JP2007066680A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水素、空気が供給されることにより発電する燃料電池2と、燃料電池2のIVが所定条件を満たすか否かを判定するIV判定部73と、アイドル停止条件が成立したか否かを判定するアイドル停止判定部75と、掃気ガスを供給して掃気する掃気手段と、正常に発電する燃料電池2の学習IVを記憶するIV特性記憶部74とを備え、IV判定部73が実際の燃料電池2のIVが学習IVの90%未満であり所定条件を満たさないと判定した場合であって、アイドル停止判定部75によりアイドル停止条件が成立したと判定されたとき、掃気手段により掃気する燃料電池システムSである。
【選択図】 図1
Description
以下、このように燃料電池内の水を押し出すため、燃料電池に送り込む空気を本明細書等では「掃気ガス」とする。そして、このように掃気ガスを送り込み燃料電池内(ガス流路を含む)の水をその外部に押し出すことを「掃気」とする。なお、「掃気」を「空気パージ」という場合もある。
そこで、本発明は、好適に起動可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムSは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、この燃料電池自動車は燃料電池2の発電電力によって電動の走行モータ51を駆動し、走行するようになっている。燃料電池システムSは、燃料電池2と、燃料電池2に対して水素(燃料ガス、反応ガス)を供給・排出するアノード系10と、燃料電池2に対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を供給・排出するカソード系20と、燃料電池2の掃気時に掃気ガス(空気)をカソード系20からアノード系10に導く掃気系40と、燃料電池2の出力端子に接続した電力消費系50と、燃料電池2のカソードから排出されたガス(以下、カソードオフガス)の温度を温度センサ61等と、これらを電子制御するECU70(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を主に備えている。
燃料電池2(燃料電池スタック)は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜3の両面をアノード(燃料極)およびカソード(空気極)で挟んでなるMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、MEAを挟む一対のセパレータと、で構成されている。セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に反応ガスを供給するための溝や、全ての単セルに水素、酸素を導くための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード側流路4、カソード側流路5(反応ガス流路)となっている。すなわち、アノード側流路4には燃料ガスとしての水素が流通し、この流通する水素が各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路5には、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が流通し、この流通する空気が各カソードに供給されるようになっている。
アノード系10は、水素が貯蔵された水素タンク11と、遮断弁12と、パージ弁13と、を主に備えている。水素タンク11は配管11aを介して遮断弁12に接続しており、遮断弁12は配管12aを介してアノード側流路4に接続している。また、遮断弁12は、ECU70の運転制御部71と接続しており、運転制御部71により適宜に制御される。そして、遮断弁12が開かれると、水素が水素タンク11からアノード側流路4に供給されるようになっている。なお、配管12aには減圧弁(図示しない)が設けられており、水素が所定圧力に減圧される。
カソード系20は、コンプレッサ21(スーパーチャージャ)を主に備えている。コンプレッサ21は配管21aを介してカソード側流路5に接続しており、コンプレッサ21が作動すると、外部の空気が取り込まれ、カソード側流路5に送られるようになっている。コンプレッサ21は、運転制御部71と接続しており、その回転速度などが適宜に制御されるようになっている。また、コンプレッサ21は、アイドル停止判定部75と接続しており、アイドル停止判定部75はコンプレッサ21の出力を監視するようになっている。さらに、配管21aには、加湿器(図示しない)が設けられており、カソード側流路5に供給される空気が加湿されるようになっている。ただし、掃気時は加湿されない設定となっている。
掃気系40は、運転制御部71により適宜に開/閉される開閉弁41を備えている。そして、カソード系20の配管21aとアノード系10の配管12aとは、配管41a、開閉弁41、配管41bによって接続されており、燃料電池2の掃気時に開閉弁41が開かれると、掃気ガス(非加湿の空気)がカソード系20からアノード系10に導かれるようになっている。なお、本実施形態において、特許請求の範囲における掃気手段は、コンプレッサ21と、配管21aと、掃気系40とを備えて構成されている。
電力消費系50は、燃料電池2の出力端子(図示しない)に接続しており、燃料電池2で発生した電力を消費する系である。電力消費系50は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ51(外部負荷)と、VCU52(Voltage Control Unit)と、キャパシタ53(蓄電器)と、電流計54(出力検知手段)と、電圧計55(出力検知手段)と、を主に備えている。
温度センサ61(温度検出手段)は、カソード系20の配管22aに設けられており、配管22a内の温度を、燃料電池システムSの温度(以下、システム温度)として検出するセンサである。つまり、温度センサ61は、燃料電池2の発電中はカソードオフガスの温度を、掃気中は押し出された水を含む掃気ガスの温度を、停止中は配管22a内を滞留するガスの温度を検出するようになっている。
そして、温度センサ61はECU70の温度判定部72と接続しており、温度判定部72はシステム温度を、燃料電池2の発電中、掃気中はもちろん発電停止中も監視するようになっている。
ブレーキペダル65は、燃料電池自動車を制動するためのペダルであり、適所に設けられている。そして、ブレーキペダル65は、アイドル停止判定部75と接続しており、アイドル停止判定部75はブレーキペダル65が踏まれているか否かを検知するようになっている。
ECU70は、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。ECU70は、運転制御部71(運転制御手段)と、温度判定部72(温度判定手段)と、IV判定部73(発電特性判定手段)と、IV特性記憶部74(発電特性記憶手段)と、アイドル停止判定部75(アイドル停止判定手段)と、を主に備えている。
運転制御部71は、カソード系20のコンプレッサ21と接続しており、コンプレッサ21の作動(回転速度など)を適宜に制御するようになっている。具体的には、運転制御部71には、「通常運転条件」と燃料電池2の起動を促進させる「低温運転条件」とが設定されており、温度判定部72等からの指示に基づいて、「通常運転条件」と「低温運転条件」とを適宜に切り替えてコンプレッサ21を制御するようになっている。
これに対し、「低温運転条件」とは、燃料電池2の暖機中の運転条件を意味し、コンプレッサ21を前記通常の回転速度より高い回転速度で作動させて、燃料電池2に、前記通常流量より多い流量・前記通常圧力より高い圧力で空気(低温用反応ガス)を供給し、燃料電池2を高発電させる運転条件である。
ここで、「復帰掃気」とは、IG63がONされて燃料電池システムS起動した後、IG52がOFFされるまでの間に、発電する燃料電池2の実際のIV(出力電流、出力電圧)が学習IVの90%未満であって、アイドル停止条件が成立した場合に、燃料電池2のIVを正常に復帰(回復)させるために実施される掃気である。そして、学習IV(正常発電特性)とは、前回の発電時に通常運転条件で正常に発電する燃料電池2のIVであって、前回の発電時にIV特性記憶部74に記憶されたものである。
温度判定部72は、温度センサ61を介してシステム温度を監視しており、温度判定を行う部分ある。具体的には、温度判定部72は、燃料電池システムSの停止中に、システム温度が5℃(所定温度)以下に達したことがあるか否かを判定する機能を備えている。また、温度判定部72は、燃料電池システムSの起動時に、通常運転条件または低温運転条件で燃料電池2が発電する間、システム温度が5℃以上であるか否かを判定する機能を備えている。
IV判定部73は、燃料電池2のIV(発電特性)が、回復したか否かを判定する機能を備えている。具体的には、IV判定部73は、電流計54および電圧計55を介して取得した現在発電する燃料電池2の実際のIVが、学習IV曲線C0に基づくIVの90%(所定レベル)以上であるか否かを判定することで、回復したか否かを判定するようになっている。
また、IV判定部73は、復帰掃気が完了し、通常運転条件で正常に発電する燃料電池2の出力電流および出力電圧に基づくIV曲線を、学習IV曲線C0(正常発電特性)としてIV特性記憶部74に記憶する機能を備えている。なお、学習IV曲線C0の記憶は、例えば内部クロックを併用して定期的に行われる。
IV特性記憶部74には、図2に示すように、予め複数のIV曲線(発電特性)が記憶されている。
ここで、燃料電池2は、例えば、その暖機が不十分であったり、総発電時間が長く劣化すると、その出力が下がる傾向、つまり、図2において、IV曲線が下がる傾向を有している。逆に、暖機が十分であったり、総発電時間が短いと、その出力が上がる、つまり、IV曲線が上がる傾向を有している。また、燃料電池2は、その状態に応じたIV曲線上の出力電流・出力電圧で発電する特性を有している。このような燃料電池2の特性を考慮した上で、各種予備試験、シミュレーション等を行うことで、複数のIV曲線が求められる。そして、発電する燃料電池2の出力電流、出力電圧を検出すれば、現在どのようなIV曲線上で燃料電池2が発電しているか推定できるようなっている。
また、IV特性記憶部74には、前回の発電時において、通常運転条件で正常に発電する燃料電池2の学習IV曲線C0が記憶される設定となっている。
アイドル停止判定部75は、アイドル停止条件が成立したか否かを判定する機能と、アイドル停止中に電力要求があるか否かを判定する機能と、を備えている。具体的な判定方法については、燃料電池システムSの動作において説明する。
次に、本実施形態に係る燃料電池システムSの動作について、図3および図4を参照して説明する。なお、IG63がOFFされると、図3のフローチャートに示す制御を行い、一方、IG63がONされると、図4のフローチャートに示す制御を行う。また、図3または図4のフローチャートに従って制御中に、IG63がON/OFFされると、その途中であっても、対応するフローチャートに移行する設定となっている。以下、燃料電池システムSの停止時、起動時の順で説明する。
図3に示すように、例えば、燃料電池自動車を停止させるために、IG63がOFFされると(スタート)、運転制御部71はIG63からのOFF信号を受けた後、遮断弁12を閉じると共に、VCU52を制御して燃料電池2の出力電流を0にし、燃料電池システムSの発電を停止させる(S101)。
所定時間後、運転制御部71は、コンプレッサ21を停止させ、パージ弁13および開閉弁41を閉じて、復帰掃気を終了し、ステップS104に進む。
「システム温度≦5℃」であると判定した場合(S104・Yes)、温度判定部72は運転制御部71にこの判定結果を送る。そして、ステップS105において、運転制御部71は、燃料電池システムSが5℃以下を経験したことに対応するFlagA(経験なし:FlagA=0、経験あり:FlagA=1)を立てて(FlagA←1)、ステップS106に進む。このように5℃以下を経験した場合にFlagAを立てることにより、その後の燃料電池システムSの起動時において、システム温度が5℃を超えていても、5℃以下を経験したことが記憶され、この記憶に基づいて各種処理(復帰掃気)をすることができる。なお、このように5℃以下を経験する場合は、例えば、夜間に燃料電池自動車が放置され、そのシステム温度が低下した場合等が挙げられる。
なお、このような温度判定部72による温度判定は、燃料電池システムSの停止中に随時行ってもよいし、停止中にタイマなどにより定期的に行ってもよい。その他、停止中における温度変化を記憶手段(図示しない)で記憶し、起動時に記憶手段に記憶されたデータを参照して、温度判定を行ってもよい。
また、このようにFlagBが0であるため、ステップS102の判定がNoとなったため、ステップS103の復帰掃気を経由せず、システム温度が5℃以下となった場合のみに、ステップS106の通常掃気を実施するため、ステップS103の掃気とステップS106の掃気とが重複することを避けることができる。これにより、コンプレッサ21の作動にかかる消費電力を抑えることができる。
次に、燃料電池システムSの起動時について、図4を主に参照して説明する。
例えば、燃料電池自動車を起動(始動)させるために、IG63がONされると、図4に示すフローチャートに従って動作がスタートする。
「FlagA=1」であり、5℃以下の経験があると判定した場合(S201・Yes)、FlagAに0を代入してリセットし(S202)、復帰掃気の要求に対応するFlagBに1を代入して立てた後(S203)、ステップS204に進む。
一方、「FlagA=1」でなく、5℃以下の経験がないと判定した場合(S201・No)、ステップS204に進む。
具体的には、IV判定部73は、電流計54および電圧計55を介して、燃料電池2の現在における実際の出力電流および出力電圧を、少なくとも1点、本実施形態では複数点(例えば図2に示すP1、P2の部分)にてサンプリングする。そして、IV判定部73は、サンプリングした出力電流および出力電圧と、IV特性記憶部74に記憶された複数のIV曲線とに基づいて、現在発電する燃料電池2の推定IV曲線(例えば、推定IV曲線C1、推定IV曲線C2)を推定する。
一方、IV判定部73は、推定IV曲線C2(現在のIV)が学習IV曲線C0(学習IV)の90%未満であると判定した場合(S208・No)、ステップS209に進む。
ここで、アイドル停止条件が成立する場合とは、例えば、車速センサ64により検出された車速が所定速度未満あり、コンプレッサ21および走行モータ51の出力が所定出力未満であり、ブレーキペダル65が踏まれている状態で、キャパシタ53の端子間電圧が所定電圧以上である(キャパシタ53が好適に充電されている)場合であって、アクセルペダルや車内エアコンなどの電力要求手段62から電力要求がない場合等が挙げられる。
次いで、ステップS211において、運転制御部71は復帰掃気を実施する。具体的には、運転制御部71は、VCU52を制御して電流の取り出しを停止し、燃料電池2の発電を停止させる。そして、運転制御部71は、コンプレッサ21の回転速度を復帰掃気に対応した回転速度に高めると共に、開閉弁41およびパージ弁13を開き、アノード側流路4およびカソード側流路5に掃気ガスを送る。そうすると、掃気ガスによって、アノード側流路4およびカソード側流路5が復帰掃気される。
このように、現在のIVがIV学習値の90%未満であって(S208・No)、アイドル停止条件が成立した場合(S209・Yes)、コンプレッサ21を停止させずに作動させ、復帰掃気することにより、燃料電池2の出力を速やかに回復させることができる。そして、ステップS212に進む。
一方、復帰掃気は完了していないと判定した場合(S212・No)、ステップS212の判定を繰り返す。
ステップS217において、運転制御部71は、復帰掃気は完了した、または不要であったと判断し、FlagBをリセットする。そして、ステップS218に進む。
アイドル停止判定部75は、アイドル停止条件は成立していると判定した場合(S218・Yes)、この判定結果を運転制御部71に送る。そして、ステップS219において、運転制御部71は、コンプレッサ21を停止すると共に、VCU52を制御して燃料電池2の発電を停止し、アイドル停止を実施し、ステップS220に進む。
一方、アイドル停止判定部75が、アイドル停止条件は成立していないと判定した場合(S218・No)、ステップS204に進む。
ステップS221において、運転制御部71は、ステップS216と同様に、燃料電池システムSを再起動させる。そして、ステップS204に進む。
ステップS222において、運転制御部71は、コンプレッサ21を通常運転条件で作動させ、空気を通常の流量でカソード側流路5に供給し、燃料電池2を通常運転条件で発電させる。そして、ステップS223に進む。
次に、燃料電池システムSの一動作例を、図5を主に参照して説明する。ここでは、FlagAおよびFlagBがそれぞれ0状態で、通常運転条件で発電する燃料電池2を停止させた後、再び起動させる場合について説明する。
その後、ステップS208・No、S209・No、S204・Yes、S205・No、S207のルートを進み、低温運転条件での燃料電池2の発電が進む。このように発電が進むことによって、燃料電池2の自己発熱によりシステム温度が上昇し、システム温度が5℃以上になると(S205・Yes)、通常運転条件に切り替わり(S206)、コンプレッサ21の回転速度が低下する。
前記した実施形態では、燃料電池システムSが燃料電池自動車に搭載された場合について例示したが、燃料電池システムの使用態様はこれに限定されず、その他に例えば、家庭用の据え置き型の燃料電池システムであってもよい。
また、このような温度センサを複数使用してもよく、複数の温度センサを使用した場合、例えば検出された少なくとも2つの温度が5℃以下となった場合、システム温度が5℃以下になったと判定するように設定すれば、誤判定を防止できる。
2 燃料電池
4 アノード側流路(反応ガス流路)
5 カソード側流路(反応ガス流路)
61 温度センサ(温度検出手段)
70 ECU
71 運転制御部(運転制御手段)
72 温度判定部(温度判定手段)
73 IV判定部(発電特性判定手段)
74 IV特性記憶部(発電特性記憶手段)
75 アイドル停止判定部(アイドル停止判定手段)
Claims (2)
- 反応ガスが流通する反応ガス流路を有し、当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の実際の発電特性が所定条件を満たすか否かを判定する発電特性判定手段と、
アイドル停止条件が成立したか否かを判定するアイドル停止判定手段と、
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給して掃気する掃気手段と、
を備え、
前記発電特性判定手段により前記燃料電池の発電特性が所定条件を満たさないと判定された場合であって、前記アイドル停止判定手段によりアイドル停止条件が成立したと判定されたとき、前記掃気手段により掃気することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池の正常発電特性を記憶する発電特性記憶手段を、さらに備え、
前記発電特性判定手段は、前記燃料電池の実際の発電特性が前記正常発電特性に基づく所定レベルよりも低い場合、前記所定条件を満たさないと判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。
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