JP2012099445A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】制御部が、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、キャッチタンク27に設けられた水位センサ27a又は27bによって検出又は推定された水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、ドレイン弁26を開の状態に切り替えてキャッチタンク27に貯留された水を排出させることを特徴とする。また、キャッチタンク27が角度θだけ傾斜した場合には、傾斜角度θに応じて補正後水排出基準水位及び補正後水位を求めて前記判定を行う。
【選択図】図5
Description
本発明の第1実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システム1は、燃料電池車(移動体:図13参照)に搭載されている。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、冷媒系40、制御系50等によって構成されている。
燃料電池10は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)であり、図示しない膜/電極接合体 (Membrane Electrode Assembly:MEA)を一対の導電性のセパレータ(図示せず)で挟持してなる単セル(図示せず)が複数積層されて構成されている。膜/電極接合体は、図示しない電解質膜(Proton Exchange Membrane:PEM)、これを挟持するアノード(図示せず)およびカソード(図示せず)、さらにその外側にガス拡散層である一対のカーボンペーパ(図示せず)等を備えて構成されている。
アノード系20は、水素タンク21、電磁作動式の遮断弁22、エゼクタ23、パージ弁24、アノードエア排出弁25、ドレイン弁26、キャッチタンク27、希釈ボックス28、水素ポンプ29、配管a1〜a11等で構成されている。
水素タンク21は、配管a1を介して遮断弁22と接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。遮断弁22は配管a2を介してエゼクタ23と接続され、その開閉により、水素タンク21から配管a1を介した水素の供給を調整する。
エゼクタ23は、配管a3を介して燃料電池10のアノード側の流路10aの入口と接続されている。エゼクタ23は、水素タンク21から供給された水素を図示しないノズルから噴射することによりノズルの周囲に負圧を発生させて、アノード側の流路10aの出口から排出された未反応の水素を吸引するように構成されている。
パージ弁24は、配管a6から分岐した配管a7に接続され、配管a8を介して希釈ボックス28と接続されている。パージ弁24は、その開閉により、循環経路(配管a3、流路10a、配管a4、a6)に蓄積した不純物を、希釈ボックス28を介して外部(車外)に排出する機能を有する。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を介してアノード側に透過した窒素や水分等である。
ドレイン弁26は、配管a10を介してキャッチタンク27の下部と接続され、配管a11を介して希釈ボックス28と接続されている。ドレイン弁26は、開弁することによりキャッチタンク27に貯留された水を希釈ボックス28を介して外部(車外)に排出する機能を有する。
希釈ボックス28は、配管a8、a9を介して流入する不純物を希釈し、その濃度を低下させる機能を有する。
水素ポンプ29は、燃料電池10の運転停止後に、水分パージを行う必要があると判定された場合に作動させ、循環経路(配管a3、流路10a、配管a4、a6)に溜まった水をキャッチタンク27に追い込むために、上記循環経路内のオフガスに所定の圧力をかける。また、水素ポンプ29は、運転時においてはエゼクタ23を補助するように作動される。なお、水素ポンプ29は必須の構成ではないので省略可能である。
カソード系30は、エアコンプレッサ31、背圧制御弁32、アノードエア導入弁33、配管b1〜b4等で構成されている。エアコンプレッサ31は配管b1と接続されており、外気を圧縮した空気を燃料電池10に供給する。
背圧制御弁32は、配管b2を介して燃料電池10のカソード側の流路10bの出口と接続されており、燃料電池10のカソードに供給されるカソード圧力を調整するものである。アノードエア導入弁33は、一方は配管b1から分岐した配管b3に接続され、他方は配管b4を介して配管a3に接続される。アノードエア導入弁33は、その開閉により、外部から導入する空気の量を調整する。
冷媒系40は、ラジエタ41、冷却水ポンプ42、配管c1〜c3等で構成されている。ラジエタ41は、配管c1を介して流路10cの出口と接続され、配管c2を介して冷却水ポンプ42に接続されている。ラジエタ41は、外気との間で熱交換を行うものであり、冷媒を介して燃料電池10を放熱させる機能を有する。
冷却水ポンプ42は、配管c2を介してラジエタ41と接続され、配管c3を介して流路10cの入口と接続されている。冷却水ポンプ42は、所定の圧力をかけることによって、配管c1、c2、c3中の冷却水を循環させる機能を有する。
制御系50は、制御装置51、傾斜センサ52、温度センサ(図示せず)等によって構成される。
制御装置51は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、プログラムを記憶したROM(Read Only Memory)等で構成され、遮断弁22、パージ弁24およびアノードエア排出弁25、ドレイン弁26、アノードエア導入弁33を開閉制御し、エアコンプレッサ31及び冷却水ポンプ42の各モータ(図示せず)の回転速度、背圧制御弁32の弁開度等を制御する。また、制御装置51は温度センサ(図示せず)によって検出された、配管a5を通過するオフガス、配管b2を通過するオフガス、配管c1を通過する冷媒の温度等をそれぞれ監視する。
制御装置51は、水排出制御部511、水排出判断補正部512、傾斜角度取得部513を備えるが、これらについての説明は後述する。
図2は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池、キャッチタンク、エゼクタ、ドレイン弁、水素ポンプ及びこれらを接続する配管を示す図であり、(a)は発電停止直後に燃料ガスが還流する様子を示した図、(b)はソーク時において燃料電池内の結露水がキャッチタンクに貯留する様子を示した図である。
そうすると、図2(b)に示すように、キャッチタンク27に貯留された水の水量が増加し、発電停止直後はh1であった水位がソーク状態に入ってから所定時間経過後にはh2(ここで、h2>h1である。)となる。そして、さらに水位が上昇してh3(ここで、h3>h2である。)となった場合には、燃料電池システム1が次回起動する際のOCVパージ時において、次のような事態が発生することが考えられる。すなわち、キャッチタンク27に貯留された水が、気流に同伴してエゼクタ方向にまわることによってフラッディング(水過多状態)が発生するという事態である。したがって、燃料電池システム1の起動安定性を担保するため、キャッチタンク27に貯留された水の水位が所定の基準水位に達している場合には、キャッチタンク27に貯留された水を排出する必要がある。
図3は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水排出制御処理の流れを示すフローチャートであり、(a)はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、(b)は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
まず、図3(a)を参照しつつ、ソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合の水排出制御処理の流れを説明する。ステップS101において、燃料電池システム1の制御装置51に内蔵された図示しない所定時間間隔でのシステム健全性監視機能(RTC(real-time clock)監視)が、ソーク中に稼動する。ステップS102において制御装置51は、燃料電池システム1が停止してから所定時間T1が経過したか否かを判断する。ステップS102において燃料電池システム1が停止してから所定時間T1が経過した場合には(ステップS102→Yes)、ステップS103に進む。ステップS102において燃料電池システム1が停止してから所定時間T1が経過していない場合には(ステップS102→No)、ステップS102にリターンする。
水位Aが水排出基準水位B以上である場合には(ステップS103→Yes)、水排出制御処理を行い(ステップS104)、終了する。水位Aが水排出基準水位B未満である場合には(ステップS103→No)、水排出制御処理を行わず、そのまま終了する。
ただし、図3(b)において、ステップS203の水排出制御処理とステップS204のOCVチェックとを並行して行ってもよい。
ステップS104aにおいて制御装置51の水排出制御部511(図1参照)は、アノード循環経路(配管a3、流路10a、配管a4、a6:図1参照)に溜まった水をキャッチタンク27に追い込むため、水素ポンプ29(図2参照)を作動させる。このときに生じる圧力によって循環流路内のガスは、配管a6、a3、流路10a、配管a4の順に流れて、循環流路内の水分をキャッチタンク27に追い込む。次にステップS104bにおいて水排出制御部511は、ドレイン弁26(図2参照)を閉状態から開状態に切り替え、キャッチタンク27(図2参照)に貯留された水を排出する。ステップS104cにおいて水排出制御部511は、キャッチタンク27に設置された水位センサ(図示せず)によって検出された水位Aが所定値C以下であるか否かを判断する。ステップS104cにおいて水位Aが所定値C以下であった場合(ステップS104c→Yes)、制御装置51はドレイン弁26を開状態から閉状態に切り替えて(ステップS104d)、水排出処理を終了する。ステップS104cにおいて水位Aが所定値Cより大きい場合(ステップS104c→No)、ステップS104aにリターンする。
なお、上記のステップS104aにおいて、エアコンプレッサ31(図1参照)を駆動させ、アノードエア導入弁33(図1参照)及びアノードエア排出弁25(図1参照)を閉状態から開状態に切り替えることにより、アノード掃気を行ってもよい。
また、上記ではステップS104aにおいて水素ポンプ29又はエアコンプレッサ31を作動させて、気流によりキャッチタンク27に水を追い込む例を示したが、気流を作らずとも重力によって水分をキャッチタンク27に落下させるようにしてもよい。
したがって、ソーク中に高湿度のアノード系20内で結露によって発生する水滴がキャッチタンク27に過剰に溜まり、次回起動時にキャッチタンク27に貯留された水が気流に同伴して燃料電池10に達し、フラッディングの状態になってしまうという事態を回避することができる。
よって、本実施形態によれば、燃料電池システム1の発電安定性を確保し、スムーズに起動することが可能となる。
次に、本発明に係る第2実施形態について説明する。図5は、水位センサを備えるキャッチタンクに水が貯留される様子を示す図であり、(a)はキャッチタンクが水平の場合であり、(b)はキャッチタンクが傾斜している場合である。
アノード出口から排出されたアノードオフガスは、矢印の方向に配管a4を流れている。キャッチタンク27には、水位センサ27a又は27bが設置されている。実際には水位センサ27a、27bのいずれか一方がキャッチタンク27に設置されているが、ここでは便宜的に水位センサ27a、27bの両方が描かれている。
車両100(図13参照)が水位センサ27aの方向に角度θだけ傾斜した場合、キャッチタンク27は図5(a)の水平状態から図5(b)の傾斜状態となる。図5(b)の傾斜状態において、キャッチタンク27は水位センサ27aの方向に角度θだけ傾斜するが、キャッチタンク27に貯留された水の水面は、ほぼ水平な状態を保っている。ここで、車両100の傾斜角度とキャッチタンク27の傾斜角度とは等しいものとする。
なお、図5(b)においてA´はキャッチタンク27に貯留された水の水面が、傾き方向においてキャッチタンク27と接する部分の水位を示している。また、A1は水位センサ27aで検出される水位であり、A2は水位センサ27bで検出される水位である。
つまり、キャッチタンク27が傾斜する角度θが大きいほど水位A´と水排出基準水位B´とが近接することとなる。さらに水位A´が水排出基準水位B´に達すると、燃料電池システム1にフラッディングが生ずる可能性がでてくる。
なお、角度θの導出方法又は確認方法については後述する。
図3で説明した第1実施形態の場合と比べて第2実施形態は傾斜に対する水排出判断補正の処理が追加され、その結果に基づいてその後の比較処理がなされる点が異なるが、その他の部分については第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態の場合と重複する点についてはその説明を省略する。
ステップS303bにおいて水排出判断補正部512は、補正後水位A´を算出する。水位センサ27a又は27bの取付け位置が既知であるため補正後水位A´の値は、水位センサ27a又は27bによって得られる水位A1又はA2と傾斜角度θの値とから算出することができる。
つまり、水排出判断補正の処理は、水位A1又はA2を補正後水位A´(A´≧A1,A2である。)に補正し、水平時の水排出基準水位Bを補正後水排出基準水位B´(B´≦Bである。)に補正し、両者の大小を比較することによって行われる。
図9は、キャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水位との関係を示すグラフである。キャッチタンク27の傾斜角度θが大きくなるにしたがって、補正後水排出基準水位B´の値は小さくなる。
したがって、車両100(図13参照)が傾斜した路面上に停車した場合でも、上記の水排出判断補正を行うことによって次回起動時のフラッディングを回避し、燃料電池システム1の発電安定性を確保してスムーズに起動することが可能となる。
第2実施形態ではキャッチタンク27が傾斜している状態において、キャッチタンク水位と水排出基準水位とを比較することで水排出判断補正を行っていた。これに対し、第3実施形態ではキャッチタンク水量と水排出基準水量とを比較することで水排出判断補正を行う。
図10は、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、(a)はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、(b)は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
なお、角度θの導出方法又は確認方法については後述する。
図11のステップS503aにおいて水排出判断補正部512(図1参照)は、補正後水排出基準水量を決定する。ここで、キャッチタンク27が水平状態である場合(図5(a)参照)の水排出基準水量をYとし、キャッチタンク27が傾斜した場合(図5(b)参照)の水排出基準水量(補正後水排出基準水量)をY´とする。補正後水排出基準水量Y´は、キャッチタンク27に貯留されている水の水面が図5(b)における補正後水排出基準水位B´を与える点にかかっている場合の水量である。
キャッチタンク27の形状、所定距離L(図5(b)参照)、及び水位センサ27a、27bの取付け位置は既知であるため、補正後水排出基準水量Y´は傾斜角度θによって決まる。
図12はキャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水量との関係を示すグラフである。
図12に示すようにキャッチタンク27の傾斜角度θが大きくなるにつれて、補正後の水排出基準水量Y´の値は小さくなる。
したがって、車両100(図13参照)が傾斜した路面上に停車した場合でも、上記の水排出判断補正を行うことによって次回起動時のフラッディングを回避し、燃料電池システムの発電安定性を確保してスムーズに起動することが可能となる。
傾斜角度θの導出はさまざまな方法を用いて行うことが可能であるが、ここでは主に移動体の走行抵抗等を利用して傾斜角度θを算出する場合について説明する。図13は、傾斜する路面上を移動体が走行する場合の速度、空気抵抗、転がり抵抗、勾配抵抗、接地加重、車両総重量を示すベクトルを表した図である。
車両(移動体)100が水平面から角度θだけ傾斜した路面上を速度Vで走行している場合を考える。傾斜角度θを導出するために、上記速度Vで傾斜路面を走行する車両100の走行抵抗Dを求める。ここで、空気抵抗をA、転がり抵抗をF、勾配抵抗をGとすると、走行抵抗Dは以下のようになる。
D=A+F+G ・・・(式1)
A=μcSV2g ・・・(式2)
F=μRWg・cosθ ・・・(式3)
G=Wg・sinθ ・・・(式4)
一方、走行抵抗Dは、以下の式からも求められる。ここで駆動力をJ、余裕駆動力をKとする。
D=J−K ・・・(式5)
J1=MNα/R ・・・(式6)
J2=MN/(αR) ・・・(式7)
K=a(W+I) ・・・(式8)
式(1)、式(5)から、走行抵抗Dを消去すると、以下のようになる。
A+F+G=J−K ・・・(式9)
μcSV2g+μRWg・cosθ+Wg・sinθ=J−K ・・・(式10)
μRcosθ+sinθ={(J−K)/g−μcSV2}/W ・・・(式11)
sinθ={(J−K)/g−μcSV2}/W ・・・(式12)
θ=sin−1[{(J−K)/g−μcSV2}/W] ・・・(式13)
また、傾斜角度θは、例えば傾斜センサ52(図1参照)やGPS情報等からも推定することができる。しかし、傾斜センサ52等を装備した場合、その分だけ車両100の製造コストが高くなる。上記の方法を用いると、車両総重量W等の値の他、車両100の速度及びモータトルク等を得ることができれば傾斜角度θを求めることができるので、車両100の製造コストをより低く抑えることができる。
10 燃料電池
100 車両(移動体)
20 アノード系(アノード)
21 水素タンク
22 遮断弁
23 エゼクタ
24 パージ弁
25 アノードエア排出弁
26 ドレイン弁(水排出手段)
27 キャッチタンク(水貯留部)
27a,27b 水位センサ(水位検出手段)
28 希釈ボックス
29 水素ポンプ
30 カソード系(カソード)
31 エアコンプレッサ
32 背圧制御弁
33 アノードエア導入弁
40 冷媒系
41 ラジエタ
42 冷却水ポンプ
50 制御系
51 制御装置(制御部)
511 水排出制御部(制御部)
512 水排出判断補正部(制御部)
513 傾斜角度取得部(制御部、傾斜角度取得手段)
52 傾斜センサ(傾斜角度取得手段)
a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10,a11,b1,b2,b3,b4,c1,c2,c3 配管
10a,10b,10c 流路
A 水位
A´ 補正後水位
B 水排出基準水位(基準水位)
B´ 補正後水排出基準水位(補正後基準水位)
X 水量(水の体積)
Y´ 補正後水排出基準水量(補正後基準水量)
θ 傾斜角度
Claims (3)
- 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により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスを再度燃料電池に戻す循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記オフガスから分離した水を貯留する水貯留部と、
前記水貯留部に貯留された水の水位を検出又は推定するための水位検出手段と、
前記水貯留部に貯留された水を排出するための水排出手段と、
制御部とを有し、
前記制御部は、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、前記水位検出手段により検出又は推定された前記水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて前記貯留された水を排出させること
を特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記燃料電池システムを搭載した移動体の傾斜角度を取得する傾斜角度取得手段を備え、
前記傾斜角度によって決まる補正後基準水位と、
前記傾斜角度と前記水位検出手段により検出又は推定された水位によって決まる補正後水位と、を比較して前記判定を行うこと
を特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 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により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスを再度燃料電池に戻す循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記オフガスから分離した水を貯留する水貯留部と、
前記水貯留部に貯留された水の水位を検出又は推定するための水位検出手段と、
前記水貯留部に貯留された水を排出するための水排出手段と、
制御部とを有し、
前記制御部は、前記燃料電池システムを搭載した移動体の傾斜角度を取得する傾斜角度取得手段を備え、
前記傾斜角度によって決まる補正後基準水量と、
前記傾斜角度と前記水位検出手段により検出又は推定された水位によって決まる前記水貯留部に貯留された水の体積とを算出し、
燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、前記水貯留部に貯留された水の体積が前記補正後基準水量以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて前記貯留された水を排出させること
を特徴とする燃料電池システム。
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