JP2012028221A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
固体高分子電解質膜を有し、アノードに水素が供給され、カソードに酸素(酸化剤)を含む空気が供給されて発電をするセルを複数積層してなる燃料電池では、発電停止後に固体高分子電解質膜の両側に水素および酸素が存在すると、各セルにおいて開回路電圧が発生する。このように電圧が生じていると、固体高分子電解質膜を劣化させる場合がある。
そこで、発電停止後に、燃料電池を放電させることで、電圧を低下させる技術が提案されている。
In a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, in which hydrogen is supplied to the anode and air containing oxygen (oxidant) is supplied to the cathode to generate power, a solid polymer is used after power generation is stopped. When hydrogen and oxygen are present on both sides of the electrolyte membrane, an open circuit voltage is generated in each cell. When the voltage is generated in this way, the solid polymer electrolyte membrane may be deteriorated.
Therefore, a technique for reducing the voltage by discharging the fuel cell after stopping power generation has been proposed.
例えば、特許文献1に開示された技術では、燃料電池を停止した時に燃料電池を電気負荷に接続し、総てのセルの電圧(セル電圧という)の中の最低値(以下、最低セル電圧という)が第1所定電圧以下になったときに電気負荷との接続を遮断し、遮断してから一定時間後に総てのセル電圧が第2所定電圧以下である場合に、再び燃料電池を電気負荷に接続することで、電圧を低下させている。 For example, in the technique disclosed in Patent Document 1, when the fuel cell is stopped, the fuel cell is connected to an electric load, and the lowest value (hereinafter referred to as the minimum cell voltage) among all cell voltages (referred to as cell voltages). ) Is disconnected from the electric load when the voltage falls below the first predetermined voltage, and when all the cell voltages are equal to or lower than the second predetermined voltage after a certain period of time after the interruption, the fuel cell is again connected to the electric load. By connecting to, the voltage is lowered.
ところで、燃料電池の発電停止後の電圧は、図4に示すように、一旦下降した後(第1期St1)、再び上昇し(第2期St2)、その後再び下降する(第3期St3)という特性を有することが知られている。なお、図4では、縦軸に、各セルの電圧を合計した総電圧を取っている。ここで、第1期St1では、アノードからカソードへ水素が透過することによりカソード電位が下がり、その結果、総電圧(セル電圧)が低下すると推定される。また、第2期St2では、アノードからカソードへの水素の透過量が減少し、大気からカソードへ酸素が拡散することによりカソード電位が上昇し、その結果、総電圧(セル電圧)が上昇すると推定される。そして、第3期St3では、カソードからアノードへ酸素が透過することにより、アノード電位が上昇し、その結果、総電圧(セル電圧)が低下すると推定される。
そして、第2期St2の中で高電圧状態が保持されるとき(図中A)と、アノード側に水素と酸素が混在しラジカル反応が生じる第3期St3のときに、固体高分子電解質膜の劣化が生じる。
By the way, as shown in FIG. 4, the voltage after the power generation stop of the fuel cell once falls (first period St1), rises again (second period St2), and then falls again (third period St3). It is known to have the characteristics of In FIG. 4, the vertical axis represents the total voltage obtained by summing the voltages of the cells. Here, in the first period St1, it is presumed that the cathode potential is lowered by hydrogen permeating from the anode to the cathode, and as a result, the total voltage (cell voltage) is lowered. In the second stage St2, the amount of hydrogen permeated from the anode to the cathode is reduced, and oxygen is diffused from the atmosphere to the cathode, so that the cathode potential rises, and as a result, the total voltage (cell voltage) is estimated to rise. Is done. In the third period St3, it is presumed that the anode potential increases due to the permeation of oxygen from the cathode to the anode, and as a result, the total voltage (cell voltage) decreases.
When the high voltage state is maintained in the second stage St2 (A in the figure), and in the third stage St3 in which hydrogen and oxygen are mixed on the anode side and a radical reaction occurs, the solid polymer electrolyte membrane Degradation occurs.
しかしながら、前述した特許文献1に開示された放電制御では、電気負荷との接続を遮断してから一定時間後のセル電圧に基づいて、電気負荷との再接続を決定しているだけであり、発電停止後の、一旦下降した後の電圧の上昇状態や、さらにその後の電圧の下降状態を把握した上で決定しているわけではないので、燃料電池の放電を適切なタイミングで実行することができず、固体高分子電解質膜の劣化を防止することができなかった。 However, in the above-described discharge control disclosed in Patent Document 1, only reconnection with the electric load is determined based on the cell voltage after a certain time after the connection with the electric load is cut off. Since it is not determined after grasping the voltage rising state after the power generation has stopped and the subsequent voltage decreasing state after power generation stop, it is possible to execute the discharge of the fuel cell at an appropriate timing. The solid polymer electrolyte membrane could not be prevented from being deteriorated.
そこで、この発明は、燃料電池スタックの発電停止後に適切なタイミングで確実に放電を行い、固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供するものである。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell system capable of reliably discharging at an appropriate timing after stopping the power generation of the fuel cell stack and preventing deterioration of the solid polymer electrolyte membrane.
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項1に係る発明は、アノードに水素を含むアノードガスを供給しカソードに酸素を含むカソードガスを供給することで発電をするセルを複数積層してなる燃料電池スタック(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック2)と、前記燃料電池スタックに接続され該燃料電池スタックで発電した電気を消費する電気負荷(例えば、後述する実施例におけるバッテリ22、電気負荷24)と、前記燃料電池スタックから前記電気負荷への電力供給を制御する放電制御手段(例えば、後述する実施例におけるDC/DCコンバータ21、スイッチ23)と、前記燃料電池スタックの総電圧を検出する総電圧検出手段(例えば、後述する実施例における電子制御装置30)と、前記放電制御手段を制御する制御部(例えば、後述する実施例における電子制御装置30)と、を備え、前記制御部は、前記総電圧検出手段により検出された総電圧値に基づいて所定時間当たりの電圧変化量を算出する電圧変化量算出部(例えば、後述する実施例におけるステップS103)と、前記燃料電池スタックの発電停止後に前記電圧変化量算出手段により算出された電圧変化量が正から0または負に移行したか否かを判定する判定部(例えば、後述する実施例におけるステップS104)とを備え、前記判定部が肯定判定した場合に前記放電制御手段を作動して前記電気負荷への電力供給を開始し、該電力供給開始後に前記総電圧値が、前記燃料電池スタックのアノードの酸素が消費されたと推定される総電圧判定閾値(例えば、後述する実施例における第1の所定値V1)以下となった場合に、前記放電制御手段を非作動にして前記電気負荷への電力供給を停止することを特徴とする燃料電池システム(例えば、後述する実施例における燃料電池システム1)である。
The fuel cell system according to the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The invention according to claim 1 is a fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells that generate power by supplying an anode gas containing hydrogen to the anode and a cathode gas containing oxygen to the cathode (for example, an embodiment described later) A fuel cell stack 2), an electrical load connected to the fuel cell stack and consuming electricity generated by the fuel cell stack (for example, a
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記燃料電池スタックの前記各セルの電圧を検出するセル電圧検出手段(例えば、後述する実施例におけるセル電圧センサ20)を備え、前記制御部は、前記電力供給開始後に、前記総電圧値が前記総電圧判定閾値以下となる前に、前記セル電圧検出手段により検出された各セルの電圧のうちの最低値がセル電圧判定閾値以下となった場合には、前記最低値が前記セル電圧判定閾値以下となったときに前記放電制御手段を非作動にして前記電気負荷への電力供給を停止することを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記燃料電池スタックの発電停止時の該燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段(例えば、後述する実施例における温度センサ8)と、前記燃料電池スタック内の湿度を検出する湿度検出手段と、前記燃料電池スタックの前記アノードの圧力を検出する圧力検出手段の少なくとも1つの検出手段を備え、前記制御部は、該検出手段の検出値に基づいて待機時間(例えば、後述する実施例における待機時間T1)を決定し、前記発電停止から前記待機時間を経過した後に、前記電圧変化量算出部による電圧変化量の算出処理の実行を開始することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell stack when the power generation of the fuel cell stack is stopped (for example, in an embodiment described later) A temperature sensor 8), humidity detection means for detecting the humidity in the fuel cell stack, and pressure detection means for detecting the pressure of the anode of the fuel cell stack. A standby time (for example, a standby time T1 in an embodiment to be described later) is determined based on a detection value of the detection means, and after the standby time has elapsed since the generation stop, the voltage change amount calculation unit calculates the voltage change amount. The execution of the calculation process is started.
請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の発明において、前記燃料電池スタック内に水素が存在しなくなると予測される所定時間(例えば、後述する実施例における所定時間T2)が経過するまで、前記制御部による前記放電制御手段に対する制御を繰り返すことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the invention according to any one of the first to third aspects, wherein the fuel cell stack is predicted to have no hydrogen in a predetermined time (for example, an embodiment described later). Until the predetermined time T2) elapses, the control of the discharge control means by the control unit is repeated.
請求項1に係る発明によれば、発電停止中における燃料電池スタックの総電圧の電圧変化量が正から0または負に移行したときに燃料電池スタックの放電を実行するので、発電停止中に総電圧が一旦降下し再び上昇する過程で総電圧が最も高くなった時点で放電を実行することができ、放電を最適なタイミングで確実に実行することができる。その結果、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の劣化を確実に防止することができる。 According to the first aspect of the present invention, the discharge of the fuel cell stack is executed when the voltage change amount of the total voltage of the fuel cell stack during the stop of power generation shifts from positive to 0 or negative. The discharge can be executed when the total voltage becomes the highest in the process of the voltage once decreasing and increasing again, and the discharge can be surely executed at the optimum timing. As a result, it is possible to reliably prevent deterioration of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack.
請求項2に係る発明によれば、燃料電池スタックに異常なセルが存在し、該セルのセル電圧が他の正常なセルのセル電圧よりも低い場合に、燃料電池スタックの放電の実行を停止することができ、燃料電池スタックを保護することができる。
According to the invention of
請求項3に係る発明によれば、発電停止から待機時間が経過するまでは、電圧変化量の算出処理を実行しないので、制御部の負荷を低減することができ、消費電力を低減することができる。 According to the third aspect of the invention, the voltage change amount calculation process is not executed until the standby time elapses after the power generation is stopped, so that the load on the control unit can be reduced and the power consumption can be reduced. it can.
請求項4に係る発明によれば、電圧変化量の監視を不必要に継続しないで済み、制御部の負荷を低減することができ、消費電力を低減することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the voltage change amount need not be monitored unnecessarily, the load on the control unit can be reduced, and the power consumption can be reduced.
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図1から図4の図面を参照して説明する。
図1は、この発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。この実施例において、燃料電池システム1は燃料電池自動車に搭載されており、固体高分子電解質膜型の燃料電池スタック2を備えている。
Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the present invention. In this embodiment, the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle and includes a solid polymer electrolyte membrane type
燃料電池スタック2は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノードに燃料として水素ガス(アノードガス)を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気(カソードガス)を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
The
高圧水素タンク3に収容された水素は、水素供給流路4を通って燃料電池スタック2のアノードに供給され、燃料電池スタック2で消費されなかった未反応の水素は、燃料電池スタック2から水素排出流路5を通って図示しない希釈器に排出される。水素供給流路4、水素排出流路5には遮断弁6,7が設けられ、遮断弁7よりも上流側であり燃料電池スタック2の直ぐ下流の水素排出流路5には、水素排出流路5内のガス温度を検出する温度センサ(温度検出手段)8が設けられている。この実施例では、温度センサ8により検出されるガス温度を、燃料電池スタック2内の温度とみなす。なお、燃料電池2で消費されなかった未反応の水素を、エゼクタあるいは水素ポンプなどにより水素供給流路4に戻し、循環させるように構成してもよい。
Hydrogen stored in the high-
空気はエアポンプ10により所定圧力に加圧され、空気供給流路11を通って燃料電池スタック2のカソードに供給される。燃料電池スタック2に供給された空気は発電に供された後、燃料電池スタック2から生成水とともに排出され、空気排出流路12を通って前記希釈器に排出される。空気排出流路12には、燃料電池スタック2のカソードにおける空気圧力を調整するための圧力制御弁13が設けられている。前記希釈器において、燃料電池スタック2から排出された水素は、燃料電池スタック2から排出される空気によって希釈される。
The air is pressurized to a predetermined pressure by the
燃料電池スタック2には、各セルのセル電圧を検出するセル電圧センサ(セル電圧検出手段)20が設置されている。
燃料電池スタック2は、DC/DCコンバータ(放電制御手段)21を介してバッテリ22に接続されており、燃料電池スタック2で発電した電気はバッテリ(電気負荷)22に蓄電可能にされている。
さらに、燃料電池スタック2は、スイッチ(放電制御手段)23を介して電気負荷24に接続されており、必要に応じて燃料電池スタック2で発電した電気を電気負荷24で消費することができるようになっている。なお、電気負荷24は例えば電気抵抗で構成することができる。
この実施例において、バッテリ22および電気負荷24は、燃料電池スタック2で発電した電気を消費する電気負荷と言うことができ、DC/DCコンバータ21およびスイッチ23は、これら電気負荷への電力供給を制御する放電制御手段ということができる。
The
The
Further, the
In this embodiment, the
燃料電池システム1は、電子制御装置(制御部)30を備えており、この電子制御装置30によって、遮断弁6,7、エアポンプ10、圧力制御弁13、DC/DCコンバータ21、スイッチ23が制御される。また、後述する燃料電池スタック2の発電停止中の放電制御を行うために、温度センサ8やセル電圧センサ20からそれぞれ検出値に応じた電気信号が電子制御装置30に入力される。電子制御装置30は、セル電圧センサ20から入力した電気信号に基づき、セル電圧を合計して燃料電池スタック2の総電圧を算出する。この実施例において、電子制御装置30は、燃料電池スタック2の総電圧を検出する総電圧検出手段を構成する。
The fuel cell system 1 includes an electronic control device (control unit) 30, and the
次に、この燃料電池システム1の発電停止中における放電制御を説明する。
この燃料電池システム1においては、遮断弁6,7を全閉にして燃料電池スタック2のアノードガス流路系を閉塞し、エアポンプ10を停止して燃料電池スタック2への空気の供給を停止することにより、燃料電池スタック2の発電停止が実行される。
Next, the discharge control during power generation stop of the fuel cell system 1 will be described.
In this fuel cell system 1, the
発電停止中における燃料電池スタック2の総電圧は、図4に示すように、時間の経過とともに、第1期St1において一旦下降し、第2期St2において再び上昇し、第3期St3において再び下降するという特性を有することは前述した通りである。そして、第2期St2の中で高電圧状態が保持されるとき(図中A)と、アノード側に水素と酸素が混在しラジカル反応が生じる第3期St3のときに、固体高分子電解質膜の劣化が生じることが分かっている。したがって、燃料電池スタック2の発電停止中に高電圧状態が続かないようにし、アノード側に水素と酸素が混在する状態を極力短縮すれば、固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
As shown in FIG. 4, the total voltage of the
そこで、この燃料電池システム1では、電圧上昇が終点(図中Aの開始点)に至ったときに燃料電池スタック2の放電を開始して電圧を低下させることにより、高電圧状態が続かないようにし、アノード側に水素と酸素が混在する状態を短縮するようにする。そして、電圧上昇が終点に至ったことを判定する手段として、燃料電池スタック2の総電圧の所定時間当たりの電圧変化量を監視し、前記電圧変化量が正の値から0または負に移行したときを、電圧上昇の終点と判定することとした。
Therefore, in this fuel cell system 1, when the voltage rise reaches the end point (start point A in the figure), the discharge of the
このように発電停止中における燃料電池スタック2の放電開始タイミングを決定すると、総電圧が最も高くなった時点で放電を開始することができる。総電圧が最も高くなったときは、大気から燃料電池スタック2のカソード側への酸素の拡散が全セルに満遍なく行われていると推測され、したがって、燃料電池スタック2内のセルの積層位置によるセル電圧のバラツキが極めて少ないと推測される。
As described above, when the discharge start timing of the
また、前記電圧変化量の監視を、燃料電池スタック2の総電圧の上昇開始のタイミング(図4におけるSt1からSt2との境界)に合わせて開始することにより、不必要に電子制御装置30の負荷を増やさないようにすることができ、消費電力を低減することができる。なお、燃料電池スタック2の総電圧の上昇開始タイミングは、アノードからカソードへの水素の透過量によって決まることが分かっており、アノード系内の水素量と、燃料電池スタック2に使用されている固体高分子電解質膜の透過特性と、燃料電池スタック2内の状態量(温度、湿度、アノード圧力等)により決まる。
Further, the monitoring of the voltage change amount is started in accordance with the start timing of the increase in the total voltage of the fuel cell stack 2 (boundary between St1 and St2 in FIG. 4), so that the load of the
次に、この燃料電池システム1における発電停止中の放電制御を、図2のフローチャートおよび図3のタイムチャートを参照して説明する。
図2に示される放電制御は、燃料電池スタック2の発電停止により開始される。 まず、ステップS101において、温度センサ8により検出された水素排出流路5内のガス温度(燃料電池スタック2内の温度)に基づいて、発電を停止してから電圧変化量の監視を開始するまでの時間(以下、待機時間と称す)を決定する。
Next, the discharge control during power generation stop in the fuel cell system 1 will be described with reference to the flowchart of FIG. 2 and the time chart of FIG.
The discharge control shown in FIG. 2 is started by stopping the power generation of the
前述したように、燃料電池スタック2の総電圧の上昇開始タイミングは、燃料電池スタック2のアノード系内の水素量と、燃料電池スタック2に使用されている固体高分子電解質膜の透過特性と、燃料電池スタック2内の状態量(温度、湿度、アノード圧力等)により決まることは、前述した通りである。
ここで、発電停止直後の燃料電池スタック2のアノード系内の水素量は、燃料電池スタック2を含む燃料電池システム1の構成によって予め既知であり、また、後述する発電停止中の放電停止後に燃料電池スタック2のアノード系内に残留する水素量は、燃料電池システム1の構成により経験的(実験的)に推定可能であり、固体高分子電解質膜の透過特性も既知であり、燃料電池スタック2内の状態量だけが変数となる。
As described above, the start timing of the increase in the total voltage of the
Here, the amount of hydrogen in the anode system of the
この実施例では、燃料電池スタック2内の状態量として温度を用いて総電圧の上昇開始タイミングを推定し、これを待機時間T1とする。燃料電池スタック2内の温度と待機時間T1との関係は次の通りである。燃料電池スタック2内の温度が高いほど、水素が固体高分子電解質膜を透過し易く、第1期St1の期間が短くなり、第2期St2に早く移行する(換言すると、電圧上昇が早く起こる)。したがって、燃料電池スタック2内の温度が高いほど、待機時間T1を短くする。
この燃料電池スタック2内の温度と待機時間T1との関係をマップ化して、予め電子制御装置30の記憶部に記憶しておき、ステップS101において、温度センサ8により検出された温度に対応する待機時間T1を求める。
In this embodiment, the temperature start is used as the state quantity in the
The relationship between the temperature in the
なお、燃料電池スタック2内の状態量としてアノード系内の圧力、すなわちアノード圧力を用いて総電圧の上昇開始タイミングを決定し、これを待機時間とすることも可能である。この場合には、温度センサ8の代わりに圧力センサ(圧力検出手段)を水素排出流路5に設置し、この圧力センサで検出された圧力をアノード圧力として用いる。アノード圧力と待機時間T1との関係は次の通りである。アノード圧力が高いほど、アノード系内に残留する水素量が多く、水素が消費されるのに時間が長くかかるため、第1期St1の期間が長くなり、第2期St2に移行するのが遅くなる(換言すると、電圧上昇が起こるのが遅くなる)。したがって、アノード圧力が高いほど、待機時間T1を長くする。
It is also possible to determine the rise start timing of the total voltage using the pressure in the anode system, that is, the anode pressure, as the state quantity in the
また、燃料電池スタック2内の状態量として湿度を用いて総電圧の上昇開始タイミングを決定し、これを待機時間とすることも可能である。この場合には、温度センサ8の代わりに湿度センサ(湿度検出手段)を水素排出流路5に設置し、この湿度センサで検出された湿度を燃料電池スタック2内の湿度として用いる。燃料電池スタック2内の湿度と待機時間T1との関係は次の通りである。燃料電池スタック2内の湿度が高いほど、固体高分子電解質膜の水分量が多いため水素の透過性が高く、第1期St1の期間が短くなり、第2期St2に早く移行する(換言すると、電圧上昇が早く起こる)。したがって、燃料電池スタック2内の湿度が高いほど、待機時間T1を短くする。
It is also possible to determine the start timing of the increase of the total voltage using humidity as the state quantity in the
このように、燃料電池スタック2内の温度、湿度、アノード圧力のいずれか1つを燃料電池スタック2内の状態量として待機時間T1を決定することができるが、燃料電池スタック2内の温度、湿度、アノード圧力の中の適宜2つに基づいて、あるいは3つ総てに基づいて、待機時間T1を決定することも可能である。
As described above, the standby time T1 can be determined using any one of the temperature, humidity, and anode pressure in the
ステップS101において待機時間T1を決定した後、ステップS102に進み、発電停止時間が待機時間T1以上であるか否かを判定する。
ステップS102における判定結果が「NO」である場合には、ステップS102に戻り、発電停止時間が待機時間T1に達するまで待機する。
ステップS102における判定結果が「YES」である場合には、ステップS103に進み、セル電圧センサ20により燃料電池スタック2の各セルのセル電圧を検出し、各セル電圧を合計して燃料電池スタック2の総電圧を算出し、所定時間当たり(例えば、1分当たり)の総電圧の変化量(以下、電圧変化量という)を算出する。
このように、発電停止から待機時間が経過するまでは、ステップS103の処理(電圧変化量の算出処理)を実行しないので、電子制御装置30の負荷を低減することができ、消費電力を低減することができる。
この実施例においては、電子制御装置30がステップS103を実行することにより、電圧変化量算出部が実現される。
After determining the standby time T1 in step S101, the process proceeds to step S102, and it is determined whether or not the power generation stop time is equal to or longer than the standby time T1.
If the determination result in step S102 is “NO”, the process returns to step S102 and waits until the power generation stop time reaches the standby time T1.
If the determination result in step S102 is “YES”, the process proceeds to step S103, where the
Thus, since the process of step S103 (voltage change amount calculation process) is not executed until the standby time elapses after the power generation is stopped, the load on the
In this embodiment, the voltage change amount calculation unit is realized by the
次に、ステップS104に進み、前回ステップS103で算出した電圧変化量(以下、前回の電圧変化量という)が正(>0)で、且つ、今回ステップS103で算出した電圧変化量(以下、今回の電圧変化量という)が0または負(≦0)であるか否かを判定する。この実施例においては、電子制御装置30がステップS104を実行することにより、判定部が実現される。
ステップS104における判定結果が「NO」である場合には、ステップS105に進み、ステップS104における判定結果が「YES」である場合には、ステップS107に進む。
Next, proceeding to step S104, the voltage change amount calculated in the previous step S103 (hereinafter referred to as the previous voltage change amount) is positive (> 0), and the voltage change amount calculated in the current step S103 (hereinafter referred to as the current voltage change amount). It is determined whether the voltage change amount is 0 or negative (≦ 0). In this embodiment, the determination unit is realized by the
If the determination result in step S104 is “NO”, the process proceeds to step S105. If the determination result in step S104 is “YES”, the process proceeds to step S107.
ステップS104における判定結果が「NO」ということは、燃料電池スタック2の電圧の状態が図4において第1期St1の状態か、あるいは、第2期St2において電圧の上昇が続いている状態である。したがって、この場合には、ステップS105に進み、電圧変化量算出の周期を所定の一定時間t(例えば、1分)に設定し、さらにステップS106に進んで、ステップS103で電圧変化量を算出してから前記一定時間tが経過したか否かを判定し、ステップS106における判定結果が「NO」である場合には、ステップS106に戻って一定時間tが経過するまで待機し、ステップS106における判定結果が「YES」である場合には、ステップS103に戻り、再びセル電圧センサ20により燃料電池スタック2の各セルのセル電圧を検出し、各セル電圧を合計して燃料電池スタック2の総電圧を算出し、電圧変化量を算出する。
つまり、ステップS103における電圧変化量の算出処理およびステップS104における電圧変化量の推移判定処理は、前記一定時間tが経過したときにのみ実行し、一定時間tの経過途中では両処理を実行しない。これにより、不必要に電子制御装置30の負荷を増やさないようにすることができ、消費電力を低減することができる。
If the determination result in step S104 is “NO”, the voltage state of the
That is, the voltage change amount calculation process in step S103 and the voltage change amount transition determination process in step S104 are performed only when the predetermined time t has elapsed, and both processes are not performed during the elapse of the predetermined time t. As a result, the load on the
一方、ステップS104における判定結果が「YES」ということは、第2期St2における電圧上昇が終点に達し、燃料電池スタック2の総電圧が横這い、あるいは下降し始めた状態であると判断することができる。そこで、この場合には、ステップS107に進み、燃料電池スタック2の放電を実行する。燃料電池スタック2の放電は、DC/DCコンバータ21を作動してバッテリー22に充電することによって実行してもよいし、スイッチ23をオンにして電気負荷24により電力を消費させることによって実行してもよい。
On the other hand, if the determination result in step S104 is “YES”, it can be determined that the voltage increase in the second period St2 has reached the end point and the total voltage of the
そして、ステップS107からステップS108に進み、燃料電池スタック2の総電圧が第1の所定値V1以下、または、全セルのセル電圧のうちの最低値(以下、最低セル電圧という)が第2の所定値V2以下のいずれかを満たすか否かを判定する。
ステップS108における判定結果が「NO」である場合、すなわち、燃料電池スタック2の総電圧が第1の所定値V1よりも大きく、且つ、最低セル電圧が第2の所定値V2よりも大きい場合には、ステップS108に戻り、ステップS108における判定結果が「YES」になるまで、燃料電池スタック2の放電を継続する。
一方、ステップS108における判定結果が「YES」である場合、すなわち、燃料電池スタック2の総電圧が第1の所定値V1以下であるか、または、最低セル電圧が第2の所定値V2以下である場合には、ステップS109に進み、DC/DCコンバータ21を非作動にしたり、スイッチ23をオフ(非作動)にすることにより、燃料電池スタック2の放電を停止する。
Then, the process proceeds from step S107 to step S108, where the total voltage of the
When the determination result in step S108 is “NO”, that is, when the total voltage of the
On the other hand, when the determination result in step S108 is “YES”, that is, the total voltage of the
つまり、ステップS108では、放電停止条件を満たしているか否かを判定する。そして、放電停止条件は2つあり、いずれかの条件を満たした場合に放電を停止する。放電停止条件の1つは、燃料電池スタック2の総電圧が第1の所定値V1(例えば0ボルト)以下ということであり、もう1つは、最低セル電圧が第2の所定値V2以下である。
That is, in step S108, it is determined whether or not the discharge stop condition is satisfied. There are two discharge stop conditions, and the discharge is stopped when one of the conditions is satisfied. One of the discharge stop conditions is that the total voltage of the
この実施例のように、前回の電圧変化量が正(>0)で、且つ、今回の電圧変化量が0または負(≦0)である場合に燃料電池スタック2の放電を開始すると、総電圧が最も高くなった時点で放電を開始することができる。前述したように、総電圧が最も高くなったときは、大気から燃料電池スタック2のカソード側への酸素の拡散が全セルに満遍なく行われていると推測され、燃料電池スタック2内のセルの積層位置によるセル電圧のバラツキが極めて少ないと推測される。よって、燃料電池スタック2の総電圧に基づいて放電停止タイミングを決定することができる。なお、第1の所定値V1は、燃料電池スタック2のアノード内の酸素(つまり固体高分子電解質膜を介してカソードからアノードに透過した酸素)が消費されたと推定されるときの総電圧とし、例えば、0ボルトに設定することができる。
As in this embodiment, when the discharge of the
ただし、燃料電池スタック2の総電圧に基づいて放電停止タイミングを決定することができるのは、総てのセルが正常であることを前提である。もし仮に、異常なセルが存在し、その異常なセルが他の正常なセルよりもセル電圧が低い場合に、燃料電池スタック2の総電圧に基づいて放電停止タイミングを決定すると、前記異常なセルの固体高分子電解質膜を損傷させてしまう。そこで、基本的には燃料電池スタック2の総電圧に基づいて放電停止タイミングを決定するが、総電圧が第1の所定値V1以下となっていなくても最低セル電圧が第2の所定値V2以下である場合には、その最低セル電圧のセルが異常であると判断し、放電を停止することにより、燃料電池スタック2を保護する。なお、第2の所定値V2は、例えば、ほぼ0V(セル電圧の真値が0V以下にならないようにセンサ誤差を考慮した値)に設定することができる。
However, the reason why the discharge stop timing can be determined based on the total voltage of the
ステップS109において放電を停止した後、ステップS110に進み、燃料電池スタック2の発電を停止してからの経過時間が所定時間T2以上か否かを判定する。所定時間T2は、燃料電池スタック2のアノード系に水素が存在しなくなると予測される時間とし、予め実験的に経験値として求めておく。
ステップS110における判定結果が「NO」である場合には、ステップS101に戻り、ステップS101〜S110の一連の放電制御を継続する。
ステップS110における判定結果が「YES」である場合には、燃料電池スタック2のアノード系内に水素が存在しないので、これ以降、電圧降下は起こらないと判断し、この放電制御ルーチンの実行を終了する。これにより、電圧変化量の監視を不必要に継続しないで済み、電子制御装置30の負荷を低減することができ、消費電力を低減することができる。
After stopping the discharge in step S109, the process proceeds to step S110, and it is determined whether or not the elapsed time since the power generation of the
When the determination result in step S110 is “NO”, the process returns to step S101 and the series of discharge control in steps S101 to S110 is continued.
If the determination result in step S110 is “YES”, since there is no hydrogen in the anode system of the
この実施例の燃料電池システム1によれば、発電停止中の燃料電池スタック2の放電開始条件を、燃料電池スタック2の電圧値で管理せず、電圧変化量で管理するので、放電を確実に実行することができる。例えば、放電開始条件を電圧値で管理すると、停止時の水素圧力や温度によっては第2期St2において電圧値が放電開始閾値まで上昇せず、放電を実行することができない場合も起こり得るが、放電開始条件を電圧変化量で管理した場合には、第2期St2において電圧値が最も高くなったときに放電が開始されるので、放電を適切なタイミングで確実に実行することができる。
According to the fuel cell system 1 of this embodiment, the discharge start condition of the
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段を、アノード系内の温度を検出する温度センサで構成したが、これに代えて、燃料電池スタック内部の温度を検出する温度検出手段で構成してもよいし、燃料電池スタックのカソード系内の温度を検出する温度検出手段で構成してもよい。
また、前述した実施例では、燃料電池スタック内の湿度を検出する湿度検出手段を、アノード系内の湿度を検出する湿度センサで構成したが、これに代えて、燃料電池スタックのカソード系内の湿度を検出する湿度検出手段で構成してもよい。
[Other Examples]
The present invention is not limited to the embodiment described above.
For example, in the above-described embodiment, the temperature detection means for detecting the temperature of the fuel cell stack is constituted by the temperature sensor for detecting the temperature in the anode system. Instead, the temperature inside the fuel cell stack is detected. You may comprise with a temperature detection means, and you may comprise with the temperature detection means which detects the temperature in the cathode system of a fuel cell stack.
Further, in the above-described embodiment, the humidity detecting means for detecting the humidity in the fuel cell stack is configured by the humidity sensor for detecting the humidity in the anode system, but instead, the humidity sensor in the cathode system of the fuel cell stack is configured. You may comprise with the humidity detection means to detect humidity.
1 燃料電池システム
2 燃料電池スタック
8 温度センサ(温度検出手段)
20 セル電圧センサ(セル電圧検出手段)
21 DC/DCコンバータ(放電制御手段)
22 バッテリ(電気負荷)
23 スイッチ(放電制御手段)
24 電気負荷
30 電子制御装置(制御部、総電圧検出手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
20 cell voltage sensor (cell voltage detection means)
21 DC / DC converter (discharge control means)
22 Battery (electric load)
23 switch (discharge control means)
24
Claims (4)
前記燃料電池スタックに接続され該燃料電池スタックで発電した電気を消費する電気負荷と、
前記燃料電池スタックから前記電気負荷への電力供給を制御する放電制御手段と、
前記燃料電池スタックの総電圧を検出する総電圧検出手段と、
前記放電制御手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記総電圧検出手段により検出された総電圧値に基づいて所定時間当たりの電圧変化量を算出する電圧変化量算出部と、前記燃料電池スタックの発電停止後に前記電圧変化量算出手段により算出された電圧変化量が正から0または負に移行したか否かを判定する判定部とを備え、前記判定部が肯定判定した場合に前記放電制御手段を作動して前記電気負荷への電力供給を開始し、該電力供給開始後に前記総電圧値が、前記燃料電池スタックのアノードの酸素が消費されたと推定される総電圧判定閾値以下となった場合に、前記放電制御手段を非作動にして前記電気負荷への電力供給を停止することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells that generate electricity by supplying an anode gas containing hydrogen to the anode and a cathode gas containing oxygen to the cathode;
An electric load connected to the fuel cell stack and consuming electricity generated by the fuel cell stack;
Discharge control means for controlling power supply from the fuel cell stack to the electric load;
Total voltage detecting means for detecting the total voltage of the fuel cell stack;
A control unit for controlling the discharge control means;
With
The control unit calculates a voltage change amount per predetermined time based on the total voltage value detected by the total voltage detection means, and calculates the voltage change amount after the fuel cell stack stops generating power. And a determination unit that determines whether or not the voltage change amount calculated by the means has shifted from positive to zero or negative, and when the determination unit makes an affirmative determination, the discharge control unit is operated to the electric load. When the total voltage value is equal to or lower than the total voltage determination threshold estimated to have consumed oxygen in the anode of the fuel cell stack after the power supply is started, the discharge control means is turned off. A fuel cell system which is activated to stop power supply to the electric load.
前記制御部は、前記電力供給開始後に、前記総電圧値が前記総電圧判定閾値以下となる前に、前記セル電圧検出手段により検出された各セルの電圧のうちの最低値がセル電圧判定閾値以下となった場合には、前記最低値が前記セル電圧判定閾値以下となったときに前記放電制御手段を非作動にして前記電気負荷への電力供給を停止することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 Cell voltage detection means for detecting the voltage of each cell of the fuel cell stack;
The control unit is configured such that, after the power supply starts, before the total voltage value becomes equal to or lower than the total voltage determination threshold value, a minimum value among the voltages of each cell detected by the cell voltage detection unit is a cell voltage determination threshold value. The power supply to the electric load is stopped by disabling the discharge control means when the minimum value is equal to or less than the cell voltage determination threshold value when the value is below. The fuel cell system described in 1.
前記制御部は、該検出手段の検出値に基づいて待機時間を決定し、前記発電停止から前記待機時間を経過した後に、前記電圧変化量算出部による電圧変化量の算出処理の実行を開始することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell stack when power generation of the fuel cell stack is stopped; humidity detecting means for detecting the humidity in the fuel cell stack; and detecting the pressure of the anode of the fuel cell stack. Comprising at least one detection means of pressure detection means,
The control unit determines a standby time based on a detection value of the detection unit, and starts executing a voltage change amount calculation process by the voltage change amount calculation unit after the standby time has elapsed since the power generation was stopped. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
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CN104282925A (en) * | 2013-07-11 | 2015-01-14 | 铃木株式会社 | Deterioration detection apparatus for vehicle-used fuel cell |
-
2010
- 2010-07-26 JP JP2010167173A patent/JP2012028221A/en active Pending
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CN104282925A (en) * | 2013-07-11 | 2015-01-14 | 铃木株式会社 | Deterioration detection apparatus for vehicle-used fuel cell |
DE102014107848A1 (en) | 2013-07-11 | 2015-01-15 | Suzuki Motor Corporation | Quality reduction detection device for vehicle fuel cell unit |
DE102014107848B4 (en) | 2013-07-11 | 2022-04-21 | Suzuki Motor Corporation | Deterioration detection device for vehicle fuel cell unit |
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