JP2004039322A

JP2004039322A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004039322A
Application number: JP2002191806A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Hashigaya; 橋ヶ谷　浩昭
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-02-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control system of a fuel cell that can identify the factor of cell voltage drop. <P>SOLUTION: When the voltage of the fuel cell 1 is judged to be dropped, the following assumption is made at the factor assumption part 17. When the voltage of a part of the cluster drops out of the voltage of a cluster including at least one cell, the factor of voltage drop is assumed as a flooding. When the pressure response of the fuel gas in the fuel circulation piping 6 drops further than a permissible range, the factor of the voltage drop is assumed as an increase of impurities in the fuel circulation piping 6. Furthermore, when the factor of voltage drop is assumed as no-flooding nor increase of impurities, the factor of voltage drop is estimated as an insufficient humidifying of the electrolyte membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する、特に燃料電池システムの性能が低下した際の対応方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとして、特開２０００−２４３４１７号公報のようなものが知られている。これは、燃料極側または酸化剤極側の少なくとも一方に循環系を備えており、燃料電池のセル電圧と電流に応じて循環系のパージを行っている。
【０００３】
また、特開平１１−２７３７００号公報においては、燃料電池内での水詰まり（フラッディング）を検出するために、燃料電池の燃料極と水素極のうち少なくとも酸素極の圧力降下を測定している。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開２０００−２４３４１７号公報においては、セル電圧が低下する原因を特定せずに、セル電圧が低下した時には循環系をパージしている。そのため、パージする事で解決しない要因によりセル電圧が低下した場合でもパージを行うので、燃料または酸化剤を無駄に放出したり、かえって電圧を悪化させたりするという問題が生じる。
【０００５】
また、特開平１１−２７３７００号公報においては、フラッディングに関してしか検出できないために、他の要因による燃料電池の圧力低下は検出できないという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、セル電圧の低下の要因を特定できる燃料電池の制御システムを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて電力を生成するセルを積層することにより構成した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックに供給する循環経路と、前記循環経路内の燃料ガスを排出するパージ手段と、を備える。このような燃料電池システムにおいて、前記循環経路内の圧力を変化させる圧力変動手段と、前記循環経路の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料電池スタックの運転状態を検出する運転状態検出手段と、を備える。さらに、前記圧力検出手段と前記運転状態検出手段との出力に応じて、前記燃料電池スタックの電圧低下の要因を推定する要因推定手段と、を備える。
【０００８】
また、前記燃料電池スタックの電圧が低下しているかどうかを判断する電圧低下判断手段を備える。前記燃料電池スタックの電圧が低下していると判断された際に、要因推定手段において以下のような推定を行う。前記セルを少なくとも一つ以上含むクラスタの電圧のうち、一部のクラスタの電圧が低下している場合に電圧低下の要因をフラッディングと推定する。また、前記循環経路内の燃料ガスの圧力応答性が許容範囲よりも低下した場合に電圧低下の要因を前記循環経路内の不純物増加と推定する。さらに、電圧低下の要因が前記フラッディングでも前記不純物の増加でもないと推定された場合に電圧低下の要因を前記電解質膜の加湿不足と推定する。
【０００９】
【作用及び効果】
循環経路内の圧力を変化させる圧力変動手段と、循環経路の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、燃料電池スタックの運転状態を検出する運転状態検出手段と、を備える。さらに、圧力検出手段と運転状態検出手段との出力に応じて、燃料電池スタックの電圧低下の要因を推定する要因推定手段と、を備える。これにより、燃料電池スタックおよび燃料ガスの状態に応じて電圧低下の要因を推定することができる。
【００１０】
また、一部のクラスタの電圧が低下している場合に電圧低下の要因をフラッディングと推定し、燃料ガスの圧力応答性が許容範囲よりも低下した場合に循環経路内の不純物増加と推定し、そのどちらでもない場合に電解質膜の加湿不足と推定する。これにより、電圧低下の要因を判別することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態における燃料電池システムの燃料電池１付近の構成を図１に示す。ここでは、燃料電池システムを車両の動力源として利用する。
【００１２】
燃料電池１の燃料極１ａには燃料ガスの供給経路となる燃料供給配管５を接続し、さらに燃料供給配管５には燃料極１ａの圧力を調整する燃料極調圧バルブ３と、燃料を加湿する燃料加湿装置１２と、を備える。また、燃料極１ａからの排出ガスを循環させる燃料循環配管６、燃料供給配管５に排出ガスを混入するエゼクタ４、循環する燃料ガスを排出するための燃料パージ配管１１および燃料パージバルブ７を備える。
【００１３】
一方、燃料電池１の空気極１ｂには、図示しないコンプレッサ等の空気供給源から空気を供給する。この空気極１ｂの圧力は、燃料電池１から排出される排空気の流路に設けた空気極調圧バルブ８により調整する。
【００１４】
このような燃料電池システムの運転制御を行うコントローラ２と、燃料電池１から電流を取り出す電流取り出し手段２０を備える。燃料電池システムの制御を行うために、燃料電池出力電流センサ９、燃料電池セル電圧センサ１０、空気流量センサ１５を設け、また、各電極の入口付近の圧力を測定する空気極圧力センサ１３、燃料極圧力センサ１４を備える。
【００１５】
次に、このような燃料電池システムにおける発電時の動作について説明する。
【００１６】
図示しないコンプレッサ等の空気供給源から供給される酸化剤としての空気を燃料電池１の空気極１ｂに供給する。空気極１ｂで空気中の酸素を発電に用いた後、発電で消費されなかった酸素および空気中の他の成分を、空気極１ｂから空気極調圧バルブ８を介して排出する。空気極１ｂの圧力は、空気極１ｂの上流側に配置した空気極圧力センサ１３により検出し、また、空気極１ｂの下流側に配置した空気極調圧バルブ８により調整する。燃料電池１に供給する空気流量は、空気極１ｂの上流に配置した空気流量センサ１５により検出する。
【００１７】
次に、燃料極１ａ側について説明する。図示しない水素供給源から、燃料極調圧バルブ３、エゼクタ４を介して燃料ガス加湿装置１２に水素を供給する。燃料ガス加湿装置１２には図示しない加湿用純水経路があり、この加湿用純水経路に供給される純水の流量や温度などを調整することにより水素の加湿量を制御する。燃料ガス加湿装置１２において加湿された水素を、燃料供給配管５を介して燃料電池１の燃料極１ａに供給する。燃料電池１では供給された水素を全て消費することは出来ないので、消費されずに残った水素は、燃料極１ａの下流側と上流側を結ぶ燃料循環配管６を通じてエゼクタ４に戻され、再度燃料極１ａに供給される。燃料極１ａの圧力は、燃料極１ａの上流側に配置された燃料極圧力センサ１４により検出し、また、燃料極１ａの上流側に設けた燃料極調圧バルブ３により調整する。
【００１８】
さらに、燃料循環配管６から分岐する燃料パージ配管１１を設け、燃料パージ配管１１には燃料ガスを排出するか、循環させるかを切り替える燃料パージバルブ７を備える。
【００１９】
燃料電池１から取り出される電流は、電流取り出し手段２０に備えた燃料電池出力電流センサ９により検出する。また、燃料電池１を構成する単位セルの圧力は、燃料電池セル電圧センサ１０により検出する。例えば、燃料電池１を４００のセルで構成した場合には、４００個の電圧を測定してもよいし、２〜４セル毎に電圧を測定してもよい。
【００２０】
次に、図２を用いてコントローラ２の内部の構成概念を説明する。
【００２１】
基準セル電圧設定部１６では燃料電池出力電流センサ９、空気極圧力センサ１３、燃料極圧力センサ１４、空気流量センサ１５の出力から基準となるセル電圧を設定する。これは、予めセル電圧が低下する要因のない状態で測定したセル電圧を記憶しておくことで実現できる。
【００２２】
また、基準応答性設定部２１では、燃料電池出力電流センサ９の変化に応じて生じる燃料循環配管６内の圧力変化についての応答性に関する基準を設定する。これも、予め電圧が低下する要因のない状態で測定した基準圧力応答性を記憶しておくことで実現できる。
【００２３】
要因推定部１７には、基準セル電圧設定部１６で設定された基準セル電圧と、燃料電池セル電圧センサ１０、基準応答性設定部２１で設定された基準圧力応答性と、燃料極圧力センサ１４の出力を入力する。これらに応じて電圧低下の要因を推定し、その要因に応じて、パージ制御部１８においてパージ動作を行ったり、加湿制御部１９において加湿動作を行ったりする。
【００２４】
次に、要因推定部１７で行う電圧低下の要因推定処理を図３のフローチャートを用いて説明する。
【００２５】
ステップＳ１において、基準セル電圧設定部１６で設定された基準セル電圧と、燃料電池セル電圧センサ１０の出力を入力する。ステップＳ２において、実際の各セル電圧と、基準セル電圧との比較を行い、その差が所定値より大きいかどうかを判断する。ここでは、基準セル電圧設定部１６における処理と同様に、セル電圧の低下要因が無い状態で各セル電圧と基準セル電圧との差の許容範囲を予め測定・設定し、その最大値を所定値とする。
【００２６】
ステップＳ２において、各セル電圧と基準セル電圧の差が所定値以下であると判断されたらセル電圧が低下する要因がないと判断し、制御を終了する。一方、ステップＳ２において所定値より大きな差があった場合には、セル電圧が低下する要因があると判断してステップＳ３に進む。
【００２７】
ステップＳ３においては、セル電圧のバラツキをチェックする。ここで、水詰まり（フラッディング）によりセル電圧が低下した場合にはセル全体が一様に低下するのではなく、数セルのみが低下することが知られている。そこで、ステップＳ３においては、セル電圧と基準セル電圧との差が所定値より大きいセルの個数が全体に占める割合を調べ、一部のセルの電圧が低下していると判断されたら、例えば１割以下のセル電圧が低下していれば、電圧低下の原因をフラッディングと推定する。
【００２８】
ステップＳ３において、電圧低下の原因をフラッディングと推定したら、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０においてフラッディング解消用のパージ運転を行うフラグをセットしてから、要因推定処理を終了する。
【００２９】
一方、ステップＳ３において、電圧低下の原因がフラッディングではないと推定されたら、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、燃料循環配管６内の圧力を変動させるために、燃料電池１からの取り出し電流を瞬間的に増加させる。
【００３０】
ステップＳ５で燃料極圧力センサ１４を用いて燃料循環配管６内の圧力変化を測定する。ステップＳ６に進み、基準応答性設定部２１において設定した基準圧力応答性、ここでは燃料極１ａの圧力変化応答時間の基準値を読み込む。ここで、燃料循環配管６に不純物が混入している場合には、水素のみが充填されている場合に比べると燃料循環配管６内のガス密度は高くなる。このため、循環するガスの流量が変化するので圧力応答性が低下して圧力変化応答時間が増大する。ここで、圧力変動の応答の一例を図４に示す。図４に示すように、燃料電池１からの取り出し電流を瞬間的に増加させたときの燃料循環配管６内の圧力応答性は、燃料循環配管６内の不純物が多くなるほど低下する。ここでは、燃料循環配管６内の不純物量が許容範囲である場合の応答性の限界値を基準値とし、圧力等に応じた基準値を読み込む。
【００３１】
ステップＳ７において、ステップＳ５で検出した圧力変化における圧力応答時間とステップＳ６において設定した基準値との比較を行う。圧力応答時間の測定値が基準値以下であれば、電圧低下は燃料循環配管６内の不純物混入が要因ではないと推定してステップＳ９に進む。
【００３２】
電圧低下の要因が、フラッディングでも、燃料循環配管６内の不純物混入でもないと推定されたら、電解質膜の加湿不足であると推定し、ステップＳ９において、加湿不足解消用の加湿運転を行うフラグをセットして、制御を終了する。
【００３３】
ステップＳ７において、圧力応答時間の測定値が基準値より大きい場合には、不純物混入が電圧低下の要因であると推定してステップＳ８に進み、不純物用のパージ運転を行うフラグをセットした後、制御を終了する。
【００３４】
このようなフローを燃料電池システムの停止信号が入力されるまで繰り返し、セル電圧の低下が生じた際にはその要因を推定し、その要因を解消するようにシステムを制御する。
【００３５】
以上のように、セル電圧のバラツキから電圧低下が「フラッディング」によるものか、燃料循環配管６内の圧力応答性から「不純物混入」によるものかを推定し、これらにあてはまらない場合には「加湿不足」による電圧低下と推定する。これにより、燃料電池１の運転状態を悪化させることなく、また、無駄な燃料を消費することなく電圧低下の要因を推定し、その要因を解消することができる。
【００３６】
なお、ステップＳ３においては、フラッディングを、基準値以下までセル電圧が低下したセルの個数により判断することもできる。すなわち、電圧のバラツキからフラッディングによる電圧低下であるかどうかを推定できるので、例えば、標準偏差等を用いて推定することもできる。
【００３７】
また、ステップＳ４においては、燃料電池１からの取り出し電流を瞬間的に増加することで、燃料循環配管６内の圧力を変化させたが、取り出し電力を瞬間的に増大してもよい。燃料循環配管６内の圧力を変動させればよいので、例えば、燃料パージバルブ７を一瞬開ける、燃料極調圧バルブ３を一瞬開ける等の方法を採ることもできる。
【００３８】
さらに、フラッディング解消用のパージ運転と、不純物排出用のパージ運転を区別しているが、同一のパージ運転で処理することもできる。ここでは、水素の供給量を増大し、燃料パージバルブ７を開くことで、燃料循環配管６内のガスを排出するとともに、燃料極１ａのフラッディングを解消する。
【００３９】
ここで、複数の要因が同時に発生した場合の動作について捕捉する。まず、フラッディングと不純物質混入が同時に発生した場合には、図３のフローに示すように、最初にフラッディングの対応を行う。その結果、燃料循環配管６内に燃料ガスが置換されてしまうので同時に対応できることになる。
【００４０】
また、加湿不足と不純物混入が同時に発生した場合には、燃料循環配管６内の圧力応答が基準値以下になるので、まず、不純物排出用のパージ運転を行う。その後、フローを再度繰り返す際に加湿不足解消用の加湿器運転を行う。
【００４１】
次に、本実施形態にような構成・制御により得られる効果を説明する。
【００４２】
燃料循環配管６内の圧力を変化させる圧力変動手段としての電流取り出し手段２０と、燃料循環配管６の燃料ガスの圧力を検出する燃料極圧力センサ１４、燃料電池１の運転状態を検出する運転状態検出手段、ここでは、燃料電池セル電圧センサ１０と、を備える。さらに、この燃料極圧力センサ１４と燃料電池セル電圧センサ１０との出力に応じて、燃料電池１の電圧低下の要因を推定する要因推定部１７を備える。これにより、燃料電池１および燃料ガスの状態から電圧低下の要因を推定することができるので、要因に応じた制御を行うことができる。つまり、電圧を回復する際に無駄な燃料ガスのパージや電圧低下を生じるのを防ぐことができる。
【００４３】
ここではさらに、推定された要因を解消する解消手段、ステップＳ８、９、１０を備えているので、要因に応じた制御を行うことができる。これにより、電圧を回復して効率のよい発電を行うことができる。
【００４４】
また、運転状態検出手段としてセルを少なくとも一つ以上含んだクラスタ毎の電圧を検出する燃料電池セル電圧センサ１０とする。これにより、電圧低下の要因を推定する際に既存の検出手段を用いることができるので、システムを複雑化することなく、またコストも抑えることができる。また、燃料電池１内の電圧の分布を検出することができ、電圧低下の要因がフラッディングであるかどうかを推定することができる。
【００４５】
ここでは、燃料電池１の電圧が低下していない時のクラスタ毎、ここではセル毎の基準電圧を設定する基準セル電圧設定部１６を備える。要因推定部１７において、燃料電池セル電圧センサ１０により検出された電圧と基準電圧を比較することにより、電圧低下の要因がフラッディングであるかどうかを推定することができる。基準電圧と燃料電池セル電圧センサ１０により検出された電圧とを比較し、それらの差が所定値以上であるセルが全体の一部分である場合には、電圧低下の要因をフラッディングと推定することができる。ここでは、電圧低下の要因がフラッディングであると推定された場合には、燃料極１ａのフラッディングをパージすることにより電圧を回復することができる。
【００４６】
また、燃料電池１の電圧が低下していない時に燃料循環配管６内の圧力を変化させた際の基準圧力応答性を設定する基準応答性設定部２１を備える。要因推定部１７において、燃料循環配管６内の圧力を変化させた際に燃料極圧力センサ１４により検出された燃料ガスの圧力の応答性と、基準圧力応答性を比較する。検出した応答性が基準圧力応答性比べて低下している場合には、電圧低下の要因が燃料循環配管６内の燃料ガス内に不純物が混入しているためであると推定することができる。
【００４７】
検出した圧力応答性、ここでは応答時間が基準時間より遅ければ、燃料循環配管６内に不純物が多く存在するために電圧が低下したと推定することができる。このとき、燃料ガスをパージして、水素を供給することにより電圧低下の要因を解消することができる。
【００４８】
燃料循環配管６内の圧力を変化させる手段として、燃料電池１から電流または電力の少なくとも一方を取り出す。ここでは、電力取り出し手段２０を用いることにより既存の手段で燃料循環配管６内の圧力を変動させることができる。
【００４９】
または圧力変動手段を、パージ手段、ここでは燃料パージバルブ７とする。このようにした場合にも既存の手段を用いるので、コストを抑えることができる。
【００５０】
つまり本実施形態では、燃料電池１の電圧が低下しているかどうかを判断する電圧低下判断手段、ここではステップＳ２を備える。さらに、燃料電池１の電圧が低下していると判断された際に、以下のような要因推定を行う要因推定部１７を備える。少なくとも一つのセルを含むクラスタの電圧のうち、一部のクラスタの電圧が低下している場合に電圧低下の要因をフラッディングと推定する。または、燃料循環配管６内の燃料ガスの圧力応答性が許容範囲よりも低下した場合に、電圧低下の要因を燃料循環配管６内の不純物増加と推定する。または、電圧低下の要因がフラッディングでも不純物の増加でもないと推定された場合に電圧低下の要因を燃料電池１の電解質膜の加湿不足と推定する。
【００５１】
これにより、電圧低下の要因を燃料電池１の運転状態を悪化させることなく、また、無駄な燃料を消費することなく電圧低下の要因を推定し、その要因を解消することができる。
【００５２】
また、燃料電池１の電圧低下の要因が、フラッディングと推定された場合には燃料パージバルブ７により燃料ガスを排出し、不純物増加と推定された場合には燃料パージバルブ７により燃料ガスを排出し、電解質膜の加湿不足と推定された場合には燃料ガス加湿装置１２における加湿量を増大する。これにより、各要因に応じて電圧を回復する制御を行うことができる。
【００５３】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの構造およびコントローラ２の構成概念を第１の実施形態と同様とする。
【００５４】
本実施形態における要因推定部１７で行う電圧低下の要因推定処理を図５のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ７までを、第１の実施形態と同様とし、ステップＳ７で電圧低下の要因が燃料循環配管６内への不純物の混入であると推定されたらステップＳ８に進む。ステップＳ８において、不純物排出用のパージ運転を行うフラグをセットした後、ステップＳ２０に進み、ステップＳ９と同様の加湿不足解消用の加湿運転を行うフラグをセットする。
【００５５】
ステップＳ８において、不純物排出用のパージを行うと、図１には図示しない水素供給源から多量の乾燥した水素が燃料電池１の燃料極１ａに供給されるので、燃料循環配管６内の湿度が低下する。この結果、電解質膜の乾燥を引き起こし、燃料電池１の発電効率低下を生じる可能性があるので、不純物排出用パージを行う際には、パージ後に水素の加湿を行い、燃料電池１における発電に必要な水分の補給を行う。
【００５６】
このように、燃料循環配管６内のパージを行ったあとに、水素の加湿量を増大することで、燃料極１ａに供給する燃料ガスによる電解質膜の乾燥を防ぐことができる。これにより、加湿不足による電圧の低下を防ぐことができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの被毒防止手段の構成である。
【図２】第１の実施形態における制御の概略を示す図である。
【図３】第１の実施形態における要因推定方法を示すフローチャートである。
【図４】流路内の不純物と圧力変化の応答性を示す説明図である。
【図５】第２の実施形態における要因推定方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　　燃料電池（燃料電池スタック）
６　　燃料循環配管（循環経路）
７　　燃料パージバルブ（パージ手段）
１０　燃料電池セル電圧センサ（電圧検出手段）
１２　燃料ガス加湿装置（加湿システム）
１４　燃料極圧力センサ（圧力検出手段）
１６　基準セル電圧設定部（基準電圧設定部）
１７　要因推定部（要因推定手断Ｓ１〜１０、Ｓ２０）
２０　電流取り出し手段（圧力変動手段）
２１　基準応答性設定部
電圧低下判断手段・・・Ｓ２[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a method for coping with a decrease in performance of a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
As a conventional fuel cell system, a system as disclosed in JP-A-2000-243417 is known. In this case, a circulation system is provided on at least one of the fuel electrode side and the oxidant electrode side, and the circulation system is purged according to the cell voltage and current of the fuel cell.
[0003]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-273700, the pressure drop of at least the oxygen electrode of the fuel electrode and the hydrogen electrode of the fuel cell is measured in order to detect water clogging (flooding) in the fuel cell.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-243417, the circulation system is purged when the cell voltage drops, without specifying the cause of the cell voltage drop. For this reason, even when the cell voltage is lowered due to a factor that cannot be solved by purging, the purging is performed, so that the fuel or the oxidant is unnecessarily discharged or the voltage is deteriorated.
[0005]
Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-273700, there is a problem in that a pressure drop of the fuel cell due to other factors cannot be detected because only flooding can be detected.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system including a fuel cell control system capable of specifying a cause of a decrease in cell voltage.
[0007]
[Means for solving the problem]
The present invention provides a fuel cell stack configured by stacking cells that generate electric power by receiving supply of a fuel gas and an oxidizing gas, and supply the fuel gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack again. A circulation path; and purge means for discharging fuel gas in the circulation path. In such a fuel cell system, a pressure change unit that changes a pressure in the circulation path, a pressure detection unit that detects a pressure of fuel gas in the circulation path, and an operation state that detects an operation state of the fuel cell stack Detecting means. The fuel cell system further includes factor estimating means for estimating a factor of voltage drop of the fuel cell stack according to outputs of the pressure detecting means and the operating state detecting means.
[0008]
The fuel cell system further includes a voltage drop determining unit that determines whether the voltage of the fuel cell stack has dropped. When it is determined that the voltage of the fuel cell stack has dropped, the factor estimating means makes the following estimation. When the voltage of some clusters among the voltages of clusters including at least one cell is reduced, the cause of the voltage reduction is estimated to be flooding. When the pressure responsiveness of the fuel gas in the circulation path falls below an allowable range, the factor of the voltage drop is estimated to be an increase in impurities in the circulation path. Further, when it is estimated that the cause of the voltage drop is neither the flooding nor the increase of the impurities, the cause of the voltage drop is estimated to be insufficient humidification of the electrolyte membrane.
[0009]
[Action and effect]
The fuel cell system includes pressure change means for changing the pressure in the circulation path, pressure detection means for detecting the pressure of the fuel gas in the circulation path, and operation state detection means for detecting the operation state of the fuel cell stack. The fuel cell system further includes factor estimating means for estimating a factor of voltage drop of the fuel cell stack according to outputs of the pressure detecting means and the operating state detecting means. This makes it possible to estimate the cause of the voltage drop according to the state of the fuel cell stack and the fuel gas.
[0010]
Also, when the voltage of some clusters is reduced, it is estimated that the cause of the voltage drop is flooding, and when the pressure responsiveness of the fuel gas falls below an allowable range, it is estimated that impurities in the circulation path increase, If neither is the case, it is estimated that the humidification of the electrolyte membrane is insufficient. Thereby, the cause of the voltage drop can be determined.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration near the fuel cell 1 of the fuel cell system according to the first embodiment. Here, the fuel cell system is used as a power source of the vehicle.
[0012]
A fuel supply pipe 5 serving as a fuel gas supply path is connected to the fuel electrode 1a of the fuel cell 1, and a fuel electrode pressure regulating valve 3 for adjusting the pressure of the fuel electrode 1a is connected to the fuel supply pipe 5; And a fuel humidifier 12 that performs the above. The fuel supply system further includes a fuel circulation pipe 6 for circulating the exhaust gas from the fuel electrode 1a, an ejector 4 for mixing the exhaust gas into the fuel supply pipe 5, a fuel purge pipe 11 for discharging the circulating fuel gas, and a fuel purge valve 7.
[0013]
On the other hand, the air electrode 1b of the fuel cell 1 is supplied with air from an air supply source such as a compressor (not shown). The pressure of the air electrode 1b is adjusted by an air electrode pressure regulating valve 8 provided in a flow path of exhaust air discharged from the fuel cell 1.
[0014]
A controller 2 for controlling the operation of such a fuel cell system and a current extracting means 20 for extracting current from the fuel cell 1 are provided. In order to control the fuel cell system, a fuel cell output current sensor 9, a fuel cell voltage sensor 10, and an air flow sensor 15 are provided. An extreme pressure sensor 14 is provided.
[0015]
Next, the operation at the time of power generation in such a fuel cell system will be described.
[0016]
Air as an oxidant supplied from an air supply source such as a compressor (not shown) is supplied to the air electrode 1 b of the fuel cell 1. After the oxygen in the air is used for power generation at the air electrode 1b, oxygen not consumed in the power generation and other components in the air are discharged from the air electrode 1b through the air electrode pressure regulating valve 8. The pressure of the air electrode 1b is detected by an air electrode pressure sensor 13 disposed upstream of the air electrode 1b, and is adjusted by an air electrode pressure regulating valve 8 disposed downstream of the air electrode 1b. The air flow supplied to the fuel cell 1 is detected by an air flow sensor 15 arranged upstream of the air electrode 1b.
[0017]
Next, the fuel electrode 1a will be described. Hydrogen is supplied from a hydrogen supply source (not shown) to the fuel gas humidifier 12 via the fuel electrode pressure regulating valve 3 and the ejector 4. The fuel gas humidifier 12 has a humidification pure water path (not shown), and the amount of hydrogen humidification is controlled by adjusting the flow rate and temperature of pure water supplied to the humidification pure water path. The hydrogen humidified in the fuel gas humidifier 12 is supplied to the fuel electrode 1 a of the fuel cell 1 via the fuel supply pipe 5. Since all of the supplied hydrogen cannot be consumed in the fuel cell 1, the remaining hydrogen that has not been consumed is returned to the ejector 4 through a fuel circulation pipe 6 that connects the downstream side and the upstream side of the fuel electrode 1a, and again. The fuel is supplied to the fuel electrode 1a. The pressure of the fuel electrode 1a is detected by a fuel electrode pressure sensor 14 arranged on the upstream side of the fuel electrode 1a, and is adjusted by a fuel electrode pressure regulating valve 3 provided on the upstream side of the fuel electrode 1a.
[0018]
Further, a fuel purge pipe 11 branched from the fuel circulation pipe 6 is provided, and the fuel purge pipe 11 is provided with a fuel purge valve 7 for switching between discharging and circulating the fuel gas.
[0019]
The current extracted from the fuel cell 1 is detected by the fuel cell output current sensor 9 provided in the current extracting means 20. Further, the pressure of the unit cell constituting the fuel cell 1 is detected by the fuel cell voltage sensor 10. For example, when the fuel cell 1 is configured with 400 cells, the voltage of 400 cells may be measured, or the voltage may be measured every 2 to 4 cells.
[0020]
Next, an internal configuration concept of the controller 2 will be described with reference to FIG.
[0021]
The reference cell voltage setting unit 16 sets a reference cell voltage based on the outputs of the fuel cell output current sensor 9, the air electrode pressure sensor 13, the fuel electrode pressure sensor 14, and the air flow sensor 15. This can be realized by previously storing the cell voltage measured in a state where there is no cause for the cell voltage drop.
[0022]
In addition, the reference responsiveness setting unit 21 sets a criterion relating to the responsiveness with respect to a pressure change in the fuel circulation pipe 6 that occurs according to a change in the fuel cell output current sensor 9. This can also be realized by storing in advance the reference pressure responsiveness measured in a state where there is no cause for the voltage drop.
[0023]
The factor estimating unit 17 includes the reference cell voltage set by the reference cell voltage setting unit 16, the reference pressure responsiveness set by the fuel cell voltage sensor 10 and the reference responsiveness setting unit 21, and the fuel electrode pressure sensor 14. Enter the output of According to these factors, the cause of the voltage drop is estimated, and the purge control unit 18 performs a purge operation or the humidification control unit 19 performs a humidification operation according to the factor.
[0024]
Next, the process of estimating the cause of the voltage drop performed by the factor estimating unit 17 will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0025]
In step S1, the reference cell voltage set by the reference cell voltage setting unit 16 and the output of the fuel cell voltage sensor 10 are input. In step S2, each actual cell voltage is compared with the reference cell voltage, and it is determined whether the difference is greater than a predetermined value. Here, similarly to the processing in the reference cell voltage setting unit 16, the allowable range of the difference between each cell voltage and the reference cell voltage is measured and set in advance in a state where there is no cause of the cell voltage drop, and the maximum value is set to a predetermined value. And
[0026]
In step S2, when it is determined that the difference between each cell voltage and the reference cell voltage is equal to or smaller than a predetermined value, it is determined that there is no cause for lowering the cell voltage, and the control is terminated. On the other hand, when there is a difference larger than the predetermined value in step S2, it is determined that there is a factor for lowering the cell voltage, and the process proceeds to step S3.
[0027]
In step S3, the cell voltage is checked for variations. Here, it is known that when the cell voltage decreases due to water clogging (flooding), the entire cell does not decrease uniformly but only a few cells decrease. Therefore, in step S3, the ratio of the number of cells in which the difference between the cell voltage and the reference cell voltage is larger than a predetermined value to the whole is checked, and if it is determined that the voltage of some of the cells has dropped, for example, 1 If the cell voltage is lower than a certain value, the cause of the voltage drop is estimated to be flooding.
[0028]
When the cause of the voltage drop is estimated to be flooding in step S3, the process proceeds to step S10. In step S10, a flag for performing a purge operation for eliminating flooding is set, and then the factor estimating process ends.
[0029]
On the other hand, if it is estimated in step S3 that the cause of the voltage drop is not flooding, the process proceeds to step S4. In step S4, the current taken out of the fuel cell 1 is instantaneously increased in order to change the pressure in the fuel circulation pipe 6.
[0030]
In step S5, the pressure change in the fuel circulation pipe 6 is measured using the fuel electrode pressure sensor 14. Proceeding to step S6, the reference pressure responsiveness set by the reference responsiveness setting unit 21, in this case, the reference value of the pressure change response time of the fuel electrode 1a is read. Here, when impurities are mixed in the fuel circulation pipe 6, the gas density in the fuel circulation pipe 6 becomes higher than in the case where only hydrogen is filled. For this reason, since the flow rate of the circulating gas changes, the pressure responsiveness decreases and the pressure change response time increases. Here, an example of the response to the pressure fluctuation is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the pressure responsiveness in the fuel circulation pipe 6 when the current taken out of the fuel cell 1 is instantaneously increased decreases as the impurities in the fuel circulation pipe 6 increase. Here, the limit value of the response in the case where the amount of impurities in the fuel circulation pipe 6 is within the allowable range is set as the reference value, and the reference value corresponding to the pressure or the like is read.
[0031]
In step S7, the pressure response time for the pressure change detected in step S5 is compared with the reference value set in step S6. If the measured value of the pressure response time is equal to or less than the reference value, it is estimated that the voltage drop is not caused by the contamination of the fuel circulation pipe 6 with impurities, and the process proceeds to step S9.
[0032]
If it is estimated that the cause of the voltage drop is neither flooding nor impurity contamination in the fuel circulation pipe 6, it is estimated that the humidification of the electrolyte membrane is insufficient. Set and end the control.
[0033]
If the measured value of the pressure response time is larger than the reference value in step S7, it is estimated that impurity contamination is a cause of the voltage drop, and the process proceeds to step S8. After the flag for performing the purge operation for impurities is set, The control ends.
[0034]
Such a flow is repeated until a stop signal of the fuel cell system is input, and when the cell voltage decreases, the factor is estimated and the system is controlled so as to eliminate the factor.
[0035]
As described above, it is estimated from the variation in the cell voltage whether the voltage drop is due to “flooding” or from the pressure response in the fuel circulation pipe 6 to “impurity contamination”. It is estimated that the voltage drops due to “insufficient”. As a result, it is possible to estimate the cause of the voltage drop without deteriorating the operation state of the fuel cell 1 and without consuming unnecessary fuel, and eliminate the cause.
[0036]
In step S3, flooding can be determined based on the number of cells whose cell voltage has decreased to a reference value or less. That is, since it is possible to estimate whether or not a voltage drop due to flooding is obtained from the variation in the voltage, for example, it can be estimated using a standard deviation or the like.
[0037]
In step S4, the pressure in the fuel circulation pipe 6 is changed by instantaneously increasing the current taken out from the fuel cell 1, but the power taken out may be increased instantaneously. Since the pressure in the fuel circulation pipe 6 may be changed, for example, a method of momentarily opening the fuel purge valve 7 or momentarily opening the fuel electrode pressure regulating valve 3 may be employed.
[0038]
Further, although a purge operation for eliminating flooding and a purge operation for discharging impurities are distinguished, the same purge operation may be used. Here, by increasing the supply amount of hydrogen and opening the fuel purge valve 7, the gas in the fuel circulation pipe 6 is discharged, and the flooding of the fuel electrode 1a is eliminated.
[0039]
Here, the operation in the case where a plurality of factors occur at the same time is captured. First, in the case where flooding and impurity contamination occur simultaneously, flooding is firstly dealt with as shown in the flow of FIG. As a result, the fuel gas is replaced in the fuel circulation pipe 6, so that it is possible to cope with the problem at the same time.
[0040]
In addition, when insufficient humidification and impurity contamination occur simultaneously, the pressure response in the fuel circulation pipe 6 becomes equal to or less than the reference value. Thereafter, when the flow is repeated again, a humidifier operation for eliminating insufficient humidification is performed.
[0041]
Next, effects obtained by the configuration and control according to the present embodiment will be described.
[0042]
Current extracting means 20 as pressure fluctuation means for changing the pressure in the fuel circulation pipe 6; a fuel electrode pressure sensor 14 for detecting the pressure of the fuel gas in the fuel circulation pipe 6; and an operating state for detecting the operating state of the fuel cell 1 A detection unit, here, a fuel cell voltage sensor 10 is provided. Further, a factor estimating unit 17 for estimating a factor of a voltage drop of the fuel cell 1 according to the outputs of the fuel electrode pressure sensor 14 and the fuel cell voltage sensor 10 is provided. Thus, the cause of the voltage drop can be estimated from the state of the fuel cell 1 and the fuel gas, and control according to the factor can be performed. That is, it is possible to prevent unnecessary purging of fuel gas and voltage drop when the voltage is restored.
[0043]
Here, since there are further provided means for eliminating the estimated factors, steps S8, S9, S10, control according to the factors can be performed. Thereby, the voltage can be recovered and efficient power generation can be performed.
[0044]
The fuel cell voltage sensor 10 detects the voltage of each cluster including at least one cell as the operating state detecting means. This makes it possible to use the existing detection means when estimating the cause of the voltage drop, so that it is possible to reduce the cost without complicating the system. In addition, the distribution of the voltage in the fuel cell 1 can be detected, and it can be estimated whether the cause of the voltage drop is flooding.
[0045]
Here, a reference cell voltage setting unit 16 is provided for setting a reference voltage for each cluster when the voltage of the fuel cell 1 is not reduced, here, for each cell. By comparing the voltage detected by the fuel cell voltage sensor 10 with the reference voltage, the factor estimating unit 17 can estimate whether the cause of the voltage drop is flooding. The reference voltage and the voltage detected by the fuel cell voltage sensor 10 are compared, and when the difference between the cells is equal to or more than a predetermined value is a part of the entire cell, the cause of the voltage drop can be estimated as flooding. it can. Here, when it is estimated that the cause of the voltage drop is flooding, the voltage can be recovered by purging the flooding of the fuel electrode 1a.
[0046]
The fuel cell system further includes a reference responsiveness setting unit 21 for setting a reference pressure responsiveness when the pressure in the fuel circulation pipe 6 is changed when the voltage of the fuel cell 1 is not reduced. The factor estimating unit 17 compares the responsiveness of the fuel gas pressure detected by the fuel electrode pressure sensor 14 when the pressure in the fuel circulation pipe 6 is changed with the reference pressure responsiveness. If the detected responsiveness is lower than the reference pressure responsiveness, it can be estimated that the cause of the voltage drop is that impurities are mixed in the fuel gas in the fuel circulation pipe 6.
[0047]
If the detected pressure responsiveness, here the response time is later than the reference time, it can be estimated that the voltage has dropped due to the presence of many impurities in the fuel circulation pipe 6. At this time, the cause of the voltage drop can be eliminated by purging the fuel gas and supplying hydrogen.
[0048]
As means for changing the pressure in the fuel circulation pipe 6, at least one of a current and an electric power is taken out of the fuel cell 1. Here, by using the power take-out means 20, the pressure in the fuel circulation pipe 6 can be changed by existing means.
[0049]
Alternatively, the pressure varying means is a purging means, here a fuel purge valve 7. Also in this case, since the existing means is used, the cost can be reduced.
[0050]
That is, in the present embodiment, there is provided a voltage drop determining unit for determining whether the voltage of the fuel cell 1 has dropped, here, step S2. Further, a factor estimating unit 17 for estimating the following factors when it is determined that the voltage of the fuel cell 1 is lowered is provided. When the voltage of some clusters among the voltages of the clusters including at least one cell is lowered, the cause of the voltage drop is estimated to be flooding. Alternatively, when the pressure responsiveness of the fuel gas in the fuel circulation pipe 6 falls below an allowable range, the cause of the voltage drop is estimated to be an increase in impurities in the fuel circulation pipe 6. Alternatively, when it is estimated that the cause of the voltage drop is neither flooding nor an increase in impurities, the cause of the voltage drop is estimated to be insufficient humidification of the electrolyte membrane of the fuel cell 1.
[0051]
As a result, it is possible to estimate the cause of the voltage drop without deteriorating the operating state of the fuel cell 1 and without consuming unnecessary fuel, and eliminate the cause of the voltage drop.
[0052]
Further, when the cause of the voltage drop of the fuel cell 1 is estimated to be flooding, the fuel purge valve 7 discharges the fuel gas. When it is estimated that the impurities increase, the fuel purge valve 7 discharges the fuel gas. If it is estimated that the film is insufficiently humidified, the humidification amount in the fuel gas humidification device 12 is increased. Thereby, control for restoring the voltage can be performed according to each factor.
[0053]
Next, a second embodiment will be described. The structure of the fuel cell system and the configuration concept of the controller 2 are the same as in the first embodiment.
[0054]
The voltage drop factor estimating process performed by the factor estimating unit 17 in the present embodiment will be described with reference to the flowchart in FIG. Steps up to step S7 are the same as those in the first embodiment. If it is estimated in step S7 that the cause of the voltage drop is contamination of the fuel circulation pipe 6 with impurities, the process proceeds to step S8. In step S8, after setting a flag for performing a purge operation for discharging impurities, the process proceeds to step S20, and a flag for performing a humidification operation for resolving insufficient humidification similar to step S9 is set.
[0055]
In step S8, when purging for discharging impurities is performed, a large amount of dry hydrogen is supplied to the fuel electrode 1a of the fuel cell 1 from a hydrogen supply source not shown in FIG. descend. As a result, the electrolyte membrane may be dried, and the power generation efficiency of the fuel cell 1 may be reduced. Therefore, when purging for discharging impurities, hydrogen is humidified after the purge, and the fuel cell 1 is required to generate power. Replenish water.
[0056]
As described above, by increasing the humidification amount of hydrogen after purging the fuel circulation pipe 6, it is possible to prevent the electrolyte membrane from being dried by the fuel gas supplied to the fuel electrode 1a. This can prevent a voltage drop due to insufficient humidification.
[0057]
It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiment, and various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration of a poisoning prevention unit of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an outline of control in the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a factor estimating method according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory view showing the responsiveness of impurities in a flow path and pressure changes.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a factor estimating method according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 fuel cell (fuel cell stack)
6. Fuel circulation piping (circulation route)
7 Fuel purge valve (purge means)
10 Fuel cell voltage sensor (voltage detection means)
12 Fuel gas humidifier (humidification system)
14 Fuel electrode pressure sensor (pressure detecting means)
16 Reference cell voltage setting section (reference voltage setting section)
17 factor estimation unit (factor estimation cutoff S1-10, S20)
20 Current extraction means (pressure fluctuation means)
21 Reference responsiveness setting section voltage drop judgment means ... S2

Claims

A fuel cell stack configured by stacking cells that generate power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas,
A circulation path for supplying the fuel gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack again,
Purging means for discharging fuel gas in the circulation path,
Pressure fluctuation means for changing the pressure in the circulation path,
Pressure detection means for detecting the pressure of the fuel gas in the circulation path,
Operating state detecting means for detecting an operating state of the fuel cell stack;
A fuel cell system, comprising: factor estimation means for estimating a factor of a voltage drop of the fuel cell stack according to outputs of the pressure detection means and the operating state detection means.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operating state detection unit is a voltage detection unit that detects a voltage of each cluster including at least one of the cells. 3.

A reference voltage setting unit that sets a reference voltage that is a voltage for each cluster when the voltage of the fuel cell stack is not reduced,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the factor estimating unit estimates a factor of the voltage drop by comparing the voltage for each cluster detected by the voltage detecting unit with the reference voltage. 4.

A reference responsiveness setting unit that sets a reference pressure responsiveness that is a pressure responsiveness when the pressure in the circulation path is changed when the voltage of the fuel cell stack is not reduced,
In the factor estimating means, when the pressure in the circulation path is changed by the pressure varying means, the responsiveness of the fuel gas pressure detected by the pressure detecting means is compared with the reference pressure responsiveness. The fuel cell system according to claim 1, wherein a factor of the voltage drop is estimated by the following.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure change unit is a unit that extracts at least one of a current and an electric power from the fuel cell stack. 3.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein said pressure varying means is said purging means.

A fuel cell stack configured by stacking cells that generate power by receiving hydrogen gas and oxidant gas and moving hydrogen ions in the electrolyte membrane,
A circulation path for supplying the fuel gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack again;
Purging means for discharging fuel gas in the circulation path,
Voltage drop determining means for determining whether the voltage of the fuel cell stack has dropped,
When it is determined that the voltage of the fuel cell stack is decreasing, when the voltage of some clusters among the voltages of clusters including at least one of the cells is decreasing, a factor of the voltage decrease is considered. Is estimated as flooding, and when the pressure responsiveness of the fuel gas in the circulation path falls below an allowable range, the factor of the voltage drop is estimated to be an increase in impurities in the circulation path, and the factor of the voltage drop is also the flooding. A fuel cell system comprising: factor estimating means for estimating the cause of the voltage drop as insufficient humidification of the electrolyte membrane when it is estimated that the increase in the impurities is not an increase.

A humidification system that humidifies the electrolyte membrane of the fuel cell stack,
When the cause of the voltage drop of the fuel cell stack is estimated to be the flooding, the purging unit purges the water clogging, and when the impurity is estimated to increase, the purging unit discharges the fuel gas. The fuel cell system according to claim 7, wherein when it is estimated that the electrolyte membrane is insufficiently humidified, the amount of water used for humidification in the humidification system is increased.