JP4956489B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Description
したがって、その後、短時間(例えば3分〜30分)経過後に、システムの起動要求を検知した場合(次回起動時)、燃料ガス置換手段が燃料ガス流路を燃料ガスに置換するが、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で略維持されているので、燃料ガスの置換に要する時間を短縮しつつ、燃料ガスの置換量を少なくすると共に、燃料ガスの無駄な排出を防止できる。
そこで、このような燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が低くなるほど、置換完了電圧を低くするので、燃料ガスの置換完了を適切に判定することができる。これにより、置換に要する燃料ガスの量を適切にできる。
したがって、その後、短時間(例えば3分〜30分)経過後に、システムの起動要求があった場合(次回起動時)、燃料ガス流路を燃料ガスに置換するが、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で略維持されているので、燃料ガスの置換に要する時間を短縮しつつ、燃料ガスの置換量を少なくすると共に、燃料ガスの無駄な排出を防止できる。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、セル電圧モニタ14と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、IG51と、これらを電子制御するECU60(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル11は電気的に直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟み2枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
カソードセパレータには、各MEAのカソードに対して空気を給排するため単セル11の積層方向に延びる貫通孔(内部マニホールドと称される)や、単セル11の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
セル電圧モニタ14は、燃料電池スタック10を構成する複数の単セル11毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル11をスキャニングし、各単セル11のセル電圧を検出し、平均セル電圧や、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体(セル電圧モニタ14)は、算出した平均セル電圧、最低セル電圧をECU60に出力するようになっている。
アノード系は、水素が高圧で封入された水素タンク21(燃料ガス源)と、常閉型の遮断弁22と、レギュレータ23(減圧弁)と、エゼクタ26と、常閉型のパージ弁27(燃料ガス排出弁)とを備えている。
なお、配管26bには気液分離器(図示しない)が設けられており、この気液分離器によって、循環する水素に同伴する水分が分離されるようになっている。
なお、ECU60は、例えば、セル電圧モニタ14から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁27を開く設定となっている。
カソード系は、コンプレッサ31と、背圧弁33と、希釈器34と、温度センサ35(温度検出手段)とを備えている。
コンプレッサ31は、配管31aを介してカソード流路13の入口に接続されており、ECU60(コンプレッサ制御手段)からの指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路13に供給するようになっている。なお、コンプレッサ31や、遮断弁22、インジェクタ25、パージ弁27、背圧弁33は、燃料電池スタック10や、燃料電池スタック10の発電電力を充電する高圧バッテリ(図示しない)を電源として作動する。
背圧弁33は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はECU60によって制御される。
IG51は、燃料電池自動車及び燃料電池システム1の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、IG51は、そのON信号(システムの起動要求)、OFF信号(システムの停止要求)を、ECU60に出力するようになっている。
ECU60は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ECU60は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を適宜に制御するようになっている。
また、ECU60(起動要求検知手段、停止要求検知手段)は、IG51のON信号(システムの起動要求)、OFF信号(システムの停止要求)を検知する機能を備えている。
さらに、ECU60(置換完了手段)は、セル電圧モニタ14から入力される平均セル電圧等に基づいて、アノード流路12の水素置換が完了したか否か判定する機能を備えている。
次に、燃料電池システム1の動作と共に、その運転方法について、図2を主に参照して説明する。燃料電池システム1の運転方法は、システムの起動要求(IG51のON)があった場合、アノード流路12内を水素に置換するステップと、水素の置換中にシステムの停止要求(IG51のOFF)があっても、置換が完了するまで、水素の置換を継続するステップと、を含んでいる。
なお、初期状態において、IG51はOFFされており、燃料電池システム1は停止している。また、IG51がONされると、そのON信号(起動要求)を検知したECU60(起動要求検知手段)により、図2に示す各処理が開始される。
具体的には、ECU60は、遮断弁22を開いた後、パージ弁27を適宜に開閉し、水素タンク21の水素をアノード流路12に押し込み、水素置換を開始する。これに並行して、ECU60は、コンプレッサ31を作動させ、カソード流路13に空気を押し込み、空気置換を開始する。次いで、ECU60は、アノード流路12に押し込まれる水素が所定の置換圧力となるように、インジェクタ25を適宜に開き、レギュレータ23に入力されるパイロット圧を制御する。
このように水素置換、空気置換が開始すると、燃料電池スタック10における電極反応が進み、セル電圧モニタ14が検出する平均セル電圧、最低セル電圧が上昇し始める。
なお、水素置換が完了したか否かの具体的判定方法は、例えば、後記するステップS105、S106と同様であるので、ここでの説明は省略する。
このように、燃料電池スタック10の温度が低くなるほど、置換完了電圧を低くするように補正して、置換完了判定を実行するので、適切に置換完了判定できると共に、無駄な水素の排出を防止し、燃費を高めることができる。
その後、ECU60の処理はステップS105に進む。
この場合において、遮断弁22及びパージ弁27は閉じているので、アノード流路12は外気から閉じている。これにより、アノード流路12は水素で置換された状態で略維持される。その結果、アノード流路12に封止維持された水素、カソード流路13内の空気が、アノード、カソードで、それぞれ電極反応し、電極反応による発熱のため、燃料電池スタック10が保温される。
このような燃料電池システム1によれば、次の効果を得る。
IG51のON信号(起動要求)を検知したことより、水素置換を開始した後において、IG51のOFF信号(停止要求)を検知したとしても、水素の置換中である場合(S105・No、S106・No)、置換が完了するまで(S105・Yes、S106・Yes)、水素置換を継続するので(S108)、アノード流路12が水素置換された状態で、燃料電池システム1が停止される。
また、このように省略する場合、燃料電池スタック10の総発電時間が長くなると劣化が進むので、総発電時間が長くなるほど、ステップS105における置換完了電圧を小さく補正する構成としてもよい。
また、ソレノイド等によって電磁的に二次側圧力(アノード流路12における水素圧力)を制御可能なレギュレータを備える場合、このレギュレータによって二次側圧力を制御する構成としてもよい。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
12 アノード流路(燃料ガス流路)
13 カソード流路(酸化剤ガス流路)
14 セル電圧モニタ
21 水素タンク(燃料ガス置換手段)
22 遮断弁(燃料ガス置換手段)
23 レギュレータ(燃料ガス圧力制御手段)
25 インジェクタ(燃料ガス圧力制御手段)
27 パージ弁(燃料ガス置換手段)
31 コンプレッサ(酸化剤ガス圧力制御手段)
33 背圧弁(酸化剤ガス圧力制御手段)
35 温度センサ(温度検出手段)
60 ECU(燃料ガス置換手段、燃料ガス圧力制御手段、酸化剤ガス圧力制御手段、起動要求検知手段、停止要求検知手段、置換完了判定手段)
Claims (5)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
システムの起動要求を検知する起動要求検知手段と、
前記起動要求検知手段が起動要求を検知した場合、前記燃料ガス流路内を燃料ガスに置換する燃料ガス置換手段と、
システムの停止要求を検知する停止要求検知手段と、
前記燃料ガス置換手段による置換が完了したか否かを判定する置換完了判定手段と、
を備え、
前記燃料ガス置換手段による燃料ガスの置換中に、前記停止要求検知手段が停止要求を検知した場合、当該燃料ガス置換手段は、前記置換完了判定手段によって燃料ガスの置換が完了したと判定されるまで、燃料ガスの置換を継続する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段を備え、
前記燃料ガス置換手段が燃料ガスの置換を継続する場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を上昇させる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段を備え、
前記燃料ガス圧力制御手段は、前記燃料ガス流路の上流に設けられると共に、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスの圧力が信号圧として入力され、当該入力された信号圧に基づいて、燃料ガスの圧力を制御するレギュレータを含んでおり、
前記燃料ガス置換手段が燃料ガスの置換を継続する場合、前記酸化剤ガス圧力制御手段が酸化剤ガスの圧力を高めることにより、前記信号圧が高められ、前記レギュレータによって燃料ガスの圧力が高められる
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記置換完了判定手段は、前記燃料電池の電圧が置換完了電圧以上である場合、置換が完了したと判定すると共に、前記温度検出手段が検出する前記燃料電池の温度が低くなるほど、前記置換完了電圧を低くする
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
システムの起動要求があった場合、前記燃料ガス流路内を燃料ガスに置換するステップと、
燃料ガスの置換中にシステムの停止要求があっても、置換が完了するまで、燃料ガスの置換を継続するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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