JP5596744B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料供給路にインジェクタなどの開閉弁を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including an on-off valve such as an injector in a fuel supply path.
特許文献1には、インジェクタの上流側での燃料ガスの圧力値を、燃料電池の通常運転時における圧力値よりも低くした状態で起動することが記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料電池のアノード流路が空気で置換され、アノード流路とカソード流路のそれぞれに空気が存在している状態で起動する場合、インジェクタの上流側の圧力を低くすると、インジェクタの噴射量が低下してしまい、アノード流路を空気から水素に置換するのに時間がかかり、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるという問題があった。
However, in the fuel cell system described in
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、起動時に燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the fuel cell from being exposed to a high potential state for a long time during startup.
本発明は、アノードに燃料ガスを供給するアノード流路およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路を有する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを導入する燃料ガス導入流路と、前記燃料電池から燃料オフガスを導出する燃料オフガス導出流路と、前記燃料オフガス導出流路に排出された燃料オフガスを前記燃料ガス導入流路に戻す戻し流路と、前記燃料ガス導入流路に設けられ、前記戻し流路を介して燃料オフガスを吸引して燃料ガスと混合するエゼクタと、前記燃料ガス導入流路の前記エゼクタの上流に設けられ、前記アノード流路に燃料ガスを調圧して供給する電子制御式の第1インジェクタと、前記第1インジェクタよりも上流の前記燃料ガス導入流路と、前記エゼクタよりも下流の前記燃料ガス導入流路とを接続するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記アノード流路に燃料ガスを調圧して供給する電子制御式の第2インジェクタと、前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されたか否かを前記燃料電池の起動時に判定するアノード流路置換判定手段と、前記アノード流路置換判定手段により前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されたと判定された場合、前記第1インジェクタおよび前記第2インジェクタにより前記アノード流路に供給される燃料ガスの目標圧力を、前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されていない場合よりも高く設定するとともに、前記アノード流路への燃料ガスの圧力上昇幅を通常発電時よりも小さく設定し、前記アノード流路に燃料ガスを供給する燃料ガス高圧供給制御手段と、を備え、前記燃料ガス高圧供給制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記第1インジェクタの噴射量が通常発電時よりも多くなるように当該第1インジェクタの開弁開始から次の開弁開始までの間隔である基準周期における開弁時間を通常発電時よりも長くし、かつ、前記第2インジェクタの開弁開始から次の開弁開始までの間隔である基準周期における開弁時間を制限することを特徴とする。 The present invention includes a fuel cell having an anode channel for supplying fuel gas to the anode and a cathode channel for supplying oxidant gas to the cathode, a fuel gas introduction channel for introducing fuel gas into the fuel cell, and the fuel Provided in the fuel gas introduction flow path, a fuel off gas extraction flow path for deriving the fuel off gas from the battery, a return flow path for returning the fuel off gas discharged to the fuel off gas discharge flow path to the fuel gas introduction flow path, An ejector that sucks the fuel off-gas through the return channel and mixes it with the fuel gas, and an electron that is provided upstream of the ejector in the fuel gas introduction channel and regulates and supplies the fuel gas to the anode channel A control-type first injector, a fuel gas introduction passage upstream from the first injector, and a fuel gas introduction passage downstream from the ejector are connected to the fuel gas introduction passage. A path flow path, an electronically controlled second injector that is provided in the bypass flow path and supplies fuel gas to the anode flow path, and whether or not the anode flow path has been replaced with an oxidant gas. Anode injector replacement determining means for determining when the fuel cell is activated, and the first injector and the second injector when the anode channel replacement determining means determines that the anode channel has been replaced with an oxidant gas. The target pressure of the fuel gas supplied to the anode flow path is set higher than when the anode flow path is not replaced with the oxidant gas, and the pressure increase range of the fuel gas to the anode flow path is set. It is set to be smaller than the normal power generation, and a fuel gas pressure supply control means for supplying a fuel gas to the anode channel, the fuel gas pressure supply control hand At startup of the fuel cell, open in the reference period is the interval from the previous SL opening start of the first injector as the injection amount of the first injector is larger than the normal power generation to the next open-starting The valve time is made longer than that during normal power generation, and the valve opening time in a reference period that is an interval from the start of opening of the second injector to the start of the next valve opening is limited .
ところで、燃料電池の発電停止時にアノード流路が酸化剤ガスで置換され、アノード流路とカソード流路とに酸化剤ガスが存在している状態で燃料電池を起動した場合、アノード流路の入口から燃料ガスが供給されると、アノード流路の入口側と出口側とで燃料ガスの濃度差が大きくなり、この大きな濃度差が長時間継続することにより、燃料電池が高電位となる状態が長く続き、燃料電池が劣化するという知見が得られた。 By the way, when power generation of the fuel cell is stopped, the anode channel is replaced with the oxidant gas, and the fuel cell is started with the oxidant gas present in the anode channel and the cathode channel, the inlet of the anode channel When the fuel gas is supplied from the fuel cell, the difference in the concentration of the fuel gas increases between the inlet side and the outlet side of the anode flow path, and this large concentration difference continues for a long time. The knowledge that the fuel cell has deteriorated for a long time has been obtained.
そこで、本発明では、アノード流路が酸化剤ガスで置換された状態で燃料電池を起動する場合、アノード流路に供給する燃料ガスの目標圧力(供給圧力)を通常起動時よりも高く設定することで、アノード流路内において酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が促進され、アノード流路の入口側と出口側とで燃料ガスの濃度差が早期に解消され、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能になる。
ところで、燃料電池の起動時に燃料ガスの圧力が直ちに目標圧力に達してしまうと、燃料ガスの供給が停止し、酸化剤ガスと燃料ガスの混合が促進されなくなる。そこで、圧力上昇幅に制限を設けることで、燃料ガスが途中で供給されなくなるのを防止でき、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合がより促進されるので、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのをより確実に防止できる。
また、燃料ガス調圧供給手段として、電子制御式の第1インジェクタおよび第2インジェクタを採用することで、より細かな制御を行うことができる。
Therefore, in the present invention, when starting the fuel cell in a state where the anode flow path is replaced with the oxidant gas, the target pressure (supply pressure) of the fuel gas supplied to the anode flow path is set higher than that during normal startup. This facilitates the mixing of the oxidant gas and the fuel gas in the anode flow path, eliminates the difference in fuel gas concentration between the inlet side and the outlet side of the anode flow path at an early stage, and makes the fuel cell have a high potential for a long time. It becomes possible to prevent exposure to the state.
By the way, if the pressure of the fuel gas immediately reaches the target pressure when the fuel cell is started, the supply of the fuel gas is stopped, and the mixing of the oxidant gas and the fuel gas is not promoted. Therefore, by setting a limit on the pressure increase range, it is possible to prevent the fuel gas from being supplied halfway, and the mixing of the oxidant gas and the fuel gas is further promoted, so that the fuel cell is kept in a high potential state for a long time. It is possible to prevent exposure more reliably.
Further, by adopting the electronically controlled first injector and the second injector as the fuel gas pressure supply means, finer control can be performed.
なお、燃料電池の発電停止時にアノード流路が酸化剤ガスで置換された状態とは、燃料電池の次回起動時に、アノード流路に燃料ガスを供給したときに、アノード流路の入口側と出口側とで燃料ガスの濃度差(入口側が高く、出口側が低い)が生じる状態を意味している。 The state in which the anode flow path is replaced with the oxidant gas when the fuel cell power generation is stopped means that when the fuel gas is supplied to the anode flow path at the next startup of the fuel cell, the inlet side and the outlet side of the anode flow path. This means that there is a difference in fuel gas concentration (high on the inlet side and low on the outlet side).
また、前記アノード流路置換判定手段は、前記燃料電池の起動前の発電停止時間が所定時間以上である場合に前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されたと判定し、前記燃料ガス高圧供給制御手段は、前記アノード流路置換判定手段により前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されたと判定した場合、前記目標圧力を前記発電停止時間が所定時間未満である場合よりも高く設定することを特徴とする。 The anode flow path replacement determination means determines that the anode flow path has been replaced with an oxidant gas when the power generation stop time before starting the fuel cell is a predetermined time or more, and the fuel gas high pressure supply control The means sets the target pressure higher than the case where the power generation stop time is less than a predetermined time when the anode flow path replacement determination means determines that the anode flow path is replaced with an oxidant gas. And
これによれば、発電停止時間が長い場合(所定時間以上の場合)にはアノード流路が酸化剤ガスで置換された状態になるので、アノード流路とカソード流路のそれぞれに酸化剤ガスが存在している状態で起動する際にアノード流路に供給する燃料ガスの目標圧力(供給圧力)を通常発電時よりも高く設定することで、アノード流路内において酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が促進され、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能になる。 According to this, when the power generation stop time is long (when it is longer than the predetermined time), the anode flow path is replaced with the oxidant gas, so that the oxidant gas is in each of the anode flow path and the cathode flow path. By setting the target pressure (supply pressure) of the fuel gas supplied to the anode flow path when starting in the existing state higher than that during normal power generation, the oxidant gas and the fuel gas are mixed in the anode flow path. Mixing is promoted, and it becomes possible to prevent the fuel cell from being exposed to a high potential state for a long time.
また、前記燃料ガス高圧供給制御手段は、前記燃料電池の発電停止時間が長くなるほど前記目標圧力を高く設定することを特徴とする。 The fuel gas high-pressure supply control means sets the target pressure higher as the power generation stop time of the fuel cell becomes longer.
これによれば、発電停止時間が長くなるほど、アノード流路内において酸化剤ガスと燃料ガスとを混合させるのに長い時間を要するので、目標圧力を高く設定する必要がある。そこで、目標圧力を適切に設定することにより、目標圧力を不必要(無駄)に高く設定する必要がなくなる。 According to this, the longer the power generation stop time, the longer it takes to mix the oxidant gas and the fuel gas in the anode flow path, so the target pressure needs to be set higher. Therefore, it is not necessary to set the target pressure unnecessarily (uselessly) by appropriately setting the target pressure.
また、前記バイパス流路の下流側の接続点よりも下流の前記燃料ガス導入流路と前記戻し流路の上流側の接続点よりも上流の前記燃料オフガス導出流路とを接続する接続路と、前記接続路に設けられ、前記アノード流路の出口から排出された燃料オフガスを前記アノード流路の入口に戻す循環装置と、前記燃料ガス高圧供給制御手段による燃料ガスの供給前に、前記循環装置の作動を開始する循環装置作動開始手段と、を備えることを特徴とする。 A connection path that connects the fuel gas introduction flow path downstream from the connection point downstream of the bypass flow path and the fuel off-gas discharge flow path upstream of the connection point upstream of the return flow path; A circulation device that is provided in the connection path and returns the fuel off-gas discharged from the outlet of the anode flow path to the inlet of the anode flow path, and the circulation before the fuel gas is supplied by the fuel gas high-pressure supply control means And a circulation device operation start means for starting the operation of the device.
これによれば、燃料ガス調圧供給手段よりも循環装置を先に作動させてアノード循環系(接続路、燃料ガス導入路、燃料オフガス導出路)内にガスの流れを形成してから新たな燃料ガスの供給を開始することで、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合をより一層促進できる。 According to this, the circulation device is operated prior to the fuel gas pressure supply means to form a gas flow in the anode circulation system (connection path, fuel gas introduction path, fuel off-gas lead-out path), and then a new one is created. By starting the supply of the fuel gas, the mixing of the oxidant gas and the fuel gas can be further promoted.
また、前記燃料ガス高圧供給制御手段は、前記第1インジェクタの開弁状態を維持することを特徴とする。 The fuel gas high-pressure supply control means maintains the valve open state of the first injector .
これによれば、第1インジェクタの開弁状態を維持して、燃料ガスを連続供給することで、燃料ガスを間欠供給(断続供給)するよりも酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を促進できる。 According to this, mixing the oxidant gas and the fuel gas can be promoted by maintaining the valve opening state of the first injector and continuously supplying the fuel gas, rather than intermittently supplying (intermittently supplying) the fuel gas. .
本発明によれば、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can prevent that a fuel cell is exposed to a high potential state for a long time can be provided.
本発明の一実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1は、例えば、図示しない燃料電池車(車両、移動体)に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車などである。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。または、家庭用や業務用の定置式のものに適用してもよい。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック10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、燃料電池スタック10の発電を制御する電力制御系と、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。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池スタック10は、複数の固体高分子型の単セル11が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル11が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、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜などからなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノードおよびカソード(電極)とを備えている。
The
アノードおよびカソードは、カーボンペーパなどの導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノードおよびカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Ptなど)と、を含んでいる。 The anode and the cathode include a porous body having conductivity such as carbon paper, and a catalyst (Pt or the like) that is supported on the porous body and causes an electrode reaction in the anode and the cathode.
各セパレータには、各MEAの全面に水素または空気を供給するための溝や、全単セル11に水素または空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝および貫通孔がアノード流路12(燃料ガス流路)、カソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。
Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA and a through hole for supplying or discharging hydrogen or air to or from all the
そして、アノード流路12を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路13を介して各カソードに空気が供給されると、各単セル11で電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10とモータ41などの外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
When hydrogen is supplied to each anode via the
セル電圧モニタ15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。
The cell voltage monitor 15 is a device that detects a cell voltage for each of the plurality of
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、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15)は、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。
The monitor body scans all the
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給源)、常閉型の遮断弁22、第1インジェクタ23A(燃料ガス調圧供給手段:図1、図5〜図7ではINJAと表記)、第2インジェクタ23B(燃料ガス調圧供給手段:図1、図5〜図7ではINJBPと表記)、エゼクタ24、逆止弁25、パージ弁26、水素ポンプ27、圧力センサ28などを備えている。
The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas supply source), a normally closed shut-off
なお、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、例えば、同種のもの(同一性能を有するもの)を使用してもよく、または第1インジェクタ23Aが第2インジェクタ23Bよりも大流量の水素を噴射できるものを使用してもよく、または第2インジェクタ23Bが第1インジェクタ23Aよりも大流量の水素を噴射できるものを使用してもよく、適宜変更することができる。
The
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、第1インジェクタ23A、配管23a、エゼクタ24、配管24aを介して、アノード流路12の入口12aに接続されている。配管22aは、配管22b、第2インジェクタ23B、配管23bを介して、配管24aに接続されている。そして、遮断弁22が開いた状態で、第1インジェクタ23Aおよび/または第2インジェクタ23Bが水素を噴射すると、水素タンク21の水素が配管21aなどを通って、アノード流路12に供給されるようになっている。
The
なお、配管22bの接続点よりも上流の配管22aには、水素の圧力を下げる図示しない減圧弁(レギュレータ)が設けられている。この減圧弁は、カソード系の圧力をパイロット圧として作動するものであってもよく、または電気的に制御されるものであってもよい。
A pressure reducing valve (regulator) (not shown) for reducing the hydrogen pressure is provided in the
ここで、アノード流路12の入口12aに接続され、アノード流路12に供給される水素が通流する燃料ガス導入流路は、配管21aと、配管22aと、配管23aと、配管24aと、配管22bと、配管23bと、を備えて構成されている。そして、エゼクタ24は、前記燃料ガス導入流路と、後記する配管25b(接続路)との接続点に設けられている。
Here, the fuel gas introduction flow path through which the hydrogen supplied to the
また、第1インジェクタ23Aは、前記接続点(エゼクタ24)よりも上流の前記燃料ガス導入流路に設けられている。さらに、第1インジェクタ23Aよりも上流の前記燃料ガス導入流路と、エゼクタ24よりも下流の前記燃料ガス導入流路とを接続し、水素タンク21からの水素が第1インジェクタ23Aおよびエゼクタ24をバイパスするバイパス流路は、配管22bと配管23bとを備えて構成されている。そして、第2インジェクタ23Bは、前記バイパス流路に設けられている。
The
水素タンク21は、水素が高圧で封入されるタンクである。
遮断弁22は、例えば、電磁作動式のものであり、ECU60からの指令に従って、開閉するようになっている。
The
The shut-off
第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、ECU60により電子制御されることで、通常時に水素を間欠的(断続的)に噴射するものであり、高圧起動時に水素を短時間連続的に噴射することができるものである。
The
なお、第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23B、遮断弁22や、水素ポンプ27、後記するエアポンプ31および背圧弁33は、燃料電池スタック10および/または後記するバッテリ44を電源としている。
The
第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、ハウジング、ソレノイド、プランジャ、圧縮コイルばね、ノズルなど公知の部品を組み合わせて構成されている。第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、ECU60によって電子制御されるものであるので、ECU60からの指令(開指令/閉指令)に対する応答性が良く、制御性が良好である。
The
エゼクタ24は、水素(第1インジェクタ23Aからの水素)を噴射することで負圧を発生させるノズル24bと、水素と前記負圧で吸引された配管25aおよび配管25bのアノードオフガス(燃料オフガス)を混合し、配管24a(アノード流路12)に向けて供給するディフューザ24cと、を備えている。
The
アノード流路12の出口12bは、配管26a、配管25a、逆止弁25、配管25bを介して、エゼクタ24の吸気口に接続されている。そして、アノード流路12から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス(燃料オフガス)が、エゼクタ24(燃料ガス導入流路)に戻されるようになっている。
The
なお、逆止弁25は、アノードオフガスの逆流を防止する弁である。また、配管26aには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器(図示しない)が設けられている。
The
配管26aは、パージ弁26、配管26bを介して、後記する希釈器34に接続されている。パージ弁26は、燃料電池スタック10の発電時に、循環流路(アノード流路12、配管26a,25a,25b,24a)を循環するアノードオフガスに含まれる不純物(水蒸気、窒素など)を排出(パージ)する場合や、システム起動時にアノード流路12を水素に置換する場合、ECU60によって開かれる。なお、本実施形態では、配管26a,26bが燃料オフガス導出流路に相当する。
The
水素ポンプ27は、アノード流路12の出口12bから排出されたアノードオフガス(燃料オフガス)をアノード流路12の入口12aに戻して循環させる循環装置であり、ECU60からの指令により制御される。
The
また、水素ポンプ27の導入口は、配管27aを介して配管26aに接続され、配管27aが配管26aの配管25aとの接続点よりも上流側に接続されている。また、水素ポンプ27の導出口は、配管27bを介して配管24aに接続され、配管27bが配管24aの配管23bとの接続点よりも下流側に接続されている。
The introduction port of the
圧力センサ28は、アノード流路12の入口12aの近傍の配管24aに取り付けられている。また、圧力センサ28は、配管24a内の圧力Pa(アノード流路12の圧力と略等しい)を検出し、ECU60に出力するようになっている。なお、圧力センサ28は、アノード流路12の出口12bの近傍の配管26aであってもよい。
The
カソード系は、エアポンプ31、加湿器32、背圧弁33、希釈器34、圧力センサ35などを備えている。
The cathode system includes an
エアポンプ31の吐出口は、配管31a、加湿器32、配管32aを介してカソード流路13の入口に接続されている。また、エアポンプ31は、モータ(不図示)で駆動されるものであり、ECU60の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路13に向けて供給するようになっている。
The discharge port of the
カソード流路13の出口は、配管32b、加湿器32、配管33a、背圧弁33、配管33bを介して、希釈器34に接続されている。カソード流路13からのカソードオフガス(酸化剤オフガス)は、希釈器34に向けて排出されるようになっている。
The outlet of the
加湿器32は、水分が透過可能な中空糸膜(図示せず)を備え、この中空糸膜を介して、エアポンプ31からの新規空気と、カソード流路13の出口からの多湿なカソードオフガスとの間で水分交換させ、新規空気を加湿するものである。
The
背圧弁33は、常開型のバタフライ弁などで構成され、ECU60の指令に従って、その背圧(カソード流路13の圧力)を制御するようになっている。ちなみに、アノードとカソードの極間差圧が大きくなり過ぎないように、背圧弁33を制御することで、カソードの圧力Pcを上昇/低下させることができる。
The back pressure valve 33 is configured by a normally open butterfly valve or the like, and controls the back pressure (the pressure of the cathode channel 13) in accordance with a command from the
希釈器34は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス(希釈用ガス)で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管34aを介して、車外に排出されるようになっている。
The
圧力センサ35は、カソード流路13の入口近傍の配管32aに取り付けられている。また、圧力センサ35は、配管32a内の圧力Pc(カソード流路13の圧力と略等しい)を検出し、ECU60に出力するようになっている。なお、圧力センサ35は、カソード流路13の出口近傍の配管32bであってもよい。
The pressure sensor 35 is attached to a
電力制御系は、モータ41、PDU42(Power Drive Unit)、電力制御器43、バッテリ44、コンタクタ45などを備えている。モータ41は、PDU42、電力制御器43、コンタクタ45を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されており、バッテリ44は、電力制御器43に接続されている。すなわち、モータ41とバッテリ44とは、電力制御器43(燃料電池スタック10)に対して並列で接続されている。
The power control system includes a
モータ41は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。
The
PDU42は、ECU60の指令に従って、電力制御器43からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ41に供給するインバータである。
The
電力制御器43は、ECU60の指令に従って、燃料電池スタック10の出力(発電電力、電流値、電圧値)を制御する機能と、バッテリ44の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器43は、DC−DCチョッパ回路などの各種電子回路を備えて構成される。
The
バッテリ44は、電力を充電/放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池が複数組み合わせてなる組電池で構成される。
The
コンタクタ45は、燃料電池スタック10と電力制御器43との間に配設され、燃料電池スタック10と外部負荷(モータ41、バッテリ44など)との接続/遮断を行う開閉器を備えて構成され、ECU60によって開閉される。
The
IG51は、燃料電池システム1(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG51はECU60と接続されており、ECU60はIG51のON信号(システム起動信号)、OFF信号(システム停止信号)を検知するようになっている。
The
タイマ52は、IG51のOFF信号を検知してからON信号を検知するまでの燃料電池スタック10の発電停止時間を計測するものであり、計測した発電停止時間をECU60に出力するようになっている。
The
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(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
The
また、ECU60は、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23BをPWM(Pulse Width Modulation)制御する機能を備えている。すなわち、ECU60は、図2(a),(b)に示すように、インターバル(開弁開始から次の開弁開始までの間隔、基準周期)に対する第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bに出力する開指令(開弁時間[Ti値]、ONデューティ)の比率を可変にすることで、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bからの水素の噴射量(流量)と、アノード流路12に供給される水素の流量(総流量)を制御する機能を備えている。
The
図2(a)は、後記する燃料電池スタック10の高圧起動時の第1インジェクタ23Aの制御であり、Ti値(開弁時間)をインターバルと一致させた場合を示している。この場合には、水素の連続供給が可能となる。なお、この状態が、第1インジェクタ23Aの開弁状態を維持することに相当する。なお、第2インジェクタ23Bについては、Ti値(開弁時間)をインターバルよりも短く設定することで開閉制御して、水素を断続供給する。ちなみに、本実施形態において、第2インジェクタ23Bを連続開弁しないのは、アノード圧力が上がり過ぎてしまうのを防止するためである。
FIG. 2 (a) shows the control of the
図2(b)は、通常発電時の第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの制御であり、インターバルがTi値(開弁時間)よりも長い場合を示している。この場合には、水素が断続供給となる。
FIG. 2B shows the control of the
また、ECU60は、IG51のON信号の検知(燃料電池スタック10の起動)後、燃料電池スタック10の発電停止時間Tを計測して、発電停止時間Tが所定時間以上であると判定した場合には(アノード流路置換判定手段)、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bを制御して、アノード圧力Pa(目標圧力)を、発電停止時間Tが所定時間未満の場合よりも高く設定する(燃料ガス高圧供給制御手段)。
Further, the
すなわち、図3(a)に示すように、発電停止時間Tが所定時間以上である場合には、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bからの噴射量を多くして、目標圧力(高圧起動時の作動圧)を、図3(b)に示す通常起動時の作動圧(発電停止時間Tが所定時間未満である場合)よりも高く設定する。例えば、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bを図2(b)に示す通常発電時よりもTi値(開弁時間、噴射量)を大きく設定することにより、アノード圧力Pa(目標圧力)を高めることができる。
That is, as shown in FIG. 3 (a), when the power generation stop time T is equal to or longer than the predetermined time, the injection amount from the
また、図4(a)に示すように、発電停止時間Tが所定時間以上である場合の起動時の目標圧力(アノード圧力Pa)を、発電停止時間Tが所定時間未満である場合よりも高く設定する。なお、発電停止時間Tが所定時間以上である場合とは、アノード流路12とカソード流路13に空気がそれぞれ存在している状態で、燃料電池スタック10を起動してアノード流路12の入口12aから水素を供給したときに、アノード流路12の入口12a側と出口12b側とで、水素の濃度差(入口12a側が高く、出口12b側が低い状態)が生じて、燃料電池スタック10が高電位となる状態をいう。なお、目標圧力は、固定値であってもよく、または発電停止時間が長くなるほど起動時の目標圧力(アノード圧力)を高く設定してもよい。
Further, as shown in FIG. 4A, the target pressure (anode pressure Pa) at the start-up when the power generation stop time T is equal to or longer than the predetermined time is higher than that when the power generation stop time T is less than the predetermined time. Set. When the power generation stop time T is equal to or longer than a predetermined time, the
なお、図4(b)に示すように、目標圧力(アノード圧力)を設定する際、発電停止時間Tが所定時間以上である場合、起動時の極間差圧を考慮してもよい。なお、極間差圧は、圧力センサ28から得られるアノード流路12の入口12a側のアノード圧力Paと、圧力センサ35から得られるカソード流路13の入口13a側のカソード圧力Pcとの圧力差(Pa−Pc)により得られるものである。また、この場合も、発電停止時間Tが所定時間以上である場合には、発電停止時間Tが長くなるほど起動時の極間差圧を高く設定してもよい。また、極間差圧の上限値(電解質膜が破損することのない圧力差)を考慮して設定してもよい。
As shown in FIG. 4B, when setting the target pressure (anode pressure), if the power generation stop time T is equal to or longer than a predetermined time, the inter-electrode differential pressure at the time of startup may be considered. The inter-electrode differential pressure is a pressure difference between the anode pressure Pa on the
次に、燃料電池システム1の動作について、図5ないし図7を参照して説明する。
なお、燃料電池システム1の運転停止時(IG−OFF時)は、燃料電池スタック10への水素および空気の供給が停止し、燃料電池スタック10の発電が停止している。また、発電停止時には、パージ弁26が閉じ、背圧弁33が開いている。よって、例えば、発電停止時には、アノード流路12を含む流路が密閉された状態であり、カソード流路13の空気が電解質膜を介してアノード流路12に透過することで、アノード流路12が空気で徐々に置換されることになる。
Next, the operation of the
When the operation of the
図5に示すように、ECU60は、IG51のON信号(システム起動信号)を検知した場合、ステップS101において、タイマ52によって計測された発電停止時間Tが所定時間以上であるか否かを判定する。なお、所定時間以上であるとは、アノード流路12が空気で置換され、燃料電池スタック10を次回起動してアノード流路12に水素を供給したときに、アノード流路12の入口12a側と出口12b側とで水素の濃度差が発生し、燃料電池スタック10が高電位となる状態である。
As shown in FIG. 5, when the
ステップS101において、ECU60は、発電停止時間Tが所定時間以上であると判定した場合には(Yes)、ステップS102に進み、発電停止時間Tが所定時間未満であると判定した場合には(No)、ステップS109に進む。
In step S101, if the
ステップS102において、ECU60は、遮断弁22を開くとともに、エアポンプ31を作動(ON)させカソード流路13に空気を供給する。なお、この時点では、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bが閉じているので、水素タンク21内の水素は、図示しない減圧弁で減圧された後に、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの上流側の位置で停止している。
In step S <b> 102, the
また、ステップS102において、エアポンプ31を所定回転速度以上(通常発電時よりも高い)の回転速度で駆動させる。このように、空気を増量するのは、後記するステップS106において、パージ弁26を開弁したときにアノード流路12から排出されるアノードオフガスに含まれる水素を希釈するためである。
In step S102, the
また、ステップS102において、ECU60は、水素ポンプ27の駆動を開始(ON)する(循環装置作動開始手段)。水素ポンプ27が駆動されることにより、アノード循環系(アノード流路12、配管26aの一部、配管27a,27bおよび配管24aの一部)内をガス(主に空気)が循環する。
In step S102, the
そして、ステップS103に進み、ECU60は、所定時間T1が経過したか否かを判定する。なお、所定時間T1は、アノード循環系(アノード流路12、配管26a,27a,27b,24aの流路)内のガスが循環状態になる時間であればよい。換言すると、後記するステップS104において第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bから水素が供給されたときに、水素を直ちに前記アノード循環系において循環させることができる時間に設定される。なお、所定時間は、事前の試験などに基づいて決定される。
In step S103, the
ステップS103において、ECU60は、所定時間が経過したと判定した場合には(Yes)、ステップS104に進み、所定時間が経過していないと判定した場合には(No)、ステップS103の処理を繰り返す。
If it is determined in step S103 that the predetermined time has elapsed (Yes), the
ステップS104において、ECU60は、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bをそれぞれ開弁する。このとき、第1インジェクタ23AのTi値を大きくして、通常発電時よりも噴射量が多くなるようにする(図3(a)参照)。これにより、アノード流路12に供給される水素の目標圧力(アノード圧力Pa)を通常発電時よりも高めることができる。
In step S104, the
また、ステップS104において、ECU60は、第1インジェクタ23AのTi値(開弁時間)をインターバルと一致させることで第1インジェクタ23Aを連続開弁させる(図2(a)参照)。また、ECU60は、第2インジェクタ23Bについて、Ti値(開弁時間)をインターバルよりも短くすることで第2インジェクタ23Bを断続的に開弁させる。なお、第2インジェクタ23Bについては、後記するように、圧力上昇幅が大き過ぎる場合には、噴射量(Ti値)を適宜制限する。また、第1インジェクタ23Aについては、連続開弁に限定されるものではなく、開弁時間が通常発電時の開弁時間(図2(b)参照)よりも長くなるものであればよい。
In step S104, the
ここで、第2インジェクタ23Bについて、噴射量(Ti値)を制限する理由について図6を参照して説明する。図6(a)は高圧起動時の目標圧力とインジェクタの開弁時間との関係を示すグラフ(本実施形態)であり、(b)は通常発電時の目標圧力とインジェクタの開弁時間との関係を示すグラフ(比較例)である。
Here, the reason for limiting the injection amount (Ti value) of the
すなわち、図6(b)に示すように、第1インジェクタ23A(INJA)および第2インジェクタ23B(INJBP)をそれぞれ全開まで使用した場合には、アノード圧力Paの上昇幅(単位時間当たりの上昇幅)が大きくなり過ぎて、アノード圧力が直ちに目標圧力に到達してしまい、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bからの水素の供給が早期に停止する。水素の供給が停止することにより、次に第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bからの水素の噴射が再開するまで、アノード流路12の入口12a側と出口12b側とで水素の濃度差が生じている状態が継続することになり、作動が再開するまで燃料電池スタック10の高電位状態が維持されてしまう。
That is, as shown in FIG. 6B, when each of the
ちなみに、通常発電時には、アノード圧力Paの上昇幅が図6(b)に示すように大きい方がよい。これは、上昇幅を大きくすることにより、例えば燃料電池車が加速する際、応答性を高くすることできるからである。 Incidentally, during normal power generation, it is better that the increase width of the anode pressure Pa is large as shown in FIG. This is because by increasing the range of rise, for example, when the fuel cell vehicle is accelerated, the responsiveness can be increased.
そこで、本実施形態では、図6(a)に示すように、第2インジェクタ23B(INJBP)のTi値(開弁時間、噴射量)を制限することにより、アノード圧力Paの上昇幅(単位時間当たりの上昇幅[ΔP/t])が抑えられ、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの作動が早期に停止して水素の供給が断続的になるのを防止できる。よって、アノード流路12に水素を連続して供給することができ、アノード流路12の入口12a側と出口12b側との間で生じる水素の濃度差を早期に解消することができる。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 6A, by limiting the Ti value (valve opening time, injection amount) of the
次に、アノード流路12の入口12a側と出口12b側との水素の濃度差によって燃料電池スタック10の高電位状態が継続するメカニズムについて図8を参照して説明する。
図8に示すように、燃料電池スタック10のアノード流路12とカソード流路13にそれぞれ空気が存在している状態(発電停止時間が所定時間以上)で起動する場合、アノード流路12の入口12aから水素が投入されると、水素の投入初期においては、アノード流路12の入口12a側の水素濃度が高くなり、アノード流路12の出口12b側の水素濃度が低くなる。
Next, the mechanism by which the high potential state of the
As shown in FIG. 8, when the
これにより、(1)式に示すように、アノード流路12の入口12a側では、水素から電子が分離し、水素イオンが電解質膜を介してカソード流路13の入口側に透過するとともに、電子がアノード流路12の出口12b側に移動する。このとき、アノード流路12の入口12a側の電位は、DHE(Dynamic Hydrogen Electrode)に対して0ボルトとなる。
Thereby, as shown in the equation (1), electrons are separated from hydrogen on the
また、(2)式に示すように、カソード流路13の入口側では、水素イオンおよび電子が、入口側の空気中の酸素と反応して水が生成される。このとき、カソード流路13の入口側では、DHEに対して約1ボルトの電位が発生する。
Further, as shown in the equation (2), on the inlet side of the
また、(3)式に示すように、アノード流路12の出口12b側では、カソード流路13の出口側から電解質膜を透過した水素イオンと、アノード流路12の入口12aから受け取った電子と、アノード流路12の出口12b側の酸素とが反応して水が生成される。このとき、アノード流路12の出口12b側では、DHEに対して約1ボルトの電位が発生する。
Further, as shown in the equation (3), on the
また、(4)式に示すように、カソード流路13の出口側では、カソード(電極)に使用されている触媒(白金)から電子が乖離して白金イオンが生成される。また、(5)式に示すように、カソード(電極)に含まれる炭素が、アノード流路12の出口12b側から電解質膜を透過した生成水またはカソード流路13の入口側からの生成水と反応して、二酸化炭素と水素イオンが生成され、このときの電子がカソード流路13の入口側に移動する。
Further, as shown in the equation (4), on the outlet side of the
このように、燃料電池スタック10の入口側において1ボルトの電位差が生じるので、燃料電池スタック10の出口側においても1ボルトの電位差が生じるように、カソード流路13の出口側では、2ボルトの電位が発生する。これにより、燃料電池スタック10が高電位状態となる。このとき、(4)式に示す反応(触媒を腐食させる反応)および(5)式に示す反応が長く継続すること、換言すると、アノード流路12の入口12a側と出口12b側とで水素の濃度差が生じる状態が長く続くことにより、燃料電池スタック10が高電位となる状態が続き、燃料電池スタック10を劣化させる原因となる。このような知見により、アノード流路12の入口12a側と出口12b側との水素の濃度差をいかに早く解消できるかが重要となる。
As described above, a potential difference of 1 volt is generated on the inlet side of the
そして、図5に戻って、ステップS105に進み、ECU60は、圧力センサ28で検知されたアノード圧力Paが所定値以上であるか否かを判定する。なお、所定値(目標圧力)は、アノード流路12の入口12a側と出口12b側との間での水素の濃度差を解消するのに必要な圧力に設定される。また、所定値は、事前の試験などに基づいて決定される。なお、圧力センサ28の検出値によって判定する構成に限定されず、所定値まで上昇するのに必要な時間(t2〜t3)に基づいて判定してもよい。
Returning to FIG. 5 , the process proceeds to step S <b> 105, where the
ステップS105において、ECU60は、アノード圧力Paが所定値未満であると判定した場合には(No)、ステップS105の処理を繰り返し、アノード圧力Paが所定値以上であると判定した場合には(Yes)、ステップS106に進む。
In step S105, when the
ステップS106において、ECU60は、パージ弁26の開閉制御を開始する。なお、パージ弁26を第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの作動開始よりも遅らせて開閉制御を開始するのは、アノード流路12内のアノード圧力Paを早期に高めて、アノード流路12の入口12a側と出口12b側の水素の濃度差を早期に解消するためである。また、ここでパージ弁26を開弁したとしても、エアポンプ31の作動圧が通常発電時よりも高められているので(S102参照)、高濃度の水素が車外に排出されることはない。
In step S106, the
また、ステップS106において、ECU60は、第1インジェクタ23Aを連続開弁から、パージ弁26の開動作に応じた開弁制御に切り替えるとともに、第2インジェクタ23Bを閉弁する。つまり、ECU60は、パージ弁26を開弁して排出された分(量)だけ、第1インジェクタ23Aから供給するように開閉制御(Ti値を制御)する。
In step S106, the
そして、ステップS107に進み、ECU60は、起動が完了したか否かを判定する。起動が完了した場合とは、パージ弁26を開弁(開閉)してから所定量のガスがパージ(排出)されたと判定された場合である。所定量のガスがパージされたか否かは、例えば、パージ弁26の開弁時間などに基づいて判定することができる。
And it progresses to step S107 and ECU60 determines whether starting was completed. The case where the start is completed is a case where it is determined that a predetermined amount of gas has been purged (discharged) after the
ステップS107において、ECU60は、起動が完了していないと判定した場合には(No)、ステップS104の処理に戻り、起動が完了したと判定した場合には(Yes)、ステップS108に進む。
In step S107, the
ステップS108において、ECU60は、コンタクタ45をONにして(燃料電池スタック10と外部負荷とを接続して)、燃料電池スタック10からの発電電流の取り出しを開始するとともに、エアポンプ31を通常発電時に必要な回転速度まで低下させる。燃料電池スタック10から取り出した発電電流は、モータ41、エアポンプ31などの外部負荷に供給される。また、ECU60は、第1インジェクタ23Aについて、燃料電池スタック10から取り出す発電電流の大きさに応じて開閉制御(Ti値を制御)する。
In step S108, the
また、ステップS101において、ECU60は、発電停止時間Tが所定時間未満であると判定した場合には(No)、ステップS109に進み、遮断弁22を開くとともにエアポンプ31をON(通常起動時の回転速度)にする。
In step S101, if the
そして、ステップS110に進み、ECU60は、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bをそれぞれ開弁する。このときの第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bからの噴射量(Ti値)は、ステップS104の場合よりも少なく(小さく)なるように設定される。
And it progresses to step S110 and ECU60 opens the
また、ステップS110において、ECU60は、第1インジェクタ23AのTi値(開弁時間)をインターバルよりも短くなるようにして第1インジェクタ23Aを断続的に開弁させる。また、ECU60は、第2インジェクタ23Bについても、Ti値(開弁時間)をインターバルよりも短くなるようにして第2インジェクタ23Bを断続的に開弁させる。
In step S110, the
そして、ステップS111に進み、ECU60は、前記したステップS106と同様に、パージ弁26の開閉制御を開始する。なお、この場合には、アノード圧力が所定値を超えるのを待つことなく、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの開弁後、直ちにパージ弁26の開閉制御を開始して、アノード流路12内を水素に置換する。
Then, the process proceeds to step S111, and the
そして、ステップS112に進み、ECU60は、起動が完了したか否かを判定する。ステップS112において、ECU60は、起動が完了していないと判定した場合には(No)、ステップS110の処理に戻り、起動が完了したと判定した場合には(Yes)、ステップS113に進む。
And it progresses to step S112 and ECU60 determines whether starting was completed. In step S112, the
ステップS113において、ECU60は、コンタクタ45をONにして(燃料電池スタック10と外部負荷とを接続して)、燃料電池スタック10からの発電電流の取り出しを開始する。
In step S113, the
また、図7に示すタイムチャートを参照して説明すると、時刻t1において、IG51の起動信号(ON信号)を検知した場合、発電停止時間Tが所定時間以上であると判定されると(S101、Yes)、遮断弁22を開弁し、エアポンプ31および水素ポンプ27の駆動を開始する(S102)。
Further, with reference to the time chart shown in FIG. 7, when a start signal (ON signal) of the
そして、時刻t1から所定時間T1経過後の時刻t2において、第1インジェクタ23A(INJA)を連続開弁し、第2インジェクタ23B(INJBP)を断続開弁する。これにより、アノード圧力Paが上昇し、燃料電池スタック10の電圧(FC電圧)が上昇する。
The
そして、アノード圧力Paが所定値(目標圧力)に達する時刻t3において、パージ弁26の開閉制御を開始する(S105でYes、S106)。なお、パージ弁26を第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの開弁開始から遅れて開弁したとしても、エアポンプ31の回転速度が通常起動時よりも高く設定されているので、燃料電池車から高濃度(所定濃度)の水素が排出されることはない。
Then, at time t3 when the anode pressure Pa reaches a predetermined value (target pressure), the opening / closing control of the
また、時刻t3以降、アノード流路12内の空気を水素に置換するためにパージ弁26を開閉することで、アノード流路12を含むアノード循環系からガスが排出されるので、その排出された量に応じて、第1インジェクタ23Aを開閉して、アノード流路12に向けて水素を断続的に供給する。なお、時刻t3において、第2インジェクタ23Bが閉じられ、第2インジェクタ23Bからの水素の供給が停止する。
In addition, after time t3, by opening and closing the
そして、パージ弁26の開閉制御を開始してから所定時間が経過した時刻t4において、起動が完了したと判定されると(S107、Yes)、コンタクタ45がONにされ、燃料電池スタック10から発電電流が取り出される通常発電に移行する(S108)。なお、起動完了後の通常発電時には、取り出す発電電流に応じて開閉制御され、水素が断続的に供給されるようになっている。
When it is determined that the start-up is completed at time t4 when a predetermined time has elapsed since the start of the opening / closing control of the purge valve 26 (S107, Yes), the
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム1では、ECU60によって発電停止時間Tが所定時間以上であると判定された場合、燃料電池スタック10の起動時(IG−ON時)の目標圧力(アノード圧力Pa)を発電停止時間Tが所定時間未満である場合(図3(b)参照)よりも高くして供給することで(図3(a)参照)、アノード流路12内において空気(酸化剤ガス)と水素(燃料ガス)との混合が促進され、燃料電池スタック10が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能になり、燃料電池スタック10が劣化するのを抑制することができる。
As described above, in the
つまり、目標圧力(アノード圧力)を通常起動時よりも高くすることで、アノード流路12の入口12a側と出口12b側の水素の濃度差を早期に解消できるので、燃料電池スタック10が長時間高電位状態に曝されるのを防止することができる。
That is, by making the target pressure (anode pressure) higher than during normal startup, the difference in hydrogen concentration between the
また、本実施形態では、燃料電池スタック10の発電停止時間Tが長くなるほど目標圧力を高く設定することで、目標圧力を不必要(無駄)に高く設定する必要がなくなる。その結果、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bを不必要(無駄)に作動させる必要がなくなるので、消費電力の削減を図ることが可能になる。
In the present embodiment, the target pressure is set higher as the power generation stop time T of the
また、本実施形態では、通常発電時(図6(b)参照)よりもアノード圧力Paの圧力上昇幅を小さく設定することで(図6(a)参照)、燃料電池スタック10の起動時に水素の供給が断続的となるのを防止でき、水素と空気との混合を促進することができる。空気と水素の混合が促進されることで、つまりアノード流路12の入口12a側と出口12b側での水素の濃度差が早期に解消することで、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止できる。
Further, in this embodiment, by setting the pressure increase width of the anode pressure Pa to be smaller than that during normal power generation (see FIG. 6B) (see FIG. 6A), hydrogen is generated when the
また、本実施形態では、ECU60が、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bを作動させる前(燃料ガス高圧供給制御手段による処理の実行前)に、水素ポンプ27(循環装置)の作動を開始することで、アノード循環系(接続路27a,27b、配管24a,26a)内にガス(主に空気)の流れを形成してから水素の供給を開始するので、空気と水素との混合がより一層促進される。よって、アノード流路12の入口12a側と出口12b側での水素の濃度差をより早期に解消できるので、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのをより確実に防止できる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、燃料ガス調圧供給手段として電子制御式のインジェクタを用いることで、より細かな制御を行うことができる。 Further, in the present embodiment, finer control can be performed by using an electronically controlled injector as the fuel gas pressure supply means.
また、本実施形態では、ECU60が第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの開弁状態を維持することで(図2(b)参照)、水素を連続供給でき、空気から水素への混合をさらに促進することができる。よって、アノード流路12の入口12a側と出口12b側での水素の濃度差をより早期に解消できるので、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのをより確実に防止できる。
Further, in the present embodiment, the
本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。例えば、本実施形態では、燃料電池スタック10の起動時に目標圧力を高める処理を実行する条件として、発電停止時間Tが所定時間以上であると判定された場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、発電停止時(IG−OFF時)にアノード流路12を空気(酸化剤ガス)で掃気したか否かに基づいて判定してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in the present embodiment, the case where it is determined that the power generation stop time T is equal to or longer than a predetermined time as a condition for executing the process of increasing the target pressure when the
すなわち、図示省略しているが、配管31aと配管24aとを接続して空気(酸化剤ガス)を導入する導入配管と、この導入配管を遮断する導入遮断弁と、を備え、発電停止中に導入遮断弁およびパージ弁26を開弁して、導入配管を介してエアポンプ31からの空気をアノード流路12などを含む流路に導入して掃気した場合においても、アノード流路12が空気で置換された状態となる。よって、このようにアノード流路が掃気された場合においても、燃料電池スタック10の起動時に目標圧力(アノード圧力Pa)を高める処理を実行することで、燃料電池スタック10が長時間高電位状態に曝されるのを防止できる。
In other words, although not shown in the drawings, the
また、本実施形態では、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bとを備えた場合を例に挙げて説明したが、単一のインジェクタを備えた燃料電池システムであってもよい。また、第2インジェクタ23Bを一定時間且つ一定流量流せるバルブに置き替えてもよい。
In the present embodiment, the case where the
また、本実施形態では、ステップS104において、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bの双方を作動させる場合を例に挙げて説明したが、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bの一方を作動させ、他方を停止させる構成であってもよい。
In the present embodiment, the case where both the
また、本実施形態では、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの制御において、インターバルを一定にして、Ti値(開弁時間)を可変させる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、Ti値(開弁時間)を一定にして、インターバルを可変するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, in the control of the
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
12 アノード流路
12a 入口
12b 出口
13 カソード流路
23A 第1インジェクタ(燃料ガス調圧供給手段)
23B 第2インジェクタ(燃料ガス調圧供給手段)
26 パージ弁
27 水素ポンプ(循環装置)
27a,27b 配管(接続路)
60 ECU(アノード流路置換判定手段、燃料ガス高圧供給制御手段、循環装置作動開始手段)
1
12
23B Second injector (fuel gas pressure supply means)
26
27a, 27b Piping (connection path)
60 ECU (Anode channel replacement determination means, fuel gas high pressure supply control means, circulation device operation start means)
Claims (5)
前記燃料電池に燃料ガスを導入する燃料ガス導入流路と、
前記燃料電池から燃料オフガスを導出する燃料オフガス導出流路と、
前記燃料オフガス導出流路に排出された燃料オフガスを前記燃料ガス導入流路に戻す戻し流路と、
前記燃料ガス導入流路に設けられ、前記戻し流路を介して燃料オフガスを吸引して燃料ガスと混合するエゼクタと、
前記燃料ガス導入流路の前記エゼクタの上流に設けられ、前記アノード流路に燃料ガスを調圧して供給する電子制御式の第1インジェクタと、
前記第1インジェクタよりも上流の前記燃料ガス導入流路と、前記エゼクタよりも下流の前記燃料ガス導入流路とを接続するバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、前記アノード流路に燃料ガスを調圧して供給する電子制御式の第2インジェクタと、
前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されたか否かを前記燃料電池の起動時に判定するアノード流路置換判定手段と、
前記アノード流路置換判定手段により前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されたと判定された場合、前記第1インジェクタおよび前記第2インジェクタにより前記アノード流路に供給される燃料ガスの目標圧力を、前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されていない場合よりも高く設定するとともに、前記アノード流路への燃料ガスの圧力上昇幅を通常発電時よりも小さく設定し、前記アノード流路に燃料ガスを供給する燃料ガス高圧供給制御手段と、を備え、
前記燃料ガス高圧供給制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記第1インジェクタの噴射量が通常発電時よりも多くなるように当該第1インジェクタの開弁開始から次の開弁開始までの間隔である基準周期における開弁時間を通常発電時よりも長くし、かつ、前記第2インジェクタの開弁開始から次の開弁開始までの間隔である基準周期における開弁時間を制限することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an anode channel for supplying fuel gas to the anode and a cathode channel for supplying oxidant gas to the cathode;
A fuel gas introduction channel for introducing fuel gas into the fuel cell;
A fuel off-gas outlet flow path for extracting fuel off-gas from the fuel cell;
A return passage for returning the fuel off-gas discharged to the fuel off-gas outlet passage to the fuel gas introduction passage;
An ejector that is provided in the fuel gas introduction flow path and sucks the fuel off gas through the return flow path and mixes with the fuel gas;
An electronically controlled first injector that is provided upstream of the ejector in the fuel gas introduction channel and that regulates and supplies fuel gas to the anode channel;
A bypass passage connecting the fuel gas introduction passage upstream of the first injector and the fuel gas introduction passage downstream of the ejector;
An electronically controlled second injector that is provided in the bypass flow path and supplies fuel gas to the anode flow path after being regulated;
Anode passage replacement determination means for determining at the time of startup of the fuel cell whether or not the anode passage is replaced with an oxidant gas;
When it is determined by the anode flow path replacement determination means that the anode flow path has been replaced with an oxidant gas, the target pressure of the fuel gas supplied to the anode flow path by the first injector and the second injector is set as follows: The anode channel is set to be higher than when the oxidant gas is not replaced, and the pressure increase width of the fuel gas to the anode channel is set to be smaller than that during normal power generation. A fuel gas high pressure supply control means for supplying
The fuel gas pressure supply control means, upon activation of the fuel cell, from the previous SL opening start of the first injector as the injection amount of the first injector is larger than the normal power generation to the next open-starting The valve opening time in the reference cycle that is the interval is made longer than that during normal power generation, and the valve opening time in the reference cycle that is the interval from the start of opening of the second injector to the start of the next valve opening is limited. A fuel cell system.
前記燃料ガス高圧供給制御手段は、前記アノード流路置換判定手段により前記アノード流路が酸化剤ガスで置換されたと判定した場合、前記目標圧力を前記発電停止時間が所定時間未満である場合よりも高く設定す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。 The anode flow path replacement determination means determines that the anode flow path has been replaced with an oxidant gas when the power generation stop time before the start of the fuel cell is a predetermined time or more,
The fuel gas high-pressure supply control means determines that the target pressure is less than a predetermined time when the anode flow path replacement determination means determines that the anode flow path is replaced with an oxidant gas. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is set high.
前記接続路に設けられ、前記アノード流路の出口から排出された燃料オフガスを前記アノード流路の入口に戻す循環装置と、
前記燃料ガス高圧供給制御手段による燃料ガスの供給前に、前記循環装置の作動を開始する循環装置作動開始手段と、を備え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。 A connection path connecting the fuel gas introduction flow path downstream from the connection point on the downstream side of the bypass flow path and the fuel off-gas outlet flow path upstream from the connection point upstream of the return flow path;
A circulation device that is provided in the connection path and returns the fuel off-gas discharged from the outlet of the anode channel to the inlet of the anode channel;
4. The circulator operation starting means for starting the operation of the circulator before the fuel gas is supplied by the fuel gas high-pressure supply control means. 5. The fuel cell system described.
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