JP2014241211A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、カソードガス及びアノードガスを排出する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that discharges cathode gas and anode gas.
特許文献1には、起動時にカソードガス及びアノードガスを燃料電池に供給し、燃料電池を発電させることで発生する熱を利用して、燃料電池の暖機運転を行う燃料電池システムが開示されている。
ところで、燃料電池システムでは、燃料電池内のアノードガス流路にアノードガスを充填した状態でシステムを停止させる。そのため、システムの停止中は、アノードガスが膜電極接合体を透過してカソードガス流路に流れてくるので、システムを起動するときには、燃料電池内のカソードガス流路にアノードガスが滞留している。この滞留アノードガスは、起動時にポンプを駆動してカソードガスを燃料電池に供給することで規定の濃度に希釈されてカソードガス排出通路に排出される。その後、燃料電池の暖機運転が行われる。 By the way, in the fuel cell system, the system is stopped in a state where the anode gas flow path in the fuel cell is filled with the anode gas. Therefore, when the system is stopped, the anode gas passes through the membrane electrode assembly and flows into the cathode gas flow path. Therefore, when starting the system, the anode gas stays in the cathode gas flow path in the fuel cell. Yes. This staying anode gas is diluted to a prescribed concentration by driving the pump at the start-up and supplying the cathode gas to the fuel cell, and is discharged to the cathode gas discharge passage. Thereafter, the warm-up operation of the fuel cell is performed.
また、燃料電池のアノードガス排出口には、アノードガス流路内に蓄積した不純物や水を排出するためのパージ弁が設けられており、このパージ弁からは、不純物と同時にアノードガスが排出される。そのため、パージ弁から排出されるアノードガスについては、カソードガス排出通路へ排出し、カソードガスで規定の濃度に希釈して大気に排出している。 A purge valve for discharging impurities and water accumulated in the anode gas flow path is provided at the anode gas discharge port of the fuel cell, and the anode gas is discharged simultaneously with the impurities from the purge valve. The Therefore, the anode gas discharged from the purge valve is discharged to the cathode gas discharge passage, diluted to a prescribed concentration with the cathode gas, and discharged to the atmosphere.
このため、起動時には、カソードガス排出通路出口のアノードガス濃度が規定の濃度を超えないように、ポンプを駆動してカソードガス流路内の滞留アノードガスを希釈および排出し、その後アノードガス流路からアノードガスのパージを開始する。なお、高圧タンクと燃料電池とを結ぶアノードガス供給配管には遮断弁が設けられており、起動時には、燃料電池の発電開始に備えてパージ弁を開弁する前に遮断弁を開弁しておき、下流の調圧弁によってアノードガスの圧力を所定の圧力に制御している。 Therefore, at startup, the pump is driven to dilute and discharge the staying anode gas in the cathode gas flow path so that the anode gas concentration at the cathode gas discharge passage outlet does not exceed the prescribed concentration, and then the anode gas flow path Then, the purge of the anode gas is started. The anode gas supply pipe connecting the high-pressure tank and the fuel cell is provided with a shut-off valve. At startup, the shut-off valve is opened before the purge valve is opened in preparation for the start of fuel cell power generation. The pressure of the anode gas is controlled to a predetermined pressure by the downstream pressure regulating valve.
このような燃料電池システムにおいて、零下の温度環境でシステム異常によって緊急停止するような場合は、次回の起動を通常の起動処理により行うと、次のような不都合が生じる可能性があることを発明者らは見出した。 In such a fuel cell system, when an emergency stop is caused by a system abnormality in a subzero temperature environment, the following inconvenience may occur if the next activation is performed by a normal activation process. They found out.
燃料電池の運転中は、発電反応によってカソードガス流路で水蒸気が生成され、その水蒸気は、膜電極接合体を透過してアノードガス流路を流れてパージ弁まで到達する。このため、零下環境でシステム停止した場合などで、システム内部温度が凍結温度以下に低下すると、凝縮した水蒸気が水、更には氷となり、パージ弁が凍結する。凍結した状態でパージ弁に対して開閉制御を実行すると、パージ弁を開けることはできても、氷の存在によって閉止できなくなる可能性がある。そこで、停止状態に遷移する前の停止処理において、パージ弁内部の液水を排出する水抜き操作を実施することで、パージ弁の凍結による閉弁不良を防止している。 During the operation of the fuel cell, water vapor is generated in the cathode gas flow path by the power generation reaction, and the water vapor passes through the membrane electrode assembly and flows through the anode gas flow path to reach the purge valve. For this reason, when the system internal temperature falls below the freezing temperature, such as when the system is stopped in a sub-zero environment, the condensed water vapor becomes water and further ice, and the purge valve freezes. If the opening / closing control is performed on the purge valve in a frozen state, the purge valve may be opened but may not be closed due to the presence of ice. Therefore, in the stop process before the transition to the stop state, the draining operation for discharging the liquid water inside the purge valve is performed, thereby preventing the valve closing failure due to the freezing of the purge valve.
ところが、零下環境下でシステムが強制停止されたときには、通常停止時の水抜き操作を実施することができないため、パージ弁を閉じても、凍結によってパージ弁が閉止できずに開いている可能性がある。このような状況で通常の起動処理により遮断弁を開弁してポンプを駆動すると、アノードガスがパージ弁から漏れ出している状態で、カソードガス流路内の滞留アノードガスが、カソードガス排出流路に排出されてしまう。その結果、カソードガス排出通路から排出されるアノードガスの濃度が規定の濃度を超えることが懸念される。 However, when the system is forcibly stopped under a sub-zero environment, it is not possible to carry out the water draining operation at the time of normal stop. Therefore, even if the purge valve is closed, the purge valve may not be closed due to freezing and may be opened. There is. In such a situation, when the pump is driven by opening the shut-off valve by a normal start-up process, the staying anode gas in the cathode gas flow channel is discharged from the cathode gas discharge flow with the anode gas leaking from the purge valve. It will be discharged to the road. As a result, there is a concern that the concentration of the anode gas discharged from the cathode gas discharge passage exceeds a prescribed concentration.
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、強制停止後の起動時において燃料電池から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that suppresses an increase in the concentration of anode gas discharged from the fuel cell at the time of startup after a forced stop. To do.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。 The present invention solves the above problems by the following means.
この発明による燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、前記カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを前記燃料電池に供給するポンプと、を含む。そして燃料電池システムは、前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、前記アノードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池へのアノードガスの供給を遮断する遮断弁と、を含む。また燃料電池システムは、前記燃料電池からカソードガスを排出するカソードガス排出通路と、前記燃料電池からアノードガスを排出するアノードガス排出通路と、を含む。さらに燃料電池システムは、前記アノードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードガスを前記カソードガス排出通路にパージするパージ弁を含む。また、燃料電池システムは、前記燃料電池を起動するときは、前記遮断弁を開き、前記ポンプを第1所定期間駆動して前記燃料電池のカソードガス流路に透過してきた滞留アノードガスを前記カソードガス排出通路に排出し、前記第1所定期間経過後に前記パージ弁を開く通常起動手段を含む。そして燃料電池システムは、燃料電池システムを強制停止した後に起動するときは、前記ポンプを第2所定期間駆動してカソードガス流路内の滞留アノードガスを排出し、前記第2所定期間経過後に前記遮断弁を開き、前記パージ弁を開く強制停止時起動手段を含むことを特徴とする。 The fuel cell system according to the present invention includes a cathode gas supply passage for supplying a cathode gas to the fuel cell, and a pump provided in the cathode gas supply passage and supplying the cathode gas to the fuel cell. The fuel cell system includes an anode gas supply passage for supplying anode gas to the fuel cell, and a shutoff valve provided in the anode gas supply passage and for blocking supply of the anode gas to the fuel cell. . The fuel cell system includes a cathode gas discharge passage for discharging cathode gas from the fuel cell, and an anode gas discharge passage for discharging anode gas from the fuel cell. The fuel cell system further includes a purge valve that is provided in the anode gas discharge passage and purges the anode gas discharged from the fuel cell into the cathode gas discharge passage. Further, when starting the fuel cell, the fuel cell system opens the shut-off valve, drives the pump for a first predetermined period, and removes the staying anode gas that has permeated into the cathode gas flow path of the fuel cell. Normal starting means for discharging to the gas discharge passage and opening the purge valve after the first predetermined period has elapsed is included. When the fuel cell system is started after forcibly stopping the fuel cell system, the pump is driven for a second predetermined period to discharge the staying anode gas in the cathode gas flow path, and after the second predetermined period has elapsed, It includes a forced stop start means for opening a shut-off valve and opening the purge valve.
この態様によれば、零下の温度環境においてシステムの異常などが原因で燃料電池の運転を強制停止した後に再起動するようなときは、ポンプを駆動してカソードガス流路から滞留アノードガスを排出した後に、アノードガスの遮断弁を開く。 According to this aspect, when the fuel cell operation is forcibly stopped due to a system abnormality or the like in a subzero temperature environment, the pump is driven to discharge the staying anode gas from the cathode gas flow path. After that, the anode gas shut-off valve is opened.
このため、起動時において、万一凍結によりパージ弁が開いた状態であっても、遮断弁の開弁によってパージ弁からアノードガスがカソードガス排出通路へ漏れ出す前に、事前にカソードガス流路内の滞留アノードガスがカソードガス排出通路に排出される。 For this reason, even if the purge valve is open due to freezing at the time of startup, the cathode gas flow path is required in advance before the anode gas leaks from the purge valve to the cathode gas discharge passage by opening the shut-off valve. The staying anode gas is discharged into the cathode gas discharge passage.
したがって、強制停止後の起動時において、カソードガス排出通路から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制することができる。 Accordingly, it is possible to suppress an increase in the concentration of the anode gas discharged from the cathode gas discharge passage at the time of startup after the forced stop.
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。 Embodiments of the present invention and advantages of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池スタック110を示す斜視図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a
燃料電池スタック110は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータに電力を供給する電源として用いられる。燃料電池スタック110は、複数枚の燃料電池を積層したものである。
In this embodiment, the
燃料電池は、アノード電極(いわゆる燃料極)と、カソード電極(いわゆる酸化剤極)と、これらの電極に挟まれる電解質膜と、を備える。ここでは、積層された複数の燃料電池のひとつを「単セル」という。 The fuel cell includes an anode electrode (so-called fuel electrode), a cathode electrode (so-called oxidant electrode), and an electrolyte membrane sandwiched between these electrodes. Here, one of the stacked fuel cells is referred to as a “single cell”.
燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス(いわゆる燃料ガス)及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス(いわゆる酸化剤ガス)を用いて発電する。燃料電池の電気化学反応は、アノード電極及びカソード電極の両電極において、以下のとおり進行する。 The fuel cell generates electricity using an anode gas containing hydrogen (so-called fuel gas) supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen (so-called oxidant gas) supplied to the cathode electrode. The electrochemical reaction of the fuel cell proceeds as follows in both the anode electrode and the cathode electrode.
アノード電極: 2H2 → 4H++4e− ・・・(1)
カソード電極: 4H++4e−+O2 → 2H2O ・・・(2)
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
燃料電池スタック110は、積層された複数の単セル1と、一対の集電板2a及び2bと、一対の絶縁板3a及び3bと、一対のエンドプレート4a及び4bと、図示しない4本のテンションロッドに螺合するナット5と、を有する。
The
単セル1は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル1は、1ボルト程度の起電圧を生じる。単セル1の構造については図2を参照して後述する。
The
一対の集電板2a及び2bは、積層された複数の単セル1の外側にそれぞれ配置される。集電板2a及び2bは、ガス不透過性の導電性部材で形成される。ガス不透過性の導電部材は、例えば緻密質カーボンである。集電板2a及び2bは、上辺の一部に出力端子6を備える。燃料電池スタック110は、出力端子6から単セル1ごとに生じた電子e−を取り出して出力する。
The pair of
一対の絶縁板3a及び3bは、集電板2a及び2bの外側にそれぞれ配置される。絶縁板3a及び3bは、絶縁性の部材で形成される。絶縁性の部材は例えばゴムなどである。
The pair of insulating
一対のエンドプレート4a及び4bは、絶縁板3a及び3bの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート4a及び4bは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。
The pair of
一対のエンドプレート4a及び4bのうち、一方のエンドプレート4aには、冷却水の入口孔41a及び出口孔41bと、アノードガスの入口孔42a及び出口孔42bと、カソードガスの入口孔43a及び出口孔43bとが形成される。なお、冷却水入口孔41a、アノードガス出口孔42b及びカソードガス入口孔43aは、エンドプレート4aの一端側(図中右側)に形成され、冷却水出口孔41b、アノードガス入口孔42a及びカソードガス出口孔43bは、他端側(図中左側)に形成される。
Of the pair of
ここで、アノードガス入口孔42aに水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。
Here, as a method of supplying hydrogen to the anode
なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料ガスとしては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔43aに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。
Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. As the fuel gas containing hydrogen, natural gas, methanol, gasoline or the like can be considered. Air is generally used as the oxidant gas supplied to the cathode
ナット5は、燃料電池スタック110の内部を貫通する図示しない4本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット5を螺合締結することで、燃料電池スタック110を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル1同士の電気短絡を防止している。
The
図2は、図1のII-II線に沿う方向から見た単セル1の断面の一部を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a part of a cross section of the
単セル1は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:以下「MEA」という)11を、アノードセパレータ20とカソードセパレータ30とで挟持して構成する。
The
MEA11は、電解質膜11aと、アノード電極11bと、カソード電極11cとを有する。MEA11は、電解質膜11aの一方の面にアノード電極11bを有し、他方の面にカソード電極11cを有する。
The
電解質膜11aは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜11aは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
The
アノード電極11b及びカソード電極11cは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
The
アノードセパレータ20は、アノード電極11bと接する。アノードセパレータ20は、アノード電極11bと接する側に、アノード電極11bにアノードガスを供給するためのアノードガス流路24を有する。そして、アノード電極11bと直接接する面(後述する流路リブ25の頂面)25aの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック110を冷却する冷却水が流れる冷却水流路26を有する。
The
カソードセパレータ30も同様に、カソード電極11cと接する側に、カソード電極11cにカソードガスを供給するためのカソードガス流路34を有し、カソード電極11cと接する面(後述する流路リブ35の頂面)35aの反対面に冷却水流路36を有する。アノードセパレータ20及びカソードセパレータ30は、金属又はカーボンである。
Similarly, the
なお、隣接するアノードセパレータ20とカソードセパレータ30とに設けられたそれぞれの冷却水流路26及び冷却水流路36は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路26及び冷却水流路36によって1つの冷却水流路51が形成される。
The cooling
また、ガス流路24を流れるアノードガスと、ガス流路34を流れるカソードガスとは、MEA11を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路24を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路34を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。
Also, the anode gas flowing through the
図3Aは、アノードセパレータ20をアノード電極側から見た平面図である。
FIG. 3A is a plan view of the
アノードセパレータ20の一端(図中左側)には、上から順に、カソードガス出口孔43b、冷却水出口孔41b、アノードガス入口孔42aが形成される。一方、アノードセパレータ20の他端(図中右側)には、上から順に、アノードガス出口孔42b、冷却水入口孔41a、カソードガス入口孔43aが形成される。
A cathode
また、アノードセパレータ20の表面には、アノードガス拡散部21と、複数の溝状のアノードガス流路24と、アノードガス合流部27とが形成される。ここでは、アノードガス流路は、単に「ガス流路」という。
Further, on the surface of the
ガス流路24は、ガス流路底面24aからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数の流路リブ25との間に形成される流路である。なお、流路リブ25の背面が、前述した冷却水流路26となっている。流路リブ25の側面25bはテーパ状となっており、流路リブ頂面25aからガス流路底面24aへ向けて一定の角度で傾斜している。これにより、ガス流路24を流れるガス及び冷却水流路26を流れる冷却水の余分な乱流を抑制して圧力損失を低減している。
The
アノードガス拡散部21は、アノードガス入口孔42aとガス流路24との間に形成される。アノードガス拡散部21は、アノードガス入口孔42aからガス流路24へ向かって幅が広がっていくガス流路である。
The anode
アノードガス拡散部21には、アノードガスを各ガス流路24へ均等に分配するために、アノードガス拡散部底面21aからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の突起状の拡散リブ22が格子状に形成される。
The anode
アノードガス合流部27は、ガス流路24とアノードガス出口孔42bとの間に形成される。アノードガス合流部27は、ガス流路24からアノードガス出口孔42bへ向かって幅が狭くなっていくガス流路である。
The anode
アノードガス合流部27には、アノードガス合流部底面27aからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の合流リブ28が形成される。アノードガス合流部27は、この合流リブ28によって複数の領域29に区分けされる。以下では、この区分けされた各領域29を「ガス合流流路29」という。
A plurality of merging
合流リブ28は、ガス流路終端27aからアノードガス出口孔42bへ向かって形成される。合流リブ28は、アノードガス出口孔42bへ行くほどガス合流流路29の幅が狭くなるように形成される。合流リブ28は、ガス流路24から各ガス合流流路29に流れ込むガス流量が略同一となるように形成される。合流リブ28の本数は、流路リブ25の本数よりも少ない。なお、隣接するガス合流流路29の流路幅がガス流路24の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ25の終端が延長されている。
The joining
図3Bは、カソードセパレータ30をカソード電極11c側から見た平面図である。
FIG. 3B is a plan view of the
カソードセパレータ30は、アノードセパレータ20と同様の構成である。カソードセパレータ30は、カソードガス拡散部31と、カソードガス流路34と、流路リブ35と、カソードガス合流部37とを有する。ここでは、カソードガス流路を単に「ガス流路」という。
The
カソードガス拡散部31には拡散リブ32が設けられる。カソードガス合流部37には、合流リブ38が設けられ、ガス合流流路39が形成される。
The cathode
カソードセパレータ30は、MEA11を介してアノードセパレータ20と対向しているため、カソードセパレータ30の一端側(図中左側)は、アノードセパレータ20の他端側(図3Aの右側)となる。そして、カソードセパレータ30の他端側(図中右側)が、アノードセパレータ20の一端側(図3Aの左側)となる。
Since the
したがって、カソードセパレータ30の一端側(図中左側)には、アノードセパレータ20の他端側に形成される3つの孔に対応してアノードガス出口孔42b、冷却水入口孔41a、カソードガス入口孔43aが形成される。そして、カソードセパレータ30の他端側(図中右側)にも、アノードセパレータ20の一端側に形成される3つの孔に対応してカソードガス出口孔43b、冷却水出口孔41b、アノードガス入口孔42aが形成される。
Therefore, on one end side (left side in the figure) of the
図4は、本発明の実施形態における燃料電池システム100の構成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the
燃料電池システム100は、燃料電池に対して外部から発電に必要な燃料ガスを供給し、負荷に応じて発電する電源システムである。燃料電池システム100は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータなどに電力を供給する。
The
燃料電池システム100は、燃料電池スタック110と、カソードガス給排装置120と、アノードガス給排装置130と、スタック冷却装置140と、コントローラー150と、を備える。
The
燃料電池スタック110は、例えば数百V(ボルト)の電圧を発電する。燃料電池スタック110は、駆動モータや補機に接続される。燃料電池スタック110に積層された単セル1は、互いに直列に接続されているため、燃料電池スタック110では、各単セル1に生じるセル電圧の総和が出力電圧となる。
The
燃料電池スタック110は、カソードガス給排装置120からカソードガスが供給され、アノードガス給排装置130からアノードガスが供給される。
The
カソードガス給排装置120は、燃料電池スタック110にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック110から排出されるカソードガスを大気に排出する装置である。
The cathode gas supply /
カソードガス給排装置120は、カソードガス供給通路121と、カソードコンプレッサー122と、カソード圧力センサー123と、カソードガス排出通路124と、を備える。
The cathode gas supply /
カソードガス供給通路121は、燃料電池スタック110にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路121の一端は、外気から酸素を取り込む通路と連通し、他端はカソードガス入口孔43aに接続される。
The cathode
カソードコンプレッサー122は、カソードガスを燃料電池スタック110に供給するポンプである。カソードコンプレッサー122は、カソードガス供給通路121に設けられる。カソードコンプレッサー122は、外気からカソードガス供給通路121に酸素を含む空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック110に供給する。
The
カソード圧力センサー123は、カソードコンプレッサー122よりも下流に位置するカソードガス供給通路121に設けられる。カソード圧力センサー123は、カソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサー123は、検出した値をコントローラー150に出力する。カソード圧力センサー123の検出値は、例えばカソードコンプレッサー122の流量調整に用いられる。
The
カソードガス排出通路124は、燃料電池スタック110からカソードガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路124の一端は、カソードガス出口孔43bに接続され、他端は開口している。以下では、カソードガス排出通路124から排出されるガスのことを「排出ガス」という。
The cathode
アノードガス給排装置130は、燃料電池スタック110にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック110から不純物をカソードガス排出通路へ排出する装置である。
The anode gas supply /
アノードガス給排装置130は、アノードガス供給通路131と、遮断弁132と、アノード調圧弁133と、アノード圧力センサー134と、を備える。さらにアノードガス給排装置130は、アノードガス排出通路135を備える。
The anode gas supply /
アノードガス供給通路131は、燃料電池スタック110にアノードガスを供給するための通路である。アノードガス供給通路131の一端は、例えばアノードガスが充填された高圧タンクに接続され、他端は、アノードガス入口孔42aに接続される。
The anode
遮断弁132は、アノードガス供給通路131に設けられる。遮断弁132は、燃料電池スタック110に供給されるアノードガスを遮断する。遮断弁132は、コントローラー150によって開閉制御される。遮断弁132は、燃料電池システム100の起動中に開弁し、停止時に閉止する。
The shut-off
アノード調圧弁133は、遮断弁132よりも下流に位置するアノードガス供給通路131に設けられる。アノード調圧弁133は、コントローラー150によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック110に供給されるアノードガスが、燃料電池に要求される発電電力に基づいて所定の圧力に調節される。
The anode
アノード圧力センサー134は、アノード調圧弁133とアノードガス入口孔42aとの間のアノードガス供給通路131に設けられる。アノード圧力センサー134は、アノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサー134は、検出した値をコントローラー150に出力する。アノード圧力センサー134の検出値は、例えばアノード調圧弁133の開度の調整に用いられる。
The
アノードガス排出通路135は、燃料電池スタック110からアノードガスに含まれる不純物を排出する通路である。アノードガス排出通路135の一端は、カソードガス排出通路124に合流し、他端は、貯水バッファ136の出口孔に接続される。
The anode
貯水バッファ136は、アノードガス出口孔42bに設けられる。なお、本実施形態では貯水バッファ136をアノードガス出口孔42bに直接接続しているが、アノードガス出口孔42bとカソードガス排出通路124とを結ぶアノードガス排出通路の途中に貯水バッファ136を設けても良い。
The
アノードガス出口孔42bから排出されるアノードガスには、発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスの他に、カソードガスに含まれる不活性ガスの窒素や、発電反応に伴う水蒸気などの不純物が含まれている。
In the anode gas discharged from the anode
貯水バッファ136は、アノードガス出口孔42bから、後述のパージ弁362の排水性能を超える流量の凝縮水が一時的に排出された場合に、凝縮水がアノードガス出口孔42bに逆流するのを防止する役割を果たす。
The
アノードガス排出通路135には、アノードガス中の窒素、水蒸気、凝縮水をカソードガス排出通路124へ排出するためのパージ弁362を備える。
The anode
パージ弁362からは、アノードガス排出通路135内の水素を含むアノードガスが、カソードガス排出通路124へ排出される。これにより、カソードガスで排出ガス中の水素が希釈される。パージ弁362は、コントローラー150によって開閉制御される。この開閉制御によって、カソードガス排出通路124の出口端で水素濃度が規定値以下に維持される。
From the
スタック冷却装置140は、冷媒によって燃料電池スタック110及び貯水バッファ136を冷却する装置である。冷媒としては、本実施形態では冷却水が用いられる。
The
スタック冷却装置140は、冷却水循環通路141と、熱交換器142と、冷却水ポンプ143と、バイパス流路144と、サーモスタット145と、分岐通路411及び合流通路412と、を備える。
The
冷却水循環通路141は、燃料電池スタック110に冷却水を循環させる通路である。
The cooling
熱交換器142は、冷却水循環通路141に設けられる。熱交換器142は、燃料電池スタック110で温められた冷却水を、例えばファンによって冷却する。
The
冷却水ポンプ143は、冷却水循環通路141に設けられる。冷却水ポンプ143は、熱交換器142で冷やされた冷却水を燃料電池スタック110に吐出する。冷却水ポンプ143の吐出流量は、コントローラー150によって制御される。
The cooling
バイパス流路144は、燃料電池スタック110の下流の冷却水循環通路141から分岐して冷却水ポンプ143の上流に合流する。
The
サーモスタット145は、バイパス流路144の合流部に設けられる。サーモスタット145は、バイパス流路144および熱交換器142に供給される冷却水の流量を制御する。これにより、冷却水ポンプ143に供給される冷却水の温度を制御することができる。具体的には、冷却水の温度が低いほど、バイパス流路144を流れる冷却水流量が多くなるように制御する。
The
分岐通路411は、冷却水ポンプ143の下流の冷却水循環通路141から分岐して貯水バッファ136およびパージ弁362の筐体に冷却水を通す。このため、容積部361とパージ弁362とを通過する内部通路には、燃料電池スタック110の暖機操作(暖機運転)により燃料電池スタック110で温められた冷却水が流れる。
The
これにより、貯水バッファ136およびパージ弁362も暖機されるので、零下環境下で凝縮水が凍結するのを防止することができる。なお、バイパス通路144にヒーターを設け、ヒーターによって冷却水を加熱して貯水バッファ136及びパージ弁362を暖機してもよい。
As a result, the
合流通路412は、貯水バッファ136およびパージ弁362の内部通路から延びて冷却水ポンプ143の上流の冷却水循環通路141に合流する。
The
コントローラー150は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピューターで構成される。
The
コントローラー150は、カソードコンプレッサー122、遮断弁132、アノード調圧弁133、パージ弁362及び冷却水ポンプ143を制御して、燃料電池スタック110を発電させる。
The
また、コントローラー150は、燃料電池システム100を停止するときに水抜き操作を行う。具体的にはコントローラー150は、停止処理中に燃料電池の発電電力を最小値まで下げた状態でパージ弁362を開き、パージ弁362の開状態を所定時間継続させる。もしくは、コントローラー150は、停止処理中に発電電力を最小値まで下げた状態でパージ弁362の開閉操作を数回連続して行う。これにより、貯水バッファ136内部の液水が排出されるので、システム停止中にパージ弁362が凍結するのを防止できる。
Further, the
その後、コントローラー150は、燃料電池スタック110の劣化を防止するために、カソードガス流路34内の酸素濃度を十分に下げた後、遮断弁132を閉じる。そのため、燃料電池スタック110のアノード極にアノードガスが充填された状態で、燃料電池システム100が停止される。
Thereafter, the
燃料電池の膜電極接合体11は高分子の膜で構成されるため、両極(アノード電極及びカソード電極)のガスの分圧差によってガスが透過する。燃料電池システム100の停止直後は、カソードガス流路34の水素分圧はほぼゼロであるのに対し、アノードガス流路24には水素を中心とするガスで充填されているため水素分圧が高い状態である。このため、アノードガスが膜電極接合体11を透過してカソードガス流路34に流れてくる。
Since the
その結果、燃料電池システム100を起動するときには、膜電極接合体11を透過してくるアノードガス(いわゆるクロスオーバー水素)が、カソードガス流路34に多量に滞留している。以下では、停止中にカソードガス流路34内に滞留したアノードガスを「滞留アノードガス」という。
As a result, when the
コントローラー150は、図5に示すように、滞留アノードガスを燃料電池システム100の起動中に排出する。
As shown in FIG. 5, the
図5は、滞留アノードガスを排出するために通常行われる起動処理を示すタイミングチャートである。 FIG. 5 is a timing chart showing a start-up process that is normally performed to discharge the staying anode gas.
図5(a)は、カソード圧力センサー123で検出されるカソードガスの圧力と、遮断弁132の上流側のアノードガスの圧力とを示す図である。ここでは、アノードガスの圧力が実線で示され、カソードガスの圧力が破線で示されている。
FIG. 5A is a diagram showing the pressure of the cathode gas detected by the
図5(b)は、遮断弁132の開閉状態を示す図である。図5(c)は、カソードコンプレッサー122による空気流量を示す図である。図5(b)及び図5(c)では、コントローラー150による指令値が実線で示され、実際の状態が点線で示されている。図5(d)は、パージ弁362の開閉状態を示す図である。図5(a)から図5(d)では、互いに横軸が共通の時間軸で示されている。
FIG. 5B is a diagram showing the open / close state of the shut-off
まず、時刻t0において、例えば車両のイグニッションキーがONに設定されたことにより、コントローラー150は、燃料電池システム100の起動処理を開始する。このとき、遮断弁132及びパージ弁362は、共に閉弁状態であり、また、カソードコンプレッサー122は停止状態である。このため、空気流量はゼロ(0)であり、カソードガスの圧力は大気圧と同等である。
First, at time t0, for example, when the ignition key of the vehicle is set to ON, the
時刻t1では、図5(b)に示すように、遮断弁132が閉止状態から開弁状態に切り替えられる。これにより、遮断弁132よりも上流側のアノードガスの圧力はカソードガスの圧力よりも高くなり、アノード調圧弁133がアノードガスの圧力を制御可能な状態になる。
At time t1, as shown in FIG. 5B, the
時刻t2では、アノードガス圧力およびカソードガス圧力の目標値を上昇させることで、燃料電池の両極にそれぞれアノードガス、カソードガスを供給する。 At time t2, the anode gas pressure and the cathode gas pressure are increased to increase the target values of the anode gas pressure and the cathode gas pressure, whereby the anode gas and the cathode gas are supplied to both electrodes of the fuel cell, respectively.
燃料電池システム100の起動時は、起動前の放置時間によってはアノードガス流路24内に多量の不純物ガスが蓄積している可能性がある。このため、アノードガス圧力をアイドル時の圧力に対して高く設定し、アノードガス流路24に多量に水素を供給することでアノードガス流路24内の水素濃度を確保する。
When the
一方、カソードガスは、カソードコンプレッサー122によってカソードガス流路34内の滞留アノードガスを排出するための空気流量(以下「滞留ガス排出空気流量」という)に設定される。そして図5(c)に示すように、カソードコンプレッサー122の操作量を増加させた状態で、所定の排出期間(例えば数秒)以上、カソードコンプレッサー122の操作量を維持する。
On the other hand, the cathode gas is set to an air flow rate (hereinafter referred to as “retained gas discharge air flow rate”) for discharging the staying anode gas in the cathode
これにより、カソードガス流路34から滞留アノードガスを大気に排出するこができる。なお、カソードコンプレッサー122による滞留ガス排出空気流量は、滞留アノードガス中の水素濃度やアノードガス流路24の体積などによって予め定められている。
Thereby, the staying anode gas can be discharged from the cathode
滞留アノードガス排出期間を経過した時刻t3において、パージ弁362からアノードガス流路24内の不純物ガスをパージするための準備を開始する。パージ弁362からパージを開始すると、不純物と一緒に水素が排出されるため、カソードガス排出通路124に、排出される水素を規定の濃度に希釈するためのカソードガスを供給しなければならない。そこで、図5(c)に示すように、時刻t3においてカソードコンプレッサー122の目標値を切り替える。
At time t3 when the staying anode gas discharge period has elapsed, preparation for purging the impurity gas in the anode
これにより、カソードガスで希釈される水素の濃度が規定値以下に抑えられる。パージされるアノードガスを希釈するための空気流量(以下「パージ希釈空気流量」という)の演算方法は、後に図8および図9を用いて説明する。 As a result, the concentration of hydrogen diluted with the cathode gas is suppressed to a specified value or less. A method of calculating an air flow rate for diluting the purged anode gas (hereinafter referred to as “purge dilution air flow rate”) will be described later with reference to FIGS. 8 and 9.
カソードコンプレッサー122による空気流量が所定のパージ希釈空気流量まで上昇していることが確認されると、パージ弁362が開かれる(時刻t4)。その後、燃料電池システム100の起動処理が終了し、燃料電池スタック110の暖機運転が実施される(時刻t5)。
When it is confirmed that the air flow rate by the
このように、燃料電池システム100の通常起動処理では、カソードコンプレッサー122を駆動してカソードガス流路34内の滞留アノードガスを排出した後に、パージ弁362を開いてアノードガスのパージを開始する。
As described above, in the normal startup process of the
このような燃料電池システム100において、仮にシステム構成部品に何等かの異常(例えば、暖機運転中に燃料電池スタック110の電圧がフェイル閾値よりも低下する、等)が発生した場合、コントローラー150は、システム保護のために緊急停止(強制停止)処置を実行せざるを得ない。この緊急停止処置が氷点温度以下でシステムを暖機している際に発生した場合、次回の起動を通常起動処理により行うと、次のような不都合が生じる可能性を発明者らは見出した。
In such a
燃料電池スタック110の運転中は、発電反応によってカソードガス流路34で水蒸気が生成され、その水蒸気は、膜電極接合体11を透過してアノードガス流路24を流れてパージ弁362まで到達する。パージ弁362が氷点以上に暖機されていない状態で凝縮水がパージ弁362に到達した場合、凝縮水の凍結により、パージ弁362が凍結してしまう。この状態でパージ弁362に対して開閉制御を実行すると、パージ弁362を開けることはできても、氷の存在によって閉止できなくなる。
During operation of the
燃料電池システム100が強制停止するときは、前述の水抜き操作が実施されないまま停止され、放置状態となるため、この状態で零下環境下に至ると、パージ弁362内部に残存した凝縮水が凍結し、パージ弁362を閉じる制御を実行しても、凍結によって実際にはパージ弁362が閉止できずに開いている可能性がある。
When the
このような状況で、通常起動処理により遮断弁132の開弁後にカソードコンプレッサー122を駆動すると、アノード調圧弁133の調圧処理によりパージ弁362からアノードガスが漏れ出し、この状態でカソードガス流路34から滞留アノードガスが排出されてしまう。
In this situation, when the
その結果、カソードガス排出通路124から排出されるカソードガス中の水素濃度が規定の濃度を超えることが懸念される。
As a result, there is a concern that the hydrogen concentration in the cathode gas discharged from the cathode
そこで本発明では、零下で燃料電池110の暖機運転を強制停止した後に再起動するようなときには、遮断弁132の開弁時期をカソードコンプレッサー122の始動時期よりも遅らせる。これにより、万一、凍結によりパージ弁362が開いた状態であっても、排出ガスの水素濃度が規定値を超えないようにする。
Therefore, in the present invention, when the warm-up operation of the
図6は、本発明の実施形態における強制停止後の再起動処理を示すタイミングチャートである。 FIG. 6 is a timing chart showing a restart process after a forced stop in the embodiment of the present invention.
図6(a)から図6(d)までの各図面の縦軸及び横軸は、図5(a)から図5(d)までのものと同じである。また、図6(b)から図6(d)までの各図面では、コントローラー150による指令値が実線で示され、実際の状態が点線で示されている。
The vertical and horizontal axes of each drawing from FIG. 6A to FIG. 6D are the same as those from FIG. 5A to FIG. In each drawing from FIG. 6B to FIG. 6D, the command value by the
ここでは、パージ弁362が凍結している状態で燃料電池システム100を強制停止したときに、パージ弁362を閉止できずに開いている状態を想定している。この状態で時刻t10においてコントローラー150は、再起動処理を開始する。
Here, it is assumed that when the
そして時刻t11では、コントローラー150は、図6(c)に示すように、カソードガスの空気流量を、図5(c)で示した滞留ガス排出空気流量と同じ値に設定し、カソードコンプレッサー122を所定の排出期間だけ駆動する。これにより、図6(a)に示すように、カソードガスの圧力は上昇する。
At time t11, as shown in FIG. 6C, the
ここでの滞留アノードガスの排出期間は、図5(c)で示した排出期間と同じ期間である。なお、滞留アノードガスの排出期間は、通常起動処理のときよりも長くしても良い。 Here, the discharge period of the staying anode gas is the same as the discharge period shown in FIG. The staying anode gas discharge period may be longer than that in the normal startup process.
滞留アノードガスの排出期間を経過した時刻t12では、コントローラー150は、図6(c)に示すように、カソードコンプレッサー122による空気流量を、所定のパージ希釈空気流量に設定すると共に、図6(d)に示すようにパージ弁362を開ける。
At time t12 when the discharge period of the staying anode gas has elapsed, the
さらに本実施形態では、コントローラー150は、カソードガスの空気流量がパージ希釈空気流量まで上昇した後に、図6(b)に示すように遮断弁132を開け、遮断弁132の開弁が確認された時点で、目標水素圧力を上昇させ、燃料電池スタック110に水素を供給する。その結果、図6(a)に示すようにアノードガスの圧力が高くなり、凍結状態のパージ弁362からアノードガスが、カソードガス排出通路124へ漏れ出す。
Further, in the present embodiment, the
しかしながら、パージ弁362からアノードガスが漏れ出しても、カソードコンプレッサー122により希釈用の空気流量がカソードガス排出通路124に供給されているので、排出ガス中の水素濃度を規定値以下に抑えることができる。
However, even if the anode gas leaks from the
時刻t13では、図6(a)に示すように、アノードガスの目標圧力を増加させる。遮断弁132の開弁によってアノードガスの圧力がカソードガスの圧力よりも高くなる。そしてアノード調圧弁133によってアノードガスの圧力が目標値に制御され、時刻14で起動処理が完了する。
At time t13, as shown in FIG. 6A, the target pressure of the anode gas is increased. By opening the shut-off
このように、強制停止後の起動処理では、遮断弁132を開弁する前に、カソードコンプレッサー122を駆動して滞留アノードガスを排出し、所定の排出期間経過後に遮断弁132を開ける。
As described above, in the starting process after the forced stop, before the
これにより、遮断弁132の開弁によってパージ弁362からアノードガスが漏れ出す前に、カソードガス流路34から滞留アノードガスをカソードガス排出通路124に排出することができる。このため、パージ弁362から漏れ出したアノードガスと滞留アノードガスとが同時にカソードガス排出通路124から排出されて排出ガス中の水素濃度が規定値を超えてしまうという事態を回避することができる。
Thus, the staying anode gas can be discharged from the
次にコントローラー150の機能構成について図面を参照して詳細に説明する。
Next, the functional configuration of the
図7は、コントローラー150の空気流量制御部200を示す機能ブロック図である。
FIG. 7 is a functional block diagram showing the air flow rate control unit 200 of the
空気流量制御部200は、カソードコンプレッサー122による空気流量を制御する。
The air flow rate control unit 200 controls the air flow rate by the
空気流量制御部200は、滞留ガス排出流量演算部211と、設定部212と、切替部213と、実行情報保持部214と、完了情報保持部215と、を備える。また、空気流量制御部200は、パージ希釈流量演算部221と、設定部222と、切替部223と、開弁情報保持部224と、閉弁情報保持部225と、発電要求流量演算部231と、を備える。
The air flow rate control unit 200 includes a staying gas discharge flow
滞留ガス排出流量演算部211は、カソードガス流路34から滞留アノードガスを排出するための空気流量(以下「滞留ガス排出空気流量」という)を演算する。滞留ガス排出空気流量は、起動時にカソードガス流路34から滞留アノードガスを排出するのに必要な空気流量のことである。
The staying gas discharge flow
滞留ガス排出流量演算部211には、所定の滞留ガス排出空気流量を示す滞留ガス排出データが予め記憶されている。滞留ガス排出流量演算部211は、滞留ガス排出空気流量を設定部212に供給する。
The staying gas discharge flow
実行情報保持部214は、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部240に設定するための情報として「1」を保持する。
The execution
完了情報保持部215は、滞留ガス排出空気流量の設定を解除するための情報として「0」を保持する。
The completion
設定部212は、滞留ガス排出空気流量に切替部213の出力値を乗算する。設定部212は、切替部213の出力値が「1」である場合には、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部240に供給する。設定部212は、切替部213の出力値が「0」である場合には、目標流量設定部240に「0」を供給する。
The
切替部213は、起動時排出完了フラグに基づいて、実行情報保持部214又は完了情報保持部215に保持された情報を設定部212に出力する。
The
起動時排出完了フラグは、カソードガス流路34から滞留アノードガスの排出が完了したか否かを示すフラグである。起動時排出完了フラグは、例えば、滞留アノードガスの排出を開始するときにH(High)レベルに設定され、滞留アノードガスの排出が完了するとL(Low)レベルに設定される。
The start-up discharge completion flag is a flag indicating whether or not the discharge of the staying anode gas from the cathode
切替部213は、図6(c)に示した滞留アノードガス排出期間の開始時に、起動時排出完了フラグがHレベルに設定されるため、実行情報保持部214から「1」を設定部212に出力する。これにより、設定部212は、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部240に設定する。
The
一方、切替部213は、図6(c)に示した滞留アノードガスの排出期間の経過後に、起動時排出完了フラグがLレベルに切り替えられるため、完了情報保持部215から「0」を設定部212に出力する。これにより、設定部212は、滞留ガス排出空気流量を「0」に設定する。
On the other hand, the
パージ希釈流量演算部221は、アノード圧力センサー134で検出される水素圧力値に基づいて空気流量(以下「パージ希釈空気流量」という)を演算する。パージ希釈空気流量は、パージ弁362からパージされる水素を規定の濃度以下に希釈するのに必要な空気流量のことである。
The purge dilution flow
パージ希釈流量演算部221は、大気圧センサー161で検出される大気圧力値に応じてパージ希釈空気流量を補正する。
The purge dilution
本実施形態では、パージ希釈流量演算部221には、大気圧力値ごとに水素圧力値と空気流量との関係を示すパージ希釈マップが予め記憶されている。そしてパージ希釈流量演算部221は、水素圧力値及び大気圧力値を受け付けると、大気圧力値のパージ希釈マップを参照し、水素圧力値に対応するパージ希釈空気流量を取得する。
In the present embodiment, the purge dilution flow
パージ希釈流量演算部221は、パージ希釈空気流量を設定部222に供給する。なお、パージ希釈マップについては図8を参照して説明する。
The purge dilution flow
開弁情報保持部224は、パージ希釈空気流量を目標流量設定部240に設定するための情報として「1」を保持する。
The valve opening
閉弁情報保持部225は、パージ希釈空気流量の設定を解除するための情報として「0」を保持する。
The valve closing
設定部222は、パージ希釈空気流量に切替部223の出力値を乗算する。設定部222は、切替部223の出力値が「1」である場合には、パージ希釈空気流量を目標流量設定部240に供給する。設定部222は、切替部223の出力値が「0」である場合には、目標流量設定部240に「0」を供給する。
The
切替部223は、パージ弁制御フラグに基づいて、開弁情報保持部224又は閉弁情報保持部225に保持された情報を設定部222に出力する。
The
パージ弁制御フラグは、パージ弁362に対する開閉制御の状態を示すフラグである。パージ弁制御フラグは、図6(d)に示したように、パージ弁362の開閉制御を実施している場合はH(High)レベルに設定され、パージ弁362を閉状態に保持している場合はL(Low)レベルに設定される。
The purge valve control flag is a flag indicating a state of opening / closing control for the
切替部223は、燃料電池システム100の起動処理を開始してから滞留アノードガスの排出期間が終了するまでの間は、パージ弁制御フラグがLレベルであるため、閉弁情報保持部225から「0」を設定部222に出力する。これにより、設定部222は、パージ弁希釈空気流量に「0」を設定する。
Since the purge valve control flag is at the L level from the start of the start-up process of the
一方、切替部223は、図6(d)に示した滞留アノードガスの排出期間経過後にパージ弁制御フラグがHレベルに切り替えられるため、開弁情報保持部224から「1」を設定部222に出力する。これにより、設定部222は、パージ弁希釈空気流量を目標流量設定部240に設定する。
On the other hand, since the purge valve control flag is switched to the H level after the discharge period of the staying anode gas shown in FIG. 6D has elapsed, the
発電要求流量演算部231は、燃料電池スタック110の要求電流に基づいて空気流量(以下「発電要求空気流量」という)を演算する。要求電流は、駆動モータなどの負荷の駆動に必要な要求電力によって決まる発電電流値のことである。発電要求空気流量は、発電に必要な空気流量のことである。
The power generation required flow
発電要求流量演算部231は、要求発電電流が大きくなるほど、要求空気流量を大きくする。本実施形態では、発電要求流量演算部231には、要求発電電流と空気流量との関係を示す発電要求マップが予め記憶されている。そして発電要求流量演算部231は、要求発電電流を受け付けると、発電要求マップを参照し、要求発電電流に対応する要求空気流量を取得する。なお、発電要求マップについては図9を参照して説明する。
The required power generation flow
発電要求流量演算部231は、発電要求空気流量を目標流量設定部240に供給する。通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理では、要求発電電流は「0」であるので、発電要求空気流量は「0」に設定される。
The power generation request flow
目標流量設定部240は、滞留ガス排出空気流量と、パージ希釈空気流量と、発電要求空気流量とのうち、最も大きな値を選択し、その値を目標空気流量に設定する。 The target flow rate setting unit 240 selects the largest value among the staying gas discharge air flow rate, the purge dilution air flow rate, and the power generation request air flow rate, and sets that value as the target air flow rate.
目標流量設定部240は、通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理では、図5(c)及び図6(c)に示した滞留アノードガス排出期間中は滞留ガス排出空気流量を目標空気流量に設定する。そして目標流量設定部240は、滞留アノードガス排出期間の経過後に、パージ希釈空気流量を目標空気流量に設定する。 In the normal startup process and the restart process after the forced stop, the target flow rate setting unit 240 sets the remaining gas discharge air flow rate to the target air during the stay anode gas discharge period shown in FIGS. 5 (c) and 6 (c). Set to flow rate. Then, the target flow rate setting unit 240 sets the purge dilution air flow rate to the target air flow rate after the staying anode gas discharge period has elapsed.
なお、以下では、コントローラー150による通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理のことを総じて「起動処理」という。
In the following, the normal startup process by the
図8は、パージ希釈流量演算部221に保持されるパージ希釈マップを示す図である。図8では、横軸がアノードガスの水素圧力値であり、縦軸がカソードガスの空気流量である。
FIG. 8 is a diagram showing a purge dilution map held in the purge dilution flow
パージ希釈マップでは、大気圧力値ごとに、アノードガスの水素圧力値とパージ希釈空気流量とが互いに対応付けられている。パージ希釈空気流量は、パージ弁362から排出される水素を規定の濃度以下に希釈できる流量のことである。例えば、パージ希釈空気流量は、実験データに基づいて設定される。
In the purge dilution map, the hydrogen pressure value of the anode gas and the purge dilution air flow rate are associated with each other for each atmospheric pressure value. The purge dilution air flow rate is a flow rate at which hydrogen discharged from the
水素圧力値が大きくなるほど、パージ弁362から排出される水素の排出量が多くなるため、パージ希釈空気流量を大きくしている。これにより、水素圧力値に適したパージ希釈空気流量を設定できるので、空気を過剰に排出することなく、規定の濃度を超えないように安全に水素を希釈することができる。
As the hydrogen pressure value increases, the amount of hydrogen discharged from the
また同一の水素圧力値において、大気圧が低くなるほど、パージ弁362の上流側の水素圧力と下流側の水素圧力との差圧が大きくなり水素の排出量が多くなるので、空気流量を大きくしている。これにより、大気圧が低い場合でも、カソードガス排出通路124内の水素濃度を規定値以下に抑えることができる。
Also, at the same hydrogen pressure value, the lower the atmospheric pressure, the larger the pressure difference between the upstream and downstream hydrogen pressures of the
図9は、発電要求流量演算部231に保持される発電要求マップを示す図である。図9では、横軸が燃料電池スタック110の発電電流であり、縦軸がカソードガスの空気流量である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a power generation request map held in the power generation request flow
発電要求マップでは、発電電流と発電要求空気流量とが互いに対応付けられている。発電要求空気流量は、燃料電池スタック110の発電に最低限必要な空気流量のことである。例えば、発電要求空気流量は、実験データに基づいて設定される。
In the power generation request map, the power generation current and the power generation request air flow rate are associated with each other. The power generation required air flow rate is a minimum air flow rate necessary for power generation of the
発電電流が大きくなるほど、燃料電池スタック110で消費される空気が多くなるため、発電空気流量を大きくしている。これにより、燃料電池スタック110に空気を過剰に供給することを回避できるので、カソードコンプレッサー122の消費電力を低減することができる。
As the generated current increases, more air is consumed in the
図10は、コントローラー150の水素圧力制御部300を示す機能ブロック図である。
FIG. 10 is a functional block diagram showing the hydrogen
水素圧力制御部300は、アノード調圧弁133の開度を調整して水素圧力を制御する。水素圧力制御部300は、アノードガス流路24に滞留する窒素や水蒸気などの不純物を容積部361に押し出すために、起動処理完了後にアノードガスの水素圧力を脈動させる。
The hydrogen
水素圧力制御部300は、目標脈動幅演算部311と、上限圧力算出部312と、脈動波形演算部313と、起動時圧力設定部320と、目標圧力設定部330と、を備える。
The hydrogen
目標脈動幅演算部311は、燃料電池スタック110の要求電流に基づいて目標脈動幅を演算する。目標脈動幅は、アノードガス流路24の下流側に滞留する不純物を押し出すのに必要な振幅のことである。
The target
また、目標脈動幅演算部311は、燃料電池スタック110の内部抵抗値(HFR:High Frequency Resistance)に応じて目標脈動幅を補正する。燃料電池スタック110の内部抵抗値は、電解質膜11aの保水量が少なく乾燥しているほど大きくなり、電解質膜11aの保水量が多いほど内部抵抗値が小さくなる。
Further, the target pulsation
内部抵抗値は、不図示の内部抵抗測定装置によって測定される。内部抵抗測定装置は、燃料電池スタック110の電圧端子に所定の高周波の交流電流を供給し、交流電流によって電圧端子に生じる電圧の振幅を検出する。そして検出した振幅を交流電流の振幅で除算して内部抵抗値を求める。
The internal resistance value is measured by an internal resistance measuring device (not shown). The internal resistance measuring device supplies a predetermined high-frequency alternating current to the voltage terminal of the
本実施形態では、目標脈動幅演算部311には、内部抵抗値ごとに、要求電流と脈動幅との関係を示す脈動幅マップが予め記憶されている。そして目標脈動幅演算部311は、要求電流及び内部抵抗値を受け付けると、内部抵抗値で特定された脈動幅マップを参照し、要求電流に対応する目標脈動幅を演算する。目標脈動幅演算部311は、目標脈動幅を上限圧力算出部312に出力する。なお、脈動幅マップについては図11を参照して説明する。
In the present embodiment, the target
上限圧力算出部312は、目標脈動幅とカソード圧力値とを加算して脈動圧力の上限値を算出する。カソード圧力値は、カソード圧力センサー123で検出される圧力である。
The upper limit
脈動波形演算部313は、上限圧力算出部312から脈動圧力の上限値を受け付けると共に、脈動圧力の下限値としてカソード圧力値を受け付ける。
The pulsation
脈動波形演算部313は、不純物の排出要求を受けると、予め定められた変化率でアノードガスの脈動圧力を、下限値から上限値まで徐々に大きくする。脈動波形演算部313は、下限値から上限値までの範囲で変化する脈動圧力を目標圧力設定部330に出力する。
In response to the impurity discharge request, pulsation
なお、不純物の排出要求は、燃料電池スタック110内の不純物の蓄積量が所定の閾値を超えたときに、脈動波形演算部313に入力される。また、不純物の蓄積量は、例えば、要求電流、パージ弁362からの排出量や、電解質膜11aの透過量に相関のあるスタック温度などに基づいて推定される。
The impurity discharge request is input to the
起動時圧力設定部320は、燃料電池システム100の起動時水素圧力を目標圧力設定部330に出力する。起動時水素圧力は、起動処理中に行われる調圧処理のためのアノードガスの圧力値のことである。起動時圧力設定部320には、調圧処理用の上限圧力値や下限圧力値などが予め記憶されている。
The startup
目標圧力設定部330は、起動完了フラグに基づいて脈動圧力を目標水素圧力に設定する。
The target
起動完了フラグは、通常起動処理、又は強制停止後の再起動処理を完了したか否かを示すフラグである。起動完了フラグは、例えば、燃料電池システム100の起動処理を開始するときにLレベルに設定され、起動処理が完了するとHレベルに設定される。
The start completion flag is a flag indicating whether the normal start process or the restart process after the forced stop is completed. For example, the activation completion flag is set to the L level when starting the activation process of the
目標圧力設定部330は、燃料電池システム100の起動処理の開始時に、起動完了フラグがLレベルに設定されるため、起動時圧力設定部320からの起動時水素圧力を目標水素圧力として出力する。
The target
目標圧力設定部330は、図5及び図6に示した起動処理の完了時に、起動完了フラグがHレベルに設定されるため、脈動波形演算部313からの脈動圧力を目標水素圧力として出力する。目標水素圧力に基づいてアノード調圧弁133が開閉制御されることにより、アノードガスの圧力が脈動する。具体的には、アノードガスの昇圧時にアノード調圧弁133を開け、アノードガスの降圧時にアノード調圧弁133を閉じる。
The target
図11は、目標脈動幅演算部311に保持された脈動幅マップを示す図である。図11では、横軸が燃料電池スタック110に要求される発電電流であり、縦軸がアノードガスの脈動幅である。
FIG. 11 is a diagram showing a pulsation width map held in the target pulsation
脈動幅マップでは、発電電流が大きくなるほど、発電に伴う水蒸気の発生量が多くなるため、脈動幅が大きくなる。このため、発電電流が大きく燃料電池スタック110に不純物が滞留しやすい状況では、不純物の排出量を増やすことができる。これにより、発電領域での不純物濃度の増加が抑えられるので、発電効率の低下を抑制することができる。
In the pulsation width map, the greater the generated current, the greater the amount of water vapor generated during power generation, and the greater the pulsation width. For this reason, in a situation where the generated current is large and impurities tend to stay in the
また、同一の発電電流において、内部抵抗値が小さいほど、電解質膜11aの保水量が多く水蒸気が多量に発生しているため、脈動幅は大きくなる。これにより、燃料電池スタック110の湿潤状態に応じて適切に脈動幅を調整することができる。
In addition, in the same generated current, the smaller the internal resistance value, the greater the amount of water retained in the
次に燃料電池システム100の起動方法の一例について図面を参照して説明する。
Next, an example of a starting method of the
図12は、コントローラー150による起動処理方法を示すフローチャートである。
FIG. 12 is a flowchart illustrating a startup processing method by the
まず、ステップS910において、コントローラー150は、燃料電池システム100の起動処理を開始すると、前回の燃料電池システム100の停止処理が、起動時のシステム異常による強制停止か否かを判断する。
First, in step S910, when the
例えば、コントローラー150は、システム異常の有無を示す強制停止フラグを有し、起動中にシステム異常によって強制停止処理を実行した場合には、強制停止フラグを「1」に設定し、通常の停止処理を実行した場合には、強制停止フラグを「0」に設定する。そしてコントローラー150は、起動処理を開始するときに、強制停止フラグが「0」を示す場合には、通常起動処理を実行する(ステップS911〜S914)。
For example, the
ステップS911においてコントローラー150は、強制停止フラグに基づき、前回の停止処理が通常の停止処理であると判断した場合には、遮断弁132を開ける。
If the
そしてステップS912においてコントローラー150は、遮断弁132を開けてから所定時間経過した後、アノード調圧弁133を開閉制御してアノードガスの調圧処理を実行する。
In step S912, after a predetermined time has elapsed since the opening of the shut-off
また、ステップS913においてコントローラー150は、遮断弁132を開けてから所定時間経過した後、カソードガスの流量が所定の滞留ガス排出空気流量となるようにカソードコンプレッサー122を駆動する。
In step S913, the
そしてステップS914においてコントローラー150は、カソードコンプレッサー122を始動してから所定の排出期間が経過するまでカソードコンプレッサー122を駆動し続ける。これにより、カソードガス流路34から滞留アノードガスが全て排出される。
In step S <b> 914, the
一方、ステップS910の処理で、強制停止フラグに基づき、前回の停止処理が、強制停止であると判断した場合には、強制停止後の再起動処理を実行する(ステップS921〜S924)。 On the other hand, if it is determined in the process of step S910 that the previous stop process is a forced stop based on the forced stop flag, a restart process after the forced stop is executed (steps S921 to S924).
ステップS921においてコントローラー150は、前回の停止処理が強制停止であると判断した後に、ステップS913と同様、カソードガスの流量が所定の滞留ガス排出空気流量となるようにカソードコンプレッサー122を駆動する。
In step S921, after determining that the previous stop process is a forced stop, the
そしてステップS922においてコントローラー150は、ステップS914と同様、カソードコンプレッサー122を始動してから所定の排出期間が経過するまでカソードコンプレッサー122を駆動し続ける。これにより、カソードガス流路34から滞留アノードガスが全て排出される。
In step S922, similarly to step S914, the
ステップS923においてコントローラー150は、排出期間経過後に遮断弁132を開ける。
In step S923, the
そしてステップS924においてコントローラー150は、アノード調圧弁133を開閉制御してアノードガスの調圧処理を実行する。
In step S924, the
これにより、パージ弁362が凍結して閉止できない状態で遮断弁132及びアノード調圧弁133の開弁によってパージ弁362からアノードガスが漏れ出しても、既に滞留アノードガスは排出されているので、排出ガス中の水素濃度が規定値を超えることはない。
Accordingly, even if the anode gas leaks from the
ステップS914又はステップS924の処理が終了した後に、ステップS915において燃料電池システム100の起動処理が完了してコントローラー150による起動方法が終了する。
After the process of step S914 or step S924 is completed, the activation process of the
本発明の態様によれば、通常起動処理では、遮断弁132を開き、カソードコンプレッサー122を駆動してカソードガス流路34に透過してきた滞留アノードガスをカソードガス排出通路124に排出した後にパージ弁362を開く。
According to the aspect of the present invention, in the normal startup process, the shut-off
一方、零下において強制停止した後に再起動するようなときは、コントローラー150は、カソードコンプレッサー122を駆動して滞留アノードガスを排出した後にアノードガスの遮断弁132を開ける。これにより、万一、凍結によってパージ弁362が開いた状態で起動処理が行われ、遮断弁132の開弁に伴いパージ弁362からアノードガスが漏れ出したとしても、事前に滞留アノードガスを排出しているので、排出ガス中の水素濃度の増加を抑制できる。
On the other hand, when the
すなわち、強制停止後に燃料電池システム100を起動する場合において、カソードガス排出通路124から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制することができる。したがって、カソードガス排出通路124から排出されるガスの水素濃度を規定値以下に抑えることが可能になる。
That is, when the
また、本実施形態では、図5(c)に示した排出期間(第1所定期間)、及び、図6(c)に示した排出期間(第2所定期間)は、カソードガス流路34から滞留アノードガスを排出するのに必要な期間である。 In the present embodiment, the discharge period (first predetermined period) shown in FIG. 5C and the discharge period (second predetermined period) shown in FIG. This is the period required to discharge the staying anode gas.
これにより、カソードコンプレッサー122は、アノードガス流路24に所定の排出期間だけカソードガスを送り続けるので、カソードガス流路34から滞留アノードガスが全て排出される。そして全ての滞留アノードガスを排出した後にパージ弁362が開けられるので、カソードガス流路34に残留したアノードガスによる排出ガス中の水素濃度の上昇を抑制することができる。
As a result, the
また、コントローラー150は、零下で、図4に示した通常起動処理によってパージ弁362を開いた後に燃料電池システムの異常により強制停止したときにのみ、強制停止後の再起動処理(強制停止時起動手段)を実行するようにしても良い。これは、パージ弁362を一度も開けていない状態においては、たとえパージ弁362で凝縮水が凍結したとしても、パージ弁362が開いてしまうことはないからである。
In addition, the
具体的には、コントローラー150は、図5に示す燃料電池スタック110の通常起動において時刻t4よりも後にシステム異常によって強制停止したときにのみ、強制停止の実行を示す強制停止フラグを「1」に設定する。そしてコントローラー150は、起動処理を開始する時点で、強制停止フラグが「1」を示す場合に、強制停止後の再起動処理を実行する。
Specifically, the
一方、図6に示す燃料電池スタック110の強制停止後の再起動処理中に、システム異常によって強制停止した場合は、時刻t14より前であっても、強制停止フラグを「1」に設定し、次回起動時は強制停止後の再起動処理を再度選択する。
On the other hand, if the system is forcibly stopped during the restart process after the forced stop of the
これにより、コントローラー150は、強制停止後の再起動処理を、パージ弁362が凍結して開いた状態である可能性が高いときにのみ実行することができる。例えば、パージ弁362が凍結していないときに強制停止後の再起動処理を実行すると、遮断弁132の開弁時期が遅くなるため起動に要する時間が長くなり、走行許可を出す時期を遅らせることになる。そのため、不必要な強制停止後の再起動処理を減らすことにより、起動処理の迅速化を図ることができる。
Thereby, the
また、コントローラー150は、燃料電池システム100を強制停止した後に再起動する場合において、パージ弁362の温度が氷点温度よりも低いと判断した場合に、強制停止後の再起動処理を実行するようにしてもよい。
In addition, when restarting the
この場合、パージ弁362の近傍に温度センサーを設け、温度センサーの検出値が氷点温度よりも低いときに、強制停止後の再起動処理を実行する。
In this case, a temperature sensor is provided in the vicinity of the
これにより、パージ弁362が凍結状態のときに確実に強制停止後の再起動処理を実行することができる。なお、温度センサーを合流通路412に設け、合流通路412を流れる冷却水の温度を検出するようにしてもよい。
Thereby, when the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。 In addition, the said embodiment can be combined suitably.
1 単セル(燃料電池)
34 カソードガス流路
100 燃料電池システム
110 燃料電池スタック(燃料電池)
121 カソードガス供給通路
122 カソードコンプレッサー(ポンプ)
124 カソードガス排出通路
131 アノードガス供給通路
132 遮断弁
135 アノードガス排出通路
362 パージ弁
S911〜914 通常起動処理(通常起動手段)
S921〜924 強制停止後の再起動処理(強制停止時起動手段)
1 Single cell (fuel cell)
34 Cathode
121 Cathode
124 Cathode
S921-924 Restart processing after forced stop (starting means at forced stop)
Claims (4)
前記カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを前記燃料電池に供給するポンプと、
前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、
前記アノードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池へのアノードガスの供給を遮断する遮断弁と、
前記燃料電池からカソードガスを排出するカソードガス排出通路と、
前記燃料電池からアノードガスを排出するアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードガスを前記カソードガス排出通路にパージするパージ弁と、
前記燃料電池を起動するときは、前記遮断弁を開き、前記ポンプを第1所定期間駆動して前記燃料電池のカソードガス流路に透過してきた滞留アノードガスを前記カソードガス排出通路に排出し、前記第1所定期間経過後に前記パージ弁を開く通常起動手段と、
燃料電池システムを強制停止した後に起動するときは、前記ポンプを第2所定期間駆動して前記カソードガス流路内の滞留アノードガスを排出し、前記第2所定期間経過後に前記遮断弁を開き、前記パージ弁を開く強制停止時起動手段と、を含む
燃料電池システム。 A cathode gas supply passage for supplying cathode gas to the fuel cell;
A pump that is provided in the cathode gas supply passage and supplies the cathode gas to the fuel cell;
An anode gas supply passage for supplying anode gas to the fuel cell;
A shutoff valve that is provided in the anode gas supply passage and shuts off the supply of the anode gas to the fuel cell;
A cathode gas discharge passage for discharging cathode gas from the fuel cell;
An anode gas discharge passage for discharging anode gas from the fuel cell;
A purge valve provided in the anode gas discharge passage for purging the anode gas discharged from the fuel cell to the cathode gas discharge passage;
When starting the fuel cell, the shut-off valve is opened, the pump is driven for a first predetermined period, and the accumulated anode gas that has permeated the cathode gas flow path of the fuel cell is discharged to the cathode gas discharge passage, Normal starting means for opening the purge valve after elapse of the first predetermined period;
When starting after forcibly stopping the fuel cell system, the pump is driven for a second predetermined period to discharge the staying anode gas in the cathode gas flow path, and the shutoff valve is opened after the second predetermined period has elapsed, A fuel cell system including a forced stop start means for opening the purge valve.
前記第1及び第2所定期間は、前記カソードガス流路から滞留アノードガスを排出するのに必要な期間である、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The first and second predetermined periods are periods necessary for discharging the staying anode gas from the cathode gas flow path.
Fuel cell system.
前記強制停止時起動手段は、零下で、前記通常起動手段によってパージ弁を開いてから前記燃料電池システムの異常により前記強制停止した後、再起動するときに実行される、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The forced stop starting means is executed when the fuel cell system is forcedly stopped due to an abnormality in the fuel cell system and then restarted after the purge valve is opened by the normal starting means under zero.
Fuel cell system.
前記強制停止時起動手段は、前記燃料電池システムを強制停止した後に起動する場合において、前記パージ弁の温度が氷点温度よりも低いと判断したときに実行される、
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The forced stop starting means is executed when it is determined that the temperature of the purge valve is lower than the freezing point temperature when the fuel cell system is started after the forced stop.
Fuel cell system.
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