JP2007115460A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007115460A JP2007115460A JP2005303976A JP2005303976A JP2007115460A JP 2007115460 A JP2007115460 A JP 2007115460A JP 2005303976 A JP2005303976 A JP 2005303976A JP 2005303976 A JP2005303976 A JP 2005303976A JP 2007115460 A JP2007115460 A JP 2007115460A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- circulation pump
- rotation speed
- hydrogen
- hydrogen circulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに係り、特に、多数の追加部品を必要とすることなく燃料ガス流路中における液滴滞留を事前に解消して、燃料電池の劣化を抑制し、高い信頼性を持つ燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and in particular, it eliminates the retention of droplets in a fuel gas flow path in advance without requiring a large number of additional parts, suppresses deterioration of the fuel cell, and has high reliability. The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。 The fuel cell system supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, supplies air as the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and causes the hydrogen and oxygen in the air to react electrochemically. To obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles, and research and development for practical use are being actively carried out.
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。 As a fuel cell used in a fuel cell system. For example, a solid polymer type fuel cell is known as being suitable for mounting in an automobile. A solid polymer type fuel cell is provided with a solid polymer membrane as an electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this solid polymer type fuel cell, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, a reaction occurs in which hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the fuel electrode, and oxygen and hydrogen in the air at the oxidant electrode. A reaction for generating water from ions and electrons is performed.
このような、水素と酸素の電気化学的反応を利用して発電を行う燃料電池システムにおいては、水素や酸素の供給不足、水素や酸素が流れる流路中における液滴滞留、電解質膜の乾燥による導電率低下等により、燃料電池の出力が低下し、そのため要求された出力を出せず、燃料電池の電力変換効率が低下し、さらに、このような条件下で燃料電池システムを運転した場合には、燃料電池の劣化が加速され、信頼性の低下につながるといった問題がある。 In such a fuel cell system that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, the supply of hydrogen or oxygen is insufficient, droplets stay in the flow path through which hydrogen or oxygen flows, and the electrolyte membrane dries. When the output of the fuel cell decreases due to a decrease in conductivity, etc., so that the required output cannot be output, the power conversion efficiency of the fuel cell decreases, and further, when the fuel cell system is operated under such conditions However, there is a problem that the deterioration of the fuel cell is accelerated and the reliability is lowered.
そこで、例えば特開２００４−１４６２３６号公報の「燃料電池システム」では、燃料電池内部の水分状態を適切に制御可能とする技術が開示されている。すなわち、水分検出手段として、燃料電池から排出された空気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ、燃料電池から排出された空気中の液滴量を検出する空気側液滴センサ、燃料電池から排出された水素濃度を検出する水素濃度センサおよび燃料電池から排出された水素中の液滴量を検出する水素側液滴センサを配置して、ガスが流通する各部位の水分状態を検出し、該検出結果に基づいて燃料電池内部の水分状態を診断して、該診断結果に基づき燃料電池内部の水分状態を適切に制御するものである。 Thus, for example, in “Fuel Cell System” of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146236, a technique is disclosed that enables appropriate control of the moisture state inside the fuel cell. That is, as a moisture detection means, an oxygen concentration sensor that detects the oxygen concentration of air discharged from the fuel cell, an air-side droplet sensor that detects the amount of liquid droplets in the air discharged from the fuel cell, and a fuel cell discharged from the fuel cell A hydrogen concentration sensor that detects the hydrogen concentration and a hydrogen-side droplet sensor that detects the amount of droplets in the hydrogen discharged from the fuel cell are installed to detect the moisture state of each part through which the gas flows. The moisture state inside the fuel cell is diagnosed based on the result, and the moisture state inside the fuel cell is appropriately controlled based on the diagnosis result.
また、特開２００４−１７２０２４号公報の「燃料電池システムの運転制御」では、燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系について、判断部により、圧力センサの検出信号等に基づきガスの流路が詰まっていると判断されたときに、外部からの要求出力に基づき出力目標値を設定して燃料電池スタックを制御する制御部において、出力目標値の上限値を制限することにより、ガス流路の閉塞による燃料電池の劣化を抑制する技術が開示されている。
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、燃料電池内部の水分状態を正確に診断（推定）するために多数のセンサ（即ち、酸素濃度センサ、空気側液滴センサ、水素濃度センサおよび水素側液滴センサ）を配置する必要があり、部品点数が増加してシステムコストが上昇すると共に、部品のレイアウトに不便を来すという問題点があった。
However, in the technique disclosed in
また、上述した特許文献２に開示された技術は、圧力センサの検出信号等に基づきガス流路に生成水が詰まっていると判断されたときの対処法であり、未然に不具合を解消するものではない。また、事後対処法としても、燃料電池の出力を制限するものであり、そのため要求された出力を出せず、燃料電池の電力変換効率が低下してしまうという事情があった。
Moreover, the technique disclosed in
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、多数の追加部品を必要とすることなく燃料ガス流路中における液滴滞留を事前に解消して、燃料電池の劣化を抑制し、高い信頼性を持つ燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and eliminates the retention of droplets in the fuel gas flow path in advance without requiring many additional parts, thereby suppressing deterioration of the fuel cell. The object is to provide a fuel cell system with high reliability.
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、循環ポンプを介して前記燃料電池で消費されなかった燃料ガスを前記燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系と、前記燃料電池の取り出し負荷と独立して前記循環ポンプの回転数を上昇させる制御手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described object, the present invention provides a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, a fuel gas supply system that supplies fuel gas to the fuel cell, and oxidant gas to the fuel cell. An oxidant gas supply system to be supplied; a fuel gas circulation system that circulates fuel gas that has not been consumed by the fuel cell through a circulation pump to the fuel gas supply system; and And a control means for increasing the number of revolutions of the circulation pump.
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムの取り出し負荷（発電電流）と独立して循環ポンプの回転数を上昇させるので、燃料ガス循環系内の流量を上昇させて燃料ガス循環系の配管内壁に凝縮した液水を循環ポンプの許容範囲内の条件で排出できるので、循環ポンプに対して過剰な液水が流入する可能性を低減することができる。また、多数の追加部品を必要とすることなく燃料ガス流路中における液滴滞留を事前に解消して、燃料電池の劣化を抑制し、高い信頼性を実現できる。 In the fuel cell system according to the present invention, the number of revolutions of the circulation pump is increased independently of the take-out load (generated current) of the fuel cell system, so that the flow rate in the fuel gas circulation system is increased and the piping of the fuel gas circulation system is increased. Since the liquid water condensed on the inner wall can be discharged under conditions within the allowable range of the circulation pump, the possibility of excess liquid water flowing into the circulation pump can be reduced. In addition, liquid droplet retention in the fuel gas flow path can be eliminated in advance without requiring a large number of additional parts, so that deterioration of the fuel cell can be suppressed and high reliability can be realized.
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック４５を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to
また、燃料電池スタック４５に水素（燃料ガス）を供給すると共に、循環ポンプを介して燃料電池スタック４５で消費されなかった水素を循環させる水素供給系（燃料ガス供給系および燃料ガス循環系）として、水素供給装置１、水素供給バルブ２、水素調圧弁３、水素供給流路４、水素循環流路６，８、水素循環用ポンプ７、圧力センサ９およびパージ弁１０を備え、また、燃料電池スタック４５に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系（酸化剤ガス供給系）として、エアフロメータ１１、コンプレッサ１２、空気加湿器１４および空気調圧弁１６を備えている。
Further, as a hydrogen supply system (fuel gas supply system and fuel gas circulation system) that supplies hydrogen (fuel gas) to the
また、燃料電池で生成された生成水を排出する生成水排水系として、ドレイン管路２０、気液分離器２１、ドレインタンク２５、オリフィス２２，２６、排水用開閉弁２３，２７、水排出管路２４，２８および水位センサ２９，３０を備え、冷却機構として、エアクーラー１３、燃料電池スタック冷却液流路３２、温度センサ３３、冷却液循環流路３４、三方切替弁３５。ラジエータ３６、ファン３７、バイパス流路３８、冷却液ポンプ３９およびバルブ４０，４１を備えている。
Further, as a generated water drainage system for discharging generated water generated by the fuel cell, a
さらに、本実施例の燃料電池システムは、水素供給系、空気供給系および冷却機構の各種センサや他の計器類からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系および冷却機構の各構成要素の制御を行うコントローラ（制御手段）５０を備えた構成である。 Furthermore, the fuel cell system of the present embodiment includes components of the hydrogen supply system, air supply system, and cooling mechanism based on detection signals from various sensors and other instruments of the hydrogen supply system, air supply system, and cooling mechanism. It is the structure provided with the controller (control means) 50 which performs control.
燃料電池スタック４５は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）５と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極（カソード）１５とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック４５の各発電セルでは、燃料極５に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極１５にそれぞれ移動する。酸化剤極１５では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
The
燃料電池スタック４５の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
As the electrolyte of the
燃料電池スタック４５で発電を行うには、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気を、それぞれ各発電セルの燃料極（アノード）５と酸化剤極（カソード）１５に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。つまり、水素供給装置1から燃料ガス（水素）を燃料極（アノード）５に、また、酸化剤ガス（空気）をエアフロメータ１１およびコンプレッサ１２を通じて酸化剤極（カソード）１５にそれぞれ供給し、燃料電池スタック４５内で反応させて発電する。その際、燃料極（アノード）５からは消費されずに残った燃料極オフガスが、また、酸化剤極（カソード）１５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだ酸素極オフガスがそれぞれ排出される。
In order to generate power in the
通常作動時では、水素供給装置1からの水素は、水素供給バルブ２を通じて減圧され、水素調圧弁３にて燃料電池スタック４５での水素圧力が所望の水素圧となるように制御される。調圧された供給水素は、水素供給流路4を介して燃料電池スタック４５の燃料極（アノード）５に導入され、燃料電池スタック４５にて消費されなかった燃料ガス（水素）は、気液分離器２１および水素循環流路６，８を通して水素循環用ポンプ7によって水素供給流路４へ還流される。
During normal operation, the hydrogen from the
なお、運転に伴って、燃料電池スタック４５の固体高分子電解質膜の透過等により、窒素などの不純物の濃度が次第に増加して循環系内に蓄積してしまう。ここで、パージ弁１０を開として、水素循環系内の不純物を水素と共に外部に排出することで、安定して燃料電池スタック４５の発電を行なうようにしている。また、パージ弁１０の開閉は、負荷（発電電流）の状態によって開閉時間を制御するように行われる。
In addition, with operation, the concentration of impurities such as nitrogen gradually increases and accumulates in the circulation system due to permeation of the solid polymer electrolyte membrane of the
また、酸化剤極（カソード）１５のオフガスは、燃料電池スタック４５に供給される空気を加湿する空気加湿器１４を経由して排気される。なお、燃料極（アノード）５側では、電解質膜を酸化剤極（カソード）１５から燃料極（アノード）５に対して水分を逆拡散させて加湿する。
Further, the off-gas of the oxidant electrode (cathode) 15 is exhausted through the
コントローラ５０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、外気温を検出するための図示しない外気温センサや、他の各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
The
コントローラ５０は、燃料電池スタック４５の取り出し負荷と独立して水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる制御手段を具現するものであるが、実際にはＣＰＵ上で実行されるプログラムとして実現される。
The
具体的には、制御手段は、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数を超えてからの運転時間が所定時間を経過した時に、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる。また、制御手段は、運転負荷の履歴または外気温の何れか１つに応じて所定時間を修正する。また、制御手段は、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数を超えてからの運転中に、該水素循環用ポンプ７の駆動電流に所定電流幅以上の変動があったとき、該変動幅および変動時間に応じて所定時間を修正する。また、制御手段は、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇幅を、燃料ガス循環系の配管（水素循環流路６，８）内壁にある液滴を取り除くために必要な燃料ガスの循環流量に基づき決定する。また、制御手段は、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇幅を、燃料ガス循環系の燃料ガス（水素）のガス密度に基づき修正する。さらに、制御手段は水素循環用ポンプ７の回転数を一定速度で上昇させる。
Specifically, the control means increases the rotational speed of the
ここで、所定時間はコントローラ５０に付属のタイマー５１により計数されており、原則として、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数を超えて後、タイマー５１をスタートさせて、タイマー５１が所定時間Ｔｓｅｔを計数した時に、一定時間、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる。なお、タイマー５１は、図１の構成のようにコントローラ５０とは独立してコントローラ５０の動作クロックまたは分周クロックで動作するハードウェアタイマーとして構成しても良いし、コントローラ５０内部のカウンタ等を利用したソフトウェアタイマーとして構成しても良い。
Here, the predetermined time is counted by the
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について説明するが、まず、コントローラ（制御手段）５０によって、燃料電池スタック４５の取り出し負荷と独立して水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させることにより、燃料ガス流路中における液滴滞留を事前に解消し得ることについて説明する。
Next, the operation at the time of operation of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above will be described. First, the controller (control means) 50 circulates hydrogen independently of the take-out load of the
本実施例の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック４５が発電中に燃料極（アノード）５に供給される水素の循環流量は、当該燃料電池システムでの発電電流やシステムに依存する水素ストイキ比によって決まる。一般的に、発電電流が小さくまた運転温度が低ければ供給すべき水素量は比較的少なく、負荷に応じて水素循環量を変更し、運転条件に応じて的確に供給水素量を制御することで燃費性能などを向上することができる。図２に、スタック冷却水温度を変化させたときの発電電流（負荷）に対する水素循環用ポンプ７の回転数の関係を示す。同図では、スタック冷却水温度ｄ１，ｄ２，ｄ３（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）それぞれについて、発電電流（負荷）をアイドル状態から定格まで変化させた時の水素循環用ポンプ７の回転数の変化を示している。
In the fuel cell system of the present embodiment, the circulation flow rate of hydrogen supplied to the fuel electrode (anode) 5 during power generation by the
しかしながら、上述したように、燃料極（アノード）５側では、電解質膜を通じて酸化剤極（カソード）１５からの水分の逆拡散によって加湿されるため、燃料電池スタック４５の燃料極（アノード）５の出口（１９）側では飽和状態になっており、運転中に水分が凝縮する場合がある。特に、循環流量が比較的少ない状態で運転が連続すると、水素循環系配管の内壁では凝縮した液滴が時間と共に成長し、相当量の液水量が配管内壁に滞留してしまうこととなる。 However, as described above, the fuel electrode (anode) 5 side is humidified by the back diffusion of moisture from the oxidant electrode (cathode) 15 through the electrolyte membrane. The outlet (19) side is saturated, and moisture may condense during operation. In particular, if the operation is continued with a relatively low circulation flow rate, condensed droplets grow with time on the inner wall of the hydrogen circulation system pipe, and a considerable amount of liquid water stays on the inner wall of the pipe.
図３は、水素循環系配管の内壁で時間経過と共に成長する液滴を模式的に示したものである。図中、ＨＣ（ｔ１）は配管内壁が上記で曇った状態を示し、ＨＣ（ｔ２）は配管内壁に水分が凝縮した液滴が発生した状態を示し、ＨＣ（ｔ３）は配管内壁に成長した液滴が存在している状態を示している。 FIG. 3 schematically shows droplets that grow over time on the inner wall of the hydrogen circulation system pipe. In the figure, HC (t1) indicates the state where the inner wall of the pipe is cloudy as described above, HC (t2) indicates a state where droplets of condensed water are generated on the inner wall of the pipe, and HC (t3) grows on the inner wall of the pipe. The state where the droplet exists is shown.
このように、液滴が配管内壁で成長した状態にあるとき、加速過渡等で負荷を取り出す場合には、図２に示したように、負荷とスタック冷却水温度に応じて適切な水素循環量を確保するために水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させるが、結果として、水素循環系内のガス流速が早くなるため、低負荷では配管内壁面に滞留した凝縮水が一度に配管内壁から吹き飛ばされるかたちとなり、相当量の液水が水素循環用ポンプ７や燃料電池スタック４５内に流入することとなる。これにより、水素循環用ポンプ７に過剰な負荷がかかり、水素循環用ポンプ７の回転数が低下することで、本来必要な水素循環量を確保できず、燃料電池スタック４５を劣化させたり、或いは、水素循環用ポンプ７を構成するモータやインバータ等の部品自体に問題を発生させるおそれがある。
In this way, when the droplet is grown on the inner wall of the pipe and the load is taken out by acceleration transient or the like, as shown in FIG. 2, an appropriate amount of hydrogen circulation depending on the load and the stack cooling water temperature is used. The rotation speed of the
そこで本実施例の燃料電池システムでは、低負荷運転時に水素循環用ポンプ７に影響を与えない液水量のみ配管壁面に滞留している段階で、水素循環用ポンプ７の回転数を一時的に所定回転数まで上昇させることで配管内壁の液滴を吹き飛ばすことができ、過剰な液滴を配管内壁に滞留させることなく、また、負荷を上げた際にこれら過剰な量の液滴が水素循環用ポンプ７に流入してしまう可能性を抑制することができる。
Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the rotational speed of the
次に、図４〜図１０を参照して、コントローラ（制御手段）５０によって水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる制御について説明する。
Next, with reference to FIG. 4 to FIG. 10, control for increasing the rotation speed of the
ここで、図４はコントローラ５０における水素循環用ポンプ７の回転数制御の概略の手順を説明するフローチャート、図５は具体例１における（ａ）タイマーの計数値、（ｂ）水素循環用ポンプ７の回転数および（ｃ）運転負荷（電流）の推移を例示するタイムチャート、図６は具体例２における（ａ）タイマーの計数値、（ｂ）水素循環用ポンプ７の回転数および（ｃ）運転負荷（電流）の推移を例示するタイムチャート、図７は外気温でタイマー所定時間を修正するときの補正係数を説明する説明図、図８は外気温で修正されたタイマー所定時間を説明する説明図、図９は具体例３における（ａ）タイマーの計数値、（ｂ）水素循環用ポンプ７の駆動電流、（ｃ）水素循環用ポンプ７の回転数および（ｄ）運転負荷（電流）の推移を例示するタイムチャート、図１０は水素循環用ポンプ７の回転数上昇代をガス密度に基づき修正するときの負荷および燃料電池スタックの冷却水温度に対する回転数上昇代の対応表を例示する説明図である。
Here, FIG. 4 is a flowchart for explaining an outline procedure of the rotational speed control of the
図４のフローチャートにおいて、まず、コントローラ５０はタイマー５１をスタート（リセット）させて（ステップＳ１０１）、水素循環用ポンプ７の回転数を読み込む（ステップＳ１０２）。
In the flowchart of FIG. 4, first, the
そして、読み込んだ水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超えたか否かを判断する（ステップＳ１０３）。水素循環用ポンプ７の回転数は、図２に示したように、運転負荷（電流）に依存するが、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超えれば、この時に配管内壁の液滴が取り除かれたとして、ステップＳ１０１に戻って、タイマー５１をリセット（再スタート）させる。換言すれば、ステップＳ１０３の判断における水素循環用ポンプ７の所定回転数Ｒｓｅｔを、水素循環系の配管内壁にある液滴を取り除くために必要な水素の循環流量に基づき予め設定しておけば、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超えた時点で、配管内壁の液滴が取り除かれる可能性が高い。具体的には、配管内壁に滞留する液滴を取り除くための水素循環用ポンプ７の所定回転数Ｒｓｅｔは、配管等の材質等にも依存するが、（シミュレーション）実験的または経験的に求めることができる。
Then, it is determined whether or not the read rotation speed of the
また他方、ステップＳ１０３において、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔ以下であれば、ステップＳ１０４に進んでタイマー５１をカウントする。そして、該タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔに達したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔに達していなければ、ステップＳ１０２に戻る。
On the other hand, if the rotation speed of the
また他方、ステップＳ１０５において、タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔに達していれば、ステップＳ１０６に進んで、タイマー５１をリセットすると共に、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔまで上昇させる。つまり、タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔに達したということは、水素循環系において流速の低い条件で所定時間Ｔｓｅｔ運転したということであり、水素循環系の配管内壁に相応の液滴が滞留しているとして、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔまで上昇させて、配管内壁にある液滴を取り除こうとするものである。ここで、水素循環用ポンプ７に導入されてもその動作に影響を与えない液水量は、例えば事前に導入された液水量とその時の水素循環用ポンプ７の消費電流と、モータおよび駆動用電源の許容電流上限値などから求められる。また、水素循環系の配管内壁に相応の液滴が滞留するに至るまでの時間は、例えば、最も流速の低いアイドル状態で、且つ燃料電池スタック４５からの生成水が最も多い温度条件などの下で、水素循環用ポンプに導入されてもその動作に影響を与えないという条件を満たす液水量が滞留する最大時間を実験的に求めておき、これより短めの時間を所定時間Ｔｓｅｔとして設定しておく。
On the other hand, if the count value of the
また、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔまで上昇させた後は、一定時間Ｔα、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔに保持する（ステップＳ１０７）。ここで、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔに保持する一定時間Ｔαは、配管内壁に滞留する液滴を取り除くための時間であり、配管等の材質等にも依存するが、（シミュレーション）実験的または経験的に求めることができる。また、一定時間Ｔαの計時はタイマー５１で行っても良いし、別のタイマーを用いても良い。
Further, after the rotation speed of the
さらに、一定時間Ｔα、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔに保持した後は、タイマー５１を再スタートさせると共に、水素循環用ポンプ７の回転数を（運転負荷に応じて）要求される水素循環用ポンプ７の回転数まで戻す（ステップＳ１０８）。
Further, after maintaining the rotation speed of the
（具体例１）
次に、図５のタイムチャートを参照して、具体例１における時間経過に沿った説明を行う。まず、図５（ａ）の時刻Ｔ１０においてタイマー５１がスタート（リセット）する（ステップＳ１０１）。
(Specific example 1)
Next, with reference to the time chart of FIG. First, the
次に、時刻Ｔ１１において、図５（ｂ）に示すように、水素循環用ポンプ７の回転数が運転状態の変化に伴う運転負荷の変動（図５（ｃ）参照）に応じて所定回転数Ｒｓｅｔを超えると、タイマー５１はリセットされ、その後の時刻Ｔ１２において、水素循環用ポンプ７の回転数が負荷変動（図５（ｃ）参照）に応じて所定回転数Ｒｓｅｔを下回ると、タイマー５１は再スタートする。
Next, at time T11, as shown in FIG. 5 (b), the rotational speed of the
つまり、上述のように、タイマー５１にてカウント中に所定時間Ｔｓｅｔに達していなくても、運転状態の変化による負荷変動に伴って水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｔｓｅｔに達したならば、配管内壁の液滴が取り除かれたとして、タイマー５１をリセットおよび再スタートさせるのである。なお、このような制御とするためには、図４のフローチャートのステップＳ１０３からステップＳ１０１への分岐において、まずタイマー５１をリセットし、その後水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔ以下となるまで待つステップを追加する必要がある。
That is, as described above, even if the predetermined time Tset has not been reached during the counting by the
次に、時刻Ｔ１２にタイマー５１を再スタートさせてからは、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超える程の運転負荷の変動が無く、タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔに達した時刻Ｔ１３に至ると、タイマー５１をリセットすると共に、（図５（ｂ）中、破線で示した）負荷変動に対応した水素循環用ポンプ７の回転数とは独立して、所定回転数Ｒｓｅｔまで水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる（図５（ｂ）中、実線）。ここで、水素循環用ポンプ７の回転数上昇代を所定回転数Ｒｓｅｔまでとしているが、所定回転数Ｒｓｅｔは、水素循環系の配管内壁にある液滴を取り除くために必要な水素の循環流量に基づき予め設定されるものである。また、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇は、一定速度で行うのが望ましい。
Next, after the
水素循環用ポンプ７の回転数の上昇を開始した時刻Ｔ１３から一定時間Ｔα経過するまで、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔに保持し、時刻Ｔ１４において、タイマー５１を再スタートさせると共に、水素循環用ポンプ７の回転数を再び運転負荷に応じた回転数に戻す。
The rotation speed of the
（具体例２）
次に、図６のタイムチャートを参照して、具体例２における時間経過に沿った説明を行う。具体例２は、タイマー５１に従って水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させ所定回転数Ｒｓｅｔに保持しているときに、運転負荷に対応した水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超えてくる点が、具体例１とは異なる。
(Specific example 2)
Next, with reference to the time chart of FIG. In the second specific example, when the rotation speed of the
まず、具体例１の時刻Ｔ１２と同様に、時刻Ｔ２０にタイマー５１をスタートさせてから、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超える程の運転負荷の変動が無く、タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔに達した時刻Ｔ２１に至ると、タイマー５１をリセットすると共に、（図６（ｂ）中、破線で示した）負荷変動に対応した水素循環用ポンプ７の回転数とは独立して、所定回転数Ｒｓｅｔまで水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる（図６（ｂ）中、実線）。
First, similarly to the time T12 in the first specific example, after the
但し、時刻Ｔ２２において、運転状態の変化に伴う運転負荷の変動（図６（ｃ）参照）が始まっており、時刻Ｔ２３では、運転負荷に応じた水素循環用ポンプ７の回転数（図６（ｂ）の破線）が所定回転数Ｒｓｅｔに達している。
However, at time T22, a change in the operating load accompanying the change in the operating state (see FIG. 6C) has started, and at time T23, the rotation speed of the
このように、タイマー５１に従って水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させ所定回転数Ｒｓｅｔに保持している状態で、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇を開始した時刻Ｔ２１から一定時間Ｔαが経過していなくても、運転負荷に対応した水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超えてきた場合には、コントローラ５０は、運転負荷に応じた水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔに達した時点Ｔ２３で、一定時間Ｔαの計時を中断すると共に、水素循環用ポンプ７の回転数を再び運転負荷に応じた回転数に戻す。
As described above, in a state where the rotation speed of the
その後、時刻Ｔ２４まで、水素循環用ポンプ７の回転数は運転負荷に応じて上昇し、ある期間を経過した後に下降に転じるが、時刻Ｔ２５で、運転負荷に応じた水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔ以下となった時点で、タイマー５１を再スタートさせる。
Thereafter, until the time T24, the rotation speed of the
（変形例１）
以上説明した具体例１および具体例２では、タイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔを実験的に予め設定しておくとしたが、外気温センサを備えて、外気温に応じてタイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔを修正するのが望ましい。
(Modification 1)
In the specific example 1 and the specific example 2 described above, the predetermined time Tset of the
運転条件以外にも、配管内壁面に凝縮する液水が増加する速さは、配管温度に影響を与える外気温に依存する。すなわち、外気温が低ければ配管温度は比較的低くなり、凝縮する液水が増加する速さはより速くなる。逆に、外気温度が高ければ配管温度は比較的高くなり、凝縮する液水が増加する速さはより遅くなる。このため、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる時間間隔（タイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔ）を外気温によって修正することにより、より適切なタイミングで配管内壁に凝縮した液滴を取り除くことができる。
In addition to operating conditions, the speed at which the liquid water condensed on the inner wall surface of the pipe increases depends on the outside air temperature that affects the pipe temperature. That is, if the outside air temperature is low, the piping temperature is relatively low, and the speed at which the condensed liquid water increases becomes faster. Conversely, if the outside air temperature is high, the pipe temperature becomes relatively high, and the speed at which the condensed liquid water increases becomes slower. For this reason, by correcting the time interval (predetermined time Tset of the timer 51) for increasing the rotation speed of the
外気温でタイマー所定時間を修正するときの補正係数は、次のようにして設定する。まず、図８に示すように、基準となる外気温Ｄ０に対するタイマー５１の所定時間をＴｓｅｔとする。次に、計算または実験から、外気温の変化に対して液水量が配管壁面に滞留するまでの時間を実験的に求め、図７に示すように、基準となる外気温Ｄ０の時、補正係数α（Ｄ０）が１となるような補正係数α（Ｄｉ）を算出する。これを用いて、運転時に外気温Ｄｉから補正係数α（Ｄｉ）を算出し、図８に示すように、タイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔに掛け合わせることで、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させるタイミングの修正を行う。
The correction coefficient for correcting the timer predetermined time with the outside air temperature is set as follows. First, as shown in FIG. 8, a predetermined time of the
なお、変形例１では、外気温に応じてタイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔを修正したが、同様に、運転負荷の履歴に応じてタイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔを修正しても良い。
In the first modification, the predetermined time Tset of the
（具体例３）
次に、図９のタイムチャートを参照して、具体例３における時間経過に沿った説明を行う。具体例３は、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転Ｒｓｅｔ数を超えてからの運転中に、水素循環用ポンプ７の駆動電流に所定電流幅以上の変動があったときに、該変動幅および変動時間に応じてタイマー５１の所定時間を修正する点が、具体例１とは異なる。
(Specific example 3)
Next, with reference to the time chart of FIG. Specific Example 3 shows a case where the driving current of the
まず、具体例１の時刻Ｔ１２と同様に、時刻Ｔ３０にタイマー５１をスタートさせてから、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超える程の運転負荷の変動が無いが、図９（ｂ）に示すように、時刻Ｔ３１で水素循環用ポンプ７の駆動電流に所定電流幅以上の変動が発生している。ここで、コントローラ５０は、駆動電流の変動幅（電流変動の高さ）および変動時間（変動の継続時間Ｔ３１−Ｔ３２）に応じてタイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔを所定延長時間だけ延ばしてＴｓｅｔ’に修正する。
First, similarly to the time T12 of the first specific example, the operation load does not fluctuate so that the rotation speed of the
その後、具体例１と同様に、タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔ’に達した時刻Ｔ３４に至ると、タイマー５１をリセットすると共に、所定回転数Ｒｓｅｔまで水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる。そして、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇を開始した時刻Ｔ３４から一定時間Ｔα経過するまで、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔに保持し、時刻Ｔ３５において、タイマー５１を再スタートさせると共に、水素循環用ポンプ７の回転数を再び運転負荷に応じた回転数に戻す。
Thereafter, as in the first specific example, when the count value of the
水素循環用ポンプ７に液水が流入すると、その程度により水素循環用ポンプ７の負荷が増大するため、水素循環用ポンプ７の駆動電流値もそれに対応して増加する。このとき、水素循環用ポンプ７の駆動電流値は、水素循環用ポンプ７に流入した液水量に応じた電流変動の高さと、水素循環用ポンプ７内から水が排出される時間に依存する変動の時間幅とを持つ。そこで、本具体例では、タイマー５１のカウント中に当該燃料電池システムに与えられた振動等により配管内壁から剥がれ落ちた場合の液滴量を推定し、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる時間間隔（タイマー５１の所定時間Ｔｓｅｔ）を推定した液滴量の分だけ延長することで、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる頻度を減少させることができ、結果として、水素循環用ポンプ７による消費電力を減少させることができる。
When liquid water flows into the
なお、本具体例３と上述の変形例１とを組み合わせ制御を行うようにしても良い。 In addition, you may make it perform combined control of this specific example 3 and the above-mentioned modified example 1. FIG.
（変形例２）
以上説明した具体例１〜具体例３および変形例１では、水素循環用ポンプ７の回転数上昇代を水素循環系の配管内壁にある液滴を取り除くために必要な水素の循環流量に基づく所定回転数Ｒｓｅｔまでとしたが、ガス密度に基づき修正するようにしても良い。
(Modification 2)
In Specific Examples 1 to 3 and
上述のように、本実施例では、水素循環用ポンプ７の回転数を増加させて配管内壁の液滴を除去するが、この液滴を飛ばすための流速は、厳密にはその循環ガス（水素）のガス密度によっても変化する。すなわち、ガス温度が比較的低いか、或いは、運転条件にて系内の窒素濃度および水蒸気濃度が高い場合には、ガス密度が高くなるため、この場合、配管内壁に滞留する液滴を取り除くために必要な流速が相対的に低くなり、水素循環用ポンプ７の回転数上昇代を低くすることができる。
As described above, in this embodiment, the number of rotations of the
つまり、事前に各運転状態の水素濃度、不純物の窒素濃度と燃料電池スタック４５の冷却水温度（＝ガス温度）から飽和水蒸気濃度を求め、さらに平均ガス密度を求めて、図１０に示すような負荷および燃料電池スタックの冷却水温度に対する回転数上昇代の対応表を作成しておく。燃料電池システム運転中は、この対応表に従って水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる。これにより、水素循環用ポンプ７の回転数を必要以上に上昇させることが無くなるため、消費電力を減少させることができると共に、水素循環用ポンプ７の動作音や振動を減少させることができる。また、上述のように、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる時には、傾きを持たせて上昇させることにより、音の変化による違和感を減少させることができ、また、急な水素循環用ポンプ７の回転数上昇により水素循環用ポンプ７を構成するモータやインバータ等の部品に負荷を与えることを防ぐことができる。
That is, the saturated water vapor concentration is obtained in advance from the hydrogen concentration in each operation state, the nitrogen concentration of impurities and the cooling water temperature (= gas temperature) of the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の供給により発電を行う燃料電池スタック４５と、燃料電池スタック４５に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス供給系（水素供給系）と、燃料電池スタック４５に酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤ガス供給系（空気供給系）と、循環ポンプ（水素循環用ポンプ）７を介して燃料電池スタック４５で消費されなかった燃料ガス（水素）を燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系（水素循環系）と、を備えた燃料電池システムにおいて、制御手段（コントローラ）５０により、燃料電池スタック４５の取り出し負荷と独立して循環ポンプの回転数を上昇させる。
As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the
燃料ガス循環系内において低負荷または中負荷の水素循環量が比較的少ない条件下で一定時間燃料電池システムが運転された場合には、燃料ガス循環系を構成する配管等の内壁面にて水蒸気が凝縮して液滴が成長し、その量は時間に依存して多くなることから、例えば、低負荷または中負荷にて燃料電池システムを運転後に加速過渡状態にする場合のように、燃料ガス循環量が比較的少ない状態から多い状態へ運転を連続して行なった場合には、凝縮水が一度に循環ポンプに移動するため、循環ポンプに過剰な負荷がかかる。本実施例に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムの取り出し負荷（発電電流）と独立して循環ポンプの回転数を上昇させるので、燃料ガス循環系内の流量を上昇させて燃料ガス循環系の配管内壁に凝縮した液水を循環ポンプの許容範囲内の条件で排出できるので、循環ポンプに対して過剰な液水が流入する可能性を低減することができる。また、多数の追加部品を必要とすることなく燃料ガス流路中における液滴滞留を事前に解消して、燃料電池の劣化を抑制し、高い信頼性を実現できる。 When the fuel cell system is operated for a certain period of time under a condition where the amount of hydrogen circulation at a low load or medium load is relatively small in the fuel gas circulation system, water vapor is generated on the inner wall surface of the piping constituting the fuel gas circulation system. The fuel gas system grows and grows in a time-dependent manner, so that the amount of fuel gas increases, for example, when the fuel cell system is put into an acceleration transient state after operation at low or medium load. When the operation is continuously performed from a relatively small amount of circulation to a large amount, the condensed water moves to the circulation pump at a time, so that an excessive load is applied to the circulation pump. In the fuel cell system according to the present embodiment, the rotational speed of the circulation pump is increased independently of the take-out load (power generation current) of the fuel cell system. Therefore, the flow rate in the fuel gas circulation system is increased to increase the flow rate of the fuel gas circulation system. Since the liquid water condensed on the inner wall of the pipe can be discharged under conditions within the allowable range of the circulation pump, the possibility of excessive liquid water flowing into the circulation pump can be reduced. In addition, liquid droplet retention in the fuel gas flow path can be eliminated in advance without requiring a large number of additional parts, so that deterioration of the fuel cell can be suppressed and high reliability can be realized.
また、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０により、循環ポンプ（水素循環用ポンプ）７の回転数が所定回転数を超えてからの運転時間が所定時間を経過した時に、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる。このように、前回の水素循環用ホンプ７の回転数が水素循環系の配管内壁に凝縮した液水を排出してからの運転時間に応じて、当該燃料電池システムにて発電する電流とは独立に水素循環ポンプ回転数を上昇させるので、従来のように配管内の凝縮水分状態を検知するための検出手段（各種センサ）を必要とせず、多数の追加部品を必要とすることなく確実に水素循環系の配管内壁に凝縮した液水を排出できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the operation time after the rotation speed of the circulation pump (hydrogen circulation pump) 7 exceeds the predetermined rotation speed by the control means (controller) 50 exceeds a predetermined time, The rotational speed of the
また、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０により、運転負荷の履歴または外気温の何れか１つに応じて所定時間を修正する。このように、前回に水素循環用ホンプ７の回転数を上昇させて水素循環系の配管内壁に凝縮した液水を排出してからの運転時間と、該運転時間に対して外気温の高低、或いは、水素循環系の配管内壁に凝縮した液水を排出してからの運転中の運転負荷の高低のうち少なくとも１つと組み合わせて水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる間隔を修正し、水素循環用ポンプ７の回転数上昇を行う時間間隔を伸ばす、或いは、時間間隔を縮めるように水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる頻度を制御するので、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる間隔をより適切に設定することができ、水素循環用ポンプ７による電力消費を低減することができる。
In the fuel cell system of the present embodiment, the control unit (controller) 50 corrects the predetermined time according to any one of the history of the operating load or the outside air temperature. In this way, the operating time since the previous rotation of the
また、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０により、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数を超えてからの運転中に、該水素循環用ポンプ７の駆動電流に所定電流幅以上の変動があったとき、該変動幅および変動時間に応じて所定時間を修正する。このように、運転中の水素循環用ポンプ７の電流の変動高さと変動時間を補正要素として、水素循環系の配管内壁から一部流れ出た液水量を推定して水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる時間間隔を補正するので、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる頻度を変更し、水素循環用ポンプ７による消費電力を低減できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the control means (controller) 50 controls the drive current of the
また、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０において、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇幅を、燃料ガス循環系の配管（水素循環流路６，８）内壁にある液滴を取り除くために必要な燃料ガスの循環流量に基づき決定する。これにより、水素循環用ポンプ７の回転数上昇代を必要最小限に設定できるので、水素循環用ポンプ７による消費電力を低減できる。
Further, in the fuel cell system of this embodiment, in the control means (controller) 50, the range of increase in the rotation speed of the
また、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０により、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇幅を、燃料ガス循環系の燃料ガス（水素）のガス密度に基づき修正する。このように、燃料電池システム運転中のガス密度に応じて水素循環用ポンプ７の回転数上昇代を適切に制御できるので、水素循環用ポンプ７による消費電力を低減できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the control means (controller) 50 corrects the increase in the rotational speed of the
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０により、制御手段は水素循環用ポンプ７の回転数を一定速度で上昇させる。これにより、水素循環用ポンプ７の回転数の急激な変化および水素循環用ポンプ７の電流の突入を防ぐことができるので、水素循環用ポンプ７の回転数上昇による不連続な音の変化を低減できると共に、水素循環用ポンプ７の部品への負荷を低減できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the control means (controller) 50 causes the control means to increase the rotational speed of the
次に、図１１は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成図である。同図において、本実施例の燃料電池システムは、実施例１の構成（図１参照）に対し、燃料電池スタック４５のセル電圧を検出するセル電圧モニタ（セル電圧検出手段）４６を付加した構成であり、燃料電池スタック１の各発電セルの電圧は、セル電圧モニタ４６によってモニタリングされて、その情報が燃料電池システム全体の動作制御を司るコントローラ５０に送られている。
Next, FIG. 11 is a configuration diagram of a fuel cell system according to
また、コントローラ（制御手段）５０において、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させた後に、セル電圧モニタ（セル電圧検出手段）４６によりセル電圧の低下が検出されたとき、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる期間を延長する点が実施例１とは異なる。
Further, when the controller (control means) 50 increases the rotation speed of the
（具体例）
図１２のタイムチャートを参照して、具体例による時間経過に沿った説明を行う。図１２は実施例２の具体例における（ａ）タイマーの計数値、（ｂ）燃料電池スタック４５のセル電圧、（ｃ）水素循環用ポンプ７の回転数および（ｄ）運転負荷（電流）の推移を例示するタイムチャートである。
(Concrete example)
With reference to the time chart of FIG. 12, a description will be given along the passage of time according to a specific example. FIG. 12 shows (a) the count value of the timer, (b) the cell voltage of the
まず、実施例１の具体例１における時刻Ｔ１２と同様に、時刻Ｔ４０にタイマー５１をスタートさせてから、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数Ｒｓｅｔを超える程の運転負荷の変動が無く、タイマー５１の計数値が所定時間Ｔｓｅｔに達した時刻Ｔ４１に至ると、タイマー５１をリセットすると共に、所定回転数Ｒｓｅｔまで水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる。
First, similarly to the time T12 in the first specific example of the first embodiment, since the
但し、時刻Ｔ４２の一定時間Ｔαが経過するまでの間に、図１２（ｂ）に示すように、燃料電池スタック４５のセル電圧がセル電圧平均値よりも所定電圧ΔＶ以上低下している。このように、タイマー５１に従って水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させ所定回転数Ｒｓｅｔに保持している状態で、水素循環用ポンプ７の回転数の上昇を開始した時刻Ｔ４１から一定時間Ｔαが経過するまでの間に、燃料電池スタック４５のセル電圧の低下が検出されたときには、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる期間を延長時間Ｔβだけ延長する。その後、時刻Ｔ４１からＴα＋Ｔβ経過した時刻Ｔ４３で、タイマー５１を再スタートさせると共に、水素循環用ポンプ７の回転数を再び運転負荷に応じた回転数に戻す。
However, as shown in FIG. 12 (b), the cell voltage of the
実施例１で述べたように、水素循環用ポンプ７の回転数上昇時に配管内壁の液滴を取り除くが、この時の液滴が循環して燃料電池スタック４５内で水が詰まり、燃料電池スタック４５内のセル電圧を低下させる恐れがある。このため、セル電圧モニタ４６によってセル電圧を監視し、あるセルの電圧がセル電圧の平均値に対して所定値以上電圧が低下した場合、或いは、平均セル電圧自体が所定幅以上低下した場合は、水素循環用ポンプ７の回転数を所定回転数Ｒｓｅｔ上昇させた後、一定時間Ｔα経過後も水素循環用ポンプ７の回転数を運転負荷に対応した水素循環用ポンプ７の回転数に戻さず、継続して所定回転数Ｒｓｅｔを保持する。これにより、水素循環系内のガス流速を保持して、燃料電池スタック４５内の水詰まりを排除し、安定的に運転を行うことができる。
As described in the first embodiment, when the rotation speed of the
（実施例１および実施例２の変形例１）
また、水素循環用ポンプ７の回転数増加により取り除かれた配管内壁の液敵は、水素循環系内に配置された気液分離器２１にて回収される。この場合、気液分離器２１内の液量が上限に近いタイミングにおいて水素循環用ポンプ７の回転数を増加させた場合には、取り除かれた配管内の液滴が回収できず、あふれ出てしまう可能性がある。このように、気液分離器２１に液水が突出した場合を想定すると、気液分離器２１の容積を大きくしなければならず、部品の配置、容積、および装置質量の点で不利となる。
(
Further, the liquid enemy on the inner wall of the pipe removed by the increase in the rotation speed of the
そこで、水素循環用ポンプ７の回転数を増加する前に、気液分離器２１の液面を下限値まで排水しておくことにより、気液分離器２１の容積を増加させることなく、液水があふれ出る可能性を低くすることができる。
Therefore, before increasing the number of revolutions of the
（実施例１および実施例２の変形例２）
さらに、停止中は、停止直後に水素循環系内に残留していた水蒸気が凝縮し、過剰な液水が滞留する可能性が高いため、タイマー５１が所定値に達していない場合でも、当該燃料電池システムの停止動作前に、水素循環用ポンプ７の回転数を所定値まで上昇させる動作を行なうのが望ましい。
(
Further, during the stop, the water vapor remaining in the hydrogen circulation system immediately after the stop is condensed, and there is a high possibility that excess liquid water stays. Therefore, even when the
これにより、停止中の凝縮水量を低減させておき、次回起動時に、過剰な液水が水素循環系内を移動し、水素循環用ポンプ７の回転数の低下や燃料電池スタック４５の水詰まりが起こる可能性を低減することができる。
As a result, the amount of condensed water that has been stopped is reduced, and at the next start-up, excess liquid water moves through the hydrogen circulation system, resulting in a decrease in the rotation speed of the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０において、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させた後に、セル電圧検出手段（セル電圧モニタ）４６によりセル電圧の低下が検出されたとき、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる期間を延長する。これにより、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる時の燃料電池スタック４５内での水詰まりの可能性を低減できるので、燃料電池システムの安定運転が可能となる。
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the control means (controller) 50 increases the rotation speed of the
また、実施例１および実施例２の燃料電池システムでは、気液分離器２１を備えて燃料電池スタック４５で生成された生成水を排出する生成水排水系を具備した燃料電池システムにおいて、制御手段（コントローラ）５０により、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる前に、気液分離器２１の水位が下限となるまで排水する。これにより、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させる前に、気液分離器２１の気液分離能力を確保できるので、気液分離器２１から水があふれ出ることを抑制することができる。
Further, in the fuel cell systems according to the first and second embodiments, in the fuel cell system including the generated water drainage system that includes the gas-
さらに、実施例１および実施例２の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）５０により、該燃料電池システムを停止するとき、水素循環用ポンプ７の回転数が所定回転数を超えてからの運転時間に依存せずに、水素循環用ポンプ７の回転数を上昇させた後に当該燃料電池システムを停止する。これにより、停止前に水素循環系内に凝縮している液滴を取り除き、停止中の凝縮水量を低減できるので、次回起動時に過剰な量の液水が排出される可能性を低減できる。
Further, in the fuel cell systems according to the first and second embodiments, when the fuel cell system is stopped by the control means (controller) 50, the operation after the rotation speed of the
１ 水素供給装置
２ 水素供給バルブ
３ 水素調圧弁
４ 水素供給流路
５ 燃料極（アノード）
６，８ 水素循環流路
７ 水素循環用ポンプ（循環ポンプ）
９ 圧力センサ
１０ パージ弁
１１ エアフロメータ
１２ コンプレッサ
１３ エアクーラー
１４ 空気加湿器
１５ 酸素極（カソード）
１６ 空気調圧弁
１８ スタックマニホールド
１９ スタックメイン出口
２０ ドレイン管路
２１ 気液分離器
２２，２６ オリフィス
２３，２７ 排水用開閉弁
２４ 水排出管路
２５ ドレインタンク
２８ 水排出管路
２９，３０ 水位センサ
３２ 燃料電池スタック冷却水流路
３３ 温度センサ
４５ 燃料電池スタック
４６ セル電圧モニタ（セル電圧検出手段）
５０ コントローラ（制御手段）
５１ タイマー
DESCRIPTION OF
6,8 Hydrogen
9
16 Air
50 controller (control means)
51 timer
Claims (10)
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、
循環ポンプを介して前記燃料電池で消費されなかった燃料ガスを前記燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系と、
前記燃料電池の取り出し負荷と独立して前記循環ポンプの回転数を上昇させる制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas;
A fuel gas supply system for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply system for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A fuel gas circulation system that circulates fuel gas that has not been consumed in the fuel cell to the fuel gas supply system via a circulation pump;
Control means for increasing the rotational speed of the circulation pump independently of the fuel cell take-off load;
A fuel cell system comprising:
前記制御手段は、前記循環ポンプの回転数を上昇させた後に、前記セル電圧検出手段により前記セル電圧の低下が検出されたとき、該循環ポンプの回転数を上昇させる期間を延長することを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１つに記載の燃料電池システム。 Cell voltage detecting means for detecting a cell voltage of the fuel cell;
The control means extends the period for increasing the rotation speed of the circulation pump when the cell voltage detection means detects a decrease in the cell voltage after increasing the rotation speed of the circulation pump. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7.
前記制御手段は、前記循環ポンプの回転数を上昇させる前に、前記気液分離器の水位が下限となるまで排水することを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１つに記載の燃料電池システム。 Comprising a gas-liquid separator, having a generated water drainage system for discharging generated water generated by the fuel cell,
The said control means drains until the water level of the said gas-liquid separator becomes a minimum before raising the rotation speed of the said circulation pump, The any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned. Fuel cell system.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005303976A JP2007115460A (en) | 2005-10-19 | 2005-10-19 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005303976A JP2007115460A (en) | 2005-10-19 | 2005-10-19 | Fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007115460A true JP2007115460A (en) | 2007-05-10 |
Family
ID=38097467
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005303976A Pending JP2007115460A (en) | 2005-10-19 | 2005-10-19 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2007115460A (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009004151A (en) * | 2007-06-20 | 2009-01-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| DE102015117841A1 (en) | 2014-11-14 | 2016-05-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system, vehicle with fuel cell mounted thereon, and method of controlling the fuel cell system |
| DE102015118922A1 (en) | 2014-11-14 | 2016-05-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method for this |
| DE102015118388A1 (en) | 2014-11-14 | 2016-07-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method for it |
| KR101838509B1 (en) | 2016-03-09 | 2018-03-14 | 현대자동차주식회사 | Detecting Method Of Water Shortage Related To Cooling Water In Fuel Cell Stack and System Using The Method |
| CN107978822A (en) * | 2017-12-20 | 2018-05-01 | 新源动力股份有限公司 | A kind of fuel cell system structure with hydrogen circulation and heat exchange function |
| US10476088B2 (en) | 2014-10-29 | 2019-11-12 | Hyundai Motor Company | Manifold device of fuel cell stack |
-
2005
- 2005-10-19 JP JP2005303976A patent/JP2007115460A/en active Pending
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009004151A (en) * | 2007-06-20 | 2009-01-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| US10476088B2 (en) | 2014-10-29 | 2019-11-12 | Hyundai Motor Company | Manifold device of fuel cell stack |
| US9806359B2 (en) | 2014-11-14 | 2017-10-31 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method therefor |
| DE102015117841B4 (en) | 2014-11-14 | 2019-06-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system, vehicle with fuel cell mounted thereon, and method of controlling the fuel cell system |
| CN105609807A (en) * | 2014-11-14 | 2016-05-25 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system, fuel cell-mounted vehicle and method of controlling fuel system |
| JP2016095999A (en) * | 2014-11-14 | 2016-05-26 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery system |
| DE102015118388A1 (en) | 2014-11-14 | 2016-07-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method for it |
| US9793562B2 (en) | 2014-11-14 | 2017-10-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system, fuel cell-mounted vehicle and method of controlling fuel system |
| DE102015118922A1 (en) | 2014-11-14 | 2016-05-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method for this |
| DE102015118388B4 (en) | 2014-11-14 | 2023-11-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method therefor |
| DE102015118922B4 (en) | 2014-11-14 | 2020-07-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system with controlled circulation flow rate and control method therefor |
| US10153501B2 (en) | 2014-11-14 | 2018-12-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method therefor |
| CN105609821A (en) * | 2014-11-14 | 2016-05-25 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
| DE102015117841A1 (en) | 2014-11-14 | 2016-05-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system, vehicle with fuel cell mounted thereon, and method of controlling the fuel cell system |
| KR101838509B1 (en) | 2016-03-09 | 2018-03-14 | 현대자동차주식회사 | Detecting Method Of Water Shortage Related To Cooling Water In Fuel Cell Stack and System Using The Method |
| CN107978822A (en) * | 2017-12-20 | 2018-05-01 | 新源动力股份有限公司 | A kind of fuel cell system structure with hydrogen circulation and heat exchange function |
| CN107978822B (en) * | 2017-12-20 | 2023-09-22 | 新源动力股份有限公司 | Fuel cell system structure with hydrogen circulation and heat exchange functions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5488605B2 (en) | Control device and control method for fuel cell system | |
| EP2355219B1 (en) | Fuel battery power generation control device and power generation control method | |
| JP4209611B2 (en) | Control device for fuel cell system | |
| JP4923426B2 (en) | Fuel cell system | |
| WO2005053075A1 (en) | Fuel cell system and method of starting it | |
| KR101646403B1 (en) | Control method of fuel cell system | |
| JP2007115460A (en) | Fuel cell system | |
| JP2005302304A (en) | Fuel cell system | |
| US8080342B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2005228637A (en) | Fuel cell system | |
| US8728641B2 (en) | Startup gas supply pressure control device of fuel cell system | |
| JP2006196402A (en) | Control unit of fuel cell system | |
| JP4982977B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP5304863B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2007035567A (en) | Fuel cell system | |
| JP2007184199A (en) | Fuel cell system | |
| JP2006344401A (en) | Fuel cell system | |
| JP2006339072A (en) | Fuel cell system | |
| JP2008130358A (en) | Fuel cell system | |
| JP5187477B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2007109568A (en) | Fuel cell system | |
| JP2006339103A (en) | Fuel cell system | |
| JP2007234311A (en) | Fuel cell system | |
| JP2010123427A (en) | Fuel cell system | |
| JP4961712B2 (en) | Fuel cell system |