JP5302568B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Description
このような燃料電池に供給される水素及び空気の圧力差を適切にすることは重要であり、水素と空気との圧力差を一定にする技術が提案されている(特許文献1参照)。
また、異常であると判定した場合、異常判定部が、電流制御手段によって、燃料ガスの圧力に対応して燃料電池の発電電流を制限しつつ、燃料ガス供給手段によって、燃料ガス流路に供給される燃料ガスの供給量を増加させるので、燃料ガス不足を防止しつつ、燃料電池の劣化を防止できる。
また、第1工程において異常であると判定された場合、電流制御手段によって、燃料ガスの圧力に対応して燃料電池の発電電流を制限しつつ、燃料ガス供給手段によって、燃料ガス流路に供給される燃料ガスの供給量を増加させる(第2工程)。したがって、燃料ガス不足を防止しつつ、燃料電池の劣化を防止できる。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10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10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10の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するECU60(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル11は電気的に直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟み2枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
カソードセパレータには、各MEAのカソードに対して空気を給排するため単セル11の積層方向に延びる貫通孔(内部マニホールドと称される)や、単セル11の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路13(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)
アノード系は、水素タンク21と、常閉型の遮断弁22と、減圧弁100と、エゼクタ200と、圧力センサ26(圧力検出手段)と、常閉型のパージ弁27(燃料ガス排出弁)とを備えている。つまり、アノード流路12に水素を供給する水素供給手段(燃料ガス供給手段)は、水素タンク21と、遮断弁22と、減圧弁100と、エゼクタ200とを備えて構成されている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、減圧弁100、配管100a、エゼクタ200、配管200aを介して、アノード流路12の入口に接続されている。そして、ECU60によって、遮断弁22が開かれると、水素タンク21の水素が配管21a等を介してアノード流路12に供給されるようになっている。
ここで、減圧弁100について、図2を参照して説明する。なお、図2は、弁体150が弁座140に着座し、減圧弁100が閉じた状態を記載している。
減圧弁100は、第1ボディ110と、第2ボディ120と、第3ボディ130と、弁座140と、第1ボディ110内に配置されると共に、閉弁時に弁座140に着座する弁体150と、シャフト160と、第1ダイアフラム171と、第2ダイアフラム172と、圧縮コイルばねから構成される第1ばね173及び第2ばね174と、を備えている。
シャフト160の中間部には、径方向に延出するストッパ部162が形成されており、ストッパ部162の上には、第1ダイアフラム171、第1ダイアフラム171と第2ダイアフラム172との間隔を所定に保持するスペーサ163、第2ダイアフラム172、円盤状の挟持板164が、順に配置されている。そして、ナット165が、挟持板164の上方からシャフト160に螺合されており、シャフト160に対して、第1ダイアフラム171、第2ダイアフラム172及び挟持板164が、所定位置で保持されている。
そして、二次室112に流入した水素は、細管115を通って、アスピレータ室116に流入し、シャフト160のストッパ部162を上方向に押圧することで、シャフト160と一体である弁体150を閉方向に付勢するようになっている。
そして、コンプレッサ31が作動すると、配管31a内の空気は、オリフィス24で流量が絞られた後、配管24a、パイロットポート132を介して、パイロット室131に導入され、挟持板164を下方向に押圧、つまり、弁体150を開方向に付勢するようになっている。
次に、エゼクタ200について、図3を参照して説明する。なお、図3は、ソレノイド271がOFFされ、ニードル240が前進し、ノズル230の噴射口が小さい状態を記載している。
エゼクタ200は、基体220と、基体220に螺設されたノズル230と、ノズル230の中空部231において、その軸線上を進退自在に移動すると共に、ノズル230の噴射口232に遊挿されたニードル240と、ノズル230の外側で基体220に螺設されたディフューザ250と、ディフューザ250に外嵌したケーシング260と、基体220に螺設されると共にソレノイド271を有するソレノイド部270と、を備えている。
圧力センサ26は、アノード流路12における水素の圧力(これを実測水素圧力とする)を検出可能なように、配管200aに取り付けられている。そして、圧力センサ26は、実測水素圧力を、ECU60に出力するようになっている。
なお、ECU60は、例えば、燃料電池スタック10を構成する単セル11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27を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セル11の電圧を検出する電圧センサ(セル電圧モニタ)を介して検出される。
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段)と、加湿器32と、背圧弁33と、希釈器34とを備えている。
電力消費系は、走行モータ41と、VCU42(Voltage Control Unit、電流制御手段)と、コンタクタ43と、出力検出器44(電流検出手段)と、高圧バッテリ45とを備えている。走行モータ41は、VCU42、コンタクタ43、出力検出器44を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されている。なお、走行モータ41とVCU42との間に配置されているインバータ(PDU:Power Drive Unit)は省略している。
VCU42は、ECU60からの指令に従って、燃料電池スタック10の発電電力(出力電流、出力電圧)を制御(制限)すると共に、高圧バッテリ45の電力を制御する機器であり、DC/DCチョッパ、DC/DCコンバータ等の電子回路を備えている。
コンタクタ43は、ECU60の指令に従って、VCU42と出力検出器44との電気的接続をON/OFFするスイッチである。
アクセルペダル51(Accelerator Pedal、AP)は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル51は、その踏み込み量(AP量)をECU60に出力するようになっている。
ECU60は、燃料電池システム1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いる。そして、ECU60は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
また、ECU60(異常判定部)は、目標水素圧力、実測水素圧力、指令電流等に基づいて、燃料電池システム1の異常、故障を判定する機能を備えている。
次に、燃料電池システム1の動作について、図4を主に参照して説明する。なお、初期状態において、コンタクタ43はONされており、燃料電池スタック10は発電している。
これに連動して、減圧弁100に入力されるパイロット圧は、アクセルペダル51の踏み込み量が大きくなると、高くなる関係となっている。なお、このようにパイロット圧を高める場合、ECU60は、例えば、一定の時間にて開かれる空気排出弁25の排出インターバルを長くする。
パージ弁27は開かれたと判定した場合(S102・Yes)、ECU60の処理はステップS101に進む。このようにパージ弁27が開かれ、圧力が変動している場合、後記するステップS105等の判定は実行されず、ECU60による誤判定が防止される。
一方、パージ弁27は開かれていないと判定した場合(S102・No)、ECU60の処理は、ステップS103に進む。
なお、図6のマップは、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。また、図6に示すように、アクセルペダル51の踏み込み量(発電要求量)が大きくなると、目標電流が大きくなる関係となっている。
なお、図7のマップは、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。また、図7に示すように、目標電流が大きくなると、目標水素圧力が大きくなる関係となっている。
実測水素圧力が目標水素圧力以下であり、燃料電池システム1は異常であると判定した場合(S105・Yes)、ECU60の処理は、ステップS106に進む。なお、この場合は、目標電流に対応した圧力で、水素がアノード流路12に供給されておらず、このままの状態で発電を継続すると、燃料電池スタック10が劣化する虞のある場合である。
一方、実測水素圧力が目標水素圧力以下でなく、燃料電池システム1は異常でない(正常である)と判定した場合(S105・No)、ECU60の処理は、ステップS113に進む。
具体的には、ECU60は、圧力センサ26から入力される実測水素圧力と、図8のマップとに基づいて、VCU42に指令し、燃料電池スタック10で出力させる電流(指令電流という)を、燃料電池スタック10で水素不足とならない電流に制限し、この制限された指令電流で、燃料電池スタック10を発電させる。これにより、燃料電池スタック10で水素不足になることは防止され、燃料電池スタック10の劣化は防止される。
なお、図8のマップは、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。また、図8に示すように、実測水素圧力が高くなると、指令電流が大きくなる関係となっている。さらに、指令電流を制限しているか否かは、フラグ等によって記憶される。
具体的には、ECU60は、空気排出弁25の開間隔を長くしたり、開時間を短くし、減圧弁100に入力されるパイロット圧を高める。このようにパイロット圧が高まると、減圧弁100が開きやすくなり、配管100a(アノード流路12)への水素の供給量が増加する。
このようにして、水素の供給量を増加させるので、燃料電池スタック10における水素不足をさらに防止しつつ、燃料電池スタック10の劣化を防止できる。
所定圧力は、水素の圧力が発電不能である程度に低すぎ、例えば、遮断弁22が故障して閉じており、水素が供給されてなく、システムが故障していると判断される圧力である。このような所定圧力は、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。
所定電流は、走行モータ41を駆動可能な電流であるものの、例えば、減圧弁100が故障しており、減圧弁100の二次側圧力(アノード流路12の水素圧力)が良好に昇圧せず、燃料電池自動車が通常に走行可能な電流に回復させることは困難と判断される電流である。このような所定圧力は、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。
所定時間は、例えば、エゼクタ200のソレノイド271が故障し(図3参照)、ニードル240を後退できず、ノズル230の噴射口を「大」に切り替えできないため、水素供給量が増加せず、実測水素圧力が目標水素圧力以下となる時間が継続し、燃料電池自動車が通常に走行可能な電流に回復させることは困難と判断される時間である。このような所定時間は、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。
一方、制限時間が所定時間以上でないと判定した場合(S112・No)、ECU60の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
なお、このようにステップS113に進む場合、ECU60は、燃料電池システム1は正常である、つまり、目標電流に対応した圧力で、水素がアノード流路12に供給されていると判定している。
そして、指令電流を制限していると判定した場合(S113・Yes)、ECU60の処理はステップS114に進み、VCU42による制限を解除した後(S114)、リターンに進む。一方、指令電流を制限していないと判定した場合(S113・No)、ECU60の処理はリターンに進む。
このような燃料電池システム1から得られる効果を、図9を参照して説明する。
ECU60は、アクセルペダル51の踏み込み量(発電要求量)に基づいて、目標水素圧力を算出し、この目標水素圧力と実測水素圧力とを比較するので、システムが異常であるか否かを適切に判定できる。
一方、システムが異常であると判定した場合において、指令電流が所定電流以下であるとき、又は、指令電流を制限した制限時間が所定時間以上であるとき、システムが故障していると判定しながらも、燃料電池スタック10の発電を継続するので、その発電電力によって燃料電池自動車を走行させることができる。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
12 アノード流路(燃料ガス流路)
13 カソード流路(酸化剤ガス流路)
21 水素タンク(燃料ガス供給手段)
26 圧力センサ(圧力検出手段)
60 ECU(異常判定部)
100 減圧弁(燃料ガス供給手段)
200 エゼクタ(燃料ガス供給手段)
Claims (7)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、
燃料ガス供給ラインを介して前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給ラインを通流する燃料ガスの圧力を、前記燃料ガス流路の圧力として検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池の発電電流を制御する電流制御手段と、
を備え、
前記燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する燃料電池システムであって、
前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス圧力以下である場合、システムが異常であると判定する異常判定部をさらに備え、
前記異常判定部は、
異常であると判定した場合、前記電流制御手段によって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力に対応して前記燃料電池の発電電流を制限し、前記燃料ガス供給手段によって、燃料ガスの供給量を増加させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを、前記燃料ガス供給ラインに戻し、燃料ガス循環させる燃料ガス循環ラインと、
前記燃料ガス循環ラインを循環する燃料ガスを排出する燃料ガス排出弁と、
を備え、
前記燃料ガス排出弁が燃料ガスを排出した場合、前記異常判定部は異常判定しない
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、制限した後における前記燃料電池の発電電流が所定電流以下であるとき、システムが故障していると判定する
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。 - 前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、前記燃料電池の発電電流の制限時間が所定時間以上であるとき、システムが故障していると判定する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、供給量を増加した後における燃料ガスの圧力が、所定圧力以下であるとき、システムが故障していると判定する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記システムが故障していると判定したとき、前記異常判定部は前記燃料電池の発電を停止する
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、
燃料ガス供給ラインを介して前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給ラインを通流する燃料ガスの圧力を、前記燃料ガス流路の圧力として検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池の発電電流を制御する電流制御手段と、
システム異常の有無を判定する異常判定部と、
を備え、
前記燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する燃料電池システムの運転方法であって、
前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス圧力以下である場合、前記異常判定部によって、システムが異常であると判定する第1工程と、
前記第1工程において異常であると判定された場合、前記電流制御手段によって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力に対応して前記燃料電池の発電電流を制限し、前記燃料ガス供給手段によって、燃料ガスの供給量を増加させる第2工程と、を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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