JP5967219B2 - Fuel cell system and control method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
JP2008−277215Aの燃料電池システムは、電解質膜を挟んだアノード側及びカソード側の圧力差(差圧)を考慮して、アノードガス及びカソードガスの供給圧力を制御している。 In the fuel cell system of JP2008-277215A, the supply pressure of the anode gas and the cathode gas is controlled in consideration of the pressure difference (differential pressure) between the anode side and the cathode side across the electrolyte membrane.
MEA(Membrane Electrode Assembly;膜電極接合体)に供給されるアノードガスと、燃料電池を冷却するための冷却水とは、MEAに隣接するセパレーターを介して供給される。 The anode gas supplied to the MEA (Membrane Electrode Assembly) and the cooling water for cooling the fuel cell are supplied via a separator adjacent to the MEA.
現在、脈動システムの開発が進められている。 Currently, development of a pulsation system is underway.
このようなシステムでは、通常、要求発電に応じて脈動圧力を制御するとともに、湿潤状態や高負荷時などの負荷状態に応じて冷却水流量を制御する。 In such a system, normally, the pulsation pressure is controlled according to the required power generation, and the cooling water flow rate is controlled according to the load state such as a wet state or a high load.
上記のようにして制御される脈動圧力と冷却水圧力とが重なる圧力になると、アノード側の圧力が冷却水側の圧力より高くなるのと低くなるのとを繰り返す。これによってセパレーターが振動し、音振やセパレーターへの耐久性劣化の可能性があることが発明者らによって知見された。 When the pulsation pressure and the cooling water pressure controlled as described above overlap with each other, the anode side pressure is repeatedly increased and decreased as compared with the cooling water side pressure. It has been found by the inventors that the separator vibrates and there is a possibility of sound vibration and deterioration of the durability of the separator.
本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、振動が生じにくい燃料電池システムを提供することである。 The present invention has been made paying attention to such problems. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that is less prone to vibration.
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、カソード極に供給されるカソードガスと、アノード極に供給されるアノードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池であって、アノード極とセパレーターを介して冷却水が供給される冷却システムを備えた燃料電池システムである。この燃料電池システムは、要求発電量に基づいて燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、を含む。さらに燃料電池システムは、燃料電池スタック内の冷却水の圧力が脈動圧力の変動範囲外となるように、冷却水の流量及び/又はアノードガスの脈動圧を制御する制御部と、を含む。そして、冷却水の圧力が燃料電池内のアノードガスの脈動圧力よりも高い状態から両圧力が近づく場合、制御部は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動圧よりも高くなるように冷却水の流量を増加させる。 One aspect of a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting a cathode gas supplied to a cathode electrode and an anode gas supplied to an anode electrode. A fuel cell system including a cooling system to which cooling water is supplied via an anode electrode and a separator. This fuel cell system is based on a fuel gas supply unit that supplies anode gas to the anode electrode of the fuel cell at a predetermined pulsating pressure based on the required power generation amount, a wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell, or a heat dissipation requirement of the fuel cell. And a cooling water supply unit for supplying a predetermined cooling water flow rate. The fuel cell system further includes a control unit that controls the flow rate of the cooling water and / or the pulsation pressure of the anode gas so that the pressure of the cooling water in the fuel cell stack falls outside the fluctuation range of the pulsation pressure. And when both pressures approach from the state where the pressure of the cooling water is higher than the pulsation pressure of the anode gas in the fuel cell, the control unit makes the cooling water so that the pressure of the cooling water becomes higher than the pulsation pressure of the anode gas. Increase the flow rate.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明による燃料電池システムの第1実施形態を示す図である。(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
最初に図1を参照して、本発明による燃料電池システムの基本構成について説明する。 First, a basic configuration of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.
本発明による燃料電池システムは、アノードガスH2の供給停止が繰り返されて、アノードガスH2が脈動供給される、いわゆるアノードデッドエンドタイプのシステムである。アノードガスH2が供給されると燃料電池スタック内のアノード圧が上昇する。アノードガスH2が停止されて燃料電池スタック内でアノードガスが発電消費されるとアノード圧が下降する。これが繰り返されることで、アノードガスH2の利用効率が向上する。また発電反応を促進すべく、燃料電池スタック10は、電解質膜が適度な湿潤状態に維持される。このようにするために、燃料電池スタック10には、カソードライン20と、アノードライン30と、冷却水循環ライン40と、が接続される。The fuel cell system according to the present invention is a so-called anode dead end type system in which the supply of the anode gas H 2 is repeatedly stopped and the anode gas H 2 is supplied in a pulsating manner. When the anode gas H 2 is supplied, the anode pressure in the fuel cell stack increases. When the anode gas H 2 is the anode gas is generated consumed in is stopped the fuel cell stack anode pressure is lowered. By repeating this, the utilization efficiency of the anode gas H 2 is improved. Further, in order to promote the power generation reaction, the
カソードライン20には、燃料電池スタック10に供給されるカソードガスO2が流れる。カソードライン20には、コンプレッサー21と、WRD(Water Recovery Device)22と、カソード調圧弁23と、が設けられる。The cathode gas O 2 supplied to the
コンプレッサー21は、燃料電池スタック10やWRD22よりも上流のカソードライン20に配置される。コンプレッサー21は、たとえばモーターによって駆動される。コンプレッサー21は、カソードライン20を流れるカソードガスO2の流量を調整する。カソードガスO2の流量は、コンプレッサー21の回転速度によって調整される。The
WRD22は、燃料電池スタック10に導入される空気を加湿する。WRD22は、加湿対象となるガスが流れる被加湿部と、加湿源となる水含有ガスが流れる加湿部と、を含む。被加湿部には、コンプレッサー21によって導入された空気が流れる。加湿部には、燃料電池スタック10を通流して水を含有しているガスが流れる。
The
カソード調圧弁23は、燃料電池スタック10よりも下流のカソードライン20に設けられる。カソード調圧弁23は、カソードライン20を流れるカソードガスO2の圧力を調整する。カソードガスO2の圧力は、カソード調圧弁23の開度によって調整される。The cathode
アノードライン30には、燃料電池スタック10に供給されるアノードガスH2が流れる。アノードライン30には、H2タンク31と、アノード調圧弁32と、バッファータンク33と、パージ弁34と、が設けられる。The anode gas H 2 supplied to the
H2タンク31には、アノードガスH2が高圧状態で貯蔵されている。H2タンク31は、アノードライン30の最上流に設けられる。In the H 2 tank 31, the anode gas H 2 is stored in a high pressure state. The H 2 tank 31 is provided on the uppermost stream of the anode line 30.
アノード調圧弁32は、H2タンク31の下流に設けられる。アノード調圧弁32は、H2タンク31からアノードライン30に供給するアノードガスH2の圧力を調整する。アノードガスH2の圧力は、アノード調圧弁32の開度によって調整される。上述のように、本発明による燃料電池システムでは、アノードガスH2の供給停止が繰り返される。すなわち、アノード調圧弁32の開閉が繰り返されることで、アノードガスH2の供給停止が繰り返される。アノードガスH2の供給圧力は、燃料電池に要求される発電量に応じて設定される。すなわち要求発電量が高いほど、アノードガスH2の供給圧力も高くなる。The anode
バッファータンク33は、燃料電池スタック10の下流に設けられる。バッファータンク33は、燃料電池スタック10から流出したアノードガスH2を蓄える。The buffer tank 33 is provided downstream of the
パージ弁34は、バッファータンク33の下流に設けられる。燃料電池スタックでは、カソード流路に空気(酸素)が供給されるとともに、アノード流路に水素が供給される。この結果、電解質膜で発電反応が生じる。このとき、カソード流路に供給された空気の一部が電解質膜を透過してアノード流路に漏れることがある。この場合、空気中の窒素N2は、反応することなく、バッファータンク33に溜まる。このような窒素N2が、燃料電池スタックのアノード流路に逆流しては、水素分圧が下がってしまって、発電反応が阻害される。そこで適時、パージ弁34が開かれて、アノードガスH2とともに窒素N2がパージされる。The
アノードガスの圧力は、圧力センサー131で検出される。
The pressure of the anode gas is detected by the
冷却水循環ライン40には、燃料電池スタック10に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン40には、ラジエーター41と、三方弁42と、ウォーターポンプ43と、が設けられる。また冷却水循環ライン40には、バイパスライン400が並設される。バイパスライン400は、ラジエーター41よりも上流から分岐し、ラジエーター41よりも下流に合流する。このためバイパスライン400を流れる冷却水は、ラジエーター41をバイパスする。
The cooling water supplied to the
ラジエーター41は、冷却水を冷却する。ラジエーター41には、クーリングファン410が設けられている。
The
三方弁42は、バイパスライン400の合流部分に位置する。三方弁42は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。
The three-
ウォーターポンプ43は、三方弁42の下流に位置する。ウォーターポンプ43は、三方弁42を流れた冷却水を燃料電池スタック10に送る。ウォーターポンプ43の回転速度が上がれば、冷却水の流量が増すとともに、冷却水の圧力が上昇する。ウォーターポンプ43の回転速度が下がれば、冷却水の流量が減るとともに、冷却水の圧力が下降する。
The
また冷却水循環ライン40の途中には、加圧キャップ421が設けられる。冷却水循環ライン40の冷却水の圧力が第1設定圧よりも高圧になると、加圧キャップ421が開弁する。この結果、冷却水循環ライン40の冷却水がリザーバータンク422に逃がされる。また冷却水循環ライン40の冷却水の圧力が第2設定圧よりも低圧になると、加圧キャップ421が開弁する。この結果、リザーバータンク422の冷却水が冷却水循環ライン40に戻される。
A pressurizing
冷却水の圧力は、スタック入口圧力センサー141及びスタック出口圧力センサー142で検出される。冷却水の温度は、温度センサー143で検出される。
The pressure of the cooling water is detected by the stack
種々センサーの信号は、コントローラーに送られる。コントローラーは、これらの信号に基づいて、コンプレッサー21、カソード調圧弁23、アノード調圧弁32、パージ弁34、三方弁42、ウォーターポンプ43の作動を制御する。
Various sensor signals are sent to the controller. Based on these signals, the controller controls the operations of the
このような構成によって、燃料電池スタック10は、適温に維持されることで、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されて、反応ガス(カソードガスO2、アノードガスH2)が供給されて発電する。なお、電解質膜の湿潤度は、インピーダンスから把握できる。すなわち電解質膜の湿潤度が小さいほど(電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど)、インピーダンスは大きくなる。電解質膜の湿潤度が大きいほど(電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど)、インピーダンスは小さくなる。この特性を利用して、たとえば燃料電池スタックの発電電流をたとえば1kHzの正弦波で変動させて電圧の変動を見る。そして1kHzの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することでインピーダンスを求める。そしてこのインピーダンスに基づいて電解質膜の湿潤度を得ることができる。なおインピーダンスは、このように高周波の交流を用いて求めるので、以下では、適宜、HFR(High Frequency Resistance)と称する。With such a configuration, the
電解質膜の湿潤度を調整するには、たとえば冷却水の流量を調整すればよい。冷却水の流量が上がれば、燃料電池スタックの温度が下がり、燃料電池スタックから排出されるカソードガスO2に含まれる水分が減る。この結果、電解質膜の湿潤度が上がる。冷却水の流量が下がれば、燃料電池スタックの温度が上がり、燃料電池スタックから排出されるカソードガスO2に含まれる水分が増す。この結果、電解質膜の湿潤度が下がる。In order to adjust the wetness of the electrolyte membrane, for example, the flow rate of the cooling water may be adjusted. If the flow rate of the cooling water increases, the temperature of the fuel cell stack decreases, and the moisture contained in the cathode gas O 2 discharged from the fuel cell stack decreases. As a result, the wetness of the electrolyte membrane increases. If the flow rate of the cooling water decreases, the temperature of the fuel cell stack increases and the moisture contained in the cathode gas O 2 discharged from the fuel cell stack increases. As a result, the wetness of the electrolyte membrane decreases.
次に本発明の理解を容易にすべく、図2A及び図2Bを参照して、一般的な燃料電池システムで起こり得る事象について説明する。 Next, in order to facilitate understanding of the present invention, events that may occur in a general fuel cell system will be described with reference to FIGS. 2A and 2B.
図2Aは、MEAの一例を示す平面図である。図2Bは、図2Aの2B−2B断面の一部を拡大した図である。図2B(a)は、アノード圧が冷却水圧よりも大きい状態を示す。図2B(b)は、アノード圧が冷却水圧よりも小さい状態を示す。 FIG. 2A is a plan view showing an example of an MEA. FIG. 2B is an enlarged view of a part of the 2B-2B cross section of FIG. 2A. FIG. 2B (a) shows a state where the anode pressure is larger than the cooling water pressure. FIG. 2B (b) shows a state where the anode pressure is smaller than the cooling water pressure.
図2Aに示されるように、燃料電池スタック10を構成するMEA100は、電解質膜110の両側にガス拡散部120が形成されている。ガス拡散部120には、エンボスが形成されている。またMEA100には、アノード供給口101aと、アノード排出口101bと、カソード供給口102aと、カソード排出口102bと、冷却水供給口103aと、冷却水排出口103bとが設けられている。本実施形態では、カソード供給口102a、冷却水供給口103a及びアノード排出口101bは図中右側に設けられている。またアノード供給口101a、冷却水排出口103b及びカソード排出口102bは図中左側に設けられている。MEA100が積層されると、これによってマニホールドが形成される。
As shown in FIG. 2A, the
図2B(a)に示されるように、MEA100の一方の面にアノードセパレーター200が重ねられ、他方の面にカソードセパレーター300が重ねられる。このようなアッセンブリーのうち、MEA100とアノードセパレーター200とで形成される空間がアノード流路である。MEA100とカソードセパレーター300とで形成される空間がカソード流路である。そして、ひとつのアッセンブリーに別のアッセンブリーが積層されて燃料電池スタック10が構成される。すなわち、ひとつのアッセンブリーのアノードセパレーター200の上に、別のアッセンブリーのカソードセパレーター300が重ねられて燃料電池スタック10が構成される。なおひとつのアッセンブリーのアノードセパレーター200と、別のアッセンブリーのカソードセパレーター300とで形成される空間が冷却水流路である。
As shown in FIG. 2B (a), the
各アッセンブリーは、電解質膜110の付近では互いに当接しているが、図2B(a)に示されるような電解質膜110が無いガス拡散部120の付近では、積層時の誤差が吸収できるように、板厚方向で微小な隙間が設けられている。
The respective assemblies are in contact with each other in the vicinity of the
上述のように、アノードガスH2は、要求発電量に応じた圧力で脈動供給される。また冷却水の流量は、電解質膜の湿潤度に応じて調整される。このように別々のパラメーターに基づいて制御されるので、アノードガスH2の脈動圧と冷却水の圧力と重なる場合がある。アノードガスH2の圧力が上昇して冷却水の圧力よりも大きくなると、図2B(a)に示されるように、アノード流路が広がり冷却水流路が狭まる。アノードガスH2の圧力が下降して冷却水の圧力よりも小さくなると、図2B(b)に示されるように、アノード流路が狭まり冷却水流路が広がる。これが繰り返されると、冷却水が脈動して燃料電池スタック10から流出することとなる。すると、冷却水循環ライン40が脈動してしまい、異音や振動が生じることが発明者らによって知見された。そこで、このような事態が生じないように、アノードガスの脈動圧又は冷却水流量を調整するようにしたのである。以下では、具体的な制御内容について説明する。As described above, the anode gas H 2 is pulsating supplied at a pressure corresponding to the required power generation amount. The flow rate of the cooling water is adjusted according to the wetness of the electrolyte membrane. This is controlled based on different parameters as, in some cases overlap the pulsation pressure of the anode gas between H 2 and pressure of the cooling water. When the pressure of the anode gas H 2 is greater than the pressure of the cooling water rises, as shown in FIG. 2B (a), the cooling water passage narrows anode channel is spread. When the pressure of the anode gas H 2 is less than the pressure of the cooling water is lowered, as shown in FIG. 2B (b), the cooling water flow path spreads narrowed anode channel. When this is repeated, the cooling water pulsates and flows out of the
図3は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動下限圧よりも低圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御内容を示す制御ブロック図である。 FIG. 3 is a control block diagram showing control contents when correcting the flow rate of the cooling water when the pressure of the cooling water is lower than the pulsation lower limit pressure of the anode gas.
アノードガスの圧力は、ブロックB101と、ブロックB102とで制御される。具体的な内容は、以下で説明される。 The pressure of the anode gas is controlled by the block B101 and the block B102. Specific contents will be described below.
ブロックB101は、要求発電量Iに基づいてアノードガスH2の脈動圧(脈動上限圧及び脈動下限圧)を設定する。具体的には、ブロックB101は、たとえば予め設定されているマップに要求発電量Iを適用して、アノードガスH2の脈動圧(脈動上限圧及び脈動下限圧)を設定すればよい。なお、脈動上限圧は、アノードガスH2の圧力が脈動しているときの脈動圧力について脈動圧力が変動する変動範囲の上限値である。また脈動下限圧は、脈動圧力の変動範囲の下限値である。Block B101 sets the pulsating pressure of the anode gas H 2 (pulsating upper pressure and pulsation lower pressure) based on the required power generation amount I. Specifically, block B101, for example by applying the required amount of generated electricity I to the map that has been set in advance may be set pulsation pressure of the anode gas H 2 (pulsating upper pressure and pulsation lower pressure). Incidentally, the pulsation limit pressure is the upper limit of the variation range of the pulsation pressure is varied for the pulsation pressure when the pressure of the anode gas H 2 is pulsating. The pulsation lower limit pressure is the lower limit value of the fluctuation range of the pulsation pressure.
ブロックB102は、圧力センサー131で検出されたアノードガスの実圧力PH2をフィードバックして、その実圧力PH2が目標値に一致するようにアノード調圧弁32を制御する。
The block B102 feeds back the actual pressure PH2 of the anode gas detected by the
冷却水の流量は、ブロックB201と、ブロックB202と、ブロックB203と、ブロックB204と、ブロックB205とで制御される。具体的な内容は、以下で説明される。 The flow rate of the cooling water is controlled by the block B201, the block B202, the block B203, the block B204, and the block B205. Specific contents will be described below.
ブロックB201は、要求発電量Iに基づいて目標HFRを設定する。具体的には、たとえば予め設定されているマップに要求発電量Iを適用して、目標HFRを設定すればよい。 Block B201 sets the target HFR based on the required power generation amount I. Specifically, the target HFR may be set by applying the required power generation amount I to a preset map, for example.
ブロックB202は、検出された実HFRをフィードバックして、その実HFRが目標HFRに一致するようにウォーターポンプ43の回転速度を設定する。
The block B202 feeds back the detected actual HFR and sets the rotation speed of the
ブロックB203は、ブロックB202で設定されたウォーターポンプの回転速度と、燃料電池スタックの放熱要求によって設定されるウォーターポンプの回転速度とを比較して、大きい方を、ウォーターポンプ43の回転速度基本値として出力する。
The block B203 compares the rotation speed of the water pump set in the block B202 with the rotation speed of the water pump set by the heat release request of the fuel cell stack, and the larger one is the basic rotation speed value of the
ブロックB204は、ブロックB101で設定されたアノードガスH2の脈動下限圧と、スタック入口圧力センサー141で検出された冷却水の実圧とに基づいて、ポンプ回転補正量を設定する。なお、冷却水の圧力は、アノードガスH2の脈動下限圧と比較するときには、スタック入口圧力センサー141の検出値を用いる。スタック入口の圧力が最も高く、アノードガスH2の脈動下限圧を上回る可能性が高いからである。また後述の実施形態のように、アノードガスH2の脈動上限圧と比較するときには、スタック出口圧力センサー142の検出値を用いる。スタック出口の圧力が最も低く、アノードガスH2の脈動上限圧を下回る可能性が高いからである。Block B204 is a pulsating lower pressure of the anode gas H 2 which is set in block B101, based on the actual pressure of the cooling water detected by the stack
ポンプ回転補正量は、たとえば予め図4のように設定されているマップに、アノードガスH2の脈動下限圧から冷却水実圧を減算した値を適用して設定される。図4に示される例では、アノードガスH2の脈動下限圧から冷却水実圧を減算した値がゼロよりも大きい一定範囲でのみ、一定の補正量(負値)が設定される。Pump rotational compensation amount is, for example previously has been set to the map as shown in FIG. 4, are set by applying a value obtained by subtracting the coolant actual pressure pulsation lower pressure of the anode gas H 2. In the example shown in FIG. 4, a constant correction amount (negative value) is set only in a certain range in which the value obtained by subtracting the actual cooling water pressure from the pulsation lower limit pressure of the anode gas H 2 is greater than zero.
ブロックB205は、ブロックB203から出力されたウォーターポンプ43の回転速度基本値を、ブロックB204から出力されたポンプ回転補正量で補正して、ウォーターポンプ43の回転速度を設定する。そして、ウォーターポンプ43の回転を制御する。
The block B205 corrects the rotation speed basic value of the
図5は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動下限圧よりも低圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御を実行したときのタイミングチャートである。 FIG. 5 is a timing chart when the control for correcting the flow rate of the cooling water is executed when the pressure of the cooling water is lower than the pulsation lower limit pressure of the anode gas.
時刻t11までは、要求発電量が低い。この要求発電量に基づいて、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧が設定され、アノードガスが脈動供給される。また冷却水の流量が制御される。このとき、冷却水の圧力は、アノードガスの脈動下限圧を大幅に下回っている。このような場合には、ポンプ回転補正量はゼロであり、ウォーターポンプ43の回転は補正されない。
The required power generation amount is low until time t11. Based on the required power generation amount, the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure of the anode gas are set, and the anode gas is pulsated and supplied. In addition, the flow rate of the cooling water is controlled. At this time, the pressure of the cooling water is significantly lower than the pulsation lower limit pressure of the anode gas. In such a case, the pump rotation correction amount is zero, and the rotation of the
時刻t11で要求発電量が上がる。この結果、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧も上昇する。また燃料電池スタックの発熱量も増えて、湿潤度が乾燥気味になるので、それを抑制すべく、冷却水の流量が上がって冷却水の圧力が上昇する。 The required power generation amount increases at time t11. As a result, the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure of the anode gas also increase. Further, the amount of heat generated by the fuel cell stack also increases, and the wetness becomes dry, so that the flow rate of the cooling water is increased and the pressure of the cooling water is increased to suppress this.
そして時刻t12以降は、冷却水圧が、アノードガスの脈動下限圧を所定量だけ下回るように、ウォーターポンプ43の回転が制御される。
After time t12, the rotation of the
このように燃料電池スタック10内において、冷却水の圧力が、脈動圧力よりも低い状態から脈動圧力の下限値に近づく場合にはブロックB204及びB205によって、冷却水の実圧がアノードガスの脈動下限圧(脈動圧)よりも低くなるように冷却水の流量が減らされる。
Thus, in the
本実施形態によれば、冷却水の圧力が、アノードガスの圧力を常に下回る。そのため、アノードガスが脈動供給されても、常に、図2B(a)に示されるように、アノード流路が広がって冷却水流路が狭まった状態が維持される。そのため、アノードガスが脈動供給されても、冷却水は脈動することなく燃料電池スタック10から流出する。したがって、冷却水循環ライン40の脈動に起因する異音や振動を抑制できるのである。
According to this embodiment, the pressure of the cooling water is always lower than the pressure of the anode gas. Therefore, even when the anode gas is supplied in a pulsating manner, as shown in FIG. 2B (a), the anode flow path is always expanded and the cooling water flow path is kept narrow. Therefore, even if the anode gas is supplied with pulsation, the cooling water flows out of the
なお本実施形態では、冷却水の流量が小さくなるように補正するので、燃料電池スタックの温度が高めになって、電解質膜の湿潤度が乾燥気味になりやすい。これについては、コンプレッサー21を制御してカソードガスO2の流量を下げることや、カソード調圧弁23を制御してカソードガスO2の圧力を上げることで、フォローすることができる。またクーリングファン410の回転を増やすことや、三方弁42を制御することで、冷却水の温度を下げることで対応してもよい。In the present embodiment, the correction is made so that the flow rate of the cooling water is reduced. Therefore, the temperature of the fuel cell stack is increased, and the wetness of the electrolyte membrane tends to be dry. This can be followed by controlling the
また本実施形態のように、冷却水の圧力が、アノードガスの圧力を常に下回るように制御しては、燃料電池スタックを冷却しきれないおそれがある。そこでたとえば一時的な急加速のような大きな要求発電量になったときには、冷却水の流量を補正する制御を停止して、燃料電池スタックの冷却を優先してもよい。このような場合は、暗騒音が大きいため、仮に冷却水の脈動による異音や振動が生じても、ドライバーは違和感を受けにくいからである。なお冷却水の流量を補正する制御を停止するための基準発電量は、実験等を通じて適宜設定すればよい。 Further, as in this embodiment, if the control is performed so that the pressure of the cooling water is always lower than the pressure of the anode gas, the fuel cell stack may not be cooled completely. Therefore, for example, when a large required power generation amount such as temporary sudden acceleration is reached, the control for correcting the flow rate of the cooling water may be stopped to give priority to cooling of the fuel cell stack. In such a case, since the background noise is large, even if abnormal noise or vibration due to the pulsation of the cooling water occurs, the driver is unlikely to feel uncomfortable. In addition, what is necessary is just to set the reference | standard electric power generation amount for stopping the control which correct | amends the flow volume of cooling water suitably through experiment.
また同様に、車速が高いときに、冷却水の流量補正の制御を停止して、燃料電池スタックの冷却を優先してもよい。このような場合も、暗騒音が大きいため、仮に冷却水の脈動による異音や振動が生じても、ドライバーは違和感を受けにくいからである。なお補正を停止するための基準車速は、実験等を通じて適宜設定すればよい。 Similarly, when the vehicle speed is high, control of the coolant flow rate correction may be stopped to give priority to cooling of the fuel cell stack. Even in such a case, since the background noise is large, the driver is unlikely to feel uncomfortable even if abnormal noise or vibration due to the pulsation of the cooling water occurs. Note that the reference vehicle speed for stopping the correction may be set as appropriate through experiments or the like.
(第2実施形態)
図6は、本発明による燃料電池システムの、冷却水の圧力がアノードガスの脈動上限圧よりも高圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御内容を示す制御ブロック図である。(Second Embodiment)
FIG. 6 is a control block diagram showing the control contents when the coolant flow rate is corrected when the coolant pressure is higher than the pulsation upper limit pressure of the anode gas in the fuel cell system according to the present invention.
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。 In the following description, parts having the same functions as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.
ブロックB101,ブロックB102,ブロックB201,ブロックB202,ブロックB203は、第1実施形態と同じであるので、説明を省略する。 Since the block B101, the block B102, the block B201, the block B202, and the block B203 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
ブロックB224は、ブロックB101で設定されたアノードガスH2の脈動上限圧と、スタック出口圧力センサー142で検出された冷却水の実圧とに基づいて、ポンプ回転補正量を設定する。Block B224 is a pulsation limit pressure of the anode gas H 2 which is set in block B101, based on the actual pressure of the cooling water detected by the stack
ポンプ回転補正量は、たとえば予め、図7のように設定されているマップに、アノードガスH2の脈動上限圧から冷却水実圧を減算した値を適用して設定される。図7に示される例では、アノードガスH2の脈動上限圧から冷却水実圧を減算した値がゼロよりも小さい一定範囲でのみ、一定の補正量(正値)が設定される。Pump rotational compensation amount, for example in advance, a map that is set as shown in FIG. 7, it is set by applying a value obtained by subtracting the coolant actual pressure pulsation limit pressure of the anode gas H 2. In the example shown in FIG. 7, a constant correction amount (positive value) is set only in a certain range where the value obtained by subtracting the actual cooling water pressure from the pulsation upper limit pressure of the anode gas H 2 is smaller than zero.
図8は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動上限圧よりも高圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御を実行したときのタイミングチャートである。 FIG. 8 is a timing chart when the control for correcting the flow rate of the cooling water is executed when the pressure of the cooling water is higher than the pulsation upper limit pressure of the anode gas.
時刻t21までは、要求発電量が低い。この要求発電量に基づいて、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧が設定され、アノードガスが脈動供給される。また冷却水の流量が制御される。このとき、冷却水の圧力は、アノードガスの脈動上限圧を大幅に上回っている。このような場合には、ポンプ回転補正量はゼロであり、ウォーターポンプ43の回転は補正されない。
The required power generation amount is low until time t21. Based on the required power generation amount, the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure of the anode gas are set, and the anode gas is pulsated and supplied. In addition, the flow rate of the cooling water is controlled. At this time, the pressure of the cooling water is significantly higher than the pulsation upper limit pressure of the anode gas. In such a case, the pump rotation correction amount is zero, and the rotation of the
時刻t21で要求発電量が上がる。この結果、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧も上昇する。また燃料電池スタックの発熱量も増えて、湿潤度が乾燥気味になるので、それを抑制すべく、冷却水の流量が上がって冷却水の圧力が上昇する。 The required power generation amount increases at time t21. As a result, the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure of the anode gas also increase. Further, the amount of heat generated by the fuel cell stack also increases, and the wetness becomes dry, so that the flow rate of the cooling water is increased and the pressure of the cooling water is increased to suppress this.
そして時刻t22以降は、冷却水圧が、アノードガスの脈動上限圧を所定量だけ上回るように、ウォーターポンプ43の回転が制御される。
After time t22, the rotation of the
このように燃料電池スタック10内において冷却水の圧力が、脈動圧力よりも高い状態から脈動圧力の上限値に近づく場合にはブロックB205及びB224によって、冷却水の実圧がアノードガスの脈動上限圧(脈動圧)よりも高くなるように冷却水の流量が増やされる。
Thus, when the pressure of the cooling water in the
本実施形態によれば、冷却水の圧力が、アノードガスの圧力を常に上回る。そのため、アノードガスが脈動供給されても、常に、図2B(b)に示されるように、アノード流路が狭まって冷却水流路が広がった状態が維持される。そのため、アノードガスが脈動供給されても、冷却水は脈動することなく燃料電池スタック10から流出する。したがって、冷却水循環ライン40の脈動に起因する異音や振動を抑制できるのである。
According to this embodiment, the pressure of the cooling water always exceeds the pressure of the anode gas. Therefore, even if the anode gas is supplied in a pulsating manner, the state where the anode flow path is narrowed and the cooling water flow path is always widened is maintained as shown in FIG. 2B (b). Therefore, even if the anode gas is supplied with pulsation, the cooling water flows out of the
なお本実施形態では、冷却水の流量が大きくなるように補正するので、燃料電池スタックの温度が低めになって、電解質膜の湿潤度が湿潤気味になりやすい。これについては、コンプレッサー21を制御してカソードガスO2の流量を上げることや、カソード調圧弁23を制御してカソードガスO2の圧力を下げることで、フォローすることができる。またクーリングファン410の回転を下げることや、三方弁42を制御することで、冷却水の温度を上げることで対応してもよい。In the present embodiment, since the correction is made so that the flow rate of the cooling water is increased, the temperature of the fuel cell stack is lowered, and the wetness of the electrolyte membrane tends to be wet. This can be followed by controlling the
(第3実施形態)
図9は、本発明による燃料電池システムの第3実施形態の制御内容を示す制御ブロック図である。(Third embodiment)
FIG. 9 is a control block diagram showing the control contents of the third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
この第3実施形態は、いわば第1実施形態と第2実施形態とを組み合わせたものであり、放熱要求に応じて制御を切り換える。 In other words, the third embodiment is a combination of the first embodiment and the second embodiment, and the control is switched according to the heat release request.
図10は、第3実施形態の制御を実行したときのタイミングチャートである。 FIG. 10 is a timing chart when the control of the third embodiment is executed.
時刻t31までは、第1実施形態と同様に制御する。 Control is performed in the same manner as in the first embodiment until time t31.
そして、温度センサー143で検出している冷却水温が、時刻t33で基準温度を超える。これを受けて、制御が切り換えられて、冷却水圧が、アノードガスの脈動上限圧を所定量だけ上回るように、ウォーターポンプ43の回転が制御される。
Then, the cooling water temperature detected by the
このように、燃料電池スタック10内の冷却水の圧力が上昇し、燃料電池スタック10内のアノードガスの脈動圧力の下限値に近づく場合、冷却水の温度が所定値よりも大きいときには、冷却水の実圧が脈動上限圧よりも高くなるように冷却水の流量が増やされる。
As described above, when the pressure of the cooling water in the
本実施形態によれば、冷却水循環ライン40の脈動に起因する異音や振動の抑制と、燃料電池スタックの過剰な温度上昇の防止とを両立できる。
According to this embodiment, it is possible to achieve both suppression of noise and vibration caused by pulsation of the cooling
また、冷却水の圧力(流量)を無闇に上げるのではなく、冷却水温が上昇して放熱要求が高いときにのみ、冷却水の圧力(流量)を上げるようにした。冷却水の圧力(流量)を上げれば、ウォーターポンプ43の消費電力が上がって燃費が悪化することが懸念されるが、本実施形態では、そのような事態を最小限にとどめるので、燃費もよい。
Also, the pressure (flow rate) of the cooling water is not increased in a dark manner, but the pressure (flow rate) of the cooling water is increased only when the cooling water temperature rises and the heat release requirement is high. If the pressure (flow rate) of the cooling water is increased, there is a concern that the power consumption of the
第1から第3までの実施形態によれば、燃料電池スタック10内の冷却水の圧力がアノードガスの脈動圧力の変動範囲外となるように冷却水の流量が増減されるので、燃料電池スタック10内の冷却水の圧力とアノードガスの脈動圧とが重なることを抑制できる。このため、アノードセパレーター200の振動を抑制することができる。
According to the first to third embodiments, the flow rate of the cooling water is increased or decreased so that the pressure of the cooling water in the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
たとえば上記実施形態では、冷却水の流量を補正するための補正量を一定量としているが、それには限られない。種々の手法で設定でき、このような場合であっても本発明の技術的範囲に含まれる。 For example, in the above-described embodiment, the correction amount for correcting the flow rate of the cooling water is set to a constant amount, but is not limited thereto. It can be set by various methods, and even such a case is included in the technical scope of the present invention.
また上記実施形態では、アノードガスH2の脈動圧と冷却水の圧力とが重ならないように、すなわち冷却水の圧力が脈動圧力の変動範囲外となるように冷却水の流量(冷却水の圧力)を調整するようにしたが、アノードガスH2の脈動圧を調整するようにしてもよい。In the above embodiment, the flow rate of the cooling water (pressure of the cooling water is set so that the pulsation pressure of the anode gas H 2 and the pressure of the cooling water do not overlap, that is, the cooling water pressure is outside the fluctuation range of the pulsation pressure. ) Is adjusted, but the pulsation pressure of the anode gas H 2 may be adjusted.
なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。 In addition, the said embodiment can be combined suitably.
本願は、2012年12月14日に日本国特許庁に出願された特願2012−273619に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
This application claims the priority based on Japanese Patent Application No. 2012-273619 for which it applied to Japan Patent Office on December 14, 2012, and all the content of this application is integrated in this specification by reference.
Claims (6)
要求発電量に基づいて前記燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は前記燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、
燃料電池スタック内の前記冷却水の圧力が前記脈動圧力の変動範囲外となるように、前記冷却水の流量及び/又は前記アノードガスの脈動圧を制御する制御部と、を含み、
前記冷却水の圧力が前記燃料電池内の前記アノードガスの脈動圧力よりも高い状態から両圧力が近づく場合、前記制御部は、前記冷却水の圧力が前記アノードガスの脈動圧よりも高くなるように前記冷却水の流量を増加させる、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a cathode gas supplied to a cathode electrode and an anode gas supplied to an anode electrode, and supplying cooling water via the anode electrode and a separator In a fuel cell system equipped with a cooling system,
A fuel gas supply unit for supplying anode gas at a predetermined pulsation pressure to the anode electrode of the fuel cell based on a required power generation amount;
A cooling water supply unit that supplies a predetermined cooling water flow rate based on a wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell or a heat dissipation requirement of the fuel cell;
A control unit that controls the flow rate of the cooling water and / or the pulsation pressure of the anode gas so that the pressure of the cooling water in the fuel cell stack is outside the fluctuation range of the pulsation pressure,
When both pressures approach from a state where the pressure of the cooling water is higher than the pulsation pressure of the anode gas in the fuel cell, the control unit causes the cooling water pressure to be higher than the pulsation pressure of the anode gas. To increase the flow rate of the cooling water,
Fuel cell system.
前記冷却水の圧力が前記燃料電池内の前記アノードガスの脈動圧力よりも低い状態から両圧力が近づく場合、前記制御部は、前記冷却水の圧力が前記アノードガスの脈動圧よりも低くなるように前記冷却水の流量を減少させる、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 , wherein
When both pressures approach from a state in which the pressure of the cooling water is lower than the pulsation pressure of the anode gas in the fuel cell, the control unit causes the cooling water pressure to be lower than the pulsation pressure of the anode gas. Reducing the flow rate of the cooling water,
Fuel cell system.
要求発電量に基づいて前記燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は前記燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、
燃料電池スタック内の前記冷却水の圧力が前記脈動圧力の変動範囲外となるように、前記冷却水の流量及び/又は前記アノードガスの脈動圧を制御する制御部と、
前記冷却水の温度を検出する温度検出部と、を含み、
前記冷却水の圧力が前記燃料電池内のアノードガスの脈動圧力よりも低い状態から両圧力が近づく場合、前記冷却水の温度が所定値よりも大きいときには、前記制御部は、前記冷却水の圧力が前記アノードガスの脈動圧よりも高くなるように前記冷却水の流量を増加
させる、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a cathode gas supplied to a cathode electrode and an anode gas supplied to an anode electrode, and supplying cooling water via the anode electrode and a separator In a fuel cell system equipped with a cooling system,
A fuel gas supply unit for supplying anode gas at a predetermined pulsation pressure to the anode electrode of the fuel cell based on a required power generation amount;
A cooling water supply unit that supplies a predetermined cooling water flow rate based on a wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell or a heat dissipation requirement of the fuel cell;
A control unit for controlling the flow rate of the cooling water and / or the pulsation pressure of the anode gas so that the pressure of the cooling water in the fuel cell stack is outside the fluctuation range of the pulsation pressure;
A temperature detector for detecting the temperature of the cooling water ,
When both pressures approach from a state in which the pressure of the cooling water is lower than the pulsation pressure of the anode gas in the fuel cell, when the temperature of the cooling water is greater than a predetermined value, the control unit Increasing the flow rate of the cooling water so that is higher than the pulsation pressure of the anode gas,
Fuel cell system.
要求発電量に基づいて前記燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は前記燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、
燃料電池スタック内の前記冷却水の圧力が前記脈動圧力の変動範囲外となるように、前記冷却水の流量及び/又は前記アノードガスの脈動圧を制御する制御部と、を含み、
要求発電量が所定値よりも大きい場合には、前記制御部による、前記冷却水の流量又は前記アノードガスの脈動圧の制御を禁止する、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a cathode gas supplied to a cathode electrode and an anode gas supplied to an anode electrode, and supplying cooling water via the anode electrode and a separator In a fuel cell system equipped with a cooling system,
A fuel gas supply unit for supplying anode gas at a predetermined pulsation pressure to the anode electrode of the fuel cell based on a required power generation amount;
A cooling water supply unit that supplies a predetermined cooling water flow rate based on a wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell or a heat dissipation requirement of the fuel cell;
A control unit that controls the flow rate of the cooling water and / or the pulsation pressure of the anode gas so that the pressure of the cooling water in the fuel cell stack is outside the fluctuation range of the pulsation pressure,
When the required power generation amount is larger than a predetermined value, the control unit prohibits the control of the flow rate of the cooling water or the pulsation pressure of the anode gas.
Fuel cell system.
要求発電量に基づいて前記燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は前記燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、
燃料電池スタック内の前記冷却水の圧力が前記脈動圧力の変動範囲外となるように、前記冷却水の流量及び/又は前記アノードガスの脈動圧を制御する制御部と、を含み、
車速が所定値よりも大きい場合には、前記制御部は、前記冷却水の流量又は前記アノードガスの脈動圧の制御を禁止する、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a cathode gas supplied to a cathode electrode and an anode gas supplied to an anode electrode, and supplying cooling water via the anode electrode and a separator In a fuel cell system equipped with a cooling system,
A fuel gas supply unit for supplying anode gas at a predetermined pulsation pressure to the anode electrode of the fuel cell based on a required power generation amount;
A cooling water supply unit that supplies a predetermined cooling water flow rate based on a wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell or a heat dissipation requirement of the fuel cell;
A control unit that controls the flow rate of the cooling water and / or the pulsation pressure of the anode gas so that the pressure of the cooling water in the fuel cell stack is outside the fluctuation range of the pulsation pressure,
When the vehicle speed is higher than a predetermined value, the control unit prohibits control of the flow rate of the cooling water or the pulsation pressure of the anode gas.
Fuel cell system.
要求発電量に基づいて前記燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給工程と、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は前記燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給工程と、
燃料電池スタック内の前記冷却水の圧力が前記脈動圧力の変動範囲外となるように、前記冷却水の流量及び/又は前記アノードガスの脈動圧を制御する制御工程と、
を含み、
前記制御工程において、前記冷却水の圧力が前記燃料電池内の前記アノードガスの脈動圧力よりも高い状態から両圧力が近づく場合、前記冷却水の圧力が前記アノードガスの脈動圧よりも高くなるように前記冷却水の流量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a cathode gas supplied to a cathode electrode and an anode gas supplied to an anode electrode, and supplying cooling water via the anode electrode and a separator A method for controlling a fuel cell system including a cooling system, comprising:
A fuel gas supply step of supplying an anode gas at a predetermined pulsating pressure to the anode electrode of the fuel cell based on a required power generation amount;
A cooling water supply step of supplying a predetermined cooling water flow rate based on the wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell or the heat dissipation requirement of the fuel cell;
A control step of controlling the flow rate of the cooling water and / or the pulsation pressure of the anode gas so that the pressure of the cooling water in the fuel cell stack is outside the fluctuation range of the pulsation pressure;
Only including,
In the control step, when both pressures approach from a state in which the pressure of the cooling water is higher than the pulsation pressure of the anode gas in the fuel cell, the pressure of the cooling water becomes higher than the pulsation pressure of the anode gas. To increase the flow rate of the cooling water,
Control method of fuel cell system.
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