JP5161650B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
このような燃料電池システムによれば、排出燃料ガス流量調整手段は、大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、排出手段によって希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を少なくする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなる。
このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなることによって、希釈器に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器から排出されるガス中の燃料ガスの濃度を低減することができ、燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止することができる。
このような燃料電池システムによれば、排出燃料ガス流量調整手段は、大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、排出手段によって排出する排出間隔を長くする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなる。
このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器に排出されるアノードオフガスの排出間隔を長くすることによって、希釈器に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器から排出されるガス中の燃料ガスの濃度を低減することができ、燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止することができる。
図1に示す本参考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10の出力端子(図示しない)に接続された走行用モータ(図示しない)を備えており、燃料電池自動車は、燃料電池10の発電電力によって走行用モータを駆動し、大気圧の低い高地でも自在に走行するようになっている。
燃料電池(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が積層(スタック)されることで構成され、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む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12(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)
アノード系20は、水素タンク(燃料ガス供給手段)21と、遮断弁22と、エゼクタ23と、パージ弁(排出手段)24と、を備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、エゼクタ23、配管23aを順に介して、アノード流路11の入口に接続されている。配管22aには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁(図示しない)が設けられており、この減圧弁には、カソード流路12に向かう空気の圧力が信号圧(パイロット圧)として入力され、前記空気の圧力とアノード流路11における水素の圧力とが大気圧に左右されずに等しくなるように制御する構成となっている。
そして、ECU60によって、遮断弁22が開かれると、水素タンク21の水素が配管21a等を介してアノード流路11に供給されるようになっている。
パージ弁24は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このようにパージ弁24が閉じている場合、アノード流路11から排出された未反応の水素を含むアノードオフガス(排出燃料ガス)が、配管24cを介して、エゼクタ10に戻され、再び、燃料電池10に供給、つまり、水素が循環するようになっている。
一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が増加した場合、つまり、循環する水素に同伴する不純物が増加した場合、ECU60によってパージ弁24は開かれ、アノードオフガスが、配管24bを介して、希釈器40に排出されるようになっている。
カソード系30は、コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)31と、背圧弁32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12の入口に接続されている。そして、ECU60の指令に従ってコンプレッサ31が作動すると、酸素を含む空気が、カソード流路12に供給されるようになっている。なお、配管31aには加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池10に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
このようなコンプレッサ31は、燃料電池10及び/又は燃料電池10の発電電力を充放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32は、バタフライ弁等であり、アクセルペダル(図示しない)の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ECU60により、その開度が制御されるようになっている。
希釈器40は、アノード系20からのアノードオフガス中の水素を希釈するための機器(容器)であって、その内部に希釈空間を有している。この希釈空間には、カソード系30から排出されたカソードオフガス(希釈用ガス)と、アノード系20からの水素を含むアノードオフガスとが導入され、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスによって希釈され、車外に排気されるようになっている。
大気圧センサ50は、大気圧を検出するセンサであって、燃料電池自動車の適所に設けられている。そして、大気圧センサ50はECU60と接続されており、ECU60は、燃料電池自動車が走行している場所(走行場所)の大気圧を検知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、電子回路等を含んで構成されている。
そして、ECU60は、図示しないIG(イグニッション)のON信号を検知すると、遮断弁22を開き、コンプレッサ31を作動させ、背圧弁32の開度等を適宜に制御して燃料電池10の発電を開始するように構成されている。
さらに、ECU60は、この大気圧が所定値以下である場合、パージ弁24によるアノードオフガスの排出間隔を長くするように制御して、アノードオフガスの流量を少なくするように設定されている。一方、この大気圧が所定値より大きい場合、パージ弁24によるアノードオフガスの排出間隔を調整しない、つまり、長くしない(大気圧が所定値より大きい場合の排出間隔(一定間隔)である通常排出間隔にする)ように設定されている。
次に、燃料電池システム1の動作について、図2を主に参照しながら説明する。
走行場所の大気圧が、この所定値以下である場合(S12・Yes)、ECU60の処理はステップS13に進む。一方、走行場所の大気圧が、この所定値より大きい場合(S12・No)、ECU60の処理はステップS16に進む。
なお、ステップS13〜S15の処理は、順次すべてを行ってもよいが、それに限定されるものではなく、例えば、ステップS13の処理だけを行い、ステップS14及びS15の処理を行わない構成としてもよい。
その後、ECU60の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
その後、ECU60の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
このような燃料電池システム1の構成としたので、次のような作用効果が得られる。
酸化剤ガス流量調整手段は、大気圧センサ50により検出される大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる空気の流量を多くする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器40に導入される空気の流量が多くなる。
図5を参照して、燃料電池自動車が低地から高地へ走行していく場合を例に、燃料電池システム1の一動作例を説明する。
燃料電池自動車が低地から高地へ走行していくと、大気圧センサ50が検出する大気圧は、高い大気圧(値)から低い大気圧(値)になる。
そして、希釈器40に導入される、水素を含むアノードオフガスと空気を含むカソードオフガスの流量が一定量(空気の流量:通常流量、パージ弁24の開時間:通常開時間、パージ弁24によるアノードオフガスの排出間隔:通常排出間隔)であることから、このように大気圧が低くなることに伴って、希釈器40から排出されるガス(排出ガス)中の水素濃度が高くなる傾向にある(比較例)。
また、このように希釈器40に排出されるアノードオフガスの流量を少なくする(パージ弁24の開時間を短くする、パージ弁24によるアノードオフガスの排出間隔を長くする)ことによって、希釈器40に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、排出ガス中の水素濃度を低減することができる。
さらに、空気の流量を多くすることと共に、希釈器40に排出されるアノードオフガスの流量を少なくすることによって、排出ガス中の水素濃度を適切に低減することができる(参考例)。
開閉弁33は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このように開閉弁33が閉じている場合、コンプレッサ31からの空気は、配管31aを介して、カソード流路12に供給されるようになっている。
一方、大気圧センサ50により検出された大気圧が所定値以下である場合、ECU60によって、開閉弁33が開かれると、コンプレッサ31からの非加湿の空気が、配管33a等を介して、希釈器40に導入されるようになっている。なお、開閉弁33が全開位置に制御された場合でも、カソード流路12に空気の一部が流れるようにしてもよい。
例えば、アノードオフガス中の水分等の不純物を取り除くために、未反応の水素を含むアノードオフガスを、気液分離器(図示しない)を介して、エゼクタ23に戻して、アノード流路11に再供給する燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
10 燃料電池
21 水素タンク(燃料ガス供給手段)
31 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段、酸化剤ガス流量調整手段)
32 背圧弁(酸化剤ガス流量調整手段)
40 希釈器
50 大気圧センサ
60 ECU(酸化剤ガス流量調整手段、排出燃料ガス流量調整手段)
Claims (3)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された排出燃料ガス中の燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈器と、
大気圧を検出する大気圧センサと、
前記酸化剤ガス供給手段からの非加湿の酸化剤ガスを、前記燃料電池をバイパスして前記希釈器に導入する配管と、
前記配管に設けられる開閉弁と、
希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、
前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、
前記排出燃料ガスを前記希釈器に排出する排出手段と、
前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を調整する排出燃料ガス流量調整手段と、
前記開閉弁を制御する弁制御手段と、
を備え、
前記酸化剤ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くし、
前記排出燃料ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、前記排出手段によって前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を少なくするとともに、前記排出手段によって排出する排出間隔を長くし、
前記弁制御手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、前記開閉弁を開き、非加湿の酸化剤ガスを、前記配管を介して前記希釈器に導入する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記酸化剤ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値より大きい場合、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量調整を行わない
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された排出燃料ガス中の燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈器と、大気圧を検出する大気圧センサと、前記酸化剤ガス供給手段からの非加湿の酸化剤ガスを、前記燃料電池をバイパスして前記希釈器に導入する配管と、前記配管に設けられる開閉弁と、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、前記排出燃料ガスを前記希釈器に排出する排出手段と、前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を調整する排出燃料ガス流量調整手段と、前記開閉弁を制御する弁制御手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記大気圧センサにより、大気圧を検出するステップと、
前記大気圧が所定値以下であるか否かを判定するステップと、
前記大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くするステップと、
前記大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、前記排出手段によって前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を少なくするステップと、
前記大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、前記排出手段によって排出する排出間隔を長くするステップと、
前記大気圧が所定値以下である場合、前記開閉弁が開くことにより、非加湿の酸化剤ガスを、前記配管を介して前記希釈器に導入するステップと、を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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JP2008126575A JP5161650B2 (ja) | 2008-05-14 | 2008-05-14 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
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