JP4764916B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法 - Google Patents
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Description
また、燃料電池システムの起動時には、OCV(Open Cell Voltage)パージ処理(以下、単にパージ処理という。)を行っている。具体的には、まず遮断弁によるアノード経路の封じ込めを解除する。次に、アノード経路にアノードガスを供給してアノード経路の圧力を増加させる。次に、パージ弁によるアノード経路の封じ込めを解除して、アノードガスの排出を許可するパージ処理を行う。このパージ処理を行うことにより、アノード経路に残留する不純ガスを排出して、アノード経路を高濃度アノードガスで置換することができる。
パージ処理を行うと、アノード経路に充填されたアノードガスが排出され、希釈システムに供給される。
(燃料電池システム)
図1は、燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム1は、カソードガスとアノードガスを供給し発電を行う燃料電池10を備えている。燃料電池10は、単位燃料電池(以下「単位セル」という。)を多数積層して電気的に直列接続したものである。単位セルは、膜電極構造体の両側にセパレータを配置したものである。膜電極構造体は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜(電解質膜)の両側に、アノード電極とカソード電極を配置して構成されている。その膜電極構造体のアノード電極に面してアノード側セパレータが配置され、両者間にアノード経路25が形成されている。また膜電極構造体のカソード電極に面してカソード側セパレータが配置され、両者間にカソード経路35が形成されている。
また、アノード経路25の出口側には、アノード経路25からアノードオフガスを排出するアノード排出経路27が接続されている。アノード排出経路27には、アノード経路25の内部ガスをパージするパージ弁(アノード排出手段)が設けられている。
また、カソード経路35の出口側には、カソード経路35からカソードオフガスを排出するカソード排出経路37が接続されている。カソード排出経路37には、カソード経路35の出口側を封止する出口側封入弁(カソード遮断手段)が設けられている。
希釈システム40の下流側には、排気水素濃度を検出する水素センサ42が設けられている。
制御部50は、燃料電池10の発電停止時に、遮断弁24およびパージ弁28を閉じてアノード経路25を封じ込めるアノード封入処理を行うとともに、一対の封入弁34,38を閉じてカソード経路35を封じ込めるカソード封入処理を行う。アノード封入処理を行うことにより、未反応のアノードガスがアノード供給経路23またはアノード排出経路27を通って外部に流出するのを防止することができる。なおアノード経路25に有限量のアノードガスが封じ込められるのに対して、カソード経路35に無限量のカソードガスが存在すると、予期せぬ反応が進行して固体高分子電解質膜を劣化させるおそれがある。そこでカソード封入処理を行うことにより、カソード経路35に有限量のカソードガスを封じ込めることで、固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
そこで制御部50は、カソード回復処理を行った後にパージ処理を行う。これにより、希釈システム40のオーバーフローを防止することができる。
そして制御部50は、アノードガス量取得手段により取得されたアノードガス量に基づいて、パージ許可時間を算出する。
次に、本実施形態に係る燃料電池システムの起動方法について、詳細に説明する。
図2は、本実施形態に係る燃料電池システムの起動方法のフローチャートであり、図5はタイミングチャートである。
まずS10(図5のt1)において、一対の封入弁34,38を開く。
またS12(図5のt1)において、遮断弁24を開き、水素供給システム22からアノード経路25にアノードガスを供給して、アノード経路25の圧力を増加させる。
次にS14(図5のt2)において、エアポンプ32を運転し、カソード経路35へのカソードガスの供給を開始する(カソード回復処理)。なお、カソード供給経路33の圧力を信号圧とするレギュレータをアノード供給経路23に設けた場合には、この時点でアノード経路25にアノードガスが供給される。
まずS16において、燃料電池10の発電停止中に、アノード経路25およびカソード経路35の掃気が行われたか判断する。掃気が行われた場合には、アノード経路25およびカソード経路35に残留するアノードガス量が少ないので、希釈システム40のオーバーフローを考慮する必要がない。この場合には、S26に進んで直ちにパージ処理を実行する。S16の判断がNoの場合にはS18に進む。
アノードガス量取得手段は、図3の各グラフをマップとして利用することにより、ソーク時間に基づいてカソード経路35のアノードガス量を推定する。
制御部50は、アノードガス量取得手段が取得したアノードガス量および図4のグラフに基づいて、パージ許可時間を算出する。すなわち、ソーク時間が長いほどパージ許可時間を長く設定する。
そこでS20において、燃料電池10の電圧が所定電圧を超えたか判断する。この所定電圧は、車両を徐行運転しうる電圧や、エアコンを運転しうる電圧などに設定する。S20の判断がYesの場合には、S22(図5のt3)において発電を許可する。これにより、燃料電池10で発電された電力を無駄なく利用することができる。
次にS26(図5のt4)において、パージ弁28を開いてパージ処理を開始する。なおパージ許可時間の上限値を設定しておき、カソード回復処理を開始してからの時間が上限値に達した場合には、自動的にパージ処理を開始してもよい。
図5において、t4−t2がパージ許可時間に相当する。希釈システム40からの排気水素濃度は、カソード回復処理の開始時間t2から増加を始めてピークに達し、カソード回復処理の完了が近づくにつれて減少する。そして、パージ処理の開始時間t4から再び増加を始める。
次にS30(図5のt5)において、燃料電池10の定格発電を許可する。なおパージ処理回数の上限値を設定しておき、パージ処理回数が上限値に達した場合には、燃料電池10の電圧にかかわらず自動的に定格発電を許可してもよい。
以上により、燃料電池システム1の起動が完了する。
この構成によれば、カソード経路35の封じ込めを解除し、カソード経路35内のアノードガスを希釈システム40に供給して処理した後に、アノード経路25の封じ込めを解除し、アノード経路25内のアノードガスを希釈システム40に供給して処理することになる。これにより、希釈システム40でアノードガスを少しずつ処理することが可能になり、希釈システム40のオーバーフローを防止することができる。
この構成によれば、カソード経路35内のアノードガス量が少なくなってからパージ処理を行うことができる。これにより、カソード経路35のアノードガス排出を続けながらパージ処理を行うという事態を防止することが可能になり、希釈システム40のオーバーフローを防止することができる。また、カソード経路35のアノードガス排出が完了したのにパージ処理を行なわないという事態を防止することが可能になり、燃料電池システム1を迅速に起動することができる。
例えば、実施形態では電気自動車に搭載された燃料電池システムを例にして説明したが、本発明の燃料電池システムは車両以外に適用することも可能である。
また、図1に示す燃料電池システムは一例であり、他の構成を採用してもよい。
Claims (6)
- 固体高分子電解質膜を挟んでカソード経路およびアノード経路が形成され、前記カソード経路にカソードガスを供給し前記アノード経路にアノードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
前記カソード経路にカソードガスを供給するカソード供給経路と、
前記カソード経路からカソードオフガスを排出するカソード排出経路と、
前記アノード経路にアノードガスを供給するアノード供給経路と、
前記アノード経路からアノードオフガスを排出するアノード排出経路と、
前記カソードガス供給経路およびカソード排出経路にそれぞれ配置された一対のカソード遮断手段と、
前記アノード供給経路に配置されたアノード遮断手段と、
前記アノード排出経路に配置されたアノード排出手段と、
前記カソード排出経路および前記アノード排出経路の下流側に設けられたオフガス処理手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記一対のカソード遮断手段による前記カソード経路の封じ込めを行うとともに、前記アノード遮断手段および前記アノード排出手段による前記アノード経路の封じ込めを行う制御部と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記一対のカソード遮断手段による前記カソード経路の封じ込めを解除した後に、前記アノード排出手段による前記アノード経路の封じ込めを解除してアノードガスの排出を許可するパージ処理を行うことを特徴とす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、
前記カソード経路に存在するアノードガス量を取得するアノードガス量取得手段を有し、
前記制御部は、前記アノードガス量取得手段により取得されたアノードガス量に基づいて、前記一対のカソード遮断手段による前記カソード経路の封じ込めを解除してから前記パージ処理を許可するまでの時間を算出することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス量取得手段は、前記燃料電池の発電停止から前記燃料電池システムの再起動までのソーク時間が長いほど、前記カソード経路に存在するアノードガス量が多いと推定することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの再起動時において、前記一対のカソード遮断手段による前記カソード経路の封じ込めを解除して前記カソード経路へのカソードガスの供給を開始するとともに、前記アノード遮断手段による前記アノード経路の封じ込めを解除して前記アノード経路へのアノードガスの供給を開始し、前記燃料電池の発電性能が所定性能以上になった場合に、前記燃料電池からの電流の取り出しを許可することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の発電性能が前記所定性能以上となる前には、前記燃料電池からの電流の取り出しを制限することを特徴とする燃料電池システム。 - 固体高分子電解質膜を挟んでカソード経路およびアノード経路が形成され、前記カソード経路にカソードガスを供給し前記アノード経路にアノードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
前記カソード経路にカソードガスを供給するカソード供給経路と、
前記カソード経路からカソードオフガスを排出するカソード排出経路と、
前記アノード経路にアノードガスを供給するアノード供給経路と、
前記アノード経路からアノードオフガスを排出するアノード排出経路と、
前記カソードガス供給経路およびカソード排出経路にそれぞれ配置された一対のカソード遮断手段と、
前記アノード供給経路に配置されたアノード遮断手段と、
前記アノード排出経路に配置されたアノード排出手段と、
前記カソード排出経路および前記アノード排出経路の下流側に設けられたオフガス処理手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記一対のカソード遮断手段による前記カソード経路の封じ込めを行うとともに、前記アノード遮断手段および前記アノード排出手段による前記アノード経路の封じ込めを行う制御部と、
を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記一対のカソード遮断手段による前記カソード経路の封じ込めを解除した後に、前記アノード排出手段による前記アノード経路の封じ込めを解除してアノードガスの排出を許可するパージ処理を行うことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
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