JP4685643B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents
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Description
この特許文献1の燃料電池システムによれば、残留する反応ガスを反応させて電力を生成することで、反応ガスの有効利用を図ることができる。
したがって、掃気手段を駆動するエネルギを確保でき、掃気処理を十分に実施できる。さらには、燃料電池システムを停止した際に、掃気不足になって次回の起動性が低下するのを防止できる。
そのうえ、掃気手段をバッテリおよび燃料電池からの電力により駆動する構成とすれば、バッテリからの持ち出す電力を低減できるから、バッテリを小型化できる。また、燃料電池システムを停止する前に、掃気処理や次回起動のための電力をバッテリに充電する必要があるが、バッテリからの持ち出す電力を低減できるので、燃料電池システム停止前の充電時間を短縮できる。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1のブロック図である。
燃料電池システム1は、燃料電池10と、この燃料電池10に流路50を通して燃料ガスとしての水素ガスや酸化剤ガスとしての空気を供給する反応ガス供給手段としての供給装置20と、この供給装置20を制御する制御手段としての制御装置30と、燃料電池10および供給装置20に電力を供給するバッテリ40と、を有する。
また、燃料電池10のカソード電極側には、エア排出路24が接続され、このエア排出路24には、背圧弁241が設けられる。
また、水素排出路26のうち燃料電池10からパージ弁261までの部分、分岐路262、および、水素供給路のうち遮断弁251からエゼクタを通って燃料電池10までの部分は、燃料電池10から排出されたガスを再び燃料電池10に供給する循環流路51(図1中流路50のうちの太線部分)である。
なお、コンプレッサ21は、燃料電池10に接続されており、バッテリ40からの電力に限らず、燃料電池10で生成された電力によっても駆動するようになっている。
また、この制御装置30には、上述の圧力センサ31のほか、イグニッションスイッチ32が接続されている。イグニッションスイッチ32は、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従ってオン/オフ信号を制御装置30に送信する。
すなわち、パージ弁261を閉じておき、水素タンク22から、水素供給路25を介して、燃料電池10のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ21を駆動させることにより、エア供給路23を介して、燃料電池10のカソード側に空気を供給する。
燃料電池10に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池10からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路26およびエア排出路24に流入する。このとき、パージ弁261は閉じているので、水素排出路26に流れた水素ガスは、エゼクタ28に還流されて再利用される。
その後、パージ弁261および背圧弁241を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路26およびエア排出路24から排出される。
制御装置30は、判定手段41、停止手段42、および掃気手段43を備える。
具体的には、背圧弁241を開いて、コンプレッサ21を駆動する。すると、コンプレッサ21から送られた掃気ガスとしての空気は、エア供給路23、燃料電池10のカソード側、およびエア排出路24を介して、外部に排出される。
図3は、循環流路51内の水素圧とこの水素による発電量との関係を示す図である。
遮断弁251が閉じた状態では、燃料電池10の発電量は、循環流路51内の水素量により決定される。循環流路51内の水素量は水素圧に比例するから、発電量は、循環流路51内の水素圧に比例することになる。
なお、図3中破線は、掃気手段43を駆動させるために必要な水素圧の下限であり、具体的には、掃気手段43で流路50内の水を排出するのに必要な電力を燃料電池10により発電可能となる水素圧である。
停止手段42は、図3中左側に示すように、水素ガスの圧力値が必要な水素圧の下限未満であると判定した場合には、圧力調整弁252を制御して、この水素ガスの圧力値を下限値以上になるまで増加させる。一方、図3中右側に示すように、水素ガスの圧力値が必要な水素圧の下限以上であると判定した場合には、水素ガスの圧力を増加させることはない。
まず、イグニッションスイッチ32(IG)がオフされると(ST1)、判定手段41は、圧力センサ31で検出された循環流路51内の水素圧を確認し(ST2)、この水素圧が必要水素圧の下限値以上であるか否かを判定する(ST3)。
この判定が“NO”のときは、水素圧が不足しているため、圧力調整弁252を作動させて、循環流路51内に水素を供給して水素量を増加させ(ST4)、ST2に戻る。一方、この判定が“YES”のときは、十分な水素圧を循環流路51内に確保できているため、遮断弁251を閉じて水素を遮断する(ST5)。
なお、燃料電池システム1の掃気処理では、コンプレッサ21を駆動する必要があるが、このコンプレッサ21は、循環流路51内の残留水素を利用して燃料電池10で生成した電力により駆動され、掃気処理を行う。燃料電池10で生成した電力では掃気処理を行うのに不足する場合には、コンプレッサ21は、バッテリ40からの電力も利用して駆動される(図1参照)。
(1)制御装置30に判定手段41および停止手段42を設けたので、イグニッションスイッチ32がオフされることにより燃料電池10の停止が要求されると、循環流路51内の水素圧を必要水素圧の下限値以上確保してから、水素の供給を停止する。よって、循環流路51内に残留した残留水素を利用することで、水素を供給しなくても、燃料電池10で発電できる。
したがって、掃気手段43を駆動するエネルギを確保でき、掃気処理を十分に実施できる。さらには、燃料電池システム1を停止した際に、掃気不足になって次回の起動性が低下するのを防止できる。
そのうえ、掃気手段43をバッテリ40および燃料電池10からの電力により駆動する構成としたので、バッテリ40からの持ち出す電力を低減できるから、バッテリ40を小型化できる。また、燃料電池システム1を停止する前に、掃気処理や次回起動のための電力をバッテリに充電する必要があるが、バッテリ40から持ち出す電力を低減できるため、燃料電池システム1を停止する前の充電時間を短縮できる。
例えば、本実施形態では、掃気手段43によりカソード側のみを掃気したが、これに限らず、掃気手段によりカソード側に加えてアノード側も掃気してもよい。
すなわち、エア供給路23と水素供給路25とをバイパスで接続し、このバイパスにエア導入弁を設ける。そして、コンプレッサを駆動する際に、エア導入弁を開くことで、コンプレッサ21から送られた掃気ガスとしての空気は、バイパスを介して、水素供給路25に導入され、燃料電池10のアノード側および水素排出路26を通って、外部に排出される。
ただし、アノード側も掃気する場合には、バッテリを十分に充電してから掃気を行う。
また、本実施形態では、アノード側のみの水素量を増加して、循環流路51に密閉したが、これに限らず、例えば、カソード側のエア供給路23やエア排出路24内の酸素量を増加して密閉してもよい。このとき、酸素量を、アノード側の水素量よりも多くする必要がある。
10…燃料電池
20…供給装置(供給手段)
23…エア供給路(流路)
24…エア排出路(流路)
25…水素供給路(流路)
26…水素排出路(流路)
30…制御装置(制御手段)
31…圧力センサ(ガス量検出手段)
41…判定手段
42…停止手段
43…掃気手段
252…圧力調整弁(ガス量増加手段)
262…分岐路(流路)
Claims (3)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記燃料電池に流路を通して供給する供給手段と、前記供給手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記流路は、前記燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給する循環流路を含み、
前記供給手段は、前記循環流路内のガス量を増加させるガス量増加手段を備え、
前記制御手段は、前記循環流路内のガス量を検出するガス量検出手段と、
前記燃料電池の停止が要求されると、前記ガス量検出手段で検出されたガス量が所定値以上であるか否かを判定する判定手段と、
当該判定手段で前記ガス量が前記所定値未満であると判定した場合には、前記ガス量増加手段により前記循環流路内のガス量を前記所定値以上になるまで増加させた後に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの供給を停止する停止手段と、
当該停止手段により前記ガスの供給が停止された後、前記循環流路内のガスを利用して前記燃料電池を発電させ、この発電電力の少なくとも一部を利用して、前記流路を掃気する掃気手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記所定値は、前記掃気手段で前記流路内の水を排出するのに必要な電力を前記燃料電池により発電可能となるガス量であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスおよび酸化剤ガスが流路を通して供給され、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池の制御方法であって、
前記流路は、前記燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給する循環流路を含み、
前記燃料電池の停止が要求されると、前記循環流路内のガス量が所定値以上であるか否かを判定し、
前記ガス量が前記所定値未満であると判定した場合には、前記循環流路内のガス量を前記所定値以上になるまで増加させた後に燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの供給を停止し、
前記循環流路内のガスを利用して前記燃料電池を発電させ、この発電電力の少なくとも一部を利用して、前記流路を掃気することを特徴とする燃料電池の制御方法。
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