JP6126974B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、前記課題を解決するための手段として、第2の本発明は、電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体に給排される反応ガスが通流する内部反応ガス流路と、を有する燃料電池と、前記内部反応ガス流路に滞留する滞留水の現在の量である実滞留水量を検出若しくは推定する滞留水量把握手段と、前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、を備え、前記発電制御手段は、通常時モード、通常時乾燥モード、停止時乾燥モードを有し、前記通常時モードは、要求負荷に対応して前記燃料電池を通常に発電させるモードであり、前記通常時乾燥モードは、実滞留水量がフラッディングの発生するフラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、前記停止時乾燥モードは、システム停止指令の検知時において実滞留水量が前記フラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時乾燥モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、前記発電制御手段は、前記停止時乾燥モードにおいて、前記燃料電池を通流する酸化剤ガスの圧力を、前記通常時乾燥モードよりも高くする
ことを特徴とする燃料電池システムである。
また、前記課題を解決するための手段として、第3の本発明は、電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体に給排される反応ガスが通流する内部反応ガス流路と、を有する燃料電池と、前記内部反応ガス流路に滞留する滞留水の現在の量である実滞留水量を検出若しくは推定する滞留水量把握手段と、前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、を備え、前記発電制御手段は、通常時モード、通常時乾燥モード、停止時乾燥モードを有し、前記通常時モードは、要求負荷に対応して前記燃料電池を通常に発電させるモードであり、前記通常時乾燥モードは、実滞留水量がフラッディングの発生するフラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、前記停止時乾燥モードは、システム停止指令の検知時において実滞留水量が前記フラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時乾燥モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、前記発電制御手段は、前記停止時乾燥モードにおいて前記燃料電池を通流する酸化剤ガスの流量を、前記通常時乾燥モードよりも増加することを特徴とする燃料電池システムである。
なお、反応ガスは、水素等の燃料ガスと、酸素を含む空気等の酸化剤ガスとに大別される。そして、内部反応ガス流路は、燃料ガスの通流する内部燃料ガス流路と、酸化剤ガスの通流する内部酸化剤ガス流路とに大別される。
言い換えると、通常時乾燥モードの目標水分量は、停止時乾燥モードの目標水分量よりも多いので、通常時乾燥モードによる作動時間は停止時乾燥モードよりも短くなり、通常乾燥モードでの作動に要するエネルギを、停止時乾燥モードよりも少なくできる。
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を経由するように冷媒を循環させる冷媒系と、燃料電池スタック10の発電電力(出力)を消費する電力消費系と、これらを電子制御するECU70(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内部カソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス貯蔵手段)と、常閉型の遮断弁22と、インジェクタ23(循環量制御手段)と、エゼクタ24と、気液分離器25と、循環ポンプ26(循環量制御手段)と、常閉型のパージ弁27と、常閉型のドレン弁28と、圧力センサ29と、を備えている。
なお、ECU70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、常閉型のバイパス弁33と、常開型の背圧弁34と、希釈器35と、流量センサ36と、圧力センサ37と、を備えている。
冷媒系は、冷媒ポンプ41と、ラジエータ42(放熱器)と、サーモスタット43と、を備えている。
電力消費系は、モータ51と、電力制御器52と、バッテリ53と、を備えている。
モータ51は、電力制御器52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。バッテリ53は、電力制御器52に接続されている。なお、モータ51と電力制御器52との間にインバータ(PDU:Power Drive Unit)が設けられており、電力制御器52と燃料電池スタック10との間にコンタクタ(ON/OFFスイッチ)が設けられている。
IG61は、燃料電池車(燃料電池システム1)の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。IG61は、ECU70と接続されており、ECU70は、IG61のON信号/OFF信号を検知するようになっている。
ECU70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、ECU70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。
ECU70(滞留水量把握手段)は、燃料電池スタック10内の現在の滞留水量(実滞留水量)を算出(推定)する機能を備えている。燃料電池スタック10内の滞留水は、内部アノード流路12に滞留する滞留水と、内部カソード流路13に滞留する滞留水とを含む。
ECU70(フラッディング判定手段)は、燃料電池スタック10において現在フラッディングが発生しているか否か判定する機能を備えている。
ECU70(発電制御手段)は、燃料電池システム1を、通常時第1モード(通常時モード)、通常時第2モード(通常時乾燥モード)、停止時第1モード(停止時モード)、停止時第2モード(停止時乾燥モード)、停止時第3モード(停止時乾燥モード)、で運転する機能を備えている。
通常時第1モード、通常時第2モードは、IG61が継続してONされている通常時に選択されるモードである。
通常時第1モードは、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生していない場合に選択されるモードである(図2、S102参照)。通常時第1モードでは、アクセル開度に対応して、水素、空気が通常に供給され、アクセル開度(要求負荷)に対応して燃料電池スタック10を通常に発電させるモードである。
通常時第2モードは、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生している場合に選択されるモードである。通常時第2モードは、フラッディングが発生しているので、通常時第1モードよりも滞留水が排出され、燃料電池スタック10の乾燥が促進されるように設定されている。
燃料電池スタック10の乾燥を促進させる具体的方法として、(1)燃料電池スタック10の温度を上昇させ、滞留水を気化させて、燃料電池スタック10から排出する方法が挙げられる。
また、停止時第2モード、停止時第3モードの目標温度は、通常時第2モードの目標温度よりも高く設定されている。これにより、停止時、滞留水が速やかに気化し、燃料電池スタック10の乾燥が促進されるようになっている。
また、(2)内部アノード流路12の滞留水を排出する方法が挙げられる(図6参照)。具体的には、パージ弁27を連続して開いたり、パージ弁27の開弁頻度を高めたりすることで、内部アノード流路12を通流するアノードガス(燃料ガス)の流量を増加させ、滞留水を速やかに排出する。また、これに代えて又は加えて、循環ポンプ26を駆動させ、またはその回転速度を高め、アノードガスの流量及び圧力を高めてもよい。さらに、これに代えて又は加えて、インジェクタ23による水素の噴射量を増加してもよい。
また、(3)内部カソード流路13の滞留水を排出する方法が挙げられる(図7参照)。具体的には、内部カソード流路13を通流する空気の流量、圧力を高めるために、背圧弁34の開度を小さくしつつ、コンプレッサ31の回転速度を高める。
また、目標カソード圧力は、「通常時第1モード、停止時第1モード」、「通常時第2モード」、「停止時第2モード、停止時第3モード」の順で高くなるように設定される(図7(b)参照)。
また、(4)燃料電池スタック10に供給(導入)される水分を低減する方法が挙げられる。具体的には、バイパス弁33を開き、新規空気がバイパス弁33を通り加湿器32をバイパスすることで、内部カソード流路13に供給される水分は低減される。
停止時第1モード、停止時第2モード、停止時第3モードは、IG61のOFF信号を検知し、燃料電池システム1を停止させるシステム停止時に選択されるモードである。
停止時第1モードは、IG61のOFF時、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生していない場合に選択されるモードである(図3、S202参照)。停止時第1モードは、フラッディングが発生していないので、燃料電池スタック10に水素、空気が通常に供給され、燃料電池スタック10の発電を継続しつつ、滞留水量が停止時第1目標値に到達するまで実行されるようになっている。
そして、このように上限値に設定することで、燃料電池スタック10の自己発熱量が大きくなるうえ、水素流量、空気流量が多くなり、滞留水が早期に排出され易くなっている。
停止時第2モードは、IG61のOFF時、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生し、かつ、燃料電池システム1の次回の起動方式が低温起動でない場合(通常起動である場合)に選択されるモードである。
この他、停止時第2モード、停止時第2モードの実行時間は、事前試験等によって求められた所定時間(例えば3分、図8(b)参照)とすることもできる。これは、停止時第2モード、停止時第2モードの実行時間が長くなるにつれて、滞留水量が0になるのではなく、0よりも多い所定の滞留水量に収束する傾向があるからである。
停止時第3モードは、IG61のOFF時、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生し、かつ、燃料電池システム1の次回の起動方式が低温起動である場合に選択されるモードである。
次に、燃料電池システム1の動作を説明する。
図2を参照して、IG61が継続してONされ、燃料電池システム1が通常に運転する通常時について説明する。
実滞留水量は第1所定値以上でないと判定した場合(S101.No)、ECU70の処理はステップS102に進む。このようにステップS102に進む場合、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生している虞はないと判断される。
ステップS102において、ECU70は、燃料電池システム1を通常時第1モードで運転する。
ステップS111において、ECU70は、燃料電池システム1を通常時第2モードで運転する。これにより、通常時第1モードに対して、燃料電池スタック10の乾燥が促進される。
図3を参照して、IG61がOFFされ、燃料電池システム1が停止する停止時について説明する。なお、IG61がOFFされ、ECU70がIG61のOFF信号(システム停止指令)を検知すると、図3の処理がスタートする。
実滞留水量は第2所定値以上でないと判定した場合(S201.No)、ECU70の処理はステップS202に進む。このようにステップS202に進む場合、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生している虞はないと判断される。
ステップS202において、ECU70は、燃料電池システム1を停止時第1モードで運転する。
ただし、ステップS202(停止時第1モード)、ステップS203を省略し、ステップS201・Noの後、ステップS204に進む構成としてもよい。
具体的には、ECU70は、遮断弁22を閉じ、循環ポンプ26、コンプレッサ31及び冷媒ポンプ41を停止した後、電力制御器を制御して燃料電池スタック10の発電電力を0(W)にする。
次回低温起動でないと判定した場合(S211・No)、ECU70の処理はステップS212に進む。
ステップS212において、ECU70は、燃料電池システム1を停止時第2モードで運転する。
ステップS214において、ECU70は、燃料電池システム1を停止時第3モードで運転する。
燃料電池システム1によれば次の効果を得る。
図9に示すように、高負荷発電中にIG61がOFFされた場合において、フラッディングの虞があると判定されるとき(図3、S201・Yes)、停止時第2モード又は停止時第3モードでシステムを運転させ、燃料電池スタック10の発電を継続するので、滞留水を早期に排出できる。すなわち、掃気ガス供給ポンプ等を備えない簡易な構成であって、IG61がOFF後に、燃料電池スタック10の発電を継続させることにより、滞留水を低減できる。これにより、システム停止中、燃料電池スタック10が凍結することはない。また、次回システム起動時、滞留水により燃料電池スタック10の暖機が遅れることはない。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
12 内部アノード流路(内部反応ガス流路)
13 内部カソード流路(内部反応ガス流路)
21a、22a、23a、24a 配管(燃料ガス供給流路)
23 インジェクタ(循環量制御手段)
25a、25b、26a 配管(燃料ガス循環流路)
26 循環ポンプ(循環量制御手段)
27 パージ弁(排出弁)
27a 配管(燃料ガス排出流路)
52 電力制御器(発電制御手段)
61 IG
70 ECU(滞留水量把握手段、発電制御手段)
Claims (9)
- 電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体に給排される反応ガスが通流する内部反応ガス流路と、を有する燃料電池と、
前記内部反応ガス流路に滞留する滞留水の現在の量である実滞留水量を検出若しくは推定する滞留水量把握手段と、
前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、
を備え、
前記発電制御手段は、通常時モード、通常時乾燥モード、停止時乾燥モードを有し、
前記通常時モードは、要求負荷に対応して前記燃料電池を通常に発電させるモードであり、
前記通常時乾燥モードは、実滞留水量がフラッディングの発生するフラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、
前記停止時乾燥モードは、システム停止指令の検知時において実滞留水量が前記フラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時乾燥モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、
前記発電制御手段は、前記停止時乾燥モードにおいて、前記燃料電池の温度を前記通常時乾燥モードよりも高くする
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体に給排される反応ガスが通流する内部反応ガス流路と、を有する燃料電池と、
前記内部反応ガス流路に滞留する滞留水の現在の量である実滞留水量を検出若しくは推定する滞留水量把握手段と、
前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、
を備え、
前記発電制御手段は、通常時モード、通常時乾燥モード、停止時乾燥モードを有し、
前記通常時モードは、要求負荷に対応して前記燃料電池を通常に発電させるモードであり、
前記通常時乾燥モードは、実滞留水量がフラッディングの発生するフラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、
前記停止時乾燥モードは、システム停止指令の検知時において実滞留水量が前記フラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時乾燥モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、
前記発電制御手段は、前記停止時乾燥モードにおいて、前記燃料電池を通流する酸化剤ガスの圧力を、前記通常時乾燥モードよりも高くする
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体に給排される反応ガスが通流する内部反応ガス流路と、を有する燃料電池と、
前記内部反応ガス流路に滞留する滞留水の現在の量である実滞留水量を検出若しくは推定する滞留水量把握手段と、
前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、
を備え、
前記発電制御手段は、通常時モード、通常時乾燥モード、停止時乾燥モードを有し、
前記通常時モードは、要求負荷に対応して前記燃料電池を通常に発電させるモードであり、
前記通常時乾燥モードは、実滞留水量がフラッディングの発生するフラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、
前記停止時乾燥モードは、システム停止指令の検知時において実滞留水量が前記フラッディング閾値以上である場合、実滞留水量が目標滞留水量に低減するまで前記通常時乾燥モードよりも前記燃料電池を乾燥させつつ発電させるモードであり、
前記発電制御手段は、前記停止時乾燥モードにおいて前記燃料電池を通流する酸化剤ガスの流量を、前記通常時乾燥モードよりも増加する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池から排出された燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
前記燃料ガス循環流路を循環する燃料ガスの循環量を制御する循環量制御手段と、
を備え、
前記発電制御手段は、前記通常時乾燥モード及び前記停止時乾燥モードにおいて、前記循環量制御手段により燃料ガスの循環量を増加させる
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。 - 前記発電制御手段は、前記通常時乾燥モード及び前記停止時乾燥モードにおいて、前記燃料電池を通流する燃料ガスの流量を増加する
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。 - 前記発電制御手段は、前記停止時乾燥モードにおいて、前記燃料電池の電流値を、車両の停止状態において消費可能な停止時電流値とする
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記停止時乾燥モードの目標水分量は、前記通常時乾燥モードの目標水分量よりも少ない
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - システム停止指令を検知した場合において次回システム起動が低温起動であると予測したときの目標水分量は、低温起動でないと予測されるときよりも少ない
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガスが貯蔵された燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料ガス貯蔵手段から前記燃料電池に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池からの燃料ガスが通流する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス供給流路及び前記燃料ガス排出流路を接続し燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス排出流路のガスを外部に排出する排出弁と、を有するアノード系を備え、
前記滞留水量把握手段は、前記アノード系に滞留するアノード系滞留水の量も検出若しくは推定し、
前記アノード系滞留水の量に基づいて、前記アノード系に水が多量に滞留していると判断される場合、前記発電制御手段は、通常時乾燥モード又は停止時乾燥モードを実行する
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。
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