JP2006324213A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、起動時間を短縮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 shortening startup time.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling.
すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置や水素発生装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。 That is, a fuel cell vehicle has a hydrogen storage device and a hydrogen generator mounted on the vehicle, and hydrogen supplied from the vehicle and oxygen-containing air are sent to the fuel cell to react with each other, and electric energy extracted from the fuel cell is used. It drives the motor connected to the drive wheels, and is the ultimate clean vehicle that only emits water.
このような燃料電池車両においても、内燃機関車両と同様なアイドルストップが考えられる。燃料電池の発電効率が低い低負荷領域あるいは無負荷領域では、燃料電池の発電を一時停止させ、2次電池から所要電力を供給する。そして、燃料電池に発電余力があるときに2次電池へ充電することにより、総合的な燃費効率が向上する(例えば、特許文献1)。 In such a fuel cell vehicle, an idle stop similar to that of the internal combustion engine vehicle can be considered. In the low load region or no load region where the power generation efficiency of the fuel cell is low, the power generation of the fuel cell is temporarily stopped and the required power is supplied from the secondary battery. Then, when the fuel cell has power generation capacity, charging the secondary battery improves the overall fuel efficiency (for example, Patent Document 1).
このようなアイドルストップする燃料電池車両において、アイドルストップ中に燃料極から酸化剤極へ電解質膜を透過した水素(クロスリーク水素)は、運転再開時に規定濃度未満で系外へ排出されなければならない。このため、燃料電池起動時の空気供給流量を低減したり、空気供給コンプレッサを間欠運転することにより、酸化剤極排出ガスの量を低減する技術が知られている(例えば、特許文献2)。 In such a fuel cell vehicle that performs idle stop, hydrogen (cross leak hydrogen) that has permeated the electrolyte membrane from the fuel electrode to the oxidizer electrode during idle stop must be discharged out of the system at a concentration lower than the specified concentration when the operation is resumed. . For this reason, a technique for reducing the amount of oxidant electrode exhaust gas by reducing the air supply flow rate at the time of starting the fuel cell or intermittently operating the air supply compressor is known (for example, Patent Document 2).
また、燃料電池システムから排出される水素濃度を規定濃度未満とするために、運転再開時に空気供給ポンプを一旦逆回転させて、酸化剤極出口から酸化剤極へ空気を吸い込み、この空気により、酸化剤極電極触媒にトラップされていた水素を酸化させて消費する技術が知られている(例えば、特許文献3)。
しかしながら特許文献2または3記載の従来技術においては、運転再開時のクロスリーク水素の放出を抑制するために、空気供給量を抑制したり、一時的にコンプレッサを逆回転していたため、アイドルストップ解除後に燃料電池が発電可能となるまでの時間が長くなるという問題点があった。
However, in the prior art described in
上記問題点を解決するために本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持した燃料電池と、燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、酸化剤供給手段と酸化剤極入口とを接続する酸化剤供給路と、酸化剤極出口に接続する酸化剤排出路と、酸化剤排出路から排出する酸化剤の流量を制御する酸化剤圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の上流部とを接続する第一補助流路と、前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の下流部とを接続する第二補助流路と、を備えたことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, an oxidant supply means for supplying an oxidant to the fuel cell, an oxidant supply means, An oxidant supply path that connects the oxidant electrode inlet, an oxidant discharge path that connects to the oxidant electrode outlet, and an oxidant pressure control means that controls the flow rate of the oxidant discharged from the oxidant discharge path. In the fuel cell system, a first auxiliary flow path connecting the oxidant supply path and an upstream portion of the oxidant pressure control means of the oxidant discharge path, the oxidant supply path and the oxidant discharge path of the oxidant supply path The gist of the invention is that it includes a second auxiliary flow path connecting the downstream portion of the oxidant pressure control means.
本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、酸化剤供給流路を介して酸化剤極入口に酸化剤を供給するとともに、第一補助流路を介して酸化剤極出口からも酸化剤を供給することができ、供給した酸化剤とクロスリーク水素とを反応消費することにより、排出される水素濃度を既定値未満に低下させることができるとともに、燃料電池への酸化剤供給を早めて発電可能となるまでの時間を短縮することができるという効果がある。 According to the present invention, when the fuel cell system is started, the oxidant is supplied to the oxidant electrode inlet via the oxidant supply channel, and the oxidant is also supplied from the oxidant electrode outlet via the first auxiliary channel. By supplying and reacting the supplied oxidant and cross-leakage hydrogen, the concentration of discharged hydrogen can be reduced below a predetermined value, and the supply of oxidant to the fuel cell can be accelerated to generate electricity. There is an effect that time until it becomes possible can be shortened.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが本発明を燃料電池車両に適用した実施例である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, although each Example demonstrated below is not specifically limited, it is an Example which applied this invention to the fuel cell vehicle.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の全体構成を示する概略図である。燃料電池システム1は、例えばアノード(燃料極、負極)3とカソード(酸化剤極、正極)4との間に固体高分子電解質を挟持した燃料電池2を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system 1 includes, for example, a
水素供給装置5は、燃料改質装置や水素貯蔵装置等により燃料としての水素をアノード3に供給する。水素遮断弁6は、運転停止時や異常発生時に水素供給を遮断する。水素供給弁7は、水素供給装置5が供給する水素圧力を燃料電池2の運転圧力まで低下させ、水素供給配管8を介してアノード3へ供給する。アノード圧力センサ9は、アノード入口の燃料圧力を検出する。水素循環配管10は、アノード3の出口から排出された燃料ガスを水素循環ポンプ11を介してアノード3の入口へ循環させる経路である。
The
アノード3、水素循環配管10及び水素循環ポンプ11で構成される水素循環系内の燃料ガスに不純物が蓄積した場合、パージ弁12を開いて、水素排出配管13から排水素処理装置31へ燃料ガスを排出する。
When impurities accumulate in the fuel gas in the hydrogen circulation system constituted by the
排水素処理装置31は、別途供給される空気を用いて、燃料ガス中の水素を希釈したり、燃焼触媒を介して水素と空気中の酸素と反応させて、外部へ排出する水素濃度を規定濃度未満とするものである。
The exhaust
コンプレッサ(酸化剤供給手段)16は、酸化剤ガスとして空気をカソード4へ供給する。コンプレッサ16が吸入する外気の不純物は、フィルタ14で除去され、空気流量が空気流量計15により計測される。コンプレッサ16で圧縮された空気は、空気供給配管(酸化剤供給路)19を介してカソード4の入口へ供給され、その圧力はカソード圧力センサ20で測定される。
The compressor (oxidant supply means) 16 supplies air as an oxidant gas to the cathode 4. Impurities in the outside air taken in by the
カソード4の出口から排出される余剰の空気は、空気圧力調整弁22により流量が絞られて空気排出配管(酸化剤排出路)21から排水素処理装置31へ排出される。空気圧力調整弁22は、空気排出配管21の流量を制御することにより、カソード4の圧力を調整する酸化剤圧力制御手段である。
Excess air discharged from the outlet of the cathode 4 is reduced in flow rate by the air
また、燃料電池システム1は、燃料電池2の出力電圧をバッテリ24の電圧に変換するDC/DCコンバータ23、DC/DCコンバータ23から充電されるとともに燃料電池2の出力が不足するとき放電するバッテリ24、バッテリ24の充電状態(SOC)を検出するSOC検出器25、DC/DCコンバータ23及び/又はバッテリ24からの直流を交流に変換するインバータ26、インバータ26の交流で動作する車両駆動用モータ27、を備えている。
In addition, the fuel cell system 1 includes a DC /
また、燃料電池システム1は、燃料電池2の出力電圧を検出する電圧センサ28、燃料電池2の各セル電圧または所定数のセルが直列接続された各セル群の電圧を検出するセル電圧センサ29、燃料電池システム1全体を制御するコントローラ(ECU)30を備えている。
Further, the fuel cell system 1 includes a
さらに、燃料電池システム1は、本発明の特徴的な構成要素として、空気供給配管19から分岐して空気圧力調整弁22の上流の空気排出配管21に至る第1バイパス流路(第一補助流路)33と、空気供給配管19から分岐して空気圧力調整弁22の下流に至る第2バイパス流路(第二補助流路)34と、第1バイパス流路33の開閉または流量制御を行う第1バイパス弁(第一補助流路制御手段)35と、第2バイパス流路34の開閉または流量制御を行う第2バイパス弁(第一補助流路制御手段)36とを備えている。
Furthermore, the fuel cell system 1 includes, as a characteristic component of the present invention, a first bypass flow path (first auxiliary flow) that branches from the
アノード圧力センサ9、空気流量センサ15、カソード圧力センサ20、電圧センサ28、セル電圧センサ29、及び水素濃度センサ32は、それぞれコントローラ30の入力端子に接続され、各検出信号をコントローラ30へ入力する。
The anode pressure sensor 9, the
また、水素遮断弁6、水素供給弁7、水素循環ポンプ11、パージ弁12、コンプレッサ16、空気圧力調整弁22、第1バイパス弁35、第2バイパス弁36は、それぞれコントローラ30の出力端子に接続され、コントローラ30が出力する制御信号により制御される。
Further, the hydrogen shutoff valve 6, the hydrogen supply valve 7, the hydrogen circulation pump 11, the
コントローラ30は、入力された各センサの信号から燃料電池2の運転状態を判断し、燃料電池システム1全体の運転を制御するとともに、燃料電池システムの運転・停止を制御する。コントローラ30は、燃料電池システムの起動時に、コンプレッサ16から空気供給配管19を介してカソード4の入口へ空気を供給するとともに、第1バイパス弁35を開いて、カソード4の出口からもカソード4へ空気を供給するように制御する。
The
さらに、コントローラ30は、特に限定されないが本実施例では、CPUと、制御プログラムおよび制御マップ等の制御パラメータを予め記憶したROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
Further, the
図2は、燃料電池システム1の起動時及びアイドルストップからの復帰時(以後運転開始時と呼ぶ)に、コントローラ30が行う制御内容を説明するフローチャートである。このフローチャートは、燃料電池システムの運転開始時に呼び出されて実行される。
FIG. 2 is a flowchart for explaining the control contents performed by the
まずステップ(以下、ステップをSと略す)10において、第1バイパス弁35を開き、S12で第2バイパス弁36を閉じ、S14で空気圧力調整弁22を閉じる。次いで、コンプレッサ16の運転を開始する。これにより、燃料電池2のカソード4の入口と出口から空気供給が開始される。次いで、S18でコントローラ30が内蔵するタイマの動作を開始し、空気供給開始からの経過時間を計測する。
First, in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 10, the
次いでS20で、水素供給弁7を開いて水素供給を開始し、S22で水素循環ポンプ11の運転を開始する。次いで、燃料電池状態を検出する。この状態検出は、カソード4の圧力を検出するカソード圧力センサ20、燃料電池2の電圧を検出する電圧センサ28、カソード4の水素濃度を検出する水素濃度センサ32、コンプレッサ16が吸い込む空気流量を検出する空気流量センサ15等からそれぞれの検出値をコントローラ30が読み込むこと、及びDC/DCコンバータ23が燃料電池2からの電流取り出しを開始したことである。
Next, in S20, the hydrogen supply valve 7 is opened to start supplying hydrogen, and in S22, the operation of the hydrogen circulation pump 11 is started. Next, the fuel cell state is detected. In this state detection, the
次いでS26で、経過時間を計測するタイマを更新、及び空気流量センサ15の検出値(単位時間当たりの質量流量)に、S24が実行されるサイクルタイム(繰り返し時間)を乗じた値の積算値を更新して、S16のコンプレッサ運転開始時からの供給空気量を算出する。
Next, in S26, the timer for measuring the elapsed time is updated, and the integrated value obtained by multiplying the detection value (mass flow rate per unit time) of the air
次いでS28で、第1バイパス流路からの空気供給終了条件が成立したか否かを判定する。この条件は、以下の(1)から(6)の6条件の何れかが成立したことである。 Next, in S28, it is determined whether or not the condition for ending the air supply from the first bypass channel is satisfied. This condition is that any of the following six conditions (1) to (6) is satisfied.
(1)カソード圧力センサ20が検出したカソード4の圧力が所定値を超えたこと。この圧力の所定値は、例えば、燃料電池2のカソード4とアノード3との耐圧値、またはカソード4と燃料電池2の外部とのシール剤の耐圧値未満に設定された値である。
(1) The pressure of the cathode 4 detected by the
(2)電圧センサ28が検出した燃料電池2の電圧が所定値を超えたこと。この電圧の所定値は、例えば、カソード4内部の水素濃度が十分低下して、燃料電池2の電圧が立ち上がったと判断できる電圧値であり、実験的に決定される値である。
(2) The voltage of the
(3)水素濃度センサ32が検出したカソード4内の水素濃度が所定値を下回ったこと。この水素濃度の所定値は、以後、カソード4内の水素を含む空気が排水素処理装置31を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる値であり、コンプレッサ16から排水素処理装置31への空気供給特性や、排水素処理装置のタイプ及び特性に従って決定される。
(3) The hydrogen concentration in the cathode 4 detected by the
(4)タイマが計時したコンプレッサ16による空気供給開始後の経過時間が所定時間を超えたこと。この所定時間は、空気供給を開始してからカソード4内の水素を十分に反応消費させて、カソード4内の水素を含む空気が排水素処理装置31を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる時間であり、実験的に決定される。
(4) The elapsed time after the start of air supply by the
(5)DC/DCコンバータ23が燃料電池2から電流取り出しを開始したこと。この電流取り出しは、図1では図示しない信号線によりDC/DCコンバータ23からコントローラ30へ通知されるものとする。燃料電池2から電流取り出しを開始すると、以後、カソード4で空気中の酸素が発電のために消費され、酸素濃度が低下するので、カソード4の入口から空気を供給し、余剰の空気をカソード4の出口から排出させて、発電に必要な酸素供給を可能とするため、カソード出口からの空気供給を終了させる。
(5) The DC /
(6)S26において算出した空気流量積算値(空気量)が所定値を超えたこと。この空気量の所定値は、空気供給を開始してからカソード4内の水素を十分に反応消費させて、カソード4内の水素を含む空気が排水素処理装置31を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる空気量であり、実験的に決定される。
(6) The integrated air flow rate (air amount) calculated in S26 exceeds a predetermined value. The predetermined value of the air amount is such that the hydrogen in the cathode 4 is sufficiently reacted and consumed after the air supply is started, and the air containing the hydrogen in the cathode 4 is discharged to the outside through the exhaust
S28の判定で、条件が不成立であれば、S24へ戻る。S28の判定で、条件が一つでも成立していれば、S30以下の処理により、第1バイパス流路33からカソード出口への空気供給を終了する。S30では、第1バイパス弁35を閉じ、S32では、第2バイパス弁36を適当な開度で開き、コンプレッサ16から第2バイパス流路34を介して排水素処理装置31へ直接空気供給を始める。
If the condition is not satisfied in the determination of S28, the process returns to S24. If even one condition is satisfied in the determination of S28, the air supply from the first
次いでS34で、空気圧力調整弁22で燃料電池2の出力電流に応じたカソード圧力に制御し、S36で水素供給弁7の開度を制御することにより、燃料電池2の出力電流に応じたアノード圧力に制御し、以後、燃料電池の通常運転の状態となる。
Next, in S34, the air
図2は、本発明に係る燃料電池システムの実施例2の全体構成を示する概略図である。実施例1との相違は、実施例1の第1バイパス弁35及び第2バイパス弁36に代えて、三方弁37を用いていることである。その他の構成は、実施例1と同様である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the overall configuration of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. The difference from the first embodiment is that a three-
三方弁37は、(a)第1バイパス流路33及び第2バイパス流路34をともに閉止した状態、(b)空気供給配管19と第1バイパス流路33とを連通した状態、(c)空気供給配管19と第2バイパス流路34とを連通した状態、の三状態をとることができる弁である。この三方弁37により実施例1と同様の第1バイパス流路33,第2バイパス流路34の制御を行うことができる。
The three-
1:燃料電池システム
2:燃料電池
3:アノード(燃料極)
4:カソード(酸化剤極)
5:水素供給装置
6:水素遮断弁
7:水素供給弁
8:水素供給配管
9:アノード圧力センサ
10:水素循環配管
11:水素循環ポンプ
12:パージ弁
13:水素排出配管
14:フィルタ
15:空気流量センサ
16:コンプレッサ(酸化剤供給手段)
19:空気供給配管
20:カソード圧力センサ
21:空気排出配管
22:空気圧力調整弁(酸化剤圧力制御手段)
23:DC/DCコンバータ
24:バッテリ
25:SOC検出器
26:インバータ
27:車両駆動用モータ
28:電圧センサ
29:セル電圧センサ
30:コントローラ
31:排水素処理装置
32:水素濃度センサ
33:第1バイパス流路(第一補助流路)
34:第2バイパス流路(第二補助流路)
35:第1バイパス弁(第一補助流路制御手段)
36:第2バイパス弁(第二補助流路制御手段)
1: Fuel cell system 2: Fuel cell 3: Anode (fuel electrode)
4: Cathode (oxidant electrode)
5: Hydrogen supply device 6: Hydrogen shutoff valve 7: Hydrogen supply valve 8: Hydrogen supply pipe 9: Anode pressure sensor 10: Hydrogen circulation pipe 11: Hydrogen circulation pump 12: Purge valve 13: Hydrogen discharge pipe 14: Filter 15: Air Flow sensor 16: Compressor (oxidant supply means)
19: Air supply pipe 20: Cathode pressure sensor 21: Air discharge pipe 22: Air pressure regulating valve (oxidant pressure control means)
23: DC / DC converter 24: battery 25: SOC detector 26: inverter 27: vehicle drive motor 28: voltage sensor 29: cell voltage sensor 30: controller 31: exhaust hydrogen treatment device 32: hydrogen concentration sensor 33: first Bypass channel (first auxiliary channel)
34: Second bypass channel (second auxiliary channel)
35: First bypass valve (first auxiliary flow path control means)
36: Second bypass valve (second auxiliary flow path control means)
Claims (12)
燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
酸化剤供給手段と酸化剤極入口とを接続する酸化剤供給路と、
酸化剤極出口に接続する酸化剤排出路と、
酸化剤排出路から排出する酸化剤の流量を制御することにより酸化剤極の圧力を制御する酸化剤圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の上流部とを接続する第一補助流路と、
前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の下流部とを接続する第二補助流路と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode;
An oxidant supply means for supplying an oxidant to the fuel cell;
An oxidant supply path connecting the oxidant supply means and the oxidant electrode inlet;
An oxidant discharge path connected to the oxidant electrode outlet;
In a fuel cell system comprising an oxidant pressure control means for controlling the pressure of the oxidant electrode by controlling the flow rate of the oxidant discharged from the oxidant discharge path,
A first auxiliary flow path connecting the oxidant supply path and the upstream portion of the oxidant pressure control means of the oxidant discharge path;
A second auxiliary flow path connecting the oxidant supply path and the downstream portion of the oxidant pressure control means of the oxidant discharge path;
A fuel cell system comprising:
燃料電池への酸化剤供給開始時に、第二補助流路制御手段により前記第二補助流路を閉止することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 Comprising second auxiliary flow path control means for controlling the opening and closing or flow rate of the second auxiliary flow path,
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the second auxiliary flow path is closed by the second auxiliary flow path control means at the start of supplying the oxidant to the fuel cell. 5.
前記所定条件は、前記酸化剤極圧力検出手段が検出した圧力が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。 An oxidant electrode pressure detecting means for detecting the pressure of the oxidant electrode;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the pressure detected by the oxidant electrode pressure detection means exceeds a predetermined value.
前記所定条件は、前記電圧検出手段が検出した電圧が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。 Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the voltage detected by the voltage detecting means exceeds a predetermined value.
前記所定条件は、前記燃料濃度検出手段が検出した燃料濃度が所定値を下回ったことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。 Comprising a fuel concentration detection means for detecting the fuel concentration in the oxidant electrode;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the fuel concentration detected by the fuel concentration detection means falls below a predetermined value.
前記所定条件は、前記酸化剤供給量検出手段が検出した酸化剤量が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。 An oxidant supply amount detection means for detecting an oxidant amount supplied from the oxidant supply means;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the amount of oxidant detected by the oxidant supply amount detection means exceeds a predetermined value.
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