JP6112882B2 - 燃料電池システムの起動方法 - Google Patents
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Description
一方、水素の濃度が第1閾値未満である場合には、アノード全体での水素による置換が短時間では完了せずに、無負荷での過大な電位上昇の継続時間が長くなる虞があると想定される。これによって、燃料ガス供給手段から供給される水素の圧力を通常発電の実行時よりも増大させて、アノードの入口側と出口側とにおける水素による混合を促進することによって、無負荷での過大な電位上昇を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
また、燃料電池の起動実行時の水素の圧力を通常発電の実行時の水素の圧力と同一に設定することによって、燃料電池の起動実行の完了後に迅速に通常発電の実行を開始することができる。
なお、車両1は、例えばイグニッションスイッチなどのように、運転者による入力操作に応じて車両1の起動を指示する起動信号または停止を指示する停止信号を出力するスイッチ2を備えている。
燃料電池セルは、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、この膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータと、を備えている。
膜電極接合体は、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極(アノード)11Aと、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極(カソード)11Bと、アノード11Aおよびカソード11Bによって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜11Cと、を備えている。
アノード11Aに供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜11Cを介してカソード11Bへと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路(電圧調整器40など)に取り出し可能である。
アノード11Aからカソード11Bのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード11Bに供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。
参照電極は、例えば、水素を参照電位(0V)として、参照電位に対するアノード11Aの電位(アノード電位)を測定して、測定結果の信号を制御装置41に出力可能である。
参照電極は、例えば、複数の燃料電池セルの全てに設けられていてもよいし、複数の燃料電池セルのうちの所定の燃料電池セルにのみ設けられていてもよい。
より詳細には、加湿器14は、エアーコンプレッサー13から排出された空気と燃料電池スタック11のカソード排出口11bから排出された湿潤状態の排出ガスとを水透過膜を介して接触させることで、排出ガスに含まれる水分(特に、水蒸気)のうち水透過膜の膜穴を透過した水分を空気(カソードガス)に添加する。
封止出口弁16は、燃料電池スタック11のカソード11Bから空気などの排出ガス(カソードオフガス)を排出可能なカソード排出口11bと、希釈器32と、を接続する酸化剤ガス排出路52に設けられ、制御装置41の制御によって酸化剤ガス排出路52を開閉可能であって、カソード11Bを封止可能である。
バイパス弁18は、エアーコンプレッサー13から供給された空気を、酸化剤ガス供給路51から分岐してカソード11Bを迂回するバイパス路53を介して、希釈器32に供給可能であり、制御装置41の制御によってバイパス路53を開閉可能である。
排気再循環ポンプ19は、燃料電池スタック11のカソード11Bを通過してカソード排出口11bから酸化剤ガス排出路52に排出されたカソードオフガスの少なくとも一部を排気再循環路54に通流させる。そして、排気再循環路54を流通したカソードオフガスを、封止入口弁15からカソード供給口11aに向かい酸化剤ガス供給路51を流通する空気(カソードガス)に混合して、カソード11Bに再び供給する。
水素供給弁22は、水素タンク21と、燃料電池スタック11のアノード11Aに水素を供給可能なアノード供給口11cと、を接続する燃料ガス供給路55に設けられている。
水素供給弁22は、制御装置41の制御またはエアーコンプレッサー13から排出される空気の圧力による信号圧などに応じた圧力を有する水素を、水素タンク21から燃料ガス供給路55に供給する。
エゼクタ25は、燃料電池スタック11のアノード11Aを通過してアノード排出口11dから燃料ガス排出路56に排出された未反応の水素を含む排出ガス(アノードオフガス)の少なくとも一部を、燃料ガス排出路56と燃料ガス供給路55とを接続する燃料ガス循環路57に通流させる。そして、燃料ガス循環路57を流通したアノードオフガスを、インジェクタ24からアノード供給口11cに向かい燃料ガス供給路55を流通する水素に混合して、アノード11Aに再び供給する。
バイパスインジェクタ26は、制御装置41の制御によってインジェクタ24を補助するようにして目標圧力の水素をアノード供給口11cへ供給する。
気液分離器27は、燃料電池スタック11のアノード11Aを通過してアノード排出口11dから排出されたアノードオフガスに含まれる水分を分離する。そして、分離後のアノードオフガスを燃料ガス排出路56に接続されたガス排出口(図示略)から排出し、分離後の水分を水分排出路59に接続された水分排出口(図示略)から排出する。
水素ポンプ28は、燃料電池スタック11のアノード11Aを通過してアノード排出口11dから燃料ガス排出路56に排出されたアノードオフガスの少なくとも一部を、燃料ガス循環路57に通流させる。そして、燃料ガス循環路57を流通したアノードオフガスを、インジェクタ24からアノード供給口11cに向かい燃料ガス供給路55を流通する水素に混合して、アノード11Aに再び供給する。
希釈器32は、パージ弁30から供給されたアノードオフガスの水素濃度を、バイパス弁18から供給された空気または圧力制御弁17から供給されたカソードオフガスによって希釈する。そして、希釈後の水素濃度が所定濃度以下に低減された排出ガスを外部(例えば、大気中など)に排出する。
温度センサ34は、燃料電池スタック11のカソード11Bに供給される空気の温度Taを検出し、検出結果の信号を制御装置41に出力する。
圧力センサ35は、燃料電池スタック11のカソード11Bに供給される空気の圧力Paを検出し、検出結果の信号を制御装置41に出力する。
水素圧力センサ37は、燃料電池スタック11のアノード11Aに供給される燃料ガスの圧力Phを検出し、検出結果の信号を制御装置41に出力する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS01の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS02に進む。
次に、ステップS03においては、水素濃度取得工程として、圧力センサ35および水素圧力センサ37から出力された信号に基づき、燃料電池スタック11の停止放置期間のアノード11Aの雰囲気の圧力(アノード圧力Ph)とカソード11Bの雰囲気の圧力(カソード圧力Pa)とを取得する。
例えば図3に示すように、アノード水素濃度は、ソーク時間TMSOAKが長くなることに伴い、減少傾向に変化する。ソーク時間TMSOAKが所定の第1ソーク時間#TMSOAK1以下であれば、アノード水素濃度は所定の第1閾値M1以上である。ソーク時間TMSOAKが所定の第1ソーク時間#TMSOAK1よりも長い所定の第2ソーク時間#TMSOAK2以上であれば、アノード水素濃度は所定の第1閾値M1よりも小さい所定の第2閾値M2以下である。ソーク時間TMSOAKが所定の第1ソーク時間#TMSOAK1以上かつ所定の第2ソーク時間#TMSOAK2以下であれば、アノード水素濃度は所定の第1閾値M1以下かつ所定の第2閾値M2以上である。
また、アノード水素濃度に対する所定の第2閾値M2は、例えば、アノード11Aの雰囲気を水素タンク21から供給される水素によって置換することを優先する状態と、カソード電位の高電位状態の発生を抑制することを優先する状態と、を区分する水素濃度である。なお、カソード電位の高電位状態は、例えば、アノード11Aのアノード供給口11c側に比べてアノード排出口11d側における水素による置換度合が低いことに起因して生じる。
より詳細には、ソーク時間TMSOAKは所定の第1ソーク時間#TMSOAK1未満であるか否か、または、アノード圧力Phは所定の第1閾値Ph1よりも大きいか否か、または、カソード圧力Paは所定の第1閾値Pa1よりも大きいか否か、を判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、「状態1」であると判定して、後述するステップS06に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS05に進む。
より詳細には、ソーク時間TMSOAKは所定の第2ソーク時間#TMSOAK2未満であるか否か、または、アノード圧力Phは所定の第2閾値Ph2よりも大きいか否か、または、カソード圧力Paは所定の第2閾値Pa2よりも大きいか否か、を判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、「状態2」であると判定して、後述するステップS12に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、「状態3」であると判定して、後述するステップS17に進む。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS07の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS08に進む。これによって、例えば図5に示すように、起動信号(IG−ON)を受信した時刻t1以降の駆動時間T1の期間において、水素ポンプ28の駆動回転数が指令値H2PMP(=第2駆動回転数#H2PMP2)に到達する。
これによって、例えば図5に示すように、水素タンク21からアノード11Aに水素の供給を開始した時刻t2以降において、アノード11Aの水素の圧力は所定初期値Ph0から圧力指令値PH2FCCHK(=所定圧力#PH2FCCHKN)に向かい増大する。また、パージ弁30は閉弁状態に維持される。
そして、アノード11Aの水素の圧力が圧力指令値PH2FCCHK(=所定圧力#PH2FCCHKN)に到達した後の所定の時刻t4(例えば、燃料電池スタック11の電圧が発電開始を許可する所定電圧に到達した時点など)において、燃料電池スタック11の発電が開始される。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS10の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS11に進む。
なお、所定時間T2は、水素タンク21から供給される水素によってアノード11Aの雰囲気を所定の程度に置換するのに要する水素ポンプ28の駆動継続時間である。所定時間T3は、アノード11Aの系内の滞留水を水素タンク21から供給される水素によって所定の程度に排出するのに要する水素ポンプ28の駆動継続時間である。「状態1」および「状態2」における所定時間T3は、後述する「状態3」の所定時間T3に比べてより短くされてもよいし、ゼロであってもよい。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS13の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS14に進む。これによって、例えば図5に示すように、起動信号(IG−ON)を受信した時刻t1以降の駆動時間T1の期間において、水素ポンプ28の駆動回転数が指令値H2PMP(=第2駆動回転数#H2PMP2)に到達する。
これによって、例えば図5に示すように、水素タンク21からアノード11Aに水素の供給を開始した時刻t2以降において、アノード11Aの水素の圧力は所定初期値Ph0から圧力指令値PH2FCCHK(=ロー側所定圧力#PH2FCCHKL)に向かい増大する。そして、アノード11Aの水素の圧力が所定閾値#P2に到達した時刻t3においてパージ弁30は閉弁状態から開弁状態へと切り替えられる。
なお、所定の時刻t4は、例えば、燃料電池スタック11の電圧が発電開始を許可する所定電圧に到達した時点やパージ弁30から希釈器32に排出される水素量(パージ量)が所定量に到達した時点などである。水素量(パージ量)が所定量に到達したか否かは、燃料電池スタック11外部の大気圧とアノード11Aの圧力との差圧およびパージ弁30の大きさなどに基づいて判定されてもよいし、OCVパージの実行継続時間が所定時間に到達したか否かに応じて判定されてもよい。そして、このステップS16の実行後に、上述したステップS10に進む。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS18の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS19に進む。これによって、例えば図5に示すように、起動信号(IG−ON)を受信した時刻t1以降の駆動時間T1の期間において、水素ポンプ28の駆動回転数が指令値H2PMP(=第1駆動回転数#H2PMP1)に到達する。
これによって、例えば図5に示すように、水素タンク21からアノード11Aに水素の供給を開始した時刻t2以降において、アノード11Aの水素の圧力は所定初期値Ph0から圧力指令値PH2FCCHK(=ハイ側所定圧力#PH2FCCHKH)に向かい増大する。そして、アノード11Aの水素の圧力が所定閾値#P3に到達した時刻t3においてパージ弁30は閉弁状態から開弁状態へと切り替えられる。
なお、所定の時刻t4は、例えば、燃料電池スタック11の電圧が発電開始を許可する所定電圧に到達した時点やパージ弁30から希釈器32に排出される水素量(パージ量)が所定量に到達した時点などである。水素量(パージ量)が所定量に到達したか否かは、燃料電池スタック11外部の大気圧とアノード11Aの圧力との差圧およびパージ弁30の大きさなどに基づいて判定されてもよいし、OCVパージの実行継続時間が所定時間に到達したか否かに応じて判定されてもよい。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS22の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS23に進む。
なお、所定時間T2は、水素タンク21から供給される水素によってアノード11Aの雰囲気を所定の程度に置換するのに要する水素ポンプ28の駆動継続時間である。
これによって、例えば図5に示すように、水素タンク21からアノード11Aに水素の供給を開始した以後に所定時間T2が経過した時刻t5以降において、水素ポンプ28の駆動回転数は所定の第1駆動回転数#H2PMP1から所定の第2駆動回転数#H2PMP2に向かい低下する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS24の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS25に進む。
なお、所定時間T3は、アノード11Aの滞留水を水素タンク21から供給される水素によって所定の程度に排出するのに要する水素ポンプ28の駆動継続時間である。「状態3」における所定時間T3は、「状態1」および「状態2」の所定時間T3に比べてより長くされている。
さらに、燃料ガス循環路57の水素ポンプ28を駆動することによって、アノード11Aでの水素による置換を促進することができる。
さらに、ソーク時間TMSOAKと、アノード圧力Phと、カソード圧力Paと、のうち少なくとも何れかに応じて、アノード水素濃度を推定することによって、水素の濃度を検出するセンサなどを備える必要無しに、水素濃度を精度良く取得することができる。
11 燃料電池スタック(燃料電池)
11A アノード
11B カソード
13 エアーコンプレッサー(空気供給手段)
15 封止入口弁(封止弁)
16 封止出口弁(封止弁)
18 バイパス弁
21 水素タンク(燃料ガス供給手段)
22 水素供給弁(燃料ガス供給手段)
28 水素ポンプ
30 パージ弁
32 希釈器(希釈手段)
39 コンタクタ(断接手段)
41 制御装置(制御手段)
51 酸化剤ガス供給路
52 酸化剤ガス排出路
53 バイパス路
55 燃料ガス供給路
56 燃料ガス排出路
57 燃料ガス循環路
Claims (9)
- アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する燃料電池と、
前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能な断接手段と、
前記燃料ガス供給手段および前記酸化剤ガス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の起動方法であって、
前記燃料としての水素の前記アノードでの濃度を取得する水素濃度取得工程と、
前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度が第1の閾値以上であるか否かを判定する閾値判定工程と、
前記断接手段の遮断状態で前記燃料ガス供給手段から前記アノードに前記水素を供給する前記燃料電池の起動実行時に、前記閾値判定工程によって判定された判定結果に基づいて、前記燃料ガス供給手段から供給される前記水素の圧力を設定する起動時圧力設定工程と、
前記燃料電池の起動実行時に、前記アノードの水素置換を行う水素置換工程と、
を含み、
前記起動時圧力設定工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第1の閾値以上であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記燃料電池の起動完了後に実行される通常発電の実行時の前記水素の圧力以下に設定し、
前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第1の閾値未満であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記通常発電の実行時の前記水素の圧力よりも高く設定し、
前記水素置換工程は、前記起動時圧力設定工程にて設定された前記水素の圧力にて前記アノードの水素置換を行う、ことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
- 前記燃料電池システムは、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、前記燃料ガス排出路を開閉可能なパージ弁と、を備え、
前記燃料電池の起動時に前記燃料ガス供給手段から供給される前記水素の圧力が、前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度に応じた所定圧力以上か否かを判定する所定圧力判定工程と、
前記所定圧力判定工程によって前記水素の圧力が前記所定圧力未満であると判定された場合に前記パージ弁を閉弁させ、
前記所定圧力判定工程によって前記水素の圧力が前記所定圧力以上であると判定された場合に前記パージ弁を開弁させるパージ弁開弁工程と、
を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの起動方法。 - 前記閾値判定工程は、前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度が前記第1の閾値よりも大きい第2の閾値以上であるか否かを判定し、
前記起動時圧力設定工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第2の閾値以上であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記通常発電の実行時の前記水素の圧力と同一に設定し、
前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第2の閾値以上であると判定された場合に、前記パージ弁の開弁を禁止するパージ弁開弁禁止工程を含む、
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの起動方法。 - 前記燃料電池システムは、
前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路と、
前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、
前記燃料ガス排出路と前記燃料ガス供給路とを接続し、前記アノードから排出された燃料ガスを前記燃料ガス供給路に通流させる燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路において前記水素を循環させる水素ポンプと、
を備え、
前記燃料電池の起動実行時に前記水素ポンプを駆動する水素ポンプ駆動工程を含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1つに記載の燃料電池システムの起動方法。 - 前記水素ポンプ駆動工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第1の閾値未満であると判定された場合に、前記水素ポンプの駆動回転数を、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第1の閾値以上であると判定された場合に比べて、増大させる、ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システムの起動方法。
- 前記水素ポンプ駆動工程は、前記燃料ガス供給手段から前記アノードに前記水素を供給することに先立って、前記水素ポンプを駆動する、
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の燃料電池システムの起動方法。 - 前記水素ポンプ駆動工程は、前記燃料電池の停止放置時間の増大に伴い、前記水素ポンプの駆動時間を増大傾向に変化させる、
ことを特徴とする請求項4から請求項6の何れか1つに記載の燃料電池システムの起動方法。 - 前記水素ポンプ駆動工程は、前記水素ポンプの駆動回転数を増大させてから所定時間経過後に前記水素ポンプの駆動回転数を低下させる、
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システムの起動方法。 - 前記水素濃度取得工程は、前記燃料電池の停止放置時間と、前記燃料電池の停止放置期間の前記アノードの雰囲気の圧力と、前記燃料電池の停止放置期間の前記カソードの雰囲気の圧力と、のうち少なくとも何れかを用いて前記水素の濃度を推定する、
ことを特徴とする請求項1から請求項8の何れか1つに記載の燃料電池システムの起動方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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