JP4414808B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムにおいては、特に低温（氷点）下で始動する際の発電性能を向上させるため、発電を停止する際に燃料電池に掃気ガスを供給して燃料電池内の残留水を排出するいわゆる掃気が行われている。
その方法としては、例えば特許文献１では燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料通路に切換弁を設け、カソードに対して酸化剤ガスとして酸素を含んだ空気を供給するコンプレッサが切換弁を介してアノードに非加湿空気を供給できるようにしている。燃料ガスの供給を停止して発電を停止する際には切換弁を切り換えて、アノードとカソードの双方にコンプレッサからの空気を供給して、燃料電池を掃気する技術が開示されている。これによれば、掃気ガスとして外気を利用することができ、また短時間で燃料電池内部の残留水量を適切な量にすることができるため低温下で燃料電池を安定して始動させることができる。
As a method for this, for example, in
しかしながら、前記従来の技術において燃料電池を掃気するには、多大なエネルギーを必要とし、エネルギー消費が大きいという問題があった。燃料電池システムにおいては、始動時に例えば弁の開閉制御や酸化剤ガスとしての空気供給のため、バッテリなどのエネルギーストレージに一定のエネルギーを蓄える必要があるが、前記のように掃気用に多大なエネルギーが消費されてしまうと、燃料電池を始動できなくなる恐れがある。その対策として例えばバッテリなどの容量を大きくし、始動用のエネルギーを確保することが考えられるが、燃料電池システム全体の重量・容積が増大してしまう問題が生じ適切な方法ではない。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、掃気時のエネルギー消費を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
However, in order to scavenge the fuel cell in the prior art, there is a problem that a great deal of energy is required and energy consumption is large. In a fuel cell system, it is necessary to store a certain amount of energy in an energy storage such as a battery in order to control opening / closing of a valve or supply air as an oxidant gas at the time of start-up. If is consumed, the fuel cell may not be started. As a countermeasure, for example, it is conceivable to increase the capacity of a battery or the like and secure energy for starting, but this causes a problem of increasing the weight and volume of the entire fuel cell system and is not an appropriate method.
An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing energy consumption during scavenging in view of the conventional problems.
請求項１に記載の発明は、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池のアノード圧力またはカソード圧力を通常の発電時より高い圧力に上げた後、前記通常の発電時より高い圧力に上げた側の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させることによって前記燃料電池の温度を上げる昇温手段と、前記燃料電池を掃気する掃気手段とを備え、前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、前記昇温手段を制御し前記燃料電池の温度を通常発電時より高い温度に上昇させた後、前記燃料電池の燃料ガス供給通路および酸化剤ガス供給通路に掃気ガスを供給して前記燃料電池を掃気するものとした。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that generates electric power using a fuel gas supplied to an anode and an oxidant gas supplied to a cathode, and the anode pressure or cathode pressure of the fuel cell is set to be higher than that during normal power generation. After raising the pressure to a high pressure, the temperature of the fuel cell is raised by causing the fuel cell to generate power in a state where the supply of the fuel gas or oxidant gas on the side that has been raised to a higher pressure than during normal power generation is stopped. And a scavenging means for scavenging the fuel cell, wherein the scavenging means controls the temperature raising means to stop the power generation of the fuel cell so that the temperature of the fuel cell is higher than that during normal power generation. After the temperature was raised, scavenging gas was supplied to the fuel gas supply passage and oxidant gas supply passage of the fuel cell to scavenge the fuel cell.
請求項２に記載の発明は、前記燃料電池を冷却する冷却手段が備えられ、前記昇温手段は、前記冷却手段を制御し前記燃料電池に対する冷却を停止させるとともに、前記燃料電池を発電させることによって前記燃料電池の温度を上げるものとした。
The invention according to
請求項１に記載の発明によれば、掃気に際して燃料電池の温度を上げるようにしたため、掃気ガスは温度の低い同一質量流量の掃気ガスに比べて、燃料電池内部で温められ体積流量が増大するので、残留水の除去能力が向上する。また、掃気ガスが温められることによって飽和水蒸気量が増大し換言すると掃気ガスの相対湿度が低下し、同じ体積流量でも残留水の持ち去る量が多くなる。したがって、必要な掃気ガス量を減らすことができ、掃気に費やされるエネルギーを抑えることができる。この結果、燃料電池システムによっては十分な掃気を行っても、始動用のエネルギーが不足になることはない。
さらに、燃料電池を昇温させるための発電はアノードまたはカソード内の残ガスによって行うようにしたため、残ガスを有効に利用することができる。これによって、燃料電池を発電させるための燃料ガスまたは酸化剤ガスの消費を抑えることもできる。
さらに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を遮断するに際して、燃料電池のアノード圧力またはカソード圧力を上げるようにしたため、アノードまたはカソード内の残ガス量を増やして発電させることができる。これによって、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を早期に遮断することができる。
According to the first aspect of the present invention, since the temperature of the fuel cell is raised during scavenging, the scavenging gas is warmed inside the fuel cell and the volumetric flow rate is increased compared to the scavenging gas having the same mass flow rate and a lower temperature. Therefore, the residual water removal capability is improved. In addition, when the scavenging gas is warmed, the amount of saturated water vapor increases, in other words, the relative humidity of the scavenging gas decreases, and the amount of residual water taken away increases even at the same volume flow rate. Therefore, the amount of scavenging gas required can be reduced, and the energy consumed for scavenging can be suppressed. As a result, depending on the fuel cell system, even if sufficient scavenging is performed, the starting energy does not become insufficient.
Furthermore, since the power generation for raising the temperature of the fuel cell is performed by the residual gas in the anode or the cathode, the residual gas can be used effectively. Thereby, consumption of fuel gas or oxidant gas for generating power from the fuel cell can also be suppressed.
Furthermore, when the supply of the fuel gas or the oxidant gas is shut off, the anode pressure or cathode pressure of the fuel cell is increased, so that the amount of residual gas in the anode or cathode can be increased to generate power. Thereby, the supply of fuel gas or oxidant gas can be shut off early.
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池を発電させることによって燃料電池の温度を上げるようにしたため、燃料電池内部から昇温させることができ昇温にかかる時間が短くなるとともに、発電した電力を回収することによって請求項１に記載の効果に加えて、燃料電池の昇温に費やされるエネルギーも抑えることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the temperature of the fuel cell is raised by generating the fuel cell, the temperature can be raised from the inside of the fuel cell, and the time required for the temperature rise is shortened and the power is generated. By collecting the electric power, in addition to the effect of the first aspect, the energy spent for raising the temperature of the fuel cell can be suppressed.
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。なお、ここでは自動車に搭載される燃料電池システムについて説明を行う。
図１は燃料電池システムの構成を示す図である。
燃料電池１は高分子電解質膜をカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体をさらにセパレータで挟んだセルを積層して構成されるもので、そのアノード側入口ａ1にアノードガス流入路２（燃料ガス供給通路）が接続され、アノード側出口ａ2にはアノードオフガス流出路８が接続されている。
アノードガス流入路２にはその端部に接続された水素ボンベ７側から遮断弁６、レギュレータ５、イジェクタ３が順次に設けられ、アノードオフガス流出路８にはパージバルブ９が設けられている。
Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below. Here, a fuel cell system mounted on an automobile will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system.
The
The anode
遮断弁６は水素ボンベ７から燃料電池１に供給される水素ガスに対して制御を行うもので、開弁時に燃料電池１に水素ガスが供給され、閉弁時には水素ガスの供給が遮断される。
レギュレータ５は燃料電池１に供給される水素ガスの圧力を調整するものである。
イジェクタ３はアノードオフガス流出路８におけるパージバルブ９の上流側から分岐された循環路１０と接続され、アノードオフガス流出路８に排出されたアノードオフガスを燃料電池１に循環させるものである。
パージバルブ９はアノードオフガスの流れを制御するもので、閉弁時にアノードオフガス流出路８が封止され、アノードオフガスが燃料電池１に循環される。開弁時にはアノードオフガスが外部へ排出される。
遮断弁６、レギュレータ５、イジェクタ３およびパージバルブ９はそれぞれコントロールユニット４０に制御される。
The shutoff valve 6 controls the hydrogen gas supplied from the hydrogen cylinder 7 to the
The regulator 5 adjusts the pressure of hydrogen gas supplied to the
The
The purge valve 9 controls the flow of the anode off gas. When the valve is closed, the anode off gas outflow passage 8 is sealed, and the anode off gas is circulated to the
The shut-off valve 6, the regulator 5, the
燃料電池１のカソード側入口ｃ1にカソードガス流入路１２（酸化剤ガス供給通路）が接続され、カソード側出口ｃ2にはカソードオフガス流出路１４が接続される。
コンプレッサ１３がカソードガス流入路１２を介して燃料電池１のカソードに酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を供給し、そのカソードオフガスがカソードオフガス流出路１４から外部へ排出される。
アノードガス流入路２におけるレギュレータ５の下流側とカソードガス流入路１２とは連通路２６によって連通され、連通路２６には遮断弁２７が設けられるようになっている。
この連通路２６によって、遮断弁２７が開弁するときコンプレッサ１３からの空気を燃料電池１のアノードに供給することができる。
コンプレッサ１３はコントロールユニット４０に制御される。
Connected cathode
The
A downstream side of the regulator 5 in the anode
By this
The
燃料電池１の冷媒入口Ｌ1に冷媒流入路１６、冷媒出口Ｌ2には冷媒流出路１７がそれぞれ接続されている。冷媒流出路１７には燃料電池１からの順で冷媒温度調整バルブ１９とラジエータ２２が設けられ、冷媒温度調整バルブ１９はラジエータ２２の下流側から分岐された連通路２０と接続されている。冷媒流入路１６に燃料電池１に冷媒を供給する冷媒ポンプ１５が接続される。燃料電池１に供給される冷媒は冷媒流出路１７から排出され冷媒ポンプ１５によって燃料電池１に循環されるようになっている。この際、冷媒温度調整バルブ１９は、流れる冷媒温度によって動作し冷媒の流れる方向を切り換えるようにしている。
A refrigerant inflow path 16 is connected to the refrigerant inlet L 1 of the
すなわち、冷媒温度が冷媒温度調整バルブ１９の設定温度以上の場合、冷媒温度調整バルブ１９はラジエータ２２側に切り換えるように動作し、このとき冷媒はラジエータ２２を経由しここで外部と熱交換を行って冷媒ポンプ１５に流れる。冷媒温度が冷媒温度調整バルブ１９の設定温度未満の場合には、冷媒温度調整バルブ１９は連通路２０側に切り換えるように動作し、このとき冷媒は連通路２０を経由し熱交換なしに冷媒ポンプ１５に流れる。冷媒ポンプ１５は流れた冷媒を加圧して再び燃料電池１に供給する。
したがって、燃料電池１に冷媒を循環させることによって、燃料電池１の内部温度を常に設定温度と対応した温度に保つことができる。
冷媒温度調整バルブ１９および冷媒ポンプ１５はコントロールユニット４０に制御される。
燃料電池１は負荷４と電気接続されている。負荷４には自動車の駆動モータ以外に燃料電池１を始動させるためのバッテリやキャパシタ（図示せず）などが含まれている。
That is, when the refrigerant temperature is equal to or higher than the set temperature of the refrigerant temperature adjustment valve 19, the refrigerant temperature adjustment valve 19 operates to switch to the radiator 22 side. At this time, the refrigerant exchanges heat with the outside via the radiator 22. And flows to the
Therefore, by circulating the refrigerant in the
The refrigerant temperature adjustment valve 19 and the
The
コントロールユニット４０は車両側からイグニッションスイッチの状態信号を入力可能とし、その状態信号がオン信号のとき、燃料電池システムを運転するように遮断弁６、レギュレータ５、パージバルブ９、コンプレッサ１３、冷媒ポンプ１５、冷媒温度調整バルブ１９などの制御を通じて燃料電池１の発電制御を行う。発電される電力は負荷４に供給されこのときバッテリ内の電力が不足している場合、バッテリに対して充電が行われる。
イグニッションスイッチからの状態信号がオフ信号に変わると、コントロールユニット４０は燃料電池１の発電を停止させるが、停止させるに際して燃料電池１に対して掃気を行うか否かを判断する。
The control unit 40 can input a state signal of the ignition switch from the vehicle side, and when the state signal is an on signal, the shutoff valve 6, the regulator 5, the purge valve 9, the
When the status signal from the ignition switch changes to the off signal, the control unit 40 stops the power generation of the
すなわち、コントロールユニット４０には利用者によって操作可能な操作手段が備えられ、利用者は操作手段を操作することによって発電を停止する際に掃気を行うように設定することができる。また、掃気が必要であるが利用者によって設定が行なわれていない場合を想定し、掃気の必要性を判断できるように、コントロールユニット４０に凍結情報を有したカレンダが備えられ、コントロールユニット４０は自動車に搭載されたナビゲーションシステムからの位置データと受信手段によって受信した天気情報データに基づいてカレンダから凍結情報を読出し停車後に燃料電池が凍結することを予想する自動凍結予想モードが設けられている。
コントロールユニット４０は利用者の設定状態または自動凍結予想モードで掃気を行うと判断した場合、燃料電池１に対して掃気を行う。
That is, the control unit 40 is provided with operation means that can be operated by the user, and the user can set the scavenging when the power generation is stopped by operating the operation means. Further, assuming that scavenging is necessary but not set by the user, the control unit 40 is provided with a calendar having freezing information so that the necessity of scavenging can be determined. An automatic freezing prediction mode is provided in which freezing information is read from the calendar based on the position data from the navigation system mounted on the automobile and the weather information data received by the receiving means, and the fuel cell is expected to freeze after stopping.
When the control unit 40 determines that scavenging is performed in the user's setting state or the automatic freezing prediction mode, the scavenging is performed on the
次に、燃料電池の発電を停止する際の制御についてフローチャートにしたがって説明する。図２は発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
コントロールユニット４０は、燃料電池システムの運転停止信号として自動車側からイグニッションスイッチのオフ信号を入力する（Ｓ１）と、燃料電池１に対して掃気を実施するか否かの判断を行う（Ｓ２）。
すなわち、利用者の設定状態をチェックし、掃気するように利用者が設定を行った場合、または利用者が設定を行っていないが、ナビゲーションシステムからの自車位置を示す位置データと、受信した天気データに基づいてカレンダから凍結情報を読出してその凍結情報によって停車後に燃料電池１が凍結すると予想した場合、掃気を実施すると判断する（Ｓ２、実施する）。停車後に燃料電池１が凍結しないと予想した場合、掃気を実施しないと判断する（Ｓ２、実施しない）。
Next, control when stopping power generation of the fuel cell will be described with reference to a flowchart. FIG. 2 is a flowchart showing the flow of control when power generation is stopped.
When the control unit 40 inputs an ignition switch OFF signal from the vehicle side as an operation stop signal of the fuel cell system (S1), the control unit 40 determines whether or not scavenging is performed on the fuel cell 1 (S2).
In other words, when the user has set to check the setting status of the user and scavenging, or the user has not set, but received the position data indicating the vehicle position from the navigation system, and received When freezing information is read from the calendar based on the weather data and it is predicted that the
掃気を実施すると判断した場合、コントロールユニット４０は、レギュレータ５を制御し燃料電池１のアノード圧力を上げるようにする。アノード圧力を上げることによって水素ガスの供給を遮断した後、燃料電池１のアノード内の残ガス量を増やすことができ、残ガスで燃料電池１を発電させて燃料電池１の内部温度を上げることができる。
アノード圧力の上げ量については、冷媒の供給を停止した状態で、発電によって燃料電池１の内部温度を高分子電解質膜の耐熱温度を上限とした温度に上げるのに必要な量の残ガスが得られるように設定されたものである。例えば、ベンチテストにて残ガスによって発電を行った場合、燃料電池の内部温度を高分子電解質膜の耐熱温度近傍にまで上げるのに必要なアノード圧力を予め求め、その圧力を、アノード圧力を上げる際の上限値として規定することができる。なお、この際、燃料電池１の現在温度とベンチテスト時の温度に温度差があった場合にそれに対応してアノード圧力を修正すればよい。
When it is determined that scavenging is to be performed, the control unit 40 controls the regulator 5 to increase the anode pressure of the
Regarding the amount of increase in the anode pressure, the amount of residual gas required to raise the internal temperature of the
アノード圧力を上げた後、コントロールユニット４０は遮断弁６を閉弁させて燃料電池１への水素ガスの供給を遮断する（Ｓ４）。さらに冷媒ポンプ１５を停止させて燃料電池１への冷媒供給を停止させる（Ｓ５）。
このとき、コンプレッサ１３は作動しているので、アノード内の残ガスとカソードに供給される空気中の酸素とが電気化学反応を起こし残ガスによる発電が開始される（Ｓ６）。発電された電力はコンプレッサ１３の駆動や負荷４内のバッテリの充電に利用される。
このように、発電時には冷媒供給が停止されたため、発電に伴って燃料電池の内部温度が上昇することになる。
なお、ステップＳ５において冷媒供給を停止する代わりに例えば冷媒温度調整バルブ１９の設定温度を上げてもよい。この場合、冷媒によって燃料電池１の内部温度の分布がより均等になる効果が得られる。
After increasing the anode pressure, the control unit 40 closes the shutoff valve 6 to shut off the supply of hydrogen gas to the fuel cell 1 (S4). Further, the
At this time, since the
As described above, since the refrigerant supply is stopped during power generation, the internal temperature of the fuel cell rises with power generation.
Instead of stopping the refrigerant supply in step S5, for example, the set temperature of the refrigerant temperature adjustment valve 19 may be increased. In this case, the effect of making the distribution of the internal temperature of the
コントロールユニット４０は、アノードガス流入路２のアノード側入口ａ1付近に設けられている圧力センサＰａの検出値を入力し、アノード圧力が所定圧より小さいか否かを判断する（Ｓ７）。燃料電池１に水素ガスの供給が停止されているので、発電の進行にしたがって、残ガスが消費され、アノード圧力が低下する。アノード圧力が所定圧以上の場合（Ｓ７、ＮＯ）、残ガスによる発電が完了していないとして圧力センサＰａから新たな検出値を入力し同判断を行う。アノード圧力が所定圧より小さくなった場合（Ｓ７、ＹＥＳ）には、残ガスが消費され発電が停止されたと判断する（Ｓ８）。
Control unit 40 receives the detection value of the pressure sensor Pa provided in the vicinity of the anode side inlet a 1 of the anode
発電が停止されたと判断すると、コントロールユニット４０はパージバルブ９、遮断弁２７を開弁させ、コンプレッサ１３からの空気をアノードおよびカソードに供給させ、燃料電池１に対して掃気を実施する（Ｓ９）。
燃料電池１に一定量の掃気ガスを供給した後、コントロールユニット４０は掃気が完了したとしてコンプレッサ１３を停止させ、また遮断弁２７、パージバルブ９を閉弁させて燃料電池システムの運転を停止させる（Ｓ１０）。
一方、ステップＳ２で、掃気を実施しないと判断した場合には、コントロールユニット４０は、遮断弁６を閉弁させて水素ガスの供給を遮断させる（Ｓ１１）。その後、ステップＳ１０に進み前記同様に燃料電池システムの運転を停止させる。
If it is determined that the power generation has been stopped, the control unit 40 opens the purge valve 9 and the
After supplying a certain amount of scavenging gas to the
On the other hand, when it is determined in step S2 that scavenging is not performed, the control unit 40 closes the shutoff valve 6 to shut off the supply of hydrogen gas (S11). Then, it progresses to step S10 and the driving | operation of a fuel cell system is stopped similarly to the above.
以上説明したように、燃料電池１の発電を停止し掃気を行うに際して、まず、燃料電池の内部温度を上げるようにしてから掃気ガスを供給して掃気を行うため、残留水の流動性が増すとともに、掃気ガスが燃料電池内部で温められ、体積流量の増大により残留水の除去能力が向上する。また、掃気ガスが温められることによって飽和水蒸気圧が増大し同じ体積ガス流量の場合でも残留水の持ち去り量が多くなることから、体積流量の増大とあいまってより高い除去能力を得ることができる。したがって燃料電池１に供給される掃気ガス量を従来に比べて大幅に減らすことができ、短時間で掃気を完了することができるとともに、バッテリから持ち出す電力量を減らすことができる。この結果、燃料電池システムよっては、完全な掃気が行えるとともに、始動時のエネルギーも確保することができる。また、始動時のエネルギーが不足するような場合でも、重量・容積の増大を小さく抑えて燃料電池システムを構成することができる。
As described above, when scavenging is performed after stopping the power generation of the
また、燃料電池の温度を上げる手段としては、水素ガスの供給を遮断し、アノード内に封じ込められた残ガスで発電させ、発電によって燃料電池１の温度を上げるため残ガスが有効利用されるとともに、発電によって得られた電力はバッテリの充電に回され、コンプレッサの駆動電力とすることができるため、掃気に費やされるエネルギーを効果的に抑えることができる。
さらに、水素ガスの供給を遮断するに際して、アノード圧力を上げるようにしたため、水素ガスの供給を遮断した後の残ガスの量が増え、発電によって燃料電池を昇温させるための水素ガスを確保できるとともに、早期に水素ガスの供給を遮断することができる。
Further, as means for raising the temperature of the fuel cell, the supply of hydrogen gas is shut off, power is generated with the residual gas contained in the anode, and the residual gas is effectively used to raise the temperature of the
Further, when the supply of hydrogen gas is cut off, the anode pressure is increased, so that the amount of residual gas after the supply of hydrogen gas is cut off increases, and hydrogen gas for raising the temperature of the fuel cell by power generation can be secured. At the same time, the supply of hydrogen gas can be shut off early.
次に、掃気時の燃料電池温度と低温始動時の発電性能について説明する。
図３は掃気時の燃料電池温度と圧力損失の関係を示す図である。
図３で分かるように、燃料電池温度（燃料電池の内部温度）が「高」の場合に掃気を実施したときの圧力損失が１で示すようにもっとも高い値を有し、燃料電池温度が「中」の場合に掃気が実施されたときの圧力損失は２で示すように１に次ぐ高い値を有する。そして、燃料電池温度が「低」の場合に掃気が実施されたときの圧力損失は３で示すように一番低い値を有している。圧力損失は掃気時に残留水の排出によって生じる抵抗分を含んで生成されるもので、圧力損失が大きいことはより多くの残留水を排出できていることを意味する。したがって、燃料電池温度を上げて掃気を実施した場合、掃気に必要な掃気ガス量を減らすことができ、掃気時間を短くすることができるとともにかかるエネルギーを抑えることができる。
Next, the fuel cell temperature during scavenging and the power generation performance during cold start will be described.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between fuel cell temperature and pressure loss during scavenging.
As can be seen from FIG. 3, when the fuel cell temperature (internal temperature of the fuel cell) is “high”, the pressure loss when scavenging is performed has the highest value as indicated by 1, and the fuel cell temperature is “ In the case of “medium”, the pressure loss when scavenging is performed has the second highest value as shown by 2. The pressure loss when scavenging is performed when the fuel cell temperature is “low” has the lowest value as indicated by 3. The pressure loss is generated including the resistance caused by the discharge of residual water during scavenging, and a large pressure loss means that a larger amount of residual water can be discharged. Therefore, when scavenging is performed by raising the fuel cell temperature, the amount of scavenging gas required for scavenging can be reduced, the scavenging time can be shortened, and the energy consumed can be suppressed.
図４は、低温始動時の電流挙動と掃気温度の関係を示す図である。
燃料電池温度が「高」の場合に掃気が実施されたときの出力電流が１で示し、燃料電池温度が「中」の場合に掃気が実施されたときの出力電流は２で示し、燃料電池温度が「低」の場合に掃気が実施されたときの出力電流は３で示すようになっている。図４で示すように、燃料電池１に水素ガスと酸素を含む空気といった反応ガスを供給し始動した初期では、掃気時の燃料電池温度によらず出力電流はほぼ同じ電流値からスタートする。これは掃気時の燃料電池温度がスタート時の電流値にさほど影響を与えないことを意味している。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between current behavior and scavenging temperature during cold start.
When the scavenging is performed when the fuel cell temperature is “high”, the output current is 1; when the scavenging is performed when the fuel cell temperature is “medium”, the output current is 2; The output current when scavenging is performed when the temperature is “low” is shown by 3. As shown in FIG. 4, at the initial stage when the
発電が進行すると、燃料電池温度が「高」の場合に掃気が実施されたときの出力電流が１で示すようにほかより高い上昇率を示して上昇し、燃料電池温度が「中」の場合に掃気が実施されたときの出力電流は２で示すように１に次ぐ上昇率で上昇する。これに対して、燃料電池温度が「低」の場合に掃気が実施されたときの出力電流が３で示すように一番低い上昇率で上昇するため、発電の進行にしたがってその差が広がる。したがって、燃料電池を高い温度で掃気を行った場合に、より早く最大電流に到達し始動時の発電性能が向上する。これはガス質量流量が同一の掃気ガスで掃気を行った場合、燃料電池温度を上げることによって完全に掃気できるのに対して、燃料電池温度を上げないあるいは上げても不充分の場合には掃気が充分に行われないことに起因すると考えられる。 When power generation proceeds, when the fuel cell temperature is “high”, the output current when scavenging is performed rises with a higher rate of increase as shown by 1, and the fuel cell temperature is “medium” When scavenging is performed, the output current rises at a rate of increase next to 1 as indicated by 2. On the other hand, when the scavenging is performed when the fuel cell temperature is “low”, the output current rises at the lowest rate of increase as indicated by 3, and thus the difference widens as the power generation progresses. Therefore, when scavenging the fuel cell at a high temperature, the maximum current is reached earlier and the power generation performance at the start is improved. This is because, when scavenging with the same gas mass flow rate, scavenging is possible by raising the fuel cell temperature, but when the fuel cell temperature is not raised or not raised, scavenging is performed. This is considered to be caused by the fact that this is not performed sufficiently.
本実施形態は以上のように構成され、実施形態では燃料ガスとして水素ガスを利用し、酸化剤ガスとしては酸素を含んだ空気を利用した。空気は外部から取り入れるので、水素ガスのように残ガスによる発電を行っていないが、酸化剤ガスも水素ガスと同様にボンベから供給される場合は、酸化剤ガスの供給も遮断して残ガスによる発電で燃料電池１の温度を上げることもできる。この場合も、カソード圧力を上げて残ガスを増すことができる。
The present embodiment is configured as described above. In the embodiment, hydrogen gas is used as the fuel gas, and oxygen-containing air is used as the oxidant gas. Since air is taken in from the outside, power is not generated by residual gas like hydrogen gas. However, when oxidant gas is supplied from a cylinder as well as hydrogen gas, supply of oxidant gas is also shut off and residual gas is shut off. The temperature of the
次に、前記実施形態の変形例を説明する。
実施形態では残ガスによる発電が停止したことを検出するためアノード圧力を用いたが、変形例ではカソードオフガス流出路１４のカソード側出口Ｃ2側に設けた温度センサＴでカソード出口温度を検出しカソード出口温度によって発電が停止したことを判断する。そのほかは第１の実施形態と同様である。
Next, a modification of the embodiment will be described.
Although the embodiment using the anode pressure for detecting that the power generation by the residual gas is stopped, detects the cathode outlet temperature at a temperature sensor T which is provided on the cathode side outlet C 2 side of the cathode off-
図５は、変形例における発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
Ｓ１１からＳ１６までのステップは、図２におけるステップＳ１からＳ６までのステップと同様である。すなわち、コントロールユニット４０は、燃料電池システムの運転停止信号として自動車側からイグニッションスイッチのオフ信号を入力する（Ｓ１１）と、燃料電池１に対して掃気を実施するか否かの判断を行う（Ｓ１２）。掃気を実施すると判断した場合（Ｓ１２、実施する）、コントロールユニット４０はレギュレータ５を制御し燃料電池１のアノード圧力を上げるようにする（Ｓ１３）。
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of control when power generation is stopped in the modification.
The steps from S11 to S16 are the same as the steps from S1 to S6 in FIG. That is, when the control unit 40 inputs an ignition switch OFF signal from the vehicle side as an operation stop signal of the fuel cell system (S11), the control unit 40 determines whether or not scavenging is performed on the fuel cell 1 (S12). ). If it is determined that scavenging is to be performed (S12, is performed), the control unit 40 controls the regulator 5 to increase the anode pressure of the fuel cell 1 (S13).
アノード圧力を上げた後、コントロールユニット４０は遮断弁６を閉弁させて燃料電池１への水素ガスの供給を遮断する（Ｓ１４）。コントロールユニット４０はさらに冷媒ポンプ１５を停止させて燃料電池１への冷媒供給を停止させる（Ｓ１５）。このとき、コンプレッサ１３は作動しているので、アノード内の残ガスとカソードに供給される空気中の酸素とが電気化学反応を起こし残ガスによる発電が開始される（Ｓ１６）。発電された電力は負荷４内のバッテリの充電に利用されるとともに、発電に伴って燃料電池の内部温度が上昇する。
After increasing the anode pressure, the control unit 40 closes the shutoff valve 6 to shut off the supply of hydrogen gas to the fuel cell 1 (S14). The control unit 40 further stops the
その後、残ガスによる発電が停止することを検出するため、コントロールユニット４０は、カソードオフガス流出路１４に設けられている温度センサＴの検出値を入力し、カソード出口温度が所定値より大きいか否かを判断する（Ｓ１７）。カソード出口温度が所定値以下の場合（Ｓ１７、ＮＯ）は、発電が行われているものとして、温度センサＴから新たな検出値を入力し同判断を行う。カソード出口温度が所定値より大きくなった場合（Ｓ１７、ＹＥＳ）には、残ガスが消費され発電が停止されたと判断する（Ｓ１８）。
Thereafter, in order to detect that the power generation by the residual gas is stopped, the control unit 40 inputs the detection value of the temperature sensor T provided in the cathode
その後、コントロールユニット４０はパージバルブ９、遮断弁２７を開弁させ、コンプレッサ１３からの空気をアノードおよびカソードに供給させ、燃料電池１に対して掃気を実施する（Ｓ１９）。そして、燃料電池１に一定量の掃気ガスを供給した後、コントロールユニット４０は掃気完了したとしてコンプレッサ１３を停止させ、また遮断弁２７、パージバルブ９を閉弁させることによって燃料電池システムの運転を停止させる（Ｓ２０）。一方、ステップＳ１２で、掃気を実施しないと判断した場合には、コントロールユニット４０は、遮断弁６を閉弁させて水素ガスの供給を遮断させる（Ｓ２１）。その後、ステップＳ２０に進み前記同様に燃料電池システムの運転を停止させる。
Thereafter, the control unit 40 opens the purge valve 9 and the
変形例によっても、実施形態と同様の効果が得られるとともに、カソード出口温度を検出し発電が停止したことを検出するようにしたため、例えば、残ガスが必要以上に多い場合でも、カソード出口温度が所定値になったことを検出した時点で、発電を停止させることができるので、燃料電池１の内部温度が高分子電解質膜の耐熱温度以上に上げられることはない。燃料電池１を保護できる効果が得られる。
また、本実施形態においては、発電による熱を利用して燃料電池を昇温させたが、ヒータなどを用いて昇温させてもよい。
According to the modification, the same effect as that of the embodiment can be obtained, and the cathode outlet temperature is detected to detect that the power generation is stopped. Therefore, for example, even when the residual gas is more than necessary, the cathode outlet temperature is Since power generation can be stopped when it is detected that the predetermined value has been reached, the internal temperature of the
In this embodiment, the temperature of the fuel cell is raised using heat generated by power generation. However, the temperature may be raised using a heater or the like.
１ 燃料電池
２ アノードガス流入路
３ イジェクタ
４ 負荷
５ レギュレータ
６ 遮断弁
７ 水素ボンベ
８ アノードオフガス流出路
９ パージバルブ
１０ 循環路
１２ カソードガス流入路
１３ コンプレッサ
１４ カソードオフガス流出路
１５ 冷媒ポンプ
１６ 冷媒流入路
１７ 冷媒流出路
１９ 冷媒温度調整バルブ
２０ 連通路
２２ ラジエータ
２６ 連通路
２７ 遮断弁
４０ コントロールユニット
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料電池のアノード圧力またはカソード圧力を通常の発電時より高い圧力に上げた後、前記通常の発電時より高い圧力に上げた側の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させることによって前記燃料電池の温度を上げる昇温手段と、
前記燃料電池を掃気する掃気手段とを備え、
前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、前記昇温手段を制御し前記燃料電池の温度を通常発電時より高い温度に上昇させた後、前記燃料電池の燃料ガス供給通路および酸化剤ガス供給通路に掃気ガスを供給して前記燃料電池を掃気することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using a fuel gas supplied to the anode and an oxidant gas supplied to the cathode;
After raising the anode pressure or cathode pressure of the fuel cell to a pressure higher than that during normal power generation , the supply of the fuel gas or oxidant gas on the side raised to a pressure higher than that during normal power generation is stopped. A temperature raising means for raising the temperature of the fuel cell by generating the fuel cell;
Scavenging means for scavenging the fuel cell,
When the scavenging means stops power generation of the fuel cell, the scavenging means controls the temperature raising means to raise the temperature of the fuel cell to a temperature higher than that during normal power generation, and then the fuel gas supply passage of the fuel cell and A fuel cell system, wherein scavenging gas is supplied to an oxidant gas supply passage to scavenge the fuel cell.
前記昇温手段は、前記冷却手段を制御し前記燃料電池に対する冷却を停止させるとともに、前記燃料電池を発電させることによって前記燃料電池の温度を上げ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。 A cooling means for cooling the fuel cell is provided;
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the temperature raising unit controls the cooling unit to stop the cooling of the fuel cell and raises the temperature of the fuel cell by generating the fuel cell. system.
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