JP2009117319A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、通常運転時の氷結を防止することができる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system capable of preventing freezing during normal operation.
燃料電池システムでは、低温(氷点下)環境下での燃料電池の始動性を向上させるために、燃料電池を暖機する技術が種々提案されている。燃料電池自動車などでは暖機を速やかに行うことが商品性などの点において要求されており、例えば、コンプレッサにより空気圧が高められて高温になった空気を燃料電池に供給することで燃料電池の暖機を速やかに行う技術が提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、燃料電池システムが氷点下に至るような環境下で使用されると、燃料電池の暖機運転が完了し、通常運転に移行した後であっても、燃料電池から排出された生成水や湿潤状態のカソードオフガス中の水分が配管内などで氷結するという問題があった。これは、暖機した後でも環境によって配管等の急激な温度低下が生じるためであり、発電性能を低下させるだけではなく、燃料電池システムの配管等の不具合を引き起こすおそれがあった。 However, when the fuel cell system is used in an environment where the temperature is below freezing point, the generated water discharged from the fuel cell or the wet water is wet even after the warm-up operation of the fuel cell is completed and the normal operation is started. There was a problem that the moisture in the cathode off-gas in a frozen state freezes in the piping. This is because, even after warming up, the temperature of pipes and the like rapidly decreases depending on the environment, which not only deteriorates the power generation performance but also may cause problems such as piping of the fuel cell system.
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、通常運転開始後のカソード排出経路の氷結を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing icing of the cathode discharge path after the start of normal operation.
請求項1に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、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酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる排出流路解氷手段と、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、前記排出流路状態判断手段により前記酸化剤ガス排出流路が閉塞状態にあると判断された場合、前記排出流路解氷手段により前記酸化剤ガス排出流路内を解氷する制御を行なうことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that generates power by being supplied with an oxidant gas and a fuel gas, an oxidant gas supply unit that supplies the fuel cell with an oxidant gas, and an oxidant discharged from the fuel cell. A fuel cell system comprising: an oxidant gas discharge passage through which an agent gas is circulated and discharged; and a fuel cell warm-up completion determination unit that determines whether or not the fuel cell has been warmed up. A discharge flow path state determining means for determining whether or not the oxidant gas discharge flow path is closed due to freezing; and a discharge flow path deicing means for eliminating the closed state due to freezing of the oxidant gas discharge flow path And the fuel cell warm-up completion determining means determines that the fuel cell has been warmed up, and then the exhaust flow path state determining means determines that the oxidant gas discharge flow path is closed. The discharge channel de-icing means And performing control for thawing more the oxidizing gas discharging passage.
請求項1に係る発明によれば、低温(氷点下)環境下で暖機完了後に酸化剤ガス排出流路内が生成水の凍結により閉塞状態になっている場合でも、酸化剤ガス排出流路の閉塞状態に基づいて酸化剤ガス排出流路内の解氷制御を行なうため、酸化剤ガス排出流路内の解氷を行なうことが可能になり、閉塞状態を解消して酸化剤ガス排出流路内部の凍結による発電性能の低下、および配管などへの不具合を防止することが可能になる。 According to the first aspect of the present invention, even when the inside of the oxidant gas discharge channel is closed due to freezing of the produced water after the warm-up is completed in a low temperature (below freezing) environment, Since the deicing control in the oxidant gas discharge channel is performed based on the blocked state, it is possible to perform the deicing in the oxidant gas discharge channel, and the oxidant gas discharge channel is eliminated by eliminating the blocked state. It becomes possible to prevent a decrease in power generation performance due to freezing inside and problems with piping and the like.
請求項2に係る発明は、前記排出流路状態判断手段は、前記カソード流路の圧力指令値と、前記カソード流路の検出した圧力値とに基づいて前記酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を判断することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the discharge channel state determination means is configured to block the oxidant gas discharge channel based on a pressure command value of the cathode channel and a pressure value detected by the cathode channel. It is characterized by judging.
請求項2に係る発明によれば、圧力指令値と、検出した圧力値とに基づいて酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を検出するため、酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を検出する特別な装置を用いることなく、圧力センサによって圧力を検出することにより酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を推定することが可能となる。 According to the second aspect of the invention, the closed state in the oxidant gas discharge channel is detected in order to detect the closed state of the oxidant gas discharge channel based on the pressure command value and the detected pressure value. Without using a special device, it is possible to estimate the closed state of the oxidant gas discharge channel by detecting the pressure with the pressure sensor.
請求項3に係る発明は、前記排出流路状態判断手段は、前記カソード流路の流量指令値と、前記カソード流路の検出した流量値とに基づいて前記酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を判断することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the discharge channel state determining means is configured to block the oxidant gas discharge channel based on a flow rate command value of the cathode channel and a flow rate value detected by the cathode channel. It is characterized by judging.
請求項3に係る発明によれば、流量指令値と、検出した流量値とに基づいて酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を検出するため、酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を検出する特別な装置を用いることなく、流量センサによって流量を検出することにより酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を推定することが可能となる。 According to the third aspect of the invention, the closed state in the oxidant gas discharge flow path is detected in order to detect the closed state of the oxidant gas discharge flow path based on the flow rate command value and the detected flow rate value. It is possible to estimate the closed state of the oxidant gas discharge channel by detecting the flow rate with a flow rate sensor without using a special device.
請求項4に係る発明は、前記排出流路状態判断手段は、背圧弁の開度指令値に対するフィードバックに基づいて前記酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を判断することを特徴とする。
The invention according to
請求項4に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を検出する特別な装置を用いることなく、背圧弁のフィードバックにより酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を推定することが可能となる。
According to the invention of
請求項5に係る発明は、前記排出流路状態判断手段は、エアコンプレッサの回転速度指令値に対するフィードバックに基づいて前記酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を判断することを特徴とする。
The invention according to
請求項5に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を検出する特別な装置を用いることなく、エアコンプレッサのフィードバックにより酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を推定することが可能となる。
According to the invention which concerns on
請求項6に係る発明は、前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池との間のガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換器を備え、前記排出流路解氷手段は、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスを、前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に供給することを特徴とする。 The invention according to claim 6 includes a heat exchanger that is provided in a gas flow path between the oxidant gas supply means and the fuel cell, and that cools the oxidant gas supplied to the fuel cell. The channel deicing means supplies the oxidant gas from the oxidant gas supply means to the fuel cell by bypassing the heat exchanger.
請求項6に係る発明によれば、熱交換器をバイパスさせるので、燃料電池から排出された酸化剤ガス(カソードオフガス)は、氷結温度まで下がる前に燃料電池システムの外部(系外)に排出される。このため、発電開始後に燃料電池から排出された生成水や湿潤な酸化剤ガスに含まれる水分が酸化剤ガス排出流路で氷結するのを防止でき、または氷結したとしても解氷できる。その結果、氷結が進んで酸化剤ガス排出流路(配管等)が破損するのを防止できる。 According to the invention of claim 6, since the heat exchanger is bypassed, the oxidant gas (cathode off-gas) discharged from the fuel cell is discharged to the outside of the fuel cell system (outside the system) before falling to the freezing temperature. Is done. For this reason, it is possible to prevent the water contained in the generated water and the wet oxidant gas discharged from the fuel cell after the start of power generation from icing in the oxidant gas discharge flow path, or even if the water is frozen, it can be defrosted. As a result, it is possible to prevent the oxidant gas discharge flow path (pipe, etc.) from being damaged due to freezing.
請求項7に係る発明は、前記排出流路解氷手段は、前記燃料電池の発電量を増量させる発電量増量手段であることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is characterized in that the discharge channel deicing means is a power generation amount increasing means for increasing the power generation amount of the fuel cell.
請求項7に係る発明によれば、燃料電池の発電量を増量させることにより、燃料電池の自己発熱量が増加し、燃料電池から排出される酸化剤ガス(オフガス)の温度が上昇する。よって、酸化剤ガス排出流路内で凍結による閉塞現象が起きていたとしても、解氷を促進することが可能になる。 According to the seventh aspect of the invention, by increasing the amount of power generated by the fuel cell, the amount of self-heating of the fuel cell increases, and the temperature of the oxidant gas (off-gas) discharged from the fuel cell increases. Therefore, even if a clogging phenomenon due to freezing occurs in the oxidant gas discharge flow path, it is possible to promote the defrosting.
請求項8に係る発明は、前記排出流路解氷手段は、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス量を増量させる酸化剤ガス量増量手段であること特徴とする。 The invention according to claim 8 is characterized in that the discharge flow path de-icing means is an oxidizing gas amount increasing means for increasing the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell.
請求項8に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路内で凍結による閉塞現象が起きたとしても、燃料電池から排出される酸化剤ガス量(オフガス量)を増量させることにより、その氷を外部へと押し出す力が増大する。また、増量により酸化剤ガス供給手段(エアコンプレッサ)から排出される酸化剤ガス(エア)は圧縮されるため、酸化剤ガス温度(エア温度)も上昇する。よって解氷を促進することも可能になる。 According to the eighth aspect of the present invention, even if a clogging phenomenon due to freezing occurs in the oxidant gas discharge flow path, by increasing the amount of oxidant gas (off-gas amount) discharged from the fuel cell, the ice The force to push out the outside increases. Further, since the oxidant gas (air) discharged from the oxidant gas supply means (air compressor) is compressed by the increase, the oxidant gas temperature (air temperature) also rises. Therefore, it is possible to promote ice melting.
請求項9に係る発明は、前記熱交換器の迂回が可能かを判断する熱交換器迂回可能判断手段と、前記燃料電池の発電量を増量させる発電量増量手段と、を有し、前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池の発電量を増量させることを特徴とする。 The invention according to claim 9 includes: a heat exchanger detour determination unit that determines whether or not the heat exchanger can be detoured; and a power generation amount increase unit that increases a power generation amount of the fuel cell. If the exchanger cannot be bypassed, the power generation amount of the fuel cell is increased.
請求項9に係る発明によれば、燃料電池の発電量増加により凍結による酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を解消できるため、熱交換器を迂回させる機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路の閉塞によって燃料電池の発電継続が不能になるのを防止することが可能になる。 According to the ninth aspect of the present invention, since the clogged state in the oxidant gas discharge flow path due to freezing can be solved by increasing the power generation amount of the fuel cell, even if the mechanism detouring the heat exchanger is broken, the oxidation It is possible to prevent the fuel cell from continuing power generation due to the blocking of the agent gas discharge flow path.
請求項10に係る発明は、前記熱交換器の迂回が可能かを判断する熱交換器迂回可能判断手段と、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス量を増量させる酸化剤ガス量増量手段と、を有し、前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池に供給される酸化剤ガス量を増量させることを特徴とする。
The invention according to
請求項10に係る発明によれば、燃料電池の酸化剤ガス量増加により凍結による酸化剤ガス排出流路内の閉塞を解消できるため、熱交換器を迂回させる機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路の閉塞によって燃料電池の発電継続が不能になるのを防止することが可能になる。
According to the invention according to
請求項11に係る発明は、前記燃料電池の発熱状態が所定以上の場合には、前記排出流路解氷手段による制御を行なわないことを特徴とする。なお、燃料電池の発熱状態が所定以上とは、所定以上のときに排出流路解氷手段を行なった場合、燃料電池の許容温度を超えてしまう状態をいう。 The invention according to claim 11 is characterized in that when the heat generation state of the fuel cell is greater than or equal to a predetermined value, the control by the discharge channel deicing means is not performed. In addition, the heat generation state of the fuel cell means a state in which the allowable temperature of the fuel cell is exceeded when the discharge channel deicing means is performed when the fuel cell is above the predetermined value.
請求項11に係る発明によれば、燃料電池の許容温度を超えないように温度を上昇させることができるため、燃料電池の過加熱による膜(例えば、膜電極接合体)の劣化を防止することが可能になる。また、燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器などの補機への熱害を防止することも可能になる。 According to the invention of claim 11, since the temperature can be increased so as not to exceed the allowable temperature of the fuel cell, the deterioration of the membrane (for example, the membrane electrode assembly) due to overheating of the fuel cell is prevented. Is possible. It is also possible to prevent heat damage to auxiliary equipment such as a humidifier that humidifies the oxidant gas supplied to the fuel cell.
請求項12に係る発明は、前記排出流路解氷手段による制御を行なっている場合には、アイドリングストップを禁止することを特徴とする。なお、アイドリングストップとは、酸化剤ガス供給手段を停止して、燃料電池における発電を停止することをいう。 The invention according to claim 12 is characterized in that idling stop is prohibited when control by the discharge flow path de-icing means is performed. Note that idling stop means stopping the power generation in the fuel cell by stopping the oxidant gas supply means.
請求項12に係る発明によれば、アイドリングストップを禁止するため、アイドリングストップ時に酸化剤ガス排出流路の温度が低下し、凍結が進んでしまうことを防止することが可能になる。 According to the twelfth aspect of the present invention, since idling stop is prohibited, it is possible to prevent the temperature of the oxidant gas discharge flow path from decreasing and freezing from proceeding at idling stop.
請求項13に係る発明は、外気温度が所定以上の場合には、前記排出流路解氷手段による制御を行なわないことを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, when the outside air temperature is equal to or higher than a predetermined value, control by the discharge flow path deicing means is not performed.
ところで、外気温度が所定以上の場合には、酸化剤ガス排出流路内で凍結が起きている可能性は低く、圧力センサや背圧弁などの補機の故障である可能性が高い。よって、請求項13に係る発明によれば、外気温度が所定以上の場合には排出流路解氷手段による制御を行なわないため、燃料電池の過加熱による膜の劣化を防ぐことが可能になる。すなわち、外気温度が所定以上の場合は、排出流路解氷手段による制御ではなく、弁故障判断やセンサ故障判断を実行する。 By the way, when the outside air temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the possibility of freezing in the oxidant gas discharge flow path is low, and there is a high possibility that an auxiliary machine such as a pressure sensor or a back pressure valve is out of order. Thus, according to the thirteenth aspect of the invention, when the outside air temperature is equal to or higher than a predetermined value, the control by the discharge channel deicing means is not performed, so that it is possible to prevent deterioration of the membrane due to overheating of the fuel cell. . That is, when the outside air temperature is equal to or higher than a predetermined value, valve failure determination and sensor failure determination are executed instead of control by the discharge flow path deicing means.
本発明によれば、通常運転開始後の排出経路の氷結を防止することができる燃料電池システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can prevent the freezing of the discharge path | route after a normal driving | operation start can be provided.
(第1実施形態)
図1は第1実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図2は第1実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャート、図3は背圧弁の開度と圧力指令値との関係を示すマップ、図4は対策前後の各部収束温度の変化を示すグラフである。なお、以下では、燃料電池システムを搭載した自動車を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、定置式の家庭用電源などに適用してもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of the fuel cell system according to the first embodiment, FIG. 2 is a flowchart showing the deicing control in the fuel cell system according to the first embodiment, and FIG. 3 is a relationship between the opening of the back pressure valve and the pressure command value. FIG. 4 is a graph showing a change in convergence temperature of each part before and after the countermeasure. In the following, an automobile equipped with a fuel cell system will be described as an example. However, the present invention is not limited to this and may be applied to a ship, an aircraft, a stationary household power source, and the like.
図1に示すように、第1実施形態の燃料電池システム1Aは、燃料電池FC、アノード系20、カソード系30、希釈系40、排気系50、制御系70などを含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1A according to the first embodiment includes a fuel cell FC, an anode system 20, a cathode system 30, a
前記燃料電池FCは、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜2を、触媒を含むアノード(水素極)3と、触媒を含むカソード(空気極)4とで挟んでなる膜電極構造体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を有し、さらに膜電極構造体を一対の導電性のセパレータ5,6で挟んで構成した単セル(Single Cell)が厚み方向に複数積層された構造を有している。また、電解質膜2は、適度に加湿されることにより性能を発揮できる特性を有する膜である。また、燃料電池FCには、セパレータ5に水素が流通するアノード流路5a、セパレータ6に空気が流通するカソード流路6aがそれぞれ形成され、さらに冷却媒体が流通する流路(図示せず)が形成されている。なお、図1では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。
The fuel cell FC includes a membrane electrode structure in which an
前記アノード系20は、燃料ガスとしての水素を燃料電池FCのアノード3に供給し、且つ、アノード3から水素を排出するものであり、水素タンク21、エゼクタ22、パージ弁23、配管24a,24b,24c,24dなどで構成されている。
The anode system 20 supplies hydrogen as fuel gas to the
前記水素タンク21は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器であり、電磁作動式の遮断弁(図示せず)を備えている。
The
前記エゼクタ22は、燃料電池FCのアノード3側から排出された未反応の水素を、燃料電池FCのアノード3に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。また、エゼクタ22は、配管24aを介して水素タンク21と接続され、配管24bを介して燃料電池FCのアノード3側の入口と接続されている。また、エゼクタ22は、燃料電池FCのアノード3側の出口と接続された配管24cから分岐した配管24dと接続されている。これら配管24b〜24dにより、水素が循環するようになっている。
The
前記パージ弁23は、例えば電磁作動式の遮断弁(ON/OFF弁)で構成され、運転中などに適宜開放してアノード系20に蓄積された不純物を系外に排出する機能を有している。なお、不純物とは、カソード4から電解質膜2を介してアノード3に透過した空気に含まれる窒素などである。
The
なお、図示していないが、アノード系20には、水素タンク21からの高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
Although not shown, the anode system 20 is provided with a regulator or the like for depressurizing high-pressure hydrogen from the
前記カソード系30は、酸化剤ガスとしての空気(酸素)を燃料電池FCのカソード4に供給し、且つ、カソード4から空気などを排出するものであり、エアコンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)31、冷却器(熱交換器)32、切替弁33、バイパス配管34、加湿器35、背圧弁36、カソード供給配管37a〜37d、カソード排出配管38a,38bなどで構成されている。
The cathode system 30 supplies air (oxygen) as an oxidant gas to the
前記エアコンプレッサ31は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気(外気)を取り込んで圧縮して燃料電池FCのカソード4に供給するものである。
The
前記冷却器32は、いわゆるインタークーラ(I/C)と称されるものであり、エアコンプレッサ31により圧縮されて高温になった空気を冷却する機能を有している。また、冷却器32は、エアコンプレッサ31とカソード供給配管37aを介して接続されている。なお、冷却器32は、空冷式であっても、水冷式であってもよい。
The cooler 32 is a so-called intercooler (I / C), and has a function of cooling the air that has been compressed by the
前記切替弁33は、冷却器32の下流に設けられ、後記する制御部71Aによって開閉制御され、冷却器32とカソード供給配管37bを介して接続されている。
The switching
前記バイパス配管34は、カソード供給配管37aに対して分岐して形成され、冷却器32および切替弁33を迂回して、切替弁33の下流に接続されたカソード供給配管37cと合流するようにして接続されている。なお、バイパス配管34には、オリフィス(図示せず)が設けられており、切替弁33を開弁したときには、バイパス配管34側には空気がほとんど流れず、冷却器32側に空気が流れるようになっている。
The
なお、本実施形態では、切替弁33、バイパス配管34、および後記する制御部71Aによって排出流路解氷手段が構成されている。
In the present embodiment, the discharge flow path deicing means is configured by the switching
前記加湿器35は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ31からの空気を流通させ、他側に燃料電池FCのカソード4から排出されたカソードオフガス(湿潤な空気、生成水)を流通させることにより、エアコンプレッサ31から燃料電池FCに供給される空気を加湿するようになっている。すなわち、加湿器35において、加湿される前の空気が導入される入口が前記カソード供給配管37cと接続され、加湿された後の空気が排出される出口が燃料電池FCのカソード4の入口とカソード供給配管37dを介して接続され、また、カソードオフガスが導入される入口が燃料電池FCのカソード4の出口とカソード排出配管38aを介して接続され、カソードオフガスが排出される出口が後記する背圧弁36とカソード排出配管38bを介して接続されている。
The
前記背圧弁36は、例えばバタフライ弁などで構成され、燃料電池FCのカソード4に供給される空気の圧力を適宜調整する機能を有している。また、背圧弁36は、後記する制御部71Aによって決定された圧力指令値に基づいて、その開度が決定されるようになっている(図3参照)。
The
前記希釈系40は、燃料電池FCのアノード3から排出された水素を希釈する機能を有し、希釈器41、配管42a,42bなどで構成されている。
The
前記希釈器41は、パージ弁23に接続された配管42aと、背圧弁36に接続された配管42bとそれぞれ接続され、希釈器41内において、燃料電池FCのアノード3から排出された水素と、燃料電池FCのカソード4から排出されたカソードオフガス(空気や水など)とを混合させて希釈して排出するように構成されている。燃料電池FCから排出された水素が希釈器41を通ることにより、規定以下の水素濃度に希釈された水素が車外(大気中)に排出されるようになっている。
The
前記排気系50は、サイレンサ51、テールパイプ52、配管53などで構成されている。
The exhaust system 50 includes a
前記サイレンサ51は、排気音を低減する機能を有し、例えば、内部を複数に区画し、また吸音材を設けた円筒形のケースを備えている。テールパイプ52は、サイレンサ51の下流側の一端に接続された配管であり、下流側の一端が車外(大気中)と連通するように構成されている。前記配管53は、サイレンサ51と希釈器41とを接続するように構成されている。
The
なお、燃料電池FCのカソード4の出口以降の、カソード排出配管38a、加湿器35の加湿する側の流路35a、カソード排出配管38b、配管42b、希釈器41、配管53、サイレンサ51、およびテールパイプ52によって、本実施形態における酸化剤ガス排出流路R(図1参照)が構成されている。また、カソード供給配管37a〜37dによって、本実施形態におけるガス流路が構成されている。
Note that the
前記制御系70は、制御部71A、圧力センサ72、スロットル開度センサ73、電流センサ74、外気温度センサ75などで構成されている。
The
前記制御部71Aは、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、燃料電池暖機完了判定手段、排出流路状態判断手段および排出流路解氷手段を備えている。また、制御部71Aは、パージ弁23、エアコンプレッサ31、切替弁33、背圧弁36、圧力センサ72、スロットル開度センサ73、電流センサ74、外気温度センサ75と電気的に接続され、パージ弁23および切替弁33の開閉、エアコンプレッサ31の回転速度、背圧弁36の開度を適宜制御し、後記する圧力センサ72、スロットル開度センサ73、電流センサ74、外気温度センサ75から各検出値を取得する。
The
前記圧力センサ72は、燃料電池FCのカソード系30の圧力を検出する機能を有し、例えば、燃料電池FCのカソード4の出口近傍の配管38aに設けられている。なお、燃料電池FCのカソード3の圧力を検出することができるものであれば、カソード4の出口近傍に限定されるものではない。
The pressure sensor 72 has a function of detecting the pressure of the cathode system 30 of the fuel cell FC, and is provided, for example, in a
前記スロットル開度センサ73は、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサである。例えば、加速時にアクセルペダル(図示せず)を踏み込むことにより、その踏み込み量に応じて背圧弁36の開度が絞られ、または、エアコンプレッサ31のモータの回転速度が高められて、カソード系30の圧力が高められる。すなわち、アクセルペダルの踏み込み量に応じて、圧力指令値が適宜設定され、そのときの圧力指令値に基づいて背圧弁36の開度が適宜調節され、またエアコンプレッサ31の回転速度が適宜調節される。
The
前記電流センサ74は、燃料電池FCから負荷80(図1参照)に取り出される電流値を検出するセンサである。負荷80とは、例えば、走行モータ、バッテリなどの蓄電装置、エアコンプレッサ31、パージ弁23、切替弁33、背圧弁36などの補機である。なお、燃料電池FCから負荷80への電流の取り出しは、図示しない電圧制御装置によって制御される。
The
前記外気温度センサ75(外気温度検出手段)は、燃料電池システム1A(車両)の外部の温度を検出するセンサである。 The outside air temperature sensor 75 (outside air temperature detecting means) is a sensor that detects the temperature outside the fuel cell system 1A (vehicle).
次に、第1実施形態の燃料電池システム1Aにおける排出流路解氷制御について図2ないし図4を参照(適宜、図1を参照)して説明する。なお、図2のフローでは、燃料電池FCの暖機が実行されるような低温環境下で燃料電池FCが起動されることを前提として説明する。 Next, discharge channel deicing control in the fuel cell system 1A of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4 (refer to FIG. 1 as appropriate). 2 is described on the assumption that the fuel cell FC is started under a low temperature environment in which the fuel cell FC is warmed up.
まず、燃料電池自動車(車両)のイグニッションスイッチ(図示せず)がオフからオンに切り替えられることにより、制御部71Aは、水素タンク21に設けられた図示しない遮断弁を開弁して、水素タンク21から燃料電池FCのアノード3に水素を供給し、エアコンプレッサ31の駆動を開始して燃料電池FCのカソード4に、冷却器32で冷却され、加湿器35で加湿された空気を供給するように制御する。これにより、発電時には、アノード3において、触媒の作用によって水素から電子が分離され、電子が負荷80を通ってカソード4に移動し、水素イオンが電解質膜2を透過してカソード4に移動する。また、カソード4において、触媒の作用によって、アノード3から負荷80を通ってカソード4に移動した電子と、電解質膜2を透過した水素イオンと、空気中の酸素との反応により水が生成される。
First, when an ignition switch (not shown) of the fuel cell vehicle (vehicle) is switched from OFF to ON, the
図2に示すように、ステップS100において、制御部71Aは、暖機が完了したか否かを判断する。なお、暖機とは、燃料電池システム1Aが低温環境下(氷点下)で使用される場合に実行される処理であり、例えば、燃料電池FCに通常運転よりも高い流量および圧力で空気を供給して、燃料電池FCを高い出力で発電させることによって行う処理である。また、暖機完了の判断条件としては、燃料電池FCの温度が所定温度(例えば、30℃)を超えたときに暖機完了と判断できる。また、このステップS100が、本実施形態における燃料電池暖機完了判定手段が実施する処理に相当する。ステップS100において、制御部71Aは、暖機が完了していないと判断した場合には(No)、ステップS100を繰り返し、暖機が完了したと判断した場合には(Yes)、通常発電(定常発電)に移行し、ステップS110に進む。なお、燃料電池FCを暖機する手段としては、前記したものに限定されず、触媒燃焼式や電気式などのヒータを用いて、燃料電池FCを循環する冷媒を加熱して暖機するようにしてもよい。
As shown in FIG. 2, in step S100, the
なお、通常運転時には、例えば、制御部71Aは、スロットル開度センサ73から得られる検出値に基づいて、背圧弁36の開度を適宜調節する。具体的には、アクセルペダルの踏み込み量の増加によってスロットル開度が増加した場合には、カソード系30のカソード圧力が高くなるように、背圧弁36の開度を閉じる方向に制御する。この場合、制御部71Aは、スロットル開度に基づいて圧力指令値を決定し、その決定された圧力指令値に基づく背圧弁36の開度を図3に示すマップなどに基づいて設定する。
During normal operation, for example, the
そして、ステップS110において、制御部71Aは、凍結防止制御が実施中であるか否かを判断する。ステップS110において、制御部71Aは、凍結防止制御は実施中ではないと判断した場合には(No)、ステップS120Aに進み、スロットル開度によって決定された圧力指令値と、圧力センサ72によって検出した圧力値とを比較して、すなわち(検出圧力値−圧力指令値)が所定値1以上であるか否かを判断する。つまり、酸化剤ガス排出流路R内が凍結により閉塞状態にある場合には、燃料電池FCのカソード4の圧力が上昇するためフィードバック制御によって背圧弁36を開ける方向へ制御される。このように、決定された圧力指令値よりも圧力センサ72によって検出された圧力値のほうが高くなることによって判断できる。なお、所定値1以上とは、例えば、圧力指令値に対して検出圧力値が過度に高くなって、燃料電池FCの発電性能を損なうおそれがある場合や酸化剤ガス排出流路R(配管等)に不具合が生じる場合を考慮して設定されるものである。また、ステップS120Aおよび後記するステップS190Aが、本実施形態における排出流路状態判断手段が実施する処理に相当する。
In step S110, the
ステップS120Aにおいて、制御部71Aは、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値1以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS130に進み、外気温度センサ75によって検出された外気温度が所定温度以上であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、圧力センサ72の故障などと、凍結とを切り分けるために設定されるものであり、例えば10℃に設定することができる。このような温度に設定することにより、凍結を生じない温度であるにもかかわらず、所定値1以上である場合には、圧力センサ72の故障や酸化剤ガス排出流路R内のごみ詰まりなどであると判断できる。したがって、ステップS130において、制御部71Aは、外気温度が所定温度以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS140に進み、圧力センサ72などの補機故障であると判断する。
In step S120A, when the
そして、ステップS150に進み、制御部71Aは、例えば燃料電池自動車の車室内に設けられた警告ランプ(不図示)を点灯させる。なお、警告ランプに限定されるものではなく、警告音などであってもよい。
Then, the process proceeds to step S150, and the
一方、ステップS130において、制御部71Aは、外気温度が所定温度以上ではないと判断した場合には(No)、補機故障ではないと判断して、ステップS160に進み、電流センサ74から得られる検出値(FC電流)が所定電流以上であるか否かを判断する(排出流路解氷制御停止手段)。つまり、ステップS160は、燃料電池FCの発熱状態を検出する処理であり、燃料電池FCから負荷80に取り出される電流値が所定電流以上である場合には、燃料電池FCの発熱状態が高く、燃料電池FCが高温状態であると判断される。なお、所定電流は、エアコンプレッサ31からの空気を冷却器32をバイパスさせて燃料電池FCに供給したときに、燃料電池FCの過加熱による膜電極接合体の劣化を生じさせない値に設定される。
On the other hand, when the
なお、燃料電池FCの発熱状態を判断する手段としてFC電流を用いて判断しているが、これに限定されるものではなく、燃料電池FCに供給される空気の流量(エア流量)または空気の圧力(エア圧力)に基づいて判断してもよく、エア流量(エア圧力)が所定流量(所定圧力)以上である場合には、燃料電池FCが高温状態であると判断できる。 The FC current is used as a means for determining the heat generation state of the fuel cell FC. However, the present invention is not limited to this, and the flow rate of air supplied to the fuel cell FC (air flow rate) The determination may be made based on the pressure (air pressure). If the air flow rate (air pressure) is equal to or higher than the predetermined flow rate (predetermined pressure), it can be determined that the fuel cell FC is in a high temperature state.
ステップS160において、制御部71Aは、FC電流が所定電流以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS170に進み、I/Cバイパスを実施しないように制御する。なお、I/Cバイパスとは、切替弁33を閉じて、エアコンプレッサ31からの空気を、冷却器32を迂回するバイパス配管34に流して燃料電池FCに供給することである。つまり、燃料電池FCが高温状態の場合に、I/Cバイパスを実施するとエアコンプレッサ31から高温の空気が供給されることになり、燃料電池FCがさらに高温状態になって膜が劣化する。これを防止するために、I/Cバイパスを実施せず、切替弁33を開弁した状態において、エアコンプレッサ31からの空気が冷却器32に流れるように制御する。
In step S160, when the
また、ステップS170では、制御部71Aは、燃料電池自動車のアイドリングストップを禁止する。なお、アイドリングストップとは、水素(燃料ガス)を有効に活用するために行なわれる制御であり、エアコンプレッサ31の停止により発電を停止して、蓄電装置の電力を用いて運転を継続する制御である。アイドリングストップの条件が整ったときに、アイドリングストップを実行する。アイドリングストップの条件とは、例えば、燃料電池自動車のブレーキペダル(BKSW−ON、不図示)が踏まれて、燃料電池自動車が停止し(車速VS=0)、アクセルペダルがOFF(スロットル開度=0)になったときである。
In step S170,
ステップS170において、アイドリングストップを実施する(エアコンプレッサ31を停止する)と、燃料電池FCから温かいカソードオフガスが流れなくなるので、アイドリングストップを禁止することにより、酸化剤ガス排出流路Rの凍結が進行するのを防止することが可能になる。
In step S170, when idling stop is performed (
なお、アイドリングストップの条件は、前記した場合に限定されるものではなく、高速道路などをクルーズモードで走行しているときであってもよい。この場合、エアコンプレッサ31を停止し、燃料電池FCでの発電を停止して、蓄電装置(不図示)のみからの電力で走行させることができる。
The idling stop condition is not limited to the above case, and may be when the vehicle is traveling in a cruise mode on a highway or the like. In this case, the
また、ステップS160において、制御部71Aは、FC電流が所定電流以上でないと判断した場合には(No)、ステップS180に進み、I/Cバイパスを実施するように制御する。このステップS180が、本実施形態における排出流路解氷手段が実施する処理に相当する。この場合、燃料電池FCが高温状態にはなっていないので、切替弁33を閉弁した状態において、エアコンプレッサ31からの空気がバイパス配管34に流れるように制御する。これにより、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスの温度が高くなり、酸化剤ガス排出流路R内の解氷制御が促進される。
In step S160, when the
また、ステップS180において、制御部71Aは、I/Cバイパスを実施する(排出流路解氷手段による制御を行なっている)場合には、アイドリングストップを禁止するように制御する。この場合も前記したように、アイドリングストップを実施する(エアコンプレッサ31を停止する)と、燃料電池FCから温かいカソードオフガスが流れなくなるので、アイドリングストップを禁止することにより、酸化剤ガス排出流路Rの凍結が進行するのを防止することが可能になる。
In step S180, the
一方、ステップS120Aにおいて、制御部71Aは、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値1以上でないと判断した場合には(No)、ステップS200に進み、I/Cバイパスを実施しないように制御する。すなわち、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値1以上でない場合には、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態にはないので、I/Cバイパスが実施されることはない。また、ステップS200において、制御部71Aは、I/Cバイパスを実施しないとともに、アイドリングストップを許可する判断を行なう。これは、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態にないので、アイドリングストップを実行したとしても(エアコンプレッサ31を停止したとしても)、燃料電池システム1Aの配管等の不具合を引き起こすこともないからである。
On the other hand, in step S120A, when
また、ステップS110において、制御部71Aは、解氷制御(I/Cバイパス)を実施中であると判断した場合には、ステップS190Aに進み、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値2以下であるか否かを判断する。所定値2は、前記した所定値1よりも低い値に設定され、圧力指令値と検出圧力値との差が、発電性能を低下させることなく、また燃料電池システム1Aの配管等の不具合を引き起こすことのない値に設定される。このように、所定値1と所定値2との間に幅を持たせて制御することにより、いわゆるハンチング現象を防止することができる。なお、本実施形態におけるハンチング現象とは、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態である判断と、閉塞状態でない判断とが頻繁に入れ替わることを意味している。
If the
ステップS190Aにおいて、制御部71Aは、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値2以下であると判断した場合には(Yes)、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態にないと判断して、ステップS200に進み、I/Cバイパス制御を実施せず、アイドリングストップを許可するように制御する。また、ステップS190Aにおいて、制御部71Aは、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値2以下ではないと判断した場合には(No)、ステップS130に進む。
In step S190A, when the
なお、図2のフローには図示省略しているが、イグニッションスイッチがオフされた場合には、図示しない遮断弁が閉弁されて水素タンク21から燃料電池FCへの水素の供給が停止され、エアコンプレッサ31が停止されて燃料電池FCへの空気の供給が停止される。これにより、燃料電池FCの発電が停止されて、燃料電池システム1Aの運転が終了する。また、凍結防止制御(I/Cバイパス、アイドリングストップ禁止)が実施されているときに、イグニッションスイッチがオフされた場合には、エアコンプレッサ31を継続して駆動して、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態が解消等された後にエアコンプレッサ31を停止するようにしてもよい。
Although not shown in the flow of FIG. 2, when the ignition switch is turned off, a shut-off valve (not shown) is closed and the supply of hydrogen from the
さらに解氷制御について説明すると、暖機完了直後(S100、Yes)で、ステップS110の処理が初回の場合には、I/Cバイパス(凍結防止制御)は実施されていないので(S110、No)、ステップS120Aにおいて、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値1以上であるかどうかを判断する。その時点で、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態に至っておらず、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値1以上でなければ(S120A、No)、I/Cバイパスをせず、アイドリングストップを許可する(S200)。このように酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態と判断されない場合には、ステップS100、S110、S120A、S200の処理が繰り返される。
Further, deicing control will be described. Immediately after the completion of warm-up (S100, Yes), if the process of step S110 is the first time, the I / C bypass (freezing prevention control) is not performed (S110, No). In step S120A, it is determined whether (detected pressure value−pressure command value) is a
そして、燃料電池システム1Aが氷点下に至るような低温環境下において、アイドリングストップの繰り返しなどによって酸化剤ガス排出流路Rが冷やされると、図4の実線A(対策前)に示すように、酸化剤ガス排出流路R(例えば、テールパイプ52)が0℃以下となって、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態になる。これにより、圧力指令値に対して検出圧力値が過度に高く(所定値1以上に)なる(S120A、Yes)。このとき、外気温度によって補機(圧力センサ72)故障ではなく(S130、No)、燃料電池FCから取り出される電流値(FC電流)によって燃料電池FCが高温状態になっていない場合には(S160、No)、I/Cバイパスは実施するが、アイドリングストップは禁止する(S180)。なお、I/Cバイパスを実施することにより、燃料電池FCに対してより高温の空気が供給されるようになるので、図4の破線B(対策後)に示すように、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスがより高い温度で排出されるようになる。ただし、ここでアイドリングストップを実施すると、燃料電池FCに対して空気が供給されなくなるので、アイドリングストップを禁止する。
When the oxidant gas discharge passage R is cooled by repeated idling stop or the like in a low temperature environment where the fuel cell system 1A reaches below freezing point, as shown by a solid line A (before countermeasures) in FIG. The oxidant gas discharge flow path R (for example, the tail pipe 52) becomes 0 ° C. or lower, and the oxidant gas discharge flow path R is closed. Accordingly, the detected pressure value becomes excessively high (becomes a
一方、燃料電池FCが高温状態である場合には(S160、Yes)、I/Cバイパス制御を停止する。また、この場合、ステップS170と同様にアイドリングストップを禁止する。このように酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態が続いている場合には(S190A、No)、図2のフローのステップS100、S110、S190A、S130、S160、S180(またはS170)の処理が繰り返される。なお、ステップS170(S180)において、I/Cバイパス制御とアイドリングストップ禁止制御のいずれかが実施されていれば、ステップS110で凍結防止制御が実施中である(S110、Yes)と判断される。 On the other hand, when the fuel cell FC is in a high temperature state (S160, Yes), the I / C bypass control is stopped. In this case, idling stop is prohibited as in step S170. When the closed state of the oxidant gas discharge channel R continues as described above (S190A, No), the processing of steps S100, S110, S190A, S130, S160, S180 (or S170) in the flow of FIG. 2 is performed. Repeated. In step S170 (S180), if either the I / C bypass control or the idling stop prohibition control is performed, it is determined in step S110 that the freeze prevention control is being performed (S110, Yes).
そして、I/Cバイパス制御やアイドリングストップ禁止制御により、酸化剤ガス排出流路R内の氷が解けて、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態が解消されると、(検出圧力値−圧力指令値)が所定値2以下になり、(S190A、Yes)、I/Cバイパス制御が実施されていればそれが停止されるとともに、アイドリングストップが許可される(S200)。 When the ice in the oxidant gas discharge flow path R is melted by the I / C bypass control or idling stop prohibition control and the closed state of the oxidant gas discharge flow path R is resolved, (detected pressure value−pressure) (Command value) becomes equal to or smaller than the predetermined value 2 (S190A, Yes), and if I / C bypass control is being performed, it is stopped and idling stop is permitted (S200).
このように第1実施形態によれば、低温環境下において、暖機完了後に酸化剤ガス排出流路Rが生成水の凍結により閉塞状態になった場合でも、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態に基づいて解氷制御が可能になるため、酸化剤ガス排出流路R内部の凍結による発電性能の低下や配管等への不具合を防止することが可能になる。 As described above, according to the first embodiment, even when the oxidant gas discharge channel R is closed due to freezing of the generated water after the warm-up is completed in a low temperature environment, the oxidant gas discharge channel R is blocked. Since the de-icing control can be performed based on the state, it is possible to prevent the power generation performance from being deteriorated due to freezing inside the oxidant gas discharge flow path R, and problems with piping and the like.
また、第1実施形態によれば、圧力指令値と検出圧力値とを比較して酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態の有無を判断することができるため、閉塞状態を検出するための特別な装置を使用しなくても、圧力センサ72を設けるだけで、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態を推定することが可能になる。 In addition, according to the first embodiment, since the pressure command value and the detected pressure value can be compared to determine whether or not the oxidant gas discharge flow path R is in a closed state, a special for detecting the closed state is provided. Even if a simple device is not used, it is possible to estimate the closed state of the oxidant gas discharge flow path R simply by providing the pressure sensor 72.
また、第1実施形態によれば、冷却器32(熱交換器)をバイパスさせた空気を燃料電池FCに供給するので、燃料電池FCに対してより高温の空気を供給できる。このため、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスの温度をより高めることができるので、燃料電池FCから排出された生成水が氷結温度(例えば、0℃)まで下がる前に燃料電池システム1Aの外部(車外)に排出することが可能になる(図4の破線B参照)。 In addition, according to the first embodiment, since the air bypassing the cooler 32 (heat exchanger) is supplied to the fuel cell FC, higher temperature air can be supplied to the fuel cell FC. For this reason, the temperature of the cathode off-gas discharged from the fuel cell FC can be further increased, so that the generated water discharged from the fuel cell FC falls outside the fuel cell system 1A before it falls to the freezing temperature (for example, 0 ° C.). It can be discharged (outside the vehicle) (see broken line B in FIG. 4).
また、第1実施形態によれば、燃料電池FCが許容温度を超えないようにしているので(S160)、燃料電池FCの過加熱による膜(膜電極接合体)の劣化を防止することが可能になる。また、燃料電池FCの許容温度により加湿器35の許容温度を超えないように推定することで、加湿器35への熱害を防止することも可能になる。
Further, according to the first embodiment, since the fuel cell FC does not exceed the allowable temperature (S160), it is possible to prevent deterioration of the membrane (membrane electrode assembly) due to overheating of the fuel cell FC. become. Further, it is possible to prevent heat damage to the
(第2実施形態)
図5は第2実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図6は第2実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャート、図7はエアコンプレッサの出力と流量指令値との関係を示すマップである。なお、第2実施形態と第1実施形態とは、制御部71Aおよび圧力センサ72に替えて、制御部71Bおよび流量センサ76とした点が異なる。以下では、異なるステップのみについて説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is an overall configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment, FIG. 6 is a flowchart showing the deicing control in the fuel cell system according to the second embodiment, and FIG. 7 shows the relationship between the output of the air compressor and the flow rate command value. It is a map to show. The second embodiment differs from the first embodiment in that a
図6に示すように、ステップS120Bにおいて、制御部71Bは、(流量指令値−検出流量値)が所定値3以上であるか否かを判断する。なお、圧力センサ72に替えて流量センサ76を用いて判断する場合には、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態になると流量が減少するので、流量指令値に対して検出流量値が低くなる。また、所定値3以上とは、例えば、流量指令値に対して検出流量値が過度に低くなって、燃料電池FCの発電性能を損なうおそれがある場合や酸化剤ガス排出流路R(配管等)に不具合が生じる場合を考慮して設定されるものである。また、制御部71Bは、スロットル開度に基づいて流量指令値を決定し、その決定された流量指令値に基づくエアコンプレッサ31のモータの回転速度を図7に示すマップなどに基づいて設定する。なお、ステップS120Bおよび後記するS190Bが、本実施形態における排出流路状態判断手段が実施する処理に相当する。
As shown in FIG. 6, in step S120B, the
ステップS120Bにおいて、制御部71Bは、(流量指令値−検出流量値)が所定値3以上である場合には(Yes)、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態であると判断してステップS130に進み、(流量指令値−検出流量値)が所定値3以上でない場合には(No)、酸化剤ガス排出流路Rは閉塞状態ではないと判断してステップS200に進む。
In step S120B, when (flow rate command value−detected flow rate value) is equal to or greater than the predetermined value 3 (Yes), the
また、ステップS190Bにおいて、制御部71Bは、(流量指令値−検出流量値)が所定値4以下であるか否かを判断する。なお、所定値4は、所定値3よりも小さい値に設定される。このように、所定値3と所定値4との間に幅を持たせて制御することによりハンチングを防止することができる。ステップS190Bにおいて、制御部71Bは、(流量指令値−検出流量値)が所定値4以下である場合には(Yes)、酸化剤ガス排出流路Rは閉塞状態ではないと判断してステップS200に進み、(流量指令値−検出流量値)が所定値4以下でない場合には(No)、酸化剤ガス排出流路Rは閉塞状態であると判断してステップS130に進む。
In step S190B, the
このように第2実施形態によれば、第1実施形態と同様な効果を得ることができる。すなわち、酸化剤ガス排出流路R内部の凍結による発電性能の低下や配管等への不具合を防止することが可能になる。また、閉塞状態を検出するための特別な装置を使用しなくても、流量センサ76を設けるだけで、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態を推定することが可能になる。また、冷却器32(熱交換器)をバイパスさせた空気を燃料電池FCに供給するので、燃料電池FCに対してより高温の空気を供給でき、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスの温度をより高めることができ、燃料電池FCから排出された生成水が氷結温度(例えば、0℃)まで下がる前に燃料電池システム1Aの外部(車外)に排出することが可能になる(図4の破線B参照)。また、燃料電池FCが許容温度を超えないようにしているので(S160)、燃料電池FCの過加熱による膜電極接合体の劣化を防止することが可能になる。また、燃料電池FCの許容温度により加湿器35の許容温度を超えないように推定することで、加湿器35への熱害を防止することも可能になる。
As described above, according to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. That is, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to freezing inside the oxidant gas discharge flow path R and problems with piping and the like. Further, it is possible to estimate the closed state of the oxidant gas discharge flow path R simply by providing the flow rate sensor 76 without using a special device for detecting the closed state. Further, since air bypassing the cooler 32 (heat exchanger) is supplied to the fuel cell FC, higher temperature air can be supplied to the fuel cell FC, and the temperature of the cathode off-gas discharged from the fuel cell FC can be reduced. The generated water discharged from the fuel cell FC can be discharged to the outside of the fuel cell system 1A (outside the vehicle) before it drops to the freezing temperature (for example, 0 ° C.) (broken line in FIG. 4). B). In addition, since the fuel cell FC does not exceed the allowable temperature (S160), it becomes possible to prevent the deterioration of the membrane electrode assembly due to overheating of the fuel cell FC. Further, it is possible to prevent heat damage to the
なお、本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、第1実施形態では圧力指令値に基づいて背圧弁36を制御する構成に替えて、圧力指令値に基づいてエアコンプレッサ31のモータの回転速度を制御してもよい。この場合、酸化剤ガス排出流路R内が氷結して閉塞状態になると、燃料電池FCのカソード4の圧力が通常よりも増加するため、フィードバック制御によってエアコンプレッサ31の回転速度を下げるように制御される。つまり、検出圧力値が圧力指令値よりも過度に高くなること(所定値以上になること)によって閉塞状態を判断してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments. In the first embodiment, the configuration of controlling the
また、排出流路状態判断手段として、ステップS120A(S120B)において、背圧弁36のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態を判断してもよい。すなわち、背圧弁36の開度指令値に対するフィードバック値(開き方向へ向かう開度)が所定以上になった場合、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態であると判断できる。つまり、背圧弁36のフィードバックとは、酸化剤ガス排出流路Rが凍結して閉塞してくると、燃料電池FC内の圧力が所定値よりも上昇するため、フィードバックにて背圧弁36の開度をさらに開くことで圧力を調節する制御である。なお、ステップS190A(S190B)では、背圧弁36の開度指令値に対するフィードバック値が所定(ハンチング防止のため前記所定値とは幅を持たせる)未満になったか否かを判断する。
Further, as the discharge channel state determination means, the closed state of the oxidant gas discharge channel R may be determined based on the feedback of the
また、排出流路状態判断手段(S120A、S120B)として、エアコンプレッサ31のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態を判断してもよい。すなわち、エアコンプレッサ31のモータの回転速度指令値(回転数指令値)に対するフィードバックが所定閾値以上になった場合、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態であると判断できる。つまり、エアコンプレッサ31のフィードバックとは、酸化剤ガス排出流路Rが凍結して閉塞してくると、エア流量が低下するため、フィードバックにてエアコンプレッサ31の回転速度を上げることでエア流量を調節する制御である。
Further, as the discharge flow path state determining means (S120A, S120B), the closed state of the oxidant gas discharge flow path R may be determined based on the feedback of the
なお、前記した排出流路状態判断手段では、エア流量に重点を置いた制御であるが、燃料電池FC内の圧力に重点を置いた制御にしてもよい。すなわち、エアコンプレッサ31のモータの回転速度指令値(回転数指令値)に対するフィードバックが所定閾値以下になった場合、酸化剤ガス排出流路Rが閉塞状態であると判断できる。つまり、この場合のエアコンプレッサ31のフィードバックとは、酸化剤ガス排出流路Rが凍結して閉塞してくると、燃料電池FC内の圧力が所定値より上昇するため、フィードバックにてエアコンプレッサ31の回転速度を下げることで圧力を調節する制御である。
In the above-described discharge flow path state determination means, the control is focused on the air flow rate, but may be controlled based on the pressure in the fuel cell FC. That is, when the feedback with respect to the rotation speed command value (rotation speed command value) of the motor of the
また、排出流路解氷手段として、冷却器32をバイパスするバイパス配管34および切替弁33を設ける構成に替えて、燃料電池FCの発熱量を上昇させる制御を行なってもよい。すなわち、エアコンプレッサ31からの空気の供給量を増量して空気中の酸素と水素とを多く消費させることによって、燃料電池FCから取り出す電力を増量する処理である。なお、燃料電池FCから取り出した電力は図示しない蓄電装置に充電される。このように燃料電池FCの出力を増加させることにより、燃料電池FCの発熱量が高まり、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスの排気温度が高まるようになる。あるいは、エアコンプレッサ31からの空気の供給量を増加させて流速を高めるようにしてもよい。
Further, instead of the configuration in which the
(第3実施形態)
図8は第3実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図9は第3実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャートである。なお、第3実施形態は、第1実施形態に、I/Cバイパス制御が故障した場合の代替制御を追加した構成である。図8に示す燃料電池システム1Cの全体構成図では、制御部71Aに替えて制御部71Cとし、圧力センサ77およびVCU(Voltage Control Unit)81を追加した点が第1実施形態と異なっている。また、図8に示す切替弁33は、開度調節可能なバタフライ弁などで構成されている。また、バイパス配管34には、第1実施形態および第2実施形態と同様なオリフィス(図示せず)が設けられている(後記する第4実施形態も同様)。図9に示すフローでは、図2のフローに、ステップS165,S210を追加した点が第1実施形態と異なっている。以下では、異なる構成およびステップのみについて説明する。
(Third embodiment)
FIG. 8 is an overall configuration diagram of the fuel cell system according to the third embodiment, and FIG. 9 is a flowchart showing the deicing control in the fuel cell system according to the third embodiment. Note that the third embodiment has a configuration in which an alternative control is added to the first embodiment when the I / C bypass control fails. The overall configuration diagram of the fuel cell system 1C shown in FIG. 8 differs from the first embodiment in that a
図8に示すように、前記圧力センサ77は、燃料電池FCのカソード4側の入口に設けられ、その検出値(圧力値)が制御部71Cによって取得される。前記VCU81は、制御部71Cからの発電指令に基づいて燃料電池FCから取り出す発電電流(電力)を制御する。なお、第3実施形態における制御部71Cは、熱交換器迂回可能判断手段、発電量増量手段をさらに含んで構成されている。
As shown in FIG. 8, the
図9に示すように、ステップS160において、制御部71Cは、電流センサ74から得られる検出値(FC電流)が所定電流以上でないと判断した場合には(No)、ステップS165に進み、I/Cバイパス機構が正常であるか否かを判断する。なお、I/Cバイパス機構が正常であるか否かの判断は、切替弁33(バタフライ弁)の開度変更に基づいて燃料電池FCのカソード4の入口側の圧力を圧力センサ77によって検出し、検出した圧力値が所定以下の場合にI/Cバイパス機構が故障していると判断する。また、このステップS165が、本実施形態における熱交換器迂回可能判断手段が実施する処理に相当する。
As shown in FIG. 9, in step S160, when the
ステップS165において、制御部71Cは、I/Cバイパス機構が故障していると判断した場合には(No)、ステップS210に進み、I/Cバイパス制御の代替制御を実施する。すなわち、制御部71CからVCU81への発電指令に基づいて燃料電池FCから取り出す発電電流(発電量)を増量することにより、燃料電池FC自身の自己発熱量を増加させ、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスの温度を上昇させる。なお、燃料電池FCから取り出した発電電流は、例えばバッテリなどの蓄電装置(図示せず)に充電される。これにより、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞を解消できるため、I/Cバイパス機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞によって燃料電池FCの発電継続が不能になるのを防止することができる。なお、ステップS210が、本実施形態における発電量増量手段が実施する処理に相当する。
In step S165, if the
また、ステップS210では、制御部71Cは、アイドリングストップを禁止する制御を実施する。また、ステップS165において、制御部71Cは、I/Cバイパス機構が正常であると判断した場合には(Yes)、ステップS180の処理を実施する。
In Step S210, control
なお、第3実施形態において、ステップS210の発電量増量手段における発電量増量は、酸化剤ガス排出流路Rの配管閉塞量(凍っている氷の量)が多いほど上昇させる。ただし、燃料電池FCやその他の補機の耐久温度以下となる値までとする。 In the third embodiment, the power generation amount increase in the power generation amount increase means in step S210 is increased as the pipe blockage amount (the amount of frozen ice) in the oxidant gas discharge channel R increases. However, it is limited to a value that is lower than the endurance temperature of the fuel cell FC and other auxiliary machines.
(第4実施形態)
図10は第4実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。なお、第4実施形態は、第3実施形態と同様に、第1実施形態にI/Cバイパス制御が故障した場合の代替制御を追加した構成である。図8に示す燃料電池システム1Dの全体構成図では、制御部71Aに替えて制御部71Dとし、圧力センサ77、流量センサ78および温度センサ79を追加した点が第1実施形態と異なっている。また、第4実施形態の燃料電池システム1Dにおける解氷制御を示すフローチャートは、ステップS210の代替制御としてエア量を増量させる点を除いて第3実施形態(図9のフロー)と同様である。以下では、異なる構成およびステップS210のみについて説明する。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is an overall configuration diagram of the fuel cell system according to the fourth embodiment. In addition, 4th Embodiment is the structure which added the alternative control when I / C bypass control fails to 1st Embodiment similarly to 3rd Embodiment. The overall configuration diagram of the fuel cell system 1D shown in FIG. 8 differs from the first embodiment in that a control unit 71D is used instead of the
図10に示すように、前記流量センサ78は、エアコンプレッサ31の上流側に設けられ、燃料電池システム1Cの外部から導入されるエア(酸化剤ガス)の流量値が制御部71Dによって取得される。また、前記温度センサ79は、エアコンプレッサ31の上流側に設けられ、燃料電池システム1Cの外部から導入されるエア(酸化剤ガス)の温度が制御部71Dによって取得される。なお、第4実施形態における制御部71Dは、熱交換器迂回可能判断手段、酸化剤ガス量増量手段をさらに含んで構成されている。
As shown in FIG. 10, the
図9に示すように、ステップS165において、制御部71Dは、I/Cバイパス機構が故障していると判断した場合には(No)、ステップS210に進み、I/Cバイパス制御の代替制御を実施する。すなわち、制御部71Dによってエアコンプレッサ31から燃料電池FCに供給されるエア量(酸化剤ガス量)を増量することにより、酸化剤ガス排出流路Rを閉塞させている氷を燃料電池システム1Dの外部へ押し出す力を増大させる。また、エア量を増量することにより、エアコンプレッサ31から排出されるエアがさらに圧縮されるため、エア温度も上昇する。これにより、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞を解消できるため、I/Cバイパス機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路Rの閉塞によって燃料電池FCの発電継続が不能になるのを防止することができる。なお、ステップS210が、本実施形態における酸化剤ガス量増量手段が実施する処理に相当する。
As shown in FIG. 9, in step S165, when the control unit 71D determines that the I / C bypass mechanism has failed (No), the control unit 71D proceeds to step S210 and performs alternative control of I / C bypass control. carry out. That is, by increasing the amount of air (oxidant gas amount) supplied from the
なお、第4実施形態において、ステップS210の酸化剤ガス量増量手段におけるエア量増量は、酸化剤ガス排出流路Rの配管閉塞量(凍っている氷の量)が多いほど上昇させる。ただし、燃料電池FCやその他の補機の耐久温度以下となる値までとする。 In the fourth embodiment, the air amount increase in the oxidant gas amount increase means in step S210 is increased as the pipe blockage amount (the amount of frozen ice) in the oxidant gas discharge channel R increases. However, it is limited to a value that is lower than the endurance temperature of the fuel cell FC and other auxiliary machines.
なお、第3実施形態および第4実施形態では、前記(第1実施形態、第2実施形態)と同様に、背圧弁36のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態を判断してもよく、あるいはエアコンプレッサ31のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Rの閉塞状態を判断してもよい。
In the third embodiment and the fourth embodiment, the closed state of the oxidant gas discharge flow path R is determined based on the feedback of the
1A〜1D 燃料電池システム
5a アノード流路
6a カソード流路
31 エアコンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)
32 冷却器(熱交換器)
33 切替弁
34 バイパス配管
35 加湿器
36 背圧弁
37a〜37d カソード供給配管
38,38b カソード排出配管
41 希釈器
51 サイレンサ
52 テールパイプ
71A〜71D 制御部
72 圧力センサ
75 外気温度センサ
76 流量センサ
R 酸化剤ガス排出流路
FC 燃料電池
1A to 1D
32 Cooler (heat exchanger)
33
Claims (13)
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酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、
前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる排出流路解氷手段と、
前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、前記排出流路状態判断手段により前記酸化剤ガス排出流路が閉塞状態にあると判断された場合、前記排出流路解氷手段により前記酸化剤ガス排出流路内を解氷する制御を行なうことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell for generating electricity by supplying an oxidant gas to the cathode channel and a fuel gas to the anode channel;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
An oxidant gas discharge passage through which the oxidant gas discharged from the fuel cell is circulated and discharged;
A fuel cell warm-up completion determination means for determining whether or not the warm-up of the fuel cell is completed,
A discharge channel state determining means for determining whether or not the oxidant gas discharge channel is in a closed state due to freezing;
A discharge flow path deicing means for resolving a blockage caused by freezing of the oxidant gas discharge flow path;
After the fuel cell warm-up completion determining unit determines that the fuel cell has been warmed up, the exhaust channel state determining unit determines that the oxidant gas discharge channel is in a closed state. In this case, the fuel cell system is characterized in that the discharge channel deicing means performs control to defrost the inside of the oxidant gas discharge channel.
前記排出流路解氷手段は、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスを、前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A heat exchanger provided in a gas flow path between the oxidant gas supply means and the fuel cell, for cooling the oxidant gas supplied to the fuel cell;
6. The discharge channel de-icing unit supplies the oxidant gas from the oxidant gas supply unit to the fuel cell by bypassing the heat exchanger. The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池の発電量を増量させる発電量増量手段と、を有し、
前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池の発電量を増量させることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 A heat exchanger bypassable determination means for determining whether the heat exchanger can be bypassed;
Power generation amount increasing means for increasing the power generation amount of the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 6, wherein when the heat exchanger cannot be bypassed, the power generation amount of the fuel cell is increased.
前記燃料電池に供給する酸化剤ガス量を増量させる酸化剤ガス量増量手段と、を有し、
前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池に供給される酸化剤ガス量を増量させることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 A heat exchanger bypassable determination means for determining whether the heat exchanger can be bypassed;
Oxidant gas amount increasing means for increasing the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 6, wherein when the heat exchanger cannot be bypassed, the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell is increased.
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