JP2010262805A - Fuel cell system - Google Patents

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伸和 水野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system for removing more certainly an oxidation gas in a fuel cell at a stage of stopping the fuel cell system. <P>SOLUTION: An oxidation gas supply system ASS in the fuel cell system FCS includes a supply passage AS3 to supply the oxidation gas to the fuel cell FC, an exhaust passage AS4 to discharge oxidation off-gas which has passed the fuel cell FC, a compressor AS2 which sends the oxidation gas through the supply passage AS3, a shut-off valve A1 which is installed in the supply passage AS3, and a shut-off valve A2 which is installed in the exhaust passage AS4. After the shut-off valve A2 is closed, the compressor AS2 is reverse-rotated, and the oxidation gas in the fuel cell FC is discharged through the supply passage AS3, the shut-off valve A1 is closed and the compressor AS2 is stopped to stop the system. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

このような燃料電池システムの一つとして下記特許文献1に記載のシステムが提案されている。下記特許文献1に記載の燃料電池システムは、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、燃料電池から酸化オフガスを排出する酸化ガス排出流路と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料ガス排出流路とを備えている。そして、酸化ガス排出流路と燃料ガス排出流路との合流点の下流に弁が設けられている。この弁を閉じた状態で、酸化ガスを燃料電池に送り込むコンプレッサを逆回転させて、燃料電池内を減圧して酸化ガスの残留を防止している。   As one of such fuel cell systems, a system described in Patent Document 1 below has been proposed. The fuel cell system described in Patent Document 1 below provides an oxidizing gas supply channel that supplies an oxidizing gas to the fuel cell, an oxidizing gas discharge channel that discharges the oxidizing off-gas from the fuel cell, and supplies the fuel gas to the fuel cell. A fuel gas supply flow path and a fuel gas discharge flow path for discharging fuel off-gas from the fuel cell are provided. A valve is provided downstream of the junction of the oxidizing gas discharge channel and the fuel gas discharge channel. With this valve closed, the compressor for sending the oxidizing gas to the fuel cell is rotated in reverse to reduce the pressure in the fuel cell to prevent the oxidizing gas from remaining.

特開2008−34127号公報JP 2008-34127 A

従来の技術では、上記弁を閉じてコンプレッサを逆回転させて酸化ガスを吸い出しているので、燃料電池内には酸化ガスが残らず、触媒劣化に一定の効果を奏するものである。しかしながら上記弁は、酸化ガス排出流路と燃料ガス排出流路との合流点の下流に設けられているものであって、燃料電池側から見れば出口側の弁である。そのため、その弁を閉じて燃料電池内の酸化ガスを吸い出したとしても、酸化ガス供給流路側から酸化ガスとしての空気が流入する可能性があり、未だ改善の余地があったものである。   In the prior art, since the oxidizing valve is sucked out by closing the valve and rotating the compressor in the reverse direction, the oxidizing gas does not remain in the fuel cell, and has a certain effect on catalyst deterioration. However, the valve is provided downstream of the junction of the oxidizing gas discharge channel and the fuel gas discharge channel, and is an outlet valve when viewed from the fuel cell side. Therefore, even if the valve is closed and the oxidizing gas in the fuel cell is sucked out, there is a possibility that air as the oxidizing gas flows from the oxidizing gas supply channel side, and there is still room for improvement.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムの停止段階において、燃料電池内の酸化ガスをより確実に除去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。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of more reliably removing oxidizing gas in the fuel cell when the fuel cell system is stopped. There is.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを有するセルを複数備える燃料電池と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備える燃料電池システムであって、前記酸化ガス供給部は、前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給流路と、前記燃料電池を通過した酸化オフガスを排出する排出流路と、前記供給流路を通して酸化ガスを送出するコンプレッサと、前記供給流路に設けられた第1遮断弁と、前記排出流路に設けられた第2遮断弁とを有し、前記第2遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを逆回転させ、前記燃料電池内の酸化ガスを前記供給流路を通して排出した後に、前記第1遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを停止させてシステムを停止させることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell having a plurality of cells each having an anode and a cathode, a fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the anode, and an oxidizing gas that is supplied to the cathode. An oxidizing gas supply unit for supplying the fuel cell system, wherein the oxidizing gas supply unit discharges the oxidizing off gas that has passed through the fuel cell, a supply flow path for supplying the oxidizing gas to the fuel cell, and A flow path, a compressor for sending oxidizing gas through the supply flow path, a first shut-off valve provided in the supply flow path, and a second shut-off valve provided in the discharge flow path, 2 Close the shutoff valve, reversely rotate the compressor, exhaust the oxidizing gas in the fuel cell through the supply flow path, close the first shutoff valve, and stop the compressor. And wherein the stopping the stem.

本発明では、燃料電池を通過した酸化オフガスを排出する排出流路に設けられている第2遮断弁を閉じ且つコンプレッサを逆回転させているので、燃料電池内から酸化ガスを確実に吸い出すことができる。そして、燃料電池内の酸化ガスを、供給流路を通して排出した後に、遮断弁を閉じ且つコンプレッサを停止させるので、酸化ガスが逆流することなく燃料電池内から酸化ガスを確実に除去した状態をそのまま保つことができ、触媒劣化を防止することができる。更に、カソード側からアノード側への酸化ガスのリークを防止するために、燃料ガス供給部において燃料ガスの供給圧を所定の圧力に保っておく必要がなくなるので、アノード側とカソード側との極間差圧によるセルへの影響を低減することができる。   In the present invention, the second shut-off valve provided in the discharge flow path for discharging the oxidizing off gas that has passed through the fuel cell is closed and the compressor is rotated in the reverse direction, so that the oxidizing gas can be reliably sucked out from the fuel cell. it can. Then, after the oxidizing gas in the fuel cell is discharged through the supply channel, the shut-off valve is closed and the compressor is stopped, so that the state in which the oxidizing gas is reliably removed from the fuel cell without the reverse flow of the oxidizing gas remains as it is. Can be maintained, and catalyst deterioration can be prevented. In addition, in order to prevent leakage of oxidizing gas from the cathode side to the anode side, it is not necessary to maintain the fuel gas supply pressure at a predetermined pressure in the fuel gas supply unit. The influence on the cell due to the differential pressure can be reduced.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の前記カソード側のガス圧力を測定する圧力測定部を備え、前記コンプレッサを逆回転させた後、前記圧力測定部が測定する前記カソード側のガス圧力が所定の閾値圧力となったことを条件として前記コンプレッサを停止させることを特徴とすることも好ましい。この好ましい態様では、燃料電池のカソード側のガス圧力が所定の閾値圧力となったことを条件としてコンプレッサを停止させるので、燃料電池内から酸化ガスを吸い出した状態のガス圧力に閾値圧力を設定することで、燃料電池内から酸化ガスを確実に除去した状態をより的確に把握することができ、その状態を確実に保つことができる。   The fuel cell system according to the present invention further includes a pressure measurement unit that measures the gas pressure on the cathode side of the fuel cell, and the cathode side gas that is measured by the pressure measurement unit after the compressor is rotated in the reverse direction. It is also preferable that the compressor is stopped on condition that the pressure becomes a predetermined threshold pressure. In this preferred embodiment, the compressor is stopped on the condition that the gas pressure on the cathode side of the fuel cell has reached a predetermined threshold pressure, so the threshold pressure is set to the gas pressure in the state where the oxidizing gas is sucked out from the fuel cell. As a result, it is possible to more accurately grasp the state in which the oxidizing gas has been reliably removed from the fuel cell, and the state can be reliably maintained.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記セルの電圧を測定する電圧測定部を備え、前記コンプレッサを逆回転させた後、前記電圧測定部が測定する前記セルの電圧が所定の閾値電圧となったことを条件として前記コンプレッサを停止させることも好ましい。この好ましい態様では、セルの電圧が所定の閾値電圧となったことを条件としてコンプレッサを停止させるので、セルのカソードから酸化ガスが除去されてセルが発電をしなくなった状態の電圧に閾値電圧を設定することで、燃料電池内から酸化ガスを確実に除去した状態をより的確に把握することができ、その状態を確実に保つことができる。   The fuel cell system according to the present invention further includes a voltage measuring unit that measures the voltage of the cell, and after the compressor is rotated in the reverse direction, the voltage of the cell measured by the voltage measuring unit becomes a predetermined threshold voltage. It is also preferable to stop the compressor on the condition. In this preferred embodiment, the compressor is stopped on the condition that the voltage of the cell reaches a predetermined threshold voltage. Therefore, the threshold voltage is set to a voltage in a state where the oxidizing gas is removed from the cathode of the cell and the cell no longer generates power. By setting, it is possible to more accurately grasp the state in which the oxidizing gas has been reliably removed from the fuel cell, and the state can be reliably maintained.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記第1遮断弁を閉じることができず開いたままの状態となった場合であっても、前記コンプレッサを停止させてシステムを停止させることも好ましい。この好ましい態様では、第1遮断弁を閉じることができずに開いたままの状態となる開弁フェール時であっても、触媒劣化を抑制することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, it is also preferable to stop the system by stopping the compressor even when the first cutoff valve cannot be closed and remains open. In this preferred embodiment, the catalyst deterioration can be suppressed even during a valve opening failure in which the first shutoff valve cannot be closed and remains open.

本発明によれば、燃料電池システムの停止段階において、燃料電池内の酸化ガスをより確実に除去することが可能な燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can remove the oxidizing gas in a fuel cell more reliably in the stop stage of a fuel cell system can be provided.

本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which is embodiment of this invention. 図1に示す燃料電池システムの停止制御フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the stop control flow of the fuel cell system shown in FIG.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same components are denoted by the same reference numerals as much as possible in the drawings, and redundant descriptions are omitted.

最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムFCSについて図1を参照しながら説明する。図1は燃料電池システムFCSのシステム構成を示す図である。   First, a fuel cell system FCS mounted on a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of the fuel cell system FCS.

燃料電池システムFCSは、燃料電池FCと、酸化ガス供給系ASS(酸化ガス供給部)と、燃料ガス供給系FSS(燃料ガス供給部)と、電力系ESと、冷却系CSと、コントローラECとを備えている。燃料電池FCは、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ASSは、酸化ガスとしての空気を燃料電池FCに供給するための系である。燃料ガス供給系FSSは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池FCに供給するための系である。電力系ESは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系CSは、燃料電池FCを冷却するための系である。コントローラECは、燃料電池システムFCS全体を統括制御するコントローラである。   The fuel cell system FCS includes a fuel cell FC, an oxidizing gas supply system ASS (oxidizing gas supply unit), a fuel gas supply system FSS (fuel gas supply unit), a power system ES, a cooling system CS, and a controller EC. It has. The fuel cell FC is configured to generate electric power upon receiving a supply of reaction gas (fuel gas, oxidizing gas). The oxidizing gas supply system ASS is a system for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell FC. The fuel gas supply system FSS is a system for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell FC. The power system ES is a system for controlling charge / discharge of power. The cooling system CS is a system for cooling the fuel cell FC. The controller EC is a controller that performs overall control of the entire fuel cell system FCS.

燃料電池FCは、多数のセル(アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池(発電体))を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。本実施形態では、電解質膜と電解質膜の一方の面に設けられたアノードと電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルを複数積層してなるものである。燃料電池FCでは、アノードにおいて(1)式の酸化反応が生じ、カソードにおいて(2)式の還元反応が生じる。燃料電池FC全体としては(3)式の起電反応が生じる。   The fuel cell FC is configured as a solid polymer electrolyte type cell stack in which a large number of cells (a single battery (power generator) including an anode, a cathode, and an electrolyte) are stacked in series. In this embodiment, a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an anode having a fuel flow channel facing the anode A plurality of cells having a side plate and a cathode side plate having an oxidant channel facing the cathode are stacked. In the fuel cell FC, the oxidation reaction of the formula (1) occurs at the anode, and the reduction reaction of the formula (2) occurs at the cathode. The fuel cell FC as a whole undergoes an electromotive reaction of the formula (3).

2→2H++2e- (1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O (2)
2+(1/2)O2→H2O (3)
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

酸化ガス供給系ASSは、酸化ガス流路AS3(供給流路)と酸化オフガス流路AS4(排出流路)とを有している。酸化ガス流路AS3は、燃料電池FCのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路AS4は、燃料電池FCから排出される酸化オフガスが流れる流路である。   The oxidizing gas supply system ASS has an oxidizing gas flow path AS3 (supply flow path) and an oxidizing off gas flow path AS4 (discharge flow path). The oxidizing gas flow path AS3 is a flow path through which oxidizing gas supplied to the cathode of the fuel cell FC flows. The oxidation off gas flow path AS4 is a flow path through which the oxidation off gas discharged from the fuel cell FC flows.

酸化ガス流路AS3には、エアコンプレッサAS2と、加湿器AS5と、遮断弁A1(第1遮断弁)と、圧力センサS6とが設けられている。エアコンプレッサAS2は、フィルタAS1を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器AS5は、エアコンプレッサAS2により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。遮断弁A1は、燃料電池FCへの酸化ガス供給を遮断するための弁である。   The oxidizing gas flow path AS3 is provided with an air compressor AS2, a humidifier AS5, a shutoff valve A1 (first shutoff valve), and a pressure sensor S6. The air compressor AS2 is a compressor for taking in the oxidizing gas from the atmosphere via the filter AS1. The humidifier AS5 is a humidifier for humidifying the oxidizing gas pressurized by the air compressor AS2. The shutoff valve A1 is a valve for shutting off the oxidizing gas supply to the fuel cell FC.

酸化オフガス流路AS4には、遮断弁A2(第2遮断弁)と、背圧調整弁A3と、加湿器AS5とが設けられている。遮断弁A2は、燃料電池FCからの酸化オフガス排出を遮断するための弁である。背圧調整弁A3は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器AS5は、酸化ガス(ドライガス)と酸化オフガス(ウェットガス)との間で水分交換するためのものとして設けられている。   The oxidation off gas flow path AS4 is provided with a cutoff valve A2 (second cutoff valve), a back pressure adjustment valve A3, and a humidifier AS5. The shut-off valve A2 is a valve for shutting off the oxidizing off-gas discharge from the fuel cell FC. The back pressure adjustment valve A3 is a valve for adjusting the oxidizing gas supply pressure. The humidifier AS5 is provided for exchanging moisture between the oxidizing gas (dry gas) and the oxidizing off gas (wet gas).

燃料ガス供給系FSSは、燃料ガス供給源FS1(ガス貯蔵部)と、燃料ガス流路FS3と、循環流路FS4と、循環ポンプFS5と、排気排水流路FS6とを有している。燃料ガス流路FS3は、燃料ガス供給源FS1から燃料電池FCのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路FS4は、燃料電池FCから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路FS3に帰還させるための流路である。循環ポンプFS5は、循環流路FS4内の燃料オフガスを燃料ガス流路FS3に圧送するポンプである。排気排水流路FS6は、循環流路FS4に分岐接続される流路である。   The fuel gas supply system FSS has a fuel gas supply source FS1 (gas storage unit), a fuel gas flow path FS3, a circulation flow path FS4, a circulation pump FS5, and an exhaust drainage flow path FS6. The fuel gas channel FS3 is a channel through which the fuel gas supplied from the fuel gas supply source FS1 to the anode of the fuel cell FC flows. The circulation flow path FS4 is a flow path for returning the fuel off-gas discharged from the fuel cell FC to the fuel gas flow path FS3. The circulation pump FS5 is a pump that pressure-feeds the fuel off-gas in the circulation flow path FS4 to the fuel gas flow path FS3. The exhaust drainage channel FS6 is a channel that is branched and connected to the circulation channel FS4.

燃料ガス供給源FS1は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(例えば、35MPa〜70MPa)の水素ガスを貯蔵するものである。本実施形態の場合は、高圧水素タンクによって構成されている。尚、燃料ガス供給源FS1は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。遮断弁H1を開くと、燃料ガス供給源FS1から燃料ガス流路FS3に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータH2やインジェクタFS2により、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池FCに供給される。   The fuel gas supply source FS1 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores high-pressure (for example, 35 MPa to 70 MPa) hydrogen gas. In the case of this embodiment, it is comprised by the high pressure hydrogen tank. The fuel gas supply source FS1 includes a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high pressure state. It may be configured. When the shutoff valve H1 is opened, the fuel gas flows out from the fuel gas supply source FS1 to the fuel gas flow path FS3. The fuel gas is decompressed to, for example, about 200 kPa by the regulator H2 and the injector FS2, and supplied to the fuel cell FC.

燃料ガス流路FS3には、遮断弁H1と、レギュレータH2と、インジェクタFS2と、遮断弁H3と、圧力センサS4とが設けられている。遮断弁H1は、燃料ガス供給源FS1からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータH2は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタFS2は、燃料電池FCへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁H3は、燃料電池FCへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。   The fuel gas flow path FS3 is provided with a cutoff valve H1, a regulator H2, an injector FS2, a cutoff valve H3, and a pressure sensor S4. The shutoff valve H1 is a valve for shutting off or allowing the supply of the fuel gas from the fuel gas supply source FS1. The regulator H2 adjusts the pressure of the fuel gas. The injector FS2 controls the amount of fuel gas supplied to the fuel cell FC. The shutoff valve H3 is a valve for shutting off the fuel gas supply to the fuel cell FC.

レギュレータH2は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタFS2の上流側にレギュレータH2を配置することにより、インジェクタFS2の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタFS2の機械的構造(弁体、筺体、流路、駆動装置等)の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタFS2の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタFS2の弁体が移動し難くなることを抑制することもできる。   The regulator H2 is a device that regulates the upstream side pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure, and includes, for example, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure. The mechanical pressure reducing valve has a housing in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. It has a configuration for the next pressure. By arranging the regulator H2 on the upstream side of the injector FS2, the upstream pressure of the injector FS2 can be effectively reduced. For this reason, the design freedom of mechanical structure (a valve body, a housing, a flow path, a drive device, etc.) of injector FS2 can be raised. In addition, it is possible to prevent the valve body of the injector FS2 from becoming difficult to move due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector FS2.

インジェクタFS2は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタFS2は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。   The injector FS2 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and the gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. The injector FS2 moves in an axial direction (gas flow direction) with respect to a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as fuel gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and the nozzle body. And a valve body that is stored and held so as to open and close the injection hole.

インジェクタFS2の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラECから出力される制御信号によってインジェクタFS2のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタFS2は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタFS2のガス流路に設けられた弁体の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。   The valve body of the injector FS2 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and is configured such that the gas injection time and gas injection timing of the injector FS2 can be controlled by a control signal output from the controller EC. Injector FS2 changes downstream by changing at least one of the opening area (opening) and the opening time of the valve provided in the gas flow path of injector FS2 in order to supply the required gas flow rate downstream. The gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the side is adjusted.

循環流路FS4には、遮断弁H4が設けられ、排気排水流路FS6が接続されている。排気排水流路FS6には、排気排水弁H5が設けられている。排気排水弁H5は、コントローラECからの指令によって作動することにより、循環流路FS4内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁H5の開弁により、循環流路FS4内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。   The circulation flow path FS4 is provided with a shutoff valve H4, and an exhaust / drain flow path FS6 is connected thereto. An exhaust / drain valve H5 is provided in the exhaust / drain flow path FS6. The exhaust / drain valve H5 is a valve for discharging the fuel off-gas containing impurities in the circulation flow path FS4 and moisture to the outside by operating according to a command from the controller EC. By opening the exhaust / drain valve H5, the concentration of impurities in the fuel off-gas in the circulation flow path FS4 is reduced, and the hydrogen concentration in the fuel off-gas circulating in the circulation system can be increased.

排気排水弁H5を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路AS4を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器(図示せず)によって希釈される。循環ポンプFS5は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池FCに循環供給する。   The fuel off-gas discharged through the exhaust / drain valve H5 is mixed with the oxidizing off-gas flowing through the oxidizing off-gas passage AS4 and diluted by a diluter (not shown). The circulation pump FS5 circulates and supplies the fuel off gas in the circulation system to the fuel cell FC by driving the motor.

電力系ESは、DC/DCコンバータES1と、バッテリES2と、トラクションインバータES3と、トラクションモータES4と、補機類ES5とを備えている。燃料電池システムFCSは、DC/DCコンバータES1とトラクションインバータES3とが並列に燃料電池FCに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。   The power system ES includes a DC / DC converter ES1, a battery ES2, a traction inverter ES3, a traction motor ES4, and auxiliary machinery ES5. The fuel cell system FCS is configured as a parallel hybrid system in which a DC / DC converter ES1 and a traction inverter ES3 are connected to the fuel cell FC in parallel.

DC/DCコンバータES1は、バッテリES2から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータES3に出力する機能と、燃料電池FCが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータES4が回収した回生電力を降圧してバッテリES2に充電する機能とを有する。DC/DCコンバータES1のこれらの機能により、バッテリES2の充放電が制御される。また、DC/DCコンバータES1による電圧変換制御により、燃料電池FCの運転ポイント(出力端子電圧、出力電流)が制御される。燃料電池FCには、電圧センサS1と電流センサS2とが取り付けられている。電圧センサS1は、燃料電池FCの出力端子電圧を検出するためのセンサである。電流センサS2は、燃料電池FCの出力電流を検出するためのセンサである。   The DC / DC converter ES1 boosts the DC voltage supplied from the battery ES2 and outputs it to the traction inverter ES3, and the DC power generated by the fuel cell FC or the regenerative power recovered by the traction motor ES4 by regenerative braking. It has a function of stepping down and charging the battery ES2. The charging / discharging of the battery ES2 is controlled by these functions of the DC / DC converter ES1. Further, the operating point (output terminal voltage, output current) of the fuel cell FC is controlled by voltage conversion control by the DC / DC converter ES1. A voltage sensor S1 and a current sensor S2 are attached to the fuel cell FC. The voltage sensor S1 is a sensor for detecting the output terminal voltage of the fuel cell FC. The current sensor S2 is a sensor for detecting the output current of the fuel cell FC.

バッテリES2は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリES2としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリES2には、SOC(State of charge)を検出するためのSOCセンサS3が取り付けられている。   The battery ES2 functions as a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer during load fluctuations associated with acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle. As the battery ES2, for example, a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is preferable. An SOC sensor S3 for detecting SOC (State of charge) is attached to the battery ES2.

トラクションインバータES3は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータである。トラクションインバータES3は、コントローラECからの制御指令に従って、燃料電池FC又はバッテリES2から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータES4の回転トルクを制御する。トラクションモータES4は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。   The traction inverter ES3 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method. The traction inverter ES3 converts the DC voltage output from the fuel cell FC or the battery ES2 into a three-phase AC voltage according to a control command from the controller EC, and controls the rotational torque of the traction motor ES4. The traction motor ES4 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a power source of the fuel cell vehicle.

補機類ES5は、燃料電池システムFCS内の各部に配置されている各モータ(例えば、ポンプ類などの動力源)、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。   Auxiliary machinery ES5 includes motors (for example, power sources such as pumps) arranged in each part in the fuel cell system FCS, inverters for driving these motors, and various in-vehicle auxiliary machinery ( For example, an air compressor, an injector, a cooling water circulation pump, a radiator, etc.) are collectively referred to.

冷却系CSは、ラジエータCS1と、冷却液ポンプCS2と、冷却液往路CS3と、冷却液復路CS4とを有している。ラジエータCS1は、燃料電池FCを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプCS2は、冷却液を燃料電池FCとラジエータCS1との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路CS3は、ラジエータCS1と燃料電池FCとを繋ぐ流路であって、冷却液ポンプCS2が設けられている。冷却液ポンプCS2が駆動することで、冷却液はラジエータCS1から燃料電池FCへと冷却液往路CS3を通って流れる。冷却液復路CS4は、燃料電池FCとラジエータCS1とを繋ぐ流路であって、水温センサS5が設けられている。冷却液ポンプCS2が駆動することで、燃料電池FCを冷却した冷却液はラジエータCS1へと還流する。   The cooling system CS includes a radiator CS1, a coolant pump CS2, a coolant forward path CS3, and a coolant return path CS4. The radiator CS1 radiates and cools the coolant for cooling the fuel cell FC. The coolant pump CS2 is a pump for circulating the coolant between the fuel cell FC and the radiator CS1. The coolant forward path CS3 is a channel connecting the radiator CS1 and the fuel cell FC, and is provided with a coolant pump CS2. When the coolant pump CS2 is driven, the coolant flows from the radiator CS1 to the fuel cell FC through the coolant forward path CS3. The coolant return path CS4 is a flow path connecting the fuel cell FC and the radiator CS1, and is provided with a water temperature sensor S5. When the coolant pump CS2 is driven, the coolant that has cooled the fuel cell FC returns to the radiator CS1.

コントローラECは、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムFCSの各部を制御するものである。例えば、コントローラECは、イグニッションスイッチから出力される起動信号IGを受信すると、燃料電池システムFCSの運転を開始する。その後、コントローラECは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ACCや、車速センサから出力される車速信号VCなどを基に、燃料電池システムFCS全体の要求電力を求める。燃料電池システムFCS全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。   The controller EC is a computer system including a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls each part of the fuel cell system FCS. For example, the controller EC starts the operation of the fuel cell system FCS when receiving the start signal IG output from the ignition switch. Thereafter, the controller EC obtains the required power of the entire fuel cell system FCS based on the accelerator opening signal ACC output from the accelerator sensor, the vehicle speed signal VC output from the vehicle speed sensor, and the like. The required power of the entire fuel cell system FCS is the total value of the vehicle travel power and the auxiliary power.

ここで、補機電力には、車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。   Here, auxiliary electric power includes electric power consumed by in-vehicle auxiliary equipment (humidifier, air compressor, hydrogen pump, cooling water circulation pump, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmission, wheel control device, steering) Power consumed by devices, suspension devices, etc.), power consumed by devices (air conditioners, lighting equipment, audio, etc.) disposed in the passenger space, and the like.

そして、コントローラECは、燃料電池FCとバッテリES2とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラECは、燃料電池FCの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ASS及び燃料ガス供給系FSSを制御するとともに、DC/DCコンバータES1を制御して、燃料電池FCの運転ポイント(出力端子電圧、出力電流)を制御する。更に、コントローラECは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、U相、V相、及びW相の各交流電圧指令値をトラクションインバータES3に出力し、トラクションモータES4の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラECは、冷却系CSを制御して燃料電池FCが適切な温度になるように制御する。   Then, the controller EC determines the distribution of output power between the fuel cell FC and the battery ES2. The controller EC controls the oxidizing gas supply system ASS and the fuel gas supply system FSS so that the power generation amount of the fuel cell FC matches the target power, and also controls the DC / DC converter ES1 to operate the fuel cell FC. Control points (output terminal voltage, output current). Further, the controller EC outputs, for example, each U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command value to the traction inverter ES3 as a switching command so as to obtain a target torque corresponding to the accelerator opening, Controls the output torque and rotation speed of the motor ES4. Further, the controller EC controls the cooling system CS so that the fuel cell FC has an appropriate temperature.

上述した燃料電池システムFCSを運転状態から停止する場合の制御フローについて図2を参照しながら説明する。図2は、燃料電池システムFCSを運転状態から停止する場合の制御フローを示すフローチャートである。   A control flow for stopping the above-described fuel cell system FCS from the operating state will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing a control flow when the fuel cell system FCS is stopped from the operating state.

ステップS01では、酸化オフガス流路AS4に設けられている遮断弁A2を閉じる。このように遮断弁A2を閉じることで、燃料電池FCに対して酸化ガスとしての空気の出入り口の一方を閉鎖する。   In step S01, the shutoff valve A2 provided in the oxidizing off gas flow path AS4 is closed. By closing the shutoff valve A2 in this way, one of the air inlet / outlet ports as the oxidizing gas is closed with respect to the fuel cell FC.

ステップS02では、酸化ガス流路AS3に設けられているエアコンプレッサAS2を逆回転する。エアコンプレッサAS2は順回転をすると、燃料電池FCに空気を送り込むように構成されているので、逆回転することで燃料電池FCから空気を吸い出すことができる。ステップS01で既に遮断弁A2が閉じられているので、燃料電池FC内からは空気が減少し、エアコンプレッサAS2が逆回転している間はその状態が継続する。   In step S02, the air compressor AS2 provided in the oxidizing gas flow path AS3 is reversely rotated. Since the air compressor AS2 is configured to send air to the fuel cell FC when it rotates forward, air can be sucked out of the fuel cell FC by rotating in reverse. Since the shutoff valve A2 has already been closed in step S01, air is reduced from within the fuel cell FC, and this state continues while the air compressor AS2 rotates in the reverse direction.

ステップS03では、燃料電池FC内から空気が除去されたエア抜き完了条件が満たされたか判断する。エア抜き完了条件が満たされなければ、エアコンプレッサAS2の逆回転を係属しステップS03の判断を繰り返す。エア抜き完了条件が満たされれば、ステップS04の処理に進む。   In step S03, it is determined whether the air bleeding completion condition for removing air from the fuel cell FC is satisfied. If the air bleed completion condition is not satisfied, the reverse rotation of the air compressor AS2 is involved and the determination in step S03 is repeated. If the air bleeding completion condition is satisfied, the process proceeds to step S04.

エア抜き完了条件とは、燃料電池FC内の酸化ガスとしての空気が排出されたことを確定できる条件である。例えば、燃料電池FC内のカソード側のガス圧力が所定の閾値圧力まで下がったことで、エア抜きが完了したものとし、エア抜き完了条件が満たされたと判断することも好ましい。より具体的には、酸化ガス流路AS3に設けられている圧力センサS6が測定する圧力値が所定の圧力閾値となった場合に、エア抜き完了条件が満たされたと判断する。   The air bleeding completion condition is a condition that can determine that the air as the oxidizing gas in the fuel cell FC has been discharged. For example, it is also preferable that the air bleeding is completed when the cathode side gas pressure in the fuel cell FC is lowered to a predetermined threshold pressure, and it is determined that the air bleeding completion condition is satisfied. More specifically, when the pressure value measured by the pressure sensor S6 provided in the oxidizing gas flow path AS3 reaches a predetermined pressure threshold, it is determined that the air bleeding completion condition is satisfied.

また、燃料電池FC内のセルの電圧が所定の閾値電圧まで下がったことで、エア抜きが完了したものとし、エア抜き完了条件が満たされたと判断することも好ましい。より具体的には、電圧センサS1が測定する燃料電池FCの出力端子電圧が所定の電圧閾値となった場合に、エア抜き完了条件が満たされたと判断する。燃料電池FC内から酸化ガスが無くなれば、発電を行うことができないのでセル電圧は0Vになる。各セル電圧を測定することも想定されるけれども、各セルにおいて発電が行わなければ出力端子電圧も0Vとなるはずであるので、出力端子電圧によって判断してもセル電圧を直接測定した判断しても同様である。尚、各セル電圧を個々に測定する場合には、そのための電圧センサを設けることが必要となる。   In addition, it is also preferable that the air bleeding is completed and the air bleeding completion condition is satisfied because the voltage of the cell in the fuel cell FC has dropped to a predetermined threshold voltage. More specifically, when the output terminal voltage of the fuel cell FC measured by the voltage sensor S1 reaches a predetermined voltage threshold, it is determined that the air bleeding completion condition is satisfied. If the oxidizing gas is exhausted from the fuel cell FC, power generation cannot be performed, so the cell voltage becomes 0V. Although it is assumed that each cell voltage is measured, if power generation is not performed in each cell, the output terminal voltage should be 0 V. Therefore, even if it is determined by the output terminal voltage, it is determined by directly measuring the cell voltage. Is the same. In addition, when measuring each cell voltage individually, it is necessary to provide the voltage sensor for it.

また、燃料電池FC及びエアコンプレッサAS2の仕様が決まっていれば、エアコンプレッサAS2の逆回転を開始してから所定の時間が経過したことで、エア抜きが完了したものと判断することも好ましい。   Further, if the specifications of the fuel cell FC and the air compressor AS2 are determined, it is also preferable to determine that the air bleeding has been completed when a predetermined time has elapsed since the reverse rotation of the air compressor AS2 is started.

ステップS04では、酸化ガス流路AS3に設けられている遮断弁A1を閉じる。既に酸化オフガス流路AS4に設けられている遮断弁A2が閉じられているので、このように遮断弁A1を閉じることで、燃料電池FCに対して酸化ガスとしての空気の出入り口の双方を閉鎖することになり、燃料電池FCに対して酸化ガスとしての空気が入ることを確実に防止でき、触媒劣化を防止できる。   In step S04, the shutoff valve A1 provided in the oxidizing gas flow path AS3 is closed. Since the shutoff valve A2 already provided in the oxidation off gas flow path AS4 is closed, closing the shutoff valve A1 in this way closes both the inlet / outlet of air as the oxidizing gas with respect to the fuel cell FC. As a result, it is possible to reliably prevent air as an oxidizing gas from entering the fuel cell FC, and to prevent catalyst deterioration.

ステップS05では、エアコンプレッサAS2を停止させる。尚、本実施形態の説明では、遮断弁A1を閉じる動作と、エアコンプレッサAS2を停止させる動作とを別のステップで説明したけれども、この二つの動作タイミングは略同時なものとしても構わない。   In step S05, the air compressor AS2 is stopped. In the description of the present embodiment, the operation of closing the shutoff valve A1 and the operation of stopping the air compressor AS2 have been described in different steps, but the two operation timings may be substantially simultaneous.

また、本実施形態の説明では、ステップS01における遮断弁A2を閉じる動作と、ステップS02におけるエアコンプレッサAS2を逆回転させる動作とを別のステップで説明したけれども、この二つの動作タイミングは略同時なものとしても構わない。更に、エアコンプレッサAS2の動力損を考慮すれば、ステップS01とステップS02とを入れ替えて、エアコンプレッサAS2を逆回転させた後に遮断弁A2を閉じることも好ましい。
また、本実施形態では、遮断弁A1,A2は、電磁弁であってノーマル位置がオープンの弁を用いている。このようにノーマルオープンタイプの電磁弁を用いることで、システム部品のフェール時において燃料電池システムFCSの運転ができなくなってしまうことを防止している。また、上記ステップS04において遮断弁A1を閉じることができなくなっても、ステップS05のエアコンプレッサAS2を停止させることで、完全ではないものの燃料電池FC内の酸化ガス除去ができるので、触媒劣化を抑制することができる。
In the description of the present embodiment, the operation of closing the shutoff valve A2 in step S01 and the operation of reversely rotating the air compressor AS2 in step S02 have been described in separate steps, but these two operation timings are substantially simultaneous. It does n’t matter. Furthermore, considering the power loss of the air compressor AS2, it is also preferable to replace step S01 and step S02 and close the shutoff valve A2 after the air compressor AS2 is rotated in reverse.
In the present embodiment, the shutoff valves A1 and A2 are solenoid valves that are open at the normal position. By using the normally open type solenoid valve in this way, it is possible to prevent the fuel cell system FCS from being disabled during a system component failure. Even if the shutoff valve A1 cannot be closed in step S04, the oxidant gas in the fuel cell FC can be removed by stopping the air compressor AS2 in step S05. can do.

FCS:燃料電池システム
FC:燃料電池
ASS:酸化ガス供給系
AS1:フィルタ
AS2:エアコンプレッサ
AS3:酸化ガス流路
AS4:酸化オフガス流路
AS5:加湿器
A1:遮断弁
A2:遮断弁
A3:背圧調整弁
CS:冷却系
CS1:ラジエータ
CS2:冷却液ポンプ
CS3:冷却液往路
CS4:冷却液復路
FSS:燃料ガス供給系
FS1:燃料ガス供給源
FS2:インジェクタ
FS3:燃料ガス流路
FS4:循環流路
FS5:循環ポンプ
FS6:排気排水流路
H1:遮断弁
H2:レギュレータ
H3:遮断弁
H4:遮断弁
H5:排気排水弁
ES:電力系
ES1:DC/DCコンバータ
ES2:バッテリ
ES3:トラクションインバータ
ES4:トラクションモータ
ES5:補機類
EC:コントローラ
S1:電圧センサ
S2:電流センサ
S3:SOCセンサ
S4,S6:圧力センサ
S5:水温センサ
ACC:アクセル開度信号
IG:起動信号
VC:車速信号
FCS: Fuel cell system FC: Fuel cell ASS: Oxidizing gas supply system AS1: Filter AS2: Air compressor AS3: Oxidizing gas channel AS4: Oxidizing off gas channel AS5: Humidifier A1: Shutoff valve A2: Shutdown valve A3: Back pressure Regulating valve CS: Cooling system CS1: Radiator CS2: Coolant pump CS3: Coolant forward path CS4: Coolant return path FSS: Fuel gas supply system FS1: Fuel gas supply source FS2: Injector FS3: Fuel gas path FS4: Circulation path FS5: Circulation pump FS6: Exhaust drainage flow path H1: Shutoff valve H2: Regulator H3: Shutoff valve H4: Shutoff valve H5: Exhaust drainage valve ES: Power system ES1: DC / DC converter ES2: Battery ES3: Traction inverter ES4: Traction Motor ES5: Auxiliary machinery EC: Controller S1: Voltage sensor S2: Current sensor S3: SOC sensor S4, S6: a pressure sensor S5: the water temperature sensor ACC: accelerator opening signal IG: activation signal VC: vehicle speed signal

Claims (4)

アノードとカソードとを有するセルを複数備える燃料電池と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備える燃料電池システムであって、
前記酸化ガス供給部は、前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給流路と、前記燃料電池を通過した酸化オフガスを排出する排出流路と、前記供給流路を通して酸化ガスを送出するコンプレッサと、前記供給流路に設けられた第1遮断弁と、前記排出流路に設けられた第2遮断弁とを有し、
前記第2遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを逆回転させ、前記燃料電池内の酸化ガスを前記供給流路を通して排出した後に、前記第1遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを停止させてシステムを停止させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising a plurality of cells having an anode and a cathode;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the anode;
An oxidizing gas supply unit for supplying an oxidizing gas to the cathode, and a fuel cell system comprising:
The oxidizing gas supply unit includes a supply channel for supplying an oxidizing gas to the fuel cell, a discharge channel for discharging the oxidizing off-gas that has passed through the fuel cell, a compressor for sending the oxidizing gas through the supply channel, A first cutoff valve provided in the supply flow path, and a second cutoff valve provided in the discharge flow path,
The second shut-off valve is closed, the compressor is rotated in the reverse direction, and after the oxidizing gas in the fuel cell is discharged through the supply flow path, the first shut-off valve is closed and the compressor is stopped to stop the system. A fuel cell system.
前記燃料電池の前記カソード側のガス圧力を測定する圧力測定部を備え、
前記コンプレッサを逆回転させた後、前記圧力測定部が測定する前記カソード側のガス圧力が所定の閾値圧力となったことを条件として前記コンプレッサを停止させる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 pressure measuring unit for measuring a gas pressure on the cathode side of the fuel cell;
2. The compressor according to claim 1, wherein the compressor is stopped on the condition that the gas pressure on the cathode side measured by the pressure measuring unit becomes a predetermined threshold pressure after the compressor is rotated in reverse. Fuel cell system.
前記セルの電圧を測定する電圧測定部を備え、
前記コンプレッサを逆回転させた後、前記電圧測定部が測定する前記セルの電圧が所定の閾値電圧となったことを条件として前記コンプレッサを停止させる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 voltage measuring unit for measuring the voltage of the cell;
2. The fuel cell according to claim 1, wherein after the compressor is rotated in the reverse direction, the compressor is stopped on condition that the voltage of the cell measured by the voltage measuring unit becomes a predetermined threshold voltage. system.
前記第1遮断弁を閉じることができず開いたままの状態となった場合であっても、前記コンプレッサを停止させてシステムを停止させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein even when the first shutoff valve cannot be closed and remains open, the compressor is stopped to stop the system. 3.
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CN114725435A (en) * 2022-04-22 2022-07-08 中国第一汽车股份有限公司 Fuel cell air supply system and control method and control device thereof

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