JP5564315B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に供給する空気を加湿手段で加湿するようにした燃料電池システムに係り、特に、燃料電池および加湿手段の乾燥を未然に抑制して燃料電池システムを安定して運転する技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which air supplied to a fuel cell is humidified by a humidifying means, and in particular, a technique for stably operating the fuel cell system by suppressing drying of the fuel cell and the humidifying means. About.
燃料電池としては、平板状の膜電極構造体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極(空気極、カソード)および負極(燃料極、アノード)を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガス(水素)を流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガス(空気)を流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。 As a fuel cell, a stacked body in which separators are stacked on both sides of a flat membrane electrode assembly (MEA) is used as a unit cell, and a fuel cell stack is formed by stacking several unit cells, for example, several hundred layers. A fuel cell configured as is known. The membrane electrode structure has a three-layer structure in which an electrolyte membrane made of an ion exchange resin or the like is sandwiched between a pair of electrodes constituting a positive electrode (air electrode, cathode) and a negative electrode (fuel electrode, anode). According to such a fuel cell, for example, a fuel gas (hydrogen) is allowed to flow through a gas flow channel facing the gas diffusion electrode on the fuel electrode side, and an oxidant gas ( When air is flowed, an electrochemical reaction occurs and power generation occurs.
ここで、上記のような電気化学反応を安定させて発電効率を高く維持するためには、電解質膜を飽和含水状態に維持して、イオン交換樹脂としての機能を確保する必要がある。たとえば、特許文献1には、ブロアから送り出された酸化剤ガスを加湿手段に流通させ、加湿手段内で燃料電池スタックから排出された使役後の酸化剤ガス(以下、カソードオフガスまたはオフガスと称する場合がある)や、使役後の燃料ガス(以下、アノードオフガスまたはオフガスと称する場合がある)に含まれる水分を未使役の酸化剤ガスに与える、すなわち水分交換するようにした燃料電池システムが開示されている。 Here, in order to stabilize the electrochemical reaction as described above and maintain high power generation efficiency, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in a saturated water-containing state to ensure the function as an ion exchange resin. For example, in Patent Document 1, the oxidant gas sent from the blower is circulated through the humidifying means, and the used oxidant gas discharged from the fuel cell stack in the humidifying means (hereinafter referred to as cathode offgas or offgas). And a fuel cell system in which moisture contained in fuel gas after use (hereinafter sometimes referred to as anode off-gas or off-gas) is supplied to unused oxidant gas, that is, water is exchanged. ing.
しかしながら、燃料電池から排出されたオフガスは、燃料電池の運転状況によって湿度が変動する。例えば燃料電池が低負荷運転時の場合は、電気化学反応によって生成する水が少なく、しかも生成水が燃料電池内に留まるのを防ぐためにガス流量を実際に消費される量よりも多くすることから、オフガスの湿度が低くなってしまい、これを特許文献1のように未使役のガスと水分交換しても、オフガスが未使役のガスに与える水分が不十分であった。また、こうした低負荷時以外でも燃料電池スタックから排出されるオフガスの相対湿度が100%を下回る場合でも、同様に未使役のガスへの水分が不足する。さらに、加湿手段が中空糸膜で構成されている場合、この高温低湿のガスに接し続けると、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が消失させられ、水分の受け渡しが円滑に行われなくなって加湿効率が大幅に低下するようになる(ドライアップ)。一旦このドライアップが生じると、中空糸膜が水分交換機能を取り戻すのに時間がかかり、その間は加湿手段として機能しなくなり、その結果、燃料電池の適正な加湿量での運転ができなくなるという問題があった。 However, the humidity of the off gas discharged from the fuel cell varies depending on the operating state of the fuel cell. For example, when the fuel cell is operating at a low load, the amount of water generated by the electrochemical reaction is small, and the gas flow rate is increased from the amount actually consumed to prevent the generated water from remaining in the fuel cell. The humidity of the off gas becomes low, and even if the moisture is exchanged with the unused gas as in Patent Document 1, the moisture that the off gas gives to the unused gas is insufficient. Further, even when the relative humidity of the off gas discharged from the fuel cell stack is less than 100% even at times other than such a low load, the moisture in the unused gas is similarly insufficient. Further, when the humidifying means is constituted by a hollow fiber membrane, if the humidifying means is kept in contact with the high-temperature and low-humidity gas, the water vapor in the pores formed in the hollow fiber membrane is lost, and the moisture is smoothly transferred. It will disappear and the humidification efficiency will drop significantly (dry up). Once this dry-up occurs, it takes time for the hollow fiber membrane to regain the moisture exchange function, during which time it will not function as a humidifying means, and as a result, the fuel cell cannot be operated at an appropriate humidification amount. was there.
上記のような加湿手段による酸化剤ガスの加湿に際しては、ガス供給量が増大すると燃料電池スタックの湿度が低下する傾向にあり、また、ガス供給量と燃料電池スタック電圧には相関関係があることに鑑み、ガス供給量が変化した際のスタック電圧挙動よりスタックの加湿状態を判断し、加湿不足と判断された場合はエア流量を低下させて酸化剤ガスを加湿することにより、スタックの乾燥を防止する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。 When the oxidant gas is humidified by the humidifying means as described above, the humidity of the fuel cell stack tends to decrease as the gas supply amount increases, and there is a correlation between the gas supply amount and the fuel cell stack voltage. In view of this, the stack humidity behavior is determined from the stack voltage behavior when the gas supply amount changes, and if it is determined that the humidification is insufficient, the stack is dried by reducing the air flow rate and humidifying the oxidant gas. A technique for preventing this is disclosed (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、燃料電池スタック電圧の測定にて判断を行う場合は、高分子電解質膜がすでに乾燥し始めている状態からの検知となるので、その時点でエア流量を下げても遅く、すでに乾燥してしまった高分子電解質膜を元の加湿状態に回復するまでに非常に時間がかかってしまうという問題がある。また、システムの小型化やコストダウンを狙って加湿器を小さくしているシステムにおいては、スタックの乾燥を電圧で検知した状態では加湿器までもが乾燥してしまっているという問題がある。 However, when the determination is made by measuring the fuel cell stack voltage, it is detected from the state in which the polymer electrolyte membrane has already started to dry, so even if the air flow rate is lowered at that time, it is slow and already dried. There is a problem that it takes a very long time to restore the polymer electrolyte membrane to its original humidified state. In addition, in a system in which the humidifier is made small in order to reduce the size of the system and reduce the cost, there is a problem that even the humidifier is dried when the drying of the stack is detected by voltage.
したがって、本発明は、燃料電池スタックおよび加湿器の乾燥を開始前に未然に抑制し、安定して運転することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress the drying of the fuel cell stack and the humidifier before starting and can operate stably.
本発明の燃料電池システムは、固体高分子膜に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とに架け渡され酸化剤ガス排出流体から酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、酸化剤ガス供給流路上であって加湿手段の上流側に設けられた酸化剤ガス供給流量調整手段と、酸化剤ガス排出流路上であって燃料電池下流側かつ加湿手段上流側において設けられた酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、燃料電池の出力電流検出手段と、酸化剤ガス供給流量調整手段の制御手段とを備え、制御手段は、前記燃料電池の発電電流値および前記酸化剤ガス排出流体の温度が通常の使用状態よりも大きく設定されたマップ上の領域にて、加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、流量調整を行うことを特徴としている。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell in which an oxidant gas and a fuel gas are supplied to a solid polymer film and generates electric power by an electrochemical reaction of these gases, and an oxidant that causes the oxidant gas to flow toward the fuel cell. A gas supply channel, an oxidant gas discharge channel through which the oxidant discharge fluid from the fuel cell flows, an oxidant gas supply channel and an oxidant gas discharge channel are spanned from the oxidant gas discharge fluid. Humidification means for transferring moisture to the oxidant gas, oxidant gas supply flow rate adjustment means provided on the oxidant gas supply flow path and upstream of the humidification means, and oxidant gas discharge flow path on the fuel cell Provided with a temperature detecting means for the oxidant gas discharge fluid provided on the downstream side and on the upstream side of the humidifying means , an output current detecting means for the fuel cell, and a control means for the oxidant gas supply flow rate adjusting means, the control means comprising: Fuel cell At large set area on the map than the temperature normal use of DENDEN flow value and the oxidant gas exhaust fluid, the boundary of either wet or dry humidifier, the temperature of the oxidant gas exhaust fluid Each output current threshold value is preset, and the flow rate is adjusted based on a comparison between the current output current value and the current threshold value at the current temperature of the oxidant gas discharge fluid.
本発明においては、酸化剤ガス供給流量調整手段は、加湿手段が湿潤状態と判断された場合は酸化剤ガスの流量を増加させ、加湿手段が乾燥状態と判断された場合は酸化剤ガスの流量を減少させることを好ましい態様としている。 In the present invention, the oxidant gas supply flow rate adjusting means increases the flow rate of the oxidant gas when the humidifying means is determined to be wet, and the flow rate of the oxidant gas when the humidifying means is determined to be dry. It is a preferred embodiment to reduce the value.
また、本発明の燃料電池システムは、固体高分子膜に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とに架け渡され酸化剤ガス排出流体から前記酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、酸化剤ガス排出流路上であって加湿手段の下流側に設けられた酸化剤ガス圧力調整手段と、酸化剤ガス排出流路上であって燃料電池下流側かつ加湿手段上流側において設けられた酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、燃料電池の出力電流検出手段と、酸化剤ガス圧力調整手段の制御手段とを備え、制御手段は、前記燃料電池の発電電流値および前記酸化剤ガス排出流体の温度が通常の使用状態よりも大きく設定されたマップ上の領域にて、加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、圧力調整を行うことを特徴としている。
Further, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell in which an oxidant gas and a fuel gas are supplied to a solid polymer membrane to generate power by an electrochemical reaction of these gases, and an oxidant gas is allowed to flow toward the fuel cell. The oxidant gas supply channel, the oxidant gas discharge channel through which the oxidant discharge fluid from the fuel cell flows, the oxidant gas supply channel, and the oxidant gas discharge channel are spanned and discharged. A humidifying means for transferring moisture from the fluid to the oxidant gas; an oxidant gas pressure adjusting means provided on the oxidant gas discharge flow path downstream of the humidification means; and an oxidant gas discharge flow path. A temperature detecting means for the oxidant gas discharge fluid provided on the downstream side of the fuel cell and on the upstream side of the humidifying means , an output current detecting means for the fuel cell, and a control means for the oxidant gas pressure adjusting means, the control means comprising: The fuel cell Temperature of the power generation current value and the oxidant gas exhaust fluid is in the region on the map that is larger than normal use, the boundary of either wet or dry humidifier, the temperature of the oxidant gas exhaust fluid Each output current threshold value is preset, and pressure adjustment is performed based on a comparison between the current output current value and the current threshold value at the current temperature of the oxidant gas discharge fluid.
本発明においては、酸化剤ガス圧力調整手段は、加湿手段が湿潤状態と判断された場合は酸化剤ガス圧力を降下させ、加湿手段が乾燥状態と判断された場合は酸化剤ガス圧力を上昇させることを好ましい態様としている。 In the present invention, the oxidant gas pressure adjusting means lowers the oxidant gas pressure when the humidifying means is determined to be wet, and increases the oxidant gas pressure when the humidifying means is determined to be dry. This is a preferred embodiment.
上記構成の燃料電池システムによれば、加湿手段によって、未使役の酸化剤ガスに対して水分を多く含んだ排出酸化剤ガスの水分が加湿されるから、相対湿度が上昇した酸化剤ガスが燃料電池に供給され、これにより燃料電池の湿潤状態が良好となるのは勿論のこと、燃料電池の出力電流がその時の温度から決まる電流閾値を超えた場合、すなわち乾燥状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を低減するかあるいは酸化剤ガス圧力を上昇させて水蒸気分圧を上げた運転とするので、燃料電池および加湿手段の乾燥を防止することができる。また、燃料電池の出力電流が当該電流閾値を下回る場合、すなわち湿潤状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を増加するかあるいは酸化剤ガス圧力を降下させて水蒸気分圧を下げた運転とするので、燃料電池に対する過剰な加湿を抑制することができる。また、湿潤状態/乾燥状態の判断を実際の状況になってからの出力電圧ではなく実際の状況になる前の出力電流の検出で行っているので、実際に燃料電池ひいては加湿手段が実際に乾燥を開始する前に対応できるという効果を奏する。 According to the fuel cell system having the above-described configuration, the moisture of the exhaust oxidant gas containing a large amount of moisture relative to the unused oxidant gas is humidified by the humidifying means, so that the oxidant gas having an increased relative humidity is used as the fuel. When the fuel cell output current exceeds the current threshold determined from the temperature at that time, that is, when it is determined that the fuel cell is in a dry state Further, since the operation is performed by increasing the water vapor partial pressure by reducing the oxidant gas supply flow rate or increasing the oxidant gas pressure, drying of the fuel cell and the humidifying means can be prevented. When the output current of the fuel cell is lower than the current threshold, that is, when it is determined that the fuel cell is in a wet state, the water vapor partial pressure is lowered by increasing the oxidant gas supply flow rate or decreasing the oxidant gas pressure. Since the operation is performed, excessive humidification of the fuel cell can be suppressed. In addition, the determination of the wet state / dry state is performed by detecting the output current before the actual situation, not the output voltage after the actual situation, so the fuel cell and the humidifying means are actually actually dried. There is an effect that it can cope before starting.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態の燃料電池システムを示し、符号10は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック10は、燃料電池の単位セルを多数積層して構成されている。燃料電池スタック10の酸化剤ガス供給口には、加湿器(加湿手段)12が接続されている。これら燃料電池スタック10と加湿器12は、第1配管(酸化剤ガス供給流路)20により接続され、酸化剤ガスである大気中の空気が第1配管20から加湿器12に流入するようになっている。また、第1配管20上であって加湿器12の上流側には、エアポンプ(酸化剤ガス供給流量調整手段)11が接続されており、加湿器12および燃料電池スタック10に供給される酸化剤ガスの流量を調整することができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First Embodiment FIG. 1 shows a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
燃料電池スタック10の燃料ガス供給口には、図示しない燃料タンクが第2配管(燃料ガス供給流路)21により接続され、燃料ガスである水素ガスが第2配管21から燃料電池スタック10に供給されるようになっている。
A fuel tank (not shown) is connected to the fuel gas supply port of the
また、燃料電池スタック10と加湿器12とは第3配管(酸化剤ガス排出流路)22によって接続され、燃料電池スタック10から排出されるカソードオフガスを加湿器12に供給するようになっている。
In addition, the
ここで、加湿器12は、チャンバーに、水分交換のための中空糸膜を多数平行に束ねたものを内蔵して構成されている。中空糸膜は中空状の細い糸の膜であって、その膜は、ガスの浸透は阻止するが水分すなわち水分子の浸透は許容するという性質を有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低い方向に中空糸膜を介して浸透する。したがって、中空糸膜の内側に相対湿度の低いガスを流通させ、外側に相対湿度の高いガスを流通させると、水分は中空糸膜の外側から内部に浸透し、相対湿度の低いガス中に拡散してその湿度を上昇させる。なお、中空糸膜の内側に相対湿度の高いガスを流通させ、外側に相対湿度の低いガスを流通させても同じ作用を得ることができる。
Here, the
本発明では、第1配管20か第3配管22のいずれか一方が中空糸膜の内側に接続され、他方が中空糸膜の外側であってチャンバーの内側に接続されている。したがって、中空糸膜の内側と外側にそれぞれ、加湿されていない相対湿度の低い空気と、燃料電池使役後の相対湿度が100%またはそれに近いカソードオフガスが供給され、中空糸膜においてカソードオフガスに含まれる水分が燃料電池に供給される空気に水分交換される。
In the present invention, either the
第3配管22上であって加湿器12の上流側には、温度センサ(温度検出手段)14が接続されており、燃料電池スタック10から排出された酸化剤ガス排出流体の温度が測定される。
A temperature sensor (temperature detection means) 14 is connected to the upstream side of the
また、第3配管22上であって加湿器12の下流側には、背圧弁(酸化剤ガス圧力調整手段)13が接続されており、この弁よりも上流側の加湿器12、第3配管22や燃料電池スタック10内の酸化剤ガス通路そして第1配管20内の圧力を調整することができる。
A back pressure valve (oxidant gas pressure adjusting means) 13 is connected to the downstream side of the
さらに、燃料電池スタック10の電力が取り出される出力回路30上には、電流センサ(出力電流検出手段)15が接続されており、燃料電池スタック10の出力電流が測定される。
Furthermore, a current sensor (output current detection means) 15 is connected to the
符号16は、エアポンプ11の制御部(制御手段)であり、破線で示す温度検出信号40と出力電流検出信号41の入力を受けて、エアポンプ11に対して指令信号42を送信してエアポンプ11の回転数制御を行い、酸化剤ガス供給流量の調整を行う。
以上説明した構成を有する第1実施形態の燃料電池システムの動作のフローチャートを図4に示す。まず、制御部16は、温度センサ14からの温度検出信号40により、現時点での燃料電池温度を検知する。この現時点の温度から、加湿器乾燥電流閾値を算出する。この電流閾値は、別途実験的に予め求められ、燃料電池の温度から一義的に決定される値であり、電流がこの値に達して運転を継続すると乾燥状態に向かうと判断される温度である。例えば図4のチャート外に例示したように、燃料電池が90℃の場合の電流閾値は300Aというように決定される。なお、予め、各燃料電池電流値に対し、加湿器の膜乾燥限界エア出口温度(スタック出口温度)を測定し、それより温度−限界電流値マップを作成し、各温度の電流閾値を曲線としてプロットしたグラフを図5の曲線に示す。
FIG. 4 shows a flowchart of the operation of the fuel cell system according to the first embodiment having the above-described configuration. First, the
そして、制御部16は、電流センサ15からの出力電流検出信号41により、現時点の燃料電池の動作出力電流を検知する。この現時点の出力電流値と、上記電流閾値を比較し、出力電流が電流閾値未満である場合は、湿潤状態であると判断され、エアポンプ11による酸化剤ガス供給流量は、指令信号42によって通常設定値にて運転が継続される。
Then, the
一方、出力電流が電流閾値以上である場合は、乾燥状態に向かいつつあると判断され、エアポンプ11による酸化剤ガス供給流量は、指令信号42によって加湿器乾燥防止流量(通常よりも少ない値)になるよう、エアポンプ11の回転数を落として運転される。エアポンプ11によって酸化剤ガス流量を下げることで、燃料電池および加湿器からの水蒸気持ち去り量を低減することができ、乾燥が抑制される。なお、第1実施形態においては、背圧弁13の開度は固定され、エアポンプ11の回転数のみが調整される。
On the other hand, when the output current is equal to or greater than the current threshold, it is determined that the air is being dried, and the oxidant gas supply flow rate by the
さらに、特にグラフやフローチャートには図示しないが、出力電流が電流閾値未満であるときに、より適切な湿潤状態にしたい場合には、指令信号42によってエアポンプ11による酸化剤ガス供給流量を増加(回転数を増大)方向に調整することで、過度の湿潤状態を回避させることができ、いっそう好適である。
Furthermore, although not shown in the graph or the flowchart, when the output current is less than the current threshold value and the wet state is desired to be more appropriate, the
第2実施形態
図2は、本発明の第2実施形態の燃料電池システムを示す。ここで、第1実施形態との共通の構成要素は説明を省略し、変更点のみを説明する。第2実施形態における符号17は、背圧弁13の制御部(制御手段)であり、破線で示す温度検出信号40と出力電流検出信号41の入力を受けて、背圧弁13に対して指令信号43を送信して背圧弁13の開閉動作を行い、酸化剤ガス圧力の調整を行う。
Second Embodiment FIG. 2 shows a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. Here, description of components common to the first embodiment will be omitted, and only the changes will be described. Reference numeral 17 in the second embodiment denotes a control unit (control means) for the
上記構成を有する本発明の燃料電池システムの動作のフローチャートを、再び図4を用いて説明する。まず、制御部17は、温度センサ14からの温度検出信号40により、現時点での燃料電池温度を検知する。この現時点の温度から、加湿器乾燥電流閾値を算出する。そして、制御部17は、電流センサ15からの出力電流検出信号41により、現時点の燃料電池の動作出力電流を検知する。この現時点の出力電流値と、上記電流閾値を比較し、出力電流が電流閾値未満である場合は、湿潤状態であると判断され、背圧弁13による酸化剤ガス圧力は、指令信号43によって通常設定値にて運転が継続される。
A flowchart of the operation of the fuel cell system of the present invention having the above configuration will be described with reference to FIG. 4 again. First, the control unit 17 detects the current fuel cell temperature based on the
一方、出力電流が電流閾値以上である場合は、乾燥状態に向かいつつあると判断され、背圧弁13による酸化剤ガス圧力は、指令信号43によって加湿器乾燥防止圧力(通常よりも大きい値)になるよう、背圧弁13は閉める方向に調整される。背圧弁13によって酸化剤ガス圧力を上昇させることで水蒸気圧が上がり、燃料電池および加湿器に供給されるガスの湿度が高くなるため乾燥が抑制される。なお、第2実施形態においては、エアポンプ11の回転数は固定され、背圧弁13の開度のみが調整される。
On the other hand, when the output current is equal to or greater than the current threshold value, it is determined that the drying state is being approached, and the oxidant gas pressure by the
さらに、特にグラフやフローチャートには図示しないが、出力電流が電流閾値未満であるときに、より適切な湿潤状態にしたい場合には、指令信号43によって背圧弁13による酸化剤ガス供給圧力を降下(開度を開く)方向に調整することで、過度の湿潤状態を回避させることができ、いっそう好適である。
Further, although not shown in the graph or the flowchart, when the output current is less than the current threshold value and the wet state is desired to be more appropriate, the oxidant gas supply pressure by the
第3実施形態
図3は、本発明の第3実施形態の燃料電池システムを示す。ここで、第1および第2実施形態との共通の構成要素は説明を省略し、変更点のみを説明する。第3実施形態における符号18は、エアポンプ11および背圧弁13両方の制御部(制御手段)であり、破線で示す温度検出信号40と出力電流検出信号41の入力を受けて、エアポンプ11および背圧弁13に対して指令信号42および43を送信してこれらの調整を行い、それぞれ酸化剤ガス供給流量および酸化剤ガス圧力の調整を同時または個別に行うことができる。
Third Embodiment FIG. 3 shows a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. Here, description of components common to the first and second embodiments is omitted, and only the changed points are described.
第3実施形態の燃料電池システムによれば、制御部18は、燃料電池スタックの出力電流が電流閾値未満である場合は、湿潤状態であると判断され、エアポンプ11による酸化剤ガス供給流量および背圧弁13による酸化剤ガス圧力は、指令信号42および43によって通常設定値とされて運転が継続され、一方、出力電流が電流閾値以上である場合は、乾燥状態に向かいつつあると判断され、エアポンプ11による酸化剤ガス供給流量および背圧弁13による酸化剤ガス圧力は、指令信号42および43によって加湿器乾燥防止状態量(流量値や圧力値)に調整される。
According to the fuel cell system of the third embodiment, the
以上、第1〜第3実施形態の温度検出および出力電流検出は、燃料電池の運転中は常時継続して行われ、各動作温度での電流値が閾値を超えた場合、すなわち図5に示す曲線の右上の領域においては加湿器乾燥防止状態量にて運転が行われる。 As described above, the temperature detection and output current detection of the first to third embodiments are continuously performed during the operation of the fuel cell, and the current value at each operating temperature exceeds the threshold value, that is, as shown in FIG. In the upper right region of the curve, the operation is performed with the humidifier drying prevention state quantity.
なお、上記説明では、加湿器として中空糸膜を備えたものを用いたが、特許文献1に記載されたような水蒸気透過膜を有するものなど公知の加湿器を本発明に適用することができる。 さらに上記説明では、出力電流を検出して湿潤状態/乾燥状態の判断をしているが、燃料電池スタックへの要求電流を用いて判断を行うようにしてもよい。 In the above description, a humidifier having a hollow fiber membrane is used, but a known humidifier such as one having a water vapor permeable membrane as described in Patent Document 1 can be applied to the present invention. . Further, in the above description, the output current is detected to determine the wet state / dry state. However, the determination may be made using the required current to the fuel cell stack.
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電流がその時の温度から決まる電流閾値を超えた場合、すなわち乾燥状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を低減するかあるいは酸化剤ガス圧力を上昇させて水蒸気分圧を上げた運転とするので、燃料電池および加湿器の乾燥を防止することができる。また、燃料電池の出力電流が当該電流閾値を下回る場合、すなわち湿潤状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を増加するかあるいは酸化剤ガス圧力を下降させて水蒸気分圧を下げた運転とするので、燃料電池に対する過剰な加湿を抑制することができる。また、湿潤状態/乾燥状態の判断を実際の状況になってからの出力電圧ではなくて実際の状況になる前の出力電流の検出で行っているので、実際に燃料電池および加湿手段が実際に乾燥を開始する前に対応できるという効果を奏する。さらに、燃料電池・加湿器の乾燥が発生せず、乾燥により燃料電池が劣化するような運転状況が発生しなくなり、加湿器を小さく設計することができ、システムの小型化やコストダウンを図ることができる。 According to the fuel cell system configured as described above, when the output current of the fuel cell exceeds the current threshold determined from the temperature at that time, that is, when it is determined that the fuel cell is in a dry state, the oxidant gas supply flow rate is reduced or the oxidation current is reduced. Since the operation is performed by increasing the water vapor partial pressure by increasing the agent gas pressure, drying of the fuel cell and the humidifier can be prevented. Further, when the output current of the fuel cell is lower than the current threshold, that is, when it is determined that the fuel cell is in a wet state, the water vapor partial pressure is decreased by increasing the oxidant gas supply flow rate or decreasing the oxidant gas pressure. Since the operation is performed, excessive humidification of the fuel cell can be suppressed. In addition, since the determination of the wet state / dry state is performed by detecting the output current before the actual situation, not the output voltage after the actual situation, the fuel cell and the humidifying means are actually used. There is an effect that it is possible to cope with before starting to dry. Furthermore, no drying of the fuel cell / humidifier occurs, and there is no operating situation where the fuel cell deteriorates due to drying, and the humidifier can be designed to be small, reducing the size and cost of the system. Can do.
本発明では、燃料電池の各温度における電流閾値を動作電流が超えた場合は、加湿器の乾燥を防止することができる酸化剤ガス状態量で運転が行われるため、加湿器および燃料電池スタックの乾燥が未然に防止され、燃料電池の安定した運転が確保されるので、厳しい信頼性が求められる自動車用の燃料電池システムに適用して極めて有望である。 In the present invention, when the operating current exceeds the current threshold at each temperature of the fuel cell, the operation is performed with the oxidant gas state quantity that can prevent the humidifier from being dried. Since drying is prevented in advance and stable operation of the fuel cell is ensured, it is extremely promising when applied to a fuel cell system for automobiles that require strict reliability.
10…燃料電池スタック、
11…エアポンプ(酸化剤ガス供給流量調整手段)、
12…加湿器(加湿手段)、
13…背圧弁(酸化剤ガス圧力調整手段)、
14…温度センサ(温度検出手段)、
15…電流センサ(出力電流検出手段)、
16〜18…エアポンプおよび/または背圧弁の制御部(制御手段)、
20…第1配管(酸化剤ガス供給流路)、
21…第2配管(燃料ガス供給流路)、
22…第3配管(酸化剤ガス排出流路)、
23…第4配管(燃料ガス排出流路)。
30…出力回路、
40…温度検出信号、
41…出力電流検出信号、
42…流量指令信号、
43…圧力指令信号。
10 ... Fuel cell stack,
11 ... Air pump (oxidant gas supply flow rate adjusting means),
12 ... Humidifier (humidifying means),
13 ... Back pressure valve (oxidant gas pressure adjusting means),
14 ... temperature sensor (temperature detection means),
15 ... Current sensor (output current detection means),
16-18 ... Control part (control means) of air pump and / or back pressure valve,
20 ... 1st piping (oxidant gas supply flow path),
21 ... 2nd piping (fuel gas supply flow path),
22 ... 3rd piping (oxidant gas discharge flow path),
23. Fourth pipe (fuel gas discharge passage).
30 ... Output circuit,
40 ... temperature detection signal,
41 ... Output current detection signal,
42 ... Flow command signal,
43 ... Pressure command signal.
Claims (4)
前記燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とに架け渡され前記酸化剤ガス排出流体から前記酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、
前記酸化剤ガス供給流路上であって前記加湿手段の上流側に設けられた酸化剤ガス供給流量調整手段と、
前記酸化剤ガス排出流路上であって前記燃料電池下流側かつ前記加湿手段上流側において設けられた前記酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、
前記燃料電池の出力電流検出手段と、
前記酸化剤ガス供給流量調整手段の制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池の発電電流値および前記酸化剤ガス排出流体の温度が通常の使用状態よりも大きく設定されたマップ上の領域にて、前記加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、前記酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、
現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、前記流量調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which an oxidant gas and a fuel gas are supplied to a solid polymer film and an electric power is generated by an electrochemical reaction of these gases;
An oxidant gas supply flow path for flowing an oxidant gas toward the fuel cell;
An oxidant gas discharge passage for passing an oxidant discharge fluid from the fuel cell;
Humidification means that moves over the oxidant gas supply flow path and the oxidant gas discharge flow path to move moisture from the oxidant gas discharge fluid to the oxidant gas;
An oxidant gas supply flow rate adjusting means provided on the upstream side of the humidifying means on the oxidant gas supply flow path;
A temperature detection means for the oxidant gas discharge fluid provided on the oxidant gas discharge flow path and downstream of the fuel cell and upstream of the humidification means ;
An output current detecting means of the fuel cell;
Control means for the oxidant gas supply flow rate adjusting means;
With
The control means includes
In the region on the map where the generated current value of the fuel cell and the temperature of the oxidant gas discharge fluid are set larger than the normal use state, a boundary between the humidifying means and the wet state is defined as the boundary of the oxidation state. Preset as the output current threshold for each temperature of the agent gas discharge fluid,
The fuel cell system, wherein the flow rate is adjusted based on a comparison between a current output current value and a current threshold value at a current temperature of the oxidant gas discharge fluid.
前記燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とに架け渡され前記酸化剤ガス排出流体から前記酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、
前記酸化剤ガス排出流路上であって前記加湿手段の下流側に設けられた酸化剤ガス圧力調整手段と、
前記酸化剤ガス排出流路上であって前記燃料電池下流側かつ前記加湿手段上流側において設けられた前記酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、
前記燃料電池の出力電流検出手段と、
前記酸化剤ガス圧力調整手段の制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池の発電電流値および前記酸化剤ガス排出流体の温度が通常の使用状態よりも大きく設定されたマップ上の領域にて、前記加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、前記酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、
現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、前記圧力調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which an oxidant gas and a fuel gas are supplied to a solid polymer film and an electric power is generated by an electrochemical reaction of these gases;
An oxidant gas supply flow path for flowing an oxidant gas toward the fuel cell;
An oxidant gas discharge passage for passing an oxidant discharge fluid from the fuel cell;
Humidification means that moves over the oxidant gas supply flow path and the oxidant gas discharge flow path to move moisture from the oxidant gas discharge fluid to the oxidant gas;
An oxidant gas pressure adjusting means provided on the oxidant gas discharge channel and downstream of the humidifying means;
A temperature detection means for the oxidant gas discharge fluid provided on the oxidant gas discharge flow path and downstream of the fuel cell and upstream of the humidification means ;
An output current detecting means of the fuel cell;
Control means for the oxidant gas pressure adjusting means;
With
The control means includes
In the region on the map where the generated current value of the fuel cell and the temperature of the oxidant gas discharge fluid are set larger than the normal use state, a boundary between the humidifying means and the wet state is defined as the boundary of the oxidation state. Preset as the output current threshold for each temperature of the agent gas discharge fluid,
The fuel cell system, wherein the pressure adjustment is performed based on a comparison between a current output current value and a current threshold value at a current temperature of the oxidant gas discharge fluid.
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