JP2007073278A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な機構で燃料の逆流などを防止することができ、また、燃料電池に過大な負荷をかけることのない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 アイドル停止時などに、パージ時の水素が希釈装置41に残留した状態で発電が停止したときに、圧力調整弁14を閉じることにより、希釈装置41の下流側からの風の流入による希釈装置41内の水素の逆流を防止できる。また、圧力調整弁14は、空気排出配管12を密閉不能な弁で構成されているので、燃料電池FCの上流側からの風の流入による希釈装置41内の水素の下流への移動を防止できる。
【選択図】 図1
【解決手段】 アイドル停止時などに、パージ時の水素が希釈装置41に残留した状態で発電が停止したときに、圧力調整弁14を閉じることにより、希釈装置41の下流側からの風の流入による希釈装置41内の水素の逆流を防止できる。また、圧力調整弁14は、空気排出配管12を密閉不能な弁で構成されているので、燃料電池FCの上流側からの風の流入による希釈装置41内の水素の下流への移動を防止できる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、アイドル停止などの機能を備えた燃料電池システムに関する。
近年、ガソリンや軽油などを燃料とした車両では、二酸化炭素など地球温暖化の原因となる物質や大気汚染物質の排出を削減するため、また騒音やエネルギーの無駄使いなどを防止するために、車両が一時停止したときにエンジンを停止させること(いわゆる、アイドル停止)が推奨され、またそのような専用の機能を備えた車両も利用されている。そこで、燃料電池自動車などにおいても、エネルギーの無駄な利用などを防止するために、一時的な停車時に発電を停止してアイドル停止させることが提案されている。
このようなアイドル停止の機能を備えた燃料電池システムでは、燃料電池の下流側に燃料電池から排出された水素を、空気で混合して希釈するための希釈装置が設けられているものがある。しかし、希釈装置内などに水素が残留した状態でアイドル停止が行われると、希釈装置内などに残留している水素が排気口側からの外乱(例えば、風)の影響を受けて逆流するという問題がある。そこで、このような水素の逆流を防止するために、アイドル停止時に空気極の流路を遮断するための新たな空気遮断機構を燃料電池の上流側や下流側に設けることが提案されている(特許文献1および特許文献2参照)。
特開2004−129433号公報(段落0025、図2)
特開2004−146147号公報(段落0035、図2)
しかしながら、前記した特許文献1の技術では、燃料電池の発電に必要なデバイスに対して空気を遮断するための新たなデバイスを追加する必要があり、コスト増や重量増になるという問題がある。
また、前記した特許文献2の技術では、燃料電池の空気極の下流側を完全に遮断してしまうため、発電停止時に燃料電池の上流の吸入口側からの風や走行風などの外乱により空気が流れ込み、燃料電池内部の圧力が高まって燃料電池に過大な負荷をかけるおそれがある。
また、燃料電池システムの小型化や軽量化を図るために、希釈装置の容量を小さくすると、燃料の逆流などの流動性が高まることも知られている。
本発明は、前記した問題を解決するものであり、簡単な機構で燃料の逆流などを防止することができ、また、燃料電池に過大な負荷をかけることのない燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明は、燃料ガスを、燃料極に連通する燃料ガス流通路に供給し、酸化剤ガスを、酸化剤極に連通する酸化剤ガス流通路に供給して発電を行う燃料電池と、前記酸化剤ガス流通路の前記燃料電池の下流側に設けられた圧力調整弁と、前記圧力調整弁より下流側に設けられ、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合することにより前記燃料ガスを希釈する希釈装置と、を備え、前記希釈装置に前記燃料ガスが残留した状態で発電を停止する燃料電池システムであって、前記発電の停止時に、前記圧力調整弁を閉じることを特徴とする。
本発明によれば、既設の圧力調整弁を閉じるという簡単な機構によって、発電停止時に希釈装置内に残留している燃料ガスの逆流を防止できる。また、希釈装置内に残留している燃料ガスが下流に流れ出るのを防止できる。
また、前記圧力調整弁は、密閉不能な弁であることが好ましい。これにより、仮に燃料電池の空気極の上流側から酸化剤ガス流通路を介して風などが侵入してきたとしても、燃料電池内の圧力が過度に高まるのを防止することができる。
本発明によれば、特別なデバイスを設けることなく簡単な機構で燃料ガスの逆流などを防止することができる。また、圧力調整弁を密閉不能な弁とすることにより、燃料電池に過大な圧力負荷がかかるのを防止できる。
図1は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図2は発電停止以降の処理を示すフローチャート、図3は発電停止処理を示すサブフローチャート、図4は希釈装置内の水素の動きを示す模式図であり、(A)は発電停止前の状態、(B)は本実施形態の制御におけるアイドル停止後の状態、(C)は従来の制御におけるアイドル停止後の状態である。なお、以下では、燃料電池システムを車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などに適用することもできる。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池FC、カソード系10、アノード系20、高電圧系30、水素希釈系40、制御装置50などを備えて構成されている。
前記燃料電池FCは、固体高分子電解質膜2の一面側に触媒を含む空気極(酸化剤極)3が設けられ、他面側に触媒を含む水素極(燃料極)4が設けられた膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)の両面をさらに導電性のセパレータ(図示せず)で挟んだ単セルが厚み方向に複数枚積層されて構成されている。
前記カソード系10は、前記燃料電池FCの空気極3に酸化剤ガスとしての空気(酸素)を供給し且つ空気極3から空気(酸素)を排出するものであり、空気供給配管11、空気排出配管12、エアコンプレッサ13、圧力調整弁14、水素センサ15などを備えて構成されている。
前記空気供給配管11は、その一端が燃料電池FCの空気極3の入口側に接続され、他端がエアコンプレッサ13に接続されている。また、空気排出配管12は、その一端が空気極3の出口側に接続され、他端が希釈装置41に接続されている。なお、空気供給配管11と空気排出配管12とで、本実施形態の酸化剤ガス流通路が構成されている。
前記エアコンプレッサ13は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどであり、圧縮した空気(外気)を、空気供給配管11を介して燃料電池FCに供給するものである。なお、図示していないが、空気供給配管11には、燃料電池FCの空気極3に供給する空気を加湿するための加湿器などが設けられている。
前記圧力調整弁14は、空気排出配管12に設けられて燃料電池FCの空気極3の圧力を調整するものである。なお、この圧力調整弁14は、スロットル弁のように、その弁開度を全閉とする信号を送っても、機構として空気排出配管12の流路を完全に密閉できない弁により構成されている。
前記水素センサ15は、水素極4から固体高分子電解質膜2を介して空気極3に透過(いわゆる、クロスリーク)した水素の濃度を検出するものであり、燃料電池FCの空気極3の出口側近傍に設けられている。
前記アノード系20は、燃料電池FCの水素極4に燃料ガスとしての水素を供給し且つ水素極4から水素を排出するものであり、水素供給配管21、水素排出配管22、水素タンク23、遮断弁24、エゼクタ25、水素循環配管26、水素パージ弁27などで構成されている。なお、水素供給配管21と水素排出配管22と水素循環配管26とで本実施形態の燃料ガス流通路が構成されている。
前記水素供給配管21は、その一端が燃料電池FCの水素極4の入口側に接続され、他端が水素タンク23と接続されている。前記水素排出配管22は、その一端が水素極4の出口側に接続され、他端が希釈装置41と接続されている。
前記水素タンク23は、高純度の水素を非常に高い圧力(例えば、35MPa≒350気圧)で充填可能な容器を備えており、水素を燃料電池FCの水素極4に供給するためのものである。遮断弁24は、水素供給配管21に設けられ、水素タンク23の近傍に設けられたものであってもよく、水素タンク23と一体に設けられたもの(インタンク式のもの)であってもよい。
前記エゼクタ25および水素循環配管26は、燃料電池FCの水素極4の出口側から排出された水素を水素極4の入口側に戻して再循環させて、燃料ガスとしての水素の使用効率を高めるためのものである。エゼクタ25は水素供給配管21に設けられており、水素循環配管26の一端がエゼクタ25に接続され、他端が水素排出配管22に接続されている。
前記水素パージ弁27は、水素排出配管22の流路を遮断可能な弁である。前記水素循環配管26により水素を循環利用していることから、燃料電池FCの発電中に、空気極3に供給された空気に含まれる窒素や、空気極3で生成された水などが固体高分子電解質膜2を介して水素極4に透過することにより、水素極4の水素濃度が低下して発電性能が損なわれる。このため、必要に応じて水素パージ弁27を開弁して窒素などの不純物を排出するとともに純度の高い水素を燃料電池FCに導入(パージ処理)することにより、水素極4の水素濃度が低下するのを防止している。
前記高電圧系30は、燃料電池FCが発電した電流(電力)を蓄電装置31、走行モータ32などの負荷に供給するものであり、電力線33、電流センサ(電流計)34、電圧センサ(電圧計)35などを備えて構成されている。
前記蓄電装置31は、燃料電池FCが発電した電気を蓄えておくことができるものであり、バッテリまたはキャパシタなどで構成されている。例えば、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などから選択され、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどから選択される。
前記走行モータ32は、例えば永久磁石式の3相交流同期モータであり、燃料電池FCおよび/または蓄電装置31から供給される電力により車両に設けられた駆動輪を回転駆動させる。
前記電流センサ34は、燃料電池FCから蓄電装置31や走行モータ32などに出力される電流値を検出するものであり、前記電圧センサ35は、燃料電池FCの電圧値を検出するものである。
前記水素希釈系40は、希釈装置41、水素センサ42などを備えて構成されている。希釈装置41は、圧力調整弁14の下流側に設けられ、燃料電池FCの水素極4から排出された水素を希釈するものである。水素センサ42は、希釈装置41の下流側に設けられ、希釈装置41から排出される水素の濃度を検出するものである。
前記制御装置50は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、エアコンプレッサ13のモータの回転出力、圧力調整弁14の開度、遮断弁24および水素パージ弁27の開閉が制御され、また、水素センサ15,42から水素濃度情報、また車両に設けられた、アクセル開度センサ60からアクセル開度情報、さらに車速センサ70から車速情報を取得する。
次に、本実施形態の燃料電池システム1の動作について図2ないし図4を参照(適宜図1を参照)しながら説明する。
まず、車両に設けられたイグニッションスイッチ(図示せず)がONにされると、制御装置50は、遮断弁24を開くとともに、エアコンプレッサ13を駆動する。これにより、水素タンク23内の水素が、水素供給配管21を介して燃料電池FCの水素極4に供給され、エアコンプレッサ13の運転により、空気供給配管11を介して図示しない加湿器によって加湿された空気が燃料電池FCの空気極3に供給される。これにより、燃料電池FC内において水素と加湿空気中の酸素とが電気化学反応することにより発電が行われ、車両の走行モータ32などの負荷に電力(発電電流)が供給される。
まず、車両に設けられたイグニッションスイッチ(図示せず)がONにされると、制御装置50は、遮断弁24を開くとともに、エアコンプレッサ13を駆動する。これにより、水素タンク23内の水素が、水素供給配管21を介して燃料電池FCの水素極4に供給され、エアコンプレッサ13の運転により、空気供給配管11を介して図示しない加湿器によって加湿された空気が燃料電池FCの空気極3に供給される。これにより、燃料電池FC内において水素と加湿空気中の酸素とが電気化学反応することにより発電が行われ、車両の走行モータ32などの負荷に電力(発電電流)が供給される。
また、発電中は、必要に応じて水素パージ弁27を開いて、クロスリークによる窒素などと一緒に水素が水素排出配管22を介して希釈装置41に向けて排出されるとともに水素タンク23から燃料電池FCに向けて純度の高い水素が新たに供給される。希釈装置41内に導入された水素は、燃料電池FCの空気極3から空気排出配管12を介して排出されたオフガス(空気+生成水など)で混合されることによって所定の水素濃度以下に希釈され、その後に大気中へと排出される。
ところで、本実施形態の燃料電池システム1では、アイドル停止などの機能を備えているため、希釈装置41内にパージ時に排出された水素が残留した状態で発電が停止されることがある。そこで、本実施形態では、図2のフローチャートに示すように、まずステップS10において、制御装置50では、燃料電池システム1がFC発電カットの状態またはアイドル停止の状態であるか否かを判断する。なお、このFC発電カットとは、ガソリン車でいうところのフューエルカット(燃料カット)に相当するものであり(ただし、水素の供給カットは行わない)、走行モータ32の駆動力が負(モータ駆動力<0)、つまり、減速時などの回生状態であるとき、または、アクセル開度センサ60のアクセル開度情報に基づいてアクセル開度が零(アクセル開度=0)かつ車速センサ70の車速情報に基づいて車速が正(車速>0)のときに、FC発電カットであると判断することができる。ちなみに、FC発電カットのときは、燃料電池FCに水素が供給されていても水素は消費されない。一方、アイドル停止については、アクセル開度=0かつ車速=0のとき、または、モータ駆動力=0のときに、アイドル停止であると判断することができる。
ステップS10で、制御装置50が、FC発電カットでもアイドル停止でもないと判断した場合には(NO)、ステップS20ないしステップS50の処理を飛ばしてリターンする。また、ステップS10で、FC発電カットまたはアイドル停止であると判断した場合には(YES)、発電停止処理を実行する(ステップS20)。この発電停止処理は、図3のサブフローに示すように、ステップS21でエアコンプレッサ13のモータへの電力の供給を停止してエアコンプレッサ13を停止し、ステップS22で圧力調整弁14を全閉にし、さらにステップS23で燃料電池FCが発電する目標発電電力を零(目標発電電力=0)とする。そして、図2のフローに戻り、ステップS30で発電が復帰したか否かを判断する。発電が復帰したか否かの判断基準としては、例えば、アクセル開度センサ60のアクセル開度情報に基づいてアクセルの踏み込みを検知したとき(アクセル開度>0)、または電圧センサ35の電圧情報に基づいて蓄電装置31の電圧(蓄電量)が低下したとき(つまり蓄電量が低下すると発電をせざるをえないため)、あるいは走行モータ32の駆動力が正(モータ駆動力>0)、かつ、電流センサ34の電流情報に基づいて蓄電装置31から走行モータ32への電流(電力)供給が検知されたときに、発電復帰と判断することができる。
ステップS30で、発電復帰と判断されない場合には(NO)、ステップS30の処理を繰り返し、発電復帰と判断された場合には(YES)、ステップS40で圧力調整弁14を通常制御、つまり開状態に戻して、ステップS50でエアコンプレッサ13のモータに電力を供給してエアコンプレッサ13の運転を再開する。このとき、エアコンプレッサ13を運転する前に圧力調整弁14を通常制御に戻すことにより、燃料電池FCの空気極3に過度の圧力が作用するのを防止できる。
ところで、図4の(A)に示すように、FC発電カットやアイドル停止の前においては、希釈装置41内に、パージ時に排出された水素が残留していることがある。図4の(A)の状態でアイドル停止などによって発電が停止すると、(C)に示す従来の制御では、圧力調整弁14が全開状態(または開状態)であったため、希釈装置41の下流側(例えば、排気口)から風W1が流入することにより、希釈装置41内に残留していた水素が圧力調整弁14を通って燃料電池FCに向けて逆流する。このため、逆流した希釈されずに残留している高濃度の水素が水素センサ15で検知されることにより、制御装置50は、クロスリークによって水素が空気極3に漏れ出ていると誤った判断をすることになる。その結果、燃料電池FCの発電をこれ以上継続させないという処理へ移行せざるをえなくなる。また、逆流した水素が燃料電池FCの空気極3(図1参照)まで至ることにより、同極側に水素と酸素が存在することで、空気極3の触媒上で水素と酸素とが反応して電極の劣化が起きるおそれがある。また、燃料電池FCの上流側のエアコンプレッサ13側から風(走行風)W2が流入して、希釈装置41内に希釈されずに残留している高濃度の水素が下流側に移動して水素センサ42で検知されることによって、燃料電池FCの発電をこれ以上継続させないという処理へ移行せざるをえなくなる。
これに対して、図4の(B)に示す本実施形態の制御では、FC発電カット時やアイドル停止時に圧力調整弁14が全閉に制御されるので、希釈装置41の下流側(例えば、排気口)から風W1が流入したとしても、希釈装置41から水素センサ15や燃料電池FCに向けて水素が逆流することがないので、前記した発電継続不能や電極劣化といった不都合を防止できる。また、燃料電池FCの上流側から風W2が流入して、希釈装置41内に希釈されずに残留している高濃度の水素が水素センサ42で検知されるのを防止して、発電継続不能となることを回避できる。
また、本実施形態の燃料電池システム1では、圧力調整弁14が空気排出配管12を密閉不能な弁、つまり圧力調整弁14の開度を最小にしたとしてもガスの流れを完全に遮断できない弁で構成されているので、FC発電カット時やアイドル停止時に圧力調整弁14を全閉にしたとしても、エアコンプレッサ13側からの空気(風W2)の流入により燃料電池FC内の圧力が過度に高まるのを防止できるので、燃料電池FCを破損するといった不具合を防止することができる。
また、本実施形態では、希釈装置41を小型化したとしても、水素の逆流などを防止できるので、燃料電池システム1の小型化や軽量化を図ることができる。
なお、FC発電カット、アイドル停止、発電復帰の条件は、一例であり、前記した条件に限定されるものではない。また、前記した希釈装置41の構造は一例であり、本実施形態に限定されるものではない。また、希釈装置41に水素が残留した状態で発電を停止する場合の条件としては、FC発電カットやアイドル停止に限定されるものではなく、例えば、イグニッションスイッチをオフした後に希釈装置41に水素が残留する燃料電池システムも含むものとする。
1 燃料電池システム
3 空気極(酸化剤極)
4 水素極(燃料極)
11 空気供給配管
12 空気排出配管
14 圧力調整弁
15 水素センサ
21 水素供給配管
22 水素排出配管
26 水素循環配管
41 希釈装置
42 水素センサ
50 制御装置
FC 燃料電池
3 空気極(酸化剤極)
4 水素極(燃料極)
11 空気供給配管
12 空気排出配管
14 圧力調整弁
15 水素センサ
21 水素供給配管
22 水素排出配管
26 水素循環配管
41 希釈装置
42 水素センサ
50 制御装置
FC 燃料電池
Claims (2)
- 燃料ガスを、燃料極に連通する燃料ガス流通路に供給し、酸化剤ガスを、酸化剤極に連通する酸化剤ガス流通路に供給して発電を行う燃料電池と、
前記酸化剤ガス流通路の前記燃料電池の下流側に設けられた圧力調整弁と、
前記圧力調整弁より下流側に設けられ、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合することにより前記燃料ガスを希釈する希釈装置と、を備え、前記希釈装置に前記燃料ガスが残留した状態で発電を停止する燃料電池システムであって、
前記発電の停止時に、前記圧力調整弁を閉じることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記圧力調整弁は、密閉不能な弁であ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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005257410A JP2007073278A (ja) | 2005-09-06 | 2005-09-06 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005257410A JP2007073278A (ja) | 2005-09-06 | 2005-09-06 | 燃料電池システム |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9843059B2 (en) | 2014-04-30 | 2017-12-12 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method of controlling the same |
CN108511776A (zh) * | 2017-02-28 | 2018-09-07 | 沈新平 | 一种基于质子交换膜应用的发电与制氢一体化动力系统 |
-
2005
- 2005-09-06 JP JP2005257410A patent/JP2007073278A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9843059B2 (en) | 2014-04-30 | 2017-12-12 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method of controlling the same |
CN108511776A (zh) * | 2017-02-28 | 2018-09-07 | 沈新平 | 一种基于质子交换膜应用的发电与制氢一体化动力系统 |
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