JP5310503B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
燃料電池システムであって、積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系と、前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部と、前記2つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタックの乾燥状態を判断し、前記燃料電池スタック内が乾燥している場合には、前記燃料電池スタックの乾燥を抑制する乾燥抑制運転を実行する制御部と、を備える燃料電池システム。
この適用例によれば、酸化ガスの流れの上流部と下流部において測定された、燃料電池スタックから排出された冷媒の温度差を用いて燃料電池スタック内の乾燥を推定するので、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥の状態を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転として、
(1)前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を減少する、
(2)前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの背圧を上げる、
(3)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
(4)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも1つを実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池スタック内の乾燥を抑制、緩和することが可能となる。
適用例1または適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記2つの冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなった場合には、前記乾燥抑制運転を行い、前記2つの冷媒温度の差が前記あらかじめ定められた差分値以上になった場合には、前記乾燥抑制運転を停止する、燃料電池システム。
この適用例によれば、排出される2つの冷媒温度の差があらかじめ定められた値よりも小さくなった場合には、燃料電池スタックが乾燥していると判断できるので、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥状態を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
請求項1から請求項3のうちのいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池スタックにおける前記酸化ガスの圧力損失を測定する圧力損失測定部を備え、前記制御部は、前記2つ冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなり、かつ、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失があらかじめ定められた損失値よりも小さくなった場合には、
(3)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
(4)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも一方を含む乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池がさらに乾燥したときに、酸化ガスの圧力損失によりそれを検知して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
適用例3に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記2つの冷媒温度の差が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
この適用例によれば、冷媒の温度の差が小さいほど乾燥が進んでいると判断できるので、調整量を大きくすることにより、早期に乾燥状態から回復させることが可能となる。
適用例4に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
この適用例によれば、酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど乾燥が進んでいると判断できるので、調整量を大きくすることにより、早期に乾燥状態から回復させることが可能となる。
適用例1から適用例6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記単セル毎の起電力を測定する電圧計を備え、前記制御部は、前記各単セルの起電力の大きさに基づいて乾燥している単セルの位置を検出し、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っているときと、の間で異ならせるパラメータの値を補正するための第1の補正係数を決定し、前記第1の補正係数を用いて前記パラメータの値を補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置に基づいて制御するパラメータの値を補正するので、乾燥した単セルの乾燥の抑制、緩和を促進し、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
適用例7に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第1の補正係数を用いて前記酸化ガスの供給量を補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置により、酸化ガスの供給量を補正することにより、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
適用例7または適用例8に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記制御部は、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記燃料電池スタックの出口部における前記酸化ガスの背圧を補正するための第2の補正係数を決定し、前記第2の補正係数を用いて、前記背圧の大きさを補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置により、酸化ガスの背圧を補正することにより、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
燃料電池システムであって、積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記単セル毎の起電力を測定する電圧計と、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、いずれかの単セルの電圧低下を検知した場合には、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流量が、前記酸化ガスの流量を増大させると前記単セルの電圧が上がる第1の酸化ガス流量領域と、前記酸化ガスの流量を増大させると前記単セルの電圧が下がる第2の酸化ガス流量領域のいずれにあるかを判断し、前記第1の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、水排出運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、乾燥抑制運転を実行し、前記第2の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、前記乾燥抑制運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、前記水排出運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、単セルの電圧低下の原因が、乾燥によるものか、水溜まりによるものか、を判断し、それぞれに適した制御を行うことが可能となる。
燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの温度を取得する温度取得部と、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記酸化ガスの流量と、前記酸化ガスの温度とを用いて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で燃料電池スタック内部の水分布を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
適用例11に記載の燃料電池システムおいて、前記制御部は、あらかじめ定められた期間における前記酸化ガスの流量の変化があらかじめ定められた範囲内にある準定常状態か否かを判断し、前記酸化ガスの流量が準定常状態にある場合には、前記酸化ガスの温度があらかじめ定められた温度より大きい場合に、乾燥抑制運転を実行し、前記酸化ガスの流量が準定常状態にない場合に、前記酸化ガスの流量が増加傾向にあり、かつ、前記あらかじめ定められた期間における酸化ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた温度よりも大きい場合に、前記乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で燃料電池スタック内部の水分布を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。なお、酸化ガス流量が準定常状態の場合には水の気化量と、凝集量は釣り合っていると判断でき、酸化排ガスの温度が高いほど水の排出量が大きいので、燃料電池スタック内が乾燥し易いと言える。また、酸化ガスの流量が一定以上の速さで増加している場合には、水の気化量>凝集量であると判断され、水の気化量が大きいと、燃料電池スタックは、気化熱を奪われて温度が下がる。そして、酸化ガスの温度も下がる。したがって、酸化ガスの温度が下がっている場合には、燃料電池内の温度が上がる場合には、燃料電池スタック内部が乾燥し易くなっていると言える。
図5は、第1の実施例の処理内容を模式的に示す説明図である。第1の実施例では、制御部530は、燃料電池スタック600から排出される冷却水の温度を用いて、水分布(乾燥状態)を推定し、この水分布に基づいて燃料電池スタック600(図2)への反応ガスの供給を制御する。本実施例では、燃料電池510(図1)を冷却する冷媒として水(以下「冷却水」と呼ぶ。)を用いている。図5(A)は、単セル610における酸化ガスと冷却水の流れる方向を示している。酸化ガスは、図面の下方から上方に向かって流れている。冷却水は図面の左方から右方に流れている。したがって、酸化ガスの流れる向きと冷却水の流れる向きは、直交している。なお、図5では、燃料ガスの流れる向きについては、図示していないが、酸化ガスの流れの向きと、反対向き(カウンターフロー)とすることが好ましい。但し、燃料ガスの流れる向きと酸化ガスの流れの向きを同方向(コフロー)としてもよい。
(1)エア背圧を上げる。
(2)エアストイキ比を下げる。
(3)冷却水の流量を増す。
第2の実施例では、第1の実施例よりも乾燥が進んだ場合を考慮した制御を実行する。図9は、図5(C)に示す状態よりもさらに電解質膜620の乾燥が進んだ状態を示す説明図である。電解質膜620の乾燥がさらに進むと、以下の理由により、冷却水の下流部から電解質膜620が乾燥してくる。すなわち、冷却水上流部では、冷却水の温度が低いため、冷却水により冷やされて酸化ガス中の水分が結露し、電解質膜620の乾燥を緩和する。一方、冷却水下流部では、冷却水の温度が上がっているため、酸化ガス中の水分が結露しにくく、電解質膜620を湿潤させにくい。そのため、乾燥が進むと、電解質膜620は、冷却水下流部側から乾燥する。そのため、電気化学反応は、冷却水上流部に集中し、乾燥した冷却水下流部では、電気化学反応が起こりにくくなる。また、このような乾燥状態になると、冷却水下流部では、酸化ガスが流れやすくなり、酸化ガスの圧力損失PΔ(以下「カソード圧力損失PΔ」または「カソード圧損PΔ」とも呼ぶ。)が低下する。以上のことから、カソード圧力損失PΔを取得することにより、制御部530は、電解質膜620の乾燥状態が、図5(C)に示す状態にとどまっているか、それとも、図9に示す状態まで進行してしまったか、を判断することができる。すなわち、カソード圧力損失PΔが、あらかじめ定められた閾値Pθよりも小さい場合には、制御部530は、電解質膜620の乾燥状態が、図9に示す状態まで進行してしまったと判断することが可能となる。
I×(Vo−V)=k×AA×Qfcc×(dT/dt) …(1)
ここで左辺のIは平均電流[A]を示し、Voは、ギブスエネルギーから求めた発電電圧の理論値[V]、Vは測定された燃料電池の電圧[V]を示している。Vo−Vは電圧の損失であり、左辺のI×(Vo−V)は、発熱量を示している。
図13は、第3の実施例を模式的に示す説明図である。第3の実施例では、乾燥した単セル610の積層方向の位置に基づいて、調整量の補正を行う。燃料電池スタック600は、複数の単セル610を備えている。単セル610は、積層されている。燃料電池スタック600は、単セル610に酸化ガスを供給排出するための酸化ガス供給マニホールド642、酸化ガス排出マニホールド647を備えている。また、図2に示す電流電圧計605は、単セル610毎に電圧を測定できるように構成されている。
I×(Vo−V)=k×AA×α×Qfcc×(dT/dt)+K’×(T-Tb) … (2)
ここで式(2)の左辺は、上述した式(1)の左辺と同じである。式(2)の右辺第1項は、式(1)の右辺と同様に、冷却水による放熱量を示している。右辺第2項は、燃料電池スタックから大気への放熱量を示している。ここでk’は、外部放熱係数であり、実験により求めることが可能である。実験により得られた外部放熱係数k’の値は0.001である。Tは、燃料電池スタック600の温度を示し、冷却排水の温度と等しい。Tbは外気温である。
図15は、第4の実施例における制御フローチャートを示す。第4の実施例では、セル電圧が低下した単セルを検知し、その単セルの電圧低下が、乾燥によるものか、あるいは水溜まりによるものか、を判断し、それぞれの原因に対応する制御を行うものである。
図17は、第5の実施例における制御フローチャートを示す。第5の実施例は、酸化ガスの流量と、酸化ガスの温度とを用いて、燃料電池スタック600内の乾燥状態を判断し、その乾燥状態に基づいて燃料電池スタック600への酸化ガスの供給、排出を制御する。
図26は、第6の実施例における制御フローチャートを示す説明図である。第6の実施例では、単セル610の背圧に基づいて、乾燥抑制運転の調整量を決定し、適切な燃料電池の制御を行う。
Qwat=(Pwat/(Pall-Pwat))×Qdry …(3)
ここで、Pwatは、水蒸気分圧、Pallは、酸化ガスの背圧、Qdryは、酸化ガスの流量から発電で消費される酸素量を引いた量である。なお、この式(3)をマップとしたものが、図28に示すグラフである。
Qwat=(Pwat/(Pall×β-Pwat))×Qdry’ …(4)
ここで、Qdry’は、酸化ガスの流量を第3の実施例における補正係数αで補正した値であり、Qdry’=Qdry/αである。なお式(4)は、変形して、
Pall=Pwat×(1+Qdry’/ Qwat) /β …(4)’
で示すことが出来る。
500…車両
510…燃料電池
530…制御部
535…要求出力検知部
540…二次電池
550…分配コントローラ
560…駆動モータ
570…ドライブシャフト
580…分配ギア
590…車輪
600…燃料電池スタック
605…電流電圧計
610…単セル
620…電解質膜
630…アノード電極
635…カソード電極
640…アノードガス流路
642…酸化ガス供給マニホールド
645…カソードガス流路
647…酸化ガス排出マニホールド
650…燃料ガス供給系
655…燃料ガスタンク
660…燃料ガス供給管
665…燃料ガス排気管
670…開閉バルブ
675…レギュレータ
680…燃料ガスポンプ
685…圧力計
687…圧力計
690…露点計
695…流量計
700…酸化ガス供給系
705…コンプレッサ
710…酸化ガス供給管
715…酸化ガス排気管
720…加湿装置
725…背圧弁
730…圧力計
732…圧力計
735…露点計
737…温度計
740…流量計
745…第2の燃料ガス排気管
747…排気弁
750…冷却系
755…ポンプ
760…冷却水供給管
765…冷却水排出管
770…ラジエータ
775…冷却水還流管
780…ロータリー弁
785…温度計
790…温度計
Claims (12)
- 燃料電池システムであって、
積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、
前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系と、
前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部と、
前記2つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタックの乾燥状態を判断し、前記燃料電池スタック内が乾燥している場合には、前記燃料電池スタックの乾燥を抑制する乾燥抑制運転を実行する制御部と、
を備え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において、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転として、
(1)前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を減少する、
(2)前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの背圧を上げる、
(3)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
(4)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも1つを実行する、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において、
前記制御部は、前記2つの冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなった場合には、前記乾燥抑制運転を行い、前記2つの冷媒温度の差が前記あらかじめ定められた差分値以上になった場合には、前記乾燥抑制運転を停止する、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項3のうちのいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックにおける前記酸化ガスの圧力損失を測定する圧力損失測定部を備え、
前記制御部は、前記2つ冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなり、かつ、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失があらかじめ定められた損失値よりも小さくなった場合には、
(3)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
(4)前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも一方を含む乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記2つの冷媒温度の差が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記単セル毎の起電力を測定する電圧計を備え、
前記制御部は、
前記各単セルの起電力の大きさに基づいて乾燥している単セルの位置を検出し、
前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っているときと、の間で異ならせるパラメータの値を補正するための第1の補正係数を決定し、
前記第1の補正係数を用いて前記パラメータの値を補正する、燃料電池システム。 - 請求項7に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記第1の補正係数を用いて前記酸化ガスの供給量を補正する、燃料電池システム。 - 請求項7または請求項8に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記制御部は、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記燃料電池スタックの出口部における前記酸化ガスの背圧を補正するための第2の補正係数を決定し、
前記第2の補正係数を用いて、前記背圧の大きさを補正する、燃料電池システム。 - 燃料電池システムであって、
積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記単セル毎の起電力を測定する電圧計と、
前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、
前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
いずれかの単セルの電圧低下を検知した場合には、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流量が、前記酸化ガスの流量を増大させると単セルの電圧が上がる第1の酸化ガス流量領域と、前記酸化ガスの流量を増大させると単セルの電圧が下がる第2の酸化ガス流量領域のいずれにあるかを判断し、
前記第1の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、前記あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、水排出運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、乾燥抑制運転を実行し、
前記第2の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、前記乾燥抑制運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、前記水排出運転を実行する、
燃料電池システム。 - 燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、
前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの温度を取得する温度取得部と、
前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記酸化ガスの流量と、前記酸化ガスの温度とを用いて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する、燃料電池システム。 - 請求項11に記載の燃料電池システムおいて、
前記制御部は、
あらかじめ定められた期間における前記酸化ガスの流量の変化があらかじめ定められた範囲内にある準定常状態か否かを判断し、
前記酸化ガスの流量が準定常状態にある場合には、前記酸化ガスの温度があらかじめ定められた温度より大きい場合に、乾燥抑制運転を実行し、
前記酸化ガスの流量が準定常状態にない場合に、前記酸化ガスの流量が増加傾向にあり、かつ、前記あらかじめ定められた期間における酸化ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた温度よりも大きい場合に、前記乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
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