JP7208121B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
上記の燃料電池システムは、燃料電池と、アノードガス供給路としての燃料ガス供給流路と、アノードオフガス排出路としての燃料ガス系排出流路と、アノードガス循環路としての燃料ガス循環流路と、カソードガス供給路としての酸化ガス供給流路と、カソードオフガス排出路としての酸化ガス系排出流路と、冷却回路とを有している。燃料電池は、アノード極と、カソード極と、電解質膜とを有している。燃料ガス供給流路は、アノード極に接続され、水素が流動する。燃料ガス系排出流路は、アノード極から排出されるアノードオフガスとしての水素オフガスが流動する。燃料ガス循環流路は、気液分離器を介して燃料ガス系排出流路と接続されており、且つ燃料ガス供給流路に接続されている。燃料ガス循環流路には、水素循環ポンプとして水素ポンプが設けられている。燃料ガス循環流路には、気液分離器により分離された水素が流動しており、当該水素は水素ポンプにより燃料ガス供給流路に戻されている。酸化ガス供給流路は、カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動する。酸化ガス系排出流路は、カソード極から排出されるカソードオフガスとしての空気オフガスが流動する。冷却回路は、燃料電池を冷却するための冷却水経路を有している。冷却水経路には、冷却水を冷却するためのラジエータ等が設けられている。また、燃料電池システムは、燃料電池の動作を制御する制御装置を備えている。制御装置は、燃料ガス供給流路、燃料ガス系排出流路、及び燃料ガス循環流路に設けられ、燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータや酸化ガス供給流路及び酸化ガス系排出流路に設けられ、燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータを動作させることで燃料電池の動作を制御している。なお、水素用アクチュエータは、例えば燃料ガス供給流路に設けられている燃料ガス供給弁や上記の水素ポンプ等を含んでいる。また、酸素用アクチュエータは、例えば酸化ガス供給流路に設けられているエアコンプレッサ等を含んでいる。燃料電池は、アノード極に水素が供給され、カソード極に酸素を含む空気が供給されると、アノード極での触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。このとき、燃料電池では、水素と酸素とが反応することで水が生成される。制御装置は、水素供給開始前に水素ポンプを駆動させることでアノード極での水素をほぼ均一化させている。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、例えば燃料電池車に適用されるものである。燃料電池システム1は、燃料電池10を備えている。燃料電池10は、複数の燃料電池セルをスタック化したものである。燃料電池セルとは、例えば固体分子型燃料電池である。燃料電池10は、アノード極と、カソード極と、電解質膜とを有している。燃料電池10は、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する。より具体的には、燃料電池10は、アノード極に水素が供給され、カソード極に酸素を含む空気が供給されると、アノード極での触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。このとき、燃料電池10では、水素と酸素とが反応することで水が生成される。
制御装置50は、第1データ取得制御を実施した次の燃料電池システム1の起動時に推定アノード圧力演算制御を実施する(ステップS108)。制御装置50は、推定アノード圧力演算制御において、第1温度T1、カソード圧力Po、第1アノード圧力Ph1、水素濃度Hd、及び第2温度T2により推定アノード圧力Pcalを演算する。推定アノード圧力Pcalは、第1データ取得制御を実施した次の燃料電池システム1の起動時におけるアノード極にて推定される水素の圧力である。
(1)本実施形態では、第2アノード圧力Ph2が推定アノード圧力Pcalよりも大きい場合に水素循環制御を実施する規定時間を長くしている。よって、燃料電池10の内部で水素を循環させる時間が長くなるため、燃料電池10のアノード極において水素を均一化させやすくなる。したがって、燃料電池10の内部において水素欠となる部分を少なくすることができ、ひいては燃料電池システム1の起動時における燃料電池10の劣化を好適に抑制できる。
〇 例えばカソードガス供給路Lso及びカソードオフガス排出路Leoと燃料電池10との間のシール部材の劣化により、当該シール部材から燃料電池10の内部に透過する酸素量が増える状況は、燃料電池システム1をある程度放置した状態にすることで発生する。その点を鑑みると、本実施形態の推定アノード圧力Pcalは、燃料電池10のアノード極とカソード極とが互いに平衡状態となり、且つ冷却回路30の冷却水の温度が落ち着いたときの燃料電池10のアノード極における水素の圧力とすることが好ましい。燃料電池10のアノード極とカソード極とが互いに平衡状態となる状態となるまでには、例えば燃料電池システム1が停止してから数時間程度必要である。冷却回路30の冷却水の温度が落ち着くまでには、例えば燃料電池システム1が停止してから10時間程度必要である。すなわち、本実施形態の効果は、燃料電池システム1が少なくとも10時間程度放置された場合に特に効果を発揮する。なお、10時間という数値は一例であり、燃料電池システム1のサイズや製品仕様によって適宜変更される。
Claims (1)
- アノード極とカソード極とを有し、前記アノード極に供給される水素と前記カソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する燃料電池と、
前記アノード極に接続され、水素が流動するアノードガス供給路と、
アノードオフガスが流動するアノードオフガス排出路と、
前記アノードオフガス排出路と気液分離器を介して接続され、前記気液分離器により分離された水素を前記アノードガス供給路に戻すアノードガス循環路と、
前記カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動するカソードガス供給路と、
カソードオフガスが流動するカソードオフガス排出路と、
前記アノードガス循環路に設けられる水素循環ポンプを含むとともに前記アノードガス供給路及び前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータと、
前記カソードガス供給路及び前記カソードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータと、
前記燃料電池を冷却する冷却回路と、
前記水素用アクチュエータ及び前記酸素用アクチュエータの動作を制御することにより前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの起動時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態において前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給するとともに前記水素循環ポンプを動作させることで前記燃料電池の内部で水素を規定時間に亘って循環させる水素循環制御と、
前記燃料電池システムの停止時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態で前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給する水素供給制御と、
前記水素供給制御の直後に前記冷却回路の温度である第1温度、前記カソードオフガス排出路における空気の圧力であるカソード圧力、前記アノードガス供給路における水素の圧力である第1アノード圧力、及び前記アノード極の水素濃度を取得する第1データ取得制御と、
前記第1データ取得制御を実施した次の前記燃料電池システムの起動時に前記冷却回路の温度である第2温度、及び前記アノードガス供給路における水素の圧力である第2アノード圧力を取得する第2データ取得制御と、
前記第1データ取得制御を実施した次の前記燃料電池システムの起動時に前記第1データ取得制御及び前記第2データ取得制御により取得した前記第1温度、前記カソード圧力、前記第1アノード圧力、前記水素濃度、及び前記第2温度により前記燃料電池システムの起動時における前記アノード極にて推定される水素の圧力である推定アノード圧力を演算する推定アノード圧力演算制御と、を実施し、
前記第2アノード圧力が前記推定アノード圧力よりも大きい場合、前記燃料電池システムの起動時に実施する前記水素循環制御の前記規定時間を長くすることを特徴とする燃料電池システム。
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