JP2018032559A

JP2018032559A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2018032559A
Application number: JP2016164909A
Authority: JP
Inventors: 祥宇佐美; Sho Usami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-25
Also published as: JP6673101B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which suppresses intensive inflow of water in a fuel gas circuit.SOLUTION: A fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 21 for generating electric power by causing reaction of fuel gas and oxidation gas, a fuel gas circuit 12 arranged so that the supplied fuel gas circulates in the fuel cell stack 21, a circulation pump 13 for circulating fuel gas in the fuel gas circuit 12, and a control section 50 for controlling the number of revolution of the circulation pump 13. The control section 50 estimates water content Whp in the fuel gas circuit 12, and when a judgement is made that the water content Whp exceeded a specified quantity W1, controls the circulation pump 13 to increase the flow rate of fuel gas in the fuel gas circuit 12.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

近年、燃料ガスと酸化ガスを混合することによって発電する燃料電池を用いたシステムが開発されている。燃料電池システムは、燃料ガスに水素を用い、酸化ガスに空気を用いる場合、水素と酸素が電気化学反応を起こすことにより発電する。そしてこのとき、同時に水が生成される。 In recent years, systems using fuel cells that generate electricity by mixing fuel gas and oxidizing gas have been developed. In the fuel cell system, when hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidizing gas, the fuel cell system generates power by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. At this time, water is simultaneously generated.

燃料電池内に生成された水がシステム内に滞留した場合、結露や凍結によって、システムに不具合が発生する可能性がある。そこで、水の滞留を抑えるための技術が提案されている。 When water generated in the fuel cell stays in the system, there is a possibility that the system may malfunction due to condensation or freezing. Therefore, a technique for suppressing the retention of water has been proposed.

例えば特許文献１には、燃料電池の運転停止後に、冷却水を圧送して燃料電池を冷却し、燃料電池の温度を燃料ガスポンプ温度よりも低下させることで、結露を抑制するシステムが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a system that suppresses dew condensation by pumping cooling water to cool a fuel cell after the operation of the fuel cell is stopped, and lowering the temperature of the fuel cell below the fuel gas pump temperature. Yes.

特開２００８−１６６１２６号公報JP 2008-166126 A

しかしながら、特許文献１に記載されたシステムでは、燃料電池の運転開始直後に、冷却水が先に温められ、燃料ガス供給系補機との温度差が拡大する場合がある。この場合、燃料ガス供給系補機に結露が起きる可能性が高くなる。また、燃料ガス供給系補機に結露が起きた場合には、結露によって発生した水が燃料電池内の特定のセルに集中的に流入する虞がある。燃料電池内のセルに許容以上の水が付着した場合、燃料ガスの供給が妨げられ、発電効率低下や、セルの不可逆的な劣化を引き起こす。 However, in the system described in Patent Document 1, immediately after the start of the operation of the fuel cell, the cooling water may be warmed first, and the temperature difference from the fuel gas supply system auxiliary machine may increase. In this case, there is a high possibility that condensation will occur in the auxiliary fuel gas supply system. In addition, when condensation occurs in the fuel gas supply system auxiliary machine, there is a possibility that water generated by the condensation flows intensively into a specific cell in the fuel cell. If excessive water adheres to the cells in the fuel cell, the supply of fuel gas is hindered, causing a reduction in power generation efficiency and irreversible deterioration of the cells.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、燃料ガス循環路内における水の集中的な流入を抑制することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to suppress intensive inflow of water in a fuel gas circulation path.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを反応させることにより発電する燃料電池セルスタックと、供給された前記燃料ガスが前記燃料電池セルスタック内を循環するよう配置された燃料ガス循環路と、前記燃料ガス循環路内の前記燃料ガスを循環させる循環ポンプと、前記循環ポンプの回転数を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料ガス循環路内の含水量を推定し、前記含水量が所定量を超えたと判定した場合に、前記循環ポンプによって、前記燃料ガス循環路内の前記燃料ガスの流量を上げるものである。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack that generates electric power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas, and a fuel gas circulation that is arranged so that the supplied fuel gas circulates in the fuel cell stack. A circulation pump that circulates the fuel gas in the fuel gas circulation path, and a control unit that controls the number of revolutions of the circulation pump, wherein the control unit has a water content in the fuel gas circulation path When the water content exceeds a predetermined amount, the circulation pump increases the flow rate of the fuel gas in the fuel gas circulation path.

燃料ガス循環路内の含水量が所定量を超えたと判定された場合、結露水の発生などにより、燃料ガス循環路内に水が滞留している可能性がある。そこで、前記第１のポンプによって前記燃料ガス循環路内の流量を上げることにより、滞留している水を分散させることができる。 If it is determined that the water content in the fuel gas circuit has exceeded a predetermined amount, water may be retained in the fuel gas circuit due to the generation of condensed water. Therefore, the stagnant water can be dispersed by increasing the flow rate in the fuel gas circulation path by the first pump.

本発明により、燃料ガス循環路内における水の集中的な流入を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress intensive inflow of water in the fuel gas circulation path.

実施の形態に係る燃料電池システム１００のシステム構成図である。1 is a system configuration diagram of a fuel cell system 100 according to an embodiment. 実施の形態に係る燃料電池システム１００における冷却水温度と水素循環路１２内温度の変化を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the change of the cooling water temperature and the temperature in the hydrogen circulation path 12 in the fuel cell system 100 which concerns on embodiment. 実施の形態に係る燃料電池システム１００における燃料電池セルスタック２１及び流体の循環を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the circulation of the fuel cell stack 21 and the fluid in the fuel cell system 100 which concerns on embodiment. 燃料電池２０及び水素供給系補機の模式図である。It is a schematic diagram of the fuel cell 20 and a hydrogen supply system auxiliary machine. 実施の形態に係る燃料電池システム１００のフローチャートである。3 is a flowchart of the fuel cell system 100 according to the embodiment.

＜実施の形態＞
まず、本発明に係る実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１００のシステム構成図である。燃料電池システム１００は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである空気とを反応させて発電し、発電した電気を他のシステムに供給する固体高分子燃料電池を利用したシステムである。また、燃料電池システム１００は、かかる反応により生成された水を排出する。燃料電池システム１００は、水素タンク１０、インジェクタ１１、水素循環路１２、水素循環ポンプ１３、排気排水部１４、排気排水弁１５、燃料電池２０、ラジエータ３０、冷却水ポンプ３１、冷却水循環路３２、エアクリーナ４０、エアコンプレッサ４１、インタークーラ４２、マフラ４３、エア通過路４４、制御部５０を備える。 <Embodiment>
First, an embodiment according to the present invention will be described. FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system 100 according to an embodiment. The fuel cell system 100 is a system that uses a solid polymer fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen, which is a fuel gas, with air, which is an oxidizing gas, and supplies the generated electricity to another system. In addition, the fuel cell system 100 discharges water generated by the reaction. The fuel cell system 100 includes a hydrogen tank 10, an injector 11, a hydrogen circulation path 12, a hydrogen circulation pump 13, an exhaust drainage unit 14, an exhaust drainage valve 15, a fuel cell 20, a radiator 30, a cooling water pump 31, a cooling water circulation path 32, An air cleaner 40, an air compressor 41, an intercooler 42, a muffler 43, an air passage 44, and a control unit 50 are provided.

以下、燃料電池システム１００の各構成について説明する。水素タンク１０は、燃料ガスである水素を密閉して蓄えており、インジェクタ１１に接続されている。インジェクタ１１は、開閉弁であって、弁を開くことにより、水素タンク１０から供給される水素ガスを適宜水素循環路１２に送り込む。 Hereinafter, each component of the fuel cell system 100 will be described. The hydrogen tank 10 seals and stores hydrogen, which is a fuel gas, and is connected to an injector 11. The injector 11 is an on-off valve. By opening the valve, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 10 is appropriately fed into the hydrogen circulation path 12.

水素循環路１２は、インジェクタ１１から送られてきた水素を燃料電池２０に送り込むことができるように配管されている燃料ガス循環路である。また、水素循環路１２は、燃料電池２０において反応しなかった水素ガスや、燃料電池２０において生成された水分を回収した後に、再び燃料電池２０に送り込むことができるように配管されている。また、水素循環路１２は、水素循環ポンプ１３及び排気排水部１４に接続されている。 The hydrogen circulation path 12 is a fuel gas circulation path that is piped so that hydrogen sent from the injector 11 can be fed into the fuel cell 20. In addition, the hydrogen circulation path 12 is piped so that hydrogen gas that has not reacted in the fuel cell 20 and moisture generated in the fuel cell 20 can be recovered and then fed into the fuel cell 20 again. The hydrogen circulation path 12 is connected to a hydrogen circulation pump 13 and an exhaust drainage unit 14.

水素循環ポンプ１３は、水素循環路１２内における水分を含んだ水素の流量を制御する循環ポンプである。排気排水部１４は、水素循環路１２内に溜まった水及び水素を排出する機能を備える。排気排水部１４は、排気排水弁１５に接続されている。排気排水弁１５は、排気排水部１４に溜まった水及び水素を適宜排出する。排気排水弁１５はマフラ４３に接続されており、輩出した水及び水素をマフラ４３に送り出すことができるように配管されている。 The hydrogen circulation pump 13 is a circulation pump that controls the flow rate of hydrogen containing moisture in the hydrogen circulation path 12. The exhaust drainage unit 14 has a function of discharging water and hydrogen accumulated in the hydrogen circulation path 12. The exhaust drainage unit 14 is connected to the exhaust drainage valve 15. The exhaust drain valve 15 appropriately drains water and hydrogen accumulated in the exhaust drain section 14. The exhaust drain valve 15 is connected to the muffler 43 and is piped so that the produced water and hydrogen can be sent out to the muffler 43.

燃料電池２０は、ＦＣ（Fuel Cell＝燃料電池）セルスタック２１、セルモニタ２２、電極２３、温度計２４、温度計２５を備える。 The fuel cell 20 includes an FC (Fuel Cell = fuel cell) cell stack 21, a cell monitor 22, an electrode 23, a thermometer 24, and a thermometer 25.

ＦＣセルスタック２１は、固体高分子電解質膜に触媒を塗ったＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜/電極複合体）をセパレータではさんだセルを複数積層することにより構成されている。 The FC cell stack 21 is configured by stacking a plurality of cells in which a MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a catalyst is applied to a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between separators.

セルモニタ２２は、ＦＣセルスタック２１の各セルに接続されている。また、セルモニタ２２は、図示しない電圧計及びインピーダンスメータを備えており、各セルの電圧及びインピーダンスを測定する。 The cell monitor 22 is connected to each cell of the FC cell stack 21. The cell monitor 22 includes a voltmeter and an impedance meter (not shown), and measures the voltage and impedance of each cell.

セルモニタ２２は、各セルの電圧を測定する。これにより、セルモニタ２２は、発電効率が低下したＦＣセルがないかを監視する。 The cell monitor 22 measures the voltage of each cell. Thereby, the cell monitor 22 monitors whether there is any FC cell whose power generation efficiency has decreased.

また、セルモニタ２２は、各セルのインピーダンスを測定する。これにより、セルモニタ２２は、各セルの含水量を推定することができる。尚、固体高分子燃料電池のＦＣセルは、セル内の含水量によりインピーダンスが変化することが知られている。 The cell monitor 22 measures the impedance of each cell. Thereby, the cell monitor 22 can estimate the water content of each cell. Incidentally, it is known that the impedance of the FC cell of the solid polymer fuel cell changes depending on the water content in the cell.

電極２３は、燃料電池２０が発電した電気を外部のシステムに接続するための電極である。例えば、図示しない昇圧コンバータ及びモータを電極２３に接続する。これにより、燃料電池２０はモータを駆動させる駆動源となる。 The electrode 23 is an electrode for connecting the electricity generated by the fuel cell 20 to an external system. For example, a boost converter and a motor (not shown) are connected to the electrode 23. Thereby, the fuel cell 20 becomes a drive source for driving the motor.

温度計２４は、水素循環路１２内の温度を測定する。また、温度計２５は、冷却水循環路３２内の温度を測定する。 The thermometer 24 measures the temperature in the hydrogen circulation path 12. Further, the thermometer 25 measures the temperature in the cooling water circulation path 32.

ラジエータ３０は、冷却水循環路３２に接続されており、冷却水が蓄積した熱を外気の熱と交換し、温まった冷却水の温度を下げる機能を備える。冷却水ポンプ３１は、冷却水循環路３２に接続されており、冷却水を循環させるポンプである。冷却水循環路３２は、ラジエータ３０、冷却水ポンプ３１に接続され、冷却水が燃料電池２０内を通過し、再びラジエータ３０に循環するように配管されている。また、冷却水循環路３２は、インタークーラ４２にも接続しており、圧縮された空気を冷却する。 The radiator 30 is connected to the cooling water circulation path 32 and has a function of lowering the temperature of the heated cooling water by exchanging the heat accumulated in the cooling water with the heat of the outside air. The cooling water pump 31 is connected to the cooling water circulation path 32 and is a pump for circulating the cooling water. The cooling water circulation path 32 is connected to the radiator 30 and the cooling water pump 31 and is piped so that the cooling water passes through the fuel cell 20 and circulates again to the radiator 30. Moreover, the cooling water circulation path 32 is also connected to the intercooler 42 and cools the compressed air.

エアクリーナ４０は、外気を取り込みエア通過路４４に空気を送り込む。エアコンプレッサ４１は、エアクリーナ４０が取り込んだ空気を圧縮してインタークーラ４２に送り込む。インタークーラ４２は、エアコンプレッサ４１によって圧縮された空気を受け取り、圧縮された空気の熱を冷却水によって冷却する。また、インタークーラ４２は、エア通過路４４に接続されている。 The air cleaner 40 takes in outside air and sends the air into the air passage 44. The air compressor 41 compresses the air taken in by the air cleaner 40 and sends it to the intercooler 42. The intercooler 42 receives the air compressed by the air compressor 41, and cools the heat of the compressed air with cooling water. The intercooler 42 is connected to the air passage 44.

エア通過路４４は、燃料電池２０に空気を送り込むことができるように配管されている酸化ガス通過路である。また、エア通過路４４は、発電に使用されなかった空気及び、発電の際に生成された水を回収し、マフラ４３に送り込むことができるように配管されている。マフラ４３は、エア通過路４４から送り込まれた空気及び水と、排気排水部１４から送り込まれた水及び水素を、外部へ排出する機能を備える。 The air passage 44 is an oxidizing gas passage that is piped so that air can be fed into the fuel cell 20. The air passage 44 is piped so that air that has not been used for power generation and water generated during power generation can be collected and sent to the muffler 43. The muffler 43 has a function of discharging the air and water sent from the air passage 44 and the water and hydrogen sent from the exhaust drainage 14 to the outside.

制御部５０は、インジェクタ１１、水素循環ポンプ１３、燃料電池２０、冷却水ポンプ３１、エアコンプレッサ４１に接続されており、これらを制御している。また、制御部５０は、燃料電池２０内が備えているセルモニタ２２が測定するＦＣセルスタック２１のインピーダンスから、ＦＣセルスタック２１の含水量を推定する。また、制御部５０は、燃料電池２０内が備えているセルモニタ２２が測定するＦＣセルスタック２１の電圧から、局部的な水の滞留などによる発電効率の低下を判定する。さらに、制御部５０は、水素循環路１２の温度、冷却水の温度、及び、水素循環ポンプ１３の回転数に基づいて、水素循環路１２内の結露水の量を推定する。 The control unit 50 is connected to the injector 11, the hydrogen circulation pump 13, the fuel cell 20, the cooling water pump 31, and the air compressor 41, and controls them. Further, the control unit 50 estimates the water content of the FC cell stack 21 from the impedance of the FC cell stack 21 measured by the cell monitor 22 provided in the fuel cell 20. Further, the control unit 50 determines a decrease in power generation efficiency due to local water retention or the like from the voltage of the FC cell stack 21 measured by the cell monitor 22 provided in the fuel cell 20. Further, the control unit 50 estimates the amount of condensed water in the hydrogen circulation path 12 based on the temperature of the hydrogen circulation path 12, the temperature of the cooling water, and the rotation speed of the hydrogen circulation pump 13.

次に、燃料電池２０の発電原理について概略を説明する。ＦＣセルスタック２１は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである空気とを、ＭＥＡを介して反応させることにより発電する。具体的には、ＦＣセルスタック２１において、以下の式に基づいた化学反応が起きている。
負極：Ｈ２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
正極：４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
この式からも分かるように、ＦＣセルスタック２１は、発電の際に水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。生成した水がＭＥＡの表面に滞留したままになると、水素又は空気の反応を妨げることになる。そのため、生成した水は、効率よく排出されることが望まれる。 Next, an outline of the power generation principle of the fuel cell 20 will be described. The FC cell stack 21 generates power by reacting hydrogen, which is a fuel gas, and air, which is an oxidizing gas, via the MEA. Specifically, a chemical reaction based on the following formula occurs in the FC cell stack 21.
Negative electrode: H2 → 2H ⁺ + 2e ⁻
Positive electrode: 4H ⁺ + O ₂ + 4e ⁻ → 2H ₂ O
As can be seen from this equation, the FC cell stack 21 generates water (H ₂ O) during power generation. If the produced water remains on the surface of the MEA, it will hinder the reaction of hydrogen or air. Therefore, it is desired that the generated water is efficiently discharged.

ＦＣセルスタック２１は、１つのセルで発電する際の電圧は、例えば１Ｖ程度である。ＦＣセルスタック２１は、このセルを数百枚積層することにより、数百Ｖの電圧を発生させる。 The voltage when the FC cell stack 21 generates power in one cell is, for example, about 1V. The FC cell stack 21 generates a voltage of several hundred volts by stacking several hundred of these cells.

続いて、水素循環路１２における水素の流れについて説明する。インジェクタ１１が開くことにより、水素循環路１２に水素が供給される。水素は、水素循環路１２を通り、燃料電池２０内へ到達する。燃料電池２０は、受け取った水素を、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分解してＭＥＡを通過させる。このとき、反応しなかった水素に加えて、上述した反応により発生した水分が水素極側へ漏れ出す。水素循環路１２は、この水分を含んだ水素ガスを回収し、燃料電池２０の外部にある排気排水部１４に送り出す。排気排水部１４では、適宜過剰な水分を排出する。そして、水素ガスは、水素循環ポンプ１３によって圧送され、再び燃料電池２０内へ送り込まれる。 Subsequently, the flow of hydrogen in the hydrogen circulation path 12 will be described. When the injector 11 is opened, hydrogen is supplied to the hydrogen circulation path 12. The hydrogen passes through the hydrogen circulation path 12 and reaches the fuel cell 20. The fuel cell 20 decomposes the received hydrogen into hydrogen ions (H ⁺ ) and electrons (e ⁻ ) and passes the MEA. At this time, in addition to hydrogen that has not reacted, moisture generated by the above-described reaction leaks to the hydrogen electrode side. The hydrogen circulation path 12 collects this hydrogen-containing hydrogen gas and sends it to the exhaust drainage 14 outside the fuel cell 20. In the exhaust drainage part 14, excessive water | moisture content is discharged | emitted suitably. Then, the hydrogen gas is pumped by the hydrogen circulation pump 13 and fed into the fuel cell 20 again.

次に、冷却水によって燃料電池２０が冷却される原理について説明する。燃料電池２０が発電する際、燃料電池２０は熱を発生する。燃料電池２０内の冷却水は、この熱により温められる。すなわち、燃料電池２０は冷却水と熱を交換することになる。そのため、燃料電池２０は、冷却水により冷やされる。冷却水ポンプ３１は、冷却水を圧送し、温められた冷却水をラジエータ３０に送り込む。ラジエータ３０は、冷却水の熱と、外気の熱を交換することにより、冷却水の温度を下げる。そして、温度の下がった冷却水は、冷却水ポンプ３１により圧送され、再び燃料電池２０内に送り込まれる。このように、冷却水が燃料電池２０とラジエータ３０を循環する。これにより、冷却水は発熱している燃料電池の冷却を行う。 Next, the principle that the fuel cell 20 is cooled by the cooling water will be described. When the fuel cell 20 generates power, the fuel cell 20 generates heat. The cooling water in the fuel cell 20 is warmed by this heat. That is, the fuel cell 20 exchanges heat with the cooling water. Therefore, the fuel cell 20 is cooled by the cooling water. The cooling water pump 31 pumps the cooling water and sends the warmed cooling water to the radiator 30. The radiator 30 lowers the temperature of the cooling water by exchanging the heat of the cooling water and the heat of the outside air. Then, the cooling water whose temperature has dropped is pumped by the cooling water pump 31 and fed into the fuel cell 20 again. In this way, the cooling water circulates through the fuel cell 20 and the radiator 30. Thus, the cooling water cools the fuel cell that is generating heat.

次に、図２を参照しながら燃料電池システム１００の運転開始直後における主要構成部の温度変化について説明する。図２は、実施の形態に係る燃料電池システム１００における冷却水温度と水素循環路１２内温度の変化を説明するためのグラフである。一点鎖線の曲線ｃ１は、温度計２４によって測定された水素循環路１２の温度推移を示している。実線の曲線ｃ２は、温度計２５によって測定された冷却水の温度推移を示している。二点鎖線の曲線ｃ３は、時刻ｔ１において暖機運転を開始した場合の冷却水の温度推移を示している。時刻ｔ０において各構成部の温度はｐ０である。燃料電池システム１００が運転を開始すると、燃料電池２０が発熱し、各構成部の温度が徐々に上昇する。 Next, the temperature change of the main components immediately after the start of operation of the fuel cell system 100 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a graph for explaining changes in the coolant temperature and the temperature in the hydrogen circulation path 12 in the fuel cell system 100 according to the embodiment. A dashed-dotted line curve c <b> 1 indicates the temperature transition of the hydrogen circulation path 12 measured by the thermometer 24. A solid curve c2 indicates the temperature transition of the cooling water measured by the thermometer 25. A two-dot chain line curve c3 indicates the temperature transition of the cooling water when the warm-up operation is started at time t1. At time t0, the temperature of each component is p0. When the fuel cell system 100 starts operation, the fuel cell 20 generates heat, and the temperature of each component gradually rises.

まず、曲線ｃ１により示した水素循環路１２の温度推移について説明する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの水素循環路１２の温度は、曲線ｃ１に示されたように、時刻ｔ０における温度ｐ０から、時刻ｔ１における温度ｐ１に上昇している。 First, the temperature transition of the hydrogen circulation path 12 indicated by the curve c1 will be described. The temperature of the hydrogen circulation path 12 from the time t0 to the time t1 increases from the temperature p0 at the time t0 to the temperature p1 at the time t1, as indicated by the curve c1.

次に、曲線ｃ２により示した冷却水の温度推移について説明する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの冷却水の温度は、曲線ｃ２に示されたように、時刻ｔ０における温度ｐ０から、時刻ｔ１における温度ｐ３に上昇している。 Next, the temperature transition of the cooling water indicated by the curve c2 will be described. The temperature of the cooling water from the time t0 to the time t1 is rising from the temperature p0 at the time t0 to the temperature p3 at the time t1, as indicated by the curve c2.

このように、各構成部により温度の上がり方は異なる。この、温度ｐ３と温度ｐ１の差は、燃料電池２０の温度と、水素循環路１２との温度差が広がっていることを意味する。この温度差が広がることにより、結露が起きる可能性がある。 In this way, the temperature rise method varies depending on each component. This difference between the temperature p3 and the temperature p1 means that the temperature difference between the temperature of the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 12 is widened. As this temperature difference widens, condensation may occur.

すなわち、燃料電池２０内において、水素ガスの温度は温度ｐ３である。この水素ガスは、水素循環路１２を通って回収され、一旦燃料電池２０の外に出る。そして、水素循環ポンプ１３によって再び燃料電池２０に送り込まれる。このとき、温度ｐ３の水素ガスが、温度ｐ１の水素循環路１２を通過する。そのため、水素循環路１２内の壁面において水素ガスに含まれる水蒸気が飽和して結露が起きる可能性がある。 That is, in the fuel cell 20, the temperature of the hydrogen gas is the temperature p3. This hydrogen gas is recovered through the hydrogen circulation path 12 and once exits the fuel cell 20. Then, it is sent again to the fuel cell 20 by the hydrogen circulation pump 13. At this time, the hydrogen gas at the temperature p3 passes through the hydrogen circulation path 12 at the temperature p1. Therefore, there is a possibility that the water vapor contained in the hydrogen gas is saturated on the wall surface in the hydrogen circulation path 12 to cause dew condensation.

次に、燃料電池システム１００を暖機運転する場合について説明する。寒冷地などにおいてシステムの運転を開始する場合、燃料電池２０内の水分が凍結している可能性がある。そこで、システム全体の温度を早期に上昇させる暖機運転を行う。この場合、燃料電池２０を温めるために冷却水を循環させないようにする。すなわち、冷却水ポンプ３１の運転を停止した状態、又は冷却水ポンプ３１の回転数を低く抑えた状態の運転を行う。そうすることにより、燃料電池２０は早期に温度が上昇する。 Next, a case where the fuel cell system 100 is warmed up will be described. When starting the operation of the system in a cold region or the like, the water in the fuel cell 20 may be frozen. Therefore, warm-up operation is performed to quickly raise the temperature of the entire system. In this case, the cooling water is not circulated in order to warm the fuel cell 20. That is, the operation is performed in a state in which the operation of the cooling water pump 31 is stopped or the rotation number of the cooling water pump 31 is kept low. By doing so, the temperature of the fuel cell 20 rises early.

次に、図２を参照して、時刻ｔ１から暖機運転を開始する場合の、水素循環路１２及び冷却水の温度推移について具体的に説明する。 Next, with reference to FIG. 2, the temperature transition of the hydrogen circulation path 12 and the cooling water when the warm-up operation is started from time t1 will be specifically described.

まず、曲線ｃ１により示した水素循環路１２の温度推移について説明する。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの水素循環路１２の温度は、曲線ｃ１に示されたように、時刻ｔ１における温度ｐ１から、時刻ｔ２における温度ｐ２に上昇している。 First, the temperature transition of the hydrogen circulation path 12 indicated by the curve c1 will be described. The temperature of the hydrogen circulation path 12 from the time t1 to the time t2 increases from the temperature p1 at the time t1 to the temperature p2 at the time t2, as indicated by the curve c1.

次に、曲線ｃ２により示した冷却水の温度推移について説明する。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの冷却水の温度は、曲線ｃ２に示されたように、時刻ｔ１における温度ｐ３から、時刻ｔ２における温度ｐ５に上昇している。 Next, the temperature transition of the cooling water indicated by the curve c2 will be described. The temperature of the cooling water from time t1 to time t2 increases from the temperature p3 at time t1 to the temperature p5 at time t2, as indicated by the curve c2.

ここで、暖機運転を行わず、通常運転を行った場合についても説明する。この場合は、曲線ｃ２に示されたように、時刻ｔ１における温度ｐ３から時刻ｔ２における温度ｐ４に上昇している。 Here, a case where normal operation is performed without performing warm-up operation will be described. In this case, as shown by the curve c2, the temperature rises from the temperature p3 at time t1 to the temperature p4 at time t2.

続いて、時刻ｔ２における冷却水と水素循環路との温度差を比較する。暖機運転の場合、時刻ｔ２における冷却水と水素循環路との温度差がｐ５−ｐ２である。また、通常運転の場合、時刻ｔ２における冷却水と水素循環路との温度差がｐ４−ｐ２である。ここで、冷却水の温度は燃料電池２０の温度に略等しいと考えることができる。したがって、暖機運転を行うことにより、燃料電池２０と水素循環路１２との温度差が拡大することが分かる。すなわち、暖機運転を行うことにより、水素循環路１２内において結露が起きる可能性がより高くなる。 Subsequently, the temperature difference between the cooling water and the hydrogen circulation path at time t2 is compared. In the case of the warm-up operation, the temperature difference between the cooling water and the hydrogen circulation path at time t2 is p5-p2. In the normal operation, the temperature difference between the cooling water and the hydrogen circulation path at time t2 is p4-p2. Here, it can be considered that the temperature of the cooling water is substantially equal to the temperature of the fuel cell 20. Therefore, it can be seen that the temperature difference between the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 12 is increased by performing the warm-up operation. That is, by performing the warm-up operation, there is a higher possibility that condensation occurs in the hydrogen circulation path 12.

次に、水素循環路１２内において結露が起きた場合に、燃料電池が受ける影響について説明する。 Next, the influence that the fuel cell receives when condensation occurs in the hydrogen circulation path 12 will be described.

まず、セルスタックの構造について説明する。図３は、実施の形態に係る燃料電池システム１００における燃料電池セルスタック２１及び流体の循環を説明するための図である。ＦＣセルスタック２１は複数のセルが積層されている。各セルは、発電部の周囲に複数の穴がそれぞれ設けられている。そして、複数の穴は、水素、空気、冷却水をそれぞれ通すように構成されている。例えば、図３において、矢印Ｘ１及び矢印Ｘ２は、水素の通過を模式的に示したものである。すなわち、矢印Ｘ１及び矢印Ｘ２は、水素循環路１２の一部を示している。水素は、矢印Ｘ１からＦＣセルスタック２１に入り、全てのセルを通過した後に、矢印Ｘ２から出る。同様に、矢印Ｙ１及び矢印Ｙ２は、エア通過路４４の一部を示したものである。また同じく矢印Ｚ１及び矢印Ｚ２は、冷却水循環路３２を示したものである。 First, the structure of the cell stack will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining the fuel cell stack 21 and fluid circulation in the fuel cell system 100 according to the embodiment. In the FC cell stack 21, a plurality of cells are stacked. Each cell is provided with a plurality of holes around the power generation unit. The plurality of holes are configured to pass hydrogen, air, and cooling water, respectively. For example, in FIG. 3, arrows X1 and X2 schematically show the passage of hydrogen. That is, the arrow X1 and the arrow X2 indicate a part of the hydrogen circulation path 12. Hydrogen enters the FC cell stack 21 from arrow X1, passes through all cells, and then exits from arrow X2. Similarly, the arrow Y1 and the arrow Y2 indicate a part of the air passage 44. Similarly, the arrows Z1 and Z2 indicate the cooling water circulation path 32.

このように、各流体は、ＦＣセルスタック２１において所定の場所から入り、所定の場所から出る構造となっている。 As described above, each fluid enters the FC cell stack 21 from a predetermined location and exits from the predetermined location.

次に、燃料電池２０と、水素循環路１２との位置関係を説明する。図４は、燃料電池２０及び水素供給系補機Ａ１の模式図である。水素供給系補機Ａ１とは、インジェクタ１１、水素循環路１２、水素循環ポンプ１３、排気排水部１４、及び、排気排水弁１５をいう。 Next, the positional relationship between the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 12 will be described. FIG. 4 is a schematic diagram of the fuel cell 20 and the hydrogen supply system auxiliary machine A1. The hydrogen supply system auxiliary machine A1 refers to the injector 11, the hydrogen circulation path 12, the hydrogen circulation pump 13, the exhaust drainage section 14, and the exhaust drainage valve 15.

図２において説明した通り、水素供給系補機Ａ１の温度上昇は、燃料電池２０の温度上昇に比べて緩やかである。そのため、水素供給系補機Ａ１では、結露が起きやすくなる。その結果、結露により発生した水は、水素循環ポンプ１３により圧送されて、燃料電池に流れ込む。ＦＣセルスタック２１は、図３において説明したように、所定の場所から水素及び結露水が流れ込むことになる。すなわち、図４のエリアＡ２に集中的に結露水が流れ込むことになる。 As described with reference to FIG. 2, the temperature increase of the hydrogen supply system auxiliary machine A <b> 1 is more gradual than the temperature increase of the fuel cell 20. Therefore, in the hydrogen supply system auxiliary machine A1, condensation is likely to occur. As a result, water generated by condensation is pumped by the hydrogen circulation pump 13 and flows into the fuel cell. As described with reference to FIG. 3, hydrogen and condensed water flow into the FC cell stack 21 from a predetermined place. That is, the condensed water flows into the area A2 in FIG. 4 in a concentrated manner.

このような現象が起きると、エリアＡ２において水素の供給が妨げられるため好ましくない。そこで、本実施の形態は、このような現象が起きる可能性を検出し、結露水を分散させる。すなわち、所定の条件の場合、水素循環ポンプ１３は、ポンプの回転数を上げて水素循環路１２内の流量を上昇させる。水素循環路１２内の流量が上昇することにより、集中的に流れ込んでいた水は、水素循環路１２内に分散する。 When such a phenomenon occurs, supply of hydrogen in the area A2 is hindered, which is not preferable. Therefore, the present embodiment detects the possibility of such a phenomenon and disperses the condensed water. That is, in the case of a predetermined condition, the hydrogen circulation pump 13 increases the flow rate in the hydrogen circulation path 12 by increasing the number of revolutions of the pump. As the flow rate in the hydrogen circulation path 12 increases, the water that has flowed intensively is dispersed in the hydrogen circulation path 12.

以上をまとめると、本実施の形態は、燃料電池システム１００の運転開始後において結露が発生した場合に、水素循環路１２内の水分を分散する。また本実施の形態は、暖機運転中、または、暖機運転後において結露が発生した場合に、水素循環路１２内の水分を分散する。 In summary, the present embodiment disperses moisture in the hydrogen circulation path 12 when condensation occurs after the fuel cell system 100 starts operating. Further, the present embodiment disperses moisture in the hydrogen circulation path 12 when dew condensation occurs during the warm-up operation or after the warm-up operation.

続いて、水素循環路１２内の流量を上昇させるプロセスについて説明する。図５は、実施の形態に係る燃料電池システム１００のフローチャートである。 Next, a process for increasing the flow rate in the hydrogen circulation path 12 will be described. FIG. 5 is a flowchart of the fuel cell system 100 according to the embodiment.

まず、制御部５０は、ＦＣセルスタック２１のインピーダンスをモニタすることにより、各セルの含水量を推定する。そして、制御部５０は、ＦＣセルスタック２１の含水量Ｗａが、所定の含水量Ｗ１を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、ＦＣセルスタック２１の含水量Ｗａが所定の含水量Ｗ１を下回っていた場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１００において結露を起こしている可能性が低いことを意味する。尚、ここで制御部５０は、各部の温度又は外気温などを参照して結露の可能性を判定することもできる。 First, the control unit 50 estimates the water content of each cell by monitoring the impedance of the FC cell stack 21. Then, the control unit 50 determines whether or not the water content Wa of the FC cell stack 21 is lower than a predetermined water content W1 (step S1). Here, when the water content Wa of the FC cell stack 21 is lower than the predetermined water content W1 (step S1: Yes), it means that there is a low possibility of causing condensation in the fuel cell system 100. Here, the control unit 50 can also determine the possibility of condensation by referring to the temperature of each unit or the outside air temperature.

次に、制御部５０は、全セルの平均電圧Ｖａから各セルの電圧Ｖｅを引いた値が、所定の電圧Ｖ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。全セルの平均電圧Ｖａから各セルの電圧Ｖｅを引いた値が、所定の電圧Ｖ１よりも小さい場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）は、結露水などにより局部的に発電効率が低下しているといった現象が起きていないことを意味する。この場合、制御部５０は、本フローチャートに係るルーチンを終了する。 Next, the control unit 50 determines whether or not a value obtained by subtracting the voltage Ve of each cell from the average voltage Va of all cells is smaller than a predetermined voltage V1 (step S2). When the value obtained by subtracting the voltage Ve of each cell from the average voltage Va of all cells is smaller than the predetermined voltage V1 (step S2: Yes), the phenomenon that the power generation efficiency is locally reduced due to condensed water or the like Means that has not happened. In this case, the control unit 50 ends the routine according to this flowchart.

一方、ステップＳ１において、ＦＣセルスタック２１の含水量Ｗａが所定の含水量Ｗ１を下回っていない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）は、燃料電池システム１００において結露を起こしている可能性があることを意味する。この場合、燃料電池システム１００は、暖機運転を行うために、冷却水の目標温度Ｔ１を設定する（ステップＳ３）。また、ステップＳ２において、全セルの平均電圧Ｖａから各セルの電圧Ｖｅを引いた値が、所定の電圧Ｖ１よりも小さくない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）は、部分的に結露が起きているか、水が滞留している可能性がある。そこで、この場合も、暖機運転を行うために、冷却水の目標温度Ｔ１を設定する（ステップＳ３）。尚、目標温度Ｔ１は、予め定めた温度でもよいし、外気温又は冷却水の温度Ｗａを鑑みて決定してもよい。 On the other hand, if the water content Wa of the FC cell stack 21 is not lower than the predetermined water content W1 in step S1 (step S1: No), it means that condensation may occur in the fuel cell system 100. To do. In this case, the fuel cell system 100 sets the cooling water target temperature T1 in order to perform the warm-up operation (step S3). Further, in step S2, if the value obtained by subtracting the voltage Ve of each cell from the average voltage Va of all the cells is not smaller than the predetermined voltage V1 (step S2: No), whether or not condensation has partially occurred, Water may be stagnating. Therefore, also in this case, the target temperature T1 for the cooling water is set in order to perform the warm-up operation (step S3). The target temperature T1 may be a predetermined temperature or may be determined in view of the outside air temperature or the cooling water temperature Wa.

次に、燃料電池システム１００は、暖機運転を開始する（ステップＳ４）。具体的には、燃料電池２０の温度を上昇させるため、燃料電池２０内により多くの水素を送り込んで発電を促進させるか、又は、冷却水の流量を低下させるか、又は、これらの両方を行う。このとき、冷却水ポンプ３１の運転を止めておいてもよいし、ポンプの回転数を低下させておいてもよい。暖機運転を行うことにより、冷却水の温度Ｔｗが上昇する。 Next, the fuel cell system 100 starts a warm-up operation (step S4). Specifically, in order to increase the temperature of the fuel cell 20, more hydrogen is sent into the fuel cell 20 to promote power generation, or the flow rate of cooling water is decreased, or both are performed. . At this time, the operation of the cooling water pump 31 may be stopped, or the rotational speed of the pump may be reduced. By performing the warm-up operation, the temperature Tw of the cooling water increases.

続いて、制御部５０は、水素循環路１２内の含水量Ｗｈｐを推定し、所定の含水量Ｗ２を上回っているか否かを判定する（ステップＳ５）。具体的には、制御部５０は、水素循環路１２の温度、冷却水の温度、及び、水素循環ポンプ１３の回転数に基づいて、水素循環路１２内の結露水の量を推定する。そして、制御部５０は、推定した含水量Ｗｈｐと、所定の含水量Ｗ２とを比較する。 Subsequently, the control unit 50 estimates the water content Whp in the hydrogen circulation path 12 and determines whether or not it exceeds a predetermined water content W2 (step S5). Specifically, the control unit 50 estimates the amount of condensed water in the hydrogen circulation path 12 based on the temperature of the hydrogen circulation path 12, the temperature of the cooling water, and the rotation speed of the hydrogen circulation pump 13. Then, the control unit 50 compares the estimated water content Whp with a predetermined water content W2.

水素循環路１２内の含水量Ｗｈｐが、所定の含水量Ｗ２を上回っている場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、制御部５０は、水素循環路１２の流量を上げる（ステップＳ６）。具体的には、制御部５０は、水素循環ポンプ１３の回転数を、所定時間、所定の回転数に上げる。 When the water content Whp in the hydrogen circulation path 12 exceeds the predetermined water content W2 (step S5: Yes), the control unit 50 increases the flow rate of the hydrogen circulation path 12 (step S6). Specifically, the control unit 50 increases the rotation speed of the hydrogen circulation pump 13 to a predetermined rotation speed for a predetermined time.

これにより、水素循環路１２内の流量が上がり、水素循環路１２内の水分が分散される。 Thereby, the flow rate in the hydrogen circulation path 12 is increased, and the water in the hydrogen circulation path 12 is dispersed.

尚、制御部５０は、所定の条件に基づいて水素循環ポンプ１３の回転数を制御してもよい。すなわち、制御部５０は、水素循環ポンプ１３の回転数を上げた後に、冷却水の温度と、水素循環路１２の温度とをモニタし、これらの温度差が所定値を下回るまで水素循環ポンプ１３の回転数を上げたまま運転してもよい。 The control unit 50 may control the rotation speed of the hydrogen circulation pump 13 based on a predetermined condition. That is, the controller 50 monitors the temperature of the cooling water and the temperature of the hydrogen circulation path 12 after increasing the number of revolutions of the hydrogen circulation pump 13, and the hydrogen circulation pump 13 until the temperature difference falls below a predetermined value. You may drive | run while raising the rotation speed.

水素循環路１２内の含水量Ｗｈｐが、所定の含水量Ｗ２を上回っていない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）は、水素循環路１２において集中的な結露水の流入が起きる可能性はない。よってこの場合、水素循環路１２の流量を上げるための処理は行われない。 When the water content Whp in the hydrogen circulation path 12 does not exceed the predetermined water content W2 (step S5: No), there is no possibility that concentrated water flows in the hydrogen circulation path 12. Therefore, in this case, processing for increasing the flow rate of the hydrogen circulation path 12 is not performed.

次に、制御部５０は、冷却水の温度Ｔｗが目標温度Ｔ１を上回ったか否かを判定する（ステップＳ７）。冷却水の温度Ｔｗが目標温度Ｔ１を上回っていない場合（ステップＳ７：Ｎｏ）は、引き続き暖機運転を行う。図２を参照しながら説明したように、暖機運転を行うことにより、水素循環路１２内に結露が起きる可能性が高まる。そのため、制御部５０は、再び含水量Ｗｈｐと所定の含水量Ｗ２とを比較する処理を繰り返す（ステップＳ６）。 Next, the control unit 50 determines whether or not the temperature Tw of the cooling water has exceeded the target temperature T1 (Step S7). When the temperature Tw of the cooling water does not exceed the target temperature T1 (step S7: No), the warm-up operation is continued. As described with reference to FIG. 2, the possibility of condensation in the hydrogen circulation path 12 is increased by performing the warm-up operation. Therefore, the control part 50 repeats the process which compares the water content Whp with the predetermined water content W2 again (step S6).

冷却水の温度Ｔｗが目標温度Ｔ１を上回っていた場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１００は、暖機運転を終了する（ステップＳ８）。 When the temperature Tw of the cooling water is higher than the target temperature T1 (step S7: Yes), the fuel cell system 100 ends the warm-up operation (step S8).

燃料電池システム１００は、暖機運転終了（ステップＳ８）の後、再びＦＣセルスタック２１の含水量Ｗａが所定の含水量Ｗ１を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、再びＦＣセルスタック２１の含水量Ｗａが所定の含水量Ｗ１を下回っていない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、冷却水の目標温度Ｔ１を再設定する（ステップＳ３）。この場合、上述した目標よりも高い温度に設定して暖機運転を行う。 After the warm-up operation ends (step S8), the fuel cell system 100 again determines whether or not the water content Wa of the FC cell stack 21 is lower than the predetermined water content W1 (step S1). Here, when the water content Wa of the FC cell stack 21 is not lower than the predetermined water content W1 again (step S1: No), the cooling water target temperature T1 is reset (step S3). In this case, the warm-up operation is performed by setting the temperature higher than the target described above.

同様に、燃料電池システム１００は、暖機運転終了（ステップＳ８）の後、再びＦＣセルスタック２１の含水量Ｗａが所定の含水量Ｗ１を下回っており（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、全セルの平均電圧Ｖａから各セルの電圧Ｖｅを引いた値が、所定の電圧Ｖ１よりも小さくない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）は、冷却水の目標温度Ｔ１を再設定する（ステップＳ３）。 Similarly, in the fuel cell system 100, after completion of the warm-up operation (step S8), the water content Wa of the FC cell stack 21 again falls below the predetermined water content W1 (step S1: Yes), and the average of all the cells. When the value obtained by subtracting the voltage Ve of each cell from the voltage Va is not smaller than the predetermined voltage V1 (step S2: No), the cooling water target temperature T1 is reset (step S3).

以上のように、実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料ガス循環路内における水の集中的な流入を抑制することができる。 As described above, the fuel cell system 100 according to the embodiment can suppress intensive inflow of water in the fuel gas circulation path.

尚、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、ここで説明した内容に加えて、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図５において暖機運転終了（ステップＳ８）の後に、ステップＳ５及びステップＳ６を行ってもよいし、暖機運転とは別に、ステップＳ５及びステップＳ６を行ってもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate within the scope of the present invention in addition to the contents described here. For example, step S5 and step S6 may be performed after completion of the warm-up operation in FIG. 5 (step S8), or step S5 and step S6 may be performed separately from the warm-up operation.

１０水素タンク
１２水素循環路
１３水素循環ポンプ
２０燃料電池
２１ＦＣセルスタック
２２セルモニタ
２４、２５温度計
４４エア通過路
１００燃料電池システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hydrogen tank 12 Hydrogen circulation path 13 Hydrogen circulation pump 20 Fuel cell 21 FC cell stack 22 Cell monitor 24, 25 Thermometer 44 Air passage 100 Fuel cell system

Claims

A fuel cell stack that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas; and
A fuel gas circuit arranged so that the supplied fuel gas circulates in the fuel cell stack; and
A circulation pump for circulating the fuel gas in the fuel gas circulation path;
A control unit for controlling the rotational speed of the circulation pump;
With
The controller is
Estimating the water content in the fuel gas circuit,
When it is determined that the water content exceeds a predetermined amount, the circulation pump increases the flow rate of the fuel gas in the fuel gas circulation path.
Fuel cell system.