JP2005251576A - Fuel cell system and moving body mounting the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体に関し、詳しくは、発電に伴って水を生成する燃料電池を含む燃料電池システムおよびこれを電力源として搭載する移動体に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a mobile body on which the fuel cell system is mounted, and more particularly to a fuel cell system including a fuel cell that generates water as power is generated and a mobile body on which the fuel cell system is mounted as a power source.
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタックの空気極側に気液分離器を取り付けたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このシステムでは、燃料電池スタックの空気極側のオフガスを気液分離器で排ガスと水とに分離して排出することにより、その扱いを個々に行なうものとしている。また、燃料電池スタックで生成された水を除去するために燃料電池本体や燃料極,空気極などに加振手段を取り付けたものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。このシステムでは、加振手段により振動を加えることにより、燃料極や空気極に付着した水滴を微粒子化して除去し、燃料電池を良好な状態としている。さらに、燃料電池スタックからの排ガス通路の残留水を排出するために空気極側に一定時間空気を供給して掃気するものも提案されている(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、気液分離器を備える燃料電池システムでは、気液分離後の排ガスにも水分が含まれるため、排気通路に水溜まりが生じたり、排出口から水滴が排出される場合がある。また、燃料電池本体に加振手段を備える燃料電池システムでは、燃料電池スタックの水分状態を良好にすることができるものの、燃料電池スタックからの排気通路における残留水を除去することはできない。これらのシステムでは、低温時には燃料電池スタックや排気通路の残留水が凍結することにより、燃料電池スタックや排気通路に取り付けられた機器を破損したり、機能低下を招く場合が生じる。さらに、空気極に空気を一定時間供給して掃気するシステムでは、掃気に時間を要すると共に掃気完了する前に電解質膜を乾燥させてしまう場合も生じる。 However, in a fuel cell system including a gas-liquid separator, water is also contained in the exhaust gas after gas-liquid separation, so that a water pool may be generated in the exhaust passage or water droplets may be discharged from the discharge port. Further, in the fuel cell system including the vibration means in the fuel cell main body, the moisture state of the fuel cell stack can be improved, but the residual water in the exhaust passage from the fuel cell stack cannot be removed. In these systems, residual water in the fuel cell stack and the exhaust passage freezes at low temperatures, which may damage the devices attached to the fuel cell stack and the exhaust passage or cause a deterioration in function. Furthermore, in a system in which air is supplied to the air electrode for a certain period of time and scavenging, it takes time to scavenge, and the electrolyte membrane may be dried before scavenging is completed.
本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体は、燃料電池システムの運転停止指示がなされたときにシステム内に残留する水分を効率的に除去することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体は、燃料電池システム内の水分除去に際して排気通路からの水滴飛散を防止することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体は、燃料電池システムの凍結を防止することを目的の一つとする。加えて、本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体は、水分除去の際に過剰な乾燥を抑止することを目的の一つとする。 One object of the fuel cell system of the present invention and a mobile body equipped with the fuel cell system is to efficiently remove moisture remaining in the system when an instruction to stop the operation of the fuel cell system is given. Another object of the fuel cell system of the present invention and a mobile body equipped with the fuel cell system is to prevent water droplets from being scattered from the exhaust passage when removing moisture from the fuel cell system. Furthermore, it is an object of the fuel cell system of the present invention and a mobile body equipped with the fuel cell system to prevent the fuel cell system from freezing. In addition, the fuel cell system of the present invention and the moving body on which the fuel cell system is mounted have an object to suppress excessive drying when removing moisture.
本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。 In order to achieve at least a part of the above-described object, the fuel cell system of the present invention and the mobile body equipped with the fuel cell system employ the following means.
本発明の第1の燃料電池システムは、
水の生成を伴って発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタック内の水を霧化する霧化手段と、
前記燃料電池スタック内の霧化した水を該燃料電池スタック外に排出可能な排出手段と、
燃料電池システムの停止指示がなされ所定の作動条件が成立したときに、前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させる排水制御手段と、
を備えることを要旨とする。
The first fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell system including a fuel cell stack that generates electric power with generation of water,
Atomizing means for atomizing water in the fuel cell stack;
Discharging means capable of discharging the atomized water in the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack;
Drainage control means for operating the atomizing means and operating the discharge means when an instruction to stop the fuel cell system is made and a predetermined operating condition is established;
It is a summary to provide.
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの停止指示がなされ所定の作動条件が成立したときには、燃料電池スタック内の水を霧化してスタック外に排出するから、迅速に効率的に燃料電池スタック内の水分を除去することができる。したがって、燃料電池スタックの凍結を抑止することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the fuel cell system is instructed to stop and a predetermined operating condition is satisfied, the water in the fuel cell stack is atomized and discharged out of the stack. Water in the battery stack can be removed. Therefore, freezing of the fuel cell stack can be suppressed.
こうした本発明の第1の燃料電池システムにおいて、前記霧化手段は、前記燃料電池スタックに酸化ガスとして供給される空気の流路内の水を霧化する手段であるものとすることもできる。こうすれば、酸化ガスの流路内の水を霧化して排出容易な状態とすることができる。 In the first fuel cell system of the present invention, the atomizing means may be means for atomizing water in a flow path of air supplied as an oxidizing gas to the fuel cell stack. If it carries out like this, the water in the flow path of oxidizing gas can be atomized, and it can be set as the state which is easy to discharge | emit.
また、本発明の第1の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックに酸化ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックから酸化ガスとしての空気を排出する空気排出手段と、前記空気供給手段における供給用の空気と前記空気排出手段における排出用の空気とによる水の授受により該供給用の空気を加湿する加湿手段と、を備え、前記排出手段は、前記加湿手段を作動させない状態として機能する前記空気供給手段と前記空気排出手段であるものとすることもできる。こうすれば、空気供給手段と空気排出手段を排出手段として用いることができる。この結果、空気供給手段や空気排出手段の他に排出手段を設ける必要がない。なお、加湿手段を作動させない状態で機能させることにより、燃料電池スタック内あるいは空気流路内の水を前記加湿手段によって加湿されない空気を用いて水の排出を行なうことができる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記空気排出手段に取り付けられた機器内の水を霧化する霧化手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、空気排出手段に取り付けられた機器における残留水を除去することができる。したがって、空気排出手段に取り付けられた機器の凍結を抑止することができる。 In the first fuel cell system of the present invention, air supply means for supplying air as oxidizing gas to the fuel cell stack, air discharging means for discharging air as oxidizing gas from the fuel cell stack, and the air Humidifying means for humidifying the supply air by supplying and receiving water by the supply air in the supply means and the discharge air in the air discharge means, and the discharge means does not operate the humidification means The air supply means and the air discharge means functioning as If it carries out like this, an air supply means and an air discharge means can be used as a discharge means. As a result, it is not necessary to provide a discharge means in addition to the air supply means and the air discharge means. In addition, by making it function in the state which does not operate a humidification means, the water in a fuel cell stack or an air flow path can be discharged | emitted using the air which is not humidified by the said humidification means. In this aspect of the fuel cell system of the present invention, the fuel cell system according to the present invention may include atomization means for atomizing water in the device attached to the air discharge means. In this way, residual water in the equipment attached to the air discharge means can be removed. Therefore, freezing of the device attached to the air discharge means can be suppressed.
本発明の第2の燃料電池システムは、
水の生成を伴って発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックからのオフガスが流通する排気通路と、
該排気通路内の水を霧化する霧化手段と、
前記排気通路内の霧化した水を外部に排出する排出手段と、
所定の作動条件が成立したときに、前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させる排水制御手段と、
を備えることを要旨とする
The second fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell system including a fuel cell stack that generates electric power with generation of water,
An exhaust passage through which off-gas from the fuel cell stack flows;
Atomizing means for atomizing water in the exhaust passage;
Discharging means for discharging the atomized water in the exhaust passage to the outside;
Drainage control means for operating the atomizing means and operating the discharge means when a predetermined operating condition is established;
The gist is to provide
この本発明の第2の燃料電池システムでは、所定の作動条件が成立したときには、燃料電池スタックからのオフガスが流通する排気通路内の水を霧化して外部に排出するから、迅速に効率的に燃料電池スタックからの排気通路内の水分を除去することができる。したがって、排気通路内の残留水により排気通路が閉塞するのを抑制することができる。しかも、霧化して外部に排出するから、排気通路からの水滴の飛散を抑止することができる。また、低温時にも排気通路が凍結するのを抑止することもできる。 In the second fuel cell system of the present invention, when a predetermined operating condition is established, water in the exhaust passage through which the off-gas from the fuel cell stack flows is atomized and discharged to the outside. Moisture in the exhaust passage from the fuel cell stack can be removed. Therefore, it is possible to suppress the exhaust passage from being blocked by residual water in the exhaust passage. And since it atomizes and discharge | emits outside, the scattering of the water droplet from an exhaust passage can be suppressed. In addition, the exhaust passage can be prevented from freezing even at low temperatures.
こうした本発明の第2の燃料電池システムにおいて、前記霧化手段は、前記排気通路の屈曲部または該排気通路に取り付けられた機器に取り付けられてなるものとすることもできる。この場合、前記機器は、バルブまたは消音器であるものとすることもできる。なお、機器における霧化手段の取り付け位置としては排出口側とすることもできる。 In such a second fuel cell system of the present invention, the atomizing means may be attached to a bent portion of the exhaust passage or a device attached to the exhaust passage. In this case, the device may be a valve or a silencer. In addition, it can also be made into the discharge port side as an attachment position of the atomization means in an apparatus.
また、本発明の第2の燃料電池システムにおいて、前記排気通路は、前記燃料電池スタックに酸化剤として供給された空気の排気通路であるものとすることもできる。こうすれば、生成水が生じる空気極側の排気通路の残留水を効果的に除去することができる。 In the second fuel cell system of the present invention, the exhaust passage may be an exhaust passage for air supplied as an oxidant to the fuel cell stack. If it carries out like this, the residual water of the exhaust_gas | exhaustion channel | path by the side of the air electrode which produced | generated water can be removed effectively.
さらに、本発明の第2の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックに酸化ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段における供給用の空気と前記燃料電池スタックから排出される空気とによる水の授受により該供給用の空気を加湿する加湿手段と、を備え、前記排出手段は、前記加湿手段を作動させない状態として機能する前記空気供給手段であるものとすることもできる。こうすれば、別に排出手段を設ける必要がない。なお、加湿手段を作動させない状態で機能させることにより、燃料電池スタック内あるいは排気通路内の水を加湿されない空気を用いて排出することができる。 Further, in the second fuel cell system of the present invention, an air supply means for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell stack, supply air in the air supply means, and air discharged from the fuel cell stack Humidifying means for humidifying the supply air by exchanging water by means of, and the discharge means may be the air supply means functioning in a state where the humidifying means is not operated. In this way, there is no need to provide a separate discharging means. In addition, by making it function in the state which does not operate a humidification means, the water in a fuel cell stack or an exhaust passage can be discharged | emitted using the air which is not humidified.
これら本発明の第1または第2の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックのドライアップを検出するドライアップ検出手段を備え、前記排水制御手段は、前記燃料電池スタックを所定の低負荷運転した状態で前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させ、前記ドライアップ検出手段により前記燃料電池スタックのドライアップが検出されたときに前記霧化手段と前記排出手段を停止する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックや燃料電池スタックからの排気通路における水の除去をより適正に判定することができ、燃料電池スタックの過剰な乾燥を抑止することができる。 In the first or second fuel cell system of the present invention, the fuel cell stack includes dry-up detection means for detecting dry-up of the fuel cell stack, and the drainage control means is in a state where the fuel cell stack is operated at a predetermined low load. The atomizing means and the discharge means are operated in order to stop the atomization means and the discharge means when the dry-up detection means detects dry-up of the fuel cell stack. It can also be. By so doing, it is possible to more appropriately determine the removal of water in the fuel cell stack and the exhaust passage from the fuel cell stack, and it is possible to suppress excessive drying of the fuel cell stack.
また、本発明の第1または第2の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの抵抗を検出するスタック抵抗検出手段を備え、前記排水制御手段は、前記燃料電池スタックの運転を停止した状態で前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させ、前記スタック抵抗検出手段により前記燃料電池スタックの抵抗が所定値以上となったときに前記霧化手段と前記排出手段を停止する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックや燃料電池スタックからの排気通路における水の除去をより適正に判定することができ、燃料電池スタックの過剰な乾燥を抑止することができる。 The first or second fuel cell system of the present invention further includes stack resistance detection means for detecting the resistance of the fuel cell stack, wherein the drainage control means stops the operation of the fuel cell stack. A means for actuating the atomizing means and the discharging means, and for stopping the atomizing means and the discharging means when the resistance of the fuel cell stack exceeds a predetermined value by the stack resistance detecting means. It can also be. By so doing, it is possible to more appropriately determine the removal of water in the fuel cell stack and the exhaust passage from the fuel cell stack, and it is possible to suppress excessive drying of the fuel cell stack.
さらに、本発明の第1または第2の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックが所定時間内に所定温度未満の低温に至るか否かを推定する低温推定手段を備え、前記排水制御手段は、前記低温推定手段により前記燃料電池スタックが前記所定温度未満の低温に至ると推定されたときに前記霧化手段と前記排出手段とを作動させる手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックや燃料電池スタックからの排気通路における凍結を抑制することができる。 Furthermore, in the first or second fuel cell system of the present invention, the fuel cell stack further includes low temperature estimation means for estimating whether or not the fuel cell stack reaches a low temperature lower than a predetermined temperature within a predetermined time, and the drainage control means includes: The fuel cell stack may be a means for operating the atomization means and the discharge means when the low temperature estimation means estimates that the fuel cell stack reaches a low temperature lower than the predetermined temperature. By so doing, freezing in the fuel cell stack and the exhaust passage from the fuel cell stack can be suppressed.
あるいは、本発明の第1または第2の燃料電池システムにおいて、前記霧化手段は、超音波振動子を用いて加振することにより水を霧化する手段であるものとすることもできる。こうすれば、水を容易に霧化することができる。 Alternatively, in the first or second fuel cell system of the present invention, the atomizing means may be means for atomizing water by applying vibration using an ultrasonic vibrator. In this way, water can be easily atomized.
本発明の移動体は、上述のいずれかの態様の本発明の第1または第2の燃料電池システム、即ち、基本的には、水の生成を伴って発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック内の水を霧化する霧化手段と、前記燃料電池スタック内の霧化した水を該燃料電池スタック外に排出可能な排出手段と、燃料電池システムの停止指示がなされ所定の作動条件が成立したときに前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させる排水制御手段と、を備える第1の燃料電池システムや、水の生成を伴って発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックからの排気通路内の水を霧化する霧化手段と、前記排気通路内の霧化した水を外部に排出する排出手段と、燃料電池システムの停止指示がなされ所定の作動条件が成立したときに、前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させる排水制御手段と、を備える第2の燃料電池システムを電力源として搭載することを要旨とする。 The moving body of the present invention is the first or second fuel cell system of the present invention according to any one of the above-described aspects, that is, a fuel cell system that basically includes a fuel cell stack that generates power with generation of water. An atomizing means for atomizing the water in the fuel cell stack; a discharging means capable of discharging the atomized water in the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack; and an instruction to stop the fuel cell system And a drainage control means for operating the atomizing means and operating the discharge means when a predetermined operating condition is established, and a fuel cell that generates electric power with generation of water A fuel cell system comprising a stack, the atomizing means for atomizing the water in the exhaust passage from the fuel cell stack, the discharging means for discharging the atomized water in the exhaust passage to the outside, and a fuel cell A second fuel cell system comprising: a drainage control means for operating the atomizing means and operating the discharge means when a system stop instruction is given and a predetermined operating condition is established. Is the gist.
この本発明の移動体では、上述のいずれかの態様の本発明の第1または第2の燃料電池システムを電力源として搭載するから、本発明の第1または第2の燃料電池システムが奏する効果、例えば、迅速に効率的に燃料電池スタックや燃料電池スタックからの排気通路の水を除去することができる効果や排気口から水滴が放出されて飛散するのを抑止することができる効果,燃料電池スタックや燃料電池スタックからの排気通路の凍結を抑止することができる効果などと同一の効果を奏することができる。 In the mobile body of the present invention, the first or second fuel cell system of the present invention according to any one of the above-described aspects is mounted as a power source, and therefore the effect exhibited by the first or second fuel cell system of the present invention. For example, the effect of being able to quickly and efficiently remove water in the fuel cell stack and the exhaust passage from the fuel cell stack, the effect of suppressing the release and scattering of water droplets from the exhaust port, the fuel cell The same effect as the effect of suppressing the freezing of the exhaust passage from the stack or the fuel cell stack can be obtained.
次に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例を用いて具体的に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be specifically described with reference to examples.
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池車に電力源として搭載された燃料電池システム20の構成の概略を示すシステム構成図である。実施例の燃料電池システム20は、走行用のモータ25に直流電力を三相交流電力に変換して供給するインバータ24や二次電池27の充放電を司ると共に燃料電池システム20の出力電圧Vfcや出力電流Ifcを調整するDC/DCコンバータ26に遮断器23を介して接続されている。
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an outline of a configuration of a
実施例の燃料電池システム20は、例えば高分子により形成された電解質膜を二つの電極(燃料極と空気極)で狭持してなる単電池ユニットを複数積層して構成した燃料電池スタック22と、この燃料電池スタック22の燃料極(負極)に高圧水素タンク31からの水素を供給する水素供給系30と、燃料電池スタック22の空気極(正極)に空気を供給する空気供給系40と、燃料電池スタック22の空気極からの排ガスを外部に排出する空気排出系50と、燃料電池スタック22や空気排出系50に取り付けられ内部の水を霧化する超音波振動子を有する霧化器62〜66と、燃料電池スタック22を冷却する図示しない冷却系と、燃料電池システム20を含む全体をコントロールする電子制御ユニット70と、を備える。
The
水素供給系30は、高圧水素タンク31からの水素を燃料電池スタック22に供給する水素供給流路32と、燃料電池スタック22から排出された水素を水素供給流路32に返送する水素循環流路33とを備える。水素供給流路32には、高圧水素タンク31からの水素が逆流しないようにするための逆流防止弁(チェック弁)や燃料電池スタック22への水素の供給や供給停止を行なうための仕切弁36などが設けられている。水素循環流路33には、水素を水素供給流路32に圧送するための水素ポンプ34や、水素供給流路32側の水素が逆流しないようにするための逆流防止弁(チェック弁)、燃料電池スタック22からの水素の排出を停止するための仕切弁などが設けられている他、循環している水素中の水蒸気を液化することにより気液分離する図示しない気液分離器なども設けられている。また、水素供給流路32や水素循環流流路33には、燃料電池スタック22に供給する水素の供給量や燃料電池スタック22の運転状態を制御するために用いられる各種センサ、例えば、燃料電池スタック22の流入口や水素ポンプ34の吐出側に設けられた圧力センサや燃料電池スタック22の出口近傍や水素ポンプ34の吐出側に設けられた温度センサなどが取り付けられている。なお、水素循環流路33には分岐管35が取り付けられており、水素循環流路33内の水素が図示しない希釈器で希釈され大気に開放されるようになっている。
The
空気供給系40は、マスフローメータ43により計量されエアコンプレッサ44により加圧された空気を供給管41により加湿器46に導いて加湿して燃料電池スタック22の空気極に供給する。供給管41には、加湿器46をバイパスするようバイパス供給管42が取り付けられており、供給管41およびバイパス供給管42には空気の流路を切り替えるための仕切弁41a,42aが取り付けられている。したがって、エアコンプレッサ44からの空気は、仕切弁41aを開成すると共に仕切弁42aを閉成することにより加湿器46で加湿されて燃料電池スタック22に供給され、仕切弁41aを閉成すると共に仕切弁42aを開成することにより加湿器46をバイパスして燃料電池スタック22に供給される。
The
空気排出系50は、燃料電池スタック22の空気極からの排ガスを排出管51により加湿器46に導いて空気供給系40のエアコンプレッサ44からの空気を加湿し、その後、図示しない気液分離器により気液分離され、流量調節弁54や消音器(マフラー)56を介して大気に開放される。排出管51には、加湿器46をバイパスするようバイパス排出管52が取り付けられており、排出管51およびバイパス排出管52には空気の流路を切り替えるための仕切弁51a,52aが取り付けられている。したがって、燃料電池スタック22の空気極側の排ガスは、仕切弁51aを開成すると共に仕切弁52aを閉成することにより加湿器46を介して排出され、仕切弁41aを閉成すると共に仕切弁42aを開成することにより加湿器46をバイパスして排出される。
The
燃料電池スタック22の空気極側の流路や流量調節弁54,消音器56に取り付けられた霧化器62〜66は、圧電セラミックス等により形成された超音波振動子と超音波振動子の振動を伝達するステムとにより構成されており、超音波振動子を振動させることにより、燃料電池スタック22の空気極側の流路や流量調節弁54,消音器56の内部に残留している水を霧化する。
The
電子制御ユニット70は、CPU72を中心とするマイクロコンピュータとして構成されており、CPU72の他に処理プログラムを記憶するROM74やデータを一時的に記憶するRAM76、図示しない入出力ポートを備える。電子制御ユニット70には、燃料電池スタック22の出力端子に接続された電力ラインに取り付けられた電圧センサ28からの出力電圧Vfcや同じく電力ラインに取り付けられた電流センサ29からの出力電流Ifc,走行用のモータ25の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ25aからの回転位置,インバータ24からモータ25への電力ラインに取り付けられた図示しない電流センサからの相電流,DC/DCコンバータ26に取り付けられた図示しない電流センサからの変換電流,車両の外部に取り付けられた外気温センサ80からの外気温,燃料電池スタック22を運転するために取り付けられた各種センサからの検出信号(例えば供給管41に取り付けられた図示しない流量計からの供給空気量や供給管41の燃料電池スタック22の供給口近傍に取り付けられた温度センサからの供給空気温度,燃料電池スタック22に取り付けられた温度センサからのスタック温度,冷却系に取り付けられた温度センサからの冷却水温,水素供給管32の高圧水素タンク31近傍に取り付けられた流量計からの供給水素量等)などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット70からは、遮断器23への駆動信号やDC/DCコンバータへのスイッチング制御信号,インバータ24へのスイッチング制御信号,水素ポンプ34への駆動信号,水素供給流路32に設けられた仕切弁36への駆動信号,エアコンプレッサ44への駆動信号,霧化器62〜66への駆動信号,仕切弁41a,42a,51a,52aへの駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
The
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム20の動作、特に燃料電池システム20の運転を停止する際の動作について説明する。図2は、燃料電池システム20の運転停止が指示されたときに電子制御ユニット70により実行される運転停止時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
Next, the operation of the
この運転停止時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット70のCPU72は、まず、過去24時間に外気温センサ80により検出された外気温と季節情報とを読み込み(ステップS100)、読み込んだ過去24時間分の外気温と季節情報とに基づいて現時点から24時間以内における最低温Tminを推定する処理を実行する(ステップS110)。ここで、実施例では、過去24時間分の外気温については、図示しない外気温検出処理ルーチンにより所定時間毎(例えば、1時間毎や30分毎)に外気温センサ80により検出されRAM66の所定領域に格納されたものをRAM66の所定領域から入力するものとし、季節情報については、図示しないカレンダー情報から月日を入力するものとした。また、最低温Tminは、実施例では、過去24時間分の外気温の変化から現時点から24時間の外気温の変化を推定し、その最低温に対して季節情報として入力した月日から季節の平均温度の変化に基づいて補正することにより推定した。
When the processing routine at the time of operation stop is executed, the
こうして最低温Tminを推定すると、推定した最低温Tminが閾値Tref以下であるか否かを判定する(ステップS120)。ここで、閾値Trefは、水の凍結を予測する温度として設定されるものであり、例えば摂氏0℃や余裕をもった2℃などを用いることができる。推定した最低温Tminが閾値Trefより大きいときには、凍結は生じないと判断し、高圧水素タンク31からの水素供給を停止するよう仕切弁36を閉成すると共にエアコンプレッサ44を停止し、さらに、遮断器23により遮断することにより燃料電池スタック22の運転を停止して(ステップS200)、本ルーチンを終了する。
When the lowest temperature Tmin is estimated in this way, it is determined whether or not the estimated lowest temperature Tmin is equal to or less than the threshold value Tref (step S120). Here, the threshold value Tref is set as a temperature at which water is predicted to be frozen, and for example, 0 ° C. or 2 ° C. with a margin can be used. When the estimated lowest temperature Tmin is larger than the threshold value Tref, it is determined that freezing does not occur, the
一方、推定した最低温Tminが閾値Tref以下のときには、凍結の可能性があると判断し、供給管41および排出管51が加湿器46をバイパスするよう仕切弁41aおよび仕切弁51aを閉成すると共に仕切弁42aおよび仕切弁52aを開成してバイパス供給管42およびバイパス排出管52に切り替え(ステップS130)、エアコンプレッサ44を掃気用の駆動とし(ステップS140)、霧化器62〜66を作動させ(ステップS150)、燃料電池スタック22をアイドル運転し(ステップS160)、電圧センサ28からの出力電圧Vfcや電流センサ29からの出力電流Ifcにより燃料電池スタック22がドライアップするのを待つ(ステップS170、S180)。このように、霧化器62〜66を作動させてエアコンプレッサ44を駆動すると、燃料電池スタック22や流量調節弁54,消音器56内に残留する水は霧化されて排出される。なお、掃気は、燃料電池スタック22の空気極側だけで行なわれるが、燃料電池スタック22における水の生成が空気極側で行なわれることや燃料電池スタック22の燃料極側に残留する水分が燃料電池スタック22のアイドル運転の際にプロトンの水和として空気極側に移動したり空気極側と燃料極側の水蒸気の濃度勾配によって移動することを考慮すると、燃料極側で掃気する必要がないことが解る。ここで、エアコンプレッサ44を掃気用の駆動とするのは、エアコンプレッサ44は通常燃料電池スタック22の運転状態に応じて駆動するため、燃料電池スタック22をアイドル運転するとそれに応じた駆動となり、掃気に適さないからである。また、加湿器46をバイパスするのは、燃料電池スタック22や流量調節弁54,消音器56に残留する水を除去のために乾燥した空気によって掃気するためである。燃料電池スタック22のアイドル運転は、実施例では、燃料電池スタック22を制御可能な最も低い負荷状態として運転する状態のことをいい、具体的には、燃料電池スタック22からアイドル運転として設定された電流が出力されるようDC/DCコンバータ26を制御したり、あるいは、燃料電池スタック22がアイドル運転として設定された電圧となるようDC/DCコンバータ26を制御することにより行なう。このように燃料電池スタック22をアイドル運転するのは、掃気の完了を電解質膜のドライアップの現象として判定するためである。固体高分子膜型の燃料電池では、電解質膜は湿潤状態でプロトン伝導性を呈するから、掃気により電解質膜が湿潤状態から少しでも水分が減少してドライアップ状態に至ると、出力電流Ifcや出力電圧Vfcは急変する。例えば、燃料電池スタック22からの出力電流Ifcが一定となるようDC/DCコンバータ26を制御すれば出力電圧Vfcが急激に低下し、燃料電池スタック22の出力電圧Vfcが一定となるようDC/DCコンバータ26を制御すれば出力電流Ifcが急激に小さくなる。実施例では、こうしたドライアップの現象が生じるのを待って掃気の完了とするのである。このように、燃料電池スタック22のドライアップを掃気の完了とすることにより、少なくとも燃料電池スタック22内に残留する余分な水が除去できているのを確認することができると共に過剰な掃気による燃料電池スタック22の電解質膜の過剰な乾燥を抑止することができる。
On the other hand, when the estimated lowest temperature Tmin is equal to or lower than the threshold Tref, it is determined that there is a possibility of freezing, and the gate valve 41a and the
燃料電池スタック22がドライアップすると、霧化器62〜66の作動を停止し(ステップS190)、高圧水素タンク31からの水素供給を停止するよう仕切弁36を閉成すると共にエアコンプレッサ44を停止し、さらに、遮断器23により遮断することにより燃料電池スタック22の運転を停止して(ステップS200)、本ルーチンを終了する。
When the
以上説明した実施例の燃料電池システム20によれば、24時間以内に水が凍結する可能性があるときには、燃料電池スタック22や空気排出系50に取り付けられた流量調節弁54,消音器56に霧化器62〜66を取り付けて内部に残留する水を霧化すると共にエアコンプレッサ44を駆動して掃気してから燃料電池システム20を停止するから、迅速に燃料電池スタック22や空気排出系50に残留する水を除去することができると共に燃料電池スタック22や空気排出系50の流量調節弁54,消音器56が凍結するのを抑制することができる。しかも、空気排出系50の内部に残留する水を霧化して排出するから、排気口から水滴が放出されて飛散するのを抑止することができる。また、掃気の際に燃料電池スタック22をアイドル運転して燃料電池スタック22のドライアップの現象が生じたときに掃気の完了を判定するから、長時間に及ぶ無駄な掃気を抑止することができると共に過剰な掃気による燃料電池スタック22の電解質膜の過剰な乾燥を抑止することができる。また、掃気の際に加湿器46をバイパスするから、迅速に掃気を完了することができる。
According to the
実施例の燃料電池システム20では、過去24時間以内に検出された外気温と季節情報とに基づいて現時点から24時間以内の最低温Tminを推定し、この最低温Tminが閾値Tref以下のときに凍結の可能性があると判定したが、凍結の可能性の判定は、こうした手法に限定されるものではなく、いかなる手法を用いて行なってもよい。
In the
実施例の燃料電池システム20では、燃料電池スタック22や空気排出系50に取り付けられた流量調節弁54,消音器56に霧化器62〜66を取り付けたが、空気排出系50に取り付けられた機器であればいかなる機器に霧化器を取り付けるものとしてもよいし、空気排出系50の排出管51のベンド部などに霧化器を取り付けるものとしてもよい。また、加湿器46に霧化器を取り付け、加湿器46に残留する水をも掃気するものとしてもよい。この場合、供給管41や排出管51のバイパス管42,52に切り替える必要はない。
In the
実施例の燃料電池システム20では、燃料電池スタック22や空気排出系50に取り付けられた流量調節弁54,消音器56に霧化器62〜66を取り付けたが、燃料電池スタック22には霧化器を取り付けるが空気排出系50に取り付けられた流量調節弁54,消音器56には霧化器を取り付けないものとしてもよく、逆に、燃料電池スタック22には霧化器は取り付けないが空気排出系50に取り付けられた流量調節弁54,消音器56には霧化器を取り付けるものとしてもよい。
In the
実施例の燃料電池システム20では、燃料電池システム20の運転を停止する際に霧化器62〜66を作動して掃気するものとしたが、空気排出系50に取り付けられた霧化器64,66については、燃料電池システム20を運転している最中でも作動するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池システム20を運転している最中でも空気排出系50の内部に残留する水を霧化して排出するから、排気口から水滴が放出されて飛散するのを抑止することができる。したがって、放出された水滴が飛散して後続の車両にかかるなどの不都合を抑止することができる。
In the
実施例の燃料電池システム20では、燃料電池スタック22をアイドル運転して掃気の完了を燃料電池スタック22のドライアップにより判定するものとしたが、燃料電池スタック22の運転を停止した状態で燃料電池スタック22の抵抗値を検出し、この抵抗値の変化に基づいて掃気の完了を判定するものとしてもよい。
In the
以上説明した実施例では、本発明の燃料電池システムを電力源として搭載する自動車に適用するものとしたが、燃料電池システムを搭載する自動車に限定されるものではなく、自動車以外の列車などの車両を含む各種の地上移動体に燃料電池システムを搭載するものとしてもよいし、地上移動体以外の移動体に燃料電池システムを搭載するものとしてもよい。また、燃料電池システムを移動体以外の設備などに組み込むものとしてもよい。 In the embodiments described above, the fuel cell system of the present invention is applied to an automobile equipped with a power source. However, the invention is not limited to an automobile equipped with a fuel cell system, and vehicles such as trains other than automobiles. It is good also as what mounts a fuel cell system on various ground moving bodies containing No. It is good also as what mounts a fuel cell system on moving bodies other than a ground moving body. Further, the fuel cell system may be incorporated in equipment other than the moving body.
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 The best mode for carrying out the present invention has been described with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course, it can be implemented in the form.
20 燃料電池システム、22 燃料電池スタック、23 遮断器、24 インバータ、25 モータ、25a 回転位置検出センサ、26 DC/DCコンバータ、27 二次電池、28 電圧センサ、29 電流センサ、30 水素供給系、31 高圧水素タンク、32 水素供給流路、33 水素循環流路、34 水素ポンプ、35 分岐管、36 仕切弁、40 空気供給系、41 供給管、41a,42a,51a,52a 仕切弁、42 バイパス供給管、43 マスフローメータ、44 エアコンプレッサ、46 加湿器、50 空気排出系、51 排出管、52 バイパス排出管、54、流量調節弁、56 消音器、62〜66 霧化器、 70 電子制御ユニット、72 CPU、74 ROM、76 RAM、80 外気温センサ。
20 fuel cell system, 22 fuel cell stack, 23 circuit breaker, 24 inverter, 25 motor, 25a rotational position detection sensor, 26 DC / DC converter, 27 secondary battery, 28 voltage sensor, 29 current sensor, 30 hydrogen supply system, 31 High pressure hydrogen tank, 32 Hydrogen supply flow path, 33 Hydrogen circulation flow path, 34 Hydrogen pump, 35 Branch pipe, 36 Gate valve, 40 Air supply system, 41 Supply pipe, 41a, 42a, 51a, 52a Gate valve, 42 Bypass Supply pipe, 43 Mass flow meter, 44 Air compressor, 46 Humidifier, 50 Air discharge system, 51 Discharge pipe, 52 Bypass discharge pipe, 54, Flow control valve, 56 Silencer, 62-66 Atomizer, 70
Claims (14)
前記燃料電池スタック内の水を霧化する霧化手段と、
前記燃料電池スタック内の霧化した水を該燃料電池スタック外に排出可能な排出手段と、
燃料電池システムの停止指示がなされ所定の作動条件が成立したときに、前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させる排水制御手段と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell stack that generates electric power with generation of water,
Atomizing means for atomizing water in the fuel cell stack;
Discharging means capable of discharging the atomized water in the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack;
Drainage control means for operating the atomizing means and operating the discharge means when an instruction to stop the fuel cell system is made and a predetermined operating condition is established;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池スタックに酸化ガスとして空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池スタックから酸化ガスとしての空気を排出する空気排出手段と、
前記空気供給手段における供給用の空気と前記空気排出手段における排出用の空気とによる水の授受により該供給用の空気を加湿する加湿手段と、
を備え、
前記排出手段は、前記加湿手段を作動させない状態として機能する前記空気供給手段と前記空気排出手段である
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
Air supply means for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell stack;
Air discharge means for discharging air as oxidizing gas from the fuel cell stack;
Humidifying means for humidifying the supply air by water exchange between the supply air in the air supply means and the discharge air in the air discharge means;
With
The exhaust means is the air supply means and the air exhaust means that function as a state in which the humidifying means is not operated.
前記燃料電池スタックからのオフガスが流通する排気通路と、
該排気通路内の水を霧化する霧化手段と、
前記排気通路内の霧化した水を外部に排出する排出手段と、
所定の作動条件が成立したときに、前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させる排水制御手段と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell stack that generates electric power with generation of water,
An exhaust passage through which off-gas from the fuel cell stack flows;
Atomizing means for atomizing water in the exhaust passage;
Discharging means for discharging the atomized water in the exhaust passage to the outside;
Drainage control means for operating the atomizing means and operating the discharge means when a predetermined operating condition is established;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池スタックに酸化ガスとして空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給手段における供給用の空気と前記燃料電池スタックから排出される空気とによる水の授受により該供給用の空気を加湿する加湿手段と、
を備え、
前記排出手段は、前記加湿手段を作動させない状態として機能する前記空気供給手段である
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5 or 8, wherein
Air supply means for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell stack;
Humidification means for humidifying the supply air by supplying and receiving water by supply air in the air supply means and air discharged from the fuel cell stack;
With
The said discharge means is the said air supply means which functions as the state which does not operate the said humidification means Fuel cell system.
前記燃料電池スタックのドライアップを検出するドライアップ検出手段を備え、
前記排水制御手段は、前記燃料電池スタックを所定の低負荷運転した状態で前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させ、前記ドライアップ検出手段により前記燃料電池スタックのドライアップが検出されたときに前記霧化手段と前記排出手段を停止する手段である
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 9,
Comprising dry-up detection means for detecting dry-up of the fuel cell stack;
The drainage control unit operates the atomization unit and the discharge unit while the fuel cell stack is operated at a predetermined low load, and the dryup detection unit detects dryup of the fuel cell stack. A fuel cell system that stops the atomization means and the discharge means when the fuel cell system is turned off.
前記燃料電池スタックの抵抗を検出するスタック抵抗検出手段を備え、
前記排水制御手段は、前記燃料電池スタックの運転を停止した状態で前記霧化手段を作動させると共に前記排出手段を作動させ、前記スタック抵抗検出手段により前記燃料電池スタックの抵抗が所定値以上となったときに前記霧化手段と前記排出手段を停止する手段である
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 9,
A stack resistance detecting means for detecting the resistance of the fuel cell stack;
The drainage control means operates the atomization means and the discharge means in a state where the operation of the fuel cell stack is stopped, and the resistance of the fuel cell stack becomes a predetermined value or more by the stack resistance detection means. A fuel cell system that stops the atomization means and the discharge means when the fuel cell system is turned off.
前記燃料電池スタックが所定時間内に所定温度未満の低温に至るか否かを推定する低温推定手段を備え、
前記排水制御手段は、前記低温推定手段により前記燃料電池スタックが前記所定温度未満の低温に至ると推定されたときに前記霧化手段と前記排出手段とを作動させる手段である
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11,
Low temperature estimation means for estimating whether or not the fuel cell stack reaches a low temperature below a predetermined temperature within a predetermined time,
The drainage control unit is a unit that operates the atomization unit and the discharge unit when the low temperature estimation unit estimates that the fuel cell stack reaches a low temperature lower than the predetermined temperature.
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