JP5447661B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
燃料ガスの循環系の圧力が高く設定されると、アノード(水素極、負極)からカソード(酸素極、正極)へ、膜電極接合体(MEA)を透過する水素ガスの量が多くなる。よって、クロスリーク低減の観点からは、燃料ガス循環系の圧力は、低く設定されることが好ましい。燃料ガス循環系の圧力が低く設定される場合には、排気排水弁の径は大きく設定される。外部との圧力差が小さい状態において、定められた時間内に適切な量のガスを、燃料ガス循環系から外部に排出できるようにするためである。
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第1の圧力であるときに前記排気弁を開き、
前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力とする、燃料電池システム。
適用例1の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池に発電を行わせている際に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が所定の圧力となるように、前記圧力制御部をフィードバック制御し、
前記フィードバック制御におけるフィードバック信号と、前記圧力制御部の運転状態と、の少なくとも一方の変化に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知して、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第2の圧力にする、燃料電池システム。
適用例1の燃料電池システムであって、さらに、
前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサを備えており、
前記制御部は、前記圧力センサによって得られる測定値の低下に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知する、燃料電池システム。
適用例1ないし3のいずれかの燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第2の圧力にした後、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁が開いた状態において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第2の圧力よりも高い第3の圧力にする、燃料電池システム。
上記の態様においては、はじめに排気弁から液体の水を排出する際には、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を比較的低い第2の圧力とする。その結果、燃料排ガス流路の圧力も低く抑えられる。このため、キャビテーションの発生をおさえつつ、効率的に水を排出することができる。そして、水を排出した後には、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力をより高い第3の圧力とする。その結果、燃料排ガス流路の圧力も高くなる。このため、効率的にガスを排出することができる。
適用例1または2を限定した適用例4の燃料電池システムであって、さらに、
前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサを備えており、
前記制御部は、前記圧力センサによって得られる測定値の所定時間における低下幅が、所定のしきい値を超えた後に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第3の圧力にする前記処理を行う、燃料電池システム。
適用例1または2の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料排ガス流路内を流れる前記排ガスの一部を前記燃料ガス流路に戻す環流路と、
前記燃料電池の温度を決定するための温度センサと、
前記燃料電池から流れる電流の量を決定するための電流計と、
前記燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給される燃料ガスの圧力を測定する第1の圧力センサと、
前記圧力制御部が前記燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を測定する第2の圧力センサと、を備え、
前記圧力制御部は、前記燃料ガス流路において前記燃料ガス供給源と前記燃料電池との間に設けられ、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとしての水素ガスを、制御された圧力で前記燃料電池に供給することができるインジェクタであり、
前記制御部は、
前記開弁時に、前記排気弁からガスを排出しつつ、前記圧力制御部を介して前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に供給し、
前記燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給された燃料ガスの圧力と、前記圧力制御部が前記燃料電池に供給した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池の温度と、前記燃料電池が流す電流と、に基づいて得られるパラメータが所定の値を上回ったときに、前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。
一方、排気弁から排出されるガスの平均分子量の平方根は、排気弁から排出されるガスの単位時間当たりの流量に反比例する。
そして、排気弁から排出されるガスのうち、窒素は、主として燃料電池において生じるクロスリークにより、燃料排ガス流路に混入する。クロスリークの量は、燃料電池の温度と相関がある。
また、排気弁から排出されるガスのうち、水蒸気は、主として燃料電池における発電によって生じる水に起因する。この水蒸気の量は、燃料電池における発電の電流量および燃料電池の温度と相関がある。
さらに、排気弁から排出されるガスのうち、水素ガスの量は、インジェクタを介して燃料電池に供給された水素と、燃料電池における発電によって消費された水素との差として得られる。そして、インジェクタを介して燃料電池に供給された水素の量は、圧力制御部の前後における圧力差から決定しうる。
上記の態様においては、圧力制御部に供給された燃料ガスの圧力と、圧力制御部から燃料電池に供給され燃料ガスの圧力と、燃料電池の温度と、燃料電池の温度と、燃料電池の電流と、に基づいて得られるパラメータが所定の値を上回ったときに、排気弁を閉じる。そのような態様とすることで、系を循環するガスから不純物が十分に排出された状態で、排気弁を閉じることができる。
適用例1ないし6のいずれかの燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を閉じる前に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力をそれまでよりも低下させ、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が前記低下された状態において前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、を備え、
前記方法は、
(a)前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第1の圧力であるときに前記排気弁を開く工程と、
(b)前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を開いた後、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力にする工程と、を備える方法。
A1.装置の全体構成:
図1は、本発明の実施例である燃料電池システム10の構成の概略を表すブロック図である。燃料電池システム10は、発電の本体である燃料電池22と、燃料電池22に供給する水素を貯蔵する水素タンク23と、燃料電池22に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ24と、を備えている。燃料電池22としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池22として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池22は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。
前述のように、制御部70は、弁用マップMvを参照し、燃料電池22の発電量の積算値に基づいて、開閉弁50を開閉する。そして、制御部70は、開閉弁50を開閉に応じて、インジェクタ62の運転状態を制御する。
第2実施例の燃料電池システムにおいては、目標圧力を維持するためのインジェクタ62のフィードバック制御の内容、開閉弁50が開いたことを検知する方法(図4の時刻t4参照)、ならびに開閉弁50を閉じるタイミングの決定方法が、第1実施例の燃料電池システム10とは異なる。ハードウェア構成を含む第2実施例の燃料電池システムの他の点は、第1実施例の燃料電池システム10と同じである。
図8は、第2実施例において、制御部70が行うインジェクタ62の制御の内容を示すチャートである。図8において、図4と同じ符号は、図4と同じ対象を表す。なお、図8において、第1実施例におけるインジェクタ62の下流側の水素ガスの圧力Poと、デューティ比Diとを、参考のために破線で示す。
第2実施例においては、制御部70は、以下で説明する条件が満たされた場合は、開弁からの時間が、弁用マップMvにしたがって定められた時間Tvoに達していなくても、開閉弁50を閉じる。
開閉弁50内のガスは、燃料ガスとしての水素ガスと、不純物としての窒素ガスおよび水蒸気と、を含む。水素ガスの分子量は2である。窒素ガスの分子量は14である。水蒸気(水)の分子量は18である。このため、排気弁から排出されるガスの平均分子量は、2〜18である。一方で、燃料ガスとしての水素ガスの分子量は2である。
図10は、制御部70が有する、開閉弁50から排出される窒素ガスの単位時間当たりの量qnに関するマップMnを表す図である。図10の縦軸は、開閉弁50から排出される窒素ガスの単位時間当たりの量qnを表す。図10の横軸は、燃料電池22の冷却水の温度Twを表す。開閉弁50から排出されるガスのうち、窒素は、主として燃料電池22において生じるクロスリークにより、燃料ガス循環系に混入する。窒素のクロスリークの量は、燃料電池22の温度と相関がある。そして、燃料電池22の温度は、冷却水路41に設けられた温度センサ43が検出する冷却水の温度Twに基づいて決定することができる。
図11は、制御部70が有する、開閉弁50から排出される単位時間当たりの水蒸気の量qwに関するマップMw1,Mw2,Mw3を表す図である。図11の縦軸は、開閉弁50から排出される水の単位時間当たりの量qwを表す。図11の横軸は、燃料電池22の単位時間当たりの発電量Pgを表す。開閉弁50から排出されるガスのうち、水蒸気は、主として燃料電池22における発電によって生成される水に起因する。この水蒸気の量は、燃料電池22における発電量Pgおよび燃料電池22の温度と相関がある。燃料電池22における発電量は、電流計35が検出する電流量を単位時間だけ時間で積分して得られる量に基づいて、決定することができる。燃料電池22の温度は、温度センサ43が検出する冷却水の温度Twに基づいて決定することができる。
開閉弁50から排出されるガスのうち、水素ガスの量は、インジェクタ62を介して燃料電池22に供給された水素と、燃料電池22における発電によって消費された水素との差として得られる。そして、インジェクタ62を介して燃料電池22に供給された水素の量は、インジェクタ62の前後における圧力差を単位時間だけ時間で積分して得られる量に基づいて、決定することができる。ここで、インジェクタ62の上流側の圧力は、圧力センサ66aで得ることができる。インジェクタ62の下流側の圧力は、圧力センサ66bで得ることができる。また、燃料電池22における発電によって消費された水素の量は、燃料電池22における発電量に基づいて決定することができる。そして、燃料電池22における発電量は、電流計35が検出する電流量を時間で積分して得られる量に基づいて、決定することができる。
以上より、制御部70は、マップMn,Mw,Mhを参照しつつ、温度センサ43が検出する冷却水の温度と、電流計35が検出する電流量と、圧力センサ66a,66bが検出する圧力と、から、開閉弁50から排出されるガスの単位時間当たりの流量Qを得ることができる。
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。
上記実施例では、開弁後、インジェクタ62の下流側の圧力Poの単位時間当たりの低下幅が、所定のしきい値Tr6より大きくなったことを検知して、液体の水の排出が完了したことを検知し、デューティDiを上げている(図4および図8のTp6参照)。しかし、開弁後、デューティDiを上げる時刻は、あらかじめ定めることもできる。
上記実施例では、燃料電池22に圧力を調整した燃料ガスを供給するのは、PWM制御が可能なインジェクタ62である。しかし、燃料電池22に圧力を調整した燃料ガスを供給する構成は、他の方式による圧力調整弁とすることもできる。
上記第2実施例では、インジェクタ62のデューティDiに基づいて、開閉弁50が開いたことを検知している(図8の時間区間Tp3参照)。しかし、開閉弁50が開いたことの検知は、他の方法で行うこともできる。たとえば、インジェクタ62の下流側の圧力センサ66bが測定した水素ガスの圧力Poと、その目標圧力と、の差が、所定値よりも大きくなったことを検知して、開閉弁50が開いたことを検知することもできる。より具体的には、インジェクタ62のフィードバック信号をモニタすることにより、そのような制御を行うことができる。
上記第1実施例においては、インジェクタ62と燃料電池22との間の圧力の変化を、圧力センサ66bによって検知することで、開閉弁50が開いたことを検知している(図4の時間区間Tp3参照)。しかし、開閉弁50が開いたことを検知するための圧力センサは、燃料電池22の下流側など、他の部位について設けることもできる。すなわち、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を測定するセンサとすることもでき、燃料電池から排出される燃料排ガスの圧力を測定するセンサとすることもできる。
上記第1実施例においては、インジェクタ62の下流側の圧力Poの単位時間当たりの低下幅が、所定のしきい値Tr6より大きくなったことを検知すると、制御部70は、インジェクタ62のデューティ比Diを、D4からD5に上昇させる(図4の時間区間Tp6,Tp7参照)。しかし、排水後、インジェクタ62のデューティ比Diを上げるタイミングは、他の方法で検知することもできる。
上記実施例においては、燃料電池22の温度は、冷却水の温度Twに基づいて決定されている。しかし、燃料電池22の温度は、他の方法で決定されることもできる。そして、燃料電池22の温度は、その温度が燃料電池22の温度と相関を有する他の構成(たとえば、冷却水や冷却水配管、その他燃料電池22に取りつけられる構造)の温度に基づいて決定することができる。
以上では、本願発明をその好ましい例示的な実施例を参照して詳細に説明した。しかし、本願発明は、以上で説明した実施例や構成に限定されるものではない。そして、本願発明は、様々な変形や均等な構成を含むものである。さらに、開示された発明の様々な要素は、様々な組み合わせおよび構成で開示されたが、それらは例示的な物であり、各要素はより多くてもよく、また少なくてもよい。そして、要素は一つであってもよい。それらの態様は本願発明の範囲に含まれるものである。
Claims (7)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池に発電を行わせている際に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が所定の圧力となるように、前記圧力制御部をフィードバック制御し、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第1の圧力であるときに前記排気弁を開き、
前記フィードバック制御におけるフィードバック信号と、前記圧力制御部の運転状態と、の少なくとも一方の変化であって、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの量を増大させる変化に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知して、前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力とする、燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサを備えており、
前記制御部は、前記圧力センサによって得られる測定値の低下に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知する、燃料電池システム。 - 請求項1または2記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第2の圧力にした後、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁が開いた状態において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第2の圧力よりも高い第3の圧力にする、燃料電池システム。 - 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサと、
前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第1の圧力であるときに前記排気弁を開き、
前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力とし、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第2の圧力にした後であって、前記圧力センサによって得られる測定値の所定時間における低下幅が、所定のしきい値を超えた後に、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁が開いた状態において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第2の圧力よりも高い第3の圧力にする、燃料電池システム。 - 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
前記燃料排ガス流路内を流れる前記排ガスの一部を前記燃料ガス流路に戻す環流路と、
前記燃料電池の温度を決定するための温度センサと、
前記燃料電池から流れる電流の量を決定するための電流計と、
燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給される燃料ガスの圧力を測定する第1の圧力センサと、
前記圧力制御部が前記燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を測定する第2の圧力センサと、
前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
前記圧力制御部は、前記燃料ガス流路において前記燃料ガス供給源と前記燃料電池との間に設けられ、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとしての水素ガスを、制御された圧力で前記燃料電池に供給することができるインジェクタであり、
前記制御部は、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第1の圧力であるときに前記排気弁を開き、
前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力とし、
前記開弁時に、前記排気弁からガスを排出しつつ、前記圧力制御部を介して前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に供給し、
前記燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給された燃料ガスの圧力と、前記圧力制御部が前記燃料電池に供給した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池の温度と、前記燃料電池が流す電流と、に基づいて得られるパラメータであって、排出される前記ガスの単位時間当たりの流量を表すパラメータが、所定の値を上回ったときに、前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を閉じる前に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力をそれまでよりも低下させ、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が前記低下された状態において前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。 - 燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、を備え、
前記方法は、
(a)前記燃料電池に発電を行わせている際に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が所定の圧力となるように、前記圧力制御部をフィードバック制御する工程と、
(b)前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第1の圧力であるときに前記排気弁を開く工程と、
(c)前記フィードバック制御におけるフィードバック信号と、前記圧力制御部の運転状態と、の少なくとも一方の変化に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知して、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を開いた後、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力にする工程と、を備える方法。
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