JP2010146788A - 燃料電池システム、およびその起動時における開弁動作の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シャットバルブの開弁が不安定になって起動性が悪くなったり、開弁時に異音が発生したりすることを抑制し、尚かつエア供給系が過加圧になるおそれがないようにする。
【解決手段】当該燃料電池システムの起動時に、エアコンプレッサを駆動し、エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力P1に達した時点またはその後の時点でエアシャットバルブを開弁する。エア供給流路と排気流路とを結ぶエアバイパス流路にエアバイパスバルブを備え、エアシャットバルブの開弁までの間、エアバイパスバルブの上流側の圧力を制御することが好適である。
【選択図】図3
【解決手段】当該燃料電池システムの起動時に、エアコンプレッサを駆動し、エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力P1に達した時点またはその後の時点でエアシャットバルブを開弁する。エア供給流路と排気流路とを結ぶエアバイパス流路にエアバイパスバルブを備え、エアシャットバルブの開弁までの間、エアバイパスバルブの上流側の圧力を制御することが好適である。
【選択図】図3
Description
本発明は、燃料電池システム、およびその起動時における開弁動作の制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける酸化ガス配管系の制御の改良に関する。
燃料電池システムとして、燃料電池へエアを供給する流路(エア供給流路)にエアシャットバルブが設けられ、さらに、エア供給流路と排気流路とを結ぶエアバイパス流路には当該流路を開閉するエアバイパスバルブが設けられているものが知られている(例えば特許文献1参照)。このような燃料電池システムにおいては、当該システムの起動時、これらエアシャットバルブやエアバイパスバルブの開閉動作が制御されて燃料電池へエアが適宜供給されるようになっている。
特開2007−200602号公報
しかしながら、エア供給系の圧力が低い状態でエアシャットバルブを開弁しようとした場合、当該エアシャットバルブの開弁が不安定になり、燃料電池システムの起動性が悪くなることや、開弁時に異音が発生してしまうことがある。また、単に、起動時にエアシャットバルブとエアバイパスバルブを閉弁して加圧しても、エア供給系が過加圧になるおそれがある。
そこで、本発明は、シャットバルブの開弁が不安定になって起動性が悪くなったり、開弁時に異音が発生したりすることを抑制することができ、尚かつエア供給系が過加圧になるおそれがない燃料電池システム、およびその起動時における開弁動作の制御方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。燃料電池システムの起動時にFCシャットバルブ(遮断弁)を開ける際、エアコンプレッサによって加圧することが一般に多く行われているが、このような構成には以下のような特徴ないし問題がある。 (1)カソード触媒の放置中の異常電位を回避するために、燃料電池の運転終了時には燃料電池スタックの前後でバルブを閉じてエアを遮断しているが、その遮断の要求レベルが高いことから、シャットバルブには気密性の高いバルブが採用されている。 (2)このことを理由に、シャットバルブとしては、ガス圧駆動式のバルブが用いられることが多い。 (3)シャットバルブを開ける際、起動時のエア導入時の圧力が用いられるが、その圧力を狙い値にするため、エアバイパスバルブを用いて圧力制御を実施している。 (4)上記(3)によりエアバイパスバルブから漏れるエア分を補うため多くのエアを送り込む必要があり、加圧時間とそのための補機動力が必要である。 (5)上記(4)により、エアバイパスバルブを通過するエアの気流音が起動時のNV(騒音・振動)を悪化させる。
このような状況下、これら特徴ないし問題について検討を重ねた本発明者は、上述した問題の理由や背景として、第一に、エアバイパスバルブ以外にバルブ上流圧を制御する機構がないこと、第二に、エアバイパスバルブによる調圧をしないと、バルブ上流の圧力が上昇しすぎ、配管が破裂するおそれがあること、が挙げられると考え、さらに検討を重ねることにより課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
本発明はかかる知見に基づくものであり、エア供給流路に設けられたエアシャットバルブとエアコンプレッサとを備えた燃料電池システムにおいて、当該燃料電池システムの起動時に、エアコンプレッサを駆動し、エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力に達した時点またはその後の時点でエアシャットバルブを開弁する、というものである。また、本発明にかかる開弁動作の制御方法は、エア供給流路に設けられたエアシャットバルブとエアコンプレッサとを備えた燃料電池システムの起動時における開弁動作の制御方法において、エアコンプレッサを駆動し、エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力に達した時点またはその後の時点でエアシャットバルブを開弁する、というものである。
また、本発明においては、エア供給流路と排気流路とを結ぶエアバイパス流路にエアバイパスバルブを備え、エアシャットバルブの開弁までの間、エアバイパスバルブの上流側の圧力を制御することが好ましい。こうすることにより、エア供給系を過加圧にすることなく、所定圧力まで加圧した後にエアシャットバルブを開弁することになるため、エアシャットバルブの開弁性を向上させることができる。
また、本発明にかかる燃料電池システムでは、エアシャットバルブの開弁までの間、エアバイパスバルブを制御する。
さらに、本発明にかかる燃料電池システムでは、エアシャットバルブの開弁までの間、エアコンプレッサを制御する。
また、本発明では、エアシャットバルブの開弁までの間、圧力を脈動させる。
また、エアシャットバルブの開弁までの間、エアシャットバルブのダイアフラムの上下に交互にエアを供給して加圧することが好ましい。
さらには、エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力に達した時点から所定時間経過しても該エアシャットバルブが動作しない場合に当該エアシャットバルブの故障を検出することも好ましい。
本発明によれば、シャットバルブの開弁が不安定になって起動性が悪くなったり、開弁時に異音が発生したりすることを抑制することができ、尚かつエア供給系が過加圧になるおそれがない。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下においてはまず燃料電池システム1の全体構成について説明し、その後、この燃料電池システム1の起動時における開弁時の加圧制御について説明することとする。
図1に燃料電池システム1の概略構成を示す。この燃料電池システム1は例えば燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして適用可能なものであるが特にこれに限られることなく、この他、各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても利用することが可能である。
本実施形態における燃料電池システム1は、反応ガス(酸化ガスおよび燃料ガス)の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給して当該燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システムの電力を充放電する電力系6と、システム全体を統括制御する制御部7と、を備えている。
燃料電池2は例えば高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、さらにこれら各反応ガスが化学反応を生じることによって電力が生じる。また、この燃料電池2には発電中の電流を検出する電流センサ2aが取り付けられている(図1参照)。
酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れるエア供給流路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路12と、を有している。エア供給流路11には、フィルタ13を介して酸化ガスを取り込む酸化ガス供給装置としてのエアコンプレッサ14と、エアコンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、エア流量計(AFM)9と、エア圧力センサ20とが設けられている。エアコンプレッサ14は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。また、排気流路12を流れる酸化オフガスは、エア背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
燃料ガス配管系4は、水素供給源としての燃料タンク21と、燃料タンク21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる水素供給流路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を水素供給流路22の合流点A1に戻すための循環流路23と、循環流路23内の水素オフガスを水素供給流路22に圧送する水素ポンプ24と、循環流路23に分岐接続された排気排水流路25と、を有している。
燃料タンク21は例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成されて本実施形態における燃料電池車両に複数搭載されているものであり、例えば35MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁(シャットバルブ)26を開けると、燃料タンク21から水素供給流路22へと水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ27やインジェクタ28により最終的に例えば200kPa程度まで減圧され、燃料電池2に供給される。
水素供給流路22には、燃料タンク21からの水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁(シャットバルブ)26と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ(可変調圧弁)27と、インジェクタ28と、が設けられている。また、インジェクタ28の下流側であって水素供給流路22と循環流路23との合流部A1の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ29が設けられている。さらに、インジェクタ28の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力および温度を検出する圧力センサおよび温度センサ(図示省略)が設けられている。圧力センサ29等で検出された水素ガスのガス状態(圧力、温度)に関する情報は、後述するインジェクタ28のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。
レギュレータ27は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ27として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。
インジェクタ28は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ28は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、このようなインジェクタ28を、水素供給流路22と循環流路23との合流部A1より上流側に配置している(図1参照)。また、図1に破線で示すように、燃料供給源として複数の燃料タンク21が用いられている場合には、これら燃料タンク21から供給される水素ガスが合流する部分(水素ガス合流部A2)よりも下流側に当該インジェクタ28を配置するようにする。
循環流路23には、気液分離器30および排気排水弁31を介して、排気排水流路25が接続されている。気液分離器30は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁31は、制御部7の指令を受けて作動することにより、気液分離器30で回収した水分と、循環流路23内の不純物を含む水素オフガス(燃料オフガス)と、を外部に排出(パージ)するものである。この排気排水弁31を開放すると、循環流路23内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁31の上流位置(循環流路23上)および下流位置(排気排水流路25上)には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ32および下流側圧力センサ33が設けられている。
排気排水流路25はその下流において希釈器34に連通している。さらにこの希釈器34には排気流路(酸化オフガス排出路)12がその下流において連通しており、水素オフガスを酸化オフガスによって混合希釈した後にシステム外に排気するように構成されている。
冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路に連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、燃料電池2から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ44と、を有している。冷却ポンプ42は、モータ(図示省略)の駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。温度センサ44で検出された冷媒の温度(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)は、後述するパージ制御に用いられる。
電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2またはトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。このような高圧DC/DCコンバータ61の機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。
バッテリ62は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。
制御部7は、車両に設けられた加速用の操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えばトラクションモータ64等の負荷装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置には、トラクションモータ64のほかに、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばエアコンプレッサ14、水素ポンプ24、冷却ポンプ42の各モータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置が含まれうる。
このような制御部7は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェースおよびディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPUが読み込んで所望の演算を実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御を行う。
続いて、以上のような燃料電池システム1の酸化ガス配管系3の構成をより詳細に示す(図1、図2参照)。
燃料電池システム1の酸化ガス配管系3には、エア供給流路(酸化ガス供給路)11と排気流路(酸化オフガス排出路)12とを結ぶエアバイパス流路8が設けられている。また、エアバイパス流路8には、当該エアバイパス流路8を開閉するエアバイパスバルブ17が設けられている(図1参照)。
また、エア供給流路11にはエア入口シャットバルブ(酸化ガス供給路遮断弁)18、排気流路12にはエア出口シャットバルブ(酸化オフガス排出路遮断弁)19がそれぞれ設けられている(図1参照)。エア入口シャットバルブ18はエア供給流路11を遮断する遮断弁であり、エア出口シャットバルブ19は排気流路12を遮断する遮断弁である。これら各種弁(エアバイパスバルブ17、エア入口シャットバルブ18、エア出口シャットバルブ19)の開度を調整することにより、エア供給流路11およびエアバイパス流路8を流れる酸化ガスの流量(流量比)を調整し、燃料電池2への酸化ガスの供給量を適宜変えることができる。
エア入口シャットバルブ18は、ダイアフラム18aに加わる流体圧力の大きさに応じてポペット弁18bの開度を調節するガス圧駆動式のバルブである。このエア入口シャットバルブ18では、エアコンプレッサ14によって加圧された酸化ガスを分岐路11aを介し調圧室に送り込んでダイアフラム18aを押し上げ、ポペット弁18bを押し上げることによってバルブを開ける(図2参照)。
続いて、以上のような燃料電池システム1の起動時における開弁時の加圧制御について説明する(図3等参照)。なお、図3等においては「シャットバルブ」を「SV」と表記している。
<第1の実施形態>
本実施形態では、燃料電池システム1の起動時、エアバイパスバルブ17およびエア入口シャットバルブ18を閉じておいたままエアコンプレッサ14を駆動し、エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pが所定値P1の開弁圧に達した時点で当該エア入口シャットバルブ18を開弁することとしている。所定値P1とは、エア入口シャットバルブ18の開弁時の動作が不安定にならず、尚かつ起動性に劣らない範囲内でエア供給系(酸化ガス配管系3)が過加圧になることがない程度の値である。
本実施形態では、燃料電池システム1の起動時、エアバイパスバルブ17およびエア入口シャットバルブ18を閉じておいたままエアコンプレッサ14を駆動し、エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pが所定値P1の開弁圧に達した時点で当該エア入口シャットバルブ18を開弁することとしている。所定値P1とは、エア入口シャットバルブ18の開弁時の動作が不安定にならず、尚かつ起動性に劣らない範囲内でエア供給系(酸化ガス配管系3)が過加圧になることがない程度の値である。
手順を説明すると以下のとおりである。まず、システム起動時にエアコンプレッサ14を駆動してx[rpm]で回転させる。その後、エア入口シャットバルブ18の上流側圧力Pが徐々に上昇するのでこれをエア圧力センサ20で検出し、所定値P1となったところでエアバイパスバルブ17を徐々に開けていく。このとき、本実施形態では、それまで徐々に上昇していたエアシャットバルブ18の上流側圧力が所定圧となるように調整しながらエアバイパスバルブ17の開度を大きくする(図3参照)。この後、エアバイパスバルブ17の開度が所定値となり、加圧が完了したところで当該エアバイパスバルブ17を閉じ、これと同時にエア入口シャットバルブ18を開ける。このとき、エア入口シャットバルブ18の上流側圧力Pの値が少し低下する。なお、本実施形態では、エア出口シャットバルブ19をエア入口シャットバルブ18と同様に動作させている。
このように、本実施形態では、システム起動時にエア入口シャットバルブ18を開ける際、まずはエアバイパスバルブ17を閉じておき、加圧完了(本実施形態の場合であれば、エアバイパスバルブ17を十分に開けてもエア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pが所定値P1に達する状態となること)後にこのエアバイパスバルブ17を開けるようにしている。起動時にエアバイパスバルブ17を閉じておくことで、エア入口シャットバルブ18の上流側圧力Pが開弁圧に至るまでの加圧時間を短縮し、尚かつ消費電力を低減することが可能となる。また、エアバイパスバルブ17を通過する際の気流音をなくすことができるため、NV(騒音・振動)を改善できる。
<第2の実施形態>
本実施形態では、上述した第1の実施形態において、加圧完了後からの経過時間がしきい値を超えたらダイアグノーシス信号を出し、エア入口シャットバルブ18の開弁動作を停止する。例示すれば、加圧完了からt秒の間圧力Pを所定値に保持してもエア入口シャットバルブ18が開かなければ以降の加圧動作、開弁動作を停止する。例えば本実施形態では、加圧完了から所定時間(例えばt秒)が経過してもエア入口シャットバルブ18が開かなければ閉固着状態、つまり何らかの原因によりポペット弁18bが閉じた状態のまま動かない状態(故障状態)にあると判断し、加圧動作、開弁動作を停止する(図4参照)。
本実施形態では、上述した第1の実施形態において、加圧完了後からの経過時間がしきい値を超えたらダイアグノーシス信号を出し、エア入口シャットバルブ18の開弁動作を停止する。例示すれば、加圧完了からt秒の間圧力Pを所定値に保持してもエア入口シャットバルブ18が開かなければ以降の加圧動作、開弁動作を停止する。例えば本実施形態では、加圧完了から所定時間(例えばt秒)が経過してもエア入口シャットバルブ18が開かなければ閉固着状態、つまり何らかの原因によりポペット弁18bが閉じた状態のまま動かない状態(故障状態)にあると判断し、加圧動作、開弁動作を停止する(図4参照)。
<第3の実施形態>
本実施形態では、加圧動作、閉弁動作中、エアコンプレッサ14の回転数が所定値を超えないように制御する。具体的には、加圧動作、開弁動作中においてエアコンプレッサ14の回転数を一定にし、エア入口シャットバルブ18の上流側圧力Pがある値を超えることがないよう、エアコンプレッサ14での流体の漏れを利用して調圧する。例えば本実施形態では、エアコンプレッサ14の回転数y(>x)[rpm]が、耐圧しきい値ないしは圧力しきい値よりも高くならないよう制御しながら加圧動作を行う(図5参照)。このとき、圧力Pが上昇するとともにエアコンプレッサ14の効率が低下し、回転数に対する圧力上昇は一意的に定まる。
本実施形態では、加圧動作、閉弁動作中、エアコンプレッサ14の回転数が所定値を超えないように制御する。具体的には、加圧動作、開弁動作中においてエアコンプレッサ14の回転数を一定にし、エア入口シャットバルブ18の上流側圧力Pがある値を超えることがないよう、エアコンプレッサ14での流体の漏れを利用して調圧する。例えば本実施形態では、エアコンプレッサ14の回転数y(>x)[rpm]が、耐圧しきい値ないしは圧力しきい値よりも高くならないよう制御しながら加圧動作を行う(図5参照)。このとき、圧力Pが上昇するとともにエアコンプレッサ14の効率が低下し、回転数に対する圧力上昇は一意的に定まる。
<第4の実施形態>
本実施形態では、エアコンプレッサ14の回転数をさらに制御することによって調圧制御を行う。以下では3つの具体例を挙げてこの第4の実施形態を説明する。
本実施形態では、エアコンプレッサ14の回転数をさらに制御することによって調圧制御を行う。以下では3つの具体例を挙げてこの第4の実施形態を説明する。
(1)上述した第3の実施形態において、エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pが所定値P1に達した後、エアコンプレッサ14の回転数を一定割合で下げる(図6参照)。加圧後、エアコンプレッサ14の回転数を一定割合でゼロに向け下げることで、エアコンプレッサ14やその他の構成の個体差によらず圧力Pの上昇量を抑え、所定値P1に保持する際の精度をさらに向上させることが可能となる。この場合において、エアコンプレッサ14の回転数がゼロになっても、エア入口シャットバルブ18が開かない状態のまま所定時間が経過すれば、開弁動作を停止し、ダイアグノーシス信号を出して終了する。
(2)上記(1)において、エアコンプレッサ14の回転数を圧力Pの値で制御することも好ましい。この場合、エア圧力センサ20による圧力Pの検出結果に基づいてエアコンプレッサ14の回転数を制御し、圧力Pを所定値P1に保持する。エア圧力センサ20による検出結果をフィードバックすることにより、開弁時の圧力を所定値P1に保持する際の精度が向上する。
(3)上記(1)において、エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pが所定値P1に達した後、エア流量がゼロになるようにエアコンプレッサ14の回転数を低下させる(図7参照)。こうした場合にも、エアコンプレッサ14やその他の構成の個体差によらず圧力Pの上昇量を抑え、所定値P1に保持する際の精度をさらに向上させることが可能となる。
<第5の実施形態>
ここまで説明した起動時における開弁時の加圧制御中、圧力を脈動させることも好ましい。エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pを所定値P1に達するまで加圧した後、圧力を脈動させることによって、エア入口シャットバルブ18をできるだけ速やかに開弁させることが可能となる。圧力の脈動は、例えばエアコンプレッサ14の回転数を脈動させたり、エアバイパスバルブ17の弁を細かく動作させたりすることによって行うことができる。
ここまで説明した起動時における開弁時の加圧制御中、圧力を脈動させることも好ましい。エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pを所定値P1に達するまで加圧した後、圧力を脈動させることによって、エア入口シャットバルブ18をできるだけ速やかに開弁させることが可能となる。圧力の脈動は、例えばエアコンプレッサ14の回転数を脈動させたり、エアバイパスバルブ17の弁を細かく動作させたりすることによって行うことができる。
<第6の実施形態>
ここまで説明した起動時における開弁時の加圧制御中、エア入口シャットバルブ18のダイアフラム18aの上下に交互にエアを供給して加圧することも好ましい。エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pを所定値P1に達するまで加圧した後、ダイアフラム18aに対し上下方向に外力を作用させることによって、エア入口シャットバルブ18をできるだけ速やかに開弁させることが可能となる(図8参照)。ダイアフラム18aの上下へエア供給する際の切換えは、例えば分岐路11aに設けた三方弁11bを用いて行うことができる(図8参照)。
ここまで説明した起動時における開弁時の加圧制御中、エア入口シャットバルブ18のダイアフラム18aの上下に交互にエアを供給して加圧することも好ましい。エア入口シャットバルブ18の上流側の圧力Pを所定値P1に達するまで加圧した後、ダイアフラム18aに対し上下方向に外力を作用させることによって、エア入口シャットバルブ18をできるだけ速やかに開弁させることが可能となる(図8参照)。ダイアフラム18aの上下へエア供給する際の切換えは、例えば分岐路11aに設けた三方弁11bを用いて行うことができる(図8参照)。
以上説明したように、上述の各実施形態の燃料電池システム1においては、エア供給系の圧力(具体的にはエア入口シャットバルブ18の上流側の圧力P)が十分な圧力(開弁圧)に達してからエア入口シャットバルブ18を開弁する制御を行うことから、当該エア入口シャットバルブ18の開弁が不安定になって起動性が悪くなったり、開弁時に異音が発生したりすることを抑制することができる。しかも、この場合、燃料電池システム1の起動時にエアバイパスバルブ17を閉じておくことにより、エア入口シャットバルブ18の上流側圧力Pが開弁圧に至るまでの加圧時間を短縮し、尚かつ消費電力を低減することも可能である。
また、上述した各実施形態の燃料電池システム1においては、当該燃料電池システム1の起動時に単にエア入口シャットバルブ18およびエアバイパスバルブ17を閉弁して加圧するのではなく、加圧動作、開弁動作時に、上流側圧力Pがある値を超えないように制御するため、エア供給系(酸化ガス配管系3)が過加圧になるおそれがない。
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、主としてエア入口シャットバルブ18を対象とした開弁動作についてのみ説明したが、エア出口シャットバルブ19についてはエア入口シャットバルブ18と同様の動作をさせることができる。
1…燃料電池システム、2…燃料電池、8…エアバイパス流路、11…エア供給流路、12…エア排気流路、14…エアコンプレッサ、17…エアバイパスバルブ、18…エア入口シャットバルブ(エアシャットバルブ)、18a…(エア入口シャットバルブの)ダイアフラム
Claims (8)
- エア供給流路に設けられたエアシャットバルブとエアコンプレッサとを備えた燃料電池システムにおいて、
当該燃料電池システムの起動時に、前記エアコンプレッサを駆動し、前記エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力に達した時点またはその後の時点で前記エアシャットバルブを開弁する、燃料電池システム。 - 前記エア供給流路と排気流路とを結ぶエアバイパス流路にエアバイパスバルブを備え、前記エアシャットバルブの開弁までの間、前記エアバイパスバルブの上流側の圧力を制御する、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記エアシャットバルブの開弁までの間、前記エアバイパスバルブを制御する、請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記エアシャットバルブの開弁までの間、前記エアコンプレッサを制御する、請求項2または3に記載の燃料電池システム。
- 前記エアシャットバルブの開弁までの間、エアの圧力を脈動させる、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記エアシャットバルブの開弁までの間、前記エアシャットバルブのダイアフラムの上下に交互にエアを供給して加圧する、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力に達した時点から所定時間経過しても該エアシャットバルブが動作しない場合に当該エアシャットバルブの故障を検出する、請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- エア供給流路に設けられたエアシャットバルブとエアコンプレッサとを備えた燃料電池システムの起動時における開弁動作の制御方法において、
前記エアコンプレッサを駆動し、前記エアシャットバルブの上流側の圧力が所定圧力に達した時点またはその後の時点で前記エアシャットバルブを開弁する、燃料電池システムの起動時における開弁動作の制御方法。
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