JP2012064539A - Fuel cell system and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
燃料電池は、発電効率の観点から所定の温度範囲において運転されることが望ましい。このような燃料電池を含む燃料電池システムには、燃料電池における電気化学反応により生成される反応熱による燃料電池の温度変化を管理するために冷却システムが備えられている。冷却システムには、燃料電池内部に備えられた冷媒流路に冷媒(例えば冷却水)を循環させるものが知られている。 The fuel cell is desirably operated in a predetermined temperature range from the viewpoint of power generation efficiency. A fuel cell system including such a fuel cell is provided with a cooling system for managing a temperature change of the fuel cell due to reaction heat generated by an electrochemical reaction in the fuel cell. As the cooling system, one that circulates a refrigerant (for example, cooling water) through a refrigerant flow path provided inside the fuel cell is known.
このような冷却システムにおいて、低温(例えば氷点下)での運転開始時に、燃料電池の温度を速やかに上昇させるために、燃料電池内部の冷媒流路への冷媒の循環を停止させる技術が知られている(例えば、特許文献1)。 In such a cooling system, a technique for stopping the circulation of the refrigerant to the refrigerant flow path inside the fuel cell is known in order to quickly increase the temperature of the fuel cell at the start of operation at a low temperature (for example, below freezing point). (For example, Patent Document 1).
しかし、従来の技術では、低温環境では冷媒流路への冷媒の循環を一律に停止させるため、このような状態で燃料電池の発電を継続した場合、燃料電池のセル面内で温度差が生じ、この温度差に起因して、例えばセルの構成部材に応力が生じセルの劣化や損傷を招くおそれがあった。 However, in the conventional technology, the circulation of the refrigerant to the refrigerant flow path is uniformly stopped in a low temperature environment. Therefore, when the power generation of the fuel cell is continued in such a state, a temperature difference occurs in the cell surface of the fuel cell. Due to this temperature difference, for example, stress may occur in the constituent members of the cell, leading to deterioration or damage of the cell.
本発明は、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of quickly raising an internal temperature while suppressing cell deterioration in a low-temperature environment.
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、
前記燃料電池に反応ガスを給排するためのガス流路と、
前記燃料電池を冷却する冷媒を循環させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度取得部と、
低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記温度取得部に反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、
前記電気量取得部により取得された前記電気量を、前記対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、電気量取得部は、温度取得部に反映された燃料電池の内部温度が基準温度以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得し、運転制御部は、取得された電気量を、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒の循環に関する条件を含む燃料電池を発電させる際の運転条件を決定するため、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
[Application Example 1]
A fuel cell system,
A fuel cell;
A gas flow path for supplying and discharging reaction gas to and from the fuel cell;
A refrigerant flow path for circulating a refrigerant for cooling the fuel cell;
A temperature acquisition unit that reflects the internal temperature of the fuel cell;
A storage unit for storing in advance a correspondence relationship between the amount of electricity and the amount of reaction heat when the fuel cell is generated in a state where the supply of the reaction gas is stopped in a low temperature environment;
An electric quantity acquisition unit for acquiring an electric quantity generated when the fuel cell is caused to generate electric power in a state where supply of the reaction gas is stopped when the internal temperature reflected in the temperature acquisition unit is equal to or lower than a reference temperature; ,
The estimated amount of reaction heat derived by applying the amount of electricity acquired by the amount-of-electricity acquisition unit to the corresponding relationship is obtained, and the fuel cell including the condition relating to the circulation of the refrigerant is generated from the obtained estimated amount of reaction heat. A fuel cell system comprising: an operation control unit configured to determine an operation condition at the time and generate power according to the determined operation condition.
With such a configuration, the electric quantity acquisition unit generates power in the state where the supply of the reaction gas is stopped when the internal temperature of the fuel cell reflected in the temperature acquisition unit is equal to or lower than the reference temperature. The operation control unit obtains the amount of electricity generated when the fuel cell is caused to generate power with the reaction gas supply stopped in a low temperature environment and the amount of reaction heat. In order to determine the estimated reaction calorific value derived by applying the correspondence, and to determine the operating conditions for power generation of the fuel cell including the conditions related to the circulation of the refrigerant from the calculated estimated calorific value, the deterioration of the cell is suppressed in a low temperature environment. However, it is possible to provide a fuel cell system capable of quickly raising the internal temperature.
[適用例2]
適用例1記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、
前記推定反応熱量が予め定められた第1の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を行った状態で発電させる第1の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第1の閾値未満かつ予め定められた第2の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第2の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第2の閾値未満である場合、前記運転条件を発電を行わない第3の運転モードと決定する、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、推定反応熱量が予め定められた第1の閾値以上である場合、燃料電池の運転条件を冷媒流路への冷媒の循環を行った状態で発電させる第1の運転モードと決定し、推定反応熱量が第1の閾値未満かつ予め定められた第2の閾値以上である場合、燃料電池の運転条件を冷媒流路への冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第2の運転モードと決定し、推定反応熱量が第2の閾値未満である場合、燃料電池の運転条件を発電を行わない第3の運転モードと決定する。すなわち、冷媒の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制する観点から冷媒を循環させた状態で燃料電池を発電させ、冷媒の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されると十分な温度上昇が期待できないが、冷媒の循環を停止させて燃料電池を発電させれば、所定の時間内で十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、燃料電池の温度上昇を優先させて、冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を発電させることができる。この結果、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
[Application Example 2]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The operation controller is
When the estimated reaction heat amount is equal to or greater than a predetermined first threshold, the operation condition is determined as a first operation mode for generating power in a state where the refrigerant is circulated through the refrigerant flow path,
When the estimated amount of reaction heat is less than the first threshold value and greater than or equal to a predetermined second threshold value, the second operating condition is to generate power in a state where circulation of the refrigerant to the refrigerant flow path is stopped. Determine the operation mode,
The fuel cell system, wherein when the estimated amount of reaction heat is less than the second threshold, the operation condition is determined as a third operation mode in which power generation is not performed.
With such a configuration, when the estimated reaction heat amount is equal to or greater than a predetermined first threshold, the operation control unit generates power in a state in which the operating conditions of the fuel cell are circulated through the refrigerant flow path. If the estimated reaction heat quantity is less than the first threshold value and greater than or equal to the second threshold value determined in advance, the operation condition of the fuel cell is set to stop the circulation of the refrigerant to the refrigerant flow path. When the estimated reaction heat amount is less than the second threshold value, the fuel cell operating condition is determined as the third operating mode in which power generation is not performed. In other words, if the reaction heat quantity is estimated to such an extent that a sufficient temperature increase can be expected even if the temperature increase of the fuel cell itself is suppressed by the circulation of the refrigerant, the decrease in the power generation performance of the fuel cell due to cell deterioration or the like is suppressed. From the point of view, if the fuel cell is generated with the refrigerant circulated and the temperature rise of the fuel cell itself is suppressed by the circulation of the refrigerant, a sufficient temperature rise cannot be expected, but the refrigerant circulation is stopped to generate the fuel cell. If the amount of reaction heat that can be expected to increase sufficiently within a predetermined time is estimated, the fuel cell is generated with the refrigerant circulation stopped, giving priority to the temperature increase of the fuel cell. Can be made. As a result, it is possible to provide a fuel cell system capable of quickly raising the internal temperature while suppressing cell deterioration in a low temperature environment.
[適用例3]
適用例2記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第1の運転モードで前記燃料電池の発電を開始する前に、前記推定反応熱量と、前記第1の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、
前記推定反応熱量が前記基準値未満である場合、前記第1の運転モードと、前記第2の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第1の運転モードで燃料電池の発電を開始する前に、推定反応熱量と、第1の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、推定反応熱量が基準値未満である場合、第1の運転モードと、第2の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた運転条件で燃料電池を発電させるため、利便性を向上させることができる。
[Application Example 3]
A fuel cell system according to Application Example 2,
The operation control unit further includes:
Before starting power generation of the fuel cell in the first operation mode, the estimated reaction heat amount is compared with a reference value obtained by adding a predetermined value to the first threshold,
When the estimated amount of reaction heat is less than the reference value, a selection of an operation condition to be executed is accepted from the first operation mode and the second operation mode, and the fuel according to the accepted operation condition A fuel cell system that generates power from a battery.
With such a configuration, the operation control unit compares the estimated reaction heat amount with a reference value obtained by adding a predetermined value to the first threshold before starting the power generation of the fuel cell in the first operation mode. If the estimated reaction heat quantity is less than the reference value, the selection of the operation condition to be executed is accepted from the first operation mode and the second operation mode, and the fuel cell is caused to generate power under the accepted operation condition. Therefore, convenience can be improved.
[適用例4]
適用例2または3記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第1の運転モードで前記燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、前記燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、前記電気量取得部による前記電気量の取得の際に予め取得していた前記指標値と比較して劣っている場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第2の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第1の運転モードで燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、電気量取得部による電気量の取得の際に予め取得していた指標値と比較して劣っている場合は、燃料電池の運転条件を冷媒の循環が停止される第2の運転モードに切り替えるため、燃料電池の温度を上昇しやすくすることができる。
[Application Example 4]
A fuel cell system according to application example 2 or 3,
The operation control unit further includes:
An index value for evaluating the power generation performance of the fuel cell is acquired after a lapse of a predetermined time from the start of power generation of the fuel cell in the first operation mode, and the acquired index value is the amount of electricity acquired. A fuel cell system that switches the operating condition of the fuel cell to the second operating mode when inferior to the index value acquired in advance at the time of acquisition of the amount of electricity by the unit.
With such a configuration, the operation control unit acquires an index value for evaluating the power generation performance of the fuel cell after a lapse of a predetermined time from the start of power generation of the fuel cell in the first operation mode, When the acquired index value is inferior to the index value acquired in advance at the time of acquiring the amount of electricity by the amount of electricity acquisition unit, the circulation of the refrigerant is stopped as the operating condition of the fuel cell. Therefore, the temperature of the fuel cell can be easily increased.
[適用例5]
適用例2ないし4のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第2の運転モードで前記燃料電池の発電を開始した後、前記内部温度を定期的に取得し、前記内部温度が前記基準温度よりも高くなった場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第1の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第2の運転モードで燃料電池の発電を開始した後内部温度を定期的に取得し、内部温度が基準温度よりも高くなった場合は燃料電池の運転条件を第1の運転モードに切り替えるため、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
[Application Example 5]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 2 to 4,
The operation control unit further includes:
After starting the power generation of the fuel cell in the second operation mode, the internal temperature is periodically acquired, and when the internal temperature becomes higher than the reference temperature, the operating condition of the fuel cell is set to the A fuel cell system for switching to the first operation mode.
With such a configuration, the operation control unit periodically acquires the internal temperature after starting the power generation of the fuel cell in the second operation mode, and when the internal temperature becomes higher than the reference temperature, the fuel cell Since the operation condition is switched to the first operation mode, it is possible to suppress a decrease in the power generation performance of the fuel cell due to cell deterioration or the like.
[適用例6]
適用例2ないし5のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第3の運転モードである場合に、前記燃料電池の発電が不可能である旨と、前記燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な前記内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知する、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第3の運転モードである場合に、燃料電池の発電が不可能である旨と、燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知するため、利便性を向上させることができる。
[Application Example 6]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 2 to 5,
The operation control unit further includes:
In the third operation mode, the fact that the power generation of the fuel cell is impossible, and the increase value of the internal temperature necessary for switching the operation condition of the fuel cell to another operation condition, A fuel cell system that notifies at least one of them to the outside.
With such a configuration, the operation control unit is necessary to switch the fuel cell operating condition to another operating condition and that the fuel cell cannot generate power in the third operation mode. Because at least one of the internal temperature rise value and the outside is notified to the outside, the convenience can be improved.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、それらを備える移動体等の態様で実現することができる。また、本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略して構成することもできる。 The present invention can be realized in various forms. For example, it is realizable with aspects, such as a fuel cell system, a control method of a fuel cell system, and a mobile object provided with them. In addition, the present invention does not necessarily have all the various features described above, and may be configured by omitting some of them.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A.実施例:
(A−1)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10の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、自動車(図示省略)に搭載されており、インバータ60を介して、自動車に推進力を与えるためのモータ(図示省略)等に接続されている。燃料電池システム10は、外部に電力を供給するために、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池20を運転する。
A. Example:
(A-1) Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池システム10の燃料電池20は、反応ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。本実施例では、燃料電池20に供給される反応ガスには、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスである空気とが含まれる。燃料電池20に供給された燃料ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池20の外部に排出される。燃料電池20に供給された酸化ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池20の外部に排出される。
The
燃料電池20は、燃料ガスから直接的に電気エネルギを取り出す基本構造を構成する複数の単セル21を備え、これら複数の単セル21は、電気的に直列に積層されている。単セル21の構成の詳細は後述する。また、燃料電池20には、電流計測部217と、セル電圧計測部218と、内部温度計測部219が設けられている。
The
電流計測部217は、燃料電池20の直流電源ラインDCLに接続されており、燃料電池20が出力する電流値を計測し、計測結果を制御部90へ送信する。セル電圧計測部218は、燃料電池20の各単セル21と接続されている。セル電圧計測部218は、各単セル21におけるアノード電極とカソード電極との間の電位差、すなわち、各単セル21の電圧(セル電圧)を計測し、計測結果を制御部90へ送信する。温度取得部としての内部温度計測部219は、燃料電池20の内部温度を計測し、計測結果を制御部90へ送信する。内部温度計測部219は、例えば、熱電対によって構成することができる。
The
燃料電池システム10は、燃料電池20を運転するための構成として、水素供給部30と、冷却部40と、空気供給部50と、制御部90とを備えている。
The
水素供給部30は、制御部90の指示に基づいて、燃料ガスである水素を燃料電池20に供給する。本実施例では、水素供給部30は、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素を供給する装置であるが、例えば、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素を供給する装置であっても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素を供給する装置であっても良い。
The
水素供給部30は、燃料電池20への燃料ガスの供給と、燃料電池20からの反応ガスの排出のために、アノード供給路310と、アノード排出路320とを備えている。アノード供給路310は、水素供給部30から燃料電池20に燃料ガスを流す流路を形成する。アノード供給路310には、アノード供給バルブ312が設けられている。アノード供給バルブ312は、制御部90の指示に応じて、燃料電池20へ供給される燃料ガスの供給量を調整する機能を有する。アノード排出路320は、燃料電池20からアノードオフガスを流す流路を形成する。
The
空気供給部50は、制御部90の指示に基づいて、酸化ガスである空気を燃料電池20に供給する。本実施例では、空気供給部50は、ポンプで大気中から取り込んだ空気を供給する装置である。
The
空気供給部50は、燃料電池20への酸化ガスの供給と、燃料電池20からの反応ガスの排出のために、カソード供給路510と、カソード排出路520とを備えている。カソード供給路510は、空気供給部50から燃料電池20に酸化ガスを流す流路を形成する。カソード供給路510には、カソード供給バルブ512が設けられている。カソード供給バルブ512は、制御部90の指示に応じて、燃料電池20へ供給される酸化ガスの供給量を調整する機能を有する。カソード排出路520は、燃料電池20からカソードオフガスを流す流路を形成する。なお、なお、アノード供給路310と、アノード排出路320と、カソード供給路510と、カソード排出路520とを総称して、単に「ガス流路」とも呼ぶ。
The
冷却部40は、燃料電池20の内部との間で冷媒としての冷却水(不凍液)を循環させながら、冷却水の熱を大気中に発散させることで燃料電池20を冷却する。
The cooling
冷却部40は、冷却水の循環のために、冷却水往路410と、冷却水復路420とを備えている。冷却水往路410は、冷却部40から燃料電池20へ冷却水を流す流路を形成する。冷却水往路410には、往路バルブ412が設けられている。往路バルブ412は、制御部90の指示に応じて、燃料電池20へ循環される冷却水の量を調整する機能を有する。冷却水復路420は、燃料電池20から冷却部40へ冷却水を流す流路を形成する。冷却水復路420には、復路バルブ422が設けられている。復路バルブ422、制御部90の指示に応じて、燃料電池20へ循環される冷却水の量を調整する機能を有する。なお、冷却水往路410と、冷却水復路420とを総称して、単に「冷媒流路」とも呼ぶ。
The cooling
制御部90は、燃料電池システム10の各部を制御する機能を有する。制御部90は、運転制御部910と、記憶部920と、インタフェース930とを備えている。運転制御部910は、燃料電池20の運転に関する制御を行う。記憶部920は、各種のプログラムやデータを記憶する。インタフェース930は、燃料電池システム10の各部との間を電気的に接続する。
The
運転制御部910は、燃料電池20による発電を開始する際に実行される運転モード判定制御(詳細は後述)を行う。運転制御部910は、さらに、ガス制御部912と、冷媒制御部914と、電気量取得部916とを備えている。本実施例において、運転制御部、および、運転制御部が備える各部の機能は、記憶部920に予め記憶されている制御プログラム922に基づいて運転制御部910のセントラルプロセッシングユニット(Central Processing Unit、CPU)が動作することによって実現される。なお、運転制御部910の少なくとも一部の機能は、運転制御部910の電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
The
ガス制御部912は、燃料電池20による発電を開始/停止させるために、アノード電極への水素の供給およびカソード電極への空気の供給を開始/停止する。ガス制御部912は、燃料電池20に対する水素および空気の供給を開始するために、インタフェース930を介して、水素供給部30および空気供給部50に対してそれぞれ制御信号を出力する。制御信号を受信した水素供給部30は、アノード供給バルブ312を開放する。アノード供給バルブ312の開放によって、水素供給部30から送出される水素は、アノード供給路310を経由して、燃料電池20のアノード電極へ供給される。同様に、制御信号を受信した空気供給部50は、カソード供給バルブ512を開放する。カソード供給バルブ512の開放によって、空気供給部50から送出される空気は、カソード供給路510を経由して、燃料電池20のカソード電極へ供給される。
The
ガス制御部912は、燃料電池20に対する水素および空気の供給を停止するために、インタフェース930を介して、水素供給部30および空気供給部50に対してそれぞれ制御信号を出力する。制御信号を受信した水素供給部30は、アノード供給バルブ312を閉鎖する。これにより、アノード電極への水素の供給は停止される。同様に、制御信号を受信した空気供給部50は、カソード供給バルブ512を閉鎖する。これにより、カソード電極への空気の供給は停止される。
The
冷媒制御部914は、燃料電池20への冷却水の循環を開始/停止させる。冷媒制御部914は、燃料電池20への冷却水の循環を開始させるために、インタフェース930を介して冷却部40に対して制御信号を出力する。制御信号を受信した冷却部40は、往路バルブ412と、復路バルブ422とを開放した上で、冷却水を循環させる。また、冷媒制御部914は、燃料電池20への冷却水の循環を停止させるために、インタフェース930を介して冷却部40に対して制御信号を出力する。制御信号を受信した冷却部40は、往路バルブ412と、復路バルブ422とを閉鎖した上で、冷却水の循環を停止させる。
The
電気量取得部916は、燃料電池20に対する反応ガスの供給を停止した状態において生じる電気量を取得する機能を有する。詳細は後述する。記憶部920は、制御プログラム922と、運転制御マップ924とを含んでいる。運転制御マップ924の詳細は後述する。インタフェース930は、運転制御部910と、記憶部920と、燃料電池システム10の各部との間を電気的に接続する。
The electric
(A−2)燃料電池セルの構成:
図2は、燃料電池20における単セル21の構成を示す説明図である。燃料電池20の単セル21は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下、「MEA」とも呼ぶ)24と、アノードセパレータ23と、カソードセパレータ25とを備える。単セル21において、MEA24は、アノードセパレータ23と、カソードセパレータ25との間に挟持されている。
(A-2) Configuration of fuel cell:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the
単セル21のMEA24は、アノード拡散層241と、アノード触媒層242と、電解質膜244と、カソード触媒層245と、カソード拡散層246とを備え、この順序で、これらの層は一体的に積層されている。アノード拡散層241およびアノード触媒層242は、電解質膜244のアノード側の面に積層され、アノード電極243を構成する。カソード拡散層246およびカソード触媒層245は、電解質膜244のカソード側の面に積層され、カソード電極247を構成する。したがって、MEA24における電解質膜244は、アノード電極243とカソード電極247との間に挟持される状態となる。なお、アノード電極243と、カソード電極247とを総称して単に「電極」とも呼ぶ。
The
MEA24の電解質膜244は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体で形成されている。本実施例では、電解質膜244は、プロトン伝導体の一つであるアイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。
The
MEA24のアノード触媒層242およびカソード触媒層245は、電解質膜244を介して行われる水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料で形成されている。本実施例では、アノード触媒層242およびカソード触媒層245は、白金を含有する白金系触媒を担持した炭素担体に、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂を混合した材料で形成されている。
The
MEA24のアノード拡散層241およびカソード拡散層246は、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料で形成されている。アノード拡散層241は、アノード触媒層242に燃料ガスを拡散させ、カソード拡散層246は、カソード触媒層245に酸化ガスを拡散させる。本実施例では、アノード拡散層241およびカソード拡散層246は、炭素製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパーに、撥水性を有する撥水樹脂(例えば、ポリテトラフロロエチレン(PTFE))を含浸させた材料で形成されている。
The
単セル21のアノードセパレータ23は、MEA24におけるアノード側の面に燃料ガスを流すアノード流路232を形成し、単セル21のカソードセパレータ25は、MEA24におけるカソード側の面に酸化ガスを流すカソード流路252を形成する。アノードセパレータ23およびカソードセパレータ25は、燃料ガスや酸化ガスを流す上で十分な強度およびガス不透過性に加え導電性を有する材料(例えば、ステンレス、カーボン樹脂、導電性セラミックス)で形成されている。
The
(A−3)残留酸素により生じる電気量の計測方法:
図3は、燃料電池内の残留酸素により生じる電気量の取得方法についての説明図である。低温条件下(例えば、0℃以下)において燃料電池を起動する際には、燃料電池内部に残留していた液水や発電により生じた生成水が、電極上(図2:アノード触媒層242、カソード触媒層245)、ガス流路内(図2:アノード拡散層241、カソード拡散層246)、電解質膜内(図2:電解質膜244)で凍結する場合がある。電極上やガス流路内で液水が凍結すると、燃料電池内におけるガス流れが妨げられて、燃料電池の発電が抑制される。また、電解質膜内で液水が凍結すると、電解質膜内におけるプロトンの移動が抑えられて、燃料電池の発電が抑制される。従って、燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させ、その際に生じた電気量を取得すれば、上述のような液水の凍結による燃料電池の発電性能の低下の度合いを知ることができる。
(A-3) Method for measuring the amount of electricity generated by residual oxygen:
FIG. 3 is an explanatory diagram of a method for acquiring the amount of electricity generated by residual oxygen in the fuel cell. When the fuel cell is started under a low temperature condition (for example, 0 ° C. or lower), the liquid water remaining in the fuel cell and the generated water generated by the power generation are transferred onto the electrode (FIG. 2:
本実施例においては、具体的には、以下のような手順で、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する。
a)まず、電気量取得部916(図1)は、ガス制御部912と協働し、水素供給部30および空気供給部50に対して反応ガス(水素、空気)の送出開始を指示する。これにより、燃料電池20の内部には、反応ガスが充填される。
b)所定時間経過後、電気量取得部916は、ガス制御部912と協働し、空気供給部50に対して空気の送出停止を指示する。
c)空気の送出停止後、電気量取得部916は、単セル21に対して高速で電圧をスイープさせつつ印加することで単セル21を放電させ、電流計測部217により計測される電流を取得する。図3は、手順cに従って、ある単セル21に対して0.05Vから1Vまでの範囲で、200mV/秒で電圧をスイープさせた際に計測された電流挙動を示している。図3では、縦軸に印加した電圧(V)を、横軸に計測された電流の電流密度(mA/cm2)を、それぞれ示している。
d)電気量取得部916は、手順cにより計測された電流の積分値(すなわち、図3のハッチングを付して示す部分の面積)を、ある単セル21についての、反応ガスとしての空気の供給を停止した状態において生じる電気量(換言すれば、残留酸素により生じる電気量)として求める。
e)電気量取得部916は、全ての単セル21に対して手順c、dを実行する。そして、全ての単セル21に対しての手順dで得られた電気量を積算し、その合計値を燃料電池20の残留酸素により生じる電気量(C)として取得する。
In the present embodiment, specifically, the amount of electricity generated when the fuel cell is caused to generate power in a state where the supply of the reaction gas is stopped is acquired by the following procedure.
a) First, the electric quantity acquisition unit 916 (FIG. 1) cooperates with the
b) After a predetermined time has elapsed, the electric
c) After stopping the air supply, the electric
d) The electric
e) The electric
(A−4)運転制御マップの構成:
図4は、運転モード判定制御において用いられる運転制御マップ924の一例を示す説明図である。燃料電池システム10の記憶部920(図1)には、図示のような運転制御マップが予め記憶されている。運転制御マップ924では、複数の燃料電池のサンプルを用意し、用意した複数の燃料電池のサンプルに対して実験を行い、横軸に燃料電池の残留酸素により生じる電気量(C)を、縦軸に燃料電池の発電により生じた生成水量(mg/cm2)を、それぞれプロットし、近似曲線APを求めた。
(A-4) Configuration of operation control map:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of an operation control map 924 used in the operation mode determination control. The storage unit 920 (FIG. 1) of the
横軸(残留酸素により生じる電気量)の値は、燃料電池のサンプルを、低温環境下(本実施例では−10℃)において、(A−3)で説明した手順に従って発電させ、燃料電池の残留酸素により生じる電気量(C)を求めることによって得る。縦軸(生成水量)の値は、燃料電池のサンプルを、低温環境下(本実施例では−10℃)おいて、反応ガスの供給を継続した状態で、所定の時間発電させて得られた生成水の量を測定することによって得る。 The value of the horizontal axis (the amount of electricity generated by residual oxygen) is determined by causing a fuel cell sample to generate power according to the procedure described in (A-3) in a low-temperature environment (−10 ° C. in this example). It is obtained by determining the amount of electricity (C) generated by residual oxygen. The value of the vertical axis (the amount of produced water) was obtained by generating a fuel cell sample for a predetermined time in a low temperature environment (−10 ° C. in this example) while continuing to supply the reaction gas. Obtained by measuring the amount of product water.
図4の運転制御マップ924からは、燃料電池の残留酸素により生じる電気量が増加するほど、低温環境下における燃料電池の生成水量も増加することがわかる。燃料電池は、各電極において水素と酸素の電気化学反応が進行して起電力が得られるが、このような電気化学反応が進行する際に、カソード側において生成水が生じるため、生成水量と、燃料電池における発電量とは比例すると言える。また、燃料電池では、その発電量が多いほど反応熱量(水素と酸素の電気化学反応によって発生する熱)も多くなることから、すなわち、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例することがわかる。このため、本実施例における運転制御マップ924では、燃料電池の生成水量を、燃料電池の反応熱量を知るための指標として用いている。すなわち、運転制御マップ924は、複数の燃料電池を低温環境下において発電させた際に生じた電気量と、複数の燃料電池を低温環境下において発電させた際に生じると推定される反応熱量との対応関係を示している。 It can be seen from the operation control map 924 in FIG. 4 that the amount of water generated in the fuel cell in a low temperature environment increases as the amount of electricity generated by the residual oxygen in the fuel cell increases. In the fuel cell, an electromotive force is obtained by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen at each electrode, and when such an electrochemical reaction proceeds, produced water is generated on the cathode side. It can be said that the amount of power generation in the fuel cell is proportional. In addition, in a fuel cell, the greater the amount of power generated, the greater the amount of reaction heat (heat generated by the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen). That is, the amount of water produced in the fuel cell and the amount of reaction heat in the fuel cell are proportional. I understand that For this reason, in the operation control map 924 in the present embodiment, the amount of water produced by the fuel cell is used as an index for knowing the amount of reaction heat of the fuel cell. That is, the operation control map 924 includes an amount of electricity generated when a plurality of fuel cells are generated in a low temperature environment, and a reaction heat amount estimated to be generated when a plurality of fuel cells are generated in a low temperature environment. The correspondence relationship is shown.
以上のことから、図4の運転制御マップ924は、燃料電池の残留酸素により生じる電気量が増加するほど、低温環境下における燃料電池の反応熱量が増加することを示していると言える。低温環境下において所定の時間発電した場合の燃料電池の反応熱量が大きいことは、すなわち、低温環境下であっても一定の時間発電を行えば、燃料電池自身の温度がある程度高くなることが推定できることを示している。燃料電池自身の温度が高くなれば、燃料電池内部で凍結した液水を融解させることが可能となるため、上述のような液水の凍結による燃料電池の発電性能の低下を解消することができる。 From the above, it can be said that the operation control map 924 in FIG. 4 shows that the amount of reaction heat of the fuel cell in a low temperature environment increases as the amount of electricity generated by the residual oxygen of the fuel cell increases. It is estimated that the reaction heat amount of the fuel cell when generating power for a predetermined time in a low temperature environment is high, that is, if the power generation is performed for a certain time even in a low temperature environment, the temperature of the fuel cell itself will rise to some extent. It shows what you can do. If the temperature of the fuel cell itself becomes high, the liquid water frozen inside the fuel cell can be thawed, so that the reduction in power generation performance of the fuel cell due to the freezing of liquid water as described above can be eliminated. .
また、燃料電池自身の温度の上昇には、冷却水の循環有無も関係する。具体的には、冷却水を循環させた状態で燃料電池を発電させると、冷却水が燃料電池内部の熱を奪いながら循環するため、燃料電池自身の温度上昇が抑制される。一方、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を発電させると、燃料電池自身の温度上昇は抑制されない反面、燃料電池のセル面内で発電しやすい部位では温度上昇が早く、発電しにくい部位(液水が多い部位等)では温度上昇が遅くなる。この結果、セル面内で温度差が生じ、この温度差に起因してセルの構成部材に応力が生じ、セルの劣化や損傷を招く可能性がある。また、セル面内の発電しやすい部分において温度上昇が激しくなり、セル面内の一部がドライアップする可能性がある。そのため、これらを繰り返すことで、燃料電池の発電性能を低下させてしまうおそれがある。 Further, the rise in the temperature of the fuel cell itself is related to whether or not the cooling water is circulated. Specifically, when the fuel cell is generated with the cooling water being circulated, the cooling water circulates while taking heat inside the fuel cell, so that the temperature rise of the fuel cell itself is suppressed. On the other hand, when the fuel cell is generated with the cooling water circulation stopped, the temperature rise of the fuel cell itself is not suppressed, but the temperature rises quickly at the portion where the fuel cell is likely to generate electricity, and it is difficult to generate electricity. The temperature rise is slow at the part (part with a lot of liquid water, etc.). As a result, a temperature difference occurs in the cell plane, and stress is generated in the constituent members of the cell due to the temperature difference, which may cause deterioration or damage of the cell. Further, the temperature rises sharply in the cell surface where power generation is likely to occur, and part of the cell surface may dry up. Therefore, by repeating these, the power generation performance of the fuel cell may be reduced.
以上のことから、冷却水の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な燃料電池の温度上昇が推定できる場合は、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制する観点から、冷却水を循環させた状態で燃料電池を発電させることが好ましい。このため、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値S1(20mg/cm2)以上である場合の燃料電池の運転条件は、冷却水を循環させた状態で燃料電池を運転可能な第1の運転モードと決定する。なお、本実施例における「運転条件」とは、燃料電池を発電させる際の反応ガスの供給有無、冷媒の循環有無を意味する。 From the above, even if the temperature rise of the fuel cell itself can be estimated even if the temperature rise of the fuel cell itself is suppressed by the circulation of the cooling water, the viewpoint of suppressing the power generation performance reduction of the fuel cell due to cell deterioration or the like Therefore, it is preferable to generate power in the fuel cell with the cooling water circulated. For this reason, in the operation mode determination control described later, the operation condition of the fuel cell when the amount of generated water in the low temperature environment is equal to or greater than the threshold value S1 (20 mg / cm 2 ) is that the fuel cell is operated with the cooling water circulated. The first possible operation mode is determined. The “operating condition” in the present embodiment means whether or not the reactant gas is supplied and whether or not the refrigerant is circulated when generating power in the fuel cell.
また、冷却水の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されると十分な燃料電池の温度上昇が見込めないが、冷却水の循環を停止させて燃料電池を発電させれば、所定の時間内で燃料電池の温度が上昇すると推定できる場合は、燃料電池の温度上昇を優先させて、燃料電池内部における液水の凍結による発電性能の低下を解消することが好ましい。なお、所定の時間とは、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下が問題とならない程度の短時間を意味し、任意に定めることができる。このため、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値S1(20mg/cm2)未満、閾値S2(8mg/cm2)以上である場合の燃料電池の運転条件は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を運転可能な第2の運転モードと決定する。 In addition, if the increase in the temperature of the fuel cell itself is suppressed by circulating the cooling water, a sufficient increase in the temperature of the fuel cell cannot be expected. If it can be estimated that the temperature of the fuel cell will increase, it is preferable to prioritize the temperature increase of the fuel cell to eliminate the decrease in power generation performance due to freezing of liquid water inside the fuel cell. The predetermined time means a short time that does not cause a problem of reduction in power generation performance of the fuel cell due to cell deterioration or the like, and can be arbitrarily determined. Therefore, in the operation mode determination control will be described later, below water quantity threshold S1 in the low temperature environment (20mg / cm 2), the operating conditions of the fuel cell when the threshold value S2 (8mg / cm 2) or more, the cooling water Is determined as a second operation mode in which the fuel cell can be operated in a state where the circulation of the fuel cell is stopped.
また、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値S2(8mg/cm2)未満である場合の燃料電池の運転条件は、発電を行わない第3の運転モードと決定する。これは、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を長時間発電させることとなり、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を招くおそれがあるためである。なお、上記閾値S1、S2は例示であり、設計により任意の値を採用することができる。なお、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例するため、図4の閾値S1は特許請求の範囲における「第1の閾値」を間接的に示し、閾値S2は特許請求の範囲における「第2の閾値」を間接的に示す。 Further, in the operation mode determination control described later, the operation condition of the fuel cell when the amount of generated water in the low temperature environment is less than the threshold value S2 (8 mg / cm 2 ) is determined as the third operation mode in which power generation is not performed. This is because the fuel cell is caused to generate power for a long time in a state where the circulation of the cooling water is stopped, and there is a possibility that the power generation performance of the fuel cell is lowered due to deterioration of the cell or the like. The threshold values S1 and S2 are examples, and arbitrary values can be adopted depending on the design. Since the amount of water produced in the fuel cell and the amount of reaction heat in the fuel cell are proportional, the threshold value S1 in FIG. 4 indirectly indicates the “first threshold value” in the claims, and the threshold value S2 is in the claims. The “second threshold value” in FIG.
(A−5)燃料電池システムの動作:
図5は、燃料電池システム10における運転モード判定制御の手順を示すフローチャートである。運転モード判定制御は、燃料電池20による発電を開始する際(例えば、制御部90が燃料電池20の運転開始要求を受け付けた際)に、運転制御部910(図1)によって実行される処理である。
(A-5) Operation of fuel cell system:
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure of operation mode determination control in the
運転モード判定制御を開始すると、電気量取得部916は、ガス制御部912(図1)と協働して、燃料電池20への反応ガスの送出を行う(ステップS100)。詳細は、(A−3)手順aと同様である。次に、運転制御部910は、内部温度計測部219によって計測される燃料電池20の内部温度を取得し、この内部温度が0℃よりも高いか否かを判定する(ステップS102)。燃料電池20の内部温度が0℃よりも高い場合(ステップS102:YES)、運転制御部910は通常の運転が可能であると決定し、燃料電池20を通常通りの方法で発電を開始させた後、処理を終了する(ステップS116)。具体的には、運転制御部910は、ガス制御部912に対して、水素供給部30および空気供給部50からの反応ガス(水素、空気)の送出開始を要求する。さらに、運転制御部910は、冷媒制御部914に対して、冷却部40による冷媒の循環の開始を要求する。
When the operation mode determination control is started, the electric
一方、燃料電池20の内部温度が基準温度(本実施例では0℃)以下である場合(ステップS102:NO)、電気量取得部916は、燃料電池への空気の送出を停止する(ステップS104)。詳細は、(A−3)手順bと同様である。空気の送出停止後、電気量取得部916は、燃料電池20の残留酸素により生じる電気量を求める(ステップS106)。詳細は、(A−3)手順c〜eと同様である。
On the other hand, when the internal temperature of the
次に、運転制御部910は、冷却水を循環させた状態で燃料電池の運転が可能か否かを判定する(ステップS108)。具体的には、運転制御部910は、記憶部920に格納されている運転制御マップ924を参照し、運転制御マップ924の近似曲線AP(図4)と、ステップS106で求めた燃料電池20の電気量とから推定される燃料電池20の推定生成水量(すなわち、縦軸の値)を求める。なお、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例するため、ここで求める推定生成水量は、特許請求の範囲における「推定反応熱量」を間接的に示す。
Next, the
この推定生成水量が閾値S1(図4)未満である場合、運転制御部910は、冷却水を循環させた状態での燃料電池の運転は不可能であると判定し、ステップS110へ処理を遷移させる(ステップS108:NO)。一方、推定生成水量が閾値S1以上である場合、運転制御部910は、冷却水を循環させた状態での燃料電池の運転が可能であると判定し、処理をステップS120へ遷移させる(ステップS108:YES)。
When the estimated amount of generated water is less than the threshold value S1 (FIG. 4), the
ステップS110において、運転制御部910はさらに、冷却水の循環を停止させた状態であれば燃料電池の運転が可能か否かを判定する。具体的には、運転制御部910は、ステップS108で求めた推定生成水量が閾値S2(図4)以上であるか否かを判定する。推定生成水量が閾値S2以上である場合、運転制御部910は、冷却水の循環を停止させた状態であれば燃料電池の運転が可能であると判定し、処理をステップS112へ遷移させる(ステップS110:YES)。
In step S110, the
ステップS112において運転制御部910は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池20の発電を開始させる。具体的には、運転制御部910は、ガス制御部912に対して、水素供給部30および空気供給部50からの反応ガス(水素、空気)の送出開始を要求する。その後、運転制御部910は、内部温度計測部219によって計測される燃料電池20の内部温度を定期的に取得し、監視を継続する。運転制御部910は、燃料電池20の内部温度が0℃よりも高くなった場合、冷媒制御部914に対して、冷却部40による冷媒の循環の開始を要求した後、処理を終了する(ステップS114)。
In step S112, the
一方、ステップS110において、推定生成水量が閾値S2未満である場合、運転制御部910は、冷却水の循環を停止させた状態であっても燃料電池の運転は不可能であると判定し、運転不可能である旨と、燃料電池の内部温度が何度になれば燃料電池の運転が可能になるかを、ユーザに通知する(ステップS118)。具体的には、運転制御部は、案内表示のための要求を制御部90へ送信する。要求を受信した制御部90は、図示しないモニタ等の表示部に対して要求された内容の表示を行うことによって、ユーザへの通知を行う。
On the other hand, when the estimated amount of generated water is less than the threshold value S2 in step S110, the
このようにすれば、ユーザは、燃料電池システムがなぜ起動できないのかの原因を知ることができるため、ユーザによる故障の誤判断を抑制することができる。さらに、ユーザは、あとどれくらい待てば燃料電池システムが起動可能となるかを知ることができるため、利便性が向上する。なお、ステップS118における通知は、いずれか一方を省略しても良い。また、外気温を取得し、外気温と内部温度とを用いて起動可能となるまでに必要と推定される時間を取得し、この時間を案内することとしてもよい。 In this way, the user can know the cause of why the fuel cell system cannot be activated, and thus it is possible to suppress erroneous determination of failure by the user. Furthermore, since the user can know how long to wait before the fuel cell system can be activated, convenience is improved. Note that either one of the notifications in step S118 may be omitted. Moreover, it is good also as acquiring outside temperature, acquiring the time estimated to be required before starting using external temperature and internal temperature, and guiding this time.
ステップS120において運転制御部910は、燃料電池20の運転開始時間を短縮する必要があるか否かを判定する。具体的には、ステップS108で求めた推定生成水量と、閾値S1(図4)とを比較して、推定生成水量が閾値S1よりも十分多いと判定できる場合(例えば、指定生成水量≧閾値S1の値+所定の値)、運転制御部910は、始動時間を短縮する必要はないと判定し、処理をステップS122へ遷移させる(ステップS120:NO)。
In step S120, the
一方、ステップS108で求めた推定生成水量と、閾値S1(図4)とを比較して、推定生成水量が閾値S1よりも十分多いと判定できない場合(例えば、指定生成水量<閾値S1の値+所定の値)、運転制御部910は、運転開始時間を短縮する必要があると一旦判定する。これは、燃料電池20の推定生成水量が閾値S1付近にある場合は、燃料電池を発電させた際の温度上昇の幅が小さいため、燃料電池20の運転開始までの時間(換言すれば、燃料電池20の温度が上昇するまでの時間)、を多く要するためである。
On the other hand, when the estimated generated water amount obtained in step S108 is compared with the threshold value S1 (FIG. 4) and it cannot be determined that the estimated generated water amount is sufficiently larger than the threshold value S1 (for example, the designated generated water amount <the value of the threshold value S1 + The
従って、運転開始時間を短縮する必要があると一旦判定した場合、運転制御部910は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池の発電を開始するか(すなわち、運転開始時間を短縮するか)、冷却水の循環を行った状態で燃料電池の発電を開始するか(すなわち、運転開始時間の短縮よりも燃料電池の発電性能低下の抑制を優先させるか)、の選択を促すための画面をユーザに表示する。具体的には、運転制御部910は、ステップS118と同様に、選択画面表示のための要求を制御部90へ送信することにより行う。こうすれば、運転開始時間の短縮と、燃料電池の発電性能低下の抑制とを、ユーザは選択することができるため、利便性を向上させることができる。
Therefore, once it is determined that the operation start time needs to be shortened, the
運転開始時間を短縮することが選択された場合(ステップS120:YES)、運転制御部910は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池20の発電を開始させる(ステップS128)。詳細は、ステップS112と同様である。その後、運転制御部910は、処理をステップS114へ遷移させる。
When shortening the operation start time is selected (step S120: YES), the
一方、運転開始時間の短縮よりも燃料電池の発電性能低下の抑制を優先させることが選択された場合(ステップS120:NO)、運転制御部910は、冷却水の循環を行った状態で燃料電池20の発電を開始させる(ステップS122)。詳細は、ステップS116と同様である。
On the other hand, when priority is given to suppressing the reduction in power generation performance of the fuel cell over shortening of the operation start time (step S120: NO), the
燃料電池20の発電開始後、運転制御部910は、燃料電池20の発電性能が不十分であるか否かを判定する(ステップS124)。具体的には、運転制御部910は、燃料電池20の発電開始後、所定の時間(例えば、ステップS106で求めた電気量から、燃料電池20内部の温度が十分上昇すると予想される時間)待機した後に、電流計測部217によって計測される出力電流の値を取得する。そして、運転制御部910は、取得した出力電流値と、ステップS106で計測した電流値とを比較する。
After starting the power generation of the
取得した出力電流値のほうが小さい場合、運転制御部910は、ステップS108における推定と比較して発電性能が不十分であると判定する(ステップS124:YES)。これは、アノード触媒層242(図2)上やアノード拡散層241(図2)内で残留した液水が未だ凍結していること等に起因する。なお、ステップS106、S108では、空気の供給を停止した状態(すなわち、酸素が欠乏した状態)における出力電流の値を計測していることから、ステップS124ではアノード側に問題が生じていると判定することができる。
When the acquired output current value is smaller, the
発電性能が不十分であると判定された場合(ステップS124:YES)、運転制御部910は、冷却水の循環を停止させた上で燃料電池20の発電を継続する(ステップS126)。具体的には、運転制御部910は、冷媒制御部914に対して、冷却部40による冷媒の循環の停止を要求した後、処理を終了する(ステップS114)。こうすれば、冷却水の循環が停止されるため、燃料電池20の温度が上昇しやすくなるため、燃料電池20内部で凍結した液水の融解を促進することができる。
If it is determined that the power generation performance is insufficient (step S124: YES), the
一方、発電性能が不十分でないと判定された場合(ステップS124:NO)、運転制御部910は、冷却水の循環を行った状態での燃料電池20の発電を継続する(ステップS130)。
On the other hand, when it is determined that the power generation performance is not sufficient (step S124: NO), the
以上のように、実施例によれば、電気量取得部916は、温度取得部(内部温度計測部219)に反映された燃料電池20の内部温度が基準温度(0℃)以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池20を発電させた際に生じる電気量を取得する。そして、運転制御部910は、取得された電気量を、運転制御マップ924(低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量を間接的に示す推定生成水量との対応関係を示すマップ)にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒(冷却水)の循環に関する条件を含む燃料電池20を発電させる際の運転条件を決定する。
As described above, according to the embodiment, the electric
具体的には、運転制御部910は、推定反応熱量(推定生成水量)が予め定められた第1の閾値(閾値S1)以上である場合、燃料電池20の運転条件を冷却水の循環を行った状態で発電させる第1の運転モードと決定し、推定反応熱量(推定生成水量)が第1の閾値(閾値S1)未満かつ予め定められた第2の閾値(閾値S2)以上である場合、燃料電池20の運転条件を冷却水の循環を停止させた状態で発電させる第2の運転モードと決定し、推定反応熱量(推定生成水量)が第2の閾値(閾値S2)未満である場合、燃料電池20の運転条件を発電を行わない第3の運転モードと決定する。
Specifically, the
すなわち、このようにすれば、冷却水の循環によって燃料電池20自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、セルの劣化等による燃料電池20の発電性能低下を抑制する観点から冷却水を循環させた状態で燃料電池20を発電させ、冷却水の循環によって燃料電池20自身の温度上昇が抑制されると十分な温度上昇が期待できないが、冷却水の循環を停止させて燃料電池20を発電させれば、所定の時間内で十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、燃料電池20の温度上昇を優先させて、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池20を発電させることができる。この結果、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
In other words, if the reaction heat quantity is estimated to such an extent that a sufficient temperature rise can be expected even if the temperature rise of the
さらに、運転制御部910は、第1の運転モードで燃料電池20の発電を開始してから所定の時間経過後に、燃料電池20の発電性能を評価するための指標値(電流計測部217によって計測される出力電流の値)を取得し、取得した指標値が、電気量取得部による電気量取得の際に予め取得していた指標値(図5:ステップS106で計測した電流値)と比較して劣っている場合は、燃料電池20の運転条件を冷却水の循環が停止される第2の運転モードに切り替えるため、燃料電池20の温度を上昇しやすくすることができる。
Further, the
さらに、運転制御部910は、第2の運転モードで燃料電池20の発電を開始した後、燃料電池20の内部温度を定期的に取得し、内部温度が基準温度(0℃)よりも高くなった場合は、燃料電池20の運転条件を第1の運転モードに切り替えるため、セルの劣化等による燃料電池20の発電性能低下を抑制することができる。
Furthermore, after starting the power generation of the
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、ソフトウェアによって実現した機能は、ハードウェアによって実現するものとしてもよい。そのほか、以下のような変形が可能である。
B. Variations:
In addition, this invention is not restricted to said Example and embodiment, A various structure can be taken in the range which does not deviate from the summary. For example, a function realized by software may be realized by hardware. In addition, the following modifications are possible.
B1.変形例1:
上記実施例では、燃料電池システムの構成について例示した。しかし、これらの構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に定めることができる。
B1. Modification 1:
In the said Example, it illustrated about the structure of the fuel cell system. However, these configurations can be arbitrarily determined without departing from the scope of the present invention.
例えば、セル電圧センサ(図1)は、燃料電池における全ての単セルの各々のセル電圧を検出するセンサであるものとしたが、他の態様を採用することもできる。例えば、燃料電池を構成する複数の単セルのうちの代表的な一部の単セルのセル電圧を検出するものとしてもよい。 For example, the cell voltage sensor (FIG. 1) is a sensor that detects each cell voltage of all the single cells in the fuel cell, but other modes may be employed. For example, the cell voltages of some representative single cells among the plurality of single cells constituting the fuel cell may be detected.
例えば、燃料電池の内部温度を測定するための手段として、燃料電池に直接設けられた温度センサ(内部温度センサ:図1)からの検出信号に基づいて内部温度の測定を行うものとしたが、他の態様を採用してもよい。例えば、冷却水復路に温度センサを設けた上で、温度測定部は、冷却水復路の温度センサから出力される検出信号に基づいて、セル温度を測定することとしてもよい。 For example, as a means for measuring the internal temperature of the fuel cell, the internal temperature is measured based on a detection signal from a temperature sensor (internal temperature sensor: FIG. 1) directly provided in the fuel cell. Other aspects may be employed. For example, after providing a temperature sensor in the cooling water return path, the temperature measurement unit may measure the cell temperature based on a detection signal output from the temperature sensor in the cooling water return path.
B2.変形例2:
上記実施例(A−3)残留酸素により生じる電気量の計測方法では、燃料電池の残留酸素により生じる電気量を計測するための一態様について例示した。しかし、この電気量は種々の方法で計測することができる。
B2. Modification 2:
In the above embodiment (A-3) method for measuring the amount of electricity generated by residual oxygen, one mode for measuring the amount of electricity generated by residual oxygen in the fuel cell has been illustrated. However, this quantity of electricity can be measured by various methods.
例えば、各単セルの電気量を取得後、全ての単セルの電気量を積算した合計値を求めて燃料電池の電気量としたが、各単セルが積層されたスタック全体としての電気量を取得して、燃料電池の電気量とすることもできる。 For example, after acquiring the amount of electricity of each single cell, the total value obtained by integrating the amounts of electricity of all the single cells was obtained and used as the amount of electricity of the fuel cell. It can also be obtained as the amount of electricity of the fuel cell.
例えば、手順bにおいて、電気量取得部は空気の送出停止を指示するものとしたが、空気に加えて、水素の送出停止を指示してもよい。 For example, in the procedure b, the electric quantity acquisition unit is instructed to stop sending air, but may be instructed to stop sending hydrogen in addition to air.
B3.変形例3:
上記実施例(A−5)燃料電池システムの動作(図5)では、運転モード判定制御についての一態様を例示した。運転モード判定制御は、種々の変形が可能である。
B3. Modification 3:
In the above embodiment (A-5) operation of the fuel cell system (FIG. 5), one mode of the operation mode determination control is exemplified. The operation mode determination control can be variously modified.
例えば、運転制御マップの近似曲線AP(図4)と、燃料電池の電気量とから推定される燃料電池全体としての推定生成水量を求めて運転条件を決定することに代えて、運転制御マップの近似曲線AP(図4)と、単セルの電気量とから推定される単セルの推定生成水量を求め、これを全てのセルに対して実行し、分布を判定することによって、運転条件を決定してもよい。 For example, instead of determining the operation condition by obtaining the estimated amount of generated water as the whole fuel cell estimated from the approximate curve AP (FIG. 4) of the operation control map and the amount of electricity of the fuel cell, The operation condition is determined by obtaining the estimated amount of generated water of the single cell estimated from the approximate curve AP (FIG. 4) and the amount of electricity of the single cell, executing this for all the cells, and determining the distribution. May be.
例えば、燃料電池自身の温度上昇を促すための手段として、冷却水を停止するものとしたが、燃料電池の温度上昇を促すために採用し得る冷媒の循環に関する条件は、任意に定めることができる。具体的には、冷却水の循環有無に代えて、循環させる冷却水の流量を調整することとしてもよい。このようにすれば、冷却水の循環による燃料電池の温度上昇抑制効果を小さくしつつ、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。 For example, although the cooling water is stopped as a means for promoting the temperature rise of the fuel cell itself, conditions relating to the circulation of the refrigerant that can be adopted to promote the temperature rise of the fuel cell can be arbitrarily determined. . Specifically, instead of the presence or absence of circulation of the cooling water, the flow rate of the circulating cooling water may be adjusted. If it does in this way, the power generation performance fall of a fuel cell by degradation of a cell, etc. can be controlled, reducing the temperature rise suppression effect of the fuel cell by circulation of cooling water.
例えば、ステップS102、S114における基準温度は0℃(すなわち、氷点下)であるものとした。しかし、この基準温度は任意に設定することができる。 For example, the reference temperature in steps S102 and S114 is 0 ° C. (that is, below freezing point). However, this reference temperature can be set arbitrarily.
例えば、ステップS118では、第3の運転モードにおける処理の一態様(すなわち、燃料電池の運転を行わず、運転不可能な旨を通知する)について例示した。しかし、第3の運転モードにおいては、他の処理態様も採用することができる。例えば、ヒータ等を用いて暖めた冷却水を循環させつつ、燃料電池の運転を行うこととしてもよい。 For example, in step S118, one mode of processing in the third operation mode (that is, notifying that the fuel cell cannot be operated without operating the fuel cell) is illustrated. However, in the third operation mode, other processing modes can be employed. For example, the fuel cell may be operated while circulating cooling water that has been heated using a heater or the like.
例えば、ステップS124では、水素欠を判定するために用いる燃料電池の発電性能を評価するための指標値は、電流計測部によって計測される出力電流の値であるものとした。しかし、この指標値には他の値(例えば、燃料電池の内部温度と燃料電池の発電開始からの経過時間)を採用することができる。 For example, in step S124, the index value for evaluating the power generation performance of the fuel cell used for determining the lack of hydrogen is the value of the output current measured by the current measuring unit. However, other values (for example, the internal temperature of the fuel cell and the elapsed time from the start of power generation of the fuel cell) can be adopted as the index value.
B4.変形例4:
上記実施例では、燃料電池システムは、燃料電池で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるものとしたが、他の態様を採用することもできる。例えば、燃料電池システムを、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
B4. Modification 4:
In the above embodiment, the fuel cell system is a system mounted on a vehicle that travels using the power generated by the fuel cell, but other modes can also be adopted. For example, the fuel cell system may be applied to a system installed as a power source for a house or facility, or may be applied to a system mounted as a power source on an electromechanical device that operates by electricity.
10…燃料電池システム
20…燃料電池
21…単セル
23…アノードセパレータ
25…カソードセパレータ
30…水素供給部
40…冷却部
50…空気供給部
60…インバータ
90…制御部
217…電流計測部
218…セル電圧計測部
219…内部温度計測部
232…アノード流路
241…アノード拡散層
242…アノード触媒層
243…アノード電極
244…電解質膜
245…カソード触媒層
246…カソード拡散層
247…カソード電極
252…カソード流路
310…アノード供給路
312…アノード供給バルブ
320…アノード排出路
410…冷却水往路
412…往路バルブ
420…冷却水復路
422…復路バルブ
510…カソード供給路
512…カソード供給バルブ
520…カソード排出路
910…運転制御部
912…ガス制御部
914…冷媒制御部
916…電気量取得部
920…記憶部
922…制御プログラム
924…運転制御マップ
930…インタフェース
DESCRIPTION OF
Claims (7)
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを給排するためのガス流路と、
前記燃料電池を冷却する冷媒を循環させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度取得部と、
低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記温度取得部に反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、
前記電気量取得部により取得された前記電気量を、前記対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
A gas flow path for supplying and discharging reaction gas to and from the fuel cell;
A refrigerant flow path for circulating a refrigerant for cooling the fuel cell;
A temperature acquisition unit that reflects the internal temperature of the fuel cell;
A storage unit for storing in advance a correspondence relationship between the amount of electricity and the amount of reaction heat when the fuel cell is generated in a state where the supply of the reaction gas is stopped in a low temperature environment;
An electric quantity acquisition unit for acquiring an electric quantity generated when the fuel cell is caused to generate electric power in a state where supply of the reaction gas is stopped when the internal temperature reflected in the temperature acquisition unit is equal to or lower than a reference temperature; ,
The estimated amount of reaction heat derived by applying the amount of electricity acquired by the amount-of-electricity acquisition unit to the corresponding relationship is obtained, and the fuel cell including the condition relating to the circulation of the refrigerant is generated from the obtained estimated amount of reaction heat. A fuel cell system comprising: an operation control unit configured to determine an operation condition at the time and generate power according to the determined operation condition.
前記運転制御部は、
前記推定反応熱量が予め定められた第1の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を行った状態で発電させる第1の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第1の閾値未満かつ予め定められた第2の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第2の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第2の閾値未満である場合、前記運転条件を発電を行わない第3の運転モードと決定する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The operation controller is
When the estimated reaction heat amount is equal to or greater than a predetermined first threshold, the operation condition is determined as a first operation mode for generating power in a state where the refrigerant is circulated through the refrigerant flow path,
When the estimated amount of reaction heat is less than the first threshold value and greater than or equal to a predetermined second threshold value, the second operating condition is to generate power in a state where circulation of the refrigerant to the refrigerant flow path is stopped. Determine the operation mode,
The fuel cell system, wherein when the estimated amount of reaction heat is less than the second threshold, the operation condition is determined as a third operation mode in which power generation is not performed.
前記運転制御部は、さらに、
前記第1の運転モードで前記燃料電池の発電を開始する前に、前記推定反応熱量と、前記第1の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、
前記推定反応熱量が前記基準値未満である場合、前記第1の運転モードと、前記第2の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The operation control unit further includes:
Before starting power generation of the fuel cell in the first operation mode, the estimated reaction heat amount is compared with a reference value obtained by adding a predetermined value to the first threshold,
When the estimated amount of reaction heat is less than the reference value, a selection of an operation condition to be executed is accepted from the first operation mode and the second operation mode, and the fuel according to the accepted operation condition A fuel cell system that generates power from a battery.
前記運転制御部は、さらに、
前記第1の運転モードで前記燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、前記燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、前記電気量取得部による前記電気量の取得の際に予め取得していた前記指標値と比較して劣っている場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第2の運転モードに切り替える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein
The operation control unit further includes:
An index value for evaluating the power generation performance of the fuel cell is acquired after a lapse of a predetermined time from the start of power generation of the fuel cell in the first operation mode, and the acquired index value is the amount of electricity acquired. A fuel cell system that switches the operating condition of the fuel cell to the second operating mode when inferior to the index value acquired in advance at the time of acquisition of the amount of electricity by the unit.
前記運転制御部は、さらに、
前記第2の運転モードで前記燃料電池の発電を開始した後、前記内部温度を定期的に取得し、前記内部温度が前記基準温度よりも高くなった場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第1の運転モードに切り替える、燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 2 to 4,
The operation control unit further includes:
After starting the power generation of the fuel cell in the second operation mode, the internal temperature is periodically acquired, and when the internal temperature becomes higher than the reference temperature, the operating condition of the fuel cell is set to the A fuel cell system for switching to the first operation mode.
前記運転制御部は、さらに、
前記第3の運転モードである場合に、前記燃料電池の発電が不可能である旨と、前記燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な前記内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知する、燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 2 to 5,
The operation control unit further includes:
In the third operation mode, the fact that the power generation of the fuel cell is impossible, and the increase value of the internal temperature necessary for switching the operation condition of the fuel cell to another operation condition, A fuel cell system that notifies at least one of them to the outside.
(a)前記燃料電池の内部温度を反映する工程と、
(b)前記工程(a)により反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する工程と、
(c)前記工程(b)により取得された前記電気量を、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記燃料電池を冷却するために用いる冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる工程と、
を含む、燃料電池システムの制御方法。 A control method of a fuel cell system including a fuel cell,
(A) reflecting the internal temperature of the fuel cell;
(B) When the internal temperature reflected by the step (a) is equal to or lower than a reference temperature, the amount of electricity generated when the fuel cell is caused to generate power in a state where supply of the reaction gas to the fuel cell is stopped A process of obtaining
(C) The amount of electricity acquired in step (b) is applied to the correspondence between the amount of electricity generated when the fuel cell is generated in a state where the supply of the reaction gas is stopped in a low temperature environment and the amount of reaction heat. The estimated reaction heat quantity derived from the above is obtained, and the operating conditions for generating the fuel cell including the conditions relating to the circulation of the refrigerant used for cooling the fuel cell are determined from the obtained estimated reaction heat quantity, and the determined Generating the fuel cell according to operating conditions;
A control method for a fuel cell system, comprising:
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