JP2006004819A - Fuel cell system and fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池車両に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell vehicle.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.
ところで一般的な固体高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸系ポリマ等では、含水量が十分でないと良好な水素イオン導電性を発揮しないことが知られている。このため、固体高分子電解質に水分を供給する加湿方法として、燃料電池本体へ供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する外部加湿(間接加湿)方法や、燃料電池本体に流通する冷却水から多孔質部材を介して加湿する内部加湿(直接加湿)方法が行なわれている。 By the way, it is known that perfluorosulfonic acid polymers and the like that are general solid polymer electrolytes do not exhibit good hydrogen ion conductivity unless the water content is sufficient. For this reason, as a humidification method for supplying moisture to the solid polymer electrolyte, an external humidification (indirect humidification) method for humidifying the fuel gas or oxidant gas supplied to the fuel cell main body, or a cooling water circulating through the fuel cell main body is used. An internal humidification (direct humidification) method of humidifying through a material member is performed.
また、燃料電池の固体高分子電解質膜の湿潤状態を監視するために、固体高分子電解質膜と一体化したセンサを設ける技術が公知である(例えば、特許文献1)。 Further, a technique for providing a sensor integrated with a solid polymer electrolyte membrane in order to monitor the wet state of the solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell is known (for example, Patent Document 1).
この技術によれば、燃料電池スタックセル・メンブレン電極アセンブリの温度、水和状態、イオン伝導率、ACインピーダンス、抵抗、キャパシタンス、誘電率、複素誘電率、バルク誘電率などのパラメータを監視しているので、燃料電池スタックの湿潤状態、及び発電効率などを推定することができる。
しかしながら上記従来技術では、固体高分子電解質の湿潤度が低下した場合や、燃料電池スタックが水詰まりを起こした場合、また燃料電池に供給する酸化ガスを加湿するための純水量が低下した場合に応じて、燃料電池に供給する酸化ガスの圧力や流量の運転点を変化させる必要があった。 However, in the above prior art, when the wetness of the solid polymer electrolyte is decreased, when the fuel cell stack is clogged, or when the amount of pure water for humidifying the oxidizing gas supplied to the fuel cell is decreased. Accordingly, it is necessary to change the operating point of the pressure and flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell.
例えば、固体高分子電解質膜の湿潤度が低下すると、発電効率が低下するため燃料電池の発熱量が増加し、固体高分子電解質膜の湿潤度が更に低下するので、発電量を制限しなければならないという問題点があった。 For example, if the wetness of the solid polymer electrolyte membrane decreases, the power generation efficiency decreases, so the amount of heat generated by the fuel cell increases, and the wetness of the solid polymer electrolyte membrane further decreases. There was a problem of not becoming.
また、燃料電池スタックが水詰まりを起こした状態で発電を継続すると、電極触媒への供給ガスが不足し燃料電池スタックが劣化する虞がある。さらに、酸化ガスを加湿するための純水量が低下すると、酸化ガスに対して十分な加湿を行うことができなくなり、固体高分子電解質膜の抵抗が増加し燃料電池の発電効率が低下する。 Further, if power generation is continued in a state where the fuel cell stack is clogged, there is a risk that the fuel cell stack will deteriorate due to a shortage of gas supplied to the electrode catalyst. Further, when the amount of pure water for humidifying the oxidizing gas is lowered, sufficient humidification cannot be performed on the oxidizing gas, the resistance of the solid polymer electrolyte membrane is increased, and the power generation efficiency of the fuel cell is lowered.
第1発明は、上記課題を解決するため、燃料ガス及び酸化ガスを用いて発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の内部湿潤度を推定する燃料電池湿潤状態推定手段と、該燃料電池湿潤状態推定手段が推定した内部湿潤度に基づいて、前記酸化ガス供給装置から供給する酸化ガスの流量を制御する酸化ガス供給流量制御手段と、前記燃料電池湿潤状態推定手段が推定した内部湿潤度に基づいて、前記酸化ガス供給装置から供給する酸化ガスの圧力を制御する酸化ガス供給圧力制御手段と、を備えたことを要旨とする。 In order to solve the above problems, a first invention is a fuel cell system including a fuel cell main body that generates power using fuel gas and oxidizing gas, and an oxidizing gas supply device that supplies the oxidizing gas to the fuel cell main body. A fuel cell wet state estimating means for estimating the internal wetness of the fuel cell main body, and a flow rate of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device based on the internal wetness estimated by the fuel cell wet state estimating means And an oxidizing gas supply pressure control means for controlling the pressure of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device based on the internal wetness estimated by the fuel cell wet state estimating means. The summary is provided.
また第2発明は、第1発明の燃料電池システムと、車両を駆動する一方、車両減速時に運動エネルギーを回生電力に変換することができる車両駆動用モータと、を備えた燃料電池車両であって、前記車両駆動用モータで変換された回生電力を消費するように前記酸化ガス供給装置を制御することを要旨とする。 The second invention is a fuel cell vehicle comprising the fuel cell system of the first invention and a vehicle drive motor that drives the vehicle and can convert kinetic energy into regenerative power when the vehicle decelerates. The gist is to control the oxidizing gas supply device so as to consume the regenerative electric power converted by the vehicle driving motor.
第1発明によれば、燃料電池本体の固体高分子膜の湿潤度に基づき、酸化ガス圧力及び酸化ガス流量を制御しているので、該固体高分子膜の湿潤度を適正に制御することができる。 According to the first invention, since the oxidizing gas pressure and the oxidizing gas flow rate are controlled based on the wetness of the solid polymer membrane of the fuel cell body, the wetness of the solid polymer membrane can be appropriately controlled. it can.
第2発明によれば、車両駆動用モータによる回生制動時に、回生電力を酸化ガス供給装置で消費させることができるので、燃料電池発電量が所定値以下である場合でも燃料電池本体の内部湿潤度を適正に制御することができ、また、燃料電池スタックの水詰まりを防止するこができる。 According to the second aspect of the invention, the regenerative power can be consumed by the oxidizing gas supply device during regenerative braking by the vehicle drive motor, so that the internal wetness of the fuel cell main body can be maintained even when the fuel cell power generation amount is not more than a predetermined value. Can be properly controlled, and water clogging of the fuel cell stack can be prevented.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施例で説明する燃料電池システムは、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The fuel cell system described in each of the following embodiments is a fuel cell system suitable for a fuel cell vehicle.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明するシステム構成図である。図1において、燃料電池システム1は、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池本体である燃料電池スタック3と、燃料電池スタック3に供給する酸化ガス及び水素を加湿する加湿器5と、酸化ガスとして空気を供給するコンプレッサ等の酸化ガス供給装置7と、燃料電池スタック3から排出される空気の圧力流量を調整するスロットル9と、水素を貯蔵する高圧水素タンク11と、水素の圧力を調整する可変バルブ13と、可変バルブ13から供給される新規水素と燃料電池スタック3のアノードから排出されるアノードオフガスとを混合して循環させるエゼクタ15と、アノードオフガスを系外へ排出させるパージ弁17と、燃料電池スタック3が発電した電力を消費する駆動ユニット19と、を備えている。
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, a
また、燃料電池システム1は、加湿器5へ純水を供給するポンプ等の純水供給装置27と、純水の温度を下げる純水ラジエタ23と、純水ラジエタ23へ送風するファン25と、純水を貯蔵する純水タンク29と、純水タンク29の水位を検出する水位センサ31とを備えている。
The
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック3の温度を調節するため、燃料電池スタック3の内部に形成された図示しない冷却水通路に冷却水を供給するため、ポンプ等の冷却水供給装置37と、冷却水の熱を系外へ放出する冷却水ラジエタ33と、冷却水ラジエタ33へ送風するファン35とを備えている。
Further, since the
また、燃料電池システム1は、燃料電池システムの運転状態を検出/制御するために、大気圧を検出する大気圧センサ49、酸化ガス供給装置7が吸入する空気の温度及び湿度を検出する温度湿度センサ51、燃料電池スタック3の入口における酸化ガス流量を検出する酸化ガス流量センサ41,同水素ガス流量を検出する水素流量センサ43,同酸化ガス圧力を検出する酸化ガス圧力センサ45,同水素ガス圧力を検出する水素ガス圧力センサ47、燃料電池スタック出口における冷却水温度を検出する温度センサ53,燃料電池スタック3を構成する各セルまたは直列接続された複数セルからなるセル群の電圧を検出するセル電圧検出装置21,及びこれらのセンサ類の検出信号を入力するコントローラ61を備えている。
In addition, the
コントローラ61は、燃料電池システム1の全体を制御するとともに、燃料電池スタック3の内部湿潤度を推定する燃料電池湿潤状態推定手段63と、燃料電池湿潤状態推定手段63が推定した湿潤度に基づいて酸化ガス供給装置7の吐出圧力を制御する酸化ガス供給圧力制御手段65と、燃料電池湿潤状態推定手段63が推定した湿潤度に基づいて酸化ガス供給装置7から供給する酸化ガスの流量を制御する酸化ガス供給流量制御手段67と、を備えている。
The
ここで、燃料電池スタック3の内部湿潤度Hとは、燃料電池スタック3に用いられている固体高分子電解質膜の湿潤度であり、例えば、運転状態における固体高分子電解質膜の単位面積当たりの含水量W[g/cm2 ]を、固体高分子電解質膜の製造元が推奨する使用条件における固体高分子電解質膜の単位面積当たりの含水量W0 [g/cm2 ]で除算して正規化した無名数とする。 Here, the internal wetness H of the fuel cell stack 3 is the wetness of the solid polymer electrolyte membrane used in the fuel cell stack 3, for example, per unit area of the solid polymer electrolyte membrane in the operating state. The water content W [g / cm 2 ] was normalized by dividing by the water content W 0 [g / cm 2 ] per unit area of the solid polymer electrolyte membrane under the usage conditions recommended by the manufacturer of the solid polymer electrolyte membrane An anonymous number.
H=W/W0 …(1)
コントローラ61は、特に限定されないが本実施例では、CPUと、制御プログラム及び制御用パラメータや制御テーブルを記憶するROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。コントローラ61は、各センサの信号とセル電圧検出装置21の出力を取り込み、内蔵された制御プログラムに基づいて各アクチュエータを駆動する制御信号を出力する。
H = W / W0 (1)
The
次に、上記構成の燃料電池システム1の動作を説明する。酸化ガス系は、酸化ガス供給装置7が酸化ガスとしての空気を圧縮して加湿器5へ送る。加湿器5は純水供給装置27から供給された純水で空気を加湿して燃料電池スタック3へ送り込む。水素系では高圧水素タンク11から供給された水素を可変バルブ13が圧力を制御して、燃料電池スタック3へ供給する水素圧力を所望の値とする。また、イジェクタ15でアノードオフガスと合流し、次に加湿器5へ送られ、加湿器5では酸化ガスと同様に純水供給装置27で供給された純水で水素を加湿し、加湿された水素が燃料電池スタック3へ送り込まれる。
Next, the operation of the
燃料電池スタック3では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電流(電力)を駆動ユニット19へ供給する。燃料電池スタック3で反応に使用した残りの空気は、スロットル9で圧力制御が行われて系外へ排出される。また、反応に使用した残りの水素は燃料電池スタック3から排出されるが、イジェクタ15によって加湿器5の上流へ還流されて発電に再利用する。
In the fuel cell stack 3, the supplied air and hydrogen are reacted to generate power and supply current (electric power) to the
コントローラ61は、流量センサ41,43,圧力センサ45,47の各センサから読み込んだ流量値及び圧力値が、そのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるように酸化ガス供給装置7、スロットル9、可変バルブ13を制御するとともに、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池スタック3から駆動ユニット19へ取り出す出力(電流値)の指令を行う。
The
尚、駆動ユニット19は、図示しない車両駆動用モータを備え、燃料電池スタック3が発電した電力を車両駆動用モータに供給することにより車両を駆動するとともに、車両制動時には、車両駆動用モータが車両の運動エネルギーを回生電力に変換することにより車両を制動する回生制動を行うことができるようになっている。この回生制動時に、コントローラ61は、酸化ガス供給装置7の回転速度を上昇させるとともに、スロットル9の開度を増加させて、余剰の回生電力を消費させるように制御することができるようになっている。
The
次に、フローチャート及び制御マップを参照して、コントローラ61の制御作用を説明する。コントローラ61の概略の作用は、燃料電池スタック3の内部湿潤状態を推定し、この湿潤状態に基づき、酸化ガス供給装置7およびスロットル9を制御して、湿潤状態を適正に制御するものである。
Next, the control action of the
図8は、燃料電池システムの運転開始時より所定時間毎(例えば10[ms]毎)にコントローラ61が実行する制御内容の全体を説明するゼネラルフローチャートである。まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)10において、コントローラ61は、燃料電池スタック3の固体高分子膜の湿潤状態を推定する。次いで、S12において、コントローラ61は、推定された湿潤状態に基づいて燃料電池スタック3へ供給する酸化ガスの供給流量を制御し、次いで、S14において、コントローラ61は、推定された湿潤状態に基づいて燃料電池スタック3へ供給する酸化ガスの供給圧力を制御する。
FIG. 8 is a general flowchart for explaining the entire control contents executed by the
次に、S10の燃料電池スタック3の固体高分子膜の湿潤度推定方法について、図2を用いて説明する。図2(a)は、吸入酸化ガス(空気)温度と飽和水蒸気分圧との関係を示す図、図2(b)は、飽和水蒸気分圧と固体高分子膜の湿潤度との関係を示す図である。 Next, a method for estimating the wetness of the solid polymer membrane of the fuel cell stack 3 in S10 will be described with reference to FIG. 2A is a diagram showing the relationship between the intake oxidant gas (air) temperature and the saturated water vapor partial pressure, and FIG. 2B is a diagram showing the relationship between the saturated water vapor partial pressure and the wetness of the solid polymer membrane. FIG.
例えば、燃料電池スタック3に供給する酸化ガスに対して、100[%]の加湿を行う場合には、温度湿度センサ51で酸化ガス供給装置7の吸入酸化ガス温度を検出し、この吸入酸化ガス温度TCMP_IN1 [degC]から、予めコントローラ61に記憶した図2(a)のような制御マップを参照して、飽和水蒸気分圧f1 [mmHg]を算出する。さらに、予め実験などにより、飽和水蒸気分圧と固体高分子膜湿潤度の関係を求め、求めた関係を図2(b)のような制御マップとしてコントローラ61に記憶させておく。そして、この吸入酸化ガス温度TCMP_IN1 [degC]に基づき、図2(a)、図2(b)の制御マップを順次参照して、固体高分子膜湿潤度H1 を算出する方法などがある。それ以外にも、温度湿度センサ51が検出した酸化ガス供給装置7の吸入酸化ガスの湿度から固体高分子膜湿潤度を推定する方法などがある。
For example, when the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 3 is humidified 100%, the temperature and
次に、S12の酸化ガス供給流量制御方法について図9のフロチャートを用いて説明する。まず、S16で、燃料電池スタック3の固体高分子膜の湿潤度H1 が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上であると判定した場合には、S18で、燃料電池スタック3に供給する酸化ガス流量を増量補正し、終了する。S16で所定値以上ではないと判定した場合、何もせずに終了する。 Next, the oxidizing gas supply flow rate control method of S12 will be described using the flowchart of FIG. First, in S16, if the wetness H 1 of the solid polymer membrane of the fuel cell stack 3 is equal to or more than a predetermined value, and determined to be equal to or greater than the predetermined value, in S18, the fuel cell stack 3 is corrected by increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied to 3 and the process ends. If it is determined in S16 that it is not equal to or greater than the predetermined value, the process ends without doing anything.
ここで、S18の燃料電池供給酸化ガス流量補正方法について、図3を用いて説明する。予め実験などにより、固体高分子膜の湿潤度と酸化ガス目標流量補正係数との関係を求め、求めた関係を図3(a)のような制御マップとしてコントローラ61に記憶しておく。そして、S10で推定した固体高分子膜湿潤度H1 に基づき、図3(a)のマップを参照して、酸化ガス流量補正係数kH1 を算出する。
Here, the fuel cell supply oxidizing gas flow rate correction method of S18 will be described with reference to FIG. The relationship between the wetness of the solid polymer film and the oxidizing gas target flow rate correction coefficient is obtained in advance by experiments or the like, and the obtained relationship is stored in the
また、燃料電池の発電量がG1 [W]時の補正前の酸化ガス目標流量をQTarget1 [L/min]とすると、補正後の酸化ガス目標流量QkH1 [L/min]は、以下の式(2)で算出することができる(図3(b))。 If the target oxidant gas flow rate before correction when the fuel cell power generation amount is G 1 [W] is Q Target1 [L / min], the corrected oxidant gas target flow rate Q kH1 [L / min] is (2) can be calculated (FIG. 3B).
QkH1 =QTarget1 ×kH1[L/min] …(2)
以上のようにして酸化ガス流量を増量補正する。
Q kH1 = Q Target1 × k H1 [L / min] (2)
As described above, the oxidizing gas flow rate is corrected to increase.
それ以外にも、図4に示すように、推定した固体高分子膜湿潤度が所定値以上となった場合(図4では1以上)には、燃料電池スタック3に供給する酸化ガス流量を所定変化率Qinc [L/min/sec]で増量補正し、固体高分子膜湿潤度が所定値以下となった場合には、酸化ガス流量を所定変化率Qdec [L/min/sec]で減少補正する方法などがある。 In addition, as shown in FIG. 4, when the estimated solid polymer film wetness exceeds a predetermined value (1 or more in FIG. 4), the flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 3 is predetermined. When the rate of increase is corrected with the rate of change Q inc [L / min / sec] and the solid polymer membrane wetness falls below the predetermined value, the oxidizing gas flow rate is set at the predetermined rate of change Q dec [L / min / sec]. There is a method of correcting the decrease.
次に、S14の酸化ガス供給圧力制御方法について図10のフロチャートを用いて説明する。まず、S20で、燃料電池の固体高分子膜の湿潤度が所定値以下であるか否かを判定し、所定値以下であると判定した場合には、S22で、酸化ガス供給装置7の吐出圧力を増加補正することにより、酸化ガス供給圧力を増加補正して終了する。S20で所定値以下ではないと判定した場合、何もせずに終了する。 Next, the oxidizing gas supply pressure control method of S14 will be described using the flowchart of FIG. First, in S20, it is determined whether or not the wetness of the solid polymer membrane of the fuel cell is equal to or less than a predetermined value. If it is determined that it is equal to or less than the predetermined value, the discharge of the oxidizing gas supply device 7 is performed in S22. By correcting the pressure to increase, the oxidizing gas supply pressure is corrected to increase, and the process ends. If it is determined in S20 that the value is not less than the predetermined value, the process ends without doing anything.
ここで、S22の酸化ガス供給圧力増加補正方法について、図5を用いて説明する。予め実験などにより、固体高分子膜湿潤度と酸化ガス目標圧力補正係数との関係を求め、求めた関係を図5(a)のような制御マップとしてコントローラ61に記憶しておく。そして、S10で算出した固体高分子膜湿潤度H2 に基づき、図5(a)のマップを参照して、目標吐出圧力補正係数kH2を算出する。
Here, the correction method for increasing the oxidizing gas supply pressure in S22 will be described with reference to FIG. The relationship between the solid polymer film wetness and the oxidizing gas target pressure correction coefficient is obtained in advance by experiments or the like, and the obtained relationship is stored in the
また、燃料電池の発電量がG1 [W]時の補正前目標吐出圧力をPOUT_Target2 [kPa]とすると、補正後の目標吐出圧力POUT_kH2 [kPa]は、以下の式(3)で算出することができる(図5(b))。 If the target discharge pressure before correction when the power generation amount of the fuel cell is G 1 [W] is P OUT_Target2 [kPa], the corrected target discharge pressure P OUT_kH2 [kPa] is calculated by the following equation (3). (FIG. 5B).
POUT_kH2 =POUT_Target2 ×kH2 [kPa] …(3)
以上のようにして酸化ガス圧力を増加補正する。
P OUT_kH2 = P OUT_Target2 × k H2 [kPa] (3)
As described above, the oxidizing gas pressure is corrected to be increased.
それ以外にも、図6に示すように、推定した固体高分子膜湿潤度が所定値以下となった場合(図6上図では1以下)には、酸化ガス供給装置の吐出圧力を変化率POUT_inc [kPa/sec]で増加補正し、該固体高分子膜湿潤度が所定値以上となった場合には、該吐出圧力を変化率POUT_dec [kPa/sec]で減少補正する方法などがある。 In addition, as shown in FIG. 6, when the estimated solid polymer film wetness is equal to or less than a predetermined value (1 or less in the upper diagram of FIG. 6), the discharge pressure of the oxidizing gas supply device is changed by the rate of change. When the increase correction is performed with P OUT_inc [kPa / sec] and the solid polymer film wetness exceeds a predetermined value, the discharge pressure is decreased and corrected with the rate of change P OUT_dec [kPa / sec]. is there.
本実施例によれば、燃料電池固体高分子膜の湿潤度に基づき、酸化ガス圧力及び酸化ガス流量を制御しているので、該固体高分子膜の湿潤度を適正に制御することができる。 According to the present embodiment, since the oxidizing gas pressure and the oxidizing gas flow rate are controlled based on the wetness of the fuel cell solid polymer membrane, the wetness of the solid polymer membrane can be appropriately controlled.
また本実施例によれば、燃料電池固体高分子膜の湿潤度が所定値以上である場合に、酸化ガス流量を増量補正しているので、固体高分子膜の湿潤度を適正に制御し、フラッディングを防止することができる。 Further, according to the present embodiment, when the wetness of the fuel cell solid polymer membrane is equal to or higher than a predetermined value, the amount of oxidant gas is corrected to increase, so the wetness of the solid polymer membrane is appropriately controlled, Flooding can be prevented.
さらに本実施例によれば、燃料電池固体高分子膜の湿潤度が所定値以下である場合に、酸化ガス吐出圧力を増加補正しているので、固体高分子膜の湿潤度を適正に制御することができる。 Furthermore, according to this embodiment, when the wetness of the solid polymer membrane of the fuel cell is below a predetermined value, the oxidizing gas discharge pressure is increased and corrected, so that the wetness of the solid polymer membrane is controlled appropriately. be able to.
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例2を説明する。実施例2の燃料電池システムの構成は、図1に示した実施例1の構成と同様であり、また、酸化ガス流量及び酸化ガス圧力の制御に関しては、図2〜10を参照して説明した実施例1と同様であるので、重複する説明を省略する。 Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 2 is the same as that of Example 1 shown in FIG. 1, and the control of the oxidizing gas flow rate and the oxidizing gas pressure has been described with reference to FIGS. Since it is the same as that of Example 1, the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施例2の燃料電池システムは、実施例1の燃料電池システムの機能に加えて、セル電圧検出装置21により検出したセル電圧に基づいて、燃料電池スタック3が水詰まりを起こしているか否かを判定し、水詰まりを起こしていると判定した場合には、酸化ガス供給装置7から供給する酸化ガスの供給流量を増加させて水詰まりを解消させることを特徴とする。
In the fuel cell system of the second embodiment, whether or not the fuel cell stack 3 is clogged based on the cell voltage detected by the cell
次に実施例2の作用を説明する。まず図11のフローチャートにおいて、ステップS24で燃料電池スタック3の水詰まり状態を推定する。ここで、S24の燃料電池スタック3の水詰まり状態の推定方法について説明する。 Next, the operation of the second embodiment will be described. First, in the flowchart of FIG. 11, the clogged state of the fuel cell stack 3 is estimated in step S24. Here, the method for estimating the clogged state of the fuel cell stack 3 in S24 will be described.
本実施例では、セル電圧検出装置21により検出されたセル或いはセル群の各電圧値のうち、所定電圧値以下となっているセルあるいはセル群が検出された場合で、かつ、同セルあるいは同セル群が所定電圧値以下の状態を所定時間以上継続した場合には、燃料電池スタック3が水詰まりを起こしていると推定する。
In the present embodiment, when a cell or a cell group that is equal to or lower than a predetermined voltage value is detected from among the voltage values of the cell or cell group detected by the cell
これ以外に燃料電池スタック3の水詰まり状態の推定方法としては、セル電圧検出装置21により検出したセル或いはセル群の電圧の平均値を求め、平均値から所定の割合以上に下方へ乖離したセル或いはセル群の電圧値が所定時間以上継続した場合に、燃料電池スタック3が水詰まりを起こしていると推定しても良い。
In addition to this, as a method of estimating the water clogging state of the fuel cell stack 3, the average value of the voltage of the cell or cell group detected by the cell
次に、本実施例における燃料電池供給酸化ガスの流量増量補正を図12のフロチャートを参照して説明する。 Next, the flow rate increase correction of the fuel cell supply oxidizing gas in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
S26で、燃料電池スタック3が水詰まりを起こしているか否かを判定し、水詰まりを起こしていると判定した場合には、S28で、酸化ガス供給装置7から燃料電池スタック3に供給する酸化ガス流量を増量補正し、終了する。 In S26, it is determined whether or not the fuel cell stack 3 is clogged. If it is determined that the fuel cell stack 3 is clogged, the oxidation supplied from the oxidizing gas supply device 7 to the fuel cell stack 3 is determined in S28. The gas flow rate is increased and corrected.
ここで、S26の燃料電池供給酸化ガスの流量補正方法について、図7を用いて説明する。図7に示すように、燃料電池スタック3が水詰まりを起こしていると判定した場合には、酸化ガス供給装置7から燃料電池スタック3に供給する酸化ガス流量を所定変化率Qinc [L/min/sec]で増量補正し、水詰まりを起こしていないと判定した場合には、酸化ガス供給装置7から燃料電池スタック3に供給する酸化ガス流量を所定変化率Qdec [L/min/sec]で減少補正する方法などがある。 Here, the flow rate correction method of the fuel cell supply oxidizing gas in S26 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, when it is determined that the fuel cell stack 3 is clogged, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device 7 to the fuel cell stack 3 is set to a predetermined change rate Q inc [L / When the increase is corrected at min / sec] and it is determined that no water clogging has occurred, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device 7 to the fuel cell stack 3 is set to a predetermined change rate Q dec [L / min / sec. ], Etc., there is a way to compensate for decrease.
本実施例によれば、燃料電池スタックの水詰まりを検出した場合に、酸化ガス流量を増量補正しているので、フラッディングを防止することができる。 According to this embodiment, when the clogging of the fuel cell stack is detected, the oxidizing gas flow rate is increased and corrected, so that flooding can be prevented.
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例3を説明する。実施例3の燃料電池システムの構成は、図1に示した実施例1の構成と同様であり、また、酸化ガス流量及び酸化ガス圧力の制御に関しては、図2〜10を参照して説明した実施例1と同様であるので、重複する説明を省略する。 Next, a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 3 is the same as that of Example 1 shown in FIG. 1, and the control of the oxidizing gas flow rate and the oxidizing gas pressure has been described with reference to FIGS. Since it is the same as that of Example 1, the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施例3の燃料電池システムは、実施例1の燃料電池システムの機能に加えて、燃料電池スタック3に供給する酸化ガス(空気)及び燃料ガス(水素)を加湿する加湿器5に加湿用の純水を供給する純水タンク29の水位を水位計31で検出し、検出した純水量が所定値以下である場合には、酸化ガス供給装置7から供給する酸化ガス流量の増量補正を禁止することを特徴とする。
In addition to the function of the fuel cell system of the first embodiment, the fuel cell system of the third embodiment is used for humidifying the humidifier 5 that humidifies the oxidizing gas (air) and the fuel gas (hydrogen) supplied to the fuel cell stack 3. When the water level of the
次に実施例3の作用を説明する。まず図13のフローチャートにおいて、ステップS30で、燃料電池スタック3に供給する酸化ガス及び燃料ガスを加湿する加湿器5に供給可能な純水量を純水タンク29に配設した水位計31で検出する。
Next, the operation of the third embodiment will be described. First, in the flowchart of FIG. 13, in step S30, the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 3 and the amount of pure water that can be supplied to the humidifier 5 that humidifies the fuel gas are detected by the
次に、図14のフロチャートを参照して、供給可能な純水量に応じた酸化ガス供給流量の増量禁止制御について説明する。まず、図14のS32で、水位センサ31の検出値に基づいて、供給可能な純水量が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上であると判定した場合には、S34で、燃料電池に供給する酸化ガス流量を増量補正し、所定値以下であると判定した場合には、酸化ガス流量増量補正を行わず、終了する。
Next, the increase prohibition control of the oxidizing gas supply flow rate according to the amount of pure water that can be supplied will be described with reference to the flowchart of FIG. First, in S32 of FIG. 14, it is determined whether or not the amount of pure water that can be supplied is greater than or equal to a predetermined value based on the detection value of the
S34における燃料電池供給酸化ガス流量の増量補正方法については、実施例1に記載されている方法と同じであるので省略する。 The method for correcting the increase in the fuel cell supply oxidizing gas flow rate in S34 is the same as the method described in the first embodiment, and is therefore omitted.
以上説明した本実施例は、加湿器を介して燃料電池スタック3へ供給する酸化ガス及び燃料ガスを加湿する間接加湿であったが、燃料電池スタック3の内部に純水通路を設け、この純水通路から多孔質部材を介して燃料電池に供給する反応ガス或いは固体高分子電解質膜を直接加湿するタイプの燃料電池にも本発明を適用できることは明らかである。 The present embodiment described above is indirect humidification in which the oxidizing gas and the fuel gas supplied to the fuel cell stack 3 via the humidifier are humidified. However, a pure water passage is provided inside the fuel cell stack 3, and It is apparent that the present invention can also be applied to a fuel cell that directly humidifies a reaction gas or a solid polymer electrolyte membrane supplied from a water passage to a fuel cell via a porous member.
本実施例によれば、燃料電池に供給可能な純水量が所定値以下である場合に、酸化ガス流量を増量補正しているので、燃料電池に供給する純水量の低下を防止することができる。 According to the present embodiment, when the amount of pure water that can be supplied to the fuel cell is equal to or less than a predetermined value, the amount of pure gas supplied to the fuel cell can be prevented from being decreased because the increase in the oxidizing gas flow rate is corrected. .
次に、本発明に係る燃料電池システムを備えた燃料電池車両である実施例4を説明する。実施例4の燃料電池システムの構成は、図1に示した実施例1の構成と同様であり、また、酸化ガス流量及び酸化ガス圧力の制御に関しては、図2〜10を参照して説明した実施例1と同様であるので、重複する説明を省略する。 Next, Embodiment 4 which is a fuel cell vehicle provided with the fuel cell system according to the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 4 is the same as the configuration of Example 1 shown in FIG. 1, and the control of the oxidizing gas flow rate and the oxidizing gas pressure has been described with reference to FIGS. Since it is the same as that of Example 1, the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施例4の燃料電池システムは、実施例1の燃料電池システムの機能に加えて、駆動ユニット19が備える図示しない車両駆動用モータが、燃料電池車両を回生制動する際に、車両駆動用モータで発生した回生電力を酸化ガス供給装置7で消費するように制御することを特徴とする。
In addition to the functions of the fuel cell system according to the first embodiment, the fuel cell system according to the fourth embodiment includes a vehicle drive motor (not shown) provided in the
車両駆動用モータが回生制動を行っている場合、コントローラ61は、燃料電池の発電量を所定値以下に抑制したり発電を停止させる。このとき、酸化ガス供給装置7は、車両駆動用モータが発電した回生電力を消費することにより酸化ガス供給を継続する。
When the vehicle drive motor is performing regenerative braking, the
実施例4によれば、車両駆動用モータによる回生制動時に、回生電力を酸化ガス供給装置で消費させているので、車両駆動用モータが回生電力を発電している場合、すなわち、燃料電池発電量が所定値以下である場合でも燃料電池固体高分子膜湿潤度を適正に制御することができ、また、燃料電池スタックの水詰まりを防止するこができる。 According to the fourth embodiment, since regenerative power is consumed by the oxidizing gas supply device during regenerative braking by the vehicle drive motor, when the vehicle drive motor generates regenerative power, that is, the amount of fuel cell power generation Even when is less than or equal to a predetermined value, the wetness of the fuel cell solid polymer membrane can be properly controlled, and water clogging of the fuel cell stack can be prevented.
1…燃料電池システム
3…燃料電池スタック
5…加湿器
7…酸化ガス供給装置
9…スロットル
11…高圧水素タンク
13…可変バルブ
15…イジェクタ
17…パージ弁
19…駆動ユニット
21…セル電圧検出装置
23…純水ラジエタ
25…ファン
27…純水供給装置
29…純水タンク
31…水位計
61…コントローラ
63…燃料電池湿潤状態推定手段
65…酸化ガス供給圧力制御手段
67…酸化ガス供給流量制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記燃料電池本体の内部湿潤度を推定する燃料電池湿潤状態推定手段と、
該燃料電池湿潤状態推定手段が推定した内部湿潤度に基づいて、前記酸化ガス供給装置から供給する酸化ガスの流量を制御する酸化ガス供給流量制御手段と、
前記燃料電池湿潤状態推定手段が推定した内部湿潤度に基づいて、前記酸化ガス供給装置から供給する酸化ガスの圧力を制御する酸化ガス供給圧力制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a fuel cell main body provided with a solid polymer electrolyte and an oxidizing gas supply device for supplying an oxidizing gas to the fuel cell main body,
Fuel cell wet state estimating means for estimating the internal wetness of the fuel cell body;
An oxidizing gas supply flow rate control means for controlling the flow rate of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device based on the internal wetness estimated by the fuel cell wet state estimating means;
An oxidizing gas supply pressure control means for controlling the pressure of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device based on the internal wetness estimated by the fuel cell wet state estimating means;
A fuel cell system comprising:
該水詰まり検出手段が水詰まりを検出した場合には、前記酸化ガス供給流量制御手段は、前記酸化ガス供給流量を増量補正することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 Comprising water clogging detection means for detecting clogging of the fuel cell main body,
3. The fuel cell according to claim 1, wherein, when the water clogging detecting unit detects water clogging, the oxidizing gas supply flow rate control unit corrects the amount of increase in the oxidizing gas supply flow rate. system.
該純水量検出手段が検出した純水量が所定値以下である場合には、前記酸化ガス供給流量制御手段による前記酸化ガス供給流量の増量補正を禁止することを特徴とする請求項2または請求項3記載の燃料電池システム。 Comprising pure water amount detecting means for detecting the amount of pure water that can be indirectly or directly supplied to the fuel cell body;
3. The increase correction of the oxidizing gas supply flow rate by the oxidizing gas supply flow rate control unit is prohibited when the pure water amount detected by the pure water amount detection unit is less than a predetermined value. 3. The fuel cell system according to 3.
車両を駆動する一方、車両減速時に運動エネルギーを回生電力に変換することができる車両駆動用モータと、を備えた燃料電池車両であって、
前記車両駆動用モータで変換された回生電力を消費するように前記酸化ガス供給装置を制御することを特徴とする燃料電池車両。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
A fuel cell vehicle comprising: a vehicle driving motor capable of converting kinetic energy into regenerative power when the vehicle is decelerated while driving the vehicle;
A fuel cell vehicle, wherein the oxidizing gas supply device is controlled to consume regenerative power converted by the vehicle drive motor.
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