JP2008004431A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに係り、特に、固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に判断して、固体高分子電解質膜の湿潤状態に応じて燃料電池システムの運転状態を変化させ、常に固体高分子電解質膜を適度に湿潤させておくことにより信頼性、動力性能を向上させた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and in particular, accurately determines the wet state of a solid polymer electrolyte membrane, changes the operating state of the fuel cell system according to the wet state of the solid polymer electrolyte membrane, The present invention relates to a fuel cell system in which reliability and power performance are improved by appropriately moistening a molecular electrolyte membrane.
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電解質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、固体高分子電解質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 electrolyte membrane as an electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this solid polymer type fuel cell, the solid polymer electrolyte 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 in the air is separated at the oxidant electrode. A reaction for generating water from hydrogen ions and electrons is performed.
このような燃料電池システムを自動車用動力源として利用する場合、燃料電池システムの容積低減のため、加湿系の簡略化が行われているが、高温では加湿不足が発生するため、固い高分子膜の湿潤度を適度に保つことが困難になる。湿潤度を保てなくなると、固体高分子電解質膜が乾燥して、最悪の場合、膜の穴明きに繋がるという問題がある。 When such a fuel cell system is used as a power source for automobiles, the humidification system is simplified to reduce the volume of the fuel cell system. It becomes difficult to keep the degree of wetness moderate. If the wetness cannot be maintained, the solid polymer electrolyte membrane is dried, and in the worst case, there is a problem that the membrane is perforated.
例えば、高速登坂走行時には、定格出力付近にて連続定常運転をすることになるが、この時、ラヂエタ−の放熱性能を高めるため、燃料電池システムの運転温度を上昇させることが好ましい。しかしながら、燃料電池システムの運転温度を高めると、上述のように、固体高分子電解質膜が乾燥し、膜の穴空きに到ることがある。これを防止するためには、固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に把握し、固体高分子電解質膜の湿潤状態に応じて燃料電池システムの運転状態を変化させ、常に固体高分子電解質膜を適度に湿潤させておくことが必要となる。 For example, during high-speed climbing, continuous steady operation is performed in the vicinity of the rated output. At this time, it is preferable to raise the operating temperature of the fuel cell system in order to improve the heat dissipation performance of the radiator. However, when the operating temperature of the fuel cell system is increased, as described above, the solid polymer electrolyte membrane may be dried, and the membrane may be perforated. In order to prevent this, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane is accurately grasped, and the operating state of the fuel cell system is changed according to the wet state of the solid polymer electrolyte membrane. It is necessary to moisten moderately.
固体高分子電解質膜の湿潤状態を知るための方法としては、従来から種々の手法が提案されている。例えば、特開２００４−２４１２３６号公報に開示の「燃料電池の運転状態判定装置及びその方法」では、インピーダンス測定装置を燃料電池システムに備え、インピーダンスの値がある適正インピーダンスから外れればドライアップと判定する方法が提案されている。 Conventionally, various methods have been proposed for knowing the wet state of the solid polymer electrolyte membrane. For example, in “Fuel cell operating state determination device and method” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-241236, an impedance measurement device is provided in the fuel cell system, and it is determined that the dry-up occurs if the impedance value deviates from an appropriate impedance. A method has been proposed.
また、特開２００４−１２７８０９号公報に開示の「燃料電池スタック」では、多数のセルを積層して固定するための締結ボルトの軸力を計測する装置を備え、固体電解質膜の湿潤度を計測する方法が提案されている。 In addition, the “fuel cell stack” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-127809 has a device for measuring the axial force of a fastening bolt for stacking and fixing a large number of cells, and measures the wetness of the solid electrolyte membrane. A method has been proposed.
さらに、特開２００５−２２８６８８号公報に開示の「固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置」では、セル電圧の経時変化から乾燥または湿潤状態を検知する方法として、燃料電池システム運転中に、燃料電池内部の水分量、湿潤度を変化させるように因子を振り、セル電圧が因子を振る前に対してどのように変化するかをモニターしながら、燃料電池内部の乾燥、湿潤判定を行うという方法が提案されている。
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、燃料電池システムにインピーダンス計測装置をつける必要があり、非体積出力密度の低下、また、コスト増となってしまう。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, it is necessary to attach an impedance measuring device to the fuel cell system, resulting in a decrease in non-volume output density and an increase in cost.
また、特許文献２に開示された技術においては、軸力を計測するための計測系を燃料電池システムに追加する必要があり、コスト増となってしまう。 In the technique disclosed in Patent Document 2, it is necessary to add a measurement system for measuring the axial force to the fuel cell system, resulting in an increase in cost.
さらに、特許文献３に開示された技術においては、燃料電池システムが乾燥限界付近で運転している場合、水分が低下する方向に因子を振った場合に、一気に乾燥限界を超えて転極膜破れに到る可能性があるため、乾燥限界付近でこの手法を利用するのは困難である。また、利用するとしても、最小セル電圧のしきい値を比較的高めに保持しておく必要があり、実際の運用では適用範囲が狭くなってしまう。 Further, in the technique disclosed in Patent Document 3, when the fuel cell system is operating near the drying limit, when the factor is shifted in the direction of decreasing the water content, the inversion film breaks beyond the drying limit all at once. This approach is difficult to use near the drying limit. Even if it is used, it is necessary to keep the threshold value of the minimum cell voltage relatively high, and the applicable range becomes narrow in actual operation.
またさらに、特許文献３においては、負荷電流を増やして、増加前後のセル電圧の変化から増加前の固体高分子膜湿潤状態を予測する方法も示されているが、定格最大電流では、これ以上の電流を取り出すことができないため、高速登坂のような高負荷連続運転時には適用することができないという事情があった。 Further, Patent Document 3 also shows a method for predicting the wet state of the solid polymer film before the increase from the change in the cell voltage before and after the increase by increasing the load current. This current cannot be taken out, so that it cannot be applied during high load continuous operation such as high-speed climbing.
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、計測装置を追加して具備する必要性を無くし、燃料電池システムが乾燥限界付近で運転している場合でも、固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に判断して、固体高分子電解質膜の湿潤状態に応じて燃料電池システムの運転状態を変化させ、常に固体高分子電解質膜を適度に湿潤させておくことにより信頼性、動力性能を向上させた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, eliminates the need to additionally provide a measuring device, and even when the fuel cell system is operating near the drying limit, the solid polymer electrolyte Reliability is determined by accurately judging the wet state of the membrane, changing the operating state of the fuel cell system according to the wet state of the solid polymer electrolyte membrane, and always keeping the solid polymer electrolyte membrane appropriately wetted, An object of the present invention is to provide a fuel cell system with improved power performance.
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手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、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、前記燃料ガス循環系に設置され、前記燃料電池の下流側で気水を分離する気水分離器と、前記気水分離器に設置され、該気水分離器の水位を測定する水位計と、前記水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化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-mentioned object, the present invention provides a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell, and oxidant gas for the fuel cell. An oxidant gas supply means for supplying, a fuel gas circulation system for circulating the fuel gas not consumed in the fuel cell to the fuel gas supply system, and installed in the fuel gas circulation system, on the downstream side of the fuel cell An air / water separator that separates air / water, a water level meter that is installed in the air / water separator and measures the water level of the air / water separator, and calculates a water level change rate based on the measurement result of the water level meter, And a control means for changing the operating method and operating state of the fuel cell system according to the water level change rate.
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池内部の固体高分子電解質膜の湿潤度合いを、燃料ガス循環系に備えられた気水分離器を利用して判断することができ、例えば水位変化率があるしきい値未満である時は、乾燥状態であると判断し、運転温度を低下させるか、運転圧力を上昇させるか、取り出し負荷電流を低下させるか、或いは酸化剤ガス供給流量を低減させることにより、固体高分子電解質膜が乾燥して膜破れに到ることを防ぐことができる。また、水位変化率があるしきい値以上である時は、過湿潤状態であると判断し、運転温度を上昇させるか、運転圧力を低下させるか、或いは取り出し負荷電流を増加させることにより、燃料極側のガス拡散層または触媒層での水詰まりを防ぐことが可能となる。 In the fuel cell system according to the present invention, the degree of wetting of the solid polymer electrolyte membrane inside the fuel cell can be determined using a steam / water separator provided in the fuel gas circulation system. When it is less than a certain threshold value, it is judged that it is in a dry state, and the operating temperature is lowered, the operating pressure is raised, the extraction load current is lowered, or the oxidant gas supply flow rate is reduced. As a result, it is possible to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried and leading to membrane breakage. Further, when the water level change rate is equal to or higher than a certain threshold value, it is determined that the fuel cell is over-humid, and the fuel temperature is increased by increasing the operating temperature, decreasing the operating pressure, or increasing the take-out load current. It becomes possible to prevent water clogging in the gas diffusion layer or catalyst layer on the pole side.
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は本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、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１を備える。 FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system of the present embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example, and includes a fuel cell stack 1 that generates power by supplying hydrogen and air as shown in FIG.
また、燃料電池スタック１に水素（燃料ガス）を供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）として、水素供給装置１１および調圧装置１２を備え、また、燃料電池スタック１で消費されなかった水素を循環させる水素循環系（燃料ガス循環系）に水素循環装置１３を備え、燃料電池スタック１に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）として、空気供給装置１６、調圧装置１７および水蒸気交換装置１８を備えている。
Further, as a hydrogen supply system (fuel gas supply means) for supplying hydrogen (fuel gas) to the fuel cell stack 1, a
なお、水素循環系（燃料ガス循環系）には、燃料電池スタック１の下流側で気水を分離する気水分離器１４が設置され、該気水分離器１４には、水位を測定する水位計が設置されている。
The hydrogen circulation system (fuel gas circulation system) is provided with an air /
また、燃料電池スタック１を冷却する冷却系２１を備えており、該冷却系２１には、ラジエータ等の冷却手段や、燃料電池スタック１に冷却液を循環供給する冷却液循環系が含まれる。また、負荷系として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を備えた構成である。これら冷却系２１および負荷系については、特徴的な構成はなく周知の構成を適用すればよい。
Further, a
さらに制御手段として、水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ３０を備えた構成である。
Furthermore, as a control means, each component of the hydrogen supply system, air supply system, cooling system and load system is based on detection signals from various instruments of the hydrogen supply system, air supply system, cooling system and load system and other various instruments. It is the structure provided with the
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）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）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１の各発電セルでは、燃料極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、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、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 fuel cell stack 1 includes a fuel cell (anode) supplied with hydrogen as a fuel gas and an oxidant electrode (cathode) supplied with air as an oxidant gas with an electrolyte interposed therebetween to form a power generation cell. In addition, it has a stack structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction based on hydrogen and oxygen in the air. In each power generation cell of the fuel cell stack 1, a reaction occurs in which hydrogen supplied to the fuel electrode is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate electric power. , Move to the oxidizer electrode. At the oxidizer electrode, hydrogen in the supplied air reacts with hydrogen ions and electrons that have moved through the electrolyte to produce water, which is discharged to the outside.
燃料電池スタック１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 fuel cell stack 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
燃料電池スタック１には、水素流路に水素を供給するための水素供給管と水素流路からアノードオフガスを排出するためのオフガス排気管が接続されている。水素供給管の上流側には水素供給装置１１が接続され、水素供給装置１１と燃料電池スタック１との間には調圧装置１２が配置されている。水素供給装置１１から供給される水素は調圧装置１２で減圧され、所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック１に供給される。水素供給装置１０としては、ガソリン等の炭化水素系原料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器を用いてもよく、また水素を圧縮して貯蔵した高圧水素タンクを用いてもよい。
Connected to the fuel cell stack 1 are a hydrogen supply pipe for supplying hydrogen to the hydrogen flow path and an off-gas exhaust pipe for discharging anode off-gas from the hydrogen flow path. A
燃料電池スタック１で消費されなかった水素は酸化剤極側から透過してきた窒素等の不純物とともにアノードオフガスとして水素流路からオフガス排気管に排気される。オフガス排気管には気水分離器１４を介してオフガス循環管が接続され、該オフガス循環管は水素供給管における調圧装置１２の下流側にエジェクタ等を介して接続されている。また、オフガス循環管にはアノードオフガスを水素流路から引き出して水素供給管に送り出す水素循環装置１３が設けられている。
Hydrogen that has not been consumed in the fuel cell stack 1 is exhausted from the hydrogen flow path to the off-gas exhaust pipe as an anode off-gas along with impurities such as nitrogen that have permeated from the oxidant electrode side. An offgas circulation pipe is connected to the offgas exhaust pipe via a steam /
なお、固体高分子型燃料電池の燃料ガス循環系では、燃料ガス循環系内に循環する水の量が次第に増加し、燃料電池スタック１の出口に排出された水が水素循環装置１３の水素循環ブロアに進入して、該水素循環ブロアの回転数が下がるのを防止するため、また、水素循環ブロアを通った水が、再度燃料電池スタック１に進入し、水素流路またはガス拡散層での水詰まりが生じるのを防ぐため、気水分離器１４を備えている。
Note that in the fuel gas circulation system of the polymer electrolyte fuel cell, the amount of water circulating in the fuel gas circulation system gradually increases, and the water discharged to the outlet of the fuel cell stack 1 becomes the hydrogen circulation of the
また、燃料電池スタック１には空気流路に空気を供給するための空気供給管と空気流路からカソードオフガスを排出するためのオフガス排気管が接続されている。空気供給管にはエアコンプレッサ等の空気供給装置１６が配置されており、空気供給装置１６の作動によって外部から空気供給管に空気が取り込まれて燃料電池スタック１の空気流路に供給される。オフガス排気管は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整するための調圧装置１７が設けられている。
The fuel cell stack 1 is connected with an air supply pipe for supplying air to the air flow path and an off-gas exhaust pipe for discharging cathode off-gas from the air flow path. An
オフガス排気管の調圧装置１７よりも上流側と空気供給管の空気供給装置１６よりも下流側とは水蒸気交換装置１８によって接続されている。カソードオフガスに含まれる水分の一部は水蒸気交換装置１８により回収され、空気流路に供給される空気に付与される。
The upstream side of the
また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却する冷却系２１が設けられている。固体高分子型燃料電池は、適正な作動温度が比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。冷却系２１の構成は特に限定しないが、例えば、冷媒を循環させる冷却液循環流路および冷却液ポンプ等を有し、冷却液循環流路中にはラジエータ等の冷却液を温度調整する手段が設けられている。
In the fuel cell system of this embodiment, a
また、燃料電池スタック１の冷却液入口および冷却液出口には、それぞれ温度センサが設置されている。燃料電池スタック１に入る前の冷却液温度、並びに、燃料電池スタック１から出た直後の冷却液温度が温度センサにより検出され、これら検出値はコントローラ３０に送られて、燃料電池スタック１の冷却制御に用いられる。
Further, temperature sensors are respectively installed at the coolant inlet and the coolant outlet of the fuel cell stack 1. The coolant temperature before entering the fuel cell stack 1 and the coolant temperature immediately after exiting the fuel cell stack 1 are detected by the temperature sensor, and these detected values are sent to the
コントローラ３０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インタ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、水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各構成要素に対して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
また、コントローラ（制御手段）３０は、構成要素として、燃料電池スタック１の運転温度を制御する温度制御手段と、燃料電池スタック１への空気（酸化剤ガス）供給流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、燃料電池スタック１への水素（燃料ガス）供給流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、燃料電池スタック１における水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の運転圧力を制御する運転圧力制御手段と、燃料電池スタック１からの取り出し負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、を有するが、これらの各手段はＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。 The controller (control means) 30 includes, as constituent elements, temperature control means for controlling the operating temperature of the fuel cell stack 1 and oxidant gas flow rate for controlling the flow rate of air (oxidant gas) to the fuel cell stack 1. Control means, fuel gas flow rate control means for controlling the supply flow rate of hydrogen (fuel gas) to the fuel cell stack 1, and operating pressures of hydrogen (fuel gas) and air (oxidant gas) in the fuel cell stack 1 are controlled. The operation pressure control means and the load current control means for controlling the load current taken out from the fuel cell stack 1 are provided. Each of these means represents a functional group of programs executed on the CPU. is there.
燃料電池システム運転時には、水素循環系（燃料ガス循環系）の気水分離器１４の水位は、運転条件に基づいたある傾きを持って変化している。例えば、取り出し負荷電流が大きい時は、生成水量が多く、酸化剤極（カソード）から燃料極（アノード）への逆拡散水量も多いため、気水分離器１４に収集される液水量は増加して水位変化の傾きが大きくなる。一方、低負荷運転が継続される時には、特にアイドル運転では生成水量が少なくなり、酸化剤極（カソード）から燃料極（アノード）への逆拡散量が減少するため、気水分離器の水位変化は殆どなくなってしまう。
During operation of the fuel cell system, the water level of the steam /
本発明は、この点に着目して、気水分離器１４に設置された水位計により気水分離器１４の水位を測定し、コントローラ（制御手段）３０において、該水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる。
The present invention pays attention to this point, measures the water level of the
具体的には、水位変化率が第１の閾値未満であれば乾燥状態であると判断し、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度を低下させるか、酸化剤ガス流量制御手段により空気供給装置１６の供給流量制御を行って酸化剤ガス供給流量を低減させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を上昇させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を低減させる。
Specifically, if the water level change rate is less than the first threshold, it is determined that the water is in a dry state, and the cooling control by the
また、水位変化率が第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値以上であれば過湿潤状態であると判断し、温度制御手段により冷却系２１による制御を行って運転温度を上昇させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を低下させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を増加させる。
Further, if the water level change rate is equal to or higher than the second threshold value set to a value larger than the first threshold value, it is determined that the water level is excessively wet and the temperature control means controls 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、当該燃料電池システムを燃料電池車両の駆動動力源として用いた場合を例にして、図２〜図４を参照しながら簡単に説明する。ここで、図２は実施例の燃料電池システムにおける運転制御を説明するフローチャートであり、図３は高速登坂時における気水分離器１４の水位及び水位変化率、運転温度並びに酸化剤ガス流量の推移を例示するタイムチャートであり、図４は水位変化率の閾値の設定を説明する説明図である。
Next, with respect to the operation at the time of operation of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above, a case where the fuel cell system is used as a drive power source of a fuel cell vehicle will be described as an example with reference to FIGS. This will be briefly described with reference to FIG. Here, FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation control in the fuel cell system of the embodiment, and FIG. 3 shows the transition of the water level and the water level change rate, the operating temperature, and the oxidant gas flow rate of the
図２に示すフローチャートにおいて、まず、コントローラ（制御手段）３０は、気水分離器１４に設置された水位計からの検知信号を受け取って、気水分離器１４の水位変化を計測し（ステップＳ１０１）、気水分離器１４の水位変化率を演算する（ステップＳ１０２）。
In the flowchart shown in FIG. 2, first, the controller (control means) 30 receives a detection signal from a water level meter installed in the
次に、求められた水位変化率が第１の閾値未満か否かを判断する（ステップＳ１０３）。水位変化率が第１の閾値未満であればステップＳ１０４に進み、水位変化率が第１の閾値以上であればステップＳ１０６に進む。 Next, it is determined whether or not the obtained water level change rate is less than a first threshold (step S103). If the water level change rate is less than the first threshold value, the process proceeds to step S104, and if the water level change rate is equal to or greater than the first threshold value, the process proceeds to step S106.
水位変化率が第１の閾値未満であれば、乾燥状態であると判断し（ステップＳ１０４）、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度を低下させるか、酸化剤ガス流量制御手段により空気供給装置１６の供給流量制御を行って酸化剤ガス供給流量を低減させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を上昇させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を低減させ（ステップＳ１０５）、当該処理フローを終了する。
If the water level change rate is less than the first threshold value, it is determined that the water level is dry (step S104), and the cooling control by the
また、水位変化率が第１の閾値以上であれば、水位変化率が第２の閾値以上か否かを判断する（ステップＳ１０６）。水位変化率が第２の閾値以上であればステップＳ１０７に進み、水位変化率が第２の閾値未満であれば、水位変化率は第１の閾値以上でかつ第２の閾値未満にあり、燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる必要無しとして、当該処理フローを終了する。 If the water level change rate is equal to or higher than the first threshold value, it is determined whether or not the water level change rate is equal to or higher than the second threshold value (step S106). If the water level change rate is equal to or higher than the second threshold value, the process proceeds to step S107. If the water level change rate is lower than the second threshold value, the water level change rate is equal to or higher than the first threshold value and lower than the second threshold value. The processing flow is terminated with no need to change the operating method and operating state of the battery system.
また、水位変化率が第２の閾値以上であれば、過湿潤状態であると判断し（ステップＳ１０７）、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度を上昇させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を低下させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を増加させ（ステップＳ１０８）、当該処理フローを終了する。
If the water level change rate is equal to or higher than the second threshold value, it is determined that the water level is excessively wet (step S107), and the cooling control by the
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作制御の具体例として、高速登坂時における定常運転を例に、図３のタイムチャートを参照しながら説明する。なお、本発明は、高速登坂時に限られるものでは無く、中負荷連続定常運転等、他の運転状態においても適用可能である。 Next, as a specific example of the operation control during the operation of the fuel cell system according to the present embodiment, a steady operation during high-speed climbing will be described as an example with reference to the time chart of FIG. Note that the present invention is not limited to high-speed climbing, but can be applied to other operating conditions such as medium-load continuous steady operation.
図３（ａ）には気水分離器１４の水位の時間的推移を、図３（ｂ）には水位変化率の時間的推移をそれぞれ示す。高速登坂時のような高負荷定常運転を行っている場合には、取り出し負荷電流が大きいために生成水量が多く、また酸化剤極（カソード）から燃料極（アノード）への逆拡散水量も多いため、図中の時刻Ｔ１以前の時間帯に示すように、気水分離器１４に収集される液水量は増加して水位変化の傾きは相対的に大きい。ただし、この時間帯では水位変化率はほぼ一定で、固体高分子電解質膜は適度な湿潤状態にある。
FIG. 3A shows the time transition of the water level of the
その後、燃料電池スタック１の冷却液出口温度が上昇してくる（図３（ｃ）参照）と、図中の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の時間帯に示すように、水位変化の傾きはだんだんと小さくなり、水位変化率は漸減し、固体高分子電解質膜は乾燥気味の状態となってくる。 Thereafter, when the coolant outlet temperature of the fuel cell stack 1 rises (see FIG. 3 (c)), the slope of the water level change becomes gradually smaller as shown in the time zone from time T1 to time T2 in the figure. Thus, the water level change rate gradually decreases, and the solid polymer electrolyte membrane becomes dry.
時刻Ｔ２で水位変化率が第１のしきい値未満となったとき、本具体例では、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度（燃料電池スタック１の冷却液出口温度）を低下させる（図３（ｃ）参照）と共に、酸化剤ガス流量制御手段により空気供給装置１６の供給流量制御を行って酸化剤ガス供給流量を低減させている（図３（ｄ）参照）。
When the water level change rate becomes less than the first threshold value at time T2, in this specific example, the cooling control by the
これにより、図中の時刻Ｔ２以降の時間帯に示すように、水位変化の傾きはだんだんと大きくなり、水位変化率は漸増し、固体高分子電解質膜は湿潤状態へ次第に戻り、燃料電池システムを安定的に運転することができるようになる。 As a result, as shown in the time zone after time T2 in the figure, the gradient of the water level change gradually increases, the water level change rate gradually increases, the solid polymer electrolyte membrane gradually returns to the wet state, and the fuel cell system is It becomes possible to drive stably.
なお、本具体例では、運転温度を低下させると同時に、酸化剤ガス流量を低減した場合を例示したが、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を上昇させる制御を加えても良い。 In this specific example, the case where the operating temperature is lowered and the oxidant gas flow rate is reduced at the same time is exemplified. However, the operating pressure is controlled by the operating pressure control means to increase the operating pressure. Control may be added.
また、水位変化率に基づく乾燥状態または過湿潤状態の判断に加えて、燃料電池スタック１のセル電圧の低下を電圧検出手段等によって同時にモニターするようにしてもよい。これにより、より正確に固体高分子電解質膜の乾燥状態または過湿潤状態を把握できるようになり、信頼性を向上させることができる。 Further, in addition to the determination of the dry state or the excessively wet state based on the water level change rate, a decrease in the cell voltage of the fuel cell stack 1 may be simultaneously monitored by a voltage detection means or the like. Thereby, it becomes possible to grasp the dry state or the excessively wet state of the solid polymer electrolyte membrane more accurately, and the reliability can be improved.
次に、図４の説明図を参照しながら水位変化率の閾値の設定について説明する。図４は、燃料電池スタック１の運転状態を、実験的に水持ち出し量が増える方向に緩やかに変化させたときの各種パラメータの時間的推移を示しており、図４（ａ）は気水分離器１４の水位を、図４（ｂ）は燃料電池スタック１のセル電圧と燃料ガス循環系における燃料電池スタック１の出口相対湿度をそれぞれ示す。 Next, setting of the threshold value of the water level change rate will be described with reference to the explanatory diagram of FIG. FIG. 4 shows temporal transitions of various parameters when the operating state of the fuel cell stack 1 is gradually changed in the direction in which the amount of water taken out increases experimentally. FIG. FIG. 4B shows the cell voltage of the fuel cell stack 1 and the outlet relative humidity of the fuel cell stack 1 in the fuel gas circulation system.
燃料電池スタック１の運転状態を、実験的に水持ち出し量が増える方向に緩やかに変化させると、気水分離器１４の水位変化の傾きはだんだんと小さくなり、（水位変化率は漸減し、）固体高分子電解質膜は乾燥気味の状態となって、燃料ガス循環系燃料電池積層体出口相対湿度が低下していく。また同時に、燃料電池スタック１のセル電圧も低下していく。そして、燃料ガス循環系燃料電池積層体出口相対湿度がある値未満となると、固体高分子電解質膜の乾燥により燃料電池スタック１の安定した発電継続が不可能となる。
When the operating state of the fuel cell stack 1 is gradually changed in the direction in which the amount of water taken out experimentally increases, the slope of the water level change of the
したがって、この安定発電継続が不可能となる時の気水分離器１４の水位変化率に、ある安全率をかけた値を第１の閾値とすることにより、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に判断することができる。ここで、安全率は、例えば１．０５または１．１０とするのが望ましい。
Therefore, the solid polymer in the fuel cell stack 1 is obtained by setting a value obtained by multiplying the water level change rate of the
また、水位変化率の第２の閾値については、燃料電池スタック１から排出される水素（燃料ガス）の露点検出結果に基づき燃料ガス系における燃料電池スタック１の出口相対湿度を演算し、該燃料電池出口相対湿度が所定値となるときの水位変化率に設定する。ここで、燃料ガス循環系における燃料電池スタック１の出口相対湿度の所定値は、燃料電池スタック１の運転温度または酸化剤ガス供給流量を増加させたとき、一定時間以上ドライアウトせずに安定した発電が可能であることが確認された値とする。 For the second threshold of the water level change rate, the relative humidity at the outlet of the fuel cell stack 1 in the fuel gas system is calculated based on the dew point detection result of hydrogen (fuel gas) discharged from the fuel cell stack 1, and the fuel level change rate is calculated. It is set to the water level change rate when the battery outlet relative humidity becomes a predetermined value. Here, the predetermined value of the outlet relative humidity of the fuel cell stack 1 in the fuel gas circulation system was stable without drying out for a certain time or longer when the operating temperature of the fuel cell stack 1 or the oxidant gas supply flow rate was increased. The value is confirmed to be capable of power generation.
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の供給により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素（燃料ガス）を供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）と、燃料電池スタック１で消費されなかった水素（燃料ガス）を水素供給系（燃料ガス供給手段）に循環させる水素循環系（燃料ガス循環系）と、水素循環系（燃料ガス循環系）に設置され、燃料電池スタック１の下流側で気水を分離する気水分離器１４と、気水分離器１４に設置され、該気水分離器１４の水位を測定する水位計と、を備えた燃料電池システムにおいて、コントローラ（制御手段）３０により、水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる。
As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the fuel cell stack 1 that generates power by supplying hydrogen (fuel gas) and air (oxidant gas), and hydrogen (fuel gas) is supplied to the fuel cell stack 1. Hydrogen supply system (fuel gas supply means) for supplying, air supply system (oxidant gas supply means) for supplying air (oxidant gas) to the fuel cell, and hydrogen (fuel gas) not consumed in the fuel cell stack 1 ) Is circulated in the hydrogen supply system (fuel gas supply means) and the hydrogen circulation system (fuel gas circulation system) and the hydrogen circulation system (fuel gas circulation system) are separated in the downstream of the fuel cell stack 1 In a fuel cell system comprising an air /
具体的には、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第１の閾値未満であれば乾燥状態であると判断し、また、水位変化率が第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値以上であれば過湿潤状態であると判断する。 Specifically, if the water level change rate is less than the first threshold value, the controller (control means) 30 determines that the water level is dry, and the water level change rate is set to a value greater than the first threshold value. If it is more than a 2nd threshold value, it will judge that it is an overwetting state.
また、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第１の閾値以上でかつ該第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値未満となるよう当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる。 Further, the controller (control means) 30 operates and operates the fuel cell system so that the water level change rate is less than or equal to the first threshold and less than the second threshold set to a value greater than the first threshold. Change state.
また、コントローラ（制御手段）３０に、燃料電池スタック１の運転温度を制御する温度制御手段と、燃料電池スタック１への空気（酸化剤ガス）供給流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、燃料電池スタック１における水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の運転圧力を制御する運転圧力制御手段と、燃料電池スタック１からの取り出し負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、を備え、水位変化率が第１の閾値未満のときには、温度制御手段により運転温度を低下させるか、酸化剤ガス流量制御手段により空気（酸化剤ガス）供給流量を低減させるか、運転圧力制御手段により運転圧力を上昇させるか、或いは、負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を低減させる。 The controller (control means) 30 includes temperature control means for controlling the operating temperature of the fuel cell stack 1, oxidant gas flow rate control means for controlling the flow rate of air (oxidant gas) to the fuel cell stack 1, Operating pressure control means for controlling the operating pressure of hydrogen (fuel gas) and air (oxidant gas) in the fuel cell stack 1, and load current control means for controlling the load current taken out from the fuel cell stack 1, When the water level change rate is less than the first threshold, the operating temperature is lowered by the temperature control means, the air (oxidant gas) supply flow rate is reduced by the oxidant gas flow rate control means, or the operating pressure is given by the operating pressure control means. Or the load current is taken out and reduced by the load current control means.
またさらに、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第２の閾値以上のときには、温度制御手段により運転温度を上昇させるか、運転圧力制御手段により運転圧力を低下させるか、或いは、負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を増加させる。 Furthermore, when the water level change rate is greater than or equal to the second threshold by the controller (control means) 30, the operating temperature is increased by the temperature control means, the operating pressure is decreased by the operating pressure control means, or the load current is increased. The take-out load current is increased by the control means.
このように、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の湿潤度合いを、水素供給系（燃料ガス供給手段）に備えられた気水分離器１４を利用して判断し、例えば水位変化率があるしきい値未満である時は乾燥状態であると判断して、運転温度を低下させるか、運転圧力を上昇させるか、取り出し負荷電流を低下させるか、或いは酸化剤ガス供給流量を低減させることにより、固体高分子電解質膜が乾燥して膜破れに到ることを防ぐことができる。
As described above, the degree of wetting of the solid polymer electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 is determined using the steam /
また、水位変化率があるしきい値以上である時は過湿潤状態であると判断して、運転温度を上昇させるか、運転圧力を低下させるか、或いは取り出し負荷電流を増加させることにより、燃料極側のガス拡散層または触媒層での水詰まりを防ぐことが可能となる。また、空気極から燃料極に移動する水分の量が減少するので、燃料ガス循環系の気水分離器の容積を低減することが可能となる。 Further, when the water level change rate is equal to or higher than a certain threshold value, it is determined that the fuel is over-humid, and the fuel temperature is increased by increasing the operating temperature, decreasing the operating pressure, or increasing the take-out load current. It becomes possible to prevent water clogging in the gas diffusion layer or catalyst layer on the pole side. In addition, since the amount of moisture that moves from the air electrode to the fuel electrode decreases, the volume of the steam separator in the fuel gas circulation system can be reduced.
また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第２の閾値以上であって、温度制御手段により運転温度を上昇させるときには、酸化剤ガス流量制御手段により空気（酸化剤ガス）供給流量を低減させるか、燃料ガス流量制御手段により水素（燃料ガス）供給流量を低減させるか、或いは、運転圧力制御手段により運転圧力を低下させる制御を同時に行う。 Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the controller (control means) 30 causes the water level change rate to be equal to or higher than the second threshold and the operating temperature is raised by the temperature control means, the oxidant gas flow rate control means. The air (oxidant gas) supply flow rate is reduced, the hydrogen (fuel gas) supply flow rate is reduced by the fuel gas flow rate control means, or the operation pressure control means is controlled to reduce the operation pressure at the same time.
高負荷で高温の運転時には、燃料電池スタック１の出口から水蒸気として持ち出される水分量と、液水として持ち出される水分量の比が変化し、液水として持ち出される水分量が減少するため、水詰まりの発生確率が低下する。その際には、空気（酸化剤ガス）流量および水素（燃料ガス）流量を共に減らすことができ、これにより、燃料電池システムのネット効率を格段に向上させることができる。 During high-load operation and high-temperature operation, the ratio of the amount of water taken out as water vapor from the outlet of the fuel cell stack 1 and the amount of water taken out as liquid water changes, and the amount of water taken out as liquid water decreases. The probability of occurrence decreases. In that case, both the air (oxidant gas) flow rate and the hydrogen (fuel gas) flow rate can be reduced, and thereby the net efficiency of the fuel cell system can be remarkably improved.
また、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第１の閾値および第２の閾値は、取り出し負荷電流毎に設定され、該取り出し負荷電流が低いほど小さい値に設定されるのが望ましい。これにより、高負荷時には、水位変化率の閾値を大きくし、低負荷時には水位変化率の閾値を低減させることとなり、運転時の取り出し負荷電流に応じて的確に燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の湿潤状態を知ることができる。 Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the first threshold value and the second threshold value of the water level change rate are set for each take-out load current, and are desirably set to a smaller value as the take-out load current is lower. . As a result, the threshold value of the water level change rate is increased at high loads, and the threshold value of the water level change rate is reduced at low loads, so that the solid polymer inside the fuel cell stack 1 can be accurately determined according to the extracted load current during operation. It is possible to know the wet state of the electrolyte membrane.
ことを特徴とする請求項２〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 6, wherein:
また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）３０の温度制御手段により運転温度を低下させるときには、冷却液循環系における燃料電池スタック１の冷却液出口温度を低下させる。このように、冷却液出口温度を下げることにより、燃料電池スタック１出口での気水持ち出し量を減らすことができ、適確に燃料電池スタック１の湿潤状態を制御することができる。 In the fuel cell system of this embodiment, when the operating temperature is lowered by the temperature control means of the controller (control means) 30, the coolant outlet temperature of the fuel cell stack 1 in the coolant circulation system is lowered. Thus, by lowering the coolant outlet temperature, the amount of air and water taken out at the outlet of the fuel cell stack 1 can be reduced, and the wet state of the fuel cell stack 1 can be controlled accurately.
また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）３０の温度制御手段により運転温度を上昇させるときには、冷却液循環系における燃料電池スタック１の冷却液出口温度を上昇させる。このように、冷却液出口温度を上げることにより、燃料電池スタック１出口での水蒸気持ち出し量を増やすことができ、適確に燃料電池スタック１の湿潤状態を制御することができる。 In the fuel cell system of this embodiment, when the operating temperature is raised by the temperature control means of the controller (control means) 30, the coolant outlet temperature of the fuel cell stack 1 in the coolant circulation system is raised. Thus, by raising the coolant outlet temperature, the amount of water vapor taken out at the outlet of the fuel cell stack 1 can be increased, and the wet state of the fuel cell stack 1 can be controlled accurately.
また、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第１の閾値は、燃料電池スタック１の運転状態を水持ち出し量が増える方向に緩やかに変化させたときに、燃料ガス循環系における燃料電池スタック１の出口相対湿度がある値未満となるときの水位変化率に設定される。 In the fuel cell system of the present embodiment, the first threshold value of the water level change rate is the fuel in the fuel gas circulation system when the operating state of the fuel cell stack 1 is gradually changed in the direction of increasing the amount of water taken out. It is set to the water level change rate when the outlet relative humidity of the battery stack 1 is less than a certain value.
燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態は、燃料極側の相対湿度で予測することができるが、このように相対湿度の値によって水位変化率の第１の閾値を設定するため、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の乾燥限界を精度よく把握することが可能となる。 The wet state of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 1 can be predicted by the relative humidity on the fuel electrode side. In order to set the first threshold value of the water level change rate according to the relative humidity value, It becomes possible to accurately grasp the drying limit of the solid polymer electrolyte membrane inside the fuel cell stack 1.
また、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第２の閾値は、燃料電池スタック１から排出される水素（燃料ガス）の露点検出結果に基づき水素循環系（燃料ガス循環系）における燃料電池出口相対湿度を演算し、該燃料電池出口相対湿度が所定値となるときの水位変化率に設定される。 In the fuel cell system of the present embodiment, the second threshold value of the water level change rate is determined in the hydrogen circulation system (fuel gas circulation system) based on the dew point detection result of hydrogen (fuel gas) discharged from the fuel cell stack 1. The fuel cell outlet relative humidity is calculated and set to the water level change rate when the fuel cell outlet relative humidity becomes a predetermined value.
これにより、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜が水分過多になることをより的確に把握することが可能となり、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の水詰まりをより的確に把握することが可能となる。 As a result, it is possible to more accurately grasp that the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 1 is excessive in water, and more accurately grasp the clogging of the solid polymer electrolyte membrane inside the fuel cell stack 1. It becomes possible.
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第２の閾値の設定において、燃料ガス循環系における燃料電池出口相対湿度の所定値は、燃料電池スタック１の運転温度または空気（酸化剤ガス）供給流量を増加させたとき、一定時間以上ドライアウトせずに安定した発電が可能であることが確認された値とする。 Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in setting the second threshold value of the water level change rate, the predetermined value of the fuel cell outlet relative humidity in the fuel gas circulation system is the operating temperature or air (oxidant) of the fuel cell stack 1. (Gas) When the supply flow rate is increased, it is determined that stable power generation is possible without drying out for a certain period of time.
これにより、燃料電池スタック１の燃料極出口の相対湿度の所定値を、燃料電池スタック１を構成する固体高分子電解質膜の仕様毎に変化させることができることとなり、燃料電池システム毎に、的確に燃料極出口の相対湿度下限値を設定することができる。 As a result, the predetermined value of the relative humidity at the fuel electrode outlet of the fuel cell stack 1 can be changed for each specification of the solid polymer electrolyte membrane constituting the fuel cell stack 1, and can be accurately determined for each fuel cell system. The relative humidity lower limit value at the fuel electrode outlet can be set.
１ 燃料電池スタック
１１ 水素供給装置
１２ 調圧装置
１３ 水素循環装置
１４ 気水分離器
１６ 空気供給装置
１７ 調圧装置
１８ 水蒸気交換装置
２１ 冷却系
２６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０ コントローラ（制御手段）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
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、
前記燃料ガス循環系に設置され、前記燃料電池の下流側で気水を分離する気水分離器と、
前記気水分離器に設置され、該気水分離器の水位を測定する水位計と、
前記水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる制御手段と、
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;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A fuel gas circulation system for circulating the fuel gas not consumed in the fuel cell to the fuel gas supply system;
An air / water separator installed in the fuel gas circulation system and separating air / water on the downstream side of the fuel cell;
A water level meter installed in the steam separator and measuring the water level of the steam separator;
Control means for calculating a water level change rate based on the measurement result of the water level meter, and changing an operation method and an operation state of the fuel cell system according to the water level change rate;
A fuel cell system comprising:
前記水位変化率が前記第１の閾値未満のときには、前記温度制御手段により運転温度を低下させるか、前記酸化剤ガス流量制御手段により酸化剤ガス供給流量を低減させるか、前記運転圧力制御手段により運転圧力を上昇させるか、或いは、前記負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を低減させることを特徴とする請求項２または請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。 The control means includes temperature control means for controlling the operating temperature of the fuel cell, oxidant gas flow rate control means for controlling an oxidant gas supply flow rate to the fuel cell, and the fuel gas and oxidant in the fuel cell. Operating pressure control means for controlling the operating pressure of gas, and load current control means for controlling the load current taken out from the fuel cell,
When the water level change rate is less than the first threshold, the operating temperature is lowered by the temperature control means, the oxidant gas flow rate is reduced by the oxidant gas flow rate control means, or by the operating pressure control means. 4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the operating pressure is increased or the load current is reduced by the load current control means. 5.
前記水位変化率が前記第２の閾値以上のときには、前記温度制御手段により運転温度を上昇させるか、前記酸化剤ガス流量制御手段により酸化剤ガス供給流量を増加させるか、前記運転圧力制御手段により運転圧力を低下させるか、或いは、前記負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を増加させることを特徴とする請求項２または請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。 The control means includes a temperature control means for controlling the operating temperature of the fuel cell, an operating pressure control means for controlling operating pressures of the fuel gas and oxidant gas in the fuel cell, and a load current taken out from the fuel cell. Load current control means for controlling
When the water level change rate is equal to or greater than the second threshold, the operating temperature is increased by the temperature control means, the oxidant gas flow rate is increased by the oxidant gas flow rate control means, or the operating pressure control means is 4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the operating pressure is reduced or the load current is taken out and increased by the load current control means. 5.
前記水位変化率が前記第２の閾値以上であって、前記温度制御手段により運転温度を上昇させるとき、前記酸化剤ガス流量制御手段により酸化剤ガス供給流量を低減させるか、前記燃料ガス流量制御手段により燃料ガス供給流量を低減させるか、或いは、前記運転圧力制御手段により運転圧力を低減させる制御を同時に行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。 The control means includes an oxidant gas flow control means for controlling an oxidant gas supply flow rate to the fuel cell, and a fuel gas flow rate control means for controlling a fuel gas supply flow rate to the fuel cell,
When the water level change rate is equal to or higher than the second threshold value and the operating temperature is raised by the temperature control means, the oxidant gas flow rate control means reduces the oxidant gas supply flow rate or the fuel gas flow rate control 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the fuel gas supply flow rate is reduced by the means, or the control for reducing the operating pressure is simultaneously performed by the operating pressure control means.
前記温度制御手段は、運転温度を低下させるときには前記冷却液循環系における前記燃料電池の冷却液出口温度を低下させ、運転温度を上昇させるときには前記冷却液循環系における前記燃料電池の冷却液出口温度を上昇させることを特徴とする請求項４〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。 A coolant circulation system that circulates and supplies coolant to the fuel cell;
The temperature control means lowers the coolant outlet temperature of the fuel cell in the coolant circulation system when lowering the operating temperature, and the coolant outlet temperature of the fuel cell in the coolant circulating system when raising the operating temperature. The fuel cell system according to any one of claims 4 to 7, wherein the fuel cell system is raised.
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