JP2007141812A - Fuel cell system and scavenging method in the system - Google Patents
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Abstract
【課題】イグニッションスイッチがオン状態とされてから短時間後にオフ状態とされた場合においても、燃料電池の氷点下時における次回の起動を確実に行う。
【解決手段】燃料電池14の発電停止時に、酸化剤ガス流路146の液滴を除去する第1掃気処理x1と燃料ガス流路148の液滴を除去する第2掃気処理x2とを順次行い、同時には行わないようにしているので、液滴除去用として、従来技術に比較して小容量の掃気手段であるエアコンプレッサ36を使用することができる。また、酸化剤ガス流路146の液滴除去後に、酸化剤ガス流路146をさらに第3掃気処理x3で掃気するようにしているので、酸化剤ガス流路146を、所定の含水量まで、十分に乾燥させることができる。
【選択図】図1Even when an ignition switch is turned off a short time after being turned on, the next activation of the fuel cell at a temperature below freezing point is reliably performed.
When power generation of a fuel cell is stopped, a first scavenging process x1 for removing droplets in an oxidant gas channel 146 and a second scavenging process x2 for removing droplets in a fuel gas channel 148 are sequentially performed. Since it is not performed at the same time, the air compressor 36, which is a scavenging means with a smaller capacity compared to the prior art, can be used for removing droplets. Further, after removing the droplets from the oxidant gas flow path 146, the oxidant gas flow path 146 is further scavenged by the third scavenging process x3, so that the oxidant gas flow path 146 is reduced to a predetermined water content. It can be dried sufficiently.
[Selection] Figure 1
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して氷点下起動等の次回の低温時起動に備え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に関する。 This invention prepares for the next start-up at a low temperature such as a sub-freezing start by scavenging at least one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path with a scavenging gas such as air when power generation is stopped or after power generation is stopped. The present invention relates to a fuel cell system 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、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, not only the cathode electrode but also the anode electrode is oxidized when the fuel cell system is shut down. A scavenging treatment technique has been proposed in which gas is circulated to remove generated water adhering to an electrolyte membrane / electrode structure and a separator in a fuel cell (see Patent Document 1).
ところで、燃料電池システムのシステム停止後に、外気温が下がり、燃料電池システムを氷点下等の低温時に燃料電池システムを起動したとき、燃料電池が暖機される前に、運転者等の操作者の都合等によりイグニッションスイッチがオフ状態にされる可能性がある。このような、低温時短時間発電後停止要求の操作(例えば、氷点下起動後に発電短時間にて燃料電池システムを停止させる操作、換言すれば、氷点下で燃料電池システムをちょっと起動した後すぐに停止させる操作)がなされた場合には、上記した電解質膜の活性が十分になされないこと等を原因として、燃料電池システムが不安定になる場合があることが分かった。 By the way, when the fuel cell system is started at a low temperature such as a freezing point or the like after the fuel cell system is shut down and the fuel cell system is started at a low temperature such as below freezing point, the convenience of the operator such as the driver is reduced before the fuel cell is warmed up. For example, the ignition switch may be turned off. Such an operation for requesting a stop after a short period of power generation at a low temperature (for example, an operation of stopping the fuel cell system in a short period of power generation after starting below freezing point, in other words, immediately stopping the fuel cell system after starting a little below freezing point It has been found that when the operation is performed, the fuel cell system may become unstable due to, for example, insufficient activity of the electrolyte membrane.
この不安定さを予め取り除き、次回の安定な起動性を確保するための技術が提案されている(特許文献2参照)。 A technique for removing this instability in advance and ensuring the next stable startability has been proposed (see Patent Document 2).
この技術では、氷点下において燃料電池システムの起動を開始した直後に、イグニッションスイッチがオフ状態とされたとき、燃料電池の温度が所定値以上になるまで燃料電池の発電の停止を禁止するように制御しているので、電解質膜の充分な活性が必ずなされることになり、次回の安定な起動性を確保することができる。 In this technology, immediately after starting the fuel cell system under freezing point, when the ignition switch is turned off, control is performed to prohibit the stop of power generation of the fuel cell until the temperature of the fuel cell exceeds a predetermined value. Therefore, sufficient activity of the electrolyte membrane is surely performed, and the next stable startability can be ensured.
しかしながら、上記特許文献2のように、イグニッションスイッチがオフ状態とされた後、燃料電池の温度が所定値以上になるまで燃料電池の発電の停止を禁止するように制御した場合には、イグニッションスイッチをオフ状態にしたのに燃料電池システムが発電動作をしているという違和感を、燃料電池搭載車両等の移動体の操作者に与えるおそれがある。
However, when the ignition switch is controlled to be prohibited from stopping power generation until the temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than a predetermined value after the ignition switch is turned off as in
また、上記特許文献1のように、燃料電池システムの停止時に、アノード電極側とカソード電極側の生成水等を同時に排出する技術では、風量の大きな大容量のエアコンプレッサが必要となることから、エネルギ消費量が増加し、騒音も大きくなるという問題もある。
Further, as in the
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、低温時短時間発電後停止要求の操作が行われた場合であっても、その操作があったときに、確実に掃気処理が行え、次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動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 even when an operation for requesting a stop after a short time power generation at a low temperature is performed, the scavenging process is surely performed when the operation is performed. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing reliable restart even at a low temperature such as the next freezing point and a scavenging treatment method in the system.
また、この発明は、低温時短時間発電後停止要求の操作を契機として行われる前記掃気処理における掃気処理性能と燃費経済性等の商品性とのトレードオフの明確化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 provides a fuel cell system that makes it possible to clarify the trade-off between the scavenging performance in the scavenging processing performed in response to the operation of a stop request after short-time power generation at a low temperature and merchandise such as fuel economy, and the like. An object of the present invention is to provide a scavenging method in the system.
さらに、この発明は、燃料電池システムの停止時に発電動作が継続するという違和感を操作者に与えることを防止することの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を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the operator from feeling uncomfortable that the power generation operation continues when the fuel cell system is stopped, and a scavenging method in the system. .
さらに、この発明は、燃料電池システムの停止時に、燃料ガスを効率的に希釈して排出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。 Furthermore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a scavenging treatment method in the system that can efficiently dilute and discharge the fuel gas when the fuel cell system is stopped.
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の一部を付けて説明する。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, a part of an example code in the attached drawings will be described. 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、を備え、前記掃気手段は、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(S18e〜S18h)と、前記第1掃気処理の後、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(S19g〜S19i)と、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(S19i〜S18k)とを、前記第2掃気処理、前記第3掃気処理の順、又は前記第3掃気処理、第2掃気処理の順に行い、前記第1掃気処理時又は第2掃気処理時には、同時に、前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスを希釈して排出することを特徴とする。 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) that scavenges at least one of the fuel gas flow path through which the oxidant gas flows or the oxidant gas flow path through which the oxidant gas circulates. The first scavenging process (S18e to S18h) for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the oxidant gas flow path by the scavenging gas, and the fuel gas by the scavenging gas after the first scavenging process A second scavenging process (S19g to S19i) for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the flow path, and a third scavenging gas in the oxidant gas flow path at a smaller flow rate than the large flow rate by the scavenging gas. Scavenging (S19i to S18k) are performed in the order of the second scavenging process, the third scavenging process, or the order of the third scavenging process and the second scavenging process, and during the first scavenging process or the second scavenging process. At the same time, the fuel gas in the fuel gas flow path is diluted and discharged.
この発明によれば、燃料電池の発電停止時に、酸化剤ガス流路の液滴を除去する第1掃気処理と燃料ガス流路の液滴を除去する第2掃気処理とを順次行うようにしているので(同時には行わないようにしているので)、液滴除去用として、従来技術に比較して小容量の掃気手段を使用することができる。また、酸化剤ガス流路の液滴除去後に、酸化剤ガス流路をさらに掃気するようにしているので、酸化剤ガス流路を、所定の含水量(含水率と同じ。)まで、十分に乾燥させることができる。結果、低温時短時間発電後停止要求の操作が行われた場合であっても、その操作があったときに、確実に掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動ができる。 According to the present invention, when the power generation of the fuel cell is stopped, the first scavenging process for removing the droplets in the oxidant gas channel and the second scavenging process for removing the droplets in the fuel gas channel are sequentially performed. (Because they are not performed simultaneously), a scavenging means having a small capacity can be used for removing droplets as compared with the prior art. Further, since the oxidant gas flow path is further scavenged after the droplets are removed from the oxidant gas flow path, the oxidant gas flow path is sufficiently filled up to a predetermined water content (the same as the water content). Can be dried. As a result, even if a stop request operation is performed after power generation for a short time at low temperatures, the scavenging process can be performed reliably when the operation is performed, and a reliable restart is possible even at the next low temperature such as below freezing point. Can do.
また、燃料電池システムの停止時に前記掃気処理を行った後、システムを停止するので、従来技術のように、イグニッションスイッチのオフ状態への操作等の停止要求後に、発電動作がなされているという違和感を操作者に与えることがない。 In addition, since the scavenging process is performed when the fuel cell system is stopped, the system is stopped, so that it is uncomfortable that the power generation operation is performed after the stop request such as the operation to turn off the ignition switch as in the prior art. Is not given to the operator.
さらに、前記第1掃気処理時又は第2掃気処理時には、同時に、燃料ガス流路内の燃料ガスを希釈して徐々に排出するようにしているので、排出燃料ガス濃度の上昇を抑制でき、これにより燃料ガスの希釈排出のための別個の処理が不要となり効率的に燃料ガスの希釈排出を行うことができる。 Further, at the time of the first scavenging process or the second scavenging process, the fuel gas in the fuel gas flow path is diluted and gradually discharged, so that an increase in the exhaust fuel gas concentration can be suppressed. This eliminates the need for a separate process for diluting and discharging the fuel gas, and enables efficient dilution and discharging of the fuel gas.
この場合、前記第1掃気処理の後、所定条件成立後に、例えば、所定時間経過後に、処理時間の比較的に長い前記第3掃気処理を行うことで、停止要求時に、即時にシステムを停止することが可能となり、一層、違和感が少なくなる。なお、処理時間の比較的に短い第2掃気処理は、第1掃気処理後直ちに、又は第3掃気処理の前後いずれかのときに行えばよい。 In this case, after the first scavenging process, after the predetermined condition is satisfied, for example, after the elapse of a predetermined time, the third scavenging process having a relatively long processing time is performed to immediately stop the system when a stop request is made. This makes it possible to further reduce the sense of incongruity. Note that the second scavenging process having a relatively short processing time may be performed immediately after the first scavenging process or before or after the third scavenging process.
第3掃気処理における小流量は、酸化剤ガス流路を効率良く乾燥させるために、積算体積流量が極大となる流量圧力又は掃気ガスの排出口の相対湿度が最大となる流量圧力とすることが好ましい。 The small flow rate in the third scavenging process may be a flow rate pressure at which the integrated volume flow rate becomes maximum or a flow rate pressure at which the relative humidity at the scavenging gas discharge port is maximized in order to efficiently dry the oxidant gas flow path. preferable.
また、前記発電停止後のソーク時における前記燃料電池システムのシステム温度を検出するシステム温度検出手段(71)を、さらに備え、前記掃気手段は、前記ソーク時に前記システム温度が設定温度(Tset)まで低下したときに前記第3掃気処理を行うようにすることで掃気処理性能を考慮することができる。掃気処理性能は、前記システム温度が高いほど高くなる。 The system further includes a system temperature detecting means (71) for detecting a system temperature of the fuel cell system at the time of soak after the power generation is stopped, and the scavenging means has the system temperature up to a set temperature (Tset) at the time of the soak. By performing the third scavenging process when it is lowered, the scavenging process performance can be taken into consideration. The scavenging performance increases as the system temperature increases.
さらに、前記燃料電池システムの前記発電停止時のシステム温度を検出するシステム温度検出手段(71)と、前記発電停止時から前記第3掃気処理を行う時点までの待ち時間(tb)が設定される計時手段(73)と、をさらに備え、前記待ち時間は、前記発電停止時からのソーク時間と該ソーク時間中のシステム温度との関係(RA)から前記発電停止時に設定されるようにしてもよい。このようにすれば、発電停止時にシステム温度を検出すればそれ以降にシステム温度を検出する必要がない。待ち時間が長いほどシステム温度が低下するので、掃気処理性能は、前記待ち時間が長いほど低くなるが、発電停止後の待ち時間が長いと操作者が離れている可能性が高いので操作者が離れている状態で掃気処理を実施できるという商品性が向上する。また、掃気処理の実施タイミングを遅らせることで、前記の設定待ち時間前に再起動される事態が発生した場合に不必要となる第3掃気処理を実施しないで済むことになる。 Further, a system temperature detecting means (71) for detecting the system temperature when the power generation is stopped in the fuel cell system, and a waiting time (tb) from the time when the power generation is stopped to the time when the third scavenging process is performed are set. Timing means (73), wherein the waiting time is set when the power generation is stopped from the relationship (RA) between the soak time after the power generation is stopped and the system temperature during the soak time. Good. In this way, if the system temperature is detected when power generation is stopped, it is not necessary to detect the system temperature thereafter. The longer the waiting time, the lower the system temperature.The longer the waiting time, the lower the scavenging performance.However, if the waiting time after power generation is stopped is long, the operator is likely to be away. Productivity that scavenging processing can be performed in a separated state is improved. Further, by delaying the execution timing of the scavenging process, it is not necessary to perform the third scavenging process which is unnecessary when a situation occurs in which the apparatus is restarted before the set waiting time.
この場合、前記設定温度及び前記待ち時間は、前記発電停止時からのソーク時間と該ソーク時間中のシステム温度との関係(RA)から求められる、再起動時の低温起動性が確保される最低温度(Tsmin)以上の温度及び最長時間(tmax)以内の時間に設定されるようにする。 In this case, the set temperature and the waiting time are determined from the relationship (RA) between the soak time from when the power generation is stopped and the system temperature during the soak time, and the minimum temperature that ensures low temperature startability at the time of restart is ensured. The temperature is set to a temperature equal to or higher than the temperature (Tsmin) and a time within the longest time (tmax).
なお、前記発電停止時からのソーク時間と該ソーク時間中のシステム温度との関係から、前記掃気処理における掃気処理性能と燃費経済性等の商品性とのトレードオフが明確になる。 Note that the trade-off between the scavenging performance in the scavenging process and the merchantability such as fuel economy is clarified from the relationship between the soak time from when the power generation is stopped and the system temperature during the soak time.
また、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によれば、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(S18e〜S18h)と、前記第1掃気処理ステップの後、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(S19g〜S19i)と、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(S19i〜S18k)とを順不同に行い、前記第1掃気処理ステップ時又は前記第2掃気処理ステップ時には、同時に、前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスを希釈して排出することを特徴とする。 Further, according to 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 fuel gas flow path through which the fuel gas flows or the oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows is scavenged with a scavenging gas, the oxidation is performed with the scavenging gas. After the first scavenging process steps (S18e to S18h) for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the agent gas flow path, and after the first scavenging process step, the liquid in the fuel gas flow path is generated by the scavenging gas. A second scavenging process step (S19g to S19i) for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets, and the scavenging gas in the oxidant gas flow path from the large flow rate. The third scavenging process steps (S19i to S18k) for scavenging at a small flow rate are performed in random order, and at the same time during the first scavenging process step or the second scavenging process step, the fuel gas in the fuel gas flow path It is characterized by diluting and discharging.
この発明によれば、燃料電池の発電停止時に、酸化剤ガス流路の液滴を除去する第1掃気処理ステップと燃料ガス流路の液滴を除去する第2掃気処理ステップとを順次行うようにしているので(同時には行わないようにしているので)、液滴除去用として、従来技術に比較して小容量の掃気手段を使用することができる。また、酸化剤ガス流路の液滴除去後に、酸化剤ガス流路をさらに掃気するようにしているので、酸化剤ガス流路を、所定の含水量まで、十分に乾燥させることができる。結果、低温時短時間発電後停止要求の操作が行われた場合であっても、その操作があったときに、確実に掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動ができる。 According to the present invention, when the power generation of the fuel cell is stopped, the first scavenging process step for removing the droplets in the oxidant gas channel and the second scavenging process step for removing the droplets in the fuel gas channel are sequentially performed. Therefore, it is possible to use a scavenging means with a small capacity as compared with the prior art for removing the droplets. Further, since the oxidant gas flow path is further scavenged after the droplets are removed from the oxidant gas flow path, the oxidant gas flow path can be sufficiently dried to a predetermined water content. As a result, even if a stop request operation is performed after power generation for a short time at low temperatures, the scavenging process can be performed reliably when the operation is performed, and a reliable restart is possible even at the next low temperature such as below freezing point. Can do.
また、燃料電池システムの停止時に前記掃気処理ステップを行った後、システムを停止するので、従来技術のように、イグニッションスイッチのオフ状態への操作等の停止要求後に、発電動作がなされているという違和感を操作者に与えることがない。 In addition, since the scavenging process step is performed when the fuel cell system is stopped, the system is stopped, so that the power generation operation is performed after a stop request such as an operation to turn off the ignition switch as in the prior art. The operator does not feel uncomfortable.
さらに、前記第1掃気処理ステップ時又は第2掃気処理ステップ時には、同時に、燃料ガス流路内の燃料ガスを希釈して徐々に排出するようにしているので、排出燃料ガス濃度の上昇を抑制でき、これにより燃料ガスの希釈排出のための別個の処理が不要となり、効率的に燃料ガスの希釈排出を行うことができる。 Further, at the same time during the first scavenging process step or the second scavenging process step, the fuel gas in the fuel gas flow path is diluted and gradually discharged, so that an increase in the exhaust gas concentration can be suppressed. As a result, a separate process for diluting and discharging the fuel gas becomes unnecessary, and the diluting and discharging of the fuel gas can be performed efficiently.
さらにまた、第3掃気処理における小流量は、酸化剤ガス流路を効率良く乾燥させるために、積算体積流量が極大となる流量圧力又は掃気ガスの排出口の相対湿度が最大となる流量圧力とすることが好ましい。 Furthermore, the small flow rate in the third scavenging process is a flow rate pressure at which the integrated volume flow rate becomes maximum or a flow rate pressure at which the relative humidity at the scavenging gas discharge port is maximized in order to efficiently dry the oxidant gas flow path. It is preferable to do.
この場合、前記第1掃気処理ステップの後、所定条件成立後に、例えば、所定時間経過後に、処理時間の比較的に長い前記第3掃気処理ステップとを行うことで、停止要求時に、即時にシステムを停止することが可能となり、一層、違和感が少なくなる。なお、処理時間の比較的に短い第2掃気処理ステップは、第1掃気処理ステップ後直ちに、又は第3掃気処理ステップの前後いずれかのときに行えばよい。 In this case, after the first scavenging processing step, after the predetermined condition is satisfied, for example, after the elapse of a predetermined time, the third scavenging processing step having a relatively long processing time is performed, so that the system is immediately requested at the time of a stop request. Can be stopped, and the feeling of strangeness is further reduced. The second scavenging process step having a relatively short processing time may be performed immediately after the first scavenging process step or before or after the third scavenging process step.
さらにまた、方法の発明においてもシステムの発明と同様に、ソーク時におけるシステム温度の検出、第3掃気処理を行う設定温度の設定、発電停止時におけるシステム温度の検出、発電停止時から第3掃気処理を行うまでの待ち時間の設定等を行うことができる。 Furthermore, in the method invention, similarly to the system invention, detection of the system temperature at the time of soaking, setting of the set temperature for performing the third scavenging process, detection of the system temperature at the time of power generation stop, and the third scavenging from the time of power generation stop. It is possible to set a waiting time until processing is performed.
この発明によれば、燃料電池システムにおいて、低温時短時間発電後停止操作が行われた場合であっても、その停止要求があったときに、確実な掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動を可能にできる。 According to the present invention, in the fuel cell system, even when a stop operation is performed after power generation at a low temperature for a short time, when the stop request is made, a reliable scavenging process can be performed, and the next freezing point or the like can be performed. Reliable restart is possible even at low temperatures.
また、停止要求を受けた直後から適切な掃気処理を行ってシステムを停止させることができるので、操作者に違和感を与えることがない。 Moreover, since the system can be stopped by performing an appropriate scavenging process immediately after receiving the stop request, the operator does not feel uncomfortable.
この発明によれば、低温時短時間発電後停止操作が行われた場合であっても、その操作停止要求があったときに、掃気処理性能と商品性とのトレードオフを考慮しながら、必要な掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時において確実な再起動を可能にできる。 According to the present invention, even when a stop operation is performed after power generation for a short time at a low temperature, when there is a request to stop the operation, it is necessary to consider the trade-off between the scavenging performance and the merchantability. A scavenging process can be performed, and a reliable restart can be performed at a low temperature such as the next freezing point.
また、停止要求を受けた直後に適切な処理を行ってシステムを停止させることができるので、操作者に違和感を与えることがない。 Further, immediately after receiving the stop request, the system can be stopped by performing an appropriate process, so that the operator does not feel uncomfortable.
さらに、燃料電池システムの停止時に、燃料ガスを効率的に希釈排出することができる。 Furthermore, when the fuel cell system is stopped, the fuel gas can be efficiently diluted and discharged.
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、金属セパレータ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。
In FIG. 1 again, 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、希釈ボックス90及び排出流路94を介して外部(外気・大気)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、希釈ボックス90及び排出流路94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、希釈ボックス90及び排出流路94を通じて大気に連通している。この空気排出流路40には、掃気出口湿度RHを計測するための湿度検出手段としての湿度センサ92と、体積流量を計測するための流量計91が取り付けられている。なお、希釈ボックス90は、水素パージ流路32及び排出流路52を通じて供給される燃料ガス(排ガス)を空気排出流路40から供給される酸化剤ガスにより希釈して外部に排出する機能を有する。
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 pressure control valve 38, the hydrogen supply valve 44, the
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、低温時起動対策手段、低温時短時間発電後停止判定手段、掃気処理手段、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73)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、点線は信号線を示す。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 dotted 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、燃料電池14において発電が開始されると、最初に酸化剤ガス流路146に液滴が発生し、所定発電時間経過後に燃料ガス流路148内にも液滴が発生することになる。
That is, when power generation is started in the
このようにして、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。
In this way, during the 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並びに湿度センサ92、流量計91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、空気排出流路40の相対湿度RH、体積流量F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3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、前回の運転停止時(イグニッションスイッチ76のオフ時)に行われた掃気処理の種類に基づく後述する前置処理が行われる。
In step S1, when the
この前置処理の後、ステップS3において、燃料電池14の発電が開始される。
After this pretreatment, power generation of the
次に、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を検出し、その際、温度センサ71が故障していないかどうかが判定される。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。
Next, in step S4, the temperature (referred to as the temperature of the fuel cell) Th is detected by temperature detection means for detecting the temperature of the
なお、このステップS4での温度センサ71の故障は、出力値が得られない、出力値が変化しない、異常値であるかどうか等により判定される。なお、異常値とは、例えば、ソーク時間(燃料電池システム10が停止して放置されていた時間)が数時間経過しているにも拘わらず、温度センサ71から得られる温度Thと外気温センサ74から得られる温度Taとの差が所定値以上の異常に大きな値になっているとき等をいう。
Note that the failure of the
温度センサ71が故障していなかったときには、ステップS5において、ステップS4で検出した発電開始直後の燃料電池14の温度Th(Th=Ts)が所定温度(閾値)Ta以下であるかどうかが判定される。ここでの、所定温度Taは、例えば、低温時の目安とされる氷点である0[℃](Ta=0)に設定される。
If the
次いで、発電開始直後の燃料電池14の温度Th(Th=Ts)が所定温度Ta以下の温度であった場合(Ts≦Ta)、ステップS6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。オフ信号が検出されると、燃料電池14の起動(ステップS1)後の発電運転中に停止要求を受けたと判定され、次のステップS7において、今回起動時点(ステップS1)から停止要求を受けた時点(ステップS6)までに燃料電池14の発電により水分が、燃料電池14内で発生しているかどうかが判定される。
Next, when the temperature Th (Th = Ts) of the
このステップS7の判定は、電流・電圧センサ60によって検出される発電電流Ifと発電電圧Vfと経過時間(今回起動時点から停止要求を受けた時点までの時間)により制御装置70で算出される電力量、いわゆる積算発電量[Wh]で判定することができる。また、積算発電量に代替して、燃料電池14の重量変化により判定することもできる。さらには、単に、前記経過時間のみで判定することもできる。いずれの場合にも、積算発電量と水分量との関係、あるいは重量変化と水分量との関係、及び経過時間と水分量との関係を予め求めて制御装置70のメモリに格納しておき、この関係(特性)を参照して水分量(水分の発生)を検出することができる。
The determination in step S7 is the power calculated by the
ステップS7において、例えば、前記経過時間がきわめて短いために水分が発生していないと判定された場合には、掃気処理を行う必要がないので、掃気処理を行わずに、ステップS8において、燃料電池システム10の通常の停止処理(水素供給弁44を閉じる、エアコンプレッサ36を停止させる等の処理)が行われる。
In step S7, for example, when it is determined that no moisture is generated because the elapsed time is extremely short, it is not necessary to perform the scavenging process. Therefore, in step S8, the fuel cell is not used. Normal stop processing (processing such as closing the hydrogen supply valve 44 and stopping the air compressor 36) of the
その一方、ステップS7において、水分が発生していると判定されたときには、ステップS9において、燃料電池14の温度Th(今回の運転停止時である停止要求を受けた時点の温度Teとする。)を温度センサ71により検出し、検出したイグニッションスイッチ76をオフ状態とした直後の温度Th(Th=Te)が、が所定温度(閾値)Tb以下であるかどうかが判定される。この所定温度Tb(Ta<Tb)は予め決定され、メモリに格納されている温度であるが、このステップS9の判定は、発電開始からそれほど時間が経過していないため酸化剤ガス流路146側のみに水分が発生していて、燃料ガス流路148側には水分が伝達していない状態を判定するための閾値である。
On the other hand, when it is determined in step S7 that moisture is generated, in step S9, the temperature Th of the fuel cell 14 (the temperature Te at which the stop request at the time of the current stop is received). Is detected by the
なお、このステップS9の判定は、今回の起動時(ステップS1:YES)からイグニッションオフ時(ステップS6:YES)までに発電された積算発電量が所定積算発電量以下であるかどうかにより判定することもできる。 The determination in step S9 is made based on whether or not the integrated power generation amount generated from the current start-up (step S1: YES) to the ignition off (step S6: YES) is equal to or less than a predetermined integrated power generation amount. You can also.
ステップS9の判定が否定的である場合、すなわち、燃料電池14の温度Th(Th=Te)が所定温度Tbを超える値であった場合には、ステップS10において、ステップS9で検出された燃料電池14の温度Th(Th=Te)が、所定温度(閾値)Tc以下であるかどうかが判定される(Tb≦Te≦Tc)。
If the determination in step S9 is negative, that is, if the temperature Th (Th = Te) of the
この所定温度Tc(Tb<Tc)は予め決定され、メモリに格納されている温度であるが、このステップS10の判定は、酸化剤ガス流路146と燃料ガス流路148の両方に水分が発生しているかどうかを判定するためのものである。つまり、所定温度Tcは、酸化剤ガス流路146と燃料ガス流路148の両方に水分が発生していることを判定するための閾値である。
This predetermined temperature Tc (Tb <Tc) is a temperature that is determined in advance and stored in the memory, but the determination in step S10 is that moisture is generated in both the
ステップS10の判定が肯定的である場合、また、ステップS9の判定が肯定的である場合には、ステップS6でのイグニッションスイッチ76からのオフ信号の受信(イグニッションスイッチ76のオフ状態への操作)は、低温時短時間発電後停止要求の操作であると決定される。そして、ステップS10の判定が肯定的であった場合には、ステップS11において、低温時短時間発電後停止要求に基づく掃気処理フラグFsとして、第2掃気処理用の値「2」を立てる(Fs=2)。
If the determination in step S10 is affirmative, or if the determination in step S9 is affirmative, reception of an off signal from the
また、ステップS9の判定が肯定的であった場合にも、ステップS6でのイグニッションスイッチ76からのオフ信号の受信は、低温時短時間発電後停止要求の操作であると決定され、ステップS12において、低温時短時間停止要求に基づく掃気処理フラグFsとして、第1掃気処理用の値「1」を立てる(Fs=1)。
Even when the determination in step S9 is affirmative, it is determined that the reception of the off signal from the
さらに、ステップS5の判定において、発電開始直後の燃料電池14の温度Th(Th=Ts)が、所定温度Ta(Ta=0[℃])を超える温度であって(Ts>Ta)、その後、ステップS13において、イグニッションスイッチ76からオフ信号を受信したとき、及びステップS10の判定において、燃料電池14の温度Th(Th=Te)が、所定温度Tcを超える温度であった場合(Te>Tc)には、ステップS6におけるイグニッションスイッチ76のオフ信号の受信は、それぞれ、低温時起動に該当せず、また低温時起動に該当しても充分な時間発電運転が行われていたものと判定し、それぞれ低温時短時間発電後停止要求ではないものと決定する。そのため、ステップS14において、掃気処理フラグFsとしてフラグを立てない(Fs=0)で、通常掃気処理用のデフォルト値のままとする。
Further, in the determination in step S5, the temperature Th (Th = Ts) of the
次いで、ステップS15において、掃気処理フラグFsが立っているかどうか判定され、掃気処理フラグFsが立っていた場合には、ステップS16において、その掃気処理フラグFsの値が第1掃気処理用の値「1」か、第2掃気処理用の値「2」かが判定され、判定結果に応じて、ステップS18では、第1掃気処理の2段掃気処理(後述する。)が行われ、ステップS19では、第2掃気処理の3段掃気処理(後述する。)が行われる。また、ステップS15において、掃気処理フラグFsが立っていなかった場合には、ステップS17で、燃料電池14が通常通りに停止されたときの通常掃気処理が行われる。
Next, in step S15, it is determined whether or not the scavenging process flag Fs is set. If the scavenging process flag Fs is set, in step S16, the value of the scavenging process flag Fs is set to the value “first scavenging process value“ 1 ”or the value“ 2 ”for the second scavenging process is determined, and in accordance with the determination result, a two-stage scavenging process (described later) of the first scavenging process is performed in step S18, and in step S19. Then, a three-stage scavenging process (described later) of the second scavenging process is performed. If the scavenging process flag Fs is not set in step S15, the normal scavenging process when the
さらに、ステップS4において、温度センサ71が故障していると判断された後、ステップS20において、イグニッションスイッチ76がオフ状態とされたときには、ステップS18の2段掃気処理が行われる。
Further, after it is determined in step S4 that the
いずれかの掃気処理が行われた後、ステップS8のシステム停止処理が行われる。 After any of the scavenging processes is performed, the system stop process in step S8 is performed.
次に、ステップS17の通常掃気処理、ステップS18の2段掃気処理、及びステップS19の3段掃気処理の意義並びに処理内容をフローチャート及びタイムチャートを利用して説明する。 Next, the meaning and processing contents of the normal scavenging process in step S17, the two-stage scavenging process in step S18, and the three-stage scavenging process in step S19 will be described using a flowchart and a time chart.
まず、図4のフローチャートを参照して、ステップS13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が、低温時短時間発電後停止要求ではないと判定した場合の、換言すれば、通常時の停止要求と判定した場合のステップS17の通常掃気処理の動作について説明する。
First, referring to the flowchart of FIG. 4, when it is determined that the current operation of the
この場合、ステップS17a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 S17a, the hydrogen supply valve 44 is closed (shut off) by the
次いで、ステップS17b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 S17b, 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S17c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 S17c. 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S17d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S17e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が外気に開放される。
Next, when the cathode-side scavenging process is completed after elapse of a predetermined time in step S17d, the operation of the
次いで、ステップS17f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S17g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 S17f, it is determined whether or not the power generation voltage Vf of the
次いで、ステップS17h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 S17h, the
このように、通常掃気処理においては、ステップS13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S17i、S17j、S17kで、それぞれ、システム温度(燃料電池14の温度Th)に応じ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。なお、上記所定時間間隔は予め決められた固定時間であってもよい。
Next, during the soak of the
ステップS17k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S17l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 S17k 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
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S17m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S17n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が停止されて通常掃気処理が終了し、ステップS8で燃料電池システム10のシステムが停止される。
In step S17m, 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5のフローチャート及び図6のタイムチャートを参照して、ステップS6の今回のイグニッションスイッチ76からのオフ信号の受信が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極120c側である酸化剤ガス流路146内にのみ水分が発生したと判定した場合に行われるステップS18の2段掃気処理の動作について説明する。
Next, referring to the flowchart of FIG. 5 and the time chart of FIG. 6, the reception of the OFF signal from the
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t0において、イグニッションスイッチ76のオフ信号を検出したとき、まず、ステップS18a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t0〜t1)。
In this case, when an OFF signal of the
充電が完了後、ステップS18b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S18cにおいて、空気の供給が継続される。
After the charging is completed, in step S18b, the hydrogen supply valve 44 is closed and the supply of fuel gas to the
そのため、ステップS18d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t1〜t2)。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t1〜t2)。
Therefore, in step S18d, the generated current If is supplied to an auxiliary machine such as the
次いで、ステップS18e、18f、18g、18hで、酸化剤ガス流路146内の液滴を排出するための2段掃気処理第1段処理を行う(時点t2〜t3)。このとき、ステップS18e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を開く(時点t2)。
Next, in steps S18e, 18f, 18g, and 18h, a two-stage scavenging process first stage process for discharging droplets in the oxidant
次いで、ステップS18f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t2)。
Next, in step S18f, the
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t2)、大流量の乾燥空気を、ステップS18hでの所定時間(時点t2〜t3)、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t1〜t3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
2段掃気処理第1段処理による酸化剤ガス流路146から液滴の排出後、ステップS18i〜S18k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2段掃気処理第2段処理を行う(時点t3〜t5)。
After discharging droplets from the oxidant
このとき、ステップS18i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t3)。この2段掃気処理第2段処理(第3掃気処理)における小流量は、酸化剤ガス流路146を効率良く乾燥させるために、流量計91で測定される積算体積流量Fが極大となる流量圧力、又は湿度センサ92で測定される掃気ガスの排出口である空気排出流路40の相対湿度RHが最大となる流量圧力とすることが好ましい。
At this time, in step S18i, the driving of the
そして、ステップS18j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t3〜t5)。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所定値となるまでの所定時間とする。含水量の所定値に代替して、空気排出流路40の相対湿度が所定値となるまでの時間でもよい。
Then, in step S18j, a low flow rate of dry air is circulated in the oxidant
具体的には、図7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)となることが分かっている。そのため、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S18jの所定時間として設定される。
Specifically, as shown in FIG. 7, the water content is not high and low between the next startability (maximum possible output after power generation is possible) and the water content of the
なお、このステップS18j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。また、ステップS18f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t4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。
Note that the process of step S18j can be determined as an alternative based on whether or not the remaining capacity of the
次いで、ステップS18k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、2段掃気処理第2段処理が終了することで2段掃気処理が終了する。
Next, in step S18k, the driving of the
このようにして、ステップS6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が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極120c側である酸化剤ガス流路146内にのみ水が発生したと判定した場合には、酸化剤ガス流路146の液滴を大流量で排出した後、小流量で乾燥する2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, the current operation of the
なお、ステップS4において、温度センサ71が故障していると判断された後、ステップS20において、イグニッションスイッチ76がオフ状態とされたときには、上述したステップS18の2段掃気処理が行われるように制御している。この2段掃気処理を行うことにより、どのような状況下においても、次回の起動を確実に行うことができる。すなわち、仮に、氷点下等の低温時にイグニッションスイッチ76がオフ状態にされたとしても後述する3段掃気処理に比較して少ないエネルギー消費により再起動ができるようになる。
When it is determined in step S4 that the
上述した図5のフローチャート及び図6のタイムチャートを参照して説明した2段掃気処理第1段処理と2段掃気処理第2段処理とは、イグニッションスイッチ76のオフ時に時間的に連続的に行っているが、図8のフローチャート及び図9のタイムチャートに示すように、イグニッションスイッチ76のオフ時に2段掃気処理第1段処理を行い、所定時間経過(所定条件成立)後に2段掃気処理第2段処理を行うように時間的に間欠的に分割して行うようにしてもよい。
The two-stage scavenging process first-stage process and the two-stage scavenging process second-stage process described with reference to the flowchart of FIG. 5 and the time chart of FIG. 6 are continuously performed in time when the
図8のフローチャート及び図9のタイムチャートは、2段掃気処理(分割有り)を示している。 The flowchart in FIG. 8 and the time chart in FIG. 9 show a two-stage scavenging process (with division).
この2段掃気処理(分割有り)では、ステップS18a〜S18dの処理、及びステップS18e〜s18h2段掃気処理第1段処理終了後のステップS18hにおいて、加湿器バイパス弁58とインタークーラーバイパス弁57とを閉じてエアコンプレッサ36の作動を停止する等のシステムの停止処理を行い(時点t3)、所定時間、例えばシステム温度(燃料電池14の温度Th)に応じて決定される時間間隔の計時を開始して、制御装置70はスリープ状態、ここでは所定時間の待機状態となる。
In the two-stage scavenging process (with division), the
そして、所定時間の待機状態経過後(所定時間のシステム停止中後)、制御装置70はウエイクアップし、2段掃気処理第2段処理を行う。このとき、ステップS18iaにおいて、エアコンプレッサ36の駆動を小流量空気量に設定し、かつ、加湿器バイパス弁58とインタークーラーバイパス弁57とを開いて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t3a)。
Then, after the standby state for a predetermined time has elapsed (after the system is stopped for a predetermined time), the
次に、上述したように、ステップS18jにおいて、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を所定時間行い、ステップS18k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2段掃気処理(分割有り)が終了する。
Next, as described above, in step S18j, a low flow rate of dry air is supplied for a predetermined time until the next start-up property becomes a predetermined value or more due to the characteristic 84, and in step S18k, the driving of the
この2段掃気処理(分割有り)では、イグニッションスイッチ76のオフ時に、大流量の酸化剤ガスで酸化剤ガス流路146内の液滴を短時間で除去した後、一旦システムを停止し、所定時間経過後に、小流量の酸化剤ガスを比較的に長い時間、酸化剤ガス流路146内に流通させて電解質膜120b等を乾燥させるようにしているので、イグニッションスイッチ76のオフ状態への操作等の停止要求後に、すぐにシステムが停止されることから、操作者に与える可能性のある違和感を一層少なくすることができる。
In the two-stage scavenging process (with division), when the
次に、図10のフローチャート及び図11のタイムチャートを参照して、ステップS6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が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極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の両流路に水分が発生したと判定した場合に行われるステップS19の3段掃気処理の動作について説明する。
Next, referring to the flowchart of FIG. 10 and the time chart of FIG. 11, the current operation of turning off the
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S19a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S19b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S19cにおいて、空気の供給が継続される。
After the charging is completed, in step S19b, the hydrogen supply valve 44 is closed and the supply of fuel gas to the
そのため、ステップS19d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 S19d, the generated current If is supplied to an auxiliary machine such as the
次いで、ステップS19e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 S19e, in order to satisfy the dilution requirement of the fuel gas discharged from the
そして、ステップS19fにおいて、図5のフローチャートを参照して説明したステップS18e〜S18hの処理と同一の2段掃気処理の第1段処理、すなわち、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)。したがって、時点t12〜t13の間では、上述したように、大流量の乾燥空気が酸化剤ガス流路146に流通され、酸化剤ガス流路146に残存する液滴が排出(除去)される。この場合にも、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。
In step S19f, the first stage process of the two-stage scavenging process that is the same as the process in steps S18e to S18h described with reference to the flowchart of FIG. 5, that is, the droplets in the oxidant
なお、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にも、小流量の空気が導入される。この場合、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と、空気排出流路40から排出される酸化剤ガスとが希釈ボックス90を介して希釈され、希釈された燃料ガスとして排出流路94を通じて外気に排出される。
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、燃料ガスも燃料ガス排出濃度を上昇させることなく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 droplets are discharged from the oxidant
この場合、ステップS19g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S19h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)されるとともに、希釈された燃料ガスが排出される。そして、ステップS19iにおいて、空気導入弁54が閉じられる。
In this case, by opening the
時点t12〜t14に示すように、掃気ガスである酸化剤ガスの酸化剤ガス流路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、騒音を抑制することができる。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、時点t12〜t13の間では、燃料ガスが徐々に希釈されて排出されるようにしているので、燃料ガス希釈だけのための希釈ボックス90への酸化剤ガスの供給が不要となる。
As shown from time t12 to t14, the oxidant
次いで、ステップS19jにおいて、図5のフローチャートを参照して説明したステップS18i〜S18kの処理と同一の2段掃気処理の第2段処理、すなわち、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 step S19j, the second stage process of the same two-stage scavenging process as the process of steps S18i to S18k described with reference to the flowchart of FIG. 5, that is, drying on the
このようにして、ステップS6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が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極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行われる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, the current operation of the
上述した図10のフローチャート及び図11のタイムチャートを参照して説明した3段掃気処理中の2段掃気処理第1段処理と2段掃気処理第2段処理とは、イグニッションスイッチ76のオフ時に時間的に連続的に行っているが、図12のフローチャート及び図13のタイムチャートに示すように、イグニッションスイッチ76のオフ時に2段掃気処理第1段処理を行い、所定時間経過(所定条件成立)後に2段掃気処理第2段処理と燃料ガス流路148内の液滴を除去する処理を行うように時間的に間欠的に分割して行うようにしてもよい。
The two-stage scavenging process first stage process and the two-stage scavenging process second stage process during the three-stage scavenging process described with reference to the flowchart of FIG. 10 and the time chart of FIG. 11 are performed when the
この図12のフローチャート及び図13のタイムチャートは、3段掃気処理(分割有り)を示している。 The flowchart of FIG. 12 and the time chart of FIG. 13 show a three-stage scavenging process (with division).
この3段掃気処理(分割有り)では、ステップS19a〜S19eの処理、及びステップS19fの2段掃気処理第1段処理終了後のステップS19faにおいて、加湿器バイパス弁58とインタークーラーバイパス弁57とを閉じてエアコンプレッサ36の作動を停止する等のシステムの停止処理を行い(時点t13a)、所定時間、例えばシステム温度(燃料電池14の温度Th)に応じて決定される時間間隔の計時を開始して、制御装置70はスリープ状態、ここでは所定時間の待機状態となる。
In this three-stage scavenging process (with division), the
そして、所定時間の待機状態経過後(所定時間のシステム停止中後)、時点t14において、制御装置70はウエイクアップし、2段掃気処理第2段処理を行うために、まず、ステップS19fbにおいて、空気導入弁54と小流量のドレイン弁50を開く。
Then, after the standby state for a predetermined time has elapsed (after the system is stopped for a predetermined time), at time t14, the
次いで、ステップS19ja(S19ではなく、S19aとしたのは、後述するようにS18kの処理での弁の開閉制御が異なるからである。)の2段掃気処理第2段処理では、図8のフローチャートを参照して説明したように、ステップS18iaでは、エアコンプレッサ36の駆動を小流量空気量に設定し、かつ、加湿器バイパス弁58とインタークーラーバイパス弁57とを開いて小流量の乾燥空気を酸化剤ガス流路146内に供給する。
Next, in the second-stage scavenging process second-stage process in step S19ja (S19a, not S19, because the valve opening / closing control in the process of S18k is different as will be described later), the flowchart of FIG. As described with reference to FIG. 5, in step S18ia, the drive of the
次に、ステップS18jにおいて、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を所定時間行い、図示しないステップS18kaにおいて、エアコンプレッサ36の駆動が停止される。この場合、ステップS18kの処理とは異なり、バイパス弁57、58を閉じないで2段掃気処理(分割有り)が終了する(時点t15)。
Next, in step S18j, a small flow rate of dry air is supplied for a predetermined time until the next start-up property becomes a predetermined value or more due to the characteristic 84, and in step S18ka (not shown), the driving of the
次に、上述した燃料ガス流路148からの液滴の排出(除去)処理を行う(時点t15〜t16)。
Next, a process for discharging (removing) droplets from the fuel
この場合、ステップS19gにおいて、大流量の水素パージ弁30を開くことで(時点t15)、燃料ガス流路148内に、ステップS19hで所定時間(時点t14〜t15)、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S19iaにおいて、空気導入弁54が閉じられ、さらにドレイン弁50と水素パージ弁30が閉じられる(時点t16)。同時に、エアコンプレッサ36が停止され、バイパス弁57、58が閉じられて(時点t16)、3段掃気処理(分割有り)が終了される。
In this case, by opening the
ここで、ステップS2の前置処理について、図14のフローチャートを参照して説明する。 Here, the pre-processing in step S2 will be described with reference to the flowchart of FIG.
上述したように、ステップS1において、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S2aにおいて、前回の運転停止時に行われた掃気処理で、アノード側を空気で掃気を行ったかどうかがメモリから読み込まれ、つまり3段掃気処理もしくは通常掃気処理にてアノード側空気掃気処理が行われていた場合には、燃料ガス流路148が空気により置換されているので、燃料ガス流路148を含むアノード系流路内に残っている酸化剤ガス、主に窒素であるが、これを排出して、起動性を確保するために、高純度の燃料ガスである水素ガスで完全に置換するための酸化剤ガスパージ処理を行う。
As described above, when the ON signal of the
そのため、このステップS2bの処理では、水素供給弁44が開かれた後、水素パージ弁30をアノード系流路内が水素ガスで完全に置換されるまでの所定時間開放し、その後、ステップS3で発電が開始される。
Therefore, in the process of step S2b, after the hydrogen supply valve 44 is opened, the
一方、ステップS2aの判定結果、3段掃気処理が行われていなかった場合もしくは通常掃気処理にてアノード側空気掃気処理が行われていなかった場合、すなわち、2段掃気処理が行われていた場合もしくは通常掃気処理にてアノード側空気掃気処理が行われていなかった場合には、ステップS2cにおいて通常パージ処理が行われる。この通常パージ処理では、起動時に水素供給弁44が開かれた後、ソーク時間に応じた所定時間(上記したステップS2bの所定時間に比較してはるかに短い時間)水素パージ弁30を開放して、アノード系流路内を高純度の燃料ガスで置換した後、ステップS3での発電が開始される。
On the other hand, if the determination result of step S2a is that the three-stage scavenging process has not been performed or the anode-side air scavenging process has not been performed in the normal scavenging process, that is, the two-stage scavenging process has been performed. Alternatively, when the anode-side air scavenging process is not performed in the normal scavenging process, the normal purge process is performed in step S2c. In this normal purge process, after the hydrogen supply valve 44 is opened at startup, the
図15は、この発明の上記した掃気処理をマップ(ルックアップテーブル)で決定する他の実施形態を説明するフローチャートである。図15のフローチャートにおいて、図3のフローチャートに示した処理と同一の処理には、同一のステップ番号を付け、その詳細な説明は省略する。 FIG. 15 is a flowchart for explaining another embodiment for determining the scavenging process of the present invention using a map (lookup table). In the flowchart of FIG. 15, the same processes as those shown in the flowchart of FIG. 3 are given the same step numbers, and detailed descriptions thereof are omitted.
ステップS1において、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、前回の運転停止時に行われた掃気処理の内容を参照した前置処理が行われる。
When an ON signal of the
この前置処理の後、ステップS3において、燃料電池14の発電が開始される。
After this pretreatment, power generation of the
そして、ステップS31において、タイマ73により、発電開始からの発電時間tgが計時が開始される。なお、発電時間tgに代替して、発電開始からの積算発電量を計測してもよい。
In step S31, the
次に、ステップS4において、温度センサ71が故障していないかどうかが判定される。
Next, in step S4, it is determined whether or not the
温度センサ71が故障していなかったときには、ステップS32において、発電開始直後の燃料電池14の温度Thが発電開始時温度Tsとして検出される(Th=Ts)。
If the
次いで、ステップS33において、イグニッションスイッチ76がオフ状態にされたかどうかが検出される。オフ状態が検出されると、燃料電池14の起動(ステップS1)後の発電運転中に停止要求を受けたと判定され、次のステップS34において、この発電停止時、正確には、イグニッションスイッチ76がオフ状態とされた時の燃料電池14の温度Thが発電停止時温度Teとして検出される(Th=Te)。また、同時に、そのステップS34において、発電開始からの発電時間tgの計時が終了され、今回の発電開始時から発電停止時までの時間が発電時間tgとして計測される。
Next, in step S33, it is detected whether or not the
次いで、ステップS7において、今回起動時から停止要求を受けた時点までに燃料電池14の発電により燃料電池14内で水分が発生しているかどうかが判定される。
Next, in step S <b> 7, it is determined whether or not moisture has been generated in the
このステップS7の判定は、上述したように、積算発電量[Wh]、又は、燃料電池14の重量変化により判定することもできる。いずれの場合にも、積算発電量と水分量との関係、あるいは重量変化と水分量との関係(特性)を予め求め、制御装置70のメモリに格納しておき、この特性を参照して水分量を検出することができる。
As described above, the determination in step S7 can also be performed based on the integrated power generation amount [Wh] or the change in the weight of the
ステップS7において、水分が発生していないと判定された場合には、掃気処理を行わずに、ステップS8において、燃料電池システム10の通常の停止処理(水素供給弁44を閉じる、エアコンプレッサ36を停止させる等の処理)が行われる。
If it is determined in step S7 that moisture has not been generated, the scavenging process is not performed, and in step S8, the normal stop process of the fuel cell system 10 (the hydrogen supply valve 44 is closed, the
その一方、ステップS7において、水分が発生していると判定されたときには、ステップS35において、ステップS34で計時終了した発電時間tgが所定時間、例えば1分〜2分以下の短時間(もしくはこの短時間発電時間に対応する積算発電量以下)であったかどうかが判定される。 On the other hand, when it is determined in step S7 that moisture has been generated, in step S35, the power generation time tg that has been timed in step S34 is a predetermined time, for example, a short time of 1 minute to 2 minutes or less (or this short time). It is determined whether or not the power generation amount is equal to or less than the cumulative power generation amount corresponding to the time power generation time).
1分〜2分以下の時間であった場合には、ステップS17の通常掃気処理が行われた後、ステップS8のシステム停止処理が行われる。 If it is 1 minute to 2 minutes or less, after the normal scavenging process in step S17, the system stop process in step S8 is performed.
ステップS35において、発電時間tgが1分〜2分の所定時間を超える時間であった場合には、ステップS33のイグニッションスイッチ76のオフ操作が、上述した短時間発電後停止要求の操作であると判断され、次いで、ステップS36で、発電開始時温度Ts及び発電停止時温度Teを座標点としてマップを検索し、掃気処理を決定する。
In step S35, when the power generation time tg is a time exceeding the predetermined time of 1 minute to 2 minutes, the turning-off operation of the
図16は、検索される掃気処理決定マップ200を示している。
FIG. 16 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が最も低い温度であるときに2段掃気処理領域202とされ、その中間では3段掃気処理領域203に決定される。ただし、発電開始時温度Tsが0[℃]以下の温度であって所定温度以上、かつ発電停止時温度Teが0[℃]以下の温度である四角形で示した領域も2段掃気処理領域204とされる。
Basically, when the power generation start temperature Ts and the power generation end temperature Te are relatively high, the normal
この2段掃気処理領域204は、空気導入弁54が凍結していて動作しない等で、アノード掃気に必要なデバイスが凍結していると判定された場合に使用される領域である。なお、凍結していないと判定された場合には、その2段掃気処理領域204では、他のいずれかの領域201〜203の処理に決定される。
The two-stage
次いで、ステップS37において、掃気処理決定マップ200により決定した掃気処理に従う掃気処理を行う。
Next, in step S37, a scavenging process is performed according to the scavenging process determined by the scavenging
すなわち、ステップS33のイグニッションスイッチ76のオフの操作が低温時短時間発電後停止要求をする操作であると判定されたときには、2段掃気処理又は3段掃気処理が行われ、低温時ではないが、短時間発電後停止要求をする操作であると判定されたときには、通常掃気処理が行われる。
That is, when it is determined that the operation of turning off the
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 one of the fuel
そして、特に、燃料電池システム10が、氷点下等の低温時に起動後短時間発電後停止された場合、発電性能が極端に悪化することあるいは最悪の場合に再起動ができないことを未然に回避する処理が行える燃料電池システム10を対象とする。
In particular, when the
ここで、イグニッションスイッチ76がオン状態とされた後にイグニッションスイッチ76がオフ状態とされたときの操作が、低温時短時間発電後停止要求に該当する操作であるかどうかの判断は、例えば、起動時(イグニッションスイッチ76のオン時)の温度Thが所定温度Ta(Ta=0[℃])以下の温度であって(ステップS5:YES)、かつイグニッションスイッチ76のオフ時の温度Thが所定温度Tb以下(ステップS9:YES)又は所定温度Tc以下(ステップS10:YES)の温度である場合、低温時短時間発電後停止要求の操作であると判断されて、掃気処理切替手段としての制御装置70により、通常の掃気処理(ステップS17)から、第1掃気処理としての2段掃気処理(ステップS18)又は第2掃気処理としての3段掃気処理(ステップS19)に切り替えられる。
Here, whether the operation when the
なお、制御装置70は、図12に示した発電開始時温度Tsと発電停止時温度Teをパラメータとする掃気処理決定マップ200を利用して2段掃気処理と3段掃気処理を選択することもできる。
Note that the
また、制御装置70は、発電により水分発生がなかった場合(ステップS7:NO)、もしくは水分の発生があっても極短時間発電(もしくは極短時間発電に対応する積算発電量以下)であった場合には、通常掃気処理を選択する。
In addition, the
ここで、2段掃気処理は、基本的には、酸化剤ガス流路146に発生した水滴を大流量の酸化剤ガスで短時間掃気する前掃気処理後に、乾燥した小流量の酸化剤ガスで電解質膜120bを起動性の良好な含水量とするために前記短時間より長い時間掃気を行う後掃気処理を含む処理である。
Here, the two-stage scavenging process is basically performed by using a small amount of dry oxidant gas after the pre-scavenging process in which water droplets generated in the oxidant
また、3段掃気処理は、前記2段掃気処理の前後の掃気処理の間に、燃料ガス流路148に発生した液滴を大流量の酸化剤ガスで短時間掃気を行う中間掃気処理を含む処理である。すなわち、3段掃気処理は、2段掃気処理に短時間のアノード電極120a側の掃気処理を加えた処理を含む処理である。
The three-stage scavenging process includes an intermediate scavenging process in which the droplets generated in the
図17は、この実施形態に係る3段掃気処理の概略的説明図である。 FIG. 17 is a schematic explanatory diagram of the three-stage scavenging process according to this embodiment.
3段掃気処理は、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x1と、第1掃気処理x1の後、掃気ガスにより燃料ガス流路148内の液滴を除去可能な大流量で掃気する第2掃気処理x2と、掃気ガスにより酸化剤ガス流路146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x3とを、第2掃気処理x2、第3掃気処理x3の順、又は第3掃気処理x3、第2掃気処理x2の順に行い、第1掃気処理時x1及び(又は)第2掃気処理時x2には、同時に、燃料ガス流路148内の燃料ガスを希釈して排出する処理である。
The three-stage scavenging process includes a first scavenging process x1 for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the oxidant gas flow path with the scavenging gas, and a fuel
この場合、第3掃気処理x3は、第1掃気処理x1の後、所定条件成立後、図17例では、時点t36〜t38に示す一定時間経過後に行う。 In this case, the third scavenging process x3 is performed after the first scavenging process x1 and after the predetermined condition is satisfied, and in the example of FIG.
すなわち、時点t31〜t32で常温発電が行われた場合には、時点t32でイグニッションスイッチ76がオフ状態にされた後、通常掃気処理S17が行われるが、ソーク中に、燃料電池14の温度Thが、所定温度Td(例えばTd=5[℃])以下になってきた場合には、時点t33〜t34に示すように、自動的に、アノード側の空気掃気がなされ(ステップS17l、S17m)、次回の氷点下起動等の低温時起動に備える。
That is, when normal temperature power generation is performed at time points t31 to t32, after the
また、時点t35に示すように、燃料電池システム10が氷点下等の低温時(Th≦Ta=0[℃])に起動され、しかも短時間で発電が停止された場合、すなわち、低温時短時間発電後停止要求の操作が行われた場合、そのシステムの停止時点t36において、停止直後に連続実施される3段掃気処理、すなわち第1掃気処理x1後、第2掃気処理x2と第3掃気処理x3とを行う(第2掃気処理x2と第3掃気処理x3はどちらを先に行ってもよい。)ことで、時点t41における次回の氷点下等の低温時に確実に再起動することができる。
Further, as shown at time t35, when the
また、システムの停止時点t36において、3段掃気処理(分割有り)として、停止直後には、第1掃気処理x1後に第2掃気処理x2を行い、所定時間経過後の時点t39で第3掃気処理x3を行う。又は、停止直後には、第1掃気処理x1のみを行い、所定時間経過後の時点t39で第2掃気処理x2、第3掃気処理x3の順で掃気処理を行う。さらには、停止直後には、第1掃気処理x1のみを行い、所定時間経過後の時点t39で第3掃気処理x3、第2掃気処理x2の順で掃気処理を行う。 Further, as the three-stage scavenging process (with division) at the system stop time t36, immediately after the stop, the second scavenging process x2 is performed after the first scavenging process x1, and the third scavenging process is performed at the time t39 after a predetermined time has elapsed. Perform x3. Alternatively, immediately after the stop, only the first scavenging process x1 is performed, and the scavenging process is performed in the order of the second scavenging process x2 and the third scavenging process x3 at a time point t39 after a predetermined time has elapsed. Further, immediately after the stop, only the first scavenging process x1 is performed, and the scavenging process is performed in the order of the third scavenging process x3 and the second scavenging process x2 at a time point t39 after a predetermined time has elapsed.
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の発電停止時に、酸化剤ガス流路146の液滴を除去する第1掃気処理x1と燃料ガス流路148の液滴を除去する第2掃気処理x2とを順次行うようにしているので(同時には行わないようにしているので)、液滴除去用として、従来技術に比較して小容量の掃気手段であるエアコンプレッサ36を使用することができる。また、酸化剤ガス流路146の液滴除去後に、酸化剤ガス流路146をさらに掃気するようにしているので、酸化剤ガス流路146を、所定の含水量まで、十分に乾燥させることができる。結果、低温時短時間発電後停止要求の操作が行われた場合であっても、その操作があったときに、確実に掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動ができる。
As described above, according to the above-described embodiment, when the power generation of the
この場合、燃料電池システム10の発電停止時に掃気処理を行った後、システムを停止するので、従来技術のように、イグニッションスイッチのオフ状態への操作等の停止要求後に、発電動作がなされているという違和感を操作者に与えることがない。
In this case, since the scavenging process is performed when the power generation of the
さらに、第1掃気処理x1及び第2掃気処理x2時には、同時に、燃料ガス流路148内の燃料ガスを希釈して排出するようにしているので、燃料ガスの希釈排出のための別個の処理が不要となり、効率的に燃料ガスの希釈排出を行うことができる。
Further, at the same time during the first scavenging process x1 and the second scavenging process x2, the fuel gas in the fuel
この場合、第1掃気処理x1の後、所定時間経過後に、処理時間の比較的に長い第3掃気処理x3を行うことで、停止要求時に、即時にシステムを停止することが可能となり、一層、違和感が少なくなる。なお、処理時間の比較的に短い第2掃気処理x2は、第1掃気処理x1後直ちに、又は第3掃気処理x3の前後いずれかのときに行えばよい。 In this case, after the first scavenging process x1, by performing the third scavenging process x3 having a relatively long processing time after a lapse of a predetermined time, the system can be immediately stopped when a stop request is made. There is less discomfort. Note that the second scavenging process x2 having a relatively short processing time may be performed immediately after the first scavenging process x1 or before or after the third scavenging process x3.
3段掃気処理で行われる2段掃気処理第2段処理、すなわち第3掃気処理x3における小流量は、酸化剤ガス流路146を効率良く乾燥させるために、流量計91で測定される積算体積流量Fが極大となる流量圧力、又は湿度センサ92で測定される掃気ガスの排出口である空気排出流路40の相対湿度RHが最大となる流量圧力とすることが好ましい。この第3掃気処理x3の掃気終了判断は、空気排出流路40の相対湿度値RHが所定値となった時点としてもよい。
The small flow rate in the second stage scavenging process second stage process, that is, the third scavenging process x3 performed in the three stage scavenging process, is an integrated volume measured by the flow meter 91 in order to dry the oxidant
上述した第3掃気処理x3は、掃気ガスにより酸化剤ガス流路146を乾燥させる処理である。
The third scavenging process x3 described above is a process of drying the oxidant
図18の左側のソーク時間と燃料電池14のシステム温度(ここでは、Th)との関係を表す特性RAに沿って引いた矢印αの向きは、第3掃気処理x3の実施時のシステム温度Thが高い程、掃気処理による水分除去効果(掃気効果)が高いことを示している。つまり、図18の右側の低温起動性と第3掃気処理x3実施時のシステム温度Thとの関係RBから分かるように、掃気実施時のシステム温度Th(=掃気開始設定システム温度Tset)が高いほど低温起動性が向上する。すなわち、低温時に、より短時間で規定の出力電流Ifを取り出せるようになる。なお、図18の左側に示す、ソーク時間に対して、イグニッションスイッチ76のオフ時からシステム温度Thが低下する関係RAは、予め測定され制御装置70のROM(記憶手段、メモリ)に格納されている。
The direction of the arrow α drawn along the characteristic RA representing the relationship between the soak time on the left side of FIG. 18 and the system temperature (here, Th) of the
逆に、矢印αの向きと逆方向に関係RAに沿って引いた矢印βの向きは、第3掃気処理x3実施時のシステム温度Th(掃気開始設定システム温度Tset)が低い程、掃気処理による低温起動性が低下する一方で、第3掃気処理x3の実施までの待ち時間tbが長いほど商品性が向上することを示している。 Conversely, the direction of the arrow β drawn along the relationship RA in the direction opposite to the direction of the arrow α is based on the scavenging process as the system temperature Th (scavenging start setting system temperature Tset) during the third scavenging process x3 is lower. While the low-temperature startability is reduced, it is shown that the merchantability is improved as the waiting time tb until the third scavenging process x3 is performed is longer.
関係RBにおいて、掃気実施時のシステム温度Thが第3掃気処理x3の実施時の最低システム温度Thpminを下回ると、燃料電池14は正常に起動しなくなる。つまり起動不可能になる。そのため、第3掃気処理x3実施時のシステム温度Thの設定可能実施温度範囲Tsareaの最低設定温度Tsminと、燃料電池14が起動不可能となる最低システム温度Thpminとの間に余裕分である余裕温度Tafを持たせている。
In the relationship RB, when the system temperature Th when the scavenging is performed is lower than the minimum system temperature Thpmin when the third scavenging process x3 is performed, the
一方、上述したように、イグニッションスイッチ76がオフ状態とされた時点から第3掃気処理x3の実施タイミングを遅らせるほど、商品性が向上する。その理由は、第1に、燃料電池車両12の運転者等の操作者が燃料電池車両12より確実に離れた状態で掃気処理を実施できる確率が上がるからである。第2に、第3掃気処理x3が不要なときにも実施してしまう回数を減少させる可能性が高くなるからである。第3掃気処理x3は、実際に氷点下等の低温時に起動を行う際に必要となるので、燃料電池システム10が氷点下等の低温に至る前に再起動される場合には必要がないからであり、実施タイミングを遅らせることで、実際には冷え切らない状況(不要な状況)下で掃気処理を実施することがなくなる。冷え切らない状況下で第3掃気処理x3を実施すると、燃料ガスを無駄に排出しまうことによるいわゆる燃費の悪化、掃気処理で消費したエネルギを補給するためにキャパシタ16等の蓄電装置を充電する必要がありこれによる燃費の悪化が懸念される。
On the other hand, as described above, the merchantability is improved as the execution timing of the third scavenging process x3 is delayed from the time when the
よって、第3掃気処理x3は、低温起動性を確保しつつ、商品性を向上させることができる実施タイミングで行うことが好ましい。実施タイミングは、ソーク中に監視しているシステム温度Th又は停止時のシステム温度Thstopから実施時点に至る時間(待ち時間)tbを予測して計時手段であるタイマ73に設定する。タイマ73に設定可能な待ち時間tbの範囲は、関係RAに対し、イグニッションスイッチ76がオフとされた時点のシステム温度Thstopと最低設定温度Tsminとの間の温度幅に対して関係RA上で規定される時間幅である実施待ちタイマ設定可能範囲tsareaになる。
Therefore, it is preferable to perform the 3rd scavenging process x3 at the implementation timing which can improve commerciality, ensuring low temperature starting property. The execution timing is set to the
このように、低温時短時間発電後停止要求による発電停止後のソーク時における燃料電池システム10のシステム温度Thをシステム温度検出手段である温度センサ71で検出し、ソーク時にシステム温度Thが設定温度Tsetまで低下したときに掃気手段が第3掃気処理x3を行うようにすることで掃気処理性能を考慮した掃気を実施することができる。掃気処理性能は、上述したように掃気実施時のシステム温度Thが高いほど高くなる。
As described above, the system temperature Th of the
また、温度センサ71により燃料電池システム10の発電停止時のシステム温度Thstopを検出し、発電停止時から第3掃気処理x3を行う時点までの待ち時間tbをタイマ73に設定する。待ち時間tbは、発電停止時からのソーク時間と該ソーク時間中のシステム温度Thとの関係(予め制御装置70のROMに記憶される関係)RAを参照して発電停止時(イグニッションスイッチ76のオフ時)に設定することができる。このようにすれば、発電停止時にシステム温度Th=Thstopを検出すればそれ以降にシステム温度Thを検出する必要がない。関係RAから分かるように、この待ち時間tbが長いほどシステム温度Thが低下するので、掃気処理性能が低くなる一方で、発電停止後の待ち時間tbを長く設定すると操作者が離れている可能性が高くなるので、操作者が離れている状態で掃気処理を実施できるという商品性が向上する。また、待ち時間tbを長く設定して、掃気処理の実施タイミングを遅らせることで、設定待ち時間tb前に再起動される事態が発生した場合に不必要となる第3掃気処理x3を実施しないで済むことになる。
Further, the
この場合、再起動時の低温起動性が確保される最低温度Thpmin以上、又はそれに余裕分Tafを加算した温度(Thpmin+Taf)からの温度設定範囲Tsarea及び実施待ちタイマ設定可能範囲tsare(最長時間tmax)以内の時間に設定することが好ましい。 In this case, the temperature setting range Tsare and the execution waiting timer settable range tsare (the longest time tmax) from the minimum temperature Thpmin at which the low temperature startability at the time of restart is ensured or from the temperature (Thpmin + Taf) obtained by adding a margin Taf to the minimum temperature It is preferable to set the time within.
このように、発電停止時からのソーク時間と該ソーク時間中のシステム温度Thとの関係RAから、掃気処理における掃気処理性能と燃費経済性等の商品性とのトレードオフが明確になる。 Thus, the trade-off between the scavenging performance in the scavenging process and the merchantability such as fuel economy becomes clear from the relationship RA between the soak time from when the power generation is stopped and the system temperature Th during the soak time.
10…燃料電池システム 12…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、72…温度センサ 76…イグニッションスイッチ
90…希釈ボックス
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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、を備え、
前記掃気手段は、
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、
前記第1掃気処理の後、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、前記第2掃気処理、前記第3掃気処理の順、又は前記第3掃気処理、第2掃気処理の順に行い、
前記第1掃気処理時又は前記第2掃気処理には、同時に、前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスを希釈して排出する
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 generating power;
The scavenging means includes
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;
After the first scavenging process, a second scavenging process for scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas channel with the scavenging gas; and the oxidant gas channel with the scavenging gas in the large scavenging gas. A third scavenging process for scavenging at a smaller flow rate than the flow rate is performed in the order of the second scavenging process, the third scavenging process, or in the order of the third scavenging process, the second scavenging process;
In the first scavenging process or in the second scavenging process, the fuel gas in the fuel gas flow path is diluted and discharged simultaneously.
前記第3掃気処理は、前記第1掃気処理の後、所定条件成立後に行う
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system, wherein the third scavenging process is performed after the first scavenging process and after a predetermined condition is established.
前記発電停止後のソーク時における前記燃料電池システムのシステム温度を検出するシステム温度検出手段を、さらに備え、
前記掃気手段は、前記ソーク時に前記システム温度が設定温度まで低下したときに前記第3掃気処理を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
A system temperature detecting means for detecting a system temperature of the fuel cell system at the time of soaking after the power generation is stopped;
The scavenging means performs the third scavenging process when the system temperature drops to a set temperature during the soak.
前記燃料電池システムの前記発電停止時のシステム温度を検出するシステム温度検出手段と、
前記発電停止時から前記第3掃気処理を行う時点までの待ち時間が設定される計時手段と、をさらに備え、
前記待ち時間は、前記発電停止時からのソーク時間と該ソーク時間中のシステム温度との関係から前記発電停止時に設定される
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
System temperature detecting means for detecting a system temperature when the power generation is stopped in the fuel cell system;
A timing means for setting a waiting time from when the power generation is stopped to when the third scavenging process is performed,
The waiting time is set when the power generation is stopped from a relationship between a soak time after the power generation is stopped and a system temperature during the soak time.
前記設定温度及び前記待ち時間は、前記発電停止時からのソーク時間と該ソーク時間中のシステム温度との関係から求められる、再起動時の低温起動性が確保される最低温度以上の温度及び最長時間以内の時間に設定される
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3 or 4,
The set temperature and the waiting time are determined from the relationship between the soak time from when the power generation is stopped and the system temperature during the soak time, and the maximum temperature and the longest temperature at which the low temperature startability at the time of restart is ensured. The fuel cell system is characterized in that the time is set within an hour.
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、
前記第1掃気処理ステップの後、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を順不同に行い、
前記第1掃気処理ステップ時又は前記第2掃気処理ステップ時には、同時に、前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスを希釈して排出する
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,
A first scavenging treatment step of scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the oxidant gas flow path by the scavenging gas;
After the first scavenging process step, a second scavenging process step of scavenging at a large flow rate capable of removing droplets in the fuel gas channel by the scavenging gas; and the inside of the oxidant gas channel by the scavenging gas. Performing a third scavenging process step of scavenging at a small flow rate smaller than the large flow rate in random order;
At the time of the first scavenging process step or the second scavenging process step, the fuel gas in the fuel gas flow path is diluted and discharged simultaneously.
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