JP5410766B2 - Fuel cell system and cathode pressure control method for fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムのカソード圧制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a cathode pressure control method for a fuel cell system.
従来から、例えば車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜(以下、電解質膜という。)をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下、単位セルという。)を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック(以下、燃料電池という。)とするものが知られている。このような燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間にアノードガス(燃料ガス)として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス(酸化剤ガス)として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。 Conventionally, for example, in a fuel cell mounted on a vehicle, a membrane electrode structure is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) between an anode electrode and a cathode electrode. A pair of separators are arranged on both sides of the body to form a flat unit fuel cell (hereinafter referred to as a unit cell), and a plurality of the unit cells are stacked to form a fuel cell stack (hereinafter referred to as a fuel cell). Things are known. In such a fuel cell, hydrogen gas is supplied as an anode gas (fuel gas) between the anode electrode and the separator, and air is supplied as a cathode gas (oxidant gas) between the cathode electrode and the separator. As a result, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode pass through the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode electrode, causing an electrochemical reaction with oxygen in the air at the cathode electrode, thereby generating power. It should be noted that water is generated inside the fuel cell with this power generation.
近年の燃料電池では、電解質膜の薄肉化が進んでおり、燃料電池が発電していない状態(イグニッションOFF時)において、カソード側の空気とアノード側の水素ガスとが浸透圧や濃度差により電解質膜を透過する現象(クロスリーク)が見られる。また、カソード側で生成された生成水が浸透圧や濃度差により電解質膜を透過してアノード側へ浸入する現象が見られることもある。
これは、従来の燃料電池システムでは、アノード側には燃料電池の発電停止時に配管内に残留したアノードガス(水素ガス)を密封するための封じ込め弁を設けていたが、カソード側にはカソードガス(空気)を密封するための封じ込め弁を設けていなかった。そのため、発電停止中にアノードガスを密封してもカソードガスとの反応が継続的に行われ、アノードガスが密封された領域内から無くなるまで自然消費されるからである。すると、アノードガスの圧力がカソードガスの圧力よりも減少し、カソード側で生成された生成水が電解質膜を透過してアノード側へ浸入するのである。このように燃料電池の発電停止中にアノードガスが消費されることで、電解質膜が劣化が進んでしまうという問題がある。
そこで、このような問題を解決するために、アノード側だけでなくカソード側にも発電停止時にカソードガスを密封するための封じ込め弁を設けたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
In recent fuel cells, the electrolyte membrane has been made thinner, and when the fuel cell is not generating power (when the ignition is off), the cathode-side air and the anode-side hydrogen gas are subject to an osmotic pressure or concentration difference. A phenomenon (cross leak) that permeates the membrane is observed. In addition, there may be a phenomenon in which the generated water generated on the cathode side permeates the electrolyte membrane through the osmotic pressure or concentration difference and enters the anode side.
In the conventional fuel cell system, a containment valve for sealing the anode gas (hydrogen gas) remaining in the pipe when the fuel cell power generation is stopped is provided on the anode side, but the cathode gas is provided on the cathode side. There was no containment valve for sealing (air). For this reason, even when the anode gas is sealed while power generation is stopped, the reaction with the cathode gas is continuously performed and the anode gas is naturally consumed until it disappears from the sealed region. Then, the pressure of the anode gas decreases below the pressure of the cathode gas, and the generated water generated on the cathode side permeates the electrolyte membrane and enters the anode side. Thus, there is a problem that the anode membrane is consumed while the power generation of the fuel cell is stopped, so that the electrolyte membrane is deteriorated.
Therefore, in order to solve such a problem, there has been proposed one provided with a containment valve for sealing the cathode gas not only on the anode side but also on the cathode side when power generation is stopped (see, for example, Patent Document 1). .
ところで、特許文献1の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止中に両極を密封した状態で保持する構成を採用している。しかしながら、両極を密封した状態で保持していると、アノードガスの水素ガスは分子が小さいため外部へ漏洩(外部リーク)したり、電解質膜を透過してカソード側へ移動したりしてしまう。そのため、アノード側の圧力が低下することでアノード側とカソード側との間に極間差圧が生じ、カソードガスおよびカソード側で生成された生成水が圧力の低いアノード側に移動する。すると、電解質膜のアノード側の近傍においてアノードガスとカソードガスとが反応してアノード側で水が生成される。このように生成水がアノード側に残留した状態では、例えば氷点下の場所に停車していると生成水が凍結したり、常温下においてもイグニションをONしたときにアノードガスへの置換がなかなか進まないという問題が生じ、発電が不安定になる虞がある。
By the way, according to the fuel cell system of
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、アノード側とカソード側の極間差圧を所定範囲内に保持し、発電安定性を向上することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムのカソード圧制御方法を提供するものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and a fuel cell system and a fuel cell that can maintain the differential pressure between the anode side and the cathode side within a predetermined range and improve power generation stability. A method of controlling the cathode pressure of the system is provided.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、アノード電極(例えば、実施形態におけるアノード極12)にアノードガスを、カソード電極(例えば、実施形態におけるカソード極13)にカソードガスを供給し発電を行う燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池11)と、該燃料電池内部のカソードガス流路(例えば、実施形態におけるカソードガス流路22)を密封するカソードガス流路密封手段(例えば、実施形態におけるカソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54)と、前記燃料電池内部のアノードガス流路(例えば、実施形態におけるアノードガス流路21)を密封するアノードガス流路密封手段(例えば、実施形態におけるアノード封込入口弁51およびアノード封込出口弁52)と、前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段の開閉を制御する制御部(例えば、実施形態における制御装置45)と、を有し、前記燃料電池の発電停止時に前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段により前記カソードガスおよび前記アノードガスを前記燃料電池内部に密封する燃料電池システム(例えば、実施形態における燃料電池システム10)であって、前記燃料電池の発電停止中の前記アノードガス流路内のアノード圧を取得するアノード圧取得手段(例えば、実施形態におけるアノード圧センサー41)と、前記燃料電池の発電停止中の前記カソードガス流路内のカソード圧を取得するカソード圧取得手段(例えば、実施形態におけるカソード圧センサー42)と、をさらに有し、前記制御部は、前記アノード圧取得手段から得られた前記アノード圧および前記カソード圧取得手段から得られた前記カソード圧を用いて、前記カソード圧が前記アノード圧よりも低くなるように設定されたカソード圧指令値を算出し、前記カソード圧が前記カソード圧指令値より高い場合、または、前記カソード圧が大気圧より高い場合は、前記カソードガス流路密封手段を解除させることにより前記カソードガス流路内の前記カソード圧を減少させるとともに、前記アノード圧取得手段により前記アノード圧を取得する間隔を前回取得した前記アノード圧の値により設定可能に構成され、前記アノード圧取得手段により取得した前記アノード圧の値が高いほど次に前記アノード圧取得手段で前記アノード圧を取得する間隔を短くするように構成されていることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the invention described in
請求項2に記載した発明は、前記制御部は、前記カソード圧取得手段により得られたカソード圧が、前記アノード圧取得手段により得られたアノード圧以下となるまで前記カソード圧を減少させることを特徴とする The invention described in claim 2, the front Symbol controller, the cathode pressure obtained by the cathode pressure acquisition means, to reduce the cathode pressure until the anode pressure or under obtained by the anode pressure obtaining means Characterized by
請求項3に記載した発明は、前記制御部は、前記カソード圧が大気圧以下になるまで前記カソードガス流路の圧力を減少させる制御を実行可能に構成されていることを特徴としている。 The invention described in claim 3 is characterized in that the control unit is configured to be able to execute control to reduce the pressure of the cathode gas flow path until the cathode pressure becomes equal to or lower than atmospheric pressure.
請求項4に記載した発明は、前記制御部は、前記燃料電池の発電停止中にアノード掃気を実行した後は、前記カソードガス流路の圧力を減少させる制御を実行しないように構成されていることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, the control unit is configured not to execute a control for reducing the pressure of the cathode gas flow path after executing the scavenging of the anode while the power generation of the fuel cell is stopped. It is characterized by that.
請求項5に記載した発明は、アノード電極にアノードガスを、カソード電極にカソードガスを供給し発電を行う燃料電池と、該燃料電池内部のカソードガス流路を密封するカソードガス流路密封手段と、前記燃料電池内部のアノードガス流路を密封するアノードガス流路密封手段と、前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段の開閉を制御する制御部と、を有し、前記燃料電池の発電停止時に前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段により前記カソードガスおよび前記アノードガスを前記燃料電池内部に密封可能に構成された燃料電池システムのカソード圧制御方法であって、前記燃料電池の発電停止中の前記アノードガス流路内のアノード圧を取得するアノード圧取得手段と、前記燃料電池の発電停止中の前記カソードガス流路内のカソード圧を取得するカソード圧取得手段と、をさらに有し、前記アノード圧取得手段により得られた前記アノード圧と、前記カソード圧取得手段により得られた前記カソード圧と、を用いて前記アノード圧よりも前記カソード圧が小さく設定される値であるカソード圧指令値を算出するステップと、前記カソード圧と前記カソード圧指令値とを比較するステップと、前記カソード圧が前記カソード圧指令値よりも高い場合、または、前記カソード圧が大気圧より高い場合は、前記カソードガス流路密封手段を解除するステップと、を有し、前記アノード圧取得手段により前記アノード圧を取得する間隔を前回取得した前記アノード圧の値により設定可能に構成され、前記アノード圧取得手段により取得した前記アノード圧の値が高いほど次に前記アノード圧取得手段で前記アノード圧を取得する間隔を短く設定するステップと、を有していることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell for generating electricity by supplying an anode gas to the anode electrode and a cathode gas to the cathode electrode, and a cathode gas flow path sealing means for sealing the cathode gas flow path inside the fuel cell. An anode gas flow path sealing means for sealing the anode gas flow path inside the fuel cell; and a controller for controlling opening and closing of the cathode gas flow path sealing means and the anode gas flow path sealing means, A cathode pressure control method for a fuel cell system configured such that the cathode gas and the anode gas can be sealed inside the fuel cell by the cathode gas channel sealing means and the anode gas channel sealing means when power generation of the fuel cell is stopped. there are an anode pressure obtaining means for obtaining the anode pressure of the anode gas passage in the power generation stop of the fuel cell, the fuel A cathode pressure obtaining means for obtaining the cathode pressure of the cathode gas passage in the power generation stop of the battery, further comprising a, and the anode pressure obtained by the anode pressure obtaining means, obtained by the cathode pressure obtaining means step of comparing said cathode pressure is a step of calculating the cathode pressure command value is a value wherein the cathode pressure is set smaller than the anode pressure using, and the cathode pressure command value and the cathode pressure And, when the cathode pressure is higher than the cathode pressure command value , or when the cathode pressure is higher than atmospheric pressure , releasing the cathode gas flow path sealing means, and obtaining the anode pressure The interval for acquiring the anode pressure by the means can be set by the value of the anode pressure acquired last time, and the anode pressure acquiring means Is characterized by having a step of setting shorter the interval for obtaining the anode pressure is then the anode pressure obtaining means as the value of more acquired the anode pressure is high, the.
請求項1に記載した発明によれば、アノード圧の低下に合わせてカソード圧を積極的に減圧することができるため、アノード電極側とカソード電極側との間の極間差圧を小さくすることができる。したがって、アノード電極とカソード電極との間でアノードガスおよびカソードガスのクロスリーク量を減少させることができるため、燃料電池の発電停止中に生成水の発生量を少なくすることができる。また、カソード電極側に残留している生成水がアノード電極側に移動するのを抑制することができる。結果として、燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池の発電安定性の向上を図ることができる。
また、アノード圧が高いほど単位時間当たりにクロスリークするガス量や両極間で移動する水分量は多くなるため、アノード圧を取得する時間間隔を短く設定することによりクロスリークするガス量や水分量を抑制することができる。また、アノード圧およびカソード圧が低ければクロスリーク量は少なくなるため、アノード圧を取得する時間間隔を長くして、カソードガス流路密封手段の起動回数(カソード圧の減圧)を少なくすることができる。したがって、燃料電池システムの燃費や商品性を向上することができる。
According to the first aspect of the present invention, the cathode pressure can be positively reduced in accordance with the decrease in the anode pressure, so that the pressure difference between the anode electrode side and the cathode electrode side can be reduced. Can do. Accordingly, since the amount of cross leak between the anode gas and the cathode gas can be reduced between the anode electrode and the cathode electrode, the amount of generated water can be reduced during the stop of power generation of the fuel cell. Moreover, it is possible to suppress the generated water remaining on the cathode electrode side from moving to the anode electrode side. As a result, the deterioration of the fuel cell can be suppressed, and the power generation stability of the fuel cell can be improved.
Also, the higher the anode pressure, the greater the amount of gas that cross-leaks per unit time and the amount of moisture that moves between the two electrodes. Therefore, the amount of gas and moisture that cross-leak can be increased by setting a short time interval for obtaining the anode pressure. Can be suppressed. In addition, since the amount of cross leak decreases when the anode pressure and the cathode pressure are low, the time interval for acquiring the anode pressure may be lengthened to reduce the number of times of starting the cathode gas flow path sealing means (decreasing the cathode pressure). it can. Therefore, the fuel consumption and merchantability of the fuel cell system can be improved.
請求項2に記載した発明によれば、カソード圧がアノード圧より高い場合はアノード圧以下となるまで減圧させるため、次回カソード圧を減圧させるまでの時間間隔を長くすることができるとともに、カソード圧を減圧させる制御の実行回数を低減することができる。したがって、燃料電池の発電停止中の商品性を向上することができる。また、アノード圧がカソード圧よりも低くなることによりカソード電極側の残留生成水がアノード電極側に移動してしまうことがあるが、カソード圧をアノード圧より低くなるように減圧させるため、移動した生成水を再度カソード電極側に戻すことができ、燃料電池内で水分が片側に偏って滞留するのを抑制することができる。 According to the second aspect of the present invention, when the cathode pressure is higher than the anode pressure, the pressure is reduced until it becomes equal to or lower than the anode pressure. The number of executions of control for reducing the pressure can be reduced. Therefore, the merchantability of the fuel cell while power generation is stopped can be improved. In addition, when the anode pressure is lower than the cathode pressure, the residual generated water on the cathode electrode side may move to the anode electrode side. However, the cathode pressure has moved to reduce the cathode pressure to be lower than the anode pressure. The generated water can be returned to the cathode electrode side again, and moisture can be prevented from staying biased to one side in the fuel cell.
請求項3に記載した発明によれば、カソード圧が大気圧となった時点で、カソードガス流路密封手段を解除してもカソード圧はそれ以上下げられないため、カソード圧が大気圧となる時点でカソード圧を減圧する制御を停止する。したがって、燃料電池システムの燃費や商品性を向上することができる。 According to the third aspect of the present invention, when the cathode pressure becomes atmospheric pressure, the cathode pressure cannot be lowered any further even if the cathode gas flow path sealing means is released, so the cathode pressure becomes atmospheric pressure. At that time, the control for reducing the cathode pressure is stopped. Therefore, the fuel consumption and merchantability of the fuel cell system can be improved.
請求項4に記載した発明によれば、アノード掃気によりアノード電極内のアノードガスおよび水分は排出されているため、カソード電極側とのクロスリークは発生しない。したがって、カソード圧を減圧する必要がなくなり、このカソード圧を減圧する制御を実行しないことにより、燃料電池システムの燃費や商品性を向上することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the anode gas and moisture in the anode electrode are discharged by the anode scavenging, no cross leak with the cathode electrode side occurs. Therefore, it is not necessary to reduce the cathode pressure, and the fuel consumption and commerciality of the fuel cell system can be improved by not executing the control for reducing the cathode pressure.
請求項5に記載した発明によれば、アノード圧およびカソード圧からカソード圧指令値を算出して、カソード圧がカソード指令値よりも大きい場合には、カソード圧を積極的に減圧することができるため、アノード電極側とカソード電極側との間の極間差圧を小さくすることができる。したがって、アノード電極とカソード電極との間でアノードガスおよびカソードガスのクロスリーク量を減少させることができるため、燃料電池の発電停止中に生成水の発生量を少なくすることができる。また、カソード電極側に残留している生成水がアノード電極側に移動するのを抑制することができる。結果として、燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池の発電安定性の向上を図ることができる。
また、アノード圧が高いほど単位時間当たりにクロスリークするガス量や両極間で移動する水分量は多くなるため、アノード圧を取得する時間間隔を短く設定することによりクロスリークするガス量や水分量を抑制することができる。また、アノード圧およびカソード圧が低ければクロスリーク量は少なくなるため、アノード圧を取得する時間間隔を長くして、カソードガス流路密封手段の起動回数(カソード圧の減圧)を少なくすることができる。したがって、燃料電池システムの燃費や商品性を向上することができる。
According to the invention described in
Also, the higher the anode pressure, the greater the amount of gas that cross-leaks per unit time and the amount of moisture that moves between both poles. Can be suppressed. In addition, since the amount of cross leak decreases when the anode pressure and the cathode pressure are low, the time interval for acquiring the anode pressure may be lengthened to reduce the number of times of starting the cathode gas flow path sealing means (decreasing the cathode pressure). it can. Therefore, the fuel consumption and merchantability of the fuel cell system can be improved.
次に、本発明の実施形態を図1〜図5に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。
(燃料電池システム)
図1は燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム10の燃料電池11は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池11のアノード極12内に形成されたアノードガス流路21の入口側にはアノードガス供給配管23が連結され、その上流端部には水素タンク30が接続されている。また、燃料電池11に形成されたカソード極13内に形成されたカソードガス流路22の入口側にはカソードガス供給配管24が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ33が接続されている。なお、燃料電池11のアノードガス流路21の出口側にはアノードオフガス排出配管35が連結され、カソードガス流路22の出口側にはカソードオフガス排出配管38が連結されている。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a case where the fuel cell system is mounted on a vehicle will be described.
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
As shown in FIG. 1, the
また、水素タンク30からアノードガス供給配管23に供給された水素ガスは、レギュレータ(不図示)により減圧された後、イジェクタ26を通り、燃料電池11のアノードガス流路21に供給される。また、水素タンク30の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁25が設けられており、水素タンク30からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。
Further, the hydrogen gas supplied from the
また、アノードオフガス排出配管35は、途中で分岐してイジェクタ26に接続され、燃料電池11を通過してきたアノードオフガスの一部を再度燃料電池11のアノードガスとして再利用できるように構成されている。また、アノードオフガスの残りは希釈ボックス31に導かれるように構成されている。
The anode off
次に、空気(カソードガス)はエアコンプレッサ33によって加圧され、カソードガス供給配管24を通過した後、燃料電池11のカソードガス流路22に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池11からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管38に排出される。カソードオフガス排出配管38は希釈ボックス31に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管38には背圧弁34が設けられている。
Next, air (cathode gas) is pressurized by the
また、アノードガス供給配管23における燃料電池11との接続部の上流側に、アノード圧センサー41が設けられている。アノード圧センサー41により、アノードガス供給配管23内のアノードガス(水素ガス)圧力(内圧)を検知することができるようになっている。アノード圧センサー41からの検出結果(センサー出力)は、制御装置(ECU)45へ伝達され、その検出結果に基づいて、カソード圧指令値を求めるように構成されている(後に詳述する)。
An
同じく、カソードガス供給配管24における燃料電池11との接続部の上流側に、カソード圧センサー42が設けられている。カソード圧センサー42により、カソードガス供給配管24内のカソードガス(空気)圧力(内圧)を検知することができるようになっている。カソード圧センサー42からの検出結果(センサー出力)は、制御装置(ECU)45へ伝達され、その検出結果に基づいて、カソード圧指令値を求めるように構成されている(後に詳述する)。
Similarly, a
さらに、本実施形態では、アノードガス供給配管23における燃料電池11との接続部の上流側に、電磁駆動式のアノード封込入口弁51が設けられている。また、アノードオフガス排出配管35における燃料電池11との接続部の下流側に、電磁駆動式のアノード封込出口弁52が設けられている。アノード封込入口弁51およびアノード封込出口弁52をともに閉弁することにより、アノードガス流路21内にアノードガスを密封できるように構成されている。
Further, in the present embodiment, an electromagnetically driven anode
同様に、カソードガス供給配管24における燃料電池11との接続部の上流側に、電磁駆動式のカソード封込入口弁53が設けられている。また、カソードオフガス排出配管38における燃料電池11との接続部の下流側に、電磁駆動式のカソード封込出口弁54が設けられている。カソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54をともに閉弁することにより、カソードガス流路22内にカソードガスを密封できるように構成されている。
Similarly, an electromagnetically driven cathode
そして、アノードガス供給配管23とカソードガス供給配管24との間を接続して、アノードガス供給配管23および燃料電池11のアノードガス流路21を掃気するための掃気配管36が設けられている。掃気配管36には電磁駆動式の掃気弁37が設けられている。掃気手段により燃料電池11内に滞留している水素ガスおよび発生した滞留ガス(窒素ガスおよび生成水)を排出することができるようになっている。この掃気手段が実行されるか否かは、例えばソーク時間やソーク中の温度により決定するように構成されている。
A scavenging
また、制御装置45は、燃料電池11に要求される出力に応じて、電磁弁25を制御して水素タンク30から所定量の水素ガスを燃料電池11に供給することができるようになっている。また、制御装置45は、燃料電池11に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ33を駆動して所定量の空気を燃料電池11に供給するとともに、背圧弁34を制御してカソードガス流路22への空気の供給圧力を調整できるように構成されている。
Further, the
図2は制御装置45の概略ブロック図である。図2に示すように、制御装置45は、燃料電池システム10が発電停止状態になってからの時間をカウントする停止時間検出部46と、燃料電池11に設けられた温度センサー39に対して所定時間毎に温度信号を発するように指示するとともに、該温度センサー39から入力された温度信号を検出する燃料電池温度検出部47と、停止時間検出部46でカウントしている時間が所定時間を経過したとき、または燃料電池温度検出部47で検出された燃料電池11の温度が所定温度以下になったときに燃料電池11内部の掃気を実行するか否かを判定する掃気判定部48と、を有している。
FIG. 2 is a schematic block diagram of the
さらに、燃料電池システム10が発電停止状態になってからアノード圧を検出するための自動起動タイマーの経過時間をカウントするタイマー経過時間検出部55と、アノード圧を検出するタイミングか否かを判定する自動起動タイミング判定部56と、アノード圧センサー41およびカソード圧センサー42の検出値からカソード圧指令値を算出するカソード圧指令値算出部57と、カソード圧が所望の値まで減圧されたか否かを判定するカソード圧減圧完了判定部58と、を有している。
Further, a timer elapsed time detection unit 55 that counts an elapsed time of an automatic start timer for detecting the anode pressure after the
(燃料電池システムのカソード圧制御方法)
次に、本実施形態における燃料電池システム10のカソード圧制御方法について説明する。
図3は燃料電池システム10のカソード圧制御方法を示すフローチャートである。なお、このフローチャートは燃料電池11の発電を停止した(イグニッションをOFFにした)後に開始されるものであり、このフローチャートのスタート時点では、アノード封込入口弁51、アノード封込出口弁52、カソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54は閉弁されている。
(Cathode pressure control method for fuel cell system)
Next, a cathode pressure control method of the
FIG. 3 is a flowchart showing a cathode pressure control method of the
図3に示すように、ステップS1では、アノード極12内の掃気が既になされているか否かを掃気判定部48において判定し、既に掃気がされている場合にはそのまま処理を終了し、まだ掃気がなされていない場合にはステップS2へ進む。なお、アノード極12内の掃気は、停止時間検出部46において燃料電池11の発電停止後、所定時間が経過した場合に実行するように設定されたり、燃料電池温度検出部47において燃料電池11の温度が所定温度以下になった場合に実行するように設定されたりしている。
As shown in FIG. 3, in step S <b> 1, it is determined in the scavenging
ステップS2では、アノード圧センサー41の値を検出するタイミングか否かを自動起動タイミング判定部56にて判定し、アノード圧を検出するタイミングであればステップS3へ進み、アノード圧を検出するタイミングでなければステップS8へ進む。なお、自動起動タイミング判定部56でアノード圧センサー41の値を検出するタイミングか否かを判定するのは、タイマー経過時間検出部55から燃料電池11の発電停止後からの経過時間(ソーク時間)の情報を入手し、その時間情報と前回のカソード圧制御時に検出したアノード圧(初回の場合は発電停止時のアノード圧)の値とから判定する。
In step S2, the automatic activation
ステップS3では、アノード圧センサー41のセンサー値(アノード圧センサー値)を検出すると同時に、カソード圧センサー42のセンサー値(カソード圧センサー値)を検出し、それらの値をカソード圧指令値算出部57へ伝達する。そして、カソード圧指令値算出部57において、カソード圧指令値を算出する。具体的には、カソード圧指令値=カソード圧センサー値−(カソード圧センサー値−アノード圧センサー値)×2の数式から算出する。つまり、カソード圧指令値は、カソード圧がアノード圧よりも低くなるように設定され、自動起動開始時にカソード圧はアノード圧よりも高くなっているが、その圧力の差分と同じ分だけカソード圧がアノード圧よりも低くなるようにカソード圧指令値が設定される。カソード圧指令値が算出されたらステップS4へ進む。
In step S3, the sensor value (anode pressure sensor value) of the
ステップS4では、カソード圧減圧完了判定部58において、カソード圧センサー値とカソード圧指令値とを比較して、カソード圧センサー値がカソード圧指令値以下の場合にはステップS6へ進み、カソード圧センサー値がカソード圧指令値より大きい場合にはステップS5へ進む。あるいは、カソード圧センサー値と大気圧センサー(不図示)の値とを比較して、カソード圧センサー値が大気圧センサー値以下の場合にはステップS6へ進み、カソード圧センサー値が大気圧センサー値より大きい場合にはステップS5へ進む。つまり、カソード圧減圧完了判定部58において、カソード圧の減圧制御が完了したと判定した場合にはステップS6へ進み、まだカソード圧の減圧制御が完了していないと判定した場合にはステップS5へ進む。
In step S4, the cathode pressure reduction
ステップS5では、カソード圧を減圧させる必要があるため、カソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54の少なくともいずれか一方を開弁させる。なお、カソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54の開弁動作完了後にステップS4へ戻り、図4に示すように、カソード圧(カソード圧センサー値)がカソード圧指令値以下になるまで開弁状態を保持する。
In step S5, since it is necessary to reduce the cathode pressure, at least one of the cathode sealing
ステップS6では、カソード圧センサー値がカソード圧指令値以下になったため、開弁しているカソード封込入口弁53および/またはカソード封込出口弁54を閉弁させて、ステップS7へ進む。
In step S6, since the cathode pressure sensor value has become equal to or less than the cathode pressure command value, the opened cathode
ステップS7では、今回のカソード圧減圧制御時に検出したアノード圧センサー値に基づいて、次回のアノード圧センサー41の値を検出するタイミング(インターバル)を算出し、その結果をタイマー経過時間検出部55に伝達して、自動起動タイマーをセットして処理を終了する。図5に示すように、上述のステップを踏むことで、ソーク時間の経過とともにアノード圧が徐々に減圧されていくのに追従して、カソード圧を減圧させることができる。なお、アノード圧が高いほど減圧の速度が速いため、アノード圧が高いほどカソード圧の減圧制御のインターバル(時間間隔)を短くすることにより、アノード圧に対するカソード圧の追従性を向上することができる。そして、アノード圧およびカソード圧が大気圧と略同一になるまで上述の処理を継続することにより、クロスリーク量を減少させることができ、燃料電池11の発電安定性を向上することができる
In step S7, a timing (interval) for detecting the next value of the
なお、ステップS8では、燃料電池11の発電停止後の直後か否かを判定し、直後であればステップS7に進み、自動起動タイマーをセットして処理を終了する。一方、発電停止後の直後でなければそのまま処理を終了する。
In step S8, it is determined whether or not it is immediately after stopping the power generation of the
本実施形態によれば、燃料電池11内部のカソードガス流路22を密封するカソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54と、アノードガス流路21を密封するアノード封込入口弁51およびアノード封込出口弁52と、を設け、燃料電池11の発電停止時に各弁51〜54を閉弁してカソードガスおよびアノードガスを燃料電池11内部に密封する燃料電池システム10において、アノード圧が減圧されるのに合わせて、カソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54の少なくともいずれか一方を開弁させることによりカソードガス流路22内のカソード圧を減少させるようにしたため、アノード極12側とカソード極13側との間の極間差圧を小さくすることができる。したがって、アノード極12とカソード極13との間でアノードガスおよびカソードガスのクロスリーク量を減少させることができるため、燃料電池11の発電停止中に生成水の発生量を少なくすることができる。また、カソード極13側に残留している生成水がアノード極12側に移動するのを抑制することができる。結果として、燃料電池11の劣化を抑制することができ、燃料電池11の発電安定性の向上を図ることができる。
According to the present embodiment, the cathode sealing
また、カソード圧センサー42により得られたカソード圧が、アノード圧センサー41により得られたアノード圧以下となるまでカソード圧を減圧させるようにしたため、次回カソード圧を減圧させるまでの時間間隔を長くすることができるとともに、カソード圧を減圧させる制御の実行回数を低減することができる。したがって、燃料電池11の発電停止中の商品性を向上することができる。また、アノード圧がカソード圧よりも低くなることによりカソード極13側の残留生成水がアノード極12側に移動してしまうことがあるが、カソード圧をアノード圧より低くなるように減圧させるため、移動した生成水を再度カソード極13側に戻すことができ、燃料電池11内で水分が片側に偏って滞留するのを抑制することができる。
Further, since the cathode pressure is reduced until the cathode pressure obtained by the
また、アノード圧センサー41によりアノード圧を取得する間隔を、前回取得したアノード圧の値により設定可能に構成し、取得したアノード圧の値が高いほど次にアノード圧を取得する間隔を短くするように構成した。このように構成することで、アノード圧が高いほど単位時間当たりにクロスリークするガス量や両極間で移動する水分量は多くなるが、アノード圧を取得する時間間隔を短く設定することによりクロスリークするガス量や水分量を抑制することができる。また、アノード圧およびカソード圧が低ければクロスリーク量は少なくなるため、アノード圧を取得する時間間隔を長くして、カソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54の起動回数(カソード圧の減圧)を少なくすることができる。したがって、燃料電池システム10の燃費や商品性を向上することができる。
Further, the interval at which the anode pressure is acquired by the
さらに、カソード圧が大気圧以下になるまでカソードガス流路22の圧力を減少させる制御を実行可能に構成した。つまり、カソード圧が大気圧となった時点で、カソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54を開弁してもカソード圧はそれ以上下げられないため、カソード圧が大気圧となる時点でカソード圧を減圧する制御を停止する。したがって、燃料電池システム10の燃費や商品性を向上することができる。
Further, the control for reducing the pressure of the cathode
そして、燃料電池11の発電停止中にアノード掃気を実行した後は、カソードガス流路22の圧力を減少させる制御を実行しないように構成した。つまり、アノード掃気によりアノード極12内のアノードガスおよび水分は排出されているため、カソード極13側とのクロスリークは発生しない。したがって、カソード圧を減圧する必要がなくなり、このカソード圧を減圧する制御を実行しないことにより、燃料電池システム10の燃費や商品性を向上することができる。
Then, after the anode scavenging is executed while the power generation of the
尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態において、アノード圧センサーおよびカソード圧センサーをそれぞれ1箇所ずつ取り付けた構成を採用したが、圧力センサーは1箇所だけでなく、複数箇所に取り付けてもよく、その場合には、いずれかの圧力を検出するようにしたり、各圧力センサーの平均値を求めるようにしてもよい。
また、本実施形態では、燃料電池システムにアノード掃気が可能な構成のものについて説明したが、アノード掃気機能を有していないシステムであっても採用できる。
また、本実施形態では、カソード圧センサー値が大気圧センサー値以下であるか否かでカソード圧の減圧処理が完了したか否かを判定する方法を説明したが、このとき大気圧センサーの誤差を考慮して判定するようにしてもよい。
さらに、本実施形態では、カソード圧をカソード圧センサーを用いて検出する場合の説明をしたが、カソード圧センサーを用いずに燃料電池の発電停止後のカソード封込入口弁53およびカソード封込出口弁54の開弁時間に基づいてカソード圧を予測して検出する方法を採用してもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications made to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific structure and configuration described in the embodiment are merely examples, and can be changed as appropriate.
For example, in the present embodiment, the configuration in which the anode pressure sensor and the cathode pressure sensor are each attached at one place is adopted, but the pressure sensor may be attached not only at one place but also at a plurality of places. Such pressure may be detected, or an average value of each pressure sensor may be obtained.
In the present embodiment, the fuel cell system has been described as having a structure capable of scavenging the anode, but a system having no anode scavenging function can also be employed.
In the present embodiment, the method for determining whether or not the cathode pressure reduction process has been completed based on whether or not the cathode pressure sensor value is equal to or less than the atmospheric pressure sensor value has been described. The determination may be made in consideration of the above.
Furthermore, in the present embodiment, the case where the cathode pressure is detected using the cathode pressure sensor has been described. However, the cathode sealing
10…燃料電池システム 11…燃料電池 12…アノード極(アノード電極) 13…カソード極(カソード電極) 21…アノードガス流路 22…カソードガス流路 41…アノード圧センサー(アノード圧取得手段) 42…カソード圧センサー(カソード圧取得手段) 45…制御装置(制御部) 51…アノード封込入口弁(アノードガス流路密封手段) 52…アノード封込出口弁(アノードガス流路密封手段) 53…カソード封込入口弁(カソードガス流路密封手段) 54…カソード封込出口弁(カソードガス流路密封手段)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該燃料電池内部のカソードガス流路を密封するカソードガス流路密封手段と、
前記燃料電池内部のアノードガス流路を密封するアノードガス流路密封手段と、
前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段の開閉を制御する制御部と、を有し、
前記燃料電池の発電停止時に前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段により前記カソードガスおよび前記アノードガスを前記燃料電池内部に密封する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止中の前記アノードガス流路内のアノード圧を取得するアノード圧取得手段と、
前記燃料電池の発電停止中の前記カソードガス流路内のカソード圧を取得するカソード圧取得手段と、をさらに有し、
前記制御部は、
前記アノード圧取得手段から得られた前記アノード圧および前記カソード圧取得手段から得られた前記カソード圧を用いて、前記カソード圧が前記アノード圧よりも低くなるように設定されたカソード圧指令値を算出し、
前記カソード圧が前記カソード圧指令値より高い場合、または、前記カソード圧が大気圧より高い場合は、前記カソードガス流路密封手段を解除させることにより前記カソードガス流路内の前記カソード圧を減少させるとともに、
前記アノード圧取得手段により前記アノード圧を取得する間隔を前回取得した前記アノード圧の値により設定可能に構成され、
前記アノード圧取得手段により取得した前記アノード圧の値が高いほど次に前記アノード圧取得手段で前記アノード圧を取得する間隔を短くするように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell for generating electricity by supplying an anode gas to the anode electrode and a cathode gas to the cathode electrode; and
A cathode gas flow path sealing means for sealing the cathode gas flow path inside the fuel cell;
Anode gas flow path sealing means for sealing the anode gas flow path inside the fuel cell;
A controller for controlling opening and closing of the cathode gas flow path sealing means and the anode gas flow path sealing means,
A fuel cell system for sealing the cathode gas and the anode gas inside the fuel cell by the cathode gas flow path sealing means and the anode gas flow path sealing means when power generation of the fuel cell is stopped,
An anode pressure acquisition means for acquiring an anode pressure in the anode gas flow channel during power generation stop of the fuel cell ;
A cathode pressure acquisition means for acquiring a cathode pressure in the cathode gas flow channel during power generation stop of the fuel cell ;
The controller is
Using the anode pressure obtained from the anode pressure obtaining means and the cathode pressure obtained from the cathode pressure obtaining means, a cathode pressure command value set so that the cathode pressure is lower than the anode pressure is obtained. Calculate
If the cathode pressure is higher than the cathode pressure command value, or, if the cathode pressure is higher than atmospheric pressure, it reduces the cathode pressure of the cathode gas flow channel by releasing the cathode gas passage sealing means It is not Rutotomoni,
The interval for acquiring the anode pressure by the anode pressure acquisition means is configured to be set by the value of the anode pressure acquired last time,
The fuel cell system is configured such that the higher the value of the anode pressure acquired by the anode pressure acquisition means, the shorter the interval at which the anode pressure acquisition means acquires the anode pressure next .
該燃料電池内部のカソードガス流路を密封するカソードガス流路密封手段と、
前記燃料電池内部のアノードガス流路を密封するアノードガス流路密封手段と、
前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段の開閉を制御する制御部と、を有し、
前記燃料電池の発電停止時に前記カソードガス流路密封手段および前記アノードガス流路密封手段により前記カソードガスおよび前記アノードガスを前記燃料電池内部に密封可能に構成された燃料電池システムのカソード圧制御方法であって、
前記燃料電池の発電停止中の前記アノードガス流路内のアノード圧を取得するアノード圧取得手段と、
前記燃料電池の発電停止中の前記カソードガス流路内のカソード圧を取得するカソード圧取得手段と、をさらに有し、
前記アノード圧取得手段により得られた前記アノード圧と、前記カソード圧取得手段により得られた前記カソード圧と、を用いて前記アノード圧よりも前記カソード圧が小さく設定される値であるカソード圧指令値を算出するステップと、
前記カソード圧と前記カソード圧指令値とを比較するステップと、
前記カソード圧が前記カソード圧指令値よりも高い場合、または、前記カソード圧が大気圧より高い場合は、前記カソードガス流路密封手段を解除するステップと、を有し、
前記アノード圧取得手段により前記アノード圧を取得する間隔を前回取得した前記アノード圧の値により設定可能に構成され、
前記アノード圧取得手段により取得した前記アノード圧の値が高いほど次に前記アノード圧取得手段で前記アノード圧を取得する間隔を短く設定するステップと、を有していることを特徴とする燃料電池システムのカソード圧制御方法。 A fuel cell for generating electricity by supplying an anode gas to the anode electrode and a cathode gas to the cathode electrode; and
A cathode gas flow path sealing means for sealing the cathode gas flow path inside the fuel cell;
Anode gas flow path sealing means for sealing the anode gas flow path inside the fuel cell;
A controller for controlling opening and closing of the cathode gas flow path sealing means and the anode gas flow path sealing means,
A cathode pressure control method for a fuel cell system configured such that the cathode gas and the anode gas can be sealed inside the fuel cell by the cathode gas channel sealing means and the anode gas channel sealing means when power generation of the fuel cell is stopped. Because
An anode pressure acquisition means for acquiring an anode pressure in the anode gas flow channel during power generation stop of the fuel cell ;
A cathode pressure acquisition means for acquiring a cathode pressure in the cathode gas flow channel during power generation stop of the fuel cell ;
And the anode pressure obtained by the anode pressure obtaining means, the cathode pressure and the cathode pressure obtained by the obtaining means, the cathode pressure command is the value that the cathode pressure is set smaller than the anode pressure using Calculating a value;
Comparing the cathode pressure with the cathode pressure command value;
Releasing the cathode gas flow path sealing means when the cathode pressure is higher than the cathode pressure command value , or when the cathode pressure is higher than atmospheric pressure ,
The interval for acquiring the anode pressure by the anode pressure acquisition means is configured to be set by the value of the anode pressure acquired last time,
And a step of setting the interval at which the anode pressure is acquired by the anode pressure acquisition means to be shorter next as the value of the anode pressure acquired by the anode pressure acquisition means is higher. System cathode pressure control method.
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