JP4753682B2 - Fuel cell system and scavenging method in the system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムの発電停止時又は発電停止後に、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の少なくとも一方を空気等の掃気ガスにより掃気可能な燃料電池システム及び該システムにおける掃気処理方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system capable of scavenging at least one of a fuel gas channel and an oxidant gas channel with a scavenging gas such as air when power generation is stopped or after power generation is stopped, and a scavenging treatment method in the system. .
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極(燃料極)及びカソード電極(酸化剤極)を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode) are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, While being held by the separator, a fuel gas flow path is formed between the anode electrode and the separator, and an oxidant gas flow path is formed between the cathode electrode and the separator. This fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。水分は、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因としてアノード電極にも貯留される。 In a fuel cell, a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, supplied to an anode electrode through a fuel gas channel is hydrogen ionized on an electrode catalyst and moves to a cathode electrode through an appropriately humidified electrolyte membrane. The electrons generated during the movement are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the oxidant gas, for example, oxygen-containing gas such as air, is supplied to the cathode electrode through the oxidant gas flow path, the hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react with each other at the cathode electrode. Is generated. Moisture is also stored in the anode electrode due to reverse diffusion from the cathode side or high humidity of the fuel gas.
水分がいずれかの電極において過多状態になると、水詰まり状態を起こすことがあり、そこで、このような燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転停止時に、次回の起動性確保のために、カソード電極ばかりではなくアノード電極にも酸化剤ガスを流通させ、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を除去するアノード・カソード両電極側掃気処理技術が提案されている(特許文献1参照)。 If water is excessive in any of the electrodes, a water clogging state may occur. Therefore, in such a fuel cell system, when the fuel cell system is shut down, the cathode electrode is secured in order to ensure the next startability. In addition to the anode electrode and the cathode scavenging treatment technology, which circulates the oxidant gas not only to the anode electrode but also removes the generated water adhering to the electrolyte membrane, electrode structure and separator in the fuel cell, has been proposed. (See Patent Document 1).
ところで、このアノード・カソード両電極側掃気処理技術では、液滴を除去するために、酸化剤ガスの風量を大流量としている。このため、掃気処理時には、酸化剤ガス、例えば空気を吐出するエアコンプレッサの駆動を大きくしている。 By the way, in this anode / cathode both-side scavenging treatment technique, the oxidant gas flow rate is set to a large flow rate in order to remove droplets. For this reason, during the scavenging process, the drive of the air compressor that discharges oxidant gas, for example, air, is increased.
しかしながら、燃料電池システムにおいて、起動時から停止時までの発電時間が短い場合等、発電運転による生成水の発生がアノード電極側には少なく、カソード電極側には多い場合がある。このような場合においても、上述した大流量でのアノード・カソード両電極側掃気処理では、大容量のエアコンプレッサが必要となり、また大流量のエアコンプレッサを動作させるために騒音も多いという問題がある。また、大容量のエアコンプレッサは、大型・大重量となり、さらには、通常容量のエアコンプレッサに比較して、エネルギ消費量も大きいという欠点がある。 However, in the fuel cell system, when the power generation time from the start to the stop is short, the generation of generated water due to the power generation operation may be less on the anode electrode side and more on the cathode electrode side. Even in such a case, the above-described scavenging treatment on both the anode and cathode electrodes at a large flow rate requires a large capacity air compressor, and there is a problem that there is a lot of noise to operate the large flow rate air compressor. . In addition, a large capacity air compressor is large and heavy, and further has a disadvantage that energy consumption is larger than that of a normal capacity air compressor.
この発明は、上記した課題を考慮してなされたものであって、エネルギ消費量の少ない掃気手段の使用を可能とし、結果、発電停止時におけるエネルギ消費量を低減し、かつ騒音を低減することを可能とする燃料電池システム及び該システムにおける掃気処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and enables the use of scavenging means with low energy consumption. As a result, energy consumption when power generation is stopped is reduced, and noise is reduced. An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a scavenging treatment method in the system.
また、この発明は、エネルギ消費量の少ない掃気手段の使用を可能とし、結果、発電停止時におけるエネルギ消費量を低減し、かつ次回の起動性を向上させることを可能とする燃料電池システム及び該システムにおける掃気処理方法を提供することを目的とする。 The present invention also enables the use of scavenging means with low energy consumption, and as a result, reduces the energy consumption when power generation is stopped, and improves the next startability, and the fuel cell system An object of the present invention is to provide a scavenging method in a system.
この項では、理解の容易化のために添付図面中の一例の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。 In this section, for ease of understanding, an example will be described with reference to the accompanying drawings. Therefore, the contents described in this section should not be construed as being limited to those having the reference numerals.
この発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスが流通する前記燃料ガス流路、又は前記酸化剤ガスが流通する前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段(70、36、54)と、前記燃料電池の停止時に、前記燃料ガス流路内に前記燃料電池の発電により生じた水分量を、前記燃料電池の起動時の水分状態と、前記燃料電池の停止時の水分状態と、に基づいて検出する水分量検出手段(70、S5、S12、S18)と、を備え、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路内に存在する水分量が所定値以下のときには、前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第1掃気処理(S8g、S8h)と、前記掃気ガスにより前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第2掃気処理(S8i、S8j)と、前記第1掃気処理後、前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量で掃気する第3掃気処理(S8m、S8n)と、を行うことを特徴とする。 The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electric power using the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel and the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel, and the fuel gas when the power generation of the fuel cell is stopped. Scavenging means (70, 36, 54) for scavenging at least one of the fuel gas flow path through which the oxidant flows or the oxidant gas flow path through which the oxidant gas circulates, and when the fuel cell is stopped, Moisture amount detection means for detecting the amount of water generated by power generation of the fuel cell in the fuel gas flow path based on a moisture state at the time of starting the fuel cell and a moisture state at the time of stopping the fuel cell (70, S5, S12, S18), and when the amount of water present in the fuel gas flow path is equal to or less than a predetermined value, the scavenging means uses the scavenging gas to liquid in the oxidant gas flow path. Remove drops A first scavenging process (S8g, S8h) for scavenging at a possible large flow rate, and a second scavenging process (S8i, S8j) for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas flow path by the scavenging gas. After the first scavenging process, a third scavenging process (S8m, S8n) is performed in which the scavenging gas scavenges the oxidant gas flow path at a smaller flow rate than the large flow rate.
掃気処理の順番は、第1掃気処理→第2掃気処理→第3掃気処理の順、第1掃気処理→第3掃気処理→第2掃気処理、又は第2掃気処理→第1掃気処理→第3掃気処理のいずれの順でよい。 The order of the scavenging process is as follows: first scavenging process → second scavenging process → third scavenging process, first scavenging process → third scavenging process → second scavenging process, or second scavenging process → first scavenging process → first scavenging process Any order of the three scavenging processes may be used.
この発明によれば、発電停止時に、燃料ガス流路内に存在する水分量が所定値以下のときには、掃気ガスにより酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第1掃気処理と、前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第2掃気処理と、前記第1掃気処理後、前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量で掃気する第3掃気処理とを行うようにしているので、従来技術のように前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路に同時に大流量の掃気ガスが供給されないため、エネルギ消費量の少ない掃気手段の使用を可能とし、結果、掃気手段のエネルギ消費量を低減でき、さらには、掃気手段の騒音を低減することができる。 According to the present invention, when the amount of water present in the fuel gas channel is equal to or less than a predetermined value when power generation is stopped, the scavenging gas scavenges at a large flow rate that can remove droplets in the oxidant gas channel. A scavenging process, a second scavenging process for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas flow path, and a small flow rate less than the large flow rate in the oxidant gas flow path after the first scavenging process. Since the third scavenging process for scavenging is performed, a large amount of scavenging gas is not simultaneously supplied to the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path as in the prior art, so that energy consumption is small. The scavenging means can be used. As a result, the energy consumption of the scavenging means can be reduced, and further, the noise of the scavenging means can be reduced.
騒音を低減できるので、燃料電池システム及び燃料電池システム搭載車両の商品性を向上させることができる。また、燃料電池内を適切に乾燥できるので、次回の良好な起動性を確保することができる。特に、固体高分子型燃料電池では、運転停止時に、固体高分子電解質膜の含水量(含水率と同じ)を次回の良好な起動性を確保できる状態とすることができる。 Since noise can be reduced, the merchantability of the fuel cell system and the vehicle equipped with the fuel cell system can be improved. Further, since the inside of the fuel cell can be properly dried, the next good startability can be ensured. In particular, in the polymer electrolyte fuel cell, when the operation is stopped, the water content (same as the water content) of the solid polymer electrolyte membrane can be in a state where the next good startability can be secured.
この場合、水分量検出手段は、燃料電池の起動時の水分状態と、燃料電池の停止時の水分状態とに基づいて水分量を検出することで、より正確な水分量を推定することができる。 In this case, the moisture amount detection means can estimate the moisture amount more accurately by detecting the moisture amount based on the moisture state when the fuel cell is started and the moisture state when the fuel cell is stopped. .
この発明に係る燃料電池システムにおける掃気処理方法は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスが流通する前記燃料ガス流路、又は前記酸化剤ガスが流通する前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する燃料電池システムにおける掃気処理方法において、前記燃料電池の停止時に、前記燃料ガス流路内に前記燃料電池の発電により生じた水分量を、前記燃料電池の起動時の水分状態と、前記燃料電池の停止時の水分状態と、に基づいて検出する水分量検出ステップ(S5、S12、S18)と、前記燃料ガス流路内に存在する水分量が所定値以下のときには、前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第1掃気処理ステップ(S8g、S8h)と、前記掃気ガスにより前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第2掃気処理ステップ(S8i、S8j)と、前記第1掃気処理ステップ後、前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量で掃気する第3掃気処理ステップ(S8m、S8n)とにより掃気を行うことを特徴とする。 In the scavenging method in the fuel cell system according to the present invention, when the power generation of the fuel cell that generates power using the fuel gas supplied to the fuel gas passage and the oxidant gas supplied to the oxidant gas passage is stopped, In a scavenging method in a fuel cell system in which at least one of the flowing fuel gas channel or the oxidizing gas channel in which the oxidizing gas flows is scavenged with a scavenging gas, the fuel gas is stopped when the fuel cell is stopped. Moisture amount detection step (S5,) for detecting the amount of moisture generated by power generation of the fuel cell in the flow path based on the moisture state at the time of starting the fuel cell and the moisture state at the time of stopping the fuel cell . S12, S18), and when the amount of water present in the fuel gas channel is below a predetermined value, the scavenging gas can remove droplets in the oxidant gas channel. A first scavenging process step (S8g, S8h) for scavenging at a flow rate; a second scavenging process step (S8i, S8j) for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas flow path by the scavenging gas; After the first scavenging process step, scavenging is performed by a third scavenging process step (S8m, S8n) in which the scavenging gas scavenges the oxidant gas flow path at a smaller flow rate than the large flow rate. .
掃気処理ステップの順番は、第1掃気処理ステップ→第2掃気処理ステップ→第3掃気処理ステップの順、第1掃気処理ステップ→第3掃気処理ステップ→第2掃気処理ステップ、又は第2掃気処理ステップ→第1掃気処理ステップ→第3掃気処理ステップのいずれの順でよい。 The order of the scavenging process steps is as follows: first scavenging process step → second scavenging process step → third scavenging process step, first scavenging process step → third scavenging process step → second scavenging process step, or second scavenging process Any order of step → first scavenging processing step → third scavenging processing step may be used.
この発明によれば、発電停止時に、燃料ガス流路内に存在する水分量が所定値以下のときには、掃気ガスにより酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第1掃気処理ステップと、前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第2掃気処理ステップと、前記第1掃気処理ステップ後、前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量で掃気する第3掃気処理ステップとを行うようにしているので、従来技術のように前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路に同時に大流量の掃気ガスが供給されないため、エネルギ消費量の少ない掃気手段の使用を可能とし、結果、掃気手段のエネルギ消費量を低減でき、さらには、掃気手段の騒音を低減することができる。 According to the present invention, when the amount of water present in the fuel gas channel is equal to or less than a predetermined value when power generation is stopped, the scavenging gas scavenges at a large flow rate that can remove droplets in the oxidant gas channel. A scavenging process step, a second scavenging process step for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas flow path, and after the first scavenging process step, the oxidant gas flow path in the oxidant gas flow path from the large flow rate. Since the third scavenging process step of scavenging with a small small flow rate is performed, a large flow rate of scavenging gas is not simultaneously supplied to the oxidant gas flow channel and the fuel gas flow channel as in the prior art. It is possible to use the scavenging means with low consumption, and as a result, the energy consumption of the scavenging means can be reduced, and furthermore, the noise of the scavenging means can be reduced.
騒音を低減できるので、燃料電池システム及び燃料電池システム搭載車両の商品性を向上させることができる。また、燃料電池内を適切に乾燥できるので、次回の良好な起動性を確保することができる。特に、固体高分子型燃料電池では、運転停止時に、固体高分子電解質膜の含水量(含水率と同じ)を次回の良好な起動性を確保できる状態とすることができる。 Since noise can be reduced, the merchantability of the fuel cell system and the vehicle equipped with the fuel cell system can be improved. Further, since the inside of the fuel cell can be properly dried, the next good startability can be ensured. In particular, in the polymer electrolyte fuel cell, when the operation is stopped, the water content (same as the water content) of the solid polymer electrolyte membrane can be in a state where the next good startability can be secured.
この場合、水分量検出ステップでは、燃料電池の起動時の水分状態と、燃料電池の停止時の水分状態とに基づいて水分量を検出することで、より正確に水分量を推測することができる。 In this case, in the moisture amount detection step, the moisture amount can be estimated more accurately by detecting the moisture amount based on the moisture state when the fuel cell is started and the moisture state when the fuel cell is stopped. .
この発明によれば、燃料電池システムにおいて、発電停止時に、燃料ガス流路内の水分量が所定値以下のときに、発電停止時における掃気処理によるエネルギ消費量を低減し、かつ騒音を低減することができる。また、発電停止時におけるエネルギ消費量を低減し、かつ次回の起動性を向上させることができる。 According to the present invention, in the fuel cell system, when power generation is stopped, the amount of energy consumed by the scavenging process when power generation is stopped is reduced and the noise is reduced when the amount of water in the fuel gas flow path is equal to or less than a predetermined value. be able to. Moreover, the energy consumption amount at the time of power generation stop can be reduced, and the next startability can be improved.
この発明によれば、燃料電池システムにおいて、エネルギ消費量の少ない掃気手段の使用を可能とし、結果、発電停止時におけるエネルギ消費量を低減し、かつ騒音を低減し、さらには次回の起動性を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to use scavenging means with low energy consumption in the fuel cell system. As a result, energy consumption when power generation is stopped is reduced, noise is reduced, and the next start-up performance is improved. Can be improved.
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム10を備える燃料電池車両12の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
この燃料電池車両12は、基本的には、燃料電池14と、この燃料電池14の出力を補助するとともに、この燃料電池14の発電電流Ifにより充電される蓄電装置(エネルギストレージ)である、例えば電気二重層コンデンサ等のキャパシタ16と、走行用の駆動モータ等を含む負荷18と、エアコンプレッサ36等の補機とから構成される。ここで前記蓄電装置としては、キャパシタ16以外にバッテリに代替することも可能であり、両方を用いることもできる。
The
燃料電池14は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。
The
具体的には、図2の燃料電池セル114の分解斜視図に示すように、各燃料電池セル114は、電解質膜(固体高分子電解質膜)・電極構造体120と、この電解質膜・電極構造体120を挟持する金属のセパレータ122、124とを備える。
Specifically, as shown in the exploded perspective view of the
燃料電池セル114の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、一方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔130a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔132a、及び他方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔134bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
One end edge of the
燃料電池セル114の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔134a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔132b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔130bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of
電解質膜・電極構造体120は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された電解質膜(固体高分子電解質膜)120bと、この電解質膜120b挟んで保持するアノード電極120a及びカソード電極120cとを備える。
The electrolyte membrane /
アノード電極120a及びカソード電極120cは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、電解質膜120bの両面に接合されている。
The
セパレータ122の電解質膜・電極構造体120に対向する面122aには、酸化剤ガス供給連通孔130aと酸化剤ガス排出連通孔130bとに連通する酸化剤ガス流路(反応ガス流路ともいう。)146が設けられる。酸化剤ガス流路146は、例えば、矢印B方向に延びて存在する複数の溝部とカソード電極120cとの間に形成される。
On the
セパレータ124の電解質膜・電極構造体120に対向する面124aには、燃料ガス供給連通孔134aと燃料ガス排出連通孔134bとに連通する燃料ガス流路(反応ガス流路ともいう。)148が形成される。この燃料ガス流路148は、例えば、矢印B方向に延びて存在する複数の溝部とアノード電極120aとの間に形成される。
A fuel gas flow path (also referred to as a reaction gas flow path) 148 communicating with the fuel gas
セパレータ122の面122bとセパレータ124の面124bとの間には、冷却媒体供給連通孔132aから供給される冷却媒体を冷却媒体排出連通孔132bに導くための冷却媒体流路150が形成される。この冷却媒体流路150は、セパレータ122に設けられる複数の溝部と、セパレータ124に設けられる複数の溝部とを重ね合わせることにより、矢印B方向に延びて一体的に構成される。
A cooling
再び、図1において、燃料電池14には、この燃料電池14に燃料ガス、例えば水素(H2)ガスを供給するための水素供給口20と、燃料電池14から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口22と、燃料電池14に、酸化剤ガス、例えば酸素(O2)を含む空気(エア)を供給するための空気供給口24と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池14から排出するための空気排出口26とが設けられている。
Referring again to FIG. 1, the
なお、水素排出口22と空気排出口26の近傍には、水素排出口22内のガスの温度Thと、空気排出口26内のガスの温度Toを検出する(測定する)温度検出手段としての温度センサ71、72が取り付けられている。また、燃料電池14内の冷却媒体排出連通孔132b(図2)の出口側近傍にも、図示はしないが、前記冷却媒体の温度を検出する(測定する)温度センサが取り付けられている。
In addition, in the vicinity of the
水素供給口20には、水素供給流路28が連通される。この水素供給流路28には、エゼクタ48が設けられ、このエゼクタ48は、高圧水素を貯留する水素タンク42から水素供給弁44を通じて供給される水素ガスを、水素供給流路28及び水素供給口20を通じて燃料電池14に供給するとともに、燃料電池14で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを水素排出口22に連通する水素循環流路46から吸引して燃料電池14に再供給する。
A
水素循環流路46には、アノード電極120aに溜まった水やカソード電極120cから電解質膜120bを透過してアノード電極120aに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを水素パージ流路32及び図示しない希釈ボックスを介して外部に排出して発電安定性を確保するため通常発電運転時等に適宜開放される比較的に大流量用の水素パージ弁30が設けられる他、水素循環流路46の図示しないキャッチタンクに溜まった水等を水素ガスを含む排出ガスとともに、排出流路52及び前記希釈ボックスを介して大気に排出するための比較的に小流量のドレイン弁50が設けられている。
In the
一方、空気供給口24には、空気供給流路34が連通され、この空気供給流路34には、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となったエアコンプレッサ36と、エアコンプレッサ36から吐出される高温化された圧縮空気(高温乾燥圧縮空気)を冷却するインタークーラー(I/C)55と、冷却された空気に水分を与えて加湿空気として吐出する加湿器56と、インタークーラー55及び加湿器56をそれぞれバイパスするインタークーラーバイパス弁57と加湿器バイパス弁58とが接続される。
On the other hand, an
また、空気排出口26には、エアコンプレッサ36から空気供給流路34及び空気供給口24を通じて燃料電池14に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁38が設けられ、燃料電池14の空気排出口26は、この背圧制御弁38を介し空気排出流路40を通じて大気に連通している。
Further, the
さらに、燃料電池14の水素供給流路28と空気供給流路35(加湿器56とインタークーラー55との連通路)との間には、空気導入流路53を介して水素供給口20に圧縮空気を導入するための、いわゆるアノード掃気処理時に開放される空気導入弁54が設けられる。
Furthermore, compressed air is supplied to the
なお、背圧制御弁38を除き、水素供給弁44、空気導入弁54、水素パージ弁30、ドレイン弁50、インタークーラーバイパス弁57、加湿器バイパス弁58は、それぞれオンオフ弁である。
Except for the back
さらに、燃料電池システム10及びこの燃料電池システム10を搭載する燃料電池車両12には、制御装置70が設けられ、この制御装置70により、燃料電池システム10及び燃料電池車両12の前記各種弁の開閉、負荷18の制御、エアコンプレッサ36等の補機の制御、キャパシタ16の充放電制御、ディスチャージ抵抗器80のコンタクタ82のオンオフ制御等を含め、全ての動作が制御される。
Further, the
制御装置70は、コンピュータ(ECU)により構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段としても動作する。この実施形態において、制御装置70は、掃気手段、水分量検出手段、キャパシタ残容量検出(算出)手段、計時手段(カウンタ・タイマ)等として機能する。
The
なお、図1において、太い実線は電力線を示し、細い実線は信号線を示す。また、二重線は、配管を示している。 In FIG. 1, a thick solid line indicates a power line, and a thin solid line indicates a signal line. Moreover, the double line has shown piping.
燃料電池システム10の通常発電運転時には、制御装置70による弁制御により、基本的には、水素供給弁44は開放され背圧制御弁38が適量に開いた状態になっており、水素パージ弁30及びドレイン弁50は適宜開かれるが通常は閉じた状態となっており、さらに、空気導入弁54、インタークーラーバイパス弁57、及び加湿器バイパス弁58は、閉じた状態になっている。
During normal power generation operation of the
この通常発電運転時において、水素タンク42から供給される燃料ガスが、エゼクタ48を介し水素供給流路28を通じて燃料電池14の水素供給口20に供給される。
During this normal power generation operation, the fuel gas supplied from the
水素供給口20に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル114を構成する燃料ガス供給連通孔134aを通じ燃料ガス流路148に沿ってアノード電極120aに供給されアノード電極120aに沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料ガス排出連通孔134bを通じ水素排出口22から排出されて水素循環流路46に送られる。
The fuel gas supplied to the
水素循環流路46に排出された排ガスは、エゼクタ48の吸引作用下に、水素供給流路28の途上に戻された後、再度、燃料電池14内に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。
The exhaust gas discharged into the
一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてコンプレッサ102から供給され、通常運転時には、インタークーラー55、加湿器56を通じて加湿空気が空気供給流路34に供給される。この空気、すなわち酸化剤ガスは、空気供給口24から各燃料電池セル114を構成する酸化剤ガス供給連通孔130aを通じ酸化剤ガス流路146に沿ってカソード電極120cに供給されカソード電極120cに沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、酸化剤ガス排出連通孔130bを通じ空気排出口26から空気排出流路40に排出される。
On the other hand, the air is supplied from the compressor 102 as compressed air in which the outside air is compressed. During normal operation, the humidified air is supplied to the air
これにより、各燃料電池セル114では、アノード電極120aに供給される燃料ガスである水素と、カソード電極120cに供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。
Thereby, in each
この発電の過程について説明すると、アノード電極120aにおいて水素ガスが水素イオン化され水素イオンと電子が発生する。水素イオンは電解質膜120b内を水分を伴ってカソード電極120c側に到達する。発生した電子は、アノード電極120aから図示しない負極側ターミナルプレートを通じて発電電流Ifとして出力され、電流・電圧センサ60を介し、外部負荷{負荷(電気負荷)18、及びエアコンプレッサ36の補機等}を通じカソード電極120cに到達する。そして、電解質膜120bのカソード電極120c側で、酸素が水素イオン及び電子と結合して水になる。余剰となった水は、酸化剤ガス流路146内に貯留する(酸化剤ガス流路146内での液滴発生)。
This power generation process will be described. Hydrogen gas is hydrogen ionized at the
このように燃料電池セル114では、アノード電極120aで生成された水素イオンが電解質膜120bの中を通ってカソード電極120cに移動するときには、水の分子を同伴する。したがって、水素イオンの導電性を維持するために、電解質膜120bは、水分を含んだ所定の湿潤の状態(所定の含水量)になっていることが必須の要件とされている。
Thus, in the
そして、発電状態が一定時間以上継続されると、カソード電極120c側で発生した生成水が電解質膜120b、アノード電極120aを透過して燃料ガス流路148側に伝達され、燃料ガス流路148内にも貯留されることとなる(燃料ガス流路148内での液滴発生)。
When the power generation state continues for a certain time or longer, the generated water generated on the
すなわち、図3に示すように、イグニッションスイッチ76がオン状態とされて、燃料電池14において発電が開始されると、水分量特性311に示すように、最初に酸化剤ガス流路146(カソード側)に液滴が発生し、次に、例えば、時点taの所定発電時間経過後に、水分量特性312に示すように、所定値(所定水分量)waを超える液滴が燃料ガス流路148(アノード側)にも発生することになる。なお、ソーク中(イグニッションスイッチ76のオフ状態である燃料電池システム10が停止して放置されている時間中)には、水分は徐々に減少する。
That is, as shown in FIG. 3, when the
そして、供給される両反応ガスにより燃料電池14が発電する通常発電運転時に、燃料電池14から取り出された発電電流Ifは、燃料電池14の電流・電圧センサ60を介して負荷18及びエアコンプレッサ36(のエアコンプレッサ用駆動モータ)に供給されるとともに、キャパシタ16の電流・電圧センサ62を介してキャパシタ16に供給されキャパシタ16が充電される。なお、燃料電池14の積算発電量が、電流・電圧センサ60の出力に基づき、又、キャパシタ16の残容量が、電流・電圧センサ62の出力に基づき、制御装置70で算出管理されメモリに記憶される。
During a normal power generation operation in which the
キャパシタ16は、制御装置70の制御下に、燃料電池14の発電電流Ifで充電される。そして、主に、燃料電池14の発電停止時に、キャパシタ16に蓄えられた電力が負荷18及びエアコンプレッサ36に供給される。なお、燃料電池車両12の減速時に駆動輪から負荷18である駆動用モータに駆動力が伝達されると、駆動モータは発電機として機能し、いわゆる回生制動力を発生する。これにより、車体の運動エネルギを電気エネルギとして回収することができ、負荷18側からキャパシタ16に電気エネルギが回生(蓄電)される。
The
通常発電運転時に、この燃料電池システム10を搭載する燃料電池車両12において、制御装置70は、アクセルペダルの踏み込み量Apや車速Vs等から必要電力を算出し、この算出した必要電力に基づいて燃料電池14、負荷18、エアコンプレッサ36及び背圧制御弁38等にそれぞれ制御信号を送出する等の各種制御を行う。また、制御装置70は、負荷18の制御及び氷点下起動制御等の低温時起動制御を確実に実施するために、電流・電圧センサ60、62、外気温センサ74及び温度センサ71、72から、それぞれ、発電電流If、発電電圧(燃料電池セル114毎の端子電圧)Vf、キャパシタ16に流れ込む電流、キャパシタ16の電圧Vc、外気温Ta、水素排出口22内のガス温度Th、空気排出口26内のガスの温度Toの各信号を取り込む。なお、発電電圧Vfは、それぞれ、燃料電池セル114毎の端子電圧であるが、以下の説明においては、発電電圧Vfは、適宜、平均電圧、総和電圧を用いることができる。
During the normal power generation operation, in the
さらに、制御装置70には、燃料電池車両12及び燃料電池システム10の起動信号(始動信号)であるオン信号(燃料電池システム10をオフ状態からオン状態にする信号)及び停止信号であるオフ信号(燃料電池システム10をオン状態からオフ状態にする信号)を出力するイグニッションスイッチ(IGスイッチ)76が接続されている。
Further, the
基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム10及びこの燃料電池システム10を搭載する燃料電池車両12の掃気処理に係る動作について、図4のフローチャートに基づいて説明する。
Basically, the operation related to the scavenging process of the
ステップS1において、制御装置70が燃料電池システム10(燃料電池車両12)の起動信号であるイグニッションスイッチ76のオン信号を検出したとき、ステップS2において、燃料電池14の発電が開始される。
In step S1, when the
発電中に、ステップS3において、イグニッションスイッチ76がオフ信号を出力したかどうかが検出される。
During power generation, in step S3, it is detected whether or not the
オフ信号が検出されると、次のステップS4において、燃料電池14の温度を検出する温度検出手段、この実施形態では、水素排出口22に取り付けられた温度センサ71により温度(燃料電池の温度とする。)Thを検出する。この温度Thは燃料電池14の停止時の温度であり、Te(Th=Te)とする。なお、燃料電池14の温度を検出するセンサとして、水素排出口22に設けられた温度センサ71に代替して、水素供給口20に取り付けられた温度センサ(不図示)、冷却媒体の温度を検出する温度センサ(不図示)、又は空気排出口26に設けられた温度センサ72を使用することができる。
When the off signal is detected, in the next step S4, the temperature is detected by the temperature detecting means for detecting the temperature of the
次いで、ステップS5において、停止時における燃料ガス流路内水分量(含水量)判定処理を行う。 Next, in step S5, a moisture content (water content) determination process in the fuel gas channel at the time of stop is performed.
この水分量の判定は、例えば、燃料電池14の重量の変化、又は図5の発電電流If対発電電圧Vfの関係である発電特性(発電マップ)を用いて行うことができる。ここでは、図5に示す燃料電池14の温度ThがTh=25[℃]のときの発電特性(電流・電圧特性)300から判定する。なお、メモリには、各温度での発電特性が予め格納されている。
The determination of the moisture amount can be performed using, for example, a change in the weight of the
図5の発電特性300から分かるように、発電電流Ifが大きくなると、発電電圧Vfの電圧降下が大きくなるが、電解質膜120bの水分量が低くなると、発電電流Ifの増加量に対する発電電圧Vfの低下量が大きくなる。特性301は、水分量が最適の時の発電特性であり、発電電流Ifの増加量に対する発電電圧Vfの低下量が最も少ない。特性304は、水分量が最も低いときの発電特性である。特性305は、水分量に対する所定値(閾値)の発電特性を示している。すなわち、特性305より上側では比較的に水分が多く、下側では比較的に水分が少ない。
As can be seen from the
そこで、このステップS5の燃料ガス流路内水分量判定処理では、イグニッションスイッチ76がオフ状態とされたときの、換言すればシステム停止直前の燃料電池14の検出温度Th(Th=Te)から、温度Th=Te(ここでは、Te=25[℃]とする。)時の発電特性300を選択し、現在の水分量が、水分量が比較的多めと判定される通常掃気処理領域(後述する通常掃気処理が必要な領域)302内の水分量であるのか、水分量が比較的に少なめと判定される3段掃気処理領域(後述する3段掃気処理が必要な領域)303内の水分量であるのかを判定するために、現在の(イグニッションスイッチ76オフ時の)発電電流Ifと発電電圧Vfとをプロットする。
Thus, in the fuel gas flow passage water content determination process in step S5, in other words, from the detected temperature Th (Th = Te) of the
次いで、ステップS6において、そのプロット点が、特性305で表される所定値以下の領域(絶対水分量が少な目と判定される領域)である3段掃気処理領域303にある場合には、ステップS8の3段掃気処理を行い、特性305で表される所定値を超える領域(絶対水分量が通常と判定される領域)である通常掃気処理領域302にある場合には、ステップS7の通常掃気処理を行う。
Next, in step S6, if the plotted point is in the three-stage
次に、ステップS7の通常掃気処理、及びステップS8の3段掃気処理の意義並びに処理内容を説明する。 Next, the significance and processing contents of the normal scavenging process in step S7 and the three-stage scavenging process in step S8 will be described.
まず、図6のフローチャートを参照して、ステップS7の通常掃気処理の動作について説明する。 First, the operation of the normal scavenging process in step S7 will be described with reference to the flowchart of FIG.
この場合、ステップS7aにおいて、制御装置70により水素供給弁44が閉じられ(遮断され)燃料電池14に対する燃料ガスの供給が停止される。
In this case, in step S7a, the hydrogen supply valve 44 is closed (shut off) by the
次いで、ステップS7bにおいて、インタークーラーバイパス弁57と加湿器バイパス弁58が開かれて、さらにエアコンプレッサ36の吐出空気量が増量され、大流量とされた乾燥空気が空気供給口24から燃料電池14内に導入される。
Next, in step S7b, the
導入された大流量の乾燥空気により燃料電池14内の酸化剤ガス流路146の生成水(液滴)等が、空気排出口26、背圧制御弁38、及び空気排出流路40を介して大気に掃気用の空気とともに排出されることで、カソード側の掃気処理が開始される。
The generated water (droplets) in the oxidant
次いで、ステップS7cにおいてディスチャージ制御が開始される。ディスチャージ制御は、燃料電池14の燃料ガス流路148等に残存する燃料ガスを短時間に消費させること等を目的に行われる処理であり、この場合、コンタクタ82が閉じられて発電電流Ifの一部がディスチャージ抵抗器80により消費される。また、ディスチャージ制御では、発電電流Ifは、エアコンプレッサ36の駆動にも使用される。
Next, discharge control is started in step S7c. The discharge control is a process performed for the purpose of, for example, consuming fuel gas remaining in the fuel
次に、ステップS7dにおいて、所定時間経過後に、カソード側掃気処理が完了すると、ステップS7eにおいて、エアコンプレッサ36の作動が停止されることで、燃料電池14に対する空気の供給が停止される。このとき、背圧制御弁38が全開とされ、酸化剤ガス流路146が外気に開放となる。
Next, when the cathode-side scavenging process is completed after the elapse of a predetermined time in step S7d, the operation of the
次いで、ステップS7fにおいて、燃料電池14の発電電圧Vfが所定電圧以下の値になったかどうかが判定され、所定電圧以下の値になったときに、ステップS7gにおいて、コンタクタ82が開かれ、ディスチャージ制御が終了される。
Next, in step S7f, it is determined whether or not the generated voltage Vf of the
次いで、ステップS7hにおいて制御装置70自身、すなわちECUがスリープ状態となり、燃料電池システム10がシステム停止状態とされる。
Next, in step S7h, the
このように、通常掃気処理においては、ステップS3においてイグニッションスイッチ76のオフ状態を検出してから短時間で燃料電池システム10がシステム停止状態となるので、運転者等の燃料電池車両12の操作者に違和感を与えることがない。
As described above, in the normal scavenging process, the
次いで、燃料電池システム10のソーク中、ステップS7i、S7j、S7kで、それぞれ、システム温度(燃料電池14の温度Th)に応じて予め決められた所定時間間隔毎に、制御装置70がウエークアップして、燃料電池14の温度Thが検出され、検出された温度Thが所定温度Td、例えばTd=5[℃]以下であるかどうが判定され(Th≦Td)、結果、外気温Taが低温になってきているかどうかが判定される。
Next, during the soaking of the
ステップS7kの判定が肯定的となった場合、外気温Taが氷点下等の低温になるおそれがあると判断され、燃料電池14内の燃料ガス流路148内の液滴の凍結を回避するために、ステップS7lにおいてキャパシタ16の電力によりエアコンプレッサ36を駆動するとともに、空気導入弁54を開き、エアコンプレッサ36から吐出される高温圧縮空気をインタークーラーバイパス弁57、空気導入流路53、空気導入弁54を通じ、水素供給口20と空気供給口24の両方から燃料電池14の燃料ガス流路148と酸化剤ガス流路146に導入することで、アノード側の空気による掃気を開始する。
If the determination in step S7k is affirmative, it is determined that the outside air temperature Ta may become a low temperature such as below freezing point, and in order to avoid freezing of the droplets in the fuel
そして、燃料電池14内の燃料ガス流路148を流通した空気は、水素排出口22から排出され、アノード側空気掃気処理開始当初は、小流量のドレイン弁50、排出流路52を通じて希釈状態の燃料ガス及び生成水(液滴)とともに排出され、所定時間後には、大流量の水素パージ弁30、水素パージ流路32を通じて生成水(液滴)とともに排出される。このようにしてアノード側掃気処理が行われる。
The air flowing through the fuel
ステップS7mにおいて、所定時間のアノード側掃気処理が行われた後、ステップS7nでエアコンプレッサ36が停止されるとともに、残りの全ての弁が閉じられてアノード側掃気処理(アノード掃気処理)が停止されて通常掃気処理が終了し、ステップS9(図)で燃料電池システム10のシステムが停止される。
In step S7m, after the anode side scavenging process is performed for a predetermined time, the
このように、外気温Taが下がってきたときには、燃料ガス流路148内を自動的に掃気することで、次回の氷点下等の低温時において、安定で確実な起動を確保することができる。
As described above, when the outside air temperature Ta decreases, the inside of the
次に、図7のフローチャート及び図8のタイムチャートを参照して、ステップS8の3段掃気処理の動作について説明する。 Next, the operation of the three-stage scavenging process in step S8 will be described with reference to the flowchart in FIG. 7 and the time chart in FIG.
この場合、今回のシステム停止制御及び次回の氷点下時等の低温時の確実な起動を確保するために、時点t10において、イグニッションスイッチ76のオフ状態を検出したとき、まず、ステップS8aにおいて発電電流Ifによりキャパシタ16を所定容量まで充電する(時点t10〜t11)。
In this case, when the OFF state of the
充電が完了後、ステップS8bにおいて、水素供給弁44が閉じられ燃料ガスの燃料電池14に対する供給が停止される。なお、水素供給弁44が閉じられても、燃料ガス流路148には、燃料ガスが残留している。この残留ガスを消費するために、ステップS8cにおいて、空気の供給が継続される。
After the charging is completed, in step S8b, the hydrogen supply valve 44 is closed and the supply of fuel gas to the
そのため、ステップS8dでは、発電電流Ifをエアコンプレッサ36等の補機に供給し発電させて燃料ガスを消費させる(時点t11〜t12)。燃料ガスが消費されることで、燃料ガス流路148内のガス圧力は徐々に低下する(時点t11〜t12)。
Therefore, in step S8d, the generated current If is supplied to an auxiliary machine such as the
次いで、ステップS8eにおいて、燃料電池システム10から外部に排出される燃料ガスの希釈要件を満足するために、比較的に小流量のドレイン弁50を開くとともに、空気導入弁54を開く(時点t12)。
Next, in step S8e, in order to satisfy the dilution requirement for the fuel gas discharged from the
次いで、ステップS8f、8g、8hで、酸化剤ガス流路146内の液滴を排出するための処理を行う(時点t12〜t13)。このとき、ステップS8fでコンタクタ82を閉じてディスチャージ抵抗器80に発電電流Ifを消費させるディスチャージ制御を開始する(時点t12)。この時点t12で、燃料ガス流路148内の燃料ガス流量は、ほとんどゼロ値になる。
Next, in steps S8f, 8g, and 8h, a process for discharging the droplets in the oxidant
次いで、ステップS18gで、エアコンプレッサ36から吐出される空気量を大流量に設定し(時点t12)、大流量の空気を、ステップS18hでの所定時間(時点t12〜t13)、酸化剤ガス流路146に流通させることで酸化剤ガス流路146に残存する液滴を排出(除去)する。なお、時点t11〜t13までの酸化剤ガス流路146内の液滴除去に必要な時間は、約20[sec]である。
Next, in step S18g, the amount of air discharged from the
また、時点t12で空気導入弁54が開かれているので、この時点t12以降、燃料ガス流路148にも空気が導入されるが、大流量の水素パージ弁30は閉じており、小流量のドレイン弁50が開かれているので、燃料ガス流路148には、小流量の空気しか導入されない。この時点t12〜t13では、ドレイン弁50から排出流路52を通じて排出される燃料ガスは空気排出流路40から吐出される大流量の酸化剤ガスとともに希釈ボックスを通じて外気に排出されるので希釈された燃料ガスが排出される。
In addition, since the
このようにして、酸化剤ガス流路146から液滴が排出され、燃料ガスも希釈して排出された時点t13から燃料ガス流路148からの液滴の排出(除去)処理を行う。
In this way, the droplet is discharged (removed) from the
この場合、ステップS8iにおいて、大流量の水素パージ弁30を開くことで(時点t13)、希釈された燃料ガスが残る燃料ガス流路148内に、ステップS8iで所定時間(時点t13〜t14)、大流量の空気が流通され、燃料ガス流路148内の液滴が排出(除去)される。そして、ステップS8kにおいて、空気導入弁54が閉じられる。
In this case, by opening the
ここで、時点t12〜14に示すように、酸化剤ガス流路146内流量と燃料ガス流路148内流量が同時に大きくならないように時間的に分けて酸化剤ガス流路146と燃料ガス流路148内の液滴を除去するようにしているので、エアコンプレッサ36の駆動を抑制することができ、騒音を低減することができる。結果、従来技術に比較して小型・軽量で小容量のエアコンプレッサ36を使用することが可能となる。また、小型・軽量で小容量のエアコンプレッサ36は、大型のエアコンプレッサに比較して、モータやファンを小型・軽量にできるのでエネルギ消費量が小さい。さらに、小型・軽量で小容量のエアコンプレッサ36では、騒音を低減できるので、燃料電池システム10及び燃料電池車両12の商品性を向上させることができる。
Here, as shown at time t12-14, the oxidant
次いで、ステップS8l〜S8oで、燃料電池14のカソード電極120c側の乾燥を促進し、次回の氷点下等の低温時起動を確実にするための処理を行う(時点t14〜t15)。
Next, in steps S81 to S8o, drying on the
このとき、ステップS8lで、加湿器バイパス弁58及びインタークーラーバイパス弁57を開き(時点t13)、さらにステップS18mでエアコンプレッサ36の駆動を小さくして小流量空気量に設定し、小流量の乾燥空気を酸化剤ガス流路146内に供給する(時点t14)。なお、ステップS8lのバイパス弁57、58を開く処理は、ステップS8gの大流量掃気処理開始時(時点t12)に行ってもよい。
At this time, in step S81, the
そして、ステップS8nにおいて、酸化剤ガス流路146内に小流量の乾燥空気を所定時間流通させることで、次回の低温時起動を確実にする(時点t14〜t15)。この所定時間は、電解質膜120bの含水量が次回起動性から決定される最適量となるまでの所定時間とする。
In step S8n, the low temperature dry air is circulated in the oxidant
具体的には、図9に示すように、次回の起動性(発電が可能になった後の最大可能出力)と電解質膜120bの含水量との間には、含水量が高からず低からずの中間状態で起動性が高くなる(最大可能出力が高くなる)関係(特性84)があることが分かっているので、特性84上、次回起動性が所定値以上となるまでの小流量の乾燥空気の供給時間が、ステップS8nの所定時間に設定される。 Specifically, as shown in FIG. 9, between the next startability (maximum possible output after power generation becomes possible) and the water content of the electrolyte membrane 120b, the water content is not high but low. Since it is known that there is a relationship (characteristic 84) in which the startability becomes high (maximum possible output becomes high) in the intermediate state, a small flow rate until the next startability becomes a predetermined value or more on the characteristic 84 The supply time of the dry air is set to the predetermined time in step S8n.
このステップS8nの処理は、キャパシタ16の残容量が次回の氷点下等の低温時起動に必要となる容量まで低下したかどうかで代替判定することもできる。
The process of step S8n can be determined as a substitute based on whether or not the remaining capacity of the
また、ステップS8fで開始したディスチャージ制御は、フローチャート中には図示しないが、燃料ガス流路148内のガス圧力が所定値以下に下がった時点t14もしくは燃料電池14の発電電圧Vfが所定値以下に下がった時点にて、コンタクタ82が開かれ、ディスチャージ制御処理が終了させられる。
In addition, although the discharge control started in step S8f is not shown in the flowchart, the time t14 when the gas pressure in the fuel
次いで、ステップS8oにおいて、エアコンプレッサ36の駆動が停止され、バイパス弁57、58が閉じられて3段掃気処理が終了する。
Next, in step S8o, the driving of the
このようにして、ステップS3の今回のイグニッションスイッチ76のオフ状態への操作時に、カソード電極120c側である酸化剤ガス流路146とアノード電極120a側である燃料ガス流路148の両流路に水が発生したと判定した場合に3段掃気処理を行うことで、次回の氷点下等の低温時において安定な起動性を確保することができる。
In this way, during the current operation of the
なお、上述した3段掃気処理では、カソード側大流量第1掃気処理(時点t12〜t13:ステップS8g、S8h)、アノード側大流量第2掃気処理(時点t13〜t14:ステップS8i、S8j)、カソード側小流量第3掃気処理(時点t14〜t15:S8m、S8n)の順で行っているが、この順に代替して、図10のタイムチャートに示すように、カソード側大流量第1掃気処理(時点t12〜t13)、カソード側小流量第3掃気処理(時点t13〜t14a)、アノード側大流量第2掃気処理(時点t13a〜t15)の順で行うようにしてもよい。 In the above-described three-stage scavenging process, the cathode side large flow rate first scavenging process (time points t12 to t13: steps S8g and S8h), the anode side large flow rate second scavenging process (time points t13 to t14: steps S8i and S8j), The cathode side small flow rate third scavenging process (time points t14 to t15: S8m, S8n) is performed in this order. Instead, as shown in the time chart of FIG. 10, the cathode side large flow rate first scavenging process is performed. (Time t12 to t13), cathode side small flow rate third scavenging process (time point t13 to t14a), anode side large flow rate second scavenging process (time point t13a to t15) may be performed in this order.
あるいは、図11のタイムチャートに示すように、アノード側大流量第2掃気処理(時点t12〜t13)、カソード側大流量第2掃気処理(時点t13〜t14)、カソード側小流量第3掃気処理(時点t14〜t15)の順で行うようにしてもよい。 Alternatively, as shown in the time chart of FIG. 11, the anode side high flow rate second scavenging process (time t12 to t13), the cathode side high flow rate second scavenging process (time point t13 to t14), and the cathode side small flow rate third scavenging process. You may make it carry out in order of (time t14-t15).
なお、第1掃気処理と第2掃気処理の時間は略同等で、第3掃気処理時間は、第1掃気処理及び第2掃気処理時間に比較して長い時間とされる。 The first scavenging process and the second scavenging process have substantially the same time, and the third scavenging process time is longer than the first scavenging process and the second scavenging process time.
図12は、他の実施形態に係る燃料電池システム10Aを搭載する燃料電池車両12Aの構成を示している。 FIG. 12 shows a configuration of a fuel cell vehicle 12A equipped with a fuel cell system 10A according to another embodiment.
この燃料電池システム10Aでは、図1例に示した燃料電池システム10に対して、水素供給流路に設けた水素消費量を計測するために体積流量を測定する流量センサ(流量検出手段)90と、空気積算流量を計測するために空気排出流路40に設けた体積流量を測定する流量センサ(流量検出手段)91と、空気排出流路40の相対湿度RHを計測するための湿度センサ(湿度検出手段)92と、風速を計測するための風速センサ(風速検出手段)93を、余分に備える点で異なる。なお、流量センサ90、91及び湿度センサ92は、それぞれ制御装置70に接続される。
In this fuel cell system 10A, a flow rate sensor (flow rate detection means) 90 for measuring a volume flow rate in order to measure the amount of hydrogen consumption provided in the hydrogen supply channel with respect to the
この場合、制御装置70は、イグニッションスイッチ76のオン時からオフ時まで、より具体的には発電開始時から発電終了時までの、積算発電量(電流・電圧センサ60とタイマによる計時に基づく)と、酸化剤ガス流路通過積算流量(流量センサ91とタイマ等に基づく)と、水素消費量(流量センサ90とタイマ等に基づく)とをそれぞれ算出する(検出する)、各手段として機能する。
In this case, the
次に、この図12の燃料電池システム10A及びこの燃料電池システム10Aを搭載する燃料電池車両12Aの掃気処理に係る動作について、図13のフローチャートに基づいて説明する。 Next, operations related to the scavenging process of the fuel cell system 10A of FIG. 12 and the fuel cell vehicle 12A equipped with the fuel cell system 10A will be described based on the flowchart of FIG.
ステップS11において、制御装置70がイグニッションスイッチ76のオン信号を検出したとき、ステップS12、S13において、発電開始に先立ち、起動前アノード側水分量が比較的に多いか少ないかの水分状態の判定処理が行われる。
In step S11, when the
ここで水分が少ない状態であるとの判定は、(1)前回のイグニッションスイッチ76のオフ時から今回のオン時までのソーク期間が長くて乾燥しているとされる場合、(2)イグニッションスイッチ76のオン時前の前回に凍結を防止するための3段掃気処理等の氷点下起動対策処理がなされた場合、(3)ソーク中の外気の湿度が低く風速センサ93で検出される風速も大きくて短いソーク期間でも乾燥が促進された場合である。これらに該当する場合にはアノード側水分量が少ないと判定され、これ以外の場合には、アノード側水分量が多いと判定される。
Here, it is determined that the moisture content is low. (1) When the soak period from when the
アノード側水分量が多いと判定された場合には、次に、ステップS14に置いて発電が開始され、発電中に、ステップS15において、イグニッションスイッチ76がオフ信号を出力したかどうかが検出される。
If it is determined that the amount of moisture on the anode side is large, then power generation is started in step S14, and it is detected whether the
オフ信号が検出されたとき、上述したステップS7の通常掃気処理が行われる。 When the off signal is detected, the normal scavenging process in step S7 described above is performed.
一方、ステップS13の水分量が少ないと判定された場合には、次に、ステップS16に置いて発電が開始され、発電中に、ステップS17において、イグニッションスイッチ76がオフ信号を出力したかどうかが検出される。
On the other hand, if it is determined in step S13 that the amount of moisture is small, then power generation is started in step S16, and whether or not the
オフ信号が検出されたとき、ステップS18、S19において、今回の発電によるアノード側水分状態のさらなる判定処理が行われる。 When the off signal is detected, in steps S18 and S19, further determination processing of the moisture state on the anode side by the current power generation is performed.
ここで、水分が少ない状態であるとの判定は、今回の発電開始時から発電終了時までの、(a)積算発電量が所定値以下である場合、(b)酸化剤ガス酸化剤ガス流路通過積算流量が所定値以下である場合、(c)水素消費量が所定値以下である場合が該当する。 Here, the determination that the water content is low is determined when (a) the integrated power generation amount is equal to or less than a predetermined value from the start of power generation to the end of power generation, and (b) oxidant gas oxidant gas flow When the road passage integrated flow rate is equal to or less than a predetermined value, (c) the case where the hydrogen consumption is equal to or less than the predetermined value is applicable.
また、水分が少ない状態であるとの判定は、(d)イグニッションスイッチ76のオン時(S11)とオフ時(S17)との温度Thの差が所定値以下である場合、(e)イグニッションスイッチ76のオフ時(S17)の温度Th(Th=Te)が所定値以下である場合、(f)イグニッションスイッチ76のオン時(S11)の温度Thが所定温度Ta(Taは例えば0[℃])以下で、かつイグニッションスイッチ76のオフ時(S17)の温度Thが所定温度Tb(Ta<Tb、Tbは例えば10[℃])以下である場合が該当する。
Also, the determination that the moisture is low is (d) when the difference in the temperature Th between the ON state (S11) and the OFF state (S17) of the
さらに、水分が少ない状態であるとの判定は、今回の発電開始時から発電終了時までの、(g)積算発電量が所定値以下である場合が該当する。 Furthermore, the determination that the moisture content is low corresponds to the case where (g) the integrated power generation amount from the start of power generation to the end of power generation is equal to or less than a predetermined value.
ステップS19において、今回の発電開始から発電終了までのアノード側の水分量が所定値以下で少ないと判定された場合には、上述したステップS8の3段掃気処理を行い、上記(a)〜(g)の要件に該当しなかった場合には、水分量が所定値を超えていると判定され、ステップS7の通常掃気処理が行われる。 In step S19, when it is determined that the amount of moisture on the anode side from the start of power generation to the end of power generation is less than a predetermined value, the three-stage scavenging process of step S8 described above is performed, and the above (a) to ( When the requirement of g) is not met, it is determined that the amount of water exceeds a predetermined value, and the normal scavenging process in step S7 is performed.
ステップS7の通常掃気処理後、又はステップS8の3段掃気処理を行った後、ステップS9でのシステム終了処理が行われる。 After the normal scavenging process in step S7 or the three-stage scavenging process in step S8, the system termination process in step S9 is performed.
上述したステップS18、S19の発電後アノード側水分状態の判定処理、換言すれば、3段掃気処理又は通常掃気処理を決定する判定処理は、マップ(ルックアップテーブル)を検索して決定することもできる。 The determination process of the anode-side moisture state after power generation in steps S18 and S19 described above, in other words, the determination process for determining the three-stage scavenging process or the normal scavenging process may be determined by searching a map (lookup table). it can.
図14は、検索される掃気処理決定マップ200を示している。この掃気処理決定マップ200では、発電開始時温度Ts及び発電停止時温度Teを座標点として掃気処理が決定される。
FIG. 14 shows a scavenging
基本的には、発電開始時温度Ts及び発電終了時温度Teが比較的に高い領域では通常掃気処理領域201に決定され、発電終了時温度Teが低い温度の領域では3段掃気処理領域203に決定される。 Basically, the normal scavenging process region 201 is determined in the region where the power generation start temperature Ts and the power generation end temperature Te are relatively high, and the power generation end temperature Te is low in the three-stage scavenging process region 203. It is determined.
以上説明したように上述した実施形態によれば、燃料電池14の発電停止時もしくは発電停止後に、燃料ガスが流通する燃料ガス流路148又は酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路146の少なくとも1方を掃気ガス、この実施形態では空気により掃気する掃気手段(70、36、54)を備える燃料電池システム10が対象とされる。
As described above, according to the above-described embodiment, at least the fuel
そして、イグニッションスイッチ76がオン状態からオフ状態とされた燃料電池システム10の停止時に、水分量検出手段(70、S5、S12、S18)により検出した燃料ガス流路148内に存在する水分量が所定値以下のときに、前記掃気手段は、酸化剤ガス流路146内の液滴を大流量の空気により掃気する第1掃気処理ステップと、燃料ガス流路148内の液滴を大流量の空気により掃気する第2掃気処理ステップと、酸化剤ガス流路146を小流量の空気により掃気する第3掃気処理ステップとを上述した所定の順番(カソード側大流量第1掃気処理→アノード側大流量第2掃気処理→カソード側小流量第3掃気処理の順、カソード側大流量第1掃気処理→カソード側小流量第3掃気処理→アノード側大流量第2掃気処理の順、又はアノード側大流量第2掃気処理→カソード側大流量第2掃気処理→カソード側小流量第3掃気処理→の順)で行う、いわゆる3段掃気処理を行うようにしている。
Then, when the
ここで、第1及び第2掃気処理ステップは、液滴除去のためであるので比較的に短時間、第3掃気処理ステップは、電解質膜120bの乾燥のためであるので比較的に長時間とされる。 Here, the first and second scavenging treatment steps are for a relatively short time because they are for removing droplets, and the third scavenging treatment step is for a relatively long time because they are for drying the electrolyte membrane 120b. Is done.
このように、燃料電池システム10の発電停止時に、大流量の空気で掃気する第1掃気処理ステップ及び第2掃気処理ステップを同時に行わないので、低消費電力で騒音の小さいエアコンプレッサ36を使用することができる。
As described above, when the power generation of the
また、発電停止時における電解質膜120bの水分量を最適又は最適に近い値にすることができるので、次回の起動性を向上させることができる。 In addition, since the moisture content of the electrolyte membrane 120b when power generation is stopped can be set to an optimum value or a value close to the optimum value, the next startability can be improved.
10、10A…燃料電池システム 12、12A…燃料電池車両
14…燃料電池 16…キャパシタ
18…負荷 36…エアコンプレッサ
54…空気導入弁 70…制御装置
71…温度センサ 76…イグニッションスイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスが流通する前記燃料ガス流路、又は前記酸化剤ガスが流通する前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段と、
前記燃料電池の停止時に、前記燃料ガス流路内に前記燃料電池の発電により生じた水分量を、前記燃料電池の起動時の水分状態と、前記燃料電池の停止時の水分状態と、に基づいて検出する水分量検出手段と、を備え、
前記掃気手段は、前記燃料ガス流路内に存在する水分量が所定値以下のときには、
前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第1掃気処理と、
前記掃気ガスにより前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第2掃気処理と、
前記第1掃気処理後、前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量で掃気する第3掃気処理と、
を行うことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using a fuel gas supplied to the fuel gas flow path and an oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path;
Scavenging means for scavenging at least one of the fuel gas flow path through which the fuel gas flows or the oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows when the fuel cell stops power generation;
When the fuel cell is stopped, the amount of water generated by power generation of the fuel cell in the fuel gas flow path is based on the moisture state when the fuel cell is started and the moisture state when the fuel cell is stopped. and a water amount detecting means for detecting Te,
The scavenging means is configured such that when the amount of water present in the fuel gas flow path is a predetermined value or less,
A first scavenging process for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the oxidant gas flow path by the scavenging gas;
A second scavenging process for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas flow path by the scavenging gas;
After the first scavenging process, a third scavenging process for scavenging the oxidant gas flow path with the scavenging gas at a smaller flow rate than the large flow rate;
The fuel cell system characterized by performing.
前記燃料電池の停止時に、前記燃料ガス流路内に前記燃料電池の発電により生じた水分量を、前記燃料電池の起動時の水分状態と、前記燃料電池の停止時の水分状態と、に基づいて検出する水分量検出ステップと、
前記燃料ガス流路内に存在する水分量が所定値以下のときには、前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第1掃気処理ステップと、
前記掃気ガスにより前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第2掃気処理ステップと、
前記第1掃気処理ステップ後、前記掃気ガスにより前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量で掃気する第3掃気処理ステップとにより掃気を行う
ことを特徴とする燃料電池システムにおける掃気処理方法。 The fuel gas channel through which the fuel gas flows or the oxidant gas when the power generation of the fuel cell that generates power by the fuel gas supplied to the fuel gas channel and the oxidant gas supplied to the oxidant gas channel is stopped In a scavenging treatment method in a fuel cell system for scavenging at least one of the oxidant gas flow channels through which the gas flows with scavenging gas
When the fuel cell is stopped, the amount of water generated by power generation of the fuel cell in the fuel gas flow path is based on the moisture state when the fuel cell is started and the moisture state when the fuel cell is stopped. and water amount detection step of detecting Te,
A first scavenging process step of scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the oxidant gas flow path by the scavenging gas when the amount of water present in the fuel gas flow path is a predetermined value or less;
A second scavenging treatment step of scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas flow path with the scavenging gas;
After the first scavenging process step, scavenging is performed in a third scavenging process step in which the scavenging gas scavenges the oxidant gas flow path at a smaller flow rate than the large flow rate. Processing method.
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