JP7450653B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP7450653B2 JP7450653B2 JP2022016843A JP2022016843A JP7450653B2 JP 7450653 B2 JP7450653 B2 JP 7450653B2 JP 2022016843 A JP2022016843 A JP 2022016843A JP 2022016843 A JP2022016843 A JP 2022016843A JP 7450653 B2 JP7450653 B2 JP 7450653B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- valve
- fuel cell
- gas
- electric valve
- control device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 95
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 88
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 59
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 48
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 24
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 10
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 7
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 20
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 20
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 17
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 11
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 10
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 6
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04253—Means for solving freezing problems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
この発明は、移動体等に搭載される燃料電池システムに関する。
近年、燃料電池は、様々な分野で注目されている。例えば、燃料電池が搭載された燃料電池自動車がある。燃料電池自動車は、燃料電池における電気化学反応によって発電した電力を利用して電動機を駆動することにより走行する。このため、ガソリン車のようにＣＯ２、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の排出がなく水を排出するだけであり、環境にやさしい。燃料電池は、自動車以外に、船舶、航空機、ロボット等の他の移動体に搭載され得る。
燃料電池を発電させるための燃料電池システムには各種の弁が用いられる。燃料電池システムが寒冷地等で使用されると、凍結によって弁が固着する可能性がある。下記の特許文献には、弁の開度を増大させる向きのトルクと、弁の開度を減少させる向きのトルクとを交互に弁に発生させることで、弁の凍結状態を解消させる手法が開示されている。
しかし、凍結状態が強固である場合、上記の特許文献の手法では、凍結状態を解消できない可能性がある。この場合、弁に強いトルクを与えれば、当該凍結状態を解消させることが可能であると考えられる。
弁に強いトルクを与える場合、弁を駆動するための駆動電圧の昇圧が必要となる。このため、電源の劣化を促進することが懸念される。したがって、電源の劣化の促進を抑えつつ、凍結状態を解消させることが求められる。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給流路と、前記酸化剤供給流路に設けられる電動弁と、を有する燃料電池システムであって、第１電圧と、前記第１電圧よりも高い第２電圧との一方を前記電動弁に出力する電源装置と、前記電動弁の開閉状態を検出するセンサと、前記電源装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの発電始動時に、前記第１電圧を前記電源装置に出力させて前記電動弁を開方向に駆動する第１弁駆動動作を実行し、前記第１弁駆動動作が実行されても前記電動弁が閉状態の場合は、前記第２電圧を前記電源装置に出力させて前記電動弁を開方向に駆動する第２弁駆動動作を実行する。
本発明の態様によれば、第１弁駆動動作を実行しない場合に比べて、電源装置の劣化の促進を抑制するとともに、電動弁の消費電力を低減することができる。また、第２弁駆動動作が実行されることで、電動弁が比較的に強い凍結状態であってもその凍結状態を解消させることができる。その結果、電源の劣化の促進を抑えつつ、凍結状態を解消させることができる。
図１は、実施形態による燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう）１８と、水素タンク２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、を有する。
燃料電池スタック１８は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。燃料ガスとして、水素ガスが挙げられる。酸化剤ガスとして、酸素ガスを含有する空気等が挙げられる。
燃料電池スタック１８には、複数の発電セル５０が積層される。発電セル５０は、電解質膜・電極構造体５２と、該電解質膜・電極構造体５２を挟持するセパレータ５３、５４とを備える。
電解質膜・電極構造体５２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５５と、前記固体高分子電解質膜５５を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５７とを備える。
カソード電極５６及びアノード電極５７は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。ガス拡散層の表面に、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５５の両面に形成される。
一方のセパレータ５３の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１０１と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）５８が形成される。
他方のセパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には、燃料ガス入口連通口１０３と燃料ガス出口連通口１０４とを連通するアノード流路（燃料ガス流路）５９が形成される。
アノード電極５７では、燃料ガス（水素）が供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、該水素イオンが固体高分子電解質膜５５を透過してカソード電極５６に移動する一方、水素分子から電子が解放される。水素分子から解放された電子は、正極端子を介してカソード電極５６に移動する。
カソード電極５６では、触媒の作用によって前記水素イオン及び前記電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
酸化剤ガス供給装置２２は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１８に供給する。酸化剤ガス供給装置２２には、コンプレッサ（ＣＰ）２８及び加湿器（ＨＵＭ）３０が含まれる。
コンプレッサ２８は、機械式の過給器等で構成され、外気取入口１１３から外気（大気、空気）を吸引して加圧し、加湿器３０を通じて燃料電池スタック１８に供給する等の機能を有する。
加湿器３０は、流路３１Ａと流路３１Ｂとを有する。流路３１Ａには、コンプレッサ２８により圧縮され高温化されて乾燥した空気（酸化剤ガス）が流通する。流路３１Ｂには、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通口１０２から排出される排出ガスが流通する。
ここで、前記排出ガスは、ブリード弁７０の閉弁時には、湿潤な酸化剤オフガス（湿潤なカソードオフガス、湿潤な酸化剤排ガス）とされ、ブリード弁７０の開弁時には、前記湿潤な酸化剤オフガスと燃料オフガス（アノードオフガス、燃料排ガス）が混合された湿潤な排出ガス（オフガス）が流通する。
加湿器３０は、コンプレッサ２８から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器３０は、前記排出ガス（オフガス）中に含まれる水分を、流路３１Ｂから内部の多孔質膜を介して流路３１Ａに流通する供給ガス（酸化剤ガス）に移動させて加湿し、加湿した酸化剤ガスを燃料電池スタック１８に供給する。
外気取入口１１３から酸化剤ガス入口連通口１０１までの酸化剤供給流路６０（酸化剤供給流路６０Ａ、６０Ｂを含む）には、外気取入口１１３から順に遮断弁１１４、エアフローセンサ（ＡＦＳ：流量センサ）１１６、コンプレッサ２８、供給側封止弁１１８及び加湿器３０が設けられている。なお、二重線で描いている酸化剤供給流路６０等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。
遮断弁１１４は、酸化剤供給流路６０への空気の取り入れを解放又は遮断するために開閉される。
エアフローセンサ１１６は、コンプレッサ２８を通じて燃料電池スタック１８に供給される酸化剤ガスの流量を計測する。
供給側封止弁１１８は、酸化剤供給流路６０Ａを開閉する。
外気取入口１１３には、外気温度を検出（測定）する温度センサ７３が設けられている。
酸化剤ガス出口連通口１０２に連通する酸化剤排出流路６２には、酸化剤ガス出口連通口１０２から順に加湿器３０及び背圧弁としても機能する排出側封止弁１２０が設けられている。
供給側封止弁１１８の吸入口と排出側封止弁１２０の吐出口との間には、酸化剤供給流路６０と酸化剤排出流路６２とを連通するバイパス流路６４が設けられている。バイパス流路６４は、燃料電池スタック１８をバイパスするため、酸化剤供給流路６０と酸化剤排出流路６２とに接続される。バイパス流路６４には、バイパス流路６４を開閉するバイパス弁１２２が設けられている。バイパス弁１２２は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。
水素タンク２０は、電磁作動式の遮断弁を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。燃料ガス供給装置２４は、水素タンク２０から供給される燃料ガスを燃料電池スタック１８に供給する。燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、エジェクタ３４及び気液分離器３６が含まれる。インジェクタ３２は、減圧弁に代替してもよい。
水素タンク２０から吐出される燃料ガスは、燃料供給流路７２に設けられたインジェクタ３２及びエジェクタ３４を通じ、燃料ガス入口連通口１０３を介して燃料電池スタック１８のアノード流路５９の入口に供給される。
アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４及び燃料ガスの燃料排出流路７４を通じて気液分離器３６の入口１５１に連通され、該気液分離器３６にアノード流路５９から水素含有ガスである前記燃料オフガスが供給される。
気液分離器３６は、前記燃料オフガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。燃料オフガスの気体成分（燃料排ガス）は、気液分離器３６の気体排出口１５２から排出され、循環流路７７を通じてエジェクタ３４の吸込口に供給される一方、ブリード弁７０が開弁されたとき、燃料オフガスは、接続流路（連絡流路）７８、ブリード弁７０を介し、酸化剤供給流路６０Ｂにも供給される。
燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３６の液体排出口１６０からドレイン流路１６２を通じ、酸化剤排出流路６２との合流部分ＭＰに供給される。合流部分ＭＰには排出流路９９が接続される。排出流路９９は、酸化剤排出流路６２から供給される酸化剤排ガスと、ドレイン流路１６２から供給される燃料排ガスとを、排ガス排気口１６８を通じて外部に排出する。
実際上、ドレイン流路１６２には、液体成分と共に、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。この燃料オフガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、コンプレッサ２８から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス流路６４を通じて、合流部分ＭＰに供給されている。
燃料オフガスの循環流路７７と酸化剤供給流路６０Ｂを連通する接続流路７８に設けられたブリード弁７０は、次に説明する二つの理由のいずれかにより開閉制御される。
第１に、ブリード弁７０は、燃料電池システム１０が搭載された移動体の移動中に、カソード流路５８に存在する窒素ガスが電解質膜・電極構造体５２を透過してアノード流路５９内の水素濃度を低下させることを原因とするアノード電極５７の劣化を防止するために開弁される（走行中におけるブリード弁７０の第１弁連続開閉制御処理）。
第２に、ブリード弁７０は、燃料電池スタック１８の運転状態がアイドル状態のとき、排ガス排気口１６８から外部に排気される排出ガス中の水素濃度を低減するために開弁される（アイドル状態におけるブリード弁７０の第２弁連続開閉制御処理）。
ブリード弁７０が開弁されると、燃料電池スタック１８から燃料排出流路７４を通じ、気液分離器３６を介して吐出される燃料オフガスを、接続流路７８、酸化剤供給流路６０Ｂ、及び酸化剤ガス入口連通口１０１を介してカソード流路５８に流通させる。
カソード流路５８に流通された燃料オフガス中の燃料ガスは、カソード電極５６での触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。反応しなかった残部の燃料オフガス（窒素ガスと未反応の僅かな水素ガスとからなる）は燃料電池スタック１８から酸化剤オフガスとして排出され、酸化剤排出流路６２に流通する。
酸化剤排出流路６２に流通する酸化剤オフガス（前記反応しなかった残部の燃料オフガスを含む）に、バイパス流路６４を通じて供給された酸化剤ガスが混合されて、酸化剤オフガス中の燃料オフガス（燃料ガスを含む）の濃度が希釈された酸化剤オフガスが、合流部分ＭＰに流通する。
合流部分ＭＰに接続される排出流路９９では、酸化剤排出流路６２からの酸化剤オフガスにより、ドレイン流路１６２から吐出される液水と燃料オフガスの混合流体中の燃料ガスが希釈され、排ガス排気口１６８を通じて外部（大気）に排出される。
なお、前記ブリード弁７０の開口径は、ドレイン流路１６２に設けられるドレイン弁１６４の開口径よりも大きい弁を採用している。この開口径の関係により、仮に、凍結等によりドレイン弁１６４が開いたままの開故障状態となっても、接続流路７８に流入する燃料オフガスの量が、ドレイン弁１６４に流入する燃料オフガスの量よりも大きくなり、結果として、排ガス排気口１６８から排出される燃料ガスの濃度を低下させることができる。
図２は、燃料電池システム１０の一部の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０は、上記の各構成要素に加えて、電源装置２００と、電動弁２０２と、センサ２０４と、制御装置２０６とを有する。
電源装置２００は、制御装置２０６の制御にしたがって、第１電圧と第２電圧との一方を電動弁２０２に出力する。第２電圧は、第１電圧よりも高い電圧である。また、第１電圧及び第２電圧は、直流電圧である。電源装置２００は、電源部２０８と、昇圧部２１０とを有する。
電源部２０８は、第１電圧を昇圧部２１０に出力する。電源部２０８は、燃料電池スタック１８の発電により得られた電力を蓄積するバッテリであってもよい。昇圧部２１０は、ＤＣＤＣコンバータ等により構成され得る。昇圧部２１０は、制御装置２０６の昇圧要求の有無に応じて、第１電圧又は第２電圧を電動弁２０２に出力する。
制御装置２０６の昇圧要求がない場合、昇圧部２１０は、電源部２０８から供給される第１電圧を昇圧することなく、当該第１電圧を電動弁２０２に出力する。制御装置２０６の昇圧要求がある場合、昇圧部２１０は、電源部２０８から供給される第１電圧を昇圧し、昇圧により得られる第２電圧を電動弁２０２に出力する。昇圧部２１０がＤＣＤＣコンバータである場合、昇圧部２１０は、制御装置２０６によるスイッチング制御にしたがって第２電圧を生成する。
電動弁２０２は、本実施形態では、酸化剤供給流路６０Ａに設けられる供給側封止弁１１８である。電動弁２０２は、弁本体部及びモータを有する。弁本体部は、制御装置２０６によるモータの制御によって開弁又は閉弁する。
センサ２０４は、電動弁２０２の開閉状態を検出する。センサ２０４は、電動弁２０２が開状態又は閉状態にあることを示す検出信号を出力する。センサ２０４は、流量センサであってもよい。流量センサは、例えば、電動弁２０２（供給側封止弁１１８）と、加湿器３０との間の酸化剤供給流路６０に流れる酸化剤ガスの流量を計測する。酸化剤ガスの流量が所定の流量閾値以上である場合、流量センサは、電動弁２０２が開状態にあることを示す検出信号を制御装置２０６に出力する。逆に、酸化剤ガスの流量が所定の流量閾値未満である場合、流量センサは、電動弁２０２が閉状態にあることを示す検出信号を制御装置２０６に出力する。
制御装置２０６は、燃料電池システム１０を統括する。制御装置２０６は、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路を有するコンピュータにより構成される。１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）は、メモリに記憶された図示しないプログラムを実行する。
制御装置２０６のプロセッサ（ＣＰＵ）は、前記プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池システム１０の運転制御を行う。
すなわち、制御装置２０６は、燃料電池スタック１８の発電を始動する命令を受けると、水素タンク２０の遮断弁を開放して燃料ガスを燃料電池スタック１８に供給する。その後、電動弁２０２（供給側封止弁１１８）の起動タイミングになると、制御装置２０６は、電動弁２０２を制御する弁制御処理を実行する。
図３は、弁制御処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、制御装置２０６は、電動弁２０２を駆動する弁駆動動作（第１弁駆動動作又は第２弁駆動動作）を実行する。電動弁２０２の起動タイミング直後は、制御装置２０６は、第１弁駆動動作を実行する。この場合、制御装置２０６は、昇圧部２１０に昇圧要求を出力することなく、電動弁２０２への開弁指示の出力を開始する。すなわち、制御装置２０６は、第１電圧を電源装置２００に出力させて電動弁２０２を開方向に駆動し、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２において、制御装置２０６は、電動弁２０２に開弁指示を出力してから所定期間経過した後、センサ２０４から出力される検出信号に基づいて、電動弁２０２の開閉状態を確認する。
ここで、検出信号が、電動弁２０２が開状態にあることを示す場合、制御装置２０６は、弁制御処理を終了する。この場合、制御装置２０６は、電動弁２０２の開状態を維持させながら、燃料電池スタック１８に発電動作を実行させる。すなわち、制御装置２０６は、コンプレッサ２８に駆動電力を供給してコンプレッサ２８を駆動する。また、制御装置２０６は、排出側封止弁１２０を開状態に制御する。さらに、制御装置２０６は、燃料電池スタック１８の温度、電圧及び発電電力のうちの少なくとも１つに基づいて目標発電量を決定し、当該目標発電量に応じて、バイパス弁１２２の開放度を調整する。さらに、制御装置２０６は、気液分離器３６内の水位センサ等に基づいて、ドレイン弁１６４を開状態と閉状態のいずれかに切り替えて、気液分離器３６内の液体成分の量を一定に保つ。
一方、検出信号が、電動弁２０２が閉状態にあることを示す場合、制御装置２０６は、電動弁２０２への開弁指示の出力を停止する。その後、制御装置２０６は、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３において、制御装置２０６は、弁駆動動作を所定回数実行したか否か判定する。弁駆動動作が所定回数実行されていない場合、制御装置２０６は、ステップＳ１に戻る。逆に、弁駆動動作が所定回数実行されている場合、制御装置２０６は、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４において、制御装置２０６は、第２弁駆動動作を実行したか否かを判定する。第２弁駆動動作が実行されていない場合、制御装置２０６は、ステップＳ５に進んで、昇圧部２１０への昇圧要求の出力を開始し、その後、ステップＳ１に戻る。この場合、ステップＳ１において、制御装置２０６は、第２弁駆動動作を実行する。すなわち、制御装置２０６は、第２電圧を電源装置２００に出力させて電動弁２０２を開方向に駆動する。
一方、第２弁駆動動作が実行されている場合、制御装置２０６は、ステップＳ６に進んで、電動弁２０２への電圧（第１電圧及び第２電圧）の出力を停止させた後、弁制御処理を終了する。この場合、制御装置２０６は、燃料電池スタック１８による発電動作を停止させる。すなわち、制御装置２０６は、水素タンク２０の遮断弁を閉じて燃料電池スタック１８への燃料ガスの供給を停止する。
このように、制御装置２０６は、電動弁２０２が開状態になるまで、第１弁駆動動作を所定回数実行する。所定回数の第１弁駆動動作が実行されても電動弁２０２が閉状態の場合、制御装置２０６は、電動弁２０２が開状態になるまで、第２弁駆動動作を所定回数実行する。
図４は、弁制御処理を実行する制御装置２０６の動作タイミングを示すタイミングチャートである。図４では、弁駆動動作を実行する回数が１回である場合の例が示されている。また、図４では、第１弁駆動動作によって電動弁２０２が開状態にならず、第２弁駆動動作によって電動弁２０２が開状態になった場合の例が示されている。
制御装置２０６は、弁制御処理を開始すると、昇圧部２１０に昇圧要求を出力することなく、電動弁２０２への開弁指示の出力を開始する（図４：Ｔ１）。この場合、制御装置２０６は、電動弁２０２に開弁指示を出力したタイミングで、ステータス信号を「動作中」とする（図４：Ｔ２）。ステータス信号は、電動弁２０２のステータスを示す信号である。
電動弁２０２への開弁指示の出力を開始してから所定の出力維持時間が経過しても、電動弁２０２が開状態と検出されない場合、制御装置２０６は、電動弁２０２への開弁指示の出力を停止する（図４：Ｔ３）。この場合、制御装置２０６は、電動弁２０２への開弁指示の出力を停止したタイミングで、ステータス信号を、「動作中」から「失敗」に変更する（図４：Ｔ４）。また、制御装置２０６は、電動弁２０２への開弁指示の出力を停止したタイミングで、昇圧部２１０に昇圧要求を出力する（図４：Ｔ５）。
電動弁２０２への開弁指示の出力を停止から所定の出力停止時間が経過すると、制御装置２０６は、電動弁２０２への開弁指示の出力を再び開始する（図４：Ｔ６）。この場合、制御装置２０６は、開弁指示の出力を再び開始したタイミングで、ステータス信号を、「失敗」から「動作中」に変更する（図４：Ｔ７）。
その後、電動弁２０２が開状態と検出されると、制御装置２０６は、昇圧部２１０への昇圧要求の出力を停止する（図４：Ｔ８）。この場合、制御装置２０６は、昇圧部２１０への昇圧要求の出力を停止したタイミングで、ステータス信号を、「動作中」から「成功」に変更する（図４：Ｔ９）。
このように制御装置２０６は、第１電圧を電源装置２００に出力させて電動弁２０２を開方向に駆動する第１弁駆動動作を実行する。第１弁駆動動作が実行されても電動弁２０２が閉状態の場合、制御装置２０６は、第１電圧よりも高い第２電圧を電源装置２００に出力させて電動弁２０２を開方向に駆動する第２弁駆動動作を実行する。
これにより、第１弁駆動動作を実行しない場合に比べて、電源装置２００の劣化の促進を抑制するとともに、電動弁２０２の消費電力を低減することができる。また、第２弁駆動動作が実行されることで、電動弁２０２が比較的に強い凍結状態であってもその凍結状態を解消させることができる。
本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、制御装置２０６は、温度センサ７３に基づいて、電動弁２０２が凍結しているか否かを判定してもよい。例えば、外気温度が所定の温度閾値を超える場合に、制御装置２０６は、電動弁２０２が凍結していないと判定する。この場合、制御装置２０６は、実施形態で上述したように、第１弁駆動動作を実行した後に、第２弁駆動動作を実行する。一方、外気温度が所定の温度閾値以下である場合、制御装置２０６は、電動弁２０２が凍結していると判定する。この場合、制御装置２０６は、第１弁駆動動作を実行することなく、第２弁駆動動作を実行してもよい。
上記実施形態及び変形例から把握し得る発明及び効果について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には上記実施形態及び変形例で用いた符号を付けているが、該構成要素はその符号を付けたものに限定されない。
（１）本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック（１８）と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給流路（６０）と、前記酸化剤供給流路に設けられる電動弁（２０２（１１８））と、を有する燃料電池システムで（１０）あって、第１電圧と、前記第１電圧よりも高い第２電圧との一方を前記電動弁に出力する電源装置（２００）と、前記電動弁の開閉状態を検出するセンサ（２０４）と、前記電源装置を制御する制御装置（２０６）と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの発電始動時に、前記第１電圧を前記電源装置に出力させて前記電動弁を開方向に駆動する第１弁駆動動作を実行し、前記第１弁駆動動作が実行されても前記電動弁が閉状態の場合は、前記第２電圧を前記電源装置に出力させて前記電動弁を開方向に駆動する第２弁駆動動作を実行する。
これにより、第１弁駆動動作を実行しない場合に比べて、電源装置の劣化の促進を抑制するとともに、電動弁の消費電力を低減することができる。また、第２弁駆動動作が実行されることで、電動弁が比較的に強い凍結状態であってもその凍結状態を解消させることができる。その結果、電源の劣化の促進を抑えつつ、凍結状態を解消させることができる。
（２）本発明は、燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記電動弁が開状態になるまで、前記第１弁駆動動作を所定回数実行し、前記所定回数の前記第１弁駆動動作が実行されても前記電動弁が閉状態の場合は、前記第２弁駆動動作を実行してもよい。これにより、第１弁駆動動作を所定回数実行しない場合に比べて、第２弁駆動動作を実行しなくても電動弁の凍結状態を解消し易い。
（３）本発明は、燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記電動弁が開状態になるまで、前記第２弁駆動動作を所定回数実行してもよい。これにより、第２弁駆動動作を所定回数実行しない場合に比べて、電動弁の凍結状態を解消し易い。
（４）本発明は、燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記第２弁駆動動作が実行されても前記電動弁が閉状態の場合は、前記燃料電池スタックによる発電を停止させてもよい。これにより、電動弁の閉状態によって酸化剤供給流路を介して燃料電池スタックに酸化剤ガスが供給されない状態で、燃料電池スタックの発電が行われることを抑制することができ、その結果、安全性を確実に保持することができる。
１０…燃料電池システム １８…燃料電池スタック
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…燃料ガス供給装置
２８…コンプレッサ ６０、６０Ａ、６０Ｂ…酸化剤供給流路
１１８…供給側封止弁 ２００…電源装置
２０２…電動弁 ２０４…センサ
２０６…制御装置 ２０８…電源部
２１０…昇圧部
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…燃料ガス供給装置
２８…コンプレッサ ６０、６０Ａ、６０Ｂ…酸化剤供給流路
１１８…供給側封止弁 ２００…電源装置
２０２…電動弁 ２０４…センサ
２０６…制御装置 ２０８…電源部
２１０…昇圧部
Claims (4)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給流路と、前記酸化剤供給流路に設けられる電動弁と、を有する燃料電池システムであって、
第１電圧と、前記第１電圧よりも高い第２電圧との一方を前記電動弁に出力する電源装置と、
前記電動弁の開閉状態を検出するセンサと、
前記電源装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記電源装置は、前記第１電圧を出力する電源部と、前記電源部から出力された前記第１電圧を昇圧し、前記昇圧により得られる前記第２電圧を出力する昇圧部とを有し、
前記制御装置は、
前記燃料電池スタックの発電始動時に、前記第１電圧を前記電動弁に出力させて前記電動弁を開方向に駆動する第１弁駆動動作を実行し、前記第１弁駆動動作が実行されても前記電動弁が閉状態の場合は、前記第２電圧を前記電動弁に出力させて前記電動弁を前記開方向に駆動する第２弁駆動動作を実行する、燃料電池システム。 - 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記電動弁が開状態になるまで、前記第１弁駆動動作を所定回数実行し、前記所定回数の前記第１弁駆動動作が実行されても前記電動弁が閉状態の場合は、前記第２弁駆動動作を実行する、燃料電池システム。 - 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記電動弁が開状態になるまで、前記第２弁駆動動作を所定回数実行する、燃料電池システム。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記第２弁駆動動作が実行されても前記電動弁が閉状態の場合は、前記燃料電池スタックによる発電を停止させる、燃料電池システム。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022016843A JP7450653B2 (ja) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 燃料電池システム |
| US18/104,413 US20230253586A1 (en) | 2022-02-07 | 2023-02-01 | Fuel cell system |
| CN202310086776.9A CN116565260A (zh) | 2022-02-07 | 2023-02-01 | 燃料电池系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022016843A JP7450653B2 (ja) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023114513A JP2023114513A (ja) | 2023-08-18 |
| JP7450653B2 true JP7450653B2 (ja) | 2024-03-15 |
Family
ID=87502572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022016843A Active JP7450653B2 (ja) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 燃料電池システム |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230253586A1 (ja) |
| JP (1) | JP7450653B2 (ja) |
| CN (1) | CN116565260A (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004278307A (ja) | 2002-05-24 | 2004-10-07 | Denso Corp | Ｅｇｒ装置 |
| JP2005268051A (ja) | 2004-03-18 | 2005-09-29 | Toyota Motor Corp | 電磁弁の制御装置 |
| JP2005285686A (ja) | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| JP2006038182A (ja) | 2004-07-30 | 2006-02-09 | Tokyo Gas Co Ltd | 遮断弁装置 |
| JP2013125626A (ja) | 2011-12-14 | 2013-06-24 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
| JP2017016741A (ja) | 2015-06-26 | 2017-01-19 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07293355A (ja) * | 1994-04-27 | 1995-11-07 | Unisia Jecs Corp | 内燃機関用絞り弁の制御装置 |
| JP3011043B2 (ja) * | 1995-03-10 | 2000-02-21 | 松下電器産業株式会社 | 流量制御弁 |
-
2022
- 2022-02-07 JP JP2022016843A patent/JP7450653B2/ja active Active
-
2023
- 2023-02-01 CN CN202310086776.9A patent/CN116565260A/zh active Pending
- 2023-02-01 US US18/104,413 patent/US20230253586A1/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004278307A (ja) | 2002-05-24 | 2004-10-07 | Denso Corp | Ｅｇｒ装置 |
| JP2005268051A (ja) | 2004-03-18 | 2005-09-29 | Toyota Motor Corp | 電磁弁の制御装置 |
| JP2005285686A (ja) | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| JP2006038182A (ja) | 2004-07-30 | 2006-02-09 | Tokyo Gas Co Ltd | 遮断弁装置 |
| JP2013125626A (ja) | 2011-12-14 | 2013-06-24 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
| JP2017016741A (ja) | 2015-06-26 | 2017-01-19 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116565260A (zh) | 2023-08-08 |
| US20230253586A1 (en) | 2023-08-10 |
| JP2023114513A (ja) | 2023-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8691460B2 (en) | Method of stopping operation of fuel cell system | |
| JP7382428B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| US10109872B2 (en) | Fuel cell system activation method and fuel cell system | |
| JP2008109807A (ja) | 燃料電池車両 | |
| JP5098191B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP5596744B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2008181768A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP7450653B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP7441880B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP7382427B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP7434399B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP7506786B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP7512338B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| CN116895797B (zh) | 燃料电池系统 | |
| JP7441871B2 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの振動ノイズ低減方法 | |
| JP7441876B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| US20240222664A1 (en) | Fuel cell flushing system and method therefor | |
| US20230290981A1 (en) | Fuel cell system | |
| JP2024139711A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2012252796A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220928 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20231013 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231031 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231124 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240206 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240305 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7450653 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |