JP2015115227A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、車両の補機類等の電気負荷に電気エネルギを出力する燃料電池10を備える燃料電池車両に、本発明の燃料電池システム1を適用した例について説明する。
(カソード)2H++1/2O2+2e−→H2O・・・(F2)
燃料電池10から出力される電気エネルギは、燃料電池10全体として出力される出力電圧を検出する電圧センサ(図示略)、および燃料電池10全体として出力される出力電流を検出する電流センサ(図示略)によって計測される。
ここで、本発明者らの調査研究によれば、図6に示すように、燃料電池10内部におけるクロスリークは、燃料電池10の内部水分量が多い程(電解質膜が湿潤している程)促進される傾向があることが判っている。このような現象は、燃料電池10の内部水分量の増加に伴って、電解質膜が膨潤して軟化することで生ずると推察される。
また、本発明者らの調査研究によれば、図8に示すように、燃料電池10内部におけるクロスリークは、燃料電池10の温度が高い程促進される傾向があることが判っている。このような現象は、燃料電池10の温度上昇に伴って電解質膜が軟化することで生ずると推察される。
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態に対してガス希釈化処理の一部を変更した例を説明する。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、第3実施形態について説明する。第1、第2実施形態に対してガス希釈化処理の一部を変更した例を説明する。本実施形態では、第1、第2実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、第4実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1〜第3実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、第5実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1〜第3実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、第6実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態に対して、ガス希釈化処理の内容を変更した例について説明する。本実施形態では、第1〜第5実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
ここで、燃料電池10の内部空気流路20cは、各セルへの空気の分配、集合させる構造を有しており、バイパス経路20dに比べて圧力損失が高くなっている。この燃料電池10内部の圧力損失は、バイパス経路20d側に比べて、空気の供給量が多くなる程増大する傾向がある。つまり、燃料電池10への空気の供給量に応じて、燃料電池10の内部空気流路20c側へ流す空気のガス流量(V1)に対するバイパス経路20d側へ流す空気のガス流量(V2)の比(ガス流量比=V2/V1)が変化する。具体的には、燃料電池10への空気の供給量が増大するに伴ってガス流量比(V2/V1)が大きくなる傾向がある。
次に、第7実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第6実施形態に対して、ガス希釈化処理の内容を変更した例について説明する。本実施形態では、第1〜第6実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
ここで、上述のガス濃度希釈化処理では、空気導入経路20aへ空気の供給を開始した後に、空気ポンプ21の回転数を増減させることで、空気の供給量を周期的に増減させる例を説明したが、これに限定されない。
また、ガス濃度希釈化処理では、図24に示すように、入口側封止弁22、空気調圧弁23、出口側封止弁24、バイパス弁25のうち、空気調圧弁23の開閉速度を、残りの開閉手段よりも遅くなるように制御してもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
20a 空気導入経路(酸化剤ガス導入経路)
20b 空気導出経路(酸化剤ガス導出経路)
20d バイパス経路
21 空気ポンプ(酸化剤ガス供給手段)
22 入口側封止弁(入口側開閉手段)
23 空気調圧弁(出口側開閉手段)
24 出口側封止弁(出口側開閉手段)
25 バイパス弁(バイパス開閉手段)
50b 制御装置(制御手段)
S50 ガス希釈化処理
Claims (20)
- 水素を含有する燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池(10)と、
前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段(21)と、
前記酸化剤ガス供給手段から供給された前記酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤ガス入口部(11a)へ導入する酸化剤ガス導入経路(20a)と、
前記燃料電池の酸化剤ガス出口部(11b)から前記燃料電池の内部に存する前記酸化剤ガスを外部へ排出する酸化剤ガス導出経路(20b)と、
前記酸化剤ガス導入経路から分岐して、前記酸化剤ガス導入経路を流れる前記酸化剤ガスを、前記燃料電池を迂回して前記酸化剤ガス導出経路に導くバイパス経路(20d)と、
前記酸化剤ガス導入経路を開閉する入口側開閉手段(22)と、
前記酸化剤ガス導出経路を開閉する出口側開閉手段(23、24)と、
前記バイパス経路を開閉するバイパス開閉手段(25、25A)と、
前記酸化剤ガス供給手段、前記入口側開閉手段、前記出口側開閉手段、および前記バイパス開閉手段を制御する制御手段(50b)と、を備え、
前記制御手段は、システム起動時に、前記酸化剤ガス供給手段から供給された前記酸化剤ガスが、前記燃料電池の内部および前記バイパス経路の双方を介して前記酸化剤ガス導出経路へ流れるように、前記酸化剤ガス供給手段、前記入口側開閉手段、前記出口側開閉手段、および前記バイパス開閉手段を制御するガス希釈化処理(S50)を実行することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記入口側開閉手段は、前記酸化剤ガス導入経路における前記バイパス経路との分岐部(20e)から前記酸化剤ガス出口部へ至るガス経路に設けられており、
前記出口側開閉手段は、前記酸化剤ガス出口部から前記酸化剤ガス導出経路における前記バイパス経路との合流部(20f)へ至るガス経路に設けられており、
前記ガス希釈化処理は、前記バイパス経路を開放した後に前記酸化剤ガス供給手段にて前記酸化剤ガス導入経路へ前記酸化剤ガスの供給を開始し、前記酸化剤ガスの供給開始後に前記酸化剤ガス導入経路および前記酸化剤ガス導出経路を開放する処理であ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。 - 前記入口側開閉手段は、前記酸化剤ガス導入経路における前記バイパス経路との分岐部(20e)から前記酸化剤ガス出口部へ至るガス経路に設けられており、
前記出口側開閉手段は、前記酸化剤ガス出口部から前記酸化剤ガス導出経路における前記バイパス経路との合流部(20f)へ至るガス経路に設けられており、
前記ガス希釈化処理は、前記酸化剤ガス導出経路および前記バイパス経路を開放した後に前記酸化剤ガス供給手段にて前記酸化剤ガス導入経路へ前記酸化剤ガスの供給を開始し、前記酸化剤ガスの供給開始後に前記酸化剤ガス導入経路を開放する処理であ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。 - 前記入口側開閉手段は、前記酸化剤ガス導入経路における前記バイパス経路との分岐部(20e)から前記酸化剤ガス出口部へ至るガス経路に設けられており、
前記出口側開閉手段は、前記酸化剤ガス出口部から前記酸化剤ガス導出経路における前記バイパス経路との合流部(20f)へ至るガス経路に設けられており、
前記ガス希釈化処理は、前記酸化剤ガス導出経路および前記バイパス経路を開放した状態で前記酸化剤ガス導入経路を一時的に開放する開閉動作を行った後に、前記酸化剤ガス導入経路が閉鎖された状態で前記酸化剤ガス導入経路へ前記酸化剤ガスの供給を開始し、前記酸化剤ガスの供給開始後に再び前記酸化剤ガス導入経路を開放する処理であ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。 - 前記酸化剤ガス導入経路における前記入口側開閉手段の設置箇所から前記酸化剤ガス導出経路における前記出口側開閉手段の設置箇所に至る酸化剤ガス流路(20c)における水素濃度に相関性を有する第1物理量を検出する第1物理量検出手段(50a、50c〜50c´´、51、52)と、
前記第1物理量検出手段の検出値に基づいて、前記酸化剤ガス流路における水素濃度が予め定めた基準濃度以上となる高濃度状態であるか否かを判定する濃度判定手段(50d)と、を備え、
前記制御手段は、前記濃度判定手段にて前記高濃度状態と判定された場合に前記ガス希釈化処理を実行することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記第1物理量検出手段は、前記燃料電池を前回停止してから今回起動するまでの前記酸化剤ガス流路における圧力増加量を前記第1物理量として検出する圧力増加量検出手段(51、50c)で構成されており、
前記濃度判定手段は、前記圧力増加量が予め定めた基準値を上回った際に、前記高濃度状態であると判定することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス入口部(12a)へ導入する燃料ガス導入経路(30a)と、
前記燃料電池の燃料ガス出口部(12b)から前記燃料ガスを排出する燃料ガス導出経路(30b)と、を備え、
前記燃料電池を介して前記燃料ガス導入経路から前記燃料ガス導出経路に至るガス経路を燃料ガス流路(30c)としたとき、
前記第1物理量検出手段は、前記燃料電池を前回停止してから今回起動するまでの前記燃料ガス流路における圧力減少量を前記第1物理量として検出する圧力減少量検出手段(52、50c´)で構成されており、
前記濃度判定手段は、前記圧力減少量が予め定めた基準値を上回った際に、前記高濃度状態であると判定することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記第1物理量検出手段は、前記燃料電池を前回停止してから今回起動するまでの運転停止時間を前記第1物理量として計測する計時手段(50a、50c´´)で構成されており、
前記濃度判定手段は、前記運転停止時間が予め定めた基準時間を上回った際に、前記高濃度状態であると判定することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の内部水分量に相関性を有する第2物理量を検出する第2物理量検出手段(53)と、
前記第2物理量検出手段にて検出された前記第2物理量に基づいて、前記第1物理量を補正する補正手段(50e)と、を備え、
前記濃度判定手段は、前記補正手段により補正された後の前記第1物理量に基づいて、前記高濃度状態であるか否かを判定することを特徴とする請求項5ないし8のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段(54)と、
前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記第1物理量を補正する補正手段(50f)と、を備え、
前記濃度判定手段は、前記補正手段により補正された後の前記第1物理量に基づいて、前記高濃度状態であるか否かを判定することを特徴とする請求項5ないし8のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記酸化剤ガス導入経路における前記入口側開閉手段の設置箇所から前記酸化剤ガス導出経路における前記出口側開閉手段の設置箇所に至る酸化剤ガス流路(20c)における水素濃度に相関性を有する第1物理量を検出する第1物理量検出手段(50a、50c〜50c´´、51、52)と、
前記ガス希釈化処理を実行する際に、前記燃料電池の内部および前記バイパス経路の双方に前記酸化剤ガスを流す際の前記燃料電池側へ流す前記酸化剤ガスのガス流量(V1)に対する前記バイパス経路側へ流す前記酸化剤ガスのガス流量(V2)のガス流量比(V2/V1)の目標流量比を設定する目標流量比設定手段(50g)と、を備え、
前記目標流量比設定手段は、前記第1物理量検出手段の検出値に基づいて前記目標流量比を設定し、
前記制御手段は、前記ガス希釈化処理において、前記燃料電池の内部および前記バイパス経路の双方に前記酸化剤ガスを流す際の前記ガス流量比が前記目標流量比となるように、前記酸化剤ガス供給手段、前記入口側開閉手段、前記出口側開閉手段、および前記バイパス開閉手段のうち、少なくとも1つを制御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。 - 前記目標流量比設定手段は、前記第1物理量が前記水素濃度の上昇に応じて増加する特性を有する物理量である場合に、前記第1物理量検出手段の検出値の増加に応じて前記ガス流量比が大きくなるように前記目標流量比を設定することを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。
- 前記入口側開閉手段、前記出口側開閉手段、および前記バイパス開閉手段のうち、少なくとも1つの開閉手段は、ガス経路の開度面積を調整可能な開度可変開閉手段(25A)で構成されており、
前記制御手段は、前記ガス希釈化処理において、前記ガス流量比が前記目標流量比となるように、前記開度可変開閉手段を制御することを特徴とする請求項11または12に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記ガス希釈化処理において、前記ガス流量比が前記目標流量比となる前記酸化剤ガスの供給量を目標供給量に決定し、前記酸化剤ガスの供給量が前記目標供給量となるように前記酸化剤ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項11または12に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の内部水分量に相関性を有する第2物理量を検出する第2物理量検出手段(53)と、
前記第2物理量検出手段にて検出された前記第2物理量に基づいて、前記第1物理量を補正する補正手段(50e)と、を備え、
前記目標流量比設定手段は、前記補正手段により補正された後の前記第1物理量に基づいて前記目標流量比を設定することを特徴とする請求項11ないし14のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段(54)と、
前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記第1物理量を補正する補正手段(50f)と、を備え、
前記目標流量比設定手段は、前記補正手段により補正された後の前記第1物理量に基づいて前記目標流量比を設定することを特徴とする請求項11ないし14のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記ガス希釈化処理において、前記入口側開閉手段、前記出口側開閉手段、および前記バイパス開閉手段のうち、少なくとも1つの開閉手段を周期的に開閉させるように制御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。
- 前記制御手段は、前記ガス希釈化処理において、前記酸化剤ガス供給手段を前記酸化剤ガスの供給量が周期的に増減するように制御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。
- 前記制御手段は、前記ガス希釈化処理において、前記入口側開閉手段、前記出口側開閉手段、および前記バイパス開閉手段の一部の開閉手段における開閉速度が、残りの開閉手段における開閉速度よりも遅くなるように、前記入口側開閉手段、前記出口側開閉手段、および前記バイパス開閉手段を制御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。
- 前記第1物理量検出手段の検出値に基づいて、前記酸化剤ガス流路における水素濃度が予め定めた基準濃度以上となる高濃度状態であるか否かを判定する濃度判定手段(50d)を備え、
前記制御手段は、前記濃度判定手段にて前記高濃度状態と判定された場合に前記ガス希釈化処理を実行することを特徴とする請求項11ないし19のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
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