JP4821120B2 - Fuel cell system and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof .
特許文献1に従来の固体高分子膜型の燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cells)を適用した燃料電池システムが開示されている。
この燃料電池システムに適用される燃料電池は、燃料ガスと空気とが供給されることにより発電するものである。そして、この燃料電池は、イオン交換樹脂からなる電解質膜である固体高分子膜を燃料極(アノード極、水素極ともいう。)と空気極(カソード極、酸素極ともいう。)とで挟持したものであり、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有している A fuel cell applied to this fuel cell system generates power by supplying fuel gas and air. In this fuel cell, a solid polymer membrane that is an electrolyte membrane made of an ion exchange resin is sandwiched between a fuel electrode (also referred to as an anode electrode or a hydrogen electrode) and an air electrode (also referred to as a cathode electrode or an oxygen electrode). It has a fuel chamber for supplying fuel gas to the fuel electrode
このような構成の燃料電池システムでは、燃料電池の発電起動時に、燃料室内に供給開始された燃料ガスと停止時に燃料室内に置換された空気とが燃料室内で偏在し、燃料極の表面において反応の分布が不均一になる事態が生じるおそれがある。このような事態が生じた場合には、燃料室内では、局所的な異常発電状態を生じ、燃料電池が劣化する。 In such a configuration of the fuel cell system, when the power generation startup of the fuel cell, and the air was replaced by the fuel chamber unevenly distributed in the fuel chamber when stopping the fuel gas supply has been started to fuel chamber, the surface of the fuel electrode There may be a situation in which the reaction distribution becomes uneven. When such a situation occurs, a local abnormal power generation state occurs in the fuel chamber, and the fuel cell deteriorates.
このため、この燃料電池システムは、上述した燃料電池の発電起動時の劣化を防止することが可能な発電起動手段を有している。発電起動手段は、燃料電池の発電起動時に、燃料室内の空気を燃料ガスの加圧供給により置換することが可能とされている。具体的には、発電起動手段は、燃料電池の発電起動時に、燃料室と連通する排出路を開通させた後で、燃料室内に新たに通常発電時よりも高い供給圧の燃料ガスを供給し、燃料室内の空気をその燃料ガスで置換しつつ、排出路により急速に排出させることができる。こうして、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時の劣化を防止することができている。 For this reason, this fuel cell system has a power generation starting means capable of preventing the deterioration of the fuel cell at the time of power generation startup. The power generation starting means can replace the air in the fuel chamber by pressurized supply of fuel gas when the fuel cell starts power generation. Specifically, the power generation starting means supplies a fuel gas having a higher supply pressure than that during normal power generation to the fuel chamber after opening a discharge passage communicating with the fuel chamber when starting power generation of the fuel cell. The air in the fuel chamber can be rapidly discharged through the discharge passage while being replaced with the fuel gas. Thus, this fuel cell system can prevent deterioration of the fuel cell at the time of starting power generation.
また、この燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時に、燃料ガスと空気との化学的反応が燃料室内で継続して起こって燃料電池に劣化が生じることを防止するため、外部から空気が燃料室内に導入されて、燃料室内を満たしていた燃料ガスが空気と置換される。しかし、この場合にも、発電起動時と同様に、燃料ガスと空気とが燃料室内で偏在し、燃料極の表面において反応の分布が不均一になる事態が生じるおそれがある。このような事態が生じた場合にも、燃料室内では、局所的な異常発電状態を生じ、燃料電池が劣化する。 Also, in this fuel cell system, when the fuel cell power generation is stopped, the chemical reaction between the fuel gas and air continues in the fuel chamber to prevent deterioration of the fuel cell. The fuel gas introduced into the room and filling the fuel room is replaced with air. However, in this case as well, when the power generation is started, there is a possibility that the fuel gas and air are unevenly distributed in the fuel chamber and the reaction distribution becomes uneven on the surface of the fuel electrode. Even when such a situation occurs, a local abnormal power generation state occurs in the fuel chamber, and the fuel cell deteriorates.
このため、特許文献2には、上述した燃料電池の発電停止時の劣化を防止することが可能な発電停止手段を有する燃料電池システムが開示されている。発電停止手段以外の構成は、特許文献1とほぼ同様であるので、説明は省略する。
For this reason,
この燃料電池システムにおいて、発電停止手段は、燃料電池の発電停止時に、燃料室内の燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものである。具体的には、発電停止手段は、燃料電池の発電停止時に、まず、燃料ガスの供給路を遮断するとともに、燃料室と連通する排出路を開通させる。次に、燃料室内の燃料ガスをポンプ等で吸引して強制的に排出路から排出させて減圧状態とする。その後、燃料室内に連通する外気路から燃料室内に外部の空気を供給することにより、燃料ガスと空気とが燃料室内で偏在することなく、燃料室内を空気で置換することができる。こうして、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起停止時の劣化を防止することができている。 In this fuel cell system, the power generation stop means is configured to forcibly discharge the fuel gas in the fuel chamber when the fuel cell power generation is stopped to reduce the pressure, and then introduce and replace the outside air. Specifically, the power generation stop means first shuts off the fuel gas supply path and opens the discharge path communicating with the fuel chamber when power generation of the fuel cell is stopped. Next, the fuel gas in the fuel chamber is sucked with a pump or the like and is forcibly discharged from the discharge path to be in a decompressed state. After that, by supplying external air into the fuel chamber from the outside air passage communicating with the fuel chamber, the fuel chamber can be replaced with air without the fuel gas and air being unevenly distributed in the fuel chamber. Thus, this fuel cell system can prevent deterioration of the fuel cell when power generation is started and stopped.
一方、特許文献3には、燃料電池と並列に設けられた蓄電手段としてのキャパシタを備えた燃料電池システムが開示されている。 On the other hand, Patent Document 3, a fuel cell system including a Capacity data as storage means provided in parallel with the fuel cell is disclosed.
この燃料電池システムは、例えば、自動車に搭載されるものであり、燃料電池とキャパシタとが並列に駆動モータや燃料供給手段等の補機類である外部負荷装置に接続されている。 This fuel cell system is mounted on, for example, an automobile, and a fuel cell and a capacitor are connected in parallel to an external load device which is an auxiliary machine such as a drive motor and fuel supply means.
コントロールシステムは、燃料電池及びキャパシタのどちらか一方又は両方が外部負荷装置に電力を供給するよう切り替え制御することが可能とされている。また、コントロールシステムは、燃料電池の電力により又は外部負荷装置の回生エネルギーによりキャパシタを充電するように制御することも可能とされている。 The control system is capable of switching control so that one or both of the fuel cell and the capacitor supply power to the external load device. Further, the control system can be controlled to charge the capacitor by the electric power of the fuel cell or by the regenerative energy of the external load device.
このような構成である特許文献2の燃料電池システムは、自動車の走行状況に応じて、燃料電池とキャパシタとを切り替えながら外部負荷装置に電力を供給することができる。
The fuel cell system of
具体的には、例えば、自動車の定常運転時にアクセルを踏み込んだ場合には、加速の初期段階においてキャパシタが支配的に電力を供給し、加速の終期には、燃料電池が支配的に電力を供給する定常状態に戻る。こうして、スムーズな加速応答を実現できる。 Specifically, for example, when the accelerator is depressed during steady operation of the vehicle, the capacitor dominantly supplies power at the initial stage of acceleration, and the fuel cell dominantly supplies power at the end of acceleration. Return to steady state. Thus, a smooth acceleration response can be realized.
また、自動車の始動時には、燃料電池が電力を供給できないので、キャパシタが電力を供給して、電磁弁や補機類等の発電起動手段を駆動し、燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる。さらに、自動車の停止時には、燃料電池を外部負荷装置から切り離した上で、キャパシタが電力を供給して、電磁弁や補機類等の発電停止手段を駆動し、燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる。また、自動車の減速時には、駆動モータの回生エネルギーをキャパシタに供給してキャパシタを充電する。 Also, since the fuel cell cannot supply power at the start of the automobile, the capacitor supplies power to drive power generation starting means such as solenoid valves and auxiliaries, and the fuel cell starts power generation with a predetermined power generation start operation. Let Furthermore, when the vehicle is stopped, the fuel cell is disconnected from the external load device, and then the capacitor supplies power to drive power generation stop means such as a solenoid valve and auxiliary machinery, and the fuel cell is stopped in a predetermined power generation stoppage. To stop power generation. When the automobile is decelerated, the regenerative energy of the drive motor is supplied to the capacitor to charge the capacitor.
こうして、この燃料電池システムは、自動車のスムースな走行を実現するとともに、エネルギー効率の向上も図っている。 Thus, this fuel cell system achieves smooth driving of the automobile and also improves energy efficiency.
また、この燃料電池システムにおいて、コントロールシステムは、キャパシタの両端子間の電圧と、燃料電池の開放時の両端子間の電圧とを測定する。このため、この燃料電池システムは、キャパシタの両端子間の電圧と、燃料電池の開放時の両端子間の電圧との差異が閾値を超えた場合に、燃料電池とキャパシタとの切り替えをチョッピング制御し、燃料電池からキャパシタに過大な電流が流れることを防止している。 In this fuel cell system, the control system measures the voltage between both terminals of the capacitor and the voltage between both terminals when the fuel cell is opened. For this reason, in this fuel cell system, when the difference between the voltage between both terminals of the capacitor and the voltage between both terminals when the fuel cell is opened exceeds the threshold value, the switching between the fuel cell and the capacitor is chopped. In addition, an excessive current is prevented from flowing from the fuel cell to the capacitor.
しかし、上記特許文献1及び2のように発電起動手段及び発電停止手段を備えるとともに、上記特許文献3のように蓄電手段を備えた燃料電池システムにおいて、蓄電手段の貯蔵電力が過度に消費されて、蓄電手段の蓄電量が大幅に低下してしまう事態も生じ得る。
However, in the fuel cell system including the power generation starting unit and the power generation stopping unit as in
例えば、燃料電池に不具合が生じて異常停止動作に移行したにもかかわらず、自動車の操縦指令系統と燃料電池システムの制御手段との間で、異常停止の信号の授受が遅延する等の不具合が生じた場合、自動車は蓄電手段の貯蔵電力のみで走行を継続するおそれがある。その結果、自動車の走行中に蓄電手段の貯蔵電力が過度に消費されて、蓄電量が大幅に低下してしまう事態が生じ得る。 For example, in spite of the malfunction of the fuel cell and the shift to the abnormal stop operation, there is a problem such as a delay in the transmission / reception of the abnormal stop signal between the control command system of the vehicle and the control means of the fuel cell system. When this occurs, there is a risk that the vehicle will continue to run only with the stored power of the power storage means. As a result, a situation may occur in which the stored power of the power storage means is excessively consumed while the automobile is traveling, and the amount of stored power is significantly reduced.
また、燃料電池の通常発電時において、燃料電池への高負荷状態が継続し、燃料電池自体で電力出力を維持できない場合も、自動車は、並列回路の制御上、燃料電池と並列に設けられた蓄電手段の貯蔵電力に頼って走行を継続するおそれがある。その結果、上記と同様の事態が生じ得る。 In addition, during normal power generation of the fuel cell, even when the high load state to the fuel cell continues and the power output cannot be maintained by the fuel cell itself, the automobile is provided in parallel with the fuel cell for the control of the parallel circuit. There is a risk of continuing traveling depending on the stored power of the power storage means. As a result, the same situation as described above may occur.
さらに、蓄電手段に例えば充電不良等の不具合が生じた場合も、蓄電手段の貯蔵電力が消費されるばかりであり、上記と同様の事態が生じ得る。 Furthermore, even when a problem such as defective charging occurs in the power storage means, only the stored power of the power storage means is consumed, and the same situation as described above may occur.
このように蓄電手段の貯蔵電力が過度に消費されて、蓄電量が大幅に低下してしまう事態が燃料電池の発電起動時や発電停止時に生じてしまうと、蓄電手段から発電起動手段又は発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動手段又は発電停止手段を構成する電磁弁や補機類等を正常に駆動することができない。その結果、燃料電池システムは、発電起動動作や発電停止動作の残りの処理を完遂することができないこととなり、上述の理由により、燃料電池に劣化を生じ、これによって燃料電池の耐久性が低下してしまうこととなる。 In this way, if the stored power of the power storage means is excessively consumed and the amount of power storage is greatly reduced when the fuel cell power generation is started or stopped, the power generation means or the power generation start means is stopped. The power supply to the means is interrupted or becomes insufficient, and the electromagnetic valves and auxiliary machines constituting the power generation starting means or the power generation stopping means cannot be driven normally. As a result, the fuel cell system cannot complete the remaining processes of the power generation start operation and the power generation stop operation, and the fuel cell is deteriorated for the above-described reason, thereby reducing the durability of the fuel cell. Will end up.
この点、上記特許文献3開示の燃料電池システムは、蓄電手段の両端子間の電圧を検知し、これによって燃料電池から蓄電手段に過大な電流が流れることを防止するにすぎないことから、上記のような蓄電手段の蓄電量不足による燃料電池の劣化を防止することはできない。 In this regard, the fuel cell system disclosed in Patent Document 3 only detects the voltage between the two terminals of the power storage means, thereby merely preventing an excessive current from flowing from the fuel cell to the power storage means. It is impossible to prevent the deterioration of the fuel cell due to the shortage of the amount of electricity stored in the electricity storage means.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の劣化に基づく燃料電池の耐久性の低下を生じ難い燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to provide a fuel cell system that is unlikely to cause a decrease in durability of the fuel cell due to deterioration of the fuel cell.
本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子膜が燃料極と空気極とで挟持され、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有して該燃料ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池と、
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段と、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発する制御手段とを備え、
前記発電起動手段は、前記燃料電池の発電起動時に、前記燃料室内の空気を前記燃料ガスの加圧供給により置換するものであり、
前記発電停止手段は、該燃料電池の発電停止時に、該燃料室内の該燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものであることを特徴とする。
The fuel cell system according to the present invention, the solid polymer film is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and the said fuel gas and air is supplied with a fuel chamber for supplying the fuel gas to the fuel electrode A fuel cell that generates electricity,
Power storage means capable of storing power generated by the fuel cell or power supplied from an external load device;
Power generation starting means that is driven by the electric power stored in the power storage means and starts power generation of the fuel cell by a predetermined power generation start operation;
A power generation stop means that is driven by the power stored in the power storage means and stops the power generation of the fuel cell by a predetermined power generation stop operation;
Emits fuel determined to alarm signal the power storage amount storage amount required when及beauty power generation stop operation is not in the accumulating means is an abnormality in the absence in the accumulating means occurs necessary for power generation startup operation of the battery Control means ,
The power generation starting means replaces the air in the fuel chamber with the pressurized supply of the fuel gas at the time of power generation start of the fuel cell,
The power generation stop means, when the power generation stop of the fuel cell, after the reduced pressure state is forcibly discharged fuel chamber of the fuel gas, characterized in der Rukoto those that substitute by introducing outside air .
制御手段は、具体的には、例えば、蓄電手段の両端子間の電圧値や電流値等に基づき、蓄電手段の蓄電量を測定する。また、制御手段は、発電起動時判定ルーチン及び/又は通常発電時判定ルーチンを有する。発電起動時判定ルーチンは、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定し、通常発電時判定ルーチンは、発電停止動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定する。そして、制御手段は、異常と判定した場合に警報信号を発する。以下、判定手順を詳述する。 Specifically, the control unit measures the amount of power stored in the power storage unit based on, for example, a voltage value or a current value between both terminals of the power storage unit. Further, the control means has a power generation activation time determination routine and / or a normal power generation time determination routine. The power generation start time determination routine determines that an abnormality has occurred when the power storage means does not have the power storage amount required for the power generation start operation of the fuel cell, and the normal power generation start determination routine stores the power storage amount required for the power generation stop operation. When it is not in the means, it is determined that an abnormality has occurred. And a control means issues a warning signal, when it determines with it being abnormal. Hereinafter, the determination procedure will be described in detail.
発電起動時判定ルーチンは、まず、燃料電池の発電起動時において、「測定した蓄電手段の蓄電量」(w)と、「燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量」(Ws1)とを比較し、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量(Ws1)が蓄電手段にない場合(w<Ws1)に異常と判定する。それにより、制御手段は警報信号を発する。その結果、燃料電池システムは異常を認知し、異常停止等の必要な処理に移行することができる。このため、たとえ、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合であっても、燃料電池の発電起動時に、蓄電手段の蓄電量がなくなり、所定の発電起動動作を完遂できない事態を回避できるのである。 The power generation start-up determination routine first compares “measured power storage amount of power storage means” (w) with “power storage required for power generation start operation of fuel cell” (Ws1) at the time of power generation start of the fuel cell. When the power storage means (Ws1) required for the power generation start operation of the fuel cell is not in the power storage means (w <Ws1), it is determined that there is an abnormality. Thereby, the control means issues an alarm signal. As a result, the fuel cell system can recognize the abnormality and shift to necessary processing such as abnormal stop. For this reason, even if the power storage means does not have the amount of power required for the power generation start operation of the fuel cell, the power storage means runs out of power when the fuel cell starts power generation, and the predetermined power generation start operation cannot be completed. The situation can be avoided.
逆に、w≧Ws1であれば、発電起動時判定ルーチンは、蓄電手段は蓄電量不足でないと判定する。その結果、燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時の動作を順次実行する。このため、燃料電池の発電起動時に、蓄電手段の蓄電量がなくなり、所定の発電起動動作を完遂できない事態は生じないのである。 On the other hand, if w ≧ Ws1, the power generation activation determination routine determines that the power storage means is not insufficient. As a result, the fuel cell system sequentially executes operations at the time of power generation startup of the fuel cell. For this reason, when the fuel cell is started to generate power, the amount of power stored in the power storage means is lost, and a situation in which a predetermined power generation start operation cannot be completed does not occur.
また、通常発電時判定ルーチンは、燃料電池の通常発電時において、継続的に又は比較的短い間隔で定期的に、「測定した蓄電手段の蓄電量」(w)と、「燃料電池の発電停止動作に必要な蓄電量」(Wc1)とを比較し、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量(Wc1)が蓄電手段にない場合(w<Wc1)に異常と判定する。それにより、制御手段は警報信号を発する。その結果、燃料電池システムは異常を認知し、異常停止等の必要な処理に移行することができる。このため、たとえ、燃料電池の発電停止動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合であっても、燃料電池の発電停止時に、蓄電手段の蓄電量がなくなり、所定の発電起動動作を完遂できない事態を回避できるのである。 In addition, the normal power generation determination routine includes “measured power storage amount of power storage means” (w) and “fuel cell power generation stoppage” continuously or periodically at relatively short intervals during normal power generation of the fuel cell. The power storage amount necessary for operation ”(Wc1) is compared, and if the power storage means does not have the power storage amount (Wc1) required for the power generation start operation of the fuel cell (w <Wc1), it is determined that there is an abnormality. Thereby, the control means issues an alarm signal. As a result, the fuel cell system can recognize the abnormality and shift to necessary processing such as abnormal stop. For this reason, even if the power storage means does not have the amount of electricity necessary for the power generation stop operation of the fuel cell, the power storage amount of the power storage means disappears when the power generation of the fuel cell is stopped, and the predetermined power generation start operation cannot be completed. The situation can be avoided.
逆に、w≧Wc1であれば、通常発電時判定ルーチンは、蓄電手段は蓄電量不足でないと判定する。その結果、燃料電池システムは、そのまま、燃料電池の通常発電時の動作を継続する。このため、この状況下でなんらかの不具合により燃料電池が発電停止しなければならなくなった場合でも、燃料電池の発電停止時に、蓄電手段の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態は生じないのである。 On the other hand, if w ≧ Wc1, the normal power generation determination routine determines that the power storage means is not short of power storage. As a result, the fuel cell system continues the operation of the fuel cell during normal power generation as it is. For this reason, even if the fuel cell has to stop power generation due to some troubles under this situation, when the fuel cell power generation stops, all the stored power of the power storage means is consumed and the amount of power storage is lost. It does not occur.
このため、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時又は発電停止時に、蓄電手段から発電起動手段又は発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動手段又は発電停止手段を正常に駆動することができないという事態を予防し、その結果として、ひとたび、発電起動動作や発電停止動作に移行した場合には、その処理を完遂することができる。 For this reason, in this fuel cell system, when power generation of the fuel cell is started or stopped, power supply from the power storage means to the power generation start means or the power generation stop means is interrupted or becomes insufficient. The situation in which the stopping means cannot be driven normally is prevented, and as a result, once the operation is shifted to the power generation start operation or the power generation stop operation, the processing can be completed.
このため、この燃料電池システムは、所定の発電起動動作や発電停止動作を完遂できないことに起因する燃料電池の劣化を抑制することができる。 For this reason, this fuel cell system can suppress deterioration of the fuel cell due to the inability to complete a predetermined power generation start operation and power generation stop operation.
したがって、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の劣化に基づく燃料電池の耐久性の低下を生じ難いのである。 Therefore, the fuel cell system of the present invention is unlikely to cause a decrease in durability of the fuel cell due to deterioration of the fuel cell.
なお、上記のWs1及びWc1については、蓄電手段の蓄電量の測定誤差や様々な運転状況によるばらつきを考慮して、相当なマージンが加算されていることが好ましい。 In addition, about said Ws1 and Wc1, it is preferable that the considerable margin is added considering the measurement error of the electrical storage amount of an electrical storage means, and the dispersion | variation by various driving | running conditions.
この場合、発電起動手段は、上述の通り、燃料電池の発電起動時の劣化を一層効果的に防止するものであり、発電停止手段も、上述の通り、燃料電池の発電停止時の劣化を一層効果的に防止するものである。このため、燃料電池システムは、本発明の効果を一層享受することができる。 In this case, as described above, the power generation starting means further effectively prevents deterioration at the time of power generation start of the fuel cell, and the power generation stop means further reduces deterioration at the time of power generation stop of the fuel cell as described above. It is an effective prevention. Therefore, fuel cell systems, can be further enjoyed the effects of the present invention.
燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記警報信号を発した時、前記燃料電池を所定の異常停止動作で停止させるものである。 In fuel cell system, the control means, when having issued the alarm signal is intended to stop the fuel cell at a predetermined abnormal stop operation.
この場合、燃料電池システムは、燃料電池を確実に異常停止させることができるので、燃料電池システムの安全性を一層高めることができる。 In this case, fuel cell system, it is possible to reliably abnormal stop of the fuel cell, it is possible to enhance the safety of the fuel cell system more.
本発明は燃料電池システムの運転方法でもあり得る。本発明の燃料電池システムの運転方法は、固体高分子膜が燃料極と空気極とで挟持され、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有して該燃料ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池と、
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記発電起動手段は、前記燃料電池の発電起動時に、前記燃料室内の空気を前記燃料ガスの加圧供給により置換するものであり、
前記発電停止手段は、該燃料電池の発電停止時に、該燃料室内の該燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものであり、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発することを特徴とする。
The present invention may also be a method for operating a fuel cell system. The method of operating a fuel cell system of the present invention, the solid polymer film is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and the said fuel gas and air with a fuel chamber for supplying the fuel gas to the fuel electrode A fuel cell that is supplied and generates electricity;
Power storage means capable of storing power generated by the fuel cell or power supplied from an external load device ;
Power generation starting means that is driven by the electric power stored in the power storage means and starts power generation of the fuel cell by a predetermined power generation start operation;
In an operation method of a fuel cell system, comprising: a power generation stop unit that is driven by electric power stored in the power storage unit and stops the power generation of the fuel cell by a predetermined power generation stop operation .
The power generation starting means replaces the air in the fuel chamber with the pressurized supply of the fuel gas at the time of power generation start of the fuel cell,
The power generation stop means, when power generation of the fuel cell is stopped, forcibly exhausts the fuel gas in the fuel chamber to a reduced pressure state, and then introduces and replaces outside air.
Emits fuel determined to alarm signal the power storage amount storage amount required when及beauty power generation stop operation is not in the accumulating means is an abnormality in the absence in the accumulating means occurs necessary for power generation startup operation of the battery It is characterized by that.
以下、本発明を具体化した実施例1を図面を参照しつつ説明する。 A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に示す実施例1の燃料電池システム100は、図2に示す固体高分子膜型の燃料電池1を適用したものである。
A
この燃料電池1は、2枚のエンドプレート20a、20bの間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体10が挟持されたものである。積層体10は、図3に示すように、MEA(Membrane Electrode Assembly)11をセパレータ12で挟みながら順次積層したものである。MEA11は、イオン交換樹脂からなる電解質膜11aと、この電解質膜11aの一面に一体に形成されたカーボンからなる燃料極11bと、電解質膜11aの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極11cとからなる。全ての燃料極11bは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極11cは他方の集電板に電気的に接続されており、図2に示すように、両集電板の各端子1a、1bは燃料電池1から突出されている。
In the
図3に示すように、各セパレータ12の燃料極11b側には燃料室12aが形成されており、燃料室12aによって燃料ガスである水素ガスが燃料極11bに供給されるようになっている。他方、各セパレータ12の空気極11c側には空気室12bが形成されており、空気室12bによって酸素を含む空気が空気極11cに供給されるようになっている。燃料室12aは水平方向に開口されており、空気室12bは燃料室12aと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体10の両端のセパレータ12には燃料室12a又は空気室12bだけが形成されている。こうして一枚のMEA11と一対のセパレータ12とによって個々の燃料電池のセル10aが構成されている。各セル10aの全ての燃料室12aは、図2に示すように、一方のエンドプレート20aに形成された供給口21a及び他方のエンドプレート20bに形成された排出口21bに連通している。
As shown in FIG. 3, a
そして、この燃料電池1は、図1に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム100を構成する。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池1の燃料室12aに設けられた供給口21a及び排出口21bには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室12a内への水素ガスの供給又は燃料室12aからの水素ガスの排出を実施したり、燃料室12a内を外気で置換したりすることが可能とされている。
The following various components are connected to the
供給口21aの最も上流側には水素タンク50があり、水素タンク50には、接続点Aで合流するように並列に配置された配管51a、51b、51cが設けられている。配管51a、51b、51cは、水素タンク50側から、各々が水素元電磁弁60a、60b、60cと、1次圧力センサ71a、71b、71cと、水素1次圧レギュレータ61a、61b、61cとを有している。
There is a
接続点Aから接続点Bを介して接続点Cまでには配管52aが設けられ、接続点Bから接続点Cまでには、配管52aと並列に配管52bが設けられている。配管52aは、接続点Bより上流に2次圧力センサ72を有し、接続点Bより下流に水素2次圧レギュレータ62aを有している。また、配管52bは水素起動電磁弁62bを有している。
A
接続点Cから接続点Dまでには、配管53が設けられている。配管53は、水素供給電磁弁63を有し、その下流に3次圧力センサ73を有している。3次圧力センサ73は、水素供給電磁弁63と供給口21aとの間の圧力を検知することが可能とされている。
A
接続点Dから供給口21aまでには、配管54が設けられている。配管54は、配管54内の圧力が過度に上昇した場合に開放されて、配管54内の気体を大気に放出するリリーフ弁64を有している。
A
排出口21bから接続点Eまでには、配管56が設けられている。配管56は、レベルゲージ87aが内装されたドレインタンク87を有し、その下流に水素ポンプ81を有している。
A pipe 56 is provided from the
配管56の途中のドレインタンク87から接続点Fを介して後述するダクト91までには、配管57が設けられている。配管57は、接続点Fよりも上流に水素起動排気電磁弁67を有している。
A
水素ポンプ81の下流側の接続点Eから接続点Fまでには、配管58が設けられている。配管58は、水素停止排気電磁弁68を有している。
A
接続点Eから接続点Gを介して接続点Dまでには、配管59が設けられている。配管59は、接続点Eと接続点Gとの間に水素循環電磁弁69を有している。
A
接続点Gには、他端が開放されている配管55が設けられている。配管55は、外気導入電磁弁65と、開放端に装着されるフィルタ55bとを有している。
The connection point G is provided with a
配管51a、51b、51c、52a、52b、53、54が供給路である。そして、供給路の一部である配管51a、51b、51c、52a、52bと、水素元電磁弁60a、60b、60cと、1次圧力センサ71a、71b、71cと、水素1次圧レギュレータ61a、61b、61cと、2次圧力センサ72と、水素2次圧レギュレータ62aと、水素起動電磁弁62bとが水素ガスの供給圧を調整する燃料供給圧調整手段51である。
The
燃料供給圧調整手段51は、水素起動電磁弁62bの開通又は遮断の切り替えにより、水素ガスの供給圧を水素1次圧レギュレータ61a、61b、61cの設定圧又は水素2次圧レギュレータ62aの設定圧に切り替えることが可能とされている。特に、この燃料供給圧調整手段51は、燃料電池1の発電起動時の水素ガスの供給圧を燃料電池1の通常発電時の供給圧よりも高くするものであるので、水素1次圧レギュレータ61a、61b、61cの設定圧が例えば0.3MPaとされて、水素2次圧レギュレータ62aの設定圧である0.1MPaよりも高く設定されている。
The fuel supply pressure adjusting means 51 changes the supply pressure of the hydrogen gas to the set pressure of the hydrogen
この燃料供給圧調整手段51と、供給路の残りの配管53、54と、水素供給電磁弁63と、3次圧力センサ73とによって、水素タンク50から供給口21aに、所定の供給圧に調整された水素ガスを供給するための燃料供給手段が構成されている。
The fuel supply pressure adjusting means 51, the remaining
また、配管56、57が排出路であり、配管56、58が副排出路である。排出路としての配管56、57と、レベルゲージ87aが内装されたドレインタンク87と、水素起動排気電磁弁67とによって、排出口21bから排出路を経由して排気水素ガスを排出するための燃料排出手段が構成され、副排出路としての配管56、58と、水素ポンプ81と水素停止排気電磁弁68とによって、排出口21bから副排出路を経由して排気水素ガスを排出するための副燃料排出手段が構成されている。
Further, the
さらに、配管56、59、54が排出口21bと供給口21aとを連結する循環路である。循環路としての配管56、59、54と、水素ポンプ81と、水素循環電磁弁69とによって、供給口21aに排気水素ガスを供給するための燃料循環手段が構成されている。
Furthermore, the
また、配管55、59、54が外気路である。外気路としての配管55、59、54と、フィルタ55bと外気導入電磁弁65とによって、供給口21aに外部の空気を供給し、燃料室12a内を空気で置換する外気置換手段が構成されている。
Further, the
また、燃料電池1の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド42が設けられている。この空気マニホールド42には、フィルタ41aを有する空気吸入ファン41が接続されており、空気室12b内に空気を供給可能とされている。また、空気マニホールド42には、水噴射ノズル99が配設されている。この水噴射ノズル99は、配管98によりレベルゲージ97aが内装された水タンク97と接続されている。配管98は、フィルタ98a及び水直噴ポンプ83を有している。
Further, an
さらに、燃料電池1の下方には、温度センサ90aを有する空気排出経路90と、凝縮器92と、凝縮器ファン93と、排出された空気を空気排出経路90から凝縮器92まで導くダクト91とが設けられて、空気室12b内から空気を排出可能とされている。凝縮器92は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管94と、フィルタ94aと、温度センサ94bとを有しているとともに、分離された水を水タンク97に移送する配管96と、水回収ポンプ82とを有している。
Further, below the
燃料供給手段、燃料供給圧調整手段51、燃料排出手段、副燃料排出手段、燃料循環手段及び外気置換手段は、コントロールシステム45と電気的に接続されて、制御可能とされている。また、空気吸入ファン41、レベルゲージ97a、水直噴ポンプ83、温度センサ90a、凝縮器ファン93その他の構成部品も、コントロールシステム45と電気的に接続されて、制御可能とされている。
The fuel supply means, the fuel supply pressure adjustment means 51, the fuel discharge means, the auxiliary fuel discharge means, the fuel circulation means, and the outside air replacement means are electrically connected to the
ここで、燃料電池1を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段は、燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段である。この発電起動手段は、後述する蓄電手段に蓄電された電力により駆動される。 Here, the power generation starting means for starting the power generation by the predetermined power generation starting operation is a fuel supply means, a fuel discharge means, a fuel circulation means, a sub fuel discharge means, and a fuel supply pressure adjusting means. This power generation starting means is driven by the electric power stored in the power storage means described later.
また、燃料電池1を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段は、燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、外気置換手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段である。この発電停止手段は、後述する蓄電手段に蓄電された電力により駆動される。
Further, the power generation stop means for stopping the power generation of the
また、コントロールシステム45は、後で図7及び図8を用いて詳述する制御手段を備える。制御手段は、図7に示す発電起動時判定ルーチン及び図8に示す通常発電時判定ルーチンを有する。制御手段は、発電起動時判定ルーチンにおいて、燃料電池1の発電起動動作に必要な蓄電量が後述する蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定し、通常発電時判定ルーチンにおいて、燃料電池1の発電停止動作に必要な蓄電量が後述する蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定するものである。そして、制御手段は、異常と判定した場合に警報信号を発し、燃料電池1を所定の異常停止動作で停止させるものである。
In addition, the
この燃料電池システム100は、自動車に搭載されるものであり、図4に示すように、燃料電池1と並列に設けられた蓄電手段としてのキャパシタ2を備えている。
The
燃料電池1とキャパシタ2とは、並列に外部負荷装置7に接続されている。外部負荷装置7は図示しない駆動モータや燃料供給手段等の補機類及び駆動モータを制御する図示しないインバータ等である。
The
燃料電池1の燃料極11a側の端子1aには、コントロールシステム45の一部を構成するリレー3、ダイオード4及びIPM(Intelligent Power Module)5とが直列に接続されている。他方、キャパシタ2には、電圧計6が並列に接続されている。
A relay 3, a diode 4 and an IPM (Intelligent Power Module) 5 constituting a part of the
リレー3は、燃料電池1を外部負荷装置1と接続したり、外部負荷装置1から切り離したりするものであり、ダイオード4は、キャパシタ2から電流を遮断するものであり、IPM5は、燃料電池1とキャパシタ2との電力供給の分担を状況に応じて、調整するものである。
The relay 3 connects the
電圧計6は、制御手段の一部を構成するものであり、キャパシタ2の両端子2a、2b間の電圧を測定する。ここで、キャパシタ2の蓄電量(w)は、キャパシタ2の両端子2a、2b間の電圧に比例する。このため、制御手段は、発電起動時判定ルーチンにより、電圧計6により測定した「キャパシタ2の両端子2a、2b間の電圧値」(v)と、「燃料電池1の発電起動動作に必要な蓄電量(Ws1)に相当する閾値」(電圧値Vs1)とを比較するという簡便な方法により、燃料電池1の発電起動動作に必要な蓄電量(Ws1)がキャパシタ2にない場合(w<Ws1)に異常と判定することができる。また、制御手段は、通常発電時判定ルーチンにより、電圧計6により測定した「キャパシタ2の両端子2a、2b間の電圧値」(v)と、「燃料電池1の発電停止動作に必要な蓄電量(Ws1)に相当する閾値」(電圧値Vc1)とを比較するという簡便な方法により、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量(Wc1)がキャパシタ2にない場合(w<Wc1)に異常と判定することができる。
The voltmeter 6 constitutes a part of the control means, and measures the voltage between both
ここで、「燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量(Ws1)に相当する閾値」(Vs1)とは、図5に示す燃料電池1の発電起動時のプログラムを完遂するのに必要な蓄電量)に相当する電圧値である。
Here, the “threshold value corresponding to the power storage amount (Ws1) necessary for the power generation start operation of the fuel cell” (Vs1) is the power storage required to complete the program at the time of power generation start of the
また、「燃料電池の発電停止動作に必要な蓄電量(Wc1)に相当する閾値」(Vc1)とは、図6に示す燃料電池1の発電停止時のプログラムを完遂するのに必要な蓄電量に相当する電圧値である。
Further, the “threshold value corresponding to the storage amount (Wc1) necessary for the power generation stop operation of the fuel cell” (Vc1) is the storage amount necessary for completing the program at the time of power generation stop of the
なお、これらのVs1及びVc1については、電圧計6の測定誤差や様々な運転状況によるばらつきを考慮して、相当なマージンが加算されている。 In addition, about these Vs1 and Vc1, the considerable margin is added in consideration of the measurement error of the voltmeter 6, and the dispersion | variation by various driving | running conditions.
以上の構成をした燃料電池システム100における動作の概要を説明する。この燃料電池システム100では、燃料電池1の通常発電時において、空気吸入ファン41と空気マニホールド42とにより空気が取り入れられて、図3に示すように、空気室12b内に空気が供給されるとともに、燃料供給手段により水素タンク50から供給口21aを経て、燃料室12a内に水素ガスが供給される。これにより、空気極11cと燃料極11bとの間で電気化学反応を生じさせ、起電力を得ることができる。
An outline of the operation of the
この間、図1に示すように、配管56、59、54と、水素ポンプ81と、水素循環電磁弁69とによって、排気水素ガスが排出口21bから供給口21aに再供給されたり、配管56、57、58と、レベルゲージ87aが内装されたドレインタンク87と、水素起動排気電磁弁67と、水素停止排気電磁弁68とによって、排気水素ガス及び生成水が燃料室12aの排出口21bから間欠的にダクト91を経て凝縮器92に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせるとともに、水が燃料室12a内に過度に滞留することによる性能の低下を抑制することができている。
During this time, as shown in FIG. 1, exhaust hydrogen gas is resupplied from the
また、水タンク97の水が水直噴ポンプ83により圧送されて、水噴射ノズル99から空気マニホールド42内に噴射される。これにより、空気極11cの乾燥が防止されるとともに、燃料電池1が冷却される。さらに、燃料電池1の空気室12bから排出された水を含む空気は、空気排出経路90からダクト91を経て凝縮器92に移送される。そして、凝縮器92により分離された空気は、配管94から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ82により水タンク97に回収される。なお、ダクト91を経て凝縮器92に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク97に回収される。
Further, the water in the
また、燃料電池1の発電起動時においては、図5に示すプログラムに従い、まず、水素起動排気電磁弁67及び水素停止排気電磁弁68の双方を開通に切り替える。そして、空気吸入ファン41と空気マニホールド42とにより空気が取り入れられて、空気室12b内に空気が供給されるとともに、水素供給電磁弁63を開通に切り替えることにより水素タンク50から供給口21aを経て、燃料室12a内に水素ガスが供給される。この際、燃料供給圧調整手段51の水素起動電磁弁62bを開通に切り替えておくことにより、燃料室12a内に高い供給圧の水素ガスを急速に流入させることができる。そして、水素起動電磁弁62b、水素起動排気電磁弁67及び水素停止排気電磁弁68を遮断に切り替えた後、通常発電前チェックを経て、通常発電状態に移行する。このため、この燃料電池システム100は、発電停止時に燃料室12a内に置換された空気を新たに供給される水素ガスで置換することを急速に実施できる。このため、空気と水素ガスとが燃料室12a内で偏在する状態の発生を顕著に抑制することができる。こうして、この燃料電池システム100は、発電起動時において、燃料電池1が劣化するという不具合を抑制することができる。また、燃料室12a内の気体の置換にかかる所要時間も短くなり、燃料電池1の発電起動時の所要時間も短縮できる。
Further, when the power generation of the
さらに、燃料電池1の発電停止時においては、図6に示すプログラムに従い、まず、水素供給電磁弁63を遮断に切り替えて水素タンク50から燃料室12a内への水素ガスの供給を停止させる。そして、水素循環電磁弁69を遮断に切り替え、水素停止排気電磁弁68を開通に切り替えた後、水素ポンプ81で吸引することにより、燃料室12a内からダクト91、凝縮器92及び配管94を介して、水素ガスを大気に排出させる。この際、燃料室12a内は減圧状態となる。その後、外気導入電磁弁65を開通に切り替えて、供給口21aに外部の空気を供給し、燃料室12a内を空気で置換する。そして、水素ポンプ81を停止するとともに、外気導入電磁弁65と水素停止排気電磁弁68とを遮断に切り替える。これにより、この燃料電池システム100は、燃料電池1の発電停止時に、燃料室12a内の水素ガスと空気室12b内の空気とが電解質膜11を挟んで存在するという状態を早期に解消することができるとともに、水素ガスと空気とが燃料室12a内で偏在することなく、燃料室12a内を空気で置換することができる。こうして、この燃料電池システム100は、発電停止時において、燃料電池1が劣化するという不具合を抑制することができる。
Further, when the power generation of the
このように動作する燃料電池システム100において、制御手段は、発電起動時判定ルーチンにおいて、燃料電池1の発電起動動作に必要な蓄電量がキャパシタ2にない場合に異常が発生したと判定し、通常発電時判定ルーチンにおいて、燃料電池1の発電停止動作に必要な蓄電量がキャパシタ2にない場合に異常が発生したと判定する。そして、制御手段は、異常と判定した場合に警報信号を発し、燃料電池1を所定の異常停止動作で停止させる。
In the
つまり、燃料電池1の発電起動時には、図5のプログラムよりも先に、図7に示すプログラムに従って、上述の制御手段の発電起動時判定ルーチンが実施される。例えば、イグニッションキーがONにされる場合や、走行状況により一時的に発電停止状態とされた後、再度発電起動される場合に、コントロールシステム45に内蔵されたコンピュータにより、図7のプログラムが実行される。
That is, at the time of power generation start-up of the
この発電起動時判定ルーチンが実行されると、ステップS101〜S113において、「キャパシタ2の両端子2a、2b間の電圧値」(v)と、「燃料電池1の発電起動動作に必要な蓄電量(Ws1)に相当する閾値」(Vs1)とが比較される。なお、このプログラムにおいて、mは、vとVs1との比較回数であり、nは、v<Vs1と連続して判定した回数である。このようにするのは、電圧計6のノイズや誤差等を排除するためである。
When this power generation start-up determination routine is executed, in steps S101 to S113, “voltage value between both
その結果、vとVs1との比較回数mが規定回数に達した場合には、発電起動時判定ルーチンは、検知処理を終了し、キャパシタ2は蓄電量不足でないと判定する。そして、図5に示すプログラムにしたがって、燃料電池1の発電起動時の動作が順次実行される。このため、燃料電池1の発電起動時に、キャパシタ2の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態は生じないのである。
As a result, when the number m of comparisons between v and Vs1 reaches the specified number, the power generation activation time determination routine ends the detection process, and determines that the
他方、v<Vs1と連続して判定した回数nが異常判定回数に達した場合に、発電起動時判定ルーチンは、ステップS115において、キャパシタ2が蓄電量不足であると判定する。そして、ステップS117において、制御手段は、キャパシタ2が蓄電量不足であるとの警報信号を発するのである。その結果、燃料電池システム100は異常を認知し、ステップS119に移行して、起動不能表示等の停止動作に必要な処理を実施するのである。このため、たとえ、キャパシタ2が蓄電量不足であっても、燃料電池1の発電起動時に、キャパシタ2の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態を回避できるのである。
On the other hand, when the number of times n determined continuously as v <Vs1 has reached the number of times of abnormality determination, the power generation start-up determination routine determines in step S115 that the
また、燃料電池1の通常発電時には、継続的に又は比較的短い間隔で定期的に、図8に示すプログラムに従って、上述の通常発電時判定ルーチンによる判定が実施される。これは、燃料電池1の不具合による異常停止等の不測の事態に常に備えるためである。
Further, at the time of normal power generation of the
この図8のプログラムでは、図7のプログラムに対して、ステップS103bの判定における閾値Vc1と、ステップS115b、S119bにおける処理内容が異なる。 The program in FIG. 8 differs from the program in FIG. 7 in the threshold value Vc1 in the determination in step S103b and the processing contents in steps S115b and S119b.
この通常発電時判定ルーチンが実行されると、ステップS101〜S113において、「キャパシタ2の両端子2a、2b間の電圧値」(v)と、「燃料電池1の発電停止動作に必要な蓄電量(Wc1)に相当する閾値」(Vc1)とが比較される。
When this normal power generation determination routine is executed, in Steps S101 to S113, “Voltage value between both
その結果、vとVc1との比較回数mが規定回数に達した場合には、通常発電時判定ルーチンは、検知処理を終了し、キャパシタ2が蓄電量不足でないと判定する。その結果、燃料電池システム100は、そのまま、燃料電池1の通常発電時の動作を継続する。このため、この状況下でなんらかの不具合により燃料電池1が発電停止しなければならなくなった場合でも、燃料電池1の発電停止時に、キャパシタ2の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態は生じないのである。
As a result, when the number m of comparisons between v and Vc1 reaches the specified number, the normal power generation determination routine ends the detection process and determines that the
他方、v<Vc1と連続して判定した回数nが異常判定回数に達した場合に、通常発電時判定ルーチンは、ステップS115bにおいて、キャパシタ2が蓄電量不足であると判定する。そして、ステップS117bにおいて、制御手段は、キャパシタ2が蓄電量不足であるとの警報信号を発するのである。その結果、燃料電池システム100は異常を認知し、ステップS119bに移行して、水素供給停止等の停止動作に必要な処理を実施するのである。このため、たとえ、キャパシタ2が蓄電量不足であっても、燃料電池1の発電停止時に、キャパシタ2の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態を回避できるのである。
On the other hand, when the number of times n determined continuously as v <Vc1 has reached the number of times of abnormality determination, the normal power generation determination routine determines in step S115b that the
このため、この燃料電池システム100は、燃料電池1の発電起動時又は発電停止時に、キャパシタ2から発電起動手段又は発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動手段又は発電停止手段を正常に駆動することができないという事態を予防し、その結果として、ひとたび、発電起動動作や発電停止動作に移行した場合には、その処理を完遂することができる。
For this reason, in the
このため、この燃料電池システム100は、下記の理由により、燃料電池1の劣化を抑制し、燃料電池の耐久性の低下を抑制できている。
For this reason, the
すなわち、燃料電池1の発電起動時において、警報信号が発せられるのであれば、発電起動時にキャパシタ2から発電起動手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動時の動作が途中で止まる事態が生じることを予測できる。このため、このまま、発電起動動作を継続すれば、燃料電池1が発電停止状態であった時に燃料室12aに充満し得る空気を水素ガスで置換することができず、燃料室12a内で水素ガスと空気とのが偏在して、燃料電池1の劣化を生じてしまうということが明確になる。このため、燃料電池システム100は、そのような燃料電池1の劣化を未然に防止するため、燃料電池1の発電起動時の動作を開始直後に中止することが可能になっている。そして、この燃料電池システム100は、直ちに、停止動作等の適切な処置に移行することもできるのである。
That is, if an alarm signal is issued at the time of power generation start-up of the
また、燃料電池1の通常発電時において、警報信号が発せられるのであれば、この後、燃料電池1を発電停止する際に、キャパシタ2から発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動時の動作が途中で止まる事態、例えば、燃料供給手段からの水素ガスの供給を停止できない事態が生じることを予測できる。この場合、水素ガスがその後も供給され続けることとなるため、水素ガスと空気との化学的反応が燃料室12a内で継続して起こって燃料電池1に劣化が生じてしまうということが明確になる。このため、燃料電池システム100は、そのような燃料電池1の劣化を未然に防止するため、警報が発せられた時点で、直ちに停止動作等の適切な処置に移行することもできるのである。
Further, if an alarm signal is issued during normal power generation of the
したがって、実施例1の燃料電池システム100は、燃料電池1の劣化に基づく燃料電池1の耐久性の低下を生じ難いのである。
Therefore, the
特に、燃料電池1の発電起動時に、燃料室12a内の空気を水素ガスの加圧供給により置換する場合において、キャパシタの蓄電量不足により、図5のS15に示す水素起動電磁弁67を閉じることができなければ、通常発電時より高い供給圧まで燃料室12a内の内圧が上昇し、燃料室12aの耐圧が低い場合に損傷を受けるという事態が生じ得るが、この燃料電池システム100は、そのような事態も、上述の理由により、防止することができている。
In particular, when replacing the air in the
さらに、燃料電池1の発電停止時に、燃料室12a内の水素ガスを水素ポンプ81により吸引して強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換する場合において、キャパシタの蓄電量不足により、図6のS24に示す水素ポンプ81の運転ができなければ、燃料室12a内の水素ガスを空気で置換することを充分に実施できず、燃料電池1が劣化するという事態が生じ得るが、この燃料電池システム100は、そのような事態も、上述の理由により、防止することができている。
Further, when power generation of the
このため、実施例1の燃料電池システム100は、燃料電池1の劣化に基づく燃料電池1の耐久性の低下をさらに生じ難いのである。
For this reason, in the
また、この燃料電池システム100において、制御手段は、警報信号を発した時、燃料電池1を直ちに所定の異常停止動作に移行させ、燃料電池1を確実に発電停止状態にすることができているので、燃料電池システム100の安全性を一層高めることができるのである。
Further, in this
以上において、本発明を実施例1に即して説明したが、本発明は上記実施例1に制限されるものではなく、例えば、蓄電手段として、鉛二次電池、リチウムイオン二次電池、又はニッケル水素二次電池等を用いるなど、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。 In the above, the present invention has been described according to the first embodiment. However, the present invention is not limited to the first embodiment. For example, as a power storage unit, a lead secondary battery, a lithium ion secondary battery, or Needless to say, the present invention can be applied with appropriate modifications without departing from the spirit of the invention, such as using a nickel-hydrogen secondary battery.
本発明は燃料電池システムに利用可能である。 The present invention is applicable to a fuel cell system.
1…燃料電池
2…蓄電手段(キャパシタ)
7…外部負荷装置
11a…固体高分子膜(電解質膜)
11b…燃料極
11c…空気極
12a…燃料室
12b…空気室
51、53、54、63、73、51a、51b、51c、52a、52b、53、54、56、57、56、57、67、87、87a、56、58、56、58、68、81、54、56、59、54、56、59、69、81、54、55、59…発電起動手段(燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段)
51、53、54、63、73、51a、51b、51c、52a、52b、53、54、56、57、56、57、67、87、87a、56、58、56、58、68、81、54、56、59、54、56、59、69、81、54、55、59、54、55、59、54、55、59、55b、65…発電停止手段(燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、外気置換手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段)
51a、51b、51c、52a、52b、53、54…供給路
51、53、54、63、73…燃料供給手段(51…燃料供給圧調整手段、53、54…配管、63…水素供給電磁弁、73…3次圧力センサ)
56、57…排出路
56、57、67、87、87a……燃料排出手段(67…水素起動排気電磁弁、87…ドレインタンク、87a…レベルゲージ)
56、58…副排出路
56、58、68、81…副燃料排出手段(68…水素停止排気電磁弁、81…水素ポンプ)
54、56、59…循環路
54、56、59、69、81…燃料循環手段(69…水素循環電磁弁、81…水素ポンプ)
54、55、59…外気路
54、55、59、55b、65…外気置換手段(55b…フィルタ、65…外気導入電磁弁)
100…燃料電池システム
S101、S103、S105、S107、S109、S111、S113、S115、S117、S119、S103b、S105b、S117b、S119b…制御手段(S101、S103、S105、S107、S109、S111、S113、S115、S117、S119…発電起動時判定ルーチン、S101、S103b、S105、S107、S109、S111、S113、S115b、S117b、S119b…通常発電時判定ルーチン)
DESCRIPTION OF
7 ... External load device 11a ... Solid polymer membrane (electrolyte membrane)
11b ... Fuel electrode 11c ...
51, 53, 54, 63, 73, 51a, 51b, 51c, 52a, 52b, 53, 54, 56, 57, 56, 57, 67, 87, 87a, 56, 58, 56, 58, 68, 81, 54, 56, 59, 54, 56, 59, 69, 81, 54, 55, 59, 54, 55, 59, 54, 55, 59, 55b, 65 ... power generation stop means (fuel supply means, fuel discharge means, Fuel circulation means, outside air replacement means, auxiliary fuel discharge means, and fuel supply pressure adjustment means)
51a, 51b, 51c, 52a, 52b, 53, 54 ...
56, 57 ... Discharge
56, 58 ...
54, 56, 59 ...
54, 55, 59 ... outside
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段と、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発する制御手段とを備え、
前記発電起動手段は、前記燃料電池の発電起動時に、前記燃料室内の空気を前記燃料ガスの加圧供給により置換するものであり、
前記発電停止手段は、該燃料電池の発電停止時に、該燃料室内の該燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものであることを特徴とする燃料電池システム。 Solid polymer membrane is sandwiched between the fuel electrode and an air electrode, a fuel cell having a fuel chamber for supplying the fuel gas to the fuel electrode and the fuel gas and air to generate electric power is supplied,
Power storage means capable of storing power generated by the fuel cell or power supplied from an external load device;
Power generation starting means that is driven by the electric power stored in the power storage means and starts power generation of the fuel cell by a predetermined power generation start operation;
A power generation stop means that is driven by the power stored in the power storage means and stops the power generation of the fuel cell by a predetermined power generation stop operation;
Emits fuel determined to alarm signal the power storage amount storage amount required when及beauty power generation stop operation is not in the accumulating means is an abnormality in the absence in the accumulating means occurs necessary for power generation startup operation of the battery Control means ,
The power generation starting means replaces the air in the fuel chamber with the pressurized supply of the fuel gas at the time of power generation start of the fuel cell,
The power generation stop means, when the power generation stop of the fuel cell, after the reduced pressure state is forcibly discharged fuel chamber of the fuel gas, characterized in der Rukoto those that substitute by introducing outside air Fuel cell system.
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記発電起動手段は、前記燃料電池の発電起動時に、前記燃料室内の空気を前記燃料ガスの加圧供給により置換するものであり、
前記発電停止手段は、該燃料電池の発電停止時に、該燃料室内の該燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものであり、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 Solid polymer membrane is sandwiched between the fuel electrode and an air electrode, a fuel cell having a fuel chamber for supplying the fuel gas to the fuel electrode and the fuel gas and air to generate electric power is supplied,
Power storage means capable of storing power generated by the fuel cell or power supplied from an external load device ;
Power generation starting means that is driven by the electric power stored in the power storage means and starts power generation of the fuel cell by a predetermined power generation start operation;
In an operation method of a fuel cell system, comprising: a power generation stop unit that is driven by electric power stored in the power storage unit and stops the power generation of the fuel cell by a predetermined power generation stop operation .
The power generation starting means replaces the air in the fuel chamber with the pressurized supply of the fuel gas at the time of power generation start of the fuel cell,
The power generation stop means, when power generation of the fuel cell is stopped, forcibly exhausts the fuel gas in the fuel chamber to a reduced pressure state, and then introduces and replaces outside air.
Emits fuel determined to alarm signal the power storage amount storage amount required when及beauty power generation stop operation is not in the accumulating means is an abnormality in the absence in the accumulating means occurs necessary for power generation startup operation of the battery A method for operating a fuel cell system.
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