JP4816878B2 - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP4816878B2 JP4816878B2 JP2005184929A JP2005184929A JP4816878B2 JP 4816878 B2 JP4816878 B2 JP 4816878B2 JP 2005184929 A JP2005184929 A JP 2005184929A JP 2005184929 A JP2005184929 A JP 2005184929A JP 4816878 B2 JP4816878 B2 JP 4816878B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- target value
- output target
- fuel cell
- decrease
- 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.)
- Expired - Fee Related
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)
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の酸化剤極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（例えば特許文献１参照）。 A fuel cell system is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy, and supplies a fuel gas containing hydrogen to a fuel electrode of a pair of electrodes provided with an electrolyte membrane interposed therebetween, while the other An oxygen agent gas containing oxygen is supplied to the oxidizer electrode, and electric energy is extracted from the electrodes by using the following electrochemical reaction that occurs on the surface of the electrolyte membrane side of the pair of electrodes (for example, Patent Document 1). reference).
燃料極反応 ：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
酸化剤極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
燃料極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、及び水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、及びガソリンなどが考えられる。酸化剤極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
Fuel electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e −
Oxidant electrode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
As the fuel gas supplied to the fuel electrode, a method of directly supplying from a hydrogen storage device or a method of supplying a reformed hydrogen-containing gas by reforming a fuel containing hydrogen is known. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. As the fuel containing hydrogen, natural gas, methanol, gasoline, and the like are conceivable. Air is generally used as the fuel gas supplied to the oxidizer electrode.
以上のような固体高分子電解質型の燃料電池システムにおいて、固体高分子膜は、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と共に、水素と酸素とを分離する機能も有することになる。このため、固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池による発電ができなくなってしまう。従って、固体高分子電解質型の燃料電池システムでは、外部から水分を供給して積極的に固体高分子膜を加湿する必要があり、例えば燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。 In the solid polymer electrolyte type fuel cell system as described above, the solid polymer membrane functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water, and also has a function of separating hydrogen and oxygen. For this reason, if the water content of the solid polymer membrane is insufficient, the ionic resistance becomes high, and hydrogen and oxygen are mixed and power generation by the fuel cell becomes impossible. Therefore, in the solid polymer electrolyte type fuel cell system, it is necessary to positively humidify the solid polymer membrane by supplying moisture from the outside, for example, humidifying the oxidant gas supplied to the fuel cell stack, etc. Some humidification means is provided.
ただし、運転条件等によっては、加湿された酸化剤ガスに含まれる水分の一部が凝縮して液滴となったり、酸化剤極において生ずる生成水が残留して液滴となったりして液滴が電極表面に付着し、燃料電池内での水溢れ（フラッディング）を引き起こす場合がある。フラッディングは、電極表面に付着した水滴によって電極へのガスの拡散が阻害される現象であり、電圧低下や出力低下の原因となる。 However, depending on the operating conditions, etc., some of the moisture contained in the humidified oxidant gas may be condensed into droplets, or the generated water generated at the oxidant electrode may remain and become droplets. Drops may adhere to the electrode surface and cause water overflow (flooding) in the fuel cell. Flooding is a phenomenon in which the diffusion of gas to the electrode is hindered by water droplets adhering to the electrode surface, and causes a voltage drop and an output drop.
このようなフラッディングを解消する方法としては、燃料電池の出力電圧、内部抵抗、及び酸化ガスの排ガス湿度の少なくともいずれか１つを検出し、検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合にフラッディングと判断して、酸化ガスの流量或いは圧力を増加させるものが知られている（例えば特許文献２参照）。
しかしながら、上記特許文献に開示される技術は、燃料電池の運転状態からフラッディングが発生していることを検出し、燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量や湿度を変化させるものであり、燃料電池から取り出す電力の変動を抑え切れないという不都合がある。すなわち、従来の技術では、フラッディングが発生して燃料電池の運転状態に変化が及んだことによりフラッディングを検出するため、検出時においては燃料電池のセル電圧が不安定になっており、この段階でフラッディングへの対応を行うことになるので、燃料電池スタックから取り出す電力には必然的に変動が生じてしまう。 However, the technique disclosed in the above patent document detects that flooding has occurred from the operating state of the fuel cell, and changes the flow rate and humidity of the oxidant gas supplied to the fuel cell. There is an inconvenience that the fluctuation of the electric power taken out from the power supply cannot be suppressed. In other words, in the conventional technology, flooding is detected due to the occurrence of flooding and a change in the operating state of the fuel cell, so the cell voltage of the fuel cell becomes unstable at the time of detection. Therefore, the power to be taken out from the fuel cell stack inevitably fluctuates.
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to prevent a flooding from occurring and to suppress a power fluctuation due to the flooding. Is to provide.
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、負荷の要求に応じて燃料電池の電気出力目標値を設定し、設定した電気出力目標値に応じて酸化剤ガスの供給制御を行う制御手段とを備えている。また、制御手段は、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする圧力補正制御を行う。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel electrode that receives supply of fuel gas and an oxidant electrode that receives supply of oxidant gas, a fuel cell that generates power by reacting fuel gas and oxidant gas, and a load Control means for setting an electric output target value of the fuel cell according to the request and performing supply control of the oxidant gas according to the set electric output target value. In addition, when the electric output target value decreases, the control means decreases the pressure of the oxidizer electrode after a predetermined time from the time when the electric output target value decreases, Pressure correction control is performed so as to make the speed faster than the lowering speed in accordance with the lowering of the target value.
本発明によれば、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させることとしている。ここで、電気出力目標値が低下すると、発電量が少なくなり、発熱量も減る。このため、電気出力目標値が低下すると、酸化剤極内のガス温度が低下し、燃料電池内で余剰水分が凝縮することとなる。すなわち、本発明では、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させることで、酸化剤極の圧力低下を所定時間待機し、この待機中に酸化剤極の圧力が高いままで余剰水分を凝縮させることとしている。 According to the present invention, when the electrical output target value decreases, the pressure of the oxidizer electrode is decreased after a predetermined time has elapsed since the electrical output target value decreased. Here, when the electrical output target value decreases, the amount of power generation decreases and the amount of heat generation also decreases. For this reason, when the electric output target value is lowered, the gas temperature in the oxidant electrode is lowered, and excess water is condensed in the fuel cell. That is, in the present invention, the pressure of the oxidant electrode is decreased after a predetermined time has elapsed from the time when the electric output target value has decreased, thereby waiting for the pressure decrease of the oxidant electrode for a predetermined time. The excess water is condensed while the pressure remains high.
また、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度によりも速くすることとしている。このため、電気出力目標値の低下から所定時間経過した後に、比較的速い速度で酸化剤極の圧力を低下させることとなる。このような圧力低下により酸化剤極内のガスが一気に排出されることとなる。ここで、圧力低下を利用したガスの排出を行うと、単純に酸化剤ガスの流量を多くする場合よりも効率的な水分の排出を行うことができる。このため、本発明のように、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くすることで、所定時間圧力を低下させずに凝縮された水分を一気に外部に持ち出すことが可能となる。 In addition, the pressure reduction rate when the pressure is reduced is made faster than the reduction rate in accordance with the decrease in the electric output target value. For this reason, the pressure of the oxidizer electrode is decreased at a relatively high speed after a predetermined time has elapsed since the decrease in the electric output target value. Such a pressure drop causes the gas in the oxidizer electrode to be exhausted at once. Here, when the gas is discharged using the pressure drop, the water can be discharged more efficiently than when the flow rate of the oxidant gas is simply increased. For this reason, as in the present invention, the moisture that has been condensed without decreasing the pressure for a predetermined time by making the pressure decrease rate when reducing the pressure faster than the decrease rate in accordance with the decrease in the electric output target value. Can be taken out to the outside at once.
このように、水分を凝縮させたうえで水分を一気に外部に持ち出すことが可能となり、フラッディングの発生自体を未然に防止することとなる。従って、フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動を抑制することができる。 As described above, after the moisture is condensed, the moisture can be taken out to the outside at once, and the occurrence of flooding itself can be prevented. Therefore, the occurrence of flooding can be prevented in advance, and power fluctuation due to flooding can be suppressed.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一又は同様の要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar element, and description shall be abbreviate | omitted.
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０とを備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the
燃料電池１０は、燃料ガスの供給を受ける燃料極と、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。また、燃料電池１０は電解質膜を備えている。電解質膜は燃料極と酸化剤極とを隔てるように設けられている。ここで、本実施形態では燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。
The
燃料ガス供給系２０は、燃料電池１０に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、高圧水素ボンベ２１と、水素ガス供給配管２２と、水素調圧弁２３とを有している。高圧水素ボンベ２１は、燃料電池１０の燃料極に供給する水素を蓄えておくものである。水素ガス供給配管２２は高圧水素ボンベ２１と燃料電池１０の燃料極とを接続し、高圧水素ボンベ２１からの水素ガスを燃料電池１０の燃料極まで導く流路となるものである。水素調圧弁２３は、水素ガス供給配管２２に設けられ、高圧水素ボンベ２１から燃料電池１０の燃料極に供給される水素の供給量を制御できるようになっている。
The fuel
燃料ガス排出系３０は、水素ガス排出配管３１からなっている。水素ガス排出配管３１は、燃料電池１０の燃料極と外部とを接続し、燃料極オフガスを外部に導くための流路となるものである。また、燃料ガス排出系３０は、水素ガス排出弁（図示せず）を備えている。水素ガス排出弁は、水素ガス排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極オフガスの排出を制御するものである。
The fuel
ここで、上記した如く、燃料極は、水素調圧弁２３を介して高圧水素ボンベ２１から水素ガスの供給を受け、水素ガス排出弁の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、燃料極は、水素調圧弁２３と水素ガス排出弁とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、水素調圧弁２３を開けると高圧水素ボンベ２１から水素ガスが供給され、このときに水素ガス排出弁を閉じていると、燃料極の圧力を高めることができる。また、水素ガス排出弁を開けている場合、燃料極内のガスが排出されて燃料極の圧力を低くすることができる。
Here, as described above, the fuel electrode is supplied with hydrogen gas from the high-
また、燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給系４０と、酸化剤ガス排出系５０と、冷媒循環系６０とを備えている。酸化剤ガス供給系４０は、燃料電池１０の酸化剤極に酸化剤ガスである酸素（空気）を供給するためのものであって、コンプレッサ４１と、空気供給配管４２とからなっている。コンプレッサ４１は、空気を圧縮して燃料電池１０に送り込むものである。空気供給配管４２は、コンプレッサ４１と燃料電池１０の酸化剤極とを接続するものであり、コンプレッサ４１により圧送される空気を燃料電池１０の酸化剤極に導くものである。
The
酸化剤ガス排出系５０は、燃料電池１０の酸化剤極内のガスを排出するものであり、空気排出配管５１と、空気調圧弁５２とを備えている。空気排出配管５１は、燃料電池１０の酸化剤極と外部とを接続し、酸化剤オフガスを外部に導くものである。空気調圧弁５２は、空気排出配管５１に設けられ、開度を調整することにより酸化剤極からのガスの排出量を制御するものである。
The oxidant
ここで、上記した如く、酸化剤極は、コンプレッサ４１から空気の供給を受け、空気調圧弁５２の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、酸化剤極は、コンプレッサ４１と空気調圧弁５２とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、空気調圧弁５２を閉じてコンプレッサ４１から空気を供給した場合、酸化剤極の圧力を高めることができる。また、空気調圧弁５２を開けている場合、酸化剤極の圧力を低くすることができる。
Here, as described above, the oxidizer electrode is supplied with air from the
冷媒循環系６０は、燃料電池１０の温度が高温となり過ぎないように冷却液により燃料電池１０の温度を抑制するためのものであり、冷却液循環経路６１と、ラジエータ６２と、冷却液ポンプ６３とを備えている。
The
冷却液循環経路６１は、冷媒循環系６０において冷却液を循環させる流路となるものであり、燃料電池１０から排出された冷却液は冷却液ポンプ６３及びラジエータ６２の順に通過して再度燃料電池１０に流入するようになっている。ラジエータ６２は、冷却液を冷却するためのものであり、ラジエータファンからの送風により熱交換が促進されるようになっている。冷却液ポンプ６３は、冷媒循環系６０において冷却液を循環させる循環源となるものである。
The
また、燃料電池システム１は、電力制御装置７０及びコントローラ８０を備えている。電力制御装置７０は、燃料電池１０にて発電された電力を取りだし、負荷に供給するものである。また、電力制御装置７０は、コントローラ８０に接続されており、負荷に必要とされる発電量の情報をコントローラ８０に送信するようになっている。
The
コントローラ８０は、負荷の要求に応じて燃料電池１０の電気出力目標値を設定するものである。例えば燃料電池システム１が車両の動力源として搭載されている場合、コントローラ８０は、車両の運転状況に応じて燃料電池１０の電気出力目標値を設定することとなり、例えば車両の加速においては車速センサやアクセルセンサからの信号に基づいて電気出力目標値を高く設定する。
The
また、コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じて燃料電池システム１の各部を制御するものである。具体的にコントローラ８０は、水素調圧弁２３及び空気調圧弁５２の開度、並びに、コンプレッサ４１及び冷却液ポンプ６３の回転数などを制御する。これにより、コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスの供給制御、並びに、冷却液の循環制御を行うこととなる。
The
ここで、空気の供給制御についてさらに詳しく説明する。コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じた空気状態の目標値を設定する。ここで、空気状態の目標値とは、供給すべき空気流量の目標値、酸化剤極の圧力の目標値（空気圧力）、供給する空気の温度の目標値及び供給する空気の加湿目標値などをいう。このうち、供給すべき空気流量の目標値、酸化剤極の圧力の目標値（空気圧力）について詳細に説明する。
Here, the air supply control will be described in more detail. The
図２及び図３は、コントローラ８０により設定される空気状態の目標値の説明図であり、図２は空気流量の目標値を示し、図３は酸化剤極の圧力の目標値（空気圧力）を示している。図２及び図３に示すように、空気流量目標値及び空気圧力目標値は電気出力目標値の増加に伴って大きくなっている。コントローラ８０は、電気出力目標値を設定すると、設定した電気出力目標値に応じて図２及び図３に示すマップに従って、空気流量目標値及び空気圧力目標値を設定し、この目標値に応じた空気流量及び空気圧力となるように、コンプレッサ４１の回転数及び空気調圧弁５２の開度を調整する。
2 and 3 are explanatory views of the target value of the air state set by the
また、図２及び図３と同様に、コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じて水素ガス状態の目標値を設定する。ここで、水素ガス状態の目標値は、空気状態の目標値と同様である。このうち、供給すべき水素ガスの圧力目標値について詳細に説明する。
Similarly to FIGS. 2 and 3, the
図４は、コントローラ８０により設定される水素ガス状態の目標値の説明図であり、水素ガス圧力の目標値を示している。図４に示すように水素圧力目標値は電気出力目標値の増加に伴って大きくなっている。コントローラ８０は、電気出力目標値を設定すると、設定した電気出力目標値に応じて図４に示すマップに従って、水素ガス圧力目標値を設定し、この目標値に応じて水素ガス圧力となるように、水素調圧弁２３の開度及び不図示の水素ガス排出弁を制御する。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the target value of the hydrogen gas state set by the
これにより、燃料電池システム１は、負荷が要求する出力に応じた発電を行うことができる。ところが、一般的な燃料電池システムでは電気出力目標値の低下時にフラッディングによる電力変動を招く可能性が高まる。すなわち、一般的な燃料電池システムでは、電気出力目標値の低下にあわせて発電量が低下するため燃料電池１０の温度も低下し、酸化剤極内のガスの飽和水蒸気圧が減少する。このため、酸化剤極内では、水分が凝縮してフラッディングが発生する。この場合において、従来の燃料電池システムでは酸化剤極に供給する空気流量を増加させることが行われるが、空気流量を増加させたとしても水分の除去が不充分となることがあり、結果としてフラッディングによる電力変動を招く。
Thereby, the
そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１では、以下の動作を行う。図５は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すタイミングチャートである。図５に示すように、電気出力目標値が時刻ｔ０に減少し始め、時刻ｔ１において減少が終了し、その後一定値を保つとする。この場合、コントローラ８０は、電気出力目標値の減少にあわせて空気流量を減少させる。すなわち、コントローラ８０は時刻ｔ０において空気流量を減少させ、時刻ｔ１において空気流量の減少終了させ、その後空気流量を一定に保つ。
Therefore, the
一方、コントローラ８０は、空気圧力については電気出力目標値の減少にあわせて減少させず、圧力補正制御を行う。ここで、圧力補正制御とは、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、前記電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする制御をいう。
On the other hand, the
具体的に図５を参照して説明すると、コントローラ８０は電気出力目標値が低下を開始した時点から所定時間Δｔの経過後に酸化剤極の圧力を低下させる。すなわち、コントローラ８０は、低下開始時刻ｔ０に所定時間Δｔを加えた時刻ｔ２に酸化剤極に圧力を低下させ始める。なお、時刻ｔ０〜時刻ｔ２においては、空気流量が低下していることから圧力を一定に保つために空気調圧弁５２の開度は小さくされることとなる。
Specifically, referring to FIG. 5, the
また、コントローラ８０は、圧力を低下させるにあたり、圧力を低下させるときの低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする。ここで、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度とは、この図３に示したマップに基づいて圧力を低下させたときの低下速度であり、圧力補正制御中において所定時間経過後には、このマップに沿うことなくより速くに圧力が低下させられることとなる。
Moreover, the
これにより、燃料電池１０内では２段階の現象が生じる。まず、時刻ｔ０〜時刻ｔ２においては、一般的な燃料電池システムと同様に発熱量の低下から余剰水分が凝縮を開始する。ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、従来の燃料電池システムと異なり、圧力が高い状態のまま余剰水分が凝縮されている。次に、時刻ｔ２以降において、圧力が急激に低下させられる。ここで、空気圧力を急激に低下させると（空気調圧弁５２が一気に開かれると）圧力差の関係から酸化剤極内のガスを一気に排出することとなる。この圧力の急激な低下を利用したガスの排出では単純に酸化剤ガスの流量を多くさせた場合よりも水分の排出量を多くすることができ、結果としてフラッディングを未然に防止することとなる。
As a result, a two-stage phenomenon occurs in the
なお、コントローラ８０は、上記所定時間Δｔを、低下前の電気出力目標値、低下後の電気出力目標値、低下前後の電気出力目標値の変化量、及び外気温度のうち少なくとも１つから決定する。図６〜図９は、所定時間Δｔを示す説明図であり、図６は所定時間Δｔと低下前の電気出力目標値との相関を示し、図７は所定時間Δｔと低下後の電気出力目標値との相関を示している。また、図８は、所定時間Δｔと低下前後の電気出力目標値の変化量との相関を示し、図９は、所定時間Δｔと外気温度との相関を示している。
The
まず、図８に示すように、低下前後の電気出力目標値の変化量が大きくなるほど、所定時間Δｔは長くなっている。ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１では、余剰水分を凝縮し、その後圧力差を利用して一気に余剰水分を排出することから、圧力を低下させるまでに余剰水分が凝縮し終えていることが望ましい。このため、低下前後の電気出力目標値の変化量が大きい場合、凝縮される水分量が多くなることから、所定時間Δｔは長くなっている。コントローラ８０は、この関係を利用して所定時間Δｔを求めることとなる。
First, as shown in FIG. 8, the predetermined time Δt becomes longer as the amount of change in the electrical output target value before and after the decrease increases. Here, in the
また、図６及び図７に示すように、低下前の電気出力目標値が大きい場合、及び低下後の電気出力目標値が小さい場合も同様に、凝縮される余剰水分の量が多くなる。このため、コントローラ８０は、低下前の電気出力目標値が大きいほど所定時間Δｔを大きくする。また、低下後の電気出力目標値が小さいほど所定時間Δｔを小さくすることとなる。さらに、図９に示すように、外気温度が低い場合も凝縮される水分量が多くなることから、余剰水分が凝縮され終えるまでの時間が長くなる傾向にある。このため、コントローラ８０は、外気温度が低いほど所定時間Δｔを大きくすることとなる。
Also, as shown in FIGS. 6 and 7, the amount of excess water to be condensed similarly increases when the electrical output target value before the decrease is large and when the electrical output target value after the decrease is small. For this reason, the
このように、コントローラ８０は所定時間Δｔを求める。これにより、適切に余剰水分の凝縮を行うことができる。なお、上記所定時間Δｔは、凝縮を適切に行い得る時間であるが、あまりに長すぎると凝縮された余剰水分により電力変動が生じてしまうため、できるだけ短いことが望ましい。
In this way, the
また、図５には示していないが、コントローラ８０は、圧力補正制御中に燃料極の圧力が酸化剤極の圧力と略一致するように制御することが望ましい。これにより、酸化剤極のみの圧力調整を行って燃料極との圧力差が生じることがなく、電解質膜に不要な応力を掛けることなく、耐久性の低下を防止することができる。
Although not shown in FIG. 5, it is desirable that the
さらに、圧力低下させるときの時間はできるだけ短いことが望ましく、具体的には１０秒以下程度であることが望ましい。これにより、単なるガス流量の増大では除去し難いガス拡散層表面などのスタック内の水分を一層確実に除去することができる。 Furthermore, it is desirable that the time for reducing the pressure is as short as possible, and specifically, it is desirable to be about 10 seconds or less. This makes it possible to more reliably remove moisture in the stack such as the surface of the gas diffusion layer, which is difficult to remove by simply increasing the gas flow rate.
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させることとしている。ここで、電気出力目標値が低下すると、発電量が少なくなり、発熱量も減る。このため、電気出力目標値が低下すると、酸化剤極内のガス温度が低下し、燃料電池１０内で余剰水分が凝縮することとなる。すなわち、本実施形態では、電気出力目標値が低下した時点から所定時間Δｔ経過後に酸化剤極の圧力を低下させることで、酸化剤極の圧力低下を所定時間Δｔ待機し、この待機中に酸化剤極の圧力が高いままで余剰水分を凝縮させることとしている。
Thus, according to the
また、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度によりも速くすることとしている。このため、電気出力目標値の低下から所定時間経過した後に、比較的速い速度で酸化剤極の圧力を低下させることとなる。このような圧力低下により酸化剤極内のガスが一気に排出されることとなる。ここで、圧力低下を利用したガスの排出を行うと、単純に空気流量を多くする場合よりも効率的な水分の排出を行うことができる。このため、本実施形態のように、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くすることで、所定時間圧力を低下させずに凝縮された水分を一気に外部に持ち出すことが可能となる。 In addition, the pressure reduction rate when the pressure is reduced is made faster than the reduction rate in accordance with the decrease in the electric output target value. For this reason, the pressure of the oxidizer electrode is decreased at a relatively high speed after a predetermined time has elapsed since the decrease in the electric output target value. Such a pressure drop causes the gas in the oxidizer electrode to be exhausted at once. Here, when the gas is discharged using the pressure drop, the water can be discharged more efficiently than when the air flow rate is simply increased. For this reason, as in this embodiment, the pressure is reduced without reducing the pressure for a predetermined time by making the pressure reduction speed when reducing the pressure faster than the reduction speed according to the decrease in the electric output target value. Moisture can be taken outside at once.
このように、水分を凝縮させたうえで水分を一気に外部に持ち出すことが可能となり、フラッディングの発生自体を未然に防止することとなる。従って、フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動を抑制することができる。 As described above, after the moisture is condensed, the moisture can be taken out to the outside at once, and the occurrence of flooding itself can be prevented. Therefore, the occurrence of flooding can be prevented in advance, and power fluctuation due to flooding can be suppressed.
また、低下前の電気出力目標値、低下後の電気出力目標値、低下前後の電気出力目標値の変化量、及び外気温度のうち少なくとも１つから所定時間を決定することとしている。ここで、低下前後の電気出力目標値の変化量が大きい場合、凝縮される水分量が多くなることから、余剰水分が凝縮され終えるまでの時間が長くなる傾向にある。また、低下前の電気出力目標値が大きい場合、及び低下後の電気出力目標値が小さい場合も同様である。さらに、外気温度が低い場合も凝縮される水分量が多くなることから、余剰水分が凝縮され終えるまでの時間が長くなる傾向にある。本実施形態では、一度余剰水分を凝縮することが前提であるため、上記要因に応じて余剰水分が凝縮され終えるまで圧力の低下をさせずにしておく必要がある。従って、上記要因のうち少なくとも１つから所定時間を決定することで、適切に余剰水分の凝縮を行うことができる。 Further, the predetermined time is determined from at least one of the electrical output target value before the decrease, the electrical output target value after the decrease, the amount of change in the electrical output target value before and after the decrease, and the outside air temperature. Here, when the amount of change in the electrical output target value before and after the decrease is large, the amount of moisture to be condensed increases, so that the time until the excess moisture has been condensed tends to be long. The same applies to the case where the electrical output target value before the decrease is large and the case where the electrical output target value after the decrease is small. Furthermore, since the amount of water to be condensed increases even when the outside air temperature is low, the time until the excess water has been condensed tends to be longer. In this embodiment, since it is a premise that the excess water is once condensed, it is necessary to keep the pressure from decreasing until the excess moisture is condensed according to the above factors. Accordingly, by determining the predetermined time from at least one of the above factors, it is possible to appropriately condense excess water.
また、圧力補正制御中に燃料極の圧力が酸化剤極の圧力と略一致するように制御する。このため、酸化剤極のみの圧力調整を行って燃料極との圧力差が生じることがなく、電解質膜に不要な応力を掛けることなく、耐久性の低下を防止することができる。 Further, during pressure correction control, control is performed so that the pressure of the fuel electrode substantially matches the pressure of the oxidant electrode. For this reason, pressure adjustment with only the oxidizer electrode is not performed, and a pressure difference with the fuel electrode does not occur, and an unnecessary stress is not applied to the electrolyte membrane, thereby preventing a decrease in durability.
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The
図１０は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の構成図である。図１０に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、新たに周囲の外気温度を検出する外気温度センサ（外気温度検出手段）９０を備えている。他の構成は第１実施形態と同様である。
FIG. 10 is a configuration diagram of the
また、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、特定の条件が成立する場合、圧力補正制御を実行しないこととなっている。具体的に説明すると、コントローラ８０は、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。
In the fuel cell system according to the second embodiment, pressure correction control is not executed when a specific condition is satisfied. Specifically, when the electrical output target value before the decrease is less than the first predetermined value, the
ここで、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、すなわち低下前の電気出力目標値が小さい場合、発電により生成される水の量が少ない。このため、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合に、電気出力目標値が低下してもフラッディングの可能性が少ない。従って、コントローラ８０は、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合に圧力補正制御を行わないこととしている。これにより、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ４１などの消費電力の増大を防止することができる。
Here, when the electrical output target value before the decrease is less than the first predetermined value, that is, when the electrical output target value before the decrease is small, the amount of water generated by power generation is small. For this reason, when the electrical output target value before the decrease is less than the first predetermined value, the possibility of flooding is small even if the electrical output target value is decreased. Therefore, the
また、コントローラ８０は、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。ここで、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、すなわち低下後の電気出力目標値が大きい場合、低下後であっても発電量は高く、燃料電池の温度があまり低下しないことから凝縮水の量も少なくなる。故に、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合にはフラッディングの可能性が少ないとい言える。従って、コントローラ８０は、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合に圧力補正制御を行わず、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ４１などの消費電力の増大を防止することとしている。
In addition, when the reduced electric output target value exceeds the second predetermined value, the
さらに、コントローラ８０は、外気温度センサ９０により検出された外気温度が所定温度を超える場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値が低下した時点から酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。ここで、外気温度が所定温度を超える場合、外気温度が所定温度以下の場合よりも、燃料電池１０の温度があまり低下しないことから凝縮される水の量が少なくなる。このため、外気温度が所定温度を超える場合にはフラッディングの可能性が少ない。従って、コントローラ８０は、外気温度が所定温度を超える場合に圧力補正制御を行わないことで、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ４１などの消費電力の増大を防止することとしている。
Further, when the outside air temperature detected by the outside
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動を抑制することができる。また、適切に余剰水分の凝縮を行うことができる。また、電解質膜に不要な応力を掛けることなく、耐久性の低下を防止することができる。
In this way, according to the
さらに、第２実施形態によれば、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、及び、外気温度が所定温度未満を超える場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。 Furthermore, according to the second embodiment, the electrical output target value before the decrease is less than the first predetermined value, the electrical output target value after the decrease exceeds the second predetermined value, and the outside air temperature is the predetermined temperature. If the pressure exceeds the lower limit, the pressure correction control is not performed, the pressure of the oxidizer electrode is decreased in accordance with the decrease in the electric output target value, and the pressure decrease rate when the pressure is decreased is the speed in accordance with the decrease in the electric output target value. And
ここで、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、すなわち低下前の電気出力目標値が小さい場合、発電により生成される水の量が少ない。また、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、すなわち低下後の電気出力目標値が大きい場合、低下後であっても発電量は高く、燃料電池の温度があまり低下しないことから凝縮水の量も少なくなる。また、外気温度が所定温度を超える場合、外気温度が所定温度以下の場合よりも、燃料電池の温度があまり低下しないことから凝縮される水の量が少なくなる。このため、これらの場合に、電気出力目標値が低下してもフラッディングの可能性が少ないと言える。従って、これらの場合に圧力補正制御を行わないことで、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ等消費電力の増大を防止することができ、システムの効率を向上させることができる。 Here, when the electrical output target value before the decrease is less than the first predetermined value, that is, when the electrical output target value before the decrease is small, the amount of water generated by power generation is small. In addition, when the electric output target value after the reduction exceeds the second predetermined value, that is, when the electric output target value after the reduction is large, the power generation amount is high even after the reduction and the temperature of the fuel cell does not decrease so much. Therefore, the amount of condensed water is also reduced. Further, when the outside air temperature exceeds the predetermined temperature, the amount of water to be condensed becomes smaller because the temperature of the fuel cell does not decrease much than when the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined temperature. For this reason, in these cases, it can be said that there is little possibility of flooding even if the electric output target value decreases. Therefore, by not performing pressure correction control in these cases, it is possible to prevent an increase in power consumption such as a compressor that is operated during pressure correction control, and to improve the efficiency of the system.
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。 As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without departing from the gist of the present invention.
１，２…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…燃料ガス供給系
２１…高圧水素ボンベ
２２…水素ガス供給配管
２３…水素調圧弁
３０…燃料ガス排出系
３１…水素ガス排出配管
４０…酸化剤ガス供給系
４１…コンプレッサ
４２…空気供給配管
５０…酸化剤ガス排出系
５１…空気排出配管
５２…空気調圧弁
６０…冷媒循環系
６１…冷却液循環経路
６２…ラジエータ
６３…冷却液ポンプ
７０…電力制御装置
８０…コントローラ（制御手段）
９０…外気温度センサ（外気温度検出手段）
DESCRIPTION OF
90 ... Outside air temperature sensor (outside air temperature detecting means)
Claims (6)
負荷の要求に応じて前記燃料電池の電気出力目標値を設定し、設定した電気出力目標値に応じて酸化剤ガスの供給制御を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、前記電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする圧力補正制御を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a fuel electrode supplied with a fuel gas and an oxidizer electrode supplied with an oxidant gas, and reacting the fuel gas with the oxidant gas to generate electric power;
A control means for setting an electric output target value of the fuel cell according to a load request, and performing supply control of an oxidant gas according to the set electric output target value;
When the electrical output target value is reduced, the control means reduces the pressure of the oxidizer electrode after a predetermined time has elapsed from the time when the electrical output target value has decreased, and determines the pressure reduction rate when the pressure is reduced. A fuel cell system characterized in that pressure correction control is performed so as to make it faster than a rate of decrease in accordance with a decrease in target value.
前記制御手段は、前記外気温度検出手段により検出された外気温度が所定温度を超える場合、前記圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
It further comprises an outside air temperature detecting means for detecting the ambient outside air temperature,
When the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting unit exceeds a predetermined temperature, the control unit does not perform the pressure correction control, and reduces the pressure of the oxidizer electrode in accordance with the decrease in the electric output target value. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein a pressure drop speed when reducing the pressure is set to a speed in accordance with a drop in the electric output target value.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005184929A JP4816878B2 (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005184929A JP4816878B2 (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Fuel cell system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007005171A JP2007005171A (en) | 2007-01-11 |
| JP4816878B2 true JP4816878B2 (en) | 2011-11-16 |
Family
ID=37690580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005184929A Expired - Fee Related JP4816878B2 (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4816878B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010277961A (en) * | 2009-06-01 | 2010-12-09 | Aisin Seiki Co Ltd | Fuel cell system |
| KR101510066B1 (en) | 2011-12-09 | 2015-04-14 | 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션 | Fuel cell assembly and method of control |
| JP6136185B2 (en) * | 2012-10-16 | 2017-05-31 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
| JP7163897B2 (en) * | 2019-11-05 | 2022-11-01 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54144934A (en) * | 1978-05-02 | 1979-11-12 | Fuji Electric Co Ltd | Fuel battery |
| JPH01144569A (en) * | 1987-12-01 | 1989-06-06 | Toshiba Corp | Pressure and flow control device for fuel cell power generating system |
| JP3509168B2 (en) * | 1994-02-23 | 2004-03-22 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| JP4864224B2 (en) * | 2001-04-03 | 2012-02-01 | 本田技研工業株式会社 | Residual water discharge device for fuel cell |
| JP2002352827A (en) * | 2001-05-22 | 2002-12-06 | Denso Corp | Fuel cell system |
| JP3951836B2 (en) * | 2002-07-05 | 2007-08-01 | 日産自動車株式会社 | Control device for fuel cell system |
| JP4010217B2 (en) * | 2002-09-25 | 2007-11-21 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
| JP4144321B2 (en) * | 2002-10-25 | 2008-09-03 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
| JP4590836B2 (en) * | 2003-07-14 | 2010-12-01 | 日産自動車株式会社 | Control device for fuel cell system |
| JP4413587B2 (en) * | 2003-11-21 | 2010-02-10 | 本田技研工業株式会社 | Humidification system for fuel cell |
| JP2006324038A (en) * | 2005-05-17 | 2006-11-30 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
-
2005
- 2005-06-24 JP JP2005184929A patent/JP4816878B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2007005171A (en) | 2007-01-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8450016B2 (en) | Fuel cell system and control method of fuel cell system | |
| JP2009016170A (en) | Fuel cell system and control device of fuel cell system | |
| JP2008140734A (en) | Fuel cell system | |
| JP2007103172A (en) | Fuel cell system and its gas discharge method | |
| JP2009032586A (en) | Fuel cell system and its control method | |
| JP6326439B2 (en) | Control method of fuel cell system | |
| JP4816878B2 (en) | Fuel cell system | |
| WO2003041201A2 (en) | Fuel cell system and its startup control | |
| JP2009076243A (en) | Fuel cell system | |
| JP2007165103A (en) | Fuel cell system, its operation method, and movable body | |
| JP5186794B2 (en) | Fuel cell system and gas pressure adjustment method in fuel cell system | |
| JP2006079891A (en) | Fuel cell system | |
| JP5239201B2 (en) | Fuel cell system and impurity discharge method in fuel cell system | |
| JP4982977B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2007157587A (en) | Fuel cell system | |
| JP2009016155A (en) | Control device of fuel cell and fuel cell system | |
| JP4372523B2 (en) | Fuel cell control device | |
| JP2005093111A (en) | Control unit of fuel cell system | |
| JP2009021025A (en) | Fuel cell system and mobile unit | |
| JP2007005170A (en) | Fuel cell system | |
| JP4831938B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2009076261A (en) | Fuel cell system and its starting method | |
| JP4517414B2 (en) | Fuel cell system and water recovery method | |
| JP2006339103A (en) | Fuel cell system | |
| JP5130622B2 (en) | Fuel cell system and moving body |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080422 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110729 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110803 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110816 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140909 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4816878 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |