JP2009117226A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に対する燃料ガスの供給を遮断する第1遮断弁及び第2遮断弁に対してそれぞれ閉弁指令が送給された後に、前記第1遮断弁の前後の圧力差を回復することが可能な燃料電池システムに関する。 The present invention recovers the pressure difference before and after the first shut-off valve after a closing command is sent to each of the first shut-off valve and the second shut-off valve that shut off the supply of fuel gas to the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system capable of
例えば、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この電解質膜の両側にアノード及びカソードを対極した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単セル(燃料電池)を備え、前記単セルが複数積層されることにより燃料電池スタックが構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. An electrolyte membrane / electrode structure having an anode and a cathode as opposite electrodes on both sides of the electrolyte membrane includes a single cell (fuel cell) sandwiched between separators, and a plurality of the single cells are stacked to form a fuel cell stack. ing.
ところで、前記燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいては、燃料ガス供給用タンク(例えば、水素タンク)と燃料電池との間の燃料ガス供給流路中に燃料ガスの流通を遮断するための遮断弁が配設される。 By the way, in the fuel cell system including the fuel cell stack, a shutoff valve for shutting off the flow of the fuel gas in the fuel gas supply channel between the fuel gas supply tank (for example, a hydrogen tank) and the fuel cell. Is disposed.
この場合、前記電解質膜・電極構造体を保護する等の観点から、燃料電池システムの停止時に前記遮断弁に対して閉弁指令が送給されたにも拘わらず前記遮断弁が開弁したまま状態に保持されること、すなわち、何らかの原因によって遮断弁の弁がバルブシートから離間して開弁したままの状態に維持されること(開故障)を検出することが必要となる。 In this case, from the viewpoint of protecting the electrolyte membrane / electrode structure, the shut-off valve remains open despite the closing command being sent to the shut-off valve when the fuel cell system is stopped. It is necessary to detect that the valve is held in a state, that is, that the valve of the shut-off valve is kept away from the valve seat for some reason (open failure).
すなわち、遮断弁の開故障状態が継続した場合、燃料電池システムの停止時においては、一方の酸化剤ガス流路が大気開放状態となってカソード側の圧力が低下しているのに対し、他方のアノード側には燃料ガスの圧力が付与されたままの状態となって前記電解質膜・電極構造体を保護することが困難となり、終局的に燃料電池の劣化を招来するという不具合がある。 That is, when the open failure state of the shut-off valve continues, when the fuel cell system is stopped, one of the oxidant gas passages is open to the atmosphere and the pressure on the cathode side is reduced, while the other On the anode side, the pressure of the fuel gas remains applied, making it difficult to protect the electrolyte membrane / electrode structure, which ultimately causes deterioration of the fuel cell.
そこで、本出願人は、例えば、特許文献1に示されるように、遮断弁の開故障を確実に検出することができると共に、前記遮断弁に開故障が発生した場合であっても代替遮断弁を作動させることによって、燃料電池の劣化を抑制することが可能な燃料電池システムを提案している。
本発明は、前記提案に関連してなされたものであり、その一般的な目的は、燃料電池に対する燃料ガスの供給を遮断する第1遮断弁及び第2遮断弁に対してそれぞれ閉弁指令が送給された後に、前記第1遮断弁の前後の圧力差を回復させることにより、より一層第1遮断弁の耐久性を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in connection with the above proposal. The general purpose of the present invention is to provide a close command to the first shut-off valve and the second shut-off valve for shutting off the supply of fuel gas to the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of further improving the durability of the first shut-off valve by recovering the pressure difference before and after the first shut-off valve after being fed.
また、本発明の主たる目的は、燃料電池に対して燃料ガスの供給を遮断する第1遮断弁の開故障検出処理を行った後に、第1遮断弁の前後の圧力差に起因して前記第1遮断弁に付与される負荷を抑制して前記第1遮断弁の耐久性の劣化を防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 In addition, the main object of the present invention is to perform the first failure detection processing for the first shut-off valve that shuts off the supply of fuel gas to the fuel cell, and then, due to the pressure difference before and after the first shut-off valve. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a load applied to one shut-off valve and preventing deterioration of durability of the first shut-off valve.
前記の目的を達成するために本発明は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から燃料ガス供給流路を通じてアノードに供給される前記燃料ガスと前記酸化剤供給手段から酸化剤供給流路を通じてカソードに供給される前記酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を遮断可能な第1遮断弁と、前記燃料ガス供給流路中に前記第1遮断弁の下流側に設けられ前記燃料ガスの供給を遮断する第2遮断弁と、前記燃料ガス供給流路中に前記第1遮断弁の下流側且つ前記第2遮断弁の上流側に設けられ前記第1遮断弁を通過した燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、前記第1遮断弁と前記圧力調整手段との間に設けられ、前記燃料電池システムの作動中に前記燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの一部を導入して貯留すると共に、前記燃料電池システムの停止時であって前記第1遮断弁及び前記第2遮断弁に対してそれぞれ閉弁指令が送給された後に、前記燃料ガス供給流路に対して前記貯留された燃料ガスを導出する蓄圧手段とを備えることを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides a fuel gas supply means for supplying a fuel gas, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas, and an anode from the fuel gas supply means to the anode through a fuel gas supply flow path. A fuel cell system comprising: the fuel gas to be supplied; and a fuel cell that generates electric power from the oxidant gas supplied from the oxidant supply means to the cathode through an oxidant supply flow path. A first shut-off valve capable of shutting off the supply of the fuel gas; a second shut-off valve provided downstream of the first shut-off valve in the fuel gas supply flow path; A pressure adjusting means for adjusting the pressure of the fuel gas that is provided downstream of the first shut-off valve and upstream of the second shut-off valve in the gas supply flow path and that has passed through the first shut-off valve; and the first shut-off valve valve A part of the fuel gas that is provided between the pressure adjusting means and that flows through the fuel gas supply flow path during operation of the fuel cell system is introduced and stored, and the fuel cell system is stopped. And a pressure accumulating means for deriving the stored fuel gas to the fuel gas supply channel after a closing command is sent to each of the first shut-off valve and the second shut-off valve. It is characterized by.
本発明によれば、燃料電池システムの作動中には、第1遮断弁及び第2遮断弁がそれぞれ開弁状態になると共に、負荷の大きさに対応して燃料ガス供給手段が付勢されることにより、燃料電池に対して所定量の燃料ガスと酸化剤ガスが供給される。従って、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとが反応して発電作用が営まれる。 According to the present invention, during operation of the fuel cell system, the first shut-off valve and the second shut-off valve are each opened, and the fuel gas supply means is energized corresponding to the magnitude of the load. Thus, a predetermined amount of fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell. Therefore, the fuel gas supplied to the anode reacts with the oxidant gas supplied to the cathode to perform power generation.
その際、燃料ガス供給手段から高圧の燃料ガスが燃料ガス供給流路に供給され、第1遮断弁と圧力調整手段との間に設けられた蓄圧手段に対して前記燃料ガス供給流路中を流通する高圧の燃料ガスの一部が導入され、前記蓄圧手段の内部に貯留される。 At that time, high-pressure fuel gas is supplied from the fuel gas supply means to the fuel gas supply flow path, and the fuel gas supply flow path passes through the fuel gas supply flow path with respect to the pressure accumulating means provided between the first shutoff valve and the pressure adjusting means. A part of the circulating high-pressure fuel gas is introduced and stored in the pressure accumulating means.
一方、燃料電池システムの停止時であって、第1遮断弁及び第2遮断弁に対してそれぞれ閉弁指令が送給された後、例えば、燃料電池の発電消費等に起因して燃料ガス供給流路の第1遮断弁の下流側の圧力が低下して前記第1遮断弁の前後に圧力差が発生した場合、蓄圧手段内に一時的に貯留された燃料ガスが燃料ガス供給流路に向かって導出される。 On the other hand, when the fuel cell system is stopped and the valve closing command is sent to each of the first shut-off valve and the second shut-off valve, the fuel gas is supplied due to, for example, power generation consumption of the fuel cell. When the pressure on the downstream side of the first shut-off valve in the flow path decreases and a pressure difference occurs before and after the first shut-off valve, the fuel gas temporarily stored in the pressure accumulating means is supplied to the fuel gas supply flow path. Derived toward.
従って、本発明では、例えば、第1遮断弁の上流側(一次側)と下流側(二次側)との間で圧力差が発生した場合に、蓄圧手段内に予め一時的に貯留された燃料ガスが前記第1遮断弁の下流側に導出されることによって、前記圧力差が緩和されて所定圧に回復される。 Therefore, in the present invention, for example, when a pressure difference occurs between the upstream side (primary side) and the downstream side (secondary side) of the first shut-off valve, the pressure is temporarily stored in the pressure accumulating means in advance. The fuel gas is led to the downstream side of the first shut-off valve, whereby the pressure difference is relaxed and restored to a predetermined pressure.
この結果、本発明では、第1遮断弁の前後の圧力差を回復させることにより、前記第1遮断弁の耐久性をより一層向上させることができる。 As a result, in the present invention, the durability of the first shut-off valve can be further improved by restoring the pressure difference before and after the first shut-off valve.
さらに、本発明は、前記第1遮断弁と前記圧力調整手段との間における前記燃料ガス供給流路の圧力を検出する圧力検出手段と、前記第1遮断弁の開故障を検出する開故障検出手段とを備え、前記開故障検出手段は、前記燃料電池システムの停止時であって前記第1遮断弁に対して閉弁指令が送給された後、前記燃料ガス供給流路における残存燃料ガスを前記燃料電池において消費させたときに、前記圧力検出手段により検出された圧力変化に基づいて前記第1遮断弁の開故障が判断されるとよい。 Furthermore, the present invention provides pressure detection means for detecting the pressure of the fuel gas supply flow path between the first shutoff valve and the pressure adjusting means, and open fault detection for detecting an open fault of the first shutoff valve. And the open failure detection means is a residual fuel gas in the fuel gas supply channel after the closing command is sent to the first shutoff valve when the fuel cell system is stopped. When the fuel cell is consumed, it is preferable that an open failure of the first shutoff valve is determined based on a pressure change detected by the pressure detecting means.
すなわち、燃料電池システムの停止時であって第1遮断弁に対して閉弁指令が送給された場合、前記第1遮断弁が確実に閉弁されたか否かを検出する開故障検出処理が遂行される。この開故障検出処理は、第1遮断弁の下流側に設けられた圧力検出手段によって燃料ガス供給流路の圧力を検出し、前記第1遮断弁が正常に閉弁している場合、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給が停止され、その停止前に燃料ガス供給流路中に残存する燃料ガスが燃料電池内に残存する酸化剤ガスと反応して発電消費されるために、第1遮断弁の下流側(出口側)の圧力が低下する。開故障検出手段は、圧力検出手段によって検出されるこのような圧力変化に基づいて第1遮断弁が確実に閉弁されたか否かが好適に且つ確実に判断される。 That is, when the fuel cell system is stopped and a valve closing command is sent to the first shut-off valve, an open failure detection process for detecting whether or not the first shut-off valve is securely closed is performed. Carried out. In this open failure detection process, when the pressure of the fuel gas supply flow path is detected by the pressure detecting means provided on the downstream side of the first shutoff valve, and the first shutoff valve is normally closed, the fuel gas The supply of the fuel gas from the supply means is stopped, and the fuel gas remaining in the fuel gas supply flow path before the stop is reacted with the oxidant gas remaining in the fuel cell and is consumed for power generation. The pressure on the downstream side (outlet side) of the shut-off valve decreases. The open failure detection means suitably and reliably determines whether or not the first shut-off valve is reliably closed based on such a pressure change detected by the pressure detection means.
前記開故障検出処理を行ったときに、燃料電池の発電消費によって燃料ガス供給流路の第1遮断弁の下流側の圧力が低下した場合であっても、蓄圧手段によって一時的に貯留された燃料ガスが燃料ガス供給流路に導出されることにより、第1遮断弁の前後の圧力差に起因して付与される負荷を抑制して前記第1遮断弁の耐久性の劣化を防止することができる。 Even when the pressure on the downstream side of the first shutoff valve of the fuel gas supply flow path is reduced due to the power generation consumption of the fuel cell when the open failure detection processing is performed, the fuel cell is temporarily stored by the pressure accumulating means. By deriving the fuel gas to the fuel gas supply flow path, the load applied due to the pressure difference before and after the first shut-off valve is suppressed to prevent deterioration of the durability of the first shut-off valve. Can do.
本発明では、燃料電池に対する燃料ガスの供給を遮断する第1遮断弁及び第2遮断弁に対してそれぞれ閉弁指令が送給された後に、前記第1遮断弁の前後の圧力差を回復させることにより、より一層第1遮断弁の耐久性を向上させることが可能な燃料電池システムが得られる。 In the present invention, after a valve closing command is sent to each of the first shut-off valve and the second shut-off valve that shut off the supply of fuel gas to the fuel cell, the pressure difference before and after the first shut-off valve is recovered. Thus, a fuel cell system capable of further improving the durability of the first shutoff valve is obtained.
また、本発明では、燃料電池に対して燃料ガスの供給を遮断する第1遮断弁の開故障検出を行った場合、第1遮断弁の前後の圧力差に起因して付与される負荷を抑制して前記第1遮断弁の耐久性の劣化を防止することが可能な燃料電池システムが得られる。 Further, in the present invention, when an open failure of the first shutoff valve that shuts off the supply of fuel gas to the fuel cell is detected, the load applied due to the pressure difference before and after the first shutoff valve is suppressed. Thus, a fuel cell system capable of preventing deterioration in durability of the first shutoff valve is obtained.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図2は、図1の要部拡大構成図である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged configuration diagram of a main part of FIG.
図1に示されるように、燃料電池システム10は、燃料電池12と、内部に高圧の水素ガスが充填され、前記燃料電池12に対し燃料ガスとして前記水素ガスを供給する水素タンク(燃料ガス供給手段)14と、前記燃料電池12に対して酸化剤ガスを含む空気を供給するエアコンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)16と、前記燃料電池10から排出される未反応の水素を、前記燃料電池10から排出される未反応の空気によって希釈する希釈器18とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 includes a
燃料電池12は、例えば、固体高分子電解質形燃料電池(PEFC)からなり、内部にアノード側の水素流路20と、カソード側の酸素流路22とを有する。
The
燃料電池12は、図示しないスタック本体を有し、前記スタック本体は、複数(例えば、200〜400)の単セル(図示せず)と、2枚の図示しない電極板(ターミナルプレート)と、2枚の図示しない絶縁板(インシュレータ)と、剛性の高いフロントプレート及びリアプレート(図示せず)とを備えている。
The
複数の単セルは、その厚み方向に積層されており、2枚の電極板と、2枚の絶縁板とを介して、フロントプレートとリアプレートとで挟まれている。フロントプレート及びリアプレートは、図示しないボルト等の締結手段によって締結されており、これにより、単セルの積層状態が保持されている。 The plurality of single cells are stacked in the thickness direction, and are sandwiched between the front plate and the rear plate via two electrode plates and two insulating plates. The front plate and the rear plate are fastened by fastening means such as bolts (not shown), whereby the stacked state of the single cells is maintained.
単セルは、図示しないMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む板状のアノードセパレータ及びカソードセパレータ(図示せず)とを有する。 The single cell has a MEA (Membrane Electrode Assembly) (not shown) and a plate-like anode separator and cathode separator (not shown) sandwiching the MEA.
MEAは、1価の陽イオン交換膜である固体高分子膜と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。一例として、アノードは固体高分子膜の前方に配置され、カソードは固体高分子膜の後方に配置されている。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構成され、その固体高分子膜側に電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)を含んでいる。 The MEA includes a solid polymer membrane that is a monovalent cation exchange membrane, and an anode and a cathode that sandwich the membrane. As an example, the anode is disposed in front of the solid polymer film, and the cathode is disposed behind the solid polymer film. The anode and the cathode are made of a conductive porous material such as carbon paper, and contain a catalyst (Pt, Ru, etc.) for causing an electrode reaction on the solid polymer film side.
アノードセパレータは、MEAのアノード側に配置されている。カソードセパレータは、MEAのカソード側に配置されている。また、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、金属製であり、導電性を有している。これにより、複数の単セルが直列で接続されている。 The anode separator is disposed on the anode side of the MEA. The cathode separator is disposed on the cathode side of the MEA. The anode separator and the cathode separator are made of metal and have conductivity. Thereby, the several single cell is connected in series.
燃料電池12には、図1に示されるように、水素ガスを供給するための水素供給口24と、前記燃料電池12から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口26と、前記燃料電池12に対して空気を供給するための空気供給口28と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池12から排出するための空気排出口30とがそれぞれ設けられている。なお、前記水素供給口24には、燃料ガス供給流路として機能する水素供給流路32が連通するように設けられている。
As shown in FIG. 1, the
水素タンク14は、該水素タンク14と一体的に組み付けられて設けられた、いわゆるインタンク遮断弁(一体型遮断弁)からなる第1遮断弁34を有し、前記第1遮断弁34は、図示しない弁体が着座部に着座することにより、水素タンク14からの水素ガスの供給が遮断可能に設けられる。なお、本実施形態では、前記第1遮断弁34を水素タンク14と一体の一体型遮断弁によって構成しているが、これに限定されるものでなく、水素タンク14と別体で構成された遮断弁であってもよい。
The
水素タンク14に付設された第1遮断弁34と燃料電池12の水素供給口24との間には、前記水素タンク14内に充填された水素ガスを燃料電池12に対して供給する水素供給流路32が設けられる。
Between the first shut-off
この水素供給流路32中には、水素タンク14を上流側とし燃料電池12を下流側としたときに上流側から下流側に向かって、前記水素タンク14から供給された水素ガスの圧力(高圧Ph)を検出する圧力センサ(圧力検出手段)36と、前記水素タンク14から供給された水素ガスの圧力を調圧する第1レギュレータ38と、前記第1レギュレータ38によって調圧された水素ガスの圧力(中圧P2)を検出する他の圧力センサ40と、前記第1遮断弁34の下流側に配置されて水素ガスの供給を遮断する第2遮断弁42と、燃料電池12の入口圧を調圧する第2レギュレータ44と、燃料電池12の入口圧(P1)を検出するさらに他の圧力センサ46と、燃料電池12から排出された未反応の水素をフィードバックさせる循環流路47に接続され水素タンク14から供給される水素と燃料電池12からフィードバックされる水素とを混合させて燃料電池12に対して再供給するエゼクタ49とがそれぞれ配設される。
In the
この場合、前記第1レギュレータ38は、第1遮断弁34の下流側で且つ第2遮断弁42の上流側に設けられ、第1遮断弁34を通過した水素ガスの圧力を調整する圧力調整手段として機能するものである。
In this case, the
第1遮断弁34と第1レギュレータ38との間には、前記水素供給流路32に連通する連通路48を介して蓄圧手段50が設けられる。この蓄圧手段50は、例えば、水素タンク14から供給され水素供給流路32を流通する高圧の水素ガスの一部を一時的に貯留する小容量のバッファタンクによって構成される。前記蓄圧手段の一端部には、連通路48に接続され、所定のオリフィス径を有するオリフィス52が設けられ、前記オリフィス52を経由して流入された水素ガスは、蓄圧手段50内の空間部53に貯留される。
A
なお、前記オリフィス径は、後記する第1遮断弁34の開故障検出時において、水素供給流路32中に残存し燃料電池12によって消費される水素ガスの消費量よりも前記水素供給流路32への供給流量(導出流量)が少なくなるように設定され、開故障の判断(後記する所定値低下)に対して影響を与えないオリフィス径に設定される。
The orifice diameter is larger than the hydrogen gas consumption amount consumed by the
水素タンク14から供給された水素ガスは、水素供給流路32を流通し、水素供給口24を介して燃料電池12に供給される。前記燃料電池12において使用されなかった未反応の水素ガスを含む排ガスは、水素排出口26から水素排出流路54に排出される。
Hydrogen gas supplied from the
前記水素排出流路54には、燃料電池12のアノードに溜まった水やカソードから電解質膜を透過してアノードに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを希釈器18側にパージする水素パージ弁56と、燃料電池12から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する機能を有する図示しないキャッチタンク等に溜まったドレンを排出する管路を開閉するドレン弁58とがそれぞれ設けられる。
The hydrogen
燃料電池12の空気供給口28に連通する空気供給流路(酸化剤ガス供給流路)60には、前記燃料電池12に対して圧縮エアを供給するエアコンプレッサ16が接続される。燃料電池12の空気排出口30と希釈器18との間には、空気排出流路62が設けられる。
An
なお、希釈器18は、水素パージ弁56及びドレン弁58から排出される排ガスを、空気排出流路62を通じて流入される酸化剤ガスによって希釈するものであり、前記希釈されたガスは、排出流路64を介して外部に排出される。
The
さらに、燃料電池システム10には、ECU66が設けられ、前記ECU66には、前記燃料電池システム10を起動させ、又は停止させるイグニッションスイッチ68が電気的に接続される。
Further, the fuel cell system 10 is provided with an
前記ECU66は、燃料電池システム10の各種機器、主としてエアコンプレッサ16、第1遮断弁34、第2遮断弁42、パージ弁56、及び、ドレン弁58に対してそれぞれ制御信号を出力して制御を行うと共に、燃料電池システム10の全ての動作を制御する。
The
この場合、前記ECU66は、コンピュータによって構成され、複数の圧力センサ36、40、46からの圧力Ph、P2、P1に対応する検出信号、イグニッションスイッチ68のオン・オフ操作による起動・停止信号等の各種入力信号に基づいて、メモリに記憶されているプログラムを実行することにより、前記各種機器を制御して各種の処理機能を実現するものである。さらに、前記ECU66は、後記するように、圧力センサ36からの検出信号に基づいて第1遮断弁34の開故障を検出する開故障検出手段として機能するものである。
In this case, the
本実施形態に係る燃料電池システム10は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、図3のフローチャート及び図4のタイムチャートを参照してその動作を説明する。 The fuel cell system 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the operation will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and the time chart of FIG.
ECU66がイグニッションスイッチ68のオン操作(起動信号)を検出したとき(ステップS1→YES)、燃料電池システム10が作動して通常発電運転が遂行される(ステップS2)。なお、ステップ1でECU66がイグニッションスイッチ68のオン操作を検出しないときは(ステップS1→NO)、検出されるまでステップS1を含む閉ループを循環する。
When the
前記燃料電池システム10の通常発電運転では、第1遮断弁34及び第2遮断弁42がそれぞれ開弁状態になると共に、図示しない走行用のモータの負荷の大きさに対応してエアコンプレッサ16を駆動させることにより、燃料電池12に対して所定量の酸化剤ガスを含む空気が供給される。アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素とが反応して発電作用が営まれる。なお、前記水素は、消費された分を補うようにして、水素タンク14から燃料電池12に対して供給される。
In the normal power generation operation of the fuel cell system 10, the first shut-off
燃料電池システム10が通常発電運転されるとき、水素タンク14から高圧の水素ガスが水素供給流路32に供給され、第1遮断弁34と第1レギュレータ38との間の水素供給流路32に連通路48を介して連通する蓄圧手段50に対して前記水素供給流路32中を流通する高圧の水素ガスの一部が導入され、前記蓄圧手段50の空間部53内に貯留される(ステップS3)。
When the fuel cell system 10 is in a normal power generation operation, high-pressure hydrogen gas is supplied from the
なお、前記蓄圧手段50の空間部53内への高圧の水素ガスの導入量は、連通路48に臨むオリフィス52のオリフィス径によって設定される。また、水素ガスの蓄圧手段50内への水素ガスの流入作用は、水素供給流路32を流通する水素ガスの圧力と蓄圧手段50の空間部53の圧力との圧力差に起因する。
The amount of high-pressure hydrogen gas introduced into the
燃料電池システム10の通常発電運転中に、ECU66がイグニッションスイッチ68のオフ操作(停止信号)を検出したとき(ステップS4→YES)、燃料電池システム10が停止状態となる。すなわち、ECU66は、エアコンプレッサ16に対して滅勢信号を出力して前記エアコンプレッサ16の駆動が停止されると共に、第1遮断弁34に対して水素タンク14からの水素ガスの供給が遮断されるように閉弁指令を送給する(ステップS5)。なお、燃料電池システム10の通常発電運転中に、ECU66がイグニッションスイッチ68のオフ操作(停止信号)を検出しないときは(ステップS4→NO)、ステップS2に戻る。
When the
続いて、ECU66では、前記閉弁指令が送給された第1遮断弁34が確実に閉弁されたか否かを検出する開故障検出処理が遂行される(ステップS6)。この開故障検出処理は、第1遮断弁34の出口側(二次側)に設けられた圧力センサ36によって検出される高圧Phの時間的変化(圧力変化)をECU66が監視することによって行われる。なお、前記開故障検出処理中では、未だ第2遮断弁42に対して閉弁指令が送給されておらず、第2遮断弁42は通常発電運転中と同様に開弁状態にある。
Subsequently, the
第1遮断弁34が正常に閉弁している場合には、図4に示されるように、第1遮断弁34に対して閉弁指令が送給された後、圧力センサ36によって検出される高圧Phが徐々に低下する。これは、第1遮断弁34が遮断されて水素タンク14からの水素ガスの供給が停止された場合、その停止前に水素供給流路32中に残存する水素ガスが燃料電池12内に残存する酸化剤ガスと反応して発電消費されるために、第1遮断弁34の下流側(出口側)の圧力が低下するからである。なお、このとき、蓄圧手段50の空間部53内に貯留されていた水素が流出するが、蓄圧手段50に設けられたオリフィス52が流路抵抗となってその水素流出量はごく僅かであり、後記するステップS6aの故障判定に影響を与えるものではない。
When the first shut-off
そこで、ECU66は、図4に示されるように、圧力センサ36によって検出される高圧Phが所定値低下したとき、第1遮断弁34が正常に閉弁したと判断し(ステップS6a→NO)、第2遮断弁42に閉弁指令を送給する(ステップS7)。なお、ステップS6a→YES(故障)のときは、故障を通知する(ステップS9)。
Therefore, as shown in FIG. 4, when the high pressure Ph detected by the
このようにして、第1遮断弁34及び第2遮断弁42に対して閉弁指令がそれぞれ送給されて、第1遮断弁34及び第2遮断弁42がそれぞれ閉弁した後(図4参照)、前述したように燃料電池12の発電消費によって水素供給流路32の第1遮断弁34の下流側の圧力が低下しているため、蓄圧手段50によって空間部53内に一時的に貯留された水素ガスが連通路48を介して水素供給流路32に導出される(ステップS8)。ここで、ステップS7により、第2遮断弁42が閉弁状態にあるため、蓄圧手段50から導出された水素ガスにより第1遮断弁34及び第2遮断弁42間の圧力が上昇し始める。
In this way, after the closing commands are sent to the
この結果、開故障検出処理によって第1遮断弁34の前後、すなわち第1遮断弁34の上流側(一次側)と下流側(二次側)との間で発生する圧力差が、蓄圧手段50から導出される水素ガスによって緩和され、低下していた第1遮断弁34の下流側の圧力が回復されることにより、第1遮断弁34の耐久性をより一層向上させることができる。
As a result, the pressure difference generated by the open failure detection process before and after the first shut-off
ステップS5による第1遮断弁34の閉弁後においては、前記蓄圧手段50から水素供給流路34に導出される水素ガスの供給量が、水素供給流路32中に残存する水素ガスが燃料電池12内に残存する酸化剤ガスと反応して発電消費される消費量と比較して、小さくなるようにオリフィス52のオリフィス径が設定されており、このようなオリフィス径に設定することにより、開故障検出のときに第1遮断弁34が開故障しているか否かの判断に影響を与えることが回避される。また、ステップS7による第2遮断弁42の閉弁後においては、蓄圧手段50から導出された水素ガスが、第2遮断弁44によって水素供給流路32が遮断されて燃料電池12に対して供給されることがないため、圧力が上昇する。
After the first shut-off
なお、本実施形態では、開故障検出処理がなされた後に蓄圧手段50から導出される水素ガスによって第1遮断弁34の下流側の圧力を回復させる処理がなされているが、前記開故障検出処理中にECU66によって第1遮断弁34が故障していると判断される必要がなく、ECU66によって開故障か否かの検査が終了した後に蓄圧手段50による回復処理がなされればよい。
In this embodiment, the process of recovering the pressure on the downstream side of the first shut-off
燃料電池システム10の停止時に開故障検出処理がなされた場合、燃料電池12の発電消費によって水素供給流路32の第1遮断弁34の下流側の圧力が低下し前記第1遮断弁34の上流側と下流側との間で圧力差が発生するおそれがあるが、本実施形態では、蓄圧手段50内に貯留された高圧の水素ガスを第1遮断弁34の下流側の水素供給通路32に導出することにより、前記圧力差を回復させることができる。
When the open failure detection process is performed when the fuel cell system 10 is stopped, the pressure on the downstream side of the
仮に、前記圧力差が燃料電池システム10の次回の起動まで放置されてしまうと第1遮断弁34の図示しない弁体(シート面)に対して過大な負荷が付与され、前記第1遮断弁34の耐久性が劣化する場合があるが、本実施形態では、前記圧力差をそのまま放置することがなく次回起動時までに比較的速やかに回復させることにより、第1遮断弁34の耐久性が劣化することを好適に回避して所望の耐久性能(着座部に対する弁体の所望のシート力)を得ることができる。
If the pressure difference is left until the next activation of the fuel cell system 10, an excessive load is applied to a valve body (seat surface) (not shown) of the first shut-off
また、本実施形態では、蓄圧手段50の空間部53内に一時的に貯留された高圧の水素ガスが、発電消費による圧力低下時に、水素供給流路32と蓄圧手段50との圧力差に起因して水素供給流路32側に向かって自然に導出されるだけであって、何らECU66等の制御が不要であると共に、第1遮断弁34の上流側と下流側との間の圧力差が逆転することもない。
In the present embodiment, the high-pressure hydrogen gas temporarily stored in the
次に、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム10aの要部構成を図5に示す。この他の実施形態に係る燃料電池システム10aでは、蓄圧手段50に付設されたオリフィス52に代替して電磁弁70を設けている点で、前記実施形態と相違している。なお、その他の構成要素は、図1に示す燃料電池システム10と同一であるため、その図示及び説明を省略している。
Next, the principal part structure of the fuel cell system 10a which concerns on other embodiment of this invention is shown in FIG. A fuel cell system 10a according to another embodiment is different from the above-described embodiment in that an
この電磁弁70は、ECU66から出力される付勢信号・滅勢信号によってオン・オフ動作する図示しない弁体を有し、前記弁体によって連通路48に連通する図示しない通路を開閉制御している。また、蓄圧手段50には、空間部53内の圧力を検出する圧力センサ72が設けられ、前記圧力センサ72からの検出信号(P3)がECU66に出力される。
The
この他の実施形態では、ECU66が水素供給流路32側の圧力Phと蓄圧手段50側の圧力P3とをそれぞれ監視し、ECU66から付勢信号・滅勢信号を適宜出力することにより、第1遮断弁34の下流側における水素供給流路32内を流通する水素ガスの圧力を好適に制御することができる。
In this other embodiment, the
具体的には、燃料電池システム10aの通常発電運転時にECU66から付勢信号を出力して電磁弁70を開弁状態とし、蓄圧手段50の空間部53内に高圧の水素ガスが貯留される。この場合、ECU66は、水素供給流路32側の圧力Phと蓄圧手段50側の圧力P3とをそれぞれ監視し、前記蓄圧手段50の空間部53内の圧力が所定圧に到達したとき、ECU66から滅勢信号を出力して電磁弁70を閉弁状態とする。
Specifically, during normal power generation operation of the fuel cell system 10a, an energizing signal is output from the
一方、イグニッションスイッチ68がオフされた燃料電池システム10aの停止時であって、水素供給流路32に対し蓄圧手段50の空間部53内に貯留された水素ガスを導出するときには、水素供給流路32側の圧力Phを監視しながら、ECU66から付勢信号・滅勢信号を適宜出力して、連通路48に連通する電磁弁70の図示しない通路を開閉制御することにより、第1遮断弁34の下流側の水素供給流路32を流通する水素ガスの圧力を好適に制御することができる。
On the other hand, when the fuel cell system 10a with the
このような電磁弁70の圧力制御によって蓄圧手段50の空間部53内に貯留された水素ガスの圧力を比較的高圧に保持することができるため、貯留容量を小さくして蓄圧手段50の小型・軽量化を達成することができる。
Since the pressure of the hydrogen gas stored in the
10、10a 燃料電池システム
12 燃料電池
14 水素タンク(燃料ガス供給手段)
16 エアコンプレッサ(酸化剤供給手段)
32 水素供給流路(燃料ガス供給流路)
34 第1遮断弁
36 圧力センサ(圧力検出手段)
38 第1レギュレータ(圧力調整手段)
42 第2遮断弁
50 蓄圧手段
60 空気供給流路(酸化剤供給流路)
66 ECU(開故障検出手段)
10, 10a
16 Air compressor (oxidant supply means)
32 Hydrogen supply channel (fuel gas supply channel)
34 First shut-off
38 First regulator (pressure adjusting means)
42 Second shut-off
66 ECU (open failure detection means)
Claims (2)
前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を遮断可能な第1遮断弁と、
前記燃料ガス供給流路中に前記第1遮断弁の下流側に設けられ前記燃料ガスの供給を遮断する第2遮断弁と、
前記燃料ガス供給流路中に前記第1遮断弁の下流側且つ前記第2遮断弁の上流側に設けられ前記第1遮断弁を通過した燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
前記第1遮断弁と前記圧力調整手段との間に設けられ、前記燃料電池システムの作動中に前記燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの一部を導入して貯留すると共に、前記燃料電池システムの停止時であって前記第1遮断弁及び前記第2遮断弁に対してそれぞれ閉弁指令が送給された後に、前記燃料ガス供給流路に対して前記貯留された燃料ガスを導出する蓄圧手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 Fuel gas supply means for supplying fuel gas, oxidant gas supply means for supplying oxidant gas, and the fuel gas and oxidant supply means supplied from the fuel gas supply means to the anode through a fuel gas supply channel A fuel cell system that generates power with the oxidant gas supplied to the cathode from the oxidant supply flow path,
A first shutoff valve capable of shutting off the supply of the fuel gas from the fuel gas supply means;
A second shut-off valve that is provided in the fuel gas supply channel on the downstream side of the first shut-off valve and shuts off the supply of the fuel gas;
Pressure adjusting means for adjusting the pressure of the fuel gas that has been provided in the fuel gas supply flow path downstream of the first shutoff valve and upstream of the second shutoff valve, and passed through the first shutoff valve;
A part of the fuel gas that is provided between the first shut-off valve and the pressure adjusting means and that flows through the fuel gas supply channel during operation of the fuel cell system is introduced and stored, and the fuel cell The stored fuel gas is led out to the fuel gas supply flow path after the valve closing command is sent to the first shut-off valve and the second shut-off valve, respectively, when the system is stopped. Pressure accumulation means;
A fuel cell system comprising:
前記第1遮断弁と前記圧力調整手段との間における前記燃料ガス供給流路の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記第1遮断弁の開故障を検出する開故障検出手段と、をさらに備え、
前記開故障検出手段は、前記燃料電池システムの停止時であって前記第1遮断弁に対して閉弁指令が送給された後、前記燃料ガス供給流路における残存燃料ガスを前記燃料電池において消費させたときに、前記圧力検出手段により検出された圧力変化に基づいて前記第1遮断弁の開故障を判断することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
Pressure detecting means for detecting the pressure of the fuel gas supply channel between the first shutoff valve and the pressure adjusting means;
An open failure detecting means for detecting an open failure of the first shutoff valve;
The open failure detecting means is configured to stop the fuel gas in the fuel gas supply flow path in the fuel cell after the valve closing command is sent to the first shutoff valve when the fuel cell system is stopped. A fuel cell system, wherein when the battery is consumed, an open failure of the first shut-off valve is determined based on a pressure change detected by the pressure detecting means.
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JP2013509678A (en) * | 2009-10-30 | 2013-03-14 | コンパニー ゼネラール デ エタブリッスマン ミシュラン | Fuel cell and method for deactivating fuel cell |
JP2013254624A (en) * | 2012-06-06 | 2013-12-19 | Suzuki Motor Corp | Fuel cell system for vehicle |
CN114204082A (en) * | 2020-09-02 | 2022-03-18 | 本田技研工业株式会社 | Fuel cell system and control method of fuel cell system |
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2007
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