JP2013218923A - Fuel cell system and fuel cell system activation method - 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起動方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a starting method of the fuel cell system.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、上記電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池において適切な温度範囲内で発電を行うために、燃料電池には、冷却媒体が循環される。また、燃料電池システムの起動時には、燃料電池の温度を発電に適切な温度まで昇温するための暖機運転も行われる。この暖機運転は、燃料電池システムの効率を考慮して、燃料電池を昇温するための外部ヒータ等を用いることなく、燃料電池の自己発熱によって行われることが多い。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. And since the said electrochemical reaction is an exothermic reaction, in a fuel cell system provided with a fuel cell, in order to generate electric power within a suitable temperature range in a fuel cell, a cooling medium is circulated through the fuel cell. Further, at the time of starting the fuel cell system, a warm-up operation for raising the temperature of the fuel cell to a temperature suitable for power generation is also performed. In consideration of the efficiency of the fuel cell system, this warm-up operation is often performed by self-heating of the fuel cell without using an external heater or the like for raising the temperature of the fuel cell.
そして、従来、燃料電池システムを速やかに起動するための種々の技術が提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。例えば、下記特許文献1に記載された燃料電池システムでは、燃料電池スタック電圧、燃料電池スタック温度、および、燃料電池スタック電流の時間に対する変位量がそれぞれ正か負かに基づいて、燃料電池からの放熱量、例えば、燃料電池に循環させる冷却流体量等を制御する。 Conventionally, various techniques for quickly starting a fuel cell system have been proposed (see, for example, Patent Document 1 below). For example, in the fuel cell system described in Patent Document 1 below, the fuel cell stack voltage, the fuel cell stack temperature, and the fuel cell stack current from the fuel cell are determined based on whether the displacement amount with respect to time is positive or negative, respectively. The amount of heat release, for example, the amount of cooling fluid circulated in the fuel cell is controlled.
ところで、燃料電池では、発電時に、カソード反応によって、水(生成水)が生成される。この生成水は、燃料電池システムを氷点下の環境下で起動する場合、燃料電池の内部で凍結する。そして、燃料電池の内部で生成水が凍結すると、発電面積が減少して発電量が低下し、さらには、発電不能となる場合もある。 By the way, in a fuel cell, water (product water) is generated by a cathode reaction during power generation. This generated water freezes inside the fuel cell when the fuel cell system is started in a sub-freezing environment. When the generated water freezes inside the fuel cell, the power generation area decreases, the power generation amount decreases, and furthermore, power generation may not be possible.
しかし、上記特許文献1に記載された技術では、例えば、燃料電池スタック電流の時間に対する変位量の正負に基づいて燃料電池の発電状態を判断するため、燃料電池の発電状態の変化を詳細に把握することができなかった。すなわち、燃料電池の発電状態が、急激に変化しているのか、緩やかに変化しているのか、を把握することができなかった。このため、上記特許文献1に記載された技術では、燃料電池の発電状態に即した起動制御を行うことができなかった。また、上記特許文献1に記載された技術では、燃料電池スタック電圧の時間に対する変位量が正、かつ、燃料電池スタック温度の時間に対する変位量が負であるときに、燃料電池からの放熱量を減少させる制御を行うが、このような制御は、燃料電池システムの氷点下からの起動時には適用できなかった。 However, in the technique described in Patent Document 1, for example, since the power generation state of the fuel cell is determined based on the amount of displacement of the fuel cell stack current with respect to time, the change in the power generation state of the fuel cell is grasped in detail. I couldn't. That is, it has not been possible to grasp whether the power generation state of the fuel cell is changing rapidly or slowly. For this reason, with the technique described in the above-mentioned Patent Document 1, it is not possible to perform start-up control in accordance with the power generation state of the fuel cell. In the technique described in Patent Document 1, when the amount of displacement of the fuel cell stack voltage with respect to time is positive and the amount of displacement of the fuel cell stack temperature with respect to time is negative, the amount of heat released from the fuel cell is reduced. Although control to decrease is performed, such control cannot be applied when the fuel cell system is started from below freezing point.
さらに、燃料電池システムの氷点下からの起動時に、燃料電池の昇温を速やかに行うために、燃料電池に循環させる冷却媒体の循環流量を低減したり、冷却媒体の循環を停止したりする起動制御を、燃料電池の発電状態を詳細に把握せずに行うと、燃料電池における温度分布が看過できない程度に不均一になる場合がある。そして、燃料電池の内部において生成水が凍結して、局所的にしか発電が行われない場合には、燃料電池の温度が局所的に上昇し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化を招く。また、燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックでは、各燃料電池セルからの放熱量の差異によって、燃料電池セルの積層方向についての温度度分布も不均一となり、燃料電池スタックの変形を招く。 In addition, when the fuel cell system is started from below freezing point, the start-up control that reduces the circulation flow rate of the cooling medium circulated to the fuel cell or stops the circulation of the cooling medium in order to quickly raise the temperature of the fuel cell. If the power generation state of the fuel cell is not grasped in detail, the temperature distribution in the fuel cell may not be overlooked. If the generated water freezes inside the fuel cell and power is generated only locally, the temperature of the fuel cell rises locally, causing local deterioration of the electrolyte membrane included in the fuel cell. Invite. In addition, in a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cells becomes non-uniform due to the difference in the amount of heat released from each fuel cell, which causes deformation of the fuel cell stack. Invite.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池における温度分布の不均一を抑制しつつ、燃料電池の氷点下からの起動を速やかに行うことを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to quickly start a fuel cell from below the freezing point while suppressing uneven temperature distribution in the fuel cell in the fuel cell system. And
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、
前記燃料電池から流れる電流の電流値を周期的に測定する電流値測定部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記燃料電池を循環する前記冷却媒体の循環流量が第1の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御し、
その後、前記電流値が第1の閾電流値以下になった場合であって、前記電流値の時間変化率が第1の閾値以上、かつ、0未満である状態が第1の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第1の循環流量よりも少ない第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
[Application Example 1]
A fuel cell system,
A fuel cell;
A current value measuring unit for periodically measuring the current value of the current flowing from the fuel cell;
A cooling medium circulating section for circulating a cooling medium for cooling the fuel cell to the fuel cell;
A control unit,
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
Controlling the cooling medium circulating unit so that the circulating flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell becomes the first circulating flow rate;
Thereafter, when the current value becomes equal to or lower than the first threshold current value, and the state in which the time change rate of the current value is equal to or higher than the first threshold and lower than 0 continues for the first period. In addition, the cooling medium circulation unit is controlled so that the circulation flow rate becomes a second circulation flow rate that is smaller than the first circulation flow rate.
Fuel cell system.
適用例1の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の氷点下からの起動時に、燃料電池による発電を行いつつ、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量が第1の循環流量となるように、冷却媒体循環部を制御する。第1の循環流量は、燃料電池における温度分布の不均一を抑制可能な範囲内で設定される。そして、燃料電池の氷点下からの起動直後は、燃料電池の内部における生成水の凍結により、燃料電池の発電状態が悪化して、燃料電池から流れる電流の電流値は、急激に低下し、次第に緩やかに低下する。そこで、制御部は、燃料電池から流れる電流の電流値、および、電流値の時間変化率に基づいて、冷却媒体循環部を制御する。具体的には、制御部は、燃料電池の発電状態が悪化して、燃料電池から流れる電流の電流値が第1の閾電流値以下になった場合であって、電流値の時間変化率が第1の閾値以上、かつ、0未満である状態、すなわち、電流値が比較的緩やかに低下する状態が第1の期間継続した場合に、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量が第1の循環流量よりも少ない第2の循環流量となるように、冷却媒体循環部を制御する。燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を第2の循環流量に低減することによって、冷却媒体による燃料電池からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱による燃料電池の昇温が促進される。そして、燃料電池の発電状態が回復し、燃料電池から流れる電流が増加する。 In the fuel cell system of Application Example 1, the control unit performs power generation by the fuel cell when starting the fuel cell from below the freezing point, so that the circulation flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell becomes the first circulation flow rate. The cooling medium circulation unit is controlled. The first circulation flow rate is set within a range in which uneven temperature distribution in the fuel cell can be suppressed. Immediately after the start of the fuel cell from below freezing point, the power generation state of the fuel cell deteriorates due to freezing of the generated water inside the fuel cell, and the current value of the current flowing from the fuel cell rapidly decreases and gradually decreases. To drop. Therefore, the control unit controls the coolant circulation unit based on the current value of the current flowing from the fuel cell and the time rate of change of the current value. Specifically, the control unit is a case where the power generation state of the fuel cell deteriorates and the current value of the current flowing from the fuel cell becomes equal to or less than the first threshold current value, and the time rate of change of the current value is When the state that is equal to or more than the first threshold and less than 0, that is, the state in which the current value decreases relatively slowly continues for the first period, the circulating flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell is the first. The cooling medium circulation unit is controlled so that the second circulation flow rate is smaller than the circulation flow rate. By reducing the circulating flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell to the second circulating flow rate, the amount of heat removed from the fuel cell by the cooling medium is reduced, and the temperature rise of the fuel cell by self-heating is promoted. . Then, the power generation state of the fuel cell is restored, and the current flowing from the fuel cell increases.
なお、第1の閾電流値は、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第1の閾電流値は、燃料電池に循環させる冷却媒体の循環流量を減少させなくても燃料電池の発電状態の回復が期待されるが、第1の閾電流値以下の状態が長時間継続すると、燃料電池の発電状態が回復しないまま、さらに悪化すると推定される値が設定される。そして、第1の閾電流値、電流値の時間変化率についての第1の閾値、および、第1の期間は、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部(例えば、循環ポンプや、循環配管)の設計等に応じて、適宜、変更可能である。また、第2の循環流量も、任意に設定可能である。第2の循環流量は、例えば、第1の循環流量の50(%)に設定される。 Note that the first threshold current value is a value within a range where the current value of the current flowing from the fuel cell decreases relatively slowly, and is set to a value higher than the allowable lower limit value. The first threshold current value is expected to recover the power generation state of the fuel cell without reducing the circulating flow rate of the cooling medium circulated in the fuel cell, but the state below the first threshold current value is long. When the time continues, a value estimated to be further deteriorated is set without recovering the power generation state of the fuel cell. The first threshold current value, the first threshold value for the time rate of change of the current value, and the first period are, for example, the design of the fuel cell, the power generation conditions at the start of the fuel cell from below freezing point, The cooling medium circulation unit (for example, a circulation pump or a circulation pipe) can be appropriately changed according to the design. Further, the second circulating flow rate can also be set arbitrarily. The second circulation flow rate is set to 50 (%) of the first circulation flow rate, for example.
燃料電池から流れる電流の電流値が第1の閾電流値以下になった場合に、即、冷却媒体の循環流量を第2の循環流量に低減して燃料電池の昇温を促進しようとすると、第2の循環流量に低減しなくても、すぐに、自己発熱によって燃料電池の発電状態が回復する可能性があったにも関わらず、燃料電池における温度分布を不均一にするおそれがある。これに対し、適用例1の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値が第1の閾電流値以下になった場合であって、さらに、電流値の時間変化率が第1の閾値以上、かつ、0未満である状態、すなわち、電流値が比較的緩やかに低下する状態が第1の期間継続した場合に、冷却媒体の循環流量を第2の循環流量に低減する。そして、燃料電池から流れる電流の電流値が第1の閾電流値以下になった場合であっても、例えば、電流値の時間変化率が0以上である場合には、燃料電池の発電状態が回復しつつあると判断して、冷却媒体の循環流量を低減しない。こうすることによって、自己発熱による燃料電池の発電状態の回復を待ちながら、燃料電池における温度分布の不均一を抑制することができる。 When the current value of the current flowing from the fuel cell becomes equal to or lower than the first threshold current value, immediately, if the circulation flow rate of the cooling medium is reduced to the second circulation flow rate and the temperature rise of the fuel cell is promoted, Even if the flow rate is not reduced to the second circulation flow rate, there is a possibility that the temperature distribution in the fuel cell may become non-uniform even though there is a possibility that the power generation state of the fuel cell is recovered due to self-heating. On the other hand, in the fuel cell system of Application Example 1, the current value of the current flowing from the fuel cell is equal to or lower than the first threshold current value, and further, the time change rate of the current value is the first threshold value. As described above, when the state of less than 0, that is, the state in which the current value decreases relatively slowly continues for the first period, the circulating flow rate of the cooling medium is reduced to the second circulating flow rate. Even when the current value of the current flowing from the fuel cell becomes equal to or less than the first threshold current value, for example, when the rate of change of the current value with time is 0 or more, the power generation state of the fuel cell is It is determined that recovery is taking place and the circulating flow rate of the cooling medium is not reduced. By doing so, it is possible to suppress uneven temperature distribution in the fuel cell while waiting for recovery of the power generation state of the fuel cell due to self-heating.
適用例1の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値、および、電流値の時間変化率に基づいて、燃料電池の発電状態を詳細に把握し、燃料電池の発電状態に即して冷却媒体循環部を制御することができる。そして、燃料電池における温度分布の不均一を抑制しつつ、燃料電池の氷点下からの起動を速やかに行うことができる。 In the fuel cell system of Application Example 1, the power generation state of the fuel cell is grasped in detail based on the current value of the current flowing from the fuel cell and the time change rate of the current value, and in accordance with the power generation state of the fuel cell. The cooling medium circulation unit can be controlled. In addition, it is possible to quickly start the fuel cell from below the freezing point while suppressing uneven temperature distribution in the fuel cell.
[適用例2]
適用例1記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が第1の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第1の閾電流値よりも小さい第2の閾電流値以下になった場合に、前記循環流量が前記第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
[Application Example 2]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
After controlling the cooling medium circulation unit so that the circulation flow rate becomes the first circulation flow rate,
When the current value becomes equal to or less than a second threshold current value smaller than the first threshold current value, the cooling medium circulation unit is controlled so that the circulation flow rate becomes the second circulation flow rate. ,
Fuel cell system.
適用例2の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値が、電流値の時間変化率が第1の閾値以上、かつ、0未満である状態が第1の期間継続することなく、第2の閾電流値以下になった場合にも、冷却媒体の循環流量を第2の循環流量に低減する。なお、第2の閾電流値も、第1の閾電流値と同様に、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第2の閾電流値は、冷却媒体の循環流量が第1の循環流量のまま発電を継続しても、自己発熱による燃料電池の発電状態の回復が期待できないが、冷却媒体の循環流量を第2の循環流量に低減することによって、自己発熱による燃料電池の発電状態の回復が十分に可能な範囲内で設定される。そして、第2の閾電流値も、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部(例えば、循環ポンプや、循環配管)の設計等に応じて、適宜、変更可能である。適用例2の燃料電池システムによって、燃料電池の氷点下からの起動時に、燃料電池の発電状態が悪化し、燃料電池から流れる電流が低下しすぎて、燃料電池が発電不能となることを回避することができる。 In the fuel cell system of Application Example 2, the current value of the current flowing from the fuel cell is maintained in a state in which the time change rate of the current value is not less than the first threshold and less than 0 without continuing for the first period. Even when the value is equal to or less than the threshold current value of 2, the circulating flow rate of the cooling medium is reduced to the second circulating flow rate. The second threshold current value is also a value within a range in which the current value of the current flowing from the fuel cell decreases relatively slowly, similarly to the first threshold current value, and is higher than the allowable lower limit value. Value is set. The second threshold current value is not expected to recover the power generation state of the fuel cell by self-heating even if the power generation is continued with the circulating flow rate of the cooling medium kept at the first circulating flow rate. Is reduced to the second circulating flow rate, so that the power generation state of the fuel cell by self-heating can be restored within a sufficiently possible range. The second threshold current value also depends on, for example, the design of the fuel cell, the power generation conditions when starting from below the freezing point of the fuel cell, the design of the cooling medium circulation unit (for example, a circulation pump or a circulation pipe), and the like. It can be changed as appropriate. The fuel cell system according to Application Example 2 avoids that the power generation state of the fuel cell deteriorates when the fuel cell is started from below freezing point, and the current flowing from the fuel cell is excessively reduced, so that the fuel cell cannot generate power. Can do.
[適用例3]
適用例1または2記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第1の閾電流値よりも大きい第3の閾電流値以上になった場合であって、前記電流値の時間変化率が0よりも大きく、かつ、第2の閾値以下である状態が第2の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第2の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
[Application Example 3]
A fuel cell system according to Application Example 1 or 2,
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
After controlling the cooling medium circulation unit so that the circulation flow rate becomes the second circulation flow rate,
The current value is equal to or greater than a third threshold current value that is greater than the first threshold current value, and the time change rate of the current value is greater than 0 and less than or equal to the second threshold value. When the state continues for a second period, the cooling medium circulation unit is controlled so that the circulation flow rate is higher than the second circulation flow rate.
Fuel cell system.
燃料電池の氷点下からの起動時に、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を第1の循環流量から第2の循環流量に低減すると、冷却媒体による燃料電池からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱によって燃料電池の発電状態が回復する。ただし、このとき、冷却媒体の循環流量を低減したことによって、燃料電池の温度分布が不均一になっているおそれがある。そして、冷却媒体の循環流量が低減されて、燃料電池の温度分布が不均一なまま発電を長時間継続すると、燃料電池の温度が局所的に過剰に上昇して、燃料電池が備える電解質膜が局所的に劣化するおそれがある。なお、冷却媒体の循環流量を低減した直後は、燃料電池の発電状態が回復して、燃料電池から流れる電流の電流値は、急激に増加し、次第に緩やかに増加する。 When the circulating flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell is reduced from the first circulating flow rate to the second circulating flow rate when the fuel cell is started from below the freezing point, the amount of heat removed from the fuel cell by the cooling medium is reduced. The power generation state of the fuel cell is restored by self-heating. However, at this time, there is a possibility that the temperature distribution of the fuel cell becomes non-uniform due to the reduction of the circulating flow rate of the cooling medium. When the circulation flow rate of the cooling medium is reduced and power generation is continued for a long time while the temperature distribution of the fuel cell is not uniform, the temperature of the fuel cell rises excessively locally, and the electrolyte membrane included in the fuel cell becomes There is a risk of local degradation. Immediately after the circulating flow rate of the cooling medium is reduced, the power generation state of the fuel cell is restored, and the current value of the current flowing from the fuel cell increases rapidly and gradually increases.
適用例3の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値が第3の閾電流値以上になった場合であって、電流値の時間変化率が0よりも大きく、かつ、第2の閾値以下である状態、すなわち、電流値が比較的緩やかに増加する状態が第2の期間継続した場合に、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を増加させる。例えば、冷却媒体の循環流量を、第1の循環流量に増加させる。なお、第3の閾電流値は、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。また、第3の閾電流値、電流値の時間変化率についての第2の閾値、および、第2の期間は、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部(例えば、循環ポンプや、循環配管)の設計等に応じて、適宜、変更可能である。適用例3の燃料電池システムによって、燃料電池の温度分布の不均一による局所的な過昇温を抑制し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化を抑制することができる。 In the fuel cell system of Application Example 3, when the current value of the current flowing from the fuel cell is equal to or greater than the third threshold current value, the time rate of change of the current value is greater than 0, and the second When the state below the threshold value, that is, the state where the current value increases relatively slowly continues for the second period, the circulating flow rate of the cooling medium circulating in the fuel cell is increased. For example, the circulating flow rate of the cooling medium is increased to the first circulating flow rate. The third threshold current value is a value within a range in which the current value of the current flowing from the fuel cell increases relatively slowly, and is set to a value lower than the allowable upper limit value. In addition, the third threshold current value, the second threshold value for the time rate of change of the current value, and the second period are, for example, the design of the fuel cell, the power generation conditions at the start-up from below the freezing point of the fuel cell, The cooling medium circulation unit (for example, a circulation pump or a circulation pipe) can be appropriately changed according to the design. With the fuel cell system according to Application Example 3, it is possible to suppress local overheating due to uneven temperature distribution of the fuel cell and to suppress local deterioration of the electrolyte membrane included in the fuel cell.
[適用例4]
適用例3記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第3の閾電流値よりも大きい第4の閾電流値以上になった場合に、前記循環流量が前記第2の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
[Application Example 4]
A fuel cell system according to Application Example 3,
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
After controlling the cooling medium circulation unit so that the circulation flow rate becomes the second circulation flow rate,
When the current value is equal to or greater than a fourth threshold current value that is greater than the third threshold current value, the cooling medium circulation unit is arranged so that the circulation flow rate is greater than the second circulation flow rate. Control,
Fuel cell system.
適用例4の燃料電池システムでは、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を第1の循環流量から第2の循環流量に低減して、燃料電池から流れる電流の電流値が、電流値の時間変化率が0よりも大きく、かつ、第2の閾値以下である状態が第2の期間継続することなく、第4の閾電流値以上になった場合に、冷却媒体の循環流量を増加させる。なお、第4の閾電流値は、第3の閾電流値と同様に、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。また、第4の閾電流値は、冷却媒体の循環流量を増加させることによって、燃料電池の局所的な過昇温を十分に抑制可能な範囲内で設定される。そして、第4の閾電流値も、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部(例えば、循環ポンプや、循環配管)の設計等に応じて、適宜、変更可能である。適用例4の燃料電池システムによって、燃料電池の温度分布の不均一による局所的な過昇温をより確実に抑制し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化をより確実に抑制することができる。 In the fuel cell system of Application Example 4, the circulating flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell is reduced from the first circulating flow rate to the second circulating flow rate, and the current value of the current flowing from the fuel cell is the current value time. When the rate of change is greater than 0 and less than or equal to the second threshold, the circulating flow rate of the cooling medium is increased when the state exceeds the fourth threshold current value without continuing for the second period. Note that the fourth threshold current value is a value within a range in which the current value of the current flowing from the fuel cell increases relatively slowly, similarly to the third threshold current value, and is lower than the allowable upper limit value. Value is set. Further, the fourth threshold current value is set within a range in which the local overheating of the fuel cell can be sufficiently suppressed by increasing the circulating flow rate of the cooling medium. The fourth threshold current value also depends on, for example, the design of the fuel cell, the power generation conditions when starting from below the freezing point of the fuel cell, the design of the cooling medium circulation unit (for example, a circulation pump or a circulation pipe), and the like. It can be changed as appropriate. The fuel cell system according to Application Example 4 can more reliably suppress local overheating due to non-uniform temperature distribution of the fuel cell and more reliably suppress local deterioration of the electrolyte membrane included in the fuel cell. it can.
[適用例5]
適用例1ないし4のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に流入する前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御部は、前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度が0(℃)以上となった場合に、前記燃料電池の氷点下からの起動時に実行される前記冷却媒体循環部の制御を停止する、
燃料電池システム。
[Application Example 5]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 4, further comprising:
A temperature sensor for measuring the temperature of the cooling medium at the inlet of the cooling medium flowing into the fuel cell;
The control unit stops the control of the cooling medium circulation unit that is executed when the fuel cell is started from below freezing point when the temperature of the cooling medium at the inlet of the cooling medium becomes 0 (° C.) or more. ,
Fuel cell system.
上述した燃料電池の氷点下からの起動時の制御によって、燃料電池の温度が0(℃)よりも高くなっても、燃料電池に流入する冷却媒体の入口における冷却媒体の温度が0(℃)以下である場合には、その冷却媒体による熱の持ち去りによって、燃料電池の内部における生成水の凍結が解消されないおそれがある。適用例5の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が0(℃)よりも高くなった場合ではなく、燃料電池を循環する冷却媒体が燃料電池によって加熱されて、燃料電池に流入する冷却媒体の入口における冷却媒体の温度が0(℃)よりも高くなった場合に、燃料電池の氷点下からの起動時に実行される上述した制御を停止する。こうすることによって、冷却媒体による熱の持ち去り量を減少させ、燃料電池の内部における生成水の凍結を解消することができる。なお、燃料電池の氷点下からの起動時に実行される制御を停止した後は、適宜、燃料電池の温度が0(℃)よりも高い場合に実行する制御を行うようにすればよい。 Even when the temperature of the fuel cell becomes higher than 0 (° C.) by the above-described control at the time of starting the fuel cell from below the freezing point, the temperature of the cooling medium at the inlet of the cooling medium flowing into the fuel cell is 0 (° C.) or less. In such a case, there is a possibility that freezing of generated water inside the fuel cell may not be eliminated due to the removal of heat by the cooling medium. In the fuel cell system of the application example 5, the cooling medium circulating through the fuel cell is heated by the fuel cell, not when the temperature of the fuel cell becomes higher than 0 (° C.). When the temperature of the cooling medium at the inlet becomes higher than 0 (° C.), the above-described control executed when the fuel cell is started from below the freezing point is stopped. By doing so, it is possible to reduce the amount of heat taken away by the cooling medium and to eliminate the freezing of the generated water inside the fuel cell. In addition, after stopping the control executed at the time of starting the fuel cell from below the freezing point, the control executed when the temperature of the fuel cell is higher than 0 (° C.) may be appropriately performed.
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの起動方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。 The present invention can be configured as an invention of a method for starting a fuel cell system in addition to the above-described configuration as a fuel cell system. Further, the present invention can be realized in various modes such as a computer program that realizes these, a recording medium that records the program, and a data signal that includes the program and is embodied in a carrier wave. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやCD−ROM、DVD−ROM、光磁気ディスク、ICカード、ROMカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置(RAMやROMなどのメモリ)および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。 When the present invention is configured as a computer program or a recording medium storing the program, the entire program for controlling the operation of the fuel cell system may be configured, or only the portion that performs the function of the present invention is configured. It is good also as what to do. The recording medium includes a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a magneto-optical disk, an IC card, a ROM cartridge, a punch card, a printed matter on which a code such as a barcode is printed, a computer internal storage device (RAM or Various types of computer-readable media such as a memory such as a ROM and an external storage device can be used.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.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1000の概略構成を示す説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック100は、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セル40を、複数積層させたスタック構造を有している。各燃料電池セル40は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての酸素を含む空気の流路や、冷却媒体の流路が形成されている。なお、燃料電池セル40の積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。また、燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100の温度を検出するための温度センサ42が設けられている。
The
燃料電池スタック100は、一端から、エンドプレート10a、絶縁板20a、集電板30a、複数の燃料電池セル40、集電板30b、絶縁板20b、エンドプレート10bの順に、これらを積層することによって構成されている。そして、燃料電池スタック100内部には、水素や、空気や、冷却媒体を、それぞれ燃料電池セル40に分配して供給するための供給マニホールド(水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド)と、各燃料電池セル40のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガス、ならびに、冷却媒体をそれぞれ集合させて燃料電池スタック100の外部に排出するための排出マニホールド(アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却媒体排出マニホールド)が形成されている。
The
エンドプレート10a,10bは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板20a,20bは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板30a,30bは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板30a,30bには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック100で発電した電力を出力可能となっている。各出力端子には、負荷80が接続されている。また、燃料電池スタック100と負荷80との間には、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値を検出するための電流センサ82が設けられている。
The
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック100は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。
In addition, although illustration is abbreviate | omitted, in order for the
燃料電池スタック100のアノードには、配管53を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク50から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク50の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
Hydrogen as fuel gas is supplied to the anode of the
水素タンク50に貯蔵された高圧水素は、水素タンク50の出口に設けられたシャットバルブ51、レギュレータ52によって、圧力および供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池セル40のアノードに供給される。各燃料電池セル40から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管56を介して、燃料電池スタック100の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック100の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器等によって処理される。
The pressure and supply amount of the high-pressure hydrogen stored in the
また、配管53、および、排出配管56には、アノードオフガスを配管53に再循環させるための循環配管54が接続されている。そして、排出配管56の循環配管54との接続部の下流側には、排気バルブ57が配設されている。また、循環配管54には、ポンプ55が配設されている。ポンプ55、および、排気バルブ57の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管53に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管53に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
Further, a
燃料電池スタック100のカソードには、配管61を介して、配管61に配設されたエアコンプレッサ60によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管61に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池セル40のカソードに供給される。各燃料電池セル40のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管62を介して、燃料電池スタック100の外部に排出される。排出配管62からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック100のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
Compressed air compressed by an
燃料電池スタック100は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100を冷却するための冷却媒体も供給される。本実施例では、冷却媒体として、不凍液であるロングライフクーラント(LLC)を用いるものとした。燃料電池スタック100の冷却媒体供給マニホールドには、ラジエータ71によって冷却されたLLCが、配管72を介して、配管72に配設された循環ポンプ70によって供給される。燃料電池スタック100のから排出されたLLCは、冷却媒体排出マニホールドに接続された配管72を介して、ラジエータ71に循環する。循環ポンプ70の出力(回転数)を制御することによって、LLCの循環流量を制御することができる。このとき、配管72にLLCの循環流量を測定する流量計を設けて、この流量計の検出値に基づいて、循環ポンプ70の出力を制御するようにしてもよい。配管72における燃料電池スタック100へのLLCの入口には、燃料電池スタック100に流入するLLCの温度を検出するための温度センサ73が配設されている。循環ポンプ70、ラジエータ71、配管72は、[課題を解決するための手段]における冷却媒体循環部に相当する。
Since the
燃料電池システム1000の運転は、制御ユニット90によって制御される。制御ユニット90は、内部にCPU、RAM、ROM、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。また、制御ユニット90は、以下に説明する起動制御処理を実行する。制御ユニット90は、[課題を解決するための手段]における制御部に相当する。
The operation of the
B.起動制御処理:
図2は、起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム1000の起動時に、燃料電池スタック100の温度Tfcを発電に適した温度に昇温するために、制御ユニット90のCPUが実行する処理である。
B. Startup control processing:
FIG. 2 is a flowchart showing the flow of activation control processing. This process is a process executed by the CPU of the
まず、CPUは、温度センサ42によって検出された燃料電池スタック100の温度Tfcを取得し、燃料電池スタック100の温度Tfcが0(℃)よりも高いか否かを判断する(ステップS100)。燃料電池スタック100の温度Tfcが0(℃)よりも高い場合には(ステップS100:YES)、CPUは、常温起動制御を実行する(ステップS110)。なお、常温起動制御には、従来から知られている種々の起動制御を適用可能であり、本明細書では、常温起動制御についての説明は省略する。
First, the CPU acquires the temperature Tfc of the
ステップS100において、燃料電池スタック100の温度Tfcが0(℃)以下である場合には(ステップS100:NO)、CPUは、氷点下起動制御を開始する(ステップS120)。本実施例では、燃料電池スタック100に水素および空気を導入して、燃料電池スタック100の開回路電圧をチェックし、循環ポンプ70を起動して、氷点下起動制御用の電圧制御を開始する。このとき、CPUは、燃料電池スタック100を循環するLLCの循環流量が第1の循環流量F1となるように、循環ポンプ70の出力を制御する。第1の循環流量F1は、燃料電池スタック100における温度分布の不均一を抑制可能な範囲内で設定されている。なお、氷点下起動制御の開始直後は、燃料電池の内部における生成水の凍結により、燃料電池スタック100の発電状態が悪化して、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値は、急激に低下し、次第に緩やかに低下する。そこで、本実施例の燃料電池システム1000では、以下の制御を行う。
In step S100, when the temperature Tfc of the
氷点下起動制御を開始した後、CPUは、電流センサ82によって、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iを周期的に測定し、この電流値Iが第1の閾電流値Ith1以下になったか否かを判断する(ステップS130)。電流値Iが第1の閾電流値Ith1よりも大きい場合には(ステップS130:NO)、CPUは、燃料電池スタック100に流入するLLCの入口におけるLLCの温度Tinが0(℃)よりも高いか否かを判断する(ステップS132)。温度Tinが0(℃)よりも高い場合には(ステップS132:YES)、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行する(ステップS110)。一方、温度Tinが0(℃)以下である場合には(ステップS132:NO)、CPUは、処理をステップS130に戻す。
After starting the below-freezing start control, the CPU periodically measures the current value I of the current flowing from the
ステップS130において、電流値Iが第1の閾電流値Ith1以下である場合には(ステップS130:YES)、CPUは、電流値Iの時間変化率dI/dtが第1の閾値TH1以上、かつ、0未満である状態が第1の期間t1秒以上継続したか否かを判断する(ステップS140)。電流値Iの時間変化率dI/dtが第1の閾値TH1以上、かつ、0未満である状態が第1の期間t1秒以上継続した場合には(ステップS140:YES)、CPUは、循環ポンプ70の出力を低下させて、燃料電池スタック100に循環させるLLCの循環流量を、第1の循環流量F1よりも少ない第2の循環流量F2に低減する(ステップS150)。燃料電池スタック100に循環させるLLCの循環流量を低減することによって、LLCによる燃料電池スタック100からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱による燃料電池スタック100の昇温が促進される。そして、燃料電池スタック100の発電状態が回復し、燃料電池スタック100から流れる電流が増加する。
In step S130, when the current value I is equal to or less than the first threshold current value Ith1 (step S130: YES), the CPU has a time change rate dI / dt of the current value I equal to or greater than the first threshold value TH1. Then, it is determined whether or not the state of less than 0 continues for the first period t1 seconds or more (step S140). When the time rate dI / dt of the current value I is not less than the first threshold value TH1 and less than 0 continues for the first period t1 seconds or more (step S140: YES), the CPU The output of 70 is reduced, and the circulation flow rate of the LLC circulated in the
なお、第1の閾電流値Ith1は、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iが比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第1の閾電流値Ith1は、燃料電池スタック100に循環させるLLCの循環流量を減少させなくても燃料電池スタック100の発電状態の回復が期待されるが、第1の閾電流値Ith1以下の状態が長時間継続すると、燃料電池スタック100の発電状態が回復しないまま、さらに悪化すると推定される値が設定される。そして、第1の閾電流値Ith1、電流値Iの時間変化率dI/dtについての第1の閾値TH1、および、第1の期間t1秒は、例えば、燃料電池スタック100の設計や、燃料電池スタック100の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ70や、配管72の設計等に応じて、適宜、変更可能である。また、第2の循環流量F2も、任意に設定可能である。第2の循環流量F2は、例えば、第1の循環流量F1の50(%)に設定される。
The first threshold current value Ith1 is a value within a range where the current value I of the current flowing from the
燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iが第1の閾電流値Ith1以下になった場合に、即、LLCの循環流量を第2の循環流量F2に低減して燃料電池スタック100の昇温を促進しようとすると、第2の循環流量F2に低減しなくても、すぐに、自己発熱によって燃料電池スタック100の発電状態が回復する可能性があったにも関わらず、燃料電池スタック100における温度分布を不均一にするおそれがある。これに対し、本実施例の燃料電池システム1000では、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iが第1の閾電流値Ith1以下になった場合であって、さらに、電流値Iの時間変化率が第1の閾値TH1以上、かつ、0未満である状態、すなわち、電流値Iが比較的緩やかに低下する状態が第1の期間t1秒継続した場合に、LLCの循環流量を第2の循環流量F2に低減する。そして、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iが第1の閾電流値Ith1以下になった場合であっても、例えば、電流値Iの時間変化率dI/dtが0以上である場合には、燃料電池スタック100の発電状態が回復しつつあると判断して、LLCの循環流量を低減しない。こうすることによって、自己発熱による燃料電池スタック100の発電状態の回復を待ちながら、燃料電池スタック100における温度分布の不均一を抑制することができる。
When the current value I of the current flowing from the
ステップS140において、電流値Iの時間変化率dI/dtが第1の閾値TH1以上、かつ、0よりも小さい状態が第1の期間t1秒以上継続していない場合には(ステップS140:NO)、CPUは、電流値Iが第1の閾電流値Ith1よりも小さい第2の閾電流値Ith2以下になったか否かを判断する(ステップS142)。電流値Iが第2の閾電流値Ith2よりも大きい場合には(ステップSS142:NO)、CPUは、処理をステップS140に戻す。一方、電流値Iが第2の閾電流値Ith2以下になった場合には(ステップS142:YES)、CPUは、循環ポンプ70の出力を低下させて、燃料電池スタック100に循環させるLLCの循環流量を、第2の循環流量F2に低減する(ステップS150)。こうすることによって、燃料電池スタック100の発電状態が悪化し、燃料電池スタック100から流れる電流が低下しすぎて、燃料電池スタック100が発電不能となることを回避することができる。
In step S140, when the time change rate dI / dt of the current value I is not less than the first threshold TH1 and smaller than 0 does not continue for the first period t1 seconds or more (step S140: NO). The CPU determines whether or not the current value I has become equal to or smaller than a second threshold current value Ith2 that is smaller than the first threshold current value Ith1 (step S142). When the current value I is larger than the second threshold current value Ith2 (step SS142: NO), the CPU returns the process to step S140. On the other hand, when the current value I becomes equal to or smaller than the second threshold current value Ith2 (step S142: YES), the CPU reduces the output of the
なお、第2の閾電流値Ith2も、第1の閾電流値Ith1と同様に、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iが比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第2の閾電流値Ith2は、LLCの循環流量が第1の循環流量F1のまま発電を継続しても、自己発熱による燃料電池スタック100の発電状態の回復が期待できないが、LLCの循環流量を第2の循環流量F2に低減することによって、自己発熱による燃料電池スタック100の発電状態の回復が十分に可能な範囲内で設定されている。そして、第2の閾電流値Ith2も、例えば、燃料電池スタック100の設計や、燃料電池スタック100の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ70や、配管72の設計等に応じて、適宜、変更可能である。
Note that the second threshold current value Ith2 is also a value within the range in which the current value I of the current flowing from the
ここで、燃料電池スタック100を循環するLLCの循環流量を第1の循環流量F1から第2の循環流量F2に低減すると、LLCによる燃料電池スタック100からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱によって燃料電池スタック100の発電状態が回復する。ただし、このとき、LLCの循環流量を低減したことによって、燃料電池スタック100の温度分布が不均一になっているおそれがある。そして、LLCの循環流量が低減されて、燃料電池スタック100の温度分布が不均一なまま発電を長時間継続すると、燃料電池スタック100の温度が局所的に過剰に上昇して、燃料電池スタック100が備える電解質膜が局所的に劣化するおそれがある。なお、LLCの循環流量を低減した直後は、燃料電池スタック100の発電状態が回復して、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iは、急激に増加し、次第に緩やかに増加する。そこで、本実施例の燃料電池システム1000では、ステップS150において、燃料電池スタック100を循環するLLCの循環流量を第1の循環流量F1から第2の循環流量F2に低減した後、以下の制御を行う。
Here, when the circulation flow rate of the LLC circulating through the
ステップS150の後、CPUは、電流センサ82によって、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iを周期的に測定し、この電流値Iが第1の閾電流値Ith1よりも大きい第3の閾電流値Ith3以上になったか否かを判断する(ステップS160)。電流値Iが第3の閾電流値Ith3よりも小さい場合には(ステップS160:NO)、CPUは、燃料電池スタック100に流入するLLCの入口におけるLLCの温度Tinが0(℃)よりも高いか否かを判断する(ステップS162)。温度Tinが0(℃)よりも高い場合には(ステップS162:YES)、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行する(ステップS110)。一方、温度Tinが0(℃)以下である場合には(ステップS162:NO)、CPUは、処理をステップS160に戻す。
After step S150, the CPU periodically measures the current value I of the current flowing from the
ステップS160において、電流値Iが第3の閾電流値Ith3以上である場合には(ステップS160:YES)、CPUは、電流値Iの時間変化率dI/dtが0よりも大きく、かつ、第2の閾値TH2以下である状態が第2の期間t2秒以上継続したか否かを判断する(ステップS170)。電流値Iの時間変化率dI/dtが0よりも大きく、かつ、第2の閾値TH2以下である状態、すなわち、電流値Iが比較的緩やかに増加する状態が第2の期間t2秒以上継続した場合には(ステップS170:YES)、CPUは、循環ポンプ70の出力を増加させて、燃料電池スタック100に循環させるLLCの循環流量を増加させる(ステップS180)。例えば、LLCの循環流量を、第1の循環流量F1に増加させる。こうすることによって、燃料電池スタック100の温度分布の不均一による局所的な過昇温を抑制し、燃料電池スタック100が備える電解質膜の局所的な劣化を抑制することができる。
In step S160, when the current value I is equal to or greater than the third threshold current value Ith3 (step S160: YES), the CPU has a time rate of change dI / dt of the current value I greater than 0, and It is determined whether or not the state of 2 or less of the threshold value TH2 has continued for the second period t2 seconds or more (step S170). A state in which the time change rate dI / dt of the current value I is greater than 0 and less than or equal to the second threshold value TH2, that is, a state in which the current value I increases relatively slowly continues for the second period t2 seconds or more. If so (step S170: YES), the CPU increases the output of the
なお、第3の閾電流値Ith3は、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iが比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。また、第3の閾電流値Ith3、電流値Iの時間変化率dI/dtについての第2の閾値TH2、および、第2の期間T2秒は、例えば、燃料電池スタック100の設計や、燃料電池スタック100の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ70や、配管72の設計等に応じて、適宜、変更可能である。
The third threshold current value Ith3 is a value within a range where the current value I of the current flowing from the
ステップS170において、電流値Iの時間変化率dI/dtが0よりも大きく、かつ、第2の閾値TH2以下である状態が第2の期間t2秒以上継続していない場合には(ステップS170:NO)、CPUは、電流値Iが第3の閾電流値Ith3よりも大きい第4の閾電流値Ith4以上になったか否かを判断する(ステップS172)。電流値Iが第4の閾電流値Ith4未満である場合には(ステップSS172:NO)、CPUは、処理をステップS170に戻す。一方、電流値Iが第4の閾電流値Ith4以上になった場合には(ステップS172:YES)、CPUは、循環ポンプ70の出力を増加させて、燃料電池スタック100に循環させるLLCの循環流量を増加させる(ステップS180)。こうすることによって、燃料電池の温度分布の不均一による局所的な過昇温をより確実に抑制し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化をより確実に抑制することができる。
In step S170, when the time change rate dI / dt of the current value I is larger than 0 and not more than the second threshold value TH2, the state does not continue for the second period t2 seconds or more (step S170: NO), the CPU determines whether or not the current value I is equal to or greater than a fourth threshold current value Ith4 that is larger than the third threshold current value Ith3 (step S172). When the current value I is less than the fourth threshold current value Ith4 (step SS172: NO), the CPU returns the process to step S170. On the other hand, when the current value I becomes equal to or greater than the fourth threshold current value Ith4 (step S172: YES), the CPU increases the output of the
なお、第4の閾電流値Ith4は、第3の閾電流値Ith3と同様に、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値Iが比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。そして、第4の閾電流値Ith4も、例えば、燃料電池スタック100の設計や、燃料電池スタック100の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ70や、配管72の設計等に応じて、適宜、変更可能である。
Note that the fourth threshold current value Ith4 is a value within the range in which the current value I of the current flowing from the
ステップS180において、燃料電池スタック100に循環するLLCの循環量を増加させた後、CPUは、処理をステップS130に戻す。
In step S180, after increasing the circulation amount of LLC circulating in the
以上説明した本実施例の燃料電池システム1000では、燃料電池スタック100の氷点下からの起動時に、燃料電池スタック100から流れる電流の電流値I、および、電流値Iの時間変化率dI/dtに基づいて、燃料電池スタック100の発電状態を詳細に把握し、燃料電池スタック100の発電状態に即して循環ポンプ70(冷却媒体循環部)を制御することができる。そして、燃料電池スタック100における温度分布の不均一を抑制しつつ、燃料電池スタック100の氷点下からの起動を速やかに行うことができる。
In the
C.変形例:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
C. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
上記実施例では、図2に示した起動制御処理におけるステップS140において、電流値Iの時間変化率dI/dtが第1の閾値TH1以上、かつ、0よりも小さい状態が第1の期間t1秒以上継続していない場合に、CPUは、ステップS142の処理を行うものとしたが、これを省略するようにしてもよい。
C1. Modification 1:
In the above embodiment, the state in which the time change rate dI / dt of the current value I is greater than or equal to the first threshold value TH1 and smaller than 0 in step S140 in the activation control process shown in FIG. 2 is the first period t1 seconds. When not continuing, the CPU performs the process of step S142, but this may be omitted.
C2.変形例2:
上記実施例では、図2に示した起動制御処理におけるステップS170において、電流値Iの時間変化率dI/dtが0よりも大きく、かつ、第2の閾値TH2以下である状態が第2の期間t2秒以上継続していない場合に、CPUは、ステップS172の処理を行うものとしたが、これを省略するようにしてもよい。
C2. Modification 2:
In the above embodiment, the state in which the time change rate dI / dt of the current value I is larger than 0 and equal to or smaller than the second threshold value TH2 in step S170 in the start-up control process shown in FIG. When the CPU does not continue for t2 seconds or more, the CPU performs the process of step S172, but this may be omitted.
C3.変形例3:
上記実施例では、図2に示した起動制御処理におけるステップS130において、電流値Iが第1の閾電流値Ith1よりも大きい場合、および、ステップS160において、電流値Iが第3の閾電流値Ith3よりも小さい場合に、CPUは、燃料電池スタック100に流入するLLCの入口におけるLLCの温度Tinが0(℃)よりも高いか否かを判断するものとしたが、本発明は、これに限られない。CPUは、ステップS120において、氷点下起動制御を開始した後、他のタイミングで、燃料電池スタック100に流入するLLCの入口におけるLLCの温度Tinが0(℃)よりも高いか否かを判断し、温度Tinが0(℃)よりも高い場合に、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行するようにしてもよい。
C3. Modification 3:
In the above embodiment, when the current value I is larger than the first threshold current value Ith1 in step S130 in the activation control process shown in FIG. 2, and in step S160, the current value I is the third threshold current value. When it is smaller than Ith3, the CPU determines whether or not the LLC temperature Tin at the inlet of the LLC flowing into the
C4.変形例4:
上記実施例では、燃料電池スタック100に流入するLLCの入口におけるLLCの温度Tinが0(℃)よりも高い場合に、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池スタック100の温度Tfcが、フラッディングや燃料電池スタック100の内部における生成水の凍結を解消することができると考えられる温度になった場合に、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行するようにしてもよい。
C4. Modification 4:
In the above embodiment, when the LLC temperature Tin at the inlet of the LLC flowing into the
C5.変形例5:
上記実施例では、CPUは、図2に示した起動制御処理におけるステップS150の後に、ステップS160,S162,S170,S172の処理を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。CPUは、ステップS150の後、ステップS160,S162,S170,S172の処理を行う代わりに、例えば、自己発熱によって燃料電池スタック100の発電状態が回復すると想定される期間が経過した後に、処理をステップS180に進めるようにしてもよい。
C5. Modification 5:
In the above embodiment, the CPU performs the processes of steps S160, S162, S170, and S172 after step S150 in the activation control process shown in FIG. 2, but the present invention is not limited to this. Instead of performing the processes of steps S160, S162, S170, and S172 after step S150, for example, the CPU performs the process after a period during which the power generation state of the
1000…燃料電池システム
100…燃料電池スタック
10a,10b…エンドプレート
20a,20b…絶縁板
30a,30b…集電板
40…燃料電池セル
42…温度センサ
50…水素タンク
51…シャットバルブ
52…レギュレータ
53…配管
54…循環配管
55…ポンプ
56…排出配管
57…排気バルブ
60…エアコンプレッサ
61…配管
62…排出配管
70…循環ポンプ
71…ラジエータ
72…配管
73…温度センサ
80…負荷
82…電流センサ
90…制御ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (6)
燃料電池と、
前記燃料電池から流れる電流の電流値を周期的に測定する電流値測定部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記燃料電池を循環する前記冷却媒体の循環流量が第1の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御し、
その後、前記電流値が第1の閾電流値以下になった場合であって、前記電流値の時間変化率が第1の閾値以上、かつ、0未満である状態が第1の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第1の循環流量よりも少ない第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
A current value measuring unit for periodically measuring the current value of the current flowing from the fuel cell;
A cooling medium circulating section for circulating a cooling medium for cooling the fuel cell to the fuel cell;
A control unit,
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
Controlling the cooling medium circulating unit so that the circulating flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell becomes the first circulating flow rate;
Thereafter, when the current value becomes equal to or lower than the first threshold current value, and the state in which the time change rate of the current value is equal to or higher than the first threshold and lower than 0 continues for the first period. In addition, the cooling medium circulation unit is controlled so that the circulation flow rate becomes a second circulation flow rate that is smaller than the first circulation flow rate.
Fuel cell system.
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が第1の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第1の閾電流値よりも小さい第2の閾電流値以下になった場合に、前記循環流量が前記第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
After controlling the cooling medium circulation unit so that the circulation flow rate becomes the first circulation flow rate,
When the current value becomes equal to or less than a second threshold current value smaller than the first threshold current value, the cooling medium circulation unit is controlled so that the circulation flow rate becomes the second circulation flow rate. ,
Fuel cell system.
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第1の閾電流値よりも大きい第3の閾電流値以上になった場合であって、前記電流値の時間変化率が0よりも大きく、かつ、第2の閾値以下である状態が第2の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第2の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
After controlling the cooling medium circulation unit so that the circulation flow rate becomes the second circulation flow rate,
The current value is equal to or greater than a third threshold current value that is greater than the first threshold current value, and the time change rate of the current value is greater than 0 and less than or equal to the second threshold value. When the state continues for a second period, the cooling medium circulation unit is controlled so that the circulation flow rate is higher than the second circulation flow rate.
Fuel cell system.
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第3の閾電流値よりも大きい第4の閾電流値以上になった場合に、前記循環流量が前記第2の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
The controller is configured to start the fuel cell from below freezing point.
After controlling the cooling medium circulation unit so that the circulation flow rate becomes the second circulation flow rate,
When the current value is equal to or greater than a fourth threshold current value that is greater than the third threshold current value, the cooling medium circulation unit is arranged so that the circulation flow rate is greater than the second circulation flow rate. Control,
Fuel cell system.
前記燃料電池に流入する前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御部は、前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度が0(℃)以上となった場合に、前記燃料電池の氷点下からの起動時に実行される前記冷却媒体循環部の制御を停止する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A temperature sensor for measuring the temperature of the cooling medium at the inlet of the cooling medium flowing into the fuel cell;
The control unit stops the control of the cooling medium circulation unit that is executed when the fuel cell is started from below freezing point when the temperature of the cooling medium at the inlet of the cooling medium becomes 0 (° C.) or more. ,
Fuel cell system.
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、を備え、
前記燃料電池システムの起動方法は、
前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記燃料電池を循環する前記冷却媒体の循環流量が第1の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する工程と、
前記燃料電池から流れる電流の電流値を周期的に測定する工程と、
前記電流値が第1の閾電流値以下になった場合であって、前記電流値の時間変化率が第1の閾値以上、かつ、0未満である状態が第1の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第1の循環流量よりも少ない第2の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する工程と、
を備える燃料電池の起動方法。 A method for starting a fuel cell system, comprising:
The fuel cell system includes:
A fuel cell;
A cooling medium circulating part for circulating a cooling medium for cooling the fuel cell to the fuel cell;
The fuel cell system activation method includes:
When starting the fuel cell from below freezing point,
Controlling the cooling medium circulation unit so that a circulation flow rate of the cooling medium circulating through the fuel cell becomes a first circulation flow rate;
Periodically measuring the current value of the current flowing from the fuel cell;
When the current value is equal to or lower than the first threshold current value, and when the time change rate of the current value is equal to or higher than the first threshold and lower than 0, the state continues for the first period. Controlling the cooling medium circulation unit so that the circulation flow rate becomes a second circulation flow rate smaller than the first circulation flow rate;
A method for starting a fuel cell comprising:
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DE102015119344A1 (en) | 2014-11-14 | 2016-07-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and starting method for this |
JP2018501610A (en) * | 2014-11-27 | 2018-01-18 | インテリジェント エナジー リミテッドIntelligent Energy Limited | Coolant injection control device |
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US10431835B2 (en) | 2014-11-14 | 2019-10-01 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and start-up method thereof |
JP2018501610A (en) * | 2014-11-27 | 2018-01-18 | インテリジェント エナジー リミテッドIntelligent Energy Limited | Coolant injection control device |
US10923738B2 (en) | 2014-11-27 | 2021-02-16 | Intelligent Energy Limited | Coolant injection controller |
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