JP2011210405A - Fuel cell system, and control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムにおける空気の供給の制御に関するものである。 The present invention relates to control of air supply in a fuel cell system.
燃料電池では、形状やセンサのバラツキ等を考慮し、各負荷において、エアストイキ比を大きくすることで燃料電池を安定的に運転させている。ここで、乾燥しやすい特定セルの交流インピーダンスを計測し、計測された該特定セルの交流インピーダンスに基づいて当該燃料電池スタックの平均的な含水量を推定し、平均的な含水量に基づいて前記燃料電池の平均的な含水量を適正範囲に維持する含水量制御手段を備える燃料電池システムが知られている(例えば特許文献1)。 In the fuel cell, the fuel cell is stably operated by increasing the air stoichiometric ratio at each load in consideration of variations in shape and sensor. Here, the AC impedance of the specific cell that is easily dried is measured, the average moisture content of the fuel cell stack is estimated based on the measured AC impedance of the specific cell, and the average moisture content is calculated based on the average moisture content. There is known a fuel cell system including water content control means for maintaining an average water content of a fuel cell within an appropriate range (for example, Patent Document 1).
燃料電池システムでは、エアコンプレッサの小さなコンパートメントへの収納性、消費電力、耐久性を考慮して、空気の流量を少なくすることが望まれている。しかし、空気流量を過度に少なくすると、フラッディングが発生して、発電能力が低下するという問題が生じる。従来の技術では、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させることは困難であった。 In the fuel cell system, it is desired to reduce the air flow rate in consideration of the storage capacity, power consumption, and durability of the air compressor in a small compartment. However, if the air flow rate is excessively reduced, flooding occurs, causing a problem that the power generation capacity is reduced. In the prior art, it has been difficult to operate the fuel cell in a state immediately before flooding by reducing the air flow rate.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、簡単な構成で、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させることを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and has an object of reducing the air flow rate and operating the fuel cell in a state immediately before flooding with a simple configuration. .
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給するエアポンプと、前記燃料電池の電圧を取得する電圧測定部と、前記エアポンプの駆動を制御して前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記空気の流量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断し、その後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させることにより、前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で、容易にフラッディングの発生を検知し、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させることが可能となる。
[Application Example 1]
A fuel cell system, a fuel cell, an air pump that supplies air to the fuel cell, a voltage measurement unit that acquires a voltage of the fuel cell, and an air that controls driving of the air pump and is supplied to the fuel cell A control unit for controlling the flow rate of the fuel cell, wherein the control unit gradually decreases the flow rate of the air when the fuel cell is started, so that the voltage of the fuel cell is maintained in advance for a predetermined time or more. When the voltage drops below a predetermined voltage, it is determined that the flooding state has occurred, and then the air flow rate is increased to a flow rate immediately before the flooding state occurs, so that the state immediately before the flooding occurs. A fuel cell system that controls a flow rate of air supplied to the fuel cell so that the above is maintained.
According to this application example, it is possible to easily detect the occurrence of flooding with a simple configuration, reduce the flow rate of air, and operate the fuel cell immediately before flooding.
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池において、さらに、前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置を備え、前記制御部は、前記フラッディングが発生する直前の状態の状態におけるインピーダンスを目標インピーダンス値として記憶し、その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも大きくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を減少させ、その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも小さくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を増大させる、燃料電池システム。
この適用例によれば、インピーダンスをパラメータとして、容易に、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させるように制御することが可能となる。
[Application Example 2]
The fuel cell according to Application Example 1 further includes an impedance measurement device that measures the impedance of the fuel cell, and the control unit stores the impedance in a state immediately before the occurrence of flooding as a target impedance value. Then, when the impedance measured thereafter becomes larger than the target impedance value, the amount of air supplied to the fuel cell is decreased, and the impedance measured thereafter becomes smaller than the target impedance value. A fuel cell system for increasing the amount of air supplied to the fuel cell.
According to this application example, it is possible to easily control the fuel cell to operate in the state immediately before flooding by using the impedance as a parameter and easily reducing the air flow rate.
[適用例3]
燃料電池システムの制御方法であって、(a)燃料電池の起動時に、燃料電池に空気を供給する工程と、(b)前記燃料電池に供給する空気の量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断する工程と、(c)フラッディング状態が発生した後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させる工程と、(d)前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように、燃料電池に供給する空気の流量を制御する工程と、を備える、燃料電池システムの制御方法。
[Application Example 3]
A control method for a fuel cell system, comprising: (a) supplying air to the fuel cell when the fuel cell is started; and (b) gradually reducing the amount of air supplied to the fuel cell, A step of determining that the flooding state has occurred when the voltage of the battery drops below a predetermined voltage for a predetermined time or more; and (c) the flow rate of the air after the flooding state has occurred. And (d) controlling the flow rate of air supplied to the fuel cell so that the state immediately before the occurrence of flooding is maintained. Control method of fuel cell system.
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法等、様々な形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, in addition to the fuel cell system, the present invention can be realized in various forms such as a control method of the fuel cell system.
図1は、本実施例の燃料電池システムを示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池100と、酸化ガス供給管200と、酸化ガス排気管250と、燃料ガス供給管300と、燃料ガス排気管350と、セルモニタ410、インピーダンス測定器420と、ECU500(Electronic Control Unit)と、大気圧計401と、を備える。燃料電池100は、複数の単セル(図示せず)を含んでいる。各単セルには、セルモニタ410が接続されており、各単セルの電圧及び電流をモニタすることが可能である。一部の単セルには、インピーダンス測定器420が接続されており、当該単セルのインピーダンスを測定することが可能である。インピーダンスを測定する単セルは、例えば、両端に配置されている単セルであってもよい。両端に配置された単セルは、他の単セルに比べて、フラッディングやドライアップが生じやすい。大気圧計401は、大気の圧力を取得するものであり、酸化ガス供給管200と接続されていなくてもよい。
FIG. 1 is an explanatory view showing a fuel cell system of the present embodiment. The
酸化ガス供給管200は、燃料電池100に接続されている。本実施例では、酸化ガスとして空気を用いる。酸化ガス供給管200には、エアクリーナー210と、エアポンプ220と、インタークーラー230と、フィルター235と、エアフローメーター201〜203が設けられている。エアクリーナー210は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去する。エアポンプ220は、空気を圧縮して燃料電池100に供給する。インタークーラー230は、圧縮により熱くなった空気を冷却する。インタークーラー230及びエアポンプ220のモーター221は、FC冷却システムにより冷却されている。フィルター235は、エアクリーナー210により除去できなかった細かな塵や埃を除去する。エアフローメーター201〜203は、空気の流量を測定する。
The oxidizing
燃料ガス供給管300は、燃料電池100に接続されている。本実施例では、燃料ガスとして水素を用いる。酸化ガス供給管200には、水素タンク310と、圧力調整弁311が接続されている。圧力調整弁311は、燃料電池100に供給される水素の圧力を調整する。
The fuel
酸化ガス排気管250は、燃料電池100に接続されている。酸化ガス排気管250には、希釈器260と、マフラー270と、調圧弁280と、シャット弁281と、圧力計402と、が設けられている。酸化ガス排気管250は、バイパス管290により酸化ガス供給管200と接続されている。バイパス管290には、バイパス弁291が設けられている。燃料ガス排気管350は、燃料電池100及び希釈器260に接続されている。燃料ガス排気管350には、排気排水弁381が設けられている。
The oxidizing
希釈器260は、燃料電池100から排出される燃料排ガスと、燃料電池100から排出される酸化排ガスとを混合し、燃料排ガスの濃度を薄める。マフラー270は、排ガスが排出される際の排気音を減少する。調圧弁280は、燃料電池に供給される酸化ガスの圧力を調整する。シャット弁281は、燃料電池100が動作しているときは開状態であり、燃料電池100が停止状態のときは閉状態となる。バイパス弁291は過剰な酸化ガスを、燃料電池100を通さずに酸化ガス排気管250に流すときに用いられる。
The
図2は、燃料電池システムの起動時の動作フローチャートである。ステップS200では、ECU500は、予め定められた流量の空気を燃料電池100に供給する。この予め定められた空気の流量は、この空気の量で燃料電池100を運転させたときに、燃料電池100がフラッディングやドライアップを起こさない流量であれば、どんな流量であってもよい。たとえば、この予め定められた空気の量は、燃料電池の設計時において定めることが可能である。
FIG. 2 is an operation flowchart when starting the fuel cell system. In step S <b> 200, ECU 500 supplies air of a predetermined flow rate to
ステップS210では、ECU500は、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定する。図3は、インピーダンス測定の測定方法及び測定結果の一例を示す説明図である。図3(A)は、燃料電池のインピーダンスの測定方法を示す説明図である。インピーダンス測定器420は、燃料電池100から引く電圧を周波数fで微少振幅(V±ΔV)させ、そのときの燃料電池100に流れる電流Iを測定する。電流Iは、電圧の微小変化と同様に、微少振幅する(I±ΔI)。インピーダンス測定器420は周波数を変えて同様に電圧を印可し、電流を測定する。次に、ECU500は、周波数、電圧、電流をパラメータとして高速フーリエ変換を用い、インピーダンスZを計算する。図3(B)は、インピーダンスZの計算結果の一例を示す。インピーダンスZは、実数成分と虚数成分を有している。また、インピーダンスZの値は、周波数により変わる。本実施例では、そのうちの目標周波数における実数成分Rを用いる。以下、この実数成分Rを「インピーダンスR」とも呼ぶ。なお、目標周波数は、あらかじめ実験により求めておく。
In step S210,
図4は、燃料電池のセルの含水量とインピーダンスの関係を示す説明図である。このグラフは、例えば、燃料電池100の設計パラメータあるいは、実験により、予め求めておくことができる。図2のステップS220では、ECU500は、ステップS210で求めたインピーダンスに基づいて、図4のグラフ上の点R3を定める。この点R3の位置は、燃料電池100に対して、フラッディングもドライアップも起こさない位置である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the water content of the fuel cell and the impedance. This graph can be obtained in advance by, for example, design parameters of the
図2のステップS230では、ECU500は、燃料電池100に流す空気の量を減少していく。燃料電池100に流す空気の量を減少すると、空気により持ち去られる水の量が少なくなるので、燃料電池100のセルの含水量は多くなる。すなわち、図4のグラフにそって、右下の方向に移動する。なお、空気の流量は、段階的に減少させることが好ましい。急激に空気の量を減少させると、燃料電池100の動作が急激に変動する恐れがあるからである。また、空気の流量が少ないほど、エアポンプ220での消費電力が少ないので、燃料電池システム10の燃費が良い。ステップS240では、ECU500は、各段階において、空気の量、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定する。
In step S230 in FIG. 2, the
ステップS250では、ECU500は、燃料電池100がフラッディング状態になったか、否かを判断する。フラッディング状態では、酸化ガスが電解質膜に到達しにくくなるため、単セルの起電力は大きく低下する。したがって、ECU500は、単セルの電圧を測定し、単セルの電圧が予め定められた値を一定時間以上下回ったときに、フラッディング状態が発生したと判断することができる。燃料電池100がフラッディング状態になっていない場合には、ECU500は、処理をステップS230に移行し、さらに空気の流量を少なくする。一方、燃料電池100がフラッディング状態になった場合には、ECU500は、処理をステップS260に移行する。
In step S250,
ステップS260では、ECU500は、フラッディング状態におけるインピーダンスの値に基づいて図4のグラフ上の点R2を定める。ステップS270では、ECU500は、フラッディング状態の空気の流量から予め定められた量ΔVだけ空気の流量を増大する。この空気の流量は、空気の流量を減少させていくときにおける、フラッディング状態になる直前の空気の流量であってもよい。ECU500は、この流量を記憶する。ステップS280では、ECU500は、ΔVだけ空気の流量を増大したときにおける、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定し、記憶する。ステップS290では、インピーダンスの値に基づいて図4のグラフ上の点R4を定める。ECU500は、点R4におけるインピーダンスを目標として、空気の流量を調整する。図4における起動からの動作点は、起動状態(A)からグラフに沿って、右下方向に移動し、フラッディング発生状態(B)になった後、左上方向に戻り、目標値(C)に移動する。
In step S260,
図5は、再起動後の燃料電池システムの動作フローチャートである。ステップS500では、ECU500は、図2のステップS270において記憶した流量の空気を燃料電池100に供給する。ステップS510では、ECU500は、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定する。
FIG. 5 is an operation flowchart of the fuel cell system after restart. In step S500, the
ステップS520では、ECU500は、図5のステップS510で測定したインピーダンスの値が、目標値(図2のステップS280で記憶したインピーダンスの値)より大きいか否かを判断する。図5のステップS510で測定したインピーダンスの値が、目標値よりも予め定められた値以上大きかった場合には、ECU500は、処理を空気の流量を減少する。すなわち、空気の流れにより、水が持ち去られすぎた結果、インピーダンスが高くなったと考えられる。
In step S520,
ステップS540一方、では、ECU500は、図5のステップS510で測定したインピーダンスの値が、目標値(図2のステップS280で記憶したインピーダンスの値)より小さいか否かを判断する。図5のステップS510で測定したインピーダンスの値が、目標値よりも予め定められた値以上小さかった場合には、ECU500は、処理を空気の流量を増大する。すなわち、空気の流れにより、水が十分に持ち去られなかった結果、インピーダンスが低くなったと考えられる。なお、図5のステップS510で測定したインピーダンスの値が、目標値に対してほぼ同じである場合には、ECU500は、処理をステップS560に移行し、空気の流量を同じ流量で維持する。
In step S540,
以上本実施例によれば、簡単な構成で、フラッディング状態よりも少し多い空気の流量になるように、燃料電池に供給する空気の流量を調整できる。また、フラッディング直前のインピーダンスの値を目標値として、インピーダンスを取得し、インピーダンスの値に基づいて空気の流量(エアポンプの動作)を制御するので、制御が簡単である。また、単セルの電圧に基づいて容易にフラッディングの発生を検知することが可能である。 As described above, according to the present embodiment, the flow rate of air supplied to the fuel cell can be adjusted with a simple configuration so that the flow rate of air is slightly higher than that in the flooding state. Further, since the impedance is acquired using the impedance value immediately before flooding as a target value and the flow rate of air (air pump operation) is controlled based on the impedance value, the control is simple. Further, it is possible to easily detect the occurrence of flooding based on the voltage of the single cell.
本実施例において、ECU500は、図2に示すフローを、燃料電池システムの起動時に毎回行う必要はなく、一定期間毎、一定起動回数毎に行ってもよい。また、ECU500は、図2に示すフローを、1回の起動時に1回のみ行うのではなく、複数回、実行してもよい。
In the present embodiment, the
本実施例では、温度や圧力によるインピーダンス値の変動については説明していないが、予め、温度や圧力によるインピーダンス値の変動をマップ化しておき、このマップによりインピーダンスを補正してもよい。 In the present embodiment, the fluctuation of the impedance value due to temperature and pressure is not described, but the fluctuation of the impedance value due to temperature and pressure may be mapped in advance and the impedance may be corrected using this map.
2回目以降の起動においては、図2のステップS200における空気の流量を、第1回目のフラッディング直前の空気の流量(ステップS270)を用いてもよい。この場合、起動時において、フラッディング状態である場合があり得るが、かかる場合には、一旦空気の流量を多くして図2のステップS200の空気の流量とし、その後、図2のフローを実行すればよい。すなわち、一旦R3点の動作を実行させてもよい。 In the second and subsequent activations, the air flow rate in step S200 of FIG. 2 may be used as the air flow rate immediately before the first flooding (step S270). In this case, there may be a flooding state at the time of startup. In such a case, the air flow rate is once increased to obtain the air flow rate in step S200 in FIG. 2, and then the flow in FIG. 2 is executed. That's fine. That is, the operation at point R3 may be executed once.
本実施例では、空気の流量をパラメータとして測定しているが、代わりに、エアポンプ220の駆動力をパラメータとして用いてもよい。空気の流量は、エアポンプ220の駆動力の関数であり、また、ECU500が直接制御できるのは、空気の量ではなく、エアポンプ220の駆動力だからである。
In the present embodiment, the flow rate of air is measured as a parameter, but the driving force of the air pump 220 may be used as a parameter instead. The air flow rate is a function of the driving force of the air pump 220, and the
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 The embodiments of the present invention have been described above based on some examples. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating the understanding of the present invention and limit the present invention. It is not a thing. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10……燃料電池システム
100…燃料電池
200…酸化ガス供給管
201〜203…エアフローメーター
210…エアクリーナー
220…エアポンプ
221…モーター
230…インタークーラー
235…フィルター
250…酸化ガス排気管
260…希釈器
270…マフラー
280…調圧弁
281…シャット弁
290…バイパス管
291…バイパス弁
300…燃料ガス供給管
310…水素タンク
311…圧力調整弁
350…燃料ガス排気管
381…排気排水弁
401…大気圧計
402…圧力計
410…セルモニタ
420…インピーダンス測定器
500…ECU
DESCRIPTION OF
Claims (3)
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するエアポンプと、
前記燃料電池の電圧を取得する電圧測定部と、
前記エアポンプの駆動を制御して前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記空気の流量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断し、その後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させることにより、前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
An air pump for supplying air to the fuel cell;
A voltage measuring unit for obtaining a voltage of the fuel cell;
A control unit that controls driving of the air pump to control a flow rate of air supplied to the fuel cell;
With
The control unit gradually decreases the flow rate of the air when the fuel cell is started up, and when the voltage of the fuel cell falls below a predetermined voltage for a predetermined time or more, It is determined that a flooding state has occurred, and then the flow rate of the air is increased to a flow rate immediately before the occurrence of the flooding state, thereby supplying the fuel cell with the state immediately before the occurrence of the flooding. Control the air flow,
Fuel cell system.
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置を備え、
前記制御部は、
前記フラッディングが発生する直前の状態の状態におけるインピーダンスを目標インピーダンス値として記憶し、
その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも大きくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を減少させ、その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも小さくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を増大させる、燃料電池システム。 The fuel cell according to claim 1, further comprising:
Comprising an impedance measuring device for measuring the impedance of the fuel cell;
The controller is
Storing the impedance in the state immediately before the flooding occurs as a target impedance value;
When the impedance measured after that becomes larger than the target impedance value, the amount of air supplied to the fuel cell is decreased, and the impedance measured thereafter becomes smaller than the target impedance value. When the fuel cell system increases the amount of air supplied to the fuel cell.
(a)燃料電池の起動時に、燃料電池に空気を供給する工程と、
(b)前記燃料電池に供給する空気の量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断する工程と、
(c)フラッディング状態が発生した後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させる工程と、
(d)前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように、燃料電池に供給する空気の流量を制御する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。 A control method for a fuel cell system, comprising:
(A) supplying air to the fuel cell when starting the fuel cell;
(B) The amount of air supplied to the fuel cell is gradually decreased, and the flooding state occurs when the voltage of the fuel cell drops below a predetermined voltage for a predetermined time or more. The process of judging that
(C) after the flooding state occurs, increasing the flow rate of the air to a flow rate immediately before the flooding state occurs;
(D) controlling the flow rate of air supplied to the fuel cell so that the state immediately before the occurrence of flooding is maintained;
A control method for a fuel cell system.
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