JP2008293756A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.
近年、水素(燃料ガス)がアノードに、酸素(酸化剤ガス)がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。 In recent years, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that generates electricity by generating an electrochemical reaction by supplying hydrogen (fuel gas) to the anode and oxygen (oxidant gas) to the cathode, etc. The development of fuel cells is thriving. Fuel cells are being applied in a wide range, such as fuel cell vehicles that run on the power generated by them, and household power supplies, and their application range is expected to expand in the future.
このような燃料電池を良好に発電させるには、アノード及びカソードにおける電極反応が良好に進むように、アノード等に含まれる触媒等に関係する好適発電温度(PEFCの場合、70〜80℃)に暖機することが好ましい。そこで、触媒燃焼器によって、水素及び空気を触媒燃焼させ、燃焼熱を発生し、この燃焼熱を利用して燃料電池を暖機する燃料電池システムが提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、水素と空気とを触媒燃焼させると、水蒸気が生成し、この水蒸気が触媒燃焼器に内蔵される触媒の表面に付着する場合がある。また、触媒燃焼器が、燃料電池から排出されたオフガスが流れるオフガス配管と接続されている場合、燃料電池において、発電により生成した水蒸気が、触媒燃焼器に浸入し、触媒表面に付着する虞がある。 However, when hydrogen and air are subjected to catalytic combustion, water vapor is generated, and this water vapor may adhere to the surface of the catalyst built in the catalytic combustor. In addition, when the catalytic combustor is connected to an offgas pipe through which offgas discharged from the fuel cell flows, there is a risk that water vapor generated by power generation may enter the catalytic combustor and adhere to the catalyst surface in the fuel cell. is there.
そして、このように触媒表面に、水分が付着したままで、次回システム起動時に、燃料電池を暖機するため、触媒燃焼器に水素及び空気を供給すると、付着した水分によって、水素及び空気と触媒との接触が阻害されて触媒燃焼しにくくなる。その結果、触媒燃焼の燃焼熱により、触媒の温度がその好適活性温度に昇温しにくくなり、触媒燃焼器が良好に作動可能な温度に到達するまでの時間が長くなる。また、このように触媒燃焼しにくいので、触媒燃焼器から排出される未燃焼の水素の量が増加してしまう。 In this way, when hydrogen and air are supplied to the catalytic combustor in order to warm up the fuel cell at the next system start-up with moisture remaining on the catalyst surface, the hydrogen and air and the catalyst are added to the catalyst combustor. The contact with the catalyst is hindered and it becomes difficult for the catalyst to burn. As a result, the combustion heat of catalytic combustion makes it difficult for the temperature of the catalyst to rise to its preferred activation temperature, and the time until the catalyst combustor reaches a temperature at which it can operate satisfactorily increases. Moreover, since it is difficult to perform catalytic combustion in this manner, the amount of unburned hydrogen discharged from the catalytic combustor increases.
そこで、本発明は、システム起動時に、燃料ガス及び酸化剤ガスを好適に触媒燃焼して、触媒温度を速やかに上昇させると共に、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスの排出を低減可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell capable of suitably performing catalytic combustion of fuel gas and oxidant gas at the time of system startup to quickly increase the catalyst temperature and reducing discharge of unburned fuel gas from the catalytic combustor. It is an object to provide a system and an operation method thereof.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、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と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、を備え、前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定手段を備え、前記暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気することを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, oxidant gas supply means for supplying oxidant gas, and via the fuel cell. A heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid, catalytic combustion of the fuel gas and the oxidant gas, heating the circulating heat exchange fluid, and scavenging the catalyst combustor with scavenging gas A catalytic combustor scavenging means, wherein the fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means, and when it is determined to warm up the fuel cell at the time of system startup, A fuel cell system in which a catalytic combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid, comprising: a warm-up completion determining unit that determines whether or not the fuel cell has been warmed-up; Completion size After it is determined by the means that the warm-up of the fuel cell is completed, the catalytic combustor scavenging means supplies scavenging gas to the catalytic combustor and scavenges the catalytic combustor. System.
ここで、触媒燃焼器を掃気するとは、触媒燃焼器に残留する水分(水蒸気、結露水等)を、触媒燃焼器の外部に押し出すことを意味する。そして、掃気ガスとは、このように触媒燃焼器を掃気するため、これに導入されるガスを意味する。
また、燃料電池及び触媒燃焼器は、酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されているとは、1つの酸化剤ガス供給手段から吐出される酸化剤ガスが、分岐して燃料電池と触媒燃焼器とに供給されるように、燃料電池及び触媒燃焼器が配置されていることを意味する。
Here, scavenging the catalytic combustor means pushing out moisture (water vapor, condensed water, etc.) remaining in the catalytic combustor to the outside of the catalytic combustor. And scavenging gas means the gas introduce | transduced into this in order to scavenge a catalyst combustor in this way.
In addition, the fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel to the oxidant gas supply means that the oxidant gas discharged from one oxidant gas supply means branches and the fuel cell and the catalyst. It means that the fuel cell and the catalytic combustor are arranged so as to be supplied to the combustor.
このような燃料電池システムによれば、暖機完了判定手段により燃料電池の暖機は完了したと判定された後、触媒燃焼器掃気手段が、圧縮によって高温となった掃気ガスを触媒燃焼器に供給し、触媒燃焼器を掃気するので、触媒燃焼器に残留する水分(水蒸気、結露水等)を外部に排出することができる。これにより、システム停止中に、触媒燃焼器内が凍結することは防止される。 According to such a fuel cell system, after it is determined that the warm-up of the fuel cell is completed by the warm-up completion determination unit, the catalytic combustor scavenging unit converts the scavenging gas whose temperature has been increased by compression into the catalytic combustor. Since the gas is supplied and scavenging the catalyst combustor, moisture (water vapor, condensed water, etc.) remaining in the catalyst combustor can be discharged to the outside. This prevents the inside of the catalytic combustor from being frozen during the system stop.
したがって、次回システム起動時において、燃料電池を暖機するため、触媒燃焼器に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、燃料ガス及び酸化剤ガスは、水分に阻害されることなく、触媒に接触することができる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスは触媒下で良好に触媒燃焼することができ、その結果、触媒の温度は速やかに上昇し、その好適活性温度に速やかに到達する。すなわち、触媒燃焼器がその好適作動温度に到達するまでの時間が長くなることはない。
また、燃料ガス及び酸化剤ガスが、触媒燃焼器で良好に触媒燃焼するので、触媒燃焼器から排出される未燃焼の燃料ガスを低減することができる。
Therefore, when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the catalytic combustor in order to warm up the fuel cell at the next system startup, the fuel gas and the oxidant gas are not blocked by moisture and are not blocked by the catalyst. Can touch. As a result, the fuel gas and the oxidant gas can be catalytically burned well under the catalyst, and as a result, the temperature of the catalyst rises rapidly and quickly reaches its preferred activation temperature. That is, the time until the catalytic combustor reaches its preferred operating temperature does not increase.
Further, since the fuel gas and the oxidant gas are favorably catalytically combusted in the catalytic combustor, unburned fuel gas discharged from the catalytic combustor can be reduced.
また、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記熱交換流体が前記触媒燃焼器を経由して循環している場合に、掃気することを特徴とする燃料電池システムである。 The catalytic combustor scavenging means scavenges when the heat exchange fluid circulates through the catalytic combustor.
このような燃料電池システムによれば、暖機完了後、発電する燃料電池の自己発熱によって暖められた冷媒が、触媒燃焼器を経由して循環している場合に、触媒燃焼器掃気手段が触媒燃焼器を掃気する。すなわち、暖かい冷媒によって触媒燃焼器を暖めながら、触媒燃焼器掃気手段からの掃気ガスによって触媒燃焼器を掃気するので、掃気ガスによる触媒燃焼器の掃気、つまり、その内部の乾燥を促進することができる。 According to such a fuel cell system, after the warm-up is completed, when the refrigerant heated by the self-heating of the fuel cell that generates electricity is circulated through the catalyst combustor, the catalytic combustor scavenging means is the catalyst. Scavenge the combustor. That is, the catalyst combustor is scavenged with scavenging gas from the catalyst combustor scavenging means while warming the catalyst combustor with warm refrigerant, so that scavenging of the catalyst combustor with scavenging gas, that is, drying of the inside thereof can be promoted. it can.
また、前記燃料電池から排出された熱交換流体の温度を検出する温度検出手段と、前記熱交換流体の温度に基づいて、冷媒が前記触媒燃焼器を経由するか否かを切り替える切替手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。 A temperature detecting means for detecting the temperature of the heat exchange fluid discharged from the fuel cell; and a switching means for switching whether or not the refrigerant passes through the catalytic combustor based on the temperature of the heat exchange fluid; A fuel cell system comprising:
このような燃料電池システムによれば、例えば、温度検出手段により検出された熱交換流体の温度が所定温度以上の場合、切替手段により冷媒が触媒燃焼器を経由するように構成し、一方、熱交換流体の温度が所定温度以上でない場合、切換手段により冷媒が触媒燃焼器を迂回するように構成することにより、所定温度以上の熱交換流体によって触媒燃焼器を暖めつつ、触媒燃焼器掃気手段からの掃気ガスによって触媒燃焼器を掃気することができる。 According to such a fuel cell system, for example, when the temperature of the heat exchange fluid detected by the temperature detection means is equal to or higher than a predetermined temperature, the switching means is configured so that the refrigerant passes through the catalyst combustor, When the temperature of the exchange fluid is not equal to or higher than the predetermined temperature, the switching means is configured so that the refrigerant bypasses the catalyst combustor, so that the catalyst combustor is warmed by the heat exchange fluid of the predetermined temperature or higher and the catalyst combustor scavenging means is used. The catalytic combustor can be scavenged with this scavenging gas.
また、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給時間が所定時間に到達した場合、前記触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システムである。 The catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined time. System.
このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給時間が所定積算供給時間に到達した場合、触媒燃焼器掃気手段による触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止する。すなわち、触媒燃焼器への掃気ガスの供給の停止判定を、触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給時間に基づいて行うため、例えば、触媒燃焼器への掃気ガスの供給(掃気)が中断されても、触媒燃焼器の掃気に必要であって、所定積算供給時間と関連付けられた掃気ガスの量を供給することができる。
そして、積算供給時間が所定積算供給時間に到達した場合、触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することで、触媒燃焼器掃気手段の消費エネルギ及びその作動音を抑えることができる。
According to such a fuel cell system, when the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches the predetermined cumulative supply time, the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor by the catalytic combustor scavenging means is stopped. That is, since the stop determination of the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor is performed based on the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor, for example, the supply (scavenging) of the scavenging gas to the catalytic combustor is interrupted. However, the amount of the scavenging gas necessary for scavenging the catalyst combustor and associated with the predetermined integrated supply time can be supplied.
When the integrated supply time reaches the predetermined integrated supply time, the supply of scavenging gas to the catalytic combustor is stopped, so that the energy consumption of the catalytic combustor scavenging means and its operating noise can be suppressed.
また、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給量が所定供給量に到達した場合、前記触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システムである。 Further, the catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the cumulative supply amount of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined supply amount. It is a battery system.
このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器への掃気ガスの供給の停止判定を、触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給量に基づいて行うため、例えば、触媒燃焼器への掃気ガスの供給(掃気)が中断されても、触媒燃焼器の掃気に必要な所定積算供給量の掃気ガスを供給することができる。そして、積算供給量が所定積算供給量に到達した場合、触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することで、触媒燃焼器掃気手段の消費エネルギを抑えることができる。 According to such a fuel cell system, since the stop determination of the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor is performed based on the integrated supply amount of the scavenging gas to the catalytic combustor, for example, the scavenging gas to the catalytic combustor Even if the supply (scavenging) is interrupted, a predetermined cumulative supply amount of scavenging gas necessary for scavenging of the catalytic combustor can be supplied. When the integrated supply amount reaches the predetermined integrated supply amount, the energy consumption of the catalytic combustor scavenging means can be suppressed by stopping the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor.
また、前記触媒燃焼器掃気手段は前記酸化剤ガス供給手段であって、前記掃気ガスは当該酸化剤ガス供給手段から吐出される酸化剤ガスであり、当該酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池における酸化剤ガスの消費量に対応して、前記燃料電池で酸化剤ガス不足とならないように、前記触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムである。 The catalytic combustor scavenging means is the oxidant gas supply means, the scavenging gas is an oxidant gas discharged from the oxidant gas supply means, and the oxidant gas supply means is the fuel cell. The fuel cell system is characterized in that the oxidant gas is supplied to the catalytic combustor so as not to run out of the oxidant gas in the fuel cell in accordance with the consumption amount of the oxidant gas.
このような燃料電池システムによれば、燃料電池における酸化剤ガスの消費量に対応して、燃料電池で酸化剤ガス不足とならないように、触媒燃焼器掃気手段である酸化剤ガス供給手段が、触媒燃焼器に掃気ガスとして酸化剤ガスを供給する。すなわち、燃料電池に対しての発電要求が小さく、燃料電池への酸化剤ガスの供給量に余裕がある場合、酸化剤ガス供給手段が触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給するので、燃料電池の発電性能(出力電力)を確保しつつ、触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給し、触媒燃焼器を掃気することができる。 According to such a fuel cell system, the oxidant gas supply means, which is a catalyst combustor scavenging means, corresponding to the oxidant gas consumption in the fuel cell, so as not to run out of oxidant gas in the fuel cell, An oxidant gas is supplied as a scavenging gas to the catalytic combustor. That is, when the power generation requirement for the fuel cell is small and the supply amount of the oxidant gas to the fuel cell is sufficient, the oxidant gas supply means supplies the oxidant gas to the catalytic combustor. While ensuring the power generation performance (output power), the oxidant gas can be supplied to the catalytic combustor to scavenge the catalytic combustor.
また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、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と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、を備え、前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段から前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気することを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。 Further, as means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell that generates power by being supplied with a fuel gas and an oxidant gas, an oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas, and the fuel cell. A heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid so as to pass through, a catalyst combustor for catalytically burning the fuel gas and the oxidant gas and heating the circulating heat exchange fluid, and the catalyst combustor by scavenging gas A catalyst combustor scavenging means for scavenging, wherein the fuel cell and the catalyst combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means, and it is determined that the fuel cell is warmed up when the system is started An operation method of a fuel cell system in which the catalyst combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid, and the catalyst combustor scavenging means is determined after the warm-up of the fuel cell is determined to be completed. The scavenging gas is supplied to the al the catalytic combustor, a method of operating a fuel cell system, characterized in that scavenging the catalytic combustor.
このような燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池の暖機は完了したと判定された後、触媒燃焼器掃気手段から、圧縮によって高温となった掃気ガスを触媒燃焼器に供給し、触媒燃焼器を掃気するので、触媒燃焼器に残留する水分(水蒸気、結露水等)を外部に排出することができる。これにより、システム停止中に、触媒燃焼器内が凍結することは防止される。 According to such an operation method of the fuel cell system, after it is determined that the warm-up of the fuel cell is completed, the scavenging gas that has become hot due to compression is supplied from the catalytic combustor scavenging means to the catalytic combustor, Since the catalytic combustor is scavenged, moisture (water vapor, condensed water, etc.) remaining in the catalytic combustor can be discharged to the outside. This prevents the inside of the catalytic combustor from being frozen during the system stop.
したがって、次回システム起動時において、燃料電池を暖機するため、触媒燃焼器に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、燃料ガス及び酸化剤ガスは、水分に阻害されることなく、触媒に接触することができる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスは触媒下で良好に触媒燃焼することができ、その結果、触媒の温度は速やかに上昇し、その好適活性温度に速やかに到達する。すなわち、触媒燃焼器がその好適作動温度に到達するまでの時間が長くなることはない。
また、燃料ガス及び酸化剤ガスが、触媒燃焼器で良好に触媒燃焼するので、触媒燃焼器から排出される未燃焼の燃料ガスを低減することができる。
Therefore, when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the catalytic combustor in order to warm up the fuel cell at the next system startup, the fuel gas and the oxidant gas are not blocked by moisture and are not blocked by the catalyst. Can touch. As a result, the fuel gas and the oxidant gas can be catalytically burned well under the catalyst, and as a result, the temperature of the catalyst rises rapidly and quickly reaches its preferred activation temperature. That is, the time until the catalytic combustor reaches its preferred operating temperature does not increase.
Further, since the fuel gas and the oxidant gas are favorably catalytically combusted in the catalytic combustor, unburned fuel gas discharged from the catalytic combustor can be reduced.
本発明によれば、システム起動時に、燃料ガス及び酸化剤ガスを好適に触媒燃焼して、触媒温度を速やかに上昇させると共に、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスの排出を低減可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。 According to the present invention, when the system is started, the fuel gas and the oxidant gas are preferably catalytically combusted to quickly increase the catalyst temperature and to reduce the discharge of unburned fuel gas from the catalytic combustor. A system and its operating method can be provided.
以下、本発明の一実施形態について、図1から図3を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す本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、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の発電電力を消費等する電力消費系と、燃料電池スタックを経由するように冷媒(熱交換流体)を循環させる冷媒循環系(熱交換流体循環手段)と、循環する冷媒を加熱する冷媒加熱系と、IG81(イグニッション)と、これらを電子制御するECU90(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a
<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。
<Fuel cell stack>
The
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)を含んでいる。
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路11(燃料ガス流路)、カソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。そして、アノード流路11を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路12を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCVOpen Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、OCVが所定OCV以上となった状態で、発電要求があり、後記するコンタクタ43がONされ、VCU42が制御され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
The anode and cathode are mainly composed of a conductive porous material such as carbon paper, and contain a catalyst (Pt, Ru, etc.) for causing an electrode reaction in the anode and cathode.
Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a channel 11 (fuel gas channel) and a cathode channel 12 (oxidant gas channel). Then, when hydrogen is supplied to each anode via the
また、本実施形態では、燃料電池スタック10と触媒燃焼器70とは、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段)に対して、並列で配置されている。そして、コンプレッサ31からの空気が、後記する背圧弁32及び空気導入弁63が適宜に開閉されることにより、燃料電池スタック10及び触媒燃焼器70に適宜に振り分けられるようになっている。
In the present embodiment, the
<アノード系>
アノード系は、水素タンク21と、遮断弁22と、エゼクタ23と、パージ弁24(排出弁)とを備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、エゼクタ23、配管23aを介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、ECU90からの指令によって遮断弁22が開かれると、水素が、水素タンク21から、遮断弁22等を経由して、アノード流路11に供給されるようになっている。
<Anode system>
The anode system includes a
The
アノード流路11の出口は、配管24a、パージ弁24、配管24bを介して、後記する希釈器33に接続されている。また、配管24aの途中は、配管24cを介してエゼクタ23に接続されている。
The outlet of the
パージ弁24は、ECU90によって制御される開閉弁であり、燃料電池スタック10の発電中は閉じられる設定となっている。これにより、アノード流路11から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管24cを介してエゼクタ23に戻されるようになっている。そして、戻された水素は、再びアノード流路11に供給され、水素が循環するようになっている。すなわち、燃料電池システム1は、水素を循環させる水素循環系を備えており、水素が効率的に利用されるようになっている。
The
一方、循環する水素に同伴する不純物(水蒸気、窒素等)が多くなり、燃料電池スタック10及び/又は単セルの出力が下がった場合、不純物を排出するため、パージ弁24は開かれ、アノードオフガスが希釈器33に供給されるようになっている。
On the other hand, when the impurities (water vapor, nitrogen, etc.) accompanying the circulating hydrogen increase and the output of the
<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段、触媒燃焼器掃気手段)と、背圧弁32と、希釈器33(希釈装置)と、サイレンサ34(消音器)と、水素センサ35(燃料ガス濃度検出手段)とを備えている。
コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路12の入口に接続されており、ECU90の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路12に供給するようになっている。また、配管31aには加湿器(図示しない)が設けられており、カソード流路12に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。
<Cathode system>
The cathode system includes a compressor 31 (oxidant gas supply means, catalytic combustor scavenging means), a
The
さらに、コンプレッサ31は、後記するポンプ53と、電動モータ等の動力源(図示しない)を共有、つまり、この動力源の駆動軸周りにコンプレッサ31及びポンプ53の羽根車がそれぞれ固定されており、コンプレッサ31及びポンプ53は同期するように設計されている。そして、このように動力源を共有しているので、システム構成が簡易となっている。
Further, the
カソード流路12の出口は、配管32a、背圧弁32、配管32bを介して、希釈器33に接続されており、燃料電池スタック10のカソードから排出されたカソードオフガスが希釈器33に供給されるようになっている。つまり、背圧弁32は、燃料電池スタック10の下流側に配置されており、また、例えばバラフライ弁から構成され、その開度を自由に変更可能となっている。そして、ECU90によって背圧弁32の開度が制御されることで、コンプレッサ31から燃料電池スタック10のカソード流路12(カソード)に供給される空気の圧力及び流量が、制御されるようになっている。
The outlet of the cathode channel 12 is connected to the
希釈器33は、パージ弁24が開かれることでアノード系から導入されるアノードオフガスと、カソード流路12から排出されたカソードオフガス(酸化剤ガス、希釈用ガス)とを混合し、アノードオフガス中の水素を希釈する機器であり、これらガスを混合し、水素を希釈するための希釈空間を備えている。そして、希釈器33で希釈された後のガスは、配管33a、サイレンサ34、配管34aを介して、車外(外部)に排出されるようになっている。なお、サイレンサ34は、カソード系を流れるガス中を伝達するコンプレッサ31の作動音を低減するものである。
The
水素センサ35は、水素濃度を検出するセンサであり、配管32b上であって、配管33aと後記する触媒燃焼器70から排出された排気ガスが流れる配管70cとの接続点よりも下流側に配置されている。すなわち、水素センサ35は、触媒燃焼器70の下流側に配置されている。
そして、水素センサ35は、配管33aを流れるガス中の水素濃度C11を検出するようになっている。また、水素センサ35はECU90と接続されており、ECU90は水素濃度C11を検知するようになっている。
The
The
<電力消費系>
電力消費系は、燃料電池スタック10の発電電力を消費等する系であって、燃料電池自動車の動力源となる走行モータ41と、VCU42(Voltage Control Unit)と、コンタクタ43とを備えている。VCU42は、燃料電池スタック10の出力電力(電流、電圧)を制御する機器であって、DC/DCチョッパ等を備えている。コンタクタ43は、燃料電池スタック10とVCU42及び走行モータ41との電気的接続をON/OFFするスイッチである。走行モータ41は、三相交流電流を発生させるPDU(Power Drive Unit、図示しない)、VCU42、コンタクタ43を順に介して、燃料電池スタック10の出力端子に接続されている。
<Power consumption system>
The power consumption system is a system that consumes the power generated by the
そして、ECU90がコンタクタ43をONした状態で、アクセルペダル82等からの発電要求に応じてVCU42を制御すると、燃料電池スタック10から電流が取り出され、燃料電池スタック10が発電し、走行モータ41が回転するようになっている。一方、コンタクタ43がOFFされている場合、燃料電池スタック10から電流が取り出されないので、燃料電池スタック10が発電することはない。
When the
その他、電力消費系は、蓄電装置や、DC/DCコンバータ等(いずれも図示しない)を備えている。蓄電装置は、燃料電池スタック10の余剰発電電力や、走行モータ41からの回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック10の発電電力が低い場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック10を補助するものである。DC/DCコンバータは、前記蓄電装置に充放電される電力を適宜に昇降圧するものである。
また、コンプレッサ31、ポンプ53、遮断弁22、パージ弁24等も電力消費系に含まれ、前記蓄電装置及び/又は燃料電池スタック10を電源として作動するようになっている。このため、アクセルペダル82等から発電要求がなくても、コンプレッサ31等の補機を作動する必要がある場合、これに応じて、ECU90は燃料電池スタック10を発電させるようになっている。
In addition, the power consumption system includes a power storage device, a DC / DC converter, and the like (both not shown). The power storage device accumulates surplus power generated by the
Further, the
<冷媒循環系>
冷媒循環系は、燃料電池スタック10の冷媒流路13を経由するように、エチレングリコール等の冷媒を循環させる系であって、ラジエータ51と、サーモスタット52と、ポンプ53と、三方弁54(切替手段)と、温度センサ55(温度検出手段)とを備えている。
<Refrigerant circulation system>
The refrigerant circulation system circulates a refrigerant such as ethylene glycol so as to pass through the
冷媒流路13の出口は、配管52a、サーモスタット52、配管52b、ポンプ53、配管53a、三方弁54、配管54aを介して、冷媒流路13の入口に接続されている。そして、ポンプ53がECU90の指令に従って作動すると、冷媒が循環するようになっている。
The outlet of the
三方弁54は、ECU90に制御され、配管53aと、配管54a又は後記する配管70aとを連通させることができ、循環する冷媒を触媒燃焼器70を経由させるか否かを切り替え可能となっている。なお、システム起動時において、触媒燃焼器70によって燃料電池スタック10を暖機する場合、冷媒が配管53a、70aを通って、冷媒が触媒燃焼器70に向かうように、三方弁54は制御される。
ただし、循環する冷媒の触媒燃焼器70の経由/迂回を切替可能であれば三方弁54に限定されず、例えば、配管54a、70aにそれぞれ開閉弁を設け、これらを適宜に開閉する構成としてもよい。
The three-
However, it is not limited to the three-
配管52aの途中は、配管51a、ラジエータ51、配管51bを介して、サーモスタット52に接続されている。サーモスタット52は、冷媒の温度が低い場合は閉じ、配管52aと配管52bとを連通させるように構成されている。一方、冷媒の温度が高くなると、サーモスタット52は開き、配管51bと配管52bとが連通し、高温の冷媒がラジエータ51で冷却されるようになっている。
The middle of the
温度センサ55は、冷媒流路13から排出された直後の冷媒の温度Twを検出するセンサであり、配管52aに設けられている。
なお、本実施形態では、冷媒の温度Twは、燃料電池スタック10の温度に等しいと仮定しており、温度Twは冷媒及び燃料電池スタック10の温度を示す。そして、温度センサ55はECU90と接続されており、ECU90は、温度センサ55からの検出信号によって、冷媒及び燃料電池スタック10の温度Twを検知するようになっている。
The
In the present embodiment, it is assumed that the temperature Tw of the refrigerant is equal to the temperature of the
<冷媒加熱系>
冷媒加熱系は、循環する冷媒を加熱する系であって、水素導入弁61と、水素供給手段62(例えばインジェクタ)と、空気導入弁63と、ミキサ64(混合器)と、触媒燃焼器70とを備えている。
<Refrigerant heating system>
The refrigerant heating system is a system for heating circulating refrigerant, and includes a
空気導入弁63の上流側は配管63aを介して配管31aに接続されており、空気導入弁63の下流側は配管63bを介してミキサ64に接続されている。そして、コンプレッサ31の作動中、空気導入弁63がECU90によって開かれると、酸素を含む空気(酸化剤ガス、掃気ガス)がミキサ64に導入されるようになっている。すなわち、触媒燃焼器70の掃気時には、空気導入弁63が開かれ、コンプレッサ31(触媒燃焼器掃気手段)から触媒燃焼器70に、空気(掃気ガス、酸化剤ガス)が導入されるようになっている。
The upstream side of the
水素導入弁61の上流側は配管61aを介して配管21aに接続されており、水素導入弁61の下流側は配管61bを介して水素供給手段62に接続されており、水素供給手段62は配管63bの途中に設けられている。そして、ECU90からの指令によって水素導入弁61が開かれ、水素供給手段62が適宜に制御されると、水素が水素供給手段62から配管63b内に吐出(供給)され、配管63bを通る空気と共に、ミキサ64に導入されるようになっている。
The upstream side of the
ミキサ64は、これに導入される水素及び空気を混合し、燃料混合ガスを生成する機器であり、その内部に混合空間を有している。したがって、ミキサ64は、水素及び空気を適切に混合するべく、水素等を拡散するためのリブ等の拡散手段を備えることが好ましい。そして、燃料混合ガスは、配管64aを介して触媒燃焼器70の触媒部71に供給されるようになっている。
The
触媒燃焼器70は、燃料混合ガスを触媒下で燃焼させ、その燃焼熱によって、冷媒を加熱する機器であり、触媒部71と熱交換部75とを備えている。
触媒部71は、触媒部本体72と、触媒部本体72を囲んだ円筒状のウォータジャケット73と、温度センサ74とを備えている。触媒部本体72は、コージエライト等から形成され、燃料混合ガスの通路となる複数の細孔を有するハニカム体と、前記細孔を取り囲む壁面に担持されたPt、Ru等の触媒と、を備えている。そして、燃料混合ガスが触媒部本体72に供給されると、水素及び酸素が触媒下で燃焼反応し、燃焼熱を帯びた高温の排気ガスを生成するようになっている。この高温の排気ガスは、熱交換部75に供給されるようになっている。
The
The
温度センサ74は、触媒部本体72から熱交換部75に向かう排気ガスの温度を、触媒部本体72の触媒の温度(触媒温度Ts)として検出するセンサである。また、温度センサ74はECU90と接続されており、ECU90は温度センサ74からの検出信号によって触媒温度Tsを検知するようになっている。
The
熱交換部75は、高温の排気ガスと、その内部を通流する冷媒との間で熱交換し、冷媒を加熱する部分である。冷媒は、三方弁54から配管70aを介して熱交換部75内に導入され、高温の排気ガスによって加熱された後、触媒部本体72に外側に配置されたウォータジャケット73内を通り、配管70bを介して、配管54aに送られるようになっている。
The
また、熱交換後の排気ガスは、配管70c(排気ガス管)を通って、配管33aに導入されるようになっている。よって、外部に排出されるガス中の未燃焼の水素濃度C11は、水素センサ35によって検出されるようになっている。
Further, the exhaust gas after the heat exchange is introduced into the pipe 33a through the
<その他機器>
IG61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、IG61はECU90と接続されており、ECU90はIG61のON/OFF信号を検知するようになっている。
<Other equipment>
The
アクセルペダル82(Accelerator Pedal:AP)は、運転者が走行要求に応じて踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル82は、その踏み込み程度に基づいた信号を、ECU90に送り、ECU90はアクセルペダル82の踏み込み量を検知すると共に、アクセルペダル82が踏まれている場合、燃料電池スタック10に対して、運転者から発電要求があると認識するようになっている。
An accelerator pedal 82 (Accelerator Pedal: AP) is a pedal that the driver steps on in response to a travel request, and is disposed at the foot of the driver's seat. Then, the
<ECU>
ECU90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おり、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行するようになっている。
<ECU>
The
ECU90は、遮断弁22、パージ弁24、コンプレッサ31及び背圧弁32を適宜に制御して、燃料電池スタック10に水素及び空気を供給し、そして、コンタクタ43及びVCU42を制御して、燃料電池スタック10を発電させる機能を備えている。
The
また、ECU90(暖機必要判定手段)は、燃料電池システム1の起動時に、燃料電池スタック10の温度Twと、暖機必要温度T1(例えば0℃)とに基づいて、触媒燃焼器70を使用して、燃料電池スタック10を暖機する必要があるか否か判定する機能を備えている。暖機必要温度T1は、燃料電池スタック10内が凍結している虞があると予測される温度であり、MEAの材質等に関係し、事前試験によって求められる。
The ECU 90 (warming-up necessity determining means) uses the
そして、ECU90は、燃料電池スタック10を暖機すると判定された場合、コンプレッサ31、水素導入弁61、水素供給手段62、空気導入弁63及びポンプ53等を制御し、触媒燃焼器70に水素及び空気を導入して、触媒燃焼により燃料熱を生成しつつ、この燃焼熱によって、循環する冷媒を介して燃料電池スタック10を暖機する機能を備えている。
When it is determined that the
さらに、ECU90は、燃料電池スタック10の暖機を開始した後、燃料電池スタック10の温度Twが、自己発電可能な温度(自己発電可能温度T2、例えば−10℃)以上であるか否かを判定する機能を備えている。
さらにまた、ECU90(暖機完了判定手段)は、燃料電池スタック10の発電を開始した後、自己発熱により温度上昇し、暖機が完了した温度(暖機完了温度T3、例えば30℃)以上であるか否かを判定する機能を備えている。
なお、自己発電可能温度T2、暖機完了温度T3は、MEAの材質等に関係し、事前試験により求められる。
Further, after starting the warm-up of the
Furthermore, the ECU 90 (warm-up completion determination means) starts the power generation of the
The self-power generation possible temperature T2 and the warm-up completion temperature T3 are related to the material of the MEA and the like and are obtained by a preliminary test.
また、ECU90は、燃料電池スタック10の暖機が完了した後、燃料電池スタック10から排出された直後の冷媒の温度Twが、冷媒が触媒燃焼器70を経由することが許可される温度(冷媒経由可能温度T4、所定温度、例えば70℃)以上であるか否かを判定する機能を備えている。そして、この判定結果に基づいて、ECU90は、三方弁54(切替手段)を制御し、冷媒の触媒燃焼器70の経由又は迂回を切り替える機能を備えている。
冷媒経由可能温度T4は、この温度以上の冷媒を触媒燃焼器70に供給すれば、暖かい冷媒によって、触媒燃焼器70の掃気が促進されると予測される温度であり、事前試験等によって求められる。
In addition, the
The refrigerant-passable temperature T4 is a temperature at which scavenging of the
さらに、ECU90は、アクセルペダル82等からの発電要求量と、発電要求量及び燃料電池スタック10に供給するべき空気流量(コンプレッサ31の回転速度)とが予め関連付けられたマップと、現在の空気流量(現在のコンプレッサ31の回転速度)と、に基づいて、コンプレッサ31から燃料電池スタック10に供給されている空気流量(FC空気流量)に余裕がある否かを判定する機能を備えている。
すなわち、ECU90は、発電要求に基づいて燃料電池スタック10で消費されるべき空気量(消費量)に基づく空気流量と、現在の空気流量とに基づいて、余裕があるか否かを判定する機能を備えている。そして、ECU90は、この判定結果に基づいて、空気導入弁63を開閉し、触媒燃焼器70を掃気する機能を備えている。
Further, the
That is, the
さらにまた、ECU90は、コンプレッサ31からの空気によって、触媒燃焼器70の掃気が完了したか否かを判定する機能を備えている。
Furthermore, the
≪燃料電池システムの動作及び運転方法≫
次に、燃料電池システム1の動作及び運転方法を、ECU90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。
なお、IG81がONされると、図2のフローチャートに示す処理がスタートする。また、IG81のON前(初期状態)において、コンプレッサ31及びポンプ53は停止している。遮断弁22、パージ弁24、背圧弁32、水素導入弁61及び空気導入弁63は閉じており、コンタクタ43はOFFされている。三方弁54は、配管53aと配管54aとが連通するポジション、つまり、冷媒が触媒燃焼器70を迂回するポジションとなっている。
≪Operation and operation method of fuel cell system≫
Next, the operation and operation method of the fuel cell system 1 will be described together with the flow of a program (flow chart) set in the
When the
<触媒燃焼器の使用判定>
ステップS101において、ECU90は、燃料電池スタック10の温度Tw及び暖機必要温度T1に基づいて、燃料電池システム1を起動するに際し、触媒燃焼器70を使用する必要があるか否か、つまり、触媒燃焼器70を使用して燃料電池スタック10を暖機する必要があるか否かを判定する。
<Use judgment of catalyst combustor>
In step S101, the
具体的には、燃料電池スタック10の温度Twが暖機必要温度T1未満である場合、燃料電池スタック10内が凍結している虞があるので、触媒燃焼器70を使用する必要があると判定し(S101・Yes)、ECU90の処理はステップS102に進む。
一方、燃料電池スタック10の温度Twが暖機必要温度T1未満でない場合、触媒燃焼器70を使用する必要はないと判定し(S101・No)、ECU90の処理はステップS114に進む。
Specifically, when the temperature Tw of the
On the other hand, when the temperature Tw of the
ステップS102において、ECU90は、触媒燃焼器70の運転を開始し、燃料電池スタック10を暖機する。
具体的には、ECU90は、空気導入弁63を開き、コンプレッサ31及びポンプ53を作動させる。これに並行して、ECU90は、水素導入弁61を開き、水素供給手段62を適宜に制御して、配管63b内に水素を吐出する。
これにより、水素及び空気がミキサ64に送られ、ミキサ64で好適に混合され、燃料混合ガスが生成し、この燃料混合ガスが触媒燃焼器70の触媒部本体72に供給される。
また、ECU90は、三方弁54を制御して、配管53aと配管70aとを連通させる。これにより、ポンプ53の作動によって循環する冷媒が、触媒燃焼器70を経由する。
In step S102, the
Specifically, the
As a result, hydrogen and air are sent to the
Further, the
そうすると、触媒部本体72では、燃料混合ガス中の水素及び酸素が触媒燃焼し、燃焼熱を生成すると共に、この燃焼熱を有する高温の排気ガスが生成する。そして、この燃焼熱により、触媒部本体72の触媒温度Tsが上昇し始める。
排気ガスは、熱交換部75において、冷媒と熱交換し、冷媒を加熱した後、配管70c、33a、サイレンサ34を通って外部に排出される。一方、加熱された冷媒は、ウォータジャケット73を通った後、配管70b、54aを介して、冷媒流路13に供給される。これにより、燃料電池スタック10の温度Twが上昇し始める。なお、触媒燃焼器70から外部に排出される排気ガスには、未燃焼の水素が含まれており、その水素濃度C11は、水素センサ35で検出されている。
Then, in the catalyst unit
The exhaust gas exchanges heat with the refrigerant in the
ステップS103において、ECU90は、燃料電池スタック10の温度Twが、自己発電可能な自己発電可能温度T2(例えば−10℃)以上であるか否かを判定する。
燃料電池スタック10の温度Twが自己発電可能温度T2以上であると判定された場合(S103・Yes)、ECU90の処理はステップS104に進む。一方、燃料電池スタック10の温度Twが自己発電可能温度T2以上でないと判定された場合(S103・No)、ECU90の処理は、ステップS103の判定を繰り返す。
In step S103, the
When it is determined that the temperature Tw of the
ステップS104において、ECU90は、触媒燃焼器70の運転を停止し、触媒燃焼器70による燃料電池スタック10の暖機を停止する。
具体的には、ECU90は、水素導入弁61及び空気導入弁63を閉じる。ただし、水素導入弁61を閉じた後、空気導入弁63は所定時間の間にて開いておき、コンプレッサ31から触媒燃焼器70に空気を送り込み、この空気によって、触媒燃焼器70に残留する水素を排出することが好ましい。
また、ECU90は、三方弁54を、配管53aと配管54aとが連通するポジションに制御する。これにより、循環する冷媒が、触媒燃焼器70を迂回する。
In step S104, the
Specifically, the
Further, the
ステップS105において、ECU90は、燃料電池スタック10内のガスを置換する。
具体的には、ECU90は、遮断弁22を開いた後、パージ弁24を適宜に開き、アノード流路11内を水素に置換する。これに並行して、ECU90は、背圧弁32を開き、カソード流路12内を空気に置換する。このような水素及び空気への置換は、電圧センサ(図示しない)を介して検出される燃料電池スタック10のOCVが、その発電を許可可能な所定OCVに高まるまで継続される。
In step S105, the
Specifically, after opening the shut-off
ステップS106において、ECU90は、燃料電池スタック10の発電を開始させる。
具体的には、ECU90は、コンタクタ43をONし、アクセルペダルや車内エアコンからの発電要求に対応して、VCU42を制御し、燃料電池スタック10から電流を取り出し、発電させる。このように燃料電池スタック10の発電を開始すると、発電に伴う自己発熱によって、燃料電池スタック10及び冷媒の温度Twが上昇し始める。
In step S106, the
Specifically, the
ステップS107において、ECU90は、燃料電池スタック10の温度Twが、暖機完了温度T3(例えば30℃)以上であるか否かを判定する。
燃料電池スタック10の温度Twが暖機完了温度T3以上であると判定された場合(S107・Yes)、ECU90の処理はステップS108に進む。一方、燃料電池スタック10の温度Twが暖機完了温度T3以上でないと判定された場合(S107・No)、ECU90の処理はステップS107の判定を繰り返す。
In step S107, the
When it is determined that the temperature Tw of the
ステップS108において、ECU90は、冷媒の温度Twが冷媒経由可能温度T4(例えば70℃)以上であるか否かを判定する。
冷媒の温度Twが冷媒経由可能温度T4以上であると判定された場合(S108・Yes)、ECU90の処理はステップS109に進む。一方、冷媒の温度Twが冷媒経由可能温度T4以上でないと判定された場合(S108・No)、ECU90の処理はステップS115に進む。
In step S108, the
When it is determined that the refrigerant temperature Tw is equal to or higher than the refrigerant passing temperature T4 (Yes in S108), the process of the
ステップS109において、ECU90は、循環する冷媒が触媒燃焼器70を経由するように、三方弁54を制御して、配管53aと配管70aとを連通させる。
In step S109, the
ステップS110において、ECU90は、アクセルペダル82等からの現在の発電要求量と、発電要求量と燃料電池スタック10に供給されるべき空気量とが予め関連付けられたマップと、燃料電池スタック10に供給されている現在の空気流量とに基づいて、燃料電池スタック10への空気流量に余裕があるか否かを判定する。
すなわち、例えば、燃料電池自動車がアイドル停止している場合(アイドル停止時)や、走行モータ41で回生電力が発生している場合(回生時)、パージ弁が開かれておらず、または、その直前に開かれておらず、コンプレッサ31からのガス(カソードオフガス)によって、パージされた水素の希釈が行われていない場合(パージ水素の希釈不要時)には、余裕があると判定される。なお、燃料電池スタック10への空気流量は、例えば、コンプレッサ31の回転速度や、配管31a又はコンプレッサ31の上流に設けられた流量センサ(図示しない)に基づいて、推定又は検出される。
In step S110, the
That is, for example, when the fuel cell vehicle is idlingly stopped (when idling is stopped), or when regenerative power is generated by the traveling motor 41 (when regenerating), the purge valve is not opened, or If the purged hydrogen is not diluted with the gas (cathode off-gas) from the compressor 31 (ie, when the purge hydrogen is not diluted), it is determined that there is a margin. The air flow rate to the
そして、燃料電池スタック10への空気流量に余裕があると判定された場合(S110・Yes)、ECU90の処理はステップS111に進む。一方、燃料電池スタック10への空気流量に余裕がないと判定された場合(S110・No)、ECU90の処理はステップS116に進む。
If it is determined that there is a margin in the air flow rate to the fuel cell stack 10 (S110 / Yes), the processing of the
ステップS111において、ECU90は、空気導入弁63を開く、又は、開いた状態を継続する。これにより、コンプレッサ31(触媒燃焼器掃気手段)からの高温の圧縮空気が、触媒燃焼器70に供給される。そうすると、高温の空気によって、触媒部本体72内の水分(水蒸気、結露水等)が押し出され、触媒燃焼器70の掃気が進む。
このとき、冷媒経由可能温度T4以上の暖かい冷媒が、ウォータジャケット73内を通流しているので、この高温の冷媒によっても、触媒部本体72及び通流する空気が暖められ、触媒燃焼器70の掃気が進む。
In step S111, the
At this time, since a warm refrigerant having a temperature that can be passed through the refrigerant T4 or higher is flowing through the
ステップS112において、ECU90は、触媒燃焼器70の掃気が完了したか否かを判定する。
掃気完了の判定方法として、コンプレッサ31からの空気が触媒燃焼器70を通流した時間の積算時間(積算掃気時間)が、掃気完了時間以上である場合、掃気が完了した判定することができる。積算掃気時間は、空気導入弁63の開時間であり、ECU90に内蔵されるクロックを利用して求められる。また、掃気完了時間は、触媒燃焼器70内の掃気が完了したとされる積算時間であり、事前試験等によって求められる。
In step S112, the
As a scavenging completion determination method, when the integrated time (integrated scavenging time) of the time when the air from the
また、掃気完了の判定方法として、触媒燃焼器70を通流した空気の積算量(積算掃気空気量)が、掃気完了空気量以上である場合、掃気が完了したと判定することができる。積算掃気空気量は、例えば、コンプレッサ31の吐出量(L/min)と、配管63aに向かう空気の分配率と、空気導入弁63の開時間とに基づいて求められる。その他、配管63a等に設けた流量センサ(図示しない)による空気流量と、空気導入弁63の開時間とに基づいて求められる。また、掃気完了空気量は、触媒燃焼器70内の掃気が完了したとされる空気の積算量であり、事前試験等によって求められる。
As a scavenging completion determination method, when the integrated amount of air flowing through the catalytic combustor 70 (integrated scavenging air amount) is equal to or greater than the scavenging completion air amount, it can be determined that scavenging has been completed. The integrated scavenging air amount is obtained based on, for example, the discharge amount (L / min) of the
そして、掃気は完了したと判定された場合(S112・Yes)、ECU90の処理はステップS113に進む。ここで、配管70cに開閉弁(図示しない)を設け、このように掃気が完了したと判定された後、外部から多湿の空気が触媒燃焼器70に流入することを防止するべく、前記開閉弁を閉じる構成としてもよい。
一方、掃気は完了していないと判定された場合(S112・No)、ECU90の処理は、ステップS108に進む。
If it is determined that scavenging has been completed (S112 / Yes), the processing of the
On the other hand, when it is determined that scavenging has not been completed (No at S112), the process of the
ステップS113において、触媒燃焼器70の掃気は完了したので、ECU90は、配管53aと配管54aとが連通するように三方弁54を制御する。これにより、冷媒が触媒燃焼器70を迂回する。また、ECU90は、空気導入弁63を閉じる。
In step S113, since the scavenging of the
ステップS114において、ECU90は、燃料電池システム1を通常の発電制御で動作させる。すなわち、ECU90は、アクセルペダル82等からの発電要求に応じて、VCU42を制御し、燃料電池スタック10を発電させる。
In step S114, the
次に、ステップS108がNoの場合に進むステップS115を説明する。
ステップS115において、ECU90は、循環する冷媒が触媒燃焼器70を迂回するように、三方弁54を制御して、配管53aと配管54aとを連通させる。これにより、低温の冷媒が触媒燃焼器70に供給されないので、触媒燃焼器70内において、水蒸気は結露等しにくくなる。
Next, step S115 that proceeds when step S108 is No will be described.
In step S115, the
次に、ステップS115の後、及び、ステップS110がNoとなった場合に進むステップS116を説明する。
ステップS116において、ECU90は、空気導入弁63を閉じる、又は閉じた状態を継続する。これにより、触媒燃焼器70には空気が供給されない。
その後、ECU90の処理は、ステップS108に進む。
Next, step S116 that is performed after step S115 and when step S110 is No will be described.
In step S116, the
Thereafter, the processing of the
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム1によれば、以下の効果を得ることができる。
燃料電池スタック10の暖機が完了した後(S107・Yes)、高温の圧縮空気と、高温の冷媒とを利用して、触媒燃焼器70を掃気することができ、触媒部本体72内の水分を低減することができる。これにより、次回システム起動時において、燃料電池スタック10を暖機するため、触媒燃焼器70に水素及び空気を供給した場合、水素及び空気は、水分に阻害されることなく、触媒に接触することができる。
≪Effect of fuel cell system≫
According to such a fuel cell system 1, the following effects can be obtained.
After the warm-up of the
これにより、水素及び空気は触媒下で良好に触媒燃焼することができ、その燃焼熱により、触媒温度Tsが速やかに上昇する。その結果、触媒温度Tsが、安定して触媒燃焼することが可能な準備完了温度T5(触媒の好適活性温度)に速やかに到達する(図3(a)参照)。
そして、このように触媒温度Tsが速やかに準備完了温度T5に到達するので、水素及び空気が触媒下で良好に触媒燃焼することができ、触媒燃焼器70から排出される未燃焼の水素を低減することができる。よって、車外に排出されるガス中の水素濃度C11が、外部に排出可能な上限水素濃度C2以上になることを防止できる(図3(b)参照)。
As a result, hydrogen and air can be catalytically burned well under the catalyst, and the catalyst temperature Ts rises rapidly due to the heat of combustion. As a result, the catalyst temperature Ts quickly reaches the preparation completion temperature T5 (preferred catalyst activation temperature) at which stable catalytic combustion is possible (see FIG. 3A).
Since the catalyst temperature Ts quickly reaches the preparation completion temperature T5 in this way, hydrogen and air can be favorably catalytically burned under the catalyst, and unburned hydrogen discharged from the
また、高温の圧縮空気による触媒燃焼器70の掃気は、冷媒の温度Twが掃気を促進可能な冷媒経由可能温度T4以上の冷媒が触媒燃焼器70を経由している場合に実行するので、触媒燃焼器70内の乾燥を促進することができる。
Further, scavenging of the
さらに、触媒燃焼器70の掃気は、燃料電池スタック10に供給される空気流量に余裕がある場合のみに実行されるので、燃料電池スタック10で空気不足になることは防止される。すなわち、アクセルペダル82等からの発電要求に対応して、燃料電池スタック10が発電不能となることは防止される。
Further, since the scavenging of the
さらにまた、触媒燃焼器70の掃気が完了したか否かは、触媒燃焼器70への空気の積算供給時間、又は、積算供給量に基づいて、適切に判定することができる。これにより、コンプレッサ31からの空気を有効利用できる。
Furthermore, whether or not scavenging of the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, For example, it can change as follows in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
前記した実施形態では、燃料電池スタック10の温度を検出する温度センサが、冷媒の温度Twを検出する温度センサ55である場合を例示したが、温度センサ55とは別に、燃料電池スタック10の温度の検出用の温度センサを、アノードオフガス、カソードオフガスが流れる配管24a、32aに設けてもよいし、燃料電池スタック10に直接設けてもよい。また、複数の温度センサを設けて、誤検出を防止するようにしてもよい。
In the above embodiment, the case where the temperature sensor that detects the temperature of the
前記した実施形態では、コンプレッサ31が、カソード流路12に空気(酸化剤ガス)を供給する酸化剤ガス供給手段であると共に、その掃気時に、触媒燃焼器70に掃気ガスとしての空気を供給する触媒燃焼器掃気手段である構成を例示したが、コンプレッサ31が両手段を兼ねる必要はない。すなわち、コンプレッサ31とは別に、触媒燃焼器70の掃気用のコンプレッサを備える構成としてもよい。
このような構成とした場合、燃料電池スタック10に供給される空気の流量に余裕があるか否かに関わらず、前記別に備えたコンプレッサを作動させて、触媒燃焼器70を掃気することができる。
In the above-described embodiment, the
In such a configuration, the
前記した実施形態では、燃料電池システム1が配管24c等によって構成される水素循環系を備える場合を例示したが、水素循環系を備えない燃料電池システムに本発明を適用してもよい。また、希釈器33を備えない燃料電池システム1に適用してもよい。
In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 includes the hydrogen circulation system configured by the
前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been illustrated. However, for example, a fuel cell system mounted on a motorcycle, a train, or a ship may be used. Further, the present invention may be applied to a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system.
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
11 アノード流路(燃料ガス流路)
12 カソード流路(酸化剤ガス流路)
13 冷媒流路
31 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段、触媒燃焼器掃気手段)
53 ポンプ(熱交換流体循環手段)
54 三方弁(切替手段)
55 温度センサ(温度検出手段)
63 空気導入弁
70 触媒燃焼器
71 触媒部
72 触媒部本体
73 ウォータジャケット
74 温度センサ(触媒温度検出手段)
75 熱交換部
90 ECU(暖機完了判定手段)
T1 暖機必要温度
T2 自己発電可能温度
T3 暖機完了温度
T4 冷媒経由可能温度
Ts 触媒温度
Tw 燃料電池スタック・冷媒の温度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
12 Cathode channel (oxidant gas channel)
13
53 Pump (heat exchange fluid circulation means)
54 Three-way valve (switching means)
55 Temperature sensor (temperature detection means)
63
75
T1 Warm-up required temperature T2 Self-power generation possible temperature T3 Warm-up completion temperature T4 Refrigerable temperature Ts Catalyst temperature Tw Fuel cell stack / refrigerant temperature
Claims (7)
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、
を備え、
前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、
システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定手段を備え、
前記暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気する
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by being supplied with fuel gas and oxidant gas;
Oxidant gas supply means for supplying oxidant gas;
Heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid so as to pass through the fuel cell;
A catalytic combustor for catalytically burning a fuel gas and an oxidant gas and heating a circulating heat exchange fluid;
Catalytic combustor scavenging means for scavenging the catalytic combustor with scavenging gas;
With
The fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means,
A fuel cell system in which the catalytic combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid when it is determined to warm up the fuel cell at the time of system startup;
Comprising a warm-up completion determination means for determining whether or not the fuel cell has been warmed-up,
After the warm-up completion determining means determines that the fuel cell has been warmed up, the catalytic combustor scavenging means supplies scavenging gas to the catalytic combustor to scavenge the catalytic combustor. A fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the catalytic combustor scavenging means scavenges when the heat exchange fluid circulates through the catalytic combustor.
前記熱交換流体の温度に基づいて、冷媒が前記触媒燃焼器を経由するか否かを切り替える切替手段と、を備えた
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。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the heat exchange fluid discharged from the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a switching unit that switches whether or not the refrigerant passes through the catalytic combustor based on the temperature of the heat exchange fluid.
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。 The catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined time. The fuel cell system according to claim 3.
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。 The catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the integrated supply amount of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined supply amount. The fuel cell system according to claim 3.
当該酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池における酸化剤ガスの消費量に対応して、前記燃料電池で酸化剤ガス不足とならないように、前記触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給する
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。 The catalytic combustor scavenging means is the oxidant gas supply means, and the scavenging gas is an oxidant gas discharged from the oxidant gas supply means,
The oxidant gas supply means supplies the oxidant gas to the catalytic combustor so as not to run out of the oxidant gas in the fuel cell, corresponding to the consumption amount of the oxidant gas in the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、
を備え、
前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、
システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段から前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A fuel cell that generates electricity by being supplied with fuel gas and oxidant gas;
Oxidant gas supply means for supplying oxidant gas;
Heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid so as to pass through the fuel cell;
A catalytic combustor for catalytically burning a fuel gas and an oxidant gas and heating a circulating heat exchange fluid;
Catalytic combustor scavenging means for scavenging the catalytic combustor with scavenging gas;
With
The fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means,
A fuel cell system operating method in which the catalyst combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid when it is determined to warm up the fuel cell at the time of system startup,
After it is determined that the warm-up of the fuel cell is completed, scavenging gas is supplied from the catalytic combustor scavenging means to the catalytic combustor, and the catalytic combustor is scavenged. Method.
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