JP2009129760A - Fuel cell system and control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
従来より、燃料極に燃料ガス(例えば、水素)が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス(例えば、空気)が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を主体に構成されるが、その含水状態によって発電性能が左右される。 Conventionally, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas (for example, air) is supplied to the oxidant electrode, and these gases are reacted electrochemically to generate power. There is known a fuel cell system including a fuel cell for performing the above. The fuel cell is mainly composed of a fuel cell structure in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and the power generation performance depends on the water content.
例えば、特許文献1には、燃料電池の電気的な抵抗を時系列的に測定し、これら測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出することにより、電解質膜の湿潤状態を判断する手法が開示されている。
ところで、特許文献1の手法によれば、燃料電池の湿潤状態を判断することについては開示されているものの、燃料電池の劣化状態を判定する手法についてまでは開示されていない。
By the way, according to the method of
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の劣化状態を精度よく判定することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to accurately determine the deterioration state of the fuel cell.
かかる課題を解決するために、本発明は、システムの停止処理において、燃料電池に対するパージ運転を行う。そして、パージ運転に対応して、燃料電池の触媒層における残留水量を推定し、この推定結果に基づいて、燃料電池の劣化状態を判定する。 In order to solve this problem, the present invention performs a purge operation on the fuel cell in the system stop process. Then, in response to the purge operation, the amount of residual water in the catalyst layer of the fuel cell is estimated, and the deterioration state of the fuel cell is determined based on the estimation result.
本発明によれば、パージ運転が実行されると触媒層の残留水の排出が促進されるシーンであるが、これにも係わらず触媒層の残留水量が多いということは、触媒層が劣化してその撥水性が低下していると判定することができる。よって、パージ運転に対応して触媒層の残留水量を推定することにより、燃料電池(触媒層)の劣化を精度よく判定することができる。 According to the present invention, when the purge operation is executed, the discharge of the residual water in the catalyst layer is promoted. Nevertheless, the large amount of residual water in the catalyst layer is nonetheless that the catalyst layer deteriorates. Therefore, it can be determined that the water repellency is lowered. Therefore, it is possible to accurately determine the deterioration of the fuel cell (catalyst layer) by estimating the amount of residual water in the catalyst layer corresponding to the purge operation.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle that is a moving body, and the vehicle is driven by electric power supplied from the fuel cell system.
燃料電池システムは、燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セルを積層して構成されている。個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜の両面に触媒(例えば、白金)層を設け、この触媒層を介して燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成される。燃料電池スタック1は、個々の燃料電池セルにおいて、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
The fuel cell system includes a
燃料電池システムは、燃料電池スタック1に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック1に空気を供給するための空気系とをさらに有している。
The fuel cell system further includes a hydrogen system for supplying hydrogen to the
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク10(例えば、高圧水素ボンベ)に貯蔵されており、この燃料タンク10から水素供給流路L1を介して燃料電池スタック1に供給される。具体的には、燃料タンク10の下流には燃料タンク元バルブ(図示せず)が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク10からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ(図示せず)によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ11によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック1に供給される。燃料電池スタック1に供給される水素圧力は、水素調圧バルブ11の開度を制御することによって調整することができる。
In the hydrogen system, hydrogen, which is a fuel gas, is stored in a fuel tank 10 (for example, a high-pressure hydrogen cylinder), and is supplied from the
燃料極からの排出ガス(未使用の水素を含むガス)は、燃料電池スタック1から水素循環流路L2に排出される。この水素循環流路L2は、他方の端部が水素調圧バルブ11よりも下流側の水素供給流路L1に接続されており、水素循環流路L2には、例えば、水素循環ポンプ12といったガス循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ12を駆動することにより、燃料極からの排出ガスが、燃料電池スタック1へと循環させられる。
Exhaust gas from the fuel electrode (gas containing unused hydrogen) is discharged from the
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路L2内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック1からの出力が低下するといった不都合が生じるため、燃料極を含む水素循環流路L2内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路L2には、循環ガスを外部に排出するパージ流路L3が設けられている。パージ流路L3には、パージバルブ13が設けられており、このパージバルブ13の開き量を調整することにより、パージ流路L3を介して外部に排出される窒素量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路L2内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。また、パージ流路L3には、水素燃焼器14が設けられており、この水素燃焼器14により、ガス中に含まれる水素が燃焼処理される。
By the way, in the case of using air as the oxidant gas, since impurities in the air permeate from the oxidant electrode to the fuel electrode, the impurities in the hydrogen circulation passage L2 including the fuel electrode increase and the hydrogen partial pressure decreases. Tend to. Here, the impurity is a non-fuel gas component other than hydrogen which is a fuel gas, and a typical example is nitrogen. If the amount of nitrogen is excessively increased, the output from the
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)20によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路L4を介して燃料電池スタック1に供給される。酸化剤極からの排出ガス(酸素が消費された空気)は、空気排出流路L5を介して外部に排出される。また、空気排出流路L5には、燃料電池スタック1へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ21が設けられている。
In the air system, for example, when the air that is the oxidant gas is taken in by the compressor (oxidant gas supply means) 20, it is pressurized and supplied to the
燃料電池スタック1には、電力取出装置2が接続されている。この電力取出装置2は、後述する制御部30によって制御され、燃料電池スタック1から電流を取り出すことにより、燃料電池スタック1において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ3やコンプレッサ20などの補機に供給する。
A power extraction device 2 is connected to the
制御部30は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック1の運転状態を制御する。制御部30としては、CPU、ROM、RAM、I/Oインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部30は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ(図示せず)に出力し、水素調圧バルブ11、水素循環ポンプ12、パージバルブ13、コンプレッサ20、空気調圧バルブ21、電力取出装置2といった種々の要素を制御する。
The
制御部30には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。インピーダンスセンサ31は、交流電圧を印加することにより、燃料電池スタック1のインピーダンスを検出するセンサであり、本実施形態では、燃料電池セルを対象として、そのインピーダンスを検出する。
Sensor signals from various sensors and the like are input to the
本実施形態との関係において、制御部30は、以下に示す機能を担っている。第1に、制御部30は、システムの停止を前提として実行する停止処理において、コンプレッサ20を制御して燃料電池スタック1の酸化剤極に空気を供給することにより、燃料電池スタック1に対するパージ運転を行う(処理手段)。第2に、制御部30は、パージ運転に対応して、燃料電池セルの触媒層における残留水量を推定する(推定手段)。第3に、制御部30は、残留水量の推定結果に基づいて、燃料電池スタック1の劣化状態を判定する。
In relation to the present embodiment, the
ここで、パージ運転は、燃料電池スタック1内の反応ガスの流路等(具体的には、流路そのものや触媒層および電解質膜を含む)に残留する生成水(以下「残留水」という)をパージするために行われる処理である。このパージ運転は、システムの停止後、氷点下の環境になった場合であっても、残留水をパージしておくことにより、燃料電池スタック1の凍結を抑制し、これにより、次回の起動時にスムーズに運転を行うことができるようにといった観点から実行される。
Here, the purge operation is the generated water (hereinafter referred to as “residual water”) remaining in the flow path of the reaction gas in the fuel cell stack 1 (specifically, including the flow path itself, the catalyst layer, and the electrolyte membrane). Is a process performed for purging. This purge operation suppresses freezing of the
図2は、本発明の第1の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、システム停止を指示するトリガー信号の入力によって呼び出され、制御部30によって実行される。
FIG. 2 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The processing shown in this flowchart is invoked by the input of a trigger signal that instructs the system to stop, and is executed by the
まず、ステップ1(S1)において、パージ運転を行うか否かが判断される。このパージ運転は、システムの停止を前提として実行される処理であり、システムの停止が指示されている場合には、パージ運転の実行が判断されることとなる。このステップ1において肯定判定された場合、すなわち、パージ運転を行う場合には、ステップ2(S2)以降の処理に進む。一方、ステップ1において否定判定された場合、すなわち、パージ運転を行わない場合には、本ルーチンを終了する。
First, in step 1 (S1), it is determined whether or not to perform a purge operation. This purge operation is a process executed on the premise that the system is stopped. When the stop of the system is instructed, the execution of the purge operation is determined. If an affirmative determination is made in
ステップ2において、パージが開始される。具体的には、制御部30は、燃料電池スタック1の燃料極に対する水素の供給を停止した状態で、燃料電池スタック1の酸化剤極に対してのみ空気を供給する。制御部30は、パージ開始にともない、パージ運転における空気流量を規定したパージ流量Qに対応した空気を供給する。ここで、燃料電池スタック1を含むシステムの構成等を考慮した上で、燃料電池のパージが適切に行えるように、パージ流量Qの基準値(基準パージ流量)Qsが、実験やシミュレーションを通じて予め決定されており、初期的には、基準パージ流量Qsがパージ流量Qとして設定されている。
In step 2, the purge is started. Specifically, the
ステップ3(S3)において、インピーダンスの検出が開始される。具体的には、制御部30は、インピーダンスセンサ31から検出信号を読み込み、この検出信号に基づいてインピーダンスを特定する。また、制御部30は、インピーダンスの検出を一度開始すると、所定の周期でこれを検出し、これにより、インピーダンスが時系列的に取得される。
In step 3 (S3), impedance detection is started. Specifically, the
ステップ4(S4)において、インピーダンスの時間変化率αが算出される。ここで、時間変化率αは、単位時間当たりのインピーダンスの変化である。 In step 4 (S4), the time change rate α of impedance is calculated. Here, the time change rate α is a change in impedance per unit time.
ステップ5(S5)において、時間変化率αが判定変化率αth以上であるか否かが判断される。インピーダンスの時間変化率αは、触媒層における残留水量と相関があり、残留水素量が多い程、時間変化率が小さくなるという傾向を有している。そこで、実験やシミュレーションを通じて判定変化率αthを予め適切な値に設定しておくことにより、この判定変化率αthと時間変化率αとの比較から、図3(a)に示すような時間変化率αが大きいシーンでは、触媒層の残留水量が少ない、もしくは、図3(b)に示すような時間変化率αが小さいシーンでは、触媒層の残留水量が多いといった推定を行うことができる。このステップ5において肯定判定された場合、すなわち、時間変化率αが判定変化率αth以上である場合には(α≧αth)、ステップ6(S6)に進む。ステップ5において否定判定された場合、すなわち、時間変化率αが判定変化率αthよりも小さい場合には(α<αth)、ステップ9(S9)に進む。
In step 5 (S5), it is determined whether the time change rate α is equal to or greater than the determination change rate αth. The time change rate α of the impedance has a correlation with the residual water amount in the catalyst layer, and there is a tendency that the time change rate decreases as the residual hydrogen amount increases. Therefore, by setting the determination change rate αth to an appropriate value in advance through experiments and simulations, the time change rate as shown in FIG. 3A is obtained from a comparison between the determination change rate αth and the time change rate α. It can be estimated that in a scene where α is large, the amount of residual water in the catalyst layer is small, or in a scene where the time change rate α is small as shown in FIG. If an affirmative determination is made in
ステップ6(S6)において、パージ時間Tが短縮パージ時間Taに設定(変更)される。このパージ時間Tは、パージ処理の継続時間を規定する時間である。燃料電池スタック1を含むシステムの構成等を考慮した上で、燃料電池のパージが適切に行えるように、パージ時間Tの基準値(基準パージ時間)Tsが実験やシミュレーションを通じて予め決定されており、初期的には、基準パージ時間Tsがパージ時間Tとして設定されている。これに対して、短縮パージ時間Taは、パージ時間Tを基準パージ時間Tsよりも短い時間に設定するパラメータであり、例えば、基準パージ時間TsをA(0<A<100)%短縮する値として設定されている(例えば、基準パージ時間Tsより10%短縮)。
In step 6 (S6), the purge time T is set (changed) to the shortened purge time Ta. The purge time T is a time that defines the duration of the purge process. In consideration of the configuration of the system including the
ステップ7(S7)において、パージ開始からの経過時間がパージ時間Tに到達したか否かが判断される。このステップ7において肯定判定された場合、すなわち、経過時間がパージ時間Tに到達した場合には、ステップ8(8)に進む。一方、ステップ7において否定判定された場合、すなわち、経過時間がパージ時間Tに到達していない場合には、ステップ3の処理に戻る。
In step 7 (S7), it is determined whether or not the elapsed time from the start of the purge has reached the purge time T. If an affirmative determination is made in
ステップ8において、パージが終了される。具体的には、制御部30は、燃料電池スタック1の酸化剤極に対する空気を終了する。
In
ステップ9において、パージ時間Tが増加パージ時間Tbに設定(変更)される。この増加パージ時間Tbは、パージ時間Tを基準パージ時間Tsよりも長い時間に設定するパラメータであり、例えば、基準パージ時間TsをB(0<B<100)%増加する値として設定されている(例えば、20%増加)。 In step 9, the purge time T is set (changed) to the increased purge time Tb. The increased purge time Tb is a parameter for setting the purge time T to a time longer than the reference purge time Ts, and is set, for example, as a value that increases the reference purge time Ts by B (0 <B <100)%. (For example, 20% increase).
ステップ10(S10)において、時間変化率αが判定変化率αth以上であるか否かが判断される。ステップ9において肯定判定された場合、すなわち、時間変化率αが判定変化率αth以上である場合には(α≧αth)、ステップ7(S7)に進む。ステップ9において否定判定された場合、すなわち、時間変化率αが判定変化率αthよりも小さい場合には(α<αth)、ステップ10(S10)に進む。 In step 10 (S10), it is determined whether the time change rate α is equal to or greater than the determination change rate αth. If an affirmative determination is made in step 9, that is, if the time change rate α is greater than or equal to the determination change rate αth (α ≧ αth), the process proceeds to step 7 (S7). If a negative determination is made in step 9, that is, if the time change rate α is smaller than the determination change rate αth (α <αth), the process proceeds to step 10 (S10).
ステップ10において、パージ流量Qが増加パージ流量Qcに設定(変更)される。この増加パージ流量Qcは、パージ流量Qを基準パージ流量Qsよりも長い時間に設定するパラメータであり、例えば、基準パージ流量QsをC(0<C<100)%増加する値として設定されている(例えば、30%増加)。
In
このように本実施形態において、制御部30は、システムの停止処理において、燃料電池スタック1に対するパージ運転を行う。そして、制御部30は、パージ運転に対応して、燃料電池セルの触媒層における残留水量を推定し、この推定結果に基づいて、燃料電池セル(具体的には、触媒層)の劣化状態を判定する。
Thus, in the present embodiment, the
個々の燃料電池セルにおいて、触媒層の劣化が進むと、その撥水性が低下するため、生成水が残留し易くなる。また、パージ運転においてパージが実行されると、供給される空気により触媒層の残留水の排出が促進されるシーンであるが、これにも係わらず触媒層の残留水量が多いということは、触媒層の撥水性が低下していると判定することができる。そのため、パージ運転に対応して、触媒層の残留水量を推定することにより、燃料電池スタック1の劣化を精度よく判定することができる。
In each fuel cell, when the catalyst layer is further deteriorated, the water repellency is lowered, and thus the generated water tends to remain. In addition, when purge is performed in the purge operation, discharge of residual water in the catalyst layer is promoted by the supplied air. Nevertheless, a large amount of residual water in the catalyst layer is It can be determined that the water repellency of the layer is reduced. Therefore, it is possible to accurately determine the deterioration of the
また、インピーダンスの時間変化率αは、触媒層における残留水量と相関があり、残留水素量が多い程、時間変化率が小さくなるという傾向を有している。そのため、このインピーダンスの時間変化率αから、燃料電池スタック1の劣化を精度よく判定することができる。
Moreover, the time change rate α of the impedance has a correlation with the amount of residual water in the catalyst layer, and the time change rate tends to decrease as the amount of residual hydrogen increases. Therefore, it is possible to accurately determine the deterioration of the
また、本実施形態によれば、システムの停止処理として実行されるパージ運転を利用して、燃料電池スタック1の劣化を判断することができる。これにより、凍結等の抑制に寄与するパージ運転と、燃料電池スタック1の劣化判定という双方の機能を同時並行的に実現することができる。
Further, according to the present embodiment, it is possible to determine the deterioration of the
また、本実施形態において、制御部30は、劣化判定の結果に基づいて、パージ運転の運転条件を変更している。燃料電池セルの劣化状態は、触媒層の残留水量と相関を有するため、この残留水をパージ運転により効果的にパージするためには、燃料電池セルの劣化状態に応じてパージ運転の運転条件を変更する必要がある。本実施形態によれば、触媒層の残留水量に応じて運転条件が設定されるため、これを有効にパージすることができ、触媒層における残留水の低減を図ることができる。また、触媒層内の残留水量が低減された場合には、システムの停止期間が低温環境であったとしても、その凍結可能性が低減される。これにより、起動時には、反応ガスが触媒層に到達し易くなるため、起動をスムーズに実施することができる。
In the present embodiment, the
具体的には、制御部30は、燃料電池セルが劣化している程、基準パージ時間Tsよりも時間を延長してパージ運転を行う。また、制御部30は、燃料電池セルが劣化している程、基準パージ流量Qsよりも流量を増加してパージ運転を行う。かかる手法によれば、触媒層の残留水量を有効にパージすることができる。
Specifically, the
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。第2の実施形態に係る燃料電池システムが第1の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池スタック1の温度に基づいて触媒層における残留水量を推定することである。なお、第1の実施形態と重複する構成に関する説明は省略することとし、以下相違点について説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the second embodiment is different from that of the first embodiment in that the amount of residual water in the catalyst layer is estimated based on the temperature of the
本実施形態にかかる燃料電池システムは、第1の実施形態におけるインピーダンスセンサ31に代えて、温度センサ(温度検出手段)32を検出する。この温度センサ32は、燃料電池スタック1の温度を検出するセンサであり、本実施形態では、燃料電池セルを対象として、その温度(以下「セル温度」という)を検出する。温度センサ32によって検出されるセル温度は、制御部30によって必要に応じて読み込まれる。
The fuel cell system according to the present embodiment detects a temperature sensor (temperature detection means) 32 instead of the
図5は、本発明の第2の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、システム停止を指示するトリガー信号の入力によって呼び出され、制御部30によって実行される。
FIG. 5 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The processing shown in this flowchart is invoked by the input of a trigger signal that instructs the system to stop, and is executed by the
まず、ステップ20(S20)において、パージ運転を行うか否かが判断される。ステップ20において肯定判定された場合、すなわち、パージ運転を行う場合には、ステップ21(S21)以降の処理に進む。一方、ステップ20において否定判定された場合、すなわち、パージ運転を行わない場合には、本ルーチンを終了する。
First, in step 20 (S20), it is determined whether or not a purge operation is performed. If an affirmative determination is made in
ステップ21において、セル温度の検出が開始される。具体的には、制御部30は、温度センサ32から検出信号を読み込み、この検出信号に基づいてセル温度を特定する。また、制御部30は、セル温度の検出を一度開始すると、所定の周期でこれを検出し、これにより、セル温度が時系列的に取得される。
In
ステップ22(S22)において、パージ処理が行われる。具体的には、制御部30は、燃料電池スタック1の燃料極に対する水素の供給を停止した状態で、燃料電池スタック1の酸化剤極に対してのみ空気を供給する。このパージ処理は、パージ流量Qに対応した空気の供給を開始し、この開始タイミングからの経過時間がパージ時間Tに到達したことを条件として空気の供給を停止する、一連の処理を含んでいる。第1の実施形態と同様、パージ時間Tおよびパージ流量Qは、基準パージ時間Tsおよび基準パージ流量Qsに設定されている。
In step 22 (S22), a purge process is performed. Specifically, the
ステップ23(S23)において、セル温度の時間変化率βを算出した上で、この時間変化率βが判定変化率βth以下であるか否かが判断される。 In step 23 (S23), after calculating the time change rate β of the cell temperature, it is determined whether or not this time change rate β is equal to or less than the determination change rate βth.
ここで、時間変化率βは、単位時間当たりのセル温度の変化である。このセル温度の時間変化率βは、触媒層における残留水量と相関があり、残留水素量が多い程、時間変化率βが大きくなる傾向を有している。そこで、実験やシミュレーションを
そこで、実験やシミュレーションを通じて判定変化率βthを予め適切な値に設定しておくことにより、この判定変化率βthと時間変化率βとの比較から、図6(a)に示すような時間変化率βが大きいシーンでは、触媒層の残留水量が多い、もしくは、図6(b)に示すような時間変化率βが小さいシーンでは、触媒層の残留水量が少ないといった推定を行うことができる。このステップ23において肯定判定された場合、すなわち、時間変化率βが判定変化率βth以下である場合には(β≦βth)、本ルーチンを終了する。一方、ステップ23において否定判定された場合、すなわち、時間変化率βが判定変化率βthよりも大きい場合には(β>βth)、ステップ24(S24)に進む。
Here, the time change rate β is a change in the cell temperature per unit time. The time change rate β of the cell temperature has a correlation with the residual water amount in the catalyst layer, and the time change rate β tends to increase as the residual hydrogen amount increases. Therefore, in the experiment or simulation, the determination change rate βth is set to an appropriate value in advance through the experiment or simulation, and the comparison between the determination change rate βth and the time change rate β is shown in FIG. It is estimated that the amount of residual water in the catalyst layer is large in a scene where the time change rate β is large as shown, or that the residual water amount in the catalyst layer is small in a scene where the time change rate β is small as shown in FIG. It can be carried out. If the determination in step 23 is affirmative, that is, if the time change rate β is equal to or less than the determination change rate βth (β ≦ βth), this routine ends. On the other hand, if a negative determination is made in step 23, that is, if the time change rate β is greater than the determination change rate βth (β> βth), the process proceeds to step 24 (S24).
ステップ24において、パージ処理が行われる。具体的には、この処理では、ステップ22の処理と同様に、パージ時間Tは基準パージ時間Tsに、パージ流量Qは基準パージ流量Qsに設定された状態で行われる。 In step 24, a purge process is performed. Specifically, in this process, similarly to the process in step 22, the purge time T is set to the reference purge time Ts, and the purge flow rate Q is set to the reference purge flow rate Qs.
ステップ25(S25)において、セル温度の時間変化率βを算出した上で、この時間変化率βが判定変化率βth以下であるか否かが判断される。ステップ35において肯定判定された場合、すなわち、時間変化率βが判定変化率βth以下である場合には(β≦βth)、本ルーチンを終了する。一方、ステップ25において否定判定された場合、すなわち、時間変化率βが判定変化率βthよりも大きい場合には(β>βth)、ステップ26(S26)に進む。 In step 25 (S25), after calculating the time change rate β of the cell temperature, it is determined whether or not this time change rate β is equal to or less than the determination change rate βth. If the determination in step 35 is affirmative, that is, if the time change rate β is equal to or less than the determination change rate βth (β ≦ βth), this routine ends. On the other hand, if a negative determination is made in step 25, that is, if the time change rate β is larger than the determination change rate βth (β> βth), the process proceeds to step 26 (S26).
ステップ26において、基準パージ流量Qsが現在よりもC%増加した値に設定(変更)される。 In step 26, the reference purge flow rate Qs is set (changed) to a value increased by C% from the present.
このように本実施形態において、制御部30は、システムの停止処理において、燃料電池スタック1に対するパージ運転を行う。そして、制御部30は、パージ運転に対応して、燃料電池セルの触媒層における残留水量を推定し、この推定結果に基づいて、燃料電池セル(具体的には、触媒層)の劣化状態を判定する。
Thus, in the present embodiment, the
個々の燃料電池セルにおいて、触媒層の劣化が進むと、その撥水性が低下するため、生成水が残留し易くなる。また、パージ運転においてパージが実行されるシーンは、供給される空気により触媒層の残留水の排出が促進されるシーンであるが、これにも係わらず触媒層の残留水量が多いということは、触媒層の撥水性が低下していると判定することができる。そのため、パージ運転に対応して、触媒層の残留水量を推定することにより、燃料電池スタック1の劣化を精度よく判定することができる。
In each fuel cell, when the catalyst layer is further deteriorated, the water repellency is lowered, and thus the generated water tends to remain. In addition, the scene in which purge is executed in the purge operation is a scene in which discharge of residual water in the catalyst layer is promoted by the supplied air, but in spite of this, the amount of residual water in the catalyst layer is large. It can be determined that the water repellency of the catalyst layer is lowered. Therefore, it is possible to accurately determine the deterioration of the
また、セル温度の時間変化率βは、触媒層における残留水量と相関があり、残留水素量が多い程、時間変化率が大きくなるという傾向を有している。そのため、このセル温度の時間変化率βから、燃料電池スタック1の劣化を精度よく判定することができる。
Further, the time change rate β of the cell temperature is correlated with the amount of residual water in the catalyst layer, and the time change rate tends to increase as the amount of residual hydrogen increases. Therefore, the deterioration of the
また、本実施形態において、制御部30は、劣化判定の結果に基づいて、パージ運転の運転条件を変更している。燃料電池セルの劣化状態は、触媒層の残留水量と相関を有するため、この残留水をパージ運転により効果的にパージするためには、燃料電池セルの劣化状態に応じてパージ運転の運転条件を変更する必要がある。本実施形態によれば、触媒層の残留水量に応じて運転条件が設定されるため、これを有効にパージすることができ、触媒層における残留水の低減を図ることができる。また、触媒層内の残留水量が低減された場合には、システムの停止期間が低温環境であったとしても、その凍結可能性が低減される。これにより、起動時には、反応ガスが触媒層に到達し易くなるため、起動をスムーズに実施することができる。
In the present embodiment, the
具体的には、制御部30は、パージ処理を繰り返すことにより、燃料電池セルが劣化している程、基準パージ時間Tsよりも時間を延長してパージ運転を行う。また、制御部30は、燃料電池セルが劣化している程、基準パージ流量Qsよりも流量を増加してパージ運転を行う。かかる手法によれば、触媒層の残留水量を有効にパージすることができる。
Specifically, by repeating the purge process, the
なお、本実施形態では、セル温度の時間変化率βに基づいて、触媒層における残留水量を推定しているが、本発明はこれに限定されない。セル温度の経時的な変化は、触媒層における残留水量と相関があり、残留水素量が多い程、所定の温度変化幅に収まるまでの時間が長い時間変化率が大きくなるという傾向を有している。ここで、温度変化幅は、温度変化が一定と見なすことができる程度の温度範囲として予め定められている。かかる構成であっても、セル温度の経時的な変化から、燃料電池スタック1の劣化を精度よく判定することができる。
In the present embodiment, the residual water amount in the catalyst layer is estimated based on the time change rate β of the cell temperature, but the present invention is not limited to this. The change in cell temperature over time correlates with the amount of residual water in the catalyst layer, and the larger the amount of residual hydrogen, the longer the time until the temperature changes within a predetermined range of temperature change, the greater the rate of change over time. Yes. Here, the temperature change width is determined in advance as a temperature range in which the temperature change can be regarded as constant. Even with such a configuration, it is possible to accurately determine the deterioration of the
1 燃料電池スタック
2 電力取出装置
3 電動モータ
10 燃料タンク
11 水素調圧バルブ
12 水素循環ポンプ
13 パージバルブ
14 水素燃焼器
20 コンプレッサ
21 空気調圧バルブ
30 制御部
31 インピーダンスセンサ
32 温度センサ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
電解質膜の両面に触媒層を設け、当該触媒層を介して燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
システムの停止を前提として実行する停止処理において、前記酸化剤ガス供給手段を制御して前記燃料電池に酸化剤ガスを供給することにより、前記燃料電池に対するパージ運転を行う処理手段と、
前記パージ運転に対応して、前記燃料電池の触媒層における残留水量を推定する推定手段と、
前記推定手段の推定結果に基づいて、前記燃料電池の劣化状態を判定する判定手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell structure in which a catalyst layer is provided on both surfaces of an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidant electrode are provided via the catalyst layer, a fuel gas supplied to the fuel electrode, and the oxidant electrode A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting with an oxidant gas supplied to the
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
In a stop process executed on the premise of system stop, a processing means for performing a purge operation on the fuel cell by controlling the oxidant gas supply means and supplying an oxidant gas to the fuel cell;
In response to the purge operation, estimating means for estimating the amount of residual water in the catalyst layer of the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a determination unit that determines a deterioration state of the fuel cell based on an estimation result of the estimation unit.
前記推定手段は、前記パージ運転時において前記インピーダンス検出手段によって時系列的に検出されるインピーダンスの時間的な変化率を演算し、当該演算された前記変化率が小さい程、前記残留水量が多いと推定することを特徴とする請求項1または2に記載された燃料電池システム。 Further comprising impedance detection means for detecting the impedance of the fuel cell;
The estimation means calculates a temporal change rate of impedance detected by the impedance detection means in time series during the purge operation, and the smaller the calculated change rate, the larger the residual water amount. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is estimated.
前記推定手段は、前記パージ運転時において前記温度検出手段によって時系列的に検出される前記燃料電池の温度の時間的な変化率を演算し、当該演算された前記変化率が大きい程、前記残留水量が多いと推定することを特徴とする請求項1または2に記載された燃料電池システム。 Further comprising temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
The estimation means calculates a temporal change rate of the temperature of the fuel cell detected in time series by the temperature detection means during the purge operation, and the larger the calculated change rate, the more the residual The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the amount of water is estimated to be large.
前記推定手段は、前記パージ運転時において前記温度検出手段によって時系列的に検出された前記燃料電池の経時的な温度変化が、当該温度変化を一定と見なすことができる予め定められた温度変化幅に収まるまでの時間が長い程、前記残留水量が多いと推定することを特徴とする請求項1または2に記載された燃料電池システム。 Further comprising temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
The estimation means has a predetermined temperature change range in which the temperature change over time of the fuel cell detected in time series by the temperature detection means during the purge operation can be regarded as constant. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the remaining water amount is estimated to increase as the time until it falls within the range.
電解質膜の両面に触媒層を設け、当該触媒層を介して燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
システムの停止を前提として実行する停止処理において、前記酸化剤ガス供給手段を制御して前記燃料電池に酸化剤ガスを供給して、前記燃料電池に対するパージ運転を行う処理手段と、
前記パージ運転に対応して、前記燃料電池の触媒層における残留水量を推定する推定手段とを有し、
前記処理手段は、前記推定手段の推定結果に応じて前記パージ運転の運転条件を設定することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell structure in which a catalyst layer is provided on both surfaces of an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidant electrode are provided via the catalyst layer, a fuel gas supplied to the fuel electrode, and the oxidant electrode A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting with an oxidant gas supplied to the
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
In a stop process executed on the premise that the system is stopped, a processing unit that controls the oxidant gas supply unit to supply an oxidant gas to the fuel cell and performs a purge operation on the fuel cell;
Corresponding to the purge operation, and having an estimation means for estimating the amount of residual water in the catalyst layer of the fuel cell,
The fuel cell system, wherein the processing unit sets operating conditions for the purge operation in accordance with an estimation result of the estimation unit.
前記燃料極に燃料ガスを供給するとともに、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給することにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う第1のステップと、
システムの停止を前提として停止処理を実行する第2のステップとを有し、
前記第2のステップは、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給することにより、前記燃料電池に対するパージ運転を行う第3のステップと、
前記パージ運転に対応して、前記燃料電池の触媒層における残留水量を推定する第4のステップと、
前記第4のステップにおける推定結果に基づいて、前記燃料電池の劣化状態を判定する第5のステップと
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In a control method of a fuel cell system provided with a fuel cell having a fuel cell structure in which a catalyst layer is provided on both surfaces of an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidant electrode are provided via the catalyst layer,
Supplying a fuel gas to the fuel electrode, and supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, thereby generating electricity by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas; and
A second step of executing a stop process on the assumption that the system is stopped,
The second step includes
A third step of performing a purge operation on the fuel cell by supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A fourth step of estimating a residual water amount in the catalyst layer of the fuel cell in response to the purge operation;
And a fifth step of determining a deterioration state of the fuel cell based on the estimation result in the fourth step.
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