WO2014192649A1 - Fuel-cell system and method for controlling fuel-cell system - Google Patents
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Abstract
A fuel-cell system provided with a fuel cell to which an anode gas and a cathode gas are supplied and which generates electricity in accordance with a requested load. Said fuel-cell system is provided with the following: a pressure-regulating valve that controls the pressure of the anode gas inside the fuel cell; a minimum-anode-pressure setting unit that sets a minimum pressure for the anode gas on the basis of the state of the fuel cell; and an anode-pressure pulsation control unit that makes the anode-gas pressure pulsate so as not to fall below the aforementioned minimum pressure. The minimum-anode-pressure setting unit sets the minimum pressure for the anode gas in accordance with the water-vapor partial pressure of the anode gas in the fuel cell.
Description
この発明は、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。
The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
ＪＰ２００７－５１７３６９Ａは、アノードガスが脈動供給される燃料電池システムを開示する。高圧のアノードガス（水素ガス）が供給されると、アノード流路に滞留する不純物(発電時に生成された水分等)がバッファタンクへ押し込まれ、アノード流路内の水素濃度が高くなる。その後、アノードガスの供給が一定期間停止される。アノードガスの供給が停止されても、燃料電池は外部負荷の状態に応じて発電するため、アノード流路内のアノード圧力は発電による水素の消費に伴って低下する。発電の継続によってアノード流路内のアノードガスに含まれる不純物が再び増加すると、高圧のアノードガスの供給を再開し、不純物をバッファタンクへ押し込む。このようにアノードガスを間欠的に供給することで、燃料電池発電中におけるアノード流路内の水素濃度が発電に適した濃度に維持される。
JP 2007-517369A discloses a fuel cell system in which anode gas is supplied in a pulsating manner. When high-pressure anode gas (hydrogen gas) is supplied, impurities (such as water generated during power generation) staying in the anode channel are pushed into the buffer tank, and the hydrogen concentration in the anode channel is increased. Thereafter, the supply of the anode gas is stopped for a certain period. Even when the supply of the anode gas is stopped, the fuel cell generates power according to the state of the external load, so the anode pressure in the anode flow path decreases with the consumption of hydrogen by power generation. When the impurities contained in the anode gas in the anode channel increase again due to the continuation of power generation, the supply of the high-pressure anode gas is resumed and the impurities are pushed into the buffer tank. By supplying the anode gas intermittently in this way, the hydrogen concentration in the anode flow path during fuel cell power generation is maintained at a concentration suitable for power generation.
ところで、燃料電池の温度が高くなるとアノード流路内における水蒸気分圧が上昇するので、ガス中に含まれる水蒸気の量が増加する。アノード流路内のガス圧力が同じである場合に水蒸気分圧が高い状態と低い状態を比較すると、水蒸気分圧が高い状態では水素に対する水蒸気の割合が大きくなり、アノード流路内の水素の濃度が低下することとなる。
Incidentally, when the temperature of the fuel cell increases, the partial pressure of water vapor in the anode flow path increases, so that the amount of water vapor contained in the gas increases. When the gas partial pressure in the anode channel is the same, comparing the state where the water vapor partial pressure is high and the state where the water vapor partial pressure is high, the ratio of water vapor to hydrogen increases when the water vapor partial pressure is high, and the concentration of hydrogen in the anode flow channel Will be reduced.
水蒸気分圧の変化を考慮せずにアノードガス圧力制御を実行すると、アノード系内の不純物が想定量よりも多くなってアノードガスの供給不足(水素スタベーション)が生じることが、本願発明者らによって明らかにされた。
If the anode gas pressure control is executed without considering the change in the water vapor partial pressure, the present inventors have found that the amount of impurities in the anode system exceeds the expected amount, resulting in insufficient supply of anode gas (hydrogen starvation). Revealed by
本発明の目的は、水蒸気分圧の影響によるアノードガスの供給不足を抑制することである。
An object of the present invention is to suppress the shortage of anode gas supply due to the influence of water vapor partial pressure.
本発明のある態様によれば、アノードガスとカソードガスの供給を受けて要求負荷に応じて発電する燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池内のアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、燃料電池の状態に基づいてアノードガスの下限圧を設定するアノード下限圧設定部と、下限圧を下限としてアノードガス圧力を脈動させるアノード圧脈動制御部と、を備える。アノード下限圧設定部は、燃料電池のアノードガスの水蒸気分圧に応じて、アノードガスの下限圧を設定する。
According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell that receives supply of anode gas and cathode gas and generates power according to a required load. The fuel cell system includes a pressure regulating valve for controlling the pressure of the anode gas in the fuel cell, an anode lower limit pressure setting unit for setting a lower limit pressure of the anode gas based on the state of the fuel cell, and an anode gas pressure with the lower limit pressure as a lower limit. And an anode pressure pulsation control unit that pulsates. The anode lower limit pressure setting unit sets the lower limit pressure of the anode gas according to the water vapor partial pressure of the anode gas of the fuel cell.
以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１Ａ及び図１Ｂに示す燃料電池１０は、電解質膜１１１をアノード電極１１２とカソード電極１１３とで挟んで構成される。燃料電池１０は、アノード電極１１２に供給された水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極１１３に供給された酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とを用いて発電する。アノード電極１１２及びカソード電極１１３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。
The fuel cell 10 shown in FIGS. 1A and 1B includes an electrolyte membrane 111 sandwiched between an anode electrode 112 and a cathode electrode 113. The fuel cell 10 generates electric power using an anode gas (fuel gas) containing hydrogen supplied to the anode electrode 112 and a cathode gas (oxidant gas) containing oxygen supplied to the cathode electrode 113. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode 112 and the cathode electrode 113 is as follows.
アノード電極：２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ- ・・・（１－１）
カソード電極：４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ ・・・（１－２） Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1-1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (1-2)
カソード電極：４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ ・・・（１－２） Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1-1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (1-2)
燃料電池１０は、（１－１）及び（１－２）の電極反応によって、１ボルト程度の起電力を生じる。
The fuel cell 10 generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1-1) and (1-2).
燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１の一端面側に配置されるアノードセパレータ１２と、ＭＥＡの他端面側に配置されるカソードセパレータ１３と、を備えている。
The fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 11, an anode separator 12 disposed on one end surface side of the MEA 11, and a cathode separator 13 disposed on the other end surface side of the MEA.
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。
The MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an anode electrode 112, and a cathode electrode 113. The MEA 11 has an anode electrode 112 on one surface of the electrolyte membrane 111 and a cathode electrode 113 on the other surface.
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。
The electrolyte membrane 111 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.
アノード電極１１２は、触媒層１１２ａと、ガス拡散層１１２ｂとから構成される。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１に接するように配置される。触媒層１１２ａは、白金や白金合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とアノードセパレータ１２との間に位置するように、触媒層１１２ａの外側に設けられる。ガス拡散層１１２ｂは、ガス拡散性及び導電性を有する部材、例えば炭素繊維を用いたカーボンクロスから形成される。
The anode electrode 112 includes a catalyst layer 112a and a gas diffusion layer 112b. The catalyst layer 112a is disposed in contact with the electrolyte membrane 111. The catalyst layer 112a is formed from carbon black particles carrying platinum or a platinum alloy. The gas diffusion layer 112b is provided outside the catalyst layer 112a so as to be positioned between the catalyst layer 112a and the anode separator 12. The gas diffusion layer 112b is formed from a member having gas diffusibility and conductivity, for example, a carbon cloth using carbon fiber.
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とから構成される。
Similarly to the anode electrode 112, the cathode electrode 113 is also composed of a catalyst layer 113a and a gas diffusion layer 113b.
アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２のガス拡散層１１２ｂに接するように設けられる。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂ側に溝状のアノードガス流路１２１を複数有する。アノードガスは、アノードガス流路１２１を通じて、アノード電極１１２に供給される。
The anode separator 12 is provided in contact with the gas diffusion layer 112b of the anode electrode 112. The anode separator 12 has a plurality of groove-like anode gas passages 121 on the gas diffusion layer 112b side. The anode gas is supplied to the anode electrode 112 through the anode gas channel 121.
カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３のガス拡散層１１３ｂに接するように設けられる。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂ側に溝状のカソードガス流路１３１を複数有する。カソードガスは、カソードガス流路１３１を通じて、カソード電極１１３に供給される。
The cathode separator 13 is provided in contact with the gas diffusion layer 113b of the cathode electrode 113. The cathode separator 13 has a plurality of groove-like cathode gas flow paths 131 on the gas diffusion layer 113b side. The cathode gas is supplied to the cathode electrode 113 through the cathode gas channel 131.
燃料電池１０では、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逆方向に流れる。なお、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が互いに平行に同一方向に流れるようにしてもよい。
In the fuel cell 10, the anode gas flowing through the anode gas flow path 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 131 flow in opposite directions in parallel to each other. The anode gas flowing through the anode gas flow channel 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas flow channel 131 may flow in parallel and in the same direction.
図１Ａ及び図１Ｂに示した燃料電池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が積層される。したがって、車両には、燃料電池１０の積層体である燃料電池スタックが搭載される。燃料電池スタックはアノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、この発電電力は車両駆動用モータ等の外部負荷で使用される。
When the fuel cell 10 shown in FIGS. 1A and 1B is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required, and therefore several hundred fuel cells 10 are stacked. Therefore, a fuel cell stack that is a stacked body of the fuel cells 10 is mounted on the vehicle. The fuel cell stack is supplied with anode gas and cathode gas to generate power, and this generated power is used by an external load such as a vehicle drive motor.
次に、図２を参照して、アノードガス非循環型の燃料電池システム１について説明する。
Next, the anode gas non-circulating fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、カソードガス給排装置３と、アノードガス給排装置４と、スタック冷却装置６と、コントローラ７と、内部抵抗測定装置８と、を備える。
The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2, a cathode gas supply / discharge device 3, an anode gas supply / discharge device 4, a stack cooling device 6, a controller 7, and an internal resistance measurement device 8.
燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層した積層電池である。燃料電池スタック２は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック２は、端子２０１を介して、駆動モータや補機等の外部負荷に接続される。なお、外部負荷の目標電流と、不図示の電流センサで検出した電流値と、に基づいて外部負荷の動作を制御することで、燃料電池スタック２から取り出される出力電流が制御される。
The fuel cell stack 2 is a stacked battery in which a plurality of fuel cells 10 are stacked. The fuel cell stack 2 receives the supply of the anode gas and the cathode gas and generates electric power necessary for driving the vehicle. The fuel cell stack 2 is connected to an external load such as a drive motor or an auxiliary machine via a terminal 201. The output current taken out from the fuel cell stack 2 is controlled by controlling the operation of the external load based on the target current of the external load and the current value detected by a current sensor (not shown).
カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、カソードコンプレッサ３３と、エアフローセンサ３４と、圧力センサ３５と、カソードガス排出通路３６と、を備える。
The cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode gas supply passage 31, a filter 32, a cathode compressor 33, an air flow sensor 34, a pressure sensor 35, and a cathode gas discharge passage 36.
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック２に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１の一端はフィルタ３２に接続され、他端は燃料電池スタック２のカソードガス入口孔２１に接続される。
The cathode gas supply passage 31 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 2 flows. One end of the cathode gas supply passage 31 is connected to the filter 32, and the other end is connected to the cathode gas inlet hole 21 of the fuel cell stack 2.
フィルタ３２は、カソードガス供給通路３１に取り込まれる空気に含まれる異物を取り除く。燃料電池システム１では、このように取り込まれた空気がカソードガスとして利用される。
The filter 32 removes foreign matters contained in the air taken into the cathode gas supply passage 31. In the fuel cell system 1, the air thus taken in is used as the cathode gas.
カソードコンプレッサ３３は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３３は、フィルタ３２を介して取り込まれたカソードガスを燃料電池スタック２に圧送する。
The cathode compressor 33 is provided in the cathode gas supply passage 31. The cathode compressor 33 pumps the cathode gas taken in through the filter 32 to the fuel cell stack 2.
エアフローセンサ３４は、カソードコンプレッサ３３よりも上流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量を検出する。
The air flow sensor 34 is provided in the cathode gas supply passage 31 upstream of the cathode compressor 33. The air flow sensor 34 detects the flow rate of the cathode gas flowing through the cathode gas supply passage 31.
圧力センサ３５は、カソードコンプレッサ３３よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３５は、カソードガス供給通路３１内のカソードガスの圧力を検出する。
The pressure sensor 35 is provided in the cathode gas supply passage 31 downstream of the cathode compressor 33. The pressure sensor 35 detects the pressure of the cathode gas in the cathode gas supply passage 31.
カソードガス排出通路３６は、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３６の一端は燃料電池スタック２のカソードガス出口孔２２に接続され、他端は開口端として形成される。
The cathode gas discharge passage 36 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 2 flows. One end of the cathode gas discharge passage 36 is connected to the cathode gas outlet hole 22 of the fuel cell stack 2, and the other end is formed as an open end.
アノードガス給排装置４は、高圧タンク４１と、アノードガス供給通路４２と、調圧弁４３と、圧力センサ４４と、第１アノードガス排出通路４５と、第２アノードガス排出通路４６と、第１パージ通路４７と、第２パージ通路４８と、第１パージ弁４９と、第２パージ弁５０と、バッファタンク５１と、を備える。
The anode gas supply / discharge device 4 includes a high pressure tank 41, an anode gas supply passage 42, a pressure regulating valve 43, a pressure sensor 44, a first anode gas discharge passage 45, a second anode gas discharge passage 46, a first A purge passage 47, a second purge passage 48, a first purge valve 49, a second purge valve 50, and a buffer tank 51 are provided.
高圧タンク４１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容器である。
The high pressure tank 41 is a container for storing the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 while maintaining the high pressure state.
アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１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る。アノードガス供給通路４２の一端は高圧タンク４１に接続され、他端は燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２３に接続される。
The anode gas supply passage 42 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 41 to the fuel cell stack 2. One end of the anode gas supply passage 42 is connected to the high pressure tank 41, and the other end is connected to the anode gas inlet hole 23 of the fuel cell stack 2.
調圧弁４３は、アノードガス供給通路４２に設けられる。調圧弁４３は、高圧タンク４１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４３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る。調圧弁４３の開度は、コントローラ７によって制御される。
The pressure regulating valve 43 is provided in the anode gas supply passage 42. The pressure regulating valve 43 adjusts the anode gas discharged from the high-pressure tank 41 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 2. The pressure regulating valve 43 is an electromagnetic valve capable of adjusting the opening degree continuously or stepwise. The opening degree of the pressure regulating valve 43 is controlled by the controller 7.
圧力センサ４４は、調圧弁４３よりも下流のアノードガス供給通路４２に設けられる。圧力センサ４４は、アノードガス供給通路４２内のアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ４４で検出された圧力は、燃料電池スタック２内のアノードガス流路１２１内の圧力を代表する。
The pressure sensor 44 is provided in the anode gas supply passage 42 downstream of the pressure regulating valve 43. The pressure sensor 44 detects the pressure of the anode gas in the anode gas supply passage 42. The pressure detected by the pressure sensor 44 represents the pressure in the anode gas flow path 121 in the fuel cell stack 2.
第１アノードガス排出通路４５及び第２アノードガス排出通路４６は、燃料電池スタック２から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードオフガスは、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へ透過してきた窒素や水蒸気等の不活性ガスとを含む混合ガスである。
The first anode gas discharge passage 45 and the second anode gas discharge passage 46 are passages through which the anode off gas discharged from the fuel cell stack 2 flows. The anode off gas is a mixed gas including an excess anode gas that has not been used for the electrode reaction and an inert gas such as nitrogen or water vapor that has permeated into the anode gas flow path 121 from the cathode side.
第１アノードガス排出通路４５の一端は燃料電池スタック２の第１アノードガス出口孔２４に接続され、他端はバッファタンク５１に接続される。また、第２アノードガス排出通路４６の一端は燃料電池スタック２の第２アノードガス出口孔２５に接続され、他端はバッファタンク５１に接続される。
One end of the first anode gas discharge passage 45 is connected to the first anode gas outlet hole 24 of the fuel cell stack 2, and the other end is connected to the buffer tank 51. One end of the second anode gas discharge passage 46 is connected to the second anode gas outlet hole 25 of the fuel cell stack 2, and the other end is connected to the buffer tank 51.
第１パージ通路４７は、第１アノードガス排出通路４５とカソードガス排出通路３６とを連通する通路である。第１パージ通路４７の一端は第１アノードガス排出通路４５に接続され、他端はカソードガス排出通路３６に接続される。第１パージ通路４７には、第１パージ弁４９が設けられる。第１パージ弁４９は、開度を全開又は全閉に調節することが可能な開閉弁であり、コントローラ７によって制御される。
The first purge passage 47 is a passage that connects the first anode gas discharge passage 45 and the cathode gas discharge passage 36. One end of the first purge passage 47 is connected to the first anode gas discharge passage 45, and the other end is connected to the cathode gas discharge passage 36. A first purge valve 49 is provided in the first purge passage 47. The first purge valve 49 is an open / close valve whose opening degree can be adjusted to full open or full close, and is controlled by the controller 7.
第２パージ通路４８は、第２アノードガス排出通路４６とカソードガス排出通路３６とを連通する通路である。第２パージ通路４８の一端は第２アノードガス排出通路４６に接続され、他端はカソードガス排出通路３６に接続される。第２パージ通路４８には、第２パージ弁５０が設けられる。第２パージ弁５０は、開度を全開又は全閉に調節することが可能な開閉弁であり、コントローラ７によって制御される。
The second purge passage 48 is a passage communicating the second anode gas discharge passage 46 and the cathode gas discharge passage 36. One end of the second purge passage 48 is connected to the second anode gas discharge passage 46, and the other end is connected to the cathode gas discharge passage 36. A second purge valve 50 is provided in the second purge passage 48. The second purge valve 50 is an open / close valve whose opening degree can be adjusted to full open or full close, and is controlled by the controller 7.
バッファタンク５１は、第１アノードガス排出通路４５及び第２アノードガス排出通路４６を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える容器である。バッファタンク５１に溜められたアノードオフガスは、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０が開かれたときに、第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を通ってカソードガス排出通路３６に排出される。これにより、アノードオフガス及びカソードオフガスの混合ガスがカソードガス排出通路３６の開口端から外部へ排出される。このように、アノードオフガスをカソードオフガスに混合させた上で外部に排出することで、外部に排出される混合ガス中の水素濃度が所定の可燃濃度未満となるように設定される。
The buffer tank 51 is a container that temporarily stores the anode off gas that has flowed through the first anode gas discharge passage 45 and the second anode gas discharge passage 46. The anode off gas stored in the buffer tank 51 is discharged to the cathode gas discharge passage 36 through the first purge passage 47 and the second purge passage 48 when the first purge valve 49 and the second purge valve 50 are opened. Is done. As a result, the mixed gas of the anode off gas and the cathode off gas is discharged from the open end of the cathode gas discharge passage 36 to the outside. In this manner, the anode off gas is mixed with the cathode off gas and then discharged to the outside, so that the hydrogen concentration in the mixed gas discharged to the outside is set to be less than a predetermined combustible concentration.
燃料電池システム１では、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）が低すぎると、アノード脈動運転時にアノードガスが不足し、発電効率が低下するとともに燃料電池１０が劣化するおそれがある。逆に、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）が高すぎると、アノードオフガス中の不活性ガスとともに外部へ排出されるアノードガスの量が多くなり、燃費が悪化する。そのため、バッファタンク５１内のアノードガス濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に制御される必要がある。
In the fuel cell system 1, if the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the buffer tank 51 is too low, the anode gas is insufficient during the anode pulsation operation, and the power generation efficiency is lowered and the fuel cell 10 may be deteriorated. On the contrary, if the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the buffer tank 51 is too high, the amount of the anode gas discharged to the outside together with the inert gas in the anode off-gas increases, and the fuel consumption deteriorates. Therefore, the anode gas concentration in the buffer tank 51 needs to be controlled to an appropriate value in consideration of power generation efficiency and fuel consumption.
燃料電池システム１では、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開き、窒素や水蒸気等を含むアノードオフガスをバッファタンク５１から外部へ排出することで、バッファタンク５１内のアノードガス濃度が所望の濃度となるように調節される。
In the fuel cell system 1, the first purge valve 49 and the second purge valve 50 are opened, and the anode off-gas containing nitrogen, water vapor, etc. is discharged from the buffer tank 51 to the outside, so that the anode gas concentration in the buffer tank 51 is desired. The concentration is adjusted to be.
スタック冷却装置６は、燃料電池スタック２を冷却し、燃料電池スタック２を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置６は、冷却水循環通路６１と、ラジエータ６２と、バイパス通路６３と、三方弁６４と、循環ポンプ６５と、ＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)ヒータ６６と、入口水温センサ６９と、出口水温センサ７０と、を備える。
The stack cooling device 6 is a device that cools the fuel cell stack 2 and maintains the fuel cell stack 2 at a temperature suitable for power generation. The stack cooling device 6 includes a cooling water circulation passage 61, a radiator 62, a bypass passage 63, a three-way valve 64, a circulation pump 65, a PTC (PositiveＣTemperature Coefficient) heater 66, an inlet water temperature sensor 69, and an outlet water temperature sensor. 70.
冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック２を冷却するための冷却水（冷却液）が循環する通路である。冷却水循環通路６１の一端は燃料電池スタック２の冷却水入口孔２６に接続され、他端は燃料電池スタック２の冷却水出口孔２７に接続される。以下では、冷却水循環通路６１のうち、冷却水出口孔２７側を上流側とし、冷却水入口孔２６側を下流側として説明する。
The cooling water circulation passage 61 is a passage through which cooling water (coolant) for cooling the fuel cell stack 2 circulates. One end of the coolant circulation path 61 is connected to the coolant inlet hole 26 of the fuel cell stack 2, and the other end is connected to the coolant outlet hole 27 of the fuel cell stack 2. Hereinafter, the cooling water circulation passage 61 will be described with the cooling water outlet hole 27 side as the upstream side and the cooling water inlet hole 26 side as the downstream side.
ラジエータ６２は、冷却水循環通路６１に設けられる。ラジエータ６２は、燃料電池スタック２から排出された冷却水を冷却する。
The radiator 62 is provided in the cooling water circulation passage 61. The radiator 62 cools the cooling water discharged from the fuel cell stack 2.
バイパス通路６３は、ラジエータ６２をバイパスするように冷却水を循環させる通路である。バイパス通路６３の一端は冷却水循環通路６１に接続され、他端は三方弁６４に接続される。
The bypass passage 63 is a passage through which cooling water is circulated so as to bypass the radiator 62. One end of the bypass passage 63 is connected to the cooling water circulation passage 61, and the other end is connected to the three-way valve 64.
三方弁６４は、ラジエータ６２よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。三方弁６４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高い場合、燃料電池スタック２から排出された冷却水がラジエータ６２を通って再び燃料電池スタック２に供給されるように、三方弁６４は制御される。逆に、冷却水の温度が相対的に低い場合、燃料電池スタック２から排出された冷却水がラジエータ６２を通らずにバイパス通路６３を流れて再び燃料電池スタック２に供給されるように、三方弁６４は制御される。
The three-way valve 64 is provided in the cooling water circulation passage 61 on the downstream side of the radiator 62. The three-way valve 64 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, when the temperature of the cooling water is relatively high, the three-way valve 64 is controlled such that the cooling water discharged from the fuel cell stack 2 is supplied again to the fuel cell stack 2 through the radiator 62. The Conversely, when the temperature of the cooling water is relatively low, the cooling water discharged from the fuel cell stack 2 flows through the bypass passage 63 without passing through the radiator 62 and is supplied to the fuel cell stack 2 again. The valve 64 is controlled.
循環ポンプ６５は、三方弁６４よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられ、冷却水を循環させる。
The circulation pump 65 is provided in the cooling water circulation passage 61 downstream of the three-way valve 64 and circulates the cooling water.
ＰＴＣヒータ６６は、バイパス通路６３に設けられる。ＰＴＣヒータ６６は、燃料電池スタック２の暖機時等に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
The PTC heater 66 is provided in the bypass passage 63. The PTC heater 66 is energized when the fuel cell stack 2 is warmed up, etc., and raises the temperature of the cooling water.
入口水温センサ６９は、燃料電池スタック２の冷却水入口孔２６の近傍の冷却水循環通路６１に設けられる。入口水温センサ６９は、燃料電池スタック２に流入する冷却水の温度（スタック入口冷却水温度）を検出する。
The inlet water temperature sensor 69 is provided in the cooling water circulation passage 61 in the vicinity of the cooling water inlet hole 26 of the fuel cell stack 2. The inlet water temperature sensor 69 detects the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 2 (stack inlet cooling water temperature).
出口水温センサ７０は、燃料電池スタック２の冷却水出口孔２７の近傍の冷却水循環通路６１に設けられる。出口水温センサ７０は、燃料電池スタック２から排出された冷却水の温度（スタック出口冷却水温度）を検出する。
The outlet water temperature sensor 70 is provided in the cooling water circulation passage 61 in the vicinity of the cooling water outlet hole 27 of the fuel cell stack 2. The outlet water temperature sensor 70 detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 2 (stack outlet cooling water temperature).
コントローラ７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。
The controller 7 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
コントローラ７には、前述したエアフローセンサ３４や圧力センサ４４、入口水温センサ６９、出口水温センサ７０の信号が入力される。また、コントローラ７には、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ７３や燃料電池スタック２の出力電圧を検出する電圧センサ７４、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル操作量）を検出するアクセルストロークセンサ７５、大気圧を検出する大気圧センサ７６等の燃料電池システム１の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。
The controller 7 receives signals from the air flow sensor 34, the pressure sensor 44, the inlet water temperature sensor 69, and the outlet water temperature sensor 70 described above. The controller 7 includes a current sensor 73 for detecting the output current of the fuel cell stack 2, a voltage sensor 74 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 2, and an accelerator stroke for detecting the amount of depression of the accelerator pedal (accelerator operation amount). Signals from various sensors that detect the operating state of the fuel cell system 1, such as the sensor 75 and the atmospheric pressure sensor 76 that detects atmospheric pressure, are input.
コントローラ７は、これらの入力信号に基づいて、調圧弁４３を周期的に開閉し、アノードガスの圧力を周期的に増減させる脈動運転を行う。また、コントローラ７は、パージ弁３８の開度を調節し、外部へ排出されるアノードオフガスの流量を調整することで、バッファタンク５１内のアノードガス濃度を所望の濃度に保つ。
Based on these input signals, the controller 7 periodically opens and closes the pressure regulating valve 43 to perform pulsation operation for periodically increasing and decreasing the pressure of the anode gas. Further, the controller 7 adjusts the opening degree of the purge valve 38 and adjusts the flow rate of the anode off gas discharged to the outside, thereby maintaining the anode gas concentration in the buffer tank 51 at a desired concentration.
燃料電池システム１では、上記した脈動運転を行うことで、燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１内の窒素や水蒸気等の不純物ガスがバッファタンク５１に押し込まれる。これにより、アノードガス流路１２１内における不純物ガスの蓄積を抑制でき、燃料電池スタック２における発電効率の低下を抑えることが可能となる。
In the fuel cell system 1, impurity gases such as nitrogen and water vapor in the anode gas flow path 121 of the fuel cell stack 2 are pushed into the buffer tank 51 by performing the above-described pulsation operation. Thereby, accumulation of the impurity gas in the anode gas flow path 121 can be suppressed, and a decrease in power generation efficiency in the fuel cell stack 2 can be suppressed.
内部抵抗測定装置８は、燃料電池スタック２の電解質膜１１１（図１Ｂ参照）の湿潤度を推定するため、燃料電池スタック２の内部抵抗、いわゆるＨＦＲ(High Frequency Resistance）を測定する。電解質膜１１１の湿潤度が小さいほど、電解質膜１１１中の水分が少なく、電解質膜１１１は乾き気味となる。湿潤度が小さくなると、ＨＦＲは大きな値となる。逆に、電解質膜１１１の湿潤度が大きいほど、電解質膜１１１中の水分が多く、電解質膜１１１は濡れ気味となる。湿潤度が大きくなると、ＨＦＲは小さな値となる。内部抵抗測定装置８は、燃料電池スタック２の端子２０１に交流電流を与え、端子２０１間に生じる電圧の振幅を交流電流の振幅で除算することで、燃料電池スタック２の内部抵抗を算出する。
The internal resistance measuring device 8 measures the internal resistance of the fuel cell stack 2, so-called HFR (High Frequency Frequency), in order to estimate the wetness of the electrolyte membrane 111 (see FIG. 1B) of the fuel cell stack 2. The smaller the wetness of the electrolyte membrane 111, the less the moisture in the electrolyte membrane 111, and the electrolyte membrane 111 becomes dry. As the wetness decreases, the HFR increases. Conversely, the greater the degree of wetness of the electrolyte membrane 111, the more moisture in the electrolyte membrane 111, and the electrolyte membrane 111 becomes wet. As the wetness increases, the HFR decreases. The internal resistance measuring device 8 calculates the internal resistance of the fuel cell stack 2 by applying an alternating current to the terminal 201 of the fuel cell stack 2 and dividing the amplitude of the voltage generated between the terminals 201 by the amplitude of the alternating current.
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。
FIG. 3 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation in which the operation state of the fuel cell system 1 is constant.
コントローラ７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の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧力の下限圧と脈動幅とを算出してアノード圧力の上限値及び下限値を設定する。アノード圧力は、燃料電池スタック２のＭＥＡ１１がカソードセパレータ１３側に付勢されるように、カソード圧力よりも高く設定される。カソード圧力は、燃料電池スタック２に対する要求負荷が大きくなるほど大きな値に設定される。
The controller 7 calculates the target output of the fuel cell stack 2 based on the operating state of the fuel cell system 1, calculates the lower limit pressure and pulsation width of the anode pressure according to the target output, and calculates the upper limit value and lower limit of the anode pressure. Set the value. The anode pressure is set higher than the cathode pressure so that the MEA 11 of the fuel cell stack 2 is biased toward the cathode separator 13. The cathode pressure is set to a larger value as the required load on the fuel cell stack 2 increases.
脈動運転時には、コントローラ７は、図３（Ａ）に示すように上限値及び下限値の間でアノード圧力を周期的に増減させる。このように、コントローラ７は、アノードガス圧力を脈動させるアノード圧脈動制御部としての機能を有している。
During the pulsation operation, the controller 7 periodically increases or decreases the anode pressure between the upper limit value and the lower limit value as shown in FIG. Thus, the controller 7 has a function as an anode pressure pulsation control unit that pulsates the anode gas pressure.
具体的には、時刻ｔ１１でアノード圧力が下限値に達したら、アノード圧力の目標圧として上限値が設定され、目標圧へのフィードバック制御が実施される。これにより、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧力を上限値まで増加させることができる開度まで調圧弁４３が開かれる。この時、アノードガスは高圧タンク４１から燃料電池スタック２に供給される。
Specifically, when the anode pressure reaches the lower limit value at time t11, the upper limit value is set as the target pressure of the anode pressure, and feedback control to the target pressure is performed. As a result, as shown in FIG. 3B, the pressure regulating valve 43 is opened to an opening at which at least the anode pressure can be increased to the upper limit value. At this time, the anode gas is supplied from the high-pressure tank 41 to the fuel cell stack 2.
時刻ｔ１２でアノード圧力が上限値に達したら、アノード圧力の目標圧として下限値が設定され、目標圧へのフィードバック制御が実施される。これにより、図３（Ｂ）に示すように調圧弁４３が全閉とされ、高圧タンク４１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給が停止される。そうすると、前述した（１－１）の電極反応によって、燃料電池スタック２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。これにより、燃料電池スタック２内のアノード圧力は、アノードガスの消費に伴って低下する。
When the anode pressure reaches the upper limit value at time t12, the lower limit value is set as the target pressure of the anode pressure, and feedback control to the target pressure is performed. As a result, the pressure regulating valve 43 is fully closed as shown in FIG. 3B, and the supply of the anode gas from the high-pressure tank 41 to the fuel cell stack 2 is stopped. Then, the anode gas left in the anode gas flow path 121 of the fuel cell stack 2 is consumed over time due to the electrode reaction of (1-1) described above. Thereby, the anode pressure in the fuel cell stack 2 decreases as the anode gas is consumed.
このようにアノードガスが消費されると、バッファタンク５１の圧力が一時的に燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、アノードオフガスがバッファタンク５１からアノードガス流路１２１へと逆流する。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、さらにアノード圧力が低下する。
When the anode gas is consumed in this manner, the pressure in the buffer tank 51 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path 121 of the fuel cell stack 2, so that the anode off-gas flows from the buffer tank 51 to the anode gas flow path 121. Regurgitate. As a result, the anode gas left in the anode gas channel 121 and the anode gas in the anode off-gas that has flowed back to the anode gas channel 121 are consumed over time, and the anode pressure further decreases.
時刻ｔ１３でアノード圧力が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁４３が開かれる。そして、時刻ｔ１４で再びアノード圧力が上限値に達したら、調圧弁４３が全閉にされる。
When the anode pressure reaches the lower limit at time t13, the pressure regulating valve 43 is opened in the same manner as at time t1. When the anode pressure reaches the upper limit again at time t14, the pressure regulating valve 43 is fully closed.
このような脈動運転を実施する場合、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）が低すぎると、アノード圧力が低下してアノードオフガスが逆流したときに、アノードガス流路１２１の下流域で電極反応に使用されるアノードガスが不足する。アノードガスが不足すると、燃料電池スタック２での発電効率が低下するとともに、燃料電池スタック２を構成する燃料電池１０が劣化する可能性がある。
When performing such pulsation operation, if the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the buffer tank 51 is too low, the anode pressure decreases and the anode off-gas flows backward in the downstream region of the anode gas passage 121. The anode gas used for the electrode reaction is insufficient. When the anode gas is insufficient, the power generation efficiency in the fuel cell stack 2 is lowered, and the fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 2 may be deteriorated.
バッファタンク５１から逆流するアノードオフガスに含まれるアノードガスの濃度は、燃料電池スタック２の温度によっても変化する。すなわち、燃料電池スタック２の温度が高くなると水蒸気分圧が高くなるので、バッファタンク５１から逆流するアノードオフガス中に含まれる水分(水蒸気)も増える。燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１内においては水蒸気分圧の上昇に伴ってアノードガス分圧（水素分圧）が低下するため、アノードガス濃度が低下する。
The concentration of the anode gas contained in the anode off gas flowing backward from the buffer tank 51 also varies depending on the temperature of the fuel cell stack 2. That is, as the temperature of the fuel cell stack 2 increases, the water vapor partial pressure increases, so that the moisture (water vapor) contained in the anode off-gas flowing backward from the buffer tank 51 also increases. In the anode gas flow path 121 of the fuel cell stack 2, the anode gas partial pressure (hydrogen partial pressure) decreases as the water vapor partial pressure increases, so the anode gas concentration decreases.
燃料電池システムでは、水蒸気分圧の上昇に起因するアノードガス濃度の低下を考慮しないで設定された下限値までアノード圧力を下げてしまうと、アノードガス供給不足(水素スタベーション)が生じるおそれがある。
In the fuel cell system, if the anode pressure is lowered to the lower limit set without considering the decrease in the anode gas concentration due to the increase in the water vapor partial pressure, there is a risk of insufficient anode gas supply (hydrogen starvation). .
そこで、本実施形態では、バッファタンク５１から逆流するアノードオフガスの水蒸気分圧、より具体的には燃料電池スタック２の冷却水温や湿潤度を考慮して、アノード圧力の下限値である脈動下限圧力を設定するようにした。
Therefore, in the present embodiment, the pulsation lower limit pressure that is the lower limit value of the anode pressure in consideration of the water vapor partial pressure of the anode off-gas flowing backward from the buffer tank 51, more specifically, the cooling water temperature and the wetness of the fuel cell stack 2. Was set.
次に、図４を参照して、脈動運転時における目標アノードガス圧力を算出するアノードガス圧力算出制御について説明する。
Next, the anode gas pressure calculation control for calculating the target anode gas pressure during the pulsation operation will be described with reference to FIG.
脈動運転時におけるアノード圧力の脈動波形は、コントローラ７によって設定される。コントローラ７は、アノード耐圧設定器Ｂ１０１と、極間耐圧設定器Ｂ１０２と、脈動幅設定器Ｂ１０３と、下限制限圧設定器Ｂ１０４と、下限圧設定器Ｂ１０５と、上限圧設定器Ｂ１０６と、上限圧制限器Ｂ１０７と、目標アノードガス圧演算器Ｂ１０８と、を備える。
The pulsation waveform of the anode pressure during pulsation operation is set by the controller 7. The controller 7 includes an anode withstand pressure setting device B101, an inter-electrode pressure setting device B102, a pulsation width setting device B103, a lower limit pressure setting device B104, a lower limit pressure setting device B105, an upper pressure setting device B106, A limiter B107 and a target anode gas pressure calculator B108 are provided.
アノード耐圧設定器Ｂ１０１は、燃料電池スタック２のＭＥＡ１１に設計外の圧力がかかることを防止するため、大気圧センサ７６によって検出される大気圧にアノード耐圧定数を加算して、アノード耐圧を設定する。アノード耐圧設定器Ｂ１０１は、アノード耐圧を設定することにより、目標圧力の上限値を制限する。
The anode withstand voltage setter B101 sets the anode withstand voltage by adding an anode withstand voltage constant to the atmospheric pressure detected by the atmospheric pressure sensor 76 in order to prevent an undesigned pressure from being applied to the MEA 11 of the fuel cell stack 2. . The anode pressure resistance setter B101 limits the upper limit value of the target pressure by setting the anode pressure resistance.
極間耐圧設定器Ｂ１０２は、スタック入口カソード圧に極間耐圧定数を加算して、極間耐圧を設定する。アノード極とカソード極との差圧が過大になると、燃料電池１０の電解質膜１１１の耐久性が悪化するおそれがある。極間耐圧設定器Ｂ１０２は、極間耐圧を設定することにより、アノード極とカソード極との差圧が過大にならないように目標圧力の上限値を制限する。
The inter-electrode withstand voltage setter B102 sets the inter-electrode withstand voltage by adding the inter-electrode withstand voltage constant to the stack inlet cathode pressure. If the differential pressure between the anode and cathode is excessive, the durability of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 may be deteriorated. The inter-electrode withstand voltage setter B102 limits the upper limit value of the target pressure so that the differential pressure between the anode and the cathode does not become excessive by setting the inter-electrode withstand voltage.
脈動幅設定器Ｂ１０３は、予め設定されたマップを参照し、燃料電池スタック２に要求される要求電流及び燃料電池スタック２の内部抵抗（ＨＦＲ）を用いて、アノード圧力の脈動幅を設定する。
The pulsation width setting unit B103 refers to a preset map, and sets the pulsation width of the anode pressure using the required current required for the fuel cell stack 2 and the internal resistance (HFR) of the fuel cell stack 2.
脈動幅設定器Ｂ１０３は、ＨＦＲが一定であれば、要求電流が大きいほど、脈動幅を大きく設定する。また脈動幅設定器Ｂ１０３は、要求電流が一定であれば、ＨＦＲが小さいほど、脈動幅を大きく設定する。
If the HFR is constant, the pulsation width setting unit B103 sets the pulsation width larger as the required current is larger. Further, if the required current is constant, the pulsation width setting unit B103 sets the pulsation width larger as the HFR is smaller.
燃料電池スタック２の内部抵抗（ＨＦＲ）は、たとえば公知の交流インピーダンス法によって求められる。燃料電池スタック２のＨＦＲは、燃料電池スタック２の電解質膜１１１の湿潤状態によって変化する。そのため、燃料電池スタック２のＨＦＲを検知することで、燃料電池スタック２の電解質膜１１１の湿潤状態を間接的に検知することができる。
The internal resistance (HFR) of the fuel cell stack 2 is obtained, for example, by a known AC impedance method. The HFR of the fuel cell stack 2 varies depending on the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 can be indirectly detected by detecting the HFR of the fuel cell stack 2.
燃料電池システム１では、コントローラ７は、燃料電池スタック２に交流電流を重畳したときの燃料電池スタック２の電圧値を電圧センサ７４によって検出する。コントローラ７は、その電圧値に基づいて重畳した交流電流の電圧振幅を演算し、その電圧振幅を重畳した交流電流の電流振幅で割ることで、燃料電池スタック２の内部抵抗（ＨＦＲ）を算出する。なお、ＨＦＲの算出方法は上記方法に限られず、例えば本出願人が出願した特開２０１２－０５４１５３号公報に記載された方法を用いてもよい。
In the fuel cell system 1, the controller 7 detects the voltage value of the fuel cell stack 2 when the alternating current is superimposed on the fuel cell stack 2 by the voltage sensor 74. The controller 7 calculates the voltage amplitude of the superimposed alternating current based on the voltage value, and divides the voltage amplitude by the current amplitude of the superimposed alternating current, thereby calculating the internal resistance (HFR) of the fuel cell stack 2. . Note that the HFR calculation method is not limited to the above method, and for example, a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-054153 filed by the present applicant may be used.
脈動幅設定器Ｂ１０３は、ＨＦＲが一定、つまり電解質膜１１１の湿潤度が一定であれば、要求電流が大きいほど脈動幅を大きく設定する。要求電流が大きいほど燃料電池スタック２で生成される水分量は多くなるが、脈動幅を大きくすることにより、生成水を燃料電池スタック２内から追い出しやすくなる。
The pulsation width setting device B103 sets the pulsation width larger as the required current is larger if the HFR is constant, that is, the wetness of the electrolyte membrane 111 is constant. As the required current increases, the amount of water generated in the fuel cell stack 2 increases. However, by increasing the pulsation width, the generated water can be easily driven out of the fuel cell stack 2.
これに対して、脈動幅設定器Ｂ１０３は、要求電流が一定であれば、ＨＦＲが小さいほど、つまり電解質膜１１１が湿潤しているほど脈動幅を大きく設定する。電解質膜１１１が湿潤しているほど電解質膜１１１で保持できる生成水量が少なくなり、生成水がアノードガス流路１２１に排出されやすくなる。そのため、電解質膜１１１で保持できる生成水量が少ない場合には、脈動幅を大きくすることにより、生成水を追い出しやすくし、燃料電池スタック２でのフラッディングの発生を防止する。
On the other hand, if the required current is constant, the pulsation width setting unit B103 sets the pulsation width larger as the HFR is smaller, that is, as the electrolyte membrane 111 is wet. As the electrolyte membrane 111 gets wet, the amount of generated water that can be held by the electrolyte membrane 111 decreases, and the generated water becomes easier to be discharged into the anode gas channel 121. Therefore, when the amount of generated water that can be held by the electrolyte membrane 111 is small, the generated water can be easily driven out by increasing the pulsation width, and the occurrence of flooding in the fuel cell stack 2 is prevented.
下限制限圧設定器Ｂ１０４は、大気圧、ＨＦＲ、スタック入口冷却水温度、及びスタック出口冷却水温度に基づいて、下限制限圧を設定する。下限制限圧設定器Ｂ１０４の詳細については図５を参照して後述する。
The lower limit pressure setting unit B104 sets the lower limit pressure based on the atmospheric pressure, HFR, stack inlet cooling water temperature, and stack outlet cooling water temperature. Details of the lower limit pressure setting unit B104 will be described later with reference to FIG.
下限圧設定器Ｂ１０５は、スタック入口のカソードガス圧力と、下限制限圧設定器Ｂ１０４で設定された下限制限圧とを比較して、大きい方を脈動下限圧力として設定する。この脈動下限圧力は、図３におけるアノード圧力の下限値となる。このように、コントローラ７は、アノードガスの脈動下限圧力を設定するアノード下限圧設定部として機能する。
The lower limit pressure setter B105 compares the cathode gas pressure at the stack inlet with the lower limit limit pressure set by the lower limit limit pressure setter B104, and sets the larger one as the pulsation lower limit pressure. This pulsation lower limit pressure is the lower limit value of the anode pressure in FIG. Thus, the controller 7 functions as an anode lower limit pressure setting unit that sets the pulsation lower limit pressure of the anode gas.
上限圧設定器Ｂ１０６は、下限圧設定器Ｂ１０５で設定された脈動下限圧力に、脈動幅設定器Ｂ１０３で設定された脈動幅を加算して、要求負荷に応じた要求上限圧力を設定する。
The upper limit pressure setter B106 adds the pulsation width set by the pulsation width setter B103 to the pulsation lower limit pressure set by the lower limit pressure setter B105, and sets the required upper limit pressure according to the required load.
上限圧制限器Ｂ１０７は、アノード耐圧、極間耐圧、及び上限圧設定器Ｂ１０６で設定された要求上限圧力に基づいて、脈動上限圧力を設定する。この脈動上限圧力は、図３におけるアノード圧力の上限値となる。上限圧制限器Ｂ１０７は、要求上限圧力がアノード耐圧や極間耐圧を超える場合に、それらの圧力を用いて脈動上限圧力を制限する。このように、コントローラ７は、アノードガスの脈動上限圧力を制限する上限制限部として機能する。
The upper limit pressure limiter B107 sets the pulsation upper limit pressure based on the anode withstand pressure, the inter-electrode pressure, and the required upper limit pressure set by the upper limit pressure setting unit B106. This pulsation upper limit pressure is the upper limit value of the anode pressure in FIG. The upper limit pressure limiter B107 limits the pulsation upper limit pressure using these pressures when the required upper limit pressure exceeds the anode breakdown voltage or the inter-electrode breakdown voltage. Thus, the controller 7 functions as an upper limit limiting unit that limits the pulsation upper limit pressure of the anode gas.
目標アノードガス圧演算器Ｂ１０８は、脈動下限圧力と、脈動上限圧力と、スタック入口のアノード圧力と、に基づいて目標アノードガス圧力を算出する。目標アノードガス圧演算器Ｂ１０８は、現在のアノード圧力に応じて、脈動下限圧力又は脈動上限圧力を目標アノードガス圧力として設定する。
The target anode gas pressure calculator B108 calculates a target anode gas pressure based on the pulsation lower limit pressure, the pulsation upper limit pressure, and the anode pressure at the stack inlet. The target anode gas pressure calculator B108 sets the pulsation lower limit pressure or the pulsation upper limit pressure as the target anode gas pressure according to the current anode pressure.
目標アノードガス圧演算器Ｂ１０８は、図３に示したように、アノード圧力が脈動下限圧力（下限値）に達したら、目標アノードガス圧力として脈動上限圧力（上限値）を設定する。また、目標アノードガス圧演算器Ｂ１０８は、アノード圧力が脈動上限圧力に達したら、目標アノードガス圧力として脈動下限圧力を設定する。このように、目標アノードガス圧演算器Ｂ１０８は、アノード圧力が脈動上限圧力と脈動下限圧力との間で変動するように、現在のアノードガス圧力に基づいて脈動下限圧力及び脈動上限圧力を交互に目標アノードガス圧力として設定する。
As shown in FIG. 3, the target anode gas pressure calculator B108 sets the pulsation upper limit pressure (upper limit value) as the target anode gas pressure when the anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure (lower limit value). Further, when the anode pressure reaches the pulsation upper limit pressure, the target anode gas pressure calculator B108 sets the pulsation lower limit pressure as the target anode gas pressure. In this way, the target anode gas pressure calculator B108 alternately sets the pulsation lower limit pressure and the pulsation upper limit pressure based on the current anode gas pressure so that the anode pressure varies between the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure. Set as target anode gas pressure.
次に、図５を参照して、下限制限圧設定器Ｂ１０４による下限制限圧の設定について説明する。
Next, the setting of the lower limit pressure limit by the lower limit pressure setter B104 will be described with reference to FIG.
下限制限圧設定器Ｂ１０４は、アノード圧力下限値マップＢ１０４１と、補正テーブルＢ１０４２と、乗算器Ｂ１０４３と、加算器Ｂ１０４４と、から構成される。
The lower limit pressure setting unit B104 includes an anode pressure lower limit value map B1041, a correction table B1042, a multiplier B1043, and an adder B1044.
アノード圧力下限値マップＢ１０４１は、スタック入口冷却水温度及びスタック出口冷却水温度に基づいて、アノード圧力下限値（水素圧力下限値）を設定する。アノード圧力下限値は、スタック出口冷却水温度が一定であれば、スタック入口冷却水温度が高いほど大きな値となる。また、アノード圧力下限値は、スタック入口冷却水温度が一定であれば、スタック出口冷却水温度が高いほど大きな値となる。このように、コントローラ７は、冷却水温度が高くなって、燃料電池スタック２内のアノードガスの水蒸気分圧が上昇する場合に、アノード圧力下限値を大きく設定するように構成されている。
The anode pressure lower limit value map B1041 sets an anode pressure lower limit value (hydrogen pressure lower limit value) based on the stack inlet cooling water temperature and the stack outlet cooling water temperature. If the stack outlet cooling water temperature is constant, the anode pressure lower limit value increases as the stack inlet cooling water temperature increases. Further, the lower limit of the anode pressure is larger as the stack outlet cooling water temperature is higher if the stack inlet cooling water temperature is constant. As described above, the controller 7 is configured to increase the anode pressure lower limit value when the coolant temperature increases and the water vapor partial pressure of the anode gas in the fuel cell stack 2 increases.
補正テーブルＢ１０４２は、燃料電池スタック２のＨＦＲ（内部抵抗）に基づき、アノード圧力下限値を補正するための補正値を演算する。補正値は、ＨＦＲが小さくなるほど大きな値となる。このように、コントローラ７は、ＨＦＲが小さく電解質膜１１１がウェットな状態となって、燃料電池スタック２内のアノードガスの水蒸気分圧が上昇する場合に、アノード圧力下限値を大きく設定するように構成されている。
The correction table B1042 calculates a correction value for correcting the anode pressure lower limit value based on the HFR (internal resistance) of the fuel cell stack 2. The correction value increases as the HFR decreases. As described above, the controller 7 sets the anode pressure lower limit value large when the HFR is small and the electrolyte membrane 111 is in a wet state and the water vapor partial pressure of the anode gas in the fuel cell stack 2 increases. It is configured.
乗算器Ｂ１０４３は、アノード圧力下限値マップＢ１０４１で設定されたアノード圧力下限値に、補正テーブルＢ１０４２で演算された補正値を乗算する。
Multiplier B1043 multiplies the anode pressure lower limit set in anode pressure lower limit map B1041 by the correction value calculated in correction table B1042.
加算器Ｂ１０４４は、乗算器Ｂ１０４３で補正されたアノード圧力下限値に大気圧センサ７６によって検出された大気圧を加算し、下限制限圧を設定する。
The adder B1044 adds the atmospheric pressure detected by the atmospheric pressure sensor 76 to the anode pressure lower limit corrected by the multiplier B1043, and sets the lower limit pressure limit.
上記した下限制限圧設定器Ｂ１０４によれば、燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の冷却水の温度が高くなるほど、下限制限圧（脈動下限圧力）は大きく設定される。また、ＨＦＲが小さくなるほど、つまり燃料電池スタック２の電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、下限制限圧（脈動下限圧力）は大きく設定される。
According to the lower limit pressure setting unit B104 described above, in the fuel cell system 1, the lower limit pressure (pulsation lower limit pressure) is set larger as the temperature of the cooling water in the fuel cell stack 2 increases. Moreover, the lower limit pressure (pulsation lower limit pressure) is set larger as the HFR becomes smaller, that is, the wetness of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 becomes larger.
図４を参照して説明したように、燃料電池システム１では、コントローラ７の脈動幅設定器Ｂ１０３は、燃料電池スタック２に対する要求電流が大きく、燃料電池スタック２での生成水の量が多くなるほど、脈動幅を大きく設定する。また、脈動幅設定器Ｂ１０３は、燃料電池スタック２の電解質膜１１１の湿潤度が大きく、電解質膜１１１で保持できる生成水の量が少なくなるほど、脈動幅を大きく設定する。このように脈動幅を大きく設定することで、生成水が燃料電池スタック２から追い出されやすくなり、燃料電池スタック２内におけるフラッディングの発生が防止される。
As described with reference to FIG. 4, in the fuel cell system 1, the pulsation width setting device B <b> 103 of the controller 7 has a larger required current for the fuel cell stack 2, and the amount of generated water in the fuel cell stack 2 increases. Set a large pulsation width. Further, the pulsation width setting device B103 sets the pulsation width larger as the wetness of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 is larger and the amount of generated water that can be held by the electrolyte membrane 111 decreases. By setting the pulsation width to be large in this way, the generated water can be easily expelled from the fuel cell stack 2 and the occurrence of flooding in the fuel cell stack 2 is prevented.
しかしながら、脈動幅設定器Ｂ１０３で脈動幅を設定しても、上限圧制限器Ｂ１０７でアノード耐圧や極間耐圧によりアノードガス圧力の上限が制限されてしまい、実際の脈動幅が脈動幅設定器Ｂ１０３で算出された所望の脈動幅よりも小さくなってしまうことがある。このような場合には燃料電池スタック２から生成水を追い出しにくくなるので、駆動モータや補機等の外部負荷の動作を制限し、燃料電池スタック２の出力電流を低減することで、燃料電池スタック２で生成される生成水の量を抑える。
However, even if the pulsation width is set by the pulsation width setting device B103, the upper limit of the anode gas pressure is limited by the anode pressure resistance or the inter-electrode pressure resistance by the upper limit pressure limiter B107, and the actual pulsation width becomes the pulsation width setting device B103. May become smaller than the desired pulsation width calculated in step (1). In such a case, since it is difficult to drive out the generated water from the fuel cell stack 2, the operation of an external load such as a drive motor or an auxiliary machine is limited, and the output current of the fuel cell stack 2 is reduced, thereby reducing the fuel cell stack. 2 to reduce the amount of water produced.
図６を参照して、コントローラ７の外部負荷制御部Ｂ２００（電流制限器）による電流制限方法について説明する。
With reference to FIG. 6, the current limiting method by the external load control unit B200 (current limiter) of the controller 7 will be described.
図６に示す外部負荷制御部Ｂ２００は、燃料電池スタック２から取り出される出力電流を必要に応じて制限するように構成されている。外部負荷制御部Ｂ２００は、脈動幅演算器Ｂ２０１と、電流制限値演算器Ｂ２０２と、指令電流値演算器Ｂ２０３と、を備える。
The external load control unit B200 shown in FIG. 6 is configured to limit the output current extracted from the fuel cell stack 2 as necessary. The external load control unit B200 includes a pulsation width calculator B201, a current limit value calculator B202, and a command current value calculator B203.
脈動幅演算器Ｂ２０１は、図４の上限圧制限器Ｂ１０７で設定された脈動上限圧力、及び図４の下限圧設定器Ｂ１０５で設定された脈動下限圧力に基づいて、最終的なアノードガス圧力の脈動幅を算出する。
The pulsation width calculator B201 determines the final anode gas pressure based on the pulsation upper limit pressure set by the upper limit pressure limiter B107 of FIG. 4 and the pulsation lower limit pressure set by the lower limit pressure setter B105 of FIG. Calculate the pulsation width.
電流制限値演算器Ｂ２０２は、予め設定されたマップを参照し、燃料電池スタック２のＨＦＲ（内部抵抗）及び脈動幅演算器Ｂ２０１で算出された脈動幅を用いて電流制限値を設定する。
Current limit value calculator B202 refers to a preset map, and sets the current limit value using the HFR (internal resistance) of fuel cell stack 2 and the pulsation width calculated by pulsation width calculator B201.
電流制限値演算器Ｂ２０２は、ＨＦＲが一定、つまり燃料電池スタック２の電解質膜１１１の湿潤度が一定であれば、脈動幅が小さいほど電流制限値を小さな値として算出する。アノードガス圧力の脈動幅が小さいほど生成水が燃料電池スタック２から追い出されにくくなるので、燃料電池スタック２で生成される生成水の量が少なくなるように電流制限値は小さな値として算出される。
If the HFR is constant, that is, the wetness of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 is constant, the current limit value calculator B202 calculates the current limit value as a smaller value as the pulsation width is smaller. As the pulsation width of the anode gas pressure is smaller, the generated water is less likely to be expelled from the fuel cell stack 2, so that the current limit value is calculated as a small value so that the amount of generated water generated in the fuel cell stack 2 is reduced. .
また、電流制限値演算器Ｂ２０２は、アノードガス圧力の脈動幅が一定であれば、ＨＦＲが小さいほど電流制限値を小さな値として算出する。ＨＦＲが小さくなって燃料電池スタック２の電解質膜１１１が湿潤するほど、電解質膜１１１で保持できる生成水量が少なくなるので、燃料電池スタック２で生成される生成水の量が少なくなるように電流制限値は小さな値として算出される。
Further, if the pulsation width of the anode gas pressure is constant, the current limit value calculator B202 calculates the current limit value as a smaller value as the HFR is smaller. As the HFR becomes smaller and the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 gets wet, the amount of generated water that can be held by the electrolyte membrane 111 decreases. Therefore, the current limit is set so that the amount of generated water generated by the fuel cell stack 2 decreases. The value is calculated as a small value.
指令電流値演算器Ｂ２０３は、外部負荷への要求負荷から定まる燃料電池スタック２に対する要求電流、及び電流制限値演算器Ｂ２０２で設定された電流制限値のうち小さい方を、燃料電池指令電流（ＦＣ指令電流）として設定する。つまり、指令電流値演算器Ｂ２０３は、要求電流が電流制限値を超える場合には、要求電流を電流制限値で制限する。
The command current value calculator B203 calculates the smaller one of the required current for the fuel cell stack 2 determined from the required load to the external load and the current limit value set by the current limit value calculator B202, as the fuel cell command current (FC Command current). That is, the command current value calculator B203 limits the request current with the current limit value when the request current exceeds the current limit value.
上記した、コントローラ７の外部負荷制御部Ｂ２００は、要求電流を電流制限値で制限する場合、燃料電池スタック２から取り出される出力電流がＦＣ指令電流（電流制限値）となるように、駆動モータや補機等の外部負荷の動作を制限する。つまり、外部負荷制御部Ｂ２００は、脈動上限圧力等が制限されて所望の脈動幅でアノードガス圧力を脈動させられない場合、燃料電池スタック２から外部負荷に供給される電流値が、要求電流よりも小さく設定された電流制限値となるように外部負荷の動作を制限する。より具体的には、外部負荷制御部Ｂ２００は、脈動上限圧力等が制限されて脈動幅が小さくなるほど、外部負荷に供給される電流制限値が小さくなるように外部負荷の動作を制限する。
The external load control unit B200 of the controller 7 described above, when limiting the required current with the current limit value, controls the drive motor or the like so that the output current extracted from the fuel cell stack 2 becomes the FC command current (current limit value). Limit the operation of external loads such as auxiliary equipment. That is, when the pulsation upper limit pressure or the like is limited and the anode gas pressure cannot be pulsated with a desired pulsation width, the external load control unit B200 determines that the current value supplied from the fuel cell stack 2 to the external load The operation of the external load is limited so that the current limit value is set to a small value. More specifically, the external load control unit B200 limits the operation of the external load so that the current limit value supplied to the external load decreases as the pulsation upper limit pressure or the like is limited and the pulsation width decreases.
本実施形態の燃料電池システム１によれば、コントローラ７は、燃料電池スタック２における水蒸気分圧に応じて下限制限圧、つまり脈動下限圧力を設定する。
According to the fuel cell system 1 of the present embodiment, the controller 7 sets the lower limit pressure, that is, the pulsation lower limit pressure, according to the water vapor partial pressure in the fuel cell stack 2.
燃料電池スタック２において水蒸気分圧が上昇すると、バッファタンク５１から燃料電池スタック２に逆流するガス中に含まれる水蒸気の量が増加する。この点を考慮せずにアノードガス圧力の脈動制御を実行すると、アノードガス圧力が脈動下限圧力（下限値）に達した時に、アノードガスが不足し、水素スタベーションに陥る可能性がある。
When the water vapor partial pressure rises in the fuel cell stack 2, the amount of water vapor contained in the gas flowing backward from the buffer tank 51 to the fuel cell stack 2 increases. If the pulsation control of the anode gas pressure is performed without taking this point into consideration, when the anode gas pressure reaches the pulsation lower limit pressure (lower limit value), the anode gas may be insufficient, and hydrogen starvation may occur.
しかしながら、燃料電池システム１では、水蒸気分圧に応じて脈動下限圧力を設定するので、水蒸気分圧が大きくなることでアノードガス濃度が低下しても、アノードガス不足の発生を抑制することができる。その結果、水素スタベーションに陥る事態が防止される。
However, in the fuel cell system 1, since the pulsation lower limit pressure is set according to the water vapor partial pressure, even when the anode gas concentration is decreased due to the increase in the water vapor partial pressure, the occurrence of anode gas shortage can be suppressed. . As a result, the situation of falling into hydrogen starvation is prevented.
燃料電池システム１では、水蒸気分圧は燃料電池スタック２の冷却水温度（スタック入口冷却水温度及びスタック出口冷却水温度）が高いほど大きくなるので、アノードガスの下限制限圧は冷却水温度の上昇に応じて大きくなるように設定される。さらに、水蒸気分圧は燃料電池スタック２の電解質膜１１１が湿潤しているほど大きくなるので、アノードガスの下限制限圧は電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど大きくなるように設定される。このように、水蒸気分圧が高くなるほど下限制限圧を大きくし、脈動下限圧力（下限値）が大きくなるように設定されるので、水蒸気分圧が大きくなることでアノードガス濃度が低下しても、アノードガス不足の発生を確実に抑制することができる。
In the fuel cell system 1, the water vapor partial pressure increases as the cooling water temperature (stack inlet cooling water temperature and stack outlet cooling water temperature) of the fuel cell stack 2 increases, so the lower limit pressure limit of the anode gas increases the cooling water temperature. It is set so as to increase in accordance with. Further, since the water vapor partial pressure increases as the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 gets wet, the lower limit pressure limit of the anode gas is set to increase as the wetness of the electrolyte membrane 111 increases. Thus, since the lower limit pressure is increased and the pulsation lower limit pressure (lower limit) is increased as the water vapor partial pressure increases, even if the water vapor partial pressure increases, the anode gas concentration decreases. The occurrence of shortage of anode gas can be reliably suppressed.
また、上限圧制限器Ｂ１０７でアノードガス圧力の上限が制限され、実際の脈動幅が脈動幅設定器Ｂ１０３で算出された脈動幅よりも小さくなるような場合、コントローラ７は、外部負荷の動作を制限して、燃料電池スタック２から取り出される出力電流を要求電流よりも小さい電流制限値に制限する。このように、コントローラ７は、脈動上限圧力等が制限されて所望の脈動幅でアノードガス圧力を脈動させられない場合、燃料電池スタック２から外部負荷に供給される電流値が、要求電流よりも小さく設定された電流制限値となるように外部負荷の動作を制限する。より具体的には、コントローラ７は、脈動上限圧力等が制限されて脈動幅が小さくなるほど、外部負荷に供給される電流制限値が小さくなるように外部負荷の動作を制限する。
Further, when the upper limit of the anode gas pressure is limited by the upper limit pressure limiter B107 and the actual pulsation width is smaller than the pulsation width calculated by the pulsation width setting unit B103, the controller 7 performs the operation of the external load. The output current taken out from the fuel cell stack 2 is limited to a current limit value smaller than the required current. Thus, when the pulsation upper limit pressure or the like is limited and the anode gas pressure cannot be pulsated with a desired pulsation width, the controller 7 determines that the current value supplied from the fuel cell stack 2 to the external load is higher than the required current. The operation of the external load is limited so that the current limit value is set to a small value. More specifically, the controller 7 restricts the operation of the external load so that the current limit value supplied to the external load becomes smaller as the pulsation upper limit pressure or the like is restricted and the pulsation width becomes smaller.
これにより、燃料電池スタック２で生成される生成水の量を抑えることができ、燃料電池スタック２でのフラッディングの発生が防止される。
Thereby, the amount of generated water generated in the fuel cell stack 2 can be suppressed, and the occurrence of flooding in the fuel cell stack 2 is prevented.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
本願は２０１３年５月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－１１３８１３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。
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2013-13813 filed with the Japan Patent Office on May 30, 2013, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
Claims (8)
- アノードガスとカソードガスの供給を受けて要求負荷に応じて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、
前記燃料電池の状態に基づいてアノードガスの下限圧を設定するアノード下限圧設定部と、
前記下限圧を下限としてアノードガス圧力を脈動させるアノード圧脈動制御部と、を備え、
前記アノード下限圧設定部は、前記燃料電池のアノードガスの水蒸気分圧に応じて、アノードガスの下限圧を設定する、
燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell that receives supply of anode gas and cathode gas and generates power according to a required load,
A pressure regulating valve for controlling the pressure of the anode gas in the fuel cell;
An anode lower limit pressure setting unit for setting a lower limit pressure of the anode gas based on the state of the fuel cell;
An anode pressure pulsation controller that pulsates the anode gas pressure with the lower limit pressure as a lower limit,
The anode lower limit pressure setting unit sets the lower limit pressure of the anode gas according to the water vapor partial pressure of the anode gas of the fuel cell.
Fuel cell system. - 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転状態に基づいてアノードガスの上限圧を制限する上限制限部と、
要求負荷に基づいて前記燃料電池の外部負荷の動作を制御する外部負荷制御部と、をさらに備え、
前記外部負荷制御部は、上限圧が制限されて所望の脈動幅でアノードガス圧力を脈動させられない場合、前記燃料電池から前記外部負荷に供給される電流値が小さくなるように前記外部負荷の動作を制限する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
An upper limit limiting unit that limits the upper limit pressure of the anode gas based on the operating state of the fuel cell;
An external load control unit that controls the operation of the external load of the fuel cell based on a required load, and
When the upper limit pressure is limited and the anode gas pressure cannot be pulsated with a desired pulsation width, the external load control unit reduces the current value supplied from the fuel cell to the external load. Limit operation,
Fuel cell system. - 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記外部負荷制御部は、脈動幅が小さくなるほど前記外部負荷に供給される電流値が小さくなるように前記外部負荷の動作を制限する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The external load control unit limits the operation of the external load so that the current value supplied to the external load decreases as the pulsation width decreases.
Fuel cell system. - 請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記アノード下限圧設定部は、前記水蒸気分圧として、前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を用いる、
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
The anode lower limit pressure setting unit uses a temperature of cooling water for cooling the fuel cell as the water vapor partial pressure.
Fuel cell system. - 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記アノード下限圧設定部は、前記燃料電池の冷却水の温度が高くなるほど、アノードガスの下限圧が大きくなるように設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
The anode lower limit pressure setting unit is set so that the lower limit pressure of the anode gas increases as the temperature of the cooling water of the fuel cell increases.
Fuel cell system. - 請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記アノード下限圧設定部は、前記水蒸気分圧として、前記燃料電池の電解質膜の湿潤度を用いる、
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
The anode lower limit pressure setting unit uses the wetness of the electrolyte membrane of the fuel cell as the water vapor partial pressure.
Fuel cell system. - 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記アノード下限圧設定部は、前記燃料電池の電解質膜の湿潤度が大きくなるほど、アノードガスの下限圧が大きくなるように設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6,
The anode lower limit pressure setting unit is set so that the lower limit pressure of the anode gas increases as the wetness of the electrolyte membrane of the fuel cell increases.
Fuel cell system. - アノードガスとカソードガスの供給を受けて要求負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池内のアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の状態に基づいてアノードガスの下限圧を設定するアノード下限圧設定ステップと、
前記下限圧を下限としてアノードガス圧力を脈動させるアノード圧脈動制御ステップと、を備え、
前記アノード下限圧設定ステップでは、前記燃料電池のアノードガスの水蒸気分圧に応じて、アノードガスの下限圧が設定される、
燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell system control method comprising: a fuel cell that receives supply of anode gas and cathode gas and generates power according to a required load; and a pressure regulating valve that controls the pressure of the anode gas in the fuel cell,
An anode lower limit pressure setting step for setting a lower limit pressure of the anode gas based on the state of the fuel cell;
An anode pressure pulsation control step for pulsating the anode gas pressure with the lower limit pressure as a lower limit, and
In the anode lower limit pressure setting step, a lower limit pressure of the anode gas is set according to a water vapor partial pressure of the anode gas of the fuel cell.
Control method of fuel cell system.
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Legal Events
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 14803960 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 14803960 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: JP |