JP4133264B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温環境下における燃料電池の起動を円滑に行うために、発電停止時においてその内部に残溜した水分を効果的に排出させる燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池システムでは、その発電停止時に燃料電池の水素極側流路に設けた水素排出用のパージ弁を開けることで、発電中に燃料電池内部に残溜した凝縮水を水素の残存圧力などを利用して排水する手法が取られていた。この手法では、発電停止直後にパージ弁を一定時間だけ開けることで、残溜水分を排出していた。ちなみに、これ以外の手法としては、燃料電池内の残溜水分量に基づいて燃料電池の出力電流を制御することで、蒸発速度を向上させて効率よく残溜水分を除去するものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２４６０５３号公報（第２頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した水素の残存圧力を利用して残溜水分を排水する手法では、発電停止直後にパージ弁を一定時間だけ開けるため、このパージ弁から排出される水素の量はそのときの残存圧力に依存して変化する。そのため、このパージ弁から排出される水素を希釈して大気に放出するための空気の量は、その希釈後の水素濃度を一定値以下にするために、あらかじめ推定される排出水素量の最大値に合わせて設定する必要があった。そして、このように排出水素量の最大値に合わせて空気の量を設定すると、少量の水素が排出される場合であっても多量の空気を送ることとなり、その分エネルギが無駄に消費されていた。
【０００５】
また、前記のように無駄なエネルギを消費しないために排出水素量の最大値を低く押さえるべく、前記パージ弁の開放時間を短く設定すると、水素の残存圧力が低い場合には、残溜水分が十分に排水できなくなるおそれがあった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、パージ弁から排出される水素の量を一定にすることで、希釈用の空気の無駄な消費を防止するとともに、水素の残存圧力が低い場合でも残溜水分を確実に排出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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明は、燃料電池から排出される水素を再度燃料電池に戻す循環流路と、この循環流路内の水素を外部へ排出させるパージ弁とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止時において、前記燃料電池または前記循環流路内の水素の残存圧力を検知する検知手段と、この検知手段から出力される信号に基づいて前記パージ弁の開放時間を設定し、この開放時間の間で前記パージ弁を開放させることで外部に水素を排出するように制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電が停止すると、検知手段が燃料電池または循環流路内の水素の残存圧力を検知し、その信号を制御装置に出力する。この制御装置は、検知手段からの信号に基づいてパージ弁の開放時間をたとえば所定のマップにより設定し、この開放時間の間パージ弁を開放させて水素を外部に排出させる。
【０００９】
また、前記制御装置は、前記検知手段で検知した前記水素の残存圧力が所定値以下の場合、前記パージ弁の開放を禁止するように、前記パージ弁を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止時に、検知手段が水素の残存圧力が所定値以下であると検知した場合、制御装置はこの検知手段からの信号に基づいてパージ弁の開放を禁止する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの詳細について説明する。参照する図面において、図１は本発明に係る燃料電池システムを示す構成図であり、図２は図１のＥＣＵが参照するマップを示す図である。また、図３は図１のＥＣＵの動作を示すフローチャートであり、図４は図１の循環流路内の残存圧力と時間との関係を示すグラフ（ａ）と、図４（ａ）の時間軸に対応した燃料電池の発電状態を示すシーケンス図（ｂ）と、図４（ａ）の時間軸に対応した水素用パージ弁の動作状態を示すシーケンス図（ｃ）である。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池システムＳは、走行モータＭに電流を供給する燃料電池ＦＣと、この燃料電池ＦＣに空気を供給する空気供給系１と、燃料電池ＦＣに水素を供給する水素供給系２と、各種機器の制御を行うＥＣＵ（制御装置）３とで主に構成されている。空気供給系１は、空気を圧縮して供給するスーパーチャージャＳ／Ｃと、このスーパーチャージャＳ／Ｃからの空気を燃料電池ＦＣに導くとともに燃料電池ＦＣから排出される空気を外部に導く空気用流路１１と、この空気用流路１１内の空気を排出するために適宜開閉される空気用パージ弁１２とを主に備えている。
【００１３】
水素供給系２は、水素タンクＴ、水素供給用流路２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、圧力センサ（検知手段）４、循環流路２４、循環ポンプＰおよび水素用パージ弁２５を主に備えている。水素タンクＴ内には、燃料ガスとしての水素が充填されており、この水素は、遮断弁２２と水素タンクＴ内に備えられた図示しない電磁弁とが開放されることで燃料電池ＦＣへ排出されるようになっている。エゼクタ２３は、水素タンクＴからの水素と燃料電池ＦＣから戻ってくる水素を混合させ、これを燃料電池ＦＣに再供給して水素を循環させている。
【００１４】
循環流路２４は、燃料電池ＦＣから排出される水素をエゼクタ２３を介して再度燃料電池ＦＣに戻す流路である。この循環流路２４には、水素が供給される燃料電池ＦＣの入口近傍の部分に圧力センサ４が取り付けられるとともに、燃料電池ＦＣの出口側の部分に循環ポンプＰと水素用パージ弁２５が取り付けられている。なお、燃料電池ＦＣの入口とエゼクタ２３とを結ぶ流路は、水素タンクＴからの水素を燃料電池ＦＣに導く水素供給用流路２１として機能する他、燃料電池ＦＣから排出される水素を再度燃料電池ＦＣに戻す循環流路２４としても機能している。
【００１５】
圧力センサ４は、燃料電池ＦＣの発電停止時において、循環流路２４内の水素の残存圧力を検知している。循環ポンプＰは、循環流路２４内で水素を所定の方向（図では反時計回り）に循環させている。水素用パージ弁２５は、燃料電池ＦＣおよび循環流路２４内の水素および残溜水分を適宜外部へ排出している。また、水素用パージ弁２５は、この燃料電池システムＳにおける水の排出性を考慮した下方の位置、すなわち燃料電池ＦＣや循環流路２４内の残溜水分が溜まりやすい位置に配設されている。
【００１６】
ＥＣＵ３は、燃料電池システムＳの各機器、主にスーパーチャージャＳ／Ｃ、空気用パージ弁１２、遮断弁２２、循環ポンプＰおよび水素用パージ弁２５の制御を行っている。特に、このＥＣＵ３は、燃料電池ＦＣの発電停止時に圧力センサ４から出力される信号に基づいて水素用パージ弁２５の開放時間を設定し、この開放時間の間で水素用パージ弁２５を開放させることで外部に一定量の水素を排出するように制御している。具体的に、このＥＣＵ３は、図２に示すマップを用いて圧力センサ４から出力される信号（圧力）に基づいて、圧力が高いほど開放時間が短くなるように開放時間を設定している。
【００１７】
また、このＥＣＵ３は、燃料電池ＦＣの発電停止後においては圧力センサ４を介して循環流路２４内の圧力を常に監視している。そして、この圧力センサ４で検知した水素の残存圧力が所定値以下の場合、水素用パージ弁２５の開放を禁止するように、この水素用パージ弁２５を制御している。なお、この水素用パージ弁２５の開放を禁止するための閾値、すなわち前記所定値はいくつに設定してもよいが、本実施形態においては、水素供給系２内を水素で適切にシールする（充満させる）ため、この値を１４０ｋＰａより少し高めの値として説明することとする。
【００１８】
次に、この燃料電池システムＳによる残溜水分の排水方法について主に図３および図４を参照して説明する。
図３に示すように、燃料電池ＦＣの発電が停止すると（ＩＧ ＯＦＦ）、まずＥＣＵ３から遮断弁２２に制御信号が出力され、この制御信号に基づいて遮断弁２２が閉じられる（図１参照）。次に、ＥＣＵ３が圧力センサ４から出力される信号（水素の残存圧力）を読み取ると、このＥＣＵ３は図２に示すマップを参照してこの信号に基づいて水素用パージ弁２５の開放時間を設定し（ステップＳ１）、この開放時間で水素用パージ弁２５を開放させる（ステップＳ２）。
【００１９】
その後、このＥＣＵ３は、循環流路２４内の水素の残存圧力が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ３）。このステップＳ３において、残存圧力が所定値よりも高いと判断された場合では（Ｎｏ）、次にこのＥＣＵ３はステップＳ１で設定した開放時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ４）。このステップＳ４において、開放時間が経過していないと判断された場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ３に戻される。
【００２０】
ステップＳ３において残存圧力が所定値以下であると判断された場合や（Ｙｅｓ）、ステップＳ４において開放時間が経過したと判断された場合は（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ３により水素用パージ弁２５が閉じられ（ステップＳ５）、この燃料電池システムＳにおける排水動作が終了する。
【００２１】
このＥＣＵ３による制御方法をより詳しく説明すると、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、燃料電池ＦＣの発電が停止して（ＩＧ ＯＦＦ）、水素用パージ弁２５が開放されると、図４（ａ）に示すグラフのように循環流路２４内の残存圧力が徐々に下がっていく。そして、この残存圧力が、図２に示すマップで設定した開放時間（ｍａｐ値）を経過する前に、あらかじめ設定された所定値以下となった場合には、図４（ｃ）に点線で示すように水素用パージ弁２５が閉じられ、循環流路２４内の残存圧力が１４０ｋＰａを下回らない所定値に維持されることとなる。
【００２２】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
循環流路２４内の残存圧力の値に基づいて適宜設定される開放時間で水素用パージ弁２５が開放されるので、水素用パージ弁２５から一定量の水素を排出することができる。そのため、希釈用の空気を必要以上に多く設定する必要がなくなり、その無駄な消費が防止されるとともに、水素の残存圧力が低い場合でも残溜水分を確実に排出することができる。
循環流路２４内の水素の残存圧力が所定値以下になると、水素用パージ弁２５が閉じられるので、循環流路２４内の圧力が必要以上に下がることがなくなり、負圧により循環流路２４内に空気等が吸い込まれるのを確実に防止することができる。
【００２３】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、マップを用いて開放時間を設定したが、本発明はこれに限定されず、たとえば圧力センサ４から出力される圧力値に基づいて開放時間を、種々の条件（水素用パージ弁２５を通る水素の流体特性等）を考慮してその都度算出するようにして設定してもよい。また、しばらく使用しない場合も、水素供給系２内が水素で適切にシール（充満）されるので、再起動を行いやすくなる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、水素の残存圧力に関係なくパージ弁から一定量の水素が排出されるので、希釈用の空気の無駄な消費が防止されるとともに、水素の残存圧力が低い場合でも残溜水分を確実に排出することができる。
【００２５】
また、燃料電池または循環流路内の水素の残存圧力が所定値以下の場合は、パージ弁が開かないので、燃料電池または循環流路内の圧力が必要以上に下がることがなくなり、負圧により循環流路内等に空気等が吸い込まれるのを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１のＥＣＵが参照するマップを示す図である。
【図３】図１のＥＣＵの動作を示すフローチャートである。
【図４】図１の循環流路内の残存圧力と時間との関係を示すグラフ（ａ）と、図４（ａ）の時間軸に対応した燃料電池の発電状態を示すシーケンス図（ｂ）と、図４（ａ）の時間軸に対応した水素用パージ弁の動作状態を示すシーケンス図（ｃ）である。
【符号の説明】
Ｓ 燃料電池システム
Ｍ 走行モータ
ＦＣ 燃料電池
Ｔ 水素タンク
Ｐ 循環ポンプ
１ 空気供給系
２ 水素供給系
２１ 水素供給用流路
２２ 遮断弁
２３ エゼクタ
２４ 循環流路
２５ 水素用パージ弁
３ ＥＣＵ（制御装置）
４ 圧力センサ（検知手段）

Claims (2)

1. 燃料電池から排出される水素を再度燃料電池に戻す循環流路と、
   この循環流路内の水素を排出させるパージ弁とを備え、前記パージ弁から排出された水素を希釈用の空気で希釈して大気に排出する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発電停止時において、前記燃料電池または前記循環流路内の水素の残存圧力を検知する検知手段と、
   この検知手段から出力される信号に基づいて前記パージ弁の開放時間を設定し、この開放時間の間で前記パージ弁を開放させることで水素を排出するように制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記検知手段で検知した前記水素の残存圧力が所定値以下の場合、前記パージ弁の開放を禁止するように、前記パージ弁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。

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