JP7155550B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
燃料極に燃料を供給する燃料供給部(80)と、
酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部(84)と、を備え、
燃料極に供給された燃料と酸素極に供給された酸化剤との化学反応により発電させる燃料電池システムであって、
燃料極から排出される排出物から不純物を分離して排出物のうち不純物が除かれた残りを排出する分離部(81)と、
分離部から排出される残りを燃料供給部からの燃料に混合して燃料極に供給する循環部(82)と、
酸素極から排出される排出物が入口(68a)に吹き込まれ、当該排出物が入口に吹き込まれることにより分離部により分離された不純物を吸入口(68b)から吸い込んで、この吸い込んだ不純物と入口に吹き込まれた排出物とを混合して大気に吹き出す排出部(68)と、
燃料極からの排出物に含まれる未使用燃料の分圧を検出する分圧検出部(91)と、
分圧検出部の検出値に基づいて、燃料極からの排出物に含まれる未使用燃料の分圧が所定圧力(Pth)以下であるか否かを判定する分圧判定部(S110)と、
分離部のうち不純物を排出する排出口と排出部の吸入口との間で不純物を流通させる不純物排出流路(62)と、
不純物排出流路を開閉する弁(67)と、
未使用燃料の分圧が所定圧力以下であると分圧判定部が判定したとき、分離部から不純物を排出部の吸入口に流通させるために、不純物排出流路を開けるように弁を制御する開弁制御部(S140)と、
を備える。
以下、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態について図に基づいて説明する。
(カソード側)2H++1/2O2+2e-→H2O
このように構成される燃料電池10は、複数のセル10aのそれぞれの出力電圧を加算した電圧を出力電圧Vnとして出力する。燃料電池10には、インバータ30を介して電気負荷20が接続されている。本実施形態の複数のセル10aはそれぞれ冷却水によって冷却されるように構成されている。
気液分離器81内に貯水される水は、気液分離器81によってアノード排気ガスから分離された水である。
まず、制御部100は、アクセルペダル位置センサ92の検出信号に基づいて、循環ポンプ82、インジェクション80およびエアコンプレッサ84を制御して、水素ガスをアノードガス流路12aに供給して、かつカソードガス流路13aに空気を供給させる。
制御部100は、図3のフローチャートにしたがって、排水制御処理を実行する。
上記第1実施形態では、弁67を制御して排水した例について説明したが、これに代えて、弁65、66、67を制御して排水する本第2実施形態について図4を参照して説明する。
上記第1、第2実施形態では、燃料電池10のアノードガス出口10cから排出されるアノード排気ガス中の水素ガス分圧を検出するために、水素分圧センサ91を用いた例について説明したが、これに代えて、圧力センサ91a(全圧検出部)および水素濃度センサ(濃度検出部)91Aを用いてアノード排気ガス中の水素ガス分圧を検出してもよい。
上記第1、第2実施形態では、燃料電池10のアノードガス出口10cから排出されるアノード排気ガス中の水素ガス分圧を検出するために、水素分圧センサ91を用いた例について説明したが、これに代えて、本第4実施形態では、次のように、水素ガス分圧を算出する。
上記第1実施形態では、ステップS130、S120を実行するべきか否かを決めるために、アノード排出管61内のアノード排気ガスに含まれる水素ガス分圧を用いて判定した例について説明したが、これに代えて、アノード排気ガスに含まれる水素ガスの濃度を用いて判定する本第5実施形態について図7、図8を参照して説明する。
上記第2実施形態では、ステップS130、S120を実行するべきか否かを決めるために、アノード排出管61内のアノード排気ガスに含まれる水素ガスの分圧を用いて判定した例について説明したが、これに代えて、上記第5実施形態と同様、アノード排気ガスに含まれる水素ガス濃度を用いて判定する本第6実施形態について図9を参照して説明する。
上記第1実施形態では、ステップS130、S120を実行するべきか否かを決めるために、燃料電池10のアノードガス出口10cからのアノード排気ガスに含まれる水素ガスの分圧を用いて判定した例について説明したが、これに代えて、本第7実施形態では、アノード排気ガスに含まれる水素ガスの流量を用いて判定する本第7実施形態について図10、図11を参照して説明する。
上記第2実施形態では、ステップS130、S120を実行するべきか否かを決めるために、アノード排出管61内のアノード排気ガスに含まれる水素ガスの分圧を用いて判定した例について説明したが、これに代えて、上記第7実施形態と同様、水素ガス流量を用いて判定する本第8実施形態について図12を参照して説明する。
上記第7、8実施形態では、アノード排出管61内を流れる水素ガスの流量を検出するために水素流量センサ91Bを用いた例について説明したが、これに代えて、水素濃度センサ91Aおよび流量センサ91bによって、アノード排出管61内を流れる水素ガスの流量を求める本第9実施形態について図13を参照して説明する。
(1)上記第1~第9実施形態では、燃料ガスとして水素ガスを用いた例について説明したが、これに代えて、プロパンガス、天然ガス、アルコールなどの各種のガスを燃料ガスとして用いてもよい。
上記第1~第9実施形態、および他の実施形態の一部または全部に記載された第1の観点によれば、燃料電池システムは、燃料極と酸素極とを備える燃料電池と、燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを備える。
11 電解質膜
12 アノード
13 カソード
65、66、67 弁
68 エジェクタ
81 気液分離器
84 エアコンプレッサ
90 制御部
Claims (20)
- 燃料極(12)と酸素極(13)とを備える燃料電池(10)と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部(80)と、
前記酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部(84)と、を備え、
前記燃料極に供給された燃料と前記酸素極に供給された酸化剤との化学反応により発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料極から排出される排出物から不純物を分離して前記排出物のうち前記不純物が除かれた残りを排出する分離部(81)と、
前記分離部から排出される残りを前記燃料供給部からの燃料に混合して前記燃料極に供給する循環部(82)と、
前記酸素極から排出される排出物が入口(68a)に吹き込まれ、当該排出物が前記入口に吹き込まれることにより前記分離部により分離された不純物を吸入口(68b)から吸い込んで、この吸い込んだ不純物と前記入口に吹き込まれた排出物とを混合して大気に吹き出す排出部(68)と、
前記燃料極からの排出物に含まれる未使用燃料の分圧を検出する分圧検出部(91)と、
前記分圧検出部の検出値に基づいて、前記燃料極からの排出物に含まれる前記未使用燃料の分圧が所定圧力(Pth)以下であるか否かを判定する分圧判定部(S110)と、
前記分離部のうち前記不純物を排出する排出口と前記排出部の前記吸入口との間で前記不純物を流通させる不純物排出流路(62)と、
前記不純物排出流路を開閉する弁(67)と、
前記未使用燃料の分圧が前記所定圧力以下であると前記分圧判定部が判定したとき、前記分離部から前記不純物を前記排出部の前記吸入口に流通させるために、前記不純物排出流路を開けるように前記弁を制御する開弁制御部(S140)と、
を備える燃料電池システム。 - 水位センサ(90)、水位判定部(S160)、および閉弁制御部(S170)を備え、
前記分離部は、前記不純物としての水を貯め、
前記水位センサは、前記分離部に貯水される水位を検出し、
前記水位判定部は、前記水位センサによって検出される前記水位が閾値(Lth)よりも高いか否かを判定し、
前記未使用燃料の分圧が前記所定圧力以下であると前記分圧判定部が判定し、かつ前記水位センサによって検出される前記水位が前記閾値よりも高いと前記水位判定部が判定したとき、前記開弁制御部が前記不純物排出流路を開けるように前記弁を制御し、
前記未使用燃料の分圧が前記所定圧力以下であると前記分圧判定部が判定し、かつ前記水位センサによって検出される前記水位が前記閾値以下であると前記水位判定部が判定したとき、前記閉弁制御部が前記不純物排出流路を閉じるように前記弁を制御する請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池により発電される電力を出力させる電力出力部(30、40)と、
前記燃料電池から電力を出力させて前記燃料電池の発電を促進させるように前記電力出力部を制御する発電制御部(S130)と、を備え、
前記未使用燃料の分圧が前記所定圧力よりも大きいと前記分圧判定部が判定したとき、前記発電制御部が前記燃料電池の発電を促進させるように前記電力出力部を制御する請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記未使用燃料の分圧が所定圧力よりも大きいと前記分圧判定部が判定したときには、前記未使用燃料の分圧が所定圧力以下であると前記分圧判定部が判定したときに比べて、前記燃料極に供給される燃料量を低減させるように前記燃料供給部を制御する燃料調整制御部(S120)を備える請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料調整制御部は、前記燃料供給部および前記循環部を制御する請求項4に記載の燃料電池システム。
- 前記分圧検出部は、前記燃料極からの排出物の圧力を検出する全圧検出部(91a)と、前記燃料極からの排出物に含まれる前記未使用燃料の濃度を検出する濃度検出部(91A)と、を備え、
前記分圧判定部は、前記全圧検出部の検出値と前記濃度検出部の検出値とに基づいて、前記未使用燃料の分圧が所定圧力(Pth)よりも大きいか否かを判定する請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記分圧検出部は、前記燃料極からの排出物に含まれる前記未使用燃料の濃度を検出する濃度検出部(91A)と、前記燃料極からの排出物の温度を検出する温度検出部(91c)と、を備え、
前記分圧判定部は、前記濃度検出部の検出値と前記温度検出部の検出値とに基づいて、前記未使用燃料の分圧が所定圧力(Cth)よりも大きいか否かを判定する請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 燃料極(12)と酸素極(13)とを備える燃料電池(10)と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部(80)と、
前記酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部(84)と、を備え、
前記燃料極に供給された燃料と前記酸素極に供給された酸化剤との化学反応により発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料極から排出される排出物から不純物を分離して前記排出物のうち前記不純物が除かれた残りを排出する分離部(81)と、
前記分離部から排出される残りを前記燃料供給部からの燃料に混合して前記燃料極に供給する循環部(82)と、
前記酸素極から排出される排出物が入口(68a)に吹き込まれ、当該排出物が前記入口に吹き込まれることにより前記分離部により分離された不純物を吸入口(68b)から吸い込んで、この吸い込んだ不純物と前記入口に吹き込まれた排出物とを混合して大気に吹き出す排出部(68)と、
前記燃料極からの排出物に含まれる未使用燃料の濃度を検出する濃度検出部(91A)と、
前記濃度検出部の検出値に基づいて、前記燃料極からの排出物に含まれる前記未使用燃料の濃度が所定濃度(Cth)以下であるか否かを判定する濃度判定部(S110A)と、
前記分離部のうち前記不純物を排出する排出口と前記排出部の前記吸入口との間で前記不純物を流通させる不純物排出流路(62)と、
前記不純物排出流路を開閉する弁(67)と、
前記未使用燃料の濃度が前記所定濃度以下であると前記濃度判定部が判定したとき、前記分離部から前記不純物を前記排出部の前記吸入口に流通させるために、前記不純物排出流路を開けるように前記弁を制御する開弁制御部(S140)と、
を備える燃料電池システム。 - 水位センサ(90)、水位判定部(S160)、および閉弁制御部(S170)を備え、
前記分離部は、前記不純物としての水を貯め、
前記水位センサは、前記分離部に貯水される水位を検出し、
前記水位判定部は、前記水位センサによって検出される前記水位が閾値(Lth)よりも高いか否かを判定し、
前記未使用燃料の濃度が前記所定濃度以下であると前記濃度判定部が判定し、かつ前記水位センサによって検出される前記水位が前記閾値よりも高いと前記水位判定部が判定したとき、前記開弁制御部が前記不純物排出流路を開けるように前記弁を制御し、
前記未使用燃料の濃度が前記所定濃度以下であると前記濃度判定部が判定し、かつ前記水位センサによって検出される前記水位が前記閾値以下であると前記水位判定部が判定したとき、前記閉弁制御部が前記不純物排出流路を閉じるように前記弁を制御する請求項8に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池により発電される電力を出力させる電力出力部(30、40)と、
前記燃料電池から電力を出力させて前記燃料電池の発電を促進させるように前記電力出力部を制御する発電制御部(S130)と、を備え、
前記未使用燃料の濃度が前記所定濃度よりも大きいと前記濃度判定部が判定したとき、前記発電制御部が前記燃料電池の発電を促進させるように前記電力出力部を制御する請求項8または9に記載の燃料電池システム。 - 前記未使用燃料の濃度が前記所定濃度よりも大きいと前記濃度判定部が判定したときには、前記未使用燃料の濃度が前記所定濃度以下であると前記濃度判定部が判定したときに比べて、前記燃料極に供給される燃料量を低減させるように前記燃料供給部を制御する燃料調整制御部(S120)を備える請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料調整制御部は、前記燃料供給部および前記循環部を制御する請求項11に記載の燃料電池システム。
- 燃料極(12)と酸素極(13)とを備える燃料電池(10)と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部(80)と、
前記酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部(84)と、を備え、
前記燃料極に供給された燃料と前記酸素極に供給された酸化剤との化学反応により発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料極から排出される排出物から不純物を分離して前記排出物のうち前記不純物が除かれた残りを排出する分離部(81)と、
前記分離部から排出される残りを前記燃料供給部からの燃料に混合して前記燃料極に供給する循環部(82)と、
前記酸素極から排出される排出物が入口(68a)に吹き込まれ、当該排出物が前記入口に吹き込まれることにより前記分離部により分離された不純物を吸入口(68b)から吸い込んで、この吸い込んだ不純物と前記入口に吹き込まれた排出物とを混合して大気に吹き出す排出部(68)と、
前記燃料極からの排出物に含まれる未使用燃料の流量を検出する燃料流量検出部(91B)と、
前記燃料流量検出部の検出値に基づいて、前記燃料極からの排出物に含まれる前記未使用燃料の流量が所定流量(Qth)以下であるか否かを判定する燃料流量判定部(S110B)と、
前記分離部のうち前記不純物を排出する排出口と前記排出部の前記吸入口との間で前記不純物を流通させる不純物排出流路(62)と、
前記不純物排出流路を開閉する弁(67)と、
前記未使用燃料の流量が前記所定流量以下であると前記燃料流量判定部が判定したとき、前記分離部から前記不純物を前記排出部の前記吸入口に流通させるために、前記不純物排出流路を開けるように前記弁を制御する開弁制御部(S140)と、
を備える燃料電池システム。 - 水位センサ(90)、水位判定部(S160)、および閉弁制御部(S170)を備え、
前記分離部は、前記不純物としての水を貯め、
前記水位センサは、前記分離部に貯水される水位を検出し、
前記水位判定部は、前記水位センサによって検出される前記水位が閾値(Lth)よりも高いか否かを判定し、
前記未使用燃料の流量が前記所定流量以下であると前記燃料流量判定部が判定し、かつ前記水位センサによって検出される前記水位が前記閾値よりも高いと前記水位判定部が判定したとき、前記開弁制御部が前記不純物排出流路を開けるように前記弁を制御し、
前記未使用燃料の流量が前記所定流量以下であると前記燃料流量判定部が判定し、かつ前記水位センサによって検出される前記水位が前記閾値以下であると前記水位判定部が判定したとき、前記閉弁制御部が前記不純物排出流路を閉じるように前記弁を制御する請求項13に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池により発電される電力を出力させる電力出力部(30、40)と、
前記燃料電池から電力を出力させて前記燃料電池の発電を促進させるように前記電力出力部を制御する発電制御部(S130)と、を備え、
前記未使用燃料の流量が前記所定流量よりも大きいと前記燃料流量判定部が判定したとき、前記発電制御部が前記燃料電池の発電を促進させるように前記電力出力部を制御する請求項13または14に記載の燃料電池システム。 - 前記未使用燃料の流量が所定流量よりも大きいと前記燃料流量判定部が判定したときには、前記未使用燃料の流量が所定流量以下であると前記燃料流量判定部が判定したときに比べて、前記燃料極に供給される燃料量を低減させるように前記燃料供給部を制御する燃料調整制御部(S120)を備える請求項15に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料調整制御部は、前記燃料供給部および前記循環部を制御する請求項16に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料流量検出部は、前記燃料極からの排出物の流量を検出する流量検出部(91b)と、前記燃料極からの排出物に含まれる前記未使用燃料の濃度を検出する濃度検出部(91A)と、を備え、
前記燃料流量判定部は、前記流量検出部の検出値と前記濃度検出部の検出値とに基づいて、前記未使用燃料の流量が前記所定流量よりも大きいか否かを判定する請求項13ないし17のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料は水素ガスであり、前記酸化剤は空気である請求項1ないし18のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記循環部(82)は循環ポンプであり、前記排出部(68)はエジェクタである請求項1から19のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
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