JP2009140860A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を掃気する掃気手法を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a scavenging method for scavenging a fuel cell.
燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムでは、システム停止時に燃料電池を含む配管内に水が残留していると、寒冷地や冬季などの低温環境下において水が凍結して再起動時の低温始動性が低下する。このため、システム停止時にアノード側およびカソード側にエアを導入して掃気処理することが行われている。 In a fuel cell system installed in a fuel cell vehicle, etc., if water remains in the piping including the fuel cell when the system is stopped, the water freezes in a cold environment such as a cold region or winter, and the Low temperature startability is reduced. For this reason, scavenging treatment is performed by introducing air to the anode side and the cathode side when the system is stopped.
また、この種の燃料電池システムでは、システム停止時にアノードには燃料ガスが残留しているため、高い濃度の燃料ガスがシステム外部に排出されないように、残留している燃料ガス濃度に応じて掃気流量を求めることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、カソード側を掃気する際にアノード側にも掃気ガスを導入してパージする技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、アノードを掃気する際に、その前のカソード掃気中において燃料電池内のエア置換がパージ弁を使用することにより行われており、その手法も常に同じ手法で行っていた。このため、パージ弁を使用する必要がなくても使用され続け、エネルギが無駄に消費されるという問題があった。 However, in the conventional fuel cell system, when scavenging the anode, air replacement in the fuel cell is performed by using a purge valve during the previous scavenging of the anode, and this method is always performed in the same manner. It was. For this reason, even if it is not necessary to use the purge valve, there is a problem that it continues to be used and energy is wasted.
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、掃気時の消費電力の低減を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of reducing power consumption during scavenging.
本発明は、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の反応により発電を行う燃料電池と、前記アノードに燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路と、前記カソードに酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通流路と、前記連通流路の開閉を行う連通弁と、前記燃料電池の発電停止後の状態変化を監視する状態監視手段と、前記燃料電池の発電停止後に前記状態変化が所定条件になったときに、前記連通弁を開弁して前記酸化剤ガスで前記カソードを掃気する第1の掃気を行い、その後、前記アノードを掃気する第2の掃気を行う掃気手段と、前記第1の掃気および前記第2の掃気に必要な前記酸化剤ガスの供給量を求める酸化剤ガス供給量算出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記アノードから排出された燃料排ガスを酸化剤ガスによって希釈して外部に排出する燃料排ガス希釈手段と、前記アノードからの燃料排ガスを前記燃料排ガス希釈手段にパージするパージ量を制御するパージ制御手段と、前記燃料電池の発電停止後の前記第1の掃気までのシステム停止時間に基づいて前記アノードからの燃料ガスの濃度を予測する燃料ガス濃度予測手段と、前記第1の掃気の際に前記パージ制御手段によりパージするパージ量を、前記燃料ガス濃度予測手段により予測された前記燃料ガスの濃度に基づいて、前記燃料ガスの濃度が低ければ低いほど少ない量として算出するパージ量算出手段と、をさらに備えたことを特徴とする。 The present invention relates to a fuel cell that generates electric power by a reaction between a fuel gas supplied to an anode and an oxidant gas supplied to a cathode, a fuel gas flow passage through which fuel gas flows through the anode, and an oxidant to the cathode An oxidant gas flow passage through which gas is circulated; a communication flow path that connects the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage; a communication valve that opens and closes the communication flow path; State monitoring means for monitoring a subsequent state change, and when the state change becomes a predetermined condition after stopping the power generation of the fuel cell, the communication valve is opened to scavenge the cathode with the oxidant gas. Scavenging means for performing a first scavenging and then a second scavenging for scavenging the anode, and an oxidant gas supply for determining a supply amount of the oxidant gas necessary for the first scavenging and the second scavenging Quantity calculation means In the fuel cell system, the fuel exhaust gas discharged from the anode is diluted with an oxidant gas and discharged to the outside, and the fuel exhaust gas from the anode is purged to the fuel exhaust gas dilution means. Purge control means for controlling the purge amount; fuel gas concentration prediction means for predicting the concentration of fuel gas from the anode based on the system stop time until the first scavenging after the fuel cell power generation is stopped; Based on the concentration of the fuel gas predicted by the fuel gas concentration prediction means, the purge amount purged by the purge control means during the first scavenging is set to a smaller amount as the fuel gas concentration is lower And a purge amount calculating means for calculating.
本発明によれば、燃料電池の発電停止から自動掃気をするまで(状態変化が所定条件になったとき)のシステム停止時間に基づいてアノード側の水素濃度を予測し、それに合わせてカソード掃気中の最適なパージ制御手段の動作を決定することが可能になり、パージ制御手段が無駄に作動することがなくなって消費電力の低減を図ることが可能になる。 According to the present invention, the hydrogen concentration on the anode side is predicted based on the system stop time from when the fuel cell power generation is stopped to when the automatic scavenging is performed (when the state change becomes a predetermined condition), and during the cathode scavenging accordingly. Therefore, it is possible to determine the optimum operation of the purge control means, and the purge control means is not operated wastefully, and the power consumption can be reduced.
また、前記酸化剤ガス供給量算出手段は、前記燃料電池の発電停止後の前記第1の掃気までのシステム停止時間に基づいて、前記システム停止時間が長ければ長いほど前記酸化剤ガスの供給量が少なくなるように設定することが好ましい。 Further, the oxidant gas supply amount calculation means is configured so that the longer the system stop time is, the longer the system stop time is based on the system stop time until the first scavenging after the fuel cell power generation is stopped. It is preferable to set so that there is less.
これによれば、酸化剤ガスを供給する装置(例えば、エアコンプレッサ)を不必要に長時間駆動させることがなくなるので、消費電力を低減することが可能になる。 According to this, since the apparatus (for example, air compressor) which supplies oxidizing gas is not driven unnecessarily for a long time, it becomes possible to reduce power consumption.
本発明の燃料電池システムによれば、掃気時の消費電力の低減を図ることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, power consumption during scavenging can be reduced.
図1は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図2は本実施形態におけるシステム停止後の制御を示すフローチャート、図3(a)はシステム停止時間とアノード系内水素濃度との関係を示すマップ、(b)はアノード系内水素濃度とカソード掃気中のパージ弁、ドレイン弁使用時間との関係を示すマップ、(c)はシステム停止時間と掃気時間との関係を示すマップ、図4は図2の掃気実施のステップにおけるサブフローチャート、図5は本実施形態におけるシステム停止時間が短い場合の各種弁の開閉動作を示すタイミングチャート、図6は本実施形態におけるシステム停止時間が長い場合の各種弁の開閉動作を示すタイミングチャートである。なお、本実施形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムを例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、本実施形態の燃料電池システムを船舶や航空機などの移動体、あるいは家庭用など定置式のものなどあらゆるものに適用できる。 FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system according to the present embodiment, FIG. 2 is a flowchart showing control after the system is stopped in the present embodiment, and FIG. 3A is a relationship between the system stop time and the hydrogen concentration in the anode system. (B) is a map showing the relationship between the anode system hydrogen concentration and the purge valve and drain valve usage time during cathode scavenging, (c) is a map showing the relationship between the system stop time and scavenging time, 4 is a sub-flowchart in the scavenging step of FIG. 2, FIG. 5 is a timing chart showing the opening / closing operation of various valves when the system stop time is short in this embodiment, and FIG. 6 is a case where the system stop time is long in this embodiment It is a timing chart which shows the opening / closing operation | movement of various valves. In addition, although this embodiment demonstrates and demonstrates the fuel cell system mounted in a fuel cell vehicle as an example, it is not limited to this, The fuel cell system of this embodiment is mobile bodies, such as a ship and an aircraft. Or, it can be applied to anything such as a stationary type such as home use.
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池10、アノード系20、カソード系30、制御系50などを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of this embodiment includes a fuel cell 10, an
前記燃料電池10は、固体高分子型であるPEM(Proton Exchage Membrane)型の燃料電池であり、電解質膜11の両面を所定の触媒を含むアノード(燃料極)12とカソード(酸化剤極)13とで挟んで構成した膜電極構造体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を、さらに一対の導電性のセパレータ14,15で挟んで構成した単セルを複数積層したものである。また、セパレータ14のアノード12に対向する面には、水素(燃料ガス)が流通するアノード流路14aが形成され、セパレータ15のカソード13に対向する面には、空気(酸化剤ガス)が流通するカソード流路15aが形成されている。
The fuel cell 10 is a solid polymer type PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell, and an anode (fuel electrode) 12 and a cathode (oxidant electrode) 13 containing a predetermined catalyst on both surfaces of the
また、前記燃料電池10では、アノード12に水素が、カソード13に空気(酸素)がそれぞれ供給されることにより、アノード12では触媒の作用により水素から電子が乖離し、水素イオンが電解質膜11を介してカソード13に透過し、電子が外部負荷(走行モータなど)を介してカソード13に移動する。カソード13では、水素イオンと電子と空気中の酸素とが触媒の作用により反応して水が生成される。
In the fuel cell 10, hydrogen is supplied to the anode 12 and air (oxygen) is supplied to the
前記アノード系20は、燃料電池10のアノード12に対して水素を供給・排出するものであり、アノードガス供給配管2a、アノードオフガス排出配管2b、高圧水素タンク21、遮断弁22、パージ弁23などを備えて構成されている。
The
前記アノードガス供給配管2aは、一端が燃料電池10のアノード流路14aの入口に接続され、他端が遮断弁22に接続されている。前記アノードオフガス排出配管2bは、一端が燃料電池10のアノード流路14aの出口に接続され、他端がパージ弁23に接続されている。なお、図示省略しているが、アノード系20には、燃料電池10から排出された未反応の水素をアノードガス供給配管2aに戻して再循環させるアノードガス循環配管などが設けられている。
The anode gas supply pipe 2 a has one end connected to the inlet of the
前記高圧水素タンク21は、高純度の水素を非常に高圧で蓄積可能な容器である。
The high-
前記遮断弁22は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、高圧水素タンク21の出口近傍に設けられている。なお、この遮断弁22は、高圧水素タンク21と一体に設けられたインタンク式のものであってもよい。
The shut-off
前記パージ弁23は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、例えば定期的に、またはセル電圧の低下に応じて、開弁して発電性能が低下するのを防止するようになっている。ちなみに、パージ弁23を開弁するのは、発電中において、カソード13に供給された空気に含まれる窒素、生成水などが電解質膜11を介してアノード12に透過してアノード12内の水素濃度が低下することによる。
The purge valve 23 is, for example, an electromagnetically operated type having a solenoid and is configured to prevent the power generation performance from being lowered by opening the valve periodically, for example, in response to a decrease in cell voltage. . Incidentally, the purge valve 23 is opened because nitrogen, generated water and the like contained in the air supplied to the
なお、図示省略しているが、前記アノード系20の遮断弁22の下流側には、高圧水素タンク21から放出される高圧の水素の圧力を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
Although not shown, a regulator for reducing the pressure of the high-pressure hydrogen discharged from the high-
前記カソード系30は、燃料電池10のカソード13に対して空気を供給・排出するものであり、カソードガス供給配管3a、カソードオフガス排出配管3b、エアコンプレッサ31、背圧弁32などを備えて構成されている。
The
前記カソードガス供給配管3aは、一端が燃料電池10のカソード流路15aの入口と接続され、他端が後記するエアコンプレッサ31と接続されている。また、前記カソードオフガス排出配管3bは、一端が燃料電池10のカソード流路15aの出口と接続され、他端が後記する背圧弁32に接続されている。
One end of the cathode
前記エアコンプレッサ31は、例えばモータにより駆動されるスーパーチャージャで構成され、燃料電池10に圧縮した空気を供給する機能を有する。このエアコンプレッサ31は、モータの回転速度を変更することにより、燃料電池10に供給される空気の量を調節できるようになっている。
The
前記背圧弁32は、バタフライ弁などで構成され、その弁開度を適宜調節することができるようになっている。弁開度を変更することにより、燃料電池10のカソード13に供給される空気圧(空気量)を変更できるようになっている。
The
なお、図示省略しているが、カソード系30には、燃料電池10に供給される空気を加湿する加湿器などが設けられている。なお、図示しない加湿器における加湿源としては、燃料電池10のカソード13から排出されるカソードオフガスが利用される。
Although not shown, the
また、本実施形態の燃料電池システム1は、希釈器35、エア導入配管41、エア導入弁42、エア排出配管43、エア排出弁44、ドレイン配管45、ドレイン弁46、蓄電装置60などを備えている。
The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a
前記希釈器35は、アノードオフガスが滞留、希釈する空間を有し、燃料電池10のアノード12から排出されたアノードオフガス(燃料排ガス)を空気(酸化剤ガス)によって希釈して外部(車外)に排出する機能を有している。なお、本実施形態では、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈しているが、燃料電池10に供給される前の空気(酸化剤ガス)をさらに導入して希釈するようにしてもよい。
The
前記エア導入配管41は、燃料電池10の上流側のアノードガス供給配管2aとカソードガス供給配管3aとを接続している。前記エア導入弁42は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、エア導入配管41上に設けられている。
The
前記エア排出配管43は、燃料電池10の下流側のアノードオフガス排出配管2bとカソードオフガス排出配管3bとを接続している。前記エア排出弁44は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、エア排出配管43上に設けられている。
The
前記ドレイン配管45は、前記エア排出配管43よりもさらに下流側のアノードオフガス排出配管2bとカソードオフガス排出配管3bとを接続している。前記ドレイン弁46は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、ドレイン配管45上に設けられている。
The
なお、ドレイン弁46は、パージ弁23よりも流路径が小さく形成されている。またパージ弁23は、エア排出弁44よりも流路径が小さく形成されている。つまり、ドレイン弁46では小流量、パージ弁23では中流量、エア排出弁44では大流量のガスがそれぞれ流れるようになっている。
The drain valve 46 is formed to have a smaller flow path diameter than the purge valve 23. The purge valve 23 is formed to have a smaller flow path diameter than the
前記蓄電装置60は、バッテリやキャパシタなどで構成された高電圧系のものであり、燃料電池10で発電した電力を蓄電できるようになっている。この蓄電装置60は、燃料電池10の発電停止後の電力源、再起動時の電力源などとして用いられるようになっている。なお、バッテリとしては、リチウムイオン、ニッケル水素などから選択され、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどから選択される。また、バッテリとキャパシタを双方搭載するようにしてもよい。
The
なお、エア導入配管41によって本実施形態の連通流路が構成され、エア導入弁42によって本実施形態の連通弁が構成されている。また、パージ弁23によって本実施形態のパージ制御手段が構成されている。なお、ドレイン弁46は、通常運転時には水分(生成水)を排出する機能を有し、掃気時にはパージ制御手段としての機能も果たしている。
The
前記制御系50は、ECU(Electronic Control Unit)51、イグニッションスイッチ(IGSW)52、タイマ53、温度センサ54、水素濃度センサ55などで構成されている。
The control system 50 includes an ECU (Electronic Control Unit) 51, an ignition switch (IGSW) 52, a
前記ECU51は、CPU(Central Processing Unit)、RAM、プログラムを記憶したROM、各種回路などで構成され、掃気手段、酸化剤ガス供給量算出手段、燃料ガス濃度予測手段、パージ量算出手段を備えている。また、ECU51は、遮断弁22、パージ弁23、エアコンプレッサ31、背圧弁32、エア導入弁42、エア排出弁44、ドレイン弁46、イグニッションスイッチ52、タイマ53、温度センサ54、および水素濃度センサ55と接続されている。このECU51の制御により、遮断弁22、パージ弁23、エア導入弁42、エア排出弁44、ドレイン弁46の開閉が行われ、エアコンプレッサ31のモータの回転速度が制御され、背圧弁32の開度が調節される。
The
前記イグニッションスイッチ52は、運転者によってイグニッションオフ(IG−OFF)とイグニッションオン(IG−ON)とが切り替えられ、IG−OFF信号、IG−ON信号をECU51に出力する。
The
前記タイマ53は、IG−OFFされて燃料電池10の発電が停止(システム停止)をしてからの経過時間(システム停止時間)などを検出する。
The
前記温度センサ54は、燃料電池10の温度を検知する(状態変化を監視する)機能を有する状態監視手段であり、例えば燃料電池10のアノード12の入口近傍のアノードガス供給配管2aに設けられている。なお、温度センサ54の位置は、燃料電池10の温度を検出できる位置であればアノード12の入口に限定されるものではなく、アノード12の出口近傍のアノードオフガス排出配管2b、カソード13の入口近傍のカソードガス供給配管3a、カソード13の出口側のカソードオフガス排出配管3b、冷却系の冷媒が流通する配管であってもよく、あるいは燃料電池10の温度を直接測定するものであってもよい。
The
前記水素濃度センサ55は、燃料電池10のアノード12の下流のアノードオフガス排出配管2bに設けられ、アノード系20内の水素濃度を検出する機能を有する。アノード系20内の水素濃度とは、アノードガス供給配管2a、アノードオフガス排出配管2b、アノード流路14a、アノードガス循環配管(図示せず)に残留している水素濃度を意味している。
The
次に、本実施形態の燃料電池システム1での掃気制御について図2ないし図5を参照(適宜、図1を参照)しながら説明する。なお、燃料電池システム1の運転中においては、遮断弁22が開弁されて高圧水素タンク21から燃料電池10のアノード12に水素が供給され、またエアコンプレッサ31が駆動されて燃料電池10のカソード13に圧縮されて加湿された空気が供給され、燃料電池10において発電が行われる。燃料電池10の発電電力は、走行モータ(図示せず)やエアコンプレッサ31などの補機に供給され、また蓄電装置60に充電される。
Next, scavenging control in the fuel cell system 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 5 (refer to FIG. 1 as appropriate). During the operation of the fuel cell system 1, the
図2に示すように、運転者によりイグニッションスイッチ52がオフ(IG−OFF)にされると、ステップS100において、ECU51は、アノード系20内の水素濃度(初期値)を水素濃度センサ55によって判断する。そして、ステップS110において、ECU51は、燃料電池システム1の運転を停止(システム停止)する。このシステム停止では、遮断弁22を閉じてアノード12への水素の供給を停止し、かつ、エアコンプレッサ31への電力の供給を停止してカソード13への空気の供給を停止して、燃料電池10の発電を停止する。
As shown in FIG. 2, when the
システム停止後、ステップS120において、ECU51は、温度センサ54から得られる燃料電池10の温度(システム温度)の自動監視を開始し、さらにステップS130において、タイマ53を始動してシステム停止からの時間(システム停止時間)の自動監視を開始する。なお、システム温度とシステム停止時間の自動監視は、例えば、図示しない低電圧系バッテリに蓄積された電力を用いて作動するようになっている。
After the system is stopped, in step S120, the
そして、ステップS140において、ECU51は、システム温度が所定値以下になったか否かを判断する。ステップS140において、ECU51は、システム温度が所定値以下でないと判断した場合には(No)、ステップS120に戻ってシステム温度とシステム停止時間の各自動監視を継続し、システム温度が所定値以下であると判断した場合には(Yes)、ステップS150に進む。なお、システム温度の所定値としては、温度が低下し且つ水が凍結する前の温度(例えば、5℃)に設定される。
In step S140, the
そして、ステップS150において、ECU51は、システム停止時間に基づいてアノード系20内の水素濃度を予測する。水素濃度を予測する手段としては、例えば、図3(a)のマップに基づいて判断される。なお、図3(a)は、予め実験等によって求められ、図示されているように、アノード系20内の水素濃度は、初期値が最も高くなり、システム停止時間が長くなるにつれて徐々に低下する。ちなみに、システム停止時間が長くなるにつれてアノード系2内の水素濃度が低くなっているが、これは、いわゆるクロスリークによって、カソード13内の空気に含まれる窒素が電解質膜11を介してアノード12に透過し、またアノード12内の残留水素が電解質膜11を介してカソード13に透過するからである。なお、ステップS150が、本実施形態における燃料ガス濃度予測手段が実施する処理に相当する。
In step S150, the
そして、ステップS160において、ECU51は、カソード重点掃気に必要な弁の動きを決定する。必要な弁の動きとは、カソード重点掃気中に使用されるパージ弁23およびドレイン弁46の使用時間(開弁時間)であり、図3(b)のマップに基づいて決定される。図3(b)は、予め実験等によって求められ、アノード系20内の水素濃度が低くなるにつれて使用時間も短くなるように設定される。なお、ステップS160が、本実施形態におけるパージ量算出手段が実施する処理に相当する。
In step S160, the
そして、ステップS170において、ECU51は、掃気時間を算出する。なお、ここでの掃気時間とは、燃料電池10のカソード13を掃気する第1の掃気(カソード重点掃気)の掃気時間と、アノード12を掃気する第2の掃気(アノード重点掃気)の掃気時間との合計時間である。また、この掃気時間は、図3(c)のマップに基づいて決定され、燃料電池10の発電停止から第1の掃気(カソード重点掃気)までのシステム停止時間が長くなるにしたがって短い時間に設定される。なお、このステップS170が、本実施形態における酸化剤ガス供給量算出手段が実施する処理に相当する。
In step S170, the
そして、ステップS180において、ECU51は、図4に示すサブフローに基づいて掃気を実施する。すなわち、図4のステップS181において、ECU51は、蓄電装置60の電力を利用してエアコンプレッサ31を始動し、ステップS182において、エア導入弁42、パージ弁23およびドレイン弁46を開弁する。なお、このとき背圧弁32の開度は、ECU51によって、カソード13側が重点的に掃気されるような弁開度(例えば、全開)に設定される。また、エアコンプレッサ31の始動とエア導入弁42の開弁とのタイミングは同時であってもよく、あるいは、先にエアコンプレッサ31を始動してカソード13側の圧力を上げてからエア導入弁42を開弁するようにしてもよい。また、エア導入弁42の開弁とパージ弁23およびドレイン弁46の開弁とのタイミングは、同時であってもよく、あるいは先にエア導入弁42を開弁してからパージ弁23およびドレイン弁46を開弁するようにしてもよい。
And in step S180, ECU51 implements scavenging based on the subflow shown in FIG. That is, in step S181 in FIG. 4, the
これにより、エアコンプレッサ31からの空気が、エア導入配管41を介して燃料電池10のアノード12に導入されることで、アノード12側に残留している水素がパージ弁23から押し出され、押し出された水素が希釈器35に排出される。また、アノード12側に残留している水素がドレイン弁46から少しずつ押し出され、押し出された水素がカソード13側を流れる空気と合流して希釈された後に希釈器35に向けて排出される。つまり、ここでの掃気処理(第1の掃気)は、カソード13側を重点的に掃気するとともにアノード12側の残留水素の希釈が行われる。カソード13側を重点的に掃気するとは、アノード12側の水素を希釈するとともに、カソード13側のカソードガス供給配管3a、カソード流路15a、カソードオフガス排出配管3bに残留している生成水を排出することである。
As a result, the air from the
そして、ステップS183において、ECU51は、ステップS170で算出された掃気時間(第1の掃気に必要な掃気時間)が経過したか否かを判断する。ステップS183において、ECU51は、掃気時間が経過していないと判断した場合には(No)、ステップS183の処理を繰り返し、掃気時間が経過したと判断した場合には(Yes)、ステップS184に進む。
In step S183, the
ステップS184において、ECU51は、パージ弁23とドレイン弁46を開弁したままで、さらにエア排出弁44を開弁する。なお、このときの背圧弁32の開度は、ECU51によって、アノード12側が重点的に掃気されるような弁開度に設定される。これにより、エアコンプレッサ31からの空気が、エア導入配管41を通って、アノードガス供給配管2a、アノード流路14a、アノードオフガス排出配管2bに流れ、エア排出配管43、カソードオフガス排出配管3bを通って希釈器35へと排出される。これにより、アノード12側に残留している希釈後の水素とともに生成水などが排出される。
In step S184, the
そして、ステップS185において、ECU51は、掃気が完了したか否かを判断する。この掃気完了の成立条件としては、ステップS170で算出した所定時間(第2の掃気に必要な掃気時間)に基づいて判断される。ただし、蓄電装置60が次回起動時などに必要な電力を確保できる電圧値を下回らない範囲において判断することが好ましい。ステップS185において、ECU51は、掃気が完了していないと判断した場合には(No)、ステップS185の処理を繰り返し、掃気が完了したと判断した場合には(Yes)、図2のフローに戻って、ステップS190に進み、システム温度の自動監視を停止する。
In step S185, the
さらに、図5及び図6のタイムチャートを参照して説明する。なお、図5は、燃料電池10の発電停止後のカソード重点掃気(第1の掃気)が開始されるまでのシステム停止時間が短い場合のタイムチャートであり、図6は、システム停止時間が長い場合のタイムチャートである。 Further description will be made with reference to the time charts of FIGS. FIG. 5 is a time chart in the case where the system stop time is short until the start of the cathode important scavenging (first scavenging) after the fuel cell 10 stops generating power, and FIG. 6 is a long system stop time. It is a time chart in the case.
図5に示すように、燃料電池10の発電停止後において、システム温度が所定値まで低下する時間(時刻t2、S140のYes)が早く、すなわちイグニッションスイッチ52がオフにされて(時刻t1)からのシステム停止時間(時刻t1〜t2)が短い場合には、アノード系20内の水素濃度は、時刻t2において高い状態であると予測できるので(S150)、この場合には開弁時間(T1+T2+T3+T4)が長くなるようにパージ弁23およびドレイン弁46の動きが決定される(S160)。そして、時刻t2において、蓄電装置60の電力を利用してエアコンプレッサ31を駆動させるとともに、エア導入弁42が開弁され、パージ弁23およびドレイン弁46が間歇的に開弁される。ちなみに、パージ弁23およびドレイン弁46の開閉制御について、最初に排出される水素濃度は高いと考えられる場合には、図5に示すように最初の開弁時間T1を短く設定してもよいが、一定の間隔(開弁時間)を所定回数に分けて行ってもよい。これにより、カソード13側が所定時間Tc掃気されるとともに、アノード12側に残留する水素が希釈される。
As shown in FIG. 5, after the power generation of the fuel cell 10 is stopped, the time during which the system temperature decreases to a predetermined value (time t2, Yes at S140) is early, that is, from when the
そして、カソード重点掃気終了後(時刻t3)、エア導入弁42、パージ弁23およびドレイン弁46を開弁したままで、さらに蓄電装置60の電力を用いてエア排出弁44を開弁して、アノード重点掃気が行われる(時刻t3〜t4)。アノード重点掃気では、所定時間Ta掃気され、エア導入配管41から導入される空気によって、主にアノード12側に残留している生成水や凝縮水が排出される。
Then, after the end of the cathode important scavenging (time t3), the
一方、図6に示すように、燃料電池10の発電停止後において、システム温度が所定値まで低下する時間(時刻t2、S140のYes)が長く、すなわちイグニッションスイッチ52がオフにされて(時刻t1)からのシステム停止時間(時刻t1〜t2)が長い場合には、アノード系20内の水素濃度は、時刻t2において低い状態であると予測できるので(S150)、この場合には開弁時間(T5)が短くなるようにパージ弁23およびドレイン弁46の動きが決定される(S160)。そして、時刻t2において、蓄電装置60の電力を利用してエアコンプレッサ31が駆動されるとともに、エア導入弁42が開弁され、パージ弁23およびドレイン弁46が決定された開弁時間(使用時間)に基づいて開閉される。
On the other hand, as shown in FIG. 6, after the power generation of the fuel cell 10 is stopped, the time during which the system temperature decreases to a predetermined value (time t2, Yes in S140) is long, that is, the
このように、本実施形態では、システム停止時間が短い場合には、パージ弁23およびドレイン弁46の開弁時間を長くした状態でカソード重点掃気を行い(図5参照)、システム停止時間が長い場合には、パージ弁23およびドレイン弁46の開弁時間を短くした状態でカソード重点掃気を行う(図6参照)。よって、システム停止時間が長く、アノード12側に残留する水素濃度が低い場合には、パージ弁23およびドレイン弁46を無駄に開弁させることがなくなるので、消費電力を低減することが可能になる。 As described above, in this embodiment, when the system stop time is short, the cathode-focused scavenging is performed with the purge valve 23 and the drain valve 46 opened for a long time (see FIG. 5), and the system stop time is long. In this case, the cathode intensive scavenging is performed with the purge valve 23 and the drain valve 46 open for a short time (see FIG. 6). Therefore, when the system stop time is long and the concentration of hydrogen remaining on the anode 12 side is low, the purge valve 23 and the drain valve 46 are not opened unnecessarily, so that power consumption can be reduced. .
また、本実施形態によれば、図3(c)に示したように、システム停止時間に基づいて、システム停止時間が長くなるにつれて掃気時間、特に図5の所定時間1に比べて図6の所定時間2を短くできるので、カソード重点掃気時のエアコンプレッサ31の駆動時間を短くでき、エアコンプレッサ31による電力消費を低減することができる。つまり、システム停止時間が長い場合には、いわゆるクロスリークによるアノード12からカソード13への水素透過量が多く、システム停止時間が短い場合には、アノード12からカソード13への水素透過量が少ないと判断できる。したがって、システム停止時間が長期に及んだ場合には、残留水素濃度が自然拡散によって低下するので、必要以上に長い時間でカソード重点掃気が行われるのを防止できる。よって、エアコンプレッサ31に供給する電力の削減を図ることができるので、消費電力の削減を図ることが可能になる。
In addition, according to the present embodiment, as shown in FIG. 3C, the scavenging time, in particular, the predetermined time 1 in FIG. Since the predetermined time 2 can be shortened, the driving time of the
なお、本実施形態では、掃気完了(S183、S185)の判断条件として、時間により判断しているが、時間に限定されるものではなく、エアコンプレッサ31の下流に流量センサを設けて、空気の流量に基づいて判断してもよい。
In this embodiment, the determination condition for scavenging completion (S183, S185) is based on time. However, the determination is not limited to time, and a flow rate sensor is provided downstream of the
1 燃料電池システム
2a アノードガス供給配管(燃料ガス流通路)
2b アノードオフガス排出配管(燃料ガス流通路)
3a カソードガス供給配管(酸化剤ガス流通路)
3b カソードオフガス排出配管(酸化剤ガス流通路)
12 アノード
13 カソード
23 パージ弁
31 エアコンプレッサ
32 背圧弁
35 希釈器(燃料排ガス希釈手段)
41 エア導入配管(連通流路)
42 エア導入弁(連通弁)
43 エア排出配管
44 エア排出弁
45 ドレイン配管
46 ドレイン弁
51 ECU(掃気手段、酸化剤ガス供給量算出手段、燃料ガス濃度予測手段、パージ量算出手段)
54 温度センサ(状態監視手段)
FC 燃料電池
1 Fuel cell system 2a Anode gas supply pipe (fuel gas flow passage)
2b Anode off-gas discharge pipe (fuel gas flow passage)
3a Cathode gas supply pipe (oxidant gas flow passage)
3b Cathode off-gas discharge pipe (oxidant gas flow passage)
12
41 Air introduction piping (communication flow path)
42 Air introduction valve (communication valve)
43
54 Temperature sensor (status monitoring means)
FC fuel cell
Claims (2)
前記アノードに燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路と、
前記カソードに酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流通路と、
前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通流路と、
前記連通流路の開閉を行う連通弁と、
前記燃料電池の発電停止後の状態変化を監視する状態監視手段と、
前記燃料電池の発電停止後に前記状態変化が所定条件になったときに、前記連通弁を開弁して前記酸化剤ガスで前記カソードを掃気する第1の掃気を行い、その後、前記アノードを掃気する第2の掃気を行う掃気手段と、
前記第1の掃気および前記第2の掃気に必要な前記酸化剤ガスの供給量を求める酸化剤ガス供給量算出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノードから排出された燃料排ガスを酸化剤ガスによって希釈して外部に排出する燃料排ガス希釈手段と、
前記アノードからの燃料排ガスを前記燃料排ガス希釈手段にパージするパージ量を制御するパージ制御手段と、
前記燃料電池の発電停止後の前記第1の掃気までのシステム停止時間に基づいて前記アノードからの燃料ガスの濃度を予測する燃料ガス濃度予測手段と、
前記第1の掃気の際に前記パージ制御手段によりパージするパージ量を、前記燃料ガス濃度予測手段により予測された前記燃料ガスの濃度に基づいて、前記燃料ガスの濃度が低ければ低いほど少ない量として算出するパージ量算出手段と、をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to the anode and an oxidant gas supplied to the cathode;
A fuel gas flow passage through which fuel gas flows through the anode;
An oxidant gas flow passage for flowing an oxidant gas to the cathode;
A communication flow path for communicating the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage;
A communication valve for opening and closing the communication channel;
State monitoring means for monitoring a change in state of the fuel cell after power generation is stopped;
When the change in state becomes a predetermined condition after the power generation of the fuel cell is stopped, the communication valve is opened to perform a first scavenging to scavenge the cathode with the oxidant gas, and then the anode is scavenged. Scavenging means for performing second scavenging,
An oxidant gas supply amount calculating means for obtaining a supply amount of the oxidant gas required for the first scavenging and the second scavenging, and a fuel cell system comprising:
A fuel exhaust gas dilution means for diluting the fuel exhaust gas discharged from the anode with an oxidant gas and discharging it to the outside;
A purge control means for controlling a purge amount for purging the fuel exhaust gas from the anode to the fuel exhaust gas dilution means;
Fuel gas concentration predicting means for predicting the concentration of fuel gas from the anode based on a system stop time until the first scavenging after power generation stop of the fuel cell;
The purge amount purged by the purge control means during the first scavenging is smaller as the fuel gas concentration is lower based on the fuel gas concentration predicted by the fuel gas concentration prediction means. And a purge amount calculation means for calculating as a fuel cell system.
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JP2012185997A (en) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Honda Motor Co Ltd | Method for controlling fuel cell system |
CN112490472A (en) * | 2020-10-27 | 2021-03-12 | 广西玉柴机器股份有限公司 | Shutdown purging mode for low-temperature operation of fuel cell |
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JP2012185997A (en) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Honda Motor Co Ltd | Method for controlling fuel cell system |
CN112490472A (en) * | 2020-10-27 | 2021-03-12 | 广西玉柴机器股份有限公司 | Shutdown purging mode for low-temperature operation of fuel cell |
CN112490472B (en) * | 2020-10-27 | 2023-05-23 | 广西玉柴机器股份有限公司 | Shutdown purging mode for low-temperature operation of fuel cell |
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