JP2007288850A - Fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アイドル停止機能を備えた燃料電池車両に関する。 The present invention relates to a fuel cell vehicle having an idle stop function.
ガソリンや軽油などを燃料とする自動車では、二酸化炭素など地球温暖化の原因となる物質や大気汚染物質の排出を削減するため、また騒音やエネルギーの無駄使いを防止するために、停車中にエンジンを停止させるというアイドル停止(アイドリングストップ)を行うことが推奨されている。そこで、燃料電池自動車においても、アイドル停止機能を備えた技術が種々提案されており、例えば、燃料電池に対する発電要求量が所定値以下となったときにアイドル停止を実行する技術が提案されている。しかし、アイドル停止からの復帰を考慮すると、必ずしもアイドル停止を実行しない方が好ましい場合もある。このため、発電要求量が所定値以下であってもアイドル停止を禁止する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の燃料電池車両では、アイドル停止の禁止が実行される直前にアイドル停止に移行する場合があり、このような場合にはアイドル停止復帰時の発電安定性が損なわれるという問題があった。 However, in the conventional fuel cell vehicle, there is a case in which the shift to the idle stop is performed immediately before the prohibition of the idle stop is executed. In such a case, there is a problem that the power generation stability at the time of the idle stop return is impaired. .
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、アイドル停止の禁止判断を高精度に実行することができる燃料電池車両を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell vehicle capable of executing an idle stop prohibition determination with high accuracy.
請求項1に係る発明は、膜電極接合体を挟んで燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、前記燃料電池の発電要求量が所定値以下のときに前記燃料電池の発電を停止させる低負荷停止手段と、前記燃料ガス流通路内の不純物量を推定する不純物量推定手段と、前記燃料ガス流通路内の不純物を排出させる不純物排出手段と、前記燃料ガス流通路内の不純物量が前記燃料電池の発電性能を低下させる所定値以上であるときに前記低負荷停止手段による低負荷停止を禁止する低負荷停止禁止手段と、を備えることを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell in which fuel gas and oxidant gas are supplied across a membrane electrode assembly to generate power, a fuel gas flow passage through which the fuel gas flows, and the oxidant gas. An oxidant gas flow path that circulates, a low-load stop means that stops power generation of the fuel cell when the required power generation amount of the fuel cell is a predetermined value or less, and an impurity that estimates the amount of impurities in the fuel gas flow path The low load when the amount estimating means, the impurity discharging means for discharging impurities in the fuel gas flow passage, and the amount of impurities in the fuel gas flow passage are equal to or greater than a predetermined value for reducing the power generation performance of the fuel cell. Low-load stop prohibiting means for prohibiting a low-load stop by the stop means.
請求項1に係る発明によれば、燃料ガス流通路に存在する不純物量に応じて低負荷停止(アイドル停止)の禁止を判断しているので、低負荷停止前に不純物を確実に排出することが可能になり、低負荷停止からの復帰時の発電安定性を向上できる。 According to the first aspect of the present invention, since prohibition of low load stop (idle stop) is determined according to the amount of impurities present in the fuel gas flow passage, impurities can be reliably discharged before low load stop. This makes it possible to improve power generation stability when returning from a low load stop.
請求項2に係る発明は、前記不純物量推定手段は、前記酸化剤ガス流通路内の窒素分圧と前記燃料ガス流通路内の窒素分圧との分圧差と、前記膜電極接合体の含水量と温度との関係から得られる窒素透過係数と、に基づいて、前記燃料ガス流通路内の窒素量を推定することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the impurity amount estimating means includes a partial pressure difference between the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flow passage and the nitrogen partial pressure in the fuel gas flow passage, and the inclusion of the membrane electrode assembly. The nitrogen amount in the fuel gas flow passage is estimated based on a nitrogen permeation coefficient obtained from the relationship between the amount of water and temperature.
請求項2に係る発明によれば、燃料ガス流通路内の不純物としての窒素量を高精度に検知することができる。 According to the invention of claim 2, the amount of nitrogen as an impurity in the fuel gas flow passage can be detected with high accuracy.
請求項3に係る発明は、前記不純物量推定手段は、前記不純物排出手段により前記燃料ガス流通路内の窒素が排出されたときに、前記燃料ガス流通路内の窒素量から前記不純物排出手段による窒素排出量を除くことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the impurity amount estimating means uses the impurity discharge means based on the nitrogen amount in the fuel gas flow passage when the nitrogen in the fuel gas flow passage is discharged by the impurity discharge means. It is characterized by excluding nitrogen emissions.
請求項3に係る発明によれば、燃料ガス流通路からの窒素排出量を考慮することで、燃料ガス流通路内の不純物としての窒素量をより高精度に検出することができる。 According to the third aspect of the invention, the amount of nitrogen as an impurity in the fuel gas flow passage can be detected with higher accuracy by considering the amount of nitrogen discharged from the fuel gas flow passage.
請求項4に係る発明は、前記不純物量推定手段は、前記燃料電池から取り出される電流値に基づいて前記燃料ガス流通路内の水分量を推定することを特徴とする。 The invention according to claim 4 is characterized in that the impurity amount estimating means estimates a moisture amount in the fuel gas flow passage based on a current value taken out from the fuel cell.
請求項4に係る発明によれば、燃料電池から電流が取り出されることで水が生成されるが、この水分量を考慮することにより、燃料ガス流通路内の不純物としての水分量を高精度に検知することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, water is generated by taking out current from the fuel cell. By taking this moisture amount into consideration, the moisture amount as an impurity in the fuel gas flow passage can be accurately determined. Can be detected.
本発明の燃料電池システムによれば、アイドリングストップの禁止判定を高精度に実行することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the idling stop prohibition determination can be executed with high accuracy.
図1は本実施形態の燃料電池車両に搭載される燃料電池システムを示す全体構成図、図2はアイドル停止禁止判断をするメインフローチャート、図3は窒素透過量を算出するためのサブフローチャート、図4はアノードの窒素分圧と経過時間との関係を示すグラフ、図5は窒素排出量を算出するためのサブフローチャート、図6(a)はMEAの温度と窒素透過係数との関係を示すマップ、(b)はガス温度とMEAの含水量との関係を示すマップ、(c)はアノード圧力と窒素排出量との関係を示すマップ、図7は水分量を算出するためのサブフローチャート、図8(a)はディスチャージ電流と水生成量との関係を示すマップ、(b)は発電電流と水排出量との関係を示すマップ、図9はアイドル停止禁止判断を示すサブフローチャートであり、(a)は窒素排出量に基づく場合、(b)は水分量に基づく場合である。 FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle according to the present embodiment, FIG. 2 is a main flowchart for determining whether to stop idling, FIG. 3 is a sub-flowchart for calculating a nitrogen permeation amount, and FIG. 4 is a graph showing the relationship between the nitrogen partial pressure of the anode and the elapsed time, FIG. 5 is a sub-flowchart for calculating the nitrogen discharge amount, and FIG. 6A is a map showing the relationship between the temperature of the MEA and the nitrogen permeability coefficient. , (B) is a map showing the relationship between the gas temperature and the water content of the MEA, (c) is a map showing the relationship between the anode pressure and the nitrogen discharge amount, and FIG. 7 is a sub-flowchart for calculating the water content. 8 (a) is a map showing the relationship between the discharge current and the water generation amount, (b) is a map showing the relationship between the generated current and the water discharge amount, and FIG. 9 is a sub-flowchart showing the idling stop prohibition determination. Yes, (a) shows the case which is based on nitrogen emissions, a case based on (b) the water content.
図1に示すように、本実施形態の燃料電池車両Vは、燃料電池10、アノード系20、カソード系30、冷却系40、高電圧系50、制御部60などを含んで構成された燃料電池システム1を備えている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell vehicle V of the present embodiment includes a fuel cell 10, an
前記燃料電池10は、固体高分子電解質膜(以下、電解質膜と略記する)11の一面側に触媒を含むアノード(水素極)12、他面側に触媒を含むカソード(空気極)13が設けられた膜電極接合体(以下、MEA(Membrane Electrode Assembly)と略記する)と、このMEAの両面に設けられた一対の導電性のセパレータ14,15とから構成される単セルを有している。この単セルが厚み方向に複数枚積層されて燃料電池(燃料電池スタックともいう)10が構成されている。また、アノード12に対向するセパレータ14には、燃料ガスとしての水素が流通するアノード流路14aが形成され、カソード13に対向するセパレータ15には、酸化剤ガスとしての空気(酸素)が流通するカソード流路15aが形成されている。さらに、燃料電池10には、燃料電池10を冷却するための冷媒が流れる冷却流路16aが前記水素や空気と混じり合わないように形成されている。
The fuel cell 10 is provided with an anode (hydrogen electrode) 12 containing a catalyst on one side of a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter abbreviated as electrolyte membrane) 11 and a cathode (air electrode) 13 containing a catalyst on the other side. And a single cell composed of a pair of
前記アノード系20は、燃料電池10のアノード12に対して水素を供給および排出するものであり、水素供給配管21a、水素排出配管21b、水素循環配管21c、ドレイン配管21d、高圧水素タンク22、遮断弁23、エゼクタ24、パージ弁25、気水分離器26、ドレイン弁27、圧力センサ28、温度センサ29などを備えている。
The
前記水素供給配管21aは、一端が高圧水素タンク22に接続され、他端が遮断弁23およびエゼクタ24を介して燃料電池10のアノード流路14aの入口に接続されている。水素排出配管21bは、一端が燃料電池10のアノード流路14aの出口に接続され、他端がパージ弁25に接続されている。水素循環配管21cは、一端が後記する気水分離器26に接続され、他端がエゼクタ24に接続されている。ドレイン配管21dは、一端が気水分離器26に接続され、他端がドレイン弁27に接続されている。
One end of the
前記高圧水素タンク22は、高純度の水素が非常に高い圧力で充填された容器である。
The high-
前記遮断弁23は、高圧水素タンク22の近傍に設けられ、開弁することにより燃料電池10のアノード12に水素が供給されるようになっている。
The shut-off
前記エゼクタ24は、高圧水素タンク22から燃料電池10に供給される水素の流れを利用して、燃料電池10から排出された未反応の水素を、水素循環配管21cを介して吸引して循環させることができるものである。
The
前記パージ弁25は、遮断弁であり、これを閉じることにより高圧水素タンク22から供給された水素が循環し、開くことにより不純物(窒素や水)を排出できるようになっている。
The
前記気水分離器26は、燃料電池10から排出された水素と生成水を分離する機能を有するタンクである。
The
前記ドレイン弁27は、遮断弁であり、気水分離器26の下流に設けられ、これを開くことにより、気水分離器26に溜まった生成水を車外に排出するようになっている。
The
なお、前記アノード流路14a、水素供給配管21a、水素排出配管21b、水素循環配管21cおよびドレイン配管21dにより本発明の燃料ガス流通路が構成されている。
The anode
前記圧力センサ28は、水素供給配管21aの燃料電池10の入口近傍に設けられ、アノード12(An)側の圧力を検知して、この圧力に基づいて窒素分圧を求めるものである。
The
前記温度センサ29は、水素排出配管21bの燃料電池10の出口近傍に設けられ、アノードオフガスの温度を検知するものである。この温度が後記するMEAの温度やガス温度として利用される。
The
なお、図示していないが、水素供給配管21aには、高圧水素タンク22から放出される高圧の水素の圧力を減圧するためのレギュレータ(減圧弁)などが設けられている。
Although not shown, the
前記カソード系30は、燃料電池10のカソード13に対して空気を供給および排出するものであり、空気供給配管31a、空気排出配管31b、エアコンプレッサ32、背圧弁33、圧力センサ34、温度センサ35などを備えている。
The
前記空気供給配管31aは、空気が流通する流路であり、その一端がエアコンプレッサ32に接続され、他端が燃料電池10のカソード流路15aの入口に接続されている。空気排出配管31bは、その一端が燃料電池10のカソード流路15aの出口に接続され、他端が背圧弁33に接続されている。なお、背圧弁33の下流に設けられた配管は、車外(大気中)に連通している。
The
前記エアコンプレッサ32は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の大気中の空気を取り込んで圧縮し、圧縮空気を燃料電池10のカソード13に供給するようになっている。
The
前記背圧弁33は、バタフライ弁などの開度調整可能な弁であり、燃料電池10のカソード13の圧力を調整できるようになっている。
The
なお、前記カソード流路15a、空気供給配管31aおよび空気排出配管31bにより本発明の酸化剤ガス流通路が構成されている。
The
前記圧力センサ34は、空気供給配管31aの燃料電池10の入口近傍に設けられ、空気(エア)の圧力を検知するものである。
The
前記温度センサ35は、空気排出配管31bの燃料電池10の出口近傍に設けられ、カソードオフガスの温度を検知するものである。この温度が、後記するMEAの温度やガス温度として利用される。
The
なお、図示していないが、空気供給配管31aには、空気を燃料電池10での反応に適した湿度に加湿するための加湿器(図示せず)などが設けられている。
Although not shown, the
前記冷却系40は、冷却配管41,42、ラジエータ43、バイパス配管44、循環ポンプ45、温度センサ46などで構成されている。
The
前記冷却配管41は、例えばエチレングリコールを主成分とする冷却媒体(ラジエータ液)が流通する流路であり、その一端が燃料電池10の冷却流路16aの出口に接続され、他端がラジエータ43の入口に接続されている。冷却配管42は、同様な流路であり、その一端がラジエータ43の出口に接続され、他端が燃料電池10の冷却流路16aの入口に接続されている。
The cooling
前記ラジエータ43は、フィンなどを備えた配管からなり、燃料電池10で暖められた冷却媒体を放熱させる機能を有している。
The
前記バイパス配管44は、燃料電池10から排出された冷却媒体を、ラジエータ43をバイパスさせて流通させる流路である。
The
前記循環ポンプ45は、冷却配管42に設けられ、モータの動力によって燃料電池10とラジエータ43との間で冷却媒体を循環させるようになっている。
The
前記温度センサ46は、冷却配管41の燃料電池10の近傍に設けられ、燃料電池10から排出される冷却媒体の温度を検知するようになっている。この温度が後記するMEAの温度として利用される。
The
前記高電圧系50は、電圧制御器(VCU)51、蓄電装置52、走行モータ53、ディスチャージ抵抗54、電流計55、電圧計56などで構成されている。
The
前記電圧制御器51は、DC/DCコンバータなどを備え、制御部60から出力される電圧(電流)指令値つまり燃料電池10に対する発電指令に基づいて、燃料電池10から出力される電圧(電流)を制御する。
The
前記蓄電装置52は、バッテリまたはキャパシタなどで構成され、燃料電池10で発電された電気を蓄積しておくものである。例えば、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池などであり、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどである。 The power storage device 52 includes a battery or a capacitor, and stores electricity generated by the fuel cell 10. For example, the battery is a lead storage battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, a nickel hydride storage battery, or the like, and the capacitor is an electric double layer capacitor or an electrolytic capacitor.
前記走行モータ53は、例えば永久磁石式の3相交流同期モータであり、燃料電池10および/または蓄電装置52から供給される電力により燃料電池車両Vに設けられた駆動輪を回転駆動させる。
The
前記ディスチャージ抵抗54は、燃料電池10が高電位状態に曝されて、燃料電池10が劣化するのを防止するためのものであり、適宜、燃料電池10と接続して放電させるようになっている。ちなみに、燃料電池10が高電位状態となるのは、燃料電池10から負荷(エアコンプレッサ32、走行モータ53など)を引かない状態でアノード12の水素とカソード13の空気中の酸素とが触媒上で反応するからである。
The
前記電流計55は、発電時や放電時に燃料電池10から取り出される電流値を検知するものである。 The ammeter 55 detects a current value taken from the fuel cell 10 during power generation or discharge.
前記電圧計56は、燃料電池10の電圧値(例えば、開回路電圧)を検知するものである。開回路電圧とは、燃料電池10から負荷を引いていないときの電圧である。
The
前記制御部60は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、低負荷停止手段、不純物量推定手段および低負荷停止禁止手段を備えている。また、制御部60は、遮断弁23、パージ弁25、ドレイン弁27、エアコンプレッサ32、背圧弁33と電気的に接続され、遮断弁23、パージ弁25およびドレイン弁27の開閉動作、エアコンプレッサ32のモータ回転速度、および背圧弁33の開度を制御できるようになっている。また、制御部60は、圧力センサ28,34、および温度センサ29,35,46と接続され、圧力情報および温度情報を取得する。また、制御部60は、電圧制御器51と接続され、この電圧制御器51に対して燃料電池10から取り出す電流指令値を送信する。
The
なお、低負荷停止とは、いわゆるアイドル停止であり、燃料電池10の発電要求量が所定値以下となったときに発電を停止することである。この発電要求量が所定値以下となる条件としては、例えば、ブレーキペダルが踏まれて、燃料電池車両Vが停止(車速が0km/h)し、アクセルがOFFになって、エアコンプレッサ32への電力供給を停止したとき、あるいはエアコンプレッサ32への電力供給を停止し且つ遮断弁23を閉じたときである。なお、その他必要な補機類などへの電力は蓄電装置52から供給される。
Note that the low load stop is a so-called idle stop, which is to stop power generation when the power generation request amount of the fuel cell 10 becomes a predetermined value or less. As a condition for the required power generation amount to be a predetermined value or less, for example, the brake pedal is depressed, the fuel cell vehicle V is stopped (vehicle speed is 0 km / h), the accelerator is turned off, and the
次に、本実施形態の燃料電池車両Vの動作について図2ないし図9を参照(適宜、図1を参照)しながら説明する。なお、燃料電池車両Vが、イグニッションスイッチ(IGSW)がオフ(OFF)にされて停車しているときには、遮断弁23、パージ弁25およびドレイン弁27が閉じられ、エアコンプレッサ32がオフにされ、背圧弁33が開弁され、循環ポンプ45がオフにされている。
Next, the operation of the fuel cell vehicle V of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 9 (refer to FIG. 1 as appropriate). When the fuel cell vehicle V is stopped with the ignition switch (IGSW) turned off (OFF), the
まず、図2のステップS1において、燃料電池車両Vのイグニッションスイッチ(IGSW)がオン(ON)にされると、制御部60は、遮断弁23を開弁して、高圧水素タンク22から燃料電池10のアノード12に水素を供給し、エアコンプレッサ32を駆動して外気を取り込んで、燃料電池10のカソード13に空気を供給する。これにより、燃料電池10のアノード12では、触媒の作用によって水素が水素イオン(プロトン)と電子に分解されて、水素イオンが電解質膜11を透過してカソード13に移動するとともに、電子が負荷を通ってカソード13に移動し、カソード13では、触媒の作用によって水素イオンおよび電子と空気に含まれる酸素とが反応して水が生成される。
First, in step S1 of FIG. 2, when the ignition switch (IGSW) of the fuel cell vehicle V is turned on, the
そして、ステップS2に進み、制御部60は、燃料ガス流通路への窒素透過量を算出する。この窒素透過量は、図3のサブフローチャートによって求められる。すなわち、ステップS21において、制御部60は、圧力センサ34から圧力情報(エア入口圧)を取得し、このエア入口圧に、空気に含まれる窒素組成比分(約80%)を乗算して、カソード13側の窒素分圧を得る。
And it progresses to step S2 and the
そして、ステップS22に進み、制御部60は、ステップS21で求めたカソード13側の窒素分圧からアノード12側の窒素分圧を減算して分圧差Sを得る。なお、アノード12側の窒素分圧は、カソード13に供給された空気に含まれる窒素が電解質膜11を透過することから、図4に示すように、時間経過(窒素の排出がない場合)とともにアノード12側の窒素分圧がカソード13側の窒素分圧に徐々に近づくようにして上昇し、最終的にはお互いに同圧となる。
In step S22, the
そして、ステップS23に進み、制御部60は、予め実験等で求めた図6(a)に示すマップに基づいて窒素透過係数を算出する。図6(a)に示すように、MEAの温度が低い場合には、窒素透過係数が低くなり、MEAの温度が高い場合には、窒素透過係数が高くなる。なお、MEAの温度は、例えば、アノード12側の温度センサ29から得られる温度TH、カソード13側の温度センサ35から得られる温度TA、冷却側の温度センサ46から得られる温度TCのうち一番高い温度、つまり、より窒素透過係数が大きくなる側の温度が選択される。なお、図6(a)のマップは、MEAの含水量によって、MEAの温度と窒素透過係数との関係が変動するが、このMEAの含水量は、図6(b)のマップに示すように、ガス温度の増加に応じて多くなるようになっている。このときのガス温度は、温度センサ29から得られる温度TH、温度センサ35から得られる温度TAのうちの高い方の温度、つまり窒素透過係数が大きくなる側の温度が選択される。
And it progresses to step S23 and the
そして、ステップS24に進み、ステップS22で算出した分圧差SにMEAの窒素透過係数を乗算することで(初回の場合)、燃料ガス流通路内への窒素透過量を得ることができる。なお、このサブフローを通るのが2回目以降であれば、前回算出した窒素透過量に、今回(現在)の分圧差に窒素透過係数を乗算して得た窒素透過量を加算したものを新たな窒素透過量とする。 Then, the process proceeds to step S24, and the partial pressure difference S calculated in step S22 is multiplied by the nitrogen permeation coefficient of MEA (in the first case), thereby obtaining the nitrogen permeation amount into the fuel gas flow passage. If this sub-flow is passed for the second time or later, a new value is obtained by adding the nitrogen permeation amount obtained by multiplying the nitrogen permeation amount calculated this time (current) by the nitrogen permeation coefficient to the previously calculated nitrogen permeation amount. Nitrogen permeation amount.
窒素透過量算出後、図2のメインフローチャートのステップS2に戻り、制御部60は、窒素排出量を算出する(ステップS3)。この窒素排出量は、図5のサブフローチャートによって求められる。すなわち、ステップS31において、制御部60は、パージ処理が実行されたか否かを判断する。パージ処理とは、パージ弁25を開弁することにより、燃料電池10の発電でカソード13の空気に含まれる窒素やカソード13で生成された水が電解質膜11を介してアノード12に透過し、アノード12の水素濃度が低下して発電性能が低下するのを防止するための処理である。このパージ処理は、例えばパージ弁25を所定時間経過毎に開弁することにより実行される。
After calculating the nitrogen permeation amount, the process returns to step S2 of the main flowchart in FIG. 2, and the
ステップS31において、パージ処理が実行された場合には(Yes)、ステップS32に進み、予め実験等で求めた図6(c)のマップに基づいて窒素排出量を算出する。図6(c)に示すように、圧力センサ28から得られるアノード圧力が低い場合には、窒素排出量が少なくなり、アノード圧力が高い場合には、窒素排出量が多くなる。また、このマップは、アノード12の窒素分圧に応じてアノード圧力と窒素排出量との関係が変動する。なお、ステップS32におけるアノード圧力はゲージ圧、つまり大気圧との相対圧であるので、燃料電池車両Vが走行する標高差に関係なく(標高が高いところで走行しても低いところで走行しても)、常に適切な窒素排出量を算出できるようになっている。
In step S31, when the purge process is executed (Yes), the process proceeds to step S32, and the nitrogen discharge amount is calculated based on the map of FIG. As shown in FIG. 6 (c), when the anode pressure obtained from the
そして、ステップS36に進み、前回算出した窒素排出量に、今回(現在)算出した窒素排出量を加算して新たな窒素排出量とする。 Then, the process proceeds to step S36, where the nitrogen discharge amount calculated this time (current) is added to the previously calculated nitrogen discharge amount to obtain a new nitrogen discharge amount.
また、ステップS31において、パージ処理が実行されなかった場合には(No)、ステップS33に進み、ドレイン処理が実行されたか否かを判断する。ドレイン処理とは、ドレイン弁27を開弁して、気水分離器26に溜まった生成水を排出する処理である。なお、ドレイン弁27は、例えば所定時間経過、または水位センサ(図示せず)の検出値に基づいて開弁することにより、ドレイン処理が実行される。
If the purge process is not executed in step S31 (No), the process proceeds to step S33, and it is determined whether the drain process is executed. The drain process is a process of opening the
ステップS33において、ドレイン処理が実行された場合(Yes)、すなわちパージ処理は実行されずにドレイン処理のみが実行された場合には、前記と同様に図6(c)のマップに基づいて窒素排出量を算出する。また、ステップS33において、ドレイン処理が実行されなかった場合(No)、すなわちパージ処理とドレイン処理のいずれも実行されなかった場合には、燃料ガス流通路から窒素は排出されないので、窒素排出量は0となる。そして、ステップS36において、前回算出した窒素排出量に、今回(現在)算出した窒素排出量を加算して新たな窒素排出量とする。 In step S33, when the drain process is executed (Yes), that is, when only the drain process is executed without executing the purge process, the nitrogen discharge is performed based on the map of FIG. Calculate the amount. In step S33, when the drain process is not executed (No), that is, when neither the purge process nor the drain process is executed, nitrogen is not discharged from the fuel gas flow path, so the nitrogen discharge amount is 0. In step S36, the nitrogen discharge amount calculated this time (current) is added to the nitrogen discharge amount calculated last time to obtain a new nitrogen discharge amount.
窒素排出量算出後、図2のメインフローチャートのステップS3に戻り、制御部60は、水分量を算出する(ステップS4)。この水分量は、図7のサブフローチャートによって求められる。まず、ステップS41において、制御部60は、アイドル停止中であるか否かを判断する。
After calculating the nitrogen discharge amount, the process returns to step S3 in the main flowchart of FIG. 2, and the
ステップS41において、制御部60は、アイドル停止中であると判断した場合には(Yes)、ステップS42に進み、水生成量を求める。アイドル停止中の場合には、アノード12に水素が、カソード13に空気が存在した状態で発電が停止している(負荷を引いていない)ので、燃料電池10内において水素と酸素とがそれぞれ触媒と反応して燃料電池10が高電位状態となる。このような高電位状態が長く続くと、触媒などを劣化させるおそれがあるため、燃料電池10から電流を引く処理が必要となる。そこで、本実施形態の制御部60は、電圧計56から開回路電圧値を検知して、開回路電圧が高過ぎると判断した場合には、燃料電池10とディスチャージ抵抗54とを接続して、燃料電池10から電流(ディスチャージ電流)を取り出す処理を行う。これにより、ディスチャージ抵抗54で放電が行われ、燃料電池10が高電位状態に曝されるのを防止できる。
In step S41, when it is determined that the idling is stopped (Yes), the
このように、燃料電池10とディスチャージ抵抗54とを接続して燃料電池10から電流を取り出すことで、カソード13において水素と空気中の酸素とが反応して水が生成され、この生成水(不純物)が電解質膜11を介して燃料ガス流通路側に透過することになる。この燃料ガス流通路へ透過した生成水の量が、本発明の水分量に相当する。ディスチャージ電流による水の生成量は、予め実験等で求めた図8(a)のマップに基づいて算出され、ディスチャージ電流が大きくなるにつれて、水の生成量が多くなる。
In this way, by connecting the fuel cell 10 and the
なお、燃料電池10が高電位状態になるのを防止する手段としては、ディスチャージ抵抗54を利用することに限定されず、燃料電池10から電流を取り出すことができる手段であれば、例えば燃料電池10から取り出した電流を蓄電装置52に蓄電するようにしてもよい。
The means for preventing the fuel cell 10 from entering a high potential state is not limited to the use of the
そして、水生成量算出後、ステップS48に進み、ステップS42で算出された水生成量を燃料ガス流通路内の水分量として得る(初回の場合)。なお、ステップS42を通る処理では、パージ処理およびドレイン処理は実行されないので水排出量は0となる。また、図7のサブフローを通るのが2回目以降であれば、前回算出された水分量に、今回算出した水生成量を加算して新たな水分量とする。 Then, after the water generation amount is calculated, the process proceeds to step S48, and the water generation amount calculated in step S42 is obtained as the water amount in the fuel gas flow passage (first time). In the process passing through step S42, the purge process and the drain process are not executed, so the water discharge amount becomes zero. In addition, if the subflow of FIG. 7 is passed for the second time or later, the water generation amount calculated this time is added to the water amount calculated last time to obtain a new water amount.
また、ステップS41において、制御部60は、アイドル停止中ではないと判断した場合(No)、すなわち通常発電が行われて電圧制御器51の制御によって燃料電池10から発電電流が取り出されている場合には、ステップS43に進み、予め実験等で求めた図8(b)のマップに基づいて、燃料ガス流通路内の水生成量が算出される。つまり、図8(b)に示すように、発電電流が大きくなるにつれて水生成量が多くなる。なお、燃料電池FCから発電電流を取り出したときにカソード13で生成された水は、電解質膜11を介してアノード12に透過する。このアノード12に透過した水の量が、本発明の水分量に相当する。
Further, in step S41, when the
そして、ステップS44に進み、制御部60は、パージ処理が実行されたか否かを判断する。ステップS44でパージ処理が実行された場合には(Yes)、生成水がパージ弁25を通って排出されるので、生成水の排出量(水排出量)が計算される(ステップS45)。なお、このときの水排出量は、燃料ガス流通路内の流速によって大きな影響を受けるので、パージ処理を実行した場合には、流速に応じて水排出量を補正する。また、ステップS44において、パージ処理が実行されなかった場合には(No)、水排出量を求めずにステップS46に進む。
In step S44, the
そして、ステップS46では、ドレイン処理が実行されたか否かを判断する。ステップS46でドレイン処理が実行された場合には(Yes)、生成水がドレイン弁27を通って排出されるので、生成水の排出量(水排出量)が計算される。なお、この場合も、パージ処理と同様に、水排出量を燃料ガス流通路内の流速に応じて補正する。また、ステップS46において、ドレイン処理が実行されなかった場合には(No)、水排出量を求めずにステップS48に進む。
In step S46, it is determined whether drain processing has been executed. When the drain process is executed in step S46 (Yes), the generated water is discharged through the
ステップS48では、ステップS43から得られた水生成量から、パージ処理やドレイン処理が実行されたときに算出された水排出量を減算して、これを燃料ガス流通路へ透過した水分量とする。このように水生成量と水排出量とから算出された今回の水分量に、前回算出した水分量を加算して、新たな水分量とする。 In step S48, the water discharge amount calculated when the purge process or the drain process is performed is subtracted from the water generation amount obtained from step S43, and this is used as the water amount permeated to the fuel gas flow passage. . In this way, the water amount calculated last time is added to the current water amount calculated from the water generation amount and the water discharge amount to obtain a new water amount.
水分量算出後、図2のメインフローチャートに戻ってステップS5に進み、アイドル停止を禁止するか否かを判断する。このアイドル停止禁止判断については、図9(a)および(b)のサブフローチャートに基づいて判断する。図9(a)は、燃料ガス流通路内の窒素量に基づいてアイドル停止禁止判断を行うものであり、図9(b)は、燃料ガス流通路内の水分量に基づいてアイドル停止禁止判断を行うものである。なお、図9(a)および(b)に示すサブフローが、それぞれ本発明における低負荷停止禁止手段に相当する。 After calculating the water content, the process returns to the main flowchart of FIG. 2 and proceeds to step S5, where it is determined whether or not to stop idling. This idle stop prohibition determination is made based on the sub-flow charts of FIGS. 9 (a) and 9 (b). FIG. 9A shows an idle stop prohibition determination based on the amount of nitrogen in the fuel gas flow passage, and FIG. 9B shows an idle stop prohibition determination based on the amount of water in the fuel gas flow passage. Is to do. Note that the subflows shown in FIGS. 9A and 9B correspond to the low load stop prohibiting means in the present invention, respectively.
図9(a)に示すように、ステップS51において、図3のサブフローで求めた酸化剤ガス流通路から燃料ガス流通路への窒素透過量(積算値)から、図4のサブフローで求めた窒素排出量(積算値)を減算して、燃料ガス流通路内の窒素量を得る。そして、ステップS52に進み、窒素量が所定値Hn以上であるか否かを判断し、窒素量が所定値Hn以上である場合(Yes)、つまり燃料ガス流通路内に窒素が過剰に残留している場合には、ステップS53に進み、アイドル停止を禁止する。なお、この所定値Hnが、本発明の、燃料電池10の発電性能を低下させる所定値に相当する。 As shown in FIG. 9A, in step S51, the nitrogen determined in the subflow of FIG. 4 from the nitrogen permeation amount (integrated value) from the oxidant gas flow path to the fuel gas flow path determined in the subflow of FIG. The amount of nitrogen in the fuel gas flow passage is obtained by subtracting the discharge amount (integrated value). In step S52, it is determined whether or not the nitrogen amount is equal to or greater than the predetermined value Hn. If the nitrogen amount is equal to or greater than the predetermined value Hn (Yes), that is, excessive nitrogen remains in the fuel gas flow passage. If YES in step S53, the flow advances to step S53 to prohibit idle stop. The predetermined value Hn corresponds to a predetermined value for reducing the power generation performance of the fuel cell 10 of the present invention.
また、ステップS52において、窒素量が所定値Hn未満である場合には(No)、ステップS54に進み、窒素量が所定値Ln未満であるか否かを判断する。なお、所定値Lnは、前記所定値Hnよりも小さい値である。ステップS54において、窒素量が所定値Ln未満である場合には(Yes)、ステップS55に進み、アイドル停止が禁止状態である場合には、アイドル停止禁止状態を解除する。また、ステップS54において、窒素量が所定値Ln以上である場合(No)、つまり窒素量が所定値Hnと所定値Lnとの間にある場合には、そのままの状態を維持する。すなわち、アイドル停止が禁止されている場合には、アイドル停止の禁止を維持し、またアイドル停止の禁止が解除されている場合には、アイドル停止の禁止を解除したままにする。 In step S52, if the nitrogen amount is less than the predetermined value Hn (No), the process proceeds to step S54 to determine whether the nitrogen amount is less than the predetermined value Ln. The predetermined value Ln is a value smaller than the predetermined value Hn. In step S54, if the nitrogen amount is less than the predetermined value Ln (Yes), the process proceeds to step S55, and if the idle stop is prohibited, the idle stop prohibited state is canceled. In step S54, when the nitrogen amount is equal to or greater than the predetermined value Ln (No), that is, when the nitrogen amount is between the predetermined value Hn and the predetermined value Ln, the state is maintained as it is. That is, when the idle stop is prohibited, the idle stop prohibition is maintained, and when the idle stop prohibition is released, the idle stop prohibition is released.
このように、燃料ガス流通路内の不純物としての窒素量を考慮してアイドル停止禁止判断を実行することで、燃料ガス流通路内に窒素が多量に存在している状態でアイドル停止が実行されることがない。したがって、アイドル停止実行前に窒素を排出できるので、アイドル停止から復帰するときの発電安定性を向上させることができる。 As described above, by performing the idling stop prohibition determination in consideration of the amount of nitrogen as an impurity in the fuel gas flow passage, idling stop is executed in a state where a large amount of nitrogen exists in the fuel gas flow passage. There is nothing to do. Therefore, since nitrogen can be discharged before the idle stop is executed, the power generation stability when returning from the idle stop can be improved.
また、図9(b)に示すように、ステップS61において、図7のサブフローで求めた燃料ガス流通路内の水分量が、所定値Hw以上であるか否かを判断する。ステップS61において、水分量が所定値Hw以上である場合(Yes)、燃料ガス流通路内に過剰に水分が残留していることになるので、ステップS62に進み、アイドル停止を禁止する。なお、この所定値Hwが、本発明の、燃料電池10の発電性能を低下させる所定値に相当する。 Further, as shown in FIG. 9B, in step S61, it is determined whether or not the amount of water in the fuel gas flow passage obtained in the subflow of FIG. 7 is equal to or greater than a predetermined value Hw. In step S61, if the amount of water is equal to or greater than the predetermined value Hw (Yes), it means that excessive moisture remains in the fuel gas flow passage, and thus the process proceeds to step S62, and idle stop is prohibited. The predetermined value Hw corresponds to a predetermined value for reducing the power generation performance of the fuel cell 10 of the present invention.
また、ステップS61において、水分量が所定値Hw以下である場合には(No)、ステップS63に進み、水分量が所定値Lw(<所定値Hw)未満であるか否かを判断する。ステップS63において、水分量が所定値Lw未満である場合(Yes)、水分量がアイドル停止復帰時の発電安定性を損なわない程度の量であると判断して、ステップS64に進み、アイドル停止が禁止状態である場合には、アイドル停止禁止状態を解除、またアイドル停止が禁止されていない場合には、そのままアイドル停止の禁止を解除しておく。 In step S61, when the water content is equal to or less than the predetermined value Hw (No), the process proceeds to step S63, and it is determined whether or not the water content is less than the predetermined value Lw (<predetermined value Hw). In step S63, if the amount of water is less than the predetermined value Lw (Yes), it is determined that the amount of water is an amount that does not impair the power generation stability at the time of return to idling stop, and the process proceeds to step S64 to stop idling. If it is in the prohibited state, the idle stop prohibited state is canceled. If idle stop is not prohibited, the prohibition of idle stop is canceled as it is.
また、ステップS63において、水分量が所定値Lw未満でない場合(No)、つまり水分量が所定値Hwと所定値Lwとの間にある場合には、そのままの状態を維持する。すなわち、アイドル停止が禁止されている場合には、アイドル停止の禁止を維持し、またアイドル停止の禁止が解除されている場合には、アイドル停止の禁止を解除したままにする。 In step S63, when the water content is not less than the predetermined value Lw (No), that is, when the water content is between the predetermined value Hw and the predetermined value Lw, the state is maintained as it is. That is, when the idle stop is prohibited, the idle stop prohibition is maintained, and when the idle stop prohibition is released, the idle stop prohibition is released.
このように、燃料ガス流通路内の不純物としての生成水量を推定してアイドル停止禁止判断を実行することで、燃料ガス流通路内に生成水が多量に存在している状態でアイドル停止が実行されることがない。したがって、アイドル停止実行前に生成水を排出できるので、アイドル停止から復帰するときの発電安定性を向上させることができる。 As described above, the idling stop prohibition determination is executed by estimating the amount of generated water as an impurity in the fuel gas flow passage, so that the idling stop is executed in a state where a large amount of generated water exists in the fuel gas flow passage. It will not be done. Therefore, the generated water can be discharged before the idle stop is executed, so that the power generation stability when returning from the idle stop can be improved.
なお、本実施形態では、燃料ガス流通路内の窒素量および生成水量を推定してアイドル停止禁止判断しているが、窒素量のみ、または生成水量のみに基づいてアイドル停止禁止判断してもよい。本実施形態のように、窒素と生成水の双方を考慮することで、燃料ガス流通路内の不純物量を高精度に検知することができ、アイドル停止復帰時の発電安定性を向上できるようになる。 In the present embodiment, the idle stop prohibition determination is made by estimating the nitrogen amount and the generated water amount in the fuel gas flow passage, but the idle stop prohibition determination may be made based on only the nitrogen amount or only the generated water amount. . As in this embodiment, by considering both nitrogen and generated water, the amount of impurities in the fuel gas flow passage can be detected with high accuracy, and power generation stability at the time of return from idle stop can be improved. Become.
10 燃料電池
14a アノード流路
21a 水素供給配管
21b 水素排出配管
21c 水素循環配管
21d ドレイン配管
25 パージ弁(不純物排出手段)
27 ドレイン弁(不純物排出手段)
28,34 圧力センサ
29,35,46 温度センサ
31a 空気供給配管
31b 空気排出配管
54 ディスチャージ抵抗
55 電流計
60 制御部
V 燃料電池車両
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
27 Drain valve (impurity discharge means)
28, 34
Claims (4)
前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、
前記燃料電池の発電要求量が所定値以下のときに前記燃料電池の発電を停止させる低負荷停止手段と、
前記燃料ガス流通路内の不純物量を推定する不純物量推定手段と、
前記燃料ガス流通路内の不純物を排出させる不純物排出手段と、
前記燃料ガス流通路内の不純物量が前記燃料電池の発電性能を低下させる所定値以上であるときに前記低負荷停止手段による低負荷停止を禁止する低負荷停止禁止手段と、を備えることを特徴とする燃料電池車両。 A fuel cell in which fuel gas and oxidant gas are supplied across the membrane electrode assembly to generate power; and
A fuel gas flow passage through which the fuel gas flows;
An oxidant gas flow passage through which the oxidant gas flows;
A low-load stop means for stopping power generation of the fuel cell when the required power generation amount of the fuel cell is a predetermined value or less;
An impurity amount estimating means for estimating an impurity amount in the fuel gas flow passage;
Impurity discharging means for discharging impurities in the fuel gas flow passage;
Low-load stop prohibiting means for prohibiting a low-load stop by the low-load stop means when the amount of impurities in the fuel gas flow passage is equal to or greater than a predetermined value that reduces the power generation performance of the fuel cell. A fuel cell vehicle.
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