JP2008153071A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池110を備え、起動時に所定条件が成立した場合、燃料電池110の暖機を促進させるため低温起動する燃料電池システム1であって、燃料電池110の発電状態を検出する発電状態検出手段と、燃料電池110の発電状態と、燃料電池110に供給される燃料ガスの流量の切替基準である切替閾値とに基づいて、燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整手段と、を備え、低温起動した場合、燃料ガス流量調整手段は、燃料ガスの流量が増加するように、切替閾値を変更する。
【選択図】図1
Description
そこで、このようなガス不足を防止するために、要求発電量に対応して、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を制御する技術が提案されている(特許文献1参照)。
したがって、例えば、氷点下(0℃未満)等の低温環境下から燃料電池の発電を開始する場合、発電による自己発熱量を一時的に増加させて、燃料電池の暖機を促進させつつ起動させる技術が提案されている。このような起動は、低温起動と称され、特に氷点下から起動させる場合、氷点下起動と称される。
また、燃料ガス不足になると、電食(例えば電解質膜の電気分解)によって電解質膜が劣化する虞があるが、このように燃料ガス不足になりにくいので、電解質膜の劣化が防止され、電解質膜の寿命を延ばすことができる。
ここで、燃料電池から排出された排出燃料ガスの温度は、一般に、燃料電池の発電に伴う自己発熱によって、燃料ガス源からの燃料ガスよりも高い。よって、このような温度の高い排出燃料ガスと、燃料ガス源からの燃料ガスとをエゼクタで混合することにより、燃料電池に供給される燃料ガスの温度を高めることができる。そして、この温度が高くなった燃料ガスを燃料電池に供給することにより、燃料電池の温度低下を抑制することができる。ゆえに、燃料電池への燃料ガスの流量を増加させても、燃料ガスによる燃料電池の温度低下を防止することができる。
さらに、このようなエゼクタは、従来のエゼクタにニードルを追加することで容易に構成可能であると共に、他の流量調整弁等の機器を備える必要がないので、省スペース化を図ることもできる。
そして、燃料ガス流量調整手段が、推定された有効発電面積に基づいて切替閾値を補正する。詳細には、有効発電面積が小さい場合、燃料ガスの流量が増加するように切替閾値を小さい閾値に補正し、一方、有効発電面積が大きい場合、燃料ガスの流量が減少するように切替閾値を大きい閾値に補正する。したがって、推定された有効発電面積に対応して、燃料ガスを適切な流量で燃料電池に供給することができる。
以下、本発明の第1実施形態について、図1から図5を適宜参照して説明する。
図1に示す第1実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池110と、燃料電池110のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を供給及び排出するアノード系と、燃料電池110のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を供給及び排出するカソード系と、燃料電池110の出力端子(図示しない)に接続され、燃料電池110の発電電力を消費する電力消費系と、IG151(イグニッション)と、アクセルペダル152と、これらを電子制御するECU160(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を主に備えている。そして、運転者によるアクセルペダル152の踏み込み量に応じて燃料電池110が発電し、この発電電力によって走行モータ141が駆動することで、燃料電池自動車が走行するようになっている。
燃料電池110(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(固体高分子膜)の両面をアノード(燃料極)及びカソード(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、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素、空気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111(燃料ガス流路)、カソード流路112(酸化剤ガス流路)として機能している。
アノード系は、水素が貯蔵された水素タンク121(燃料ガス源)と、遮断弁122と、エゼクタ10と、圧力センサ123と、パージ弁124と、を主に備えている。
水素タンク121は、配管121a、遮断弁122、配管122a、エゼクタ10、配管10aを順に介して、アノード流路111の入口に接続されている。そして、遮断弁122がECU160によって開かれると、水素がアノード流路111に供給されるようになっている。また、配管122a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ようになっている。
パージ弁124は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このようにパージ弁が閉じている場合、アノード流路111から排出された未反応の水素を含むアノードオフガス(排出燃料ガス)が、配管124cを介して、エゼクタ10に戻され、再び、燃料電池110に供給、つまり、水素が循環するようになっている。
一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が増加した場合、つまり、循環する水素に同伴する不純物が増加した場合、ECU160によってパージ弁124は開かれ、アノードオフガスが、配管124bを介して、外部に排出されるようになっている。
次に、エゼクタ10について詳細に説明する。
エゼクタ10は、パージ弁124が閉じている状態において、水素タンク121からの水素を後記するノズル30で噴射することで負圧を発生させ、配管124c経由のアノードオフガスを吸引し、水素タンク121からの水素とアノードオフガスとを混合する機器である。
図1に戻って説明を続ける。
カソード系は、コンプレッサ131と、温度センサ132(燃料電池温度検出手段)と、を主に備えている。
コンプレッサ131は、配管131aを介して、カソード流路112の入口に接続されている。そして、ECU160の指令に従ってコンプレッサ131が作動すると、酸素を含む空気が、カソード流路112に圧送されるようになっている。なお、配管131aには加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池110に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
電力消費系は、燃料電池自動車を走行させる電動式の走行モータ141と、VCU142(Voltage Control Unit)と、出力検出器143とを主に備えており、走行モータ141は、VCU142、出力検出器143を順に介して、燃料電池110の出力端子(図示しない)に接続されている。
走行モータ141は、燃料電池自動車を走行させる電動モータである。
VCU142は、ECU160の指令に従って燃料電池110の出力(発電電力)を制御するユニットであり、DC−DCチョッパ等を備えている。すなわち、ECU160が発電要求に対応してVCU142を適宜に制御すれば、この発電要求に応じて燃料電池110から電流が取り出され、燃料電池110が発電するようになっている。
出力検出器143は、燃料電池110の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流計及び電圧計を備えており、電流計及び電圧計は適所に配置されている。そして、出力検出器143はECU160と接続されており、ECU160は燃料電池110の現在の出力電流及び出力電圧を検知するようになっている。
IG151は、燃料電池自動車及び燃料電池システム1の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG151はECU160と接続されており、ECU160はIG151のON/OFF信号を検知するようになっている。
ECU160は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。
そして、ECU160は、IG151のON信号を検知すると、遮断弁122を開き、コンプレッサ131を作動させ、VCU142を適宜に制御して燃料電池110の発電を開始するように構成されている。
さらに、ECU160(発電状態検出手段)は、出力検出器143で検出される燃料電池110の出力(電流、電圧)に基づいて、燃料電池110の発電状態である出力変化量(出力電流変化量(A/s)、出力電力変化量(kW/s)等)を検出する機能を備えている。
すなわち、第1実施形態において、燃料ガス流量調整手段は、噴射口調整機構を構成するノズル30、ニードル40及びソレノイド71等と、ECU160とを備えて構成されている。
次に、燃料電池システム1の動作を、図4を主に参照して、ECU160に設定されたプログラム(フローチャート)の流れと共に説明する。IG151がONされると、このON信号を検知したECU160は、各種処理を実行し、その結果として、図4に示すフローチャートがスタートする。
ステップS103において、ECU160は、燃料電池110に通常流量の水素及び空気を供給して、燃料電池システム1を通常に起動する。
続いて、ECU160の処理は、エンドに進み、システム起動時の制御を終了する。
ステップS105において、ECU160は、燃料電池システム1を低温起動する。
ここで、燃料電池システム1をどのような方法で低温起動するかについては限定されないが、低温起動する方法としては、例えば、(1)燃料電池110に通常起動時よりも多量の水素及び空気を供給すると共に、燃料電池110の出力電力が高まるようにVCU142を制御し、燃料電池110の自己発熱量を高める方法がある。その他、(2)燃料電池110の出力電力は通常起動時と同じ設定にした上で、燃料電池110に供給する水素及び空気を減少させることで、燃料電池110の自己発熱量を高める方法もある。
ここで、MEAの有効発電面積の推定方法は特に限定されないが、例えば、(1)発電要求に対応したアノードへの水素の制御圧力(図示しない減圧弁の二次側の制御圧力)と、圧力センサ123よる実際の圧力との圧力差に基づいて、要求発電量に従ってVCU142を制御し燃料電池110で水素を消費しているにも関わらず、圧力センサ123による実際の圧力が高く、圧力差が大きい場合、MEAに発電不可能な部分が存在すると推定する方法がある。
その他、(2)アクセルペダル152を踏み込んでいるにも関わらず、出力検出器143によって、アクセルペダル152の踏み込み量に対応した出力電流及び出力電圧(I−V特性)が検出されない場合、MEAに発電不可能な部分が存在すると推定する方法がある。
具体的には、推定された有効発電面積が、発電不可能部分が存在しない基準となる基準有効発電面積よりも小さい場合、実際の出力変化量(出力増加量)が小さくても、有効に発電可能なMEAに供給される水素の流量が増加するように、小さい切替閾値に変更する。一方、推定された有効発電面積が基準有効発電面積よりも大きい場合、有効に発電可能なMEAに供給される水素の流量が減少するように、大きい切替閾値に変更する。
このような第1実施形態に係る燃料電池システム1によれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)燃料電池システム1が低温起動を経験している場合、燃料電池110の出力変化量が小さくても、燃料電池110への水素の流量が増加するように、切替閾値を小さい閾値に変更するので、燃料電池110(有効に発電可能なMEA)における水素不足を防止しつつ、燃料電池110を良好に発電させることができる。そして、このように水素不足になりにくいので、電解質膜の劣化が防止され、その寿命を延ばすことができる。
(2)エゼクタ10は、ソレノイド71によってニードル40を進退させて噴射口32における噴射断面積を変更するという、制御応答性の高い噴射口調整機構を備えるので、水素の流量を瞬時に制御することができる。また、高温のアノードオフガス(排出燃料ガス)を循環させて、再び、燃料電池110に供給する構成を備えるので、アノードオフガスで燃料電池110を暖めることができる。
(3)加えて、切替閾値は、燃料電池110(MEA)の有効発電面積に基づいて補正するので、水素の流量を適切に切り替えて、燃料電池110に供給することができる。
このように、3段階で水素の噴射断面積を変化させることによって、水素タンク121からの水素の噴射流量を3段階で適切に制御することができ、その結果として、燃料電池110への水素の流量を適切に制御することができる。
例えば、燃料電池自動車の停車中に、燃料電池110のシステム温度T11を連続的又は断続的に記憶しておき、IG151のON時に低温起動判定温度T0以上であったとしても、低温起動判定温度T0未満を経験していた場合、低温起動する必要があると判定する構成としてもよい。
また、配管124c(循環流路)上に循環ポンプを備える燃料電池システムの場合、例えば、循環ポンプの回転速度を変化させることで、水素の流量を制御する構成であってもよい。
次に、本発明の第2実施形態について、図7及び図8を参照して説明する。
第2実施形態に係る燃料電池システムの機械的構成は、第1実施形態に係る燃料電池システム1と同じであるが、ECU160に設定されたプログラムが部分的に異なり、その動作が部分的に異なる。以下、第2実施形態に係る燃料電池システムの動作について、第1実施形態と異なる部分を説明する。
そして、ECU160の処理は、ステップS206に進む。また、第2実施形態では、ステップS103で燃料電池システム1を通常起動した後、ECU160の処理はステップS206に進む。
そして、ステップS209において、ECU160は、ステップS208で検出した現在のシステム温度T11が所定温度T2以上であるか否かを判定する。所定温度T2は、低温起動後であるものの、燃料電池110を構成するMEAに、凍結等によって、発電不可能な部分が存在する虞があるか否かの判定基準であると共に、後記する切替閾値の変更・補正を終了可能か否かの判定基準となる温度であり、燃料電池110の仕様等に依存し、事前試験により求められ、ECU160に記憶されている。このような所定温度T2は、ステップS102における低温起動判定温度T0よりも高く、例えば30℃に設定される。
一方、現在のシステム温度T11が所定温度T2以上でない場合(S209・No)、ECU160の処理は、ステップS210に進む。この場合は、低温起動によって燃料電池110の暖機が促進されているものの、MEA(燃料電池110)に発電不可能な部分が存在する虞がある場合である。
その後、ECU160の処理は、ステップS208に進む。
その後、ECU160の処理は、ステップS208に進む。
10 エゼクタ(燃料ガス流量調整手段)
30 ノズル(噴射口調整機構)
32 噴射口
40 ニードル(噴射口調整機構)
71 ソレノイド(噴射口調整機構)
72 圧縮コイルバネ(噴射口調整機構)
110 燃料電池
121 水素タンク(燃料ガス源)
121a、122a、10a 配管(燃料ガス供給流路)
123 圧力センサ
124 パージ弁
124c 配管(循環流路)
132 温度センサ(燃料電池温度検出手段)
141 走行モータ
152 アクセルペダル
160 ECU(発電状態検出手段、要求発電量検出手段、燃料ガス流量調整手段、有効発電面積推定手段)
T1 所定温度
T11 現在の燃料電池の温度
Claims (6)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池を備え、起動時に所定条件が成立した場合、前記燃料電池の暖機を促進させるため低温起動する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
前記燃料電池の発電状態と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量の切替基準である切替閾値とに基づいて、燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整手段と、
を備え、
低温起動した場合、前記燃料ガス流量調整手段は、燃料ガスの流量が増加するように、前記切替閾値を変更する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池を備え、起動時に所定条件が成立した場合、前記燃料電池の暖機を促進させるため低温起動する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に要求された要求発電量を検出する要求発電量検出手段と、
前記要求発電量と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量の切替基準である切替閾値とに基づいて、燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整手段と、
を備え、
低温起動した場合、前記燃料ガス流量調整手段は、燃料ガスの流量が増加するように、前記切替閾値を変更する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムは、移動体に搭載されるシステムであると共に、前記移動体は前記燃料電池の発電電力に基づいて移動し、
前記要求発電量は、前記移動体に対して要求された要求加速度に基づいて算出される
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、燃料ガス源から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路に戻すことによって、燃料ガスを循環させる循環流路と、
前記燃料ガス供給流路と前記循環流路との合流点に設けられると共に、前記燃料ガス源からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス源からの燃料ガスと前記循環流路からの排出燃料ガスとを混合するエゼクタと、
を備え、
前記エゼクタは、前記ノズルの噴射口における噴射断面積を調整する噴射口調整機構を備え、前記噴射口調整機構によって前記ノズルの噴射口における噴射断面積が調整されることで、前記燃料電池への燃料ガスの流量が調整される
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。 - 前記燃料電池の有効発電面積を推定する有効発電面積推定手段を、さらに備え、
前記燃料ガス流量調整手段は、推定された有効発電面積に基づいて、前記切替閾値を補正する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を、さらに備え、
前記燃料ガス流量調整手段は、前記燃料電池の温度が所定温度以上になるまで、前記切替閾値の変更を継続する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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