合、バブラー温度を61℃にセット(ゼロ点合わせ)する。これにより、ならし運転の完了度を、露点60℃において正確に求めることが可能となる。もっとも、露点の絶対精度が必要なときは、フィードバック制御して基準露点を60℃に合わせこむようにしても良い。露点の精度よりも入口・出口の露点計(入口側露点計30a、30b、出口側露点計40a、40b)が合っていれば良いときには、全ての露点計の温度が等しくなるように(例えば、59.5℃など)補正しても良い。露点の絶対精度が必要ない場合には、59℃で露点計を補正するとともにバブラー温度を1℃上昇させて、ならし運転の完了度の判定を開始しても良い。このように、ゼロ点合わせとして、露点の精度が必要なときは、制御装置400によってフィードバック制御を行って基準露点を補正しても良く、露点の相対精度のみで良い場合には、バブラー温度の1回補正のみ行うようにしても良い。
The purpose of adjusting the bubbler temperature to zero is as follows. Ideally, it is desirable that the bubbler temperature and the reference dew point coincide with each other, but actually, the bubbler temperature> the reference dew point is often satisfied. This difference is obtained first, and the bubbler temperature is corrected (so-called zero point adjustment) using the difference, thereby enabling accurate derivation of the degree of completion of the break-in operation (described later). For example, when the bubbler temperature is 60 ° C. and the reference dew point is 59 ° C., the bubbler temperature is set to 61 ° C. (zero adjustment). This makes it possible to accurately determine the degree of completion of the leveling operation at a dew point of 60 ° C. However, when absolute accuracy of the dew point is required, feedback control may be performed to adjust the reference dew point to 60 ° C. When the dew point meter at the inlet / outlet (inlet side
(ステップS140)
次いで、燃料電池2にガスが通るラインに切り替える(ステップS140)。具体的には、アノード側では、ガス供給手段10aから供給され、バブラー20aを通過して加湿された加湿ガスが、燃料電池2のアノード極2aに供給されるように、ラインを切り替える。カソード側では、ガス供給手段10bから供給され、バブラー20bを通過した加湿ガスが、燃料電池2のカソード極2bに供給されるように、ラインを切り替える。なお、このようなラインの切り替えは、アノード極2aに接続された配管110a、111aに適宜配設された切替弁(図示省略)及びカソード極2bに接続された配管110b、111bに適宜配設された切替弁(図示省略)の開度を制御装置400により調整することにより行われる。
(Step S140)
Next, the
(ステップS150)
次いで、ガス供給手段10a、10bから供給され、バブラー20a、20bを通過して加湿された加湿ガスを、燃料電池2に供給する(ステップS150)。アノード側の配管110a内を流れる加湿された燃料ガスは、燃料電池2のアノード極2aに供給される。カソード側の配管110b内を流れる加湿された酸化ガスは、燃料電池2のカソード極2bに供給される。
(Step S150)
Next, the humidified gas supplied from the gas supply means 10a and 10b and humidified through the
(ステップS160)
次いで、燃料電池2から排出されたガスに含まれる結露水を気化器70a、70bにて水蒸気化させる(ステップS160)。アノード極2aから排出されたガスに含まれる結露水については、気化器70aにより水蒸気化させる。カソード極2bから排出されたガスに含まれる結露水については、気化器70bにより水蒸気化させる。気化器70a、70bにて水蒸気化されたガスは、出口側露点計40a、40bを通り、配管111a、111b内を流れていく。
(Step S160)
Next, the condensed water contained in the gas discharged from the
(ステップS170)
次いで、入口側露点計30a、30bによって、燃料電池2の上流側に接続された配管110a、110b内を流れるガスの露点を計測すると共に、出口側露点計40a、40bによって、燃料電池2の下流側に接続された配管111a、111b内を流れるガスの露点を計測する(ステップS170)。上述したように、ガスの露点を計測することは、ガス中の水分量を測定していることになるので、入口側露点計30a、30b及び出口側露点計40a、40bによりガス中に含まれる水分量(水蒸気量)を測定することが可能となっている。測定された燃料電池2の入口側水蒸気量(入口水蒸気量)、燃料電池2の出口側水蒸気量(出口水蒸気量)は、以下のならし完了度の算出に用いられる。
(Step S170)
Next, the dew points of the gas flowing in the
(ステップS180)
次いで、入口水蒸気量(X1)及び出口水蒸気量(X2)に基づき、制御装置400は、燃料電池2のならし運転の完了度(ならし完了度)を下記式(2)により算出する(ステップS180)。
ならし完了度=(出口水蒸気量(X2))/(入口水蒸気量(X1)) ・・・(2)
(Step S180)
Next, based on the inlet water vapor amount (X1) and the outlet water vapor amount (X2), the
Completion level = (outlet water vapor amount (X2)) / (inlet water vapor amount (X1)) (2)
上記式(2)により算出された値が、制御装置400により所定値になったと判定されたとき、言い換えれば、燃料電池2の発電中の水収支が制御装置400により所定値になったと判定されたとき、制御装置400は、燃料電池2のならし運転を終了させる(「ならし完了」)。この所定値としては、例えば100%と設定することが好適であるが、95%など100%近傍の値に適宜設定することが可能である。
When it is determined by the
燃料電池2の発電中の水収支がプラスの場合、つまり、制御装置400が、入口水蒸気量と生成水量との和が出口水蒸気量より大きい(入口水蒸気量(X1)>出口水蒸気量(X2))と判定した場合は、「ならし途中」と定義する。この場合は、燃料電池2に供給される加湿ガスは、燃料電池2のアノード極2a及びカソード極2bに吸収されている状態となっている。
In the case where the water balance during power generation of the
また、燃料電池2の発電中の水収支がマイナスの場合、つまり、制御装置400が、出口水蒸気量が、入口側水蒸気量より大きい(入口水蒸気量(X1)<出口水蒸気量(X2))と判定した場合は、「電極乾燥中」と定義する。この電極乾燥中の状態が継続すると、ドライアップ、ひいては燃料電池の発電停止となることを意味している。
When the water balance during power generation of the
上記ステップS110〜S180の工程を得て、上記式(2)で表されるならし完了度が所定値になった場合に、燃料電池2のならし判定工程が終了する。
When the steps S110 to S180 are obtained and the leveling completion degree expressed by the above formula (2) reaches a predetermined value, the leveling determination step of the
以上のように、本実施形態におけるならし運転システムでは、燃料電池へ供給されるガスに含まれる水分量(入口水蒸気量)、燃料電池から排出されるガスに含まれる水分量(出口水蒸気量)に基づき、ならし運転が完了したか否かを判定する。従来では、セル仕様の違いや個体差によるならし運転の時間変動を考慮して、余裕を加えて(安全率をみて)ならし運転を行っていた。このため、従来では、ならし運転の完了後においても発電を継続することによる無駄なコストが生じていたが、本発明では、入口水蒸気量及び出口水蒸気量に基づきならし運転の完了を判定し、ならし運転の完了次第、発電を停止することができるため、無駄なコストの消費を抑えることができる。 As described above, in the break-in operation system according to the present embodiment, the amount of water contained in the gas supplied to the fuel cell (inlet water vapor amount) and the amount of water contained in the gas discharged from the fuel cell (outlet water vapor amount). Based on the above, it is determined whether or not the break-in operation has been completed. Conventionally, the leveling operation is performed with a margin (in view of the safety factor) in consideration of the time variation of the leveling operation due to differences in cell specifications and individual differences. For this reason, conventionally, wasteful costs have been generated by continuing power generation even after the completion of the leveling operation.In the present invention, however, the completion of the leveling operation is determined based on the inlet water vapor amount and the outlet water vapor amount. Since power generation can be stopped as soon as the break-in operation is completed, wasteful cost consumption can be suppressed.
また本実施形態では、加湿ガスを供給してならし運転の完了度を判定する前に、ドレンポット50a、50bにて回収された水重量に基づき基準露点を算出し、当該基準露点に基づき、入口側露点計30a、30b、出口側露点計40a、40b、及び、バブラー温度のゼロ点合わせをする。露点計(入口側露点計30a、30b、出口側露点計40a、40b)は、機差や経時変化があることが一般的であるが、ドレンポット50a、50bにて回収された水重量から求めた基準露点に基づき、露点計のゼロ点合わせを行うことで、各露点計の相対精度を高めることができる。その結果、入口水蒸気量及び出口水蒸気量に基づき算出されるならし完了度の判定を精度良く行うことができる。
Moreover, in this embodiment, before supplying the humidified gas and determining the degree of completion of the running-in operation, a reference dew point is calculated based on the weight of water collected in the
続いて、第2実施形態における燃料電池のならし運転システムの構成について説明する。図6は、第2実施形態における燃料電池のならし運転システムの概略構成を示す模式図である。図6に示すならし運転システム100bは、図1に示したならし運転システム100aの構成に、放電負荷装置90(放電負荷手段)を設けたことが異なる点であり、それ以外の構成及び機能は、図1に示すならし運転システム100aと同等である。従って、図1に示すならし運転システム100aと同じ部分については、その説明は省略する。
Next, the configuration of the fuel cell break-in operation system according to the second embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell break-in operation system according to the second embodiment. The leveling
放電負荷装置90は、燃料電池2に負荷電流を加えるための装置である。放電負荷装置90は、配線91を介して燃料電池2のアノード極2a及びカソード極2bに接続され、当該アノード極2a及びカソード極2bに負荷電流を流すことが可能となっている。放電負荷装置90から燃料電池2に供給される負荷電流値(電流値)の大きさは、制御装置400により制御される。負荷電流を燃料電池2に流すことにより、燃料電池2から生成水が生じ、制御装置400は、負荷電流値の大きさに基づき、燃料電池2から生成される生成水量を算出することが可能となっている。なお、生成水量としては、電気化学反応式(1/2O2+2H++2e-→H2O)に基づき、制御装置400によって(電流値)×(時間)を演算することにより算出される。
The
図6に示したならし運転システム100bを用いた燃料電池のならし判定工程について説明する。図7は、変形例における燃料電池のならし判定工程の一例を示すフローチャートである。なお、図7のステップS110〜S140については、図2で説明したステップS110〜S140と同一の内容であるので、同一の符号を付してその説明は省略する。
A fuel cell leveling determination process using the
(ステップS150b)
燃料電池2に加湿ガス供給及び放電負荷を開始する(ステップS150b)。この加湿ガスの供給は、ガス供給手段10a、10bから供給されるガスを、それぞれバブラー20a、20bに通して加湿させることにより行われる。放電負荷としては、放電負荷装置90から配線91を介して燃料電池2に電流を流すことにより行われる。
(Step S150b)
Humidified gas supply and discharge load are started to the fuel cell 2 (step S150b). The humidification gas is supplied by humidifying the gases supplied from the gas supply means 10a and 10b through the
(ステップS160b)
次いで、燃料電池2から排出されるガスに含まれる結露水、及び、燃料電池2から生じる生成水を、燃料電池2の下流側に配設された気化器70a、70bにて水蒸気化させる。
(Step S160b)
Next, the dew condensation water contained in the gas discharged from the
(ステップS170b)
次いで、入口側露点計30a、30bによって、燃料電池2の上流側に接続された配管110a、110b内を流れるガスの露点(入口露点)を計測すると共に、出口側露点計40a、40bによって、燃料電池2の下流側に接続された配管111a、111b内を流れるガスの露点(出口露点)を計測する。入口側露点計30a、出口側露点計40aは、アノード極2a側のガスの露点を計測する。入口側露点計30b、出口側露点計40bは、カソード極2b側のガスの露点を計測する。ガスの露点を計測することにより、ガス中の水分量を測定することが可能となっている。つまり、入口側露点計30a、30bにより、燃料電池2の入口側水蒸気量(入口水蒸気量)を測定することができ、出口側露点計40a、40bにより、燃料電池2の出口側水蒸気量(出口水蒸気量)を測定することができる。本実施形態では、各極の入口露点及び出口露点を計測すると共に、制御装置400は、放電負荷装置90から流れる電流値(負荷電流値)に基づき、生成水量を算出する。
(Step S170b)
Next, the dew points (inlet dew points) of the gas flowing in the
(ステップS180b)
次いで、計測された入口水蒸気量(X1)、出口水蒸気量(X2)、負荷電流値により算出された生成水量(X3)に基づき、制御装置400は、燃料電池2のならし運転の完了度(ならし完了度)を以下の式(3)により算出する。
ならし完了度=(出口水蒸気量(X2))/(入口水蒸気量(X1)+生成水量(X3)) ・・・(3)
なお、生成水量X3は、例えばノルマル換算した値(NL/min)を用いる。
(Step S180b)
Next, based on the measured inlet water vapor amount (X1), outlet water vapor amount (X2), and the generated water amount (X3) calculated from the load current value, the
Completion level = (outlet water vapor amount (X2)) / (inlet water vapor amount (X1) + product water amount (X3)) (3)
The generated water amount X3 is, for example, a value converted into normal (NL / min).
上記式(3)により算出された値が、制御装置400により所定値になったと判定されたとき、言い換えれば、燃料電池2の発電中の水収支が所定値になったときに、燃料電池2のならし運転を終了させる(「ならし完了」)。このならし完了と判定する所定値としては、例えば100%と設定することが好適であるが、95%など100%近傍の値に適宜設定することが可能である。
When it is determined by the
なお、燃料電池2の発電中の水収支がプラスの場合、つまり、制御装置400により、入口側水蒸気量と生成水量との和が出口水蒸気量より大きい(入口水蒸気量+生成水量>出口水蒸気量)と判定された場合には、「ならし途中」と定義する。この場合は、燃料電池2に供給される加湿ガスは、燃料電池2のアノード極2a及びカソード極2bに吸収されている状態となっている。
When the water balance during power generation of the
また、燃料電池2の発電中の水収支がマイナスの場合、つまり、制御装置400により、出口水蒸気量が、入口側水蒸気量と生成水量との和より大きい(入口水蒸気量+生成水量<出口水蒸気量)と判定された場合には、「電極乾燥中」と定義する。この電極乾燥中の状態が継続すると、ドライアップ、ひいては燃料電池の発電停止となることを意味している。
When the water balance during power generation of the
上記ステップS110〜S180bの工程を得て、燃料電池2のならし判定工程が終了する。
The steps S110 to S180b are obtained, and the leveling determination step for the
以上のように、本実施形態では、燃料電池2に加湿ガスを供給すると同時に負荷電流も加えて、燃料電池2のならし完了度の判定を行う。これにより、負荷電流によって生じる生成水量も考慮したならし運転完了の状態を判定することができる。
As described above, in the present embodiment, the humidification gas is supplied to the
なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。その他、各具体例が備える各要素およびその配置、条件などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。 In addition, as above-mentioned, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the limit which does not change the summary. In addition, each element provided in each specific example, its arrangement, conditions, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate.
2:燃料電池
10a、10b:ガス供給手段
20a、20b:バブラー
30a、30b:入口側露点計(第1の測定手段)
40a、40b:出口側露点計(第2の測定手段)
50a、50b:ドレンポット
70a、70b:気化器
90:放電負荷装置(放電負荷手段)
100a、100b:ならし運転システム
110a、110b、111a、111b:配管
210a、210b:バイパス管
400:制御装置(判定手段、算出手段)
MFCa、MFCb:マスフローコントローラ
2:
40a, 40b: outlet side dew point meter (second measuring means)
50a, 50b:
100a, 100b: leveling
MFCa, MFCb: Mass flow controller
Claims (4)
前記燃料電池に加湿ガスを供給する供給手段と、
前記燃料電池へ供給される前記加湿ガスに含まれる水分量を測定する第1の測定手段と、
前記燃料電池から排出されるガスに含まれる水分量を測定する第2の測定手段と、
前記第1の測定手段によって測定された水分量をX1とし、前記第2の測定手段によって測定された水分量をX2と定義したときに、X2/X1が所定値の場合に前記燃料電池のならし運転の完了と判定する判定手段と、
を有することを特徴とするならし運転システム。 A running-in system for running-in a fuel cell,
Supply means for supplying humidified gas to the fuel cell;
First measuring means for measuring the amount of water contained in the humidified gas supplied to the fuel cell;
Second measuring means for measuring the amount of water contained in the gas discharged from the fuel cell;
If the moisture content measured by the first measurement means is defined as X1 and the moisture content measured by the second measurement means is defined as X2, if X2 / X1 is a predetermined value, Determining means for determining that the driving operation is completed;
The running-in system characterized by having.
前記放電負荷手段から流れる電流値に基づき、前記燃料電池の内部で生成される生成水量を算出する算出手段と、を更に備え、
前記判定手段は、前記算出された生成水量をX3と定義したときに、X2/(X1+X3)が所定値の場合に前記燃料電池のならし運転の完了と判定することを特徴とする請求項1に記載のならし運転システム。 A discharge load means for supplying a current to the fuel cell when supplying the humidified gas;
Calculation means for calculating the amount of water produced inside the fuel cell based on the value of the current flowing from the discharge load means;
2. The determination means, when the calculated amount of generated water is defined as X3, determines that the leveling operation of the fuel cell is completed when X2 / (X1 + X3) is a predetermined value. The running-in system described in
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