JP2017010866A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
;前記第1目標圧力は前記燃料電池スタックの前記アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力である。このような形態の燃料電池システムであれば、アノードの目標圧力を第1目標圧力よりも高い圧力である第2目標圧力に設定して、アノードの圧力が第2目標圧力になるようにインジェクタの稼働を制御して、アノードの圧力が第1目標圧力よりも高くなった後に、目標圧力を第1目標圧力にするため、アノードの圧力が第1目標圧力を下回る頻度が減少する。そのため、アノードの圧力を第1目標圧力になるようにするためにインジェクタが稼働する回数や頻度を減らすことができ、非発電時におけるインジェクタの稼働による騒音や振動を抑制することができる。
A1.システム構成:
図1は本発明の第1実施形態としての燃料電池システム10の概略構成を説明するための図である。燃料電池システム10は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。本実施形態の燃料電池システム10は、燃料電池スタック100と、制御部20と、カソードガス供給系30と、カソードガス排出系40と、アノードガス供給系50と、アノードガス排出系60と、冷却系70と、を備える。
次に、燃料電池システム10において実行される水素供給処理について説明する。この処理は、燃料電池システム10の始動後であって燃料電池11の発電前である非発電状態において実行される。
一般的に、燃料電池システム10の非発電状態においては、エアコンプレッサ32や冷却水ポンプ73が回転していない。そのため、非発電状態においてインジェクタ55が稼動されると、発電が行われている状態に比べてエアコンプレッサ32や冷却水ポンプ73の稼動音がないため、インジェクタ55の稼働の頻度によっては、例えば燃料電池システム10の搭載された車両の利用者に、不快感を与えるおそれがある。しかし、以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム10では、燃料電池スタック100の非発電状態において、アノードの目標圧力を、第1目標圧力P1よりも高い圧力である第2目標圧力P2に設定して、アノードの圧力が第2目標圧力P2になるようにインジェクタ55の稼動を制御して、アノードの圧力が第1目標圧力P1よりも高くなった後に、第1目標圧力P1に設定して、アノードの圧力が第1目標圧力P1になるようにインジェクタ55の稼動を制御する。そのため、アノードの圧力が第1目標圧力P1を下回る頻度を減少させることができる。従って、アノードの圧力を目標圧力にするために、インジェクタ55が稼働する回数を減らすことができるので、インジェクタ55の稼働による騒音や振動の少なくとも一方を抑制することができる。
B1.システム構成:
第1実施形態における燃料電池システム10は、燃料電池システム10の始動後であって燃料電池スタック100の発電前における非発電状態において、インジェクタ55の稼動による騒音や振動を抑制しつつ、アノードにおいて水素が欠乏することに起因する燃料電池スタック100の劣化を抑制することが可能であった。これに対し、第2実施形態では、アノードから排出されるガスであるアノード排ガスを燃料電池スタック100に循環させるアノードガス循環系80を備えることで、アノードにおいて水素が欠乏することに起因する燃料電池スタック100の劣化を、より抑制可能な燃料電池システム10aについて説明する。
図5は、制御部20によって実行される水素供給処理のフローチャートである。上述の第1実施形態では、制御部20は、第2目標圧力P2を設定し(図2、ステップS100)、第2目標圧力P2に達するようにインジェクタ55を稼働させた(図2、ステップS102)。これに対し、第2実施形態では、制御部20は、第2目標圧力P2と、第2回転数R2とを設定し(図5、ステップS200)、その後、第2目標圧力P2に達するようにインジェクタ55を稼働させるのに加えて、第2回転数R2で水素ポンプ82を回転させる(図5、ステップS202)。さらに、上述の第1実施形態では、制御部20は、時間tP2が経過すると、目標圧力を第1目標圧力P1に設定した(図2、ステップS108)。これに対し、第2実施形態では、時間tP2が経過すると、制御部20は、第1目標圧力P1と、第1回転数R1を設定して(図5、ステップ208)、第1回転数R1で水素ポンプを回転させる(図5、ステップS209)。第2実施形態におけるその他の水素供給処理は、第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム10aでは、燃料電池の非発電状態において、アノードの圧力を第2目標圧力P2に設定した後に、第2目標圧力P2よりも低い第1目標圧力P1に設定する。また、第1目標圧力P1は、アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力のうち最小の圧力である。そのため、燃料電池システム10aは、第1実施形態と同様の効果を奏する。
C1.システム構成:
第1実施形態及び第2実施形態における燃料電池システム10、10aは、燃料電池11の発電開始時に燃料電池スタック100へ水素が到達するまでの時間を省略するために、非発電状態において燃料電池スタック100へ水素を供給しつつ、インジェクタ55の稼動による騒音や振動を抑制することができた。これに対し、第3実施形態では、燃料電池スタック100の非発電状態において、水素漏れ検査を行うために燃料電池スタック100へ水素を供給しつつ、インジェクタ55の稼動による騒音や振動を抑制することが可能な燃料電池システムについて説明する。水素漏れ検査は、制御部20が、非発電状態において、アノードの圧力を第2目標圧力P2とした後に、アノードの圧力を測定することによって行われる。なお、第3実施形態における燃料電池システムの概略構成は、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図7は、第3実施形態の水素供給処理のフローチャートである。本実施形態における水素供給処理は、水素漏れ検査と同時に行われる。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給処理と同時に行われる水素漏れ検査において、アノードの圧力を第2目標圧力P2に設定した後に、第2目標圧力P2よりも低い第1目標圧力P1に設定する。また、第1目標圧力P1は、アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力のうち最小の圧力である。そのため、燃料電池システムは、水素供給処理と同時に水素漏れ検査を行う場合においても、上述の第1実施形態と同様の効果を奏する。
D1.変形例1:
上述の種々の実施形態では、アノードの圧力が第1目標圧力P1を下回ると(図2、ステップS112:YES、図5、ステップS212:YES、図7、ステップS316:YES)、制御部20は、アノードの圧力が第1目標圧力P1に達するようにインジェクタ55を稼働させる(図2、ステップS114、図5、ステップS214、図7、ステップS318)。これに対し、制御部20は、アノードの圧力が第1目標圧力P1を下回った場合には、アノードの圧力を第1目標圧力P1よりも高い圧力、例えば、第2目標圧力P2に達するようにインジェクタ55を稼動させてもよい。こうすることで、第1目標圧力P1に達するようにインジェクタ55を稼動させる場合よりも、アノードの圧力が高くなるので、アノードの圧力が第1目標圧力P1を下回るまでの時間を長くすることができる。そのため、水素供給処理において、インジェクタ55の稼動頻度をより減らすことができ、燃料電池システム10、10aにおける騒音や振動をより抑制することができる。
上述の第1実施形態及び第2実施形態では、アノードの圧力が第2目標圧力P2を下回ると(図2、ステップS106:YES、図5、ステップS206:YES)、制御部20は、第2目標圧力P2に達するようにインジェクタ55を稼働させる(図2、ステップS102、図5、ステップS202)。これに対し、制御部20は、アノードの圧力が第2目標圧力P2に対して所定の割合を下回った場合に、第2目標圧力P2に達するようにインジェクタ55を稼働させてもよい。例えば、制御部20は、アノードの圧力が、第2目標圧力P2の値から10%下回った場合に、第2目標圧力P2に達するようにインジェクタ55を稼働させてもよい。
上述の第1実施形態及び第2実施形態では、制御部20は、アノードの圧力が第2目標圧力P2に達するようにインジェクタを稼働させる(図2、ステップS102、図5、ステップS202)。これに対し、アノードの圧力は、インジェクタ55の稼働する頻度が低減するように、第1目標圧力P1よりも高くなればよく、第2目標圧力P2に達しなくともよい。
上述の第1実施形態では、制御部20は、設定時間tP2が経過したか否かを判断し(図2、ステップS104)、設定時間tP2を経過していない場合には(図2、ステップS104:NO)、アノードの圧力が第2目標圧力P2を下回ったか否かを判断する(図2、ステップS106)。これに対し、ステップS104からステップS106は、省略されてもよい。
上述の第2実施形態では、制御部20は、設定時間tP2が経過したか否かを判断し(図5、ステップS204)、設定時間tP2を経過していない場合には(図5、ステップS204:NO)、アノードの圧力が第2目標圧力P2を下回ったか否かを判断する(図5、ステップS206)。これに対し、ステップS204からステップS206は、省略されてもよい。
上述の種々の実施形態では、制御部20は、インジェクタ55の下流側における圧力を、燃料電池スタック100のアノードの圧力として取得している。これに対し、燃料電池スタック100に圧力センサを備えることとし、制御部20は、センサによって取得された圧力を燃料電池スタック100のアノードの圧力として取得してもよい。また、例えばアノードガス配管51から最も離れた箇所の燃料電池11に圧力センサを備えることとし、制御部20は、センサによって取得された圧力を、燃料電池スタック100のアノードの圧力として取得してもよい。また、燃料電池11の電流値を計測するセンサを備えることとし、制御部20は、燃料電池11の電流値を取得して、予め実験により求められた電流値とアノードの圧力との関係に基づいて、取得した電流値からアノードの圧力を算出してもよい。
上述の種々の実施形態では、制御部20は、取得したアノードの圧力に基づいて、アノードガスを供給している。これに対し、燃料電池システム10、10aにおいてアノードガス中の水素分圧や、水素濃度を測定可能なセンサを備えることとし、制御部20は、アノードガス中の水素分圧や水素濃度を取得してもよい。制御部20は、取得した水素分圧や水素濃度に基づいて、アノードガスを供給してもよい。
上述の種々の実施形態では、第1目標圧力P1、第2目標圧力P2は、制御部20のROMに記憶されている。これに対し、制御部20は、取得されるアノードの圧力と、アノードの水素欠を防ぐための圧力と、の関係を定めた計算式やマップをROMに記憶しておき、計算式やマップに基づいて目標圧力を設定してもよい。
上述の第3実施形態では、燃料電池システムは、第1実施形態と同様に燃料電池スタック100と、制御部20と、カソードガス供給系30と、カソードガス排出系40と、アノードガス供給系50と、アノードガス排出系60と、冷却系70と、を備えている。これに対し、第3実施形態における燃料電池システムは、第2実施形態と同様に、アノード排ガスを燃料電池スタック100に循環させるアノードガス循環系80を備えていてもよい。そして、第2実施形態と同様に、水素漏れ検査において、第1目標圧力P1を設定して、第1回転数R1で水素ポンプを回転させてもよい。さらに、第2目標圧力P2と、第2回転数R2とを設定し、その後、第2目標圧力P2に達するようにインジェクタを稼働させるのに加えて、第2回転数R2で水素ポンプを回転させてもよい。こうすることで、水素漏れ検査を行う場合であっても、第2実施形態と同様の効果を奏する。
2、3…電極
5…膜電極接合体
10、10a…燃料電池システム
11…燃料電池
20…制御部
30…カソードガス供給系
31…カソードガス配管
32…エアコンプレッサ
33…エアフロメータ
34…開閉弁
40…カソードガス排出系
41…カソード排ガス配管
43…調圧弁
50…アノードガス供給系
51…アノードガス配管
52…水素タンク
53…開閉弁
54…レギュレータ
55…インジェクタ
56…圧力計測部
60…アノードガス排出系
61…アノード排ガス配管
66…開閉弁
70…冷却系
71…冷却配管
73…冷却水ポンプ
74…ラジエータ
80…アノードガス循環系
81…アノードガス循環配管
82…水素ポンプ
100…燃料電池スタック
P1…第1目標圧力
P2…第2目標圧力
R1…第1回転数
R2…第2回転数
tP2…設定時間
Claims (3)
- 燃料電池システムであって、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する燃料電池を複数備えた燃料電池スタックと、
前記アノードに水素を供給するインジェクタと、
前記アノードの圧力が目標圧力に達するように前記インジェクタの稼働を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの始動後であって前記燃料電池の発電前における非発電状態において、前記目標圧力を、第1目標圧力よりも高い圧力である第2目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第2目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御して、前記アノードの圧力が前記第1目標圧力よりも高くなった後に、前記目標圧力を前記第1目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第1目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御し、
前記第1目標圧力は前記燃料電池スタックの前記アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力である、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードから排出されたガスを前記アノードに戻す循環流路と前記循環流路上に設けられたポンプとを備え、
前記制御部は、前記非発電状態において、前記アノードから排出されたガスを前記アノードに戻すように前記ポンプを稼働させる、
燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記非発電状態において、前記アノードの圧力を前記第2目標圧力とした後に、前記アノードの圧力を測定することによって水素漏れ検査を行う、
燃料電池システム。
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