JP2006202696A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関し、特に、システム起動時の出力制限制御に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to output restriction control at system startup.
燃料電池システムは、燃料ガスと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ーを取り出すことのできる発電システムである。燃料電池車両は、高圧水素タンク等の水素貯蔵源を車両に搭載し、そこから供給される水素と、外気から取り込んだ空気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ーでトラクションモータを駆動させている。セルの出力電圧は約1V程度と低いため、燃料電池システムを車両駆動用電源として用いるには、数百セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成される。燃料電池システムを運転する際には、局所的に発生する反応ガス不足やフラッディング等の状態悪化を検出して、過電流による燃料電池の損傷を事前に防止し、十分な出力が取り出せるように燃料電池の状態を回復させる必要がある。特許文献1には、セル電圧が所定値より低下した場合に燃料電池の出力を制限するとともに、セル電圧が出力制限前の平均セル電圧を越えて回復した場合に燃料電池の出力制限を解除する技術が提案されている。
しかし、燃料電池車両では、燃料電池を運転停止した状態で一定時間放置し、その後の燃料電池の起動直後に急加速するなどして、燃料電池に急に大きな発電要求をすると、セル電圧が低下する場合がある。セル電圧低下が生じると、燃料電池の破損を防止するため、システム停止する場合もある。このような事情に鑑み、従来では予め設定された出力制限特性をマップデータとして記憶しておき、システム起動後にはこのマップデータに基づいて出力制限を行っているので、燃料電池の内部状態が良好で安定発電できるにも拘らず出力が制限される場合があり、走行性能(ドライバビリティ)が悪化していた。 However, in a fuel cell vehicle, if the fuel cell is suddenly accelerated immediately after starting the fuel cell after it has been stopped for a certain period of time and then suddenly demanded a large power generation, the cell voltage drops. There is a case. When the cell voltage drops, the system may be stopped to prevent the fuel cell from being damaged. In view of such circumstances, conventionally, a preset output restriction characteristic is stored as map data, and after the system is started, output restriction is performed based on this map data. Therefore, the internal state of the fuel cell is good. In some cases, the power output may be limited even though stable power generation is possible, and driving performance (drivability) has deteriorated.
ところで、燃料電池を運転停止して、ある一定時間を越えて長時間ソーク放置すると、セル電圧低下傾向が改善されることが確認されている。この特性を利用すれば、長時間のソーク放置後においては、出力制限することなく燃料電池を運転することができるので、走行性能の改善が見込める。 By the way, it has been confirmed that when the fuel cell is stopped and left soaked for a long time beyond a certain time, the cell voltage decrease tendency is improved. If this characteristic is used, after leaving the soak for a long time, the fuel cell can be operated without limiting the output, so that it is possible to improve the running performance.
そこで、本発明は上述の問題を解決し、システム起動直後から高負荷を印加できる燃料電池システムを提案することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to propose a fuel cell system that can apply a high load immediately after the system is started.
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、システム起動時に燃料電池の出力制限を行う燃料電池システムであって、燃料電池の出力制限特性を記憶する記憶装置と、燃料電池のソーク放置時間を計測する計測手段と、計測手段が計測したソーク放置時間と記憶装置に記憶された出力制限特性とに基づいて燃料電池の出力を制限する出力制限手段とを備える。燃料電池のソーク放置時間に応じて出力制限を変更できるので、ソーク放置時間に応じて刻々と変化する燃料電池の内部状態に応じて最適な出力制限を実現できる。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system that limits the output of a fuel cell at the time of system startup, and includes a storage device that stores output limitation characteristics of the fuel cell, and a soak of the fuel cell Measuring means for measuring the leaving time, and output limiting means for limiting the output of the fuel cell based on the soak leaving time measured by the measuring means and the output limiting characteristic stored in the storage device. Since the output limit can be changed according to the soaking time of the fuel cell, the optimum output limit can be realized according to the internal state of the fuel cell which changes every moment according to the soaking time.
出力制限手段は、ソーク放置時間と出力制限特性とに基づいて、燃料電池の出力制限値を設定するのが好ましい。出力制限値とは、例えば、発電許容電流値又は発電許容電力値などである。 The output limiting means preferably sets the output limit value of the fuel cell based on the soaking time and the output limiting characteristic. The output limit value is, for example, a power generation allowable current value or a power generation allowable power value.
本発明の燃料電池システムは、上述の構成に加えて更に、燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代とに基づいて出力制限特性を補正する学習制御手段を備えてもよい。学習制御により、個々の燃料電池の特性に応じた最適な出力制限を実施できる。 In addition to the above-described configuration, the fuel cell system of the present invention may further include learning control means for correcting the output limiting characteristic based on the soaking time of the fuel cell and the cell voltage reduction margin at the time of system startup. Through learning control, it is possible to perform optimum output restriction according to the characteristics of individual fuel cells.
出力制限手段は、燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線に基づいて燃料電池の出力を制限してもよい。燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線に基づいて燃料電池の出力を制限することで、個々の燃料電池の特性に応じた最適な出力制限を実施できる。 The output limiting means may limit the output of the fuel cell based on a relational characteristic curve between the soaking time of the fuel cell and the cell voltage drop at the time of starting the system. By limiting the output of the fuel cell based on the relationship characteristic curve between the soaking time of the fuel cell and the cell voltage drop at the time of starting the system, it is possible to implement the optimum output limitation according to the characteristics of the individual fuel cells.
出力制限手段は、燃料電池のソーク放置時間が第1の時間未満のときは燃料電池の出力制限の実行を抑制し、燃料電池のソーク放置時間が第1の時間以上第2の時間未満のときには燃料電池の出力制限を実行し、燃料電池のソーク放置時間が第2の時間以上のときには燃料電池の出力制限の実行を抑制するのが好ましい。ソーク放置時間が第1の時間未満の場合は、アノード側への凝縮水の移動が不十分なため、フラッディングは殆ど生じない。ソーク放置時間が第2の時間以上の場合は、アノード側へ移動した凝縮水は自然乾燥等により大部分が消失するので、フラッディングは殆ど生じない。つまり、ソーク放置時間が第1の時間未満、或いは第2の時間以上の範囲では、システム起動時のセル電圧低下が殆どみられないので、燃料電池の出力制限の実行を抑制するのが好ましい。但し、第2の時間は、第1の時間よりも長い時間とする。 The output restricting means suppresses execution of the output restriction of the fuel cell when the soak leaving time of the fuel cell is less than the first time, and when the soaking time of the fuel cell is not less than the first time and less than the second time. It is preferable to limit the output of the fuel cell, and to suppress the output limitation of the fuel cell when the soaking time of the fuel cell is equal to or longer than the second time. When the soak standing time is less than the first time, the condensed water hardly moves to the anode side, so that almost no flooding occurs. When the soak standing time is equal to or longer than the second time, most of the condensed water moved to the anode side disappears due to natural drying or the like, so that almost no flooding occurs. That is, when the soak leaving time is less than the first time or in the range of the second time or more, almost no decrease in the cell voltage at the time of starting the system is observed, so it is preferable to suppress the output restriction of the fuel cell. However, the second time is longer than the first time.
本発明によれば、燃料電池のソーク放置時間に応じて出力制限を変更できるので、ソーク放置時間に応じて刻々と変化する燃料電池の内部状態に応じて最適な出力制限を実現できる。 According to the present invention, since the output limit can be changed according to the soak leaving time of the fuel cell, the optimum output limit can be realized according to the internal state of the fuel cell that changes every moment according to the soak leaving time.
以下、各図を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は本実施形態に係わる燃料電池電気自動車の電気系統を中心とするシステム構成図である。燃料電池システム10は、主に、複数のセルが直列に積層されてなる燃料電池(セルスタック)20と、燃料電池20のアノードに燃料ガス(水素ガス)を供給する燃料ガス供給装置21と、燃料電池20のカソードに酸化ガス(空気)を供給する酸化ガス供給装置22と、燃料電池20のセル電圧を検出するセル電圧検出装置23と、燃料電池20の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電する二次電池(蓄電装置)34と、燃料電池20の出力電圧を調整して、燃料電池20と二次電池34との電力供給分配を制御するDC/DCコンバータ33と、燃料電池20又は二次電池34から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ(車両走行モータ)32に供給するインバータ31と、システム全体を制御する制御装置40を備えて構成されている。計測手段41は燃料電池20のソーク放置時間(又は運転停止時間)を計測する手段であり、例えば、制御装置40にシステム停止信号が入力されてから次回のシステム起動信号が入力されるまでの時間を計測する。記憶装置42は燃料電池20の出力制限値(発電許容電流値又は発電許容電力値などの出力制限特性)をマップ値とする2つのマップデータ51,52を記憶している。第1のマップデータ51は、セル電圧が低下し易い状態下で燃料電池20を運転するときを想定した低出力特性の出力制限マップデータである。第2のマップデータ52は、セル電圧が低下し難い状態下で燃料電池20を運転する場合を想定した高出力特性の出力制限マップデータである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a system configuration diagram centering on an electric system of a fuel cell electric vehicle according to the present embodiment. The
燃料ガス供給装置21は、例えば、水素ガスを高圧に封入した高圧水素タンク、水素吸蔵合金に水素を貯蔵した水素貯蔵タンク、又は改質原燃料(メタン、エタン、プロパン、ブタンなど)から水素ガスを生成する改質器などによって構成される。酸化ガス供給装置22は、例えば、外気から取り込んだ空気を圧縮するエアコンプレッサなどによって構成される。セル電圧検出装置23は、燃料電池20を構成する各々のセルのセル電圧、又は複数のセルから成るセル群のセル電圧を検出する。本明細書では、単一のセルの出力電圧だけでなく、複数のセルから成るセル群の出力電圧をも含めて、セル電圧と称する。
The fuel
制御装置40は、アクセル開度や車速等を基にシステム全体の要求電力(車両走行電力と補機電力の総和)を求める。次に、燃料電池20と二次電池34の出力電力の配分を決定し、燃料電池20の発電量が目標電力に一致するように燃料ガス供給装置21と酸化ガス供給装置22を制御して燃料電池20への反応ガス供給量を調整するとともに、DC/DCコンバータ33を制御して燃料電池20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を調整する。更に、制御装置40はアクセル開度に応じて目標車速が得られるようにインバータ31を制御し、トラクションモータ32の回転数及び回転トルクを調整する。
The
図3は燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線を示している。同図に示すように、ソーク放置時間Tが時間t1以上かつ時間t2未満の範囲では、システム起動時のセル電圧低下代が大きい。セル電圧低下代とは、平均セル電圧と最低セル電圧との電圧差をいう。最低セル電圧とは、システム起動時に急加速等のある程度の負荷をかけたときのセル電圧の最小値をいう。このように、電池運転を暫らく停止してから再び電池運転を開始すると、カソードで生成された凝縮水等は電解質膜を透過してアノード側に移動する。アノード上を被覆する水滴はシステム起動時におけるアノードへの水素供給を妨げるので、反応ガス供給不足が生じ、セル電圧低下を引き起こす(フラッディング)。ところが、ソーク放置時間Tが時間t1未満の場合は、アノード側への凝縮水の移動が不十分なため、フラッディングは殆ど生じない。ソーク放置時間Tが時間t2以上の場合は、アノード側へ移動した凝縮水は自然乾燥等により大部分が消失するので、フラッディングは殆ど生じない。つまり、ソーク放置時間Tが時間t1未満又はt2以上の範囲では、システム起動時のセル電圧低下が殆どみられない。 FIG. 3 shows a relationship characteristic curve between the soaking time of the fuel cell and the cell voltage drop at the time of system startup. As shown in the figure, when the soak leaving time T is in the range of the time t1 or more and less than the time t2, the cell voltage drop at the time of starting the system is large. The cell voltage drop is the voltage difference between the average cell voltage and the lowest cell voltage. The minimum cell voltage refers to the minimum value of the cell voltage when a certain load such as rapid acceleration is applied at the time of system startup. In this way, when the battery operation is stopped for a while and then the battery operation is started again, the condensed water or the like generated at the cathode permeates the electrolyte membrane and moves to the anode side. The water droplets covering the anode hinder the supply of hydrogen to the anode when the system is started up, resulting in insufficient supply of the reaction gas and a decrease in cell voltage (flooding). However, when the soak leaving time T is less than the time t1, the condensate is not sufficiently moved to the anode side, so that almost no flooding occurs. When the soak standing time T is longer than the time t2, most of the condensed water that has moved to the anode side disappears due to natural drying or the like, so that almost no flooding occurs. In other words, when the soak leaving time T is less than the time t1 or in the range of t2 or more, there is almost no decrease in the cell voltage at the system startup.
図4は燃料電池A,Bそれぞれのソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線を示している。同図に示すように、燃料電池Aはソーク放置時間が僅かでもシステム起動時のセル電圧低下代が大きくなるのに対し、燃料電池Bはソーク放置時間がある程度以上でないとシステム起動時のセル電圧低下が生じない特性を有している。このように、ソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性は個々の燃料電池毎に異なっているので、出力制限処理についても、個々の燃料電池の特性を反映した適切な処理をするのが望ましい。 FIG. 4 shows a characteristic curve between the soaking time of each of the fuel cells A and B and the cell voltage drop at the time of starting the system. As shown in the figure, the fuel cell A has a large cell voltage drop margin at the time of starting the system even if the soak time is short, whereas the fuel cell B has a cell voltage at the time of starting the system if the soak time is not more than a certain level. It has the characteristic that no deterioration occurs. In this way, since the relationship characteristics between the soak time and the cell voltage drop at system startup are different for each fuel cell, appropriate processing that reflects the characteristics of the individual fuel cells is also applied to the output limiting process. It is desirable to do.
尚、システム起動時の燃料電池20の出力制限とは、燃料電池起動時は燃料電池20に接続する負荷からの発電要求があっても、発電要求値に対応した発電制御の実施を制限することをいう。即ち、システム起動時に燃料電池20が安定的に発電できるまでは、燃料電池20への発電要求を制限又は無視することで、速やかに安定的に発電できる状態へ移行させる制御をいう。
The output limitation of the
図2は燃料電池20の出力制限処理を記述した制御ルーチンを示している。本制御ルーチンは、システム起動時に制御装置40によって一定のインターバルで繰り返し実行される。本制御ルーチンが呼び出されると、制御装置40は、燃料電池20のソーク放置時間Tがt1≦T<t2であるか否か、つまり、システム起動時にある程度の高負荷をかけたときに、セル電圧が低下し易い状態であるか否かを判定する(S1)。t1≦T<t2である場合には(S1;YES)、セル電圧が低下し易い状態にあるので、第1のマップデータ51に基づいて出力制限値を定め、燃料電池20の出力電流及び出力電力が出力許容値を超えないように、燃料電池20の運転ポイントを調整する(S2)。次いで、制御部40はセル電圧が低下しているか否かを判定し(S3)、セル電圧が低下している場合には(S3;YES)、燃料電池20の出力制限が不十分なので、出力制限値が低めになるように、第1のマップデータ51を補正(マップ調整)する(S4)。セル電圧が低下していない場合には(S3;NO)、燃料電池20の出力制限は十分なので、本制御ルーチンを抜ける。一方、T<t1又はt2≦Tである場合には(S1;NO)、セル電圧が低下し難い状態にあるので、第2のマップデータ52に基づいて出力制限値を定め、燃料電池20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を調整する(S5)。
FIG. 2 shows a control routine describing the output limiting process of the
制御装置40は、燃料電池20の出力を制限する出力制限手段(S2,S5)として機能するとともに、本制御ルーチンを繰り返し実行することで、第1のマップデータ51を最適な出力制限マップデータに補正する学習制御手段(S4)としても機能する。
The
本実施例によれば、ソーク放置時間に応じて燃料電池20の出力制限を行うので、ソーク放置時間に応じて刻々と変化する燃料電池20の内部状態に応じて最適な出力制限を実現できる。また、本実施例によれば、出力制限処理ルーチンを繰り返し実行することで、燃料電池20の特性に適合する最適な出力制限マップデータを得ることが出来るので、システム起動直後から高負荷走行が可能になり、運転性能の向上を実現できる。
According to the present embodiment, since the output restriction of the
10…燃料電池システム 20…燃料電池 21…燃料ガス供給装置 22…酸化ガス供給装置 23…セル電圧検出装置 31…インバータ 32…トラクションモータ 33…DC/DCコンバータ 34…二次電池 40…制御装置 41…計測手段 42…記憶装置 51…第1のマップデータ 52…第2のマップデータ
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