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JP2017152174A - 燃料電池システムの停止制御方法 - Google Patents

燃料電池システムの停止制御方法 Download PDF

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JP2017152174A JP2016032849A JP2016032849A JP2017152174A JP 2017152174 A JP2017152174 A JP 2017152174A JP 2016032849 A JP2016032849 A JP 2016032849A JP 2016032849 A JP2016032849 A JP 2016032849A JP 2017152174 A JP2017152174 A JP 2017152174A
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Osamu Ogami
統 大神
宏一朗 古澤
Koichiro Furusawa
宏一朗 古澤
信基 小岩
Nobumoto Koiwa
信基 小岩
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Abstract

【課題】簡単な制御で、循環ポンプを適切に駆動させることができるとともに、燃料電池の劣化を防止することを可能にする。【解決手段】燃料電池システムの停止制御方法では、システム停止要求がなされた際、背圧弁92を閉弁させることにより、循環ポンプ100の入口側圧力と出口側圧力との圧力差を所定圧力以下に制御する。そして、圧力差が所定圧力以下に制御された後、エアポンプから燃料電池スタックへの空気の供給を停止した状態で、循環ポンプ100の駆動を開始させる。【選択図】図2

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、及び前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムの停止制御方法に関する。
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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル(単位セル)が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両(燃料電池電気自動車等)に組み込まれている。
この燃料電池では、発電(運転)が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中に、特にカソード側が高電位に保持されてしまい、電極触媒層が劣化するという問題がある。
そこで、燃料電池の運転停止時に、残存する酸化剤ガス(空気)を再循環させてディスチャージする処理、すなわち、EGR(Exhaust Gas Recirculation)処理が行われている。この種の技術として、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムの制御方法が知られている。
この燃料電池システムでは、酸化剤ガスを燃料電池スタックのカソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路と、前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路とを備えている。酸化剤ガス供給路には、封止入口弁が設けられる一方、酸化剤ガス排出路には、封止出口弁が設けられている。そして、酸化剤ガス供給路と酸化剤ガス排出路とには、封止入口弁及び封止出口弁と燃料電池スタックとの間に位置して排気再循環路が設けられている。排気再循環路には、排気再循環ポンプが配設されている。
燃料電池システムの停止処理を行う際には、封止入口弁及び封止出口弁のうち少なくとも前記封止出口弁を閉弁状態とし、EGR発電を実行している。EGR発電では、排気再循環ポンプを駆動してカソードオフガスをカソードに循環させるとともに、コンタクタを接続状態にして燃料電池スタックの発電を行っている。これにより、カソードの酸素濃度を低下させ、窒素濃度を増大させるとともに、燃料電池スタックから電気負荷への放電を行い、前記燃料電池スタックの電圧を低下させる、としている。
特開2014−150036号公報
上記の制御方法では、ディスチャージ時にも燃料電池スタックの発電を継続させるため、エアコンプレッサの駆動が継続されている。このため、酸化剤ガス供給路側の圧力が、酸化剤ガス排出路側の圧力よりも高くなり、排気再循環ポンプの入口側圧力と出口側圧力とに差圧が発生し、前記排気再循環ポンプの駆動が不安定になるおそれがある。
本発明は、この種の課題を解決するものであり、簡単な制御で、循環ポンプを適切に駆動させることができるとともに、燃料電池の劣化を防止することが可能な燃料電池システムの停止制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る停止制御方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池内に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。
酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路、及び前記燃料電池から前記酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出路を備えている。酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガス供給路と酸化剤ガス排出路とを連通させる酸化剤ガス循環路を備え、前記酸化剤ガス循環路には、前記酸化剤ガス排出路に排出された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に戻す循環ポンプが配設されている。
この停止制御方法では、システム停止要求がなされた際、循環ポンプの入口側圧力と出口側圧力との圧力差が所定圧力以下になるように制御している。そして、圧力差が所定圧力以下に制御された後、循環ポンプの駆動を開始させている。
また、酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガス供給路に、酸化剤ガス循環路の上流側に位置して配置される供給側開閉弁、及び酸化剤ガス排出路に、前記酸化剤ガス循環路の下流側に位置して配置される排出側開閉弁を備えていることが好ましい。その際、少なくとも供給側開閉弁又は排出側開閉弁の一方を閉弁させることにより、圧力差が所定圧力以下になるように制御することが好ましい。
さらに、酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガス排出路に配置され、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁を備え、前記背圧弁を閉弁させることにより、圧力差が所定圧力以下になるように制御することが好ましい。
さらにまた、酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガス供給路の酸化剤ガス循環路よりも上流側と酸化剤ガス排出路の前記酸化剤ガス循環路よりも下流側とに連通するバイパス流路、及び前記バイパス流路に配置されるバイパス弁を備えることが好ましい。その際、循環ポンプの駆動を開始させる前に、バイパス弁を開弁させることが好ましい。
本発明によれば、循環ポンプの駆動が開始される前に、前記循環ポンプの入口側圧力と出口側圧力との圧力差が所定圧力以下に制御されている。従って、循環ポンプは、入口と出口との差圧が削減されるため、簡単な制御で、前記循環ポンプを適切に駆動させることができる。しかも、燃料電池システムの停止時に、ディスチャージを行うことが可能になるため、燃料電池の劣化を有効に防止することができる。
本発明の第1及び第2の実施形態に係る停止制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記第1の実施形態に係る停止制御方法を説明するタイムチャートである。 前記第2の実施形態に係る停止制御方法を説明するタイムチャートである。
図1に示すように、本発明の第1及び第2の実施形態に係る停止制御方法が適用される燃料電池システム10は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両(図示せず)に搭載される。
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12を備える。燃料電池スタック12には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置14と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置16と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置18とが設けられる。燃料電池システム10は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ20と、システム制御装置である制御部(ECU)22とを備える。
燃料電池スタック12は、複数の発電セル24が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル24は、電解質膜・電極構造体26を第1セパレータ28及び第2セパレータ30で挟持する。第1セパレータ28及び第2セパレータ30は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
電解質膜・電極構造体26は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜32と、前記固体高分子電解質膜32を挟持するアノード電極34及びカソード電極36とを備える。固体高分子電解質膜32は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質が使用される。
第1セパレータ28は、電解質膜・電極構造体26との間に、アノード電極34に水素ガスを供給するための水素ガス流路38を設ける。第2セパレータ30は、電解質膜・電極構造体26との間に、カソード電極36に空気を供給するための空気流路40を設ける。互いに隣接する第1セパレータ28と第2セパレータ30との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路42が設けられる。
燃料電池スタック12には、水素ガス入口44a、水素ガス出口44b、空気入口46a、空気出口46b、冷却媒体入口48a及び冷却媒体出口48bが設けられる。水素ガス入口44aは、各発電セル24の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路38の供給側に連通する。水素ガス出口44bは、各発電セル24の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路38の排出側に連通する。水素ガス流路38、水素ガス入口44a及び水素ガス出口44bにより、アノード流路が構成される。
空気入口46aは、各発電セル24の積層方向に貫通するとともに、空気流路40の供給側に連通する。空気出口46bは、各発電セル24の積層方向に貫通するとともに、空気流路40の排出側に連通する。空気流路40、空気入口46a及び空気出口46bにより、カソード流路が構成される。
冷却媒体入口48aは、各発電セル24の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路42の供給側に連通する。冷却媒体出口48bは、各発電セル24の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路42の排出側に連通する。
燃料ガス供給装置14は、高圧水素を貯留する水素タンク50を備え、この水素タンク50は、水素ガス供給路52を介して燃料電池スタック12の水素ガス入口44aに連通する。水素ガス供給路52は、燃料電池スタック12に水素ガスを供給する。
水素ガス供給路52には、インジェクタ54及びエゼクタ56が直列に設けられるとともに、前記インジェクタ54及び前記エゼクタ56を跨いでバイパス供給路58が接続される。バイパス供給路58には、BP(バイパス)インジェクタ60が設けられる。BPインジェクタ60は、燃料電池スタック12の始動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ54は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。
燃料電池スタック12の水素ガス出口44bには、水素ガス排出路(オフガス配管)62が連通する。水素ガス排出路62は、アノード電極34で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック12から導出する。水素ガス排出路62には、気液分離器64が接続されるとともに、前記気液分離器64の下流から分岐する水素循環流路66を介してエゼクタ56が接続される。水素循環流路66には、水素ポンプ68が設けられる。水素ポンプ68は、特に起動時に、水素ガス排出路62に排出された水素排ガスを、水素循環流路66を通って水素ガス供給路52に循環させる。
水素ガス排出路62の下流には、パージ流路70の一端が連通するとともに、前記パージ流路70の途上には、パージ弁72が設けられる。気液分離器64の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路74の一端が接続される。排水流路74の途上には、ドレイン弁76が配設される。
酸化剤ガス供給装置16は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ78を備え、前記エアポンプ78が空気供給路80に配設される。空気供給路80は、燃料電池スタック12に空気を供給する。
空気供給路80は、エアポンプ78の下流側に位置して供給側開閉弁(入口封止弁)82a及び加湿器84を配設するとともに、燃料電池スタック12の空気入口46aに連通する。空気供給路80には、加湿器84を跨いでバイパス供給路86が接続される。バイパス供給路86には、前記バイパス供給路86を流通する空気の流量を調整するBP流量調整弁(バイパス弁)88が配設される。
燃料電池スタック12の空気出口46bには、空気排出路90が連通する。空気排出路90には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器84、排出側開閉弁(出口封止弁)82b及び背圧弁92が配設される。空気排出路90は、カソード電極36で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック12から排出する。空気排出路90の下流には、パージ流路70の他端及び排水流路74の他端が接続され、希釈部を構成する。
空気供給路80と空気排出路90とには、供給側開閉弁82aの上流側と排出側開閉弁82bの下流側及び背圧弁92の下流側とに位置して、バイパス流路94の両端が連通する。バイパス流路94には、前記バイパス流路94を流通する空気の流量を調整するBP流量調整弁(バイパス弁)96が配設される。
空気供給路80と空気排出路90とには、供給側開閉弁82aの下流側及び排出側開閉弁82bの上流側に位置して、空気循環流路(酸化剤ガス循環路)98が連通する。空気循環流路98には、循環ポンプ100が配置される。循環ポンプ100は、空気排出路90に排出された排出空気を、空気循環流路98を通って空気供給路80に循環させる。
冷却媒体供給装置18は、燃料電池スタック12の冷却媒体入口48aに接続される冷却媒体供給路102を備え、前記冷却媒体供給路102の途上には、水ポンプ104が配置される。冷却媒体供給路102は、ラジエータ106に接続されるとともに、前記ラジエータ106には、冷却媒体出口48bに連通する冷却媒体排出路108が接続される。
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
燃料ガス供給装置14では、水素タンク50から水素ガス供給路52に水素ガスが供給される。この水素ガスは、インジェクタ54及びエゼクタ56を通って燃料電池スタック12の水素ガス入口44aに供給される。水素ガスは、水素ガス入口44aから水素ガス流路38に導入され、前記水素ガス流路38に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体26のアノード電極34に供給される。
酸化剤ガス供給装置16では、エアポンプ78の回転作用下に、空気供給路80に空気が送られる。この空気は、加湿器84を通って加湿された後、燃料電池スタック12の空気入口46aに供給される。空気は、空気入口46aから空気流路40に導入され、前記空気流路40に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体26のカソード電極36に供給される。
従って、各電解質膜・電極構造体26では、アノード電極34に供給される水素ガスと、カソード電極36に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
また、冷却媒体供給装置18では、水ポンプ104の作用下に、冷却媒体供給路102から燃料電池スタック12の冷却媒体入口48aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路42に沿って流動し、発電セル24を冷却した後、冷却媒体出口48bから冷却媒体排出路108に排出される。
次いで、アノード電極34に供給されて一部が消費された水素ガス(水素排気ガス)は、水素ガス出口44bから水素ガス排出路62に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路62から水素循環流路66に導入され、エゼクタ56の吸引作用下に水素ガス供給路52に循環される。水素ガス排出路62に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁72の開放作用下に外部に排出(パージ)される。
同様に、カソード電極36に供給されて一部が消費された空気(排出空気)は、空気出口46bから空気排出路90に排出される。排出空気は、加湿器84を通って空気供給路80から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁92の設定圧力に調整された後、希釈部に排出される。なお、空気排出路90に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ100の作用下に空気循環流路98を通って空気供給路80に循環する。
次いで、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の停止制御方法について、図2に示すタイムチャートに沿って、以下に説明する。
図2において、縦軸の上部には、BP流量調整弁96の開弁のタイミングが示されている。さらに、縦軸に沿って、供給側開閉弁82a及び排出側開閉弁82bの閉弁タイミング、背圧弁92の閉弁タイミング、循環ポンプ100の駆動タイミング及びディスチャージの開始タイミングが示されている。なお、ディスチャージの開始前では、電圧制御が行われており、電流が引かれた状態である。
そこで、燃料電池システム10が通常発電を行った後、イグニッションスイッチがオフされてシステム停止要求がなされると、まず、BP流量調整弁96が開弁される。燃料電池システム10では、発電が継続されており、燃料ガス供給装置14から排出された水素排ガスは、パージ流路70を通って空気排出路90に排出されている。このため、BP流量調整弁96が開弁されることにより、エアポンプ78から供給される空気は、バイパス流路94を通って空気排出路90に排出され、水素排ガスを希釈する。
次に、背圧弁92が閉弁される。従って、エアポンプ78の回転作用下に空気供給路80に供給される空気は、燃料電池スタック12を確実にバイパスしてバイパス流路94から空気排出路90に排出される。さらに、供給側開閉弁82a及び排出側開閉弁82bが閉弁されることにより、燃料電池スタック12に空気が投入されることがない。
その際、背圧弁92と供給側開閉弁82a及び排出側開閉弁82bとには、同時に閉弁指令がなされているが、前記供給側開閉弁82a及び前記排出側開閉弁82bの実際の動作には遅れが惹起されている。これにより、実際上、背圧弁92が閉弁された後、供給側開閉弁82a及び排出側開閉弁82bが閉弁されている。
なお、少なくとも供給側開閉弁82a又は排出側開閉弁82bの一方のみを閉弁させてもよく、また、背圧弁92のみを閉弁させてもよい。あるいは、背圧弁92を開弁させた状態で、少なくとも供給側開閉弁82a又は排出側開閉弁82bの一方のみを閉弁させてもよい。
従って、燃料電池スタック12内に空気が投入されることがなく、図1に示すように、循環ポンプ100の入口100inと前記循環ポンプ100の出口100outとの圧力差が減少する。そして、入口100inと出口100outとの圧力差が、所定圧力以下に制御された後、循環ポンプ100の駆動が開始される。ここで、所定圧力は、循環ポンプ100が適切に駆動することができる圧力差に基づいて設定される。
循環ポンプ100が駆動されると、燃料電池スタック12内のカソード流路には、空気が循環供給される。一方、燃料電池スタック12内のアノード流路には、燃料ガス供給装置14の作用下に水素ガスが供給されている。これにより、燃料電池スタック12のディスチャージが開始され、空気中の酸素が消費されて窒素濃度が高い、すなわち、酸素濃度が低い(O2リーン)環境が得られ、停止制御が完了する。
この場合、第1の実施形態では、循環ポンプ100の駆動が開始される前に、前記循環ポンプ100の入口100in側圧力と出口100out側圧力との圧力差が、所定圧力以下になるように制御されている。従って、循環ポンプ100は、入口100inと出口100outとの差圧が削減されるため、簡単な制御で、前記循環ポンプ100を適切に駆動させることができる。
しかも、燃料電池システム10の停止時に、循環ポンプ100を確実に回転させてディスチャージを行うことが可能になるため、カソード流路内の酸素濃度を良好に低下させることができる。これにより、発電セル24の劣化を防止することが可能になるという効果が得られる。
さらに、第1の実施形態では、少なくとも供給側開閉弁82a又は排出側開閉弁82bの一方を閉弁させることにより、循環ポンプ100の入口100in側圧力と出口100out側圧力との圧力差が所定圧力以下になるように制御している。このため、供給側開閉弁82aや排出側開閉弁82bを閉弁させるだけでよく、圧力差の低減制御が簡単且つ確実に遂行される。
さらにまた、第1の実施形態では、背圧弁92を閉弁させることにより、循環ポンプ100の入口100in側圧力と出口100out側圧力との圧力差が所定圧力以下になるように制御している。従って、背圧弁92を閉弁させるだけでよく、圧力差の低減制御が簡単且つ確実に遂行される。
また、第1の実施形態では、循環ポンプ100の駆動を開始させる前に、BP流量調整弁96を開弁させている。これにより、燃料電池スタック12側に流通する空気量を削減するとともに、水素排ガスを希釈するための希釈エアを有効に確保することができるという利点がある。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム10の停止制御方法を説明するタイムチャートである。
第2の実施形態では、背圧弁92の閉弁タイミングが、供給側開閉弁82a及び排出側開閉弁82bの閉弁タイミングよりも早いため、前記背圧弁92が閉弁された時点で、循環ポンプ100の駆動を開始させている。
このため、第2の実施形態では、循環ポンプ100の駆動を早めることができ、燃料電池システム10の停止時間を短縮するとともに、消費電力を抑制することが可能になるという効果が得られる。
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…燃料ガス供給装置 16…酸化剤ガス供給装置
18…冷却媒体供給装置 20…バッテリ
22…制御部 24…発電セル
26…電解質膜・電極構造体 28、30…セパレータ
32…固体高分子電解質膜 34…アノード電極
36…カソード電極 38…水素ガス流路
40…空気流路 50…水素タンク
52…水素ガス供給路 78…エアポンプ
80…空気供給路 82a…供給側開閉弁
82b…排出側開閉弁 84…加湿器
88、96…BP流量調整弁 90…空気排出路
92…背圧弁 94…バイパス流路
98…空気循環流路 100…循環ポンプ

Claims (4)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    を備え、
    前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路、前記燃料電池から前記酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出路、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とを連通させる酸化剤ガス循環路、及び前記酸化剤ガス循環路に配置され、前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に戻す循環ポンプ、を備える燃料電池システムの停止制御方法であって、
    システム停止要求がなされた際、前記循環ポンプの入口側圧力と出口側圧力との圧力差が所定圧力以下になるように制御する工程と、
    前記圧力差が前記所定圧力以下に制御された後、前記循環ポンプの駆動を開始させる工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの停止制御方法。
  2. 請求項1記載の停止制御方法であって、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガス供給路に、前記酸化剤ガス循環路の上流側に位置して配置される供給側開閉弁、及び前記酸化剤ガス排出路に、前記酸化剤ガス循環路の下流側に位置して配置される排出側開閉弁を備え、
    少なくとも前記供給側開閉弁又は前記排出側開閉弁の一方を閉弁させることにより、前記圧力差が前記所定圧力以下になるように制御することを特徴とする燃料電池システムの停止制御方法。
  3. 請求項1又は2記載の停止制御方法であって、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガス排出路に配置され、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁を備え、
    前記背圧弁を閉弁させることにより、前記圧力差が前記所定圧力以下になるように制御することを特徴とする燃料電池システムの停止制御方法。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の停止制御方法であって、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガス供給路の前記酸化剤ガス循環路よりも上流側と前記酸化剤ガス排出路の前記酸化剤ガス循環路よりも下流側とに連通するバイパス流路、及び前記バイパス流路に配置されるバイパス弁を備え、
    前記循環ポンプの駆動を開始させる前に、前記バイパス弁を開弁させることを特徴とする燃料電池システムの停止制御方法。
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