JP5396325B2 - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池車両等に用いられる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system used in a fuel cell vehicle or the like and a control method for the fuel cell system.
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜(以下、電解質膜という)をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体(MEA)を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下、単位セルという)を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス(反応ガス)として水素が供給され、カソードにカソードガス(反応ガス)として空気が供給されることで、アノードで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まで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。 In a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like, a membrane electrode structure (MEA) is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) between an anode and a cathode from both sides. It is known that a pair of separators are arranged on both sides of a body to constitute a flat unit fuel cell (hereinafter referred to as a unit cell), and a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack. In a fuel cell, hydrogen is supplied as an anode gas (reactive gas) to the anode and air is supplied as a cathode gas (reactive gas) to the cathode, so that hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode pass through the electrolyte membrane. It moves to the cathode and generates electricity by causing an electrochemical reaction with oxygen in the air at the cathode.
上述した燃料電池では、所望の発電性能を発揮させるために、電解質膜を湿潤な状態に維持する必要がある。そこで、下記の特許文献には、露点計を用いて燃料電池内の加湿状態(水分量等)を把握する技術が開示されている。
具体的に、特許文献1には、燃料電池で発電に供されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出路に露点計を設置し、露点計により計測されるカソードオフガスの露点に基づいて、燃料電池から排出される水分量を測定する構成が知られている。
また、特許文献2には、アノードガスを燃料電池に供給するためのアノードガス供給路において、加湿器と燃料電池との間に露点計を設置し、露点計による計測結果に基づいてアノードガスを加熱または冷却することで、アノードガスの露点(加湿状態)を制御する構成が知られている。
In the fuel cell described above, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in a wet state in order to exhibit desired power generation performance. Therefore, the following patent document discloses a technique for grasping a humidified state (water content or the like) in a fuel cell using a dew point meter.
Specifically, in
In
しかしながら、上述した特許文献1において、カソードオフガス排出路を流通するカソードオフガスは、常に高湿である。そのため、燃料電池システムの起動時や、過渡時等、カソードオフガスの温度が比較的低い状況では、カソードオフガス排出路においてカソードオフガス中の水蒸気が結露し易い。そして、結露した水が露点計に付着することで、露点計で計測誤差が発生したり、応答性が低下したりして、カソードオフガスの露点が正確に測定できないという問題がある。
また、特許文献2の構成では、加湿器よりも下流側を流通するアノードガスは、加湿器で加湿されることで、比較的高湿である。そのため、上述した特許文献1と同様に結露等によって露点計に水が付着し、正確な測定ができないという問題がある。
However, in
Moreover, in the structure of
そこで、本発明は、絶対湿度計測手段による測定精度を向上させるとともに、絶対湿度計測手段の計測結果に基づいて燃料電池内の状態量を正確に把握できる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供するものである。 Therefore, the present invention provides a fuel cell system and a control method for the fuel cell system that can improve the measurement accuracy by the absolute humidity measuring means and accurately grasp the state quantity in the fuel cell based on the measurement result of the absolute humidity measuring means. It is to provide.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、反応ガスが供給され、発電を行う燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池スタック2)と、前記燃料電池内の電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路(例えば、実施形態におけるアノードガス流路21及びカソードガス流路22)と、前記反応ガス流路に供給される前記反応ガスが流通する反応ガス供給流路(例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路23及びカソードガス供給流路24)と、前記反応ガス流路から排出されたオフガスが流通するオフガス排出流路(例えば、実施形態におけるアノードガス排出流路35及びカソードガス排出流路38)と、前記反応ガス供給流路及び前記オフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐した分岐流路(例えば、実施形態における分岐流路41〜44)と、前記分岐流路上に配置された絶対湿度計測手段(例えば、実施形態における露点計51〜54)と、を備え、前記分岐部から前記絶対湿度計測手段までの前記分岐流路に、加熱手段(例えば、実施形態におけるヒーター45〜48)が設けられ、前記分岐流路上の前記加熱手段の下流側には、圧力損失形成手段(例えば、実施形態における細管部55〜58)が設けられ、前記分岐流路の下流端は、前記オフガス排出流路のうち、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路(例えば、実施形態におけるカソードオフガス排出流路38)に接続されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention described in
請求項2に記載した発明では、前記加熱手段は、前記分岐流路内を流通する流体を、前記燃料電池の動作温度以上に加熱することを特徴とする。
The invention described in
請求項3に記載した発明では、前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられていることを特徴とする。
請求項4に記載した発明では、前記反応ガス流路として、前記燃料電池内のアノードに沿ってアノード反応ガスを流通させるアノード反応ガス流路(例えば、実施形態におけるアノードガス流路21)を備え、前記反応ガス供給流路として、前記アノード反応ガス流路に供給される前記アノード反応ガスが流通するアノード反応ガス供給流路(例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路23)を備え、前記オフガス排出流路として、前記アノード反応ガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路(例えば、実施形態におけるアノードガス排出流路35)を備え、前記分岐流路は、前記アノード反応ガス供給流路及び前記アノードオフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐し、前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁(例えば、実施形態における開閉弁59,60)が設けられ、前記燃料電池システムは、前記アノード反応ガスの圧力を計測するアノード反応ガス計測手段と、前記アノード反応ガス計測手段の計測結果に基づいて、前記開閉弁の開閉制御を行う圧力制御部(例えば、実施形態におけるアノードガス圧力判定手段61)とを備え、前記圧力制御部は、前記燃料電池の起動時において前記アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、前記開閉弁を開成し、前記燃料電池を停止する場合に、前記開閉弁を閉成することを特徴とする。
The invention described in
In the invention described in
請求項5に記載した発明は、請求項1ないし請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、前記湿度計測手段は、前記分岐流路を流通する前記反応ガスの露点を計測する露点計であり、前記燃料電池システムは、前記燃料電池に冷媒を流通させて前記燃料電池を冷却する冷却手段(例えば、実施形態における冷却手段13)と、前記露点計により計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記燃料電池を制御する制御部(例えば、加湿状態判定手段64)とを備え、前記制御部は、計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記反応ガスの温度に対する前記反応ガスの第1相対湿度、前記冷媒の温度に対する前記反応ガスの第2相対湿度、及び前記燃料電池の水分保持量のうち、少なくとも一つの状態量を求めるステップと、求めた前記状態量を用いて、前記燃料電池を制御するステップと、を行うことを特徴とする。
The invention described in
ところで、燃料電池システムのメイン流路(反応ガス供給流路や反応ガス排出流路)には、燃料電池から排出される生成水が多く存在している。そのため、メイン流路に湿度計測手段を直接配置する構成では、上述したように絶対湿度計測手段への水の付着により計測誤差や、応答性の低下を引き起こす可能性がある。
そこで、請求項1に記載した発明によれば、メイン流路から分岐した分岐流路を形成することで、分岐流路内への生成水の流入を抑制できる。これにより、絶対湿度計測手段の計測時において、生成水による影響を可能な限り排除して、絶対湿度計測手段による測定精度を向上させることができる。
また、分岐流路上に加熱手段を介して絶対湿度計測手段を配置することで、分岐流路内を流通する反応ガス温度を上昇させ、分岐流路内の反応ガスの相対湿度を低減することができる。これにより、反応ガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制できるので、分岐流路内を流通する反応ガスの絶対湿度を正確に測定できる。そのため、燃料電池システムの起動時や過渡時等、反応ガス温度が比較的低い場合であっても、水蒸気の結露を抑制して絶対湿度計測手段による測定精度を向上させることができる。なお、上述したように分岐流路内は加熱手段によって反応ガスの相対湿度の低減が図られているため、仮に反応ガス中の水蒸気(絶対湿度を計測すべき水分)が分岐流路内で結露したとしても、この結露水を速やかに蒸発させることができる。したがって、絶対湿度計測手段の計測をより正確に行い、信頼性を向上できる。
By the way, in the main flow path (reactive gas supply flow path and reactive gas discharge flow path) of the fuel cell system, there is a lot of generated water discharged from the fuel cell. For this reason, in the configuration in which the humidity measuring means is directly arranged in the main flow path, there is a possibility that measurement error and responsiveness decrease due to the adhesion of water to the absolute humidity measuring means as described above.
Therefore, according to the first aspect of the present invention, by forming the branch channel branched from the main channel, the inflow of generated water into the branch channel can be suppressed. Thereby, at the time of measurement of an absolute humidity measuring means, the influence by produced | generated water can be excluded as much as possible, and the measurement precision by an absolute humidity measuring means can be improved.
In addition, by arranging the absolute humidity measurement means on the branch flow path via the heating means, the temperature of the reaction gas flowing through the branch flow path can be increased, and the relative humidity of the reaction gas in the branch flow path can be reduced. it can. Thereby, since dew condensation of water vapor contained in the reaction gas can be suppressed, the absolute humidity of the reaction gas flowing through the branch flow path can be accurately measured. Therefore, even when the reaction gas temperature is relatively low, such as when the fuel cell system is started up or during a transition, condensation of water vapor can be suppressed and measurement accuracy by the absolute humidity measuring means can be improved. As described above, since the relative humidity of the reaction gas is reduced by the heating means in the branch channel, water vapor in the reaction gas (moisture whose absolute humidity is to be measured) is condensed in the branch channel. Even if it does, this dew condensation water can be evaporated quickly. Therefore, the absolute humidity measuring means can be measured more accurately and the reliability can be improved.
また、圧力損失形成手段により分岐流路内で圧力損失を得ることで、分岐流路内を流通する反応ガスの流量を調整でき、絶対湿度計測手段による測定精度をより向上させることができる。 Further , by obtaining the pressure loss in the branch flow path by the pressure loss forming means, the flow rate of the reaction gas flowing in the branch flow path can be adjusted, and the measurement accuracy by the absolute humidity measuring means can be further improved.
請求項2に記載した発明によれば、燃料電池システム内の最高温度である燃料電池の動作温度以上に分岐流路内の反応ガスを加熱することで、分岐流路内での水蒸気の結露を確実に抑制でき、より正確に絶対湿度計測手段での計測を行うことができる。 According to the second aspect of the present invention, the reaction gas in the branch channel is heated to a temperature higher than the operating temperature of the fuel cell, which is the maximum temperature in the fuel cell system. It is possible to reliably suppress, and more accurate measurement with the absolute humidity measuring means can be performed.
ところで、燃料電池システムでは、システム停止時において、アノード側の分岐流路が開成状態であると、外部から分岐流路内に向けて大気が逆流して、大気中に含まれる塵埃等がアノード反応ガス流路等に侵入してくる虞がある。
そこで、請求項4に記載した発明によれば、燃料電池の停止時に開閉弁を閉成しておくことで、燃料電池停止中における大気の逆流を防ぐことができる。これにより、アノード側の反応ガス流路内等への塵埃の侵入を防止できる。また、アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、開閉弁を開成することで、開閉弁の開成した時点での大気の逆流を防止し、反応ガスを所望の流通方向に流通させることができる。よって、絶対湿度計測手段の計測をより正確に行い、信頼性を向上できる。
By the way, in the fuel cell system, when the anode side branch channel is open when the system is stopped, the atmosphere flows backward from the outside into the branch channel, and dust contained in the atmosphere undergoes an anode reaction. There is a risk of entering a gas flow path or the like.
Therefore, according to the fourth aspect of the present invention, the backflow of the atmosphere while the fuel cell is stopped can be prevented by closing the on-off valve when the fuel cell is stopped. As a result, it is possible to prevent dust from entering the reaction gas channel on the anode side. Further, when the pressure of the anode reaction gas is equal to or higher than a predetermined value, by opening the on-off valve, it is possible to prevent backflow of the atmosphere at the time when the on-off valve is opened and to distribute the reaction gas in a desired flow direction. . Therefore, the absolute humidity measuring means can be measured more accurately and the reliability can be improved.
請求項5に記載した発明によれば、露点計による計測結果に基づいて求めた第1相対湿度や、第2相対湿度、水分保持量を用いて燃料電池を制御することで、燃料電池を常に湿潤な状態に保持できる。これにより、所望の発電性能を維持できる。
特に、本発明の構成によれば、上記本発明の燃料電池システムを用いているため、絶対湿度計測手段の露点計によって反応ガスの露点を正確に計測できる。これにより、第1相対湿度や、第2相対湿度、水分保持量をより高精度に算出することができるので、燃料電池内の状態量を正確に把握して、燃料電池の制御の信頼性を向上できる。
According to the invention described in
In particular, according to the configuration of the present invention, since the fuel cell system of the present invention is used, the dew point of the reaction gas can be accurately measured by the dew point meter of the absolute humidity measuring means. As a result, the first relative humidity, the second relative humidity, and the moisture retention amount can be calculated with higher accuracy, so that the state quantity in the fuel cell can be accurately grasped and the reliability of control of the fuel cell can be improved. It can be improved.
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(燃料電池システム)
図1は、燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム1は、例えば図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック2(以下、燃料電池2という)と、燃料電池2にカソードガス(反応ガス)である空気を供給するためのカソードガス供給手段11と、アノードガス(反応ガス)である水素を供給するためのアノードガス供給手段12と、これら各構成品を統括的に制御するECU(Electric Control Unit)6(図2参照)とを主に備えている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
As shown in FIG. 1, a
燃料電池2は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池2が構成されている。そして、燃料電池2のアノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応(H2→2H++2e−)により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応(H2+O2/2→H2O)して発電するようになっている。
The
カソードガス供給手段11は、カソードガスを燃料電池2に向けて送出するエアポンプ33を備えている。エアポンプ33には、燃料電池2にカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路(反応ガス供給流路)24が接続されている。カソードガス供給流路24は、加湿器29を介して燃料電池2の入口側で、カソードに面するカソードガス流路(反応ガス流路)22に接続されている。一方、カソードガス流路22の出口側には、燃料電池2で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池2で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路(反応ガス排出流路)38が接続されている。
The cathode gas supply means 11 includes an air pump 33 that sends the cathode gas toward the
なお、上述したエアポンプ33には、エアポンプ33から送出されるカソードガスの流量(以下、エア量ともいう)を計測する図示しない流量センサが接続されており、燃料電池2のカソードに供給されるエア量を計測できるようになっている。また、カソードガス流路22の入口側及び出口側付近には、それぞれでのカソードガスの温度(カソード入口ガス温度及びカソード出口ガス温度)を計測するための温度センサ(不図示)と、カソードガスの圧力(カソード入口ガス圧力及びカソード出口ガス圧力)を計測するための圧力センサ(不図示)とが接続されている。
The above-described air pump 33 is connected to a flow rate sensor (not shown) for measuring the flow rate of the cathode gas sent from the air pump 33 (hereinafter also referred to as air amount), and the air supplied to the cathode of the
カソードオフガス排出流路38は、加湿器29を介して希釈ボックス31に接続されている。加湿器29は、内部に中空糸状の水透過膜(中空糸膜)を多数束ねた状態でハウジング(不図示)に収容されて構成されている。そして、中空糸膜の内部と外部とにそれぞれ水分含量の異なるガスが流通すると、水分含量の多いガス中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ないガスへと移動する。すなわち、本実施形態では、中空糸膜の内部にエアポンプ33から送出されるカソードガスが流通し、外部に生成水を含んだカソードオフガスが流通することで、燃料電池2で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池2に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。
The cathode off gas
そして、エアポンプ33によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路24を通過した後、燃料電池2のカソードガス流路22に供給される。そして、カソードガス流路22において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池2からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路38に排出される。カソードオフガス排出流路38は希釈ボックス31に接続され、その後、カソードオフガスは車外へと排気される。また、カソードオフガス排出流路38には燃料電池2のカソードガス流路22におけるカソードガスの圧力を調整するための背圧弁34が設けられている。
The cathode gas delivered by the air pump 33 passes through the cathode
一方、アノードガス供給手段12は、アノードガスが充填された水素タンク30を備えている。水素タンク30は、アノードガス供給流路(反応ガス供給流路)23を介して燃料電池2の入口側で、アノードに面するアノードガス流路(反応ガス流路)21に接続されている。一方、アノードガス流路21の出口側には、燃料電池2で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路(反応ガス供給流路)35が接続されている。また、アノードガス流路21の入口側及び出口側付近には、それぞれでのアノードガスの温度(アノード入口ガス温度及びアノード出口ガス温度)を計測するための温度センサ(不図示)と、アノードガスの圧力(アノード入口ガス圧力Pa1及びアノード出口ガス圧力Pa2)を計測するための圧力センサ(不図示)とが接続されている。
On the other hand, the anode gas supply means 12 includes a
アノードガス供給流路23には、上流側から順に、遮断弁25、レギュレータ28、エゼクタ26が接続されている。
遮断弁25は電磁駆動式のものであり、水素タンク30からのアノードガスの供給を遮断可能に構成されている。
A
The
レギュレータ28は、燃料電池2に供給されるカソードガスの圧力(カソード入口ガス圧力)を信号圧として、水素タンク30から供給される高圧のアノードガスを、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧(減圧)するものである。これにより、燃料電池2のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、レギュレータ28により調圧されたアノードガスは、エゼクタ26を通り、燃料電池2に供給される。なお、図示しないが、アノードガス供給流路23には、水素タンク30から供給されるアノードガスと熱交換を行う熱交換器が設けられている。これにより、燃料電池2の作動温度付近までアノードガスを加熱した状態で燃料電池2に供給することができる。
The
また、アノードオフガス排出流路35は、エゼクタ26に接続され、燃料電池2から排出されたアノードオフガスを循環させ、燃料電池2のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出流路35は、途中で流路が分岐して構成されたパージガス排出流路37を有している。パージガス排出流路37は希釈ボックス31に接続されている。また、パージガス排出流路37には電磁駆動式のパージ弁27が設けられている。
The anode off
希釈ボックス31は、パージガス排出流路37から導入されたアノードオフガスを滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出流路38が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路36から車外に排出される。なお、希釈ボックス31には、パージガス排出流路37から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
The
また、燃料電池システム1は、燃料電池2内に冷媒を流通させて燃料電池2を冷却する冷却手段13を備えている。冷却手段13は、燃料電池2内に冷媒を流通させる冷媒通路15と、冷媒を冷却するラジエータ10と、ラジエータ10から排出された冷媒を冷媒通路15に向けて流通させる冷媒供給通路14と、冷媒通路15から排出された冷媒をラジエータ10に向けて流通させる冷媒排出通路17とを備えている。また、冷媒供給通路14には、燃料電池2とラジエータ10との間で冷媒を循環させるウォータポンプ(W/P)18が設けられている。さらに、冷媒供給通路14には燃料電池2内に供給される冷媒の温度(入口冷媒温度Twin)を検出するための冷媒温度センサ19が接続されている。さらに、燃料電池2から取り出される電流値を計測する発電電流計(不図示)が燃料電池2に設けられている。
The
ここで、カソードガス供給流路24及びカソードオフガス排出流路38、並びにアノードガス供給流路23及びアノードオフガス排出流路35には、各流路24,38,23,35の分岐部から分岐した分岐流路41〜44が接続されている。
具体的に、まず分岐流路41(以下、カソードガス分岐流路41ともいう)は、カソードガス供給流路24における加湿器29と燃料電池2の間であって、燃料電池2の入口付近を分岐部として分岐している。分岐流路42(以下、カソードオフガス分岐流路42ともいう)は、カソードオフガス排出流路38における燃料電池2と加湿器29との間であって、燃料電池2の出口付近を分岐部として分岐している。
また、分岐流路43(以下、アノードガス分岐流路43ともいう)は、アノードガス供給流路23におけるエゼクタ26と燃料電池2との間であって、燃料電池2の入口付近を分岐部として分岐している。分岐流路44(以下、アノードオフガス分岐流路44ともいう)は、アノードオフガス排出流路35における燃料電池2の出口付近を分岐部として分岐している。
Here, the cathode gas
Specifically, first, the branch channel 41 (hereinafter also referred to as the cathode gas branch channel 41) is located between the
The branch channel 43 (hereinafter also referred to as the anode gas branch channel 43) is between the
各分岐流路41〜44には、それぞれ露点計(絶対湿度計測手段)51〜54が接続されており、各分岐流路41〜44内を流通する反応ガスの露点を計測できるようになっている。そして、各分岐流路41〜44において、上流端(各流路24,38,23,35と分岐流路41〜44との分岐部)から露点計51〜54までの間にそれぞれヒーター(加熱手段)45〜48が設置されており、各分岐流路41〜44内を流通する反応ガス(カソードガス、カソードオフガス、アノードガス、及びアノードオフガス)を加熱しうるように構成されている。すなわち、各分岐流路41〜44の流通方向において、ヒーター45〜48が設置された領域(分岐部から露点計51〜54までの領域)は、加熱領域となっている。
Dew point meters (absolute humidity measuring means) 51 to 54 are connected to the
また、各分岐流路41〜44における露点計51〜54よりも下流側は、流路の内径が上流側に比べて小さく形成された細管部(圧力損失形成手段)55〜58を構成している。なお、細管部55〜58に代えて流路内にオリフィスを設ける構成にしても構わない。
Further, the downstream sides of the
さらに、各分岐流路41〜44のうち、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44における露点計53,54よりも下流側には、開閉弁59,60が設けられ、分岐流路43,44内を開閉可能に構成されている。
そして、分岐流路41〜44は、その下流側でカソードオフガス排出流路38における背圧弁34と希釈ボックス31との間に接続されている。すなわち、各流路24,38,23,35から分岐流路41〜44に分岐した流体は、分岐流路41〜44内を通ってカソードオフガス排出流路38に流出するように構成されている。
Further, among the
The
(ECU)
図2はECUのブロック図である。
図2に示すように、ECU6は、燃料電池システム1の各構成品を統括的に制御するものであり、アノードガス圧力判定手段(圧力制御部)61と、湿度算出手段62と、水収支算出手段63と、加湿状態判定手段(制御部)64とを備えている。
(ECU)
FIG. 2 is a block diagram of the ECU.
As shown in FIG. 2, the
アノードガス圧力判定手段61は、上述した分岐流路43,44に設けられた開閉弁59,60の開閉制御を行うものである。具体的に、アノードガス圧力判定手段61には、開閉弁59,60の開閉判定を行うためのアノード入口ガス圧力閾値Pal1及びアノード出口ガス圧力閾値Pal2が記憶されており、燃料電池2の圧力センサにより検出されたアノードガス圧力Pa(アノード入口ガス圧力Pa1及びアノード出口ガス圧力Pa2)が、アノードガス圧力閾値Palよりも高い場合に開閉弁59,60を開弁するようになっている。
The anode gas pressure determination means 61 performs opening / closing control of the opening /
湿度算出手段62は、露点計51〜54で計測された反応ガスの露点を用いて、分岐流路41〜44を流通する反応ガスの温度に対する第1相対湿度φgを算出するとともに、入口冷媒温度Twinに対する第2相対湿度φwを算出する。これらの算出方法については後述する。
水収支算出手段63は、露点計51〜54で計測された反応ガスの露点を用いて、燃料電池2での発電電流に対する加湿水量Q(燃料電池2での水分保持量)を算出する。
The humidity calculating means 62 calculates the first relative humidity φg with respect to the temperature of the reaction gas flowing through the
The water balance calculation means 63 calculates the humidified water amount Q (water retention amount in the fuel cell 2) with respect to the generated current in the
加湿状態判定手段64は、燃料電池2の加湿状態を判定するものであり、第1相対湿度判定手段65と、第2相対湿度判定手段66と、加湿量判定手段67とを備えている。
第1相対湿度判定手段65には、第1相対湿度閾値φglが記憶されており、この第1相対湿度閾値φglと湿度算出手段62により算出された第1相対湿度φgとを比較して、燃料電池2の加湿状態を判定する。
The humidified
The first relative
第2相対湿度判定手段66には、第2相対湿度閾値φwlが記憶されており、この第2相対湿度閾値φwlと湿度算出手段62により算出された第2相対湿度φwとを比較して、燃料電池2の加湿状態を判定する。
加湿量判定手段67には、加湿水量閾値Qlが記憶されており、この加湿水量閾値Qlと水収支算出手段63により算出された加湿水量Qとを比較して、燃料電池2の加湿状態を判定する。
The second relative humidity determination means 66 stores a second relative humidity threshold φwl, and the second relative humidity threshold φwl is compared with the second relative humidity φw calculated by the humidity calculation means 62 to thereby determine the fuel. The humidified state of the
The humidification amount determination means 67 stores a humidification water amount threshold value Ql and compares the humidification water amount threshold value Ql with the humidification water amount Q calculated by the water balance calculation means 63 to determine the humidification state of the
そして、加湿状態判定手段64は、上述した各判定手段65〜67での判定結果に基づいて、燃料電池2の加湿状態を最終的に判定する。具体的には、各判定手段65〜67において、算出された第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qが全て所定閾値以上であると判定された場合に、燃料電池2が湿潤な状態に保たれ、効率的な発電が行われていると判定する。
Then, the humidification
(作用)
次に、上述した燃料電池システム1の作用について説明する。なお、以下の説明では、各分岐流路41〜44のうち、主にカソード側の分岐流路(カソードガス分岐流路41及びカソードオフガス分岐流路42)での作用について説明するが、その他の分岐流路43〜44の作用についてもカソードガス分岐流路41及びカソードオフガス分岐流路42での作用とほぼ同様である。
まず、エアポンプ33からカソードガス供給流路24に向けて送出されたカソードガスは、加湿器29内でカソードオフガスによって加湿された後、燃料電池2のアノードに向かって流通する。なお、加湿器29を流通するカソードオフガスは、燃料電池2で発電に供されたため、比較的高温となっている。そのため、加湿器29内では、カソードガスとカソードオフガスとの間で熱交換も行われ、カソードガスが加熱されるようになっている。
(Function)
Next, the operation of the
First, the cathode gas sent from the air pump 33 toward the cathode
その後、カソードガスの一部が、燃料電池2の入口直前でカソードガス分岐流路41内に流入する。この際、カソードガス分岐流路41内に分岐したカソードガスの流量は、燃料電池2での発電効率や、露点計51による測定可能な流量範囲を考慮して、予め決定する。すなわち、バイパスするカソードガスの流量が比較的多いと、露点計51での応答性は向上するが、燃料電池2へ供給されるカソードガスの流量が低下して燃料電池2での発電効率が低下するため好ましくない。一方、カソードガス分岐流路41に分岐するカソードガスの流量が比較的少ないと、燃料電池2での発電効率は維持されるが、露点計51での応答性が悪くなるため好ましくない。
そこで、本実施形態においては、カソードガス分岐流路41に分岐するカソードガスの流量は、燃料電池2の発電出力に依らず、エアポンプ33により送出されるカソードガスの流量に対して、例えば好ましい割合として0.8〜1.5%に設定する。これにより、燃料電池2での発電効率を維持した上で、露点計51による応答性も確保できる。
Thereafter, a part of the cathode gas flows into the cathode
Therefore, in the present embodiment, the flow rate of the cathode gas branched into the cathode gas
そして、カソードガス分岐流路41内に分岐したカソードガスは、加熱領域でヒーター45により加熱された後、露点計51で露点が計測される。この際、加熱領域では、ヒーター45によってカソードガスを燃料電池2の作動温度以上(例えば、約85℃程度)まで加熱する。このように、燃料電池システム1内の最高温度である燃料電池2の動作温度以上にカソードガス分岐流路41内のカソードガスを加熱することで、カソードガス分岐流路41内での水蒸気の結露を確実に抑制できる。
また、加熱領域において、カソードガス分岐流路41を流通するカソードガスを、カソードガス流路22に供給されるカソードガスに比べて10℃以上加熱するようにしても構わない。これによっても、カソードガス分岐流路41内での水蒸気の結露を確実に抑制できる。但し、加熱温度が高すぎると、ヒーター45の消費電力が大きくなるため好ましくない。
The cathode gas branched into the cathode
In the heating region, the cathode gas flowing through the cathode
また、カソードガス分岐流路41内に分岐したカソードガスは、露点計51の下流側で細管部55を通った後、カソードオフガス排出流路38内へ流入する。この場合、細管部55において、所定の排気圧損を得られるように設定することで、カソードガス分岐流路41内を流通するカソードガスの流量を調整することができ、カソードガス分岐流路41内に常に一定以上の流量でカソードガスを供給できる。これにより、応答遅れの無いリアルタイムでの計測が実現できる。その後、カソードオフガス排出流路38内へ流入したカソードガスは、希釈ボックス31を通って排出通路36から排出される。
Further, the cathode gas branched into the cathode
一方、カソードガス分岐流路41へ分岐せずに、カソードガス供給流路24を燃料電池2に向けて流通するカソードガスは、燃料電池2の入口側でカソードガス流路22に供給される。そして、カソードガスは、カソードガス流路22において発電に供された後、カソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路38に排出される。カソードオフガス排出流路38に排出されたカソードオフガスのうち、一部のカソードオフガスは、燃料電池2の出口付近でカソードオフガス分岐流路42内に分岐する。そして、カソードオフガス分岐流路42内に分岐したカソードガスは、加熱領域でヒーター46により加熱された後、露点計52で露点が計測される。その後、カソードオフガス分岐流路42内に分岐したカソードオフガスは、露点計52の下流側で細管部56を通った後、カソードオフガス排出流路38内へ再び合流する。
On the other hand, the cathode gas that flows through the cathode
ところで、燃料電池システム1では、システム停止時に、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44が開放状態であると、外部からアノードガス分岐流路43やアノードオフガス分岐流路44内に大気が逆流して、大気中に含まれる塵埃等がアノードガス供給手段12や燃料電池2内に侵入してくる虞がある。
By the way, in the
そこで、本実施形態では、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44に開閉弁59,60を設け、燃料電池システム1の停止時に開閉弁59,60を閉弁しておくことで、燃料電池システム1の停止中における大気の逆流を防ぐことができる。これにより、アノードガス供給手段12や燃料電池2内等への塵埃の侵入を防止できる。また、後述するステップS1において、燃料電池システム1の起動後、アノードガス圧力判定手段61により燃料電池2内のアノードガス圧力Pa1,Pa2が、アノードガス圧力閾値Pal1,Pal2以上であると判定された場合に、開閉弁59,60を開弁することで、開閉弁59,60の開弁した時点での大気の逆流を防止し、反応ガス(アノードガス及びアノードオフガス)を所望の流通方向に流通させることができる。
Therefore, in the present embodiment, the on / off
また、メイン流路(アノードガス供給流路23、カソードガス供給流路24、アノードガス排出流路35、及びカソードガス排出流路38)には、燃料電池2から排出される生成水が多く存在している。そのため、メイン流路に露点計51〜54を直接配置する構成では、露点計51〜54への水の付着により計測誤差や、応答性の低下を引き起こす可能性がある。
In addition, the main flow path (the anode gas
そこで、本実施形態では、メイン流路の分岐部から分岐する分岐流路41〜44を形成する構成とした。
この構成によれば、分岐流路41〜44を形成することで、メイン流路から分岐流路41〜44内への生成水の流入を抑制できる。これにより、露点計51〜54の計測時において、生成水による影響を可能な限り排除して、分岐流路41〜44内を流通する反応ガスの露点を正確に計測できる。
Therefore, in the present embodiment, the
According to this configuration, by forming the
また、分岐流路41〜44上にヒーター45〜48を介して露点計51〜54を配置することで、分岐流路41〜44内を流通する反応ガス温度を上昇させ、分岐流路41〜44内での反応ガスの相対湿度φg,φwを低減することができるため、反応ガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制できるので、分岐流路41〜44内を流通する反応ガスの露点(絶対湿度)を正確に測定できる。そのため、燃料電池システム1の起動時や過渡時等、流体温度が比較的低い場合であっても、水蒸気の結露を抑制して反応ガスの露点を正確に計測できる。なお、上述したように分岐流路41〜44内ではヒーター45〜48によって反応ガスの相対湿度φg,φwの低減が図られているため、仮に分岐流路41〜44内を流通する反応ガス中の水蒸気(露点を計測すべき水分)が結露したとしても、この結露水を速やかに蒸発させることができる。したがって、露点計51〜54でより正確に露点を計測できる。さらに、露点計51〜54よりも上流側で燃料電池2の動作温度以上に高めることで、例えば露点計51〜54を直接加熱するような構成に比べて、露点計51〜54の熱による誤作動等を防止して、反応ガスの露点を正確に計測できる。
Moreover, the reaction gas temperature which distribute | circulates the inside of the branch flow paths 41-44 is raised by arrange | positioning the dew point meters 51-54 on the branch flow paths 41-44 via the heaters 45-48, and the branch flow paths 41-44 are increased. Since the relative humidity φg and φw of the reaction gas in the
また、上述したエゼクタ26により循環されるアノードオフガスには、水蒸気が多量に含まれているため、アノードガス供給流路23内で結露し易いという問題がある。さらに、燃料電池システム1の起動時等においては、アノードガスを加熱するための熱交換器が温まっておらず、燃料電池2に供給されるアノード入口ガス温度が比較的低い。そのため、アノードガス供給流路23内で結露が生じやすいという問題がある。
これらの問題に対しても、本実施形態では、アノードガス分岐流路43上にヒーター47を介して露点計53を配置することで、アノードガス分岐流路43内を流通するアノードガス温度を上昇させ、分岐流路43での相対湿度φg,φwを低減することができる。これにより、アノードガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制して、露点計53によってアノードガスの露点を正確に計測できる。
Further, since the anode off-gas circulated by the
In order to cope with these problems, in the present embodiment, the
(燃料電池システムの制御方法)
次に、上述した燃料電池システム1の制御方法について説明する。具体的には、燃料電池2の加湿状態制御について説明する。図3は、燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
まず、ステップS1において、燃料電池システム1の起動後、圧力センサにより検出されたアノードガス圧力Pa(アノード入口ガス圧力Pa1及びアノード出口ガス圧力Pa2)が、アノードガス圧力判定手段61に記憶されたアノードガス圧力閾値(アノード入口ガス圧力閾値Pa1l及びアノード出口ガス圧力閾値Pa2l)よりも高いか否かを判定する。
(Control method of fuel cell system)
Next, the control method of the
First, in step S1, the anode gas pressure Pa (anode inlet gas pressure Pa1 and anode outlet gas pressure Pa2) detected by the pressure sensor after the start of the
ステップS1における判定結果が「NO」の場合(Pa1≦Pal、かつPa2≦Palの場合)は、開閉弁59,60を開弁せずに、ステップS1の判定を定期的に繰り返す。
一方、ステップS2における判定結果が「YES」の場合(Pa1>Pal、かつPa2>Palの場合)は、ステップS2に進む。そして、ステップS2において、開閉弁59,60を開弁すると、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44内にアノードガス及びアノードオフガスが流通する。
When the determination result in step S1 is “NO” (when Pa1 ≦ Pal and Pa2 ≦ Pal), the determination in step S1 is periodically repeated without opening the on-off
On the other hand, when the determination result in step S2 is “YES” (when Pa1> Pal and Pa2> Pal), the process proceeds to step S2. In
次に、ステップS3において、各分岐流路41〜44に接続された露点計51〜54により、分岐流路41〜44での反応ガスの露点温度(アノード入口側でのアノードガスの露点温度Thain及び出口側でのアノードオフガスの露点温度Thaout並びにカソード入口側でのカソードガスの露点温度Thcin及び出口側でのカソードオフガスの露点温度Thcout)を計測する。
Next, in step S3, the
続いて、ステップS4において、ステップS3で計測した露点温度に基づいて、第1相対湿度φg、入口冷媒温度Twinに対する第2相対湿度φw及び加湿水量Qを算出する。 Subsequently, in step S4, based on the dew point temperature measured in step S3, the first relative humidity φg, the second relative humidity φw with respect to the inlet refrigerant temperature Twin, and the amount of humidified water Q are calculated.
(湿度算出方法)
ここで、ステップS4における第1相対湿度φg及び第2相対湿度φwの算出方法について説明する。なお、以下の説明では、カソード入口側での第1相対湿度φg及び第2相対湿度φwの算出方法を例にして説明するが、他の箇所についても同様の方法で計測することができる。
湿度算出手段62は、まず露点計51で計測されたカソード入口側でのカソードガスの露点温度Thcin(以下、ガス露点温度Thcinという)を数式1に示す近似式に代入し、カソード入口側でのガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧Pcthin(kPa)を算出する。
(Humidity calculation method)
Here, a method of calculating the first relative humidity φg and the second relative humidity φw in step S4 will be described. In the following description, the calculation method of the first relative humidity φg and the second relative humidity φw on the cathode inlet side will be described as an example, but other portions can be measured by the same method.
The humidity calculating means 62 first substitutes the dew point temperature Thcin of the cathode gas at the cathode inlet side measured by the dew point meter 51 (hereinafter referred to as gas dew point temperature Thcin) into the approximate expression shown in
次に、温度センサにより計測された燃料電池2のカソード入口ガス温度Tcinを、数式2に示す近似式に代入し、燃料電池2のカソード入口ガス温度Tcinにおける飽和水蒸気圧Pct(kPa)を算出する。
Next, the cathode inlet gas temperature Tcin of the
そして、数式3に基づいて、カソード入口ガス温度Tcinにおける飽和水蒸気圧Pctに対するカソード入口側でのガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧Pcthの割合から、カソード入口ガス温度Tcinに対するカソードガスの第1相対湿度φgを算出する。
Based on
一方、燃料電池2の入口側での第2相対湿度φwを算出するためには、まず燃料電池2における入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pcw(kPa)を算出する。具体的には、冷媒温度センサ19により計測された入口冷媒温度Twinを数式4に示す近似式に代入し、入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pcw(kPa)を算出する。
On the other hand, in order to calculate the second relative humidity φw at the inlet side of the
そして、数式5に基づいて、入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pctに対するカソード入口ガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧Pcwの割合から、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを算出する。
Then, based on
なお、第2相対湿度φwを求める理由としては、燃料電池システム1では、冷媒温度(例えば、入口冷媒温度Twin)と露点温度(例えば、カソード入口側でのガス露点温度Thcin)との関係、すなわち入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwによって、燃料電池2内で生成される生成水量QW(燃料電池2の加湿に使われる水量)が異なるためである。例えば、カソード入口ガス温度Tcinが50℃、カソード入口側でのガス露点温度Thcinが30℃、入口冷媒温度Twinが25℃の場合であれば、燃料電池2内でのカソードガスと冷媒との熱交換により、カソードガスの熱は冷媒に向けて放熱される。この場合、燃料電池2内でのカソードガス温度がカソード入口ガス露点温度Thcinに達すると、カソードガス中の水蒸気が燃料電池2内で結露することで、燃料電池2に水分を供給しやすくなる。
このように、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを求めることで、燃料電池2内でのカソードガスの結露状況を把握でき、燃料電池2への加湿し易さを把握できる。
The reason for obtaining the second relative humidity φw is that, in the
Thus, by obtaining the second relative humidity φw of the cathode gas with respect to the inlet refrigerant temperature Twin, it is possible to grasp the dew condensation state of the cathode gas in the
(加湿水量算出方法)
次に、燃料電池2での加湿水量Q(燃料電池2の加湿に使われる水の量)を算出する。図4は、燃料電池システム(カソード側)での水収支を説明するための説明図である。
図4に示すように、燃料電池2に供給されるカソードガス中に含まれる水分量を投入水分量Qin(g/sec)、燃料電池2で発電や結露等によって生成される生成水の量を生成水量QW(g/sec)、燃料電池2から排出されるカソードオフガス中に含まれる水分量を排出水分量Qout(g/sec)とすると、燃料電池2内での加湿水量Q(g/sec)は、数式6で表すことができる。
(Method for calculating the amount of humidified water)
Next, the amount of humidified water Q in the fuel cell 2 (the amount of water used for humidifying the fuel cell 2) is calculated. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a water balance in the fuel cell system (cathode side).
As shown in FIG. 4, the amount of water contained in the cathode gas supplied to the
そこで、本実施形態では、水収支算出手段63により、まず上述した投入水分量Qin、生成水量QW、排出水分量Qoutをそれぞれ算出する。
投入水分量Qin(g/sec)を算出するためには、まずエアポンプ33の流量センサで検出されたカソードに供給されるエア量をGin(NL/sec)、標準状態(1気圧・0℃)の時の1molあたりのエアの体積を22.4(NL)、水の分子量を18としたときに、エアのモル数に対する水のモル数の比は数式7で表される。
Therefore, in the present embodiment, the water balance calculating means 63 first calculates the input water amount Qin, the generated water amount QW, and the discharged water amount Qout, respectively.
In order to calculate the input water amount Qin (g / sec), first, the amount of air supplied to the cathode detected by the flow sensor of the air pump 33 is Gin (NL / sec), standard state (1 atm. 0 ° C.) The ratio of the number of moles of water to the number of moles of air is expressed by
一方で、上述した数式1で算出したカソード入口側でのガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧をPcthin、圧力センサにより検出されたカソード入口ガス圧力をPcinとし、数式8によりエア分圧に対する水蒸気分圧の比を算出する。
On the other hand, the saturated water vapor pressure at the gas dew point temperature Thcin on the cathode inlet side calculated by
数式7のモル比と、数式8の分圧比は等しくなるので、数式9が成り立つ。
Since the molar ratio of
数式9をQinについて解くと、数式10を得ることができる。そして、数式10にそれぞれ値を代入することで、投入水分量Qin(g/sec)を算出する。
When
次に、燃料電池2での生成水量QW(kPa)を算出するために、まず発電電流計を用いて燃料電池2での電流値I(C/sec)を計測し、計測した電流値I(C/sec)を用いて、水素使用量L(mol/sec)を算出する。具体的には、燃料電池2での水素(アノードガス)使用量をL(mol/sec)、発電反応中(H2→2H++2e−)の1個の水素分子から取り出される電子数を2、ファラデー定数を96500(C/mol)とすると、各セルでの電流値I(C/sec)は数式11で表すことができる。
Next, in order to calculate the generated water amount QW (kPa) in the
そして、数式11をL(mol/sec)について解くとともに、燃料電池2の積層セル数nを掛けることで、数式12により燃料電池2全体における水素消費量Lz(mol/sec)を算出する。
Then, while solving
この場合、水素の消費量Lz(mol/sec)に対して、同じモル数だけ水分が発生するため(H2+O2/2→H2O)、生成水量QW(g/sec)は、水の分子量18を用いて、数式13により表すことができる。
以上により、生成水量QW(g/sec)を算出する。
In this case, the consumption of hydrogen Lz (mol / sec), since water by the same number of moles is generated (H 2 + O 2/2 → H 2 O), water quantity QW (g / sec) is water The molecular weight of 18 can be used to express by
Thus, the generated water amount QW (g / sec) is calculated.
次に、排出水分量Qout(g/sec)を算出するために、燃料電池2におけるカソード出口でのエア量(カソードオフガス量)Gout(NL/sec)を算出する。カソードオフガス量Gout(NL/sec)は、燃料電池2での酸素消費量(22.4×Lz/2)をGo2とすると、数式14により表すことができる。
Next, in order to calculate the discharged water amount Qout (g / sec), the air amount (cathode off-gas amount) Gout (NL / sec) at the cathode outlet in the
続いて、数式15に示す近似式に露点計52で計測されたカソード出口側でのガス露点温度Thcoutを代入し、ガス露点温度Thcoutにおける飽和水蒸気圧Pcthout(kPa)を算出する。
Subsequently, the gas dew point temperature Thcout on the cathode outlet side measured by the
上述した数式15で算出したガス露点温度Thcoutにおける飽和水蒸気圧をPcthout、圧力センサにより検出されたカソード出口ガス圧力をPcoutとし、上述した数式7〜数式9と同様に計算を行うと、排出水分量Qout(g/sec)は数式16のように算出できる。そして、数式16にそれぞれ値を代入することで、排出水分量Qout(g/sec)を算出できる。
When the saturated water vapor pressure at the gas dew point temperature Thcout calculated by
そして、水収支算出手段63は、上述した数式(6)に投入水分量Qin(g/sec)、生成水量QW(g/sec)、排出水分量Qout(g/sec)をそれぞれ代入して、加湿水量Q(g/sec)を算出する。 Then, the water balance calculation means 63 substitutes the input water amount Qin (g / sec), the generated water amount QW (g / sec), and the discharged water amount Qout (g / sec) into the above-described equation (6), respectively. The amount of humidified water Q (g / sec) is calculated.
次に、図3に戻り、ステップS5において、ステップS4で算出した第1相対湿度φg、第2相対湿度φw、及び加湿水量Qに基づいて、燃料電池2の加湿状態を判定する。具体的には、加湿状態判定手段64の各判定手段65〜67により、ステップS4で算出された値が所定閾値(第1相対湿度閾値φgl、第2相対湿度閾値φwl、及び加湿水量閾値Ql)以上であるか否かで判定する。そして、加湿状態判定手段64は、ステップS4で算出された値が全て所定閾値以上であった場合に加湿状態が良好であると判定する。
Next, returning to FIG. 3, in step S5, the humidification state of the
図5,図6は、加湿状態判定を説明するためのグラフであり、図5は第1相対湿度φg(%)と第2相対湿度φw(%)とに基づいて加湿状態を判定するためのグラフであり、図6は加湿水量Qに基づいて加湿状態を判定するためのグラフである。
本実施形態では、図5に示すように、第1相対湿度判定手段65及び第2相対湿度判定手段66により、第1相対湿度φg及び第2相対湿度φwが何れも所定閾値以上(φg≧φgl、かつφw≧φwl)であると判定された場合(図5中領域A)であって、図6に示すように、加湿量判定手段67により、加湿水量Qが加湿水量閾値Ql以上(Q≧Ql)であると判定された場合(図6中領域Y)の場合に、加湿状態が良好であると判定する。すなわち、燃料電池2が湿潤な状態に保たれ、効率的な発電が行われていると判定する。この場合は、図3のフローを終了する。
5 and 6 are graphs for explaining the humidification state determination, and FIG. 5 is a graph for determining the humidification state based on the first relative humidity φg (%) and the second relative humidity φw (%). FIG. 6 is a graph for determining the humidified state based on the humidified water amount Q.
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the first relative humidity determination means 65 and the second relative humidity determination means 66 cause both the first relative humidity φg and the second relative humidity φw to be equal to or greater than a predetermined threshold (φg ≧ φgl). And φw ≧ φwl) (region A in FIG. 5), and as shown in FIG. 6, the humidification amount determination means 67 causes the humidification amount Q to be equal to or higher than the humidification amount threshold Ql (Q ≧). Q1) is determined (region Y in FIG. 6), it is determined that the humidified state is good. That is, it is determined that the
一方で、図5,図6に示すように、第1相対湿度φg、第2相対湿度φw、及び発電電流に対する加湿水量Qのうち、何れかが所定閾値未満の場合には、加湿不良と判定してステップS6に進む。
ステップS6では、加湿状態を回復するために、加湿増制御を行う。図5中領域Bのように、第1相対湿度φgは高いものの、第2相対湿度φwが所定値未満の場合(φg≧φgl、かつφw<φwl)には、入口冷媒温度Twinが高い虞があるため、入口冷媒温度Twinを低下させる制御を行う。具体的に、燃料電池2に供給する冷媒流量を増加させることで入口冷媒温度Twinを低下させ、入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pcwを低下させ、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを高める。
また、第2相対湿度φwが所定値未満であって、カソード入口ガス温度Tcinが低い虞がある場合には、カソード入口ガス温度Tcinを上げるために、燃料電池2に供給するカソード流量(エア量)を低下させる(ストイキを下げる)ことで、加湿器29内でのカソードオフガスとの熱交換による温度上昇を促進させることができる。これにより、カソード入口ガス温度Twinを上昇させ、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを高める。なお、ストイキとは、燃料電池2でのカソードガスの必要消費量に対する投入量である。
On the other hand, as shown in FIGS. 5 and 6, if any of the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q with respect to the generated current is less than a predetermined threshold, it is determined that the humidification is defective. Then, the process proceeds to step S6.
In step S6, humidification increase control is performed to recover the humidified state. Although the first relative humidity φg is high as in the region B in FIG. 5, when the second relative humidity φw is less than a predetermined value (φg ≧ φgl and φw <φwl), the inlet refrigerant temperature Twin may be high. Therefore, control is performed to lower the inlet refrigerant temperature Twin. Specifically, the refrigerant flow rate supplied to the
When the second relative humidity φw is less than a predetermined value and the cathode inlet gas temperature Tcin is likely to be low, the cathode flow rate (air amount) supplied to the
一方、図5中領域Cのように、第2相対湿度φwは高いものの、第1相対湿度φgが所定値未満の場合(φw≧φwl、かつφg<φgl)には、第2相対湿度φwを維持したままで、第1相対湿度φgを増加させる必要がある。この場合には、入口冷媒温度Twinを維持した状態でカソード入口ガス温度Tcinを低下させる。カソード入口ガス温度Tcinを低下させるには、例えば、カソード流量(エア量)を増加させる(ストイキを上げる)等の処置が考えられる。これにより、加湿器29内でのカソードオフガスとの熱交換による温度上昇を抑制させ、カソード入口ガス温度Tcinを低下させる。その結果、カソード入口ガス温度Tcinにおける飽和水蒸気圧Pctを低下させ、カソード入口ガス温度Tcinに対するカソードガスの第1相対湿度φgを高めることができる。
On the other hand, when the second relative humidity φw is high but the first relative humidity φg is less than a predetermined value (φw ≧ φwl and φg <φgl) as in the region C in FIG. 5, the second relative humidity φw is set to It is necessary to increase the first relative humidity φg while maintaining it. In this case, the cathode inlet gas temperature Tcin is lowered while maintaining the inlet refrigerant temperature Twin. In order to lower the cathode inlet gas temperature Tcin, for example, a measure such as increasing the cathode flow rate (air amount) (increasing stoichiometry) or the like can be considered. Thereby, the temperature rise by the heat exchange with the cathode off gas in the
また、図5中領域Dのように、第1相対湿度φg、及び第2相対湿度φwの双方が所定値未満の場合(φg<φgl、かつφw<φwl)には、上述した各方法を適宜採用して、第1相対湿度φg、及び第2相対湿度φwが所定値以上(図5中領域A)になるように制御する。また、カソードガス圧力を増加(カソードガスの流速低下)させて、カソード入口ガス温度Tcinを増加させることも可能である。 Further, when both the first relative humidity φg and the second relative humidity φw are less than a predetermined value (φg <φgl and φw <φwl) as in the region D in FIG. The first relative humidity φg and the second relative humidity φw are controlled to be equal to or higher than a predetermined value (area A in FIG. 5). It is also possible to increase the cathode inlet gas temperature Tcin by increasing the cathode gas pressure (decreasing the cathode gas flow rate).
また、図6中領域Xのように、加湿水量Qが加湿水量閾値Ql未満の場合(Q<Ql)、加湿水量Qを増加させる必要がある。この場合には、例えば、加湿器29での水分交換の効率を上げる等の処置が考えられる。
Further, as shown in the region X in FIG. 6, when the humidified water amount Q is less than the humidified water amount threshold Ql (Q <Ql), it is necessary to increase the humidified water amount Q. In this case, for example, measures such as increasing the efficiency of moisture exchange in the
ここで、図7は時間(min)に対する加湿水量Q(g/sec)及び電圧(V)の関係を示すグラフである。
図7に示すように、加湿水量Qが3(g/sec)以上の場合には、燃料電池2での発電電圧が240〜250(V)程度の高い発電性能を維持していることがわかる。一方、加湿水量Qが3(g/sec)未満になると、加湿水量Qの低下とともに、発電電圧も低下していることがわかる。そのため、本実施形態では、加湿水量閾値Qlを例えば、3(g/sec)程度に設定することが好ましく、算出される加湿水量Qが3(g/sec)以上になるように加湿水量Qを制御する。なお、加湿水量Qが負の値の状態は、投入水分量Qin(g/sec)よりも排出水分量(g/sec)が少ない状態、すなわち燃料電池2内で水分が持ち去られている状態を示している。
Here, FIG. 7 is a graph showing the relationship between the humidified water amount Q (g / sec) and the voltage (V) with respect to time (min).
As shown in FIG. 7, when the humidified water amount Q is 3 (g / sec) or more, it can be seen that the power generation voltage in the
ところで、第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qが高すぎると、燃料電池2内でフラッディング現象(生成水が燃料電池2内に局所的に滞留してガス供給を阻害する現象)が生じる虞がある。そこで、図3に示すように、上述した所定閾値(第1相対湿度閾値φgl、相対湿度閾値φw及び加湿水量閾値Ql)に上限値を設定し、ステップS4において第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qが上限値よりも高いと判定された場合には、ステップS7において、加湿減制御を行う構成とすることが好ましい。加湿減制御については、上述した加湿増制御と逆の方法を行うことで実現できる。
以上により、加湿状態制御のフローを終了する。
By the way, if the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q are too high, a flooding phenomenon in the fuel cell 2 (a phenomenon in which the generated water locally stays in the
The humidified state control flow is thus completed.
なお、上述した実施形態では、第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qの判定方法として、所定閾値以上であるか否かを判定する方法に加え、所定閾値に上限値を設ける方法について説明したが、これとは別に第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qの目標値を設定し、この目標値に近づけるように加湿増制御または加湿減制御を行う構成にしても構わない。
また、本実施形態では、加湿過剰時にはステップS7で加湿減制御を行う場合について説明したが、必ずしも加湿減制御を行う必要はない。
さらに、ステップS5の加湿状態判定において、確定時間を設定し、確定時間内で継続的に算出された第1相対湿度φg、第2相対湿度φw、及び加湿水量Qに基づいて、加湿状態を判定することが好ましい。これにより、過渡的な応答遅れの影響を排除でき、より正確な制御を行うことができるので、燃料電池システム1の信頼性を向上できる。
In the above-described embodiment, as a method for determining the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q, an upper limit value is provided for the predetermined threshold in addition to the method for determining whether or not the predetermined relative threshold is exceeded. Although the method has been described, the target values of the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q are set separately, and the humidification increase control or the humidification decrease control is performed so as to approach the target values. It doesn't matter.
In the present embodiment, the case where the humidification reduction control is performed in step S7 when the humidification is excessive has been described. However, the humidification reduction control is not necessarily performed.
Furthermore, in the humidification state determination of step S5, a fixed time is set, and the humidification state is determined based on the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the humidified water amount Q that are continuously calculated within the fixed time. It is preferable to do. Thereby, the influence of a transient response delay can be eliminated and more accurate control can be performed, so that the reliability of the
このように、本実施形態では、露点計51〜54による計測結果に基づいて第2相対湿度φwや、第1相対湿度φg、加湿水量Qのような状態量を算出することで、この算出結果に基づいて燃料電池2の加湿状態を制御できる。これにより、燃料電池2を常に湿潤な状態に保持できるので、所望の発電性能を維持できる。
特に、本実施形態では、上述したように露点計51〜54によって反応ガスの露点を正確に計測できるため、第2相対湿度φwや、第1相対湿度φg、加湿水量Qをより高精度に算出することができ、燃料電池2の加湿状態制御の信頼性を向上できる。
Thus, in the present embodiment, the calculation result is obtained by calculating the state quantities such as the second relative humidity φw, the first relative humidity φg, and the humidified water amount Q based on the measurement results by the
In particular, in this embodiment, since the dew point of the reaction gas can be accurately measured by the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム1を燃料電池車両に搭載した場合を例にして説明したが、これに限らず、例えばオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, in the above-described embodiment, the case where the
また、上述した実施形態では、アノード側及びカソード側の各流路(アノードガス供給流路23、カソードガス供給流路24、アノードガス排出流路35、及びカソードガス排出流路38)にそれぞれ分岐流路41〜44を設ける構成について説明したが、これに限らず、アノード側の流路(アノードガス供給流路23、及びアノードガス排出流路35)または、カソード側の流路(カソードガス供給流路24、及びカソードガス排出流路38)のみに設けても構わない。また、アノード側及びカソード側の各流路のうち、何れか1つのみに設ける構成でも構わない。
さらに、上述した実施形態では、第2相対湿度φwや、第1相対湿度φg、加湿水量Qの全ての状態量を用いて燃料電池2の制御を行う構成について説明したが、これに限らず、上述した状態量の少なくとも一つを用いれば構わない。
Further, in the above-described embodiment, each of the anode side and cathode side channels (the anode
Furthermore, in the above-described embodiment, the configuration in which the
1…燃料電池システム 2…燃料電池スタック(燃料電池) 13…冷却手段 21…アノードガス流路(反応ガス流路、アノード反応ガス流路) 22…カソードガス流路(反応ガス流路) 23…アノードガス供給流路(反応ガス供給流路、アノード反応ガス供給流路) 24…カソードガス供給流路(反応ガス供給流路) 35…アノードガス排出流路(反応ガス排出流路、アノード反応ガス排出流路) 38…カソードガス排出流路(反応ガス排出流路) 41〜44…分岐流路 45〜48…ヒーター(加熱手段) 51〜54…露点計(絶対湿度測定手段) 55〜58…細管部(圧力損失形成手段) 59,60…開閉弁 61…アノードガス圧力判定手段(圧力制御部) 64…加湿状態判定手段(制御部)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池内の電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、
前記反応ガス流路に供給される前記反応ガスが流通する反応ガス供給流路と、
前記反応ガス流路から排出されたオフガスが流通するオフガス排出流路と、
前記反応ガス供給流路及び前記オフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐した分岐流路と、
前記分岐流路上に配置された絶対湿度計測手段と、を備え、
前記分岐部から前記絶対湿度計測手段までの前記分岐流路に、加熱手段が設けられ、
前記分岐流路上の前記加熱手段の下流側には、圧力損失形成手段が設けられ、
前記分岐流路の下流端は、前記オフガス排出流路のうち、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that is supplied with reactive gas and generates power;
A reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow along the electrodes in the fuel cell;
A reaction gas supply channel through which the reaction gas supplied to the reaction gas channel flows;
An off-gas discharge channel through which the off-gas discharged from the reaction gas channel flows;
A branching channel branched from a branching portion on at least one of the reaction gas supply channel and the off-gas discharge channel;
An absolute humidity measuring means disposed on the branch flow path,
A heating means is provided in the branch flow path from the branch portion to the absolute humidity measuring means ,
On the downstream side of the heating means on the branch flow path, pressure loss forming means is provided,
The downstream end of the branch channel is connected to a cathode offgas discharge channel through which the cathode offgas discharged from the fuel cell circulates in the offgas discharge channel .
前記反応ガス供給流路として、前記アノード反応ガス流路に供給される前記アノード反応ガスが流通するアノード反応ガス供給流路を備え、
前記オフガス排出流路として、前記アノード反応ガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路を備え、
前記分岐流路は、前記アノード反応ガス供給流路及び前記アノードオフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐し、
前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられ、
前記燃料電池システムは、前記アノード反応ガスの圧力を計測するアノード反応ガス計測手段と、
前記アノード反応ガス計測手段の計測結果に基づいて、前記開閉弁の開閉制御を行う圧力制御部とを備え、
前記圧力制御部は、
前記燃料電池の起動時において前記アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、前記開閉弁を開成し、
前記燃料電池を停止する場合に、前記開閉弁を閉成することを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。 As the reactive gas flow path, an anode reactive gas flow path for flowing an anode reactive gas along the anode in the fuel cell,
The reaction gas supply channel includes an anode reaction gas supply channel through which the anode reaction gas supplied to the anode reaction gas channel flows.
As the off gas discharge channel, an anode off gas discharge channel through which the anode off gas discharged from the anode reaction gas channel flows,
The branch channel branches from a branch part on at least one of the anode reaction gas supply channel and the anode offgas discharge channel,
The branch flow path is provided with an open / close valve capable of opening and closing the inside of the branch flow path,
The fuel cell system includes anode reaction gas measurement means for measuring the pressure of the anode reaction gas,
A pressure control unit that performs opening / closing control of the on-off valve based on the measurement result of the anode reaction gas measuring means,
The pressure controller is
When the pressure of the anode reaction gas is greater than or equal to a predetermined value when the fuel cell is started, the on-off valve is opened.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein when the fuel cell is stopped, the on-off valve is closed.
前記湿度計測手段は、前記分岐流路を流通する前記反応ガスの露点を計測する露点計であり、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に冷媒を流通させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
前記露点計により計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記燃料電池を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記反応ガスの温度に対する前記反応ガスの第1相対湿度、前記冷媒の温度に対する前記反応ガスの第2相対湿度、及び前記燃料電池の水分保持量のうち、少なくとも一つの状態量を求めるステップと、
求めた前記状態量を用いて、前記燃料電池を制御するステップと、を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The humidity measuring means is a dew point meter that measures a dew point of the reaction gas flowing through the branch flow path.
The fuel cell system includes a cooling means for cooling the fuel cell by circulating a refrigerant through the fuel cell;
A controller that controls the fuel cell using a dew point of the reaction gas measured by the dew point meter;
The controller is
Using the measured dew point of the reaction gas, the first relative humidity of the reaction gas with respect to the temperature of the reaction gas, the second relative humidity of the reaction gas with respect to the temperature of the refrigerant, and the water retention amount of the fuel cell A step of obtaining at least one state quantity;
And a step of controlling the fuel cell using the obtained state quantity.
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