JP7323442B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
図1は、車両に搭載された実施例1に係る燃料電池システムの構成図である。図1を参照して、燃料電池システム100は、ECU(Electronic Control Unit)10、燃料電池スタック(以下、FCスタックと称す)20、二次電池(以下、BATと称す)94、酸化剤ガス系30、燃料ガス系50、電力系70、及び冷却系80を含む。また、車両は、走行用のモータ90、変速機91、車輪92、及びアクセル開度センサ93を備えている。FCスタック20は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する。車両は、FCスタック20及びBAT94を電力源としてモータ90を駆動させて走行する。
図2は、実施例1におけるFCスタックを示す図である。図2を参照して、FCスタック20は、固体高分子電解質型の単セル21が複数積層されている。積層された複数の単セル21を挟んで集電板22a及び22b、絶縁板23a及び23b、エンドプレート24a及び24bが配置されている。
図3(a)は、液水センサの断面図、図3(b)は、液水センサの特性を示す図である。図3(a)を参照して、液水センサ1は、静電容量式の液水センサであり、基板3上に2本の電極4a、4bが設けられている。基板3は、例えば樹脂基板(ポリイミド基板等)であり、その厚さは10μm~70μm程度である。電極4a、4bは、例えば銅膜であり、その厚さは10μm~70μm程度である。基板3と電極4a、4bとの合計厚さは、例えば100μm以下であり、80μm以下が好ましい。基板3は樹脂基板以外の絶縁基板であってもよい。電極4a、4bは銅膜以外であってもよく、例えば金膜又は白金膜等でもよく、導電率が高い金属膜が好ましい。
図4は、比較例における燃料電池スタックを示す図である。図4を参照して、比較例においては、空気排出マニホールド26に液水センサが設けられていない。その他の構成は図2と同じであるため説明を省略する。
図5は、実施例1におけるECUの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。図5の制御は、例えば燃料電池システム100が搭載された車両のイグニッションキーがオンされてFCスタック20が発電すると実行される。図5を参照して、ECU10は、液水センサ1で計測された静電容量から空気排出マニホールド26内の液水5の量を取得する(ステップS10)。次いで、ECU10は、ステップS10で取得した液水5の量が第1所定値以上であるか否かを判断する(ステップS12)。ここで、第1所定値は、空気排出マニホールド26内の液水5によってセル電圧の低下が起こる液水量(言い換えると、単セル21への空気の分配不良が発生する液水量)を予め実験で求めておき、この液水量の1/3~2/3の値とする。
図7(a)は、従来の方法による排水処理の一例を示すタイミングチャート、図7(b)は、実施例1における排水処理の一例を示すタイミングチャートである。図7(a)を参照して、FCスタック20の姿勢から液水5が溜まり易い状態かどうかを判断して排水処理を行う従来の方法では、空気排出マニホールド26内の液水5の量がセル電圧の低下が起こる限界量Wαを超えてしまうことが起こり得る。限界量Wαを超えた後に、FCスタック20に供給する空気流量を通常発電時の流量Aαよりも多い流量Aβに上げて排水処理を行ったとしても、液水5の量が限界量Wαを超えている間はセル電圧の低下が生じてしまう。
図9は、実施例2におけるECUの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。図9の制御は、実施例1の図5と同じく、例えば燃料電池システムが搭載された車両のイグニッションキーがオンされてFCスタック20が発電すると実行される。図9を参照して、ECU10は、液水センサ1で計測された静電容量から空気排出マニホールド26内の液水5の量を取得する(ステップS30)。次いで、ECU10は、傾斜角センサ6の計測結果からFCスタック20の傾斜角度を取得する(ステップS32)。
図12(a)は、実施例1における排水処理の一例を示すタイミングチャート、図12(b)は、実施例2における排水処理の一例を示すタイミングチャートである。図12(a)及び図12(b)では、図11(b)のように、FCスタック20の正の傾斜角度が大きい場合での排水処理のタイミングチャートの一例を示している。
図14は、実施例3におけるECUの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。図14の制御は、実施例1の図5と同じく、例えば燃料電池システムが搭載された車両のイグニッションキーがオンされてFCスタック20が発電すると実行される。図14を参照して、ECU10は、液水センサ1aで計測された静電容量から空気排出マニホールド26内の液水5の量を取得する(ステップS50)。液水5の量の取得は、液水センサ1bを用いて行ってもよいが、エンドプレート24aに近いほど液水5が溜まり易いことから、エンドプレート24aの近くに配置された液水センサ1aを用いることが好ましい。
3 基板
4a、4b 電極
5 液水
6 傾斜角センサ
10 ECU
20 燃料電池スタック
21 単セル
22a、22b 集電板
23a、23b 絶縁板
24a、24b エンドプレート
25 空気供給マニホールド
26 空気排出マニホールド
26a 空気排出マニホールドの出口
27 水素供給マニホールド
28 水素排出マニホールド
28a 水素排出マニホールドの出口
29 中央
30 酸化剤ガス系
31 ガス供給管
32 ガス排出管
34 エアクリーナー
35 エアコンプレッサ
36 インタークーラ
37 調圧弁
50 燃料ガス系
51 ガス供給管
52 ガス排出管
53 ガス循環管
54 タンク弁
55 調圧弁
56 インジェクタ
57 気液分離器
58 排水弁
59 循環ポンプ
60 タンク
70 電力系
80 冷却系
100、400 燃料電池システム
Claims (10)
- 積層された複数の単セルと、前記複数の単セルを貫通し、前記複数の単セルに反応ガスを供給する供給マニホールド及び前記供給マニホールドよりも重力方向下側に位置し前記複数の単セルから前記反応ガスが排出される排出マニホールドと、を有する燃料電池スタックと、
前記供給マニホールドを介して前記複数の単セルに前記反応ガスを供給するガス供給部と、
前記排出マニホールドに設けられ、前記排出マニホールド内の液水量を検知するための液水センサと、
前記燃料電池スタックの発電時において前記液水センサによって検知した前記液水量が所定値以上である場合、前記ガス供給部を制御して前記燃料電池スタックに供給される前記反応ガスの流量を前記燃料電池スタックの通常運転時に比べて多くする制御部と、を備える燃料電池システム。 - 前記液水センサは、静電容量式液水センサである、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記排出マニホールド内の前記液水量が多い程、前記反応ガスの流量および前記反応ガスの供給時間の少なくとも一方を増やす、請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記液水センサは、前記複数の単セルの積層方向における前記複数の単セルの中央よりも前記排出マニホールドの出口とは反対側に位置する、請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記液水センサは、前記排出マニホールド内にて、重力方向において下側に位置して前記排出マニホールドに設けられる、請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックの傾斜角度を計測する傾斜角センサを備え、
前記制御部は、前記液水センサにより取得した前記液水量と前記傾斜角センサにより取得した前記傾斜角度とに基づいて、前記燃料電池スタックの前記傾斜角度が大きい程、前記傾斜角度が小さい場合に比べて、前記燃料電池スタックに供給する前記反応ガスの流量を多くする、請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記燃料電池スタックの負荷が高くなる程、前記燃料電池スタックに供給する前記反応ガスの流量を多くする、請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記排出マニホールドに複数の前記液水センサが設けられ、
前記制御部は、前記複数の液水センサにより取得した前記液水量の差から前記燃料電池スタックの傾斜角度を算出し、前記傾斜角度が大きい程、前記傾斜角度が小さい場合に比べて、前記燃料電池スタックに供給する前記反応ガスの流量を多くする、請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタック内に水素ガスを供給するインジェクタと、
前記インジェクタによって供給された前記水素ガスを前記燃料電池スタック内に循環させる循環ポンプと、を備え、
前記供給マニホールドは水素供給マニホールドであり、
前記排出マニホールドは水素排出マニホールドであり、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電時において前記液水センサによって検知した前記液水量が所定値以上である場合、前記インジェクタ及び/又は前記循環ポンプを制御して前記水素ガスの流量を調整することにより、前記燃料電池スタックに供給される前記反応ガスの流量を前記燃料電池スタックの通常運転時に比べて多くする、請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタック内に空気を供給するエアコンプレッサを備え、
前記供給マニホールドは空気供給マニホールドであり、
前記排出マニホールドは空気排出マニホールドであり、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電時において前記液水センサによって検知した前記液水量が所定値以上である場合、前記エアコンプレッサを制御して前記空気の流量を調整することにより、前記燃料電池スタックに供給される前記反応ガスの流量を前記燃料電池スタックの通常運転時に比べて多くする、請求項1または2に記載の燃料電池システム。
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