JP5384154B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
ところが、このように弁体の外径が大きくなると、その受圧面積が大きくなると共に、開弁応答性が低下、つまり、開弁指令が入力されてから開弁完了に至るまでの時間(開弁動作時間、応答時間)が長くなってしまう。また、システム起動時において、前記開閉弁が開弁完了する前に、コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)が作動し、コンプレッサからの吐出空気の圧力が、前記受圧面積の大きい弁体に作用すると、開弁動作時間さらに長くなり、システム起動に時間を要してしまう。
次いで、制御手段は、第2時刻から、第1弁装置及び第2弁装置が開弁開始から開弁完了となるまでに要する開弁動作時間前の時刻であって、第1弁装置及び第2弁装置に最大遅れて開弁指令を出力するべき第3時刻を設定する。
次いで、制御手段は、第3時刻以前に、第1弁装置及び第2弁装置に開弁指令を出力する。したがって、開弁指令から開弁動作時間の経過時に、第1弁装置及び第2弁装置は開弁完了となる。
そして、制御手段は、開弁指令から開弁動作時間の経過以後、つまり、第1弁装置及び第2弁装置の開弁完了以後、酸化剤ガス供給手段の作動を開始させる。
このようにして、第1弁装置及び第2弁装置が速やかに開弁完了するので、システムを速やかに起動できる。
次いで、燃料ガスを希釈した後、制御手段は、第1弁装置及び第2弁装置に閉弁指令を出力して、第1弁装置及び第2弁装置を閉状態とし、酸化剤ガス流路を封鎖できる。
また、制御手段は、酸化剤ガス供給手段を作動しないので、酸化剤ガス供給手段において、エネルギ(後記する実施形態では電力)が無駄に消費されることもない。
そして、制御手段は、第3時刻以前に第2起動スイッチのON信号を検知した場合、第3時刻又は第3時刻直前に、第1弁装置及び第2弁装置に開弁指令を出力し、開弁動作させる。よって、開弁指令から開弁動作時間の経過後、第1弁装置及び第2弁装置を開弁完了とできる。
そして、この場合においても、制御手段は、第1弁装置及び第2弁装置への開弁指令から開弁動作時間の経過以後、酸化剤ガス供給手段の作動を開始させるので、つまり、第1弁装置及び第2弁装置の開弁動作中に、酸化剤ガスを通流しないので、第1弁装置及び第2弁装置を速やかに開弁完了できる。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム100は、図示しない燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム100は、燃料電池スタック110と、燃料電池スタック110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110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110の掃気時に掃気ガスをアノード系に導入する掃気ガス導入系と、これらを電子制御するECU160(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック110は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
アノード系は、水素タンク121と、ノーマルクローズ型(常閉型)の遮断弁122と、減圧弁123と、エゼクタ124と、ノーマルクローズ型のパージ弁125と、ノーマルクローズ型の掃気ガス排出弁126と、を備えている。
カソード系は、コンプレッサ131(酸化剤ガス供給手段)と、ノーマルクローズ型(常開型)の第1弁装置1と、ノーマルクローズ型の第2弁装置2と、希釈器132と、水素センサ133とを備えている。
なお、第1弁装置1の具体的構造は、後で説明する。
なお、配管132bには、バタフライ等から構成され、その開度がECU160によって制御されるノーマルオープン型の背圧弁(図示しない)が設けられている。
なお、第2弁装置2の具体的構造は、後で説明する。
ここで、第1弁装置1、第2弁装置2の具体的構造について、図2を参照して説明する。
第1弁装置1は、ノーマルクローズ型の第1弁10と、通電により第1弁10を開閉操作する第1ソレノイド装置40(第1操作手段)と、を備えている。
第2弁装置2は、ノーマルクローズ型の第2弁10Aと、通電により第2弁10Aを開閉操作する第2ソレノイド装置40A(第2操作手段)と、を備えている。
ここで、第1弁装置1と第2弁装置2との構造は同一、つまり、第1弁10と第2弁10A、第1ソレノイド装置40と第2ソレノイド装置40A、はそれぞれ同一の構造であるので、以下、第1弁装置1について説明し、第2弁装置2については省略する。
第1弁10は、入口ポート12及び出口ポート13が形成されたボディ11(弁箱)と、出口ポート13周りの弁座14に対して着座/離座する弁体20と、圧縮コイルばね31と、を備えている。
ただし、配管131a等の接続構成はこれに限定されず、例えば、出口ポート13(この場合入口ポートとなる)に配管131aが接続され、入口ポート12(この場合出口ポートとなる)に配管131bが接続された構成でもよい。
第1ソレノイド装置40(第2ソレノイド装置40A)は、第1弁10(第2弁10A)を閉状態から開状態に駆動する第1電気駆動装置(第2電気駆動装置)であり、ソレノイド41と、ソレノイド41に通電された場合に励磁する固定コア(図示しない)と、を備えている。
なお、第1ソレノイド装置40は、ボディ11に固定されると共に、バッテリ(図示しない)を電源としている。
希釈器132は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス(希釈用ガス)で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管132cを介して、車外に排出されるようになっている。
このような水素センサ133は、特開2006−153598号公報、特開2007−40755号公報に記載されるように、水素を触媒上で燃焼させる接触燃焼式で構成され、バッテリ(図示しない)等を電源として作動する。そして、水素センサ133は、その起動から水素濃度を検出可能となるまでに、所定の暖機時間を必要とする。
なお、このような水素センサ133は、配管132cだけでなく、その他に、燃料電池スタック110が配置されるセンタートンネル、水素タンク121が配置されるタンク室、車室等にも取り付けられる。
掃気ガス導入系は、ノーマルクローズ型の掃気ガス導入弁141を備えている。掃気ガス導入弁141の上流は配管141aを介して配管131aに接続されており、掃気ガス導入弁141の下流は配管141bを介して配管124aに接続されている。
そして、燃料電池スタック110の掃気時に、コンプレッサ131が作動した状態で、ECU160によって掃気ガス導入弁141が開かれると、コンプレッサ131からの掃気ガスが、アノード流路111に導入されるようになっている。
IG151(第1起動スイッチ)は、燃料電池システム100(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG151はECU160と接続されており、ECU160はIG151のON/OFF信号を検知するようになっている。
一方、システム作動中において、IG151のOFF信号を検知すると、ECU160は、運転者から停止要求があったと判断して、燃料電池システム100の停止処理を開始するように設定されている。
ECU160(制御手段)は、燃料電池システム100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おり、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮して各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
ECU160は、第1弁装置1の第1ソレノイド装置40と、第2弁装置2の後記する第2ソレノイド装置40Aとを制御し、第1弁10、第2弁10Aを開閉制御する機能を備えている。
ECU160は、システム起動時に、IG151のON信号を検知した第1時刻に基づいて、コンプレッサ131の作動を開始するべき第2時刻を設定する機能を備えている。
なお、IG151のONに連動してECU160が立ち上がり、この立ち上がり時刻を第1時刻としてもよく、このような構成としても技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
コンプレッサ所要時間とは、IG151のON時(第1時刻)から、水素センサ133の暖機や、遮断弁122の開弁等が完了し、コンプレッサ131が作動可能となる状態までに要する時間である。
なお、図3のマップは、事前試験等によって求められ、予め、ECU160に記憶される。また、図3のマップに代えて、図3の関係を示す関係式や、テーブル等に基づいて、コンプレッサ所要時間を算出する構成としてもよい。
ECU160は、システム起動時に、外気温度と、図3のマップとに基づいて、第1弁装置1及び第2弁装置2の開弁開始から開弁完了となるまでに要する開弁動作時間を算出する機能を備えている。開弁動作時間は、図3に示すように、外気温度が低くなると、長くなる。
なお、図3のマップは、事前試験等によって求められ、予め、ECU160に記憶される。
ECU160は、システム起動時に、第1弁装置1及び第2弁装置2に最大遅れて開弁指令を出力するべき第3時刻を設定する機能を備えている。すなわち、第3時刻は、開弁指令が最も遅れたとしても、この時刻以前に、第1弁装置1及び第2弁装置2に開弁指令を出力すれば、コンプレッサ131の作動を開始するべき第2時刻に、第1弁装置1及び第2弁装置2は開弁完了する時刻である。
具体的には、ECU160は、第2時刻から、前記した開弁動作時間前の時刻を、第3時刻として設定する。
次に、燃料電池システム100の動作について説明する。
まず、燃料電池システム100の停止時(燃料電池スタック110の発電停止時)について説明する。
ECU160は、IG151のOFF信号を検知すると、運転者からシステムの停止要求があったと判断する。そして、ECU160は、燃料電池スタック110と外部負荷(走行用のモータ等)とを電気的に遮断し、燃料電池スタック110からの電流の取り出しを停止し、その発電を停止する。また、ECU160は、遮断弁122を閉じ、コンプレッサ131を停止する。
また、第1弁10及び第2弁10Aはノーマルクローズ型であるので、電力等を消費せずに、第1弁10及び第2弁10Aは、閉状態で維持される。
一方、アノード流路111の掃気が実行されないと、アノード流路111に残留する水素が、カソード流路112にリークする。そして、システム停止時間が長くなるほど、リークした水素の量が多くなる(図4参照)。よって、システム停止時間が長くなり、リークした水素の量が多くなるほど、後記する希釈に要する時間(希釈時間)が長くなる(図5参照)。
次に、燃料電池システム100の起動時(燃料電池スタック110の発電開始時)について、図6を参照して説明する。
なお、IG151(第1起動スイッチ)がONされると、そのON信号を検知したECU160は図6の各処理を開始する。
なお、コンプレッサ所要時間は、外気温度と、図3のマップとに基づいて算出される。
なお、開弁動作時間は、外気温度と、図3のマップとに基づいて算出される。
スタートボタン152はONされたと判定した場合(S104・Yes)、ECU160の処理はステップS105に進む。一方、スタートボタン152はONされていないと判定した場合(S104・No)、ECU160の処理はステップS116に進む。
第3時刻であると判定した場合(S106・Yes)、ECU160の処理はステップS107に進む。一方、第3時刻でないと判定した場合(S106・No)、ECU160の処理はステップS114に進む。
具体的に、ECU160は、第1弁装置1のソレノイド41と、第2弁装置2のソレノイド41への通電を開始する(図2参照)。そうすると、弁体20が弁座14から離座し始め、第1弁10及び第2弁10Aが開弁し始める。
一方、開弁動作時間は経過していないと判定した場合(S108・No)、ECU160の処理はステップS120に進む。このようにステップS120に進む場合、第1弁装置1の第1弁10、及び、第2弁装置2の第2弁10Aは、開弁完了してなく、開弁途中である。
第2時刻以後であると判定した場合(S109・Yes)、ECU160の処理はステップS110に進む。一方、第2時刻以後でないと判定した場合(S109・No)、ECU160はステップS109の判定を繰り返す。
具体的には、ステップS110でコンプレッサ131の作動を開始してから、パイロット圧が所定圧力以上に上昇したと判断される所定時間経過した場合、パイロット圧が所定圧力以上に上昇したと判定する。その他、圧力センサによってパイロット圧を直接検出してもよい。
一方、パイロット圧が所定圧力以上に上昇していないと判定した場合(S111・No)、ECU160はステップS111の判定を繰り返す。
ここで、燃料電池スタック110のOCVは、燃料電池スタック110の出力端子に接続された電圧センサによって検出される。また、現在のOCVが、所定OCV以上でない場合、例えば、ECU160は、パージ弁125を間欠的に開き、アノード流路111のガスを排出すると共に、水素タンク121からの高濃度の水素をアノード流路111に押し込み、アノードにおける電極反応を促進させる。
そして、燃料電池スタック110のOCVが所定OCV以上となった場合、ECU160の処理はステップS113に進む。
ステップS114において、ECU160は、IG151がOFFされたか否か判定する。
IG151はOFFされたと判定した場合(S114・Yes)、ECU160の処理はステップS115に進む。一方、IG151はOFFされていないと判定した場合(S114・No)、ECU160の処理はステップS106に進む。
具体的には、ECU160は、水素センサ133への通電を停止し、遮断弁122に閉弁指令を出力する。
ステップS116において、ECU160は、現在、ステップS103で設定した第3時刻の経過後であるか否か判定する。
第3時刻の経過後であると判定した場合(S116・Yes)、ECU160の処理はステップS117に進む。一方、第3時刻の経過後でないと判定した場合(S116・No)、ECU160の処理はステップS104に進む。
スタートボタン152はONされたと判定した場合(S117・Yes)、ECU160の処理はステップS118に進む。一方、スタートボタン152はONされていないと判定した場合(S117・No)、ECU160の処理はステップS119に進む。
このように、第3時刻後(S116・Yes)、スタートボタン152がONされた場合(S117・Yes)、スタートボタン152のONに連動して、ステップS107で開弁指令が出力されることになる。
IG151はOFFされたと判定した場合(S119・Yes)、ECU160の処理はステップS115に進む。一方、IG151はOFFされていないと判定した場合(S119・No)、ECU160の処理はステップS117に進む。
ステップS120において、ECU160は、IG151がOFFされたか否か判定する。
一方、IG151はOFFされていないと判定した場合(S120・No)、ECU160の処理はステップS108に進む。
開弁動作時間は経過したと判定した場合(S123・Yes)、ECU160の処理はステップS124に進む。このようにステップS124に進む場合、第1弁装置1の第1弁10、及び、第2弁装置2の第2弁10Aは、開弁完了している。
一方、開弁動作時間は経過していないと判定した場合(S123・No)、ECU160はステップS123の判定を繰り返す。
また、このように水素を希釈することによって、カソード流路112、第1弁装置1及び第2弁装置2は掃気されるので、掃気とも称される。
希釈時間が経過し、希釈は完了したと判定した場合(S125・Yes)、ECU160の処理はステップS126に進む。一方、希釈時間が経過してなく、希釈は完了していないと判定した場合(S125・No)、ECU160はステップS125の判定を繰り返す。
その後、ECU160は、第1弁装置1及び第2弁装置2に閉弁指令を出力し、これらを閉じる。つまり、第1弁装置1及び第2弁装置2のソレノイド41(図2参照)への通電を停止し、第1弁装置1及び第2弁装置2を閉状態とし、カソード流路112を封鎖する。
そして、ECU160の処理はステップS115に進む。
ステップS127において、ECU160は、第1弁装置1及び第2弁装置2に閉指令を出力し、これらを閉じる。すなわち、ステップS127に進む場合、カソード流路112に水素は略存在せず、前記したように水素を希釈する必要がないので、第1弁装置1及び第2弁装置2は、IG151のOFFに連動して、速やかに閉じられることになる。
このように、システム停止中にアノード流路111が掃気されている場合(S121・Yes)、水素を希釈する必要がなく、コンプレッサ131を作動させずにシステムを停止するので(S115)、コンプレッサ131において無駄に電力消費されることはない。
このような燃料電池システム100によれば次の効果について、図7〜図11を参照して説明する。
図7に示すように、第3時刻以前に、スタートボタン152のON信号を検知した場合(S116・No、S104・Yes)、第3時刻に第1弁装置1及び第2弁装置2に開弁指令を出力し(S106・Yes、S107)、その後、開弁動作時間が経過したとき(S108・Yes)、第1弁装置1及び第2弁装置2は開弁完了する。
そして、このように開弁完了した後、コンプレッサ131を作動させ(S110)、パイロット圧が上昇した後(S111・Yes)、OCVチェックを開始する(S112)。
その後、コンプレッサ131を作動させて(S124)、水素を速やかに希釈するので、高濃度の水素が車外にそのまま排出されることを防止できる。
さらに、第1弁10(第2弁10A)の閉状態/開状態で、弁体20をロックするロック機構を備える構成としてもよい。
2 第2弁装置
10 第1弁
10A 第2弁
20 弁体
40 第1ソレノイド装置(第1操作手段)
40A 第2ソレノイド装置(第2操作手段)
100 燃料電池システム
110 燃料電池スタック(燃料電池)
111 アノード流路(燃料ガス流路)
112 カソード流路(酸化剤ガス流路)
131 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)
131a、131b 配管(酸化剤ガス供給流路)
132a、132b、132c 配管(酸化剤ガス排出流路)
133 水素センサ
151 IG(第1起動スイッチ)
152 スタートボタン(第2起動スイッチ)
160 ECU(制御手段)
Claims (5)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第1弁装置と、
前記酸化剤ガス排出流路に設けられた第2弁装置と、
前記酸化剤ガス供給手段、前記第1弁装置及び前記第2弁装置を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電中、前記第1弁装置及び前記第2弁装置を開状態とすることで、前記酸化剤ガス流路を開放し、前記燃料電池の発電停止中、前記第1弁装置及び前記第2弁装置を閉状態とすることで、前記酸化剤ガス流路を封鎖する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
起動スイッチのON信号を検知した第1時刻に基づいて、前記酸化剤ガス供給手段の作動を開始するべき第2時刻を設定し、
前記第2時刻から、前記第1弁装置及び前記第2弁装置が開弁開始から開弁完了となるまでに要する開弁動作時間前の時刻であって、前記第1弁装置及び前記第2弁装置に最大遅れて開弁指令を出力するべき第3時刻を設定し、
前記第3時刻以前に、前記第1弁装置及び前記第2弁装置に開弁指令を出力し、
前記第2時刻以後、前記酸化剤ガス供給手段の作動を開始する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御手段は、
前記開弁指令から前記開弁動作時間の経過前に、起動スイッチのOFF信号を検知した場合、前記第1弁装置及び前記第2弁装置の開弁動作を継続させ、開弁完了とした後、
前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを導入し、システム停止中に前記燃料ガス流路から前記酸化剤ガス流路にリークした燃料ガスを希釈した後、
前記第1弁装置及び前記第2弁装置に閉弁指令を出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、
前記開弁指令から、前記開弁動作時間の経過前に、起動スイッチのOFF信号を検知した場合において、システム停止中に前記燃料ガス流路が掃気されているとき、前記OFF信号に連動して前記第1弁装置及び前記第2弁装置に閉弁指令を出力し、前記酸化剤ガス供給手段を作動しない
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。 - 前記起動スイッチは、第1起動スイッチと、前記第1起動スイッチのON後にONされる第2起動スイッチと、を備え、
前記制御手段は、
前記第1起動スイッチのON信号を検知した第1時刻に基づいて、前記第2時刻を設定し、
前記第3時刻以前に前記第2起動スイッチのON信号を検知した場合、前記第3時刻又は前記第3時刻直前に、前記第1弁装置及び第2弁装置に開弁指令を出力する
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。 - 前記制御手段は、
前記第3時刻後に前記第2起動スイッチのON信号を検知した場合、当該第2起動スイッチのON信号に連動して、前記第1弁装置及び第2弁装置に開弁指令を出力し、
前記開弁指令から前記開弁動作時間の経過以後、前記酸化剤ガス供給手段の作動を開始する
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
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