JP2010153247A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成によって燃料電池の内部の湿潤過多や湿潤不足を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】循環通路21から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈ボックス8を設け、循環通路21と希釈ボックス8の間にパージ弁12を設ける。希釈ボックス8の下流側に、燃料ガス濃度を検出する濃度センサ24を設ける。パージ弁12を開弁した後に、検出濃度が、燃料電池1内の湿潤過多と相関する下限閾値濃度よりも低い場合には、パージ弁12からの燃料ガスの排出量を増加させる。また、パージ弁12を開弁した後に、検出濃度が、燃料電池1内の湿潤不足と相関する上限閾値濃度よりも高い場合には、パージ弁12からの燃料ガスの排出量を減少させる。
【選択図】図1
【解決手段】循環通路21から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈ボックス8を設け、循環通路21と希釈ボックス8の間にパージ弁12を設ける。希釈ボックス8の下流側に、燃料ガス濃度を検出する濃度センサ24を設ける。パージ弁12を開弁した後に、検出濃度が、燃料電池1内の湿潤過多と相関する下限閾値濃度よりも低い場合には、パージ弁12からの燃料ガスの排出量を増加させる。また、パージ弁12を開弁した後に、検出濃度が、燃料電池1内の湿潤不足と相関する上限閾値濃度よりも高い場合には、パージ弁12からの燃料ガスの排出量を減少させる。
【選択図】図1
Description
この発明は、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムに関し、とりわけ、排出される燃料ガスを希釈する機能を備えた燃料電池システムに関するものである。
燃料電池システムとして、燃料電池のアノード極に水素を含む燃料ガスが供給されるとともに、カソード極に空気等の酸化剤ガスが供給されるものがある。この燃料電池システムにおいては、燃料ガス中の水素がイオン化されて固体高分子電解質膜を介してカソード極に移動し、この間に生じた電子が外部回路に取り出される。
アノード極に接続される排出通路にはアノード極回りのガスを新鮮なガスに置き換えるためのパージ弁が設けられており、このパージ弁が所定のタイミングで開くことにより、水素を消費したアノードオフガスが外部に排出される。このアノードオフガス中には、燃料電池で完全に消費できなかった燃料ガス(水素)が残存するため、通常は、希釈ボックスで空気等の酸化剤ガスによって希釈された後にシステム外部に排出される。
アノード極に接続される排出通路にはアノード極回りのガスを新鮮なガスに置き換えるためのパージ弁が設けられており、このパージ弁が所定のタイミングで開くことにより、水素を消費したアノードオフガスが外部に排出される。このアノードオフガス中には、燃料電池で完全に消費できなかった燃料ガス(水素)が残存するため、通常は、希釈ボックスで空気等の酸化剤ガスによって希釈された後にシステム外部に排出される。
ところで、このような燃料電池システムにおいては、希釈ボックスで燃料ガスを充分に希釈することが重要になるが、燃料電池側のアノードオフガス通路の燃料ガス濃度は燃料電池の運転環境等によって変化するため、例えば、定期的に一定時間パージ弁を開く場合には希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度が変化し、希釈ボックスによる安定した希釈が難しくなる状況が考えられる。
このため、これに対処する燃料電池システムとして、希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度を求め、その濃度に応じてパージ弁の開弁間隔等を制御するものが案出されている(例えば、特許文献1,2参照)。
特許文献1に記載の燃料電池システムでは、パージ弁の開弁前と開弁後のガス圧の変化量を求め、そのガス圧変化量を基にして希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度を演算によって求めるようにしている。
また、特許文献2に記載の燃料電池システムでは、希釈ボックスの下流側に濃度センサを設置し、希釈ボックス内の燃料ガスの濃度を濃度センサによって直接検出するようにしている。
特開平2006−164562号公報
特許第3880898号公報
しかし、この従来の燃料電池システムは、希釈ボックスに導入される燃料ガスの濃度が規定値よりも高い場合に、パージ弁からの燃料ガスの排出量を制限するものであるため、例えば、燃料電池の内部に湿潤過多(フラッディング)が生じた場合には、これを抑制し得るものではなかった。そして、燃料電池の内部に湿潤過多が生じると、水分がアノード極の周囲に滞留して燃料ガスの反応が阻害され、燃料電池の発電が不安定になり易い。
また、逆に燃料電池の内部に湿潤不足が生じて場合には、固体高分子電解質膜上での水素のイオン化が阻害され、燃料電池の発電効率が低下する。このため、現在この点の改善も望まれている。
また、逆に燃料電池の内部に湿潤不足が生じて場合には、固体高分子電解質膜上での水素のイオン化が阻害され、燃料電池の発電効率が低下する。このため、現在この点の改善も望まれている。
そこでこの発明は、簡単な構成によって燃料電池の内部の湿潤過多や湿潤不足を抑制できる燃料電池システムを提供しようとするものである。
上記の課題を解決する請求項1に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池(例えば、後述の実施形態における燃料電池1)と、この燃料電池のアノード極(例えば、後述の実施形態におけるアノード極3)から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段(例えば、後述の実施形態における希釈ボックス8)と、前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁(例えば、後述の実施形態におけるパージ弁12)と、前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段(例えば、後述の実施形態における濃度センサ24)と、前記排出弁を制御する制御手段(例えば、後述の実施形態における制御装置13)と、を備えている燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段の検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤過多と相関する閾値濃度よりも低い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を増加補正することを特徴とする。
燃料電池の内部が湿潤過多になると、燃料ガス中に混在する水蒸気の分圧が高くなり、その結果、排出弁を通して希釈手段に排出される燃料ガスの濃度が低下する。したがって、希釈手段側の燃料ガスの濃度が閾値濃度よりも低い場合には、燃料電池内が湿潤過多の状態であるものと判断することができる。こうして、湿潤過多と判断されたときには、燃料ガスの排出量を増大させることによって燃料電池内の水分の排出を促すことができる。
燃料電池の内部が湿潤過多になると、燃料ガス中に混在する水蒸気の分圧が高くなり、その結果、排出弁を通して希釈手段に排出される燃料ガスの濃度が低下する。したがって、希釈手段側の燃料ガスの濃度が閾値濃度よりも低い場合には、燃料電池内が湿潤過多の状態であるものと判断することができる。こうして、湿潤過多と判断されたときには、燃料ガスの排出量を増大させることによって燃料電池内の水分の排出を促すことができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、燃料ガスの排出量を増加補正した後に、経過時間と、前記排出弁の開弁頻度と、燃料ガスの排出積算量のうちの少なくともいずれか一つが規定値を超えたときに、燃料ガスの排出量を元に戻すことを特徴とする。
経過時間、排出弁の開弁頻度、燃料ガスの排出積算量はいずれも燃料ガスの排出量に関係するパラメータであるため、これらの値に注目することによって燃料ガスの排出量を正確に把握することができる。したがって、燃料電池内の湿潤過多が充分解消されたところで、燃料ガスの排出量制御が元に戻されるようになる。
経過時間、排出弁の開弁頻度、燃料ガスの排出積算量はいずれも燃料ガスの排出量に関係するパラメータであるため、これらの値に注目することによって燃料ガスの排出量を正確に把握することができる。したがって、燃料電池内の湿潤過多が充分解消されたところで、燃料ガスの排出量制御が元に戻されるようになる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の燃料電池システムにおいて、前記増加補正は、燃料ガスの検出濃度と前記閾値濃度との差に応じて行うことを特徴とする。
これにより、燃料ガスの排出量が燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて増加補正され、差が大きいほど増加補正量が増加する。
これにより、燃料ガスの排出量が燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて増加補正され、差が大きいほど増加補正量が増加する。
請求項4に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段と、前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁と、前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、前記排出弁を制御する制御手段と、を備えている燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段による燃料ガスの検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤不足と相関する閾値濃度よりも高い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を減少補正することを特徴とする。
燃料電池の内部が湿潤不足になると、電池内部の電解質膜が乾燥することで燃料ガスがイオン化されにくくなる。このため、燃料電池での燃料ガスの消費量が減少し、その結果、排出弁から排出される燃料ガスの濃度が増加する。したがって、希釈手段側の燃料ガスの濃度が閾値濃度よりも高い場合には、燃料電池内が湿潤不足の状態であるものと判断することができる。こうして、湿潤不足と判断されたときには、燃料ガスの排出量を減少させることによって燃料電池内の水分の排出を抑制することができる。
燃料電池の内部が湿潤不足になると、電池内部の電解質膜が乾燥することで燃料ガスがイオン化されにくくなる。このため、燃料電池での燃料ガスの消費量が減少し、その結果、排出弁から排出される燃料ガスの濃度が増加する。したがって、希釈手段側の燃料ガスの濃度が閾値濃度よりも高い場合には、燃料電池内が湿潤不足の状態であるものと判断することができる。こうして、湿潤不足と判断されたときには、燃料ガスの排出量を減少させることによって燃料電池内の水分の排出を抑制することができる。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、燃料ガスの排出量を減少補正した後に、経過時間と、前記排出弁の開弁頻度と、燃料ガスの排出積算量のうちの少なくともいずれか一つが規定値を超えたときに、燃料ガスの排出量を元に戻すことを特徴とする。
これにより、アノード極側の湿潤不足が充分に解消されたところで、燃料ガスの排出量制御が元に戻されるようになる。
これにより、アノード極側の湿潤不足が充分に解消されたところで、燃料ガスの排出量制御が元に戻されるようになる。
請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の燃料電池システムにおいて、前記減少補正は、燃料ガスの検出濃度と前記閾値濃度との差に応じて行うことを特徴とする。
これにより、燃料ガスの排出量が燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて減少補正され、差が大きいほど減少補正量が増加する。
これにより、燃料ガスの排出量が燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて減少補正され、差が大きいほど減少補正量が増加する。
請求項7に記載の発明は、前記制御手段は、所定時間の間の、燃料電池の発電電流の変動幅または燃料電池に導入される酸化剤ガスの変動幅が規定幅よりも小さい場合に、請求項1または4に記載の制御を開始することを特徴とする。
これにより、燃料電池の運転時等に発電電流や酸化剤ガスが大きく変動する場合には、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われなくなる。
これにより、燃料電池の運転時等に発電電流や酸化剤ガスが大きく変動する場合には、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われなくなる。
請求項8に記載の発明は、前記制御手段は、燃料電池の発電電流が所定値以下の場合に、請求項1または4に記載の制御を開始することを特徴とする。
これにより、燃料電池の運転によって発電電流が大きくなる状況では、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われなくなる。
これにより、燃料電池の運転によって発電電流が大きくなる状況では、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われなくなる。
請求項1に記載の発明によれば、排出弁を開弁した後に、希釈手段側の燃料ガスの濃度を検出し、検出濃度が閾値濃度よりも低く燃料電池内が湿潤過多である場合には、検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を増加補正するため、簡単な構成でありながら燃料電池の内部の湿潤過多を確実に解消することができる。したがって、燃料電池の安定的な発電を得ることができる。
請求項2に記載の発明によれば、燃料ガスの排出量に関係するパラメータである経過時間、排出弁の開弁頻度、燃料ガスの排出積算量のうちのいずれかを利用して燃料ガスの排出量を元に戻すタイミングを判断するため、燃料電池内の水分が充分に排出された適正タイミングで燃料ガスの排出量を元に戻すことができ、適正な湿潤状態に維持することができる。
請求項3に記載の発明によれば、燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて燃料ガスの排出量を増加補正するため、希釈手段内の燃料ガス濃度の不要な急増を招くことなく燃料電池の内部の湿潤過多を迅速に解消することができる。
請求項4に記載の発明によれば、排出弁を開弁した後に、希釈手段側の燃料ガスの濃度を検出し、検出濃度が閾値濃度よりも高く燃料電池内が湿潤不足である場合には、検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を減少補正するため、簡単な構成でありながら燃料電池の内部の湿潤不足を確実に解消することができる。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
請求項5に記載の発明によれば、燃料ガスの排出量に関係するパラメータである経過時間、排出弁の開弁頻度、燃料ガスの排出積算量のうちのいずれかを利用して燃料ガスの排出量を元に戻すタイミングを判断するため、燃料電池内が充分加湿された適正タイミングで燃料ガスの排出量を元に戻すことができ、適正な湿潤状態に維持することができる。
請求項6に記載の発明によれば、燃料ガスの検出濃度と閾値濃度との差に応じて燃料ガスの排出量を減少補正するため、アノード極側のパージ不足を招くことなく燃料電池の内部の湿潤不足を迅速に解消することができる。
請求項7,8に記載の発明によれば、燃料電池の運転時等に燃料ガスや酸化剤ガスの変動し易い状況では、燃料ガスの排出量補正の要否の判定や実際の補正の実行が行われないため、燃料電池内の湿潤の過不足に応じた適正な制御を行うことができる。
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下で説明する実施形態の燃料電池システムは燃料電池車両に搭載される態様である。
図1は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池1は、複数の電池セル(以下「セル」と呼ぶ)が積層されて成り、各セルは、固体高分子電解質膜2(以下、「電解質膜2」と呼ぶ)の両側にアノード極3とカソード極4が設けられ、アノード極3とカソード極4の外側に反応ガスを供給するためのガス通路(図示せず)が設けられている。なお、図1においては、セル内部の構造を把握できるように一つのセルのイメージを模式的に示している。
なお、以下で説明する実施形態の燃料電池システムは燃料電池車両に搭載される態様である。
図1は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池1は、複数の電池セル(以下「セル」と呼ぶ)が積層されて成り、各セルは、固体高分子電解質膜2(以下、「電解質膜2」と呼ぶ)の両側にアノード極3とカソード極4が設けられ、アノード極3とカソード極4の外側に反応ガスを供給するためのガス通路(図示せず)が設けられている。なお、図1においては、セル内部の構造を把握できるように一つのセルのイメージを模式的に示している。
燃料電池1は、アノード極3に水素ガスを主成分とする燃料ガスが供給されるとともに、カソード極4に酸素を含む空気(酸化剤ガス)が供給される。燃料電池1のアノード極3では、触媒反応によって水素イオンが発生し、その水素イオンが電解質膜2を透過してカソード極4まで移動する。カソード極4では、水素イオンが酸素と電気化学反応を起こすことで電力を発生する。
空気は、酸化剤供給手段であるエアコンプレッサ5からエア供給路6を通して燃料電池1のカソード極4に供給される。カソード極4に供給された空気は、該空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池1からエア排出路7を通って後述する希釈ボックス8(希釈手段)に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給手段である燃料タンク9から燃料ガス供給路10を通して燃料電池1のアノード極3に供給される。燃料ガス供給路10には、燃料電池1のアノードオフガスを燃料ガス供給路10に合流してアノード極3に戻すエゼクタ20が設けられている。エゼクタ20にはアノード極の排出側に接続される循環通路21が接続され、循環通路21には、循環通路21内の不要なガスを外部に排出するパージ通路22が設けられ、このパージ通路22に希釈ボックス8が接続されている。パージ通路22には、電磁式の開閉弁から成るパージ弁12(排出弁)が設けられており、このパージ弁12の開閉操作によって循環通路21から希釈ボックス8へのアノードオフガス(燃料ガスを含む)の排出を調整するようになっている。パージ弁12は、エアコンプレッサ5や他の弁類とともに制御装置13(制御手段)によって制御される。
希釈ボックス8は、パージ通路22から導入されたアノードオフガスを滞留させる滞留室が内部に設けられるとともに、その滞留室にエア排出路7が接続されている。パージ通路22から滞留室に導入されたアノードオフガスは、エア排出路7から導入される空気(酸化剤ガス)によって希釈された後、排出通路23からシステム外部に排出される。排出通路23には、排出ガス中の燃料ガス濃度(水素濃度)を検出する濃度センサ24(濃度検出手段)が設けられている。この濃度センサ24によって検出された検出信号は制御装置13に入力される。
なお、図1中14は、燃料電池1で発電される電流を検出する電流センサである。
なお、図1中14は、燃料電池1で発電される電流を検出する電流センサである。
ところで、制御装置13は、燃料電池1の運転中にパージ弁12を一定間隔で、若しくは、予め設定されたタイミングで一定時間開弁するように制御する(以下、この制御によるパージ弁12の開弁を「通常パージ」と呼ぶ)。
また、制御手段13は、この通常パージを行う一方で、希釈ボックス8から排出されるガス中の燃料ガス濃度を濃度センサ24を用いて監視する。そして、制御装置13は、通常パージ後に濃度センサ24によって検出される燃料ガス濃度が、燃料電池1内の湿潤過多と相関する下限閾値濃度C1よりも低い場合に、燃料ガスの排出量を増加させるようにパージ弁12の開弁時間を延長補正する。ここで延長補正する時間は燃料ガスの検出濃度に応じた時間とする。
なお、下限閾値濃度C1とは、希釈ボックス8の燃料ガス濃度がその閾値濃度よりも低下したときに、燃料電池1内が湿潤過多となる濃度である。この下限閾値濃度は実験等によって求める。
また、制御手段13は、この通常パージを行う一方で、希釈ボックス8から排出されるガス中の燃料ガス濃度を濃度センサ24を用いて監視する。そして、制御装置13は、通常パージ後に濃度センサ24によって検出される燃料ガス濃度が、燃料電池1内の湿潤過多と相関する下限閾値濃度C1よりも低い場合に、燃料ガスの排出量を増加させるようにパージ弁12の開弁時間を延長補正する。ここで延長補正する時間は燃料ガスの検出濃度に応じた時間とする。
なお、下限閾値濃度C1とは、希釈ボックス8の燃料ガス濃度がその閾値濃度よりも低下したときに、燃料電池1内が湿潤過多となる濃度である。この下限閾値濃度は実験等によって求める。
また、制御装置13は、濃度センサ24による検出濃度が、燃料電池1内の湿潤不足と相関する上限閾値濃度C2よりも高い場合に、燃料ガスの排出量を減少させるようにパージ弁12の開弁時間を短縮補正する。ここで短縮補正する時間は燃料ガスの検出濃度に応じた時間とする。
上限閾値濃度C2とは、希釈ボックス8の燃料ガス濃度がその閾値濃度よりも上昇したときに、燃料電池1内が湿潤不足となる濃度である。この上限閾値濃度C2は下限閾値濃度C1と同様に実験等によって求める。
上限閾値濃度C2とは、希釈ボックス8の燃料ガス濃度がその閾値濃度よりも上昇したときに、燃料電池1内が湿潤不足となる濃度である。この上限閾値濃度C2は下限閾値濃度C1と同様に実験等によって求める。
つづいて、この燃料電池システムにおける具体的なパージ制御を、図3のタイミングチャートを参照つつ、図2のフローチャートに沿って説明する。なお、この燃料電池システムにおいては、このフローチャートの処理とは別に通常パージが実行される。また、図3のタイミングチャートは、燃料電池内が湿潤過多の場合の制御を示している。
ステップS101においては、電流センサ14の検出値を基にして燃料電池1の発電電流の変動幅を調べ、所定時間T1(図3参照)の間の発電電流の変動幅が予め設定された規定幅W1を下回るか否かを判定する。ここで、YESの場合、つまり燃料電池1の負荷変動が少なく安定状態である場合には、ステップS102に進み、NOの場合には処理を終了して断続的な通常パージを継続する。
ステップS101においては、電流センサ14の検出値を基にして燃料電池1の発電電流の変動幅を調べ、所定時間T1(図3参照)の間の発電電流の変動幅が予め設定された規定幅W1を下回るか否かを判定する。ここで、YESの場合、つまり燃料電池1の負荷変動が少なく安定状態である場合には、ステップS102に進み、NOの場合には処理を終了して断続的な通常パージを継続する。
ステップS102においては、次の通常パージが完了し、その後に所定時間T2(図3参照)が経過したか否かを判定し、YESの場合には、ステップS103に進み、NOの場合には、ステップS104に進む。ステップS104においては、検出される燃料ガス濃度の最大値Cmaxを更新し、つづくステップS105においては、検出される燃料ガス濃度の最小値Cminを更新した後にステップS102に戻る。したがって、所定時間T2が経過するまでは、燃料ガス濃度の最大値Cmaxと最小値Cminが更新されつづける。
ステップS103に進んだ場合には、燃料ガス濃度の最大値Cmaxが下限閾値濃度C1よりも小さいか否かを判定し、ここでYESの場合には、ステップS106に進み、NOの場合には、ステップS107へと進む。
ステップS107においては、燃料ガス濃度の最小値Cminが上限閾値濃度C2よりも大きいか否かを判定し、ここでYESの場合には、ステップS108に進み、NOの場合には、処理を終了して断続的な通常パージを継続する。
ステップS107においては、燃料ガス濃度の最小値Cminが上限閾値濃度C2よりも大きいか否かを判定し、ここでYESの場合には、ステップS108に進み、NOの場合には、処理を終了して断続的な通常パージを継続する。
ステップS106に進んだ場合(燃料電池1内が湿潤過多と判定した場合)には、燃料ガス濃度の最大値Cmaxと下限閾値濃度C1の差の絶対値を基にしてパージ補正量(パージ弁12の開弁延長時間)を算出する。
つづくステップS109においては、通常パージの完了後に所定時間T3(図3参照)が経過したか否かを判定し、NOの場合には、ステップS110に進んで算出したパージ補正量で補正してパージを実行する。このステップS110の処理は所定時間T3が経過するまで継続される。所定時間T3が経過した場合には、処理を終了して通常パージに戻る。
したがって、燃料電池1内が湿潤過多であると判定された場合には、燃料ガスの検出濃度に応じてパージ弁12の開弁時間が延長補正され、開弁時間を補正したパージ処理(以下、「補正パージ処理」と呼ぶ)が所定時間T3の間実行される。この間、補正パージ処理によって循環通路21からの燃料ガスの排出量が増加し、燃料電池1と循環通路21内の水分が速やかに外部に排出され、燃料電池1内の湿潤過多が解消される。この結果、燃料電池1では安定的な発電が行われるようになる。
つづくステップS109においては、通常パージの完了後に所定時間T3(図3参照)が経過したか否かを判定し、NOの場合には、ステップS110に進んで算出したパージ補正量で補正してパージを実行する。このステップS110の処理は所定時間T3が経過するまで継続される。所定時間T3が経過した場合には、処理を終了して通常パージに戻る。
したがって、燃料電池1内が湿潤過多であると判定された場合には、燃料ガスの検出濃度に応じてパージ弁12の開弁時間が延長補正され、開弁時間を補正したパージ処理(以下、「補正パージ処理」と呼ぶ)が所定時間T3の間実行される。この間、補正パージ処理によって循環通路21からの燃料ガスの排出量が増加し、燃料電池1と循環通路21内の水分が速やかに外部に排出され、燃料電池1内の湿潤過多が解消される。この結果、燃料電池1では安定的な発電が行われるようになる。
一方、ステップS108に進んだ場合(燃料電池1内が湿潤不足と判定した場合)には、燃料ガス濃度の最小値Cminと上限閾値濃度C2の差の絶対値を基にしてパージ補正量(パージ弁12の開弁短縮時間)を算出する。
ステップS111においては、通常パージの完了後に所定時間T3が経過したか否かを判定し、NOの場合には、ステップS112に進んで算出したパージ補正量で補正してパージを実行する。このステップS112の処理は所定時間T3が経過するまで継続される。所定時間T3が経過した場合には、処理を終了して通常パージに戻る。
したがって、燃料電池1内が湿潤不足であると判定された場合には、燃料ガスの検出濃度に応じてパージ弁12の開弁時間が短縮補正され、開弁時間を補正したパージ処理(以下、「補正パージ処理」と呼ぶ)が所定時間T3の間実行される。この間、補正パージ処理によって循環通路21からのアノードオフガスの排出量が減少し、燃料電池1と循環通路21内に水分が滞留し易くなる。この結果、燃料電池1内の湿潤不足が解消され、燃料電池1の発電効率が向上する。
ステップS111においては、通常パージの完了後に所定時間T3が経過したか否かを判定し、NOの場合には、ステップS112に進んで算出したパージ補正量で補正してパージを実行する。このステップS112の処理は所定時間T3が経過するまで継続される。所定時間T3が経過した場合には、処理を終了して通常パージに戻る。
したがって、燃料電池1内が湿潤不足であると判定された場合には、燃料ガスの検出濃度に応じてパージ弁12の開弁時間が短縮補正され、開弁時間を補正したパージ処理(以下、「補正パージ処理」と呼ぶ)が所定時間T3の間実行される。この間、補正パージ処理によって循環通路21からのアノードオフガスの排出量が減少し、燃料電池1と循環通路21内に水分が滞留し易くなる。この結果、燃料電池1内の湿潤不足が解消され、燃料電池1の発電効率が向上する。
また、この燃料電池システムにおいては、ステップS110やステップS112で、補正パージ処理を開始した後に、予め設定した所定時間T3が経過したところで通常パージに戻すため、燃料電池1内の水分が充分に排出され、或いは、燃料電池1内が適度な湿潤状態にされた、適正タイミングで通常パージに早期に戻すことができる。
なお、この実施形態においては、補正パージ処理の開始後に経過時間(T3)を管理して通常パージに戻すようにしているが、補正パージ処理の開始後に排出弁の開弁頻度や、燃料ガスの排出積算量を管理して通常パージに戻すようにしても良い。これらのいずれの場合にも、燃料ガスの排出量に関係するパラメータを管理することになるため、適正タイミングで通常パージ処理に戻すことができる。
なお、この実施形態においては、補正パージ処理の開始後に経過時間(T3)を管理して通常パージに戻すようにしているが、補正パージ処理の開始後に排出弁の開弁頻度や、燃料ガスの排出積算量を管理して通常パージに戻すようにしても良い。これらのいずれの場合にも、燃料ガスの排出量に関係するパラメータを管理することになるため、適正タイミングで通常パージ処理に戻すことができる。
さらに、この燃料電池システムにおいては、燃料ガスの検出濃度と、上限閾値濃度C2や下限閾値濃度C2との差に応じて燃料ガスの排出量(パージ弁12の開弁時間)を補正するため、排出燃料ガス濃度の急増やパージ不足を招くことなく、燃料電池1内の湿潤状態を迅速に調整することができる。
また、この燃料電池システムでは、ステップS101において、燃料電池1の発電電流の変動幅が規定幅W1よりも小さい場合にのみ、補正パージ処理の要否の判定や実行を行い、発電電流の変動幅が大きく排出燃料ガス濃度が変動し易い状況下で補正パージ処理の要否の判定や実行を行わないため、燃料電池1内の実際の湿潤状態に即した適切な制御を行うことができる。
この実施形態においては、燃料電池1の発電電流の変動幅が規定幅W1よりも小さい場合に、補正パージ処理の要否の判定や実行を行うようにしているが、燃料電池1に導入される酸化剤ガスの変動幅が規定幅よりも小さい場合や、燃料電池1の発電電流の絶対値が所定値よりも小さい場合に、補正パージ処理の要否の判定や実行を行うようにしても良い。
この実施形態においては、燃料電池1の発電電流の変動幅が規定幅W1よりも小さい場合に、補正パージ処理の要否の判定や実行を行うようにしているが、燃料電池1に導入される酸化剤ガスの変動幅が規定幅よりも小さい場合や、燃料電池1の発電電流の絶対値が所定値よりも小さい場合に、補正パージ処理の要否の判定や実行を行うようにしても良い。
なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上記の実施形態においては、濃度センサを希釈ボックスの下流側に設置したが、濃度センサは希釈ボックス内に設置するようにしても良い。
1…燃料電池
3…アノード極
8…希釈ボックス(希釈手段)
12…パージ弁(排出弁)
13…制御装置(制御手段)
24…濃度センサ(濃度検出手段)
3…アノード極
8…希釈ボックス(希釈手段)
12…パージ弁(排出弁)
13…制御装置(制御手段)
24…濃度センサ(濃度検出手段)
Claims (8)
- 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段と、
前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁と、
前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、
前記排出弁を制御する制御手段と、を備えている燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段の検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤過多と相関する閾値濃度よりも低い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を増加補正することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御手段は、燃料ガスの排出量を増加補正した後に、経過時間と、前記排出弁の開弁頻度と、燃料ガスの排出積算量のうちの少なくともいずれか一つが規定値を超えたときに、燃料ガスの排出量を元に戻すことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記増加補正は、燃料ガスの検出濃度と前記閾値濃度との差に応じて行うことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスで希釈する希釈手段と、
前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの排出を調整する排出弁と、
前記希釈手段内または希釈手段の下流に設けられ燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、
前記排出弁を制御する制御手段と、を備えている燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記排出弁を開弁した後、前記濃度検出手段の検出濃度が、前記燃料電池内の湿潤不足と相関する閾値濃度よりも高い場合に、前記検出濃度に応じて燃料ガスの排出量を減少補正することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御手段は、燃料ガスの排出量を減少補正した後に、経過時間と、前記排出弁の開弁頻度と、燃料ガスの排出積算量のうちの少なくともいずれか一つが規定値を超えたときに、燃料ガスの排出量を元に戻すことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
- 前記減少補正は、燃料ガスの検出濃度と前記閾値濃度との差に応じて行うことを特徴とする請求項4または5に記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、所定時間の間の、燃料電池の発電電流の変動幅または燃料電池に導入される酸化剤ガスの変動幅が規定幅よりも小さい場合に、請求項1または4に記載の制御を開始することを特徴とする燃料電池システム。
- 前記制御手段は、燃料電池の発電電流が所定値以下の場合に、請求項1または4に記載の制御を開始することを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008331233A JP2010153247A (ja) | 2008-12-25 | 2008-12-25 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2008331233A JP2010153247A (ja) | 2008-12-25 | 2008-12-25 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2010153247A true JP2010153247A (ja) | 2010-07-08 |
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ID=42572116
Family Applications (1)
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JP2008331233A Pending JP2010153247A (ja) | 2008-12-25 | 2008-12-25 | 燃料電池システム |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2010153247A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021083660A1 (de) * | 2019-10-29 | 2021-05-06 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und steuergerät dafür |
-
2008
- 2008-12-25 JP JP2008331233A patent/JP2010153247A/ja active Pending
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WO2021083660A1 (de) * | 2019-10-29 | 2021-05-06 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und steuergerät dafür |
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