JP2008235279A - Operation control of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムの運転制御に関する。 The present invention relates to operation control of a fuel cell system.
水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極と酸素極とを備え、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を発生する燃料電池(燃料電池スタック)が提案されている。燃料電池では、水素と酸素との電気化学反応により、水(生成水)が生成される。この生成水は、排出ガスとともにガス排出系から排出されたり、所定の排出系から排出されたりする。 There has been proposed a fuel cell (fuel cell stack) that includes a hydrogen electrode and an oxygen electrode sandwiching an electrolyte membrane that transmits hydrogen ions and generates an electromotive force by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In a fuel cell, water (product water) is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. This generated water is discharged from the gas discharge system together with the exhaust gas, or is discharged from a predetermined discharge system.
ガス排出系では、生成水によって配管内に水詰まりが生じる場合がある。この場合、燃料電池へのガスの給排に支障が生じ、燃料電池の発電効率が低下する。このため、従来、燃料電池システムのガス排出系に気液分離器を配設し、多量の生成水による配管の水詰まりを防止する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In the gas exhaust system, water clogging may occur in the piping due to the generated water. In this case, the supply and discharge of gas to the fuel cell is hindered, and the power generation efficiency of the fuel cell is reduced. For this reason, conventionally, a technique has been proposed in which a gas-liquid separator is provided in a gas discharge system of a fuel cell system to prevent clogging of piping due to a large amount of generated water (see, for example, Patent Document 1).
しかし、従来は、指示通りにガスが供給されることを前提として燃料電池システムの運転制御が行われており、現実に配管内に水詰まりが生じた場合の燃料電池システムの運転制御については考慮されていなかった。そして、水詰まりによってガスの供給量が不十分な状態で、ガスの供給量に合わない量の発電を燃料電池に行わせようとすると、電解質膜の劣化を招き、燃料電池の寿命が低下する場合があった。これは、特に固体高分子型の燃料電池で顕著だった。このような燃料電池の劣化は、ガス排出系の配管に水詰まりが生じた場合に限らず、燃料電池へのガス供給系またはガス排出系の配管が異物などによって閉塞し、ガスが適正に流れなくなった場合に同様に生じ得る。 However, conventionally, operation control of the fuel cell system has been performed on the assumption that gas is supplied as instructed, and consideration is given to operation control of the fuel cell system when water clogging actually occurs in the piping. Was not. If the fuel cell is caused to generate power in an amount that does not match the gas supply amount due to water clogging, the electrolyte membrane will be deteriorated and the life of the fuel cell will be reduced. There was a case. This was particularly noticeable in solid polymer fuel cells. Such deterioration of the fuel cell is not limited to the case where water is clogged in the gas exhaust system pipe, but the gas supply system or gas exhaust system pipe to the fuel cell is blocked by foreign matter and the gas flows properly. It can happen in the same way when it disappears.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、ガス流路の閉塞による燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress deterioration of a fuel cell due to blockage of a gas flow path in a fuel cell system.
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の第1の燃料電池システムは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記出力目標値の上限値を制限することを要旨とする。
In order to solve at least a part of the above-described problems, the present invention employs the following configuration.
The first fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell stack that outputs power;
A supply and exhaust system for supplying and discharging a predetermined gas to and from the fuel cell stack;
A control unit that sets an output target value based on a request output from the outside and controls the fuel cell stack;
A judgment unit for judging whether or not the gas flow path in at least a part of the supply / exhaust system and the fuel cell stack is clogged,
The control unit further limits the upper limit value of the output target value when the determination unit determines that the flow path is clogged.
ここで、「ガスの流路が詰まっている」とは、ガスの流路が完全に閉塞している状態だけでなく、生成水や異物で配管の断面積が狭小になっている場合や、配管の一部が変形している場合など、広義に適正なガスの流量が確保できない状態を意味している。本発明では、ガスの流路が詰まっていると判断されたときに、燃料電池スタックの出力目標値の上限値を制限し、燃料電池スタックに発電を行わせないようにすることができる。この結果、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。 Here, `` the gas flow path is clogged '' means not only the state where the gas flow path is completely closed, but also the case where the cross-sectional area of the pipe is narrow due to generated water or foreign matter, This means a state where an appropriate gas flow rate cannot be secured in a broad sense, such as when a part of the piping is deformed. In the present invention, when it is determined that the gas flow path is clogged, the upper limit value of the output target value of the fuel cell stack can be limited so that the fuel cell stack does not generate power. As a result, it is possible to suppress the deterioration and the life reduction of the fuel cell stack.
なお、「出力目標値の上限値を制限する」とは、通常時の出力目標値を基準として上限値を制限してもよいし、通常時の出力目標値とは無関係に上限値を設定してもよい。前者の場合としては、例えば、通常時の出力目標値に0以上1未満の所定の係数を掛けたり、通常時の出力目標値から所定値を減じたりする態様が挙げられる。後者の場合としては、例えば、要求出力が所定値を超えたときに、出力目標値を所定値のまま維持する態様が挙げられる。 Note that “limit the upper limit value of the output target value” may limit the upper limit value based on the normal output target value, or set the upper limit value regardless of the normal output target value. May be. Examples of the former case include a mode in which a normal output target value is multiplied by a predetermined coefficient of 0 or more and less than 1, or a predetermined value is subtracted from the normal output target value. As the latter case, for example, when the required output exceeds a predetermined value, the output target value is maintained at the predetermined value.
上記燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、予め設定された所定時間後に、前記制限を行うようにしてもよい。
In the fuel cell system,
The control unit may perform the restriction after a predetermined time set in advance when the determination unit determines that the flow path is clogged.
ガスの流路が詰まった状態であっても、所定時間、通常の制御を行っているうちに、詰まりが解消される場合がある。特に、流路の詰まりの原因が燃料電池スタックからの生成水である場合や、燃料電池スタックに供給された水蒸気が凝縮した凝縮水である場合には、比較的解消されやすい。従って、本発明によっても、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。 Even in a state where the gas flow path is clogged, clogging may be resolved during normal control for a predetermined time. In particular, when the cause of the clogging of the flow path is generated water from the fuel cell stack or when the water vapor supplied to the fuel cell stack is condensed water, it is relatively easy to eliminate. Therefore, according to the present invention, it is possible to suppress the deterioration and the life reduction of the fuel cell stack.
本発明の第1の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの流量を維持するように、前記給排気系の動作を制御しつつ、前記制限を行うようにしてもよい。
In the first fuel cell system of the present invention,
The control unit performs the restriction while controlling the operation of the supply / exhaust system so as to maintain the flow rate of the gas when the determination unit determines that the flow path is clogged. May be.
こうすることによって、ガスの流路の詰まりの原因となる水や異物を、ガスの流れによって除去しながら、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。 By doing so, it is possible to suppress deterioration of the fuel cell stack and a decrease in life while removing water and foreign matters that cause clogging of the gas flow path by the gas flow.
本発明の第1の燃料電池システムにおいて、
前記判断部は、前記流路の詰まり具合を、所定のパラメータに基づいて、定量的に検出可能であり、
前記制御部は、前記詰まり具合に応じて、前記制限を行うようにしてもよい。
In the first fuel cell system of the present invention,
The determination unit is capable of quantitatively detecting the degree of clogging of the flow path based on a predetermined parameter,
The control unit may perform the restriction according to the degree of clogging.
ここで、「所定のパラメータ」としては、例えば、ガスの圧力や流量が挙げられる。本発明によって、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制しつつ、十分な出力を確保することができる。 Here, examples of the “predetermined parameter” include gas pressure and flow rate. According to the present invention, it is possible to ensure a sufficient output while suppressing deterioration and life reduction of the fuel cell stack.
本発明の第1の燃料電池システムにおいて、
前記給排気系は、前記ガスの圧力または流量を測定するための測定部を備え、
前記判断部は、前記測定結果に基づいて、前記流路が詰まっているか否かを判断するようにすることができる。
In the first fuel cell system of the present invention,
The supply / exhaust system includes a measurement unit for measuring the pressure or flow rate of the gas,
The determination unit may determine whether the flow path is clogged based on the measurement result.
こうすることによって、ガスの圧力が所定範囲から外れている場合に、流路が詰まっていると判断することができる。また、ガスの流量が所定値よりも少ない場合に、流路が詰まっていると判断することができる。また、ガスの圧力や流量の測定値の経時変化によって、流路の詰まりを判断したり、将来的な流路の詰まりを予測したりしてもよい。測定値と所定の基準値との比較により、流路の詰まり具合を定量的に検出してもよい。 By doing so, it is possible to determine that the flow path is clogged when the gas pressure is out of the predetermined range. Further, when the gas flow rate is less than a predetermined value, it can be determined that the flow path is clogged. In addition, the blockage of the flow path may be determined or a future blockage of the flow path may be predicted based on a change in measured values of gas pressure and flow rate with time. The degree of clogging of the flow path may be quantitatively detected by comparing the measured value with a predetermined reference value.
本発明の第1の燃料電池システムにおいて、
前記給排気系は、酸素を供給するための酸素供給系と、水素を供給するための水素供給系と、前記燃料電池スタックで未使用の酸素を排出するための酸素排出系と、を含み、
前記判断部は、前記酸素排出系における前記酸素の流路が詰まっているか否かを判断するようにすることができる。
In the first fuel cell system of the present invention,
The supply / exhaust system includes an oxygen supply system for supplying oxygen, a hydrogen supply system for supplying hydrogen, and an oxygen discharge system for discharging unused oxygen in the fuel cell stack,
The determination unit may determine whether or not the oxygen flow path in the oxygen exhaust system is clogged.
燃料電池スタックは、水素極に供給された水素と酸素極に供給された酸素との電気化学反応によって発電を行う。このとき、酸素極側で生成水が生成される。そして、この生成水の大部分は、酸素排出系から排出される。このため、酸素排出系で水詰まりが生じやすい。本発明では、酸素排出系における酸素の流路が詰まっているか否かを判断するので、生成水による水詰まりが生じたときに、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。 The fuel cell stack generates power by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to the hydrogen electrode and oxygen supplied to the oxygen electrode. At this time, produced water is produced on the oxygen electrode side. And most of this generated water is discharged from the oxygen discharge system. For this reason, water clogging easily occurs in the oxygen discharge system. In the present invention, since it is determined whether or not the oxygen flow path in the oxygen exhaust system is clogged, it is possible to suppress deterioration of the fuel cell stack and a decrease in life when the clogged water is generated.
本発明の第2の燃料電池システムは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの供給量を増大させることを要旨とする。
The second fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell stack that outputs power;
A supply and exhaust system for supplying and discharging a predetermined gas to and from the fuel cell stack;
A control unit that sets an output target value based on a request output from the outside and controls the fuel cell stack;
A judgment unit for judging whether or not the gas flow path in at least a part of the supply / exhaust system and the fuel cell stack is clogged,
The gist of the present invention is that the control unit further increases the supply amount of the gas when the determination unit determines that the flow path is clogged.
こうすることによって、ガスの流路の詰まりの原因となる水や異物を、ガスの流れによって吹き飛ばし、除去することができる。 By doing so, water and foreign matters that cause clogging of the gas flow path can be blown off by the gas flow and removed.
本発明の第3の燃料電池システムでは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件が成立しているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記要求出力が増加し、かつ、前記判断部によって前記条件が成立していると判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定することを要旨とする。
In the third fuel cell system of the present invention,
A fuel cell stack that outputs power;
A supply and exhaust system for supplying and discharging a predetermined gas containing oxygen and hydrogen to the fuel cell stack;
A control unit that sets an output target value based on a request output from the outside and controls the fuel cell stack;
A storage unit for storing the output history;
A determination unit that determines, based on the history, whether or not a predetermined condition in which an amount of generated water that causes clogging of the gas flow path is generated in the fuel cell stack is satisfied,
The control unit further increases an increase rate of the output target value rather than an increase rate of the required output when the required output increases and the determination unit determines that the condition is satisfied. The gist is to set the output target value so that the value becomes smaller.
「ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件」としては、例えば、燃料電池スタックの出力が所定値よりも低い状態が所定時間以上継続した場合が挙げられる。このような条件が成立している場合には、要求出力が急激に増加し、それに応じた出力目標値を設定すると、燃料電池スタックに蓄積されていた生成水が急激に排出され、ガスの流路に水詰まりが生じる。本発明では、予め流路に生成水が詰まるおそれを予測して、要求出力の増加率よりも、出力目標値の増加率の方が小さくなるように、出力目標値を設定するので、生成水の生成量が急激に増加することを抑制することができる。この結果、流路の水詰まりを抑制することができる。 Examples of the “predetermined condition for generating the amount of generated water in the fuel cell stack that causes clogging of the gas flow path” include a state where the output of the fuel cell stack is lower than a predetermined value for a predetermined time or more There are cases. When such a condition is satisfied, the required output increases rapidly, and when the output target value is set accordingly, the generated water accumulated in the fuel cell stack is rapidly discharged, and the gas flow The road is clogged. In the present invention, the output target value is set so that the increase rate of the output target value is smaller than the increase rate of the required output by predicting that the generated water may be clogged in advance. It can suppress that the production amount of increases rapidly. As a result, water blockage in the flow path can be suppressed.
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。 The present invention can be configured as an invention of a control method of a fuel cell system in addition to the above-described configuration as a fuel cell system.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.燃料電池システムの構成:
B.運転制御:
C.異常時制御:
C1.第1実施例:
C2.第2実施例:
D.第3実施例(運転制御):
E.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Configuration of fuel cell system:
B. Operation control:
C. Abnormal control:
C1. First embodiment:
C2. Second embodiment:
D. Third embodiment (operation control):
E. Variation:
A.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者が車両に備えられたアクセルを操作すると、アクセル開度センサ101によって検出された操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。
A. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The fuel cell system of this embodiment is mounted as a power source in an electric vehicle driven by a motor. When the driver operates the accelerator provided in the vehicle, power generation is performed according to the operation amount detected by the
燃料電池スタック10は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極(以下、アノードと呼ぶ)と酸素極(以下、カソードと呼ぶ)とを配置した構成となっている(図示省略)。本実施例では、ナフィオン(登録商標)などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
The
燃料電池スタック10のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ40から吸入され、コンプレッサ41で圧縮された後、加湿器42で加湿され、配管35から燃料電池スタック10に供給される。カソードからの排気(以下、カソードオフガスと呼ぶ)は、配管36およびマフラ43を通じて外部に排出される。空気の供給圧力は、配管36に設けられた圧力センサ53で検出され、調圧バルブ27の開度によって制御される。
The cathode of the
配管36には、カソードオフガスとともに、水素と酸素との電気化学反応によりカソードで生成された生成水も排出される。この生成水は、図示しない回収機構によって回収され、加湿器42などで再利用される。
Along with the cathode off-gas, the
燃料電池スタック10のアノードには、配管31、32を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク20から水素が供給される。水素タンク20の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
Hydrogen is supplied to the anode of the
水素タンク20に貯蔵された高圧水素は、水素タンク20の出口に設けられたシャットバルブ21、レギュレータ22、高圧バルブ23、低圧バルブ24によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気(以下、アノードオフガスと呼ぶ)は、配管33に流出する。配管33には、圧力センサ51およびバルブ25が設けられており、これらは、アノードへの水素の供給圧力および量の制御に利用される。
The high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 20 is supplied to the anode after the pressure and supply amount are adjusted by a
配管33は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出ための排出管34に接続され、他方は逆止弁28を介して配管32に接続される。燃料電池スタック10での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管33にはアノードオフガスを加圧するためのポンプ45が設けられている。
The
排出管34に設けられた排出バルブ26が閉じられている間は、アノードオフガスは配管32を介して再び燃料電池スタック10に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。
While the
アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ26が開かれると、アノードオフガスは、排出管34を通り、希釈器44で空気によって希釈された後、外部に排出され、不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ26の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。
During the circulation of the anode off gas, hydrogen is consumed for power generation, while impurities other than hydrogen, for example, nitrogen that has permeated the electrolyte membrane from the cathode remain without being consumed, so that the impurity concentration gradually increases. When the
燃料電池スタック10には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ46によって、冷却用の配管37を流れ、ラジエータ38で冷却されて燃料電池スタック10に供給される。
The
燃料電池システムの運転は、制御ユニット100によって制御される。制御ユニット100は、内部にCPU、RAM、ROMを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット100に入出力される信号の一例を破線で示した。入力としては、例えば、圧力センサ53や、アクセル開度センサ101の検出信号などが挙げられる。出力としては、例えば、低圧バルブ24や、排出バルブ26や、調圧バルブ27や、コンプレッサ41などが挙げられる。
The operation of the fuel cell system is controlled by the
B.運転制御:
燃料電池スタック10で生成された生成水は、燃料電池スタック10の出力状況によって、配管36内で詰まる場合がある。例えば、燃料電池スタック10の出力が低く、生成水の量が少ない状態が長時間継続した場合には、生成水が排出されにくい状態になっている。この状態で、燃料電池スタック10の出力が急激に増加すると、排出される生成水の量も急激に増加する。この条件が成立した場合には、生成水は配管36内に詰まり易くなる。生成水が配管36内に詰まると、先に説明したように、燃料電池スタック10の電解質膜が劣化し、寿命低下を招く。従って、本実施例の燃料電池システムでは、このような寿命低下を抑制するための運転制御を行う。なお、本実施例の燃料電池システムでは、10分間以上継続して出力Pe以下で運転した後に、燃料電池スタック10の出力が急激に増加すると、配管36内に生成水が詰まり易い傾向にあることが既知であるものとする。この10分間という時間や、出力Peは、燃料電池システムによって異なり得る。
B. Operation control:
The generated water generated in the
図2は、燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。制御ユニット100のCPUが実行する処理である。まず、圧力センサ53の検出信号など各種信号を読み込み(ステップS100)、配管36内に生成水が詰まっているか否かを判断する(ステップS200)。本実施例では、圧力センサ53の測定値に基づいて、詰まっているか否かを判断するものとした。圧力センサ53の測定値が正常範囲から外れている場合に、配管36内に生成水が詰まっていると判断される。詰まっていないと判断した場合は、通常通りの運転制御(通常制御)を行う(ステップS300)。通常制御は、要求出力に応じた出力目標値を設定し、発電を行う制御である。ステップS200において、詰まっていると判断した場合は、異常時の運転制御(異常時制御)を行う(ステップS400)。以下、異常時制御について説明する。
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of operation control of the fuel cell system. This is a process executed by the CPU of the
C.異常時制御:
C1.第1実施例:
図3は、第1実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。まず、10秒間通常制御を行い(ステップS410)、圧力センサ53の検出信号を読み込み、配管36が詰まっているか否かを判断する(ステップS420)。ここで、10秒間通常制御を行うのは、図2に示したステップS200において、一旦、配管36内が詰まっていると判断されても、10秒程度通常制御を行う間に、配管36の詰まりが解消される場合があるからである。
C. Abnormal control:
C1. First embodiment:
FIG. 3 is a flowchart showing a flow of control at the time of abnormality as the first embodiment. First, normal control is performed for 10 seconds (step S410), the detection signal of the
なお、本実施例では、ステップS410において、配管36が詰まっていても、通常制御を10秒間行うものとしたが、この時間は、燃料電池システムごとに、好ましい値を任意に設定すればよい。また、ステップS410、S420を行わなくてもよい。
In the present embodiment, in step S410, even if the
ステップS420において、配管36の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。配管36の詰まりが解消されない場合は、燃料電池スタック10の出力目標値の上限値を制限し(ステップS430)、これを10秒間継続する(ステップS440)。本実施例では、ステップS430において、要求出力に対する出力目標値を一律通常制御時の90(%)に制限するものとした。また、本実施例では、ステップS440において、カソードへの圧縮空気の供給量は、通常制御時と同じ量を維持するものとした。こうすることによって、配管36に詰まった生成水が除去されやすくすることができる。
In step S420, if the clogging of the
次に、再度、圧力センサ53の検出信号を読み込み、配管36が詰まっているか否かを判断する(ステップS450)。配管36の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。解消されなければ、システムダウンする(ステップS460)。
Next, the detection signal of the
以上説明した第1実施例の異常時制御によれば、配管36内に生成水が詰まっているときに、燃料電池スタック10に所定値(本実施例では、最大出力の90(%))以上の出力を要求しないようにすることができる。この結果、燃料電池スタック10の劣化および寿命低下を抑制することができる。
According to the abnormality control of the first embodiment described above, when the generated water is clogged in the
C2.第2実施例:
図4は、第2実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。本実施例では、まず、調圧バルブ27およびコンプレッサ41を制御して、カソードに供給する空気の供給量を増大し(ステップS410a)、10秒間継続する(ステップS420a)。そして、圧力センサ53の検出信号を読み込み、配管36が詰まっているか否かを判断する(ステップS430a)。配管36の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。解消されなければ、システムダウンする(ステップS440a)。
C2. Second embodiment:
FIG. 4 is a flowchart showing a flow of control at the time of abnormality as the second embodiment. In this embodiment, first, the
以上説明した第2実施例の異常時制御によれば、配管36内に生成水が詰まっているときに、圧縮空気によって生成水を吹き飛ばし、除去することができる。この結果、燃料電池スタック10の劣化および寿命低下を抑制することができる。
According to the abnormality control of the second embodiment described above, the generated water can be blown off by the compressed air and removed when the generated water is clogged in the
D.第3実施例(運転制御):
上記第1および第2実施例では、配管36内に生成水が詰まった場合の異常時制御について説明した。本実施例では、配管36内に生成水が詰まることを予測し、回避するための運転制御を行う。なお、本実施例では、制御ユニット100のRAMが燃料電池スタック10の出力の履歴を記憶する機能を有している。
D. Third embodiment (operation control):
In the first and second embodiments, the control at the time of abnormality when the generated water is clogged in the
図5は、第3実施例としての燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。制御ユニット100のCPUが実行する処理である。まず、各種信号を読み込む(ステップS500)。そして、燃料電池スタック10の出力の履歴に基づいて、10分間以上継続して出力Pe以下で運転していたか否かを判断する(ステップS510)。先に説明したように、本実施例の燃料電池システムは、10分間以上継続して出力Pe以下で運転した後に、燃料電池スタック10の出力が急激に増加すると、配管36内に生成水が詰まり易い傾向にあることが既知であるからである。10分間以上継続して出力Pe以下で運転していない場合は、通常制御を行う(ステップS300)。
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of operation control of the fuel cell system as the third embodiment. This is a process executed by the CPU of the
ステップS510において、10分間以上継続して出力Pe以下で運転していた場合は、要求出力が増加したか否かを判断する(ステップS520)。ステップS520において、要求出力が増加していない場合は、通常制御を行う(ステップS300)。 In step S510, if the operation is continued for 10 minutes or more and the output Pe or less, it is determined whether or not the requested output has increased (step S520). If the requested output has not increased in step S520, normal control is performed (step S300).
ステップS520において、要求出力が増加した場合は、増加率制限制御を行う(ステップS530)。ここで、増加率制限制御とは、ステップS530の枠内にグラフで示したように、時刻tにおいて、要求出力が増加した場合に、その増加率よりも小さな増加率となるように、燃料電池スタック10の出力目標値を設定する制御である。増加率の制限は、例えば、要求出力の増加率に所定の係数を掛けることによって行ってもよいし、増加率に上限を設けることによって行ってもよい。
In step S520, when the requested output increases, increase rate restriction control is performed (step S530). Here, the increase rate limiting control means that the fuel cell has a rate of increase smaller than the rate of increase when the required output increases at time t as shown in the graph in step S530. This is control for setting the output target value of the
なお、この制御は、例えば、要求出力の増加量が所定値以上の場合や、増加率が所定値以上の場合に行うものとしてもよい。要求出力の増加量が所定値よりも少ない場合や、増加率が所定値よりも低い場合には、生成水の量が急激に増加することはないため、配管36内に生成水が詰まるおそれが少ないからである。
This control may be performed, for example, when the increase amount of the required output is a predetermined value or more, or when the increase rate is a predetermined value or more. When the increase amount of the required output is less than the predetermined value or when the increase rate is lower than the predetermined value, the amount of the generated water does not increase rapidly, so that the generated water may be clogged in the
以上説明した第3実施例の運転制御によれば、予め配管36内に生成水が詰まるおそれを予測し、抑制することができる。この結果、燃料電池スタック10の劣化および寿命低下を抑制することができる。
According to the operation control of the third embodiment described above, it is possible to predict and suppress the possibility that the generated water is clogged in the
E.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
E. Variation:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in various aspects is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.
E1.変形例1:
上記第1実施例では、異常時制御の際に、配管36の詰まり具合に関わらず、燃料電池スタック10の出力目標値を一律通常制御時の90(%)に制限したが、これに限られない。例えば、配管36内の圧力に応じて制限率を変化させるようにしてもよい。
E1. Modification 1:
In the first embodiment, the output target value of the
図6は、配管36内の圧力と制限率との関係の一例を示す説明図である。ここで、制限率100(%)とは、出力目標値の制限を行わないことを意味するものとする。図中に実線で示したように、圧力P0〜P1では、配管36に詰まりが生じていないものと判断して、通常制御を行い、制限を行わない(制限率100(%))。そして、圧力P1〜P2では、圧力に応じて、制限率を100〜80(%)に設定する。圧力P2を超えた場合は、システムダウンする。なお、図6では、圧力P1〜P2において、制限率を線形に変化させる場合について示したが、非線形に変化させてもよい。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the pressure in the
また、図中に一点鎖線で示したように、通常制御と異常時制御とを切り換えずに、配管36内の圧力に応じて制限率を設定するようにしてもよい。
Further, as indicated by a one-dot chain line in the figure, the limiting rate may be set according to the pressure in the
E2.変形例2:
上記第1実施例では、異常時制御の際に、要求出力に対して燃料電池スタック10の出力目標値を一律通常制御時の90(%)に制限したが、通常制御時の出力目標値に無関係に上限値を設定するものとしてもよい。また、出力目標値を要求出力に関わらず固定値にしてもよい。
E2. Modification 2:
In the first embodiment, the output target value of the
図7は、異常時制御の際の要求出力と出力目標値との関係の一例を示す説明図である。本変形例では、要求出力が最大出力の80(%)までは、通常制御時と同様に出力目標値を設定し、要求出力が80(%)以上のときに、目標出力値を80(%)に制限するものとした。本変形例によっても、第1実施例と同様に、燃料電池スタック10の劣化および寿命低下を抑制することができる。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the required output and the output target value in the control at the time of abnormality. In this modification, an output target value is set in the same way as during normal control until the required output is 80 (%) of the maximum output. When the required output is 80 (%) or more, the target output value is 80 (%). ). Also according to this modification, as in the first embodiment, it is possible to suppress the deterioration and lifetime reduction of the
E3.変形例3:
上記第1および第2実施例では、配管36が生成水によって詰まった場合を例に説明したが、これに限られない。燃料電池システムの給排気系におけるいずれかの配管が詰まった場合についても、同様に本発明を適用可能である。この場合、各配管に圧力センサを設け、配管内の圧力に基づいて、配管が詰まっているか否かを判断すればよい。また、配管の詰まりの原因は生成水に限らず、埃などの異物であってもよい。この場合も、本発明を適用することができる。
E3. Modification 3:
In the first and second embodiments, the case where the
E4.変形例4:
上記第1および第2実施例では、配管内の圧力に基づいて、配管が詰まっているか否かを判断するものとしたが、配管に流量計を設け、ガスの流量に基づいて、判断するものとしてもよい。
E4. Modification 4:
In the first and second embodiments, it is determined whether or not the pipe is clogged based on the pressure in the pipe. However, the pipe is provided with a flow meter and is determined based on the gas flow rate. It is good.
E5.変形例5:
上記実施例では、第1ないし第3実施例を個別に行うものとしたが、これらを組み合わせて行うようにしてもよい。
E5. Modification 5:
In the above embodiment, the first to third embodiments are individually performed, but may be performed in combination.
10...燃料電池スタック
20...水素タンク
21...シャットバルブ
22...レギュレータ
23...高圧バルブ
24...低圧バルブ
25...バルブ
26...排出バルブ
27...調圧バルブ
28...逆止弁
31〜33、35〜37...配管
34...排出管
38...ラジエータ
40...フィルタ
41...コンプレッサ
42...加湿器
43...マフラ
44...希釈器
45、46...ポンプ
51、53...圧力センサ
100...制御ユニット
101...アクセル開度センサ
10. Fuel cell stack 20 ...
Claims (11)
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記出力目標値の上限値を制限する、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell stack that outputs power;
A supply and exhaust system for supplying and discharging a predetermined gas to and from the fuel cell stack;
A control unit that sets an output target value based on a request output from the outside and controls the fuel cell stack;
A judgment unit for judging whether or not the gas flow path in at least a part of the supply / exhaust system and the fuel cell stack is clogged,
The control unit further limits the upper limit value of the output target value when the determination unit determines that the flow path is clogged.
Fuel cell system.
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、予め設定された所定時間後に、前記制限を行う、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The control unit performs the restriction after a predetermined time set in advance when the determination unit determines that the flow path is clogged.
Fuel cell system.
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの流量を維持するように、前記給排気系の動作を制御しつつ、前記制限を行う、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The control unit performs the restriction while controlling the operation of the supply / exhaust system so as to maintain the flow rate of the gas when the determination unit determines that the flow path is clogged.
Fuel cell system.
前記判断部は、前記流路の詰まり具合を、所定のパラメータに基づいて、定量的に検出可能であり、
前記制御部は、前記パラメータに応じて、前記制限を行う、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The determination unit is capable of quantitatively detecting the degree of clogging of the flow path based on a predetermined parameter,
The control unit performs the restriction according to the parameter.
Fuel cell system.
前記給排気系は、前記ガスの圧力または流量を測定するための測定部を備え、
前記判断部は、前記測定結果に基づいて、前記流路が詰まっているか否かを判断する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The supply / exhaust system includes a measurement unit for measuring the pressure or flow rate of the gas,
The determination unit determines whether the flow path is clogged based on the measurement result;
Fuel cell system.
前記給排気系は、酸素を供給するための酸素供給系と、水素を供給するための水素供給系と、前記燃料電池スタックで未使用の酸素を排出するための酸素排出系と、を含み、
前記判断部は、前記酸素排出系における前記酸素の流路が詰まっているか否かを判断する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The supply / exhaust system includes an oxygen supply system for supplying oxygen, a hydrogen supply system for supplying hydrogen, and an oxygen discharge system for discharging unused oxygen in the fuel cell stack,
The determination unit determines whether or not the oxygen flow path in the oxygen exhaust system is clogged;
Fuel cell system.
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの供給量を増大させる、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell stack that outputs power;
A supply and exhaust system for supplying and discharging a predetermined gas to and from the fuel cell stack;
A control unit that sets an output target value based on a request output from the outside and controls the fuel cell stack;
A judgment unit for judging whether or not the gas flow path in at least a part of the supply / exhaust system and the fuel cell stack is clogged,
The control unit further increases the supply amount of the gas when the determination unit determines that the flow path is clogged.
Fuel cell system.
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件が成立しているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記要求出力が増加し、かつ、前記判断部によって前記条件が成立していると判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell stack that outputs power;
A supply and exhaust system for supplying and discharging a predetermined gas containing oxygen and hydrogen to the fuel cell stack;
A control unit that sets an output target value based on a request output from the outside and controls the fuel cell stack;
A storage unit for storing the output history;
A determination unit that determines, based on the history, whether or not a predetermined condition in which an amount of generated water that causes clogging of the gas flow path is generated in the fuel cell stack is satisfied,
The control unit further increases an increase rate of the output target value rather than an increase rate of the required output when the required output increases and the determination unit determines that the condition is satisfied. The output target value is set so that is smaller.
Fuel cell system.
(a)外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
(b)前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する工程と、
(c)前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記出力目標値の上限値を制限する工程と、
を備える制御方法。 A fuel cell system control method comprising: a fuel cell stack that outputs electric power; and a supply / exhaust system that supplies and discharges a predetermined gas to and from the fuel cell stack,
(A) setting an output target value based on a request output from the outside, and controlling the fuel cell stack;
(B) determining whether the gas flow path in at least a part of the supply / exhaust system and the fuel cell stack is clogged;
(C) limiting the upper limit of the output target value when it is determined that the flow path is clogged;
A control method comprising:
(a)外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
(b)前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否か判断する工程と、
(c)前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの供給量を増大させる工程と、
を備える制御方法。 A fuel cell system control method comprising: a fuel cell stack that outputs electric power; and a supply / exhaust system that supplies and discharges a predetermined gas to and from the fuel cell stack,
(A) setting an output target value based on a request output from the outside, and controlling the fuel cell stack;
(B) determining whether the gas flow path in at least a part of the supply / exhaust system and the fuel cell stack is clogged;
(C) increasing the supply amount of the gas when it is determined that the flow path is clogged;
A control method comprising:
(a)外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
(b)前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件が成立しているか否かを判断する工程と、
(c)前記要求出力が増加したか否かを判断する工程と、
(d)前記要求出力が増加し、かつ、前記条件が成立していると判断したときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する工程と、
を備える制御方法。 A control method for a fuel cell system, comprising: a fuel cell stack that outputs electric power; a supply / exhaust system that supplies and discharges a predetermined gas to and from the fuel cell stack; and a storage unit that stores the output history. There,
(A) setting an output target value based on a request output from the outside, and controlling the fuel cell stack;
(B) based on the history, determining whether or not a predetermined condition in which an amount of generated water that causes clogging of the gas flow path is generated in the fuel cell stack is satisfied;
(C) determining whether the required output has increased;
(D) When it is determined that the required output increases and the condition is satisfied, the increase rate of the output target value is smaller than the increase rate of the required output. A step of setting an output target value;
A control method comprising:
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