JP2012004138A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コントローラ21が、燃料電池が過渡運転状態にあると判定された場合、酸化剤ガスの圧力目標値を通常運転時の圧力目標値より高くする。これにより、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池スタック1の出力電圧が大幅に低下することはなく、燃料電池システムの運転を安定して継続し、燃料電池システムの実用性を大幅に向上させることができる。
【選択図】図1
Description
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、車両の駆動動力源として使用され、図1に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック1備える。なお、燃料電池は、燃料極と酸化剤極により挟持された電解質膜を備え、この実施形態では、電解質膜は、高エネルギー密度化,低コスト化,及び軽量化を考慮して、固体高分子電解質膜により形成されている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン(プロトン)伝導性を有する高分子膜から成るものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック1全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。また、以下では、燃料電池スタック1の温度を所定温度範囲内に保つための冷却機構の構成についての説明及び図示は省略する。
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e− →H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 →H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素タンク2及び圧力制御弁3を備え、水素タンク2から供給される水素の圧力を圧力制御弁3によって燃料電池スタック1の運転状態に適した圧力に調整した後、水素供給流路4を介して燃料電池スタック1の燃料極に水素を供給する。なお、燃料極に供給される水素の圧力は、圧力センサ18により検出された水素圧力をフィードバックして圧力制御弁3を駆動することによって制御される。
上記燃料電池システムは、外気を吸入して空気を圧送するコンプレッサ9と、マイクロダストや硫黄分,コンプレッサ9から排出されるオイル等をトラップするフィルタ10、後述する凝縮器13から供給される水分を利用して空気を加湿する膜加湿器等の加湿器11とを備え、コンプレッサ9から圧送された空気はフィルタ10によって清浄化された後に加湿器11により加湿され、加湿された空気は空気供給流路12を介して燃料電池スタック1の酸化剤極に供給される。
上記燃料電池システムは、車両のアクセル開度を検出する開度センサ(図示せず)と、システムの外気温を検出する外気温センサ(図示せず)と、燃料電池スタック1を構成する燃料電池の電圧(セル電圧)を検出するセル電圧センサ16と、燃料電池スタック1の温度を検出する温度センサ17と、燃料電池スタック1に供給される水素の圧力を検出する圧力センサ18と、燃料電池スタック1に供給される空気の圧力を検出する圧力センサ19と、空気排出流路14中の水素濃度を検出する水素センサ20と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ21とを備える。なお、この実施形態では、コントローラ21は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサにより構成され、CPUがプログラムROM内に記憶された制御プログラムを実行することにより各種機能を実現する。
図2に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS1の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。
本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムは、上記第1の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ21が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック1の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図7に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ21の動作について説明する。
図7に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS11の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップS11,S12の処理は上記ステップS1,2の処理と同じであるので、以下ではステップS13の処理から説明を始める。
図9(a)に示すように、空気圧力が正常時と比較して低下し、圧力上昇が遅れた場合、燃料電池スタック1の出力電圧は図9(c)に示すような挙動を示す。すなわち、空気圧力は図9(b)に示す時刻T=T3において正常値と同じ値まで復帰するが、この時、燃料電池スタック1の出力電圧は正常値より低い値になっている。このことから、燃料電池スタック1の運転圧力の履歴はその後の出力電圧の挙動に影響を与えることがわかる。
図10に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS21の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップS21,S22の処理は上記ステップS1,2の処理と同じであるので、以下ではステップS23の処理から説明を始める。
本発明の第4の実施形態となる燃料電池システムは、上記第1の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ21が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック1の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図12に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ21の動作について説明する。
図12に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS31の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップS31,S32の処理は上記ステップS1,2の処理と同じであるので、以下ではステップS33の処理から説明を始める。
本発明の第5の実施形態となる燃料電池システムは、上記第1の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ21が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック1の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図14に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ21の動作について説明する。
図14に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS41の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップS41,S42の処理は上記ステップS1,2の処理と同じであるので、以下ではステップS43の処理から説明を始める。
本発明の第6の実施形態となる燃料電池システムは、上記第1の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ21が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック1の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図16に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ21の動作について説明する。
図16に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップS51の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップS51,S52の処理は上記ステップS1,2の処理と同じであるので、以下ではステップS53の処理から説明を始める。
2:水素タンク
3,15:圧力制御弁
4:水素供給流路
5:水素循環流路
6:エゼクタ
7:水素排出流路
8:パージ弁
9:コンプレッサ
10:フィルタ
11:加湿器
12:空気供給流路
13:凝縮器
14:空気排出流路
16:セル電圧センサ
17:温度センサ
18,19:圧力センサ
20:水素センサ
21:コントローラ
Claims (1)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池システムは車両に搭載され、当該車両が加速状態であるか否かを判別することにより前記燃料電池が過渡運転状態にあるか否かを判定する過渡運転状態判定手段と、
前記過渡運転状態判定手段により前記燃料電池が過渡運転状態にあると判定された場合、前記酸化剤ガスの圧力目標値を通常運転時の圧力目標値より高くする制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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