JP2007250271A - Fuel cell control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の制御装置に係り、特に、燃料電池の起動時に、燃料電池から負荷装置への電力供給を早めることが可能な燃料電池の制御装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell control device, and more particularly to a fuel cell control device capable of speeding up power supply from a fuel cell to a load device when the fuel cell is started.
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、自動車の動力源としても有望な固体高分子型の場合は、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち負極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の正極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。 A fuel cell system is a device that directly converts chemical energy contained in fuel into electrical energy. In the case of a solid polymer type that is also promising as a power source for automobiles, a fuel cell system is one of a pair of electrodes provided with an electrolyte membrane interposed therebetween. The fuel gas containing hydrogen is supplied to the negative electrode, and the oxidant gas containing oxygen is supplied to the other positive electrode, and the electrode utilizing the following electrochemical reaction generated on the surface of the electrolyte membrane side of these pair of electrodes The electric energy is taken out from.
アノード(負極)反応:H2 → 2H+ + 2e- …(1)
カソード(正極)反応:2H+ + 2e- +(1/2)O2 → H2O …(2)
負極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。正極に供給するガスとしては、一般的に空気が利用されている。
Anode (negative electrode) reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode (positive electrode) reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
As the fuel gas supplied to the negative electrode, a method of directly supplying from a hydrogen storage device, or a method of supplying a reformed hydrogen-containing gas by reforming a fuel containing hydrogen is known. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. As the fuel containing hydrogen, natural gas, methanol, gasoline or the like can be considered. Air is generally used as the gas supplied to the positive electrode.
上記の電解質膜を電極で挟持する構成はセル(或いは単位電池)と呼ばれ、発電可能な最小構成であるが、実際の燃料電池システムでは、効率向上を目的として高電圧化するために、セルを複数積層してなる燃料電池スタックの形態で利用することが多い。この場合に、経時劣化等に対応した燃料電池の制御のために、各セルごとの発電状態を把握する必要が生じ、全セルの電圧を計測する装置を備える燃料電池システムも多いが、各セルから並列に制御用コンピュータへデータ転送する構成にしてしまうと、制御装置のコストや重量が膨大なものになるという問題点があった。 The configuration in which the above electrolyte membrane is sandwiched between electrodes is called a cell (or unit cell), which is the minimum configuration capable of generating power. However, in an actual fuel cell system, in order to increase the voltage for the purpose of improving efficiency, the cell It is often used in the form of a fuel cell stack formed by stacking a plurality of layers. In this case, in order to control the fuel cell in response to deterioration over time, etc., it is necessary to grasp the power generation state for each cell, and there are many fuel cell systems equipped with a device for measuring the voltage of all cells. If the data is transferred in parallel to the control computer, there is a problem that the cost and weight of the control device become enormous.
このような問題点に対しては、バス型配線のデータ通信方式を用いることで、制御装置のコスト、重量の削減を行うことが知られている(例えば、特許文献1)。
ところで、燃料電池の起動時に負荷が接続されていないと、燃料電池の電圧は理論値に近い値まで上昇し、電極部材の酸化等の劣化が加速される。また、起動前から燃料電池に負荷を接続しておくと、電力を取り出している時間が長くなるため、燃料電池システムの燃費が悪化する。さらに、負荷を接続する際に、電圧が立ち上がり始めていないセルがあると、そのセルの電圧が逆転(転極)し、電気分解が起きることで、電極材料の劣化が生じる。したがって、燃料電池の劣化抑制や燃費改善のために、燃料電池の起動時に負荷の接続タイミングをなるべく遅く、かつ燃料電池の電圧が電極部材の劣化が激しくなる値に達する前に制御することが望ましい。 By the way, if the load is not connected at the time of starting the fuel cell, the voltage of the fuel cell rises to a value close to the theoretical value, and deterioration such as oxidation of the electrode member is accelerated. In addition, if a load is connected to the fuel cell before the start-up, the time during which power is taken out becomes longer, and the fuel efficiency of the fuel cell system is deteriorated. Further, when a load is connected, if there is a cell in which the voltage has not started to rise, the voltage of the cell is reversed (polarization), and electrolysis occurs, resulting in deterioration of the electrode material. Therefore, in order to suppress deterioration of the fuel cell and improve fuel efficiency, it is desirable to control the load connection timing as late as possible at the start of the fuel cell and before the voltage of the fuel cell reaches a value at which deterioration of the electrode member becomes severe. .
しかしながら、従来例では全ての装置が単一のデータ転送経路を使用するので、データ転送レートの制限により電圧等の測定の時間分解能が悪くなる。このため、燃料電池起動時の負荷接続タイミングの制御が困難であるという問題点があった。 However, since all devices use a single data transfer path in the conventional example, the time resolution of measurement of voltage or the like is degraded due to the limitation of the data transfer rate. For this reason, there is a problem that it is difficult to control the load connection timing when the fuel cell is started.
上記問題点を解決するために本発明は、発電可能な最小単位であるセルを積層した燃料電池スタックの構成をなす燃料電池に対して、燃料電池の起動時に電圧を測定するセルの個数を測定可能な個数よりも減らすことを要旨とする燃料電池の制御装置である。 In order to solve the above problems, the present invention measures the number of cells whose voltage is measured when the fuel cell is started, with respect to a fuel cell having a configuration of a fuel cell stack in which cells that are the smallest unit capable of generating power are stacked. It is a fuel cell control device whose gist is to reduce it from the possible number.
本発明においては、燃料電池の起動時に、測定可能なセル数よりも少ない個数のセルの電圧を測定することにより、セル電圧の測定時間、或いはセル電圧の測定手段から判定手段へのセル電圧測定値の通信時間を短縮し、セル電圧の測定周期を短縮する。これにより、セル電圧測定値の燃料電池スタックにおける空間分解能よりも時間分解能を優先することができ、高い時間分解能を実現することができる。 In the present invention, at the time of starting the fuel cell, by measuring the voltage of a smaller number of cells than the number of cells that can be measured, the cell voltage measurement time or the cell voltage measurement from the cell voltage measurement means to the determination means Reduces value communication time and cell voltage measurement cycle. As a result, the temporal resolution can be prioritized over the spatial resolution of the cell voltage measurement value in the fuel cell stack, and a high temporal resolution can be realized.
本発明によれば、燃料電池の電圧測定の時間分解能が向上することにより、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の電圧を低下させることが可能となり、燃料電池の劣化を抑制することができるという効果がある。また、燃料電池の劣化の抑制のために予め負荷を接続しておく必要がなくなり、負荷を取り出している時間を短縮することが可能となるため、燃料電池の燃費を改善することができるという効果がある。 According to the present invention, the time resolution of the fuel cell voltage measurement is improved, so that the load can be taken out and the voltage of the fuel cell can be lowered before the fuel cell voltage reaches a value at which the deterioration of the fuel cell becomes severe. This makes it possible to suppress the deterioration of the fuel cell. In addition, it is not necessary to connect a load in advance to suppress the deterioration of the fuel cell, and it is possible to reduce the time for taking out the load, so that the fuel consumption of the fuel cell can be improved. There is.
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。尚、特に限定されないが以下の各実施例は、電動車両の電源として好適な燃料電池の制御装置である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Although not particularly limited, the following embodiments are fuel cell control devices suitable as power sources for electric vehicles.
図1は、本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例1を適用した燃料電池システムの構成を説明する構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a fuel cell system to which a first embodiment of a control device for a fuel cell according to the present invention is applied.
図1において、燃料電池システムは、複数(以下セル数m)のセル(単位電池)を積層してなる燃料電池スタック1と、セル数mと同数の電圧測定チャンネルを内蔵し、全セルのセル電圧を測定可能な電圧モニタ装置2と、燃料電池システム全体を制御するとともに、電圧モニタ装置2が測定したセル電圧を受信してセル電圧を判定し、セル電圧が条件を満足すれば、燃料電池スタック1と図示しない負荷とを接続して電流取出状態とするシステム制御装置3と、電圧モニタ装置2をバス4に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ12と、システム制御装置3をバス4に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ13と、バス4とを備えている。
In FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 in which a plurality of cells (unit cells) are stacked, and a number of voltage measurement channels equal to the number of cells m. The voltage monitoring device 2 capable of measuring the voltage and the whole fuel cell system are controlled, the cell voltage measured by the voltage monitoring device 2 is received, the cell voltage is determined, and if the cell voltage satisfies the condition, the fuel cell A
通信コントローラ12,13と、バス4とは、例えば、コントローラ・エリア・ネットワーク(CAN)を構成し、自動車用としては、ISO 11 898,ISO 11 519-2に定義されたシリアル通信プロトコルを利用可能であるが、任意に設定したバス通信規格を用いてもよい。通信コントローラ12,13は、それぞれ電圧モニタ装置2、システム制御装置3に内蔵、または一体化されてもよい。
The
また、燃料電池システムには、それぞれ図示しない燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系、冷却液供給系、及び負荷装置が設けられており、これらの供給系及び負荷装置もシステム制御装置3により制御される。
The fuel cell system is provided with a fuel gas supply system, an oxidant gas supply system, a coolant supply system, and a load device (not shown), and these supply system and load device are also controlled by the
システム制御装置3は、本実施例においては特に限定されないが、CPUとプログラム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おり、その制御内容はプログラムROMに格納された制御プログラムをCPUが実行することにより実現される。
The
電圧モニタ装置2は、それぞれシステム制御装置3から設定される2つの動作モード、通常モードと、起動モードとを備える。通常モードは、m本の電圧測定チャンネルの全てを使用して燃料電池スタック1の全てのセルのセル電圧を測定し、m個のセル電圧測定データをシステム制御装置3へ送信する動作モードである。
The voltage monitor device 2 includes two operation modes set by the
起動モードは、m本の電圧測定チャンネルのうち、一部の電圧測定チャンネルであるn本(m>n)を使用して燃料電池スタック1のn個のセルのセル電圧を測定し、n個のセル電圧測定データをシステム制御装置3へ送信する動作モードである。
The start mode measures the cell voltage of n cells of the fuel cell stack 1 using n (m> n) which are some voltage measurement channels among the m voltage measurement channels, and n This is an operation mode in which the cell voltage measurement data is transmitted to the
この起動モードでは、測定するチャンネル数を全チャンネル数より少なくしているので、電圧測定時間、及び/又は電圧モニタ装置2からシステム制御装置3への電圧測定データ送信時間が短縮される。
In this start-up mode, the number of channels to be measured is made smaller than the total number of channels, so that the voltage measurement time and / or the voltage measurement data transmission time from the voltage monitor device 2 to the
次に、図2の制御フローチャートを参照して実施例1における制御内容を説明する。図2のフローチャートは、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタック1へ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給開始した後に呼び出され、セル電圧を監視して負荷装置の接続タイミングを判定するものである。 Next, the control contents in the first embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. The flowchart of FIG. 2 is called after starting the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell stack 1 at the start of the fuel cell system, and determines the connection timing of the load device by monitoring the cell voltage. .
まずステップ(以下、ステップをSと略す)10において、システム制御装置3から電圧モニタ装置2へ起動モードに設定する指示を送信する。次いでS12で、この起動モード設定指示を受信した電圧モニタ装置2は、以後、m本の全チャンネル中のn(m>n)本を使用してn個のセルのセル電圧を測定する起動モードとなる。次いで、電圧モニタ装置2がnチャンネルを使用して燃料電池スタック1のn個セル電圧を測定する。次いで、S16で電圧モニタ装置2は、n個の電圧測定データをシステム制御装置3へ送信する。S18では、システム制御装置3がn個の電圧測定データを受信する。次いで、S20では、システム制御装置3は、セル電圧が負荷装置接続のための条件、言い換えれば燃料電池スタック1から電力取り出しを開始する条件を満足しているか否かを判定する。
First, in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 10, an instruction to set the activation mode is transmitted from the
S20の判定で、セル電圧が条件を満足していなければ、S14へ戻って、電圧モニタ装置2が新しいセル電圧の値を測定し、これを送信するのをシステム制御装置3が待つ。
If it is determined in S20 that the cell voltage does not satisfy the condition, the process returns to S14, and the
S20の判定で、セル電圧が条件を満足していれば、S22へ進み、システム制御装置3から電圧モニタ装置2へ通常モードに設定する指示を送信する。次いでS24で、この通常モード設定指示を受信した電圧モニタ装置2は、以後、m本の全チャンネルを使用して全セル(m個)のセル電圧を測定する通常モードとなる。次いで、S26で、システム制御装置3は、燃料電池スタック1と負荷装置とを接続する。
If it is determined in S20 that the cell voltage satisfies the condition, the process proceeds to S22, and an instruction to set the normal mode is transmitted from the
次いでS28で、電圧モニタ装置2は、m本の全チャンネルを使用して燃料電池スタック1の全セル電圧を測定し、S30で、電圧モニタ装置2は、m個の電圧測定データをシステム制御装置3へ送信する。S32で、システム制御装置3がm個の電圧測定データを受信する。次いで、S34では、システム制御装置3は、例えばセル電圧の最大値、最小値、標準偏差等を算出し、これらの値に基づいてセル電圧が適正が否かを判定する。S34の判定でセル電圧が適正であれば、セル電圧監視のためにS28へ戻る。S34の判定でセル電圧が適正でなければ、セル電圧回復のために、運転圧力の変更やパージ操作等の周知のセル電圧改善処理を行うために分岐する。
Next, in S28, the voltage monitoring device 2 measures all cell voltages of the fuel cell stack 1 using all m channels, and in S30, the voltage monitoring device 2 sends m voltage measurement data to the system control device. 3 to send. In S32, the
本実施例1では、燃料電池スタック1の起動時に、電圧モニタ装置2の全チャンネル内の一部を使用する。その結果として、従来技術のように電圧モニタ装置3の全チャンネルにて計測を行うと、図3のように低時間分解能なセル電圧しか得られないのに対して、本実施例では図4のような高時間分解能なセル電圧が得られる。
In the first embodiment, when the fuel cell stack 1 is started, a part of all the channels of the voltage monitor device 2 is used. As a result, when measurement is performed on all channels of the
以上説明したように、実施例1によれば、燃料電池の電圧測定の時間分解能が向上することにより、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の電圧を低下させることが可能となり、燃料電池の劣化を抑制することができる。また、燃料電池の劣化の抑制のために予め負荷を接続しておく必要がなくなり、負荷を取り出している時間を短縮することが可能となるため、燃料電池の燃費を改善することができる。 As described above, according to the first embodiment, the time resolution of the fuel cell voltage measurement is improved, so that the load is taken out before the voltage of the fuel cell reaches a value at which the deterioration of the fuel cell becomes severe. It is possible to reduce the voltage of the fuel cell, and the deterioration of the fuel cell can be suppressed. In addition, it is not necessary to connect a load in advance in order to suppress deterioration of the fuel cell, and it is possible to shorten the time for taking out the load, so that the fuel consumption of the fuel cell can be improved.
図5は、本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例2を適用した燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図5に示した実施例2の構成は、図1の実施例1の構成に対して、外気温度を測定する外気温センサ5と、外気温センサ5をバス4に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ15と、燃料電池スタック1の温度を測定する温度モニタ装置6と、温度モニタ装置6をバス4に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ16とが追加されたものである。その他の構成は、図1と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a configuration of a fuel cell system to which a second embodiment of the control device for a fuel cell according to the present invention is applied. The configuration of the second embodiment shown in FIG. 5 is different from the configuration of the first embodiment of FIG. 1 in that the outside air temperature sensor 5 that measures the outside air temperature and the outside air temperature sensor 5 connected to the bus 4 A communication controller 15 that enables communication, a temperature monitor device 6 that measures the temperature of the fuel cell stack 1, and a
本実施例は、燃料電池スタック1の特性として、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始時期が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となった後となる特性を備えている場合に適用される。 In the present embodiment, the characteristics of the fuel cell stack 1 are such that the rising start timing of the voltage of the cell in which the voltage rises latest is after the voltage of the cell in which the voltage rises fast becomes constant. Applied.
本実施例では、燃料電池スタック1の起動の際に、外気温センサ5や温度モニタ装置6からのデータに基づき、燃料電池スタック1に凍結が発生しているかどうかをシステム制御装置3において判断する。例えば、外気温センサ5が氷点以上を示していれば、常に凍結していないと判断する。外気温センサ5が氷点未満を示していれば、温度モニタ装置6が測定した燃料電池スタック1の複数の温度測定データのいずれかが氷点以下を示していれば、凍結していると判断する。
In this embodiment, when the fuel cell stack 1 is started, the
燃料電池スタック1に凍結が発生していないと判断された場合に、図7のように燃料電池スタックの起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が所定値(V1)に達したとき(t1)に、燃料電池スタック1に負荷装置を接続する。 When it is determined that freezing has not occurred in the fuel cell stack 1, when the voltage of the cell whose voltage rises the earliest at the start of the fuel cell stack reaches a predetermined value (V1) as shown in FIG. 7 (t1) In addition, a load device is connected to the fuel cell stack 1.
また、システム制御装置3の凍結判断において、燃料電池スタック1に凍結が発生していると判断された場合に,燃料電池スタックの起動時に最も遅く電圧が立ち上がる単セルの電圧が所定値(V1)に達したときに、燃料電池スタック1に負荷装置を接続する。
In addition, when it is determined that the fuel cell stack 1 is frozen in the freezing determination of the
次に、図2、図6のフローチャートを参照して、実施例2における制御内容を説明する。実施例1において図2に関して説明した内容は、実施例2にも適用される。図2のS20におけるセル電圧の判定に関して、実施例2について詳細説明したものが図6である。 Next, the contents of control in the second embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS. The contents described with reference to FIG. 2 in the first embodiment also apply to the second embodiment. FIG. 6 is a detailed explanation of the second embodiment regarding the determination of the cell voltage in S20 of FIG.
図6において、セル電圧の判定が開始されると、まずS50でシステム制御装置3は、外気温センサ5から外気温データ、温度モニタ装置6から燃料電池スタックの温度データを読み込む。
In FIG. 6, when the determination of the cell voltage is started, the
次いでS52で、システム制御装置3は、これらの温度データに基づいて燃料電池スタックに凍結が生じているか否かを判定する。S52の判定で、凍結が生じていないと判定されたとき(判定がNo)、S54へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も早く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をVfとする。次いで、S58でセル電圧Vfが所定値V1以上か否かを判定する。S58の判定で、セル電圧Vfが所定値V1以上であれば、セル電圧の判定結果がOKとして、負荷装置を接続するために、図2のS22へ分岐する。S58の判定で、セル電圧Vfが所定値V1未満であれば、セル電圧の判定結果がNOとして、図2のS14セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。
Next, in S52, the
S52の判定で、凍結が生じていると判定されたとき(判定がYes)、S56へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も遅く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をVsとする。次いで、S60でセル電圧Vsが所定値V1以上か否かを判定する。S60の判定で、セル電圧Vsが所定値V1以上であれば、セル電圧の判定結果がOKとして、負荷装置を接続するために、図2のS22へ分岐する。S60の判定で、セル電圧Vfが所定値V1未満であれば、セル電圧の判定結果がNOとして、図2のS14セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。 When it is determined in S52 that freezing has occurred (Yes in determination), the process proceeds to S56, and the cell voltage of the cell whose voltage rises the latest is selected from the already received cell voltage data. Vs. Next, in S60, it is determined whether or not the cell voltage Vs is equal to or higher than a predetermined value V1. If it is determined in S60 that the cell voltage Vs is equal to or higher than the predetermined value V1, the determination result of the cell voltage is OK, and the process branches to S22 in FIG. 2 to connect the load device. If it is determined in S60 that the cell voltage Vf is less than the predetermined value V1, the determination result of the cell voltage is NO, and the process branches to S14 cell voltage measurement in FIG. 2, and the cell voltage monitoring is continued.
尚、所定値V1は、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックに負荷を接続しても燃料電池スタックの劣化を促進しない電圧値であり、実験的に決定する。 The predetermined value V1 is a voltage value that does not promote deterioration of the fuel cell stack even when a load is connected to the fuel cell stack when the fuel cell system is started, and is determined experimentally.
以上説明した実施例2によれば、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となった後である燃料電池において、燃料電池スタックが凍結していない場合に、電圧が早く立ち上がり劣化度合いが大きいセルの電圧が劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出すことが可能となり、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。 According to the second embodiment described above, the fuel cell stack is frozen in the fuel cell in which the rising of the voltage of the cell in which the voltage rises the latest is after the voltage of the cell in which the voltage rises the fastest becomes constant. In the case where there is not, the load can be taken out before the voltage of the cell whose voltage rises quickly and has a large degree of deterioration reaches a value at which the deterioration becomes severe, thereby suppressing the deterioration of the fuel cell and improving the fuel consumption.
また、燃料電池スタックが凍結している場合に、いずれのセルにおいても電圧が反転することなく、発電を維持することが可能となり、燃料電池の劣化の抑制と起動時間の短縮による燃費の改善を図ることができる。 In addition, when the fuel cell stack is frozen, it is possible to maintain power generation without reversing the voltage in any cell, and to improve fuel efficiency by suppressing deterioration of the fuel cell and shortening the startup time. Can be planned.
次に、本発明の実施例3を説明する。実施例3の燃料電池システムの構成は、図5に示した実施例2と同様である。本実施例は、燃料電池スタック1の特性として、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始時期が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となる前である場合に適用される。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 3 is the same as that of Example 2 shown in FIG. The present embodiment is applied as a characteristic of the fuel cell stack 1 when the cell voltage rising start timing of the latest rising voltage is before the voltage of the cell rising the fastest voltage becomes constant.
実施例3では、燃料電池スタックの起動の際に、外気温センサ5や温度モニタ装置6からのデータに基づき、燃料電池スタック1に凍結が発生しているかどうかをシステム制御装置3において判断する。燃料電池スタック1に凍結が発生していないと判断された場合に、図9のように燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧が第1の所定値(V2)に達したとき(t2)、または最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が第1の所定値よりも高い第2の所定値(V3)に達したとき(t3)に負荷装置を接続する。
In the third embodiment, when the fuel cell stack is activated, the
また燃料電池スタック1の凍結判断において、燃料電池スタック1に凍結が発生していると判断された場合に、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が第3の所定値(Va)に達したとき、または最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧が第3の所定値よりも低い第4の所定値(Vb)に達したときに負荷装置を接続する。 Further, in the determination of freezing of the fuel cell stack 1, when it is determined that the fuel cell stack 1 is frozen, the voltage of the cell whose voltage rises earliest when the fuel cell is started up is the third predetermined value (Va). Or when the voltage of the cell in which the voltage rises the latest reaches a fourth predetermined value (Vb) lower than the third predetermined value, the load device is connected.
次に、図2、図8のフローチャートを参照して、実施例3における制御内容を説明する。実施例1において図2に関して説明した内容は、実施例3にも適用される。図2のS20におけるセル電圧の判定に関して、実施例3について詳細説明したものが図8である。 Next, the control content in the third embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS. The contents described in connection with FIG. 2 in the first embodiment are also applied to the third embodiment. FIG. 8 is a detailed explanation of the third embodiment regarding the determination of the cell voltage in S20 of FIG.
図8において、セル電圧の判定が開始されると、まずS70でシステム制御装置3は、外気温センサ5から外気温データ、温度モニタ装置6から燃料電池スタックの温度データを読み込む。
In FIG. 8, when the determination of the cell voltage is started, the
次いでS72で、システム制御装置3は、これらの温度データに基づいて燃料電池スタックに凍結が生じているか否かを判定する。S72の判定で、凍結が生じていないと判定されたとき(判定がNo)、S74へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も遅く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をVsとする。次いで、S76でセル電圧Vsが所定値V2以上か否かを判定する。S76の判定で、セル電圧Vsが所定値V2以上であれば、セル電圧の判定結果がOKとして、負荷装置を接続するために、図2のS22へ分岐する。S76の判定で、セル電圧Vsが所定値V2未満であれば、S78へ進む。S78では、既に受信済みのセル電圧データから最も早く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をVfとする。次いで、S80でセル電圧Vfが所定値V3(V3>V2)以上か否かを判定する。S80の判定で、セル電圧Vfが所定値V3以上であれば、セル電圧の判定結果がOKとして、負荷装置を接続するために、図2のS22へ分岐する。S80の判定で、セル電圧Vfが所定値V3未満であれば、セル電圧の判定結果がNOとして、図2のS14セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。
Next, in S72, the
S72の判定で、凍結が生じていると判定されたとき(判定がYes)、S82へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も早く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をVfとする。次いで、S84でセル電圧Vfが所定値Va以上か否かを判定する。S84の判定で、セル電圧Vfが所定値Va以上であれば、セル電圧の判定結果がOKとして、負荷装置を接続するために、図2のS22へ分岐する。S84の判定で、セル電圧Vfが所定値Va未満であれば、S86へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も遅く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をVsとする。次いで、S88でセル電圧Vsが所定値Vb(Vb<Va)以上か否かを判定する。S88の判定で、セル電圧Vsが所定値Vb以上であれば、セル電圧の判定結果がOKとして、負荷装置を接続するために、図2のS22へ分岐する。S88の判定で、セル電圧Vfが所定値Vb未満であれば、セル電圧の判定結果がNOとして、図2のS14セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。 When it is determined in S72 that freezing has occurred (Yes in determination), the process proceeds to S82, and the cell voltage of the cell whose voltage rises the earliest is selected from the already received cell voltage data. Vf. Next, in S84, it is determined whether or not the cell voltage Vf is greater than or equal to a predetermined value Va. If it is determined in S84 that the cell voltage Vf is equal to or higher than the predetermined value Va, the determination result of the cell voltage is OK, and the process branches to S22 in FIG. 2 to connect the load device. If it is determined in S84 that the cell voltage Vf is less than the predetermined value Va, the process proceeds to S86, and the cell voltage of the cell whose voltage rises the latest is selected from the already received cell voltage data, and this cell voltage is set to Vs. Next, in S88, it is determined whether or not the cell voltage Vs is equal to or higher than a predetermined value Vb (Vb <Va). If it is determined in S88 that the cell voltage Vs is equal to or higher than the predetermined value Vb, the determination result of the cell voltage is OK, and the process branches to S22 in FIG. 2 to connect the load device. If the cell voltage Vf is less than the predetermined value Vb in the determination of S88, the determination result of the cell voltage is NO, and the process branches to the S14 cell voltage measurement of FIG. 2, and the cell voltage monitoring is continued.
尚、所定値V2,V3,Va,Vbは、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックに負荷を接続しても燃料電池スタックの劣化を促進しない電圧値であり、実験的に決定する。 The predetermined values V2, V3, Va, and Vb are voltage values that do not promote deterioration of the fuel cell stack even when a load is connected to the fuel cell stack when the fuel cell system is started, and are determined experimentally.
以上説明した実施例3によれば、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となる前である燃料電池において、燃料電池スタックの凍結の有無に関わらず、いずれのセルでも電圧が反転することなく、全てのセルの電圧が劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出すことが可能となり、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。 According to the third embodiment described above, in the fuel cell in which the start of the rising voltage of the cell in which the voltage rises the latest is before the voltage of the cell in which the voltage rises the fastest becomes constant, whether or not the fuel cell stack is frozen Regardless, the voltage is not reversed in any cell, and it becomes possible to take out the load before the voltage of all the cells reaches a value at which the deterioration becomes severe, thereby suppressing the deterioration of the fuel cell and improving the fuel consumption. Can do.
以上の実施例2、3は、言うまでもなく、同一の燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転環境に応じて適用することが可能なものである。したがって、実施例2,3により、燃料電池の凍結可能性によらずに燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図る燃料電池システムを構成することができる。 Needless to say, the above-described Examples 2 and 3 can be applied in the same fuel cell system according to the operating environment of the fuel cell. Therefore, according to the second and third embodiments, it is possible to configure a fuel cell system that suppresses deterioration of the fuel cell and improves fuel efficiency regardless of the possibility of freezing the fuel cell.
次に、本発明の実施例4を説明する。実施例4は、燃料電池システムの起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する実施例であり、実施例2または実施例3と組み合わされる。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. Example 4 is an example in which a cell whose voltage rises earliest and a cell whose voltage rises latest is predicted when the fuel cell system is started up, and is combined with Example 2 or Example 3.
実施例4の燃料電池システムの構成は、図5に示した実施例2の構成と同様である。実施例4では、燃料電池スタックの起動時の制御において、燃料電池スタックの反応ガスの導入方向と余剰反応ガスの排出方向がセルの積層方向に対して同一方向である場合に、反応ガスの流量分布を考慮して、反応ガス導入側端のセルを燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセル、かつ反応ガス導入側他端のセルを燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセルとみなすようにする。 The configuration of the fuel cell system of Example 4 is the same as that of Example 2 shown in FIG. In Example 4, in the control at the time of starting the fuel cell stack, when the introduction direction of the reaction gas in the fuel cell stack and the discharge direction of the surplus reaction gas are the same as the stacking direction of the cells, the flow rate of the reaction gas Considering the distribution, the cell at the reaction gas introduction side end is regarded as the cell whose voltage rises earliest when the fuel cell is started, and the cell at the other end of the reaction gas introduction side is regarded as the cell whose voltage rises the latest when the fuel cell starts. To.
また、反応ガスの導入方向と余剰反応ガスの排出方向がセルの積層方向に対して反対方向である場合に、反応ガス導入側端のセルを燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセル、かつ反応ガス導入側他端のセルを燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルとみなすようにする。 Further, when the reaction gas introduction direction and the surplus reaction gas discharge direction are opposite to the cell stacking direction, the cell at the reaction gas introduction side end is the cell whose voltage rises the latest at the start of the fuel cell, and The cell at the other end on the reaction gas introduction side is regarded as a cell whose voltage rises earliest when the fuel cell is started.
本実施例によれば、計測装置等を付加することなしに、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの同定が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。 According to the present embodiment, it is possible to identify the cell whose voltage rises earliest or the cell whose voltage rises latest at the start of the fuel cell without adding a measuring device or the like, and the voltage of the fuel cell deteriorates the fuel cell. It is possible to take out the load before the value reaches a value where it becomes violent, thereby suppressing deterioration of the fuel cell and improving fuel consumption.
次に、本発明の実施例5を説明する。実施例5は、燃料電池システムの起動時に、最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測する実施例であり、実施例2または実施例3と組み合わされる。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The fifth embodiment is an embodiment that predicts the cell in which the voltage rises the earliest and the cell in which the voltage rises the latest when the fuel cell system is started up, and is combined with the second or third embodiment.
実施例5の燃料電池システムの構成は、図5に示した実施例2の構成と同様である。実施例5では、図10のような所定値(IH)よりも大きな電流で燃料電池を運転することがあった際に、各セルの電圧を測定し拡散分極を推算する。高電流側の電流増加に対する電圧の低下量が大きい領域では、電圧の損失は主に拡散分極によって引き起こされるため、その領域での電圧から拡散分極の推算が可能である。拡散分極が大きいセルでは、反応ガスの導入が阻害され起動時の電圧の立ち上がりは遅くなるため、この遅れを組み込んだ推算式により、次回の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する。以上の拡散分極および電圧立ち上がりタイミングの推算においては、理論式を事前の実験結果によって補正した予測式を使用するのが精度上望ましい。 The configuration of the fuel cell system of Example 5 is the same as that of Example 2 shown in FIG. In Example 5, when the fuel cell is operated with a current larger than a predetermined value (IH) as shown in FIG. 10, the voltage of each cell is measured to estimate the diffusion polarization. In a region where the amount of decrease in voltage with respect to the increase in current on the high current side is large, voltage loss is mainly caused by diffusion polarization, so that diffusion polarization can be estimated from the voltage in that region. In cells with large diffusion polarization, the reaction gas introduction is hindered and the rise of the voltage at startup is delayed, so the cell that rises the earliest at the next startup and the voltage rises the slowest by the estimation formula incorporating this delay Predict cells. In the above estimation of diffusion polarization and voltage rise timing, it is desirable in terms of accuracy to use a prediction formula obtained by correcting a theoretical formula based on a prior experimental result.
さらに、図10の所定値(IL)よりも小さな電流で燃料電池を運転することがあった際に、各セルの電圧を測定し、活性化分極を推算する。低電流側の電流増加に対する電圧の低下量が大きい領域では、電圧の損失は主に活性化分極によって引き起こされるため、その領域での電圧から活性化分極の推算が可能である。活性化分極が大きいセルでは、電流が小さい起動時の電圧上昇が少なくなるので、電圧の立ち上がりが遅いセルとして扱うことが可能である。 Furthermore, when the fuel cell is operated with a current smaller than the predetermined value (IL) in FIG. 10, the voltage of each cell is measured, and the activation polarization is estimated. In the region where the amount of voltage decrease with respect to the current increase on the low current side is large, the voltage loss is mainly caused by the activation polarization. Therefore, the activation polarization can be estimated from the voltage in that region. A cell having a large activation polarization can be handled as a cell having a slow voltage rise because the voltage rise at the start-up with a small current is small.
以上説明した実施例5によれば、燃料電池の劣化や運転履歴の差異による燃料電池起動時のセルの電圧立ち上がりの変化の影響を少なくして、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。 According to the fifth embodiment described above, the influence of the change in the voltage rise of the cell at the start of the fuel cell due to the deterioration of the fuel cell or the difference in the operation history is reduced, The cell in which the voltage rises the latest can be predicted, and the load is taken out before the voltage of the fuel cell reaches a value at which the deterioration of the fuel cell becomes severe, thereby suppressing the deterioration of the fuel cell and improving the fuel consumption.
次に、本発明の実施例6を説明する。実施例6は、燃料電池システムの起動時に、最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測する実施例であり、実施例2または実施例3と組み合わされる。 Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. Example 6 is an example of predicting the cell in which the voltage rises earliest and the cell in which the voltage rises latest when the fuel cell system starts up, and is combined with Example 2 or Example 3.
実施例6の燃料電池システムの構成は、図5に示した実施例2の構成と同様である。実施例6では、発電停止後の燃料電池スタック内の温度を測定し続ける。温度の低いセルでは、電極部分に液水が残留しやすいので、次回の起動の際に反応ガスの導入が阻害され、電圧の立ち上がりが遅れる。この遅れを組み込んだ推算式により、次回の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する。 The configuration of the fuel cell system of Example 6 is the same as that of Example 2 shown in FIG. In Example 6, the temperature in the fuel cell stack after power generation is stopped is continuously measured. In a cell having a low temperature, liquid water tends to remain in the electrode portion, so that the introduction of the reaction gas is hindered at the next start-up, and the rise of the voltage is delayed. The estimation formula incorporating this delay predicts the cell in which the voltage rises earliest and the cell in which the voltage rises latest at the next start-up.
実施例6によれば、燃料電池の劣化や運転履歴の差異による燃料電池起動時のセルの電圧立ち上がりの変化の影響を少なくして、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。 According to the sixth embodiment, the influence of the change in the cell voltage rise at the start of the fuel cell due to the deterioration of the fuel cell or the difference in the operation history is reduced, and the cell that rises the earliest at the start of the fuel cell or the latest voltage It is possible to predict the cell at which the fuel cell rises, and to take out the load before the voltage of the fuel cell reaches a value at which the deterioration of the fuel cell becomes severe, thereby suppressing the deterioration of the fuel cell and improving the fuel consumption.
次に、本発明の実施例7について説明する。実施例7は、燃料電池システムの起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測する実施例であり、実施例2または実施例3と組み合わされる。 Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. The seventh embodiment is an embodiment that predicts the cell in which the voltage rises earliest and the cell in which the voltage rises the latest when the fuel cell system starts up, and is combined with the second or third embodiment.
図11は、本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例7を適用した燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図11に示した実施例7の構成は、図5の実施例2の構成に加えて、燃料電池スタック1の各セルの抵抗を測定するセル抵抗測定装置7、セル抵抗測定装置7をバス4に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ17を備えている。セル抵抗の測定は、微弱な交流電流をセルに印加する機構を電圧モニタ装置2に付加することで実現可能なので、電圧モニタ装置2とセル抵抗測定装置7は一体とし、さらに通信コントローラ12、17も一体とすることができる。
FIG. 11 is a configuration diagram illustrating a configuration of a fuel cell system to which a seventh embodiment of the control device for a fuel cell according to the present invention is applied. The configuration of the seventh embodiment shown in FIG. 11 is in addition to the configuration of the second embodiment of FIG. 5, the cell resistance measuring device 7 that measures the resistance of each cell of the fuel cell stack 1, and the cell resistance measuring device 7 is connected to the bus 4. And a
実施例7では、燃料電池スタック1の発電停止後に、セル抵抗測定装置7によりセル抵抗を測定し続ける。抵抗が大きいセルは、電解質膜が乾燥しており、膜内の物質移動に影響する膜内水分量の増加に時間を要するため、次回の起動時に電圧の立ち上がりが遅くなる。この遅れを組み込んだ推算式により、次回の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する。 In Example 7, after the power generation of the fuel cell stack 1 is stopped, the cell resistance is continuously measured by the cell resistance measuring device 7. In a cell with high resistance, the electrolyte membrane is dry, and it takes time to increase the amount of moisture in the membrane that affects the mass transfer in the membrane, so that the voltage rise is delayed at the next startup. The estimation formula incorporating this delay predicts the cell in which the voltage rises earliest and the cell in which the voltage rises latest at the next start-up.
以上説明した実施例7によれば、燃料電池の劣化や運転履歴の差異による燃料電池起動時のセルの電圧立ち上がりの変化の影響を少なくして、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。 According to the seventh embodiment described above, the influence of the change in the voltage rise of the cell at the start of the fuel cell due to the deterioration of the fuel cell or the difference in the operation history is reduced, and the cell where the voltage rises earliest at the start of the fuel cell The cell in which the voltage rises the latest can be predicted, and the load is taken out before the voltage of the fuel cell reaches a value at which the deterioration of the fuel cell becomes severe, thereby suppressing the deterioration of the fuel cell and improving the fuel consumption.
以上の実施例4〜7は、同一の燃料電池システムにおいて、任意に組み合わせて適用することが可能なものであり、それにより起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測精度を向上させることができる。 The above Examples 4 to 7 can be applied in any combination in the same fuel cell system, and as a result, the prediction accuracy of the cell in which the voltage rises earliest at the start and the cell in which the voltage rises latest is the highest. Can be improved.
1:燃料電池スタック
2:電圧モニタ装置
3:システム制御装置
4:バス
5:外気温センサ
6:温度モニタ装置
7:セル抵抗測定装置
12,13,14,15,16,17:通信コントローラ
1: Fuel cell stack 2: Voltage monitoring device 3: System control device 4: Bus 5: Outside air temperature sensor 6: Temperature monitoring device 7: Cell
Claims (9)
発電停止後のセルの温度に基づいて、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測することを特徴とする請求項2乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池の制御装置。 Temperature measuring means for measuring the temperature of the fuel cell,
6. The cell according to any one of claims 2 to 5, wherein a cell whose voltage rises earliest and a cell whose voltage rises latest when the fuel cell starts is predicted based on the temperature of the cell after power generation is stopped. The fuel cell control device described in 1.
発電停止後のセルの抵抗に基づいて、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測することを特徴とする請求項2乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池の制御装置。 Cell resistance measuring means for measuring the resistance of the cell of the fuel cell;
6. The cell according to any one of claims 2 to 5, wherein the cell whose voltage rises earliest and the cell whose voltage rises latest is predicted when the fuel cell is started based on the resistance of the cell after power generation is stopped. The fuel cell control device described in 1.
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JP2009205997A (en) * | 2008-02-28 | 2009-09-10 | Toto Ltd | Solid oxide fuel cell system |
CN102280650A (en) * | 2010-03-08 | 2011-12-14 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | Method for collection and communication of measured data within a fuel cell stack |
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JP2009205997A (en) * | 2008-02-28 | 2009-09-10 | Toto Ltd | Solid oxide fuel cell system |
CN102280650A (en) * | 2010-03-08 | 2011-12-14 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | Method for collection and communication of measured data within a fuel cell stack |
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