JP4751463B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
すなわち、エゼクタの圧力制御機構によって、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると、ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる。一方、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が低くなると、ノズルの噴射口が小さくなり、二次側圧力が低くなる。
なお、第1時間は、事前試験やシミュレーションによって、エゼクタの下流(燃料ガス流路)におけるガスの圧力が通常圧力よりも高い第1圧力に到達するまでに要する時間に設定される。
そこで、このような燃料電池システムによれば、制御手段が、燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、エゼクタの下流(燃料ガス流路)におけるガスの圧力を、第1圧力よりも高い第2圧力に到達させた後、排出弁を開くので、より多量の水分を排出できる。
なお、所定温度は、事前試験等によって、その後に水蒸気が結露し、燃料電池の発電状態が不調となると判断される温度に設定される。
なお、所定時間は、事前試験等によって、燃料電池を通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの総流量が少なく、燃料電池内に多量の水分が滞留していると判断される時間に設定される。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム100は、図示しない燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム100は、燃料電池スタック110と、セル電圧モニタ115と、燃料電池スタック110のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック110のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック110の掃気時に掃気ガスをカソード系からアノード系に導く掃気ガス導入系と、これらを電子制御するECU160(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック110は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル111が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル111は直列で接続されている。単セル111は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全ての単セル111に水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路112(燃料ガス流路)、カソード流路113(酸化剤ガス流路)として機能している。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
セル電圧モニタ115(発電状態検出手段)は、燃料電池スタック110を構成する複数の単セル111毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル111をスキャニングし、各単セル111のセル電圧を検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体(セル電圧モニタ115)は、平均セル電圧及び最低セル電圧をECU160に出力するようになっている。
因みに、アノード流路112、カソード流路113に滞留する水分(水蒸気、結露水)が多くなり、MEAの表面に結露水が付着すると、アノードに水素が、カソードに空気が供給されにくくなる。そして、このように、水素、空気が供給されにくくなると、平均セル電圧や最低セル電圧が低下し、燃料電池スタック110の発電状態は不調に近づく。
アノード系は、水素タンク121(燃料ガス供給手段)と、常閉型の遮断弁122と、エゼクタ1と、気液分離器124と、常閉型のパージ弁125(排出弁)と、常閉型の掃気ガス排出弁126(排出弁)と、常閉型のドレン弁127(排出弁)と、圧力センサ128と、温度センサ129とを備えている。
水素タンク121は、配管121a、遮断弁122、配管122a、エゼクタ1、配管122bを介して、アノード流路112の入口に接続されている。そして、ECU160からの指令によって遮断弁122が開かれると、水素が、水素タンク121から遮断弁122等を通って、アノード流路112に供給されるようになっている。
ここで、図2、図3を参照して、エゼクタ1の具体的構造を説明する。
エゼクタ1は、水素タンク121からの水素をノズル11で噴射することで発生する負圧によって、アノードオフガスを吸引し、これらをディフューザ41で混合した後、アノード流路112に供給する機能を備えている。
すなわち、エゼクタ1は、ソレノイド(電磁駆動装置)によって駆動するものではなく、入力されるパイロット圧に基づいて、ノズル11が機械的に変位することで、二次側圧力を制御する空圧駆動型のものである。
そして、エゼクタ1内は、第1ダイアフラム51及び第2ダイアフラム52によって、水素タンク121からの水素が流入する第1ボディ31内の第1室A1と、ノズル11で噴射された水素及びアノードオフガスを混合するディフューザ41内の第2室A2(混合室)と、カソード系からの空気が流入する第3室A3(パイロット室)と、に仕切られている。
次いで、水素は、通路25をニードル21の先端部24に向かって通流した後、胴部23の先端側に周方向で90°間隔にスロット状(長孔状)で形成された連通孔28を通って、一旦、ノズル11内に流出した後、ノズル11の噴射口12から第2室A2に噴射されるようになっている。なお、水素が、通路25を通流することで、軸受26を軸方向において横切るように設計されている。
なお、ノズル11が変位すると、ノズル11の噴射口12とニードル21の先端部24との距離が可変し、噴射口12の面積が可変するように構成されている。すなわち、ノズル11が前進し、噴射口12と先端部24との距離が長くなると、噴射口12の面積が大きくなるように構成されている。一方、ノズル11が後退し、噴射口12と先端部24との距離が短く、つまり、先端部24が噴射口12に挿通した状態に近づくと、噴射口12の面積が小さくなるように構成されている。
なお、ボルト14とブラケット22との間には、円筒状のカラー16が取り付けられている。カラー16は、ブラケット22に対して摺動自在であると共に、軸方向におけるノズル11と基部15との間隔を所定距離で保持している。すなわち、ノズル11は、ボルト14、カラー16、基部15、後記する第2リング部材17及び第3リング部材18と、一体に構成されている。
なお、入口ポート34には、図1に示すように、カソード系の後記する配管131a(酸化剤ガス供給流路)から分岐し、カソード流路113における圧力(カソード圧)をパイロット圧としてエゼクタ1に入力する配管123a(パイロット圧入力流路)が接続されている。また、配管123aにはエゼクタ1に向かう空気の流量を絞るためのオリフィス123bが設けられている。さらに、オリフィス123bの下流の配管123aは、配管123cを介して、ECU160によって開閉制御(PWM制御)される常閉型のインジェクタ123に接続されている。すなわち、ECU160によってインジェクタ123が開かれると、エゼクタ1に入力されるパイロット圧が低下するようになっている。
第3リング部材18と第2ボディ32との間には、第2圧縮コイルばね62が縮設されている。そして、第2圧縮コイルばね62は、ノズル11を前進させる向き(図2、図3において右向き)に付勢している。
システムが停止、つまり、コンプレッサ131が停止し、第3室A3(エゼクタ1)に入力されるパイロット圧が低い場合、第1圧縮コイルばね61のばね力によって、ノズル11が後退し、ノズル11の噴射口12が小さくなるように構成されている(図2参照)。
図1に戻って説明を続ける。
アノード流路112の出口は、配管124a、気液分離器124、配管124bを介して、エゼクタ1の吸気ポート42(図2参照)に接続されている。そして、アノード流路112から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス(燃料オフガス)は、配管124a等を通って、エゼクタ1に戻された後、アノード流路112に再供給されるようになっている。
すなわち、アノード流路112の出口と、エゼクタ1の吸気ポート42とを接続するアノードオフガス流路(水素オフガス流路、燃料オフガス流路)は、配管124aと、配管124bとを備えて構成されており、水素を循環させる水素循環ラインとして機能している。
気液分離器124は、アノードオフガスに含まれる水分(結露水、水蒸気)を分離すると共に、分離した水分を一時的に、例えば底部(タンク部)に貯溜するものである。
気液分離器124における気液分離方式としては、例えば、(1)アノードオフガスの流路断面積を増大させることで、その流速を低下させると共に、水分をその自重によってその場に留まらせることで分離する方式や、(2)低温冷媒が通流する冷媒管によってアノードオフオフガスの水蒸気を結露させて分離する方式や、(3)アノードオフガスを蛇行又は旋回させ、水分に遠心力を作用させて分離する方式、等を採用できる。
配管124bは、配管125a、パージ弁125、配管125bを介して、後記する希釈器133に接続されている。
パージ弁125は、燃料電池スタック110の発電時や発電停止時において、アノード流路112から排出され、配管124a及び配管124bを循環するアノードオフガスに含まれる不純物(水蒸気、窒素等)を排出(パージ)する場合、ECU160によって開かれる。
なお、ECU160は、例えば、燃料電池スタック110を構成する単セルの電圧(セル電圧)が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁125を開く設定となっている。
また、配管125a(パージ弁125)の接続位置よりも上流の配管124bは、配管126a、掃気ガス排出弁126、配管126bを介して、後記する希釈器133に接続されている。
掃気ガス排出弁126は、アノード流路112の掃気時において、アノード流路112から排出された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器133(外部)に排出するため、パージ弁125等と共に開かれる設定となっている。
気液分離器124の底部は、配管127a、ドレン弁127、配管127bを介して、後記する希釈器133に接続されている。ドレン弁127は、気液分離器124の底部に貯溜された水分、つまり、アノード流路112からアノードオフガス流路(配管124a等)に排出された水分を、希釈器133に排出する場合、ECU160によって開かれる。
なお、気液分離器124における貯溜水量は、水位センサや、燃料電池スタック110の積算電流値に基づいて検出(算出)される。
ただし、圧力センサ128の取付位置はこれに限定されず、例えば、アノード流路112や、配管124aに取り付けられた構成でもよい。
ただし、システム温度を検出する温度センサ129の取付位置はこれに限定されず、例えば、配管132aや、燃料電池スタック110から排出された冷媒が通流する配管(図示しない)に取り付けられた構成でもよい。
カソード系は、コンプレッサ131(酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段)と、常開型の背圧弁132と、希釈器133とを備えている。
コンプレッサ131は、配管131a(酸化剤ガス(空気)供給流路)を介して、カソード流路113の入口に接続されている。そして、コンプレッサ131は、ECU160の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管131aを介して、カソード流路113に供給するようになっている。また、コンプレッサ131は、燃料電池スタック110の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。
なお、カソード圧が制御されると、これに連動して、配管123aを通ってエゼクタ1に入力されるパイロット圧も制御される。つまり、カソード圧が高くなるとパイロット圧も高くなり、カソード圧が低くなるとパイロット圧も低くなる。
掃気ガス導入系は、常閉型の掃気ガス導入弁141を備えている。掃気ガス導入弁141の上流は配管141aを介して配管131aに接続されており、掃気ガス導入弁141の下流は配管141bを介して配管122bに接続されている。
そして、燃料電池スタック110(アノード流路112)の掃気時に、コンプレッサ131が作動した状態で、ECU160によって掃気ガス導入弁141が開かれると、コンプレッサ131からの掃気ガスが、アノード流路112に導入されるようになっている。
温度センサ151は、燃料電池システム100の周囲温度である外気温度T12を検出するセンサであり、燃料電池車の適所に取り付けられている。そして、温度センサ151は、検出した外気温度T12を、ECU160に出力するようになっている。
ECU160は、燃料電池システム100を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
ECU160(弁制御手段)は、遮断弁122、パージ弁125、掃気ガス排出弁126、ドレン弁127及び掃気ガス導入弁141を、開閉制御する機能を備えている。
ECU160は、セル電圧モニタ115から入力される平均セル電圧及び/又は最低セル電圧に基づいて、現在、燃料電池スタック110の発電状態が不調であるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ECU160は、(1)平均セル電圧が所定平均セル電圧以下である場合、(2)最低セル電圧が所定最低セル電圧以下である場合、現在、燃料電池スタック110の発電状態が不調であると判定するように設定されている。所定平均セル電圧、所定最低セル電圧は、事前試験等によって求められた電圧であって、アノード流路112、カソード流路113に多量の水分が滞留し、MEAに結露水が付着し、燃料電池スタック110の発電状態が不調と判断される電圧である。
なお、このように燃料電池スタック110の発電状態が不調であると判定した場合、ECU160は、後記するように、アノード圧P11を目標アノード圧P1〜P3のいずれかに高めた後、パージ弁125を開き、水分を排出し、燃料電池スタック110の発電状態を回復させるように設定されている。
ECU160は、温度センサ129から入力されるシステム温度T11、及び/又は、温度センサ151から入力される外気温度T12に基づいて、現在、低温であり、その後にアノード流路112、カソード流路113に滞留する水蒸気が結露する虞が高いか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ECU160は、(1)システム温度T11が所定システム温度T1以下である場合、(2)外気温度T12が所定外気温度以下である場合、現在、低温であると判定するように設定されている。
その他に例えば、現在のシステム温度T11が所定システム温度T1以下でなかったとしても、システム起動時(発電開始時)におけるシステム温度T11が所定システム温度T1以下である場合、低温であると判断する構成でもよい。外気温度T12についても同様である。
ECU160(発電継続時間判定手段)は、内蔵するクロックを利用して、燃料電池スタック110の直近における発電継続時間Δt21を算出する機能を備えている。直近における発電継続時間Δt21とは、直近の発電開始から直近の発電停止までの時間である。
なお、ここでは、ECU160からの指令に従って、燃料電池スタック110から電流を取り出す制御が実行されている場合、燃料電池スタック110は発電中であると判断する。因みに、燃料電池スタック110の出力端子にはDC−DCチョッパ回路等を含む電力制御装置が接続されており、この電力制御装置がECU160からの指令電流値及び指令電圧値に従って作動することで、燃料電池スタック110の発電電力が0を含めて制御される。
具体的には、ECU160は、発電継続時間Δt21が所定発電継続時間Δt0以下である場合、燃料電池スタック110の直近における発電は、短時間発電であると判定するように設定されている。
なお、所定発電継続時間Δt0は、事前試験等によって求められた時間であり、短時間発電であるため、発電に伴ってアノード流路112を通流した水素の総流量、カソード流路113を通流した空気の総流量が少なすぎ、発電に伴って生成した水分が、アノード流路112、カソード流路113にそのまま滞留していると判断される時間(例えば5〜30分)に設定される。
ECU160(圧力設定手段)は、アクセル152からのアクセル開度等に基づいて、燃料電池スタック110に対しての発電要求量(モータ等の負荷からの負荷要求量)を算出する機能を備えている。なお、アクセル開度が大きくなると発電要求量は大きくなる。
そして、ECU160は、算出した発電要求量と、図4のマップとに基づいて、目標とするアノード圧(目標アノード圧P0〜P3)と、目標とするカソード圧(目標カソード圧P0〜P3)とを算出する機能を備えている。
なお、ここでは、MEAの両側における圧力バランスを考慮して、目標アノード圧P0〜P3と、目標カソード圧P0〜P3とが等しい場合を例示するが、その他に例えば、目標アノード圧P0〜P3が、目標カソード圧P0〜P3に対して、高めに設定される構成でもよいし、逆でもよい。
目標アノード圧P0、目標カソード圧P0は、燃料電池スタック110の発電状態が通常である場合(不調でない場合)に目標とされる通常圧力である。
目標アノード圧P1、目標カソード圧P1は、燃料電池スタック110の発電状態が不調であると判定された場合に目標とされる第1圧力である。
目標アノード圧P2、目標カソード圧P2は、燃料電池スタック110の発電状態が不調であって、システム温度T11等が低温であると判定された場合に目標とされる第2圧力である。
目標アノード圧P3、目標カソード圧P3は、燃料電池スタック110の発電状態が不調であって、システム温度T11等が低温であり、燃料電池スタック110の直近における発電が短時間発電であると判定された場合に目標とされる第3圧力である。
なお、発電状態が不調である場合における目標アノード圧P1〜P3、目標カソード圧P1〜P3は、事前試験等によって求められる圧力であって、発電状態が不調である等と判断された燃料電池スタック110内に滞留する水分が、その後に開かれるパージ弁125を介して、好適に排出される圧力にそれぞれ設定される。
ECU160は、現在のアノード圧P11が目標アノード圧P0〜P3に、現在のカソード圧が目標カソード圧P0〜P3となるように、発電要求量と図5及び図6のマップとに基づいて、背圧弁132の目標開度θ0〜θ1、コンプレッサ131の目標回転速度R0〜R3を算出し、これに従って、背圧弁132及びコンプレッサ131を制御する機能を備えている。
そして、図5に示すように、背圧弁132の目標開度θ0、θ1は、発電要求量が大きくなると、カソード圧が高くなるように小さくなる関係となっている。また、燃料電池スタック110の発電状態が不調であると判断される場合に参照される目標開度θ1は、カソード流路113を通流する空気の流量が増加するように、通常であると判断される場合に参照される目標開度θ0よりも大きくなる関係となっている。
また、目標回転速度R0、目標回転速度R1、目標回転速度R2、目標回転速度R3の順で、徐々に高くなる関係となっている。
次に、燃料電池システム100の動作について、図7を参照して説明する。
初期状態において、燃料電池スタック110の発電状態は通常であり、ECU160は、アクセル開度(発電要求量)に基づいて、目標アノード圧P0、目標カソード圧P0、コンプレッサ131の目標回転速度R0、背圧弁132の目標開度θ0を算出し、算出された目標回転速度R0、目標開度θ0に従って、コンプレッサ131及び背圧弁132を制御している。
燃料電池スタック110の発電状態が不調であると判定した場合(S101・Yes)、ECU160の処理はステップS102に進む。一方、燃料電池スタック110の発電状態は不調でないと判定した場合(S101・No)、ECU160の処理はステップS114に進む。
システム温度T11は所定システム温度T1以下であり、低温であると判定した場合(S102・Yes)、ECU160の処理は、ステップS106に進む。一方、システム温度T11は所定システム温度T1以下でなく、低温でないと判定した場合(S102・No)、ECU160の処理は、ステップS103に進む。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路113を通流する空気の流量が増加し、カソード流路113や、MEAのカソード側表面に付着する水分等が、速やかにカソード流路113から排出される。その結果、カソードにおける電極反応は良好に進み、燃料電池スタック110の発電状態は回復方向に向かう。
なお、アノード圧P11を上昇させる場合、インジェクタ123を閉状態で維持することが好ましい。インジェクタ123については、後記するステップS107、S111においても同様である。
現在のアノード圧P11は目標アノード圧P1以上であると判定した場合(S105・Yes)、ECU160の処理はステップS113に進む。一方、現在のアノード圧P11は目標アノード圧P1以上でないと判定した場合(S105・No)、ECU160は、ステップS105の判定を繰り返す。
ステップS106において、ECU160は、直近における燃料電池スタック110の発電が、短時間発電であるか否か判定する。なお、前記したように、直近における発電継続時間Δt21が所定発電継続時間Δt0以下である場合、短時間発電であると判定される。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路113を通流する空気の流量が増加し、カソード流路113の水分等が、速やかにカソード流路113から排出され、燃料電池スタック110の発電状態は回復方向に向かう。
この場合において、カソード圧及び空気流量は、ステップS104におけるカソード圧等よりも高くなるので、カソード流路113に滞留する水分は、ステップ104よりも確実に排出される。
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ1に入力されるパイロット圧も高くなり、ノズル11が前進して噴射口12が大きくなり(図3参照)、ステップS103よりも高い目標アノード圧P2に向かって上昇し始める。
現在のアノード圧P11は目標アノード圧P2以上であると判定した場合(S109・Yes)、ECU160の処理はステップS113に進む。一方、現在のアノード圧P11は目標アノード圧P2以上でないと判定した場合(S109・No)、ECU160は、ステップS109の判定を繰り返す
ステップS110において、ECU160は、アクセル開度(発電要求量)と、図4〜図6のマップとに基づいて、目標アノード圧P3、目標カソード圧P3、背圧弁132の目標開度θ1、コンプレッサ131の目標回転速度R3を算出する。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路113を通流する空気の流量が増加し、カソード流路113の水分等が、速やかにカソード流路113から排出され、燃料電池スタック110の発電状態は回復方向に向かう。
この場合において、カソード圧及び空気流量は、ステップS108におけるカソード圧等よりも高くなるので、カソード流路113に滞留する水分は、ステップ108よりも確実に排出される。
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ1に入力されるパイロット圧も高くなり、ノズル11が前進して噴射口12が大きくなり(図3参照)、アノード圧P11がステップS107よりも高い目標アノード圧P3に向かって上昇し始める。
現在のアノード圧P11は目標アノード圧P3以上であると判定した場合(S112・Yes)、ECU160の処理はステップS113に進む。一方、現在のアノード圧P11は目標アノード圧P3以上でないと判定した場合(S112・No)、ECU160は、ステップS112の判定を繰り返す
なお、アノード圧P11が高くなると、パージ弁125が開いた場合における単位時間当たりのパージ流量(L/s)及びパージ流速が大きくなるので(図8参照)、アノード圧を高めない場合に対して(図8の比較例1参照)、パージ弁125の開時間を短くすることもできる(図8の実施例1〜3参照)。
その後、ECU160の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
このような燃料電池システム100から得られる効果について、図8を参照して説明する。なお、図8は、説明を簡単にするため、アクセル開度(発電要求量)が一定である場合を例示している。
燃料電池スタック110の発電状態が不調あり、これを回復させるべくパージ弁125を開き、パージを実行すべき場合(S101・Yes)、低温であるか否か(S102)、短時間発電であるか否かを判定し(S106)、目標アノード圧P1〜P3を設定し、現在のアノード圧P11が目標アノード圧P1〜P3に到達した後(S105・Yes、S109・Yes、S112・Yes)、パージ弁125を開くので(S113)、アノード流路112、気液分離器124、配管124a等に滞留する水分を適切に排出し、燃料電池スタック110の発電状態を速やかに回復できる。
前記した実施形態では、圧力センサ128の検出する現在のアノード圧P11が、設定した目標アノード圧P1〜P3に到達した後(S105・Yes、S109・Yes、S112・Yes)、パージ弁125を開く構成としたが(S113)、次のようにしてもよい。
すなわち、カソード圧及びアノード圧P11の増圧開始からの時間Δt11が、目標アノード圧P1〜P3に到達したと判断される第1時間Δt1、第2時間Δt2、第3時間Δt3以上となった場合(S105・Yes、S109・Yes、S112・Yes)、パージ弁125を開く構成としてもよい(S113)。
また、前記した実施形態における目標回転速度R1〜R3、目標開度θ1に設定すれば、第1時間Δt1、第2時間Δt2、第3時間Δt3は同一の時間となるが(図8参照)、例えば、コンプレッサ131の回転速度は増加させず、目標回転速度R0で維持した場合、目標アノード圧P1〜P3、目標カソード圧P1〜P3になるにつれて時間を要することになるから、第1時間Δt1、第2時間Δt2、第3時間Δt3の順で長くなる(Δt1<Δt2<Δt3)。
燃料電池スタック110の出力(電流値、電圧値)を制御する電力制御装置への指令電流値及び指令電圧値と、電流センサ(発電状態検出手段)が検出する実際の電流値、電圧センサ(発電状態検出手段)が検出する実際の電圧値との差が、所定値以上である場合、不調であると判断する構成としてもよい。
また、現在のアノード圧、カソード圧、空気流量から得られるべき燃料電池スタック110のIV(電流−電圧)曲線と、実際のIV曲線とが、所定差以上である場合、不調であると判断する構成としてもよい。
11 ノズル(圧力制御機構)
12 噴射口
21 ニードル(圧力制御機構)
100 燃料電池システム
110 燃料電池スタック(燃料電池)
112 アノード流路(燃料ガス流路)
113 カソード流路(酸化剤ガス流路)
115 セル電圧モニタ(発電状態検出手段)
121 水素タンク(燃料ガス供給手段)
121a、122a、122b 配管(燃料ガス供給流路)
123a 配管(パイロット圧入力流路)
124a、124b 配管(燃料オフガス流路)
125 パージ弁(排出弁)
126 掃気ガス(排出弁)
127 ドレン弁(排出弁)
128 圧力センサ
129、152 温度センサ
131 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段、圧力制御手段、流量制御手段)
131a 配管(酸化剤ガス供給流路)
132 背圧弁(圧力制御手段、流量制御手段)
160 ECU(制御手段、発電継続時間判定手段)
P0 目標アノード圧(通常圧力)
P1 目標アノード圧(第1圧力)
P2 目標アノード圧(第2圧力)
P3 目標アノード圧(第3圧力)
P11 現在のアノード圧
T11 システム温度
T12 外気温度(燃料電池システムの周囲温度)
Claims (6)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記燃料ガス流路の入口とを接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタと、
前記燃料ガス流路の出口と前記エゼクタとを接続する燃料オフガス流路と、
前記燃料オフガス流路に接続され、開くことで、前記燃料オフガス流路のガスを外部に排出する排出弁と、
酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段と前記酸化剤ガス流路の入口とを接続する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、酸化剤ガスの圧力を前記エゼクタにパイロット圧として入力するパイロット圧入力流路と、
前記排出弁及び前記圧力制御手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタは、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルと、前記ノズルの軸線上に配置されたニードルと、前記ノズルから噴射された燃料ガスと前記燃料オフガス流路からの燃料オフガスとを混合するディフューザと、を備え、前記パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると前記ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる圧力制御機構を有し、
前記制御手段は、前記発電状態検出手段の検出する前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力及びパイロット圧を高めた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高める場合、前記酸化剤ガス流路に滞留する水分が排出されるように、前記流量制御手段によって酸化剤ガスの流量も増加させる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力センサの検出する圧力が、発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第1圧力に到達した後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段による酸化剤ガスの圧力の増圧開始から、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力が発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第1圧力に到達するまでに要する第1時間の経過後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - システム温度又はシステムの周囲温度を検出する温度センサを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第1圧力よりも高い第2圧力に到達させた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の発電開始から発電停止までの発電継続時間が、所定時間以下であるか否か判定する発電継続時間判定手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定し、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定した場合において、前記発電継続時間判定手段が発電継続時間は所定時間以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第2圧力よりも高い第3圧力に到達させた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
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