JP2010080251A - Fuel cell system and method for controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用の暖機装置を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system provided with a warm-up device for a fuel cell and a control method for the fuel cell system.
燃料電池システムでは、低温環境下での燃料電池の始動性を向上させるために触媒燃焼器を搭載して、低温始動時に燃料電池を暖機する技術が提案されている。例えば、特許文献1の燃料電池システムでは、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(酸素)とを燃焼させたときに発生する燃焼排ガスで熱交換によって加熱された不凍液を燃料電池との間で循環させることによって、燃料電池を暖機する暖機装置が提案されている。
しかしながら、燃料電池システムを例えば車載用として使用すると、暖機装置で燃焼させる水素量が多くなった場合に車両の航続距離が短くなるという課題があった。 However, when the fuel cell system is used for in-vehicle use, for example, there is a problem that the cruising distance of the vehicle is shortened when the amount of hydrogen burned by the warm-up device increases.
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、暖機装置における燃料消費効率を向上させることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法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 and a control method for the fuel cell system that can improve fuel consumption efficiency in a warm-up device.
請求項1に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムであって、前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記排気ガスの露点温度を算出する露点算出手段と、前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定する露点温度判定手段と、前記露点判定手段により前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行う排気ガス温度制御手段と、を有することを特徴とする。 The invention according to claim 1 includes a fuel cell that generates power by reaction of a reaction gas, and a catalytic combustor that is supplied with the reaction gas and heats a refrigerant by catalytic reaction, and the fuel cell is activated when the fuel cell is started up. A fuel cell system that promotes warm-up of the fuel cell by supplying a refrigerant heated by the catalyst combustor to the fuel cell, and detects temperature of exhaust gas discharged from the catalyst combustor A dew point calculating means for calculating a dew point temperature of the exhaust gas, a dew point temperature determining means for determining whether the temperature of the exhaust gas is equal to or lower than the dew point temperature, and a temperature of the exhaust gas by the dew point determining means. Exhaust gas temperature control means for performing control so as to be equal to or lower than the dew point temperature when it is determined that it is not below.
請求項1に係る発明によれば、排気ガス中に含まれる水蒸気が水へと凝縮する際に発生する凝縮熱を積極的に利用することにより、水素使用量に対する燃料電池への熱の受け渡し効率が向上して燃料消費効率(いわゆる燃費)が向上し、暖機に使用する水素量を減らすことが可能になる。 According to the first aspect of the present invention, the heat transfer efficiency to the fuel cell with respect to the amount of hydrogen used by actively utilizing the condensation heat generated when the water vapor contained in the exhaust gas condenses into water. As a result, fuel consumption efficiency (so-called fuel efficiency) is improved, and the amount of hydrogen used for warm-up can be reduced.
請求項2に係る発明は、前記排気ガスの温度が凝固する温度以上かを判定する凝固点温度判定手段を有し、前記排気ガス温度制御手段は、前記凝固点温度判定手段により前記排気ガスが凝固する温度以上でないと判定された際には、排気ガスを凝固する温度以上となるように制御を行うことを特徴とする。 The invention according to claim 2 has a freezing point temperature determining means for determining whether the temperature of the exhaust gas is equal to or higher than a temperature at which the exhaust gas is solidified, and the exhaust gas temperature control means is configured to solidify the exhaust gas by the freezing point temperature determining means. When it is determined that the temperature is not higher than the temperature, control is performed so that the temperature becomes higher than the temperature at which the exhaust gas is solidified.
請求項2に係る発明によれば、排気ガスの温度が凝固点以上となるように制御することで、排気ガス中の水蒸気が氷になって触媒での触媒反応を抑制してしまう事象を回避することが可能になる。その結果、触媒燃焼器を運転できなくなるといったことを回避することが可能になる。 According to the second aspect of the invention, by controlling the temperature of the exhaust gas to be equal to or higher than the freezing point, it is possible to avoid an event in which the water vapor in the exhaust gas becomes ice and suppresses the catalytic reaction in the catalyst. It becomes possible. As a result, it becomes possible to avoid that the catalytic combustor cannot be operated.
請求項3に係る発明は、前記排気ガス温度制御手段は、前記冷媒の流量を制御することにより排気ガスの温度を制御することを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that the exhaust gas temperature control means controls the temperature of the exhaust gas by controlling the flow rate of the refrigerant.
請求項3に係る発明によれば、冷媒流量を制御することにより、触媒に供給される反応ガスの流量を変更せずに排気ガスの温度を制御できるため、触媒反応に好適な反応ガス量を供給した状態で排気ガス温度を制御できる。 According to the third aspect of the invention, by controlling the refrigerant flow rate, the temperature of the exhaust gas can be controlled without changing the flow rate of the reactive gas supplied to the catalyst. The exhaust gas temperature can be controlled in the supplied state.
請求項4に係る発明は、前記冷媒の流量の上限を検知する冷媒流量上限検知手段を有し、前記排気ガス温度制御手段は、前記冷媒流量上限検知手段により冷媒の流量を増加できないと判定された場合には、前記触媒燃焼器に供給される反応ガスの流量を減少させることを特徴とする。 The invention according to claim 4 includes a refrigerant flow rate upper limit detection unit that detects an upper limit of the refrigerant flow rate, and the exhaust gas temperature control unit is determined to be unable to increase the refrigerant flow rate by the refrigerant flow rate upper limit detection unit. In this case, the flow rate of the reaction gas supplied to the catalytic combustor is reduced.
請求項4に係る発明によれば、冷媒流量を増加させることができない状態においても、反応ガスの流量を減少させることにより排気ガス温度を制御することが可能になる。 According to the fourth aspect of the present invention, the exhaust gas temperature can be controlled by reducing the flow rate of the reaction gas even in a state where the flow rate of the refrigerant cannot be increased.
請求項5に係る発明は、前記燃料電池の暖機が完了したかどうかを判定する燃料電池暖機完了判定手段を有し、前記排気ガス温度制御手段は、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了したと判定された際には、前記排気ガスの温度を露点以上となるように制御を行うことを特徴とする。 The invention according to claim 5 includes fuel cell warm-up completion determination means for determining whether or not warm-up of the fuel cell is completed, and the exhaust gas temperature control means includes the fuel cell warm-up completion determination means. When it is determined that the fuel cell has been warmed up, control is performed so that the temperature of the exhaust gas becomes equal to or higher than the dew point.
請求項5に係る発明によれば、排気ガスの温度を露点温度以上となるように制御することにより、水の発生を抑えることができ、触媒燃焼器の内部に水が溜まってしまうのを防止することができ、内部の残留水を積極的に外部へ排出することが可能になる。その結果、残留水が蒸発して水蒸気となって触媒に吸着されて活性が低下するのを防止できる。 According to the invention of claim 5, by controlling the temperature of the exhaust gas to be equal to or higher than the dew point, generation of water can be suppressed and water is prevented from accumulating inside the catalytic combustor. This makes it possible to positively discharge the residual water inside. As a result, it is possible to prevent the residual water from evaporating and becoming water vapor and being adsorbed by the catalyst to reduce the activity.
請求項6に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムの制御方法であって、前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出するステップと、前記排気ガスの露点温度を算出するステップと、
前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定するステップと、前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行うステップと、を有することを特徴とする。
The invention according to claim 6 includes a fuel cell that generates power by reaction of a reaction gas, and a catalyst combustor that is supplied with the reaction gas and heats the refrigerant by catalytic reaction, and the fuel cell is activated when the fuel cell is started up. A control method of a fuel cell system that promotes warm-up of the fuel cell by supplying a refrigerant heated by a catalyst combustor to the fuel cell, and detects a temperature of exhaust gas discharged from the catalyst combustor And calculating a dew point temperature of the exhaust gas;
Determining whether the temperature of the exhaust gas is equal to or lower than the dew point temperature, and performing a control so as to be equal to or lower than the dew point temperature when it is determined that the temperature of the exhaust gas is not lower than the dew point temperature. It is characterized by.
請求項6に係る発明によれば、排気ガス中に含まれる水蒸気が水へと凝縮する際に発生する凝縮熱を積極的に利用することにより、水素使用量に対する燃料電池への熱の受け渡し効率が向上して燃料消費効率が向上し、暖機に使用する水素量を減らすことが可能になる。 According to the invention of claim 6, the heat transfer efficiency to the fuel cell with respect to the amount of hydrogen used by actively utilizing the condensation heat generated when water vapor contained in the exhaust gas condenses into water. As a result, the fuel consumption efficiency is improved and the amount of hydrogen used for warm-up can be reduced.
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、暖機装置における燃料消費効率を向上させることができる。 According to the fuel cell system and the control method thereof of the present invention, the fuel consumption efficiency in the warm-up device can be improved.
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は本実施形態の燃料電池システムの始動時の暖機制御を示すフローチャート、図3は排気ガスの温度変化に基づく混合ガスおよび冷媒の制御を示すタイミングチャートである。なお、以下では、燃料電池自動車などの車両に燃料電池システムを適用した場合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、船舶や航空機などの他の乗り物に適用してもよく、あるいは家庭用や業務用などの定置式のものに適用してもよい。 FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system of the present embodiment, FIG. 2 is a flowchart showing warm-up control at the start of the fuel cell system of the present embodiment, and FIG. 3 is a mixed gas based on a temperature change of exhaust gas. It is a timing chart which shows control of a refrigerant. In the following, a case where the fuel cell system is applied to a vehicle such as a fuel cell vehicle will be described as an example. However, the present invention is not limited to this and may be applied to other vehicles such as ships and aircrafts. Or, it may be applied to a stationary type for home use or business 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FC、アノード系10、カソード系20、冷却系30、暖機系40、希釈系50、制御系60などを含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of this embodiment includes a fuel cell FC, an
前記燃料電池FCは、固体高分子型であるPEM(Proton Exchange Membrane)型の燃料電池であり、電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成された膜電極構造体(MEA;Membrane Electrode Assembly)と、この膜電極構造体の外側に設けられた一対の導電性のセパレータ(図示せず)とで構成された単セルが厚み方向に複数積層された構造となっている。また、燃料電池FCでは、アノードに対向するセパレータには、燃料ガス(反応ガス)としての水素が流通する流路a1、カソードに対向するセパレータには、酸化剤ガス(反応ガス)としての空気が流通する流路a2、および燃料電池FCを暖機および冷却するための冷媒(熱交換媒体)が流通する流路a3が互いに混じり合わないように形成されている。このようにして形成された燃料電池FCでは、アノードに燃料ガスとしての水素が、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給されることにより、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われ、走行モータ、高圧バッテリなどの外部負荷に発電電流が供給される。なお、高圧バッテリは、充放電可能なリチウムイオンやキャパシタなどで構成され、燃料電池FCの電力不足時または発電停止時に電力を供給し、また高圧バッテリ内の電力が不足したときに、燃料電池FCの発電電力によって充電されるように構成されている。 The fuel cell FC is a PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell, which is a solid polymer type, and a membrane electrode assembly (MEA) comprising an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode, and a membrane electrode assembly (MEA). In this structure, a plurality of single cells each composed of a pair of conductive separators (not shown) provided outside the membrane electrode structure are stacked in the thickness direction. In the fuel cell FC, the separator facing the anode has a flow path a1 through which hydrogen as a fuel gas (reactive gas) flows, and the separator facing the cathode has air as an oxidant gas (reactive gas). The flow path a2 that circulates and the flow path a3 that circulates the refrigerant (heat exchange medium) for warming up and cooling the fuel cell FC are formed so as not to mix with each other. In the fuel cell FC formed as described above, hydrogen as fuel gas is supplied to the anode, and air as oxidant gas is supplied to the cathode, so that power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air. The generated current is supplied to an external load such as a traveling motor or a high voltage battery. The high-voltage battery is composed of chargeable / dischargeable lithium ions, capacitors, and the like, and supplies power when the power of the fuel cell FC is insufficient or when power generation is stopped. When the power in the high-voltage battery is insufficient, the fuel cell FC It is comprised so that it may be charged with the generated electric power.
前記アノード系10は、燃料電池FCのアノードに水素(燃料ガス)を供給し、かつ、アノードから水素(燃料オフガス)を排出するものであり、燃料ガス供給配管11、燃料オフガス配管12、水素タンク13、遮断弁14などで構成されている。
The
前記燃料ガス供給配管11は、燃料電池FCに水素を供給する流路であり、その一端が水素タンク13に接続され、他端が遮断弁14を介して燃料電池FCのアノードの入口に接続されている。前記燃料オフガス配管12は、燃料電池FCから水素を排出する流路であり、その一端がアノードの出口に接続され、他端が後記する希釈系50の希釈器51に接続されている。
The fuel
前記水素タンク13は、高純度の水素が高い圧力で充填されたものである。
The
前記遮断弁14は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク13の下流近傍に設けられている。なお、遮断弁14は、水素タンク13と一体に設けられるようなインタンク式のものであってもよい。
The shut-off
前記カソード系20は、燃料電池FCのカソードに空気(酸化剤ガス)を供給し、かつ、カソードから酸化オフガス(空気や生成水など)を排出するものであり、酸化ガス供給配管21、酸化オフガス配管22、エアコンプレッサ23、背圧弁24などで構成されている。
The
前記酸化ガス供給配管21は、燃料電池FCのカソードに空気を供給する流路であり、その一端が燃料電池FCのカソードの入口に接続され、他端がエアコンプレッサ23に接続されている。前記酸化オフガス配管22は、カソードから酸化オフガスを排出する流路であり、その一端が燃料電池FCのカソードの出口に接続され、他端が希釈器51に接続されている。
The oxidizing
前記エアコンプレッサ23は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、圧縮した空気(外気)を、酸化ガス供給配管21を介して燃料電池FCに供給するようになっている。
The
前記背圧弁24は、開度を調整可能なバタフライ弁などで構成され、燃料電池FCの発電に適した圧力の空気をカソードに供給する機能を有している。
The
なお、図示していないが、カソード系20において、酸化ガス供給配管21にエアコンプレッサ23からの乾燥した空気(酸化剤ガス)を加湿する加湿器などが設けられている。
Although not shown, the
前記冷却系30は、燃料電池FCが発電により発生した熱を放熱する機能を有し、配管31a,31b,31c,31d、ラジエータ32、切替弁33、循環ポンプ34などを備えている。
The
前記配管31aは、一端が燃料電池FC(セパレータ)に設けられた冷媒が流通する流路の出口に接続され、他端が切替弁33および循環ポンプ34を介して後記する触媒燃焼器47の冷媒の入口と接続されている。配管31bは、一端が触媒燃焼器47の冷媒の出口と接続され、他端が燃料電池FC(セパレータ)に設けられた冷媒が流通する流路の入口に接続されている。配管31cは、一端が燃料電池FCの冷媒の出口と切替弁33との間の配管31aに接続され、他端がラジエータ32の入口に接続されている。配管31dは、一端がラジエータ32の出口に接続され、他端が切替弁33に接続されている。なお、ここで使用される冷媒は、車両などで一般的に使用される水や不凍液(エチレングリコール)である。
One end of the
前記ラジエータ32は、管とフィンなどで構成され、燃料電池FCで温められた冷媒を放熱する機能を有している。
The
前記切替弁33は、サーモスタット弁などで構成され、燃料電池FCが高温になった際には、ラジエータ32を通る弁位置に切替えられ、燃料電池FCを暖機する際には、ラジエータ32をバイパスする弁位置に切替えられる。
The switching valve 33 is composed of a thermostat valve or the like. When the fuel cell FC becomes hot, the switching valve 33 is switched to a valve position that passes through the
前記循環ポンプ34は、燃料電池FCとラジエータ32との間、燃料電池FCと後記する触媒燃焼器47との間において冷媒を循環させる機能を有している。
The
前記暖機系40は、酸化ガス導入配管41、酸化ガス流量制御弁42、燃料ガス導入配管44、水素インジェクタ45、混合器46、触媒燃焼器47などで構成されている。
The warm-
前記酸化ガス導入配管41は、エアコンプレッサ23からの乾燥した空気を混合器46に供給する流路であり、その一端が図示しない加湿器の上流側の酸化ガス供給配管21に接続され、他端が酸化ガス流量制御弁42を介して混合器46に接続されている。
The oxidizing
前記酸化ガス流量制御弁42は、例えばバタフライ弁などで構成されている。なお、酸化ガス流量制御弁42としてバタフライ弁を使用する際は、酸化ガス導入配管41の酸化ガス流量制御弁42の上流に空気の流れを遮断するための遮断弁を用いることが好ましい。これは、例えば燃料電池FCのみが発電していて、酸化ガス導入配管41に空気を供給する必要がない場合に空気が流れ込むと、エアコンプレッサ23のエネルギー消費が増えるからである。
The oxidizing gas flow
前記燃料ガス導入配管44は、燃料ガス供給配管11から分岐して燃料電池FCに供給する前の水素を混合器46に供給する流路であり、一端が遮断弁14の上流側の燃料ガス供給配管11に接続され、他端が水素インジェクタ45を介して酸化ガス流量制御弁42と混合器46との間の酸化ガス導入配管41に接続されている。なお、燃料ガス導入配管44には、水素タンク13から水素インジェクタ45への水素供給を遮断する遮断弁44aが設けられている。
The fuel gas introduction pipe 44 is a flow path for supplying hydrogen to the
前記水素インジェクタ45は、酸化ガス導入配管41の流路に水素を噴射する機能を有し、制御装置61からの制御によって水素の噴射量を制御できるようになっている。すなわち、噴射時間を長く設定することにより、噴射量が増加し、噴射時間を短く設定することにより、噴射量が減少するようになっている。
The
前記混合器46は、触媒燃焼器47の上流側に設けられ、水素と空気とを混合して混合ガスを生成する空間を有している。
The
前記触媒燃焼器47は、燃焼部47aと熱交換部47bとを備えて構成されている。燃焼部47aは、例えばハニカム状に形成されたベース部材に白金などの触媒を担持させて構成されたものであり、混合器46で混合された混合ガスを流通させることにより、混合ガス中の水素が触媒燃焼されて高温の排気ガス(水素濃度が0のガス)を生成するようになっている。熱交換部47bは、例えば、筒状の配管内に、燃焼部47aで生成された排ガスが流れる流路と、前記冷媒が通れる流路とが互いに交じり合わないように区画された構造を有し、排気ガスと冷媒との間で熱交換を行うようになっている。
The catalytic combustor 47 includes a
前記希釈系50は、希釈器51、排出管52、排気ガス配管53などで構成されている。
The
前記希釈器51は、燃料電池FCのアノード側から排出される燃料オフガスに含まれる水素を所定の濃度以下に希釈する機能を有している。なお、本実施形態では、燃料電池FCのカソードから排出される酸化オフガスが、燃料電池FCのアノードから排出される燃料オフガスを希釈する際の希釈ガスとして使用される。また、前記酸化オフガスおよび燃料電池FCのカソードに供給される前の空気(酸化ガス)を希釈器51に供給して、燃料オフガスを希釈するようにしてもよい。
The
前記排出管52は、希釈器51の下流側に接続され、希釈器51で希釈されたガスを車外に排出するようになっている。
The
前記排気ガス配管53は、触媒燃焼器47から排出された排気ガス(触媒燃焼後のガス)を排出する流路であり、希釈器51の下流の排出管52に接続されている。
The
前記制御系60は、制御装置61、温度センサ62,63,65、流量センサ64、湿度センサ66、圧力センサ67などで構成されている。
The
前記制御装置61は、CPU(CentralProcessing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、周辺回路、入出力インタフェース等から構成され、露点温度算出手段と、露点温度判定手段と、排気ガス温度制御手段を備えている。また、制御装置61は、遮断弁14の開閉、エアコンプレッサ23のモータの回転速度、背圧弁24および酸化ガス流量制御弁42の開度、循環ポンプ34のモータの回転速度、水素インジェクタ45の噴射量をそれぞれ制御する。
The
前記温度センサ62は、燃料電池FCの出口近傍の配管31aに設けられ、燃料電池FCから排出される冷媒の温度を検知するものである。
The
前記温度センサ63は、触媒燃焼器47の下流の排気ガス配管53に設けられ、触媒燃焼器47から排出される排気ガスの温度を検知するものである。
The
前記流量センサ64、温度センサ65および湿度センサ66は、エアコンプレッサ23の上流側(空気導入側)に設けられ、圧力センサ67は、触媒燃焼器47の下流側の排気ガス配管53に設けられている。
The
なお、露点温度算出手段は、例えば、触媒燃焼器47に投入される空気の流量と温度と相対湿度を流量センサ64、温度センサ65、湿度センサ66によって検出し、触媒燃焼器47に投入される水素の流量を水素インジェクタ45から得られる吐出量によって検出し、触媒燃焼器47のガス圧力を圧力センサ67によって検出して、触媒燃焼器47の出口におけるガス中の水蒸気圧を求め、その水蒸気圧を飽和水蒸気圧とする露点温度を算出する。
The dew point temperature calculating means detects, for example, the flow rate, temperature, and relative humidity of the air that is input to the catalytic combustor 47 with the
次に、本実施形態の燃料電池システムの暖機制御について図2および図3(適宜、図1)を参照して説明する。なお、イグニッションスイッチがオフ(IG−OFF)にされて、燃料電池システム1の運転が停止している場合には、制御装置61は、遮断弁14,44aを閉じて水素タンク13から燃料電池FCのアノードへの水素供給、エアコンプレッサ23を停止して燃料電池FCのカソードへの空気供給、循環ポンプ34を停止して冷媒循環がそれぞれ停止している。
Next, warm-up control of the fuel cell system of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3 (FIG. 1 as appropriate). When the ignition switch is turned off (IG-OFF) and the operation of the fuel cell system 1 is stopped, the
そして、制御装置61は、イグニッションスイッチがオンされたこと(IG−ON)を検知した場合には、燃料電池システム1における温度(システム温度)を検出して、触媒燃焼器47による暖機制御を実行するか否かを判断し、システム温度が暖機を実行する必要がない温度であると判断した場合には、図2に示す暖機制御を実行することなく直ちに通常の起動制御を実行する。通常の起動制御とは、遮断弁14を開いて水素タンク13から燃料電池FCのアノードに水素を供給するとともに、エアコンプレッサ23の駆動を開始して燃料電池FCのカソードに空気を供給して、燃料電池FCの開放端電圧(OCV;Open Circuit voltage)が所定電圧に達したときに図示しないコンタクタを介して燃料電池FCと外部負荷(エアコンプレッサ23、走行モータなど)とを接続して、発電を開始する。なお、システム温度は、例えば、温度センサ62によって検出された温度が用いられる。
When detecting that the ignition switch is turned on (IG-ON), the
一方、制御装置61は、暖機を実行する必要がある温度と判断した場合には、酸化ガス流量制御弁42を所定の開度に設定し、エアコンプレッサ23の駆動を開始して、混合器46に空気を供給する。また、遮断弁44aを開弁して、水素を水素インジェクタ45に供給して、水素インジェクタ45から決められた吐出量で混合器46に水素を供給する。また、循環ポンプ34が駆動されて、燃料電池FCと触媒燃焼器47との間で冷媒が循環する。触媒燃焼器47に混合ガスが供給されると、燃焼部47aにおいて触媒燃焼が行われて触媒温度が徐々に上昇する。燃焼部47aから排出された排気ガスは、熱交換部47bにおいて冷媒との間で熱交換が行われる。熱交換部47bで熱交換されて温められた冷媒は、配管31bを通って燃料電池FCに供給され、燃料電池FCが暖機され、燃料電池FCから排出された冷媒は、配管31aを通り、ラジエータ32をバイパスして、熱交換部47bに戻るようにして循環する。なお、図2のフローでは図示省略しているが、通常の暖機が開始されるまでに、触媒の温度を所定値に上昇させる処理が行われる(図3の暖機準備および暖機初期)。
On the other hand, when the
そして、ステップS1において、制御装置61は、温度センサ63によって検出された排気ガス温度が排気ガスの凝固点(例えば、0℃)以上であるか否かを判断する(凝固点温度判定手段)。これは排気ガス中の水蒸気が氷となって触媒燃焼器47のガス流路を塞いでしまうことを防止するためである。制御装置61は、検出した排気ガス温度が排気ガスの凝固点よりも高いと判断した場合には(Yes)、ステップS6に進む。
In step S1, the
ステップS6において、制御装置61は、検出された排気ガス温度が排気ガスの露点温度(例えば、40℃)以下であるか否かを判断する(露点温度判定手段)。なお、露点温度は、前記したように、各種センサ64〜67などによって検出される検出値に基づいて算出される(露点温度算出手段)。制御装置61は、検出した排気ガス温度が、算出した排気ガスの露点温度以下であると判断した場合には(S6、Yes)、ステップS11に進む。
In step S6, the
ステップS11において、制御装置61は、スタック温度(燃料電池FCの温度)が暖機目標温度以上であるか否かを判断する(燃料電池暖機完了判定手段)。なお、暖機目標温度とは、暖機が完了したかどうかを判断する温度であり、触媒燃焼器47による暖機を終了させる温度である。また、スタック温度は、例えば温度センサ62によって検出される温度が用いられる。
In step S11, the
ステップS11において、制御装置61は、スタック温度が暖機目標温度以上でない、つまり暖機が完了していないと判断した場合には(No)、ステップS1に戻り、スタック温度が暖機目標温度以上である、つまり暖機が完了したと判断した場合には(Yes)、ステップS12に進み、残留水を排出する制御を行う。残留水を排出する制御とは、排気ガスの温度を露点温度以上となるように制御して、水(液滴)が発生して触媒燃焼器47内部に水が溜まるのを防止し、残留水の気化を促進させる処理である。
In step S11, when the
また、ステップS1において、制御装置61は、検出した排気ガス温度が排気ガスの凝固点(例えば、0℃)以上でないと判断した場合には(No)、ステップS2に進み、冷媒量を低減することができるかどうかを判断する。つまり、冷媒量が予め設定された冷媒の下限流量に達していないかどうかで判断する。なお、このように冷媒の下限流量が設定されるのは、燃料電池FCの過加熱を防止するためである。このように冷媒量を低減させることにより、排気ガスから冷媒に奪われる熱量を減らして、触媒燃焼器47から排出される排気ガスの温度を上昇させることができる。
In Step S1, when it is determined that the detected exhaust gas temperature is not equal to or higher than the freezing point (for example, 0 ° C.) of the exhaust gas (No), the
ステップS2において、制御装置61は、冷媒量を低減可能であると判断した場合には(Yes)、ステップS5に進み、循環ポンプ34のモータの回転速度を低下させて冷媒量を低減させる。なお、冷媒量を低減させる時間は、例えば予め決められた所定時間に設定される。
In step S2, if it is determined that the refrigerant amount can be reduced (Yes), the
また、ステップS2において、制御装置61は、冷媒量を低減可能ではないと判断した場合には(No)、ステップS3に進み、空気と水素の混合ガス量を増加可能であるかどうかを判断する。混合ガス量を増加することにより、触媒燃焼器47から排出される排気ガスの温度を上昇させることができる。
In Step S2, when it is determined that the amount of refrigerant cannot be reduced (No), the
ステップS3において、制御装置61は、混合ガス量を増加可能であると判断した場合には(Yes)、ステップS4に進み、水素インジェクタ45からの吐出量を増加させるとともに酸化ガス流量制御弁42の開度を拡大して、触媒燃焼器47に供給される混合ガス量を増加する。なお、混合ガス量を増加させる時間は、例えば予め決められた所定時間に設定される。
In step S3, when the
また、ステップS3において、制御装置61は、混合ガス量を増加可能でないと判断した場合には(No)、ステップS11に進む。なお、混合ガス量を増加可能でない場合とは、すでに最大の流量で空気と水素とがそれぞれ供給されている場合である。
In step S3, when the
また、ステップS6において、制御装置61は、検出した排気ガス温度が算出した排気ガスの露点温度を超えていると判断した場合には(No)、ステップS7に進み、冷媒量を増加可能であるか否かを判断する(冷媒流量上限検知手段)。つまり、冷媒量が上限流量に達していないかどうかで判断する。
In Step S6, when it is determined that the detected exhaust gas temperature exceeds the calculated exhaust gas dew point temperature (No), the
ステップS7において、制御装置61は、冷媒量を増加可能であると判断した場合には(Yes)、ステップS10に進み、循環ポンプ34のモータの回転速度を上昇させて、冷媒量を増加させる。冷媒量を増加することにより、排気ガスから冷媒への熱交換が促進されて、排気ガス温度を低下させることが可能になる。
If the
また、ステップS7において、制御装置61は、冷媒量を増加可能ではないと判断した場合には(No)、ステップS8に進み、空気と水素の混合ガス量を低減可能かどうか判断する。
In step S7, when it is determined that the amount of refrigerant cannot be increased (No), the
ステップS8において、制御装置61は、混合ガスの量を低減可能であると判断した場合には(Yes)、ステップS9に進み、混合ガス量を低減させる。なお、混合ガス量を低減させる時間は、予め設定された所定時間である。ステップS9において、混合ガスを低減することにより、排気ガス温度が低下して、排気ガス温度が露点温度に向けて低下する。また、ステップS8において、制御装置61は、混合ガスの量を低減可能でないと判断した場合には(No)、ステップS11に進む。
In step S8, when it is determined that the amount of the mixed gas can be reduced (Yes), the
なお、暖機が完了し(S11、Yes)、残留水の排出が終了した場合には(S12)、前記した通常制御と同様に、アノードに水素、カソードに空気をそれぞれ供給して、燃料電池FCを発電開始できる電圧まで上昇させる。また、本実施形態の排気ガス温度制御手段は、ステップS2〜S5が、排気ガスを凝固する温度以上となるように制御する処理であり、ステップS7〜S11が、排気ガスを露点温度以下となるように制御する処理に相当する。 When the warm-up is completed (S11, Yes) and the discharge of residual water is completed (S12), as in the normal control described above, hydrogen is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, respectively. Raise FC to a voltage that can start power generation. Further, the exhaust gas temperature control means of the present embodiment is a process in which steps S2 to S5 are controlled to be equal to or higher than the temperature at which the exhaust gas is solidified, and steps S7 to S11 are the exhaust gas below the dew point temperature. It corresponds to the processing to be controlled.
さらに、図3のタイミングチャートを参照して説明すると、時刻t0において、イグニッションスイッチがオン(IG−ON)にされると、燃料電池FCの出口の冷媒温度が、所定温度以下の暖機が必要な低温度T1(例えば、マイナス30℃)である場合には、暖機準備として、酸化ガス流量制御弁42の開度が調節されるとともに遮断弁44aが開弁される。
Further, with reference to the timing chart of FIG. 3, when the ignition switch is turned on (IG-ON) at time t0, the refrigerant temperature at the outlet of the fuel cell FC needs to be warmed up to a predetermined temperature or less. When the temperature is low (eg, minus 30 ° C.), as the warm-up preparation, the opening degree of the oxidizing gas flow
そして、時刻t1において、エアコンプレッサ23から空気が供給されるとともに水素インジェクタ45から水素が供給されて、混合器46において水素と空気とが混合された混合ガスが触媒燃焼器47に供給される。これにより、空気中の酸素と、水素とが触媒反応によって燃焼して、燃焼部47aの触媒温度が徐々に上昇する。触媒温度の上昇により、触媒燃焼器47から排出される排気ガス温度(温度センサ63の検出値)が上昇する。また、冷媒量が下限流量となるように循環ポンプ34のモータの回転速度を制御して、燃料電池FCと触媒燃焼器47との間で冷媒が循環するように制御する。なお、冷媒量をゼロではなく下限流量で流すのは、燃料電池内の一部が過加熱になるのを防止するためである。また、時刻t1〜t2の暖機初期は、触媒燃焼器47の触媒の反応性を高めるために触媒温度を上昇させる処理であり、例えば予め決められた所定時間実行される。
At time t <b> 1, air is supplied from the
そして、時刻t2において、暖機初期の処理によって触媒温度が所定温度まで上昇すると通常制御に移行し、暖機時に通常設定される冷媒量となるように循環ポンプ34の回転速度を上昇させる。
At time t2, when the catalyst temperature rises to a predetermined temperature due to the initial warm-up process, the control shifts to normal control, and the rotational speed of the
そして、時刻t3において、排気ガス温度が露点温度を超えると(S6、No)、冷媒量を上限流量まで増加させる(S10)。これにより、排気ガスから冷媒に奪われる熱量が増加するので、排気ガス温度が露点温度以下に低下する(S6、Yes)。 At time t3, when the exhaust gas temperature exceeds the dew point temperature (S6, No), the refrigerant amount is increased to the upper limit flow rate (S10). As a result, the amount of heat deprived by the refrigerant from the exhaust gas increases, so that the exhaust gas temperature falls below the dew point temperature (S6, Yes).
そして、時刻t4において、排気ガス温度が再び露点温度を超えると(S6、No)、すでに冷媒量が上限流量に設定されており、冷媒量をこれ以上増加できないので(S7、No)、空気と水素の混合ガス量を低減する(S9)。混合ガス量を低減することにより、反応温度が低下して、排気ガス温度が露点温度以下に低下する(S6、Yes)。 When the exhaust gas temperature again exceeds the dew point temperature at time t4 (S6, No), the refrigerant amount has already been set to the upper limit flow rate, and the refrigerant amount cannot be increased any more (S7, No). The amount of mixed gas of hydrogen is reduced (S9). By reducing the amount of the mixed gas, the reaction temperature is lowered, and the exhaust gas temperature is lowered below the dew point temperature (S6, Yes).
そして、時刻t5において、燃料電池FCの出口の冷媒温度(温度センサ62の検出値)が所定温度T2(暖機完了温度)に達すると、循環ポンプ34を下限流量となる回転速度まで低下させるとともに、混合ガス量を増加させる。これにより、排気ガス温度が露点温度以上に上昇するので、水(凝縮水)の発生が抑えられ、また残留水の気化が促進されて、触媒燃焼器47内部の残留水が外部に排出される。なお、この場合も、冷媒量をゼロではなく下限流量に設定して、燃料電池FCの一部過加熱を防止する。
At time t5, when the refrigerant temperature at the outlet of the fuel cell FC (detected value of the temperature sensor 62) reaches a predetermined temperature T2 (warm-up completion temperature), the
そして、残留水排出後の時刻t6において、遮断弁44aを閉じることにより、触媒燃焼器47への水素の供給が停止し、循環ポンプ34が停止する。なお、このとき、触媒燃焼器47に空気を供給して、触媒燃焼器47を冷却する。
At time t6 after discharging the residual water, the
なお、時刻t6では、遮断弁14を開いて燃料電池FCのアノードに水素を供給し、エアコンプレッサ23を駆動してカソードに空気を供給する。これにより、燃料電池FCの開放端電圧が上昇し、開放端電圧が所定電圧に至ったときの時刻t7において、図示しないコンタクタを接続することで燃料電池FCと前記外部負荷とを接続して、発電を開始する。
At time t6, the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、排気ガス温度を露天温度以下となるように制御することにより、排気ガス中に含まれる水蒸気が水(液滴)へと凝縮し、そのときに発生する凝縮熱を暖機に利用することができる。これにより、水素使用量に対する燃料電池への熱の受け渡し効率が向上し、水素の燃料消費効率が向上して暖機に使用する際の水素量を削減することが可能になる。 As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, the water vapor contained in the exhaust gas is condensed into water (droplets) by controlling the exhaust gas temperature to be the outdoor temperature or less. The heat of condensation generated at that time can be used for warming up. As a result, the efficiency of heat transfer to the fuel cell with respect to the amount of hydrogen used is improved, the fuel consumption efficiency of hydrogen is improved, and the amount of hydrogen when used for warm-up can be reduced.
また、本実施形態によれば、排気ガスの温度が凝固点以上となるように制御することで、排気ガス中の水蒸気が氷になって触媒での触媒反応が損なわれるといった事象を回避することが可能になる。その結果、触媒燃焼器47が運転できなくなる事象を回避することができる。 Further, according to the present embodiment, by controlling the temperature of the exhaust gas to be equal to or higher than the freezing point, it is possible to avoid an event that water vapor in the exhaust gas becomes ice and the catalytic reaction in the catalyst is impaired. It becomes possible. As a result, an event that the catalytic combustor 47 cannot be operated can be avoided.
また、本実施形態によれば、冷媒量を制御することにより、触媒燃焼器47に供給される混合ガス(反応ガス)の流量を変更することなく排気ガス温度を制御できるため、触媒燃焼器47において触媒反応に好適な混合ガス量を供給した状態で排気ガス温度を制御できる。 Further, according to the present embodiment, by controlling the amount of refrigerant, the exhaust gas temperature can be controlled without changing the flow rate of the mixed gas (reactive gas) supplied to the catalytic combustor 47. The exhaust gas temperature can be controlled in a state in which the amount of mixed gas suitable for the catalytic reaction is supplied.
また、本実施形態によれば、循環ポンプ34の回転速度限界などによって冷媒量を増やせない状態においても、混合ガス量を減少させることにより排気ガス温度を制御することが可能になる。なお、本実施形態では、冷媒量と混合ガス量とを制御する場合を例に挙げて説明したが、混合ガス量のみで制御するようにしてもよい。
Further, according to the present embodiment, the exhaust gas temperature can be controlled by decreasing the mixed gas amount even in a state where the refrigerant amount cannot be increased due to the rotational speed limit of the
また、本実施形態によれば、暖機完了後に排気ガス温度を露点温度以上に制御することで、水(液滴)が発生して触媒燃焼器47内部に水が溜まるのを防止するとともに、内部の残留水を積極的に気化させて外部に排出することが可能になる。その結果、残留水が蒸発して水蒸気となって触媒に吸着され、触媒の活性が低下するのを防止することができる。 In addition, according to the present embodiment, the exhaust gas temperature is controlled to be equal to or higher than the dew point temperature after the warm-up is completed, thereby preventing water (droplets) from being generated and collecting water in the catalyst combustor 47, and Residual water inside can be actively vaporized and discharged outside. As a result, it is possible to prevent the residual water from evaporating and becoming water vapor and adsorbed on the catalyst, thereby reducing the activity of the catalyst.
1 燃料電池システム
10 アノード系
13 水素タンク
20 カソード系
23 エアコンプレッサ
24 背圧弁
30 冷却系
32 ラジエータ
33 切替弁
34 循環ポンプ
40 暖機系
42 酸化ガス流量制御弁
45 水素インジェクタ
46 混合器
47 触媒燃焼器
47a 燃焼部
47b 熱交換部
50 希釈系
51 希釈器
60 制御系
62 温度センサ
63 温度センサ(温度検出手段)
64 流量センサ
65 温度センサ
66 湿度センサ
67 圧力センサ
61 制御装置(露点温度算出手段、露点温度判定手段、排気ガス温度制御手段、凝固点温度判定手段、冷媒流量上限検知手段、燃料電池暖機完了判定手段)
FC 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
64
FC fuel cell
Claims (6)
反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムであって、
前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記排気ガスの露点温度を算出する露点温度算出手段と、
前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定する露点温度判定手段と、
前記露点温度判定手段により前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行う排気ガス温度制御手段と、を有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 reaction of the reaction gas; and
A catalytic combustor that is supplied with a reaction gas and heats the refrigerant by a catalytic reaction, and supplies the refrigerant heated by the catalytic combustor to the fuel cell when the fuel cell is started up. A fuel cell system that promotes warm-up of
Temperature detecting means for detecting the temperature of exhaust gas discharged from the catalytic combustor;
Dew point temperature calculating means for calculating a dew point temperature of the exhaust gas;
Dew point temperature determining means for determining whether the temperature of the exhaust gas is equal to or lower than the dew point temperature;
Exhaust gas temperature control means for controlling the exhaust gas temperature to be equal to or lower than the dew point temperature when the dew point temperature determination means determines that the temperature of the exhaust gas is not equal to or lower than the dew point temperature. .
前記排気ガス温度制御手段は、前記凝固点温度判定手段により前記排気ガスが凝固する温度以上でないと判定された際には、排気ガスを凝固する温度以上となるように制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A freezing point temperature determining means for determining whether the temperature of the exhaust gas is equal to or higher than a temperature at which the exhaust gas is solidified;
The exhaust gas temperature control means controls the exhaust gas so as to be equal to or higher than a temperature at which the exhaust gas is solidified when it is determined by the freezing point temperature determination means that the temperature is not higher than the temperature at which the exhaust gas is solidified. The fuel cell system according to claim 1.
前記排気ガス温度制御手段は、前記冷媒流量上限検知手段により冷媒の流量を増加できないと判定された場合には、前記触媒燃焼器に供給される反応ガスの流量を減少させることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 Refrigerant flow rate upper limit detecting means for detecting the upper limit of the flow rate of the refrigerant,
The exhaust gas temperature control means reduces the flow rate of the reaction gas supplied to the catalytic combustor when it is determined by the refrigerant flow rate upper limit detection means that the flow rate of the refrigerant cannot be increased. Item 4. The fuel cell system according to Item 3.
前記排気ガス温度制御手段は、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了したと判定された際には、前記排気ガスの温度を露点温度以上となるように制御を行うことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A fuel cell warm-up completion judging means for judging whether or not the warm-up of the fuel cell is completed,
The exhaust gas temperature control means controls the exhaust gas temperature to be equal to or higher than a dew point temperature when the fuel cell warm-up completion judging means judges that the fuel cell warm-up is completed. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is provided.
反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムの制御方法であって、
前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出するステップと、
前記排気ガスの露点温度を算出するステップと、
前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定するステップと、
前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行うステップと、を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
A fuel cell that generates electricity by reaction of the reaction gas; and
A catalytic combustor that is supplied with a reaction gas and heats the refrigerant by a catalytic reaction, and supplies the refrigerant heated by the catalytic combustor to the fuel cell when the fuel cell is started up. A control method for a fuel cell system that promotes warm-up of the vehicle,
Detecting the temperature of the exhaust gas discharged from the catalytic combustor;
Calculating a dew point temperature of the exhaust gas;
Determining whether the temperature of the exhaust gas is equal to or lower than the dew point temperature;
And a step of controlling the exhaust gas so as to be equal to or lower than the dew point when it is determined that the temperature of the exhaust gas is not equal to or lower than the dew point.
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