JP2012248319A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システムは、アイドル発電中に所定の条件が満たされたことに応じて、スタックへのエアの供給量およびスタックから取り出す発電電流を共に0より大きな範囲内でアイドル発電時よりも低減することによりスタックをアイドル停止の状態にするアイドル停止制御手段と、アイドル発電中およびアイドル停止中にアノード系内の窒素や生成水を排出する必要があるか否かを判定し、必要がある場合にはパージ弁やドレイン弁を所定の開弁時間にわたり開く排出弁制御手段と、を備える。この排出弁制御手段は、アイドル停止中におけるパージ弁およびドレイン弁の開弁時間PO2,DO2を、アイドル発電中におけるパージ弁およびドレイン弁の開弁時間PO1,DO1よりも短くする。
【選択図】図10
Description
またアイドル停止中は、アイドル発電中と比較して酸化剤ガスを低流量で供給するため、希釈手段による燃料ガスの希釈能力が低下する。これに対し本発明では、アイドル停止中における排出弁の開弁時間をアイドル発電中よりも短くすることにより、希釈能力を上回る量の燃料ガスが希釈手段に導入されないようにする。したがって、本発明によれば、アイドル停止の状態を長く維持しながら、燃料ガスを十分に希釈することもできる。
本発明では、アイドル停止中における排出インターバルをアイドル発電中よりも長くすることにより、前回排出弁を閉じてから今回排出弁を再び開くまでの間に十分な量の希釈ガスを希釈手段に導入することができる。
排出弁を閉じてから経過した時間や、燃料電池の発電電流の積算値は、希釈手段に新たに導入される希釈ガスの積算量に概ね比例すると考えられる。したがって、本発明では、上記2つの条件の何れか又は両方が満たされた場合に排出弁を開くことにより、酸化剤ガスを低流量で供給するアイドル停止中であっても、希釈手段に十分な量の希釈ガスが導入されたと判定できる適切なタイミングで排出弁を開くことができる。
希釈手段による希釈能力は酸化剤ガスの供給量に相関があり、さらに燃料電池の発電電流はこの酸化剤ガスの供給量に相関があることから、本発明では、アイドル停止中の排出弁の開弁時間をアイドル停止中の燃料電池の発電電流に基づいて設定する。これにより、アイドル停止中における排出弁の開弁時間を、希釈手段による希釈能力に応じて適切に設定することができる。
上述のように、アイドル停止中の燃料電池のセル電圧を低下させる要因となる残留物には、窒素のようなガス成分や発電による生成水のような液体成分が含まれる。本発明では、ガス成分を排出するためのパージ弁を、上述のような適切な開弁時間および排出インターバルで開閉することにより、窒素濃度の上昇を起因としたセル電圧の低下を抑制し、アイドル停止の状態を長く維持することができる。また、液体成分を排出するためのドレイン弁を、上述のような適切な開弁時間および排出インターバルで開閉することにより、フラッディングの発生を起因としたセル電圧の低下を抑制し、アイドル停止の状態を長く維持することができる。
この場合、前記排出弁を閉じてから開くまでの時間を排出インターバルと定義し、前記排出工程では、前記アイドル停止工程中における排出インターバルを、前記アイドル発電工程中における排出インターバルよりも長くすることが好ましい。
また、この場合、前記排出工程では、前記排出弁を閉じてから所定時間経過したことおよび前記燃料電池から取り出された発電電流の積算値が所定値以上となったことの2つの条件の何れか又は両方が満たされた場合には、前記アノード系内の残留物を排出する必要があると判定し、前記排出弁を開くことが好ましい。
また、この場合、前記アイドル停止工程中における前記排出弁の開弁時間は、当該アイドル停止工程中における前記燃料電池の発電電流に基づいて設定されることが好ましい。
また、この場合、前記排出弁は、前記アノード系内の残留物のうち主に気体成分を排出するパージ弁および前記アノード系内の残留物のうち主に液体成分を排出するドレイン弁のうち少なくとも何れかを含むことが好ましい。
本発明によれば、上述の燃料電池システムの発明と同じ効果を奏する。
例えば、セル電圧が上記燃料電池の劣化が進行すると判断できるセル電圧を下回るまで低下してからアイドル停止を解除した場合、解除時には既に多量の生成水や窒素が燃料電池内に溜まっていると考えられるため、これら生成水や窒素を排出して再びアイドル停止の状態にするまでに時間がかかってしまうと考えられる。これに対し本発明では、小まめにアイドル停止を解除することにより、解除後、再びアイドル停止の状態にするまでの時間を短くできるので、結果として長時間にわたり燃料電池をアイドル停止の状態にすることができる。
以下、本発明の第1実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1のブロック図である。
燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、この燃料電池スタック10に燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化剤ガスとしてのエアを供給する供給装置20と、この供給装置20を制御する電子制御ユニット(以下、「ECU」という)40とを有する。この燃料電池システム1は、燃料電池スタック10で発電した電力を利用してモータ17を駆動し、走行する燃料電池車両(図示せず)に搭載される。
図5は、アイドル停止継続時間とアノード系内の生成水の量との関係を示す図である。なお、これら図4および図5において、アイドル停止継続時間とは、パージ弁およびドレイン弁ともに開かずにアイドル停止の状態を継続した時間を示す。
図7は、アイドル停止中におけるパージインターバル閾値を設定するマップの一例を示す図である。なお図7には、比較のため通常発電時におけるパージインターバル閾値を設定するマップの一例を破線で示す。図7に示すように、FC電流値が大きくなるに従い、パージインターバル閾値は小さな値に設定される。また、アイドル停止中は、上述のようにエアの供給量をアイドル発電時よりもさらに少なくすることから、アイドル発電時と比較してパージインターバル閾値を大きな値に設定する。
図8は、アイドル停止中におけるパージ弁の開弁時間を設定するマップの一例を示す図である。なお図8には、比較のため通常発電時におけるパージ弁の開弁時間を設定するマップの一例を破線で示す。図8に示すように、FC電流値が大きくなるに従い、パージ弁の開弁時間は長くなるように設定される。また、アイドル停止中は、上述のようにエアの供給量をアイドル発電時よりもさらに少なくすることから、アイドル停止中における開弁時間は、アイドル発電中における開弁時間よりも短く設定される。
S14では、上記S13で設定された開弁時間にわたってドレイン弁を開き、S15では、ドレインインターバルカウンタを“0”にリセットした後、この処理を終了する。
(1)本実施形態では、アイドル停止中であっても、パージ弁やドレイン弁を所定の開弁時間にわたって開き、窒素や生成水とともに排出された水素ガスを希釈エアにより希釈する。これによりセル電圧の低下を抑制し、アイドル停止の状態を長時間にわたって維持することができる。本実施形態では、アイドル停止中におけるパージ弁およびドレイン弁の開弁時間をアイドル発電中よりも短くすることにより、希釈能力を上回る量の水素ガスが希釈器に導入されないようにする。したがって、本実施形態によれば、アイドル停止の状態を長く維持しながら、燃料ガスを十分に希釈することもできる。
また、上記実施形態では、ドレイン弁を閉じてからドレインインターバル閾値に相当する時間が経過したことを条件とし、アイドル停止中に本条件が満たされた場合にアノード系内の生成水を排出する必要があると判定し、ドレイン弁を開いたが、ドレイン弁を開く条件はこれに限らない。上記パージ弁の開弁条件と同様に、FC電流の積算値が所定値以上となったことを条件としてドレイン弁を開いてもよいし、上記2つの条件の両方が満たされた場合にドレイン弁を開いてもよい。
次に、本発明の第2実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、第1実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図13は、アイドル停止解除後の要求総パージ量を設定するマップの一例を示す図である。上述のように本実施形態ではアイドル停止中にパージ弁を開かないので、アイドル停止解除後のアノード系内の窒素濃度はアイドル停止継続時間に比例して増加する。このため、図13に示すように、要求総パージ量は、アイドル停止継続時間に比例して大きくなるように設定される。
図15は、アイドル停止解除後の要求総ドレイン量を設定するマップの一例を示す図である。上述のように本実施形態ではアイドル停止中にドレイン弁を開かないので、アイドル停止解除後のアノード系内の生成水の量はアイドル停止継続時間に比例して増加する。このため、図15に示すように、要求総ドレイン量は、アイドル停止継続時間に比例して大きくなるように設定される。
(6)本実施形態では、アイドル停止中にスタックのセル電圧が開弁閾値を下回ったことに応じて、アイドル停止を解除するとともに再びアイドル発電の状態にする。またさらに、この開弁閾値を、スタックの劣化が進行すると判断できるセル電圧に相当するアイドル停止解除閾値よりも大きな値に設定する。すなわち本実施形態では、アイドル停止中に多量の生成水や窒素がスタック内に溜まってしまう前にアイドル停止を解除することにより、速やかに再びアイドル停止の状態にすることができる。例えば、セル電圧が上記アイドル停止解除閾値を下回るまで低下してからアイドル停止を解除した場合、解除時には既に多量の生成水や窒素がスタック内に溜まっていると考えられるため、これら生成水や窒素を排出して再びアイドル停止の状態にするまでに時間がかかってしまうと考えられる。これに対し本実施形態では、小まめにアイドル停止を解除することにより、解除後、再びアイドル停止の状態にするまでの時間を短くできるので、結果として長時間にわたりスタックをアイドル停止の状態にすることができる。
10…燃料電池スタック(燃料電池)
13…アノード流路(アノード系)
16…高圧バッテリ(電気負荷)
17…モータ(電気負荷)
21…エアポンプ(電気負荷)
33…水素供給路(アノード系)
34…水素還流路(アノード系)
35…アノードオフガス排出路(アノード系)
351…パージ弁(排出弁)
36…生成水排出路(アノード系)
361…ドレイン弁(排出弁)
40…ECU(アイドル停止制御手段)
50…希釈器(希釈手段)
Claims (13)
- アノード極に燃料ガスが供給されかつカソード極に酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池と、
前記燃料電池で発電した電力を消費する電気負荷と、
アイドル発電中に所定の条件が満たされたことに応じて、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給量および前記燃料電池から取り出す発電電流を共に0より大きな範囲内で前記アイドル発電時よりも低減することにより前記燃料電池をアイドル停止の状態にするアイドル停止制御手段と、
前記アノード極に供給されるガスおよび前記アノード極から排出されるガスが流通するアノード系に設けられた排出弁と、
酸化剤ガスを希釈ガスとして、前記排出弁を開くことで前記アノード系内から排出された燃料ガスを希釈する希釈手段と、
前記アイドル発電中および前記アイドル停止中に前記アノード系内の残留物を排出する必要があるか否かを判定し、必要がある場合には前記排出弁を所定時間にわたり開く排出弁制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記排出弁制御手段は、前記アイドル停止中における前記排出弁の開弁時間を、前記アイドル発電中における前記排出弁の開弁時間よりも短くすることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記排出弁を閉じてから開くまでの時間を排出インターバルと定義し、
前記排出弁制御手段は、前記アイドル停止中における排出インターバルを、前記アイドル発電中における排出インターバルよりも長くす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。 - 前記排出弁制御手段は、前記排出弁を閉じてから所定時間経過したことおよび前記燃料電池から取り出された発電電流の積算値が所定値以上となったことの2つの条件の何れか又は両方が満たされた場合には、前記アノード系内の残留物を排出する必要があると判定し、前記排出弁を開くことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- 前記アイドル停止中の前記排出弁の開弁時間は、当該アイドル停止中における前記燃料電池の発電電流に基づいて設定されることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の燃料電池システム。
- 前記排出弁は、前記アノード系内の残留物のうち主に気体成分を排出するパージ弁および前記アノード系内の残留物のうち主に液体成分を排出するドレイン弁の少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の燃料電池システム。
- アノード極に燃料ガスが供給されかつカソード極に酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池と、
前記燃料電池で発電した電力を消費する電気負荷と、
前記アノード極に供給されるガスおよび前記アノード極から排出されるガスが流通するアノード系に設けられた排出弁と、
酸化剤ガスを希釈ガスとして、前記排出弁を開くことで前記アノード系内から排出された燃料ガスを希釈する希釈手段と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
所定の量の酸化剤ガスを前記燃料電池に供給しながら所定の大きさの発電電流を前記燃料電池から取り出すアイドル発電工程と、
当該アイドル発電工程を実行している間に所定条件が成立したことに応じて開始し、前記アイドル発電工程時より少ない量の酸化剤ガスを前記燃料電池に供給しながら、前記アイドル発電工程時より小さな発電電流を前記燃料電池から取り出すアイドル停止工程と、
前記アイドル発電工程中および前記アイドル停止工程中に前記アノード系内の残留物を排出する必要があるか否かを判定し、必要がある場合には前記排出弁を所定時間にわたり開く排出工程と、を含み、
前記排出工程では、前記アイドル停止工程中における前記排出弁の開弁時間を、前記アイドル発電工程中における前記排出弁の開弁時間よりも短くすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 前記排出弁を閉じてから開くまでの時間を排出インターバルと定義し、
前記排出工程では、前記アイドル停止工程中における排出インターバルを、前記アイドル発電工程中における排出インターバルよりも長くすることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システムの制御方法。 - 前記排出工程では、前記排出弁を閉じてから所定時間経過したことおよび前記燃料電池から取り出された発電電流の積算値が所定値以上となったことの2つの条件の何れか又は両方が満たされた場合には、前記アノード系内の残留物を排出する必要があると判定し、前記排出弁を開くことを特徴とする請求項6又は7に記載の燃料電池システムの制御方法。
- 前記アイドル停止工程中における前記排出弁の開弁時間は、当該アイドル停止工程中における前記燃料電池の発電電流に基づいて設定されることを特徴とする請求項6から8の何れかに記載の燃料電池システムの制御方法。
- 前記排出弁は、前記アノード系内の残留物のうち主に気体成分を排出するパージ弁および前記アノード系内の残留物のうち主に液体成分を排出するドレイン弁の少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項6から9の何れかに記載の燃料電池システムの制御方法。
- アノード極に燃料ガスが供給されかつカソード極に酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池と、
前記燃料電池で発電した電力を消費する電気負荷と、
アイドル発電中に所定の条件が満たされたことに応じて、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給量および前記燃料電池から取り出す発電電流を共に0より大きな範囲内で前記アイドル発電時よりも低減することにより前記燃料電池をアイドル停止の状態にするアイドル停止制御手段と、
前記アノード極に供給されるガスおよび前記アノード極から排出されるガスが流通するアノード系に設けられた排出弁と、
酸化剤ガスを希釈ガスとして、前記排出弁を開くことで前記アノード系内から排出された燃料ガスを希釈する希釈手段と、
前記アイドル発電中には前記排出弁を所定時期に所定時間にわたり開き、前記アイドル停止中には前記排出弁を閉じる排出弁制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記アイドル停止制御手段は、前記アイドル停止中において前記燃料電池のセル電圧が、前記排出弁を開く必要があると判断できるセル電圧に相当する排出弁開弁閾値を下回ったことに応じて前記アイドル停止を解除するとともにアイドル発電の状態にし、
前記排出弁開弁閾値は、前記燃料電池の劣化が進行すると判断できるセル電圧よりも大きな値に設定されることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記排出弁制御手段は、前記アイドル停止が解除された直後に前記排出弁を所定時間にわたり開くことを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。
- 前記排出弁は、前記アノード系内の残留物のうち主に気体成分を排出するパージ弁および前記アノード系内の残留物のうち主に液体成分を排出するドレイン弁の少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項11又は12に記載の燃料電池システム。
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