JP4804507B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
これにより、掃気処理の実行中に起動要求を検出した場合、この掃気処理が完了するまで待つことなく、速やかに燃料電池を起動できる場合がある。特にここで、アノードガス系内におけるアノードガスの濃度に応じて、燃料電池の起動を許可するか禁止するかの判断を行う。これにより、燃料電池の起動後の発電安定性を確保しつつ、より速やかに起動し、燃料電池システムの商品性を向上することができる。
この発明によれば、燃料電池の起動が許可された後に、アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を実行する場合には、第2ガス濃度検出手段により検出された第2ガス濃度が大きくなるに従い、このパージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくする。これにより、希釈手段に残留するガスのアノードオフガス濃度に合わせてパージ処理を実行し、このパージ処理にかかる時間を短縮することができる。したがって、より速やかに燃料電池を起動し、燃料電池システムの商品性を向上することができる。
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1のブロック図である。
燃料電池システム1は、燃料電池10と、この燃料電池10にアノードガスやカソードガスを供給する供給装置20と、これら燃料電池10及び供給装置20を制御する電子制御ユニット(以下、「ECU」という)40とを有する。この燃料電池システム1は、例えば、燃料電池10により発電された電力を動力源とする図示しない燃料電池車両に搭載される。
また、カソード流路14、エア供給路22、エア排出路23、及びアノード掃気導入路24により、カソードガス及び燃料電池10から排出されたカソードオフガスが流通するカソードガス系が構成される。また、この図1では、アノードガス系を白抜きの矢印で示し、カソードガス系を実線の矢印で示す。
掃気処理は、カソードガス系及びアノードガス系内に掃気ガスを供給することで、これらカソードガス系及びアノードガス系内を掃気する処理である。なお、本実施形態では、掃気ガスとしてエアコンプレッサ21により供給されるエアを用いる。この掃気処理は、燃料電池10の停止期間中に実行される。より具体的には、掃気処理は、燃料電池10による発電停止直後に実行する場合と、燃料電池10による発電停止後、ECU40に内蔵されたRTC(Real Time Clock)に基づき所定時間ごとにシステムを起動し、必要に応じて実行する場合とがある。
図2は、ECUの掃気処理実行部によるアノード掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。図2は、時刻t0においてRTCに基づいて掃気処理を開始し、その後時刻t6においてこの掃気処理を完了した例を示す。また、この図2に示すタイムチャートでは、上段から順に、アノード掃気導入弁、パージ弁、及びアノード掃気排出弁の状態と、エアコンプレッサの出力と、アノードガス系内の圧力と、アノードガス系内の水素濃度と、希釈器内の水素濃度とを示す。
次に、時刻t2からt3の間では、アノードガス系を介して掃気ガスを希釈器に供給することで、希釈器内の水素ガスが希釈される。これにより、希釈器内の水素濃度はt2からt3へかけて低下する。
次に、時刻t3からt4の間では、アノードガス系及び希釈器内の水素濃度が十分に低下した後も掃気ガスを供給し続けることにより、燃料電池のMEAの乾燥を促進する。
すなわち、燃料電池システムの状態は、アノードガス系内の水素及び水分を希釈器内に排出する「水素排出状態」(時刻t1〜t2)と、希釈器内の水素を希釈してシステム外に排出する「希釈状態」(時刻t2〜t3)と、アノードガス系及び希釈器内の置換が完了しMEAを乾燥する「予備乾燥状態」(時刻t3からt6)との3つに分類される。
図1に戻って、パージ処理は、アノードガス系内を循環するガスを、水素タンク31から新規に供給した水素ガスで置換し、アノードガス系内の水素濃度を高くする処理である。より具体的には、このパージ処理では、パージ弁351を所定のタイミングで開閉(以下、「パージ制御」という)して、アノードガス系内を循環するガスをシステム外に放出しつつ、水素タンク31から水素ガスをアノードガス系内に新規に供給することにより、アノードガス系内を循環するガスを新規に供給した水素ガスで置換する。また、本実施形態では、このパージ処理の実行に係る単位時間当たりのガスの置換量、すなわち、単位時間当たりに希釈器50に導入されるガスの量をパージ量と定義する。したがって、このパージ量は、パージ弁351の開弁時間、又は、パージ弁351の開度に略比例する。
この起動パージ処理は、イグニッションスイッチがオンにされたこと、すなわち、イグニッションスイッチが起動要求を検出したことに応じて実行される。また図3に示すように、本実施形態の起動パージ処理は、アノードガス系内の水素濃度に基づいて燃料電池の起動を判断する掃気時起動判断工程(ステップS2〜S5)と、希釈器内の水素濃度に基づいて起動パージ制御を行う起動パージ制御工程(ステップS6〜S10)とを含む。
また、検出したアノードガス系内の水素濃度が第1判定濃度以下である場合、すなわち、燃料電池システムの状態が「希釈状態」である場合には、燃料電池を起動するために必要なアノードガス系内の水素及び水分の排出が完了したとして、アノード掃気処理を中断するとともに、燃料電池の起動を許可する。
ステップS10では、設定されたパージ量に基づいて起動パージ制御を実行した後に、この処理を終了し、燃料電池による発電を開始する。
また、検出した希釈器内の水素濃度が第2判定濃度より大きい場合、すなわち、燃料電池システムの状態が「希釈状態」である場合には、希釈器内の水素濃度が、通常パージ量で起動パージ制御を実行できる濃度より大きいとして、通常パージ量より少ない可変パージ量で起動パージ制御を実行する。またこの際、希釈器内の水素濃度が大きくなるに従い、パージ量が少なくなるようにする。
ここで、本実施形態では、図5に示すようにパージ弁をパルス状に開閉して単位時間当たりのパージ弁の開弁時間を調整することで、設定された可変パージ量に合わせて起動パージ制御を実行する。
時刻t33では、アノードガス系内の水素濃度が第1判定濃度以下であると判定(図3のステップS3参照)されたことに応じて、燃料電池の起動を許可するとともに「掃気工程」を中断し、その後t33〜t35の間において「終了工程」を実行し、アノード掃気処理を中断する(図3のステップS4参照)。ここで、時刻t32において起動要求を検出してから、時刻t33において燃料電池の起動が許可されるまでの間は、起動待ちの状態となる。
ここで、本実施形態では、図6に示すようにパージ弁をパルス状に開閉して単位時間当たりのパージ弁の開弁時間を調整することで、設定された可変パージ量に合わせて起動パージ制御を実行する。
(1)アノード掃気処理の実行中に燃料電池10の起動要求が検出された場合には、アノードガス系内の水素濃度を検出し、この水素濃度に基づいて、アノード掃気処理を継続し燃料電池10の起動を禁止するか、又は、アノード掃気処理を中断し燃料電池10の起動を許可するかを判断する。これにより、アノード掃気処理の実行中に起動要求を検出した場合、このアノード掃気処理が完了するまで待つことなく、速やかに燃料電池10を起動できる場合がある。特にここで、アノードガス系内における水素濃度に応じて、燃料電池10の起動を許可するか禁止するかの判断を行う。これにより、燃料電池10の起動後の発電安定性を確保しつつ、より速やかに起動し、燃料電池システム1の商品性を向上することができる。
上記実施形態では、第1ガス濃度検出手段として、図2のステップS2においてアノード掃気処理の実行時間に基づいてアノードガス系内の水素濃度を間接的に検出したが、これに限らない。例えば、アノードガス系に水素センサを設け、これによりアノードガス系内の水素濃度を直接検出してもよい。またこの他、アノードガス系内の圧力に基づいて間接的に検出してもよい。
10…燃料電池
13…アノード流路(アノードガス系)
14…カソード流路(カソードガス系)
20…供給装置
22…エア供給路(カソードガス系)
23…エア排出路(カソードガス系)
24…アノード掃気導入路(カソードガス系)
33…水素供給路(アノードガス系)
34…水素還流路(アノードガス系)
35…水素排出路(アノードガス系)
36…アノード掃気排出路(アノードガス系)
40…ECU(掃気手段、掃気時起動判断手段、起動パージ手段、第1ガス濃度検出手段、第2ガス濃度検出手段)
41…イグニッションスイッチ(起動要求検出手段)
42…掃気処理実行部(掃気手段)
43…パージ処理実行部(掃気時起動判断手段、起動パージ手段)
50…希釈器(希釈手段)
Claims (4)
- アノードガスをアノード極に供給しカソードガスをカソード極に供給し、これらアノードガス及びカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
アノードガス及びアノードオフガスが流通するアノードガス系内に掃気ガスを供給する掃気処理を、前記燃料電池の停止期間中に実行する掃気手段と、
前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出手段と、
アノードオフガスと、このアノードオフガスを希釈する希釈ガスとを混合し、この混合したガスをシステム外に放出する希釈手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記希釈手段より上流側の前記アノードガス系内におけるアノードガスの濃度を第1ガス濃度として、当該第1ガス濃度を検出する第1ガス濃度検出手段と、
前記掃気処理の実行中に前記燃料電池の起動要求が検出された場合に、前記検出された第1ガス濃度が所定の第1判定濃度より大きい場合には、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止し、前記検出された第1ガス濃度が前記第1判定濃度以下である場合には、前記掃気処理を中断し前記燃料電池の起動を許可する掃気時起動判断手段と、
前記希釈手段に残留するアノードオフガス濃度を第2ガス濃度として、当該第2ガス濃度を検出する第2ガス濃度検出手段と、
前記アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を、前記燃料電池の起動時に実行する起動パージ手段と、を備え、
前記起動パージ手段は、前記掃気時起動判断手段により前記燃料電池の起動が許可された後に前記パージ処理を実行する場合、前記検出された第2ガス濃度が大きくなるに従い前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくすることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記起動パージ手段は、
前記検出された第2ガス濃度が所定の第2判定濃度以下である場合には、前記検出された第2ガス濃度にかかわらず、前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定に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。 - アノードガスをアノード極に供給しカソードガスをカソード極に供給し、これらアノードガス及びカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出手段と、
アノードオフガスと、このアノードオフガスを希釈する希釈ガスとを混合し、この混合したガスをシステム外に放出する希釈手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の停止期間中に、アノードガス及びアノードオフガスが流通するアノードガス系内に掃気ガスを供給する掃気処理を実行する掃気処理工程と、
前記掃気処理の実行中に前記燃料電池の起動要求が検出された場合に、前記希釈手段より上流側の前記アノードガス系内におけるアノードガス濃度を第1ガス濃度として、当該第1ガス濃度を検出し、この検出した第1ガス濃度が所定の第1判定濃度より大きい場合には、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止し、前記検出した第1ガス濃度が前記第1判定濃度以下である場合には、前記掃気処理を中断し前記燃料電池の起動を許可する掃気時起動判断工程と、
前記燃料電池の起動時に、前記アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を実行する起動パージ制御工程と、を備え、
前記起動パージ制御工程では、前記掃気時起動判断工程において前記燃料電池の起動が許可された後に前記パージ処理を実行する場合、前記希釈手段に残留するアノードオフガス濃度を第2ガス濃度として、当該第2ガス濃度を検出し、この検出した第2ガス濃度が大きくなるに従い前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 前記起動パージ制御工程では、
前記検出された第2ガス濃度が所定の第2判定濃度以下である場合には、前記検出された第2ガス濃度にかかわらず、前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定にすることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システムの制御方法。
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