JP2014026914A - Stop control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池システムの停止制御方法に関するものである。 The present invention relates to a stop control method for a fuel cell system.
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池システムの燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータで挟持して形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなるものがある。このものは、各セルのアノードに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給して発電を行っている。以下、燃料ガスと酸化剤ガスを総称して反応ガスという。 In a fuel cell of a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle, a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane is sandwiched between an anode and a cathode from both sides, and the outside is sandwiched between a pair of separators. Some of them are made up of a stack composed of a plurality of stacked cells. In this device, hydrogen gas is supplied as a fuel gas to the anode of each cell, and air containing oxygen is supplied as an oxidant gas to the cathode to generate power. Hereinafter, fuel gas and oxidant gas are collectively referred to as reaction gas.
このように構成された燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
ここで、この種の燃料電池では、発電停止時に、燃料電池内に残留するアノード側の水素ガスが固体高分子電解質膜を透過してカソード側へ、また、カソード側の空気中の酸素ガスや窒素ガスが固体高分子電解質膜を透過してアノード側へ拡散する、所謂クロスオーバーが生じることが知られている。このクロスオーバーが生じると、固体高分子電解質膜の近くで反応ガスが電気化学反応し、固体高分子電解質膜が劣化する虞がある。
In the fuel cell configured as described above, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode move to the cathode through the solid polymer electrolyte membrane, and generate an electric power by causing an electrochemical reaction with oxygen at the cathode.
Here, in this type of fuel cell, when the power generation is stopped, the hydrogen gas on the anode side remaining in the fuel cell permeates the solid polymer electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen gas in the air on the cathode side It is known that so-called crossover occurs in which nitrogen gas permeates the solid polymer electrolyte membrane and diffuses to the anode side. When this crossover occurs, there is a possibility that the reactive gas undergoes an electrochemical reaction near the solid polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte membrane is deteriorated.
このため、燃料電池の発電停止時に、アノードに十分な水素ガスを供給したうえで、燃料電池のカソードから排出される空気オフガスを再循環してカソードに供給し、空気オフガス中の残留酸素により発電を継続し、発電電圧が所定値以下になった時に発電を停止する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1によれば、燃料電池のカソードから排出される排出ガスをカソードに再循環して発電している間に、排出ガス中に残留する酸素が減少していき、発電電圧が所定値以下になったときには、排出ガス中の酸素濃度が極めて低濃度になるので、発電停止後にクロスオーバーが生じても、反応ガスの電気化学反応を抑制することができる。
For this reason, when power generation of the fuel cell is stopped, sufficient hydrogen gas is supplied to the anode, air off-gas discharged from the cathode of the fuel cell is recirculated and supplied to the cathode, and power is generated by residual oxygen in the air off-gas. And a technique for stopping power generation when the power generation voltage falls below a predetermined value is disclosed (for example, see Patent Document 1).
According to
また、燃料電池の発電停止時に、水素ガス圧が第1の基準圧力以下であるか否かを判定するアノードガス圧低下判定部と、水素ガス圧が第1の基準圧力以下であると判定したときに、水素ガス圧が、第1の基準圧力よりも高圧な第2の基準圧力以上となるように、燃料ガスを再供給させる水素再供給制御部と、燃料ガスの再供給を行なった後に、電池内燃料ガス流路と電池内酸化ガス流路との間で各ガスの分圧を比較して、各ガスの分圧差が基準値以下であるか否かの判定を行なう分圧均等化判定部と、各ガスの分圧差が基準値以下であると判定されたときに、燃料電池の発電停止に係る一連の制御を終了する発電停止制御部とを備える燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献2によれば、燃料電池の発電停止時に、アノードとカソードの各ガス成分の分圧差が基準値以下であると判断されるまで水素ガスの再供給を行なうため、クロスオーバーを抑制できる。
In addition, when the power generation of the fuel cell is stopped, it is determined that the hydrogen gas pressure is equal to or lower than the first reference pressure, and the anode gas pressure decrease determination unit that determines whether or not the hydrogen gas pressure is equal to or lower than the first reference pressure. After the hydrogen gas resupply control unit for resupplying the fuel gas and the fuel gas resupply so that the hydrogen gas pressure becomes equal to or higher than the second reference pressure that is higher than the first reference pressure. The partial pressure equalization is performed by comparing the partial pressure of each gas between the fuel gas flow path in the battery and the oxidizing gas flow path in the battery, and determining whether or not the partial pressure difference of each gas is below the reference value. A fuel cell system is proposed that includes a determination unit and a power generation stop control unit that ends a series of controls related to the power generation stop of the fuel cell when it is determined that the partial pressure difference of each gas is equal to or less than a reference value. (For example, refer to Patent Document 2).
According to
しかしながら、上述の特許文献1にあっては、アノードに水素ガスを高圧で供給すると、クロスオーバーする量が増大してしまい、結果的に効率よく反応ガスの電気化学反応を抑制することが困難という課題がある。
また、空気オフガス中の残留酸素により発電を継続している最中に、燃料電池が再起動すると、大量の水素ガスを保有しているために、燃料電池システムの再起動時における水素ガスの希釈処理に時間がかかるという課題がある。
However, in
In addition, if the fuel cell is restarted while power generation is continued due to residual oxygen in the air off-gas, a large amount of hydrogen gas is retained, so the hydrogen gas is diluted when the fuel cell system is restarted. There is a problem that processing takes time.
さらに、上述の特許文献2にあっては、アノードに水素ガスを供給する際、高圧で供給してしまうと、ソーク中、つまり、イグニッションオフ後、燃料電池が放置されている状態のときに水素ガスがクロスオーバーし、アノードが負圧になってしまう。この結果、燃料電池の耐久性が悪化するという課題がある。
Further, in the above-mentioned
そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、発電停止時に効率よく反応ガスの電気化学反応を抑制して耐久性を向上できると共に、再起動時の水素希釈時間を短くすることができる燃料電池システムの停止制御方法を提供するものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can efficiently suppress the electrochemical reaction of the reaction gas when power generation is stopped to improve durability and shorten the hydrogen dilution time at restart. The present invention provides a stop control method for a fuel cell system.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池1)と、前記アノードに面し、前記燃料電池に供給される燃料、及び前記燃料電池から排出された燃料が流通する燃料流通経路(例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路42、アノード流路43、アノードオフガス排出流路44、アノードオフガス循環流路47)と、前記カソードに面し、前記燃料電池に供給される酸化剤、及び前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤流通経路(例えば、実施形態におけるカソードガス供給流路31、カソード流路33、カソードオフガス排出流路35)とを備え、前記酸化剤流通経路には、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記燃料電池の供給側に戻す酸化剤循環路(例えば、実施形態におけるカソードガス循環流路73)が設けられている燃料電池システムの停止制御方法において、イグニッションオフ後に、前記燃料電池のディスチャージに必要な燃料量を供給するのに必要な圧力まで前記燃料の圧力を低下させる燃料圧低下工程と、前記燃料圧低下工程後に、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記酸化剤循環路を介して前記燃料電池の供給側に戻す酸化剤循環工程と、前記酸化剤循環工程の後、前記アノード内の前記燃料の圧力と前記カソード内の前記酸化剤の圧力との圧力差、及び前記アノード内の燃料の濃度と前記カソード内の酸化剤の濃度との濃度差の少なくとも何れか一方の差に基づいて、前記カソードに前記燃料が拡散される燃料供給量を求め、この求めた燃料供給量分の燃料を前記燃料電池に封入する燃料封入工程とを有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention described in
請求項2に記載した発明は、前記燃料封入工程は、前記アノード内の前記燃料の圧力と前記カソード内の前記酸化剤の圧力との圧力差、及び前記アノード内の燃料の濃度と前記カソード内の酸化剤の濃度との濃度差の少なくとも何れか一方の差と、前記カソードに前記燃料が拡散される燃料供給量とを関連付けたマップ(例えば、実施形態における燃料封入工程用マップ82)を利用し、前記燃料供給量を求めることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the fuel sealing step, the pressure difference between the pressure of the fuel in the anode and the pressure of the oxidant in the cathode, and the concentration of the fuel in the anode and the inside of the cathode A map (for example, the fuel
請求項3に記載した発明は、前記燃料電池の温度を検知する温度検知工程と、前記温度検知工程により前記燃料電池の温度が所定の温度よりも高いと検知された場合、前記酸化剤循環工程よりも前に、前記燃料電池の温度を所定温度まで冷却する冷却工程とを有することを特徴とする。 The invention described in claim 3 is a temperature detection step for detecting the temperature of the fuel cell, and when the temperature detection step detects that the temperature of the fuel cell is higher than a predetermined temperature, the oxidant circulation step And a cooling step for cooling the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature.
請求項4に記載した発明は、外気温の最低温度が所定温度よりも低くなるか否かを推測する最低温度推測工程を有し、前記最低温度推測工程による推測結果より、前記外気温の最低温度が所定温度よりも低くなるとされた場合、前記冷却工程を行わないことを特徴とする。 The invention described in claim 4 includes a minimum temperature estimation step of estimating whether or not the minimum temperature of the outside air temperature is lower than a predetermined temperature, and the minimum of the outside temperature is determined based on the estimation result of the minimum temperature estimation step. When the temperature is lower than a predetermined temperature, the cooling step is not performed.
請求項5に記載した発明は、前記最低温度推測工程による推測結果より、前記外気温の最低温度が所定温度よりも低くなるとされた場合、前記燃料封入工程における前記燃料電池に前記燃料を封入する速度を、前記最低温度推測工程による推測結果より、前記外気温の最低温度が所定温度以上になるとされた場合の前記燃料封入工程における前記燃料電池に前記燃料を封入する速度と比較して遅くすることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, when the minimum temperature of the outside air temperature is lower than a predetermined temperature from the estimation result of the minimum temperature estimation step, the fuel is sealed in the fuel cell in the fuel sealing step. The speed is made slower than the speed at which the fuel is sealed in the fuel cell in the fuel sealing process when the minimum temperature of the outside air temperature is determined to be equal to or higher than a predetermined temperature based on the estimation result in the minimum temperature estimating process. It is characterized by that.
請求項6に記載した発明は、前記最低温度推測工程による推測結果より、前記外気温の最低温度が所定温度よりも低くなるとされた場合、前記燃料圧低下工程において低下させる前記燃料の圧力を、前記最低温度推測工程による推測結果より、前記外気温の最低温度が所定温度以上になるとされた場合の前記燃料圧低下工程において低下させる前記燃料の圧力よりも小さくすることを特徴とする。
In the invention described in
請求項7に記載した発明は、前記カソードの圧力を検知するカソード圧検知工程と、前記カソード圧検知工程により検知された前記カソードの圧力に基づいて、前記燃料封入工程における前記燃料電池に封入する燃料供給量を変化させることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, a cathode pressure detecting step for detecting the pressure of the cathode, and sealing in the fuel cell in the fuel sealing step based on the cathode pressure detected by the cathode pressure detecting step. The fuel supply amount is changed.
請求項1に記載した発明によれば、イグニッションオフ後に燃料電池から排出された酸化剤を酸化剤供給路に戻す酸化剤循環工程を行う際、燃料圧低下工程によって燃料の圧力が低下しているので、酸化剤循環工程中の燃料のクロスオーバーや、このクロスオーバーに伴う反応ガスの電気化学反応量の増大を効率よく抑制することができる。このため、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
また、酸化剤循環工程中は、燃料が低圧に保持されているので、酸化剤循環工程中に燃料電池システムが再起動した場合であっても燃料の希釈時間を短縮できる。さらに、燃料を希釈するための酸化剤の量も一定にできるので、燃料を希釈するための制御も簡略化できる。
そして、燃料電池の放電を行うのに必要な圧力だけでアノードに燃料を供給するので、クロスオーバーする量を減少できるばかりか、アノードのストイキが低下した状態で発電を行うことを防止できる。このため、燃料電池の劣化を抑制でき、さらに燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
According to the first aspect of the present invention, when performing the oxidant circulation step of returning the oxidant discharged from the fuel cell after the ignition is turned off to the oxidant supply path, the fuel pressure is reduced by the fuel pressure reduction step. Therefore, it is possible to efficiently suppress the crossover of the fuel during the oxidant circulation process and the increase in the electrochemical reaction amount of the reaction gas accompanying the crossover. For this reason, the durability of the fuel cell system can be improved.
In addition, since the fuel is maintained at a low pressure during the oxidant circulation process, the fuel dilution time can be shortened even when the fuel cell system is restarted during the oxidant circulation process. Furthermore, since the amount of the oxidant for diluting the fuel can be made constant, the control for diluting the fuel can be simplified.
Since the fuel is supplied to the anode only at the pressure necessary for discharging the fuel cell, not only the amount of crossover can be reduced, but also the power generation can be prevented while the stoichiometry of the anode is reduced. For this reason, deterioration of the fuel cell can be suppressed, and the durability of the fuel cell system can be improved.
請求項2に記載した発明によれば、マップを利用して酸化剤循環工程中の燃料供給量を求めるので、燃料電池システムをさらに簡略化できる。
According to the invention described in
請求項3に記載した発明によれば、イグニッションオフ後の燃料電池の温度が高い場合、燃料の低圧供給と燃料電池の冷却を併用することにより、燃料電池の高温領域での反応ガスの電気化学反応量を抑えることができる。このため、より効率よく燃料電池の劣化を抑制でき、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。 According to the third aspect of the present invention, when the temperature of the fuel cell after the ignition is turned off is high, the low-pressure supply of the fuel and the cooling of the fuel cell are used together, whereby the reaction gas electrochemistry in the high-temperature region of the fuel cell is achieved. The amount of reaction can be suppressed. For this reason, deterioration of the fuel cell can be suppressed more efficiently, and the durability of the fuel cell system can be improved.
請求項4に記載した発明によれば、外気温の温度が所定温度よりも低い場合のソーク中、つまり、冬季時のソーク中における凍結による燃料電池の劣化を抑制でき、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。 According to the invention described in claim 4, the deterioration of the fuel cell due to freezing in the soak when the temperature of the outside air temperature is lower than the predetermined temperature, that is, in the soak in the winter season can be suppressed, and the durability of the fuel cell system Can be improved.
請求項5に記載した発明によれば、外気温に関わらず安定して反応ガスの電気化学反応量を抑えることができるので、燃料電池の劣化を抑制でき、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
According to the invention described in
請求項6に記載した発明によれば、外気温に関わらず安定して反応ガスの電気化学反応量を抑えることができるので、燃料電池の劣化を抑制でき、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
According to the invention described in
請求項7に記載した発明によれば、アノードとカソードの極間差圧が大きくなることを防止でき、燃料電池システムの停止制御の処理時間を短縮することもできる。また、燃料電池システムの停止時に可能な限り燃料を封入でき、効率よく燃料電池の劣化を抑制でき、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to prevent an increase in the differential pressure between the anode and the cathode, and it is possible to shorten the processing time for the stop control of the fuel cell system. Further, the fuel can be sealed as much as possible when the fuel cell system is stopped, the deterioration of the fuel cell can be efficiently suppressed, and the durability of the fuel cell system can be improved.
(第1実施形態)
(燃料電池システム)
次に、この発明の第1実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。
図1は、燃料電池システムの概略構成図である。
同図に示すように、第1実施形態の燃料電池システム1は、例えば燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック2(以下、燃料電池2という)と、燃料電池2にカソードガスである空気を供給するためのカソードガス供給手段3と、アノードガスである水素を供給するためのアノードガス供給手段4と、これら各構成品を統括的に制御するISU(制御装置)5とを主に備えている。
(First embodiment)
(Fuel cell system)
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
As shown in the figure, the
燃料電池2は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、固体高分子電解質膜を備えている。そして、この固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体(MEA)が形成され、このMEAの両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池2が構成されている。
The
また、燃料電池2のアノードにはアノードガスとして水素が、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応(H2→2H++2e−)により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソードに移動する。そして、カソードに移動した水素イオンが、カソードで酸素と電気化学反応(H2+O2/2→H2O)を行い発電する。
Further, hydrogen is supplied to the anode of the
さらに、燃料電池2には、この燃料電池2の温度を検出する温度センサ6が設けられていると共に、カソードガス圧力を検出するカソード圧力センサ7が設けられている。これら温度センサ6やカソード圧力センサ7による検出結果は、電気信号としてISU5に出力される。
また、燃料電池2は、バッテリ11に接続され、燃料電池2で発電した電気をバッテリ11に充電可能となっている。燃料電池2とバッテリ11は、燃料電池車両の不図示の駆動モータ等の外部負荷に放電可能に接続されている。
Further, the
The
(カソードガス供給手段)
カソードガス供給手段3は、燃料電池2のカソードに向けてカソードガスが流通するカソードガス供給流路31を備えている。カソードガス供給流路31の上流側には、燃料電池2にカソードガスを供給するためのエアコンプレッサ32が接続されている。また、カソードガス供給流路31の下流側は、燃料電池2の入口側で、カソードに面するカソード流路33に接続されている。そして、カソードガス供給流路31には、燃料電池2とエアコンプレッサ32の間に、カソードガス供給封止弁34が設けられている。
(Cathode gas supply means)
The cathode gas supply means 3 includes a cathode
一方、カソード流路33の出口側には、燃料電池2で発電に供されたカソードオフガスや、発電や凝縮によって燃料電池2で生成された水が流通するカソードオフガス排出流路35が接続されている。カソードオフガス排出流路35の下流側は、希釈BOX30に接続されている。そして、カソードオフガス排出流路35には、燃料電池2と希釈BOX30との間に、カソードガス出口封止弁36と、このカソードガス出口封止弁36よりも下流側に配置された濃度センサ39とが設けられている。
On the other hand, a cathode
各封止弁34,36は電磁駆動式の封止弁であり、各封止弁34,36間、すなわちカソード流路33内にカソードガスを封止できるように構成されている。
また、濃度センサ39は、カソードオフガス排出流路35を流通するカソードオフガスの濃度を検出するものであって、濃度センサ39による検出結果は、電気信号としてISU5に出力される。尚、濃度センサ39としては、酸素濃度を計測するもの、あるいは窒素濃度を計測するものが用いられる。
Each of the sealing
Further, the
このような構成のもと、エアコンプレッサ32によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路31を通過した後、燃料電池2のカソード流路33に供給される。そして、カソード流路33において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池2からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路35に排出される。カソードオフガス排出流路35に排出されたカソードオフガスは、希釈BOX30を通過した後、車外へと排気される。
Under such a configuration, the cathode gas delivered by the
また、カソードオフガス排出流路35には、カソードガス出口封止弁36と濃度センサ39との間に、カソードガス供給流路31から分岐した燃料電池バイパス流路37が、希釈弁38を介して接続されている。
さらに、カソードガス供給流路31の燃料電池バイパス流路37よりも上流側には、希釈ガス流路71が分岐して設けられている。希釈ガス流路71の下流側は、開閉弁72を介して希釈BOX30に接続されている。
Further, in the cathode off
Further, a
また、カソードガス供給流路31のカソードガス供給封止弁34よりも下流側と、カソードオフガス排出流路35のカソードガス出口封止弁36よりも上流側との間には、カソードガス循環流路73が接続されている。カソードガス循環流路73には、カソードガス循環ポンプ74が設けられている。
カソードガス循環ポンプ74は、通常は停止しており、燃料電池システム1の停止直前に駆動する。そして、燃料電池2のカソード流路33から排出されたカソードオフガスを循環させ、エアコンプレッサ32から送出されるカソードガスに混合して、燃料電池2のカソードに再び供給する(詳細は後述する)。
Further, a cathode gas circulation flow is provided between the cathode
The cathode
(アノードガス供給手段)
アノードガス供給手段4は、アノードガスが充填された水素供給タンク41を備えている。水素供給タンク41には、燃料電池2にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路42が接続されている。アノードガス供給流路42の下流側は、燃料電池2の入口側で、アノードに面するアノード流路43に接続されている。
アノードガス供給流路42には、遮蔽弁48と、この遮蔽弁48よりも下流側に配置されたインジェクタ49と、このインジェクタ49よりも下流側に配置されたアノード圧力センサ8とが設けられている。インジェクタ49は、燃料電池2に供給されるアノードガスの圧力を制御するためのものである。尚、インジェクタ49に代わって可変調圧弁を用いる等、アノードガスの圧力を制御可能なものが配置されていればよい。アノード圧力センサ8は、アノード圧力を検出するセンサであって、この検出結果は、電気信号としてISU5に出力される。
(Anode gas supply means)
The anode gas supply means 4 includes a
The anode gas
アノード流路43の出口側には、燃料電池2で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路44が接続されている。アノードオフガス排出流路44は、電磁駆動式のパージ弁45を介して希釈BOX30に接続されている。
希釈BOX30は、アノードオフガス排出流路44から導入されたアノードオフガスが滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室に排出流路46が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出流路46から車外に排出される。尚、希釈BOX30には、アノードオフガス排出流路44から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
Connected to the outlet side of the
In the
また、アノードオフガス排出流路44には、パージ弁45の上流側にアノードオフガス循環流路47が分岐して設けられている。アノードオフガス循環流路47の下流側は、アノードガス供給流路42のアノードオフガス排出流路44とアノード圧力センサ8との間に接続されている。
尚、アノードオフガス循環流路47には、不図示の循環ポンプが設けられており、燃料電池2のアノード流路43から排出されたアノードオフガスの一部を循環させ、水素供給タンク41から供給されたアノードガスに混合して、燃料電池2のアノードに再び供給するようになっている。
The anode off-
The anode off-
ISU5は、酸素欠乏発電処理判断部51を有している。この酸素欠乏発電処理判断部51は、燃料電池システム1のシステム停止時に、所定の条件のもと、燃料電池2のカソード流路33から排出されたカソードオフガスの一部を循環させ、エアコンプレッサ32から送出されるカソードガスに混合して、燃料電池2のカソードに再び供給し、カソードオフガス中の残留酸素により発電を継続させてカソードガスを酸素濃度の極めて低い窒素リッチにする運転(以下、酸素欠乏発電という)を行う。
The
(燃料電池システムのシステム停止制御方法)
図1〜図4に基づいて、より詳しく燃料電池システム1のシステム停止制御方法について説明する。図2は、燃料電池システムのシステム停止制御方法のフローチャートである。図3、図4は、縦軸をアノードガスの圧力、及びカソードガスの圧力とし、横軸を時間Tとしたときのアノードガスの圧力、及びカソードガスの圧力の変化を示すグラフである。
図1〜図3に示すように、まずイグニッションスイッチがオフされると、例えば燃料電池車両に搭載されている不図示のバッテリに電力を蓄電する(ディスチャージ処理)。
(System stop control method for fuel cell system)
The system stop control method of the
As shown in FIGS. 1 to 3, first, when the ignition switch is turned off, for example, electric power is stored in a battery (not shown) mounted on the fuel cell vehicle (discharge process).
この際、バッテリに蓄電可能なディスチャージ電流値に応じて最低限必要なアノードガスの圧力を求め、この求められた値までアノードガスの圧力を下げる(燃料圧低下工程)。
ここで、ディスチャージ電流値は、必要最低限の電流値とする。ディスチャージ電流値を大きくしてしまうと、水素ポンプ効果でアノードガスのカソード側へのクロスオーバーが促進されてしまい、後述の酸化剤循環工程において、効率的にカソードガスを窒素リッチにすることができないからである。
At this time, the minimum required pressure of the anode gas is obtained according to the discharge current value that can be stored in the battery, and the pressure of the anode gas is lowered to the obtained value (fuel pressure lowering step).
Here, the discharge current value is the minimum necessary current value. If the discharge current value is increased, crossover of the anode gas to the cathode side is promoted by the hydrogen pump effect, and the cathode gas cannot be efficiently enriched with nitrogen in the oxidant circulation process described later. Because.
アノードガスの圧力を下げる具体的な方法としては、アノードオフガス排出流路44のパージ弁45を開弁し、アノードガスを所定の圧力に下がるまで排出する。このとき、エアコンプレッサ32は、継続して駆動されており、希釈ガス流路71の開閉弁も開弁されているので、希釈BOX30でアノードガスが希釈されて排出される。
ここで、アノードの圧力は、アノードガス供給流路42に設けられているアノード圧力センサ8によって検出される。また、アノードの圧力の決定方法としては、例えば、ISU5に、ディスチャージ電流値とアノードの圧力とを関係付けた燃料圧低下工程用マップ81を記憶させておき、この燃料圧低下工程用マップ81を参照してアノードの圧力を決定する。
As a specific method for lowering the pressure of the anode gas, the
Here, the pressure of the anode is detected by the anode pressure sensor 8 provided in the anode
続いて燃料圧低下工程の後、酸素欠乏発電処理判断部51によって、酸素欠乏発電を許可してよいか否かの判断を行う(ステップST101)。
ステップST101における判断が「No」、つまり、アノードの圧力がバッテリに蓄電するのに最低限必要な圧力まで低下していないと判断された場合、酸素欠乏発電は開始されない。
一方、ステップST101における判断が「Yes」、つまり、アノードの圧力がバッテリに蓄電するのに最低限必要な圧力まで低下していると判断された場合、酸素欠乏発電を開始する(ステップST102、酸化剤循環工程)。
Subsequently, after the fuel pressure lowering step, the oxygen-deficient power generation
If the determination in step ST101 is “No”, that is, if it is determined that the anode pressure has not decreased to the minimum pressure required to store in the battery, oxygen-deficient power generation is not started.
On the other hand, when the determination in step ST101 is “Yes”, that is, when it is determined that the pressure of the anode has decreased to the minimum pressure necessary for storing in the battery, oxygen-deficient power generation is started (step ST102, oxidation). Agent circulation step).
以下、酸化剤循環工程について具体的に説明する。
酸化剤循環工程では、カソードオフガス排出流路35のカソードガス出口封止弁36が閉弁される一方、カソードガス供給流路31のカソードガス供給封止弁34、及び燃料電池バイパス流路37の希釈弁38が開弁される。この状態で、エアコンプレッサ32を継続して駆動させると共に、カソードガス循環ポンプ74を駆動する。すると、燃料電池2のカソード流路33から排出されたカソードオフガスが循環され、エアコンプレッサ32から送出されるカソードガスの一部に混合して、燃料電池2のカソードに再び供給される。
Hereinafter, the oxidizing agent circulation step will be specifically described.
In the oxidant circulation step, the cathode gas
このとき、アノードガス供給流路42のアノードオフガス排出流路44の遮蔽弁48が開弁されており、水素供給タンク41より燃料圧低下工程により求められた圧力値を保ちながら燃料電池2のアノードにアノードガスが供給される。
ここで、アノードガスの圧力値は、以下の少なくとも何れか1つの方法を用いて管理することが可能である。
At this time, the shielding
Here, the pressure value of the anode gas can be managed using at least one of the following methods.
すなわち、
(1)アノードガス供給流路42に設けられたアノード圧力センサ8の検出結果に基づいて管理する。
(2)カソード流路33に設けられたカソード圧力センサ7の検出結果に基づいて管理する。
(3)カソードオフガス排出流路35に設けられた濃度センサ39の検出結果に基づいて管理する。
(4)燃料電池2のカソード内の窒素濃度を不図示のセンサによって検出し、この検出結果に基づいて管理する。
(5)ディスチャージ電流値、又はディスチャージの積算電流値に基づいて管理する。
That is,
(1) Management is performed based on the detection result of the anode pressure sensor 8 provided in the anode
(2) Management is performed based on the detection result of the cathode pressure sensor 7 provided in the
(3) Management is performed based on the detection result of the
(4) The nitrogen concentration in the cathode of the
(5) Management is performed based on the discharge current value or the integrated current value of the discharge.
上記(1)〜(5)のうち、例えば(1)、(2)のように、圧力センサ7,8を用いてアノードガスを供給する場合、所定の圧力に近づくにつれてアノードガスの供給量を減少させていく。同様に、例えば(3)、(4)のように、ガス濃度に基づいてアノードガスを供給する場合、所定の濃度に近づくにつれてアノードガスの供給量を減少させていく。このように、何れかの方法を用いることにより、必要量だけ、アノードガスを供給することができる。 Among the above (1) to (5), when supplying the anode gas using the pressure sensors 7 and 8 as in (1) and (2), for example, the supply amount of the anode gas is increased as the pressure approaches a predetermined pressure. Decrease. Similarly, when the anode gas is supplied based on the gas concentration, for example, as in (3) and (4), the supply amount of the anode gas is decreased as the concentration approaches a predetermined concentration. Thus, the anode gas can be supplied by a necessary amount by using any method.
ここで、燃料電池システム1の通常駆動時は、燃料電池車両がいつ加速してもいいように、アノードガスを多めに供給する必要がある。しかしながら、酸化剤循環工程中は、燃料電池2の負荷が変動することがないので、酸化剤循環工程に必要な量だけアノードガスを供給すればよいことになる。また、酸化剤循環工程においては、ディスチャージ電流値が低いので、アノードのストイキ不足になりにくい。
Here, when the
また、酸化剤循環工程を行うにあたって、燃料電池2に設けられた温度センサ6による検出結果より、燃料電池2が所定温度まで低下しているか否かをISU5で判断し、燃料電池2が所定温度まで低下していると判断されたときに酸化剤循環工程を行うように構成してもよい。
また、燃料電池2を冷却する冷却装置(不図示)を別途設け、燃料電池2が所定温度まで低下していない場合、冷却装置によって燃料電池2を所定温度に下がるまで冷却し、この後酸化剤循環工程を行うように構成してもよい。冷却装置を設ける場合、酸化剤循環工程中に燃料電池2の冷却を継続して実施し、燃料電池2の温度が上昇してしまうのを防止することもできる。
Further, when performing the oxidant circulation step, the
In addition, a cooling device (not shown) for cooling the
酸化剤循環工程により、カソードガスが窒素リッチになり、不図示のバッテリに蓄電不能な状態になり、且つ燃料電池2に設けられた温度センサ6により燃料電池2が所定温度まで低下していると検出された後、酸化剤循環工程を終了する一方、アノードガスの供給を継続し、アノードに所定の速度で所定の圧力になるまでアノードガスを封入する(燃料封入工程)。
ここで、燃料電池2に設けられた温度センサ6により、燃料電池2が所定温度まで低下していないと検出された場合、燃料電池2を所定温度になるまで冷却し、この後、燃料封入工程を行う。
When the cathode gas becomes nitrogen-rich due to the oxidant circulation step, the battery (not shown) cannot store electricity, and the
Here, when it is detected by the
尚、燃料電池2の温度を検出するにあたって、温度センサ6を用いて温度を検出し、この検出された温度に基づいて、燃料電池2を冷却する必要がある所定温度以上であるか否かを判断する場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、アノードの温度、又はカソードの温度の何れか一方の温度を検出し、この検出された温度に基づいて、燃料電池2を冷却する必要がある所定温度以上であるか否かの判断を行うように構成してもよい(以下の第2実施形態についても同様)。
ここで、燃料電池2を冷却する場合、冷却温度は、例えば燃料電池2の膜電極構造体(MEA)が劣化しないと判断できる温度(例えば、40℃)に設定されている。
In detecting the temperature of the
Here, when the
次に、燃料封入工程を具体的に説明する。
燃料封入工程では、カソードガス供給封止弁34、及びカソードガス出口封止弁36が閉弁された状態で、水素供給タンク41から所定圧力値でアノードガスが供給される。
ここで、この燃料封入工程の際のアノードガスの所定圧力値とは、燃料圧低下工程により求められた圧力値と異なる。すなわち、燃料封入工程の際のアノードガスの所定圧力値は、アノードガスが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に少しずつ(ゆっくり)クロスオーバーするような圧力値である。
Next, the fuel filling process will be specifically described.
In the fuel filling step, the anode gas is supplied at a predetermined pressure value from the
Here, the predetermined pressure value of the anode gas in the fuel filling step is different from the pressure value obtained in the fuel pressure lowering step. That is, the predetermined pressure value of the anode gas during the fuel filling step is a pressure value at which the anode gas passes through the solid polymer electrolyte membrane and crosses over to the cathode side little by little (slowly).
尚、「少しずつ(ゆっくり)」とは、アノードガスとカソードガスとを同時に保圧していくことである。すなわち、アノードガスの封入速度は、両極を同時に保圧していくことが可能な速度であり、膜種によって変化するため、予めテストによって両極の圧力値と対応させた透過速度を求めることが望ましい。ここで、固体高分子電解質膜の含水量や温度によって、透過速度を補正しても良い。 “Slightly (slowly)” means that the anode gas and the cathode gas are held simultaneously. That is, the anode gas sealing speed is a speed at which both electrodes can be held simultaneously, and varies depending on the type of membrane. Therefore, it is desirable to obtain a permeation speed corresponding to the pressure values of both electrodes by a test in advance. Here, the permeation rate may be corrected according to the water content and temperature of the solid polymer electrolyte membrane.
ISU5には、アノード系内のアノードガスの圧力とカソード系内のカソードガスの圧力との圧力差と、燃料封入工程時のアノードガスの圧力値とを関連付けた燃料封入工程用マップ82が記憶されている。そして、アノードガス供給流路42のアノード圧力センサ8による検出結果と、カソード流路33のカソード圧力センサ7による検出結果と、燃料封入工程用マップ82とを参照し、求められた圧力値で水素供給タンク41からアノードガスを供給する。
燃料封入工程は、アノード圧力センサ8による検出結果が目標の封入圧SP1に達すると終了する(図3参照)。これにより、燃料電池システム1のシステム停止制御が完了する。
The
The fuel filling step ends when the detection result by the anode pressure sensor 8 reaches the target filling pressure SP1 (see FIG. 3). Thereby, the system stop control of the
また、この目標の封入圧SP1に代わって、アノードとカソードとの極間差圧が極間差圧許容値SA1に達したときに、燃料封入工程を終了するようにしてもよい。
すなわち、カソード流路33に設けられたカソード圧力センサ7により、カソードの圧力を検知する工程(カソード圧検知工程)を加え、このカソード圧検知工程の検知結果に基づいて、アノードガスの封入圧SP1を決定してもよい。
Further, instead of the target sealing pressure SP1, the fuel sealing step may be terminated when the inter-electrode differential pressure between the anode and the cathode reaches the inter-electrode differential pressure allowable value SA1.
That is, a step of detecting the cathode pressure (cathode pressure detection step) is added by the cathode pressure sensor 7 provided in the
このように、アノードとカソードとの極間差圧に基づいて燃料封入工程を終了する場合、図4に示すように、カソードガスの残留圧力に応じてアノードガスの封入圧SP1を封入圧SP1’に高めることができる。これにより、燃料電池システム1のシステム停止制御が完了する。
As described above, when the fuel filling process is terminated based on the pressure difference between the anode and the cathode, as shown in FIG. 4, the anode gas filling pressure SP1 is set to the filling pressure SP1 ′ according to the residual pressure of the cathode gas. Can be increased. Thereby, the system stop control of the
(効果)
したがって、上述の第1実施形態によれば、燃料電池システム1のシステム停止時に、バッテリに蓄電可能なディスチャージ電流値に応じて最低限必要なアノードガスの圧力を求め、この求められた値までアノードガスの圧力を下げ、それからディスチャージ処理、酸化剤循環工程を行うので、クロスオーバーや、それに伴う電気化学反応量の増大による固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、酸化剤循環工程中は、常時アノードガスを低圧に保っているので、酸化剤循環工程中に燃料電池システム1が再起動した場合であっても再起動時のアノードガスの希釈時間を短縮することができる。
(effect)
Therefore, according to the first embodiment described above, when the
In addition, since the anode gas is always kept at a low pressure during the oxidant circulation process, even when the
さらに、酸化剤循環工程を行う際、水素供給タンク41より燃料圧低下工程により求められた圧力値を、例えば、上記(1)〜(5)の方法により保ちながら燃料電池2のアノードにアノードガスが供給される。このため、酸化剤循環工程中のクロスオーバーを抑制させると同時にアノードのストイキが低下した状態で発電を行うことを防止できる。このため、燃料電池2の劣化を抑制でき、さらに燃料電池システム1の耐久性を向上させることができる。
Further, when performing the oxidant circulation step, the anode gas is supplied to the anode of the
そして、酸化剤循環工程を行うにあたって、燃料電池2に設けられた温度センサ6による検出結果より、燃料電池2が所定温度まで低下しているか否かをISU5で判断し、燃料電池2が所定温度まで低下していると判断されたときに酸化剤循環工程を行うように構成することにより、電気化学反応量の増大を、さらに確実に抑制することができる。このため、さらに確実に、燃料電池2の劣化を抑制でき、燃料電池システム1の耐久性を向上させることができる。
Then, when performing the oxidant circulation step, the
また、燃料封入工程では、カソードガス供給封止弁34、及びカソードガス出口封止弁36が閉弁された状態で、水素供給タンク41から所定圧力値でアノードガスが供給され、アノードガスが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に少しずつ(ゆっくり)クロスオーバーするようになっている。このため、固体高分子電解質膜への機械的な圧力負担を軽減できる。
In the fuel filling step, the anode gas is supplied from the
さらに、アノードにアノードガスを封入しながらも、カソード側にもアノードガスをクロスオーバーさせてこのアノードガスを充満させることを並行して行うことができ、短時間高圧封入により多くのアノードガスを保有できる。このため、アノード、及びカソードをアノードガスで満たした環境を長く維持することができる。よって、ソーク時間が長くても次回起動時にカソードの高電位抑制が可能になり、燃料電池2の劣化抑制と燃料電池システム1の耐久性を向上させることができる。
Furthermore, while the anode gas is sealed in the anode, the anode gas can be crossed over to the cathode side and filled with the anode gas in parallel. it can. For this reason, the environment which filled the anode and the cathode with anode gas can be maintained for a long time. Therefore, even if the soak time is long, the high potential of the cathode can be suppressed at the next start-up, and the deterioration of the
ここで、短時間高圧封入して燃料電池システム1を停止させると、停止後から次回起動までのソーク中にアノードガスがカソード側へクロスオーバーしてアノードが負圧になってしまう。しかしながら、カソード側にある程度アノードガスを充満させてからアノードガスの供給を停止すれば、燃料電池システム1の停止後のアノードガスのクロスオーバーが減少し、結果的に燃料電池システム1のアノードガスの保有量が多くなる。また、アノード系、カソード系内を陽圧にすることにより、ソーク中に外部からの空気の侵入を防止する効果もある。
Here, if the
また、カソード流路33に設けられたカソード圧力センサ7により、カソードの圧力を検知するカソード圧検知工程を加え、このカソード圧検知工程の検知結果に基づいて、アノードガスの封入圧SP1を決定することにより、燃料電池システム1のアノードガスの保有量を可能な限り多くすることができる。
Further, a cathode pressure detecting step for detecting the cathode pressure is added by the cathode pressure sensor 7 provided in the
さらに、燃料圧低下工程でアノードの圧力を決定するにあたって、ISU5に、ディスチャージ電流値とアノードの圧力とを関係付けた燃料圧低下工程用マップ81を記憶させておき、この燃料圧低下工程用マップ81を参照してアノードの圧力を決定するようにしている。また、燃料封入工程でアノードの圧力を決定するにあたって、ISU5に、アノード系内のアノードガスの圧力とカソード系内のカソードガスの圧力との圧力差と、燃料封入工程時のアノードガスの圧力値とを関連付けた燃料封入工程用マップ82を記憶させておき、この燃料封入工程用マップ82を参照してアノードの圧力を決定するようにしている。このように、工程ごとにマップを用意することにより、適正なアノードガスの供給を実現することができると共に、燃料電池システム1を簡略化することができる。
Further, when determining the anode pressure in the fuel pressure lowering step, the
(第2実施形態)
次に、この発明の第2実施形態を図5〜図8に基づいて説明する。
図5は、第2実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。尚、第1実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明する。
この第2実施形態において、燃料電池システム101は、例えば燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック2と、燃料電池2にカソードガスである空気を供給するためのカソードガス供給手段3と、アノードガスである水素を供給するためのアノードガス供給手段4と、これら各構成品を統括的に制御するISU105とを主に備えている点、燃料電池システム101のシステム停止制御方法において、ディスチャージ処理、燃料圧低下工程、酸化剤循環工程、及び燃料封入工程を行う点等の基本的構成は、前述した第1実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the same aspect as 1st Embodiment.
In the second embodiment, the
ここで、この第2実施形態と前述の第1実施形態との相違点は、第2実施形態のISU105は、冬季判定監視部52を有しているのに対し、第1実施形態のISU5は、冬季判定監視部52を有していない点にある。
Here, the difference between the second embodiment and the first embodiment described above is that the
冬季判定監視部52は、外気温が所定温度よりも低いか否か、換言すれば、現在の季節が冬季なのか、冬季以外であるのかを判断するものである。冬季判定監視部52は、例えば、閾値温度が記憶されており、この閾値温度を超えれば現在は冬季ではないと判断し、閾値温度以下であれば現在は冬季であると判断する。そして、冬季判定監視部52の判断結果に基づいて、燃料電池システム101のシステム停止制御方法が変わり、例えば、不図示のモータや燃料電池システム101等のパワープラントが凍結してしまうのを防止できるようになっている。
また、ISU105には、パワープラントの凍結回数をカウントするカウンター53が設けられている。
The winter season
The
(燃料電池システムのシステム停止制御方法)
より具体的に、図5〜図8に基づいて、第2実施形態における燃料電池システム101のシステム停止制御方法について説明する。
まず、図6に基づいて、燃料電池システム101を駆動する際の凍結防止方法について説明する。図6は、第2実施形態におけるソーク中の凍結防止発電処理切り替え時のフローチャートである。ここで、凍結防止発電処理とは、パワープラントの凍結を防止するために燃料電池2の発電を行ってパワープラントの温度を上昇させることをいう。
(System stop control method for fuel cell system)
More specifically, a system stop control method for the
First, a method for preventing freezing when the
同図に示すように、まず、冬季判定監視部52により、冬季であるか否かの判断を行う(ステップST201)。
ステップST201における判断が「No」、つまり、冬季判定監視部52により冬季でないと判断された場合、凍結防止発電処理が実施されずに終了する。
一方、ステップST201における判断が「Yes」、つまり、冬季判定監視部52により冬季であると判断された場合、カウンター53によりカウントされたパワープラントの年間凍結回数が所定値以上であるか否かの判断を行う(ステップST202)。
As shown in the figure, first, the winter season
If the determination in step ST201 is “No”, that is, if the winter
On the other hand, if the determination in step ST201 is “Yes”, that is, if the winter
ステップST202における判断が「No」、つまり、パワープラントの年間凍結回数が所定以上でないと判断された場合、凍結防止発電処理が実施されずに終了する。
一方、ステップST202における判断が「Yes」、つまり、パワープラントの年間凍結回数が所定以上であると判断された場合、パワープラントの温度低下速度が所定値以上であるか否かの判断を行う(ステップST203)。この判断は、例えば、ISU105にパワープラントの温度低下速度の閾値を記憶させておき、この閾値を超える速度でパワープラントの温度が低下しているか否かを判断することにより行う。
If the determination in step ST202 is “No”, that is, if it is determined that the number of annual freezes of the power plant is not equal to or greater than a predetermined value, the freeze prevention power generation process is not performed and the process ends.
On the other hand, if the determination in step ST202 is “Yes”, that is, if it is determined that the number of annual freezing of the power plant is greater than or equal to a predetermined value, it is determined whether or not the temperature decrease rate of the power plant is greater than or equal to a predetermined value ( Step ST203). This determination is made, for example, by storing a threshold of the temperature decrease rate of the power plant in the
ステップST203における判断が「No」、つまり、パワープラントの温度低下速度が所定値以上でないと判断された場合、凍結防止発電処理が実施されずに終了する。
一方、ステップST203における判断が「Yes」、つまり、パワープラントの温度低下速度が所定値以上であると判断された場合、実際のパワープラントの温度低下速度を推定する(ステップST204)。パワープラントの温度低下速度を推定する方法としては、例えば、外気温情報、車両位置を決定するGPS情報、日付・時間情報等に基づいて推定する方法がある。
If the determination in step ST203 is “No”, that is, if it is determined that the temperature decrease rate of the power plant is not equal to or greater than the predetermined value, the freeze prevention power generation process is not performed and the process ends.
On the other hand, if the determination in step ST203 is "Yes", that is, if it is determined that the temperature decrease rate of the power plant is greater than or equal to a predetermined value, the actual temperature decrease rate of the power plant is estimated (step ST204). As a method for estimating the temperature decrease rate of the power plant, for example, there is a method of estimating based on outside air temperature information, GPS information for determining a vehicle position, date / time information, and the like.
続いて、ステップST204によって、推定されたパワープラントの温度低下速度に基づいて、凍結防止発電処理を実施するか否かの判断を行う(ステップST205)。
ステップST205における判断が「No」、つまり、推定されたパワープラントの温度低下速度が所定値を下回る場合、凍結防止発電処理が実施されずに終了する。
一方、ステップST205における判断が「Yes」、つまり、推定されたパワープラントの温度低下速度が所定値以上である場合、凍結防止発電処理を開始する(ステップST206)。
Subsequently, based on the estimated temperature decrease rate of the power plant in step ST204, it is determined whether or not the anti-freezing power generation process is to be performed (step ST205).
If the determination in step ST205 is “No”, that is, if the estimated temperature decrease rate of the power plant is below a predetermined value, the freeze prevention power generation process is not performed and the process ends.
On the other hand, if the determination in step ST205 is “Yes”, that is, if the estimated temperature decrease rate of the power plant is equal to or greater than a predetermined value, the freeze prevention power generation process is started (step ST206).
続いて、パワープラントの温度が所定温度に到達したか否かの判断を行う(ステップST207)。この判断は、例えば、燃料電池2に設けられている温度センサ6や、不図示のモータに設けられている温度センサ(不図示)による検出結果に基づいて行う。
ステップST207における判断が「No」、つまり、パワープラントの温度が所定温度に到達していない場合、再びステップST207の判断を行う。
一方、ステップST207における判断が「Yes」、つまり、パワープラントの温度が所定温度に到達した場合、凍結防止発電処理を停止する(ステップST208)。
Subsequently, it is determined whether or not the temperature of the power plant has reached a predetermined temperature (step ST207). This determination is made based on, for example, a detection result by a
If the determination in step ST207 is “No”, that is, if the temperature of the power plant has not reached the predetermined temperature, the determination in step ST207 is performed again.
On the other hand, if the determination in step ST207 is “Yes”, that is, if the temperature of the power plant reaches a predetermined temperature, the freeze prevention power generation process is stopped (step ST208).
続いて、図7に基づいて、ISU105の冬季判定監視部52を用いた酸化剤循環工程時のアノードガス供給方法について説明する。
図7は、第2実施形態における酸化剤循環工程時のアノードガス供給方法のフローチャートである。
同図に示すように、まず、冬季判定監視部52により、冬季であるか否かの判断を行う(ステップST301)。
Next, an anode gas supply method during the oxidant circulation process using the winter
FIG. 7 is a flowchart of an anode gas supply method during the oxidant circulation process in the second embodiment.
As shown in the figure, first, the winter season
ステップST301における判断が「Yes」、つまり、冬季判定監視部52により冬季であると判断された場合、不図示の冷却装置による燃料電池2の冷却を実施しない(ステップST302)。そして、その後に燃料圧低下工程を行う(ステップST303)。さらに、燃料圧低下工程の後、酸化剤循環工程を行う(ステップST304)。
If the determination in step ST301 is "Yes", that is, if the winter
一方、ステップST301における判断が「No」、つまり、冬季判定監視部52により冬季でないと判断された場合、燃料電池2に設けられた温度センサ6による検出結果より、燃料電池2が所定温度(以下、所定温度Atという)以上であるか否かをISU105で判断する(ステップST305)。
ステップST305における判断が「Yes」、つまり、燃料電池2の温度が所定温度以上である場合、不図示の冷却装置による燃料電池2の冷却を実施する(ステップST306)。この後、燃料圧低下工程を行う(ステップST307)。
On the other hand, when the determination in step ST301 is “No”, that is, when the winter
If the determination in step ST305 is “Yes”, that is, if the temperature of the
一方、ステップST305における判断が「No」、つまり、燃料電池2の温度が所定温度を下回る場合、燃料電池2の冷却を行わずにステップST307に進む。
燃料圧低下工程が終了した後、酸化剤循環工程を行う(ステップST308)。この際、燃料電池2の冷却を実施し、燃料電池2の温度が所定温度(以下、所定温度Btという)以上に上昇してしまうのを防止する(ステップST309)。
On the other hand, if the determination in step ST305 is “No”, that is, if the temperature of the
After the fuel pressure reduction process is completed, an oxidant circulation process is performed (step ST308). At this time, the
ここで、ステップST305における燃料電池2の所定温度Atは、ステップST309における燃料電池の所定温度Btよりも高温に設定されている。
また、冬季判定監視部52により冬季であると判断された場合に実施する燃料圧低下工程(ステップST303における燃料圧低下工程)におけるアノードガスの圧力値は、冬季判定監視部52により冬季でないと判断された場合に実施する燃料圧低下工程(ステップST307における燃料圧低下工程)におけるアノードガスの圧力値よりも小さく設定されている。
Here, the predetermined temperature At of the
Further, the pressure value of the anode gas in the fuel pressure lowering step (the fuel pressure lowering step in step ST303) performed when the winter
続いて、図8に基づいて、ISU105の冬季判定監視部52を用いた燃料封入工程の処理方法について説明する。
図8は、第2実施形態における燃料封入工程のフローチャートである。
同図に示すように、まず、冬季判定監視部52により、冬季であるか否かの判断を行う(ステップST401)。
Then, based on FIG. 8, the processing method of the fuel filling process using the winter season
FIG. 8 is a flowchart of the fuel filling process in the second embodiment.
As shown in the figure, first, the winter season
ステップST401における判断が「Yes」、つまり、冬季判定監視部52により冬季であると判断された場合、酸化剤循環工程が終了したか否かの判断を行う(ステップST402)。
ステップST402における判断が「No」、つまり、酸化剤循環工程が終了していないと判断された場合、再びステップST402の判断を行う。
一方、ステップST402における判断が「Yes」、つまり、酸化剤循環工程が終了していると判断された場合、燃料封入工程を実施する(ステップST403)。
When the determination in step ST401 is “Yes”, that is, when the winter
If the determination in step ST402 is “No”, that is, it is determined that the oxidant circulation step has not ended, the determination in step ST402 is performed again.
On the other hand, if the determination in step ST402 is “Yes”, that is, if it is determined that the oxidant circulation process is completed, the fuel filling process is performed (step ST403).
また、ステップST401における判断が「No」、つまり、冬季判定監視部52により冬季でないと判断された場合、酸化剤循環工程が終了し、且つ燃料電池2の温度が所定温度を下回っているか否かの判断を行う(ステップST404)。
ステップST404における判断が「No」、つまり、酸化剤循環工程が終了していないか、又は燃料電池2の温度が所定温度を下回っていないかの少なくとも何れか一方の状態である場合、再びステップST404の判断を行う。
一方、ステップST404における判断が「Yes」、つまり、酸化剤循環工程が終了し、且つ燃料電池2の温度が所定温度を下回っている場合、燃料封入工程を実施する(ステップST405)。
If the determination in step ST401 is “No”, that is, if the winter
If the determination in step ST404 is “No”, that is, if the oxidant circulation process is not completed or the temperature of the
On the other hand, when the determination in step ST404 is “Yes”, that is, when the oxidant circulation process is completed and the temperature of the
ここで、冬季判定監視部52により冬季であると判断された場合に実施する燃料封入工程(ステップST403における燃料封入工程)におけるアノードガスの所定圧力値は、冬季判定監視部52により冬季でないと判断された場合に実施する燃料封入工程(ステップST405における燃料封入工程)におけるアノードガスの所定圧力値よりも小さく設定されている。
換言すれば、アノードガスを目標の封入圧SP1(図3、図4参照)まで封入する封入速度は、ステップST403における燃料封入工程時の封入速度BvよりもステップST405における燃料封入工程時の封入速度Avが速くなるように設定されている。
Here, the predetermined pressure value of the anode gas in the fuel filling step (the fuel filling step in step ST403) performed when the winter
In other words, the sealing speed at which the anode gas is sealed up to the target sealing pressure SP1 (see FIGS. 3 and 4) is higher than the sealing speed Bv at the fuel sealing process at step ST403 at the time of the fuel sealing process at step ST405. Av is set to be faster.
(効果)
したがって、上述の第2実施形態によれば、前述の第1実施形態と同様の効果に加え、冬季時のソーク中における凍結による燃料電池2の劣化を抑制でき、燃料電池システム101の耐久性を向上させることができる。
(effect)
Therefore, according to the second embodiment described above, in addition to the same effects as those of the first embodiment described above, it is possible to suppress deterioration of the
また、冬季判定監視部52により冬季であると判断された場合に実施する燃料圧低下工程(図7のステップST303における燃料圧低下工程)におけるアノードガスの圧力値は、冬季判定監視部52により冬季でないと判断された場合に実施する燃料圧低下工程(図7のステップST307における燃料圧低下工程)におけるアノードガスの圧力値よりも小さく設定されている。さらに、アノードガスを目標の封入圧SP1(図3、図4参照)まで封入する封入速度は、図8のステップST403における燃料封入工程時の封入速度Bvよりも、図8のステップST405における燃料封入工程時の封入速度Avが速くなるように設定されている。
このため、外気温に関わらず、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応量の増大による固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができ、燃料電池システム101の耐久性をさらに向上させることができる。
Further, the pressure value of the anode gas in the fuel pressure lowering process (the fuel pressure lowering process in step ST303 in FIG. 7) performed when the winter
For this reason, deterioration of the solid polymer electrolyte membrane due to an increase in the amount of electrochemical reaction between the anode gas and the cathode gas can be suppressed regardless of the outside air temperature, and the durability of the
尚、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications made to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention.
1,101 燃料電池システム
2 燃料電池
3 カソードガス供給手段
4 アノードガス供給手段
5,105 ISU
6 温度センサ
7 カソード圧力センサ
8 アノード圧力センサ
31 カソードガス供給流路(酸化剤流通経路)
33 カソード流路(酸化剤流通経路)
35 カソードオフガス排出流路(酸化剤流通経路)
39 濃度センサ
42 アノードガス供給流路(燃料流通経路)
43 アノード流路(燃料流通経路)
44 アノードオフガス排出流路(燃料流通経路)
47 アノードオフガス循環流路(燃料流通経路)
51 酸素欠乏発電処理判断部
52 冬季判定監視部
73 カソードガス循環流路(酸化剤循環路)
81 燃料圧低下工程用マップ
82 燃料封入工程用マップ
1,101
6 Temperature sensor 7 Cathode pressure sensor 8
33 Cathode flow path (oxidant flow path)
35 Cathode off-gas discharge flow path (oxidant flow path)
39
43 Anode channel (fuel flow path)
44 Anode off-gas discharge flow path (fuel flow path)
47 Anode off-gas circulation flow path (fuel flow path)
51 Oxygen-deficient power generation
81 Map for fuel
Claims (7)
前記アノードに面し、前記燃料電池に供給される燃料、及び前記燃料電池から排出された燃料が流通する燃料流通経路と、
前記カソードに面し、前記燃料電池に供給される酸化剤、及び前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤流通経路とを備え、
前記酸化剤流通経路には、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記燃料電池の供給側に戻す酸化剤循環路が設けられている燃料電池システムの停止制御方法において、
イグニッションオフ後に、前記燃料電池のディスチャージに必要な燃料量を供給するのに必要な圧力まで前記燃料の圧力を低下させる燃料圧低下工程と、
前記燃料圧低下工程後に、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記酸化剤循環路を介して前記燃料電池の供給側に戻す酸化剤循環工程と、
前記酸化剤循環工程の後、前記アノード内の前記燃料の圧力と前記カソード内の前記酸化剤の圧力との圧力差、及び前記アノード内の燃料の濃度と前記カソード内の酸化剤の濃度との濃度差の少なくとも何れか一方の差に基づいて、前記カソードに前記燃料が拡散される燃料供給量を求め、この求めた燃料供給量分の燃料を前記燃料電池に封入する燃料封入工程とを有することを特徴とする燃料電池システムの停止制御方法。 A fuel cell having an anode and a cathode;
A fuel flow path facing the anode and through which fuel supplied to the fuel cell and fuel discharged from the fuel cell flow;
An oxidant flow path facing the cathode and supplied to the fuel cell, and an oxidant flow path through which the oxidant discharged from the fuel cell flows,
In the fuel cell system stop control method, the oxidant circulation path is provided with an oxidant circulation path that returns the oxidant discharged from the fuel cell to the supply side of the fuel cell.
A fuel pressure lowering step of reducing the pressure of the fuel to a pressure necessary to supply a fuel amount necessary for discharging the fuel cell after ignition off;
An oxidant circulation step of returning the oxidant discharged from the fuel cell to the supply side of the fuel cell via the oxidant circulation path after the fuel pressure lowering step;
After the oxidant circulation step, the pressure difference between the pressure of the fuel in the anode and the pressure of the oxidant in the cathode, and the concentration of fuel in the anode and the concentration of oxidant in the cathode A fuel filling step of obtaining a fuel supply amount in which the fuel is diffused to the cathode based on at least one of the concentration differences, and filling the fuel cell with fuel for the obtained fuel supply amount. A stop control method for a fuel cell system.
前記温度検知工程により前記燃料電池の温度が所定の温度よりも高いと検知された場合、前記酸化剤循環工程よりも前に、前記燃料電池の温度を所定温度まで冷却する冷却工程とを有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムの停止制御方法。 A temperature detecting step for detecting the temperature of the fuel cell;
A cooling step of cooling the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature before the oxidant circulation step when the temperature detection step detects that the temperature of the fuel cell is higher than the predetermined temperature. The fuel cell system stop control method according to claim 1, wherein the fuel cell system is stopped.
前記最低温度推測工程による推測結果より、前記外気温の最低温度が所定温度よりも低くなるとされた場合、前記冷却工程を行わないことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システムの停止制御方法。 Having a minimum temperature estimation step of estimating whether the minimum temperature of the outside air temperature is lower than a predetermined temperature,
4. The fuel cell system stop control according to claim 3, wherein the cooling step is not performed when the minimum temperature of the outside air temperature is determined to be lower than a predetermined temperature from the estimation result of the minimum temperature estimation step. 5. Method.
前記カソード圧検知工程により検知された前記カソードの圧力に基づいて、前記燃料封入工程における前記燃料電池に封入する燃料供給量を変化させることを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システムの停止制御方法。 A cathode pressure detecting step of detecting the pressure of the cathode;
7. The fuel supply amount to be sealed in the fuel cell in the fuel sealing step is changed based on the cathode pressure detected in the cathode pressure detecting step. The stop control method for a fuel cell system according to item.
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