JP5429163B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
(1)平均印加電圧を上昇させても排出される不純物の濃縮効率は低下する一方で、電気化学的セル15での消費電力は上昇する。この結果、水素循環による効率的な水素利用を図ろうとする燃料電池システムの燃費が悪化する。
(2)平均印加電圧が上昇することで、電気化学的セル15の電極劣化や電解質膜15cの破損が生じる可能性が高くなる。
第1の具体例では、図10Aの上段に示すように、印加電圧が第一基準電圧もしくは第二基準電圧に到達する前に必ず経ることになる、該第一基準電圧もしくは第二基準電圧よりも低く設定された、変化緩和基準に対応する第三基準電圧を超えたときに、換言すると印加電圧が第三基準電圧より低くなったときに、上記到達判断で肯定判定される。そして、その後変化緩和処理が行われるが、変化緩和処理の一例として、図10Aの下段に示すように、電極間を流れる電流が該変化緩和処理を行う前より低下させることで、印加電圧の変化率を緩和させる。
第2の具体例では、図11に示すように、印加電圧の変化率を上記到達判断のパラメータとする。図11の上段には印加電圧の推移を示し、中段には該印加電圧の変化率の推移を示し、下段には電気化学的セル15の電極間の電流の推移を示す。図11の中段に示すように印加電圧の変化率が変化緩和基準に対応する所定の基準変化率に到達したときに、上記到達判断で肯定判定される。そして、その後変化緩和処理が行われるが、変化緩和処理の一例として、図11の下段に示すように、電極間を流れる電流が該変化緩和処理を行う前より低下させることで、印加電圧の変化率を緩和させる。また、図10B、図10Cで示した電流調整を行ってもよい。
第3の具体例では、上記到達判断を行うための制御マップをECU30が有しており、実際の印加電圧とその電圧変化率とが、該制御マップ内に定められている変化緩和処理を行う領域に属している場合に、上記到達判断における肯定判断を行うものとする。ここで、図12には印加電圧とその変化率とで確定される制御マップが示されており、当該制御マップは、図8に示すグラフを基に導出されている。ここでは、急激な印加電圧の変化に対応できずに排出弁20の開弁動作が遅れてしまうことを回避できるように、排出弁20の開弁の応答性、アノードオフガス中の不純物濃度に応じた印加電圧の変化速度等を踏まえて、変化緩和処理を行う領域(マップ中の斜線領域)が決定される。例えば、アノードオフガス中の不純物濃度が25%程度であれば排出弁20の応答性の問題は無いと考えられ、また印加電圧が極めて低い領域(例えば、−0.1V以下)では排出弁20にはそれほど厳しい開弁動作は求められないと考えられるため、これらを踏まえて図12では斜線で示す領域を、変化緩和処理を行う領域に設定する。
第4の具体例では、直近に排出弁20によってアノードオフガスの排出が実行、完了した直近完了時点から、入口電極15aと出口電極15bとの間に流れる電流の積算値である積算電流値を上記到達判断のパラメータとする。積算電流値は、電気化学的セル15において透過された水素の積算透過量を反映させるものであり、したがって印加電圧の変化率に大きな影響を与えるアノードオフガス中の不純物濃度をも反映するパラメータと考えられる。積算電流値を上記到達判断のパラメータとするとき、積算電流値が変化緩和基準に対応する所定の積算電流値に到達したときに、上記到達判断で肯定判定される。そして、その後変化緩和処理が行われるが、変化緩和処理の一例として、図10Aの下段に示すように、電極間を流れる電流が該変化緩和処理を行う前より低下させることで、印加電圧の変化率を緩和させる。また、図10B、図10Cで示した電流調整を行ってもよい。
Claims (10)
- 水素を含む燃料ガスが燃料電池での電気化学反応のためにそのアノード電極側に供され、且つ該燃料電池からのアノードオフガスの一部又は全部が再び該電気化学反応のために該燃料電池のアノード電極側に循環可能となるように循環経路を有する燃料電池システムであって、
電解質膜を挟んで設けられた入口電極および出口電極を有し、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの一部又は全部が前記入口電極に対して供給されるように前記循環経路に接続され、且つ該入口電極と出口電極との間に電流が流れることで該アノードオフガスに含まれる水素を該出口電極に選択的に透過させ、該透過された水素が該燃料電池のアノード電極側に供給可能に接続された電気化学的セルと、
前記電気化学的セルにおいて前記入口電極と前記出口電極との間に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記電気化学的セルの入口電極側に設けられ、少なくとも該入口電極内のアノードオフガスをシステム外に排出する排出部と、
前記電気化学的セルにおける水素透過のために消費する電力と、時間経過とともに該水素透過の効率低下が生じる該電気化学的セルにおいて前記排出部によって排出されるアノードオフガス中の水素残存濃度との相関である燃費ゲインによって決定される所定排出基準に従って、該排出部によるアノードオフガスの排出時期を制御する排出制御部と、
を備える、燃料電池システム。 - 前記排出制御部は、前記排出部によってアノードオフガスの排出が完了した、直近の所定完了時期からの時間経過において前記電気化学的セルの入口電極と出口電極間に印加された印加電圧の積算値の時間平均が、前記所定排出基準に対応する第一基準電圧値を超えたとき、該排出部によるアノードオフガスの排出を実行する、
請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記排出制御部は、さらに、前記電気化学的セルの入口電極と出口電極間に印加される印加電圧値が、前記電気化学的セルの入口電極における水素欠乏状態に起因した該電気化学的セルへの負荷に基づいて決定される第二基準電圧値を超えたとき、前記排出部によるアノードオフガスの排出を実行する、
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記第二基準電圧値は、前記電気化学的セルの入口電極において水素欠乏状態に起因して水電解が生じる電圧値である、
請求項3に記載の燃料電池システム。 - 前記電流制御部は、前記入口電極と前記出口電極との間の印加電圧を調整して両電極間の電流を制御し、且つ、前記電気化学的セルの入口電極と出口電極間に印加される印加電圧に基づいて前記排出制御部によってアノードオフガスの排出が実行される前に、該両電極間の印加電圧の時間変化率を緩和させる、
請求項2から請求項4の何れか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記電流制御部は、前記入口電極と前記出口電極との間の電流値を、該両電極間の印加電圧の時間変化率の緩和が行われる前の電流値よりも低減させるか、もしくは該両電極間の電流値を一時的に零とするか少なくとも何れか一方を行うことで、該両電極間の印加電圧の時間変化率の緩和を実行する、
請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記電流制御部は、前記電気化学的セルの入口電極と出口電極間に印加される印加電圧に関する所定電圧が、前記排出部によってアノードオフガスの排出が実行される際の基準電圧値より低く設定された第三基準電圧を超えたときに、該両電極間の印加電圧の時間変化率の緩和を実行する、
請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記電流制御部は、前記電気化学的セルの入口電極と出口電極間に印加される印加電圧の時間変化率に関する所定電圧変化率が、前記排出部によって排出されるアノードオフガス中の水素残存濃度に従って決定される基準変化率を超えたときに、該両電極間の印加電圧の時間変化率の緩和を実行する、
請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記電流制御部は、直近に前記排出部によってアノードオフガスの排出が完了した所定の完了時点からの時間経過における前記電気化学的セルの入口電極と出口電極間の積算電流値が、前記排出部によって排出されるアノードオフガス中の水素残存濃度に従って決定される基準積算電流値を超えたときに、該両電極間の印加電圧の時間変化率の緩和を実行する、
請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記電流制御部は、前記電気化学的セルの入口電極と出口電極間に印加される印加電圧の時間変化率が、前記排出部によって排出されるアノードオフガス中の水素残存濃度に基づいて決定される、該両電極間の印加電圧の時間変化率に関する制御マップ中の所定領域に属しているときに、該両電極間の印加電圧の時間変化率の緩和を実行する、
請求項5に記載の燃料電池システム。
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