JP2013105635A - Fuel cell system and fuel cell vehicle - Google Patents
Fuel cell system and fuel cell vehicle Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013105635A JP2013105635A JP2011248836A JP2011248836A JP2013105635A JP 2013105635 A JP2013105635 A JP 2013105635A JP 2011248836 A JP2011248836 A JP 2011248836A JP 2011248836 A JP2011248836 A JP 2011248836A JP 2013105635 A JP2013105635 A JP 2013105635A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- intermittent operation
- voltage
- fuel
- stack
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム、及びこれを搭載した燃料電池車両に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell vehicle equipped with the same.
燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。この燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有するものである。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。 The fuel cell stack constituting the fuel cell system directly converts energy released in the oxidation reaction into electric energy by oxidizing fuel by an electrochemical process. This fuel cell stack has a membrane-electrode assembly in which both side surfaces of a polymer electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions are sandwiched by a pair of electrodes made of a porous material. Each of the pair of electrodes is mainly composed of a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst, and is formed on the surface of the catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas having both air permeability and electronic conductivity. And a diffusion layer.
このような燃料電池システムは、原理的に低出力ほど発電効率は高いが、現実のシステムでは補機動力の損失等により低出力ではかえって発電効率が低くなることが知られている。このため、例えば燃料電池システムを搭載した燃料電池車両においては、高出力領域では燃料電池スタックを発電させて、燃料電池スタックと二次電池の両方又は燃料電池スタックのみからトラクションモータに電力を供給する一方、低出力領域では燃料電池スタックの発電を一時休止し、二次電池のみからトラクションモータに電力を供給する運転制御を行っている。 It is known that such a fuel cell system has a higher power generation efficiency in principle as the output is lower, but in an actual system, the power generation efficiency is lower at a lower output due to a loss of auxiliary machine power or the like. For this reason, for example, in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system, the fuel cell stack is caused to generate power in a high output region, and power is supplied to the traction motor from both the fuel cell stack and the secondary cell or only the fuel cell stack On the other hand, in the low output region, power generation of the fuel cell stack is temporarily stopped, and operation control is performed to supply power to the traction motor only from the secondary battery.
このように、燃料電池システムの発電効率の低い低負荷領域において、燃料電池スタックの発電を抑制することを間欠運転と称する。燃料電池システムの発電効率が低下する低負荷領域では、間欠運転を実施することで、燃料電池スタックをエネルギー変換効率の高い範囲内で運転させることが可能となり、燃料電池システム全体の効率を高めることができる。 Thus, suppressing the power generation of the fuel cell stack in a low load region where the power generation efficiency of the fuel cell system is low is referred to as intermittent operation. In the low load region where the power generation efficiency of the fuel cell system is reduced, intermittent operation can be performed to operate the fuel cell stack within a range of high energy conversion efficiency, thereby improving the efficiency of the entire fuel cell system. Can do.
上記のような間欠運転を行う燃料電池システムにおいては、低負荷領域から高負荷領域に移行する際、間欠運転の状態から迅速に電力供給を再開することが求められる。しかし、間欠運転中においては燃料電池スタックの電圧が低下するため、電圧が回復して電力供給を再開するまでには一定の期間を要してしまう。 In the fuel cell system that performs the intermittent operation as described above, when the transition is made from the low load region to the high load region, it is required to quickly restart the power supply from the state of the intermittent operation. However, since the voltage of the fuel cell stack decreases during intermittent operation, a certain period of time is required until the voltage is recovered and power supply is resumed.
下記特許文献1に記載の燃料電池システムにおいては、間欠運転中において燃料電池のスタック電圧を監視しており、スタック電圧が低下して所定の閾値を下回った場合には、一時的にセルスタックに燃料ガス等を供給することによりスタック電圧を回復させている。その結果、間欠運転中におけるスタック電圧は常に上記閾値以上に維持されるため、間欠運転の状態から迅速に電力供給を再開することが可能となっている。 In the fuel cell system described in Patent Document 1 below, the stack voltage of the fuel cell is monitored during intermittent operation, and if the stack voltage drops below a predetermined threshold, the cell stack is temporarily placed in the cell stack. The stack voltage is recovered by supplying fuel gas or the like. As a result, the stack voltage during the intermittent operation is always maintained at the above threshold value or more, so that it is possible to quickly restart the power supply from the intermittent operation state.
更に下記特許文献1には、間欠運転の状態が長期間となることが予測される状況においては、上記閾値を下げるという制御方法も記載されている。スタック電圧の閾値を下げることによって電圧の回復処理が実行される頻度を制限し、燃料電池システムの運転効率を向上させている。 Further, Patent Document 1 described below also describes a control method of lowering the threshold value in a situation where the state of intermittent operation is expected to be long. By reducing the threshold voltage of the stack voltage, the frequency at which the voltage recovery process is executed is limited, and the operation efficiency of the fuel cell system is improved.
ところで、燃料電池においては、スタック電圧の変動によって電極が劣化し、燃料電池の発電性能が低下してしまうという現象が知られている。これは、スタック電圧が変動することに伴って、燃料電池セルの電極に担持されている触媒の一部が溶出し、触媒の有効面積が低下するというものである。触媒の溶出によって触媒の有効面積が低下する速度は、スタック電圧の変動幅が大きいほど、また、スタック電圧の変動回数が多いほど、高くなることが知られている。 By the way, in a fuel cell, the phenomenon that an electrode deteriorates by the fluctuation | variation of a stack voltage and the power generation performance of a fuel cell falls is known. As the stack voltage fluctuates, a part of the catalyst supported on the electrode of the fuel cell elutes and the effective area of the catalyst decreases. It is known that the rate at which the effective area of the catalyst decreases due to the elution of the catalyst increases as the fluctuation range of the stack voltage increases and the number of fluctuations of the stack voltage increases.
上記特許文献1に記載の燃料電池システムでは、間欠運転を行っている間において、常にスタック電圧の低下と回復が繰り返される。特に、間欠運転の状態が長期間となることが予測される状況においては、スタック電圧の閾値を下げるため、電圧の変動幅が大きくなる。また、長期間に渡ってスタック電圧の低下と回復が繰り返されることにより、スタック電圧の変動回数が多くなる。その結果、上記のように触媒の有効面積が低下する速度が高くなり、燃料電池の発電性能が短期間で低下してしまうという問題があった。 In the fuel cell system described in Patent Document 1, the stack voltage is constantly reduced and recovered during intermittent operation. In particular, in a situation where the state of intermittent operation is expected to be long, the threshold voltage of the stack voltage is lowered, so that the voltage fluctuation range becomes large. In addition, the stack voltage is decreased and recovered repeatedly over a long period of time, thereby increasing the number of stack voltage fluctuations. As a result, as described above, the rate at which the effective area of the catalyst decreases is increased, and the power generation performance of the fuel cell decreases in a short period of time.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、間欠運転が短期間で終了するような場合においては迅速に電力供給を再開させることができる一方、間欠運転が長期間に渡るような場合においては発電効率を向上させつつ、燃料電池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ことにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and the object thereof is to quickly restart the power supply in the case where the intermittent operation is completed in a short period, while the intermittent operation is performed for a long time. In such a case, an object is to provide a fuel cell system capable of preventing the deterioration of the fuel cell while improving the power generation efficiency.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを有するセルを複数備える燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記要求電力が所定値以下の状態において、前記燃料ガスの供給を一時的に停止して前記燃料電池スタックの発電を抑制する間欠運転を行うものであって、前記間欠運転時において、前記間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持する電圧回復制御を行う一方、前記間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、前記電圧回復制御を行わないことを特徴としている。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system including a fuel cell stack including a plurality of cells each having an anode and a cathode, and a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the anode. And an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode, a control means for controlling the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means to cause the fuel cell stack to generate electric power according to required power And the control means performs intermittent operation for temporarily stopping supply of the fuel gas and suppressing power generation of the fuel cell stack in a state where the required power is a predetermined value or less. When the intermittent operation is predicted to end within the first period during the intermittent operation, the output terminal voltage of the fuel cell stack is the first While performing the voltage recovery control to maintain the threshold value to be equal to or higher than the limit threshold, the voltage recovery control is not performed when the intermittent operation is predicted to continue beyond the first period. .
本発明によれば、間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持する電圧回復制御を行う一方、間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、電圧回復制御を行わない。このように、間欠運転が継続することが予測される期間、すなわち、要求電力が所定値以下の状態が継続することが予測される期間の長さに応じて、電圧回復制御を行うかどうかを決定している。 According to the present invention, when the intermittent operation is predicted to end within the first period, the voltage recovery control is performed to maintain the output terminal voltage of the fuel cell stack to be equal to or higher than the first lower limit threshold. When the intermittent operation is predicted to continue beyond the first period, the voltage recovery control is not performed. Thus, whether to perform voltage recovery control according to the length of a period during which intermittent operation is predicted to be continued, i.e., a period during which the required power is predicted to continue below a predetermined value is determined. Has been decided.
間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、電圧回復制御を行うことによって、電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持している。このため、要求電力が所定値以上となった時点で、間欠運転を終了し燃料電池スタックからの電力供給を迅速に再開することができる。特に、間欠運転が短期間で終了するような状況はその発生頻度が高いため、迅速な電力供給の再開が求められる。本発明によれば、かかる要求に応えることができる。 When it is predicted that the intermittent operation will be completed within the first period, the output terminal voltage of the battery stack is maintained to be equal to or higher than the first lower limit threshold by performing voltage recovery control. For this reason, when the required power becomes equal to or greater than a predetermined value, the intermittent operation can be terminated and the power supply from the fuel cell stack can be restarted quickly. In particular, a situation in which intermittent operation ends in a short period of time has a high frequency of occurrence, and thus prompt restart of power supply is required. According to the present invention, such a request can be met.
一方、間欠運転が第一期間を超えて継続すること予測される場合には、電圧回復制御を行わない。すなわち、間欠運転中にスタック電圧が低下しても、スタック電圧を上昇させるような制御を行わない。その結果、スタック電圧の低下と回復が繰り返されないため、電極触媒の溶出が抑制される。また、スタック電圧を上昇させるための燃料ガスの供給や、酸化剤ガスの供給が不要であるため、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。尚、電圧回復制御を行わないことにより、電力供給を再開するまでには時間を要することとなるが、間欠運転が長期間に渡り継続するような状況はその発生頻度が低いため、燃料電池システムの運転に対する影響(例えば、燃料電池車両のドライバビリティに対する悪影響)は小さい。 On the other hand, when the intermittent operation is predicted to continue beyond the first period, the voltage recovery control is not performed. That is, even if the stack voltage decreases during intermittent operation, no control is performed to increase the stack voltage. As a result, the decrease and recovery of the stack voltage are not repeated, so that the elution of the electrode catalyst is suppressed. In addition, since it is not necessary to supply fuel gas for increasing the stack voltage or supply of oxidant gas, the operation efficiency of the fuel cell system can be improved. It should be noted that, by not performing the voltage recovery control, it takes time until the power supply is resumed. However, since the occurrence frequency is low in a situation where intermittent operation continues for a long period of time, the fuel cell system The influence on the driving (for example, the adverse effect on the drivability of the fuel cell vehicle) is small.
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、前記アノードに対する前記燃料ガスの供給、及び、前記カソードに対する前記酸化剤ガスの供給を停止することも好ましい。 In the fuel cell system according to the present invention, when the intermittent operation is predicted to continue beyond the first period, the supply of the fuel gas to the anode and the oxidant gas to the cathode It is also preferable to stop the supply.
この好ましい態様では、間欠運転が第一期間を超えて継続することが予測される場合には、アノードに対する燃料ガスの供給、及び、カソードに対する酸化剤ガスの供給を停止する。電圧回復制御を行わないことに加え、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給をいずれも停止するため、燃料電池システムの運転効率を更に向上させることができる。 In this preferred embodiment, when the intermittent operation is predicted to continue beyond the first period, the supply of the fuel gas to the anode and the supply of the oxidant gas to the cathode are stopped. In addition to not performing the voltage recovery control, both the fuel gas supply and the oxidant gas supply are stopped, so that the operation efficiency of the fuel cell system can be further improved.
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記間欠運転が前記第一期間よりも短い第二期間以内に終了することが予測される場合には、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が前記第一下限閾値よりも大きい第二下限閾値以上となるように維持することも好ましい。 In the fuel cell system according to the present invention, when the intermittent operation is predicted to end within a second period shorter than the first period, the control device outputs the output terminal voltage of the fuel cell stack. It is also preferable to maintain such that is equal to or greater than a second lower limit threshold value that is greater than the first lower limit threshold value.
この好ましい態様では、間欠運転が第一期間よりも短い第二期間以内に終了することが予測される場合には、制御装置は、燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値よりも大きい第二下限閾値以上となるように維持する。間欠運転が上記第一期間よりも短時間で終了するような状況は、その発生頻度が更に高い。このような場合において、スタック電圧を第一下限閾値よりも大きい第二下限閾値以上となるように維持するため、電力供給の再開をより迅速に行うことができる。 In this preferable aspect, when the intermittent operation is predicted to end within the second period shorter than the first period, the control device causes the output terminal voltage of the fuel cell stack to be greater than the first lower limit threshold. Maintain at or above the two lower thresholds. The situation where the intermittent operation ends in a shorter time than the first period has a higher occurrence frequency. In such a case, since the stack voltage is maintained to be equal to or higher than the second lower limit threshold value that is larger than the first lower limit threshold value, the power supply can be restarted more quickly.
また本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両では、間欠運転が第一期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両のシフトポジションに基づいて行うことも好ましい。 In the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to the present invention, it is also preferable to predict that the intermittent operation will be completed within the first period based on the shift position of the fuel cell vehicle.
間欠運転が継続する期間の長さを正確に予測することは困難であるが、例えば、車両のシフトポジションがP(パーキング)やN(ニュートラル)の場合においては、D(ドライブ)の場合に比べて、間欠運転が長期間継続する可能性が高い。この好ましい態様では、間欠運転が第一期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両のシフトポジションに基づいて行う。これにより、間欠運転中における電圧回復制御を行うかどうかの判断が適切に行われる可能性が高くなるため、燃料電池の劣化を抑制し、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。 Although it is difficult to accurately predict the length of the period during which intermittent operation continues, for example, when the shift position of the vehicle is P (parking) or N (neutral), compared to D (drive) Therefore, there is a high possibility that intermittent operation will continue for a long time. In this preferred embodiment, the prediction that the intermittent operation is completed within the first period is performed based on the shift position of the fuel cell vehicle. As a result, the possibility of appropriately determining whether or not to perform voltage recovery control during intermittent operation increases, so that deterioration of the fuel cell can be suppressed and the operating efficiency of the fuel cell system can be improved.
また本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両では、前記間欠運転が前記第二期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両の車両速度に基づいて行うことも好ましい。 In the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to the present invention, it is also preferable to predict that the intermittent operation will be completed within the second period based on the vehicle speed of the fuel cell vehicle.
間欠運転が継続する期間を正確に予測することは困難であるが、例えば、車両が停止中(車両速度が0)の場合においては、車両が走行中の場合に比べて、間欠運転が長期間継続する可能性が高い。この好ましい態様では、間欠運転が第二期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両の車両速度に基づいて行う。これにより、間欠運転中におけるスタック電圧の下限値の設定が適切に行われる可能性が高くなるため、迅速な電力供給の開始によって燃料電池車両のドライバビリティを向上させることができる。 Although it is difficult to accurately predict the period during which the intermittent operation continues, for example, when the vehicle is stopped (the vehicle speed is 0), the intermittent operation is longer for a longer period than when the vehicle is traveling. It is likely to continue. In this preferred embodiment, the prediction that the intermittent operation is completed within the second period is performed based on the vehicle speed of the fuel cell vehicle. This increases the possibility that the lower limit value of the stack voltage is appropriately set during intermittent operation, so that the drivability of the fuel cell vehicle can be improved by the rapid start of power supply.
本発明によれば、間欠運転が短期間で終了するような場合においては迅速に電力供給を再開させることができる一方、間欠運転が長期間に渡るような場合においては、運転効率を向上させつつ燃料電池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ことができる。 According to the present invention, when intermittent operation is completed in a short period of time, power supply can be resumed quickly, while in the case where intermittent operation is performed over a long period of time, the operation efficiency is improved. A fuel cell system capable of preventing deterioration of the fuel cell can be provided.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
図1は、本発明の一実施形態である燃料電池システム10を搭載した燃料電池車両の、システム構成を示す図である。燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の供給を受けて発電する燃料電池スタック20と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック20に供給するための酸化剤ガス供給系30(酸化剤ガス供給手段)と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20に供給するための燃料ガス供給系40(燃料ガス供給手段)と、電力の充放電を制御するための電力系50と、システム全体を統括制御するコントローラ60(制御手段)とを備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of a fuel cell vehicle equipped with a
燃料電池スタック20は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック20では、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じる。燃料電池スタック20全体としては(3)式の起電反応が生じる。
The
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H2 → 2H ++ 2e- (1)
(1/2) O2 + 2H ++ 2e-> H2O (2)
H2 + (1/2) O2 → H2O (3)
燃料電池スタック20には、燃料電池スタック20の出力端子電圧(スタック電圧Vc)を検出するための電圧センサ71、及び出力電流(スタック電流)を検出するための電流センサ72が取り付けられている。
A
酸化剤ガス供給系30は、燃料電池スタック20のカソード極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路33と、燃料電池スタック20から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路34とを有している。酸化剤ガス通路33には、フィルタ31を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ32と、エアコンプレッサ32により加圧される酸化剤ガスを加湿するための加湿器35と、燃料電池スタック20への酸化剤ガス供給を遮断するための遮断弁A1とが設けられている。酸化オフガス通路34には、燃料電池スタック20からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁A2と、酸化剤ガス供給圧を調整するための背圧調整弁A3と、酸化剤ガス(ドライガス)と酸化オフガス(ウェットガス)との間で水分交換するための加湿器35とが設けられている。
The oxidant
燃料ガス供給系40は、燃料ガス供給源41と、燃料ガス供給源41から燃料電池スタック20のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路43と、燃料電池スタック20から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路43に帰還させるための循環通路44と、循環通路44内の燃料オフガスを燃料ガス通路43に圧送する循環ポンプ45と、循環通路44に分岐接続される排気排水通路46とを有している。
The fuel
燃料ガス供給源41は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(例えば、35MPa乃至70MPa)の水素ガスを貯留する。遮断弁H1を開くと、燃料ガス供給源41から燃料ガス通路43に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータH2やインジェクタ42により、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池スタック20に供給される。
The fuel
尚、燃料ガス供給源41は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
The fuel
燃料ガス通路43には、燃料ガス供給源41からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁H1と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータH2と、燃料電池スタック20への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ42と、燃料電池スタック20への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁H3と、圧力センサ74とが設けられている。
In the
レギュレータH2は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタ42の上流側にレギュレータH2を配置することにより、インジェクタ42の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ42の機械的構造(弁体、筺体、流路、駆動装置等)の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ42の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ42の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ42の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ42の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ42の応答性の低下を抑制することができる。
The regulator H2 is a device that regulates the upstream side pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure, and includes, for example, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure. The mechanical pressure reducing valve has a housing in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. It has a configuration for the next pressure. By arranging the regulator H2 upstream of the
インジェクタ42は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ42は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
The
本実施形態においては、インジェクタ42の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を2段階に切り替えることができる。コントローラ60から出力される制御信号によってインジェクタ42のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ42は、弁(弁体及び弁座)を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ42は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ42のガス流路に設けられた弁体の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。
In the present embodiment, the valve element of the
循環通路44には、燃料電池スタック20からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁H4と、循環通路44から分岐する排気排水通路46とが接続されている。排気排水通路46には、排気排水弁H5が配設されている。排気排水弁H5は、コントローラ60からの指令によって作動することにより、循環通路44内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁H5の開弁により、循環通路44内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
The
排気排水弁H5を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路34を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器(図示せず)によって希釈される。循環ポンプ45は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック20に循環供給する。
The fuel off-gas discharged through the exhaust / drain valve H5 is mixed with the oxidizing off-gas flowing through the oxidizing off-
電力系50は、DC/DCコンバータ51、バッテリ52、トラクションインバータ53、トラクションモータ54、及び補機類55を備えている。燃料電池システム10は、DC/DCコンバータ51とトラクションインバータ53とが並列に燃料電池スタック20に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。DC/DCコンバータ51は、バッテリ52から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ53に出力する機能と、燃料電池スタック20が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ54が回収した回生電力を降圧してバッテリ52に充電する機能とを有する。DC/DCコンバータ51のこれらの機能により、バッテリ52の充放電が制御される。また、DC/DCコンバータ51による電圧変換制御により、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)が制御される。
The
バッテリ52は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ52としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ52には、SOC(State of charge)を検出するためのSOCセンサ73が取り付けられている。
The
トラクションインバータ53は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータであり、コントローラ60からの制御指令に従って、燃料電池スタック20又はバッテリ52から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ54の回転トルクを制御する。トラクションモータ54は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
The
補機類55は、燃料電池システム10内の各部に配置されている各モータ(例えば、ポンプ類などの動力源)や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。
コントローラ60は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム10の各部を制御する。例えば、コントローラ60は、イグニッションスイッチIGの状態がONになったことを検知すると、燃料電池システム10の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ACCや、車速センサから出力される車速信号VVなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。またコントローラ60には、燃料電池車両のシフトポジションSPの状態も入力される。
The
ここで、補機電力には、車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。 Here, auxiliary electric power includes electric power consumed by in-vehicle auxiliary equipment (humidifier, air compressor, hydrogen pump, cooling water circulation pump, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmission, wheel control device, steering) Power consumed by devices, suspension devices, etc.), power consumed by devices (air conditioners, lighting equipment, audio, etc.) disposed in the passenger space, and the like.
そして、コントローラ60は、燃料電池スタック20とバッテリ52とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック20の発電量が目標電力に一致するように、酸化剤ガス供給系30及び燃料ガス供給系40を制御するとともに、DC/DCコンバータ51を制御して、燃料電池スタック20の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を制御する。更に、コントローラ60は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、U相、V相、及びW相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ53に出力し、トラクションモータ54の出力トルク、及び回転数を制御する。
Then, the
本実施形態の燃料電池システム10では、コントローラ60が燃料電池システム10及び車速信号VVに基づき、間欠運転とすべきか通常運転とすべきかを決定する。間欠運転モードとは、燃料電池スタック20による発電(電力の供給)を停止し、バッテリ52のみによってトラクションモータ54を駆動するモードである。尚、間欠運転モードは、燃料電池スタック20による発電(電力の供給)を完全に停止するものに限られず、発電を抑制しながらも少量の発電は継続するような運転モードとしてもよい。通常運転モードとは、燃料電池スタック20によって発電を行い、その電力を用いてトラクションモータ54を駆動するモードである。なお、通常運転モードにおいては、バッテリ52を併用しても構わない。
In the
図2を参照しながら、燃料電池システム10が間欠運転に移行するかどうかを判断するために、コントローラ60の内部で行われる処理の流れを説明する。図2は、当該処理の流れを説明するフローチャートである。図2に示した一連の処理は、所定時間が経過するごとに、コントローラ60によって繰り返し実行されるものである。
With reference to FIG. 2, the flow of processing performed inside the
まず、ステップS101では、イグニッションスイッチIGの状態が確認される。イグニッションスイッチIGの状態がOFFであれば、燃料電池システム10は停止状態であるため、間欠運転に移行するかどうかの判断は不要であり、処理を終了する。イグニッションスイッチIGの状態がONであれば、ステップS102に移行する。
First, in step S101, the state of the ignition switch IG is confirmed. If the state of the ignition switch IG is OFF, the
ステップS102では、間欠フラグの状態が確認される。間欠フラグとは、間欠運転を実施しているか否かを示すフラグ情報であって、コントローラ60において記憶されている。間欠フラグがONの状態は、間欠運転モードであることを示す。間欠フラグがOFFの状態は、通常運転モードであることを示す。ステップS102において、間欠フラグがONの状態であった場合、ステップS104に移行する。間欠フラグがOFFの状態であった場合、ステップS103に移行し、通常運転モードが開始(又は継続)された後、ステップS104に移行する。
In step S102, the state of the intermittent flag is confirmed. The intermittent flag is flag information indicating whether or not intermittent operation is being performed, and is stored in the
ステップS104では、アクセル開度信号ACCの状態が確認される。アクセル開度信号ACCがOFF、すなわち、アクセルが踏まれておらず、アクセル開度が0の状態であれば、ステップS105に移行する。アクセル開度信号ACCがOFFでない場合は、燃料電池車両を走行させるための電力を必要としており、当該電力が更に増加する可能性が高いと推測される。すなわち、高負荷運転が行われる可能性があり、間欠運転を行うことは適切ではないと推測される。このため、ステップS107に移行して間欠フラグをOFFに設定した後、処理を終了する。 In step S104, the state of the accelerator opening signal ACC is confirmed. If the accelerator opening signal ACC is OFF, that is, if the accelerator is not depressed and the accelerator opening is 0, the process proceeds to step S105. When the accelerator opening signal ACC is not OFF, it is estimated that electric power for running the fuel cell vehicle is required and the electric power is likely to further increase. That is, there is a possibility that high-load operation is performed, and it is assumed that intermittent operation is not appropriate. For this reason, after moving to step S107 and setting the intermittent flag to OFF, the process ends.
ステップS105では、車速信号VVにより、燃料電池車両の車速が確認される。車速が3km/h以下である場合は、ステップS106に移行する。車速が3km/hよりも速い場合は、燃料電池車両が路上を走行中で、その後加速する可能性があると推測される。すなわち、高負荷運転が行われる可能性があり、間欠運転を行うことは適切ではないと推測される。このため、ステップS108に移行して間欠フラグをOFFに設定した後、処理を終了する。 In step S105, the vehicle speed of the fuel cell vehicle is confirmed based on the vehicle speed signal VV. When the vehicle speed is 3 km / h or less, the process proceeds to step S106. When the vehicle speed is higher than 3 km / h, it is estimated that the fuel cell vehicle is traveling on the road and may accelerate thereafter. That is, there is a possibility that high-load operation is performed, and it is assumed that intermittent operation is not appropriate. For this reason, after moving to step S108 and setting the intermittent flag to OFF, the process is terminated.
ステップS106においては、アクセル開度信号ACCがOFFであり、且つ車速が3km/h以下の状態であるから、燃料電池車両は既に停止しているか、又は短時間以内に停止することが推測される。このため、その後は低負荷運転が行われる可能性が高く、間欠運転に移行することが適切であると判断される。このため、間欠フラグをONに設定した後、処理を終了する。 In step S106, since the accelerator opening signal ACC is OFF and the vehicle speed is 3 km / h or less, it is estimated that the fuel cell vehicle has already stopped or will stop within a short time. . For this reason, after that, there is a high possibility that low load operation will be performed, and it is determined that it is appropriate to shift to intermittent operation. For this reason, the process is terminated after the intermittent flag is set to ON.
続いて、間欠運転の具体的な処理の流れについて、図3を参照しながら説明する。図3は、間欠運転の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。図3に示した一連の処理は、所定時間が経過するごとに、コントローラ60によって繰り返し実行されるものである。
Next, a specific processing flow of intermittent operation will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart for explaining a specific processing flow of intermittent operation. The series of processes shown in FIG. 3 is repeatedly executed by the
まず、ステップS201において、間欠フラグの状態が確認される。間欠フラグがOFFの状態であった場合、間欠運転を行う必要がないため、処理を終了する。間欠フラグがONの状態であれば、ステップS202に移行する。 First, in step S201, the state of the intermittent flag is confirmed. If the intermittent flag is in an OFF state, it is not necessary to perform intermittent operation, and the process ends. If the intermittent flag is ON, the process proceeds to step S202.
ステップS202では、燃料電池スタック20のカソード極に対する酸化剤ガスの供給、及び、燃料電池スタック20のアノード極に対する燃料ガスの供給が、いずれも停止される。また、燃料電池スタック20からバッテリ52に対する電力の供給、及び、燃料電池スタック20からトラクションインバータ53(及びトラクションモータ54)に対する電力の供給が、いずれも停止される。間欠運転モードにおいては、トラクションモータ54の駆動は、バッテリ52から供給される電力のみによって行われる。
In step S202, the supply of the oxidant gas to the cathode electrode of the
ステップS203では、車速信号VVにより、燃料電池車両が停止しているか否か(車速が0か否か)が判断される。燃料電池車両が停止している場合は、ステップS207に移行し、燃料電池車両が停止していない場合は、ステップS204に移行する。 In step S203, it is determined from the vehicle speed signal VV whether or not the fuel cell vehicle is stopped (whether or not the vehicle speed is 0). If the fuel cell vehicle is stopped, the process proceeds to step S207. If the fuel cell vehicle is not stopped, the process proceeds to step S204.
ステップS204に移行した場合においては、燃料電池車両は3km/h以下の低い車速で走行中である。ステップS105及びステップS106に関して既に説明したように、車速が3km/h以下のように低速である場合は、燃料電池車両はその後停止することが推測される。しかし、燃料電池車両が完全に停止して車速が0である場合と比較すれば、その後、燃料電池車両が短時間のうちに加速する可能性は相対的に高い状況であるということができる。換言すれば、間欠運転が継続することが予測される時間(第二期間)は、相対的に短いということができる。 When the process proceeds to step S204, the fuel cell vehicle is traveling at a low vehicle speed of 3 km / h or less. As already described with respect to step S105 and step S106, when the vehicle speed is low, such as 3 km / h or less, it is estimated that the fuel cell vehicle will stop thereafter. However, compared with the case where the fuel cell vehicle is completely stopped and the vehicle speed is 0, it can be said that the possibility that the fuel cell vehicle will accelerate in a short time is relatively high. In other words, the time (second period) during which the intermittent operation is predicted to continue can be said to be relatively short.
このため、ステップS204においては、スタック電圧Vcの閾値Vthとして、後に説明する電圧V1(第一下限閾値)よりも高いV2(第二下限閾値)が設定され、ステップS205に移行する。ステップS205では、スタック電圧Vcが閾値Vthよりも低い電圧まで低下したかどうかが判断される。スタック電圧Vcが閾値Vth以上である場合は、処理を終了する。スタック電圧Vcが閾値Vthよりも低い場合は、ステップS206に移行する。 Therefore, in step S204, V2 (second lower limit threshold) higher than the voltage V1 (first lower limit threshold) described later is set as the threshold Vth of the stack voltage Vc, and the process proceeds to step S205. In step S205, it is determined whether or not the stack voltage Vc has decreased to a voltage lower than the threshold value Vth. If the stack voltage Vc is equal to or higher than the threshold value Vth, the process is terminated. When the stack voltage Vc is lower than the threshold value Vth, the process proceeds to step S206.
ステップS206では、スタック電圧Vcを閾値Vth以上に回復させる、電圧回復制御が行われる。具体的には、エアコンプレッサ32一時的に動作させて燃料電池スタック20への酸化剤ガス供給を行い、スタック電圧Vcが閾値Vthを超えて所定の電圧目標値まで上昇するように制御が行われる。
In step S206, voltage recovery control is performed to recover the stack voltage Vc to the threshold value Vth or higher. Specifically, the
このときのスタック電圧Vcの時間変化を、図4に示した。図4は、間欠運転中におけるスタック電圧Vcの時間変化を説明するグラフである。図4のVc1に示すように、スタック電圧Vcが閾値Vthまで低下すると、ステップS206の電圧回復処理が行われてスタック電圧Vcが上昇する。その後、間欠運転モードが継続している間は、スタック電圧Vcは、閾値Vthまでの低下、及び、電圧回復制御による電圧目標値までの上昇を繰り返しながら、閾値Vth以上に維持されることとなる。 The time change of the stack voltage Vc at this time is shown in FIG. FIG. 4 is a graph for explaining the time change of the stack voltage Vc during intermittent operation. As indicated by Vc1 in FIG. 4, when the stack voltage Vc decreases to the threshold value Vth, the voltage recovery process in step S206 is performed and the stack voltage Vc increases. Thereafter, while the intermittent operation mode continues, the stack voltage Vc is maintained at the threshold value Vth or higher while repeatedly decreasing to the threshold value Vth and increasing to the voltage target value by the voltage recovery control. .
このように、車速が0でない場合において、車速が0の場合よりも閾値Vthを高めに設定して電圧回復制御を行うため、その後間欠運転が終了した際には、迅速に電力供給を開始することができる。すなわち、間欠運転が長期間継続する可能性が相対的に高い状況においては、スタック電圧の下限値を高く設定した方が適切である可能性が高く、迅速な電力供給の開始によって燃料電池車両のドライバビリティを向上させることができる。 As described above, when the vehicle speed is not 0, the threshold voltage Vth is set higher than when the vehicle speed is 0, and the voltage recovery control is performed. Therefore, when the intermittent operation ends thereafter, power supply is started quickly. be able to. In other words, in situations where intermittent operation is relatively likely to continue for a long period of time, it is more likely that it is appropriate to set the lower limit value of the stack voltage higher. Drivability can be improved.
再び、図3に戻って説明を続ける。ステップS203で燃料電池車両が停止している場合は、ステップS207に移行する。ステップS207では、車両のシフトポジションSPがP(パーキング)であるか否かが判断される。 Returning again to FIG. 3, the description will be continued. If the fuel cell vehicle is stopped in step S203, the process proceeds to step S207. In step S207, it is determined whether or not the shift position SP of the vehicle is P (parking).
ステップS207において、シフトポジションSPがP(パーキング)である場合は、処理を終了する。このため、ステップS206における電圧回復制御を行わない状態で、間欠運転モードが維持される。電圧回復制御を行わないため、図4のVc2に示すようにスタック電圧Vcは次第に低下していき、最終的には一定の電圧値となる。 In step S207, if the shift position SP is P (parking), the process is terminated. For this reason, the intermittent operation mode is maintained without performing the voltage recovery control in step S206. Since voltage recovery control is not performed, the stack voltage Vc gradually decreases as shown by Vc2 in FIG. 4, and finally becomes a constant voltage value.
シフトポジションSPがP(パーキング)である場合は、燃料電池車両が直ちに走行を開始する可能性は低く、停止することによって長時間間欠運転が継続することが推測される。このため、本実施形態に係る燃料電池システム10では上記のように、電圧回復制御を行わないこととしている。
When the shift position SP is P (parking), it is unlikely that the fuel cell vehicle will immediately start traveling, and it is estimated that intermittent operation continues for a long time by stopping. For this reason, in the
ステップS207において、シフトポジションSPがP(パーキング)でない場合には、続くステップS208において、シフトポジションSPがN(ニュートラル)であるか否かが判断される。シフトポジションSPがN(ニュートラル)でない場合、ステップS209に移行する。 If the shift position SP is not P (parking) in step S207, it is determined in the subsequent step S208 whether the shift position SP is N (neutral). When the shift position SP is not N (neutral), the process proceeds to step S209.
ステップS209に移行した場合においては、シフトポジションSPはP(パーキング)ではなく、N(ニュートラル)でもない。このため、燃料電池車両の停止は一時的である可能性が高く、比較的短い時間のうちに車両の走行を開始し、間欠運転を終了することが推定される。但し、上記時間(第一期間)は、3km/h以下の低速走行中において間欠運転が継続することが予測される時間(第二期間)よりは長いと推定される。このため、ステップS209では、スタック電圧Vcの閾値Vthとして、先に説明した電圧V2(第二下限閾値)よりも低いV1(第一下限閾値)が設定され、ステップS205に移行する。その後は、既に説明したように、必要に応じてステップS206の電圧回復制御が行われ、スタック電圧Vcが閾値Vth以上に維持される。 When the process proceeds to step S209, the shift position SP is not P (parking) and is not N (neutral). For this reason, it is highly possible that the fuel cell vehicle is temporarily stopped, and it is estimated that the vehicle starts to travel and ends the intermittent operation within a relatively short time. However, the time (first period) is estimated to be longer than the time (second period) during which intermittent operation is expected to continue during low-speed traveling at 3 km / h or less. For this reason, in step S209, V1 (first lower limit threshold) lower than the voltage V2 (second lower limit threshold) described above is set as the threshold Vth of the stack voltage Vc, and the process proceeds to step S205. Thereafter, as described above, the voltage recovery control in step S206 is performed as necessary, and the stack voltage Vc is maintained at or above the threshold value Vth.
ステップS208で、シフトポジションSPがN(ニュートラル)である場合、その後、シフトポジションSPがN(ニュートラル)である状態が120秒間継続したかどうかが判断される。具体的には、ステップS210に移行して、コントローラ60の内部で経過時間の計測が開始される。その後、ステップS211においてシフトポジションSPがN(ニュートラル)のままかどうかが判断される。シフトポジションがN(ニュートラル)以外に変更された場合は、ステップS209に移行する。ステップS211においてシフトポジションSPがN(ニュートラル)のままであれば、ステップS212に移行し、コントローラ60の内部で計測している経過時間が120秒を超えたかどうかが判断される。120秒を超えていない場合はステップS210に戻り、シフトポジションSPがN(ニュートラル)のままかどうかの判断が繰り返される。
If the shift position SP is N (neutral) in step S208, it is then determined whether or not the state where the shift position SP is N (neutral) continues for 120 seconds. Specifically, the process proceeds to step S <b> 210, and elapsed time measurement is started inside the
ステップS212で、シフトポジションSPがN(ニュートラル)のままで120秒が経過した場合は、ステップS207でシフトポジションSPがP(パーキング)であった場合と同様に、処理を終了する。このため、ステップS206における電圧回復制御を行わない状態で、間欠運転モードが維持される。電圧回復制御を行わないため、スタック電圧Vcは次第に低下していき、最終的には一定の電圧値となる。 If it is determined in step S212 that the shift position SP remains N (neutral) and 120 seconds have elapsed, the process ends in the same manner as in step S207 where the shift position SP is P (parking). For this reason, the intermittent operation mode is maintained without performing the voltage recovery control in step S206. Since the voltage recovery control is not performed, the stack voltage Vc gradually decreases and finally becomes a constant voltage value.
シフトポジションSPがN(ニュートラル)のままで120秒が経過した場合においても、やはり燃料電池車両が直ちに走行を開始する可能性は低く、停止することによって間欠運転が長時間継続することが推測される。このため、本実施形態に係る燃料電池システム10では上記のように、電圧回復制御を行わないこととしている。
Even when the shift position SP remains N (neutral) and 120 seconds elapse, it is also unlikely that the fuel cell vehicle immediately starts running, and it is assumed that intermittent operation continues for a long time by stopping. The For this reason, in the
このように、間欠運転モードにおいて、シフトポジションSPがP(パーキング)である場合、及び、シフトポジションSPがN(ニュートラル)である状態が120秒間継続した場合はいずれも、燃料電池車両が停止することによって間欠運転が長時間継続することが推測される。この時間は、燃料電池車両が完全に停止して車速が0である状態で、且つシフトポジションSPが上記以外の状態において間欠運転が継続することが予測される時間(第一期間)よりも、更に長いと推定されるものである。このため、本実施形態に係る燃料電池システム10では、このような場合においては電圧回復制御を行わないこととしている。
Thus, in the intermittent operation mode, the fuel cell vehicle stops both when the shift position SP is P (parking) and when the shift position SP is N (neutral) continues for 120 seconds. It is estimated that intermittent operation continues for a long time. This time is longer than the time (first period) during which the fuel cell vehicle is completely stopped and the vehicle speed is 0, and the shift position SP is predicted to continue intermittent operation in a state other than the above. It is estimated to be even longer. For this reason, in the
ここで、スタック電圧Vcの変動が電極触媒の有効面積に及ぼす影響について、図5を参照しながら説明する。図5は、セル電圧の変動回数と、触媒の有効面積維持率(触媒の表面積のうち、触媒として有効に機能する部分の面積が占める割合)との関係を説明するグラフである。 Here, the influence of the fluctuation of the stack voltage Vc on the effective area of the electrode catalyst will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a graph for explaining the relationship between the number of fluctuations of the cell voltage and the effective area maintenance ratio of the catalyst (the ratio of the area of the catalyst that effectively functions as the catalyst in the surface area of the catalyst).
図5のE1は、燃料電池スタック20を構成する単セルの電極間における電圧を、0.8Vから0.9Vの範囲で変動させた場合において、その変動回数と触媒の有効面積維持率との関係を示している。また、図5のE2は、単セルの電極間における電圧を、0.1Vから0.9Vの範囲で変動させた場合において、その変動回数と触媒の有効面積維持率との関係を示している。
E1 in FIG. 5 shows the relationship between the number of fluctuations and the effective area maintenance ratio of the catalyst when the voltage between the electrodes of the single cells constituting the
図5に示されるように、E1、E2のいずれにおいても、触媒の有効面積維持率はセル電圧の変動回数が増加すると共に低下している。これは、セル電圧(スタック電圧)の変動回数が多いほど、触媒の有効面積が低下する速度が高くなることを示すものである。また、E2は、E1よりも触媒の有効面積維持率の低下量が大きい。これは、セル電圧(スタック電圧)の変動回数が同じであっても、セル電圧(スタック電圧)の変動幅が大きいほど、触媒の有効面積が低下する速度が高くなることを示すものである。 As shown in FIG. 5, in both E1 and E2, the effective area maintenance ratio of the catalyst decreases as the number of cell voltage fluctuations increases. This indicates that the greater the number of cell voltage (stack voltage) fluctuations, the higher the rate at which the effective area of the catalyst decreases. Further, E2 has a larger reduction amount of the effective area maintenance rate of the catalyst than E1. This shows that even when the number of fluctuations of the cell voltage (stack voltage) is the same, the greater the fluctuation range of the cell voltage (stack voltage), the higher the rate at which the effective area of the catalyst decreases.
本実施形態に係る燃料電池システム10では、間欠運転モードにおいてシフトポジションSPがP(パーキング)の場合、又はN(ニュートラル)のまま120秒経過した場合、電圧回復制御を行わない。その結果、(図4のVc1のような)スタック電圧Vcの低下と回復が繰り返されないため、電極触媒の溶出が抑制される。また、スタック電圧Vcを上昇させるための燃料ガスの供給や、酸化剤ガスの供給が不要であるため、燃料電池システム10の運転効率を向上させることができる。尚、電圧回復制御を行わないことにより、電力供給を再開するまでには時間を要することとなるが、シフトポジションSPがP(パーキング)である状況、及び、シフトポジションSPがN(ニュートラル)のまま120秒が経過するような状況は、いずれもその発生頻度が低いため、燃料電池車両のドライバビリティに対する悪影響は小さいということができる。
In the
また、間欠運転モードにおいてシフトポジションSPが上記以外である場合は、スタック電圧Vcを閾値Vth以上に維持するように電圧回復制御が行われる。この閾値Vthは、間欠運転モードが短時間で終了することが予測される場合は、より高い閾値(第二下限閾値)となるように設定される。その結果、スタック電圧Vcの変動幅が小さくなるため、電極触媒の溶出が抑制される。 Further, when the shift position SP is other than the above in the intermittent operation mode, the voltage recovery control is performed so as to maintain the stack voltage Vc at or above the threshold value Vth. This threshold value Vth is set to be a higher threshold value (second lower limit threshold value) when the intermittent operation mode is predicted to end in a short time. As a result, since the fluctuation range of the stack voltage Vc is reduced, the elution of the electrode catalyst is suppressed.
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.
10:燃料電池システム
20:燃料電池スタック
30:酸化剤ガス供給系
31:フィルタ
32:エアコンプレッサ
33:酸化剤ガス通路
34:酸化オフガス通路
35:加湿器
40:燃料ガス供給系
41:燃料ガス供給源
42:インジェクタ
43:燃料ガス通路
44:循環通路
45:循環ポンプ
46:排気排水通路
50:電力系
51:コンバータ
52:バッテリ
53:トラクションインバータ
54:トラクションモータ
55:補機類
60:コントローラ
71:電圧センサ
72:電流センサ
73:センサ
74:圧力センサ
A2:遮断弁
A3:背圧調整弁
ACC:アクセル開度信号
H1:遮断弁
H2:レギュレータ
H3,H4:遮断弁
H5:排気排水弁
IG:イグニッションスイッチ
SP:シフトポジション
Vc:スタック電圧
VV:車速信号
Vth:閾値
10: Fuel cell system 20: Fuel cell stack 30: Oxidant gas supply system 31: Filter 32: Air compressor 33: Oxidant gas passage 34: Oxidation off-gas passage 35: Humidifier 40: Fuel gas supply system 41: Fuel gas supply Source 42: Injector 43: Fuel gas passage 44: Circulation passage 45: Circulation pump 46: Exhaust drain passage 50: Electric power system 51: Converter 52: Battery 53: Traction inverter 54: Traction motor 55: Auxiliary machinery 60: Controller 71: Voltage sensor 72: Current sensor 73: Sensor 74: Pressure sensor A2: Shut-off valve A3: Back pressure adjustment valve ACC: Accelerator opening signal H1: Shut-off valve H2: Regulator H3, H4: Shut-off valve H5: Exhaust drain valve IG: Ignition Switch SP: Shift position Vc: Stud Voltage VV: vehicle speed signal Vth: threshold
Claims (5)
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記要求電力が所定値以下の状態において、前記燃料ガスの供給を一時的に停止して前記燃料電池スタックの発電を抑制する間欠運転を行うものであって、
前記間欠運転時において、
前記間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持する電圧回復制御を行う一方、
前記間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、前記電圧回復制御を行わないことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell stack comprising a plurality of cells having an anode and a cathode,
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the anode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode;
Control means for controlling the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means, and causing the fuel cell stack to generate power according to required power,
The control means performs an intermittent operation for temporarily stopping the supply of the fuel gas and suppressing the power generation of the fuel cell stack in a state where the required power is a predetermined value or less,
During the intermittent operation,
When the intermittent operation is predicted to end within the first period, while performing the voltage recovery control to maintain the output terminal voltage of the fuel cell stack to be equal to or higher than the first lower limit threshold,
The fuel cell system is characterized in that the voltage recovery control is not performed when the intermittent operation is predicted to continue beyond the first period.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011248836A JP5769083B2 (en) | 2011-11-14 | 2011-11-14 | Fuel cell system and fuel cell vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011248836A JP5769083B2 (en) | 2011-11-14 | 2011-11-14 | Fuel cell system and fuel cell vehicle |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013105635A true JP2013105635A (en) | 2013-05-30 |
JP5769083B2 JP5769083B2 (en) | 2015-08-26 |
Family
ID=48625034
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011248836A Active JP5769083B2 (en) | 2011-11-14 | 2011-11-14 | Fuel cell system and fuel cell vehicle |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5769083B2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015095306A (en) * | 2013-11-11 | 2015-05-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and fuel cell vehicle, control method of fuel cell system |
JP2016096087A (en) * | 2014-11-15 | 2016-05-26 | トヨタ自動車株式会社 | Power supply system and voltage control method for fuel cell |
JP2017513201A (en) * | 2014-04-10 | 2017-05-25 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG | How to start normal operation |
CN110190299A (en) * | 2018-02-22 | 2019-08-30 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system and its control method |
CN111384418A (en) * | 2018-12-25 | 2020-07-07 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004172028A (en) * | 2002-11-22 | 2004-06-17 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, movable body mounting the same, and control method of fuel cell system |
JP2006147486A (en) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | Konica Minolta Holdings Inc | Fuel cell system |
JP2007128778A (en) * | 2005-11-04 | 2007-05-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, its control method, and vehicle mounting it |
JP2007250429A (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
WO2008023521A1 (en) * | 2006-08-22 | 2008-02-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and moving body |
-
2011
- 2011-11-14 JP JP2011248836A patent/JP5769083B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004172028A (en) * | 2002-11-22 | 2004-06-17 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, movable body mounting the same, and control method of fuel cell system |
JP2006147486A (en) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | Konica Minolta Holdings Inc | Fuel cell system |
JP2007128778A (en) * | 2005-11-04 | 2007-05-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, its control method, and vehicle mounting it |
JP2007250429A (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
WO2008023521A1 (en) * | 2006-08-22 | 2008-02-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and moving body |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015095306A (en) * | 2013-11-11 | 2015-05-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and fuel cell vehicle, control method of fuel cell system |
JP2017513201A (en) * | 2014-04-10 | 2017-05-25 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG | How to start normal operation |
US10096850B2 (en) | 2014-04-10 | 2018-10-09 | Daimler Ag | Method for starting the normal operation |
JP2016096087A (en) * | 2014-11-15 | 2016-05-26 | トヨタ自動車株式会社 | Power supply system and voltage control method for fuel cell |
CN110190299A (en) * | 2018-02-22 | 2019-08-30 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system and its control method |
CN111384418A (en) * | 2018-12-25 | 2020-07-07 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
CN111384418B (en) * | 2018-12-25 | 2023-05-02 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5769083B2 (en) | 2015-08-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5007665B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4591721B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6292405B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM OPERATION CONTROL METHOD | |
JP4888519B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
WO2013128610A1 (en) | Fuel cell system | |
JP4993293B2 (en) | Fuel cell system and moving body | |
JP4613694B2 (en) | Fuel cell vehicle and control method thereof | |
JP4492824B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6465307B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
KR101135654B1 (en) | Fuel cell system and control method of the system | |
JP6465308B2 (en) | Abnormality detection method for pressure sensor and fuel cell system | |
WO2009096229A1 (en) | Fuel battery system | |
JP2010244937A (en) | Fuel cell system | |
WO2013164873A1 (en) | Fuel cell system | |
JP5812423B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5769083B2 (en) | Fuel cell system and fuel cell vehicle | |
WO2013136494A1 (en) | Fuel cell system | |
US8092947B1 (en) | Fuel cell system | |
WO2008099743A1 (en) | Fuel cell system | |
CN107452974B (en) | Hydrogen deficiency judgment method and hydrogen deficiency judgment device | |
JP5765260B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6198146B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP5725423B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2011018461A (en) | Fuel cell system | |
JPWO2013128610A1 (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131202 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140917 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140919 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141117 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150313 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150501 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150529 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150611 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5769083 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |