JP2008218242A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008218242A JP2008218242A JP2007054828A JP2007054828A JP2008218242A JP 2008218242 A JP2008218242 A JP 2008218242A JP 2007054828 A JP2007054828 A JP 2007054828A JP 2007054828 A JP2007054828 A JP 2007054828A JP 2008218242 A JP2008218242 A JP 2008218242A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- valve
- fuel cell
- gas
- opening
- cell system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
本発明は、燃料電池の掃気処理を実施する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that performs a scavenging process of a fuel cell.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード(燃料極)とカソード(空気極)とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。 An example of a fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell includes a stack configured by stacking a plurality of cells. The cell constituting the stack includes an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode), and a solid polymer electrolyte membrane having a sulfone sun group as an ion exchange group is provided between the anode and the cathode. Intervene.
アノードには燃料ガス(水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素)を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス(酸化剤ガス)、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。 A fuel gas containing a fuel gas (hydrogen gas or reformed hydrogen made by reforming hydrocarbons to be hydrogen rich) is supplied to the anode, and a gas containing oxygen as an oxidant (oxidant gas), for example, to the cathode. Air is supplied. By supplying the fuel gas to the anode, hydrogen contained in the fuel gas reacts with the catalyst of the catalyst layer constituting the anode, thereby generating hydrogen ions. The generated hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane and cause an electrical reaction with oxygen at the cathode. Power generation is performed by this electrochemical reaction.
ところで、固体高分子型燃料電池を動力源とする燃料電池システムにおいて、システムの運転を停止すると、燃料電池の温度が下がり、高温多湿の状態にあった燃料電池内部の水分が凝結して結露したり、凍結したりすることがある。このため、システムの運転を停止するに際して、燃料電池の反応ガス流路から水を排出するための掃気が行われている。 By the way, in a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell as a power source, when the operation of the system is stopped, the temperature of the fuel cell decreases, and moisture inside the fuel cell that has been in a hot and humid state condenses and dew condensation occurs. Or it may freeze. For this reason, when the operation of the system is stopped, scavenging is performed to discharge water from the reaction gas flow path of the fuel cell.
例えば、燃料電池スタックや空気排出系の流量調節弁、消音器に取り付けられた霧化器を作動して燃料電池スタックや空気排出系に残留する水を霧化するとともに、供給管および排出管が加湿器をバイパスするように、仕切り弁を開閉して、バイパス供給管およびバイパス排出管に切り替え、エアコンプレッサを駆動して、燃料電池スタックや流量調節弁および消音器内に残留する水を霧化させて排出させるとともに、燃料電池スタックや流量調節弁および消音器に残留する水を乾燥した空気によって掃気し、燃料電池スタックや空気排出系に残留する水が凍結するのを防止するようにしたものが提案されている(特許文献1参照)。
従来技術においては、掃気時に、バイパス供給管やバイパス排出管に設けられた仕切り弁を単に開弁または閉弁状態にしているため、掃気後にも仕切り弁内に水が残留して凍結する恐れがある。すなわち、仕切り弁には、シート部や弁部などによる凸凹が存在するため、掃気時に、単に仕切り弁を開弁または閉弁すると、仕切り弁内の水分が十分に除去されず、掃気後にも水が残留することがある。弁内に水分が残留したまま燃料電池を停止させると、氷点以下の温度となった場合に残留した水分が凍結し、開弁させることができなくなる場合がある。 In the prior art, at the time of scavenging, the gate valves provided in the bypass supply pipe and the bypass discharge pipe are simply opened or closed, so that water may remain in the gate valve even after scavenging and may freeze. is there. That is, since the gate valve has irregularities due to the seat portion, the valve portion, etc., when the gate valve is simply opened or closed during scavenging, the water in the gate valve is not sufficiently removed, and water is not removed after scavenging. May remain. If the fuel cell is stopped while moisture remains in the valve, the remaining moisture may freeze when the temperature becomes below the freezing point and cannot be opened.
そこで、本発明は、反応ガスが流通する流路に配置されたバルブに掃気後にも水が残留するのを防止することを目的とするものである。 In view of this, an object of the present invention is to prevent water from remaining after scavenging in a valve disposed in a flow path through which a reaction gas flows.
前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の掃気処理を実施可能に構成された燃料電池システムにおいて、該燃料電池システムの停止時に反応ガスが流通する流路に配置されたバルブを制御対象として、該制御対象のバルブを全閉状態にする場合に、該制御対象のバルブを、全開状態と全閉状態との間の中間開度に所定時間維持してから全閉状態とすることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is arranged in a flow path through which a reaction gas flows when the fuel cell system is stopped in a fuel cell system configured to be capable of performing a scavenging process of the fuel cell. If the valve to be controlled is to be fully closed, the valve to be controlled is maintained at an intermediate opening between the fully open state and the fully closed state for a predetermined time and then fully closed. It is characterized by being in a state.
係る構成によれば、燃料電池システムを停止時にバルブを制御対象として閉鎖させる場合、いきなり全閉状態にするのではなくて一旦、全開状態と全閉状態との間の中間開度に維持されてから全閉状態とされる。バルブの開度が全閉状態にある程度近づくと、バルブの開度と反応ガスの流量に応じて、バルブ中を通過する反応ガスの流速が上昇する。このため、バルブが中間開度に維持されると、流速が上昇した反応ガスによって物理的にバルブ内に残留している水分が除去される。よって、水分が除去された後に全閉状態とされるので、停止時の低温によって残留水分が凍結し、次回の開弁を妨げるような事態を抑制可能となる。すなわち、バルブ内の弁座(シート部)や弁体(弁部)などに凹凸が存在しても、掃気を行うための反応ガスが開弁状態にあるバルブの内部を通過する際に、バルブ内の弁座(シート部)や弁体(弁部)近辺の流速が上昇するので、バルブ内に残留する水を確実に外部に排出することができ、掃気後にもバルブの内部に水が残留したり、バルブ内の水が凍結したりするのを防止することができる。 According to such a configuration, when the valve is closed as a control target when the fuel cell system is stopped, the valve is not suddenly fully closed, but is temporarily maintained at an intermediate opening between the fully open state and the fully closed state. To the fully closed state. When the opening of the valve approaches a fully closed state to some extent, the flow rate of the reaction gas passing through the valve increases according to the opening of the valve and the flow rate of the reaction gas. For this reason, when the valve is maintained at the intermediate opening, the water physically remaining in the valve is removed by the reaction gas whose flow rate has been increased. Accordingly, since the fully closed state is obtained after the moisture is removed, it is possible to suppress a situation in which the residual moisture is frozen by the low temperature at the time of stop and prevents the next valve opening. In other words, even if the valve seat (seat part) or the valve body (valve part) in the valve is uneven, when the reaction gas for scavenging passes through the inside of the valve in the open state, the valve As the flow velocity in the vicinity of the valve seat (seat part) and valve body (valve part) increases, the water remaining in the valve can be reliably discharged to the outside, and water remains in the valve even after scavenging. Or the water in the valve can be prevented from freezing.
ここで、「中間開度」は、前記制御対象のバルブが配置された流路を流通する反応ガスが物理的に水分を除去可能な所定流速となるように設定されている。すなわち、反応ガスの流速が、反応ガスによるバルブ内の水分除去能力にほぼ相関しているからである。 Here, the “intermediate opening” is set so that the reaction gas flowing through the flow path in which the valve to be controlled is disposed has a predetermined flow rate at which moisture can be physically removed. That is, the flow rate of the reaction gas is substantially correlated with the water removal capability in the valve by the reaction gas.
ここで、「中間開度」は特定の開度ではなく、中間開度として適する幅(範囲)を有するものである。すなわち、バルブの開度を全閉状態に近づくと、縮小した開口部を反応ガスが流通しようとするため流速が上昇する傾向にあるが、開口面積も縮小するため、反応ガスの流路抵抗も上昇する。そのため開度が極端に全閉状態に近づけば、反応ガスの流速も再び減少していく。よって、「中間開度」として適する範囲は、一定の水分除去能力が認められる開度の範囲となる。 Here, the “intermediate opening” is not a specific opening but has a width (range) suitable as an intermediate opening. That is, when the opening of the valve approaches the fully closed state, the flow rate tends to increase because the reaction gas tends to flow through the reduced opening, but the opening area also decreases, so the flow resistance of the reaction gas also decreases. To rise. Therefore, when the opening degree is extremely close to the fully closed state, the flow rate of the reaction gas also decreases again. Therefore, a range suitable as the “intermediate opening” is a range of opening where a certain water removal capability is recognized.
このように「中間開度」は幅(範囲)があり、バルブの開度がこの中間開度の範囲に一定時間以上維持されていれば、本発明の作用効果を奏することになる。よって、バルブ開度をある中間開度に一定時間維持してから全閉状態に移行するといった段階的な制御をすることの他に、バルブ開度をこの中間開度の範囲内で一定時間かけて変化するような制御、すなわち中間開度の範囲で連続的にバルブを絞っていくような動的な処理をしてもよい。 As described above, the “intermediate opening” has a range (range), and the effects of the present invention can be obtained if the opening of the valve is maintained within the range of the intermediate opening for a certain period of time. Therefore, in addition to performing stepwise control such as maintaining the valve opening at a certain intermediate opening for a certain period of time and then shifting to the fully closed state, the valve opening is kept within this intermediate opening over a certain period of time. In other words, the control may be changed, that is, dynamic processing may be performed in which the valve is continuously throttled in the range of the intermediate opening.
例えば、反応ガスの所定流速は、前記制御対象のバルブが配置された流路を流通する反応ガスのガス流量と前記中間開度におけるバルブの開口面積とに基づいた演算で設定される。反応ガスの流速は、ガス流量とバルブ開口面積の関数になることが判っている。 For example, the predetermined flow rate of the reaction gas is set by calculation based on the gas flow rate of the reaction gas flowing through the flow path in which the valve to be controlled is disposed and the valve opening area at the intermediate opening. It has been found that the reaction gas flow rate is a function of the gas flow rate and the valve opening area.
また本発明において、燃料電池システムの温度を検出する温度検出部を備え、制御部は、検出された前記燃料電池システムの温度が所定値以下である場合に、記バルブの開度を前記中間開度に所定時間維持してから全閉状態とすることは好ましい。 In the present invention, a temperature detection unit for detecting the temperature of the fuel cell system is provided, and the control unit opens the valve opening when the detected temperature of the fuel cell system is equal to or lower than a predetermined value. It is preferable to maintain the fully closed state after maintaining for a predetermined time each time.
係る構成によれば、燃料電池の温度が所定の温度以下、例えば、0℃以下になったときにバルブの段階的閉鎖を適用することでバルブの凍結を防止できる。なお、「燃料電池システムの温度」は、例えば外気温であったり燃料電池の内部温度であったり流路の温度であったりする。 According to such a configuration, it is possible to prevent the valve from freezing by applying a gradual closing of the valve when the temperature of the fuel cell becomes a predetermined temperature or lower, for example, 0 ° C. or lower. The “temperature of the fuel cell system” is, for example, the outside air temperature, the internal temperature of the fuel cell, or the temperature of the flow path.
ここで、例えば、中間開度に維持する前記所定時間は、掃気処理の開始から終了までの時間に設定する。中間開度に維持する所定時間は、長ければ長い程、水分の完全除去が可能ではあるが、水分除去に長時間を要してしまう。この点、係る構成によれば、掃気処理時間は、燃料電池の含水量を低減させるための処理時間であり、バルブの水分除去と兼ねることに適する。また、掃気処理時は、高い駆動量で補機類を駆動し反応ガスの流量が増えることが期待できるので、バルブにおける水分除去量も増えることが期待できる。
本発明の燃料電池システムは、該燃料電池に供給されまたは該燃料電池から排出される反応ガスを流通させる流路と、該流路に配置され、該反応ガスの流通を制御するバルブと、該バルブの開度を制御する制御部と、を備え、該制御部は、該燃料電池の停止時に該バルブを全閉状態とする場合に、全開状態と全閉状態との間の中間開度に移行させ、次いで該中間開度から全閉状態へと、段階的に移行させることを特徴としている。
Here, for example, the predetermined time for maintaining the intermediate opening is set to the time from the start to the end of the scavenging process. The longer the predetermined time for maintaining the intermediate opening, the longer the moisture can be removed, but the longer it takes to remove the moisture. In this regard, according to this configuration, the scavenging treatment time is a treatment time for reducing the water content of the fuel cell, and is suitable for serving as a moisture removal for the valve. Further, during the scavenging process, it can be expected that the flow rate of the reaction gas is increased by driving the auxiliary equipment with a high driving amount, so that the water removal amount in the valve can also be increased.
The fuel cell system of the present invention includes a flow path for flowing a reaction gas supplied to or discharged from the fuel cell, a valve disposed in the flow path and controlling the flow of the reaction gas, A control unit that controls the opening of the valve, and the control unit sets an intermediate opening between the fully open state and the fully closed state when the valve is fully closed when the fuel cell is stopped. It is characterized by making a transition and then making a transition in stages from the intermediate opening to the fully closed state.
本発明によれば、燃料電池システムの停止時にバルブを中間開度に所定時間維持してから全閉状態とするので、停止時にバルブの内部に水が残留したり、バルブ内の水が凍結したりするのを防止できる。 According to the present invention, when the fuel cell system is stopped, the valve is maintained at the intermediate opening degree for a predetermined time and then fully closed, so that water remains inside the valve or water in the valve freezes at the time of stop. Can be prevented.
次に本発明の好適な実施の形態を説明する。
図1は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
図1において、燃料電池システム10は、燃料電池20に燃料ガス(水素ガス)を供給するための燃料ガス供給系統4と、燃料電池20に酸化ガス(空気)を供給するための酸化ガス供給系統7と、燃料電池20を冷却するための冷却液供給系統3と燃料電池20からの発電電力を充放電する電力系統9とを備えて構成されている。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied.
In FIG. 1, a
燃料電池20は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜21の両面にアノード極22とカソード極23をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体24を備えている。膜・電極接合体24の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ(図示せず)によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極22およびカソード極23との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル25およびカソードガスチャンネル26を形成している。アノード極22は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極23は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。
The
アノード極22では、次の(1)式の酸化反応が生じ、カソード極23では、次の(2)式の還元反応が生じる。燃料電池20全体としては、次の(3)式の起電反応が生じる。
H2→2H++2e-・・・(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O・・・(2)
H2+(1/2)O2→H2O・・・(3)
The
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
なお、図1では説明の便宜上、膜・電極接合体24、アノードガスチャンネル25およびカソードガスチャンネル26からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
In FIG. 1, for convenience of explanation, the structure of a unit cell composed of a membrane /
燃料電池システム10の冷却液供給系統3には、冷却液を循環させる冷却路31、燃料電池20から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ32、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)33、ラジエータ33へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ34、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ35、燃料電池20に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ36などが設けられている。
The
燃料電池システム10の燃料ガス供給系統4には、燃料ガス供給装置42からの燃料ガス(アノードガス)、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル25に供給するための燃料ガス流路40と、アノードガスチャンネル25から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路40に循環させるための循環流路(循環経路)51が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。
The fuel
燃料ガス流路40には、燃料ガス供給装置42からの燃料ガス流出を制御する遮断弁(元弁)43、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ44、循環経路51の燃料ガス圧力を調整する調整弁45、燃料電池20への燃料ガス供給を制御する遮断弁46が設置されている。
In the
燃料ガス供給装置42は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。循環流路51には、燃料電池20から循環流路51への燃料オフガス供給を制御する遮断弁52、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器53および排出弁54、アノードガスチャンネル25を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路40に還流させる水素ポンプ(循環ポンプ)55、燃料ガス流路40の燃料ガスが循環流路51側に逆流するのを防止する逆流阻止弁56が設置されている。水素ポンプ55をモータによって駆動することで、水素ポンプ55の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路40で燃料ガス供給装置42から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池20に供給されて再利用される。
The fuel
なお、水素ポンプ55には、水素ポンプ55の回転数を検出する回転数センサ57が設置されている。
The
また、循環流路51には、燃料電池20から排気された燃料オフガスを、希釈器(例えば水素濃度低減装置)62を介して車外に排気するための排気流路61が分岐して配管されている。排気流路61にはパージ弁63が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁63を開閉することで、燃料電池20内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路51の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。
Further, an
一方、燃料電池システム10の酸化ガス供給系統7には、カソードガスチャンネル26に酸化ガス(カソードガス)を供給するための酸化ガス流路71と、カソードガスチャンネル26から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路72が配管されている。酸化ガス流路71には、大気からエアを取り込むエアクリーナ74、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル26に送給するエアコンプレッサ75が設定されており、エアコンプレッサ75には、エアコンプレッサ75の回転数を検出する回転数センサ73が設置されている。酸化ガス流路71とカソードオフガス流路72との間には湿度交換を行う加湿器76が設けられている。カソードオフガス流路72には、カソードオフガス流路72の排気圧力を調整する調圧弁77、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器78、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー79が設けられている。気液分離器78から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器62に流れ込み、希釈器62内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー79にて吸音され、希釈器62により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。
On the other hand, the oxidizing
また、燃料電池システム10の電力系統9には、一次側にバッテリ91の出力端子が接続され、二次側に燃料電池20の出力端子が接続されたDC−DCコンバータ90、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ91、バッテリ91の充電状況を監視するバッテリコンピュータ92、燃料電池20の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ94に交流電力を供給するインバータ93、燃料電池システム10の各種高圧補機96に交流電力を供給するインバータ95、燃料電池20の出力電圧を測定する電圧センサ97、および出力電流を測定する電流センサ98が接続されている。
Further, the
DC−DCコンバータ90は、燃料電池20の余剰電力または車両走行用モータ94への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ91に供給して充電させる。また、車両走行用モータ94の要求電力に対する、燃料電池20の発電電力の不足分を補填するため、DC−DCコンバータ90は、バッテリ91からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。
The DC-
インバータ93および95は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ94および高圧補機96にそれぞれ出力する。車両走行用モータ94には、モータ94の回転数を検出する回転数センサ99が設置されている。モータ94は、ディファレンシャルを介して車輪100が機械的に結合されており、モータ94の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。
電圧センサ97および電流センサ98は、電力系統に重畳された交流信号に電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池20の含水量に対応している。
The
さらに、燃料電池システム10には、燃料電池12の発電を制御するための制御部80が設置されている。制御部80は、例えば、CPU(中央処理装置)、RAM、ROM、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ32、36、圧力センサ44、回転数センサ57、73、99からのセンサ信号や電圧センサ97、電流センサ98、イグニッションスイッチ82からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ55およびエアコンプレッサ75の回転数を調整し、さらに、各種の弁(バルブ)の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。
Further, the
また、制御部80は、当該燃料電池システム10の停止時に、反応ガスが流通する流路に配置されたバルブを制御対象として、制御対象のバルブを全閉状態にする場合に、制御対象のバルブを、全開状態と全閉状態との間の中間開度に所定時間維持してから全閉状態とする弁制御処理を実施する。
In addition, when the
具体的には、制御部80は、掃気条件が成立したときには、掃気処理を開始するに先立って、各バルブを全開状態と全閉状態との間の中間開度にするために、各バルブを全開状態から一定の開度に絞り、一定の開度を一定時間保持する。この間に、制御部80は、掃気駆動装置として、燃料ガスを燃料電池20に供給する燃料ガスポンプとしての水素ポンプ55と酸化ガスを燃料電池20に供給するコンプレッサとしてのエアコンプレッサ75の双方を選択し、選択したエアコンプレッサ75と水素ポンプ55を掃気駆動し、反応ガスが流通する流路と燃料電池20に対する掃気が終了したあと、各バルブを全閉状態までその開度を絞るための制御を実行するようになっている。特に本実施形態では、制御部80は、外気温を検出する温度センサ101の検出温度が0℃以下となったときに当該弁制御処理を実施するように構成されている。
Specifically, when the scavenging condition is established, the
ここで、上記反応ガスが流通する流路とは、本実施形態では、燃料ガスまたは酸化ガスが流通する経路であり、酸化ガス流路71、カソードオフガス流路72、燃料ガス流路40、循環流路51、排気流路61等の流路が相当する。
Here, the flow path through which the reaction gas flows is a path through which the fuel gas or the oxidizing gas flows in this embodiment, and the oxidizing
また、これら流路に配置されたバルブとは、本実施形態では、遮断弁(元弁)43、燃料電池入口遮断弁46、パージ弁63、燃料電池出口遮断弁52、調圧弁74が相当する。
Further, in the present embodiment, the valves arranged in these flow paths correspond to the shutoff valve (original valve) 43, the fuel cell
図2Aに示すように、遮断弁といわれるバルブは、制御部80によって通電が制御される電磁バルブ110で構成されている。電磁バルブ110は、ほぼ円筒状に形成されたハウジング112を備えている。ハウジング112内には、筒状のボビン114、ボビン114の外周側に巻き付けられたコイル116、ロッド118外周に固定されてボビン114内に摺動自在に配置された磁石120、磁石118に連結されたロッド120、ロッド118の軸方向上端部に巻き付けられたばね122が収納されており、ロッド118の軸方向下端部には弁体124が連結されている。弁体(弁部)124は、反応ガスが流通する流路126の弁口128と弁座(シート部)130に相対向して配置されている。
As shown in FIG. 2A, the valve called a shutoff valve is configured by an
本実施形態において、電磁バルブ110は、段階的に開度が変更され閉弁されるように制御される。具体的には、まず開弁時、図2Aに示すように、電磁バルブ110は、コイル116への通電により、弁124が弁座130から後退して、全開状態となる。
In the present embodiment, the
閉弁時、図2Bに示すように、電磁バルブ110は、全開状態から一定の中間開度にその開度を絞り込み、一定の開度を一定時間保持したあと、弁口128を閉塞して閉弁状態となる2段階の動作を行うようになっている。
When the valve is closed, as shown in FIG. 2B, the
通常の閉弁動作では、電磁バルブ110は、コイル116への通電によって、全開状態から全閉状態まで変化するときに、弁体124がストロークSだけ移動する。これに対して本実施形態の段階的な弁制御処理では、全開状態から一定の中間開度になったとき、例えば、図2Bに示すように、弁体124と弁座130との距離がLになったときに、一定の開度を一定時間保持し、その後、弁体124が弁座130と密着して弁口128を閉塞するという、2段動作を行うようになっている。この中間開度に相当する距離Lは、弁の開口面積や流路を流れる反応ガスの流量によって変化するが、例えば0.5〜1.0mmの僅かな距離となる。
In the normal valve closing operation, when the
電磁バルブ110における一定の開度は、電磁バルブ110の形状により、ある一定の流速以上で流路126内の水滴を吹き飛ばせる流速、例えば、流路126を流通する反応ガスが物理的に水分を除去可能な所定流速以上となるように設定されている。この所定流速は、例えば、流路126を流通する反応ガスのガス流量と、一定の開度における電磁バルブ110の開口面積とに基づいて演算で求められるようになっている。
The certain degree of opening of the
図3に反応ガスの流速Vと水分除去量Qとの関係を例示する。
図3は、反応ガスの流量が一定とした場合の流路126を流通する反応ガスの流速Vと水分除去量Qとの関係を示している。この関係曲線において、反応ガスの流速がしきい値Vth以上であるときに、流路126に存在する水分が物理的に移動を開始するものとし、その場合の単位時間当たりの水分除去量をQ1とする。
FIG. 3 illustrates the relationship between the flow rate V of the reaction gas and the water removal amount Q.
FIG. 3 shows the relationship between the flow rate V of the reaction gas flowing through the
図4に、流路126を流通する反応ガスの流速Vと電磁バルブ110のバルブ開度Dとの関係を示す。バルブ開度が小さくなる程僅かな開口面積に反応ガスの圧力が集中するため流速Vは早くなる傾向にあるが、一方で開口面積が狭いことによる流路抵抗が上昇する。このため、図4に示すように、バルブの開度を小さくしていくと、あるバルブ開度D2以下では反応ガスの流速がVth以上となるが、さらに開度を小さくしていくとある極点を境に流速が落ちだし、あるバブル開度D1以下になると流速がVth以下になってしまう。本発明の中間開度を、流速Vがしきい値Vth以上となるバルブ開度D1〜D2の範囲内に設定して、この中間開度の範囲に一定時間維持されるように制御すれば、バルブの水分除去が可能となることが判る。
FIG. 4 shows the relationship between the flow velocity V of the reaction gas flowing through the
次に、図5のフローチャートを参照して、制御部80によるバルブ制御処理を説明する。
図5に示すように、まず、制御部80は、ステップS1において、制御部80は、システムの停止に伴う処理を開始するに際して、温度センサ101の検出温度が0℃以下か否かを判定する。そして、0℃以下のときには(YES)、本発明の弁制御処理を実行するものと判断し、制御部80は、ステップS2に移行し、制御対象となる電磁バルブ110を選択する。選択される電磁バルブ(遮断弁・制御弁)は、掃気処理時に反応ガス(酸化ガス・燃料ガス・排気ガス)が流通する流路に配置されたバルブとする。
Next, the valve control processing by the
As shown in FIG. 5, first, in step S <b> 1, the
次いでステップ3に移行し、制御部80は、制御対象として選択されたバルブの開度を所定の中間開度にまで絞る。具体的には、制御対象の電磁バルブ110として、流路126に配置された電磁バルブ110(酸化ガス流路71、燃料ガス流路40、排気流路61を含む流路に配置されたバルブのいずれか)を選択した後、制御部80は、コイル116への通電を制御し、選択した電磁バルブ110の開度が、全開状態から一定の中間開度となるまで制御する。この中間開度は、図4で説明したように、反応ガスの流速が水分を除去可能な流速Vth以上となる範囲に設定される。
Next, the process proceeds to step 3, and the
一方、ステップS1において、外気温が0℃よりも高いときには、本発明の弁制御処理を適用しないものとして、制御部80は、ステップS4以降の掃気処理に移行する。
On the other hand, when the outside air temperature is higher than 0 ° C. in step S1, the
ステップS4において、制御部80は、掃気処理の準備をするために、掃気用補機を選択する。具体的には、制御部80は、掃気駆動装置(掃気用補機)として、エアコンプレッサ75および/または水素ポンプ55を選択する。
In step S4, the
次いでステップS5に移行し、制御部80は、掃気処理を開始する。具体的には、制御部80は、選択したエアコンプレッサ75および/または水素ポンプ55を駆動させ、燃料電池の電解質膜等に残留する水分を除去する掃気処理を実行する。
Next, the process proceeds to step S5, and the
具体的には、電磁バルブ110が一定の開度に保持されているときに、エアコンプレッサ75や水素ポンプ55が駆動されると、エアコンプレッサ75の駆動による酸化ガスが酸化ガス流路71を介して燃料電池20に送給され、また、水素ポンプ55の駆動に伴う燃料ガスが燃料ガス流路40を介して燃料電池20に送給される。そして、燃料電池20から蒸発した水分を含むガスがカソードオフガス流路72、気液分離器78、希釈器62あるいはマフラー79を介して外部に排出されるとともに、パージ弁63、希釈器62を介して外部に排出され、燃料電池20や酸化ガス流路71、燃料ガス流路40に対する掃気が行われる。
Specifically, when the
掃気処理の最中、反応ガスが流れる流路に設けられたバルブは、ステップS3において、その開度が中間開度に設定されているので、流量の大きな掃気処理において効果的に水分が除去される。 During the scavenging process, since the opening of the valve provided in the flow path through which the reaction gas flows is set to an intermediate opening in step S3, moisture is effectively removed in the scavenging process with a large flow rate. The
具体的には、流路126に配置された電磁バルブ110では、その開度が一定の中間開度に保持されているため、弁体124と弁座130近傍を通過する反応ガス(酸化ガス、燃料ガス)の流速が弁体124と弁座130近傍の領域で上昇し、弁体124や弁座130等に付着した水の排出が促進される。このため、弁体124や弁座130等に付着した水滴は、反応ガスによって吹き飛ばされた状態で外部に排出されることになる。
Specifically, since the opening degree of the
ステップS6において、制御部80は、予め設定された時間が経過して掃気処理が終了したか否かを判定する。掃気処理が終了していない場合には(NO)、制御部80は引き続きステップS5の掃気処理を係属する。
In step S6, the
一方、掃気処理が終了した場合には(YES)、ステップS7に移行し、制御部80は、一定開度に保持された電磁バルブ110に対して、閉弁状態までその開度を絞るための制御を実行し、電磁バルブ110が全閉状態になったことを条件に、このルーチンでの処理を終了する。このとき、外気温が0℃より高かった場合や、ステップS2で選択されなかったバルブがある場合でも、それらバルブが全閉状態にされる。停止処理に移るためである。
On the other hand, when the scavenging process is completed (YES), the process proceeds to step S7, and the
以上、本実施形態によれば、燃料電池20の停止時に、外気温が0℃以下になったことを条件に、電磁バルブ110を一定の開度に一定時間保持し、その間に、反応ガスを、流路126を介して燃料電池20に送給して燃料電池20内の水分を排出する掃気を行い、その後、電磁バルブ110を全閉状態にするようにしたため、掃気処理における多量の反応ガスを利用して、効果的にバルブの水分除去ができる。すなわち、電磁バルブ110内に、弁体124、弁座130などによる凹凸部が存在していても、反応ガスが開弁状態にある電磁バルブ110の内部を通過する際に、弁体124や弁座130近傍の流速が上昇するので、電磁バルブ110内に残留する水を確実に外部に排出することができ、掃気後にも電磁バルブ110の内部に水が残留したり、電磁バルブ110内の水が凍結したりするのを防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, when the
また、本実施形態においては、電磁バルブ110に関する一定の開度を、流路126を流通する反応ガスが物理的に水分を除去可能な所定流速Vth以上となる流速に対応付けて設定しているので、流路126や電磁バルブ110に付着した水分を確実に除去することができる。一方、流路126を流通する反応ガスのガス流量と一定の開度におけるバルブの開口面積とから所定流速Vthを求めるようにしているので、電磁バルブ110を一定の開度に保持することで、電磁バルブ110を通過する反応ガスの流速を、流路126や電磁バルブ110に付着した水分を物理的に除去可能な所定流速Vthとすることができる。
Further, in the present embodiment, a certain opening degree related to the
また、本実施形態においては、燃料電池20にて生成される水による影響を受ける電磁バルブ110に対して、外気温が0℃以下になったときに掃気を行うものについて述べたが、外気温が0℃以上のときでも、例えば、所定時間毎に、電磁バルブ110等に対する掃気を行うこともできる。
In the present embodiment, the
なお、上記実施形態では、掃気処理期間をバルブの中間開度維持時間に一致させていたが、これに限定されない。すなわち、バルブを閉弁処理する場合に、掃気処理とは無関係に本発明の段階的閉弁処理を実施することが可能である。 In the above-described embodiment, the scavenging process period is set to coincide with the intermediate opening degree maintaining time of the valve. However, the present invention is not limited to this. That is, when the valve is closed, the stepwise valve closing process of the present invention can be performed regardless of the scavenging process.
また、上記実施形態では、一旦バルブの開度をある中間開度に設定して一定時間の経過を待ったが、バルブの開度を連続的に変化させてもよい。すなわち、バルブ内の反応ガスの流速がVth以上となる中間開度の範囲にバルブの開度があれば水分が除去されるため、例えば一定の反応ガスの流量が維持されている間に一定時間を掛けてゆっくりバルブを絞っていくように制御してもバルブ内の水分除去が可能である。 Moreover, in the said embodiment, although the opening degree of the valve was once set to a certain intermediate opening degree and waited for progress of fixed time, you may change the opening degree of a valve continuously. That is, moisture is removed if there is an opening of the valve in an intermediate opening range where the flow rate of the reaction gas in the valve is equal to or higher than Vth. For example, for a certain period of time while a constant reaction gas flow rate is maintained. It is possible to remove moisture from the valve even if the valve is controlled to be throttled slowly by applying.
また、制御対象のバルブとしては、電磁バルブ110の他に、ステッピングモータの駆動によって流路126を開閉するステッピングモータ式バルブなどを用いることもできる。ステッピングモータ式バルブを用いた場合、制御部80からのパルスに応答してステッピングモータが駆動する毎に弁体が移動するので、電磁バルブ110を用いるときよりも、弁体の位置制御およびバルブの開度を一定の開度に保持する制御が容易となる。
In addition to the
10 燃料電池システム、20 燃料電池、40 燃料ガス流路、55 水素ポンプ、71 酸化ガス流路、75 エアコンプレッサ、80 制御部、101 温度センサ、110 電磁バルブ、124 弁体、126 流路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該燃料電池システムの停止時に、反応ガスが流通する流路に配置されたバルブを制御対象として、該制御対象のバルブを全閉状態にする場合に、
該制御対象のバルブを、全開状態と全閉状態との間の中間開度に所定時間維持してから全閉状態とすることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system configured to perform scavenging processing of a fuel cell,
When the fuel cell system is stopped, when a valve disposed in a flow path through which a reaction gas flows is set as a control target, and the control target valve is fully closed,
A fuel cell system, wherein the valve to be controlled is maintained in an intermediate opening between a fully open state and a fully closed state for a predetermined time and then is fully closed.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The intermediate opening is set so that the reaction gas flowing through the flow path in which the valve to be controlled is disposed has a predetermined flow rate at which moisture can be physically removed.
The fuel cell system according to claim 1.
前記制御対象のバルブが配置された流路を流通する反応ガスのガス流量と前記中間開度におけるバルブの開口面積とに基づいた演算で設定される、
請求項2に記載の燃料電池システム。 The predetermined flow rate is
It is set by calculation based on the gas flow rate of the reaction gas flowing through the flow path in which the valve to be controlled is disposed and the opening area of the valve at the intermediate opening,
The fuel cell system according to claim 2.
前記制御部は、検出された前記燃料電池システムの温度が所定値以下である場合に、
前記バルブの開度を前記中間開度に所定時間維持してから全閉状態とする、
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池システム。 A temperature detector for detecting the temperature of the fuel cell system;
When the detected temperature of the fuel cell system is a predetermined value or less,
The valve opening is maintained at the intermediate opening for a predetermined time before being fully closed.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
該燃料電池に供給されまたは該燃料電池から排出される反応ガスを流通させる流路と、
該流路に配置され、該反応ガスの流通を制御するバルブと、
該バルブの開度を制御する制御部と、を備え、
該制御部は、該燃料電池の停止時に該バルブを全閉状態とする場合に、全開状態と全閉状態との間の中間開度に移行させ、次いで該中間開度から全閉状態へと、段階的に移行させる制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
A flow path for flowing a reaction gas supplied to or discharged from the fuel cell;
A valve disposed in the flow path for controlling the flow of the reaction gas;
A control unit for controlling the opening of the valve,
When the valve is fully closed when the fuel cell is stopped, the controller shifts to an intermediate opening between the fully open state and the fully closed state, and then shifts from the intermediate opening to the fully closed state. , The control unit to shift in stages,
A fuel cell system comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007054828A JP2008218242A (en) | 2007-03-05 | 2007-03-05 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007054828A JP2008218242A (en) | 2007-03-05 | 2007-03-05 | Fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008218242A true JP2008218242A (en) | 2008-09-18 |
Family
ID=39838034
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007054828A Pending JP2008218242A (en) | 2007-03-05 | 2007-03-05 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008218242A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015117485A1 (en) | 2014-11-07 | 2016-05-12 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Residual water scavenging process in a fuel cell system and fuel cell system |
CN111608812A (en) * | 2020-05-29 | 2020-09-01 | 潍柴动力股份有限公司 | Vehicle control method |
US10879545B2 (en) | 2017-09-13 | 2020-12-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and abnormality diagnosis method for fuel cell system |
US11398635B2 (en) | 2020-03-31 | 2022-07-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Method of operating fuel cell system |
-
2007
- 2007-03-05 JP JP2007054828A patent/JP2008218242A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015117485A1 (en) | 2014-11-07 | 2016-05-12 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Residual water scavenging process in a fuel cell system and fuel cell system |
US10312532B2 (en) | 2014-11-07 | 2019-06-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Residual water scavenging processing method in fuel cell system and fuel cell system |
DE102015117485B4 (en) | 2014-11-07 | 2020-01-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Residual water flushing process in a fuel cell system and fuel cell system |
US10879545B2 (en) | 2017-09-13 | 2020-12-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and abnormality diagnosis method for fuel cell system |
US11398635B2 (en) | 2020-03-31 | 2022-07-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Method of operating fuel cell system |
CN111608812A (en) * | 2020-05-29 | 2020-09-01 | 潍柴动力股份有限公司 | Vehicle control method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4831417B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4947299B2 (en) | Fuel cell system and temperature control method thereof | |
JP4424419B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5435320B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM | |
JP4993293B2 (en) | Fuel cell system and moving body | |
WO2008050881A1 (en) | Fuel cell system | |
JP5125135B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2008103228A (en) | Fuel cell system | |
US20150380753A1 (en) | Method for stopping fuel cell system and fuel cell system | |
JP5256586B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007141779A (en) | Fuel cell system | |
JP2008218242A (en) | Fuel cell system | |
JP5058617B2 (en) | Fuel cell system and scavenging method thereof | |
JP2005321030A (en) | Fuel gas storage and supply apparatus | |
JP6258378B2 (en) | Control method of fuel cell system | |
JP2006086015A (en) | Fuel cell system | |
JP2014007097A (en) | Fuel cell system | |
JP2008171770A (en) | Fuel cell system | |
JP2008059933A (en) | Fuel cell system, and water amount estimation method | |
JP5151185B2 (en) | Fuel cell system and scavenging method thereof | |
JP2006179199A (en) | Fuel cell system | |
JP2005063801A (en) | Fuel cell system and movable body | |
JP4675605B2 (en) | Fuel cell oxidant supply device | |
JP2008004431A (en) | Fuel cell system | |
JP2008282616A (en) | Fuel cell system |