JP4940541B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、燃料極(アノード)及び酸化剤極(カソード)にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える。なお、この実施形態では、燃料電池は、固体高分子型燃料電池により構成され、アノード及びカソードにおける電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す化学反応式(1)〜(3)による。
〔カソード〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔アノード系の構成〕
上記燃料電池システムは、図1に示すように、水素(H2)貯蔵装置1及び圧力調整バルブ2を備え、水素貯蔵装置1内に貯蔵された水素の圧力を圧力調整バルブ2により調整した後、水素循環路3aを介して燃料電池のアノードに水素を供給する。また、燃料電池のアノードから排出された水素は、水素循環路3bを介して循環ポンプ4に循環され、循環ポンプ4によって水素循環路3aを介して燃料電池のアノードに供給される。なお、この燃料電池システムでは、循環ポンプ4は、ガス密度によって循環性能が変化する速度式や過流式と呼ばれる形式の循環ポンプにより構成されている。
上記燃料電池システムは、図示しないが、空気を圧縮して供給するコンプレッサを備え、コンプレッサは圧縮した空気を空気供給路を介して燃料電池のカソードへ供給する。そして、燃料電池のカソードで未使用の空気は、空気圧力調整弁により圧力調整された後、空気排出路から系外へ排出される。
上記燃料電池システムにおける制御系は、図1に示すように、水素循環路3aに供給される水素の流量を計測する流量計6と、水素循環路3a内のガスの温度及び圧力を検出する温度計7及び圧力計8と、水素循環路3b内の水素濃度を検出するガス濃度センサ9と、水素循環路3b内のガスの圧力及び温度を検出する圧力計10及び温度計11と、燃料電池システム全体の動作を制御するECU12とを備える。なお、ECU12は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
2:圧力調整バルブ
3a,3b:水素循環路
4:循環ポンプ
5:パージ弁
6:流量計
7,11:温度計
8,10:圧力計
9:ガス濃度センサ
12:ECU
Claims (9)
- 循環ポンプを利用して燃料電池の燃料極から排出された水素を水素循環路を介して燃料極に循環させる燃料電池システムであって、
水素循環路に供給される水素の流量を検出する流量検出部を備え、更に、
前記流量検出部により検出された流量から算出される要求水素循環流量と、前記燃料極の水素消費量から算出される要求水素循環流量のうち、値が大きい方を要求水素循環流量に設定し、
前記水素循環路内の前記循環ポンプの制御状態とガス密度に基づいて前記水素循環路内における実水素循環流量を演算し、
前記水素循環路内における実水素循環流量が、前記設定した要求水素循環流量となるように制御する制御部を備えること
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記循環ポンプの回転数を制御することにより、前記水素循環路内における実水素循環流量を、前記設定した要求水素循環流量に制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内のガスを系外に排出するパージ弁の開度を制御することにより、水素循環路内における実水素循環流量を、前記設定した要求水素循環流量に制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記ガス密度の下限閾値、及び上限閾値を設定し、前記下限閾値と上限閾値の間となる範囲をガス密度範囲とし、前記水素循環路内のガス密度と前記ガス密度範囲との相対的な関係に基づき、前記水素循環路内のガス密度が前記下限閾値以下である場合には前記循環ポンプの回転数を調整し、前記水素循環路内のガス密度が前記上限閾値以上である場合には、前記パージ弁によるパージ量を調整することにより、前記水素循環路内における実水素循環流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内のガス密度が前記上限閾値以上である場合には、前記パージ弁の開度を制御することにより、水素循環路内のガス密度を前記上限閾値以下まで低下させ、その後、前記循環ポンプの回転数を制御することにより、水素循環路内における実水素循環流量が、前記要求水素循環流量となるように制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4または5に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内のガス密度が前記下限閾値以下である場合には、前記循環ポンプの回転数を制御することにより、水素循環路内における実水素循環流量が、前記要求水素循環流量となるように制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池システムの運転状態に応じて前記ガス密度範囲を変更することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池の出力を増加させる場合には、前記水素循環路内の水素循環流量が高まるように前記ガス密度範囲を変更することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項7または8に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池システムのエネルギー効率を高める場合には、前記パージ弁により水素を排出することによるエネルギー損失量と、前記循環ポンプの消費電力量の和が最小になるガス密度を基準として前記ガス密度範囲を変更することを特徴とする燃料電池システム。
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