JP2023132392A - Vehicle fuel cell system and drainage method for vehicle fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックの下部に溜まった水を燃料電池スタックの外部に排水する車両用の燃料電池システム及び車両用の燃料電池システムの排水方法に関する。 The present invention relates to a vehicular fuel cell system and a method for draining water accumulated in the lower part of a fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack.
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。 In recent years, research and development has been conducted on fuel cells that contribute to energy efficiency in order to ensure that more people have access to affordable, reliable, sustainable, and advanced energy.
燃料電池システムは、燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、アノードガス(水素を含む燃料ガス)とカソードガス(酸素を含む酸化剤ガス)との反応によって発電する。発電時には水が生成される。水は、オフガス(排ガス)と共に燃料電池スタックの外部に排出される。 A fuel cell system includes a fuel cell stack. A fuel cell stack generates electricity through a reaction between anode gas (fuel gas containing hydrogen) and cathode gas (oxidant gas containing oxygen). Water is produced during power generation. Water is discharged to the outside of the fuel cell stack along with off-gas.
アノードオフガスは、主に気液分離器に排出される。気液分離器は、アノードオフガスをガス(水素等)と水とに分離する。気液分離器で分離されたガスは、アノードガスとして再利用される。気液分離器で分離された水は、気液分離器で一時的に貯留された後に、気液分離器の外部に排水される。 The anode off-gas is mainly discharged to the gas-liquid separator. The gas-liquid separator separates the anode off-gas into gas (such as hydrogen) and water. The gas separated by the gas-liquid separator is reused as anode gas. The water separated by the gas-liquid separator is temporarily stored in the gas-liquid separator and then drained to the outside of the gas-liquid separator.
最近の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの内部は高湿度に維持される。このような燃料電池スタックの内部には水が溜まる。特許文献1には、燃料電池スタックの内部に溜まる水を気液分離器に排水する技術が開示される。特許文献1の燃料電池システムは、燃料電池スタックが傾いた場合であっても、燃料電池スタックの水を気液分離器に排水できるような構造を有する。 In modern fuel cell systems, high humidity is maintained inside the fuel cell stack. Water accumulates inside such a fuel cell stack. Patent Document 1 discloses a technique for draining water accumulated inside a fuel cell stack to a gas-liquid separator. The fuel cell system of Patent Document 1 has a structure that allows water in the fuel cell stack to be drained to the gas-liquid separator even when the fuel cell stack is tilted.
燃料電池スタックの内部が高湿度に維持される場合、気液分離器に貯留される水の量も多くなる。すると、車両の傾斜等により、気液分離器に貯留された水が燃料電池スタックに逆流する割合が高くなる。燃料電池スタックに溜まっている水と、気液分離器から逆流してきた水とが合わさると、燃料電池スタックの内部の水は過剰となる。特に、燃料電池スタックが傾くと、下方に位置する発電セルの浸水量が多くなる。発電セルが長時間水に浸かると、発電が不安定になるだけでなく、燃料電池スタックが劣化する。 When the inside of the fuel cell stack is maintained at high humidity, the amount of water stored in the gas-liquid separator also increases. Then, due to the tilt of the vehicle or the like, the proportion of water stored in the gas-liquid separator flowing back into the fuel cell stack increases. When the water accumulated in the fuel cell stack and the water flowing back from the gas-liquid separator are combined, the water inside the fuel cell stack becomes excessive. In particular, when the fuel cell stack is tilted, the amount of water flooding into the power generation cells located below increases. If power generation cells are submerged in water for a long time, not only will power generation become unstable, but the fuel cell stack will deteriorate.
本発明は上述した課題を解決することを目的とする。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems.
本発明の第1の態様は、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池スタックを備える車両用の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックの下部に溜まった水を前記燃料電池スタックの外部に排水するために前記燃料電池スタックに接続される排水流路と、前記排水流路の上流を前記排水流路の下流よりも高圧にする絞りと、前記排水流路を開閉する弁と、前記弁の開閉を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、車両が停車しているか否かを判定する第1判定を行い、前記燃料電池スタックの発電量に基づいて前記燃料電池スタックの下部に溜まった水量を推定し、前記水量が水量閾値より多いか少ないかを判定する第2判定を行い、前記第1判定の結果と前記第2判定の結果とに基づいて前記弁の開閉を制御する。 A first aspect of the present invention is a fuel cell system for a vehicle that includes a fuel cell stack that generates electricity using an anode gas and a cathode gas, wherein water accumulated at the bottom of the fuel cell stack is removed from the outside of the fuel cell stack. a drainage channel connected to the fuel cell stack for draining water to the fuel cell stack; a throttle that makes the upstream side of the drainage channel higher pressure than the downstream side of the drainage channel; a valve that opens and closes the drainage channel; a control unit that controls opening and closing of the valve, the control unit makes a first determination to determine whether the vehicle is stopped, and determines whether the fuel cell stack is operated based on the amount of power generated by the fuel cell stack. Estimate the amount of water accumulated in the lower part, make a second determination to determine whether the amount of water is greater or less than a water amount threshold, and open or close the valve based on the result of the first determination and the result of the second determination. Control.
本発明の第2の態様は、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池スタックを備える車両用の燃料電池システムの排水方法であって、燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの下部に溜まった水を前記燃料電池スタックの外部に排水するために前記燃料電池スタックに接続される排水流路と、前記排水流路の上流を前記排水流路の下流よりも高圧にする絞りと、前記排水流路を開閉する弁と、前記弁の開閉を制御するコンピュータと、を備え、前記コンピュータは、車両が停車しているか否かを判定する第1判定を行い、前記燃料電池スタックの発電量に基づいて前記燃料電池スタックの下部に溜まった水量を推定し、前記水量が水量閾値より多いか少ないかを判定する第2判定を行い、前記第1判定の結果と前記第2判定の結果とに基づいて前記弁の開閉を制御する。 A second aspect of the present invention is a drainage method for a fuel cell system for a vehicle equipped with a fuel cell stack that generates electricity using an anode gas and a cathode gas, wherein a drainage flow path connected to the fuel cell stack for draining water to the outside of the fuel cell stack; a throttle that makes the upstream of the drainage flow path higher pressure than the downstream of the drainage flow path; a valve that opens and closes a road; and a computer that controls opening and closing of the valve; the computer makes a first determination to determine whether the vehicle is stopped; to estimate the amount of water accumulated at the bottom of the fuel cell stack, perform a second determination to determine whether the amount of water is greater or less than a water amount threshold, and based on the result of the first determination and the result of the second determination. to control opening and closing of the valve.
本発明によれば、燃料電池スタックの劣化を抑制することができ、また、燃料電池スタックの発電を安定させることができる。 According to the present invention, deterioration of the fuel cell stack can be suppressed, and power generation of the fuel cell stack can be stabilized.
[1 燃料電池システム10の構成]
図1は、本発明に係る燃料電池システム10の概略構成図である。燃料電池システム10は、車両(燃料電池自動車)に搭載される。燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、水素タンク14と、アノードシステム16と、カソードシステム18と、冷却システム20と、出力部21とを有する。また、燃料電池システム10は、制御装置94を有する。
[1 Configuration of fuel cell system 10]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
燃料電池スタック12は、一方向に積層された複数の発電セル22を有する。各々の発電セル22は、電解質膜・電極構造体24(単に電極構造体24ともいう)と、一組のセパレータ26、28とを有する。一組のセパレータ26、28は、電極構造体24を挟持する。
The
電極構造体24は、固体高分子電解質膜30(電解質膜30ともいう)と、アノード電極32と、カソード電極34とを有する。電解質膜30は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。アノード電極32とカソード電極34とは、電解質膜30を挟持する。アノード電極32とカソード電極34とは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層を有する。ガス拡散層の表面に多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層が形成される。多孔質カーボン粒子の表面には、白金合金が担持される。電極触媒層は、電解質膜30の両面に形成される。
The
セパレータ26の面のうち、電極構造体24に向けられる面には、アノード流路36が形成される。アノード流路36は、アノード入口17Aを介してアノード供給流路40に接続される。アノード流路36は、第1アノード出口17Bを介してアノード排出流路42に接続される。また、アノード流路36は、第2アノード出口17Cを介して第2ドレイン流路48に接続される。第2アノード出口17Cは、第1アノード出口17Bより低い位置にある。セパレータ28の面のうち、電極構造体24に向けられる面には、カソード流路38が形成される。カソード流路38は、カソード入口19Aを介してカソード供給流路62に接続される。カソード流路38は、カソード出口19Bを介してカソード排出流路64に接続される。
An
アノード電極32にはアノードガス(水素)が供給される。アノード電極32では、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンと電子とが発生する。水素イオンは、電解質膜30を透過してカソード電極34に移動する。電子は、燃料電池スタック12の負極端子(不図示)、モータ等の負荷104、燃料電池スタック12の正極端子(不図示)、カソード電極34の順に移動する。カソード電極34では、触媒の作用によって水素イオン及び電子と、供給されたエアに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
Anode gas (hydrogen) is supplied to the anode electrode 32 . At the anode electrode 32, hydrogen ions and electrons are generated from hydrogen molecules by an electrode reaction caused by a catalyst. The hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 30 and move to the cathode electrode 34. The electrons move in this order to a negative terminal (not shown) of the
アノードシステム16は、アノード電極32にアノードガスを供給するための各構成と、アノード電極32からアノードオフガスを排出するための各構成とを有する。アノードシステム16は、アノード供給流路40と、アノード排出流路42と、循環流路44と、第1ドレイン流路46と、第2ドレイン流路48とを有する。また、アノードシステム16は、インジェクタ50と、エジェクタ52と、気液分離器54と、第1ドレイン弁56と、絞り57と、第2ドレイン弁58とを有する。
The
アノード供給流路40は、水素タンク14の排出口とアノード入口17Aとを連通する。アノード供給流路40には、インジェクタ50とエジェクタ52とが設けられる。エジェクタ52は、インジェクタ50よりもアノード入口17Aの近くに配置される。
The
アノード排出流路42は、第1アノード出口17Bと気液分離器54の吸気口とを連通する。循環流路44は、気液分離器54の排気口とエジェクタ52とを連通する。第1ドレイン流路46は、気液分離器54の排水口と希釈器60の入口とを連通する。第1ドレイン流路46には、第1ドレイン弁56が設けられる。第2ドレイン流路48は、第2アノード出口17Cと、第1ドレイン流路46のうち第1ドレイン弁56よりも下流の部分とを連通する。第2ドレイン流路48には、絞り57と、第2ドレイン弁58とが設けられる。絞り57は、第2ドレイン弁58よりも第2アノード出口17Cの近くに配置される。
The
カソードシステム18は、カソード電極34にカソードガスを供給するための各構成と、カソード電極34からカソードオフガスを排出するための各構成とを有する。カソードシステム18は、カソード供給流路62と、カソード排出流路64と、バイパス流路66とを有する。また、カソードシステム18は、コンプレッサ68と、加湿器70と、第1封止弁74と、第2封止弁76と、バイパス弁78とを有する。
The
カソード供給流路62は、エアの吸気口(不図示)とカソード入口19Aとを連通する。カソード供給流路62には、コンプレッサ68と第1封止弁74と加湿器70の流路72Aとが設けられる。カソード供給流路62のうち、加湿器70よりも上流部分をカソード供給流路62Aとする。カソード供給流路62のうち、加湿器70よりも下流部分をカソード供給流路62Bとする。カソード供給流路62Aには、コンプレッサ68と第1封止弁74とが設けられる。第1封止弁74は、コンプレッサ68よりも加湿器70の近くに配置される。
The
カソード排出流路64は、カソード出口19Bと希釈器60の入口とを連通する。カソード排出流路64には、加湿器70の流路72Bと第2封止弁76とが設けられる。カソード排出流路64のうち、加湿器70よりも上流部分をカソード排出流路64Aとする。カソード供給流路62のうち、加湿器70よりも下流部分をカソード排出流路64Bとする。カソード排出流路64Bには、第2封止弁76が設けられる。
The cathode
バイパス流路66は、カソード供給流路62Aとカソード排出流路64Bとを連通する。例えば、バイパス流路66は、カソード供給流路62Aのうちコンプレッサ68と第1封止弁74との間の部分と、カソード排出流路64Bのうち第2封止弁76よりも下流部分とを連通する。バイパス流路66には、バイパス弁78が設けられる。
アノードシステム16とカソードシステム18とは、接続流路80で接続される。接続流路80は、アノードシステム16の循環流路44とカソードシステム18のカソード供給流路62Bとを連通する。接続流路80には、ブリード弁82が設けられる。
冷却システム20は、燃料電池スタック12に冷媒を供給するための各構成と、燃料電池スタック12から冷媒を排出するための各構成とを有する。冷却システム20は、冷媒供給流路84と、冷媒排出流路86とを有する。また、冷却システム20は、冷媒ポンプ88と、ラジエータ90とを有する。
燃料電池スタック12の内部には、燃料電池スタック12を冷却するための冷媒流路(不図示)が形成される。冷媒供給流路84は、ラジエータ90の出口と冷媒流路の入口とを連通する。冷媒供給流路84には、冷媒ポンプ88が設けられる。冷媒排出流路86は、冷媒流路の出口とラジエータ90の入口とを連通する。
A coolant flow path (not shown) for cooling the
出力部21は、車両が備える負荷104に電力を供給するための各構成を有する。出力部21は、駆動部100と、蓄電装置102と、負荷104と、電流センサ106と、電圧センサ108とを有する。
The
駆動部100は、燃料電池スタック12から負荷104に電力を供給し得る。また、駆動部100は、燃料電池スタック12から蓄電装置102に電力を供給し得る。また、駆動部100は、蓄電装置102から負荷104に電力を供給し得る。また、駆動部100は、負荷104から蓄電装置102に電力を供給し得る。負荷104は、例えば主機(走行用モータ)及び補機(車両補機)である。電流センサ106は、燃料電池スタック12の出力電流を検出する。電圧センサ108は、燃料電池スタック12の出力電圧を検出する。
制御装置94は、コンピュータ(例えばECU)である。制御装置94は、制御部96と記憶部98とを有する。制御部96は、処理回路を有する。処理回路は、CPU等のプロセッサであってもよい。処理回路は、ASIC、FPGA等の集積回路であってもよい。プロセッサは、記憶部98に記憶されるプログラムを実行することによって各種の処理を実行可能である。複数の処理のうちの少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって実行されてもよい。
制御部96は、燃料電池システム10の運転制御を行う。例えば、制御部96は、燃料電池システム10に設けられる各種センサから検出信号を受信する。制御部96は、各々の検出信号に基づいて、各弁、インジェクタ50、コンプレッサ68、冷媒ポンプ88等のそれぞれを制御するための制御信号を出力する。各弁、インジェクタ50、コンプレッサ68、冷媒ポンプ88等は、制御信号に応じて動作する。
The
記憶部98は、揮発性メモリと不揮発性メモリとを有する。揮発性メモリとしては、例えばRAM等が挙げられる。揮発性メモリは、プロセッサのワーキングメモリとして使用される。揮発性メモリは、処理又は演算に必要なデータ等を一時的に記憶する。不揮発性メモリとしては、例えばROM、フラッシュメモリ等が挙げられる。不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用される。不揮発性メモリは、プログラム、テーブル、マップ等を記憶する。記憶部98の少なくとも一部が、上述したようなプロセッサ、集積回路等に備えられてもよい。
不揮発性メモリは、第1閾値と第2閾値とを記憶する。第1閾値は、車両が停車しているか否かを判断するための発電量の閾値である。例えば、第1閾値は、車両の停車時の最大発電量又は車両の発車時の最小発電量のいずれか一方である。第1閾値は、車両の補機の消費電力に基づいて予め設定可能である。第2閾値は、燃料電池スタック12からの排水を行うか否かを判断するための燃料電池スタック12の貯水量の閾値(水量閾値)である。第1閾値と第2閾値の各々は、ユーザによって予め設定される。
The nonvolatile memory stores a first threshold value and a second threshold value. The first threshold is a power generation amount threshold for determining whether the vehicle is stopped. For example, the first threshold value is either the maximum amount of power generation when the vehicle is stopped or the minimum amount of power generation when the vehicle is started. The first threshold value can be set in advance based on the power consumption of the auxiliary equipment of the vehicle. The second threshold is a threshold for the amount of water stored in the fuel cell stack 12 (water amount threshold) for determining whether or not to drain water from the
[2 流体の流れ]
[2-1 アノードシステム16における流体の流れ]
インジェクタ50は、水素タンク14のアノードガス(水素)を、アノード供給流路40の下流に向けて噴射する。インジェクタ50から噴射されたアノードガスは、アノード供給流路40を流れてアノード流路36に供給される。アノードガスは、アノード流路36を流れて、アノードオフガスとして第1アノード出口17Bから排出される。アノードオフガスは、酸素と反応しなかった水素と、電解質膜30を透過したカソードガス中の窒素と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
[2 Fluid flow]
[2-1 Fluid flow in the anode system 16]
The
アノードオフガスは、アノード排出流路42を流れて気液分離器54に供給される。気液分離器54は、アノードオフガスをガス成分(アノードオフガス)と液体成分(水)とに分離する。気液分離器54から排出されるアノードオフガスは、循環流路44を流れてエジェクタ52に供給される。エジェクタ52において、アノードオフガスとインジェクタ50から噴射されるアノードガスとが合流する。
The anode off-gas flows through the
気液分離器54で分離された水は、気液分離器54の底部で一時的に貯留される。第1ドレイン弁56が開いた状態で、気液分離器54に貯留される水は、第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。気液分離器54の水がなくなった状態で第1ドレイン弁56が開くと、気液分離器54のアノードオフガスは、第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。
The water separated by the gas-
燃料電池スタック12の内部が高湿度である場合、アノード流路36の底部には水が貯留される。第2ドレイン弁58が開いた状態で、アノード流路36に貯留される水は、第2ドレイン流路48及び第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。アノード流路36の水がなくなった状態で第2ドレイン弁58が開くと、アノード流路36のアノードオフガスは、第2ドレイン流路48及び第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。
When the inside of the
[2-2 カソードシステム18における流体の流れ]
コンプレッサ68は、車両の外部から吸入したカソードガス(エア)を、カソード供給流路62の下流に向けて吐出する。第1封止弁74が開いた状態で、コンプレッサ68から吐出されたカソードガスは、カソード供給流路62を流れてカソード流路38に供給される。カソードガスは、カソード流路38を流れて、カソードオフガスとしてカソード出口19Bから排出される。カソードオフガスは、エアに含まれる各成分と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
[2-2 Fluid flow in cathode system 18]
The
第2封止弁76が開いた状態で、カソードオフガスは、カソード排出流路64を流れて希釈器60に排出される。カソードオフガスは、水分を含む。加湿器70において、カソードオフガスの水分は、カソードガスを加湿するために使用される。
With the
バイパス弁78が開いた状態で、カソードガスは、バイパス流路66及びカソード排出流路64を流れて希釈器60に排出される。バイパス流路66は、燃料電池スタック12へのカソードガスの供給量を減少させる場合に使用される。
With
[2-3 接続流路80における流体の流れ]
ブリード弁82が開いた状態で、循環流路44を流れるアノードオフガスの一部は、接続流路80を流れてカソード供給流路62Bに供給される。但し、ブリード弁82が開けられるのは、アノード流路36の圧力がカソード流路38の圧力よりも高い場合に限られる。
[2-3 Fluid flow in connection channel 80]
With the
接続流路80を流れてカソード供給流路62Bに供給されるアノードオフガス中の水素は、カソード電極34の触媒上で酸素と反応して消費される。このため、アノードシステム16から外部に排出される水素は減り、それに伴い、希釈器60において水素を希釈するために必要なエアも減る。従って、接続流路80によれば、希釈器60にエアを供給するコンプレッサ68の回転数を下げることができ、燃費が向上する。従って、燃料電池システム10は、エネルギーの効率化に寄与する。
Hydrogen in the anode off-gas flowing through the
[3 排水処理を行う条件]
図2は、燃料電池スタック12の一部断面図である。図2で示されるように、本実施形態において、各々の発電セル22は上下方向及び前後方向と平行になるように配置される。更に、複数の発電セル22は左右方向に積層されて積層体22Lを形成する。積層体22Lの右端にはインシュレータ110R及びエンドプレート112Rが配置される。積層体22Lの左端にはインシュレータ110L及びエンドプレート112Lが配置される。積層体22Lの後方には、第1アノード出口17B及び第2アノード出口17Cに相当する流路が配置される。第1アノード出口17B及び第2アノード出口17Cに相当する流路は、右から左に延びる。エンドプレート112Lの左側にはアノード排出流路42が接続される。第1アノード出口17Bに相当する流路は、エンドプレート112Lを貫通し、アノード排出流路42と連通する。エンドプレート112Lの左側には第2ドレイン流路48が接続される。第2アノード出口17Cに相当する流路は、エンドプレート112Lを貫通し、第2ドレイン流路48と連通する。図示されていないが、積層体22Lの前方には、アノード入口17Aに相当する流路が配置される。
[3 Conditions for wastewater treatment]
FIG. 2 is a partial sectional view of the
燃料電池スタック12の下部には水が溜まる。図2では水がドットで示される。車両が右に傾くと、図2で示されるように、燃料電池スタック12も右に傾く。すると、右に位置する発電セル22の浸水量が多くなる。この状態が継続されると、燃料電池スタック12が劣化する。燃料電池スタック12の劣化を避けるために、燃料電池スタック12の下部に溜まる水はできる限り排水することが好ましい。燃料電池スタック12の下部に溜まる水は、第2ドレイン弁58を開けることによって第2ドレイン流路48を介して燃料電池スタック12の外部に排出される。
Water accumulates at the bottom of the
第2ドレイン流路48には絞り57が設けられる。絞り57の上流(燃料電池スタック12の内部)は、絞り57の下流(燃料電池スタック12の外部)よりも高圧になる。このため、第2ドレイン弁58が開くと、燃料電池スタック12の内部に溜まる水は、第1ドレイン流路46に向かって第2ドレイン流路48を流れ得る。
A
一方、燃料電池スタック12の下部に水が溜まっていない状態で第2ドレイン弁58が開くと、アノード流路36のアノードガスが、燃料電池スタック12の外部に排出される。すると、燃費が悪化する。
On the other hand, when the
本実施形態は、燃料電池スタック12の劣化及び燃費悪化を避けるために、排水の条件を予め設定し、その条件が満たされる場合にのみ第2ドレイン弁58を開けるようにしている。
In this embodiment, in order to avoid deterioration of the
図2で示されるように燃料電池スタック12が傾いた状態で車両が走行し続ける可能性は低い。つまり、車両が傾いて走行し続ける可能性は低い。例えば、車両が右に傾斜した道路を走行すると、車両は右に傾く。しかし、道路の傾斜は、局所的に存在することが推定される。このため、車両が走行することによって、車両の傾きは短時間で水平状態に戻ると想定される。燃料電池スタック12が水平状態である場合は、右に位置する発電セル22の浸水量は少ない。
It is unlikely that the vehicle will continue to run with the
一方、車両が傾斜した道路又は駐車場で停車すると、車両が発車するまで車両の傾きは継続する。車両が右に傾いた状態で停車すると、図2で示されるように、燃料電池スタック12が傾いた状態が継続される。燃料電池スタック12の下部に大量の水が溜まっていると、上述したように、右に位置する発電セル22の浸水量が多くなる。
On the other hand, when a vehicle stops on a sloped road or parking lot, the vehicle continues to tilt until the vehicle departs. When the vehicle stops tilted to the right, the
そこで、本実施形態は、車両が停車している場合に、燃料電池スタック12から排水を行う。更に、本実施形態は、燃料電池スタック12に溜まった水が閾値を超えた場合に、燃料電池スタック12から排水を行う。
Therefore, in this embodiment, water is drained from the
[4 排水処理]
図3は、排水処理のフローチャートである。制御部96は、燃料電池システム10の動作中に、図3で示される排水処理を繰り返し行う。
[4 Wastewater treatment]
FIG. 3 is a flowchart of wastewater treatment. The
ステップS1において、制御部96は、発電量を演算する。本実施形態において、制御部96は、発電量を用いて車両が停車しているか否かを判定する。制御部96は、例えば、電流センサ106の検出値と電圧センサ108の検出値を用いて発電量(例えば発電電力)を演算する。ステップS1が終了すると、処理はステップS2に移行する。
In step S1, the
ステップS2において、制御部96は、車両が停車中か否かを判定する。車両が停車している場合、燃料電池スタック12の発電量は一定値以下になる。制御部96は、ステップS1で演算された発電量と第1閾値(≦一定値)とを比較する。但し、制御部96は、車両に設けられる他のセンサを用いて車両が停車しているか否かを判定することも可能である。他のセンサとしては、車速センサ等が挙げられる。発電量が第1閾値を下回る場合、すなわち車両が停車中である場合(ステップS2:YES)、処理はステップS3に移行する。一方、発電量が第1閾値以上である場合、すなわち車両が停車中でない場合(ステップS2:NO)、処理はステップS7に移行する。
In step S2, the
ステップS2からステップS3に移行すると、制御部96は、停車してから燃料電池スタック12の下部に溜まった水の量(貯水量)を推定する。発電量と生成される水量とは相関する。このため、制御部96は、各時機の発電量に対応する水量を取得し、その水量を積算することによって、燃料電池スタック12の貯水量を推定することができる。例えば、記憶部98の不揮発性メモリは、発電量から水量を取得するためのマップ又は演算式等を記憶する。制御部96は、ステップS1で演算された発電量とマップ等とを使用して、現時点で生成され得る水量を推定する。更に、制御部96は、演算された水量を最新の貯水量に加算する。ステップS3が終了すると、処理はステップS4に移行する。
When the process moves from step S2 to step S3, the
ステップS4において、制御部96は、燃料電池スタック12から排水が必要か否かを判定する。具体的には、制御部96は、貯水量と第2閾値とを比較する。貯水量が第2閾値を上回る場合、すなわち排水が必要である場合(ステップS4:YES)、処理はステップS5に移行する。一方、貯水量が第2閾値以下である場合、すなわち排水が必要でない場合(ステップS4:NO)、処理はステップS7に移行する。
In step S4, the
ステップS4からステップS5に移行すると、制御部96は、第2ドレイン弁58を一定時間だけ開ける。一定時間とは、第2閾値に相当する貯水量の水を、燃料電池スタック12から第2ドレイン流路48及び第1ドレイン流路46を介して希釈器60に排出し得る時間である。ステップS5が終了すると、処理はステップS6に移行する。
When the process moves from step S4 to step S5, the
ステップS6において、制御部96は、貯水量を初期化する。ステップS6が終了すると、処理はステップS7に移行する。
In step S6, the
ステップS2、ステップS4又はステップS6からステップS7に移行すると、制御部96は、第2ドレイン弁58を閉じる。第2ドレイン弁58が既に閉じている場合、制御部96は、第2ドレイン弁58の状態を維持する。一方、第2ドレイン弁58が開いている場合、制御部96は、第2ドレイン弁58を閉じる。
When the process moves from step S2, step S4, or step S6 to step S7, the
[5 実施形態から得られる発明]
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
[5 Invention obtained from embodiment]
The invention that can be understood from the above embodiments will be described below.
本発明の第1態様は、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池スタック(12)を備える車両用の燃料電池システム(10)であって、前記燃料電池スタックの下部に溜まった水を前記燃料電池スタックの外部に排水するために前記燃料電池スタックに接続される排水流路(48)と、前記排水流路の上流を前記排水流路の下流よりも高圧にする絞り(57)と、前記排水流路を開閉する弁(58)と、前記弁の開閉を制御する制御部(96)と、を備える。前記制御部は、車両が停車しているか否かを判定する第1判定を行い、前記燃料電池スタックの発電量に基づいて前記燃料電池スタックの下部に溜まった水量を推定し、前記水量が水量閾値より多いか少ないかを判定する第2判定を行い、前記第1判定の結果と前記第2判定の結果とに基づいて前記弁の開閉を制御する。 A first aspect of the present invention is a fuel cell system (10) for a vehicle, which includes a fuel cell stack (12) that generates electricity using an anode gas and a cathode gas, in which water accumulated at the bottom of the fuel cell stack is removed from the fuel cell stack. a drainage channel (48) connected to the fuel cell stack for discharging water to the outside of the fuel cell stack; and a throttle (57) that makes the upstream side of the drainage channel higher pressure than the downstream side of the drainage channel; It includes a valve (58) that opens and closes the drainage channel, and a control section (96) that controls opening and closing of the valve. The control unit performs a first determination to determine whether the vehicle is stopped, estimates the amount of water accumulated in the lower part of the fuel cell stack based on the amount of power generated by the fuel cell stack, and determines whether the amount of water is the amount of water. A second determination is made to determine whether the amount is greater than or less than a threshold, and opening and closing of the valve is controlled based on the result of the first determination and the result of the second determination.
第1態様は、第1判定(ステップS2)と第2判定(ステップS4)とを行うことによって、弁(第2ドレイン弁58)を開閉する適切なタイミングを決めることができる。このため、第1態様によれば、燃料電池スタックに溜まる水を適切に排水することができる。また、第1態様によれば、排水流路がアノード流路に接続される場合に、アノードガスが必要以上に排出されることを抑制することができる。従って、第1態様によれば、燃料電池スタックの劣化を抑制することができ、また、燃料電池スタックの発電を安定させることができる。 In the first aspect, the appropriate timing for opening and closing the valve (second drain valve 58) can be determined by performing the first determination (step S2) and the second determination (step S4). Therefore, according to the first aspect, water accumulated in the fuel cell stack can be appropriately drained. Further, according to the first aspect, when the drainage channel is connected to the anode channel, it is possible to suppress the anode gas from being discharged more than necessary. Therefore, according to the first aspect, deterioration of the fuel cell stack can be suppressed, and power generation of the fuel cell stack can be stabilized.
上記態様において、前記制御部は、前記第1判定において、前記車両が停車していると判定する場合、且つ、前記第2判定において、前記水量が前記水量閾値より多いと判定する場合に、前記弁を開けてもよい。 In the above aspect, when determining that the vehicle is stopped in the first determination and determining that the water amount is greater than the water amount threshold in the second determination, the control section You can open the valve.
上記構成によれば、適切なタイミングで弁(第2ドレイン弁58)を開けることができる。 According to the above configuration, the valve (second drain valve 58) can be opened at an appropriate timing.
上記態様において、前記燃料電池スタックは、前記アノードガスを流すアノード流路(36)と、前記カソードガスを流すカソード流路(38)とを有し、前記排水流路は、前記アノード流路に接続されてもよい。 In the above aspect, the fuel cell stack includes an anode flow path (36) through which the anode gas flows, and a cathode flow path (38) through which the cathode gas flows, and the drainage flow path is connected to the anode flow path. May be connected.
本発明の第2態様は、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池スタックを備える車両用の燃料電池システムの排水方法である。燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの下部に溜まった水を前記燃料電池スタックの外部に排水するために前記燃料電池スタックに接続される排水流路と、前記排水流路の上流を前記排水流路の下流よりも高圧にする絞りと、前記排水流路を開閉する弁と、前記弁の開閉を制御するコンピュータ(94)と、を備える。前記コンピュータは、車両が停車しているか否かを判定する第1判定を行い、前記燃料電池スタックの発電量に基づいて前記燃料電池スタックの下部に溜まった水量を推定し、前記水量が水量閾値より多いか少ないかを判定する第2判定を行い、前記第1判定の結果と前記第2判定の結果とに基づいて前記弁の開閉を制御する。 A second aspect of the present invention is a drainage method for a fuel cell system for a vehicle that includes a fuel cell stack that generates electricity using anode gas and cathode gas. The fuel cell system includes a drainage channel connected to the fuel cell stack for draining water accumulated at the bottom of the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack, and a drainage channel connected upstream of the drainage channel. It includes a throttle that makes the pressure higher than the downstream side of the flow path, a valve that opens and closes the drainage flow path, and a computer (94) that controls the opening and closing of the valve. The computer performs a first determination to determine whether the vehicle is stopped, estimates the amount of water accumulated at the bottom of the fuel cell stack based on the amount of power generated by the fuel cell stack, and determines whether the amount of water is a water amount threshold. A second determination is made to determine whether the amount is greater or less, and opening and closing of the valve is controlled based on the result of the first determination and the result of the second determination.
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
36…アノード流路 38…カソード流路
48…第2ドレイン流路(排水流路) 57…絞り
58…第2ドレイン弁(弁) 94…制御装置(コンピュータ)
96…制御部
10...
96...Control unit
Claims (4)
前記燃料電池スタックの下部に溜まった水を前記燃料電池スタックの外部に排水するために前記燃料電池スタックに接続される排水流路と、
前記排水流路の上流を前記排水流路の下流よりも高圧にする絞りと、
前記排水流路を開閉する弁と、
前記弁の開閉を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
車両が停車しているか否かを判定する第1判定を行い、
前記燃料電池スタックの発電量に基づいて前記燃料電池スタックの下部に溜まった水量を推定し、
前記水量が水量閾値より多いか少ないかを判定する第2判定を行い、
前記第1判定の結果と前記第2判定の結果とに基づいて前記弁の開閉を制御する、車両用の燃料電池システム。 A fuel cell system for a vehicle comprising a fuel cell stack that generates electricity using anode gas and cathode gas,
a drainage channel connected to the fuel cell stack for draining water accumulated at the bottom of the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack;
a throttle that makes the pressure upstream of the drainage flow path higher than the pressure downstream of the drainage flow path;
a valve that opens and closes the drainage channel;
a control unit that controls opening and closing of the valve;
Equipped with
The control unit includes:
Performing a first determination to determine whether the vehicle is stopped,
Estimating the amount of water accumulated at the bottom of the fuel cell stack based on the amount of power generated by the fuel cell stack,
Performing a second determination to determine whether the water amount is greater than or less than a water amount threshold;
A fuel cell system for a vehicle that controls opening and closing of the valve based on a result of the first determination and a result of the second determination.
前記制御部は、前記第1判定において、前記車両が停車していると判定する場合、且つ、前記第2判定において、前記水量が前記水量閾値より多いと判定する場合に、前記弁を開ける、車両用の燃料電池システム。 The fuel cell system for a vehicle according to claim 1,
The control unit opens the valve when determining that the vehicle is stopped in the first determination and determining that the water amount is greater than the water amount threshold in the second determination. Fuel cell system for vehicles.
前記燃料電池スタックは、前記アノードガスを流すアノード流路と、前記カソードガスを流すカソード流路とを有し、
前記排水流路は、前記アノード流路に接続される、車両用の燃料電池システム。 The fuel cell system for a vehicle according to claim 1 or 2,
The fuel cell stack has an anode flow path through which the anode gas flows, and a cathode flow path through which the cathode gas flows,
In a fuel cell system for a vehicle, the drainage flow path is connected to the anode flow path.
燃料電池システムは、
前記燃料電池スタックの下部に溜まった水を前記燃料電池スタックの外部に排水するために前記燃料電池スタックに接続される排水流路と、
前記排水流路の上流を前記排水流路の下流よりも高圧にする絞りと、
前記排水流路を開閉する弁と、
前記弁の開閉を制御するコンピュータと、
を備え、
前記コンピュータは、
車両が停車しているか否かを判定する第1判定を行い、
前記燃料電池スタックの発電量に基づいて前記燃料電池スタックの下部に溜まった水量を推定し、
前記水量が水量閾値より多いか少ないかを判定する第2判定を行い、
前記第1判定の結果と前記第2判定の結果とに基づいて前記弁の開閉を制御する、車両用の燃料電池システムの排水方法。 A drainage method for a fuel cell system for a vehicle equipped with a fuel cell stack that generates electricity using anode gas and cathode gas, the method comprising:
The fuel cell system is
a drainage channel connected to the fuel cell stack for draining water accumulated at the bottom of the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack;
a throttle that makes the pressure upstream of the drainage flow path higher than the pressure downstream of the drainage flow path;
a valve that opens and closes the drainage channel;
a computer that controls opening and closing of the valve;
Equipped with
The computer includes:
Performing a first determination to determine whether the vehicle is stopped,
Estimating the amount of water accumulated at the bottom of the fuel cell stack based on the amount of power generated by the fuel cell stack,
Performing a second determination to determine whether the water amount is greater than or less than a water amount threshold;
A drainage method for a fuel cell system for a vehicle, comprising controlling opening and closing of the valve based on a result of the first determination and a result of the second determination.
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