JP2008059974A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムにおいて、簡便な構成によって起動時に反応後の水素ガスの排出ができないことによる燃料電池出力の減少量を低減する。
【解決手段】起動過程において、ステップS104に示すように、制御部61は、水素系排出弁の温度が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁は凍結状態となって、開閉動作が不能となっていると判断し、ステップS120に示すように、空気側極の空気圧力調節弁の開度を増加させて空気側極の空気圧力を低減しながら起動する。そして、水素系排出弁の温度が解凍温度以上となったら、ステップS105に示すように空気圧力制御を通常圧力制御に戻して起動する。
【選択図】図2
【解決手段】起動過程において、ステップS104に示すように、制御部61は、水素系排出弁の温度が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁は凍結状態となって、開閉動作が不能となっていると判断し、ステップS120に示すように、空気側極の空気圧力調節弁の開度を増加させて空気側極の空気圧力を低減しながら起動する。そして、水素系排出弁の温度が解凍温度以上となったら、ステップS105に示すように空気圧力制御を通常圧力制御に戻して起動する。
【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池システム関し、特に燃料電池システムの起動時の制御に関する。
燃料電池では、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極側に水が生成される。反応生成物の水は酸化剤としての空気と共に燃料電池の外部に排出されるが、生成された水の一部は、電解質膜を湿度雰囲気に保つため、加湿器によって燃料電池入口に再循環するシステムが多く用いられている。また、燃料側電極を流れる水素ガスは、流路を流れている水素の一部が反応して消費されるので、水素ポンプによって水素を循環させる循環系統となっており、発電反応で消費された分の水素が外部の水素ガスタンクから水素の循環系統に供給されるようになっている。
このような、電気化学反応に使用されない窒素が含まれている空気を酸化剤として使用する燃料電池システムでは、空気中に含まれる窒素が空気側極の空気流路に滞留すると共に、拡散層及び電解質膜を通して水素側極にクロスリークしてくる。また、発電のための電気化学反応によって空気側極に生成される水分の一部が、拡散層及び電解質膜を通して水素側極にクロスリークしてくる。このように、運転中の燃料電池の水素側極には空気側極から窒素及び水分がクロスリークしてくる状態となっている。
ところが、水素系統は上記のように循環系統となっていることから、運転中に水素系統に入り込んだ窒素や水分は次第に水素循環系統内に蓄積され、水素以外の不純物濃度が増加してくる。このように水素系統中の不純物が多くなってくると水素濃度が低下し、発電量が低下してしまう。そこで、水素系統には水素側電極で反応後の水素ガスを系統外に排出することによって、水素循環系統に滞留してきた窒素や水分等の不純物を系統外に排出する水素系排出弁を備える水素排出系統が設置されている。
この水素排出系統の水素系排出弁は、例えば、燃料電池の起動の際に開弁されて、水素側極の不純物ガスを排出して、水素側極の中の水素濃度を高めつつ発電量を増加していくことにも使用されている。そして、燃料電池の起動後は、この水素系排出弁は、例えば所定のシーケンスによって開閉され、水素側極の不純物を排出して発電量を維持するように動作する(例えば、特許文献1参照)。
一方、燃料電池の水素系統には上記のように、水分が滞留してくる。そして、例えば、低温状態で燃料電池が停止している際には、上記の水素排出系統の中に滞留した水分が凍結して、水素系排出弁の開閉動作ができなくなる場合がある。すると、起動の際に水素側極の水素濃度を上昇させることができなくなるため、燃料電池の発電出力を維持することができなくなったり、短時間に起動できなくなったりするという問題があった。
このため、水素系排出弁による水素循環系統からの不純物の排出を行わず、燃料電池の水素側極の水素圧力を増加して、水素分圧を確保することによって燃料電池の発電量を維持する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、水素循環系統の水素系排出弁に解凍用のヒータを取り付けて、水素系排出弁が凍結している状態であっても燃料電池の起動を許可して燃料電池を起動し、起動後の燃料電池の出力を水素系排出弁のヒータに供給して水素系排出弁を加熱、解凍して起動する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
上記の特許文献1に記載された従来技術では、燃料電池の水素側極内の水素圧力を高めるために、燃料電池の水素極側流路、連絡配管等の燃料電池を構成する各部品の許容耐圧を高く設計することが必要で、燃料電池全体の重量が増加したり、大型化したりするという問題があった。
また、上記の特許文献2に記載された従来技術では、水素循環系統の水素系排出弁が開動作せず、水素側極内の水素濃度を上昇させられないため燃料電池の出力の増加が遅い状況において、少ない燃料電池出力の一部を水素系排出弁の解凍用の出力として使用することから、起動中の燃料電池から外部装置への電気出力が少なくなってしまうという問題があった。また、水素系排出弁に加熱ヒータを取り付けて、温度コントロールをするので部品が多くなり、燃料電池システムが複雑になってしまうという問題があった。
ところで、車両に搭載される車両駆動用の燃料電池は、起動後できるだけ短時間で所定の出力が出せるようになる短時間起動が要求される。また、起動中であってもできるだけ多くの駆動用出力が出せることが要求される。
本発明は、簡便な構成によって、燃料電池の起動時に反応後の水素ガスの排出ができないことによる燃料電池出力の減少量を低減することを目的とする。
本発明による燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を所定の運転圧力に調節する圧力調節弁と、前記燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部を大気に排出する排出弁と、前記圧力調節弁による前記酸化剤ガスの圧力制御と、前記排出弁の開閉制御と、を行う制御部と、を含む燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができない場合に、前記圧力調節弁によって前記酸化剤ガスの圧力を通常運転圧力よりも低くして前記燃料電池の起動を行う燃料電池起動手段を有することを特徴とする。また、前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出が可能になった場合に、前記圧力調節弁によって前記酸化剤ガスの圧力を通常運転圧力に戻して前記燃料電池の起動を行うこと、としても好適であるし、本発明の燃料電池システムは、前記排出弁に取り付けられた温度センサを含み、前記制御部は、前記温度センサからの信号によって前記排出弁の温度が所定の温度以下の場合に、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができないと判断すること、としても好適である。
本発明は、簡便な構成によって、燃料電池の起動時に反応後の水素ガスの排出ができないことによる燃料電池出力の減少量を低減することができるという効果を奏する。
本発明の好適な実施形態について、図1を参照しながら説明する。図1は本発明の燃料電池システム10に係る実施形態を示す制御系統図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム10は酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計18や空気フィルタを介して空気吸込み管路19から空気圧縮機15に吸込まれ、空気圧縮機15によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路20から加湿器31に供給される。加湿器31に入った空気は、加湿器31において燃料電池11での反応で生成された水分により加湿され、湿り空気となって空気供給管路23から燃料電池11に供給される。燃料電池11の酸化剤極である空気側極12から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素との発電反応によって酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池11の空気排出管路24に排出される。空気排出管路24には空気側極12の中の空気圧力を所定の運転圧力に制御する空気圧力調節弁28が設けられている。また、空気圧力調節弁28と空気側極12との間の空気排出管路24には、空気側極12から排出される反応後の空気の温度、圧力を測定するための温度センサ26、圧力センサ27が取り付けられている。燃料電池11の空気側極12から排気された水分を多く含む反応後の空気は、加湿器31でその水分の一部を供給空気への付加水分とするために除去される。水分量が減少した排出空気は排気管路29によって下流に流れて行く。排気管路29の途中には、サイレンサ53が設けられ、サイレンサ53を通過した反応後の排気空気は、大気放出口57から大気に排気される。
空気圧力調節弁28は、燃料電池11の空気排出管路24において連続的に反応後の空気圧力を調節することができればよく、クローブ型の調節弁でもよいし、アングル型の調節弁でもよいし、ケージ型の調節弁でもよい。また、調節弁の駆動部は空気駆動式であってもよいし、電動式であってもよい。
本実施形態の燃料電池システム10においては、空気圧縮機15はスクロール型である。スクロール型の空気圧縮機15は容積型の空気圧縮機の一種であり、主に回転数を調整することによって空気流量を調整することが出来るものである。また、容積形でサージング防止のための抽気などが無いことから、本実施形態では、吸気流量計18によって測定した吸気流量は吐出流量と略同一である。スクロール形の空気圧縮機15は吐出空気流量が少ないと吐出圧力は高く、吐出流量が多くなるにしたがって吐出圧力が低下してくる特性を持っている。燃料電池システム10の運転中は、空気流量は空気圧縮機15の回転数をモータ16の回転数を調整することによって行い、空気圧力は燃料電池11の空気側極12の出口の空気圧力調節弁28によって調節している。空気圧縮機15は必要圧力、流量の空気を燃料電池11の空気側極12に供給できれば、スクロール式にかぎらずスクリュー式などでもよいし、遠心式のブロワのようなものであってもよい。
燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク41に貯留されている。水素は水素ガスタンク41から水素供給管路43によって燃料電池11の燃料側極である水素側極13に供給される。燃料電池11に供給された水素の一部は空気側極12に供給された酸化剤である空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素は水素側極13の水素排出管路44から排出された後、水素排出管路44と水素供給管路43とを接続する水素循環管路45に設けられた水素循環ポンプ46によって水素供給管路43に再循環される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク41から水素供給管路43に補充される。補充される水素ガスの量は水素供給調節弁42によって調節される。水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると空気側極12からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物が濃縮されてくる。そこで、このような不純物がある程度濃縮されてきた場合には、水素排出管路44に接続された水素系大気放出管路48の水素系排出弁49を開として所定量の反応後の水素ガスを水素系大気放出管路48から外気に放出する。この場合は、高濃度の水素ガスを直接大気に放出することがないように、排出水素希釈管路51に設けられた混合器55によって排気空気と混合して、その濃度を下げてから大気に放出するようになっている。また、水素系排出弁49には水素系排出弁49の温度を計測する温度センサ50が取り付けられている。温度センサ50は連続的に水素系排出弁49の温度信号を制御部61に入力することができれば、熱電対や熱抵抗式の温度センサであってもよい。
本実施形態では、水素系大気放出管路48は、燃料電池11からの水素排出管路44に接続されているとして説明したが、反応後の水素ガスを大気に放出することができれば、水素循環管路45の水素循環ポンプ46の入口側あるいは出口側に接続されていても良い。また、本実施形態では、水素循環ポンプ46はルーツ式である。ルーツ式ポンプは長円形のポンプケーシングの中で一対のまゆ型のロータを互いに反対方向に回転させて流体を吸い込み圧縮、吐出する容積形のポンプであって、ロータの回転数を変化させることによってポンプの吐出流量を変化させることができるものである。
また、図1の1点鎖線で示すように、本実施形態の燃料電池システム10は燃料電池11及び空気圧力調節弁28及び、水素循環管路45、水素循環ポンプ46を含む水素循環系統及び、水素系排出弁49等の機器を格納している保温ケーシング71を有している。保温ケーシング71は、停止中の燃料電池11の温度低下を防止すると共に、起動後の燃料電池からの熱放散を防止して、所定の通常温度において燃料電池11を運転することができるようにしている。
各計器18,26,27,50、各制御弁28,42,49、燃料電池11、空気圧縮機15や水素循環ポンプ46のモータ16,47などは、すべて制御部61に接続されており、各計器18,26,27,50からの計測値は制御部61に入力され、制御部61は各制御弁28,42,49、の開度指令、各モータ16,47の回転数指令を出力して燃料電池システム10全体の制御を行う。制御部61はCPUや記憶部を含みソフトウェアによって全体の制御を行うようになっていても良いし、電気回路を組み合わせて制御を行うようになっていても良い。また、制御部61には車両の走行状態や必要要求付加など車両からのテータが入力されるようになっていても良い。また、制御部61には制御動作に必要な制御マップなどの制御データを保持している記憶部63がデータバス65によって接続されている。
図2、3を参照しながら本実施形態の燃料電池システム10の起動について説明する。図2は本実施形態の燃料電池システム10の起動手段を示すフローチャートであり、図3は起動状態における燃料電池の温度と許容負荷の変化を示すグラフである。図2のステップS101に示すように、制御部61は、水素系統側の水素系排出弁49が凍結によって開閉可能かどうかに係わらず、起動指令信号によって空気圧縮機15を起動して空気側極12を加圧する。また、水素供給調節弁42によって水素ガスタンク41から水素を水素循環系統に注入して水素側極13を加圧する。そして、図2のステップS102に示すように、空気側極12、水素側極13の双方の圧力が初期加圧圧力に達したら、所定時間だけ空気側極の空気圧力は空気圧力調節弁28によって所定圧力に保持し、水素供給調節弁42を閉として水素側極13への水素ガスタンク41からの水素の注入を停止して水素循環系統の圧力を所定の圧力に保持する。
この初期加圧および所定時間の加圧保持によって、燃料電池11の空気側極12及び水素側極13の中にはそれぞれ発電反応に必要な空気と水素が注入され、燃料電池は起動を開始していく。すると、図3(a)に示すように燃料電池11の温度は上昇を開始し、燃料電池11から出力することのできる許容負荷Pも図3(b)のa1からb1に上昇していく。燃料電池11はこのように所定の圧力に加圧された状態で暖機運転を行い、燃料電池11の温度を上昇させる。この暖機運転は、燃料電池の発電効率を低下させて発熱を大きくする運転である。この暖機運転の状態では燃料電池からの許容出力負荷は図3(b)のb1からc1のように一定となる。
次に、図2のステップS103に示すように、制御部61は水素系排出弁49に設置された温度センサ50からの信号によって、水素系排出弁49の温度信号を取得する。そして、図2のステップS104に示すように、制御部61はその水素系排出弁49の温度が解凍温度以上となっているかどうかを判断する。この解凍温度は、一般的な氷点温度あるいは、氷点温度にいくらかのマージンを付けたものとしてもよいし、燃料電池システム10の構造、配置、などによって様々に決めてもよい。
制御部61は、水素系排出弁49が解凍温度以上である場合には、開閉動作可能と判断して、図2のステップS105からS109に示すような通常の起動動作を行う。まず、図2のステップS105に示すように、空気圧力調節弁28に開度設定を通常起動設定として、空気圧力を通常起動圧力で制御するようにする。通常起動圧力は燃料電池11の空気側極12の空気圧力を一定圧力にして運転する方式の場合には、その一定の運転圧力となるし、燃料電池11の空気側極12の運転空気圧力を発電量や水素ガス量に対する最適空気流量によって変化させる場合には、その発電量や水素ガス量に対する最適空気流量によって決定される所定の空気圧力である。空気圧力調節弁28の制御は、空気排出管路24に取り付けられた圧力センサ27からの圧力信号をフィードバックして所定圧力となるようにフィードバック制御することとしてもよいし、制御部61から所定の開度信号を出力してその開度に制御するようにしてもよい。また、この圧力制御に空気側極12出口の空気温度の補正が必要な場合には、温度センサ26からの信号に基づいて圧力の補正を行うこととしても良い。そして、図2のステップS106に示すように、水素系排出弁49を開として水素循環系統から反応後の水素ガスを水素系大気放出管路48から大気に排出し、水素循環系統内の窒素や水分等の不純物を系統外に排出する。また、水素供給調節弁42を開として水素循環系統に水素ガスタンク41からの水素を注入し、水素側極13の中の水素分圧を上げていく。一方、制御部61は水素側極13の中の水素分圧に対して発電に最適な空気流量となるように空気圧縮機15のモータ16の回転数を上昇させて空気流量を調整する。この結果、図3(b)のc1からd1に示すように、燃料電池11の許容負荷Pが上昇していく。
制御部61は、図2のステップS107に示すように、所定の時間だけ水素系排出弁49、水素供給調節弁42を開とした後、図2のステップS108に示すように、水素系排出弁49及び水素供給調節弁42を閉とする。そして、図2のステップS109に示すように、所定の時間この状態を保持する。このとき燃料電池の許容負荷Pは、図3(b)のd1からe1に示すように一定値となる。所定の保持時間をおくのは、燃料電池システム10の電気化学反応の状態を安定させるためである。
所定の保持時間が経過したら、再び図2のステップS106に示す様に、水素系排出弁49を開として水素循環系統内の窒素や水分等の不純物を系統外に排出し、水素供給調節弁42を開として水素循環系統に水素ガスタンク41からの水素を注入し、水素側極13の中の水素分圧を上げると共に空気流量を上昇させる。そして、図2のステップS107に示すように、所定の時間経過後に、水素系排出弁49と水素供給調節弁42を閉とする。これにより、図3(b)のe1からf1に示すように燃料電池の許容負荷Pが上昇していく。そして、図2のステップS108のように水素系排出弁49及び水素供給調節弁42を閉とした後、図2のステップS109及び図3(b)のf1からg1への様に、再び所定時間だけこの状態を保持して燃料電池の運転状態を安定させる。
以上、述べたように通常の燃料電池11の起動においては、図3(b)のc1からj1に示すように、起動中に水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉を繰り返して水素循環系統の水素分圧を段階的に上昇させながら燃料電池11の許容負荷Pを上昇させていく。そして図2のステップS110に示すように、燃料電池11の許容負荷Pが定格に達したら、図2のステップS111に示すように燃料電池11の起動動作は終了する。また、図3(a)に示すように、この起動動作の間、燃料電池11の温度は次第に上昇していく。
一方、図2のステップS104に示すように、制御部61は、水素系排出弁49の温度が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁49は凍結状態となって、開閉動作が不能となっていると判断する。この場合、先に示した通常動作を行おうとしても水素系排出弁49を開とできないことから、水素側極13の水素分圧を上昇させて燃料電池11の許容負荷Pを増加させていくことはできず、逆に燃料電池11の許容負荷Pが低下してしまう。
そこで、制御部61は、図2のステップS104において水素系排出弁49が凍結して開閉不能と判断した場合には、図2のステップS120に示すように、空気側極12の空気圧力調節弁28の開度を増加させて空気側極12の空気圧力を低減しながら燃料電池11を起動する。
空気圧力調節弁28による空気圧力の低減は、先に述べた通常制御圧力から一定の圧力を低減するものであってもよいし、燃料電池11の発電量や水素ガス量に対する最適空気流量によって低減圧力を変化させるようにしてもよい。空気圧力調節弁28の制御は、空気排出管路24に取り付けられた圧力センサ27からの圧力信号をフィードバックして所定の低減圧力となるようにフィードバック制御することとしてもよいし、制御部61から通常起動の場合よりも大きい開度の開度信号を出力してその開度に制御するようにしてもよい。また、この圧力制御に空気側極12出口の空気温度の補正が必要な場合には、温度センサ26からの信号に基づいて低減圧力の補正を行い、開度増加量を補正することとしても良い。
以下、図4、3を参照しながら、空気圧力を低減しながらの起動について説明する。図4に燃料電池の空気側極12と水素側極13の窒素分圧と水素分圧の変化を示す。図4(a)は起動前の状況のそれぞれの極における窒素分圧の状況を示し、図4(b)は空気側極12及び水素側極13それぞれに空気、水素の加圧を行った場合の窒素と水素の分圧の状況を示している。
図4(a)に示すように、起動前、すなわち燃料電池11の停止中には、空気側極12、水素側極13の中の窒素分圧は、それぞれPNO,P’NOで電解質膜14を介して略平衡状態となっている。
燃料電池11を起動して、空気側極12、及び水素側極13にそれぞれ空気及び水素の加圧を行うと、図4(b)に示すように、空気側極12の窒素分圧は空気圧力の上昇によってPNOからPN1に上昇し、水素側極13には水素が加圧されることによって水素分圧がP’Hに上昇する。しかし、水素側極13の窒素分圧は加圧前のP’NOのままである。このため、加圧によって空気側極12の窒素分圧と水素側極13の窒素分圧との間の窒素分圧の差は起動前の略ゼロの状態から、PN1−P’NO=ΔPN1に増加して、窒素のクロスリークが発生する。そこで、空気側極12の空気圧力を空気圧力調節弁28の開度を増加することによって低減すると、図4(b)に示すように、空気側極12の窒素分圧をPN1からPN2に低減することができる。これによって空気側極12と水素側極13との間の燃料電池11の運転中の窒素分圧の差は通常起動の場合のPN1−P’NO=ΔPN1からPN2−P’NO=ΔPN2に低減することができる。そして、この窒素の分圧差の低減によって空気側極12から電解質膜14を透過して水素側極13に窒素が入り込んでくる窒素量を低減することができる。
この状態では、水素系排出弁49は凍結状態のままであることから開閉によって水素側極13の中の窒素分圧を低下させることができず、水素側極13にクロスリークによって入り込んだ窒素は水素循環系統に蓄積され、水素側極13の水素分圧を低下させてしまう。そして水素側極13の水素分圧が低下すると、水素分圧に対して発電に最適な空気流量となるように空気側極12に流す最適空気流量も低下する。このため、図3(b)の1点鎖線、c1からk1に示すように燃料電池の許容負荷Pは、次第に低下してくる。
しかし、空気圧力調節弁28によって空気圧力を低減していることから、空気側極12と水素側極13との間の窒素分圧の差が小さくクロスリークによって水素側極13に入りこんでくる窒素量が圧力を低減しない通常状態に比較して少ないことから、水素分圧の低下が少なく、水素分圧に対して発電に最適な空気流量となるような空気側極12に流す最適空気流量も低下量も空気圧力低減をしない通常起動よりも少ない。このため、図3(b)の1点鎖線、c1からk1に示すように燃料電池の許容負荷Pは、次第に低下してくるものの、図3(b)の2点鎖線、c1からk1’に示す空気圧力を低減しない場合の燃料電池の許容負荷Pの低減よりも、その許容負荷Pの低減量が少なくなってくる。つまり、より大きな許容負荷Pを持って起動することができる。
燃料電池11は起動過程による運転を続けているので燃料電池11の温度は次第に上昇していくが、図3(a)の1点鎖線に示すように、実線で示した水素系排出弁49の開閉によって水素分圧を上げながら起動していく通常起動の場合よりも低負荷の状態で起動していくことから、燃料電池11の温度上昇は遅くなる。しかし、図3(a)の2点鎖線に示すように、空気圧力を低減しない場合に比較すると、燃料電池11の温度上昇は早くなっている。
本実施形態の燃料電池システム10は保温ケーシング71の中に燃料電池11及び水素系排出弁49が収納されていることから、図3(a)の1点鎖線に示すように時間t1には燃料電池の温度は図3(a)のT2付近に達する。そして、時間t1には保温ケーシング71の中に燃料電池11と共に格納されている水素系排出弁49の温度も解凍温度に上昇してくる。
制御部61は、図2のステップS104によって水素系排出弁49の温度が解凍温度に上昇したと判断した場合には、図2のステップS105によって、空気圧力調節弁28の開度制御を通常開度制御に戻して、通常圧力によって起動するようにした後、図2のステップS106からステップS110に示すように、起動中に水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉を繰り返して水素循環系統の水素分圧を段階的に上昇させながら燃料電池11の許容負荷Pを上昇させていく。すると、燃料電池11の許容負荷Pも、図3(b)のk1,l1,m1,n1,o1,p1,q1,r1,s1,u1を結ぶ1点鎖線のように段階的に上昇し、u1において定格の燃料電池の許容負荷Pに到達する。一方、空気圧力の低減を行わない場合には、起動過程における燃料電池11の温度上昇が空気圧力を低減した場合よりも遅く、解凍温度T2に達する時間も空気圧力を低減して起動した場合よりも遅いt2となっている。そして、水素系排出弁49が解凍温度に達した場合には、燃料電池11の許容負荷Pは、図3(b)のk1’,l1’,m1’,n1’,o1’,p1’,q1’,r1’,s1’,u1’,v1’,w1’を結ぶ2点鎖線のように段階的に上昇し、先のu1よりも遅いw1’において定格の燃料電池の許容負荷Pに到達する。
本実施形態のように、空気圧力を低減して起動した場合には、空気圧力を低減しない場合に比較して水素系排出弁49の凍結している間の燃料電池11の許容出力の減少を少なくすることができ、燃料電池11の許容負荷Pも高い状態で起動することができるという効果を奏する。また、空気圧力を低減して起動した場合には、空気圧力を低減しない場合に比較して燃料電池11の許容負荷Pを高い状態で起動できることから、水素系排出弁49が解凍温度に達する時間が早く、このため、燃料電池11の許容負荷を定常許容負荷にまで上昇させることのできる時間が短くなり、短期に起動することができるという効果を奏する。更に、水素系排出弁49は保温ケーシング71の中に燃料電池11とともに格納されているので、水素系排出弁49の解凍のためのヒータ、コントローラなどの機器がない簡便なシステムによって、効果的に水素系排出弁49の解凍と起動時間の短縮を図ることが出来るという効果を奏する。
以上説明した実施形態は、燃料電池11の起動の際に燃料電池11の水素系大気放出管路48に設けられた水素系排出弁49が凍結していた場合の起動に対応するものである。しかし、燃料電池11の起動開始の時点では、水素系排出弁49が解凍温度以上で開閉可能と判断されて、通常の水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉動作によって燃料電池11を起動した後に、水素系排出弁49の温度が解凍温度以下に低下して、凍結によって開閉動作ができなくなる場合がある。例えば、外気温度が非常に低く、燃料電池11への低温の空気や水素の流入によって燃料電池11の温度が低下し、水素系排出弁49の温度も起動の途中で凍結状態にまで低下してしまうような場合がある。また、水素系排出弁49の温度が解凍温度以上であっても水素系排出弁49を開としたときに水素系排出弁49を通過する反応後の水素ガスの断熱膨張により水素系排出弁49の温度が次第に低下して、解凍温度以下となって凍結状態となってしまうような場合が考えられる。
以下、図5〜7を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図5は、起動の途中において、水素系排出弁49が凍結して開閉できなくなった場合の起動のフローチャートを示し、図6は起動の途中の燃料電池の許容負荷Pが定格負荷に達する前に水素系排出弁49が凍結した場合の燃料電池11の温度と許容負荷Pとの関係を示し、図7は起動途中で燃料電池11の許容負荷Pが定格負荷に到達後に水素系排出弁49の凍結が発生した場合の燃料電池11の温度と許容負荷Pとの関係を示している。以下の説明において、先に説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。
図5のステップS201からS209及びS220は先に説明した実施形態と同様である。図5のステップS210に示すように、制御部61は通常状態で水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉によって水素分圧を上昇させながら許容負荷Pの上昇をさせている場合でも水素系排出弁49の温度を取得し、図5のステップS211に示すように、水素系排出弁49の温度が解凍温度以上であるかどうかを監視し、水素系排出弁49が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁49の凍結が発生したと判断する。そして、制御部61は図5のステップS230に示すように、空気圧力調節弁28の開度を増加させて、空気側の圧力を低減して、燃料電池11の温度上昇によって、水素系排出弁49が解凍温度になるまで水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉動作を行わない。そして、図5のステップS211によって水素系排出弁49が解凍温度以上となった場合には、図5のステップS212に示すように空気圧力調節弁28の開度制御を通常開度制御に戻して、空気圧力を通常圧力に保って起動する状態に戻す。そして、制御部61は、図5のステップS213に示すように、燃料電池11の許容負荷Pが定格になるまで、再度、水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉動作によって燃料電池11の許容負荷Pを上昇させていく。
そして、図5のステップS213において燃料電池11の許容負荷Pが定格に達した場合には、図5のステップS214、S215に示すように、水素系排出弁49の温度が解凍温度以上かどうかを監視する。そして制御部61は水素系排出弁49の温度が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁49が凍結によって開閉不能となったものと判断して、図5のステップS220に戻って、水素系排出弁49が解凍温度になるまで水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉動作を行わない。そして、図5のステップS204によって水素系排出弁49が解凍温度以上となった場合には、図5のステップS205以下に示すように、燃料電池11の許容負荷Pが定格になるまで、再度、水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉動作によって燃料電池11の許容負荷Pを上昇させていく。
図5のステップS216に示すように、制御部61はこの動作を燃料電池が通常運転温度となるまで継続していく。そして、制御部61は図5のステップS216に示すように、燃料電池11の運転温度が通常運転温度まで上昇した場合には、水素系排出弁49の凍結は発生しないと判断して起動プログラムを終了する。
上記の実施形態では、制御部61は燃料電池11の温度が通常運転温度となるまで水素系排出弁49の凍結の監視を続けることとしたが、通常運転温度以下の温度において水素系排出弁49の凍結は発生しないとして、別の温度設定としてもかまわない。
図6は、起動の途中の燃料電池の許容負荷Pが定格負荷に達する前に水素系排出弁49が凍結した場合の燃料電池11の温度と許容負荷Pとの関係を示しており、図中の実線は起動前から水素系排出弁49の凍結がない場合を示し、図中の1点鎖線は起動の途中において水素系排出弁49が凍結した際に空気圧力調節弁28によって空気圧力を低減して起動した場合を示し、2点鎖線は起動途中において水素系排出弁49が凍結した際に空気圧力を低減せずに起動した場合を示す。
図6(b)に示すように、起動中にある程度燃料電池11の許容負荷Pが大きくなっていることから、発電量も多く消費される水素の量も多くなってくるので、図3(b)に示した加圧終了後すぐに許容負荷Pが低下していく場合よりも、許容負荷Pの低下の割合が大きくなっている。
時間t1、t2においてそれぞれ水素系排出弁49が解凍温度となった後に、水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉動作によって燃料電池11の許容負荷Pを上昇させていくのは、図3(b)において説明したのと同様である。
図7は、起動の途中の燃料電池の許容負荷Pが定格負荷に達した後に水素系排出弁49が凍結した場合の燃料電池11の温度と許容負荷Pとの関係を示しており、図中の実線は起動前から水素系排出弁49の凍結がない場合を示し、図中の1点鎖線は起動の途中において水素系排出弁49が凍結した際に空気圧力調節弁28によって空気圧力を低減して起動した場合を示し、2点鎖線は起動途中において水素系排出弁49が凍結した際に空気圧力を低減せずに起動した場合を示す。
図7(b)に示すように、起動中に燃料電池11の許容負荷Pが定格になっていることから、発電量も多く消費される水素の量も多くなってくるので、図6(b)に示した場合よりも更に許容負荷Pの低下の割合が大きくなっている。
時間t1、t2においてそれぞれ水素系排出弁49が解凍温度となった後に、水素系排出弁49と水素供給調節弁42の開閉動作によって燃料電池11の許容負荷Pを上昇させていくのは、図6(b)において説明したのと同様である。
以上述べたように本実施形態では、先の実施形態と同様の効果に加えて、燃料電池11の起動過程の途中で水素系排出弁49の凍結が発生した場合でも、空気圧力を低減して少ない許容負荷Pの低減によって燃料電池11を起動することができるとともに、起動時間の短縮を図ることが出来るという効果を奏する。
10 燃料電池システム、11 燃料電池、12 空気側極、13 水素側極、14 電解質膜、15 空気圧縮機、16,47 モータ、18 吸気流量計、19 空気吸込み管路、20 圧縮機吐出管路、23 空気供給管路、24 空気排出管路、26,50 温度センサ、27 圧力センサ、28 空気圧力調節弁、29 排気管路、31 加湿器、41 水素ガスタンク、42 水素供給調節弁、43 水素供給管路、44 水素排出管路、45 水素循環管路、46 水素循環ポンプ、48 水素系大気放出管路、49 水素系排出弁、51 排出水素希釈管路、53 サイレンサ、55 混合器、57 大気放出口、61 制御部、63 記憶部、65 データバス、71 保温ケーシング、P 許容負荷。
Claims (3)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を所定の運転圧力に調節する圧力調節弁と、
前記燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部を大気に排出する排出弁と、
前記圧力調節弁による前記酸化剤ガスの圧力制御と、前記排出弁の開閉制御と、を行う制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができない場合に、前記圧力調節弁によって前記酸化剤ガスの圧力を通常運転圧力よりも低くして前記燃料電池の起動を行う燃料電池起動手段
を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出が可能になった場合に、前記圧力調節弁によって前記酸化剤ガスの圧力を通常運転圧力に戻して前記燃料電池の起動を行うこと
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排出弁に取り付けられた温度センサを含み、
前記制御部は、前記温度センサからの信号によって前記排出弁の温度が所定の温度以下の場合に、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができないと判断すること
を特徴とする燃料電池システム。
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- 2006-09-01 JP JP2006237428A patent/JP2008059974A/ja active Pending
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