JP2007103224A - 燃料電池システムおよびその圧力低下方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アノード流路12aおよびカソード流路13aを有する燃料電池10と、遮断弁22と、燃料電池10から排出された未反応の燃料ガスを循環させる配管24cと、アノードガス圧力を検出する圧力センサ27と、カソード流路13aに酸化剤ガスを供給するコンプレッサ31と、アノード流路12a内のガスを排出するドレン弁25およびパージ弁26と、ECU50と、を備え、燃料ガスの供給が遮断された場合、カソード流路13aを掃気する燃料電池システム1であって、カソード流路13aの掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、コンプレッサ31によるカソード流路13aへの酸化剤ガスの供給を継続しつつ、ドレン弁25およびパージ弁26によりアノード流路12a内のガスを排出してアノードガス圧力を下げる。
【選択図】図1
Description
ここで、掃気とは、掃気ガスにより、発電の際に生成した水などを燃料電池外に押し出すことであり、空気パージとも称される。また、掃気ガスとは、このような掃気を行うために燃料電池に送り込まれるガスであり、例えば、燃料電池のカソードに空気を供給するコンプレッサが掃気ガス源として利用される。
その後、酸化剤ガス供給手段と停止し、カソード流路のカソードガス圧力を適宜に下げることで、MEAの両側間の差圧を好適に小さくすることができる。その結果として、燃料電池の耐久性および信頼性の向上を図ることができる。
本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池10の出力端子(図示しない)に接続した走行モータ41を備えており、燃料電池自動車は燃料電池10の発電電力によって走行モータ41を駆動し、走行するようになっている。
燃料電池10(燃料電池スタック)は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜11(固体高分子膜)の両面をアノード12(燃料極)およびカソード13(空気極)で挟んでなるMEAと、MEAを挟む一対のセパレータと、で構成されている。セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に水素または酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード流路12a、カソード流路13aとして機能している。すなわち、アノード流路12aには水素(燃料ガス)が流通し、各アノード12に供給されるようになっている。一方、カソード流路13aには酸素を含む空気(酸化剤ガス)が流通し、各カソード13に供給されるようになっている。
アノード系20は、水素が貯蔵された水素タンク21と、遮断弁22(遮断手段)と、エゼクタ23と、気液分離器24と、ドレン弁25(排出手段)と、パージ弁26(排出手段)と、圧力センサ27(圧力検出手段)と、を主に備えている。
水素タンク21は配管21aを介して遮断弁22に接続されており、遮断弁22は配管22aを介してエゼクタ23に接続されている。エゼクタ23は、配管23aを介してアノード流路12aに接続されている。配管22aには、減圧弁(図示しない)が設けられている。そして、ECU50の制御部51によって、遮断弁22が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード流路12aに供給されるようになっている。
一方、燃料電池10の出力が低下し、アノードオフガスに含まれる不純物(水、窒素など)が多いと推定される場合、パージ弁26が開かれ、アノードオフガスが希釈器32に排出されるようになっている。
カソード系30は、コンプレッサ31(スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給手段)と、希釈器32と、流量計33とを主に備えている。コンプレッサ31は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして燃料電池10のカソード13に向けて送る機器であり、配管31aを介してカソード流路13aに接続されている。配管31aには加湿器(図示しない)が設けられており、カソード13に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。なお、アノード系20の遮断弁22が閉じられた後は、コンプレッサ31からの空気が前記加湿器を迂回し、非加湿の空気である掃気ガスが、カソード流路13aに供給されるようになっている。
ただし、流量計33の位置は、希釈器32に供給されるカソードオフガスの流量を検出可能であればよく、燃料電池10の下流側の配管32aに設けられてもよい。
電力消費系40は、燃料電池10の出力端子(図示しない)に接続されており、燃料電池10で発生した電力を消費する系である。電力消費系40は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ41(外部負荷)と、VCU42(Voltage Control Unit)と、を主に備えている。この他、コンプレッサ31のモータも、電力消費系40に含まれる。
ECU50は、燃料電池システム1を電子制御するユニットであって、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などから構成され、制御部51(制御手段)と、排出量決定部52(排出量決定手段)と、禁止部53(禁止手段)とを主に備えている。
制御部51は、アノード系20の遮断弁22、ドレン弁25およびパージ弁26と、カソード系30のコンプレッサ31と、電力消費系40のVCU42とに接続されており、これらを適宜に制御するようになっている。また、制御部51は、圧力センサ27と接続されており、アノード流路12a内のアノードガス圧力を監視するようになっている。
排出量決定部52は、流量計33を介して、希釈器32に送られるカソードオフガス(酸化剤ガス)の流量を監視している。そして、排出量決定部52は、流量計33が検出した流量と、その内部に記憶された排出量マップとに基づいて、ドレン弁25またはパージ弁26を開いて、希釈器32に排出するアノードオフガスの排出量を決定するようになっている。
禁止部53は、コンプレッサ31と接続されており、コンプレッサ31が異常であるか否かを監視するようになっている。そして、禁止部53は、コンプレッサ31が異常である場合、制御部51にドレン弁25およびパージ弁26を開くことを禁止する指令を送るようになっている。
次に、燃料電池システム1の動作と共に、本実施形態に係る燃料電池システム1の圧力低下方法について、図2、図3を主に参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1の圧力低下方法は、遮断弁22が閉じた後、カソード流路13aを掃気し、この掃気後、アノードガス圧力が所定圧力P0以下でない場合、コンプレッサ31によるカソード流路13aへの掃気ガス(酸化剤ガス)の供給を継続しつつ、ドレン弁25、パージ弁26を適宜に開きアノード流路12a内のガスを排出し、アノードガス圧力を下げることを特徴とする。
なお、所定時間t2は、ドレン弁25が開かれたことによって、希釈器32に排出された排出量と、カソードオフガスの供給量とに関係する。したがって、例えば、制御部51は、ドレン弁25の開による排出量と、コンプレッサ31の回転速度と、これらが関連付けられ、その内部に記憶されたマップとに基づいて、所定時間t2を算出する。
アノードガス圧力が所定圧力P0以下であると判定した場合(S111・Yes)、ステップS112に進む。そして、ステップS112において、制御部51は、アノードガス圧力が好適に低下したため、発電の継続により水素を消費しなくてよいと推定し、VCU42を制御して燃料電池10の発電を停止する。
一方、アノードガス圧力が所定圧力P0以下でない、つまり、アノードガス圧力が所定圧力P0より高いと判定した場合(S111・No)、ステップS119に進む。
なお、所定時間t3は、パージ弁26が開かれたことによって、希釈器32に排出されたガスの排出量と、コンプレッサ31の作動による希釈器32へのカソードオフガスの供給量とに関係する。したがって、例えば、制御部51は、パージ弁26の開による排出量と、コンプレッサ31の回転速度と、これらが関連付けられ、その内部に記憶されたマップとに基づいて、所定時間t3を算出する。
ステップS115において、制御部51は、ステップS112と同様に、VCU42を制御して燃料電池10の発電を停止する。また、このようにコンプレッサ31が異常である場合、制御部51が警報装置(図示しない)を作動させ、運転者にコンプレッサ31の異常を警告することが好ましい。そして、ステップS114に進む。
ステップS116において、制御部51は、ステップS112と同様に、VCU42を制御して燃料電池10の発電を停止する。そして、ステップS114に進む。
ステップS117において、制御部51は、ステップS112と同様に、燃料電池10の発電を停止する。そして、ステップS118に進む。
ステップS118において、制御部51は、ステップS107と同様に、ステップS105におけるドレン弁25の開により、希釈器32に排出された水素を希釈する。そして、ステップS114に進む。
ステップS119において、制御部51は、ステップS113と同様に、ステップS110におけるパージ弁26の開により、希釈器32に排出された水素を希釈する。そして、ステップS108に戻る。
ステップS120において、制御部51は、ステップS112と同様に、VCU42を制御して燃料電池10の発電を停止する。そして、ステップS114に進む。
なお、このように遮断弁22を閉じた後、ドレン弁25、パージ弁26を開き、アノードガス圧力の低下を図っているにも関わらず、アノードガス圧力が所定圧力P0以下に低下せずに所定時間t4が経過した場合、遮断弁22、ドレン弁25、パージ弁26や、圧力センサ27が異常であるおそれがある。したがって、制御部51は警報装置(図示しない)を作動させ、運転者にアノードのドレン弁25等の異常を警告することが好ましい。
次に、燃料電池システム1の動作例A〜Dについて、図4から図7を主に参照して説明する。
まず、図4を参照して、IGのOFFに連動して遮断弁22が閉じ、カソード掃気が行われ後、ドレン弁25が開かれたことにより、アノードガス圧力が所定圧力P0以下に低下する動作例Aについて説明する。
次に、図5を参照して、IGのOFFに連動して遮断弁22が閉じ、カソード掃気が行われ後、ドレン弁25、パージ弁26が順次に開かれたことにより、アノードガス圧力が所定圧力P0以下に低下する動作例Bについて説明する。なお、ドレン弁25が開かれるまでは、動作例Aと同じであるため、ここでの説明は省略する。
次に、図6を参照して、IGのOFFに連動して遮断弁22が閉じ、カソード掃気が行われ後、ドレン弁25、パージ弁26を順次に開いたものの、アノードガス圧力が所定圧力P0以下に低下せず、タイムアウトする動作例Cについて説明する。なお、パージ弁26の1回目の開までは、動作例Bと同じであるため、ここでの説明は省略する。
次に、図7を参照して、IGのOFFに連動するのではなく、遮断弁22が閉じた際に、コンプレッサ31が異常を示す場合について説明する。このように遮断弁22が閉じる場合は、例えば、コンプレッサ31の異常を示す異常信号を制御部51が検知して、制御部51が遮断弁22を閉じる場合が挙げられる。
この場合、遮断弁22が閉じた際に、コンプレッサ31が異常を示しているため(S101・No)、燃料電池10の発電は停止される(S115)。また、このようにコンプレッサ31が異常を示す場合、ドレン弁25およびパージ弁26を開かないため、高濃度の水素が排出されることはない。
10 燃料電池
11 電解質膜
12 アノード
12a アノード流路
13 カソード
13a カソード流路
22 遮断弁(遮断手段)
24c 配管(循環手段)
25 ドレン弁(排出手段)
26 パージ弁(排出手段)
27 圧力センサ(圧力検出手段)
31 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)
32 希釈器
41 走行モータ
50 ECU
51 制御部(制御手段)
52 排出量決定部(排出量決定手段)
53 禁止部(禁止手段)
Claims (4)
- アノード流路およびカソード流路を有し、前記アノード流路に燃料ガスが、前記カソード流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記アノード流路への燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、
前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを循環させる循環手段と、
前記アノード流路内のアノードガス圧力を検出する圧力検出手段と、
前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記アノード流路内のガスを排出し、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに合流させる排出手段と、
前記酸化剤ガス供給手段および前記排出手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記遮断手段により燃料ガスの供給が遮断された場合、前記酸化剤ガス供給手段は酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、当該カソード流路を掃気する燃料電池システムであって、
前記カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、
前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段による前記カソード流路への酸化剤ガスの供給を継続しつつ、前記排出手段により前記アノード流路内のガスを排出してアノードガス圧力を下げることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合において、
前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの流量に対応して、前記排出手段による排出量を決定する排出量決定手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記酸化剤ガス供給手段が異常を示す場合、前記排出手段による排出を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
- アノード流路およびカソード流路を有し、前記アノード流路に燃料ガスが、前記カソード流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記アノード流路への燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、
前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを循環させる循環手段と、
前記アノード流路内のアノードガス圧力を検出する圧力検出手段と、
前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記アノード流路内のガスを排出し、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに合流させる排出手段と、
を備え、
前記遮断手段により燃料ガスの供給が遮断された場合、前記酸化剤ガス供給手段は酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、当該カソード流路を掃気する燃料電池システムにおいて、
前記カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、
前記酸化剤ガス供給手段による前記カソード流路への酸化剤ガスの供給を継続しつつ、前記排出手段により前記アノード流路内のガスを排出してアノードガス圧力を下げることを特徴とする燃料電池システムの圧力低下方法。
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