JP2008041624A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、湿潤状態の固体電解質膜を用いる燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックの劣化に応じた出力制限温度を設定して適正な運転状態とすることができる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that uses a solid electrolyte membrane in a wet state, and more particularly, to a fuel cell system that can set an output limit temperature according to deterioration of a fuel cell stack to achieve an appropriate operation state.
燃料電池積層体を自動車用動力源として利用する場合、燃料電池システムの容積低減のため、加湿系の簡略化がおこなわれており、燃料電池システムの加湿能力は、設計運転点においては加湿不足にならないが、設計運転点を超える運転条件、例えば、設計運転温度よりも高い温度に達すると、加湿不足が起こり、固体高分子電解質膜が乾燥し、乾燥が過度に進行する場合は膜の穴明きに繋がるという問題点がある。 When the fuel cell stack is used as a power source for automobiles, the humidification system has been simplified to reduce the volume of the fuel cell system, and the humidification capacity of the fuel cell system is insufficient at the design operating point. However, if the operating conditions exceed the design operating point, for example, a temperature higher than the design operating temperature is reached, insufficient humidification occurs, and the solid polymer electrolyte membrane dries. There is a problem of being connected.
膜穴あきを防止するため、例えば、燃料電池スタックの運転温度があらかじめ定められた温度に達すると、出力制限をかけたり、燃料電池スタック運転中の積層セル全体の単電池電圧もしくは数セルを1ブロックとしたブロックごとの計測値、または、発電面内局所電流計測値を元に乾燥湿潤度合いを判定し、常に適正湿潤状態を保つように制御を行っている。 In order to prevent perforation of the membrane, for example, when the operating temperature of the fuel cell stack reaches a predetermined temperature, the output is limited or the single cell voltage or several cells of the entire stacked cell during the fuel cell stack operation is set to 1 The degree of dryness and wetness is determined based on the measurement value for each block or the local current measurement value in the power generation surface, and control is performed so as to always maintain an appropriate wet state.
燃料電池積層体を適正湿潤状態に保持する方法は、多数開示されており、例えば下記に示される従来例がある。 Many methods for maintaining the fuel cell stack in a proper wet state have been disclosed. For example, there are conventional examples shown below.
特許文献1によると、燃料電池に酸化剤ガスと共に供給される水分と、発電によって生成する水分と、排出ガスによって燃料電池から持ち出される水分との差し引きで水収支を計算し、水収支の値がある特定の範囲になるように制御する方法が開示されている。 According to Patent Document 1, the water balance is calculated by subtracting the moisture supplied to the fuel cell together with the oxidant gas, the moisture generated by power generation, and the moisture taken out from the fuel cell by the exhaust gas. A method of controlling to a certain range is disclosed.
また、特許文献2によると、燃料電池発電面内の乾燥しやすい部位の局所電流を計測し、計測した局所電流値と所定値との比較結果に基づいて乾燥度を判断する方法が示されている。
特許文献1の発明では、燃料電池の劣化後の適正制御範囲の設定方法は示されておらず、劣化度合いに応じた制御方法についてはなんら示されていない。 In the invention of Patent Document 1, a method for setting an appropriate control range after deterioration of the fuel cell is not shown, and no control method according to the degree of deterioration is shown.
特許文献2の発明では、局所電流値が燃料電池スタックの運転の繰り返しによって性能劣化し、適正湿潤状態での局所電流値が変化していくことを考慮していないので、劣化の進行次第では、乾燥、湿潤を誤判定する可能性がある。 The invention of Patent Document 2 does not consider that the local current value deteriorates due to repeated operation of the fuel cell stack, and the local current value in a proper wet state changes, so depending on the progress of deterioration, There is a possibility of misjudging dry and wet.
そこで、本発明では、燃料電池スタックの劣化度合いに応じて、燃料電池スタックの出力制限温度を変更し、燃料電池スタック性能劣化に応じた適切な運転温度、湿潤状態で運転することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to change the output limit temperature of the fuel cell stack according to the degree of deterioration of the fuel cell stack, and to operate at an appropriate operating temperature and wet state according to the deterioration of the fuel cell stack performance. .
上記目的を達成するために、本発明は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードで湿潤状態の固体高分子電解質膜を挟み込んだ構成を有する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの運転温度を計測する運転温度計測手段と、燃料電池スタック運転温度が所定の出力制限温度以上となったら燃料電池スタックの出力を制限する出力制限手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックを構成するセルの少なくとも1つのセルのアノード出口部位の局所電流を計測するアノード出口局所電流計測手段と、計測された局所電流に基づいてアノード出口部位の局所電流密度を演算する演算手段と、前記燃料電池スタック電流を計測するスタック電流計測手段と、計測されたスタック電流に基づいてスタック電流密度を算出する演算手段と、を備え、前記出力制限手段は、前記スタック電流密度と前記アノード出口局所電流密度との比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックの出力制限温度を変更することを要旨とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is formed by laminating a plurality of single cells having a structure in which a wet polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode to which a fuel gas is supplied and a cathode to which an oxidant gas is supplied. A fuel cell stack; operating temperature measuring means for measuring the operating temperature of the fuel cell stack; and output limiting means for limiting the output of the fuel cell stack when the fuel cell stack operating temperature is equal to or higher than a predetermined output limiting temperature. In the fuel cell system provided, the anode outlet local current measuring means for measuring the local current of the anode outlet portion of at least one cell of the cells constituting the fuel cell stack, and the anode outlet portion based on the measured local current An arithmetic means for calculating a local current density, a stack current measuring means for measuring the fuel cell stack current, and a measured scan Calculating means for calculating a stack current density based on a stack current, and the output limiting means outputs the output of the fuel cell stack based on a comparison result between the stack current density and the anode outlet local current density. The gist is to change the temperature limit.
本発明の発明者らは、固体高分子型燃料電池の研究において、次の2つに知見を得た。第1の知見は、固体高分子型燃料電池が起動停止の繰り返しにより、アノード出口部位に対向するカソード側の触媒層が劣化することにより、結果としてアノード出口部位での発電性能、即ちアノード出口部位の電流密度が他の部位より低下することである。 The inventors of the present invention have obtained the following two findings in research on solid polymer fuel cells. The first finding is that, as a result of repeated starting and stopping of the polymer electrolyte fuel cell, the cathode-side catalyst layer facing the anode outlet part deteriorates, resulting in power generation performance at the anode outlet part, that is, the anode outlet part. Current density is lower than other parts.
第2の知見は、燃料電池内のガス流路の形状が、アノードガスの流れ方向とカソードガスの流れ方向が対向流であっても並行流であっても、アノード出口部位は、セル面内で最も乾燥が発生し易い部位であることである。 The second finding is that the anode outlet site is in the cell plane regardless of the shape of the gas flow path in the fuel cell, whether the flow direction of the anode gas and the flow direction of the cathode gas are a counter flow or a parallel flow. This is the site where drying is most likely to occur.
上記ガス流が対向流の場合、水素イオンがアノードからカソードへ電解質膜を移動する際に、水素イオンに随伴して水分が移動する電気浸透現象により、アノード入口からアノード出口にかけて、カソードガス中の水分量が次第に低下することに加えて、アノード出口部位は、カソード入口部位に近いので、カソード側へ急速に水分が拡散して失われていくためであると考えられる。 In the case where the gas flow is a counter flow, when hydrogen ions move through the electrolyte membrane from the anode to the cathode, an electroosmosis phenomenon in which moisture moves along with the hydrogen ions causes the anode gas from the anode inlet to the anode outlet. In addition to the gradual decrease in the amount of water, the anode outlet portion is close to the cathode inlet portion, so it is considered that moisture is rapidly diffused and lost to the cathode side.
上記ガス流が並行流の場合、前記電気浸透現象により、アノード入口からアノード出口にかけて、カソードガス中の水分量が次第に低下することに加えて、アノード出口部位は、冷却液温度が最も高い部位となるために、飽和水蒸気圧が高く水が蒸発しやすい部位となるためと考えられる。 When the gas flow is a parallel flow, due to the electroosmosis phenomenon, the amount of water in the cathode gas gradually decreases from the anode inlet to the anode outlet. In addition, the anode outlet portion is a portion having the highest coolant temperature. Therefore, it is considered that the saturated water vapor pressure is high and the water easily evaporates.
以上の知見に基づき本発明では、アノード出口部位の局所電流とスタック電流とを計測し、アノード出口部位局所電流密度及びスタック電流密度を演算し、アノード出口局所電流密度とスタック電流密度との比較結果に基づいて、燃料電池スタックの出力制限温度を変更することにより、最も乾燥しやすいアノード出口部位の湿潤度合いを適正に維持しつつ、燃料電池スタックの劣化が生じても出力性能の低下を抑制することができる。 Based on the above knowledge, in the present invention, the local current and the stack current of the anode outlet part are measured, the anode outlet part local current density and the stack current density are calculated, and the comparison result between the anode outlet local current density and the stack current density is calculated. Based on the above, by changing the output limit temperature of the fuel cell stack, the wetness degree of the anode outlet part that is most likely to dry is properly maintained, and the deterioration of the output performance is suppressed even if the fuel cell stack is deteriorated be able to.
本発明によれば、燃料電池スタックの劣化進行後、スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差分又は比率が、初期性能時に比べて大きくなる場合に、出力制限温度を初期性能時よりも高く設定するするので、燃料電池温度による出力制限にかかる頻度を減らすことが可能となり、燃料電池スタックの劣化にも関わらず出力性能の低下を抑制することができるという効果がある。 According to the present invention, after the progress of deterioration of the fuel cell stack, when the difference or ratio between the stack current density and the anode outlet local current density is larger than that at the initial performance, the output limit temperature is set higher than at the initial performance. As a result, it is possible to reduce the frequency of the output restriction depending on the fuel cell temperature, and it is possible to suppress a decrease in output performance despite the deterioration of the fuel cell stack.
また、初期性能時の出力制限温度のまま運転し、アノード出口部位が水分過剰な状態となることを防止できる。 Moreover, it can drive | operate with the output limitation temperature at the time of initial performance, and can prevent that an anode exit site | part becomes a state with excessive water | moisture content.
図1を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を説明する。尚、特に限定されないが、本実施形態は、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。 With reference to FIG. 1, the structure of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. Although not particularly limited, the present embodiment is a fuel cell system suitable for a fuel cell vehicle.
図1において、本実施形態の燃料電池システム1は、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードで固体高分子電解質を挟んで構成される単セルが複数積層されることによって構成される燃料電池スタック2を備えている。 In FIG. 1, a fuel cell system 1 according to this embodiment includes a plurality of unit cells each having a solid polymer electrolyte sandwiched between an anode supplied with a fuel gas containing hydrogen and a cathode supplied with an oxidant gas. The fuel cell stack 2 configured by the above is provided.
また燃料電池システム1は、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、燃料電池スタック1に冷却液を供給する冷却系とを備えている。 The fuel cell system 1 also includes a fuel gas supply system that supplies fuel gas to the anode, an oxidant gas supply system that supplies oxidant gas to the cathode, and a cooling system that supplies coolant to the fuel cell stack 1. ing.
燃料ガス供給系は、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク3と、高圧水素ガスの圧力を燃料電池の運転圧力まで低下させる水素圧力調整弁4と、水素を加湿して燃料電池スタック2のアノード入口に供給する水素加湿器5と、燃料電池スタック2のアノード出口から排出された未反応水素を含むアノードオフガスを水素加湿器5の上流へ循環させる水素循環ポンプ6と、アノードオフガスを系外へ排出するパージ弁18とを備えている。尚、燃料ガス供給系の水素源としては、水素タンク以外に、プロパンガス、都市ガス、ガソリン、アルコール等の炭化水素系原燃料から燃料改質反応により水素を生成するものや、太陽電池からの電力で水を電気分解した水素等を用いることができる。
The fuel gas supply system includes a hydrogen tank 3 that stores high-pressure hydrogen gas, a hydrogen pressure adjustment valve 4 that reduces the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell, and an anode inlet of the fuel cell stack 2 by humidifying hydrogen. A hydrogen humidifier 5 to be supplied to the fuel cell, a hydrogen circulation pump 6 for circulating the anode off-gas containing unreacted hydrogen discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 2 to the upstream side of the hydrogen humidifier 5, and an anode off-gas to the outside of the system And a
酸化剤ガス供給系は、空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ7と、圧縮した空気を加湿して燃料電池スタック2のカソード入口へ供給する空気加湿器8と、燃料電池スタック2のカソード出口における空気圧力を調整する空気圧力調整弁9とを備えている。
The oxidant gas supply system includes a
冷却液供給系は、例えば、エチレングリコール等の凝固点降下剤と水とを混合した不凍液を燃料電池スタック2に供給するものであり、燃料電池スタック2の冷却液入口へ冷却液を圧送する冷却液ポンプ10と、燃料電池スタック2の冷却液出口における冷却液温度を計測する冷却液温度センサ11と、冷却液の熱を系外へ放出するラジエータ12と、図示しない冷却ファンとを備えている。冷却液温度センサ11は、燃料電池スタック2の運転温度を計測する運転温度計測手段である。
The coolant supply system supplies, for example, an antifreeze mixed with a freezing point depressant such as ethylene glycol and water to the fuel cell stack 2, and the coolant that pumps the coolant to the coolant inlet of the fuel cell stack 2. A
燃料電池スタック2のカソード集電板2aは、燃料電池スタックから電力を取り出すDC/DCコンバータ15に接続されている。燃料電池スタックのアノード側集電板は、アノード出口部位以外の部位の集電板であるアノード集電板2bと、セル面内のアノード出口部位の局所電流を測定するためのアノード出口集電板2cとに分割されている。このようにアノード側集電板を分割することで、集電板面方向に流れる電流の影響を除外することができ、アノード出口の局所電流を精度良く計測することができる。アノード出口集電板2cは、アノード出口局所電流センサ13を介してDC/DCコンバータ15へ接続され、アノード集電板2bは、スタック電流センサ14を介してDC/DCコンバータ15へ接続されている。
The cathode current collector plate 2a of the fuel cell stack 2 is connected to a DC /
DC/DCコンバータ15は、運転条件や負荷電流の大きさにより変動する燃料電池スタック2の発電電圧を一定の電圧に変換して、負荷装置16へ供給する。また、DC/DCコンバータ15は、制御装置17の出力制限指示により燃料電池スタック2から取り出す電力を制限する出力制限機能を備えている。
The DC /
燃料電池システム1の全体を制御する制御装置17は、電流密度を演算する演算手段と、燃料電池スタック2の運転温度と出力制限温度との比較に基づいて燃料電池スタック2の出力を制限する出力制限手段とを兼ねている。
The
制御装置17は、スタック電流センサ14の計測値に基づいてスタック電流密度を演算するスタック電流密度演算部20と、アノード出口局所電流センサ13の計測値に基づいてアノード出口局所電流密度を演算するアノード出口局所電流密度演算部21と、スタック電流密度とアノード出口局所電流密度とを比較する電流密度比較部22と、電流密度比較部22による比較結果に基づいて、燃料電池スタック2の出力制限温度を変更する出力制限温度設定部23と、冷却液温度センサ11が計測した燃料電池運転温度と出力制限温度とを比較する温度比較部24と、温度比較部24に比較結果に基づいて燃料電池スタック2の出力を制限する出力制限部25とを備えている。
The
尚、本実施例では、制御装置17は、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いる。
In the present embodiment, the
次に、図2を参照して、燃料電池劣化後のセル面内発電性能分布の変化および、耐ドライアウト性能の変化を説明する。図2の横軸は、セル面内の位置を示し、左端がアノード入口部位、右端がアノード出口部位である。縦軸は、それぞれのセル面内の位置における電流密度[A/cm2 ]を示す。 Next, changes in the in-cell power generation performance distribution after deterioration of the fuel cell and changes in the dryout resistance will be described with reference to FIG. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the position in the cell plane, with the left end being the anode inlet portion and the right end being the anode outlet portion. The vertical axis indicates the current density [A / cm 2 ] at the position in each cell plane.
燃料電池スタックは、起動停止を繰り返すことにより、セル面内のアノード流路出口に対応する位置にあるカソード側の触媒層が劣化し、結果としてアノード出口部位での発電性能劣化を生じる。例えば、図2は、スタック全体として1[A/cm2]の発電時の電流密度の分布を示しているが、発電性能劣化後は、アノード出口部位での電流密度が低下し、セル中央部での電流密度が増加していく傾向にある。 In the fuel cell stack, by repeatedly starting and stopping, the catalyst layer on the cathode side at the position corresponding to the anode flow path outlet in the cell surface deteriorates, and as a result, the power generation performance deteriorates at the anode outlet portion. For example, FIG. 2 shows the current density distribution during power generation of 1 [A / cm 2 ] for the entire stack, but after the power generation performance deteriorates, the current density at the anode outlet portion decreases and the cell center Current density tends to increase.
アノードの出口は、カソード流れ方向と冷却液流れ方向が並行流の場合に、アノード流れ方向がカソード流れ方向と対向流であっても、並行流であっても乾燥が発生しやすく、ドライアウトの始まる部位である。その理由は、アノード流れ方向とカソード流れ方向が対向流の場合は、アノード入口からアノード出口にかけて電気浸透によって燃料ガス中の水分が次第に失われていくことに加え、アノード出口部位はカソード入口部位に近く、カソード側に水分が急速に拡散して失われていくためと考えられる。 When the cathode flow direction and the coolant flow direction are parallel flows, the anode outlet tends to dry out regardless of whether the anode flow direction is opposite to the cathode flow direction or parallel flow. This is the beginning part. The reason for this is that when the anode flow direction and the cathode flow direction are counterflows, moisture in the fuel gas is gradually lost by electroosmosis from the anode inlet to the anode outlet, and the anode outlet part becomes the cathode inlet part. It is considered that water is rapidly diffused and lost to the cathode side.
また、アノード流れ方向とカソード流れ方向が並行流の場合は、対向流の場合と同様にアノード入口からアノード出口にかけて電気浸透によって燃料ガス中の水分が失われていくことに加え、アノード出口での冷却液温度が最も高い部位となるためであると考えられる。 In addition, when the anode flow direction and the cathode flow direction are parallel flows, moisture in the fuel gas is lost by electroosmosis from the anode inlet to the anode outlet in the same way as in the counter flow, and at the anode outlet. This is probably because the coolant temperature is the highest.
燃料電池システムを長期間使用して上記劣化が起きた場合、ドライアウトの始まるアノード出口の局所電流密度が低下するので、アノード出口での局所電気浸透水量が低下し、アノード触媒層での水不足に陥りにくくなる。一方、セル面の中央部では、アノード出口での発電が少なくなった分発電量が増えるが、中央部はアノード出口、アノード入り口部位に比べて十分湿潤であるため、水不足になることは無く、結果としてセル全体としては、耐ドライアウト性能が向上する。逆に、アノード出口で電流密度が増加すると、元々水分量が少ない部位での電気浸透水量が増えることになるので、アノード触媒層で過度に乾燥し、ドライアウトが発生しやすくなってしまう。 When the above-mentioned deterioration occurs when the fuel cell system is used for a long period of time, the local current density at the anode outlet where dryout begins decreases, so the amount of local electroosmotic water at the anode outlet decreases, resulting in insufficient water in the anode catalyst layer. It becomes difficult to fall. On the other hand, in the central part of the cell surface, the amount of power generation increases due to the reduced power generation at the anode outlet, but the central part is sufficiently wet compared to the anode outlet and anode inlet part, so there is no water shortage, As a result, the dryout resistance is improved as a whole cell. Conversely, when the current density increases at the anode outlet, the amount of electroosmotic water at the site where the amount of water is originally low increases, so that the anode catalyst layer is excessively dried and dryout is likely to occur.
従って、アノード出口局所電流密度が低下した場合に、燃料電池スタックの劣化がない初期の状態に比して出力制限温度が同じままでは、過度に湿潤した状態で運転することになり、不必要に湿潤度が高い状態で運転をすることになってしまう。そこで、アノード出口電流密度の初期性能に対する低下の程度に応じて、出力制限温度を高温度化させることにより、常に適切な出力制限温度で運転することが可能となり、劣化後にセル電圧が低下し、取り出せる出力が低下した場合でも、出力制限温度が上がった分出力性能の低下を防ぐことができ、特に燃料電池車両では、耐熱登坂時の走行速度の低下を最小限に抑えることが可能となる。 Therefore, when the anode outlet local current density is lowered, if the output limit temperature remains the same as compared with the initial state where the fuel cell stack is not deteriorated, the operation is performed in an excessively wet state. It will drive | operate in the state with high wetness. Therefore, by increasing the output limit temperature according to the degree of decrease in the initial performance of the anode outlet current density, it becomes possible to always operate at an appropriate output limit temperature, the cell voltage decreases after deterioration, Even when the output that can be taken out decreases, the output performance can be prevented from decreasing due to the increase in the output restriction temperature. In particular, in the fuel cell vehicle, it is possible to minimize the decrease in traveling speed during heat-resistant climbing.
逆に、アノード出口の局所電流密度が増加した場合には、初期に比して出力制限温度を低下させなることによって、ドライアウトを防止することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。 On the other hand, when the local current density at the anode outlet increases, the output limiting temperature is lowered as compared with the initial stage, so that dryout can be prevented and the reliability of the fuel cell system is improved.
次に、図3の制御フローチャートを参照して、本実施形態における制御装置17の処理内容を説明する。この制御フローチャートは、制御装置17のメインルーチンから一定時間毎に呼び出されて、実行されるものとする。
Next, processing contents of the
図3において、まずステップ(以下、ステップをSと略す)10において、アノード出口局所電流センサ13の検出値Ia,スタック電流センサ14の検出値Isをそれぞれ制御装置17へ読み込む。次いで、S12において、予め制御装置17に記憶したアノード出口局所面積Sa、スタック面積Ssを使用して、アノード出口局所電流密度da=Ia/Sa、スタック電流密度ds=Is/Ssを演算する。
In FIG. 3, first, in step (hereinafter abbreviated as “S”) 10, the detected value Ia of the anode outlet local current sensor 13 and the detected value Is of the stack current sensor 14 are read into the
次いでS14において、アノード出口局所電流密度daと、スタック電流密度dsとを比較する。この比較には、両者の差を求める方法と、両者の比を求める方法がある。電流密度の差を求める場合、電流密度差Di=ds−daを計算する。電流密度の比を求める場合、電流密度比Ri=ds/daを計算する。 Next, in S14, the anode outlet local current density da is compared with the stack current density ds. This comparison includes a method for obtaining a difference between the two and a method for obtaining a ratio between the two. When obtaining the difference in current density, the current density difference Di = ds-da is calculated. When obtaining the current density ratio, the current density ratio Ri = ds / da is calculated.
次いでS16で、電流密度の比較演算値が前回値から変化したか否かを判定する。比較演算値を電流密度差Diとする場合、Diとその前回値Dioとを比較する。比較演算値を電流密度比Riとする場合、Riとその前回値Rioとを比較する。比較演算値が前回値より変化していれば(Di≠Dio、またはRi≠Rioであれば)、S18へ進む。 Next, in S16, it is determined whether or not the current density comparison calculation value has changed from the previous value. When the comparison calculation value is the current density difference Di, Di is compared with its previous value Dio. When the comparison calculation value is the current density ratio Ri, Ri is compared with the previous value Rio. If the comparison calculation value has changed from the previous value (if Di ≠ Dio or Ri ≠ Rio), the process proceeds to S18.
比較演算値が前回値より変化していなければ(Di=Dio、またはRi=Rioであれば)、S30へ進む。 If the comparison calculation value has not changed from the previous value (if Di = Dio or Ri = Rio), the process proceeds to S30.
ここで、実際の制御においては、アノード出口局所電流センサ13,スタック電流センサ14、及び冷却液温度センサ11の各検出値は測定誤差を含むものであり、また極めて小さい出力制限温度の変更は、制御上全く意味を持たないので、S16における電流密度の比較演算値が前回値から変化したか否かの判定は、|Di−Dio|>ε1(または、|Ri−Rio|>ε2)が成立するか否かで判定する。ここで、ε1(ε2)は、小さな正数であり、上記各センサの測定精度や出力制限温度の変更が制御上有意な差を示す値に応じて適宜設定されるものとする。 Here, in actual control, the detected values of the anode outlet local current sensor 13, the stack current sensor 14, and the coolant temperature sensor 11 include measurement errors, and an extremely small change in the output limit temperature is as follows. Since there is no meaning in terms of control, the determination whether or not the current density comparison calculation value in S16 has changed from the previous value is | Di-Dio |> ε1 (or | Ri-Rio |> ε2). Judgment by whether or not. Here, ε1 (ε2) is a small positive number, and it is assumed that the change in measurement accuracy and output limit temperature of each sensor is appropriately set according to a value indicating a significant difference in control.
S18においては、比較演算値の前回値Dio(Rio)を今回の比較演算値Di(Ri)で置き換えて、次回に本制御ルーチンが呼び出されたときの比較演算値の前回値とする。次いで、S20で、比較演算値Dio(Rio)から燃料電池スタック2の出力制限温度Tlimを制御マップ等を参照して演算し、演算結果で出力制限温度を変更する。 In S18, the previous value Dio (Rio) of the comparison calculation value is replaced with the current comparison calculation value Di (Ri) to obtain the previous value of the comparison calculation value when this control routine is called next time. Next, in S20, the output limit temperature Tlim of the fuel cell stack 2 is calculated from the comparison calculation value Dio (Rio) with reference to a control map or the like, and the output limit temperature is changed based on the calculation result.
S30では、比較演算値の前回値Dio(Rio)を今回の比較演算値Di(Ri)で置き換えて、次回に本制御ルーチンが呼び出されたときの比較演算値の前回値として、メインルーチンへリターンする
図4(a)は、スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差であるDiから出力制限温度Tlimを求める制御マップの例である。図4(b)は、スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の比であるRiから出力制限温度Tlimを求める制御マップの例である。いずれも電流密度の比較演算値の値が大きくなれば、出力制限温度を上げるように変更設定する。また、比較演算値の値が小さくなれば、出力制限温度を下げるように変更設定する。
In S30, the previous value Dio (Rio) of the comparison calculation value is replaced with the current comparison calculation value Di (Ri), and the process returns to the main routine as the previous value of the comparison calculation value when this control routine is called next time. FIG. 4A is an example of a control map for obtaining the output limit temperature Tlim from Di, which is the difference between the stack current density and the anode outlet local current density. FIG. 4B is an example of a control map for obtaining the output limiting temperature Tlim from Ri, which is the ratio of the stack current density to the anode outlet local current density. In either case, if the value of the comparison calculation value of the current density increases, the output limit temperature is changed and set. In addition, when the value of the comparison calculation value becomes smaller, the output limit temperature is changed and set.
図4(a),(b)の関係は、試験用燃料電池システムの起動停止を繰り返す加速劣化試験により、試験用燃料電池スタックのアノード流路出口に位置するカソード側の触媒層の劣化度を変化させて、スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差(または比)の異なる値毎に、アノード出口がドライアウトしない、或いは適正な湿潤度が維持される上限温度を求めて、出力制限温度としたものである。この試験用燃料電池スタックには、例えば膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する電極を設けて、測定した交流インピーダンスにより湿潤度が適正であるか、ドライアウトかを判定することができる。 4 (a) and 4 (b) show that the deterioration degree of the catalyst layer on the cathode side located at the anode channel outlet of the test fuel cell stack is determined by the accelerated deterioration test in which the start and stop of the test fuel cell system is repeated. Change the output limit temperature to obtain the upper limit temperature at which the anode outlet does not dry out or maintain proper wetness for each different value (or ratio) of the stack current density and the anode outlet local current density. It is what. In this test fuel cell stack, for example, an electrode for measuring the AC impedance of the membrane electrode assembly is provided, and it is possible to determine whether the wetness is appropriate or the dry-out based on the measured AC impedance.
S20において、出力制限温度Tlimを演算して設定した後に、S22へ進み、燃料電池スタック2の運転温度として冷却液温度センサ11の検出値Tを制御装置17へ読み込む。次いでS24で、燃料電池運転温度Tが出力制限温度Tlim以上か否かを判定する。S24の判定で、燃料電池運転温度Tが出力制限温度Tlim以上であれば、S26へ進み、燃料電池出力を制限して、メインルーチンへリターンする。このように、本実施例によれば、燃料電池スタックの劣化進行後、スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差分(または比)が大きくなる場合に出力制限温度を初期性能時よりも高く設定するするので、、出力制限にかかる頻度を減らすことが可能となり、出力性能が向上する。また、初期性能時の出力制限温度のまま運転し、不必要に湿潤な状態で発電することを防ぐことができる。また本実施例によれば、スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差分(比)が小さくなる場合に、適切に出力制限温度を低下させることができ、過度の乾燥に起因する電解質膜穴あきを防ぐことができ、燃料電池スタックの信頼性を向上させることができる。
In S20, after calculating and setting the output limit temperature Tlim, the process proceeds to S22, and the detected value T of the coolant temperature sensor 11 is read into the
S24の判定で、燃料電池運転温度Tが出力制限温度Tlim未満であれば、S28へ進み、燃料電池出力を制限することなくメインルーチンへリターンする。 If it is determined in S24 that the fuel cell operation temperature T is lower than the output limit temperature Tlim, the process proceeds to S28, and the process returns to the main routine without limiting the fuel cell output.
ここで、S26の燃料電池出力制限は、例えば、DC/DCコンバータ15が燃料電池スタック2から取り出す目標取出電流または目標取出電力を制限することにより達成される。
Here, the fuel cell output limitation of S26 is achieved by limiting the target extraction current or target extraction power that the DC /
1:燃料電池システム
2:燃料電池スタック
2a:カソード集電板
2b:アノード集電板
2c:アノード出口集電板
3:水素タンク
4:水素圧力調整弁
5:水素加湿器
6:水素循環ポンプ
7:コンプレッサ
8:空気加湿器
9:空気圧力調整弁
10:冷却液循環ポンプ
11:冷却液温度センサ
12:ラジエータ
13:アノード出口局所電流センサ
14:スタック電流センサ
15:DC/DCコンバータ
16:負荷装置
17:制御装置
18:パージ弁
20:スタック電流密度演算部
21:アノード出口局所電流密度演算部
22:電流密度比較部
23:出力制限温度設定部
24:温度比較部
25:出力制限部
1: Fuel cell system 2: Fuel cell stack 2a:
Claims (10)
前記燃料電池スタックを構成するセルの少なくとも1つのセルのアノード出口部位の局所電流を計測するアノード出口局所電流計測手段と、
計測された局所電流に基づいてアノード出口部位の局所電流密度を演算する演算手段と、
前記燃料電池スタック電流を計測するスタック電流計測手段と、
計測されたスタック電流に基づいてスタック電流密度を算出する演算手段と、を備え、
前記出力制限手段は、前記スタック電流密度と前記アノード出口局所電流密度との比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックの出力制限温度を変更することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of single cells having a structure in which a wet polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode to which a fuel gas is supplied and a cathode to which an oxidant gas is supplied, and an operating temperature of the fuel cell stack A fuel cell system comprising: an operating temperature measuring means for measuring the fuel cell stack; and an output limiting means for limiting the output of the fuel cell stack when the fuel cell stack operating temperature is equal to or higher than a predetermined output limiting temperature.
An anode outlet local current measuring means for measuring a local current at an anode outlet portion of at least one of the cells constituting the fuel cell stack;
A computing means for computing the local current density at the anode outlet site based on the measured local current;
Stack current measuring means for measuring the fuel cell stack current;
Computing means for calculating the stack current density based on the measured stack current,
The fuel cell system, wherein the power limiting means changes a power limiting temperature of the fuel cell stack based on a comparison result between the stack current density and the anode outlet local current density.
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