WO2024053184A1 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
WO2024053184A1
WO2024053184A1 PCT/JP2023/020881 JP2023020881W WO2024053184A1 WO 2024053184 A1 WO2024053184 A1 WO 2024053184A1 JP 2023020881 W JP2023020881 W JP 2023020881W WO 2024053184 A1 WO2024053184 A1 WO 2024053184A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
water level
fuel cell
upper limit
limit water
tank
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/020881
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐輝 藤田
Original Assignee
愛三工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 愛三工業株式会社 filed Critical 愛三工業株式会社
Publication of WO2024053184A1 publication Critical patent/WO2024053184A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a fuel cell system.
  • a fuel cell system is disclosed in Patent Document 1.
  • the fuel cell system of Patent Document 1 includes a fuel cell, a current sensor that detects the output current of the fuel cell, a tank that stores water generated in the fuel cell, a water level sensor that detects the water level in the tank, and a current sensor that detects the output current of the fuel cell. It is equipped with a drainage passage for discharging water, and a drainage valve for opening and closing the drainage passage.
  • scavenging is performed for the fuel cell by increasing the flow rate of gas supplied to the fuel cell.
  • the flow rate of the gas increased due to scavenging will cause the water in the tank to may get caught up in the gas and fly out of the tank.
  • This specification provides a technique that can perform scavenging while the water level in the tank is low while suppressing the number of times the drain valve opens and closes.
  • a fuel cell system in a first aspect of the present technology, includes a fuel cell, an output detection means for detecting an output value of the fuel cell, a tank for storing water generated in the fuel cell, and a tank for storing water generated in the fuel cell.
  • a drainage passage for discharging water
  • a drainage valve for opening and closing the drainage passage
  • scavenging means for scavenging the fuel cell by increasing the flow rate of gas supplied to the fuel cell
  • a control unit You may be prepared.
  • the drain valve may be opened to drain the water in the tank when the water level in the tank exceeds a predetermined upper limit water level.
  • the control unit sets the upper limit water level to the first upper limit when the output value detected by the output detection means is equal to or less than a predetermined reference value while the upper limit water level is set to the first upper limit water level.
  • a predetermined reference value When the setting is changed from the water level to a second upper limit water level that is lower than the first upper limit water level, and the water level in the tank becomes equal to or lower than the second upper limit water level, scavenging by the scavenging means may be performed.
  • the upper limit water level that triggers the opening of the drain valve is normally set to the relatively high first upper limit water level, it is possible to suppress the number of times the drain valve opens and closes. Therefore, the speed at which the drain valve deteriorates can be suppressed. Furthermore, in the above configuration, when the output value of the fuel cell becomes equal to or less than the reference value, the upper limit water level that triggers the opening of the drain valve is set to a relatively lower second upper limit water level. This allows the water level in the tank to be relatively low. Then, when the water level in the tank becomes equal to or lower than the second upper limit water level, scavenging is performed to restore the output value of the fuel cell.
  • a fuel cell system in a second aspect of the present technology, includes a fuel cell, an output detection means for detecting an output value of the fuel cell, a tank for storing water generated in the fuel cell, and a tank for storing water generated in the fuel cell.
  • a drainage passage for discharging water
  • a drainage valve for opening and closing the drainage passage
  • scavenging means for scavenging the fuel cell by increasing the flow rate of gas supplied to the fuel cell
  • a control unit You may be prepared.
  • the drain valve may be opened to drain the water in the tank when the water level in the tank exceeds a predetermined upper limit water level.
  • the control unit estimates a first timing at which the output value detected by the output detection means becomes equal to or less than a predetermined reference value in a state where the upper limit water level is set to a first upper limit water level, and At a second timing that is a predetermined time before the first timing, the upper limit water level is changed from the first upper limit water level to a second upper limit water level that is lower than the first upper limit water level, and the water level in the tank is equal to or lower than the second upper limit water level.
  • scavenging may be performed by the scavenging means.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an example. A timing chart during operation of the fuel cell system of the example.
  • FIG. 5 is a timing chart during operation of a fuel cell system according to a modified example.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 2 according to an embodiment.
  • the fuel cell system 2 includes a hydrogen tank 12, a fuel cell 10, a gas-liquid separation tank 14, and a control section 50.
  • the fuel cell system 2 is mounted, for example, on a vehicle such as a fuel cell vehicle.
  • the hydrogen tank 12 stores hydrogen gas (fuel gas) to be supplied to the fuel cell 10.
  • a hydrogen supply passage 30 is connected to the hydrogen tank 12 .
  • the hydrogen supply passage 30 is connected to the hydrogen tank 12 at its upstream end and to the fuel cell 10 at its downstream end.
  • the hydrogen supply passage 30 supplies hydrogen gas from the hydrogen tank 12 to the fuel cell 10 .
  • a solenoid valve 22 and an ejector 16 are provided in the hydrogen supply passage 30.
  • the solenoid valve 22 opens and closes the hydrogen supply passage 30.
  • hydrogen gas is supplied to the fuel cell 10 through the hydrogen supply passage 30.
  • the opening degree of the solenoid valve 22 is adjustable. As the opening degree of the electromagnetic valve 22 increases, the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 increases. When the opening degree of the electromagnetic valve 22 decreases, the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 decreases.
  • the ejector 16 is provided in the hydrogen supply passage 30 on the downstream side (on the fuel cell 10 side) of the solenoid valve 22.
  • the ejector 16 is connected to a downstream end of a circulation passage 36, which will be described later.
  • the ejector 16 is a device that sucks the gas flowing through the circulation passage 36 due to the pressure of the hydrogen gas flowing through the hydrogen supply passage 30 and discharges it to the downstream side of the hydrogen supply passage 30 .
  • the fuel cell 10 will be explained.
  • an air supply passage 32 is connected to the fuel cell 10.
  • the air supply passage 32 has an upstream end connected to an air supply source (not shown), and a downstream end connected to the fuel cell 10. Air is supplied from an air supply source to the fuel cell 10 through the air supply passage 32 .
  • a pump 18 that pumps air toward the fuel cell 10 is provided in the air supply passage 32 . Note that the upstream end of the air supply passage 32 may be open to the outside air.
  • the fuel cell 10 generates electricity using hydrogen supplied through the hydrogen supply passage 30 and oxygen contained in the air supplied through the air supply passage 32.
  • the fuel cell 10 includes, for example, a plurality of battery cells (not shown) stacked inside a container, and each battery cell generates electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • the battery cell is, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) or a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), but is not limited to these.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • water is generated by a chemical reaction between hydrogen and oxygen during power generation.
  • unreacted hydrogen gas is discharged as off-gas during power generation.
  • a current sensor 24 that detects the output current value of the fuel cell 10 is electrically connected to the fuel cell 10 . Information on the current value of the fuel cell 10 detected by the current sensor 24 is transmitted to the control unit 50.
  • the upstream end of the hydrogen discharge passage 34 is connected to the fuel cell 10.
  • a downstream end of the hydrogen discharge passage 34 is connected to the gas-liquid separation tank 14 .
  • the hydrogen discharge passage 34 discharges water generated in the fuel cell 10 to the gas-liquid separation tank 14. Further, the hydrogen discharge passage 34 discharges off-gas (hydrogen gas) discharged from the fuel cell 10 to the gas-liquid separation tank 14 .
  • the upstream end of an air exhaust passage 38 is further connected to the fuel cell 10.
  • the downstream end of the air discharge passage 38 is connected to an air discharge destination (not shown).
  • the air discharge passage 38 discharges air discharged from the fuel cell 10 to a discharge destination.
  • the gas-liquid separation tank 14 will be explained.
  • the gas-liquid separation tank 14 stores water discharged through the hydrogen discharge passage 34.
  • a water level sensor 52 is provided in the gas-liquid separation tank 14 .
  • an exhaust drainage passage 40 and a circulation passage 36 are connected to the gas-liquid separation tank 14.
  • a hydrogen discharge passage 34 and a circulation passage 36 are connected to the upper part of the gas-liquid separation tank 14, and an exhaust drainage passage 40 is connected to the bottom of the gas-liquid separation tank 14.
  • the water level sensor 52 detects the water level of water stored in the gas-liquid separation tank 14.
  • a float type sensor for example, a float floating on water in the gas-liquid separation tank 14, and detects the water level based on the height position of the float.
  • the ultrasonic sensor is configured, for example, to emit ultrasonic waves toward the water surface in the gas-liquid separation tank 14 and to receive ultrasonic waves reflected from the water surface.
  • Ultrasonic sensors detect the water level based on the time from transmission to reception of ultrasound.
  • the capacitive sensor detects the water level in the gas-liquid separation tank 14 by using, for example, the difference between the dielectric constant of water and the dielectric constant of air.
  • the exhaust drainage passage 40 is a passage for discharging water stored in the gas-liquid separation tank 14 to the outside.
  • the downstream end of the exhaust drainage passage 40 is connected to a water discharge destination (not shown). Water is discharged from the gas-liquid separation tank 14 to a destination through the exhaust drainage passage 40.
  • the exhaust drainage passage 40 is provided with an exhaust drainage valve 20 that opens and closes the exhaust drainage passage 40. When the exhaust drainage valve 20 opens, water is discharged through the exhaust drainage passage 40. Further, off-gas in the gas-liquid separation tank 14 is also discharged together with water.
  • the circulation passage 36 has an upstream end connected to the gas-liquid separation tank 14 and a downstream end connected to the hydrogen supply passage 30 via the ejector 16. Due to the pressure of hydrogen gas flowing through the hydrogen supply passage 30 , off-gas (hydrogen gas) flowing through the circulation passage 36 is sucked into the hydrogen supply passage 30 via the ejector 16 . Thereby, off-gas (hydrogen gas) is supplied from the gas-liquid separation tank 14 to the hydrogen supply passage 30 through the circulation passage 36. This off-gas (hydrogen gas) is supplied to the fuel cell 10 through the hydrogen supply passage 30. Therefore, the off-gas (hydrogen gas) discharged from the fuel cell 10 is circulated and supplied to the fuel cell 10 again.
  • the control unit 50 of the fuel cell system 2 includes, for example, a CPU, a ROM, a RAM, etc., and executes various controls and processes regarding the fuel cell system 2 according to a predetermined program.
  • the control unit 50 is, for example, an ECU (Engine Control Unit) of the vehicle.
  • Water is generated in the fuel cell 10 during power generation. Water generated in the fuel cell 10 is discharged to the gas-liquid separation tank 14 through the hydrogen discharge passage 34 and stored in the gas-liquid separation tank 14 . The water level in the gas-liquid separation tank 14 is detected by a water level sensor 52. In the fuel cell system 2, some of the water generated in the fuel cell 10 may adhere to the cells of the fuel cell 10.
  • the control unit 50 opens the exhaust drainage valve 20 provided in the exhaust drainage passage 40 when the water level in the gas-liquid separation tank 14 exceeds a predetermined upper limit water level based on the water level detected by the water level sensor 52. do.
  • the predetermined upper limit water level is set, for example, according to the power generation state of the fuel cell 10.
  • the control unit 50 closes the exhaust drainage valve 20 when the water level in the gas-liquid separation tank 14 becomes equal to or lower than a predetermined lower limit water level.
  • the upper limit water level that triggers the opening of the exhaust drainage valve 20 is normally set to the first upper limit water level H1.
  • the value of the upper limit water level is changed. Specifically, when the output current value of the fuel cell 10 detected by the current sensor 24 becomes equal to or less than a predetermined first reference value T1, the control unit 50 changes the upper limit water level from the first upper limit water level H1 to the second upper limit. Change the setting to water level H2.
  • the second upper limit water level H2 is a value less than the first upper limit water level H1.
  • the control unit 50 closes the exhaust drain valve 20. Open the door.
  • control unit 50 controls the opening degree of the solenoid valve 22 provided in the hydrogen supply passage 30 when the water level in the gas-liquid separation tank 14 becomes lower than the upper limit water level after the change (second upper limit water level H2). Enlarge. As described above, when the upper limit water level is changed to the second upper limit water level H2, if the water level in the gas-liquid separation tank 14 becomes equal to or higher than the changed upper limit water level (second upper limit water level H2), the control unit 50 opens the exhaust and drain valve 20. As a result, the water level in the gas-liquid separation tank 14 decreases, so when the water level in the gas-liquid separation tank 14 decreases and becomes equal to or lower than the second upper limit water level H2, the control unit 50 controls the opening degree of the solenoid valve 22.
  • the opening degree of the solenoid valve 22 increases, the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 through the hydrogen supply passage 30 increases. As a result, scavenging for the fuel cell 10 is performed. When scavenging is performed, water adhering to the cells of the fuel cell 10 is pushed downstream by the pressure of the hydrogen gas whose flow rate has increased. When water adhering to the cells of the fuel cell 10 is removed by scavenging, the amount of power generated by the fuel cell 10 increases. Therefore, the output current value of the fuel cell 10 increases. The opening degree of the solenoid valve 22 during scavenging is set according to the required current value for the fuel cell 10.
  • the control unit 50 changes the upper limit water level from the second upper limit water level H2 to the first upper limit water level H1. Change settings. Further, in this case, the control unit 50 finishes scavenging the fuel cell 10 by reducing the opening degree of the solenoid valve 22.
  • the predetermined second reference value T2 is a value greater than or equal to the first reference value T1.
  • the control unit 50 sets the output current value detected by the current sensor 24 to the first reference level in a state where the upper limit water level is set to the first upper limit water level H1.
  • the upper limit water level is changed from the first upper limit water level H1 to the second upper limit water level H2, and when the water level in the gas-liquid separation tank 14 is below the second upper limit water level H2, the fuel cell 10 Execute scavenging against.
  • the upper limit water level that triggers the opening of the exhaust drain valve 20 is normally set to the relatively high first upper limit water level H1, the number of times the exhaust drain valve 20 opens and closes is suppressed. can do. Therefore, the speed at which the exhaust drainage valve 20 deteriorates can be suppressed.
  • the upper limit water level that triggers the opening of the exhaust drainage valve 20 is set to the relatively lower second upper limit water level H2. Change settings. Thereby, the water level in the gas-liquid separation tank 14 can be brought to a relatively low state.
  • the first upper limit water level H1 is set, for example, so that the water in the gas-liquid separation tank 14 does not flow out to the downstream side during normal times.
  • the second upper limit water level H2 is set, for example, so that the water in the gas-liquid separation tank 14 does not flow downstream during scavenging.
  • the current sensor 24 is an example of an "output detection means”
  • the gas-liquid separation tank 14 is an example of a "tank”
  • the exhaust drainage passage 40 is an example of a “drainage passage”
  • the exhaust drainage valve 20 is an example of a “drainage valve.”
  • the solenoid valve 22 is an example of "scavenging means”.
  • the control unit 50 controls the timing at which the output current value detected by the current sensor 24 becomes equal to or less than the first reference value T1 in a state where the upper limit water level is set to the first upper limit water level H1.
  • 1 timing t1) may be estimated (see FIG. 3).
  • the control unit 50 performs a predetermined calculation on the output current value detected by the current sensor 24 to determine a first timing at which the output current value of the fuel cell 10 becomes equal to or less than the first reference value T1. Estimate t1.
  • control unit 50 may change the upper limit water level from the first upper limit water level H1 to the second upper limit water level H2 at a second timing t2 that is a predetermined time earlier (for example, two seconds earlier) than the estimated first timing t1. good.
  • the control unit 50 increases the opening degree of the solenoid valve 22 when the water level in the gas-liquid separation tank 14 becomes equal to or lower than the second upper limit water level H2 after the setting change. As a result, scavenging for the fuel cell 10 is performed. With this configuration as well, scavenging can be performed while the water level in the gas-liquid separation tank 14 is low while suppressing the number of times the exhaust drainage valve 20 opens and closes.
  • the solenoid valve 22 was described as an example of the scavenging means, but the configuration is not limited to this.
  • the fuel cell system 2 may include a pump (not shown) provided in the hydrogen supply passage 30 as an example of scavenging means.
  • the control unit 50 may increase the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 by increasing the discharge amount of this pump. As a result, scavenging of the fuel cell 10 is performed.
  • the current sensor 24 was described as an example of the output detection means, but the configuration is not limited to this.
  • a voltage sensor (not shown) may be used as the output detection means.
  • the control unit 50 may change the upper limit water level from the first upper limit water level H1 to the second upper limit water level H2 when the output voltage value of the fuel cell 10 detected by the voltage sensor becomes less than or equal to a predetermined reference value.
  • the water level in the gas-liquid separation tank 14 may be calculated based on the output voltage value of the fuel cell 10 detected by the voltage sensor.
  • Fuel cell system 10: Fuel cell, 12: Hydrogen tank, 14: Gas-liquid separation tank, 16: Ejector, 18: Pump, 20: Exhaust drain valve, 22: Solenoid valve, 24: Current sensor, 30: Hydrogen Supply passage, 32: Air supply passage, 34: Hydrogen discharge passage, 36: Circulation passage, 38: Air discharge passage, 40: Exhaust drainage passage, 50: Control section

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

排水弁が開閉する回数を抑制しつつタンク内の水位が低い状態で掃気を実行することができる技術を提供する。　タンク内の水位が所定の上限水位以上となる場合に排水弁が開弁されてタンク内の水が排出される燃料電池システムであって、制御部は、上限水位が第１上限水位に設定されている状態で、出力検出手段により検出される出力値が所定の基準値以下となる場合に、上限水位を第１上限水位から第１上限水位未満の第２上限水位に設定変更し、タンク内の水位が第２上限水位以下となる場合に、掃気手段による掃気を実行する。

Description

燃料電池システム
　本明細書に開示する技術は、燃料電池システムに関する。
　特許文献１に燃料電池システムが開示されている。特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池で発生する水を貯留するタンクと、タンク内の水位を検出する水位センサと、タンク内の水を排出するための排水通路と、排水通路を開閉する排水弁とを備えている。
特開２００７－２４２２９６
　特許文献１の燃料電池システムでは、水位センサにより検出される水位が所定の上限水位以上となる場合に、排気排水弁が開弁されてタンク内の水が排出される。この構成では、排水弁が開弁するきっかけとなる上限水位が低い水位に設定されていると、排水弁が開閉する回数が多くなり、その結果、排水弁が劣化するスピードが速くなる。
　また、燃料電池システムでは、例えば、燃料電池の出力値が低下した場合に、燃料電池の出力値を回復させるために、燃料電池に供給するガスの流量を増量することにより燃料電池に対する掃気を実行することがある。しかしながら、タンク内の水位が高いときに掃気が実行されると、燃料電池から排出されるガスがタンク内を通過するときに、掃気のために流量が増量したガスの影響により、タンク内の水がガスに巻き上げられてタンク外に飛び出すことがある。
　本明細書は、排水弁が開閉する回数を抑制しつつタンク内の水位が低い状態で掃気を実行することができる技術を提供する。
　本技術の第１の態様では、燃料電池システムが、燃料電池と、前記燃料電池の出力値を検出する出力検出手段と、前記燃料電池で発生する水を貯留するタンクと、前記タンク内の水を排出するための排水通路と、前記排水通路を開閉する排水弁と、前記燃料電池に供給するガスの流量を増量することにより前記燃料電池に対する掃気を実行する掃気手段と、制御部と、を備えていてもよい。燃料電池システムでは、前記タンク内の水位が所定の上限水位以上となる場合に前記排水弁が開弁されて前記タンク内の水が排水されてもよい。前記制御部は、前記上限水位が第１上限水位に設定されている状態で、前記出力検出手段により検出される出力値が所定の基準値以下となる場合に、前記上限水位を前記第１上限水位から前記第１上限水位未満の第２上限水位に設定変更し、前記タンク内の水位が前記第２上限水位以下となる場合に、前記掃気手段による掃気を実行してもよい。
　この構成によれば、通常では、排水弁の開弁のきっかけとなる上限水位が、相対的に高い第１上限水位に設定されているので、排水弁が開閉する回数を抑制することができる。そのため、排水弁が劣化するスピードを抑制することができる。また、上記の構成では、燃料電池の出力値が基準値以下となる場合に、排水弁の開弁のきっかけとなる上限水位を相対的に低い第２上限水位に設定変更する。これにより、タンク内の水位を相対的に低い状態にすることができる。そして、タンク内の水位が第２上限水位以下となる場合に、燃料電池の出力値を回復させるための掃気を実行する。そのため、タンク内の水位が低い状態で掃気を実行することができる。したがって、掃気によりガスの流量が増量したとしても、燃料電池から排出されるガスがタンク内を通過するときに、タンク内の水位が低くなっているので、タンク内の水がガスに巻き上げられることを抑制することができる。
　本技術の第２の態様では、燃料電池システムが、燃料電池と、前記燃料電池の出力値を検出する出力検出手段と、前記燃料電池で発生する水を貯留するタンクと、前記タンク内の水を排出するための排水通路と、前記排水通路を開閉する排水弁と、前記燃料電池に供給するガスの流量を増量することにより前記燃料電池に対する掃気を実行する掃気手段と、制御部と、を備えていてもよい。燃料電池システムでは、前記タンク内の水位が所定の上限水位以上となる場合に前記排水弁が開弁されて前記タンク内の水が排水されてもよい。前記制御部は、前記上限水位が第１上限水位に設定されている状態で、前記出力検出手段により検出される出力値が所定の基準値以下となる第１タイミングを推定し、推定した前記第１タイミングよりも所定時間前の第２タイミングで前記上限水位を前記第１上限水位から前記第１上限水位未満の第２上限水位に設定変更し、前記タンク内の水位が前記第２上限水位以下となる場合に、前記掃気手段による掃気を実行してもよい。
　この構成によれば、上記と同様に、排水弁が開閉する回数を抑制しつつタンク内の水位が低い状態で掃気を実行することができる。
実施例の燃料電池システムの模式図。 実施例の燃料電池システムの運転時のタイミングチャート。 変形例の燃料電池システムの運転時のタイミングチャート。
　実施例の燃料電池システム２について図面を参照して説明する。図１は、実施例の燃料電池システム２の模式図である。図１に示すように、燃料電池システム２は、水素タンク１２と、燃料電池１０と、気液分離タンク１４と、制御部５０とを備えている。燃料電池システム２は、例えば、燃料電池車等の車両に搭載される。
　水素タンク１２は、燃料電池１０に供給するための水素ガス（燃料ガス）を貯留している。水素タンク１２には水素供給通路３０が接続されている。水素供給通路３０は、その上流端が水素タンク１２に接続され、下流端が燃料電池１０に接続されている。水素供給通路３０は、水素タンク１２から燃料電池１０に水素ガスを供給する。
　水素供給通路３０には電磁弁２２とエゼクタ１６が設けられている。電磁弁２２は、水素供給通路３０を開閉する。電磁弁２２が開弁すると水素供給通路３０を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給される。電磁弁２２の開度は調節可能である。電磁弁２２の開度が大きくなると、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量が増加する。電磁弁２２の開度が小さくなると、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量が減少する。
　エゼクタ１６は、電磁弁２２よりも下流側（燃料電池１０側）の水素供給通路３０に設けられている。エゼクタ１６には後述する循環通路３６の下流端が接続されている。エゼクタ１６は、水素供給通路３０を流れる水素ガスの圧力により循環通路３６を流れるガスを吸引して水素供給通路３０の下流側へ排出する器具である。
　燃料電池１０について説明する。燃料電池１０には水素供給通路３０の他に、空気供給通路３２が接続されている。空気供給通路３２は、その上流端が空気供給源（不図示）に接続され、下流端が燃料電池１０に接続されている。空気供給通路３２を通じて空気供給源から燃料電池１０に空気が供給される。空気供給通路３２には、燃料電池１０に向けて空気を圧送するポンプ１８が設けられている。なお、空気供給通路３２の上流端は外気に開放されていてもよい。
　燃料電池１０は、水素供給通路３０により供給される水素と、空気供給通路３２により供給される空気に含まれる酸素とを用いて発電する。燃料電池１０は、例えば、容器の内部に積み重ねられた複数の電池セル（不図示）を備えており、各電池セルが、水素と酸素の化学反応により発電する。電池セルは、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell））や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell））であるが、これらに限定されない。燃料電池１０では、発電の際に水素と酸素の化学反応により水が発生する。また、燃料電池１０では、発電の際に未反応の水素ガスがオフガスとして排出される。燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電流値を検出する電流センサ２４が電気的に接続されている。電流センサ２４により検出される燃料電池１０の電流値の情報は、制御部５０に送信される。
　燃料電池１０には、水素排出通路３４の上流端が接続されている。水素排出通路３４の下流端は気液分離タンク１４に接続されている。水素排出通路３４は、燃料電池１０で発生する水を気液分離タンク１４に排出する。また、水素排出通路３４は、燃料電池１０から排出されるオフガス（水素ガス）を気液分離タンク１４に排出する。
　燃料電池１０には、更に、空気排出通路３８の上流端が接続されている。空気排出通路３８の下流端は空気の排出先（不図示）に接続されている。空気排出通路３８は、燃料電池１０から排出される空気を排出先に排出する。
　気液分離タンク１４について説明する。気液分離タンク１４は、水素排出通路３４を通じて排出される水を貯留する。気液分離タンク１４には水位センサ５２が設けられている。また、気液分離タンク１４には、水素排出通路３４の他に、排気排水通路４０と循環通路３６が接続されている。気液分離タンク１４の上部に水素排出通路３４と循環通路３６が接続されており、気液分離タンク１４の底部に排気排水通路４０が接続されている。
　水位センサ５２は、気液分離タンク１４に貯留されている水の水位を検出する。水位センサ５２としては、例えば、フロート式、超音波式、静電容量式のセンサを用いることができる。フロート式のセンサは、例えば、気液分離タンク１４内の水に浮かぶフロートを備えており、そのフロートの高さ位置に基づいて水位を検出する。超音波式のセンサは、例えば、気液分離タンク１４内の水の水面に向けて超音波を発信すると共に、水面で反射した超音波を受信する構成である。超音波式のセンサは、超音波の発信から受信までの時間に基づいて水位を検出する。静電容量式のセンサは、例えば、水の誘電率と空気の誘電率との差を利用して気液分離タンク１４内の水の水位を検出する。
　排気排水通路４０は、気液分離タンク１４に貯留されている水を外部に排出するための通路である。排気排水通路４０の下流端は水の排出先（不図示）に接続されている。排気排水通路４０を通じて気液分離タンク１４から排出先に水が排出される。排気排水通路４０には、排気排水通路４０を開閉する排気排水弁２０が設けられている。排気排水弁２０が開弁すると排気排水通路４０を通じて水が排出される。また、気液分離タンク１４内のオフガスも水と共に排出される。
　循環通路３６は、その上流端が気液分離タンク１４に接続されており、下流端がエゼクタ１６を介して水素供給通路３０に接続されている。水素供給通路３０を流れる水素ガスの圧力により、循環通路３６を流れるオフガス（水素ガス）がエゼクタ１６を介して水素供給通路３０に吸引される。これにより、気液分離タンク１４から循環通路３６を通じて水素供給通路３０にオフガス（水素ガス）が供給される。このオフガス（水素ガス）は、水素供給通路３０を通じて燃料電池１０に供給される。したがって、燃料電池１０から排出されたオフガス（水素ガス）が循環して再び燃料電池１０に供給される。
　燃料電池システム２の制御部５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を備えており、所定のプログラムに従って燃料電池システム２に関する様々な制御や処理を実行する。制御部５０は、例えば、車両のＥＣＵ（Engine Control Unit）である。
　次に、燃料電池システム２の運転について説明する。上記の燃料電池システム２では、水素供給通路３０を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給され、空気供給通路３２を通じて燃料電池１０に空気が供給される。これにより、燃料電池１０で発電が行われる。燃料電池１０の発電時の出力電流値は、電流センサ２４により検出される。
　燃料電池１０では発電時に水が発生する。燃料電池１０で発生した水は、水素排出通路３４により気液分離タンク１４に排出され、気液分離タンク１４に貯留される。気液分離タンク１４内の水の水位は、水位センサ５２により検出される。燃料電池システム２では、燃料電池１０で発生した水の一部が燃料電池１０の電池セルに付着することがある。
　制御部５０は、水位センサ５２の検出水位に基づいて、気液分離タンク１４内の水位が所定の上限水位以上となる場合に、排気排水通路４０に設けられている排気排水弁２０を開弁する。排気排水弁２０が開弁すると、気液分離タンク１４内の水が排気排水通路４０を通じて外部に排出される。所定の上限水位は、例えば、燃料電池１０の発電状態に応じて設定される。また、制御部５０は、排気排水弁２０を開弁した後に、気液分離タンク１４内の水位が所定の下限水位以下となる場合に、排気排水弁２０を閉弁する。
　図２に示すように、燃料電池システム２では、通常時には、排気排水弁２０の開弁のきっかけとなる上限水位が、第１上限水位Ｈ１に設定されている。しかしながら、燃料電池１０の発電量が低下したときに上限水位の値が設定変更される。具体的には、制御部５０が、電流センサ２４により検出される燃料電池１０の出力電流値が所定の第１基準値Ｔ１以下となる場合に、上限水位を第１上限水位Ｈ１から第２上限水位Ｈ２に設定変更する。第２上限水位Ｈ２は、第１上限水位Ｈ１未満の値である。上限水位が第２上限水位Ｈ２に変更されたときに、気液分離タンク１４内の水位が変更後の上限水位（第２上限水位Ｈ２）以上となる場合は、制御部５０が排気排水弁２０を開弁する。
　また、制御部５０は、気液分離タンク１４内の水位が変更後の上限水位（第２上限水位Ｈ２）以下となる場合に、水素供給通路３０に設けられている電磁弁２２の開度を大きくする。上述のように、上限水位が第２上限水位Ｈ２に変更されたときに、気液分離タンク１４内の水位が変更後の上限水位（第２上限水位Ｈ２）以上となる場合は、制御部５０が排気排水弁２０を開弁する。これにより気液分離タンク１４内の水位が低下するので、気液分離タンク１４内の水位が低下することにより第２上限水位Ｈ２以下となる場合に、制御部５０が電磁弁２２の開度を大きくする。一方、上限水位が第２上限水位Ｈ２に変更されたときに、気液分離タンク１４内の水位が既に変更後の上限水位（第２上限水位Ｈ２）を上回っている場合は、制御部５０が排気排水弁２０を開弁せずに、電磁弁２２の開度を大きくする。
　電磁弁２２の開度が大きくなると、水素供給通路３０を通じて燃料電池１０に供給される水素ガスの流量が増量する。これにより、燃料電池１０に対する掃気が実行される。掃気が実行されると、燃料電池１０の電池セルに付着している水が、流量が増量した水素ガスの圧力により下流側へ押し流される。掃気により燃料電池１０の電池セルに付着している水が取り除かれると、燃料電池１０の発電量が増加する。よって、燃料電池１０の出力電流値が上昇する。掃気時の電磁弁２２の開度は、燃料電池１０に対する要求電流値に応じて設定される。
　その後、制御部５０は、電流センサ２４により検出される燃料電池１０の出力電流値が所定の第２基準値Ｔ２以上となる場合に、上限水位を第２上限水位Ｈ２から第１上限水位Ｈ１に設定変更する。また、この場合に、制御部５０は、電磁弁２２の開度を小さくすることにより、燃料電池１０に対する掃気を終了する。所定の第２基準値Ｔ２は、第１基準値Ｔ１以上の値である。
　（効果）
　以上、実施例の燃料電池システム２について説明した。以上の説明から明らかなように、燃料電池システム２では、制御部５０が、上限水位が第１上限水位Ｈ１に設定されている状態で、電流センサ２４により検出される出力電流値が第１基準値Ｔ１以下となる場合に、上限水位を第１上限水位Ｈ１から第２上限水位Ｈ２に設定変更し、気液分離タンク１４内の水位が第２上限水位Ｈ２以下となる場合に、燃料電池１０に対する掃気を実行する。
　この構成によれば、通常では、排気排水弁２０の開弁のきっかけとなる上限水位が、相対的に高い第１上限水位Ｈ１に設定されているので、排気排水弁２０が開閉する回数を抑制することができる。そのため、排気排水弁２０が劣化するスピードを抑制することができる。また、上記の構成では、燃料電池１０の出力電流値が第１基準値Ｔ１以下となる場合に、排気排水弁２０の開弁のきっかけとなる上限水位を相対的に低い第２上限水位Ｈ２に設定変更する。これにより、気液分離タンク１４内の水位を相対的に低い状態にすることができる。そして、気液分離タンク１４内の水位が第２上限水位Ｈ２以下となる場合に、燃料電池１０の出力電流値を回復させるための掃気を実行する。そのため、気液分離タンク１４内の水位が低い状態で掃気を実行することができる。したがって、掃気により水素ガスの流量が増量したとしても、燃料電池１０から排出される水素ガスが気液分離タンク１４内を通過するときに、気液分離タンク１４内の水位が低くなっているので、気液分離タンク１４内の水が水素ガスに巻き上げられることを抑制することができる。
　第１上限水位Ｈ１は、例えば、通常時に気液分離タンク１４内の水が下流側へ流出しないように設定される。第２上限水位Ｈ２は、例えば、掃気時に気液分離タンク１４内の水が下流側へ流出しないように設定される。
　（対応関係）
　電流センサ２４が「出力検出手段」の一例であり、気液分離タンク１４が「タンク」の一例であり、排気排水通路４０が「排水通路」の一例であり、排気排水弁２０が「排水弁」の一例であり、電磁弁２２が「掃気手段」の一例である。
　（変形例）
　（１）変形例では、制御部５０が、上限水位が第１上限水位Ｈ１に設定されている状態で、電流センサ２４により検出される出力電流値が第１基準値Ｔ１以下となるタイミング（第１タイミングｔ１）を推定してもよい（図３参照）。具体的には、制御部５０は、電流センサ２４により検出される出力電流値について、所定の演算を実行することにより、燃料電池１０の出力電流値が第１基準値Ｔ１以下となる第１タイミングｔ１を推定する。また、制御部５０は、推定した第１タイミングｔ１よりも所定時間前（例えば、２秒前）の第２タイミングｔ２で上限水位を第１上限水位Ｈ１から第２上限水位Ｈ２に変更してもよい。制御部５０は、気液分離タンク１４内の水位が設定変更後の第２上限水位Ｈ２以下となる場合に、電磁弁２２の開度を大きくする。これにより、燃料電池１０に対する掃気が実行される。この構成でも、排気排水弁２０が開閉する回数を抑制しつつ、気液分離タンク１４内の水位が低い状態で掃気を実行することができる。
　（２）上記の実施例では、掃気手段の一例として電磁弁２２について説明したが、この構成に限定されない。変形例では、燃料電池システム２は、掃気手段の一例として、水素供給通路３０に設けられているポンプ（不図示）を備えていてもよい。制御部５０は、このポンプの吐出量を増量することにより、燃料電池１０に供給する水素ガスの流量を増量してもよい。これにより、燃料電池１０に対する掃気が実行される。
　（３）上記の実施例では、気液分離タンク１４内の水の水位が水位センサ５２により検出される構成であったが、この構成に限定されない。変形例では、制御部５０が、電流センサ２４により検出される燃料電池１０の出力電流値に基づいて、気液分離タンク１４内の水の水位を算出してもよい。例えば、燃料電池１０の出力電流値がＩアンペアである場合、燃料電池１０では単位時間当たり、Ｉ／２Ｆ×Ｎ（ｍｏｌ／ｓ）＝１８／１０００×Ｉ／２Ｆ×Ｎ（Ｌ／ｓ）の水が発生すると考えられる。Ｆは、ファラデー定数であり、Ｎは、燃料電池１０の電池セルの数である。制御部５０は、この値を時間積分することにより、気液分離タンク１４内の水の水位を算出してもよい。制御部５０は、燃料電池１０の出力電流値に基づいて算出した水位に応じて排気排水弁２０を開閉してもよい。
　（４）上記の実施例では、出力検出手段の一例として電流センサ２４について説明したが、この構成に限定されない。変形例では、出力検出手段として電圧センサ（不図示）を用いてもよい。制御部５０が、電圧センサにより検出される燃料電池１０の出力電圧値が所定の基準値以下となる場合に、上限水位を第１上限水位Ｈ１から第２上限水位Ｈ２に設定変更してもよい。また、電圧センサにより検出される燃料電池１０の出力電圧値に基づいて、気液分離タンク１４内の水の水位を算出してもよい。
　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２：燃料電池システム、１０：燃料電池、１２：水素タンク、１４：気液分離タンク、１６：エゼクタ、１８：ポンプ、２０：排気排水弁、２２：電磁弁、２４：電流センサ、３０：水素供給通路、３２：空気供給通路、３４：水素排出通路、３６：循環通路、３８：空気排出通路、４０：排気排水通路、５０：制御部

Claims (2)

  1. 　燃料電池と、
    　前記燃料電池の出力値を検出する出力検出手段と、
    　前記燃料電池で発生する水を貯留するタンクと、
    　前記タンク内の水を排出するための排水通路と、
    　前記排水通路を開閉する排水弁と、
    　前記燃料電池に供給するガスの流量を増量することにより前記燃料電池に対する掃気を実行する掃気手段と、
    　制御部と、を備え、
    　前記タンク内の水位が所定の上限水位以上となる場合に前記排水弁が開弁されて前記タンク内の水が排出される燃料電池システムであって、
    　前記制御部は、前記上限水位が第１上限水位に設定されている状態で、前記出力検出手段により検出される出力値が所定の基準値以下となる場合に、前記上限水位を前記第１上限水位から前記第１上限水位未満の第２上限水位に設定変更し、前記タンク内の水位が前記第２上限水位以下となる場合に、前記掃気手段による掃気を実行する、燃料電池システム。
  2. 　燃料電池と、
    　前記燃料電池の出力値を検出する出力検出手段と、
    　前記燃料電池で発生する水を貯留するタンクと、
    　前記タンク内の水を排出するための排水通路と、
    　前記排水通路を開閉する排水弁と、
    　前記燃料電池に供給するガスの流量を増量することにより前記燃料電池に対する掃気を実行する掃気手段と、
    　制御部と、を備え、
    　前記タンク内の水位が所定の上限水位以上となる場合に前記排水弁が開弁されて前記タンク内の水が排出される燃料電池システムであって、
    　前記制御部は、前記上限水位が第１上限水位に設定されている状態で、前記出力検出手段により検出される出力値が所定の基準値以下となる第１タイミングを推定し、推定した前記第１タイミングよりも所定時間前の第２タイミングで前記上限水位を前記第１上限水位から前記第１上限水位未満の第２上限水位に設定変更し、前記タンク内の水位が前記第２上限水位以下となる場合に、前記掃気手段による掃気を実行する、燃料電池システム。
PCT/JP2023/020881 2022-09-08 2023-06-05 燃料電池システム WO2024053184A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-143214 2022-09-08
JP2022143214A JP2024038879A (ja) 2022-09-08 2022-09-08 燃料電池システム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024053184A1 true WO2024053184A1 (ja) 2024-03-14

Family

ID=90192265

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/020881 WO2024053184A1 (ja) 2022-09-08 2023-06-05 燃料電池システム

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2024038879A (ja)
WO (1) WO2024053184A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005203180A (ja) * 2004-01-14 2005-07-28 Nissan Motor Co Ltd 車載用燃料電池システム
JP2007227160A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池スタックの加湿不足判定方法
JP2009087858A (ja) * 2007-10-02 2009-04-23 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の排水システム
US20170263955A1 (en) * 2016-03-11 2017-09-14 Hyundai Motor Company Evaporative cooling type fuel cell system and cooling control method for the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005203180A (ja) * 2004-01-14 2005-07-28 Nissan Motor Co Ltd 車載用燃料電池システム
JP2007227160A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池スタックの加湿不足判定方法
JP2009087858A (ja) * 2007-10-02 2009-04-23 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の排水システム
US20170263955A1 (en) * 2016-03-11 2017-09-14 Hyundai Motor Company Evaporative cooling type fuel cell system and cooling control method for the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024038879A (ja) 2024-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3021405B1 (en) Method of discharging water from fuel cell and fuel cell system
JP4876369B2 (ja) 燃料電池システムおよびガス漏洩検知方法
CN105720281B (zh) 用于燃料电池系统的气体和冷凝水排放系统及其控制方法
US20040229098A1 (en) Fuel cell system
US20140093797A1 (en) Recirculation Unit For a Fuel Cell System
CN110277574B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
CN102386425B (zh) 燃料电池系统
JP4914258B2 (ja) 気液分離装置
CN104185919A (zh) 燃料电池系统
JP5108345B2 (ja) 燃料電池システム
WO2008007690A1 (fr) Système de pile à combustible
WO2024053184A1 (ja) 燃料電池システム
CN112467172B (zh) 燃料电池系统
JP2010108756A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムのパージ制御方法
JP2013246935A (ja) 燃料電池システム
CN114420977A (zh) 一种燃料电池阳极系统、控制方法及燃料电池
JP2009170346A (ja) 燃料電池システム及びそれを搭載した車両
JP5172194B2 (ja) 燃料電池システム
KR20230018241A (ko) 수소 오프 가스 배출 시 공기 유량 보상 제어 방법 및 장치
WO2024053185A1 (ja) 燃料電池システム
JP7132088B2 (ja) 燃料電池システム
JP4054250B2 (ja) 燃料電池システムにおける排ガス排出方法およびそのシステム
JP2014002930A (ja) 循環流路弁の故障検知方法
JP2012059557A (ja) 燃料電池システム
JP7441870B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの弁制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23862729

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1