JP5023568B2 - Fuel cell system and control 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制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
従来、燃料電池を搭載した車両(以下「燃料電池搭載車両」という。)においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電流を駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。 Conventionally, in a vehicle equipped with a fuel cell (hereinafter referred to as “vehicle equipped with a fuel cell”), a current generated by the stacked fuel cell is supplied to a drive motor, and torque is generated by driving the drive motor. It is trying to generate.
そのために、前記燃料電池搭載車両に燃料電池システムが配設され、該燃料電池システムは、液体水素が貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに、空気が供給され、前記積層型の燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出されたガス中の蒸気を凝縮させ、ガスと水滴とに分離させる凝縮器等を備える。 For this purpose, a fuel cell system is disposed in the vehicle equipped with the fuel cell, and the fuel cell system is provided with a fuel tank in which liquid hydrogen is stored, hydrogen gas is supplied from the fuel tank, and air is supplied. A fuel cell stack constituting a stacked fuel cell, a condenser for condensing vapor in the gas discharged from the fuel cell stack, and separating the vapor into water and water droplets are provided.
そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数のセルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。前記各セルは、電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層を備えた燃料極並びに空気極を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ(MEA)、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。 In the fuel cell stack, a module is accommodated in a stack case, and the module is composed of an assembly configured by electrically connecting a plurality of cells constituting the elements of the fuel cell to each other in series. . Each cell has a membrane electrode assembly (MEA), which is a membrane-electrode assembly formed by disposing an anode and a fuel electrode including a reaction layer and a diffusion layer with an electrolyte membrane interposed therebetween, And a separator for separating the membrane electrode assemblies and forming an air supply path facing the air electrode and a fuel supply path facing the fuel electrode.
そして、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置、例えば、インバータを接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが、プロトン(H+ )の形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子がインバータを介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介してインバータに供給することができる。 The air electrode functions as a cathode, the fuel electrode functions as an anode, air is supplied to the air electrode, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, and a load device such as an inverter is connected to the air electrode and the fuel electrode via the separator. When connected, a catalytic reaction occurs at the fuel electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions move to the air electrode side in the electrolyte membrane containing moisture in the form of protons (H + ). And combine with oxygen in the air to produce water. Further, electrons generated at the fuel electrode move to the air electrode side via the inverter, and a current is generated accordingly. That is, a current is generated by reacting hydrogen and oxygen, and the current can be supplied to the inverter via the separator.
ところで、燃料電池システムを停止させる場合、燃料電池を停止させるために水素の供給が停止させられるが、この場合、燃料極側の水素ガスが少しずつ消費され続けるので、燃料極側の圧力が徐々に低くなる。そして、水素ガスの圧力が大気圧以下になると、空気極側の空気がメンブレン・エレクトロード・アッセンブリを透過して燃料極側に移動するので、該燃料極側は水素ガスと空気とが混合した状態になる。そして、燃料極側における酸素の濃度が一定値以上になると、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリにおいて局部電池が発生し、1.2〔V〕以上の高電位状態になり、燃料極側において触媒粒子が溶出し、燃料電池の性能が低下してしまう。 By the way, when the fuel cell system is stopped, the supply of hydrogen is stopped in order to stop the fuel cell. In this case, since the hydrogen gas on the fuel electrode side is continuously consumed little by little, the pressure on the fuel electrode side gradually increases. It becomes low. When the pressure of the hydrogen gas becomes atmospheric pressure or less, the air on the air electrode side passes through the membrane electrode assembly and moves to the fuel electrode side, so that the hydrogen gas and air are mixed on the fuel electrode side. It becomes a state. When the oxygen concentration on the fuel electrode side becomes a certain value or more, a local battery is generated in the membrane electrode assembly and becomes a high potential state of 1.2 [V] or more. It elutes and the performance of the fuel cell deteriorates.
そこで、燃料電池システムを停止させる場合、燃料極の燃料供給路を真空によって排気した後、燃料供給路に大気を導入し、燃料極側に水素が残留するのを防止するようにしている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、運転を停止させる直前の燃料電池の温度は、各種の運転モードによって異なるが、40〜60〔℃〕程度の範囲にあり、しかも、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリから温度に応じて水蒸気が発生するので、常温の大気が導入されると、燃料電池と大気との温度差によって水蒸気が凝縮ししまう。特に、燃料電池システムの起動及び停止を繰り返すと、水蒸気の凝縮が顕著になる。 However, in the conventional fuel cell system, the temperature of the fuel cell immediately before the operation is stopped varies depending on various operation modes, but is in the range of about 40 to 60 [° C.], and the membrane electrode, Since water vapor is generated from the assembly according to temperature, when normal temperature air is introduced, the water vapor is condensed due to a temperature difference between the fuel cell and the air. In particular, when the fuel cell system is repeatedly started and stopped, condensation of water vapor becomes significant.
したがって、燃料極に水滴が留まる状態になりやすく、燃料極が水滴で覆われるので、水素ガスが円滑に流れなくなり、十分に触媒反応が行われなくなる。その結果、燃料電池の出力が小さくなってしまう。 Accordingly, water droplets are likely to stay on the fuel electrode, and the fuel electrode is covered with water droplets, so that hydrogen gas does not flow smoothly, and the catalytic reaction is not sufficiently performed. As a result, the output of the fuel cell becomes small.
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料電池の出力を大きくすることができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the problems of the conventional fuel cell system and to provide a fuel cell system and a control method therefor that can increase the output of the fuel cell.
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池と、該燃料電池から排出されたガス中の蒸気を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器に空気を供給し、凝縮器を冷却する冷却ファンと、前記燃料電池の運転を停止させる停止モードが選択されたかどうかを判断する運転モード判定処理手段と、前記停止モードが選択された場合に、水素ガスの供給を停止させる燃料供給停止処理手段と、前記停止モードが選択された場合に、前記燃料電池の燃料極に、前記凝縮器を冷却ファンによって冷却することにより温度が上昇した凝縮器の出口側の空気を供給する高温空気供給処理手段とを有する。 For this purpose, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell, a condenser for condensing vapor in the gas discharged from the fuel cell, and a cooling fan for supplying air to the condenser and cooling the condenser And an operation mode determination processing means for determining whether or not a stop mode for stopping the operation of the fuel cell is selected, and a fuel supply stop processing means for stopping the supply of hydrogen gas when the stop mode is selected. High-temperature air supply processing means for supplying air on the outlet side of the condenser whose temperature has been increased by cooling the condenser with a cooling fan to the fuel electrode of the fuel cell when the stop mode is selected; Have
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、燃料電池と、該燃料電池から排出されたガス中の蒸気を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器に空気を供給し、凝縮器を冷却する冷却ファンと、前記燃料電池の運転を停止させる停止モードが選択されたかどうかを判断する運転モード判定処理手段と、前記停止モードが選択された場合に、水素ガスの供給を停止させる燃料供給停止処理手段と、前記停止モードが選択された場合に、前記燃料電池の燃料極に、前記凝縮器を冷却ファンによって冷却することにより温度が上昇した凝縮器の出口側の空気を供給する高温空気供給処理手段とを有する。 According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell, a condenser that condenses vapor in gas discharged from the fuel cell, and a cooling fan that supplies air to the condenser and cools the condenser And an operation mode determination processing means for determining whether or not a stop mode for stopping the operation of the fuel cell is selected, and a fuel supply stop processing means for stopping the supply of hydrogen gas when the stop mode is selected. High-temperature air supply processing means for supplying air on the outlet side of the condenser whose temperature has been increased by cooling the condenser with a cooling fan to the fuel electrode of the fuel cell when the stop mode is selected; Have
この場合、停止モードが選択された場合に、水素ガスの供給が停止させられ、燃料電池の燃料極に、前記凝縮器を冷却ファンによって冷却することにより温度が上昇した凝縮器の出口側の空気が供給されるので、燃料電池と高温空気との温度差をなくすことができ、燃料供給路において水蒸気が凝縮することがなくなる。 In this case, when the stop mode is selected, the supply of hydrogen gas is stopped, and the air on the outlet side of the condenser whose temperature has been increased by cooling the condenser with a cooling fan is supplied to the fuel electrode of the fuel cell. Therefore, the temperature difference between the fuel cell and the high-temperature air can be eliminated, and water vapor is not condensed in the fuel supply path.
したがって、燃料極において、水素ガスが円滑に流れるようになるので、十分に触媒反応が行われる。その結果、燃料電池の出力を大きくすることができる。 Accordingly, hydrogen gas flows smoothly at the fuel electrode, so that the catalytic reaction is sufficiently performed. As a result, the output of the fuel cell can be increased.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の形態における燃料電池システムを示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
図において、11は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型燃料電池(PEFC)を構成する燃料電池スタックであり、該燃料電池スタック11は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両に、エネルギー供給源として搭載され、燃料電池搭載車両を構成する。この場合、該燃料電池搭載車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等のように、燃料電池搭載車両を停車させている間においても電気エネルギーを消費する補機類を多数備え、しかも、多様な走行パターンで走行させられることが多い。 In the figure, reference numeral 11 denotes a stacked fuel cell, and in this embodiment, a fuel cell stack constituting a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). The fuel cell stack 11 is a passenger car, bus, truck, passenger car. The vehicle is mounted on a vehicle such as a cart or a luggage cart as an energy supply source and constitutes a fuel cell vehicle. In this case, the fuel cell-equipped vehicle includes a large number of auxiliary devices that consume electric energy even when the fuel cell-equipped vehicle is stopped, such as a lighting device, a radio, and a power window. In many cases, the vehicle is driven in a driving pattern.
そこで、エネルギー供給源として、燃料電池スタック11のほかに、補助蓄電装置としてのキャパシタ(コンデンサ)71が配設され、該キャパシタ71は、昇圧用・降圧用のIGBT72を介して燃料電池スタック11に接続されるようになっている。
Therefore, in addition to the fuel cell stack 11 as an energy supply source, a capacitor (capacitor) 71 as an auxiliary power storage device is disposed, and the capacitor 71 is connected to the fuel cell stack 11 via the boosting and step-down
また、12は該燃料電池スタック11に媒体としての空気を供給する媒体供給系としての空気供給系、13は前記燃料電池スタック11から空気を排出するための媒体排出系としての空気排出系、14は前記燃料電池スタック11に燃料としての水素ガスを供給するための燃料供給系としての水素ガス供給系、16は前記燃料電池スタック11に冷却媒体としての水を供給するための冷却媒体供給部としての水供給系である。前記燃料電池スタック11、空気供給系12、空気排出系13、水素ガス供給系14及び水供給系16によって車載燃料電池システムが構成される。
Further, 12 is an air supply system as a medium supply system for supplying air as a medium to the
本実施の形態においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池を使用しているが、該固体高分子型燃料電池に代えて、アルカリ水溶液型燃料電池(AFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池(DMFC)等を使用することもできる。 In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is used as a fuel cell. Instead of the polymer electrolyte fuel cell, an alkaline aqueous fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) ), Molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), hydrazine fuel cell, direct methanol fuel cell (DMFC), and the like.
前記燃料電池スタック11は、筐(きょう)体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に収容されたスタックユニットを備える。そして、該スタックユニットは、複数のモジュール、該各モジュールを挟んで配設され、燃料電池の端子を構成する一対のターミナル、並びに前記モジュール及びターミナルを挟んで配設され、絶縁材料によって形成されたインシュレータを備える。 The fuel cell stack 11 includes a stack case (not shown) as a casing and a stack unit accommodated in the stack case. The stack unit is provided with a plurality of modules, a pair of terminals constituting each terminal of the fuel cell, and a pair of terminals constituting the terminals of the fuel cell, and the module and the terminals, and is formed of an insulating material. Insulator is provided.
ところで、前記各モジュールにおいて、前記水素ガス供給系14によって供給された水素ガスと、前記空気供給系12によって酸化剤として供給された空気に含まれる酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。この場合、酸化剤として、空気に代えて酸素を供給することができる。そのために、前記モジュールは、燃料電池スタック11の要素を構成する複数の薄い膜状のセルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって形成され、セルの集合体から成る。
By the way, in each module, the hydrogen gas supplied by the hydrogen
前記各セルは、固体高分子から成り、イオン、本実施の形態においては、水素イオンを透過する固体電解質としての電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層から成る燃料極(水素極)並びに空気極を配設することによって形成された膜、電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。 Each of the cells is made of a solid polymer, and in this embodiment, an electrolyte membrane as a solid electrolyte that permeates ions, hydrogen ions, and a fuel electrode (hydrogen electrode) comprising a reaction layer and a diffusion layer, and air. The membrane formed by disposing the electrode, the membrane electrode assembly as an electrode assembly, and each membrane electrode assembly are separated, and the air supply path is opened to the air electrode. And a separator that forms a fuel supply path facing the fuel electrode.
前記各反応層は、前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面に配設され、水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられることによって形成された、触媒層から成る。なお、前記空気極に代えて酸素極を使用し、媒体としての純酸素を燃料電池スタック11に供給することもできる。 Each of the reaction layers is disposed on a surface of the air electrode and the fuel electrode in contact with the electrolyte membrane, and in order to promote a reaction between hydrogen and oxygen, a platinum-based catalyst and a solid polymer are mixed with carbon. It consists of a catalyst layer formed by uniformly dispersing a paste-like substance with a certain thickness. Note that an oxygen electrode may be used instead of the air electrode to supply pure oxygen as a medium to the fuel cell stack 11.
前記スタックケース内には、前記スタックユニットより上方に、空気供給系12から供給された空気を各空気極に供給し、分配するための、空気供給部としての空気マニホルド22が、スタックユニットより下方に、空気極内のガスを集め、空気排出系13に排出するための、空気排出部としての空気排出ダクト23が形成される。前記空気マニホルド22及び空気排出ダクト23は、前記空気供給路と連通させられ、燃料供給路と遮蔽(へい)される。そのために、前記セパレータにおける空気極と面する側には、垂直方向に延びる複数の溝が形成され、各溝によって前記空気供給路が構成される。空気は、空気マニホルド22に供給された後、各空気供給路に分配され、該各空気供給路を下方に向けて流れ、空気排出ダクト23に排出される。
In the stack case, an
また、前記セパレータにおける燃料極と面する側は、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。したがって、シールされた部分の内側には、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料供給路が形成される。 The entire surface of the separator facing the fuel electrode is adhered and sealed to the adjacent membrane electrode assembly with an adhesive. Therefore, a plurality of horizontal fuel supply paths for supplying hydrogen gas to the fuel electrode are formed inside the sealed portion.
前記空気供給系12は、空気マニホルド22に空気を供給するための供給管20、該供給管20に配設された第1の空気供給装置としてのシロッコファン等から成るファン21、該ファン21によって吸引される空気を濾(ろ)過するフィルタ24等を備える。前記第1の空気供給装置として、ファン21に代えて空気ボンベ、空気タンク、酸素ボンベ、酸素タンク等を使用することができる。したがって、前記ファン21を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記空気マニホルド22に供給し、燃料電池スタック11を冷却することができる。
The
また、前記空気排出系13は、空気排出ダクト23、該空気排出ダクト23に配設された回収部材としての凝縮器31、該凝縮器31と対向させて配設された第2の空気供給装置としての冷却ファン32等を備える。したがって、該冷却ファン32を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記凝縮器31に送り、凝縮器31を冷却することができる。そして、空気排出ダクト23に排出されたガスは、凝縮器31に供給され、該凝縮器31において冷却され、ガス中の蒸気が凝縮されて水になる。また、水が回収された後のガスは外部に排出される。前記冷却ファン32を回転させることによって、凝縮器31の冷却能力を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。
The
また、前記水素ガス供給系14は、液体水素が貯蔵された燃料供給装置、かつ、水素供給装置としての燃料タンク41、該燃料タンク41に接続され、燃料タンク41内の液体水素を水素ガスとして排出するための第1の燃料供給路51、該第1の燃料供給路51と前記燃料電池スタック11との間を接続する第2の燃料供給路52、該第2の燃料供給路52と並列に形成され、第1の燃料供給路51と前記燃料電池スタック11との間を接続する燃料帰還路53、該燃料帰還路53に接続され、水素ガスを排出する燃料排出路54等を備える。なお、前記第1、第2の燃料供給路51、52は、接続点q1で互いに接続され、かつ、燃料帰還路53と接続される。また、燃料帰還路53と燃料排出路54とは、ポンプ47と弁48との間の接続点q2において接続される。
The hydrogen
そして、前記第1の燃料供給路51に、燃料タンク41側から燃料電池スタック11側にかけて、燃料タンク41から燃料電池スタック11への水素ガスの供給及び遮断を行う開閉弁42、第1の燃料供給路51に排出された水素ガスの圧力を検出する圧力検出部としての水素圧センサ(P)43、前記第1の燃料供給路51に排出された水素ガスの圧力を調整する燃料供給圧調整部としての調圧弁44、及び水素ガスの燃料電池スタック11への供給量を調整する燃料供給量調整部としての流量調整弁45が配設される。
An opening / closing valve 42 for supplying and shutting off hydrogen gas from the fuel tank 41 to the fuel cell stack 11 from the fuel tank 41 side to the fuel cell stack 11 side, the first
したがって、燃料タンク41から水素ガスが排出されると、第1の燃料供給路51において、水素ガスの圧力は、調圧弁44によって調整され、燃料電池スタック11に供給するのに適した圧力になり、水素ガスの供給量は、流量調整弁45によって調整され、燃料電池スタック11に供給するのに適した流量になり、第2の燃料供給路52を介して燃料電池スタック11に供給される。なお、本実施の形態において、前記調圧弁44及び流量調整弁45は、一つずつ配設されるようになっているが、水素ガスの圧力を段階的に低くするために二つ以上ずつ配設することができる。
Therefore, when the hydrogen gas is discharged from the fuel tank 41, the pressure of the hydrogen gas is adjusted by the
また、燃料帰還路53に、燃料電池スタック11側から燃料タンク41側にかけて、水素ガスを循環させたり、排出したりするためのポンプ47、及び循環用の弁48が配設され、該弁48が前記第1、第2の燃料供給路51、52に接続される。そして、前記燃料帰還路53におけるポンプ47と弁48との間に前記燃料排出路54が接続され、該燃料排出路54に排出用の弁56が配設され、該弁56に空気排出ダクト23が接続される。
In addition, a
したがって、燃料極から燃料帰還路53に排出された水素ガスの一部を、燃料排出路54を介して間欠的に排気ガスとして空気排出ダクト23に送り、大気中に排出することができる。この場合、燃料電池搭載車両の負荷が大きくなり、燃料電池スタック11の負荷が大きくなると、燃料極に供給される水素ガスの量が多くされるので、燃料極から排出される水素ガスの量も多くなる。そこで、図示されない制御部は、燃料電池スタック11の負荷に応じて間欠的に弁56を開閉し、負荷が大きくなると、弁56を開放する時間を長くする。また、前記燃料極から排出される水素ガスの残りは、燃料帰還路53を流れた後、前記第1の燃料供給路51に帰還させられる。前記弁56を介して排出された水素ガスは、図示されない燃焼器において燃焼させられて水になり、大気中に排出される。なお、燃料極から排出された水素ガスのすべてを大気中に排出することもできる。
Therefore, part of the hydrogen gas discharged from the fuel electrode to the
また、前記燃料タンク41に代えて、水素ガスが充填(てん)された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することもできる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、調圧弁44の開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。なお、例えば、寒冷地においては、燃料電池搭載車両が極めて低温の環境下に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出するのが困難になる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電され、水素吸蔵合金が加熱される。
In place of the fuel tank 41, a hydrogen storage alloy tank containing a hydrogen storage alloy filled with hydrogen gas can also be used. In that case, since the hydrogen storage alloy has the property of releasing hydrogen gas at room temperature and storing hydrogen gas at low temperature, the pressure of the hydrogen gas can be adjusted by simply changing the opening of the
なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して水素ガスを生成し、該水素ガスを燃料電池スタック11に直接供給することもできるが、燃料電池スタック11の高負荷走行時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、前記燃料タンク41を使用するのが好ましい。 In addition, although reforming apparatus can reform methanol, gasoline, etc. to generate hydrogen gas and supply the hydrogen gas directly to the fuel cell stack 11, it is stable even when the fuel cell stack 11 travels at a high load. In order to supply a sufficient amount of hydrogen, the fuel tank 41 is preferably used.
また、前記水供給系16は、媒体供給源としての水タンク61、フィルタ59、水供給装置としてのポンプ62、空気極冷却装置としての噴射装置(インジェクタ)63、前記水タンク61から排出された水を噴射装置63に供給するための供給管60、空気排出ダクト23の下部に溜(た)まり、空気排出ダクト23から排出された水、及び凝縮器31において分離させられた水を回収し、水タンク61に供給するための水帰還路64、回収された水を水タンク61に供給する水回収ポンプ65等を備える。
The
前記制御部によって燃料電池スタック11に加わる負荷を検出し、該負荷に対応させてポンプ62に印加される電圧を調整することによって、噴射装置63に供給される水の圧力を調整することができる。
By detecting the load applied to the fuel cell stack 11 by the control unit and adjusting the voltage applied to the
また、前記凝縮器31において空気から分離させられた水は、水帰還路64を流れ、最終的に水タンク61に排出され、水タンク61に蓄えられる。該水タンク61は、水位検出部としての水位センサ(LG)66を備え、該水位センサ66は、水タンク61内の水のレベル、すなわち、水位を検出する。そして、水位があらかじめ設定された下限値以下になると、通知部材としての図示されないアラームが点滅し、水が不足していることを運転者に通知する。この場合、運転者は、例えば、前記凝縮器31に配設された冷却ファン32の回転速度を高くすることによって凝縮器31の能力を高くし、水の回収量を多くする。
The water separated from the air in the condenser 31 flows through the
なお、水位があらかじめ設定された上限値以上になったときに、水が過剰であることを運転者に通知することもできる。その場合、運転者は、例えば、前記冷却ファン32の回転速度を低くすることによって凝縮器31の能力を低くし、水の回収量を少なくする。また、前記水位センサ66及び冷却ファン32を前記制御部に接続し、水位センサ66によって検出された水位に対応させて自動的に冷却ファン32の回転速度を変更することもできる。
In addition, when the water level is equal to or higher than a preset upper limit value, the driver can be notified that the water is excessive. In that case, for example, the driver reduces the capacity of the condenser 31 by reducing the rotational speed of the cooling
ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置、例えば、インバータ70を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが、プロトンの形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子がインバータ70を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介してインバータ70に供給することができる。そして、該インバータ70は図示されない駆動モータに接続される。したがって、インバータ70によってU相、V相及びW相の相電流を発生させ、相電流を駆動モータに供給することによって駆動モータを駆動することができる。
By the way, the air electrode functions as a cathode, the fuel electrode functions as an anode, air is supplied to the air electrode, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, and a load device such as an
前記インバータ70は、前記キャパシタ71にも接続されるので、キャパシタ71から供給された電流に基づいて相電流を発生させ、相電流を駆動モータに供給することによって駆動モータを駆動することもできる。
Since the
前記構成の燃料電池搭載車両において、長時間にわたって車両を停止させる場合等には、燃料電池システムを停止させるようにしている。その場合、燃料電池の駆動を停止させるために燃料電池スタック11への水素の供給が停止させられるが、その後も、燃料極側の水素ガスが少しずつ消費され続けると、燃料極側の圧力が徐々に低くなる。そして、水素ガスの圧力が大気圧以下になると、酸素極側の空気がメンブレン・エレクトロード・アッセンブリを透過して燃料極側に移動するので、該燃料極側は水素ガスと空気とが混合した状態になる。そして、燃料極側における酸素の濃度が一定値以上になると、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリにおいて局部電池が発生し、1.2〔V〕以上の高電位状態になり、燃料極側において触媒粒子が溶出し、燃料電池の性能が低下してしまう。 In the fuel cell-equipped vehicle configured as described above, the fuel cell system is stopped when the vehicle is stopped for a long time. In that case, the supply of hydrogen to the fuel cell stack 11 is stopped to stop the driving of the fuel cell, but if the hydrogen gas on the fuel electrode side continues to be consumed little by little thereafter, the pressure on the fuel electrode side Gradually lower. When the pressure of the hydrogen gas becomes atmospheric pressure or less, the oxygen electrode side air passes through the membrane electrode assembly and moves to the fuel electrode side, so that the hydrogen gas and air are mixed on the fuel electrode side. It becomes a state. When the oxygen concentration on the fuel electrode side becomes a certain value or more, a local battery is generated in the membrane electrode assembly and becomes a high potential state of 1.2 [V] or more. It elutes and the performance of the fuel cell deteriorates.
そこで、燃料電池を停止させる場合、燃料極の燃料供給路を真空によって排気した後、燃料供給路に大気を導入し、燃料極側に水素が残留するのを防止することが考えられる。 Therefore, when stopping the fuel cell, it is conceivable that after the fuel supply passage of the fuel electrode is evacuated by vacuum, the atmosphere is introduced into the fuel supply passage to prevent hydrogen from remaining on the fuel electrode side.
ところが、運転を停止させる直前の燃料電池の温度は、各種の運転モードによって異なるが、40〜60〔℃〕程度の範囲にあり、しかも、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリから温度に応じて水蒸気が発生するので、常温の大気が導入されると、燃料電池と大気との温度差によって水蒸気が凝縮してしまう。 However, the temperature of the fuel cell immediately before the operation is stopped varies depending on various operation modes, but is in the range of about 40 to 60 [° C.], and water vapor is generated from the membrane electrode assembly according to the temperature. Therefore, when atmospheric air is introduced, water vapor is condensed due to a temperature difference between the fuel cell and the air.
したがって、燃料極において、水素ガスが円滑に流れなくなり、十分に触媒反応が行われなくなる。その結果、燃料電池の出力が小さくなってしまう。 Accordingly, hydrogen gas does not flow smoothly at the fuel electrode, and the catalytic reaction is not sufficiently performed. As a result, the output of the fuel cell becomes small.
そこで、本実施の形態においては、燃料電池を停止させるに当たり、凝縮器31を冷却することによって温度が上昇し、乾燥した空気(以下「高温空気」という。)を燃料極に供給するようにしている。 Therefore, in the present embodiment, when the fuel cell is stopped, the temperature rises by cooling the condenser 31 and dry air (hereinafter referred to as “hot air”) is supplied to the fuel electrode. Yes.
そのために、凝縮器31の出口側の所定の位置に臨ませて、高温空気を取り込むための吸気配管75が配設され、該吸気配管75と前記燃料帰還路53とが、接続点q1と弁48との間の接続点q3で接続される。そして、前記吸気配管75における凝縮器31側から接続点q3に向けて、高温空気を吸引し、燃料帰還路53に送るための吸引ファン76、高温空気を清浄化するフィルタ77及び開閉弁78が配設される。さらに、吸気配管75と排気配管79とが前記吸引ファン76とフィルタ77との間の接続点q4で接続され、前記排気配管79に開閉弁81が配設される。
For this purpose, an intake pipe 75 for taking in high-temperature air is provided facing a predetermined position on the outlet side of the condenser 31, and the intake pipe 75 and the
次に、高温空気を燃料極に供給するための燃料電池システムの制御回路について説明する。 Next, a control circuit of the fuel cell system for supplying high temperature air to the fuel electrode will be described.
図2は本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御回路を示す図、図3は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a diagram showing a control circuit of the fuel cell system in the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system in the embodiment of the present invention.
図において、80は制御部であり、該制御部80は、図示されないCPU、MPU等の演算装置、半導体メモリ等の記憶装置、入出力インタフェース等を備える。また、21はファン、32は冷却ファン、42、78、81は開閉弁、44は調圧弁、45は流量調整弁、48、56は弁、65は水回収ポンプ、66は水位センサ、70はインバータ、72はIGBT、76は吸引ファンである。 In the figure, reference numeral 80 denotes a control unit, and the control unit 80 includes an arithmetic device such as a CPU and an MPU (not shown), a storage device such as a semiconductor memory, an input / output interface and the like. 21 is a fan, 32 is a cooling fan, 42, 78 and 81 are on-off valves, 44 is a pressure regulating valve, 45 is a flow regulating valve, 48 and 56 are valves, 65 is a water recovery pump, 66 is a water level sensor, and 70 is An inverter, 72 is an IGBT, and 76 is a suction fan.
前記構成の燃料電池システムにおいて、前記制御部80の図示されない運転モード設定処理手段は、運転モード設定処理を行い、各種の条件に基づいて運転モードを選択し、選択された運転モードで燃料電池システムを運転する。次に、前記制御部80の図示されない運転モード判定処理手段は、運転モード判定処理を行い、燃料電池を停止させる運転モード(以下「停止モード」という。)が選択されたかどうかを判断する。 In the fuel cell system configured as described above, an operation mode setting processing unit (not shown) of the control unit 80 performs an operation mode setting process, selects an operation mode based on various conditions, and the fuel cell system in the selected operation mode. To drive. Next, an operation mode determination processing unit (not shown) of the control unit 80 performs an operation mode determination process to determine whether or not an operation mode for stopping the fuel cell (hereinafter referred to as “stop mode”) is selected.
停止モードが選択されると、制御部80の図示されない燃料供給停止処理手段は、燃料供給停止処理を行い、流量調整弁45及び弁48を閉鎖し、水素ガスの燃料極への供給を停止させる。続いて、制御部80の図示されない排気処理手段は、排気処理を行い、ポンプ47(図1)を作動させ、弁56を開放して、燃料供給路を排気し、水素ガスを除去する。
When the stop mode is selected, the fuel supply stop processing means (not shown) of the control unit 80 performs the fuel supply stop processing, closes the flow rate adjusting valve 45 and the
したがって、残留していた燃料極側の水素ガスが少しずつ消費され続けることがなくなるので、酸素極側の空気がメンブレン・エレクトロード・アッセンブリを透過して燃料極側に移動したとしても、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリにおいて局部電池が発生することがなくなり、燃料極側において触媒粒子が溶出するのを防止することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。 Therefore, since the remaining hydrogen gas on the fuel electrode side does not continue to be consumed little by little, even if the air on the oxygen electrode side passes through the membrane electrode assembly and moves to the fuel electrode side, A local battery is not generated in the electrode assembly, the catalyst particles can be prevented from eluting on the fuel electrode side, and the performance of the fuel cell can be improved.
また、燃料供給路の排気に伴って、制御部80の図示されない暖機処理手段は、暖機処理を行い、開閉弁81を開放し、冷却ファン32及び吸引ファン76を作動させ、凝縮器31の出口側の高温空気を吸引するとともに、吸気配管75内の空気を排気配管79を介して排気する。このようにして、高温空気を燃料極に供給するに当たり、暖機を開始する。
Further, along with the exhaust of the fuel supply path, the warm-up processing means (not shown) of the control unit 80 performs the warm-up processing, opens the on-off
続いて、制御部80の図示されない高温空気供給処理手段は、高温空気供給処理を行い、開閉弁81を閉鎖し、開閉弁78を開放して、高温空気を所定の時間、本実施の形態においては、1〜2分間、第2の燃料供給路52を介して燃料極に供給する。そして、制御部80の図示されない運転停止処理手段は、運転停止処理を行い、燃料電池の運転を停止させる。
Subsequently, high temperature air supply processing means (not shown) of the control unit 80 performs high temperature air supply processing, closes the on-off
この場合、凝縮器31の温度は、燃料電池システムを運転している間の燃料電池の温度とほぼ等しいので、吸気配管75に吸引された高温空気の温度も燃料電池の温度とほぼ等しくなる。 In this case, since the temperature of the condenser 31 is substantially equal to the temperature of the fuel cell while the fuel cell system is operating, the temperature of the high-temperature air drawn into the intake pipe 75 is also substantially equal to the temperature of the fuel cell.
したがって、運転を停止させるのに伴ってメンブレン・エレクトロード・アッセンブリから水蒸気が発生しても、燃料電池の温度とほぼ等しい高温空気が燃料極に供給されるので、燃料電池と高温空気との温度差をなくすことができ、燃料供給路において水蒸気が凝縮することがなくなる。 Therefore, even if water vapor is generated from the membrane electrode assembly when the operation is stopped, high temperature air substantially equal to the temperature of the fuel cell is supplied to the fuel electrode. The difference can be eliminated and water vapor is not condensed in the fuel supply path.
その結果、燃料極において、水素ガスが円滑に流れるようになるので、十分に触媒反応が行われ、燃料電池の出力を大きくすることができる。 As a result, hydrogen gas flows smoothly at the fuel electrode, so that the catalytic reaction is sufficiently performed and the output of the fuel cell can be increased.
次に、フローチャートについて説明する。
ステップS1 停止モードが選択されるのを待機し、停止モードが選択された場合はステップS2に進む。
ステップS2 水素の供給を停止する。
ステップS3−1 暖機を開始する。
ステップS3−2 燃料供給路の水素を排気する。
ステップS4 高温空気を供給する。
ステップS5 燃料電池システムを停止させ、処理を終了する。
Next, a flowchart will be described.
Step S1: Wait for the stop mode to be selected, and if the stop mode is selected, proceed to Step S2.
Step S2 The supply of hydrogen is stopped.
Step S3-1: Warm-up is started.
Step S3-2: The hydrogen in the fuel supply path is exhausted.
Step S4 Hot air is supplied.
Step S5 The fuel cell system is stopped and the process is terminated.
11 燃料電池スタック
12 空気供給系
13 空気排出系
14 水素ガス供給系
16 水供給系
31 凝縮器
32 冷却ファン
80 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
Claims (3)
(b)該燃料電池から排出されたガス中の蒸気を凝縮させる凝縮器と、
(c)該凝縮器に空気を供給し、凝縮器を冷却する冷却ファンと、
(d)前記燃料電池の運転を停止させる停止モードが選択されたかどうかを判断する運転モード判定処理手段と、
(e)前記停止モードが選択された場合に、水素ガスの供給を停止させる燃料供給停止処理手段と、
(f)前記停止モードが選択された場合に、前記燃料電池の燃料極に、前記凝縮器を冷却ファンによって冷却することにより温度が上昇した凝縮器の出口側の空気を供給する高温空気供給処理手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 (A) a fuel cell;
(B) a condenser for condensing vapor in the gas discharged from the fuel cell;
(C) a cooling fan for supplying air to the condenser and cooling the condenser;
(D) an operation mode determination processing means for determining whether or not a stop mode for stopping the operation of the fuel cell is selected;
(E) fuel supply stop processing means for stopping supply of hydrogen gas when the stop mode is selected;
(F) when the stop mode is selected, the fuel electrode of the fuel cell, the condenser hot air supply for supplying air on the outlet side of the condenser temperature increases by cooling by the cooling fan And a fuel cell system.
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