JP2007109565A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に移動体の動力源に好適なアイドルストップ性能を向上させた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system with improved idle stop performance suitable for a power source of a moving body.
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, solid polymer fuel cells using solid polymer electrolytes are attracting attention as power sources for electric vehicles because of their 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 oxygen-containing air 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 that the only exhaust material is water.
ところで、燃料電池の出力が小さい運転領域では、発電効率が低いために発電を停止して、二次電池やコンデンサ等の蓄電装置から電力供給するシステムがある。このシステムでは、燃料電池の発電効率が低い運転領域を回避し、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。 By the way, in the operation region where the output of the fuel cell is small, there is a system in which power generation is stopped because power generation efficiency is low and power is supplied from a power storage device such as a secondary battery or a capacitor. In this system, it is possible to avoid an operation region where the power generation efficiency of the fuel cell is low and to improve the fuel efficiency of the fuel cell system.
例えば特許文献1に開示されている燃料電池自動車は、発電要求量が所定値以下であっても、アノード入口の水素圧力、燃料電池のセル電圧、アノード出口に配設された水素希釈手段の水素濃度、等によりアイドルストップを禁止する条件を備えている。
しかしながら上記従来例は、アイドルストップ条件として、水タンクの水量を考慮していないために、アイドルストップ中及びアイドルストップから発電状態へ復帰した時に、燃料電池内または配管内に凝結した水が水タンクに流れ込むため、水タンクの水位が上昇し、燃料循環ポンプの稼動を妨げるという問題点があった。 However, since the above conventional example does not consider the amount of water in the water tank as the idle stop condition, the water condensed in the fuel cell or the piping during the idle stop and when returning from the idle stop to the power generation state. As a result, the water level of the water tank rises and the operation of the fuel circulation pump is hindered.
特に、水タンクの位置や配水管の形状等が実装上の制約を受ける車載用燃料電池システムでは、タンク内圧力と大気圧との圧力差を利用して排水することになるが、アイドルストップ中は水素圧及び空気圧が低下するために排水できず、アイドルストップ終了後に排水すると、アイドルストップから発電状態への復帰時間が長引くという問題点があった。 In particular, in-vehicle fuel cell systems, where the location of the water tank and the shape of the water distribution pipe are restricted in terms of mounting, drain water using the pressure difference between the tank pressure and atmospheric pressure. Since the hydrogen pressure and air pressure decreased, water could not be drained, and draining after the end of the idle stop had a problem that the return time from the idle stop to the power generation state was prolonged.
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、水を液水として蓄積する水蓄積装置と、該水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水蓄積量検出手段の検出値に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断する制御装置を備えたことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode, and the oxidation A fuel comprising: an oxidant supply unit that supplies an oxidant gas to the agent electrode; a water storage device that stores water as liquid water; and a water storage amount detection unit that detects the amount of water stored in the water storage device. The gist of the present invention is that the battery system includes a control device that determines the supply stop of at least one of the fuel gas and the oxidant gas based on the detection value of the water accumulation amount detection means.
本発明によれば、水蓄積装置の水量を適切な値として、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断することができ、供給再開後に支障無く速やかに発電状態へ復帰することができるという効果がある。 According to the present invention, it is possible to determine the supply stop of at least one of the fuel gas and the oxidant gas by setting the water amount of the water storage device to an appropriate value, and to quickly return to the power generation state without any trouble after the supply is resumed. There is an effect that can be.
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。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の概要を説明する制御ブロック図である。燃料電池システムは、水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段101と、燃料電池の低負荷時にアイドルストップ時間を推測する停止時間推測手段102と、燃料電池システムの状態を検出する燃料電池状態検出手段103と、水蓄積量検出手段101の検出値と停止時間推測手段が推測した停止時間と燃料電池運転状態検出手段103が検出した燃料電池システムの状態とに基づいて燃料及び酸化剤の少なくとも一方の供給を停止させる判断を行う燃料・酸化剤供給停止判断部104と、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段105と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段106と、水蓄積装置から排水させる水移動手段107と、を備えている。
FIG. 1 is a control block diagram for explaining the outline of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system detects water accumulation amount detection means 101 for detecting the amount of water accumulated in the water accumulation device, stop time estimation means 102 for estimating the idle stop time when the fuel cell is under low load, and detects the state of the fuel cell system. Based on the detected value of the fuel cell state detection means 103, the detected value of the water accumulation amount detection means 101, the stop time estimated by the stop time estimation means, and the state of the fuel cell system detected by the fuel cell operating state detection means 103 A fuel / oxidant supply
図2は、本発明に係る燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。燃料電池システム1は、例えば固体高分子型の燃料電池2を備えている。燃料電池2は、電解質膜3をアノード(燃料極)4とカソード(酸化剤極)5で挟持した単電池(セル)が複数積層された構造を有するが単電池のみ図示している。アノード4には燃料として水素ガス、カソード5には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
FIG. 2 is a system configuration diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system 1 includes, for example, a polymer electrolyte fuel cell 2. The fuel cell 2 has a structure in which a plurality of unit cells (cells) in which an electrolyte membrane 3 is sandwiched between an anode (fuel electrode) 4 and a cathode (oxidant electrode) 5 are stacked, but only the unit cell is illustrated. Hydrogen gas is supplied as fuel to the
アノード(燃料極) :H2 → 2H+ +2e- …(1)
カソード(酸化剤極):2H+ +2e- +(1/2)O2 → H2O …(2)
燃料ガスとしての水素は、水素タンク6から水素タンク元弁7、減圧弁8、水素供給弁9を通じてアノード4へ供給される。水素タンク6から供給される高圧水素は、減圧弁8で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁9でアノード4の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。水素タンク6から水素供給弁9までが図1の燃料供給手段105に対応する。
Anode (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode (oxidant electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
Hydrogen as a fuel gas is supplied from the
アノード4の出口からアノード4の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路11が備えられる。循環ポンプ12は、燃料循環路11内の燃料ガスを昇圧させて循環させる燃料循環手段である。
A fuel circulation path 11 is provided for circulating the fuel gas that has not been consumed at the anode from the outlet of the
アノード4の出口と循環ポンプ12との間の燃料循環路11には、水を液水として蓄積する水蓄積装置である水タンク25が設けられている。水タンクは、アノード4から排出されるアノードオフガス中の水分を分離する気液分離機能を有し、循環ポンプ12へ液水が流れ込むのを防止する。尚、水タンク25の水は、例えば、図示しない加湿器によりカソード5に供給する空気、或いはアノード4に供給する水素の加湿に用いられても良いし、燃料電池2の内部に形成された水通路に供給して直接燃料電池2を加湿するのに用いられてもよい。
The fuel circulation path 11 between the outlet of the
水タンク25に蓄積された水量は、水位センサ27(図1の水蓄積量検出手段101)で検出され、検出信号がコントローラ30へ送られる。また水タンク25の底部には、排水弁26(図1の水移動手段107)が配置され、コントローラ30の制御により排水弁26を開閉することにより、水タンク25内の水を系外へ排出してタンク内水量を制御可能となっている。
The amount of water accumulated in the water tank 25 is detected by a water level sensor 27 (water accumulation amount detection means 101 in FIG. 1), and a detection signal is sent to the
カソード5への空気は酸化剤供給手段(図1の106)であるコンプレッサ14により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁24が設けられ、カソード圧力が制御される。
Air to the cathode 5 is supplied by a
パワーマネージャ15は、燃料電池2から電力を取り出して、負荷装置16もしくはバッテリ17へ電力を供給する。バッテリコントローラ18は、バッテリ17の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電量を算出し、蓄電量をコントローラ30へ送信する。電圧センサ19は、燃料電池2の単電池毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群毎の電圧を測定する。コントローラ30は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。
The
カソード5には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜3を透過して、アノード4、燃料循環路11及び循環ポンプ12を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ12によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁20により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。圧力センサ10はアノード出口の圧力を測定するセンサ、温度センサ21はアノード出口の気体の温度を測定するセンサであり、それぞれの検出値は、コントローラ30へ入力される。
In order to supply air as an oxidant to the cathode 5, non-chemically reacting nitrogen permeates the electrolyte membrane 3 and accumulates in a hydrogen circulation system including the
本実施例では、コントローラ30は、CPU、ROM、作業用RAM、入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、コントローラ30は、ROMに格納された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム全体を制御するとともに、燃料電池2への燃料・酸化剤の供給停止を判断する本発明における燃料電池システムの制御装置(図1の符号104)である。
In this embodiment, the
次に、図3の制御ブロック図を参照して、実施例1におけるコントローラ30の作用について説明する。水蓄積量検知部31は、水位センサ27が検出した水位を水蓄積量に変換して、水素供給・コンプレッサ停止判断部35へ出力する。
Next, the operation of the
停止時間予測演算部32は、キースイッチ23のオン/オフ信号と、要求電力の大きさを示す信号を入力して、キースイッチのオフ信号が入力されたとき、或いは要求電力が0の時に、停止時間が長いと予測して、水素供給・コンプレッサ停止判断部35へ出力する。また停止時間予測演算部32は、バッテリコントローラ18からバッテリ17の蓄電量を示す信号を入力するとともに、図示しない車両制御コンピュータから車両の消費電力の大きさを示す信号を入力し、アイドルストップ中にバッテリ17から電力供給可能な時間を算出して、水素供給・コンプレッサ停止判断部35へ出力する。
The stop time
停止可能予測演算部33は、図示しない車速センサが検出した車速信号、及び図示しないアクセルセンサからアクセル操作量信号、バッテリコントローラ18からバッテリ17の蓄電量、をそれぞれ入力する。そして、アクセル操作量が0、車速が所定速度以下、更に、蓄電量が所定以上である場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が高いことを予測し、この予測結果を水素供給・コンプレッサ停止判断部35へ出力する。
The stoppable
燃料電池システム状態量検知部34は、圧力センサ10、温度センサ21、図示しない燃料電池冷却液温度センサ等の燃料電池システム状態の検出値を入力して、水素供給・コンプレッサ停止判断部35へ出力する。
The fuel cell system state
水素供給・コンプレッサ停止判断部35は、水蓄積量検知部31からの水蓄積量、停止時間予測演算部32からの停止時間予測値、停止可能予測演算部33からの停止可能性、及び燃料電池システム状態量検知部34からの燃料電池システム状態量に基づいて、水素供給及びコンプレッサを短時間停止させるアイドルストップを行うか否かの判断をする。
The hydrogen supply / compressor
水素供給弁制御部36は、水素供給・コンプレッサ停止判断部35からの指示により、アイドルストップ時の水素供給弁9の閉止操作を行う。
The hydrogen supply
コンプレッサ制御部37は、水素供給・コンプレッサ停止判断部35の指示により、アイドルストップ時のコンプレッサ14の停止操作を行う。
The
排水弁制御部38は、通常運転時には、水蓄積量検知部31が検知した水タンク25の水蓄積量に基づいて、水蓄積量が排水開始水流を超えたときに排水弁26を開放して水タンク25の水を排水する一方、水蓄積量が排水開始水量より少ない排水停止水量以下となったときに、排水弁を閉止して排水を停止する制御を行う。
During normal operation, the drain
発電量制御部39は、停止時間予測演算部32が水素供給・コンプレッサ停止判断部35へ長時間停止の予測を通知した場合、水タンク25の水量が前記排水停止水量を超える所定水量未満であれば、燃料電池2の発電量を増加させて、発電による生成水量を増加させ、長時間停止後に燃料電池2の内部が乾燥しても燃料電池システムの起動に必要な水量を確保させる。
When the stop time
循環ポンプ制御部40は、通常発電時には、例えば水素供給量に応じた循環ポンプ12の駆動を制御するとともに、水素供給・コンプレッサ停止判断部35の指示により循環ポンプ12を駆動して、燃料電池2のアノード4内、或いは燃料循環路11内の液水を水タンク25へ輸送させる。
During normal power generation, the circulation
次に、図4の制御フローチャートを参照して、実施例1におけるコントローラの処理内容を説明する。以下のフローチャートは、水タンク25の水量以外のアイドルストップ条件が成立しているか、或いは、キースイッチ23がオン状態からオフ状態へ切り換えられたときに呼び出されて実行されるものとする。この水量以外のアイドルストップ条件とは、例えば、燃料電池2の温度が所定温度以上であり暖機が完了していること、燃料電池システムに対する要求電力が0を超えて所定値以下であること、バッテリ17の蓄電量が所定値以上であることの各条件が全て成立していることである。
Next, processing contents of the controller in the first embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. The following flowchart is called and executed when an idle stop condition other than the amount of water in the water tank 25 is satisfied or when the
最初に、図4のステップ(以下、ステップをSと略す)402において、水位センサ27で水タンク25内の水位を検出し、水位を水量に換算する。次いで、S403で、燃料電池システムの停止時間の長短を判断する。これには、キースイッチ23からオフ信号が入力されているか、或いは燃料電池システムに対する要求電力が0であれば、長時間と判断し、それ以外は、短時間と判断する。
First, in
S403で長時間と判断したときには、S404へ進み、S403で短時間と判断したときには、S410へ進む。S404では、燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する水量閾値を長時間用閾値(第1所定水量)に設定して、S405へ進む。この長時間用閾値は、通常運転時に、水タンク25の排水弁26を開いて排水を開始する排水開始水量未満、且つ、排水弁26を閉じて排水を停止する排水停止水量を超える値である。このような長時間閾値を設定する目的は、燃料電池システムを長時間停止した場合に、燃料電池内部や加湿器等が乾燥するため、短時間停止に比べて再始動時に多くの水量を必要とする為である。 When it is determined in S403 that the time is long, the process proceeds to S404, and when it is determined that the time is short in S403, the process proceeds to S410. In S404, the water amount threshold value determined to stop the supply of fuel and oxidant is set to the long-time threshold value (first predetermined water amount), and the process proceeds to S405. This long-time threshold value is a value that is less than the drainage start water amount that starts drainage by opening the drain valve 26 of the water tank 25 and exceeds the drainage stop water amount that closes the drain valve 26 and stops drainage during normal operation. . The purpose of setting such a long-time threshold is that when the fuel cell system is stopped for a long time, the inside of the fuel cell, the humidifier, and the like are dried, so that a larger amount of water is required at the time of restart than when the fuel cell system is stopped for a short time. It is to do.
S405では、水位センサ27が検出した水位を水量に換算し、この水量と長時間用閾値とを比較し、水量が長時間用閾値以上であるか否かを判断することにより、水素供給・コンプレッサ停止を許可するか否かを判断する。水量が長時間用閾値以上であれば、S406へ進む。S406では、水素供給弁9を閉止して水素供給を停止し、S407では、コンプレッサ14を停止して空気供給を停止し、停止状態に入ることで処理を終了する。
In S405, the water level detected by the water level sensor 27 is converted into a water amount, the water amount is compared with a long-time threshold value, and it is determined whether or not the water amount is equal to or greater than the long-time threshold value. It is determined whether or not the stop is permitted. If the amount of water is greater than or equal to the long-time threshold, the process proceeds to S406. In S406, the hydrogen supply valve 9 is closed to stop the hydrogen supply. In S407, the
S405の判断で、水量が長時間用閾値以上でなければ、S408へ進み、燃料電池2の発電量を増加させるように、水素供給弁9から供給する水素流量を増加させ、またコンプレッサ14の回転速度を上昇させて、パワーマネジャー15へ燃料電池2から取り出す電流を増加するように指示する。これにより燃料電池2における生成水が増加する。次いで、S409で、水位センサ27で水タンク25内の水位を検出し、水位を水量に換算し、S405へ戻る。
If it is determined in S405 that the water amount is not equal to or longer than the long-time threshold value, the flow proceeds to S408, the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply valve 9 is increased so that the power generation amount of the fuel cell 2 is increased, and the
S410では、燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する水量閾値を短時間用閾値(第2所定水量)に設定して、S411へ進む。この短時間用閾値は、通常運転時に、水タンク25の排水弁26を開いて排水を開始する排水開始水量未満、且つ、排水弁26を閉じて排水を停止する排水停止水量を超える値であり、しかもS404で設定した長時間用閾値を下回る値である。更に、短時間用閾値を燃料電池温度で補正してもよい。この補正は、燃料電池温度が高ければ高いほど生成水の蒸気圧が高く、アイドルストップ中に凝結する可能性のある水量が多くなるので、燃料電池温度が高ければ高いほど短時間用閾値の値が小さくなるように補正する。尚、この補正は、燃料電池温度と外気温度との温度差が大きいほど、短時間用閾値の値が小さくなるように変更してもよい。 In S410, the water amount threshold value determined to stop the fuel and oxidant supply is set to the short time threshold value (second predetermined water amount), and the process proceeds to S411. This short-time threshold value is a value that is less than the drainage start water amount that starts drainage by opening the drain valve 26 of the water tank 25 during normal operation, and exceeds the drainage stop water amount that stops drainage by closing the drain valve 26. In addition, the value is less than the long time threshold set in S404. Further, the short time threshold value may be corrected by the fuel cell temperature. In this correction, the higher the fuel cell temperature, the higher the vapor pressure of the generated water, and the greater the amount of water that can condense during idle stop, so the higher the fuel cell temperature, the shorter the threshold value for short time. Correct so that becomes smaller. This correction may be changed so that the short-time threshold value decreases as the temperature difference between the fuel cell temperature and the outside air temperature increases.
このような短時間閾値を設定することにより、アイドルストップ中にアノード4の内部、或いは燃料循環路11内部に凝結した液水が水タンク25に流入しても排水開始水位を超えることなく、アイドルストップ終了後の再始動時に、水タンク25から排水することなく直ちに循環ポンプ12の駆動を再開しても、水タンク25から溢れた水が循環ポンプ12に流入して燃料ガスの循環を阻害することが無くなるという効果がある。
By setting such a short-time threshold value, even if liquid water condensed in the
S411では、水位センサ27が検出した水位を水量に換算し、この水量と短時間用閾値とを比較し、水量が短時間用閾値未満であるか否かを判断することにより、水素供給・コンプレッサ停止を許可するか否かを判断する。水量が短時間用閾値未満であれば、S412へ進む。水量が短時間閾値未満でなければ、S402へ戻る。 In S411, the water level detected by the water level sensor 27 is converted into a water amount, the water amount is compared with the short time threshold value, and it is determined whether or not the water amount is less than the short time threshold value. It is determined whether or not the stop is permitted. If the amount of water is less than the short-time threshold, the process proceeds to S412. If the amount of water is not less than the short-time threshold, the process returns to S402.
S412では、水素供給弁9を閉止して水素供給を停止し、S413では、コンプレッサ14を停止して空気供給を停止し、アイドルストップ状態に入ることで処理を終了する。尚、アイドルストップ状態では、図示しない制御フローにより、例えば、要求発電電力、バッテリ17の蓄電量、燃料電池温度等を監視し、要求発電電力が所定以上、バッテリ17の蓄電量が所定以下、燃料電池温度が所定以下、の何れかが検出されると、通常発電状態へ復帰するように制御する。
In S412, the hydrogen supply valve 9 is closed to stop the hydrogen supply. In S413, the
更に、アイドルストップ中に、コントローラ30が水位センサ27を監視するようにしてもよい。特に寒冷地などの外気温度が低い場合、アイドルストップ中に水位センサ27が検出した水タンク25の水量が排水開始水量に達することがあっても、コントローラ30は、アイドルストップを中断して、発電状態へ復帰するように制御することにより、水タンク排水することができ、水タンクから溢れた水で循環ポンプの稼動が妨げられることがない。
Furthermore, the
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のシステム構成図及び制御ブロック図は、図1乃至図3に示した実施例1の構成と同様である。本実施例の燃料電池システムの特徴は、水タンクの水量以外の水素供給・コンプレッサ停止条件が成立し、水タンク水量の条件だけが成立しない場合に、水量が通常運転時の排水開始水量に達していなくても排水弁26を開いて水タンク25から排水する点にある。 Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The system configuration diagram and control block diagram of the second embodiment are the same as the configuration of the first embodiment shown in FIGS. The feature of the fuel cell system of this embodiment is that when the hydrogen supply / compressor stop conditions other than the water amount in the water tank are satisfied and only the water tank water amount condition is not satisfied, the water amount reaches the drainage start water amount during normal operation. Even if not, the drain valve 26 is opened to drain from the water tank 25.
次に、図5の制御フローチャートを参照して、実施例2におけるコントローラの処理内容を説明する。最初に、図5のS502において、燃料電池システムの各センサにより、燃料電池システムの状態量を計測する。次いで、S503で、水タンク25の水量以外の、水素供給・コンプレッサ停止の条件が成立しているか否かを判定する。この水量以外の水素供給・コンプレッサ停止の条件とは、例えば、燃料電池2の温度が所定温度以上であり暖機が完了していること、燃料電池システムに対する要求電力が0を超えて所定値以下であること、バッテリ17の蓄電量が所定値以上であることの各条件が全て成立していることである。
Next, processing contents of the controller in the second embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. First, in S502 of FIG. 5, the state quantity of the fuel cell system is measured by each sensor of the fuel cell system. Next, in S503, it is determined whether conditions for hydrogen supply and compressor stop other than the amount of water in the water tank 25 are satisfied. The conditions for hydrogen supply / compressor stoppage other than the amount of water are, for example, that the temperature of the fuel cell 2 is equal to or higher than a predetermined temperature and the warm-up is completed, and the required power for the fuel cell system exceeds 0 and is lower than a predetermined value. That is, all the conditions that the amount of power stored in the
S503で条件が成立していなければ、S502へ戻る。S503で条件が成立していれば、S504へ進み、水位センサ27で水タンク25内の水位を検出し、水位を水量に換算する。次いで、S505で、S504で計測した水量が燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する閾値(第2所定値)未満であるか否かを判断することにより、水タンク25の水量に関する水素供給・コンプレッサ停止の条件が成立しているか否かを判断する。この閾値は、通常運転時に、水タンク25の排水弁26を開いて排水を開始する排水開始水量未満、且つ、排水弁26を閉じて排水を停止する排水停止水量を超える値である。 If the condition is not satisfied in S503, the process returns to S502. If the condition is satisfied in S503, the process proceeds to S504, where the water level sensor 27 detects the water level in the water tank 25, and converts the water level into the amount of water. Next, in S505, it is determined whether or not the amount of water measured in S504 is less than a threshold (second predetermined value) for determining that the supply of fuel and oxidant is to be stopped. It is determined whether or not a stop condition is satisfied. This threshold value is a value that is less than the drainage start water amount that starts drainage by opening the drain valve 26 of the water tank 25 during normal operation, and that exceeds the drainage stop water amount that stops drainage by closing the drain valve 26.
S505の判断で、水量が閾値未満であれば、S506へ進み、水素供給弁9を閉止して水素供給を停止し、S413では、コンプレッサ14を停止して空気供給を停止し、アイドルストップ状態に入ることで処理を終了する。尚、アイドルストップ状態では、図示しない制御フローにより、例えば、要求発電電力、バッテリ17の蓄電量、燃料電池温度等を監視し、要求発電電力が所定以上、バッテリ17の蓄電量が所定以下、燃料電池温度が所定以下、の何れかが検出されると、通常発電状態へ復帰するように制御する。
If it is determined in S505 that the amount of water is less than the threshold value, the process proceeds to S506, where the hydrogen supply valve 9 is closed and the hydrogen supply is stopped. In S413, the
S505の判断で、水量が閾値未満でなければ、S508へ進み、排水弁26を開いて、水タンク25から水を外部へ放出する。次いで、S509で、水位センサ27で水タンク25内の水位を検出し、水位を水量に換算する。次いで、S510で、S509で計測した水量が燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する閾値(第2所定値)未満であるか否かを判断することにより、水タンク25の水量に関する水素供給・コンプレッサ停止の条件が成立しているか否かを判断する。S510の判断で水量が閾値未満であれば、S511へ進み、排水弁26を閉止して、S506へ進む。S510の判断で水量が閾値未満でなければ、S508へ戻って、排水を続ける。 If it is determined in S505 that the amount of water is not less than the threshold value, the flow proceeds to S508, the drain valve 26 is opened, and water is discharged from the water tank 25 to the outside. Next, in S509, the water level in the water tank 25 is detected by the water level sensor 27, and the water level is converted into the amount of water. Next, in S510, it is determined whether or not the amount of water measured in S509 is less than a threshold (second predetermined value) for determining that the supply of fuel and oxidant is to be stopped, whereby the hydrogen supply / compressor relating to the amount of water in the water tank 25 is determined. It is determined whether or not a stop condition is satisfied. If it is determined in S510 that the amount of water is less than the threshold, the process proceeds to S511, the drain valve 26 is closed, and the process proceeds to S506. If the amount of water is not less than the threshold value in S510, the process returns to S508 to continue draining.
以上説明した本実施例によれば、水タンクの水量以外のアイドルストップ条件が成立し、且つ水量条件が成立していない場合、水量が排水開始水量に達していなくても水タンクから排水して迅速にアイドルストップへ移ることができるという効果がある。 According to the embodiment described above, when the idle stop condition other than the water amount in the water tank is satisfied and the water amount condition is not satisfied, the water tank is drained even if it does not reach the drainage start water amount. There is an effect that it is possible to quickly move to idle stop.
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のシステム構成図及び制御ブロック図は、図1乃至図3に示した実施例1の構成と同様である。 Next, a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The system configuration diagram and control block diagram of the third embodiment are the same as the configuration of the first embodiment shown in FIGS.
尚、図3において、本実施例における停止可能予測演算部33は、図示しない車速センサが検出した車速信号、及び図示しないアクセルセンサからアクセル操作量信号、バッテリコントローラ18からバッテリ17の蓄電量、をそれぞれ入力する。そして、アクセル操作量が0、車速が所定速度以下、更に、蓄電量が所定以上である場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が高いことを予測し、この予測結果を水素供給・コンプレッサ停止判断部35へ出力する。
In FIG. 3, the stoppable
そして、排水弁制御部38は、水素供給・コンプレッサ停止判断部35の指示により、アイドルストップが予測される場合に、水タンク25の水蓄積量が排水開始水量に達していなくても、予め水タンクの水量を閾値未満とすることができ、水量以外のアイドルストップ条件が成立した場合、速やかにアイドルストップへ移行することができる。
Then, the drain
次に、図6の制御フローチャートを参照して、実施例3におけるコントローラの処理内容を説明する。最初に、図6のS602において、車速センサから移動体の速度信号を検出する。次いでS603で、移動体運転者の操作状況を検出する。この操作状況とは、アクセル操作量、ブレーキ操作量、もし備えていれば変速機の変速ポジション等である。 Next, processing contents of the controller in the third embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. First, in S602 of FIG. 6, the speed signal of the moving body is detected from the vehicle speed sensor. Next, in S603, the operation status of the mobile driver is detected. The operation status includes an accelerator operation amount, a brake operation amount, and a shift position of the transmission if provided.
次いでS604でバッテリコントローラ18からバッテリ17の蓄電量を読み込む。そして、S606で、短時間の水素供給・コンプレッサ停止が行われるアイドルストップの可能性の大小を判定する。例えば、アクセル操作量が0、車速が所定速度(例えば、20km/h)以下、蓄電量が所定以上(例えば、現在の車両消費電力を5分程度賄える蓄電量)の全てが満足される場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が大きいと判断し、それ以外は、小さいと判断する。
In step S604, the storage amount of the
S605の判断で、停止可能性が小と判断したときには、S602へ戻る。S605で停止可能性が大と判断したときには、S606へ進む。S606では、水位センサ27の検出値を読み込み、S607で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、水量の条件が成立しているので、何もせずに終了する。 If it is determined in S605 that the possibility of stopping is small, the process returns to S602. When it is determined in S605 that the possibility of stopping is high, the process proceeds to S606. In S606, the detection value of the water level sensor 27 is read. In S607, it is determined whether or not the water amount is less than a threshold value of the water amount that can be idle-stopped. If the amount of water is less than the threshold of the amount of water that can be idle-stopped, the condition of the amount of water is satisfied, and the process is terminated without doing anything.
S607の判断で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、水量の条件を予め成立させるために、S608以下の処理を行って、水タンク25の水量を低下させる。S608では、排水弁26を開き、S609で水位センサ27の検出値を読み込み、S610で水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、S608へ戻って排水を続ける。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、予め水量の条件が満足されたので、処理を終了する。 If it is determined in S607 that the amount of water is not less than the threshold value of the amount of water that can be idle-stopped, the processing in S608 and subsequent steps is performed to reduce the amount of water in the water tank 25 in order to establish the water amount condition in advance. In S608, the drain valve 26 is opened, and the detection value of the water level sensor 27 is read in S609. In S610, it is determined whether or not the water amount is less than a threshold value of the water amount that can be idle-stopped. If the amount of water is not less than the threshold value of the amount of water that can be idle-stopped, the flow returns to S608 to continue draining. If the amount of water is less than the threshold of the amount of water that can be idle-stopped, the condition of the amount of water has been satisfied in advance, and the process is terminated.
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例4を説明する。実施例4のシステム構成図及び制御ブロック図は、図1乃至図3に示した実施例1の構成と同様である。 Next, a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The system configuration diagram and control block diagram of the fourth embodiment are the same as the configuration of the first embodiment shown in FIGS.
本実施例の特徴は、実施例3と同様に、アイドルストップの可能性が大と判断したときに、水タンクの水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、発電量を増加させ、循環ポンプの回転数を増加させて、生成水を増加させるとともに、アノード4及び燃料循環路11から凝結した液水の回収を行って、水タンクの水量を通常運転時の排水開始水量に到達させて、通常の運転制御による排水を行わせることにある。これにより、予めアイドルストップが予測されるときに、水タンクの水量をアイドルストップ可能な水量の閾値未満に低下させることができる。
As in the third embodiment, the feature of the present embodiment is that when the possibility of idling stop is determined to be large, if the amount of water in the water tank is not less than the threshold of the amount of water that can be idle stopped, the power generation amount is increased. The number of generated water is increased by increasing the number of rotations of the circulation pump, and liquid water condensed from the
次に、図7の制御フローチャートを参照して、実施例4におけるコントローラの処理内容を説明する。最初に、図7のS702において、車速センサから移動体の速度信号を検出する。次いでS703で、移動体運転者の操作状況を検出する。この操作状況とは、アクセル操作量、ブレーキ操作量、もし備えていれば変速機の変速ポジション等である。 Next, processing contents of the controller in the fourth embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. First, in S702 of FIG. 7, the speed signal of the moving body is detected from the vehicle speed sensor. Next, in S703, the operation status of the mobile driver is detected. The operation status includes an accelerator operation amount, a brake operation amount, and a shift position of the transmission if provided.
次いでS704でバッテリコントローラ18からバッテリ17の蓄電量を読み込む。そして、S706で、短時間の水素供給・コンプレッサ停止が行われるアイドルストップの可能性の大小を判定する。例えば、アクセル操作量が0、車速が所定速度(例えば、20km/h)以下、蓄電量が所定以上(例えば、現在の車両消費電力を5分程度賄える蓄電量)の全てが満足される場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が大きいと判断し、それ以外は、小さいと判断する。
In step S704, the storage amount of the
S705の判断で、停止可能性が小と判断したときには、S702へ戻る。S705で停止可能性が大と判断したときには、S706へ進む。S706では、水位センサ27の検出値を読み込み、S707で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、水量の条件が成立しているので、何もせずに終了する。 If it is determined in S705 that the possibility of stopping is small, the process returns to S702. When it is determined in S705 that the possibility of stopping is high, the process proceeds to S706. In S706, the detection value of the water level sensor 27 is read, and in S707, it is determined whether or not the water amount is less than a threshold value of the water amount that can be idle-stopped. If the amount of water is less than the threshold of the amount of water that can be idle-stopped, the condition of the amount of water is satisfied, and the process is terminated without doing anything.
S707の判断で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、水量の条件を予め成立させるために、S708以下の処理を行って、水タンク25の水量を低下させる。S708では、燃料電池2の発電量を増加させるように、水素供給弁9から供給する水素流量を増加させ、またコンプレッサ14の回転速度を上昇させて、パワーマネジャー15へ燃料電池2から取り出す電流を増加するように指示する。これにより燃料電池2における生成水が増加する。
If it is determined in S707 that the amount of water is not less than the threshold value of the amount of water that can be idle-stopped, the processing of S708 and subsequent steps is performed to reduce the amount of water in the water tank 25 in order to establish the water amount condition in advance. In S708, the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply valve 9 is increased so as to increase the power generation amount of the fuel cell 2, and the rotational speed of the
次いでS709で、循環ポンプ12の回転数を増加させ、アノード4及び燃料循環路11から効果的に液水を水タンク25へ回収する。S710で水位センサ27の検出値を読み込み、S711で水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、S708へ戻って発電量増加を続ける。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、予め水量の条件が満足されたので、処理を終了する。
Next, in S709, the rotational speed of the circulation pump 12 is increased, and liquid water is effectively recovered from the
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例5を説明する。実施例5の制御ブロック図は、図1及び図3に示した実施例1の構成と同様である。 Next, a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The control block diagram of the fifth embodiment is the same as the configuration of the first embodiment shown in FIGS.
図8は、本実施例における燃料電池システムのシステム構成図である。本実施例の燃料電池システムは、カソード5へ酸化剤供給源14に貯蔵した圧縮酸素や高圧空気から酸化剤をカソード5供給するとともに、カソード5から排出されるカソードオフガスを再度カソードへ循環させる為の酸化剤循環路28と、酸化剤循環ポンプ29とを備え、水タンク25は、酸化剤循環路28に設けられている点に特徴がある。その他の構成は、図2に示した実施例1〜4に適用されるシステム構成図と同様である。
FIG. 8 is a system configuration diagram of the fuel cell system in the present embodiment. The fuel cell system of the present embodiment supplies the cathode 5 with the oxidant from the compressed oxygen or high-pressure air stored in the
このような酸化剤循環路28に気液分離機能を有する水タンク25を備えた構成においても、実施例1〜4で説明したような制御を行うことにより、実施例1〜4と同様の効果が得られる。 Even in such a configuration in which the water tank 25 having a gas-liquid separation function is provided in the oxidant circulation path 28, the same effects as those of the first to fourth embodiments are achieved by performing the control as described in the first to fourth embodiments. Is obtained.
以上、好ましい実施例について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、上記の各実施例では、アイドルストップにおいて、水素ガス(燃料)供給と空気(酸化剤)供給の双方を停止することとしたが、水素ガス供給、或いは空気供給の一方を停止する場合にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。 While preferred embodiments have been described above, they are not intended to limit the invention. For example, in each of the embodiments described above, both the hydrogen gas (fuel) supply and the air (oxidant) supply are stopped in the idle stop. However, when one of the hydrogen gas supply or the air supply is stopped. Needless to say, the present invention is applicable.
101…水蓄積量検出手段
102…停止時間推測手段
103…燃料電池運転状態検出手段
104…燃料・酸化剤供給停止判断部
105…燃料供給手段
106…酸化剤供給手段
107…水移動手段
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
水を液水として蓄積する水蓄積装置と、
該水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水蓄積量検出手段の検出値に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
A water storage device for storing water as liquid water;
Water accumulation amount detecting means for detecting the amount of water accumulated in the water accumulation device;
In a fuel cell system comprising:
A fuel cell system, comprising: a control device that determines a supply stop of at least one of fuel gas and oxidant gas based on a detection value of the water accumulation amount detection means.
該燃料循環路内の燃料ガスを燃料極出口から燃料極入口へ循環させる燃料循環手段と、を備え、
前記水蓄積装置は、前記燃料循環路に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A fuel circulation path for recirculating unreacted fuel gas discharged from the fuel electrode to the fuel electrode;
Fuel circulation means for circulating the fuel gas in the fuel circulation path from the fuel electrode outlet to the fuel electrode inlet,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the water storage device is disposed in the fuel circulation path.
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の継続時間を推測する停止時間推測手段と、を備え、
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より長い場合に、前記水蓄積量検出手段の検出値が、前記排水停止水量を超え前記排水開始水量未満の第1所定水量以上であることを、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の条件とすることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 Water moving means for starting drainage from the water accumulation device when the detection value of the water accumulation amount detection means exceeds the drainage start water quantity, and stopping drainage when the drainage stop water quantity is less than the drainage start water quantity, ,
A stop time estimating means for estimating a duration of supply stop of at least one of the fuel gas and the oxidant gas,
When the time estimated by the stop time estimation means is longer than a predetermined time, the detected value of the water accumulation amount detection means is greater than or equal to a first predetermined water amount that exceeds the drainage stop water amount and less than the drainage start water amount. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is a condition for stopping supply of at least one of the fuel gas and the oxidant gas.
燃料電池システムに対する要求発電電力が0の場合、または燃料電池システムに対する発電停止要求があった場合であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の燃料電池システム。 When the time estimated by the stop time estimating means is longer than a predetermined time,
5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the required generated power for the fuel cell system is 0, or when there is a generation stop request for the fuel cell system. 6.
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の継続時間を推測する停止時間推測手段と、を備え、
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より短い場合に、前記水蓄積量検出手段の検出値が、前記排水停止水量を超え前記排水停止水量未満の第2所定水量未満であることを、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の条件とすることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 Water moving means for starting drainage from the water accumulation device when the detection value of the water accumulation amount detection means exceeds the drainage start water quantity, and stopping drainage when the drainage stop water quantity is less than the drainage start water quantity, ,
A stop time estimating means for estimating a duration of supply stop of at least one of the fuel gas and the oxidant gas,
When the time estimated by the stop time estimating means is shorter than a predetermined time, the detected value of the water accumulation amount detecting means is less than a second predetermined water amount that exceeds the drain stop water amount and less than the drain stop water amount. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is a condition for stopping supply of at least one of the fuel gas and the oxidant gas.
該停止可能予測手段が停止可能を予測した場合に、予め前記水移動手段により前記水蓄積装置の蓄積水量を前記第2所定水量未満とすることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。 Comprising stoppable prediction means for predicting that the supply stop condition of at least one of the fuel gas and the oxidant gas other than the water amount of the water storage device is satisfied,
8. The fuel cell system according to claim 7, wherein when the stoppable prediction unit predicts that stoppage is possible, the water storage unit previously sets the amount of water stored in the water storage device to be less than the second predetermined amount of water. 9. .
前記停止可能予測手段は、移動体の速度及び移動体の運転操作状況に基づいて前記停止可能を予測することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。 The fuel cell supplies power to a power source of a moving body,
The fuel cell system according to claim 8, wherein the stoppable prediction unit predicts the stoppable based on a speed of a moving body and a driving operation state of the moving body.
前記停止可能予測手段は、前記蓄電装置の蓄電量に基づいて前記停止可能を予測することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。 When the generated power of the fuel cell is insufficient, a power storage device that supplies power to the load device of the fuel cell is provided,
The fuel cell system according to claim 8, wherein the stoppable prediction unit predicts the stoppable based on a storage amount of the power storage device.
該温度検出手段が検出した温度が高いほど前記第2所定水量を少なく補正することを特徴とする請求項6乃至請求項10の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Comprising temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
11. The fuel cell system according to claim 6, wherein the second predetermined water amount is corrected to be smaller as the temperature detected by the temperature detection unit is higher.
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の継続時間を推測する停止時間推測手段と、を備え、
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より短い場合に、前記燃料循環手段を稼動させて前記燃料極及び前記燃料循環路内の水を前記水蓄積装置へ輸送することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 Water moving means for starting drainage from the water accumulation device when the detection value of the water accumulation amount detection means exceeds the drainage start water quantity, and stopping drainage when the drainage stop water quantity is less than the drainage start water quantity, ,
A stop time estimating means for estimating a duration of supply stop of at least one of the fuel gas and the oxidant gas,
The fuel circulation unit is operated to transport water in the fuel electrode and the fuel circulation path to the water storage device when the time estimated by the stop time estimation unit is shorter than a predetermined time. Item 3. The fuel cell system according to Item 2.
前記制御装置は、前記蓄電装置から要求電力を供給可能である場合に、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 When the generated power of the fuel cell is insufficient, a power storage device that supplies power to the load device of the fuel cell is provided,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device stops supply of at least one of the fuel gas and the oxidant gas when the required power can be supplied from the power storage device.
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