JP3829682B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、システムの起動性を改良するために、例えば、特界平8−273689号公報に記載の技術がある。これは、水配管系統に沿って排ガス導入経路を設け、燃料電池システム起動時に改質装置の加熱器でのメタノールの燃焼で生じる排ガスを利用し、水配管系等が凍結したときに水配管系統を加熱、解凍し、燃料電池システムの起動性を向上するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術では、起動時に燃料電池のガス流路あるいはガス拡散層の凍結等による水つまりを検出することができないという問題がある。そのため、水つまりが生じているときに燃料電池の稼動が開始されると、燃料電池の起動性が著しく低下するとともに、燃料ガスの燃費が低下するという問題が生じる。
【0004】
そこで本発明の目的は、燃料電池の共振周波数を検出し、この検出した共振周波数と基準値との比較から燃料電池スタックの水つまりを判断する燃料電池システムを提供することである。
【0005】
第1の発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの運転状態を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの共振周波数を検出し、水つまりを生じていない負荷運転時の燃料電池スタックの共振周波数を基準値として設定し、前記検出した共振周波数を前記基準値と比較し、前記燃料電池スタック内の水つまりを判断する。
【0006】
第2の発明は、第1の発明において、前記制御装置は、前記検出した共振周波数が前記基準値の範囲内にないときに前記燃料電池スタック内で水つまりが生じていると判断する。
【0009】
第1と2の発明では、燃料電池スタックの共振周波数を検出して、この検出した共振周波数と基準値とを比較し、検出した共振周波数が基準値の範囲内にないときに燃料電池スタック内に水つまりが生じていると判断するので、容易に燃料電池スタック内の水つまりを検出することができる。
また、水つまりを生じていない負荷運転時の燃料電池スタックの共振周波数を基準値として設定することにより、燃料電池システムの起動時に限らず、所望の燃料電池スタックの運転時に燃料電池スタックの水つまりを判断することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用される燃料電池システムの一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0013】
図1を参照すると、本燃料電池システムは気化した燃料と水とを基にして水素リッチな改質ガスを生成する改質器4と、改質ガス中の一酸化炭素(以下、COと示す。)を所定濃度以下に低減するCO除去装置5と、CO除去装置5から供給される改質ガスとコンプレッサ7から供給される空気とに基づき発電する燃料電池スタック(以下、燃料電池という。)2と、燃料電池2から排出される排水素と排空気とを燃焼する燃焼器1と、燃焼器1からの燃焼ガスの熱を用いてタンクから供給される燃料と水とを気化し、この気化燃料と蒸気を改質器4に供給する蒸発器3とを備えている。燃料と水を気化した燃焼ガスは蒸発器3から外部に排出される。
【0014】
本実施形態の燃料電池システムは更に燃料電池2の発電に必要な水素を供給する水素貯留装置であるボンベ10をも備える。ボンベ10から供給される水素は燃料電池2の発電に使用されうる十分高濃度の水素であり、言い換えると水素中の一酸化炭素は低濃度に管理されている。
【0015】
なお、前記水素貯留装置としては、前記ボンベ10に限るものではなく、水素貯蔵合金等を備えた水素貯留装置を用いてもよい。
【0016】
ボンベ10と燃料電池2との間にはボンベ10からの水素を調圧する調圧弁11と、ボンベ10からの水素の供給を制御する切換弁15を備えている。さらにボンベ10に図示しない外部から水素を補充する際に開く開閉弁12を備える。またCO除去装置5と燃料電池2との間には改質ガスの燃料電池2への供給を制御する切換弁16が備えられる。
【0017】
図2は、本発明の燃料電池2内での水つまりを検出するための構成を示した図である。本発明の燃料電池2は、固体高分子電解質膜と、燃料極としてのアノードと、酸化剤極としてのカソード、及び触媒とからなる単セルを積層上に構築したスタック構造で形成されている。燃料電池2には、燃料電池2の運転を制御する制御装置17が接続されており、制御装置17は、燃料電池2を構成する単セルの少なくとも一つの共振周波数と周波数特性を検出する検出器18と、基準の共振周波数と周波数特性の信号を記憶する記憶器19と、検出した共振周波数と基準共振周波数と比較する比較器20とからなる。さらに検出器18は、その信号に基づき、燃料電池2の少なくとも一つの単セルを共振させる加振手段21を制御する。
【0018】
次に作用を説明する。
【0019】
本発明は、燃料電池2内の図示しないガス流路、ガス拡散層に水つまりが生じた場合に燃料電池2、または燃料電池2を構成する単セルの共振周波数が変化することに着目し、正常時の共振周波数との比較により、ガス流路、ガス拡散層内の水つまりを検出するものである。
【0020】
図3は周波数特性の一例を示しており、図4には、請求項1と2に対応する制御装置17が実施する制御内容を説明するフローチャートを示す。
【0021】
図4によると、例えば、検出器18の指示信号により加振手段21が燃料電池2の例えば一つの単セルのアノードに振動、音波等により加振し、そのときの共振周波数fを検出器18が検出する。この検出信号が比較器20に送られて、予め記憶器19に記憶された共振周波数範囲(図3のf0aからf0bの範囲)と検出された共振周波数fとが比較される。この共振周波数範囲は図3にf0aからf0bで示されるように正常時の共振周波数f0を基準として許容できる水つまりレベルから設定した記憶器19に予め記憶された周波数範囲である。この共振周波数範囲は例えば、燃料電池2の運転負荷毎に設定、記憶してもよい。
【0022】
検出された共振周波数fが共振周波数範囲内にあるかどうかを比較器20で比較、判定し、共振周波数範囲内にないときに燃料電池2のガス流路、ガス拡散層内に水つまりが発生していると判断する。
【0023】
図5は第2の実施形態の制御内容を説明するためのフローチャートである。構成は第1の実施形態と同様である。この実施形態は、請求項3に対応するもので、第1の実施形態と同様にして水つまりを判断した後、水つまりと判断された場合に、水つまり運転モードを選択する。水つまり運転モードは、制御装置17が燃料電池2に供給される燃料ガス、酸化剤ガスの流量等を制御して水つまりを解消するように燃料電池2を制御する運転モードである。例えば、燃料電池2の起動時にガス流路内の水が凍結して水つまりが生じているときには、燃料ガスの供給を中止し、燃料電池2を所定のシーケンスに従い、徐々に燃料電池2の温度を上昇させて、ガス流路内の氷を解凍し、燃料電池2での正常な発電が行える状態となった後に燃料ガスを供給するような制御が行える。したがって、燃料電池システムの起動時の起動性を向上することができるとともに、燃料ガスの供給を最適化し、燃料ガスの燃費を改善し、燃料電池システムの効率を向上できる。
【0024】
図6に示す第3の実施形態は、図2に示す第1の実施形態の構成に追加して燃料電池2の運転状態を表示する表示器22を設け、比較器20からの信号により燃料電池2の水つまりの状態を表示器22に表示するようにしたものである。表示器22を設置することで、燃料電池2の水つまり状況を把握することが容易にできる。また水つまりを判断する基準として、軽微の水つまりが生じていると判断される共振周波数範囲(f0aからf0b)を用い、この周波数範囲に検出した共振周波数fが入るときには、表示器22を用いて運転者等に注意の指示を出すようにしてもよい。
【0025】
図7は第4の実施形態の構成図を示し、図8は同じく第4の実施形態において制御装置17が実施する制御内容を説明するフローチャートである。この実施形態は、記憶器19から燃料電池2を共振させる信号を出力させるとともに、燃料電池2からの共振周波数fの信号を入力するようにした構成である。
【0026】
この構成は、請求項4に対応し、燃料電池2が水つまりを起こしていない、所定の発電出力を発生している燃料電池の稼動時に記憶器19からの指示信号により、燃料電池2を加振して共振周波数fを検出し、記憶器19に基準共振周波数f0として記憶しておく。このとき記憶器19からの指示信号は検出器18からの指示信号と同じ信号でよい。
【0027】
水つまり判断時には、判断時の共振周波数fと、燃料電池2の稼動後に記憶した基準共振周波数f0に基づき設定した共振周波数範囲(f0aからf0b)とを比較し、水つまりの判断を行う。この場合には、燃料電池2が実際に水つまりを起こしていない安定稼動状態での共振周波数fを基準共振周波数f0として設定でき、より精度よく燃料電池2の水つまりを判断できる。
【0028】
なお、本実施形態では、所定の発電出力時の共振周波数を基準としたが、これに限らず、例えば、起動後所定時間経過後の共振周波数や、燃料電池2が所定の温度にあるときの共振周波数を基準としてもよい。
【0029】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池を用いた燃料電池システムの構成図である。
【図2】同じく燃料電池の構成図である。
【図3】同じく周波数特性の一例である。
【図4】同じく制御内容を説明するためにフローチャートである。
【図5】本発明の第2の実施形態で実施される制御内容を説明するフローチャートである。
【図6】本発明の第3の実施形態としての燃料電池の構成図である。
【図7】本発明の第4の実施形態としての燃料電池の構成図である。
【図8】同じく第4の実施形態で実施される制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
2 燃料電池
17 制御装置
18 検出器
19 記憶器
20 比較器
21 加振手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a fuel cell system provided with a fuel cell stack, for example, there is a technique described in Japanese Patent Publication No. 8-27389 in order to improve the startability of the system. This is because an exhaust gas introduction path is provided along the water piping system, and when the fuel cell system is started, the exhaust gas generated by the combustion of methanol in the heater of the reformer is used. Is heated and thawed to improve the startability of the fuel cell system.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, this conventional technique has a problem in that it cannot detect water clogging due to freezing of the gas flow path of the fuel cell or the gas diffusion layer at the time of startup. Therefore, if the fuel cell is started when water is clogged, there is a problem that the startability of the fuel cell is remarkably lowered and the fuel consumption of the fuel gas is lowered.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that detects the resonance frequency of a fuel cell and determines the water clogging of the fuel cell stack from a comparison between the detected resonance frequency and a reference value.
[0005]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell stack and a control device that controls an operating state of the fuel cell stack, wherein the control device detects a resonance frequency of the fuel cell stack and the resonant frequency of the resulting non fuel cell stack at the time of load operation is set as a reference value, the resonant frequency and the detected compared with the reference value, to determine the water clogging in the fuel cell stack.
[0006]
The second invention is the first invention, the control apparatus, the detected resonance frequency of water clogging in the fuel cell stack is determined to have occurred when not within range of the reference value.
[0009]
In the first and second aspects of the invention, the resonance frequency of the fuel cell stack is detected, the detected resonance frequency is compared with a reference value, and when the detected resonance frequency is not within the range of the reference value, Therefore, it is possible to easily detect water clogging in the fuel cell stack.
In addition, by setting the resonance frequency of the fuel cell stack during load operation without generating water clogging as a reference value, the fuel cell stack water clogging is not limited to when starting the fuel cell system, but also during the operation of the desired fuel cell stack. Can be judged.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings.
[0013]
Referring to FIG. 1, the fuel cell system includes a
[0014]
The fuel cell system of this embodiment further includes a
[0015]
The hydrogen storage device is not limited to the
[0016]
Between the
[0017]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration for detecting water clogging in the
[0018]
Next, the operation will be described.
[0019]
The present invention focuses on the fact that the resonance frequency of the
[0020]
FIG. 3 shows an example of frequency characteristics, and FIG. 4 shows a flow chart for explaining the control contents executed by the
[0021]
According to FIG. 4, for example, the excitation means 21 vibrates the anode of, for example, one single cell of the
[0022]
The
[0023]
FIG. 5 is a flowchart for explaining the control contents of the second embodiment. The configuration is the same as in the first embodiment. This embodiment corresponds to claim 3, and after determining water clogging in the same manner as in the first embodiment, when it is determined that water clogging is selected, water, that is, an operation mode is selected. The water or operation mode is an operation mode in which the
[0024]
The third embodiment shown in FIG. 6 is provided with a
[0025]
FIG. 7 shows a configuration diagram of the fourth embodiment, and FIG. 8 is a flowchart for explaining the control contents executed by the
[0026]
This configuration corresponds to claim 4, and the
[0027]
At the time of determination of water, the resonance frequency f at the time of determination is compared with the resonance frequency range (f 0 a to f 0 b) set based on the reference resonance frequency f 0 stored after the
[0028]
In the present embodiment, the resonance frequency at the time of a predetermined power generation output is used as a reference. However, the present invention is not limited to this. For example, the resonance frequency after a predetermined time has elapsed after startup or when the
[0029]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system using a fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of the fuel cell.
FIG. 3 is also an example of frequency characteristics.
FIG. 4 is a flowchart for explaining the control contents.
FIG. 5 is a flowchart for explaining control contents executed in the second embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell as a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart for explaining the control contents executed in the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
2
Claims (2)
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの共振周波数を検出し、
水つまりを生じていない負荷運転時の燃料電池スタックの共振周波数を基準値として設定し、
前記検出した共振周波数を前記基準値と比較し、
前記燃料電池スタック内の水つまりを判断することを特徴とする燃料電池システム。In a fuel cell system comprising a fuel cell stack and a control device for controlling the operating state of the fuel cell stack,
The control device detects a resonance frequency of the fuel cell stack,
Set the resonance frequency of the fuel cell stack during load operation without water clogging as a reference value,
The resonance frequency the detected compared with the reference value,
A fuel cell system for determining water clogging in the fuel cell stack.
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