JP4181390B2 - 燃料電池システムの運転停止方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の動力源となる燃料電池システムの運転停止方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車(以下、「車両」という。)の動力源となる燃料電池システムが、例えば、純水素(以下、「水素」という。)を燃料とする場合、燃料電池システムへの水素供給は、その利用効率を上げる(燃費を良くする)ために、アノード配管系に循環系を採用している。
循環方式としては、水素を加圧するブロアや負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタや、真空ポンプなどを利用する。そして、循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物、例えば窒素の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。この水素は不純物が含まれていても濃度が高いので、濃度の高い水素をそのまま大気に排出したのでは不都合が多い。
そこで希釈器内で水素を滞留させ、低濃度に希釈してから大気に排出するようにしている(例えば、特許文献1参照)。また、水分が溜まって燃料電池スタックのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。この水分も希釈器を通じて大気に排水するようにしている。
ところで、燃料電池を停止したあと、再起動時における起動性をよくするため、発電停止の際にパージを行い、不純物を排出したり、水を排水したりすることが行われる。
【0003】
【特許文献1】
特開2002-289237号公報(テキスト版第12頁、図7)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発電停止の際にパージ(水分の排水操作を含む)を行うと、場合によっては以前のパージにより導入された水素を希釈器で希釈して排出する前に、新たなパージ(停止時のパージ)による水素が希釈器に導入され、結果として希釈器の処理限界を超えて、高い濃度の水素が希釈器から排出されてしまう虞がある。
【0005】
そこで、本発明は、燃料電池の発電停止後の水素ガスのパージにおいて、希釈器の排出処理限界を超えないようにして、排出する水素ガスの濃度を低減する制御方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項1の燃料電池システムの運転停止方法は、燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室内に滞留させ、前記滞留室内に滞留された前記水素ガスを前記燃料電池スタックのカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈手段を備えた燃料電池システムにおいて、停止操作により前記燃料電池システムの運転を停止する際に、前記停止操作により発電を停止する一方で、当該停止操作を行う直前のパージ動作から所定時間(t3)を経過した後に停止操作後のパージを行い、この停止操作後のパージにより排出された水素ガスを前記希釈手段によって希釈した後に前記燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする。
【0007】
この請求項1の構成においては、停止操作により発電を停止する。その一方で、停止操作の後にもパージを行う。この停止操作後のパージは、停止操作を行う直前のパージ動作から、所定時間を経過した後に行われる。このため、連続してパージが行われることがない。ここで、所定時間は、希釈手段(希釈ボックス)の能力などを考慮して設定される。なお、停止操作後のパージにより排出された水素ガスは、カソードオフガスにより希釈され、希釈後カソードオフガスの供給が停止される(実施形態ではスーパチャージャが停止される)。
【0008】
本発明に係る請求項2の燃料電池システムの運転停止方法は、燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室内に滞留させ、前記滞留室内に滞留された前記水素ガスを前記燃料電池スタックのカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈手段を備えた燃料電池システムにおいて、停止操作により前記燃料電池システムの運転を停止する際に、前記停止操作によって発電を停止する一方で、当該停止操作を行う直前のパージ動作から前記停止操作までの経過時間(t1)を計測し、この経過時間(t1)に基づいて、前記停止操作後にパージを行う第2の所定時間 (t2)を設定し、前記停止操作後、前記第2の所定時間(t2)を経過した後に停止操作後のパージを行い、この停止操作後のパージにより排出された水素ガスを前記希釈手段によって希釈した後に前記燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする。
【0009】
この請求項2の構成においても、停止操作により発電を停止する。その一方で、停止操作の後にもパージを行う。この停止操作後のパージは、停止操作の直前のパージから停止操作までの経過時間に基づいて設定される第2の所定時間を参酌して行われる(停止操作後、第2の設定時間経過後に停止操作後のパージが行われる)。このため、連続してパージが行われることがない。ここで、第2の所定時間は、希釈手段(希釈ボックス)の能力などを考慮して設定される。なお、停止操作後のパージにより排出された水素ガスは、カソードオフガスにより希釈され、希釈後カソードオフガスの供給が停止される(実施形態ではスーパチャージャが停止される)。
【0010】
【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の発電停止時のパージタイミング制御方法について実施の形態を説明する。
【0011】
参照する図面において、図1は燃料電池電気自動車における排出燃料希釈器を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図2は燃料電池のシステム図である。最初に燃料電池の排出燃料希釈器について説明する。
【0012】
図1に示すように、燃料電池電気自動車1の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス2が搭載されている。燃料電池システムボックス2の内部には、燃料電池システム、即ち、温調器3、燃料電池スタック4、加湿器5、及び排出燃料希釈器(希釈手段)6が車両1の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、高圧水素容器15、燃料電池スタック4に空気を供給するスーパチャージャ(S/C)16のような空気供給手段、燃料電池スタック4を冷却する図示せぬラジエタなどから構成される。
【0013】
図2に示すように、燃料電池スタック4は、高圧水素容器15に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れられ、スーパチャージャ16で圧縮された空気を供給されて発電を行い、モータ14に電気を供給して車両1を駆動する。この燃料電池スタック4を好適に作動させるために、温調器3(図1参照)で燃料電池スタック4に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器5で燃料電池スタック4に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器6は、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞留させ、排出空気と混合して希釈してから大気に排出する。
【0014】
燃料電池スタック4で一度使用された水素は、その利用効率を上げる(燃費を良くする)ため、配管7によりイジェクタ25に戻されて循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、内部に水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管7から分岐したパージ水素配管8が排出燃料希釈器6に接続されている。パージ水素配管8には開閉弁9が設けられ、ECU(Electronic Control Unit)10のような制御手段に接続されて、通常時には閉じられ、パージのとき開かれる。
また、ECU10は、高圧水素容器15の出口側のバルブ17、カソードオフガス配管11のバルブ18、水素の循環系の配管7の加湿器5の上流側に設けられたポンプ19、及びスーパチャージャ16等を制御する。
【0015】
排出燃料希釈器6は、燃料電池スタック4から排出されるカソードオフガスを排出するための、カソードオフガス配管11が排出燃料希釈器6自体を貫通して大気に開口している。カソードオフガス配管11は、排出燃料希釈器6内に入ってから管径を細くする。
これによりカソードオフガス配管11内を流れるカソードオフガスは流速が速くなり、圧力が低くなるので、吸引力が生じる。又、排出燃料希釈器6内のカソードオフガス配管11には、この排出燃料希釈器6内(滞留室13)に滞留する水素を吸い込む図示せぬ穴部、及び燃料電池スタック4で生成される凝縮水を排水するための図示せぬ排水用穴が設けられている。
排出燃料希釈器6の上部には、循環系のパージ水素配管8から放出されるパージ水素の入口部12が設けられている。排出燃料希釈器6内は、入口部12から放出された水素の滞留室13をなす。また、滞留室内13内は壁23で上下の室に仕切り、入口部12から遠い側の壁23に、滞留室23内に導入されたパージ水素を下の室に送るための開口部24を設ける。
【0016】
燃料電池システムボックス2は、概略以上のように構成されており、排出燃料希釈器6の入口部12から滞留室13内に放出されたパージ水素は、拡散して容積が拡大することでしばらく滞留される。その後、パージ水素は、排出燃料希釈器6内に導入されたカソードオフガス配管11内を低圧の排気空気が流れているため、図示せぬ穴部から吸い込まれ排気空気と混合して希釈され、低濃度となって大気に排出される。加湿器5や燃料電池スタック4から出る排気空気中の凝縮水も排気空気と一緒に排出される。
【0017】
次に本発明の燃料電池システムの運転停止方法、即ち燃料電池の発電停止時のパージタイミング制御方法の第1の実施形態について、図2、図3、及び図4により説明する。
イグニッションスイッチを切って燃料電池スタック4の発電を停止すると(S1)、ECU10(図2参照)によって、高圧水素容器15のバルブ17は閉じられ、カソードオフガス配管11のバルブ18が開いたままになり、スーパチャージャ16はそのまま継続して運転される。そして、イグニッションスイッチを切る直前に行った水素のパージからイグニッションスイッチを切るまでの時間t1がECU10(図2参照)によって計測され(S2)、この時間t1と所定時間t3とを比較して、所定時間t3を経過したか否かが調べられる(S3)。その結果、所定時間t3を経過していれば、ポンプ19は継続して駆動され、停止操作後のパージを行い(S4)、スーパチャージャ16を停止する(S5)。
計測した時間t1が所定時間t3を超えていない場合は、ステップS2,ステップS3が繰り返される。
【0018】
これにより、直前に行ったパージによって導入された水素を排出燃料希釈器6で希釈して排出する前に、停止操作後(停止操作の際)のパージによる水素が導入され、結果として排出燃料希釈器6の処理限界を超えて高い濃度の水素が排出されてしまうことがなくなる。なお、時間t3は、排出燃料希釈器6の処理能力等を考慮して、排出される水素の濃度がある一定の値以上にならないように適宜設定されている。
【0019】
なお、ステップS4のパージからステップS5のスーパチャージャ16の停止までの時間は、排出燃料希釈器6によって停止操作後のパージにより導入された水素を希釈するのに必要な時間が設定される。これにより、排出燃料希釈器6内に水素が滞留することによる不都合を生じさせることがない。
また、時間t3を適切に設定することにより、水素を希釈して排出するために駆動されるスーパチャージャ16の動力等を最低限なものとすることが可能になる。換言すると、発電停止後に排出燃料希釈器6に供給する希釈用のカソードオフガス(排気空気)の量、即ち発電停止後に運転されるスーパチャージャ16の運転時間を適切に設定することができる(従来においては、この時間は固定されていた)。これにより、スーパチャージャ16を発電停止後に動かす図示しないバッテリからの電力持ち出し量を低減化することが可能になる。よって、再起動時に使用される電力量(バッテリの充電電力量(SOC;State Of Charge))を確保することができるようになるので、この点からも再起動をよりよく行うことができる。また、パージにより不純物を排出したり、排水を行ったりすることにより、再起動を円滑に行うことができるようになる。
【0020】
次に本発明の燃料電池システムの運転停止方法、即ち燃料電池の発電停止時のパージタイミング制御方法の第2の実施形態について、図2、図5、図6及び図7により説明する。
イグニッションスイッチを切って燃料電池スタック4の発電を停止すると(S11)、図6に示すように、セル電圧は次第に下がってゆき、0になる。発電停止に伴いECU10(図2参照)によって、高圧水素容器15のバルブ17は閉じられ、カソードオフガス配管11のバルブ18が開いたままになり、水素のポンプ19は継続して運転され、スーパチャージャ16もそのまま継続して運転される。そして、イグニッションスイッチを切る直前に行った水素のパージからイグニッションスイッチを切るまでの時間t1がECU10(図2参照)によって計測され(S12)、この時間t1に基づき、図7のグラフ(マップ)から運転停止までの時間(第2の所定時間)t2を求める(S13)。その後、停止操作(IG.OFF)をした時から、時間t2経過後に停止操作のパージを行い(S14)、スーパチャージャ16が停止する(S15)。
【0021】
これにより、第1実施形態と同様に、直前に行ったパージにより導入された水素を排出燃料希釈器6で希釈して排出する前に、停止操作後(停止操作の際)のパージによる水素が導入され、結果として排出燃料希釈器6の処理限界を超えて高い濃度の水素が排出されてしまうことがなくなる。
なお、時間t2(時間t1+時間t2)は、排出燃料希釈器6の処理能力等を考慮して、排出される水素の濃度がある一定の値以上にならないように適宜設定される。この第2実施形態は、直前にパージが行われてから停止操作がなされるまでの時間t1に基づいて時間t2を設定するので、停止操作後に排出燃料希釈器6に供給する希釈用のカソードオフガス(排気空気)の量、即ち発電停止後に運転されるスーパチャージャ16の運転時間を、より適切に設定することができる。これにより、スーパチャージャ16を発電停止後に動かす図示しないバッテリからの電力持ち出し量をより低減化することが可能になる。よって、再起動時に使用される電力量を確保することができるようになるので、この点からも再起動をよりよく行うことができる。もちろん、パージにより不純物を排出したり、排水を行ったりすることにより、再起動を円滑に行うことができるようになるのはいうまでもない。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法では、連続してパージが行われることがないので、希釈手段の限界を超えることがなく、大気に排出された水素濃度を低く抑えることができる。また、発電停止後に希釈操作を行うと、次の始動のためのエネルギー量にも影響するが、本発明によれば、電力を確保できるので、例えば、再起動用のキャパシタやバッテリの容量を小さくすることができ、実車搭載システムの軽量・小型化にもつながる。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池電気自動車における本発明に係る燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図2】本発明の燃料電池のシステム図である。
【図3】スーパチャージャの制御方法を示す第1の実施形態のフローチャートである。
【図4】滞留室内の水素の予測濃度を示すグラフである。
【図5】スーパチャージャの制御方法を示す第2の実施形態のフローチャートである。
【図6】発電停止シーケンスの図である。
【図7】パージ水素配管の開閉弁のオープンタイミングを示すグラフ(マップ)である。
【符号の説明】
1 :燃料電池電気自動車(車両)
2 :燃料電池システムボックス
4 :燃料電池スタック
6 :排出燃料希釈器(希釈手段)
8 :パージ水素配管
9 :開閉弁
11 :カソードオフガス配管
12 :入口部
13 :滞留室
16 :スーパチャージャ(送風手段)
17 :バルブ
Claims (2)
- 燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室内に滞留させ、前記滞留室内に滞留された前記水素ガスを前記燃料電池スタックのカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈手段を備えた燃料電池システムにおいて、
停止操作により前記燃料電池システムの運転を停止する際に、前記停止操作により発電を停止する一方で、当該停止操作を行う直前のパージ動作から所定時間(t3)を経過した後に停止操作後のパージを行い、
この停止操作後のパージにより排出された水素ガスを前記希釈手段によって希釈した後に前記燃料電池システムの運転を停止すること、
を特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。 - 燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室内に滞留させ、前記滞留室内に滞留された前記水素ガスを前記燃料電池スタックのカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈手段を備えた燃料電池システムにおいて、
停止操作により前記燃料電池システムの運転を停止する際に、前記停止操作によって発電を停止する一方で、当該停止操作を行う直前のパージ動作から前記停止操作までの経過時間(t1)を計測し、
この経過時間(t1)に基づいて、前記停止操作後にパージを行う第2の所定時間 (t2)を設定し、前記停止操作後、前記第2の所定時間(t2)を経過した後に停止操作後のパージを行い、
この停止操作後のパージにより排出された水素ガスを前記希釈手段によって希釈した後に前記燃料電池システムの運転を停止すること、
を特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
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