JP5515193B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、システム停止時又は起動時に酸化剤極側の上流および下流の弁を遮断して酸化剤極側を規制し、燃料極側に燃料ガスを供給しつつ発電および電力取出を行うことで、酸化剤極側の酸素を消費させる燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、酸化剤極側の酸素が消費されるため、システム起動時において触媒劣化反応を抑制することができる(例えば特許文献1参照)。
ここで、従来の燃料電池システムにおいて、システム停止時に上記動作を行った場合、システム停止期間中に外気が燃料電池の酸化剤極側に流入してしまい、劣化抑制効果を得にくくなってしまう。このため、さらに起動時に上記動作を行うことが考えられるが、その場合には、システムの起動時間が長くなってしまう。また、停止時に上記動作を行った場合、システムの停止時間が長くなってしまい、利用者に煩わしさを与える可能性がある。 Here, in the conventional fuel cell system, when the above operation is performed when the system is stopped, outside air flows into the oxidant electrode side of the fuel cell during the system stop period, and it becomes difficult to obtain a deterioration suppressing effect. For this reason, it is conceivable to perform the above operation at the time of startup, but in that case, the startup time of the system becomes long. In addition, if the above operation is performed at the time of stop, the system stop time becomes long, which may be annoying to the user.
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間および停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to suppress a decrease in the deterioration suppressing effect at the time of starting the fuel cell system and to make the start time and the stop time unnecessary. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the lengthening.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、規制弁と、負荷取出手段と、制御手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。規制弁は、燃料電池スタックの酸化剤極側の上流及び下流に設けられ、弁閉されることで酸化剤極側への外気の流入を規制するものである。負荷取出手段は、燃料電池スタックから電流を取り出すときの電流値又は前記燃料電池スタックから電流を取り出す際の電圧値を制御するものである。制御手段は、規制弁の開閉および負荷取出手段の電流の取り出しを制御するものである。さらに、制御手段は、システム停止時に規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に負荷取出手段を作動させて電流を取り出す構成となっている。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack, a regulating valve, a load extraction unit, and a control unit. The fuel cell stack has a fuel electrode supplied with fuel gas and an oxidant electrode supplied with oxidant gas, and generates power by reacting the fuel gas and oxidant gas. The restriction valve is provided upstream and downstream of the oxidant electrode side of the fuel cell stack, and restricts the inflow of outside air to the oxidant electrode side by closing the valve. The load extraction means controls a current value when the current is extracted from the fuel cell stack or a voltage value when the current is extracted from the fuel cell stack. The control means controls the opening / closing of the regulating valve and the extraction of the current from the load taking means. Further, the control means is configured to close the restriction valve when the system is stopped, and operate the load take-out means after closing the restriction valve to take out the current.
本発明によれば、システム停止時に負荷取出手段を作動させて電流を取り出すため、燃料電池スタックの酸化剤極側の酸化剤ガスを消費することができる。また、規制弁を閉じるため、システム停止期間中における外気の流入を規制することができる。故に、システム起動時においても酸化剤極側の酸化剤ガス濃度の上昇を抑制することができ、酸化剤極側に酸化剤ガスが存在することによる劣化反応が抑制されることとなる。また、システム起動時に酸化剤ガス濃度の上昇が抑制されているため、起動時に再度電流を取り出す必要性がない。特に、規制弁を閉じた後に電流を取り出すため、規制弁を閉じる前に電流を取り出す場合と比較して、酸化剤極側の酸化剤ガスの消費量を少なくすることができ、停止処理の時間短縮につなげることができる。従って、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間および停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。 According to the present invention, since the current is taken out by operating the load take-out means when the system is stopped, the oxidant gas on the oxidant electrode side of the fuel cell stack can be consumed. Moreover, since the restriction valve is closed, the inflow of outside air during the system stop period can be restricted. Therefore, an increase in the oxidant gas concentration on the oxidant electrode side can be suppressed even when the system is started, and the deterioration reaction due to the presence of the oxidant gas on the oxidant electrode side is suppressed. Further, since the increase in the oxidant gas concentration is suppressed at the time of starting the system, there is no need to take out the current again at the time of starting. In particular, since the current is taken out after the restriction valve is closed, the consumption of the oxidant gas on the oxidant electrode side can be reduced compared with the case where the current is taken out before the restriction valve is closed, and the time for the stop process is reduced. It can lead to shortening. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the deterioration suppressing effect at the time of starting the fuel cell system and to prevent the start time and stop time from becoming unnecessarily long.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示す燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とを有し燃料電池構造体(燃料電池セル)をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給され、これらガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素(具体的には、酸素を含む空気)を用いるケースについて説明する。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載される。 FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system shown in the figure has a fuel cell structure (fuel cell) having a fuel electrode supplied with fuel gas and an oxidant electrode supplied with oxidant gas with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. A fuel cell stack 1 is provided which is formed by stacking a plurality of layers sandwiched by separators. In the fuel cell stack 1, fuel gas is supplied to the fuel electrode and oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, and electricity is generated by causing these gases to react electrochemically. In the present embodiment, a case will be described in which hydrogen is used as the fuel gas and oxygen (specifically, air containing oxygen) is used as the oxidant gas. This fuel cell system is mounted on a vehicle as a power source of an electric motor that drives the vehicle, for example.
さらに、燃料電池システムには、燃料電池スタック1に水素を供給するための水素系10と、燃料電池スタック1に空気を供給するための空気系20と、制御装置3と、各センサ32〜36とが備えられている。
Further, the fuel cell system includes a
水素系10において、燃料ガスである水素は、燃料タンク(燃料ガス供給手段)11から、水素供給流路L10を介して燃料電池スタック1の燃料極側に供給される。具体的には、燃料タンク11の下流の水素供給流路L10には水素供給弁12が設けられており、この水素供給弁12が開状態となると、燃料タンク11からの高圧水素ガスが、その下流に設けられた減圧弁(図示せず)によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁13によって更に減圧された後に、燃料電池スタック1に供給される。水素供給弁12は、燃料電池スタック1への水素供給の必要性に応じて、制御装置3によってその開閉状態が制御される。また、水素調圧弁13は、燃料電池スタック1へ供給される水素圧力が所望の値となるように、制御装置3によってその開度が制御される。
In the
燃料電池スタック1の燃料極側から排出されるガス(未使用の水素を含む排出ガス)は、水素循環流路L11へと排出される。この水素循環流路L11は、他方の端部が水素調圧弁13よりも下流側の水素供給流路L10に接続されている。水素循環流路L11には、例えば、水素循環ポンプ14およびエゼクタ15といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料極の排出側から排出された水素はその供給側へと循環され、水素の燃費向上を図ることができる。
The gas discharged from the fuel electrode side of the fuel cell stack 1 (exhaust gas containing unused hydrogen) is discharged to the hydrogen circulation passage L11. The other end of the hydrogen circulation channel L11 is connected to the hydrogen supply channel L10 on the downstream side of the hydrogen
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系10におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路L11には、水素系10内のガスを外部に排出する水素排出流路L12が接続されている(換言すれば、水素循環流路L11の一部は、燃料極から水素を排出する水素排出流路L12としての機能を担う)。水素排出流路L12には、パージ弁16が設けられており、このパージ弁16の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路L11を流れる排出ガス(窒素、未使用な水素等を含むガス)が外部に排出される。パージ弁16は、燃料電池スタック1の運転状態に応じて、その開閉状態が制御装置3によって制御される。パージ弁16は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系10からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。
By the way, when air is used as the oxidant gas, since nitrogen in the air permeates from the oxidant electrode to the fuel electrode, the nitrogen concentration of the gas in the
空気系20において、酸化剤ガスである空気は、コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)21によって燃料電池スタック1の酸化剤極側に供給される。具体的には、大気がコンプレッサ21によって空気が取り込まれて加圧されると、この加圧状態の空気が、空気供給流路L20を介して燃料電池スタック1の酸化剤極側に供給される。燃料電池スタック1の酸化剤極側から排出されるガス(酸素の一部が消費された空気)は、空気排出流路L21を介して外部(大気)に排出される。この空気排出流路L21には、空気調圧弁(圧力調整弁)22が設けられている。空気調圧弁22は、燃料電池スタック1の酸化剤極側下流に設けられ、制御装置3によって開度が調整されることにより酸化剤極側の圧力を制御するものである。
In the
空気系入口弁(規制弁)23は、燃料電池スタック1の酸化剤極側の上流、すなわち空気供給流路L20に設けられており、弁閉されることで空気供給流路L20から燃料電池スタック1への外気の流入を規制する構成となっている。また、空気系出口弁(規制弁)24は、燃料電池スタック1の酸化剤極側の下流、すなわち空気排出流路L21に設けられており、弁閉されることで空気排出流路L21から燃料電池スタック1への外気の流入を規制する構成となっている。 The air system inlet valve (regulation valve) 23 is provided upstream of the oxidant electrode side of the fuel cell stack 1, that is, in the air supply flow path L20, and is closed from the air supply flow path L20 to the fuel cell stack. 1 is configured to restrict the inflow of outside air into the air. The air system outlet valve (regulation valve) 24 is provided downstream of the oxidant electrode side of the fuel cell stack 1, that is, in the air discharge passage L21. When the valve is closed, fuel is discharged from the air discharge passage L21. It is configured to restrict the inflow of outside air into the battery stack 1.
制御装置3は、電流取出部(負荷取出手段)30と、メイン制御部(制御手段)31とから構成されている。電流取出部30は、メイン制御部31によって制御され、燃料電池スタック1から電流を取り出すユニットである。また、電流取出部30は、燃料電池スタック1から電流を取り出すときの電流値、または燃料電池スタック1から電流を取り出す際の電圧値を制御する構成となっている。
The control device 3 includes a current extraction unit (load extraction unit) 30 and a main control unit (control unit) 31. The
メイン制御部31は、システム全体を統合的に制御するユニットである。このメイン制御部31は、制御プログラムに従い、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック1の運転状態を制御する。
The
電圧センサ32は、燃料電池スタック1の電圧、又は燃料電池スタック1を構成するセルの電圧を計測するものである。空気圧力センサ(圧力検出手段)33は、空気供給流路L20に設けられており、燃料電池スタック1の酸化剤極側の圧力を検出するものである。水素圧力センサ34は、水素供給流路L10に設けられており、燃料電池スタック1の燃料極側の圧力を検出するものである。空気温度センサ(酸化剤極側温度検出手段)35は、燃料電池スタック1の酸化剤極側の温度を検出するものである。水素温度センサ(燃料極側温度検出手段)36は、燃料電池スタック1の燃料極側の温度を検出するものである。大気圧センサ37は、燃料電池システム周囲の大気圧を検出するものである。
The
ここで、上記メイン制御部31は、空気系入口弁23および空気系出口弁24の開閉、並びに電流取出部30の電流の取り出しを制御する構成となっている。具体的にメイン制御部31は、燃料電池システムの停止時に空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じ、これら弁23,24を閉じた後に電流取出部30を作動させて燃料電池スタック1から電流を取り出す。このように、メイン制御部31は、電流の取り出しにより燃料電池スタック1の酸化剤極側の酸素を消費する。また、メイン制御部31は、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じるため、これら弁23,24の区間(以下規制区間という)を規制することとなり、システム停止期間中に外気の流入を防止することができる。故に、外気流入によってシステム起動時に酸化剤極側の酸素濃度が上昇してしまうことを防止することができ、酸化剤極側に酸素が存在することによる劣化反応が抑制されることとなる。また、システム起動時において酸素濃度は低くなっているため、起動時に再度電流を取り出す必要性がない。
Here, the
特に、メイン制御部31は、両弁23,24を閉じた後に電流を取り出すため、両弁23,24を閉じる前に電流を取り出す場合と比較して、酸化剤極側の酸素の消費量を少なくすることができ、停止処理の時間短縮につなげることができる。すなわち、両弁23,24を閉じる前に電流を取り出すとコンプレッサ21から空気調圧弁22までの区間の酸素を消費し始めることとなるが、先に両弁23,24を閉じると規制区間の酸素のみを消費し始めることとなり、酸素の消費量が少なくなるため、停止処理の時間短縮につなげることができる。故に、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間および停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。
In particular, since the
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する。図2は、第1実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図2に示す処理の開始時において、水素調圧弁13は所定開度で開いており、パージ弁16は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ14およびコンプレッサ21は作動しており、空気調圧弁22は漏れ量を小さくする(換言すれば圧力上昇する)ため閉じ勝手な状態であり、空気系入口弁23および空気系出口弁24は開いているものとする。
Next, the operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a flowchart showing an operation when the fuel cell system according to the first embodiment is stopped. It is assumed that at the start of the process shown in FIG. 2, the hydrogen
同図に示すように、燃料電池システムの停止時においてメイン制御部31は、まず、大気圧センサ37により大気圧を検出し、ステップST2以降の処理に用いる大気圧を設定する(ST1)。このとき、メイン制御部31は、大気圧センサ37により検出された気圧の平均値(過去に検出した気圧との平均値)又は標準大気圧(即ち1atm)を、処理に用いる大気圧として設定する。また、メイン制御部31は、大気圧センサ37により検出された気圧、及び、標準大気圧(即ち1atm)のうち高い方を、処理に用いる大気圧として設定してもよい。
As shown in the figure, when the fuel cell system is stopped, the
次いで、メイン制御部31は、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となったか否かを判断する(ST2)。酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合(ST2:NO)、大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。
Next, the
なお、ステップST2において、コンプレッサ21は作動し、空気調圧弁22は閉じられている。このため、ステップST2において「NO」と判断されて処理が繰り返される間、酸化剤極側の圧力は上昇していくこととなる。このように、酸化剤極側の圧力を高めることで、後の電流取出により酸素が消費されても酸化剤極側の圧力が低くなり過ぎないようにしている。また、メイン制御部31は、電流取出終了後に酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第1所定圧力を設定することが望ましい。これにより、外気の流入を防止することができるからである。また、本実施形態では空気温度センサ35を備えているため、メイン制御部31は、空気温度センサ35により検出された温度が高くなるほど、第1所定圧力を高くすることが望ましい。正確性向上のためである。
In step ST2, the
一方、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合(ST2:YES)、メイン制御部31は、コンプレッサ21を停止させる(ST3)。そして、メイン制御部31は、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じる(ST4)。その後、メイン制御部31は、所定時間だけ電流を取り出す(ST5)。
On the other hand, when it is determined that the pressure on the oxidizer electrode side is higher than the atmospheric pressure by a first predetermined pressure or more (ST2: YES), the
このように、第1実施形態では酸化剤極側の圧力を大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力とした後、コンプレッサ21からの空気供給を停止すると共に空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じる。そして、メイン制御部31は、両弁23,24を閉じた後に電流取出部30を作動させて電流を取り出す。このため、空気を供給しながら電流を取り出すという動作を行うことがなく、停止処理完了までの時間を不要に長くなってしまうことを防止している。
As described above, in the first embodiment, after the pressure on the oxidizer electrode side is set to a pressure higher than the atmospheric pressure by the first predetermined pressure or more, the air supply from the
電流取出終了後、メイン制御部31は、水素調圧弁13を閉じ(ST6)、水素循環ポンプ14を停止させる(ST7)。そして、図2に示す処理は終了することとなる。なお、図2のステップST4において、メイン制御部31は、空気系入口弁23をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁24を後に閉じることが望ましい。空気系出口弁24は、空気調圧弁22よりも密閉度が高いものを使用しているため、空気系出口弁24を先に閉じるとコンプレッサ21から空気系出口弁24までの区間の圧力が過度に上昇する可能性があるためである。特に、空気系出口弁24が燃料電池スタック1の下流近傍に設けられ、空気調圧弁22が燃料電池スタック1から離れた箇所に設けられている場合、圧力の上昇度合いは顕著となる可能性がある。
After the current extraction is completed, the
このようにして、第1実施形態に係る燃料電池システムによれば、システム停止時に電流取出部30を作動させて電流を取り出すため、燃料電池スタック1の酸化剤極側の酸素を消費することができる。また、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じるため、システム停止期間中における外気の流入を規制することができる。故に、システム起動時においても酸化剤極側の酸素濃度の上昇を抑制することができ、酸化剤極側に酸素が存在することによる劣化反応が抑制されることとなる。また、システム起動時に酸素濃度の上昇が抑制されているため、起動時に再度電流を取り出す必要性がない。特に、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じた後に電流を取り出すため、これら弁23,24を閉じる前に電流を取り出す場合と比較して、酸化剤極側の酸素の消費量を少なくすることができ、停止処理の時間短縮につなげることができる。従って、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間および停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。
Thus, according to the fuel cell system according to the first embodiment, when the system is stopped, the
また、システム停止時に、空気を供給して酸化剤極側の圧力を大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力とし、その後、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じ、これら弁23,24を閉じた後に電流を取り出す。このため、電流を取り出す前の酸化剤極側の圧力は大気圧よりも高くなる。故に、圧力を高めることなく電流を取り出す場合と比較して、停止処理完了後の酸化剤極側の圧力を高くすることができる。従って、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を一層抑制することができる。
Further, when the system is stopped, air is supplied so that the pressure on the oxidizer electrode side is higher than the atmospheric pressure by a first predetermined pressure or more, and then the air
また、空気供給を停止して空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じ、その後電流を取り出す。このため、空気を供給しながら電流を取り出すことにならず、停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。
Further, the air supply is stopped, the air
また、電流取出終了後に酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第1所定圧力を設定しているため、酸化剤極側は電流取出終了後には大気圧よりも高くなり、外気の流入を防止することができる。 Further, since the first predetermined pressure is set so that the pressure on the oxidant electrode side becomes higher than the atmospheric pressure after the current extraction is completed, the oxidant electrode side becomes higher than the atmospheric pressure after the current extraction is completed, and the outside air Inflow can be prevented.
また、酸化剤極側の温度が高くなるほど第1所定圧力を高めに設定するため、酸化剤極側の温度を加味して適切に第1所定圧力を設定することができる。 Further, since the first predetermined pressure is set higher as the temperature on the oxidant electrode side becomes higher, the first predetermined pressure can be appropriately set in consideration of the temperature on the oxidant electrode side.
また、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じる場合、空気系入口弁23をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁24を閉じる。ここで、空気系出口弁24を先に閉じるとコンプレッサ21から空気系出口弁24までの区間の圧力が過度に上昇する可能性がある。特に、空気系出口弁24が燃料電池スタック1の下流近傍に設けられ、空気調圧弁22が燃料電池スタック1から離れた箇所に設けられている場合、圧力の上昇度合いは顕著となる可能性がある。このため、空気系入口弁23をわずかに早く先に閉じることで、圧力の過度の上昇を防止することができる。
When the air
また、メイン制御部31は、標準大気圧(例えば1atm)又は検出した大気圧の平均値を、大気圧として設定する。ここで、大気圧を検出して、その結果を大気圧として用いるため、大気圧の変化した場合(例えば低気圧が通過した場合又は高地に移動した場合)においても大気圧を正確に求めることができる。特に検出した大気圧の平均値を用いるため、大気圧として用いる値が急激に変化することなく、1回の検出ミスによる大気圧の急変を防止できる。さらに、標準大気圧を大気圧として用いるため、大気圧センサ37の故障等が発生したとしても標準大気圧を用いることで、大きな誤差が生じることがない。従って、大気圧を適切に設定することができる。
Further, the
次に、本発明の第2実施形態を説明する。第2実施形態に係る燃料電池システムは、第1実施形態のものと同様であるが、処理内容が第1実施形態のものと一部異なっている。以下、第1実施形態との相違点を説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the processing content is partially different from that of the first embodiment. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
図3は、第2実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図3に示す処理の開始時において、水素調圧弁13は所定開度で開いており、パージ弁16は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ14およびコンプレッサ21は作動しており、空気調圧弁22は漏れ量を小さくする(換言すれば圧力上昇する)ため閉じ勝手な状態であり、空気系入口弁23および空気系出口弁24は開いているものとする。
FIG. 3 is a flowchart showing an operation when the fuel cell system according to the second embodiment is stopped. It is assumed that at the start of the process shown in FIG. 3, the hydrogen
同図に示すように、燃料電池システムの停止時においてメイン制御部31は、まず、大気圧センサ37により大気圧を検出し、ステップST12以降の処理に用いる大気圧を設定する(ST11)。詳細は第1実施形態と同様である。
As shown in the figure, when the fuel cell system is stopped, the
次いで、メイン制御部31は、燃料極側の圧力が大気圧よりも第2所定圧力以上高い圧力となったか否かを判断する(ST12)。燃料極側の圧力が大気圧よりも第2所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合(ST12:NO)、大気圧よりも第2所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。
Next, the
なお、ステップST12において、水素調圧弁13は開けられており、パージ弁16は閉じられている。このため、ステップST12において「NO」と判断されて処理が繰り返される間、燃料極側の圧力は上昇していくこととなる。このように、燃料極側の圧力を高めることで、酸化剤極側から燃料極側にガスが拡散して酸化剤極側の圧力が低くなり、外部から大気が流入することを防止することができる。
In step ST12, the hydrogen
また、メイン制御部31は、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第2所定圧力を設定することが望ましい。酸化剤極側から燃料極側へのガスの透過量を増加させ、酸化剤極側の圧力を大気圧程度に保つためである。また、本実施形態では水素温度センサ36を備えているため、メイン制御部31は、水素温度センサ36により検出された温度が高くなるほど、第2所定圧力を高くすることが望ましい。正確性向上のためである。
In addition, it is desirable that the
燃料極側の圧力が大気圧よりも第2所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合(ST12:YES)、メイン制御部31は、水素調圧弁13を閉じ(ST13)、水素循環ポンプ14を停止させる(ST14)。
When it is determined that the pressure on the fuel electrode side is higher than the atmospheric pressure by a second predetermined pressure or more (ST12: YES), the
次に、メイン制御部31は、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となったか否かを判断する(ST15)。酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合(ST15:NO)、大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。
Next, the
なお、ステップST15において、コンプレッサ21は作動し、空気調圧弁22は閉じられているため、第1実施形態と同様に、酸化剤極側の圧力は上昇していくこととなる。また、第1実施形態と同様に、メイン制御部31は、電流取出終了後に酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第1所定圧力を設定することが望ましい。さらに、メイン制御部31は、空気温度センサ35により検出された温度が高くなるほど、第1所定圧力を高くすることが望ましい。
In step ST15, the
また、第2所定圧力は、第1所定圧力よりも第3所定圧力以上高いことが望ましい。電流取出によるガスの消費量は、水素の方が酸素よりも2倍近く消費することとなる。このため、酸化剤極側の圧力よりも燃料極側の圧力を第3所定圧力以上高くすることで、システム停止処理後に燃料極側の方が酸化剤極側よりも極端に圧力が低くなってしまうことを防止することができるからである。 The second predetermined pressure is preferably higher than the first predetermined pressure by a third predetermined pressure or more. The amount of gas consumed by current extraction is nearly twice that of oxygen than that of oxygen. For this reason, by making the pressure on the fuel electrode side higher than the pressure on the oxidant electrode side by a third predetermined pressure or more, the pressure on the fuel electrode side becomes extremely lower than that on the oxidant electrode side after the system shutdown process. This is because it can be prevented.
酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第1所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合(ST15:YES)、メイン制御部31は、コンプレッサ21を停止させる(ST16)。そして、メイン制御部31は、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じ(ST17)、メイン制御部31は、所定時間だけ電流を取り出す(ST18)。その後、図3に示す処理は終了することとなる。なお、第1実施形態と同様に、図3のステップST17において、メイン制御部31は、空気系入口弁23をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁24を閉じることが望ましい。
When it is determined that the pressure on the oxidizer electrode side is higher than the atmospheric pressure by a first predetermined pressure or more (ST15: YES), the
このようにして、第2実施形態に係る燃料電池システムによれば、第1実施形態と同様に、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間および停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。また、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を一層抑制することができ、空気を供給しながら電流を取り出すことにならず、停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。また、空気系入口弁23を先に閉じることで、圧力の過度の上昇を防止することができ、大気圧を適切に設定することができる。
Thus, according to the fuel cell system according to the second embodiment, similarly to the first embodiment, the decrease in the deterioration suppressing effect at the time of starting the fuel cell system is suppressed, and the start time and the stop time are unnecessarily long. Can be prevented. In addition, it is possible to further suppress the inflow of outside air to the oxidizer electrode side when the system is stopped, to prevent the current from being taken out while supplying air, and to prevent the stop time from becoming unnecessarily long. Can do. Further, by closing the air
さらに、第2実施形態によれば、システム停止時に、水素を供給して燃料極側の圧力を大気圧よりも第2所定圧力以上高い圧力とし、その後、空気系入口弁23および空気系出口弁を閉じ、これら弁23,24を閉じた後に電流を取り出す。このため、電流を取り出す前の燃料極側の圧力は大気圧よりも高くなる。故に、圧力を高めることなく電流を取り出す場合と比較して、停止処理完了後の燃料極側の圧力を高くすることができる。これにより、酸化剤極側から燃料極側へのガス拡散を促進することとなり、酸化剤極側の圧力低下を一層防止することができる。従って、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を一層抑制することができる。
Furthermore, according to the second embodiment, when the system is stopped, hydrogen is supplied to make the pressure on the fuel electrode side higher than the atmospheric pressure by a second predetermined pressure or more, and then the air
また、電流取出によるガスの消費量は、水素の方が酸素よりも2倍近く消費することとなる。このため、酸化剤極側の圧力よりも燃料極側の圧力を第3所定圧力以上高くすることで、システム停止処理後に燃料極側の方が酸化剤極側よりも極端に圧力が低くなってしまうことを防止することができる。 In addition, the amount of gas consumed by current extraction is almost twice that of oxygen than that of oxygen. For this reason, by making the pressure on the fuel electrode side higher than the pressure on the oxidant electrode side by a third predetermined pressure or more, the pressure on the fuel electrode side becomes extremely lower than that on the oxidant electrode side after the system shutdown process. Can be prevented.
また、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第2所定圧力を設定しているため、燃料極側は電流取出終了後には大気圧よりも高くなり、燃料極側から酸化剤極側へのガス拡散が促進され、酸化剤極側への外気の流入を防止することができる。 Further, since the second predetermined pressure is set so that the pressure on the fuel electrode side becomes higher than the atmospheric pressure after the current extraction is finished, the fuel electrode side becomes higher than the atmospheric pressure after the current extraction is finished, and the fuel electrode side Diffusion to the oxidant electrode side is promoted, and inflow of outside air to the oxidant electrode side can be prevented.
また、燃料極側の温度が高くなるほど第2所定圧力を高めに設定するため、燃料極側の温度を加味して適切に第2所定圧力を設定することができる。 Further, since the second predetermined pressure is set higher as the temperature on the fuel electrode side becomes higher, the second predetermined pressure can be appropriately set in consideration of the temperature on the fuel electrode side.
次に、本発明の第3実施形態を説明する。第3実施形態に係る燃料電池システムは、第1実施形態のものと同様であるが、処理内容が第1実施形態のものと一部異なっている。以下、第1実施形態との相違点を説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but the processing content is partially different from that of the first embodiment. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
図4は、第3実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図4に示す処理の開始時において、水素調圧弁13は所定開度で開いており、パージ弁16は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ14およびコンプレッサ21は作動しており、空気調圧弁22は漏れ量を小さくする(換言すれば圧力上昇する)ため閉じ勝手な状態であり、空気系入口弁23および空気系出口弁24は開いているものとする。
FIG. 4 is a flowchart showing an operation when the fuel cell system according to the third embodiment is stopped. It is assumed that at the start of the process shown in FIG. 4, the hydrogen
同図に示すように、燃料電池システムの停止時においてメイン制御部31は、まず、大気圧センサ37により大気圧を検出し、ステップST22以降の処理に用いる大気圧を設定する(ST21)。詳細は第1実施形態と同様である。
As shown in the figure, when the fuel cell system is stopped, the
次いで、メイン制御部31は、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなったか否かを判断する(ST22)。酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなっていないと判断した場合(ST22:NO)、大気圧よりも高くなったと判断されるまで、この処理が繰り返される。なお、ステップST22において、コンプレッサ21は作動し、空気調圧弁22は閉じられているため、第1実施形態と同様に、酸化剤極側の圧力は上昇していくこととなる。
Next, the
一方、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなったと判断した場合(ST22:YES)、メイン制御部31は、コンプレッサ21の停止指令を行う(ST23)。ここで、第3実施形態ではコンプレッサ21が正常に停止したか否かを判断するようになっている。すなわち、メイン制御部31は、停止指令を行った後、空気圧力センサ33からの信号に基づいて、酸化剤極側の圧力が低下しつつあるか否かを判断する(ST24)。ステップST24において空気調圧弁22は閉じられている。このため、コンプレッサ21が正常に停止した場合、空気調圧弁22の僅かな隙間等から酸化剤極側のガスが流出して酸化剤極側の圧力は低下していくはずである。このため、酸化剤極側の圧力が低下していないと判断した場合(ST24:NO)、処理はステップST23に戻り、メイン制御部31は再度コンプレッサ21の停止指令を行う。
On the other hand, when determining that the pressure on the oxidizer electrode side has become higher than the atmospheric pressure (ST22: YES), the
他方、酸化剤極側の圧力が低下しつつあると判断した場合(ST24:YES)、メイン制御部31は、コンプレッサ21が正常に停止したと判断する。そして、メイン制御部31は、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じる(ST25)。
On the other hand, when it is determined that the pressure on the oxidizer electrode side is decreasing (ST24: YES), the
その後、メイン制御部31は、燃料極側の圧力が大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力であるか否かを判断する(ST26)。燃料極側の圧力が大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合(ST26:NO)、大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。なお、ステップST26において、水素調圧弁13は開けられており、パージ弁16は閉じられている。このため、ステップST26において「NO」と判断されて処理が繰り返される間、燃料極側の圧力は上昇していくこととなる。このように、燃料極側を大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力とすることで、たとえ酸化剤極側が略大気圧であっても、燃料極側からのガス透過により酸化剤極側の圧力を高めることができる。これにより、酸化剤極側への外気流入を防止するようにしている。
Thereafter, the
また、メイン制御部31は、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第4所定圧力を設定することが望ましい。燃料極側が大気圧よりも高くなければ酸化剤極側を大気圧よりも高くできないからである。また、本実施形態では水素温度センサ36を備えているため、メイン制御部31は、水素温度センサ36により検出された温度が高くなるほど、第4所定圧力を高くすることが望ましい。正確性向上のためである。
In addition, it is desirable that the
燃料極側の圧力が大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合(ST26:YES)、メイン制御部31は、水素調圧弁13を閉じ(ST13)、水素循環ポンプ14を停止させる(ST27)。その後、メイン制御部31は、所定時間だけ電流を取り出す(ST28)。そして、図4に示す処理は終了することとなる。なお、第1実施形態と同様に、図4のステップST25において、メイン制御部31は、空気系入口弁23をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁24を閉じることが望ましい。
When it is determined that the pressure on the fuel electrode side is a pressure higher than the atmospheric pressure by a fourth predetermined pressure or more (ST26: YES), the
このようにして、第3実施形態に係る燃料電池システムによれば、第1実施形態と同様に、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間および停止時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。また、空気系入口弁23および空気系出口弁24を閉じる場合、空気系入口弁23をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁24を閉じるため、圧力の過度の上昇を防止することができる。また、メイン制御部31は、標準大気圧(例えば1atm)又は検出した大気圧の平均値を、大気圧として設定する。ここで、検出した大気圧の平均値を用いた場合、大気圧として用いる値が急激に変化することなく、1回の検出ミスによる大気圧の急変を防止できる。さらに、標準大気圧を大気圧として用いる場合、大気圧センサ37の故障等が発生したとしても標準大気圧を用いることで、大きな誤差が生じることがない。従って、大気圧を適切に設定することができる。
Thus, according to the fuel cell system according to the third embodiment, similarly to the first embodiment, the decrease in the deterioration suppressing effect at the time of starting the fuel cell system is suppressed, and the start time and the stop time are unnecessarily long. Can be prevented. Further, when the air
さらに、第3実施形態によれば、空気を供給して酸化剤極側の圧力を略大気圧とし、そのうえで電流を取り出すので、消費すべき酸素量を少なくしてシステムの停止時間を短くすることができる。しかも、燃料極側の圧力を大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力としているため、燃料極側から酸化剤極側にガスが拡散して酸化剤極側の圧力が低くなり過ぎることを防止することができる。従って、システムの停止時間を短くしつつ、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を抑制することができる。 Furthermore, according to the third embodiment, air is supplied to set the pressure on the oxidizer electrode side to substantially atmospheric pressure, and then the current is taken out, so that the amount of oxygen to be consumed is reduced and the system shutdown time is shortened. Can do. In addition, since the pressure on the fuel electrode side is higher than the atmospheric pressure by a fourth predetermined pressure or more, gas is prevented from diffusing from the fuel electrode side to the oxidant electrode side and the pressure on the oxidant electrode side being too low. can do. Accordingly, it is possible to suppress the inflow of outside air to the oxidizer electrode side while the system is stopped, while shortening the system stop time.
また、コンプレッサ21による空気供給を停止する場合、空気調圧弁22が閉じられている状態でコンプレッサ21に供給停止指令を行い、空気圧力センサ33により検出された圧力が徐々に低下しているときに、空気供給の停止が正常に行われたと判断する。ここで、空気調圧弁22を閉じてもわずかに空気が外部へ流出する。特に、コンプレッサ21が停止している場合は、新たに空気が供給されることがないため、酸化剤極側の圧力は徐々に低下していく。このため、空気圧力センサ33により検出された圧力が徐々に低下しているときに、コンプレッサ21による空気供給が正常に停止されたと判断することで、コンプレッサ21の確実な停止を検出することができる。
When the air supply by the
また、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第4所定圧力を設定しているため、燃料極側から酸化剤極側へガスが透過し易くなり、酸化剤極側の圧力を大気圧よりも高めることが可能となる。従って、酸化剤極側への外気の流入を抑制することができる。 In addition, since the fourth predetermined pressure is set so that the pressure on the fuel electrode side becomes higher than the atmospheric pressure after the current extraction is completed, gas easily permeates from the fuel electrode side to the oxidant electrode side. It becomes possible to raise the pressure on the side above atmospheric pressure. Therefore, the inflow of outside air to the oxidant electrode side can be suppressed.
また、燃料極側の温度が高くなるほど第4所定圧力を高めに設定するため、燃料極側の温度を加味して適切に第4所定圧力を設定することができる。 Further, since the fourth predetermined pressure is set higher as the temperature on the fuel electrode side becomes higher, the fourth predetermined pressure can be appropriately set in consideration of the temperature on the fuel electrode side.
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記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で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせてもよい。例えば、空気系入口弁23および空気系出口弁24はそれぞれ1つに限らず、複数個備え付けられていてもよい。
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, You may add a change in the range which does not deviate from the meaning of this invention, and combines each embodiment. Also good. For example, the air
1…燃料電池スタック
3…制御装置
10…水素系
11…燃料タンク(燃料ガス供給手段)
12…水素供給弁
13…水素調圧弁
14…水素循環ポンプ
15…エゼクタ
16…パージ弁
20…空気系
21…コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)
22…空気調圧弁(圧力調整弁)
23…空気系入口弁(規制弁)
24…空気系出口弁(規制弁)
30…電流取出部(負荷取出手段)
31…メイン制御部(制御手段)
32…電圧センサ
33…空気圧力センサ(圧力検出手段)
34…水素圧力センサ
35…空気温度センサ(酸化剤極側温度検出手段)
36…水素温度センサ(燃料極側温度検出手段)
L10…水素供給流路
L11…水素循環流路
L12…水素排出流路
L20…空気供給流路
L21…空気排出流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 3 ...
DESCRIPTION OF
22 ... Air pressure regulating valve (pressure regulating valve)
23 ... Air system inlet valve (regulator valve)
24 ... Air system outlet valve (regulator valve)
30 ... Current extraction part (load extraction means)
31 ... Main control section (control means)
32 ...
34 ...
36 ... Hydrogen temperature sensor (Fuel electrode side temperature detection means)
L10 ... Hydrogen supply flow path L11 ... Hydrogen circulation flow path L12 ... Hydrogen discharge flow path L20 ... Air supply flow path L21 ... Air discharge flow path
Claims (5)
前記燃料電池スタックの酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの酸化剤極側の上流及び下流に設けられ、弁閉されることで酸化剤極側への外気の流入を規制する規制弁と、
前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックから電流を取り出すときの電流値又は前記燃料電池スタックから電流を取り出す際の電圧値を制御する負荷取出手段と、
前記規制弁の開閉および前記負荷取出手段の電流の取り出しを制御する制御手段と、
前記燃料電池スタックの酸化剤極側下流に設けられ、開度を調整することにより酸化剤極側の圧力を制御する圧力調整弁と、
前記酸化剤極側の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、
前記制御手段は、システム停止時に、前記酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスを供給して酸化剤極側の圧力を大気圧以上とし、前記圧力調整弁が閉じられている状態で前記酸化剤ガス供給手段に供給停止指令を行い、前記圧力検出手段により検出された圧力が徐々に低下しているときに、酸化剤ガス供給の停止が正常に行われたと判断し、その後、前記規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に前記燃料ガス供給手段からの燃料ガス供給により燃料極側の圧力を大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力とし、燃料極側の圧力を大気圧よりも第4所定圧力以上高い圧力とした後に前記負荷取出手段を作動させて電流を取り出す
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack having a fuel electrode supplied with a fuel gas and an oxidizer electrode supplied with an oxidant gas, and generating power by reacting the fuel gas and the oxidant gas;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode side of the fuel cell stack;
A regulating valve that is provided upstream and downstream of the oxidant electrode side of the fuel cell stack and regulates the inflow of outside air to the oxidant electrode side by closing the valve;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode side of the fuel cell stack;
Load extraction means for controlling a current value when extracting current from the fuel cell stack or a voltage value when extracting current from the fuel cell stack;
Control means for controlling the opening and closing of the restriction valve and the extraction of the current of the load take-out means;
A pressure regulating valve that is provided downstream of the fuel cell stack on the oxidant electrode side and controls the pressure on the oxidant electrode side by adjusting the opening;
Pressure detecting means for detecting the pressure on the oxidant electrode side,
The control means supplies the oxidant gas from the oxidant gas supply means when the system is stopped to set the pressure on the oxidant electrode side to atmospheric pressure or higher, and the oxidant gas is in a state where the pressure regulating valve is closed. A supply stop command is issued to the supply means, and when the pressure detected by the pressure detection means is gradually decreasing, it is determined that the oxidant gas supply has been normally stopped, and then the restriction valve is closed. After the restriction valve is closed, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply means so that the pressure on the fuel electrode side is set to a pressure higher than the atmospheric pressure by a fourth predetermined pressure or more, and the pressure on the fuel electrode side is set to be higher than the atmospheric pressure. A fuel cell system, wherein the current is taken out by operating the load take-out means after setting the pressure to be higher than a predetermined pressure.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 , wherein the control means sets the fourth predetermined pressure so that the pressure on the fuel electrode side becomes higher than the atmospheric pressure at the end of current extraction.
前記制御手段は、前記燃料極側温度検出手段により検出された温度が高くなるほど、前記第4所定圧力を高めに設定する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 A fuel electrode side temperature detecting means for detecting a temperature of the fuel electrode side of the fuel cell stack;
The fuel cell system according to claim 2 , wherein the control means sets the fourth predetermined pressure higher as the temperature detected by the fuel electrode side temperature detection means becomes higher.
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 Wherein, to close the regulating valve, close the valve of the oxidant electrode side upstream ahead, any of claims 1 to 3, characterized in that subsequently closing the valve of the oxidant electrode side downstream The fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein the control means sets the atmospheric pressure to a standard atmospheric pressure or an average value of detected atmospheric pressures.
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