JP5299211B2 - 燃料電池システムおよびその停止方法 - Google Patents
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Description
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池内においてアノードと連通して形成され、水素を含有する燃料ガスが流れる電池内燃料ガス流路と、
前記燃料電池内においてカソードと連通して形成され、酸素を含有する酸化ガスが流れる電池内酸化ガス流路と、
前記燃料電池の発電の停止が指示されて、前記電池内燃料ガス流路に対する前記燃料ガスの供給、および、前記電池内酸化ガス流路に対する前記酸化ガスの供給が停止された後に、前記電池内燃料ガス流路内におけるガス圧であるアノードガス圧が第1の基準圧力以下であるか否かを判定するアノードガス圧低下判定部と、
前記アノードガス圧低下判定部が、前記アノードガス圧が前記第1の基準圧力以下であると判定したときに、前記アノードガス圧が、前記第1の基準圧力よりも高圧である第2の基準圧力以上となるように、前記電池内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを再供給させる水素再供給制御部と、
前記電池内燃料ガス流路内に含まれる各ガスの分圧を取得するアノード側分圧取得部と、
前記電池内酸化ガス流路内に含まれる各ガスの分圧を取得するカソード側分圧取得部と、
前記水素再供給制御部による前記燃料ガスの再供給を行なった後に、前記アノード側分圧取得部が取得した前記電池内燃料ガス流路内に含まれる各ガスの分圧と、前記カソード側分圧取得部が取得した前記電池内酸化ガス流路内に含まれる各ガスの分圧とを比較して、各ガスの分圧差が基準値以下であるか否かの判定を行なう分圧均等化判定部と、
前記分圧均等化判定部によって、前記各ガスの分圧差が基準値以下であると判定されたときに、前記燃料電池の発電停止に係る一連の制御を終了する発電停止制御部と
を備える燃料電池システム。
適用例1記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノードに供給された後に前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、再び前記電池内燃料ガス流路へと導く燃料ガス循環路と、前記水素再供給制御部によって前記燃料ガスの供給が行なわれる際に、前記燃料ガス循環路において前記燃料ガスの循環を行なわせる駆動力を生じる循環駆動部とを備える燃料電池システム。適用例2に記載の燃料電池システムによれば、電池内燃料ガス流路に対して燃料ガスを再供給する際に、循環駆動部によって燃料ガスの循環を行なわせるため、燃料電池内部における部分的な水素不足を抑制することができる。これにより、内部電池の形成を抑制する信頼性を高めることができる。
適用例2記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス循環路は、該燃料ガス循環路内を流れる前記燃料ガスを攪拌する燃料ガス攪拌部を備える燃料電池システム。適用例3に記載の燃料電池システムによれば、循環する燃料ガスが攪拌部で攪拌されるため、循環する燃料ガスにおける濃度分布を均一化して、電池内燃料ガス流路における部分的な水素不足を抑制する効果をさらに高めることができる。
適用例1ないし3いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記水素再供給制御部による前記燃料ガスの再供給に先立って、前記電池内燃料ガス流路に対して、通常の発電時に前記電池内燃料ガス流路に供給する前記燃料ガスの流量よりも大きな流量で、前記燃料ガスを供給する電池内燃料ガス流路パージ制御部を備える燃料電池システム。適用例4に記載の燃料電池システムによれば、通常の発電時よりも大きな流量で電池内燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給することで、電池内燃料ガス流路から液水を除去することができる。そのため、燃料ガスの再供給時には、電池内燃料ガス流路の隅々にまで水素を行き渡らせ、部分的に水素が不足する部位の発生を抑制することができる。
適用例4記載の燃料電池システムであって、さらに、前記電池内燃料ガス流路内を前記燃料ガスが通過する際の圧損を求める電池内燃料ガス流路圧損取得部を備え、前記燃料ガス流路パージ制御部は、前記電池内燃料ガス流路圧損取得部が取得した前記圧損が予め定めた基準値よりも低くなるまで、大きな流量で前記燃料ガスを供給する動作を続行する燃料電池システム。適用例5に記載の燃料電池システムによれば、電池内燃料ガス流路から液水を除去する動作の信頼性を高め、電池内燃料ガス流路における部分的な水素不足の発生を抑える効果を高めることができる。
適用例1ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、前記アノード側分圧取得部は、前記燃料ガス流路における水素分圧を取得するアノード側水素分圧取得部と、前記燃料ガス流路における窒素分圧を取得するアノード側窒素分圧取得部と、を備え、前記カソード側分圧取得部は、前記酸化ガス流路における水素分圧を取得するカソード側水素分圧取得部と、前記酸化ガス流路における窒素分圧を取得するカソード側窒素分圧取得部と、を備え、前記分圧均等化判定部は、水素分圧差と窒素分圧差とに基づいて、前記判定を行なう燃料電池システム。適用例6に記載の燃料電池システムによれば、水素分圧差と窒素分圧差に基づいて、各ガス成分の分圧差が基準値以下になったか否かを判断することができる。
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の概略構成を表わすブロック図である。本実施例では、燃料電池システム100は、電気自動車に搭載されて、駆動用電源として用いられている。燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、燃料ガス給排部20と、酸化ガス給排部30と、冷媒給排部40と、制御部500と、を備えている。また、燃料電池システム100を搭載する電気自動車は、燃料電池システム100の他に、インバータ400と、駆動モータ410と、二次電池200と、DC/DCコンバータ300と、を備える。
図2は、本実施例の燃料電池システム100の停止時に、制御部500において実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電気自動車に設けられたシステム停止を指示するスイッチ(例えば、イグニションスイッチ)がユーザにより操作されたときに、起動され、実行される。本ルーチンが起動されると、制御部500は、燃料電池スタック10の発電を停止させる(ステップS100)。具体的には、制御部500は、スイッチSW1をオフにして、燃料電池スタック10とインバータ400等の負荷との接続を切断すると共に、燃料電池スタック10への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止させる。燃料電池スタック10への燃料ガスの供給を停止する際には、制御部500は、遮断弁V1および調圧バルブV2を閉弁させる。このとき、燃料ガス循環ポンプ26は駆動停止され、排気弁V3は、所定のタイミングでの開弁制御が停止されて閉弁状態となる。燃料電池スタック10への酸化ガスの供給を停止する際には、エアコンプレッサ36が停止される。このとき、燃料電池スタック10の発電時に開弁されていた弁V4は、そのまま開弁状態が維持される。なお、ステップS100においては、循環ポンプ46を停止して、冷媒給排部40による冷媒の循環の動作も停止する。
図4は、第2実施例の燃料電池システム110の概略構成を表わすブロック図である。本実施例の燃料電池システム110も、第1実施例と同様に、電気自動車に搭載されて、駆動用電源として用いられている。本実施例の燃料電池システム110は、返送配管29と三方弁V20と弁V22を設けた点以外は、第1実施例と同様の構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付すと共に、詳しい説明を省略している。図4に示す燃料電池システム110では、二次電池200、DC/DCコンバータ300、負荷接続部45、インバータ400、および、モータ410の図示は省略している。
図6は、第3実施例の燃料電池システムの制御部において実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。第3実施例は、図1と同様の構成を有する燃料電池システム100における停止時処理に係るものである。図6において、図2に示す第1実施例の各工程に対応する工程には、100番台から300番台に変更した工程番号を付している。第3実施例では、燃料電池スタック10の発電を停止させた直後に、アノード全圧が第1の基準圧力以下であると判断されて水素が再供給される前に、電池内燃料ガス流路の圧力損失を低減させる処理(ステップS302〜S306)を行なう点のみが、第1実施例とは異なっている。そのため、第1実施例と同じ工程については、詳しい説明を省略する。なお、第3実施例では、アノードの圧力損失を測定するために、燃料電池システム100(図1)の燃料ガス供給配管22において、燃料電池スタック10との接続部付近に、供給側圧力センサをさらに設けている。そして、供給側圧力センサと燃料ガス排出側に設けた圧力センサP1の検出信号に基づき、制御部500は、アノードの圧力損失を算出する。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第1ないし第3実施例の燃料電池システムは、その発電時に、排出燃料ガスを、再び燃料ガスとして燃料電池スタック10へと供給する構成となっているが、異なる構成としても良い。例えば、発電時には、排出燃料ガスを燃料電池スタック外へと排出する構成としても良く、また、発電時には、燃料ガス排出マニホールドの端部を封止して、燃料電池スタックに対して燃料ガス(水素)の供給のみを行なう構成(いわゆるアノードデッドエンド型)としても良い。このような場合であっても、電解質膜を介した両側で各ガス成分の分圧差を基準値以下になるまで、セル内燃料ガス流路側へと水素を供給することで、同様の効果が得られる。なお、このような場合であっても、水素を再供給する際には、実施例のように、流路内の燃料ガスが充分に攪拌されることが望ましい。
第1ないし第3実施例の燃料電池システムは、水素タンク21を備えて、発電時に用いる燃料ガス、および、停止時にアノード側に再供給するガスとして水素を用いているが、異なる構成としても良い。例えば、水素ガスに代えて、炭化水素やアルコールを改質して得られる水素リッチガスを、燃料ガスおよびシステム停止時に再供給するガスとして用いてもよい。また、発電時に用いる燃料ガスとは別に、酸素を含有しないガス、例えば、メタンや、窒素等の不活性ガスを、停止時に電池内燃料ガス流路に供給するためのガスとして別途用意することとしても良い。上記のようなガスを用いても、電解質膜の透過を利用してガス分圧差を所定値以下にすることで、実施例と同様の効果が得られる。ただし、システム停止時に電池内燃料ガス流路に再供給するガスは、酸素を含有しない水素含有ガスであることが望ましく、通常の発電時に燃料電池のアノードに供給するためのガスを用いれば、特別に再供給ガスを用意する必要が無いため望ましい。
第1ないし第3実施例では、燃料電池システムは車両に搭載されていることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、車両以外の移動体の駆動用電源として、燃料電池システムを用いても良い。あるいは、家庭用等に電力を供給する定置型の燃料電池システムであっても、本願を適用することにより、システム停止中におけるカソードの過剰な電圧上昇を抑え、電池性能の低下を抑制することができる。
20…燃料ガス給排部
21…水素タンク
22…燃料ガス供給配管
24…燃料ガス循環配管
24a…上流側配管
24b…下流側配管
25…気液分離器
26…燃料ガス循環ポンプ
28…燃料ガス排出配管
29…返送配管
30…酸化ガス給排部
32…酸化ガス供給配管
33…酸化ガス排出配管
34…配管
36…エアコンプレッサ
37…希釈器
38…マフラ
40…冷媒給排部
42…冷媒配管
44…ラジエータ
45…負荷接続部
46…循環ポンプ
100,110…燃料電池システム
200…二次電池
300…DC/DCコンバータ
400…インバータ
410…駆動モータ
500…制御部
502…CPU
504…ROM
506…RAM
508…インタフェース
600…各種アクチュエータ
610…各種センサ
D1…水素濃度計
D2…水素濃度計
P1…圧力センサ
P2…圧力センサ
SW1…スイッチ
V1…遮断弁
V2…調圧バルブ
V20…三方弁
V22…弁
V3…排気弁
V4…弁
Claims (10)
- 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池内においてアノードと連通して形成され、水素を含有する燃料ガスが流れる電池内燃料ガス流路と、
前記燃料電池内においてカソードと連通して形成され、酸素を含有する酸化ガスが流れる電池内酸化ガス流路と、
前記燃料電池の発電の停止が指示されて、前記電池内燃料ガス流路に対する前記燃料ガスの供給、および、前記電池内酸化ガス流路に対する前記酸化ガスの供給が停止された後に、前記電池内燃料ガス流路内におけるガス圧であるアノードガス圧が第1の基準圧力以下であるか否かを判定するアノードガス圧低下判定部と、
前記アノードガス圧低下判定部が、前記アノードガス圧が前記第1の基準圧力以下であると判定したときに、前記アノードガス圧が、前記第1の基準圧力よりも高圧である第2の基準圧力以上となるように、前記電池内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを再供給させる水素再供給制御部と、
前記電池内燃料ガス流路内に含まれる各ガスの分圧を取得するアノード側分圧取得部と、
前記電池内酸化ガス流路内に含まれる各ガスの分圧を取得するカソード側分圧取得部と、
前記水素再供給制御部による前記燃料ガスの再供給を行なった後に、前記アノード側分圧取得部が取得した前記電池内燃料ガス流路内に含まれる各ガスの分圧と、前記カソード側分圧取得部が取得した前記電池内酸化ガス流路内に含まれる各ガスの分圧とを比較して、各ガスの分圧差が基準値以下であるか否かの判定を行なう分圧均等化判定部と、
前記分圧均等化判定部によって、前記各ガスの分圧差が基準値以下であると判定されたときに、前記燃料電池の発電停止に係る一連の制御を終了する発電停止制御部と
を備える燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノードに供給された後に前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、再び前記電池内燃料ガス流路へと導く燃料ガス循環路と、
前記水素再供給制御部によって前記燃料ガスの供給が行なわれる際に、前記燃料ガス循環路において前記燃料ガスの循環を行なわせる駆動力を生じる循環駆動部と
を備える燃料電池システム。 - 請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス循環路は、該燃料ガス循環路内を流れる前記燃料ガスを攪拌する燃料ガス攪拌部を備える
燃料電池システム。 - 請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記水素再供給制御部による前記燃料ガスの再供給に先立って、前記電池内燃料ガス流路に対して、通常の発電時に前記電池内燃料ガス流路に供給する前記燃料ガスの流量よりも大きな流量で、前記燃料ガスを供給する電池内燃料ガス流路パージ制御部を備える
燃料電池システム。 - 請求項4記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記電池内燃料ガス流路内を前記燃料ガスが通過する際の圧損を求める電池内燃料ガス流路圧損取得部を備え、
前記燃料ガス流路パージ制御部は、前記電池内燃料ガス流路圧損取得部が取得した前記圧損が予め定めた基準値よりも低くなるまで、大きな流量で前記燃料ガスを供給する動作を続行する
燃料電池システム。 - 請求項1ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記アノード側分圧取得部は、前記燃料ガス流路における水素分圧を取得するアノード側水素分圧取得部と、前記燃料ガス流路における窒素分圧を取得するアノード側窒素分圧取得部と、を備え、
前記カソード側分圧取得部は、前記酸化ガス流路における水素分圧を取得するカソード側水素分圧取得部と、前記酸化ガス流路における窒素分圧を取得するカソード側窒素分圧取得部と、を備え、
前記分圧均等化判定部は、水素分圧差と窒素分圧差とに基づいて、前記判定を行なう
燃料電池システム。 - 燃料電池を備える燃料電池システムにおけるシステムの停止方法であって、
前記燃料電池の発電の停止が指示されたときに、前記燃料電池内においてアノードと連通して形成されて水素を含有する燃料ガスが流れる電池内燃料ガス流路に対する前記燃料ガスの供給を停止すると共に、前記燃料電池内においてカソードと連通して形成されて酸素を含有する酸化ガスが流れる電池内酸化ガス流路に対する前記酸化ガスの供給を停止する第1の工程と、
前記第1の工程の後に、前記電池内燃料ガス流路内におけるガス圧であるアノードガス圧が第1の基準圧力以下であるか否かを判定する第2の工程と、
前記第2の工程において、前記アノードガス圧が前記第1の基準圧力以下であると判定されたときに、前記アノードガス圧が、前記第1の基準圧力よりも高圧である第2の基準圧力以上となるように、前記電池内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを再供給する第3の工程と、
前記電池内燃料ガス流路内に含まれる各ガスの分圧を取得する第4の工程と、
前記電池内酸化ガス流路内に含まれる各ガスの分圧を取得する第5の工程と、
前記第3の工程の後に、前記第4の工程で取得した前記電池内燃料ガス流路内に含まれる各ガスの分圧と、前記第5の工程で取得した前記電池内酸化ガス流路内に含まれる各ガスの分圧とを比較して、各ガスの分圧差が基準値以下であるか否かを判定する第6の工程と、
前記第6の工程において、前記各ガスの分圧差が基準値以下であると判定されたときに、前記燃料電池の発電停止に係る一連の制御を終了する第7の工程と
を備える燃料電池システムの停止方法。 - 請求項7記載の燃料電池システムにおけるシステムの停止方法であって、
前記第3の工程は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを再び前記電池内燃料ガス流路へと導き、前記燃料ガスを循環させながら前記燃料ガスを再供給する工程である
燃料電池システムの停止方法。 - 請求項7または8記載の燃料電池システムにおけるシステムの停止方法であって、さらに、
前記第1の工程の後、前記第3の工程の前に、前記電池内燃料ガス流路に対して、通常の発電時に前記電池内燃料ガス流路に供給する前記燃料ガスの流量よりも大きな流量で、前記燃料ガスを供給する第8の工程を備える
燃料電池システムの停止方法。 - 請求項7ないし9いずれか記載の燃料電池システムにおけるシステムの停止方法であって、
前記第6の工程において前記各ガスの分圧差が基準値以下ではないと判定されたときには、前記第6の工程において前記各ガスの分圧差が基準値以下であると判定されるまで、前記第2ないし第5の工程を繰り返し実行する
燃料電池システムの停止方法。
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