JP5239201B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムにおける不純物排出方法 - Google Patents
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Description
例えば、燃料電池の中には、水素極の排気ガス(以下、アノード排ガスと呼ぶ)を循環させて、再び水素極に供給する循環流路を設けて、アノード排ガスに含まれる残留水素を有効活用するようにしているものがある。このような燃料電池の場合、アノード排ガス中には、例えば、水蒸気、窒素なども含まれるため、アノード排ガスを長期間に亘って循環させ続けると、これらの成分濃度が高くなり、相対的に水素濃度が低減して、電池性能が低下するおそれがある。そのため、従来は、循環流路に、アノード排ガスの一部を外気へ排出するためのパージバルブを設け、パージバルブを定期的に開くことにより、窒素および水蒸気の濃度を低減させて、水素濃度の低下に起因する電池性能の低下を回避する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
前記不純物排出部および前記アノードガス圧調節部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる場合には、その排出前に、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させることを要旨とする。
前記制御部は、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定し、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定したときに、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させるようにしてもよい。
前記燃料電池の出力を調節する出力調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記出力調節部を制御して、前記燃料電池の出力を所定の出力値に制限するようにしてもよい。
前記燃料電池の内部温度を調節する内部温度調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記内部温度調節部を制御して、前記燃料電池の内部温度を所定の温度に低下させるようにしてもよい。
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を調節するようにしても良い。
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御するようにしても良い。
A1.装置の全体構成:
図1は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム10の構成を示す説明図である。図1に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック22と、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック22に供給して、燃料電池スタック22から排出された排ガス(以下、アノード排ガスともいう。)を大気へ排出する水素給排系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック22に供給して、燃料電池スタック22から排出された排気ガスを大気へ排出する空気給排系と、燃料電池システム10の各部の動きを制御する制御部70と、を備える。
本実施例の燃料電池システム10は、固体高分子電解質膜における含水量の低下時には、含水量の低下に起因する電池性能の低下を抑制するために、アノード内圧を、定常運転時とは異なる、大気圧より低い値(負圧)に設定する制御を行なっている。図3は、燃料電池システム10が備える制御部70のCPU74において実行される膜含水量低下時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池スタック22の発電中に、所定の間隔で繰り返し実行される。
本実施例の燃料電池システム10は、固体高分子電解質膜における含水量の低下時には、含水量の低下に起因する電池性能の低下を抑制するために、アノード内圧を、定常運転時とは異なる、大気圧より低い値(負圧)に設定する制御を行なっている。そこで、燃料電池における内部抵抗(セル抵抗)とアノード内圧との関係について、以下に説明する。
図4は、膜含水量低下時処理ルーチンによる制御の影響を示すグラフである。図4(a)はアノードガス中の窒素濃度、(b)は出力電圧、(c)はアノード内圧、(d)はパージバルブの開閉状態を、それぞれ示す。なお、図4では、(a)〜(d)全てのグラフについて、横軸に時間を取って、同じ時間軸で示している。また、図4では、上記したステップS120において、アノード内圧が負圧に設定された後、燃料電池スタック22に対する負荷要求を変化させた場合を示している。
本発明の第2の実施例の燃料電池システムは、図1に示す第1の実施例の燃料電池システム10と、同様の構成を成しているが、本実施例の膜含水量低下時処理ルーチンの一部が、第1の実施例の膜含水量低下時処理ルーチンと異なっている。図6は、第2の実施例における膜含水量低下時処理ルーチンの一部を示すフローチャートである。本実施例では、図3に示す膜含水量低下時処理ルーチンにおけるステップS150に代えて、図6に示すステップS250を行う。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
22…燃料電池スタック
23…水素タンク
24…エアコンプレッサ
25…加湿モジュール
26…希釈器
27…パージバルブ
28…エアクリーナ
50…アノード内圧センサ
52…温度センサ
54…電圧センサ
60…水素供給路
61…圧力調整弁
62…インジェクタ
63…アノード排ガス路
64…排ガス排出路
65…水素ポンプ
67…酸化ガス供給路
68…カソード排ガス路
70…制御部
74…CPU
78…入出力ポート
Claims (9)
- 固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
前記不純物排出部および前記アノードガス圧調節部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を通常は正圧に制御し、
前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定の量より少なくなった時に、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を正圧から負圧に変更してカソード側におけるガス圧との差圧を大きくする制御を実行し、
前記制御部は、さらに、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる場合には、その排出前に、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させ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、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定し、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定したときに、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池に要求される負荷が、所定の負荷要求値よりも大きい場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池の内部温度が、所定の温度以上である場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1ないし4のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力を調節する出力調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記出力調節部を制御して、前記燃料電池の出力を所定の出力値に制限することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1ないし5のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を調節する内部温度調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記内部温度調節部を制御して、前記燃料電池の内部温度を所定の温度に低下させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1ないし6のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を調節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、
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおける前記燃料電池のアノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる不純物排出方法であって、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を通常は正圧に制御し、前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定の量より少なくなった時に、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を正圧から負圧に変更してカソード側におけるガス圧との差圧を大きくする制御を実行する第1の工程と、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定する第2の工程と、
前記第1の工程において前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記第2の工程において、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定された場合は、前記アノード側におけるガス圧を正圧に上昇させる第3の工程と、
前記第3の工程おいて、前記アノード側におけるガス圧が正圧に上昇された後に、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる第4の工程と、
を備える不純物排出方法。
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