JP2007109615A - 燃料電池システム及びその停止方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アノード流路12a及びカソード流路13aを有する燃料電池10と、各流路に掃気ガスを供給し掃気するコンプレッサ31と、燃料電池10の起動を促進させる低温起動したか否かを判定するECU70と、発電停止指令であるOFF信号を発するIG62と、を具備し、IG62がOFF信号を発した場合、各流路を掃気する燃料電池システム1であって、燃料電池10の温度を検出する温度センサ25と、燃料電池10に供給される掃気ガスを加湿する加湿器33と、加湿器33による加湿量を調整する加湿弁33cと、を備え、ECU70が低温起動したと判定し、掃気する場合であって、燃料電池10の実際の温度が所定温度より高い場合、燃料電池10の実際の温度に対応して、加湿弁33cにより加湿量を調整する。
【選択図】図1
Description
そこで、本願発明者らは、停止中に燃料電池が、例えば氷点下を経験したため、凍結している虞がある場合、その後の起動時において、例えば大流量で水素及び空気を供給し、燃料電池を高出力で発電させることで、燃料電池の自己発熱量を高め、燃料電池を速やかに暖機し、その出力を速やかに上昇させることができるという知見を得ている。なお、停止中に氷点下等を経験しているため、その後の起動時において、燃料電池を高出力で発電させることを、本明細書では低温起動とする。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池10の出力端子(図示しない)に接続した走行モータ51を備えている。そして、燃料電池自動車は、燃料電池10の発電電力で駆動する走行モータ51によって、走行するようになっている。
燃料電池10(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11(固体高分子膜)の両面をアノード12(燃料極)及びカソード13(空気極)で挟んでなるMEAと、MEAを挟む一対のセパレータと、を備えて構成されている。各セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に水素又は酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路12a、カソード流路13aとして機能している。すなわち、アノード流路12aには水素が流通し、各アノード12に水素が供給されるようになっている。一方、カソード流路13aには酸素を含む空気が流通し、各カソード13に空気が供給されるようになっている。
アノード系20は、水素が貯蔵された水素タンク21と、遮断弁22(遮断手段)と、エゼクタ23と、パージ弁24(排出手段)と、温度センサ25(温度検出手段)と、を主に備えている。
水素タンク21は配管21aを介して遮断弁22に接続されており、遮断弁22は配管22aを介してエゼクタ23に接続されている。エゼクタ23は、配管23aを介してアノード流路12aに接続されている。配管22aには、減圧弁(図示しない)が設けられている。そして、ECU70の制御部71によって、遮断弁22が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード流路12aに供給されるようになっている。
カソード系30は、コンプレッサ31(スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給手段)と、インタークーラ32(熱交換器)と、加湿器33(加湿手段)と、希釈器34と、を主に備えている。
コンプレッサ31は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガス(掃気時には掃気ガス)として燃料電池10のカソード13に向けて送る機器である。そして、コンプレッサ31は、配管31aを介して、インタークーラ32に接続されている。また、コンプレッサ31は、制御部71と接続されており、適宜に制御されるようになっている。
なお、加湿弁33cの開度は調整自在となっており、コンプレッサ31(インタークーラ32)から送られるガス全量に対して、加湿器33を迂回するガスの量(これをバイパス量)を調整自在となっている。つまり、例えば、加湿弁33cが完全に開かれ、バイパス量が略100%であれば、加湿器33を略迂回することを意味し(図2参照)、非加湿の乾燥した掃気ガスが燃料電池10に送られるようになっている。また、加湿弁33cは制御部71と接続されており、適宜に制御されるようになっている。
カソード流路13aの下流側は、配管34aを介して、加湿器33に接続されており、生成水を含む多湿のカソードオフガスが加湿器33に送られるようになっている。そして、加湿器33における水分交換により、その水分量が低下したカソードオフガスが、配管34bを介して、希釈器34に送られるようになっている。
掃気系40は、制御部71により適宜に開/閉される掃気弁41を備えている。そして、カソード系30の配管33aとアノード系20の配管22aとは、配管41a、掃気弁41、配管41bによって接続されており、燃料電池10の掃気時に、掃気弁41が開かれると、掃気ガスがカソード系30からアノード系20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31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10の出力端子(図示しない)に接続されており、燃料電池10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、を主に備えている。この他、コンプレッサ31のモータも、電力消費系50に含まれる。
外気温センサ61は、外気温度を検出するセンサであり、燃料電池自動車の適所(例えばボディ)に設けられている。そして、外気温センサ61は、制御部71と接続されており、制御部71は外気温度を監視するようになっている。
IG62(イグニッション)は、運転者により操作される燃料電池自動車(燃料電池システム1)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、IG62は、制御部71と接続されており、制御部71はIG62のON信号/OFF信号を受けて、各制御をするようになっている。
また、本実施形態において、IG62は発電停止指令手段であり、IG62がOFFされた場合に制御部71に向けて発せされるOFF信号は発電停止指令に相当する。
ECU70は、燃料電池システム1を電子制御するユニットであって、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。このようなECU70は、制御部71(運転制御手段、低温起動判定手段)と、制御データ記憶部72(制御データ記憶手段)とを備えている。
制御部71は、アノード系20の遮断弁22及びパージ弁24と、カソード系30のコンプレッサ31、インタークーラ弁32c及び加湿弁33cと、掃気系40の掃気弁41と、電力消費系50のVCU52と接続されており、これらを適宜に制御するようになっている。
制御部71には、燃料電池システム1を通常に運転する「通常運転モード」と、自己発熱量を高め、暖機を促進させる「低温運転モード」とが設定されている。そして、制御部71は、これらモードを適宜に切り替えてコンプレッサ31を制御するようになっている。
すなわち、低温運転モードにおける燃料電池10の自己発熱量は、通常運転モードにおける自己発熱量より高くなる。そして、制御部71は、通常運転モードと低温運転モードとを適宜に切り替えることで、燃料電池10の自己発熱量を制御するようになっている。
制御データ記憶部72には、低温起動後の停止時における掃気において、掃気ガスを加湿するか否かの判定基準となる所定温度が記憶されている(図3、S105参照)。
所定温度とは、図5(a)に示すように、停止時の排水量と許容可能水分量との交点に相当する燃料電池10の温度である。なお、図5(a)では、燃料電池10の温度に関わらず、掃気ガスの流量は一定(コンプレッサ31の回転速度が一定)とした場合を記載している。また、停止時の排水量、許容可能水分量、所定温度は、事前試験等により求められる。
図2に示すように、乾燥防止用マップは、燃料電池10の温度が所定温度以下では、加湿器33を迂回するバイパス量が100%(加湿弁33cは完全に開)となっており、掃気ガスが加湿されず、乾燥した掃気ガスが燃料電池10に供給される関係となっている。一方、燃料電池10の温度が所定温度より高くなると、加湿弁33cの開度が徐々に小さくなり、バイパス量が線形的に減少し、加湿弁33cが完全に閉じられると、バイパス量が0%となる関係となっている。なお、バイパス量が0%になる場合とは、コンプレッサ31(インタークーラ32)からの掃気ガスが、全て加湿器33に送られる場合である。
さらにまた、制御データ記憶部72には、停止中に氷点下を経験したか否かの判定基準となる氷点(図3、S111参照)が記憶されている。
次に、燃料電池システム1の動作について、図3及び図4を主に参照して説明する。
まず、図3を参照して、燃料電池システム1の停止時の動作と共に、燃料電池システム1の停止方法について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1の停止方法は、その停止前の起動時において、燃料電池システム1が低温起動していた場合、アノード流路12a及びカソード流路13aを掃気する共に、その掃気時の燃料電池10の実際の温度が所定温度より高いとき、この燃料電池10の実際の温度に対応して掃気ガスの加湿量を調整することを特徴とする。一方、燃料電池10の実際の温度が所定温度以下であるとき、加湿されない乾燥した掃気ガスにより掃気することを特徴とする。
なお、ここでは、燃料電池自動車を停止させるために、運転者によりIG62(発電停止指令発生手段)がOFFされ、IG62のOFF信号(発電停止指令)よって、図3に示す停止時の制御フローがスタートする場合を例示する。
なお、制御部71は、VCU52を制御し、残留する水素と、継続して供給される空気中の酸素とによって、燃料電池10の発電を継続させる(S102)。また、発電継続によって得られる電力は、コンプレッサ31の作動に利用することが好ましい。さらに、このように停止時の制御では、燃料電池10の過昇温を防止する冷却水(ラジエータ液)の通流を停止させてもよい。
具体的には、制御部71は、コンプレッサ31の作動を掃気に対応した回転速度に高めると共に、パージ弁24及び掃気弁41を開き、大流量の掃気ガスをアノード流路12a及びカソード流路13aに送る。これにより、アノード流路12a及びカソード流路13aは掃気される。また、この掃気において、制御部71はインタークーラ弁32cを閉じ、インタークーラ32を迂回させる。これにより、冷却されない外気温度の掃気ガスが、アノード流路12a及びカソード流路13aに送り込まれ、アノード流路12a等が掃気されやすくなる。また、後記するように、加湿弁33cを開き掃気ガスを加湿する場合、このように掃気ガスを冷却しないことにより、掃気ガスが好適に加湿されやすくなる。
燃料電池10の温度が所定温度よりも高いと判定した場合(S105・Yes)、ステップS106に進む。なお、この場合は、燃料電池10の温度が高く、乾燥した掃気ガスをアノード流路12a及びカソード流路13aに送り続けると、電解質膜11が過度に乾燥してしまい、次回起動時の発電特性が低下する虞がある場合である。
一方、燃料電池10の温度が所定温度より高くない、つまり、所定温度以下であると判定した場合(S105・No)、ステップS116に進む。なお、この場合は、燃料電池10の温度が低く、非加湿の乾燥した掃気ガスを、アノード流路12a及びカソード流路13aに送り続けても、電解質膜11が過度に乾燥することはなく、次回起動時の発電特性が低下する虞がない場合である。
そして、制御部71は、所定時間が経過し、掃気が完了したと判定した場合(S107・Yes)、ステップS108に進む。一方、所定時間が経過しておらず、掃気が完了していないと判定した場合(S107・No)、ステップS106に戻り、加湿弁33cの制御を行う。
次いで、ステップS109において、制御部71は、コンプレッサ31を停止し、パージ弁24、加湿弁33c及び掃気弁41を閉じ、インタークーラ弁32cを開き、燃料電池システム1を停止させる。
一方、システム温度が氷点以上(システム温度≧0℃)であると判定した場合、ステップS112に進む。この場合、低温起動に係るFlagAについては、そのままの状態が維持される。
ステップS114において、制御部71は、ステップS104と同様に、アノード流路12a及びカソード流路13aを掃気する。
次いで、ステップS115において、制御部71は、ステップS107と同様に、ステップS114における掃気から所定時間が経過したか否かに基づいて、掃気が完了したか否かを判定する。そして、掃気は完了したと判定した場合(S115・Yes)、ステップS108に進む。一方、掃気は完了していないと判定した場合(S115・No)、ステップS115の判定を繰り返す。
ステップS116において、制御部71は、加湿弁33cを開く。これにより、コンプレッサ31からの掃気ガスが加湿器33を迂回する(バイパス量100%、図2参照)。そして、非加湿の乾燥した掃気ガスが、アノード流路12a及びカソード流路13aに送られ、掃気される。
次に、燃料電池システム1の起動時について、図4を主に参照して説明する。
IG62がONされると、図4に示す起動時の制御フローがスタートする。なお、IG62がONされると、ON信号を受けた制御部71は、アノード系20の遮断弁22を開き、燃料電池10のアノード流路12aに水素を供給する。
そして、このように低温運転モードで運転し、燃料電池10及び燃料電池システム1を解氷・暖機させた後、通常流量・通常圧力で空気(通常用反応ガス)を供給し、燃料電池10を通常に発電させて、エンドに進み、燃料電池システム1の起動時の制御を終了する。
次に、燃料電池システム1の効果について、図5及び図6を参照して説明する。
図5(a)に示すように、IG62のOFF後の停止時の掃気よって、燃料電池10から排出される排水量は、本実施形態及び従来ともに同じであるが、本実施形態では、燃料電池10の温度が所定温度より高い場合、掃気ガスを加湿するため、図5(b)に示すように、掃気後における電解質膜11は従来のように過度に乾燥されておらず、良好な湿潤状態とすることができる。
また、インタークーラ32については、インタークーラ弁32cを配管32bに設け、インタークーラ弁32cが開かれると、コンプレッサ31からの空気がインタークーラ32を迂回する構成としてもよい。
例えば、(1)アノード系20における遮断弁22とエゼクタ23との間の減圧弁(図示しない)をその二次(下流)側圧力が高まるように制御し、燃料電池10のアノード12に高圧の水素ガスが供給される設定としてもよい。また、(2)アノード系20のパージ弁24を開く間隔を短くし、アノード12に供給される水素ガスの濃度が高くなるように設定してもよい。さらに、(3)カソード系30において、燃料電池10の下流側の配管34aに設けられた背圧弁(図示しない)をその背圧が高まるように制御し、燃料電池10のカソード13に高圧の空気が供給されるように設定してもよい。さらにまた、(4)燃料電池10(スタック)を構成する単セルを保護するためのセル電圧保護閾値を高めるよう設定してもよい。また、これらを複合的に制御する設定としてもよい。
すなわち、このように燃料電池10の温度に対応するON時間を検出し、このON時間と、燃料電池10の前記所定温度に対応した所定時間とを比較することで、加湿するか否かを判定する構成としてもよい。なお、このような構成の場合、前回の起動からIG62がOFFされるまでのIG62のON時間を検出する手段(例えば、タイマ)が、特許請求の範囲における温度検出手段に相当し、このような構成であっても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
10 燃料電池
11 電解質膜
12 アノード
12a アノード流路(反応ガス流路)
13 カソード
13a カソード流路(反応ガス流路)
25 温度センサ(温度検出手段)
31 コンプレッサ(掃気手段)
33 加湿器(加湿手段)
33c 加湿弁(加湿調整手段)
40 掃気系(掃気手段)
70 ECU
71 制御部(運転制御手段、低温起動判定手段)
72 制御データ記憶部
Claims (6)
- 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で発電する燃料電池と、
前記燃料電池の起動時の運転を、通常運転モード又は前記起動を促進させる低温運転モードで制御する運転制御手段と、
前記燃料電池が前記低温運転モードで起動したか否かを判定する低温起動判定手段と、
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給し掃気する掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止指令を発する発電停止指令手段と、
を具備し、
前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により前記反応ガス流路を掃気する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池に供給される掃気ガスを加湿する加湿手段と、
前記加湿手段による加湿量を調整する加湿調整手段と、
を備え、
前記発電停止指令が発せられ、前記低温起動判定手段が低温運転モードで起動したと判定し、前記掃気手段により掃気する場合、前記温度検出手段が検出する前記燃料電池の実際の温度が所定温度より高いとき、
前記燃料電池の実際の温度に対応して、前記加湿調整手段により加湿量を調整することを特徴とする燃料電池システム。 - 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で発電する燃料電池と、
前記燃料電池の起動時の運転を、通常運転モード又は前記起動を促進させる低温運転モードで制御する運転制御手段と、
前記燃料電池が前記低温運転モードで起動したか否かを判定する低温起動判定手段と、
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給し掃気する掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止指令を発する発電停止指令手段と、
を具備し、
前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により前記反応ガス流路を掃気する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池に供給される掃気ガスを加湿する加湿手段と、
前記加湿手段による加湿量を調整する加湿調整手段と、
を備え、
前記発電停止指令が発せられ、前記低温起動判定手段が低温運転モードで起動したと判定し、前記掃気手段により掃気する場合、前記温度検出手段が検出する前記燃料電池の実際の温度が所定温度以下であるとき、
前記加湿調整手段は、前記加湿手段が加湿しないように調整することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記掃気手段による掃気が完了するまで、前記燃料電池の発電を継続させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記所定温度は、発電停止指令後の掃気により前記燃料電池から排出されると共に前記燃料電池の温度に依存する排出水分量と、停止中に前記燃料電池内に許容可能な水分量と、に基づく前記燃料電池の温度であ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。
- 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で発電する燃料電池と、
前記燃料電池の起動時の運転を、通常運転モード又は前記起動を促進させる低温運転モードで制御する運転制御手段と、
前記燃料電池が前記低温運転モードで起動したか否かを判定する低温起動判定手段と、
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給し掃気する掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止指令を発する発電停止指令手段と、
を具備し、
前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により前記反応ガス流路を掃気する燃料電池システムの停止方法において、
前記低温起動判定手段が低温運転モードで起動したと判定し、前記掃気手段により掃気する場合、前記燃料電池の実際の温度が所定温度より高いとき、
前記燃料電池の実際の温度に対応して前記掃気ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。 - 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で発電する燃料電池と、
前記燃料電池の起動時の運転を、通常運転モード又は前記起動を促進させる低温運転モードで制御する運転制御手段と、
前記燃料電池が前記低温運転モードで起動したか否かを判定する低温起動判定手段と、
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給し掃気する掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止指令を発する発電停止指令手段と、
を具備し、
前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により前記反応ガス流路を掃気する燃料電池システムの停止方法において、
前記低温起動判定手段が低温運転モードで起動したと判定し、前記掃気手段により掃気する場合、前記燃料電池の実際の温度が所定温度以下であるとき、
乾燥した前記掃気ガスにより掃気することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
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