JP2015095305A - Fuel cell system and device for detecting progress of deterioration of fuel cell, method for detecting progress of deterioration of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
従来から、燃料電池システムにおいて固体高分子形燃料電池(以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。)の劣化を抑制するための種々の技術が提案されている。特許文献1,2には、燃料電池の電解質膜の抵抗値の検出によって生じる燃料電池の劣化を抑制する技術が開示されている。特許文献3には、ヒドロキシラジカルによる電解質膜の劣化を抑制する技術が開示されている。 Conventionally, various techniques for suppressing deterioration of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter also simply referred to as “fuel cell”) in a fuel cell system have been proposed. Patent Documents 1 and 2 disclose techniques for suppressing deterioration of a fuel cell caused by detection of a resistance value of an electrolyte membrane of the fuel cell. Patent Document 3 discloses a technique for suppressing deterioration of an electrolyte membrane due to hydroxy radicals.
燃料電池は内部に電解質膜などの高分子材料を有しているため、燃料電池の内部が高温状態(例えば、80〜90℃)になる運転や乾燥状態になる運転などが繰り返されると、その運転に起因する劣化が蓄積されて性能低下を引き起こす可能性が高くなる。燃料電池システムの信頼性を向上させるためには、燃料電池の性能低下の到来時期を適切に把握できることが望ましい。 Since the fuel cell has a polymer material such as an electrolyte membrane therein, when the operation in which the inside of the fuel cell is in a high temperature state (for example, 80 to 90 ° C.) or the operation in which it is in a dry state is repeated, There is a high possibility that deterioration due to operation is accumulated to cause performance degradation. In order to improve the reliability of the fuel cell system, it is desirable to be able to appropriately grasp the arrival time of the performance degradation of the fuel cell.
上述したように、特許文献1,2は電解質膜の抵抗値の検出に伴う燃料電池の劣化の抑制を課題としており、特許文献3はヒドロキシラジカルによる電解質膜の劣化の抑制を課題としている。特許文献1−3のいずれにおいても、特定の劣化原因の発生を未然に防止することを目的としており、運転履歴に伴う燃料電池の性能低下が到来する時期を適切に把握することについては特に考慮されていない。 As described above, Patent Documents 1 and 2 have a problem of suppressing deterioration of the fuel cell due to detection of the resistance value of the electrolyte film, and Patent Document 3 has a problem of suppressing deterioration of the electrolyte film due to hydroxy radicals. In any of Patent Documents 1-3, the purpose is to prevent the occurrence of a specific deterioration in advance, and it is particularly considered to appropriately grasp the time when the performance deterioration of the fuel cell accompanying the operation history comes. It has not been.
このように、燃料電池システムにおいて、運転履歴に伴う燃料電池の性能低下が到来する時期を適切に把握することについては工夫の余地があった。そのほか、燃料電池システムにおいては、システムの信頼性や可用性の向上、保全手段の簡易化や小型化、搭載性の向上、低コスト化、省資源化、ユーザーにとっての利便性の向上等が望まれていた。 As described above, in the fuel cell system, there is room for improvement in properly grasping the time when the performance degradation of the fuel cell accompanying the operation history comes. In addition, in the fuel cell system, improvement of system reliability and availability, simplification and miniaturization of maintenance means, improvement of mountability, cost reduction, resource saving, and improvement of convenience for users are desired. It was.
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.
[1]本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この形態の燃料電池システムは、燃料電池と、水収支情報取得部と、指標値取得部と、劣化反映値取得部と、を備えて良い。前記水収支情報取得部は、運転中の前記燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支情報に基づいて逐次的に取得する機能を有して良い。前記指標値取得部は、前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する機能を有して良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴が反映された劣化反映値を取得しているため、そうした運転履歴に起因する燃料電池の性能低下の時期を適切に把握することができる。 [1] According to one aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system according to this aspect may include a fuel cell, a water balance information acquisition unit, an index value acquisition unit, and a deterioration reflected value acquisition unit. The water balance information acquisition unit may have a function of sequentially acquiring a drying index value indicating a degree of drying tendency inside the fuel cell during operation based on the water balance information. The index value acquisition unit reflects the degree of progress of deterioration of the fuel cell based on the drying index value and the time interval at which the drying index value is acquired when the drying index value is acquired. It is possible to have a function of accumulating and acquiring the deterioration reflection values that have been set. According to the fuel cell system of this embodiment, since the deterioration reflection value reflecting the operation history in which the inside of the fuel cell tends to dry has been acquired, the timing of the fuel cell performance deterioration due to such operation history is appropriately set. Can grasp.
[2]上記形態の燃料電池システムにおいて、前記水収支情報は、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の増加量である増加水分量と、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の減少量である減少水分量と、を含み、前記指標値取得部は、前記乾燥指標値を、前記増加水分量を表す値と、前記減少水分量を表す値と、の比に基づいて取得しても良い。この形態の燃料電池システムによれば、運転中の燃料電池における水分量の増減比に基づいて、燃料電池内部の乾燥傾向の度合いを適切に検出することができる。従って、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴に起因する燃料電池の性能低下の時期を適切に把握することができる。 [2] In the fuel cell system of the above aspect, the water balance information includes an increased amount of water that is an increased amount of water per unit time in the fuel cell and a decreased amount of water per unit time in the fuel cell. The index value acquisition unit may acquire the dry index value based on a ratio between a value representing the increased moisture content and a value representing the decreased moisture content. good. According to the fuel cell system of this embodiment, the degree of the drying tendency inside the fuel cell can be appropriately detected based on the water amount increase / decrease ratio in the operating fuel cell. Therefore, it is possible to appropriately grasp the time when the performance of the fuel cell is lowered due to the operation history in which the inside of the fuel cell tends to dry.
[3]上記形態の燃料電池システムにおいて、前記劣化反映値取得部は、前記指標値取得部によって前記乾燥指標値が取得される度に、前記乾燥指標値の前回値が取得された時刻から、前記乾燥指標値の今回値が取得された時刻までの間の時間を、前記今回値に乗算した値を積算して前記劣化反映値を取得しても良い。この形態の燃料電池システムであれば、劣化反映値に乾燥指標値の変動履歴が詳細に反映されるため、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴に起因する燃料電池の性能低下の時期をより適切に把握することができる。 [3] In the fuel cell system of the above aspect, the deterioration reflected value acquisition unit starts from the time when the previous value of the dry index value is acquired every time the dry index value is acquired by the index value acquisition unit. The deterioration reflected value may be acquired by integrating the value obtained by multiplying the current value by the time until the time when the current value of the dry index value is acquired. In the fuel cell system of this embodiment, since the fluctuation history of the drying index value is reflected in detail in the deterioration reflection value, the time when the performance of the fuel cell is lowered due to the operation history in which the inside of the fuel cell tends to dry. It can be grasped more appropriately.
[4]上記形態の燃料電池システムは、前記燃料電池の発電量を表す値を取得する発電量検出部と、前記燃料電池から排出される排ガスの流量を取得する排ガス情報取得部と、を備えていても良い。前記水収支情報取得部は、前記水収支情報の取得のために、前記燃料電池内部における水分の増加量を少なくとも前記燃料電池の発電量に基づいて取得し、前記燃料電池内部における水分の減少量を少なくとも前記排ガスの流量に基づいて取得しても良い。この形態の燃料電池システムによれば、運転中の燃料電池内部における水分量の増減を容易に取得することができる。 [4] The fuel cell system according to the above aspect includes a power generation amount detection unit that acquires a value representing the power generation amount of the fuel cell, and an exhaust gas information acquisition unit that acquires a flow rate of exhaust gas discharged from the fuel cell. May be. The water balance information acquisition unit acquires an increase in moisture in the fuel cell based on at least the amount of power generated by the fuel cell to acquire the water balance information, and reduces the moisture in the fuel cell. May be acquired based on at least the flow rate of the exhaust gas. According to the fuel cell system of this embodiment, it is possible to easily acquire the increase / decrease in the amount of water in the fuel cell during operation.
[5]上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記劣化反映値に基づいて、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来を事前に検出する劣化時期検出部を備えていても良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の性能低下の発生時期が事前に検出されるため、システムの信頼性が高められる。 [5] The fuel cell system according to the above aspect may further include a deterioration timing detection unit that detects in advance the arrival of the time when the fuel cell reaches a predetermined degree of deterioration based on the deterioration reflection value. . According to the fuel cell system of this embodiment, since the occurrence time of the performance degradation of the fuel cell is detected in advance, the reliability of the system is improved.
[6]上記形態の燃料電池システムは、前記劣化時期検出部によって、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来が検出されたときに、前記燃料電池の劣化を回復させる回復運転として、前記前記燃料電池において発生する水分量を増大させる運転制御を実行する運転制御部を備えていても良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の性能低下が未然に防止される。 [6] In the fuel cell system according to the above aspect, when the deterioration timing detector detects the arrival of the time when the fuel cell reaches a predetermined degree of deterioration, the recovery operation is performed to recover the deterioration of the fuel cell. An operation control unit that performs operation control for increasing the amount of water generated in the fuel cell may be provided. According to the fuel cell system of this embodiment, the performance deterioration of the fuel cell is prevented in advance.
[7]本発明の他の形態によれば、燃料電池車両が提供される。この形態の燃料電池車両は、上記形態の燃料電池システムを搭載して良い。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴に起因する燃料電池の劣化の進行度合いを適切に把握することができる。 [7] According to another aspect of the present invention, a fuel cell vehicle is provided. The fuel cell vehicle of this form may be mounted with the fuel cell system of the above form. According to the fuel cell vehicle of this aspect, it is possible to appropriately grasp the degree of progress of deterioration of the fuel cell due to the driving history in which the inside of the fuel cell tends to dry.
本発明は、燃料電池システムや燃料電池車両以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の劣化の進行度合いを事前に検出する装置や方法、燃料電池システムや燃料電池車両、前記の装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms other than the fuel cell system and the fuel cell vehicle. For example, an apparatus and method for detecting in advance the degree of progress of deterioration of a fuel cell, a fuel cell system and a fuel cell vehicle, a control method for the apparatus, a computer program for realizing the control method, and a temporary recording of the computer program It can be realized in the form of a non-recording medium or the like.
A.第1実施形態:
[燃料電池システムの構成]
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池システム100の構成を示す概略図である。この燃料電池システム100は、移動体である燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の運転者(ユーザー)の操作に基づく燃料電池車両からの負荷要求に応じた電力を出力する。燃料電池システム100は、燃料電池10と、制御部20と、カソードガス供給部30と、カソードガス排出部40と、アノードガス供給部50と、アノードガス循環排出部60と、冷媒供給部70と、を備える。
A. First embodiment:
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a
燃料電池10は、反応ガスとして水素(燃料ガス)と酸素(酸化剤ガス)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池10は、単セルとも呼ばれる複数の発電体11が積層されたスタック構造を有する。各発電体11は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体(図示せず)を有する。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成されている。電極は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子(例えば、白金担持カーボンなど)と、電解質膜と同種または類似のアイオノマーと、によって構成されている。
The
制御部20は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部20では、その中央処理装置が各種のプログラムを主記憶装置に読み込んで実行することにより、燃料電池システム100を制御するための種々の機能部が実現される(詳細は後述)。また、制御部20は、燃料電池10内部における水分の増減量に基づいて燃料電池10の性能低下の到来時期を事前に検出する処理を実行する(詳細は後述)。
The
カソードガス供給部30は、燃料電池10のカソードにカソードガスとして圧縮空気を供給する。カソードガス供給部30は、カソードガス配管31と、エアコンプレッサ32と、開閉弁33と、エアフロメータ34と、圧力計測部35と、を備える。カソードガス配管31は、燃料電池10のカソード側供給用マニホールド(図示は省略)の入口に接続されている配管である。
The cathode
エアコンプレッサ32は、カソードガス配管31を介して燃料電池10と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気をカソードガスとして燃料電池10に供給する。開閉弁34は、エアコンプレッサ32と燃料電池10との間に設けられている。開閉弁34は、カソードガス配管31における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁34は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ32から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管31に供給されたときに開く。
The air compressor 32 is connected to the
エアフロメータ34は、エアコンプレッサ32の上流側において、エアコンプレッサ32が取り込む外気の量を計測して制御部20に送信する。圧力計測部35は、燃料電池10のカソード側供給用マニホールドの入口近傍における空気の圧力を計測して制御部20に出力する。制御部20は、エアフロメータ34および圧力計測部35の出力信号に基づいて、エアコンプレッサ32の回転数を制御し、燃料電池10に対する空気の供給量を制御する。
The air flow meter 34 measures the amount of outside air taken in by the air compressor 32 and transmits it to the
カソードガス排出部40は、燃料電池10のカソードから排出されるカソード排ガスを処理する。カソード排ガス配管41と、調圧弁43と、排ガス情報取得部44と、を備える。カソード排ガス配管41は、燃料電池10のカソード側排出用マニホールド(図示は省略)の出口に接続されている配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム100の外部へと導く。
The cathode
カソード排ガス配管41におけるカソード排ガスの圧力(燃料電池10のカソード側の背圧)は、調圧弁43によって調整される。調圧弁43の開度は制御部20によって調整される。排ガス情報取得部44は、調圧弁43の上流側に設けられており、カソード排ガスの状態に関する情報である排ガス情報を取得する。具体的に本実施形態では、排ガス情報取得部44は、カソード排ガスの圧力と、流量と、温度と、を排ガス情報として取得する。
The pressure of the cathode exhaust gas in the cathode exhaust gas pipe 41 (the back pressure on the cathode side of the fuel cell 10) is adjusted by the
排ガス情報取得部44は、取得した排ガス情報を制御部20に送信する。制御部20は、排ガス情報の中のカソード排ガスの圧力に基づいて調圧弁43の開度を調整する。また、制御部20は、排ガス情報に含まれるカソード排ガスの流量と温度とを、燃料電池10内部における単位時間あたりの水分の減少量の検出に用いる(詳細は後述)。
The exhaust gas
アノードガス供給部50は、燃料電池10のアノードにアノードガスとして水素を供給する。アノードガス供給部50は、アノードガス配管51と、水素タンク52と、開閉弁53と、レギュレータ54と、水素供給装置55と、圧力計測部56と、を備える。水素タンク52は、アノードガス配管51を介して燃料電池10のアノード側供給用マニホールド(図示は省略)の入口と接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池10に供給する。
The anode
開閉弁53と、レギュレータ54と、水素供給装置55と、圧力計測部56とは、アノードガス配管51に、この順序で、上流側(水素タンク52側)から設けられている。開閉弁53は、制御部20からの指令により開閉し、水素タンク52から水素供給装置55の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ54は、水素供給装置55の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁である。レギュレータ54の開度は制御部20によって制御される。
The on-off
水素供給装置55は、水素の流量を調整する電磁駆動式の開閉弁である。水素供給装置55は例えばインジェクタによって構成される。制御部20は水素供給装置55の駆動周期を制御することによって燃料電池10に対する水素の供給量を制御する。圧力計測部56は、水素供給装置55の下流側の水素の圧力を計測し制御部20に送信する。
The
アノードガス循環排出部60は、発電反応に用いられることなく燃料電池10のアノードから排出される未反応ガス(水素や窒素など)や排水を含むアノード排ガスの循環および排出を行う。アノードガス循環排出部60は、アノード排ガス配管61と、気液分離部62と、アノードガス循環配管63と、水素循環用ポンプ64と、アノード排水配管65と、排水弁66と、圧力計測部67と、を備える。
The anode gas
アノード排ガス配管61は、気液分離部62と燃料電池10のアノード側排出用マニホールド(図示は省略)の出口とを接続する配管である。気液分離部62は、アノードガス循環配管63とアノード排水配管65とに接続されている。気液分離部62は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管63へと誘導し、水分についてはアノード排水配管65へと誘導する。
The anode
アノードガス循環配管63は、アノードガス配管51の水素供給装置55より下流に接続されている。アノードガス循環配管63には、水素循環用ポンプ64が設けられている。気液分離部62において分離された気体成分に含まれる水素は、水素循環用ポンプ64によってアノードガス配管51へと送り出される。
The anode
アノード排水配管65は、気液分離部62において分離された水分を燃料電池システム100の外部へと排出するための配管である。アノード排水配管65には、排水弁66が設けられている。制御部20は、通常は、排水弁66を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁66を開く。
The
アノードガス循環排出部60の圧力計測部67は、アノード排ガス配管61に設けられている。圧力計測部67は、燃料電池10の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力(燃料電池10のアノード側の背圧)を計測し、制御部20に送信する。制御部20は、アノードガス循環排出部60の圧力計測部56の計測値や、前述したアノードガス供給部50の圧力計測部56の計測値に基づいて燃料電池10に対する水素の供給を制御する。
The
冷媒供給部70は、上流側配管71aと、下流側配管71bと、ラジエータ72と、冷媒循環用ポンプ75と、第1と第2の冷媒温度計測部76a,76bと、を備える。上流側配管71aと下流側配管71bとはそれぞれ、燃料電池10を冷却するための冷媒を循環させる冷媒用配管である。
The
上流側配管71aは、ラジエータ72の入口と燃料電池10の冷媒用排出用マニホールド(図示は省略)の出口とを接続する。下流側配管71bは、ラジエータ72の出口と燃料電池10の冷媒用供給用マニホールド(図示は省略)の入口とを接続する。ラジエータ72は、冷媒用配管71を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ75は、下流側配管71bの途中に設けられ、ラジエータ72において冷却された冷媒を燃料電池10に送り出す。
The
第1と第2の冷媒温度計測部76a,76bはそれぞれ、上流側配管71aと、下流側配管71bとに設けられており、それぞれの計測値を制御部20へと送信する。制御部20は、各冷媒温度計測部76a,76bの計測値の差から燃料電池10の運転温度を検出する。制御部20は、検出された燃料電池10の運転温度に基づいて冷媒循環用ポンプ75の回転数を制御し、燃料電池10の運転温度を調整する。
The first and second refrigerant
図2は、燃料電池システム100の電気的構成の要部を示す概略図である。燃料電池システム100の電気系統には、燃料電池コンバータ81と、二次電池82と、二次電池コンバータ83と、DC/ACインバータ84と、が備えられている。燃料電池コンバータ81は、昇圧型コンバータであり、入力側が燃料電池10に接続され、出力側がDC/ACインバータ84の直流端子に接続されている。燃料電池コンバータ81は、制御部20の指令に応じて、燃料電池10の出力電圧を昇圧して出力する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the main part of the electrical configuration of the
二次電池82は、例えば、リチウムイオン電池によって構成される。二次電池82は、燃料電池10の出力電力の一部や回生電力を蓄電する蓄電部として機能するとともに、燃料電池10とともに燃料電池車両に電力を出力する電源部として機能する。二次電池82は、二次電池コンバータ83を介して、燃料電池コンバータ81とDC/ACインバータ84の間の直流配線に接続されている。二次電池コンバータ83は、制御部20の指令に応じて二次電池82の充・放電を制御する。また、二次電池コンバータ83は、燃料電池コンバータ81と協働してDC/ACインバータ84に対する入力電圧を可変に調整する。
The
DC/ACインバータ84は、制御部20からの指令に応じて、燃料電池10および二次電池82から供給される直流電力を三相交流の電力に変換し、DC/ACインバータ84の交流端子に接続されているモータ200に出力する。モータ200は、三相交流モータであり、燃料電池車両の車輪を駆動する動力源である。なお、燃料電池車両の運転中には、モータ200において回生電力が発生する場合がある。この回生電力は、DC/ACインバータ84によって直流電力に変換されて二次電池82へと出力され、蓄電される。
The DC /
燃料電池システム100は、上述の構成に加えて、セル電圧計測部91と、電流計測部92と、を備える。セル電圧計測部91は、燃料電池10の各発電体11と接続されており、各発電体11の電圧(セル電圧)を計測する。セル電圧計測部91は、その計測結果を制御部20に送信する。電流計測部92は、燃料電池10と燃料電池コンバータ81との間に接続されており、燃料電池10の出力する電流値を計測し、制御部20に送信する。制御部20は、電流計測部92の測定結果を用いて燃料電池10の内部における増加水量を算出する(詳細は後述)。
The
ここで、本実施形態の燃料電池システム100においては、制御部20は、中央処理装置が各種のプログラムを読み込んで実行することにより、運転制御部21と、乾燥履歴度数取得部22と、劣化時期検出部23として機能する。運転制御部21は、図1や図2で説明した各構成部を制御して燃料電池10の発電を制御する。また、乾燥履歴度数取得部22および劣化時期検出部23は燃料電池10の性能低下の到来を事前に検出するための処理を実行する。具体的には、以下の通りである。
Here, in the
[燃料電池システムにおける運転制御]
図3は、制御部20による燃料電池システム100の運転制御の手順を示すフローチャートである。この運転制御は、燃料電池車両の運転の開始とともに開始される。ステップS10では、乾燥履歴度数取得部22が前回の燃料電池システム100の運転終了時に不揮発的に記憶された変数値である乾燥履歴度数Dを読み込む。乾燥履歴度数Dについては後述する。
[Operation control in fuel cell system]
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure of operation control of the
ステップS10以降のステップS20〜S40の各工程は、燃料電池システム100の運転が終了するまで、所定の制御周期で繰り返される(ステップS50)。ステップS20では、運転制御部21は、燃料電池システム100に対する燃料電池車両からの出力要求を受け付ける。ステップS25では、運転制御部21はその出力要求に基づいて燃料電池10の発電を以下のように制御する。
Steps S20 to S40 after step S10 are repeated at a predetermined control cycle until the operation of the
図4は、運転制御部22による燃料電池10の発電制御を説明するための説明図である。図4には、燃料電池10の電流−電圧特性(I−P特性)を示すグラフGI-Pと、電流−電圧特性(I−V特性)を示すグラフGI-Vとを、左右の縦軸をそれぞれ電圧および電力とし、横軸を電流として示してある。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the power generation control of the
運転制御部21は、燃料電池10についてI−P特性およびI−V特性を表す燃料電池10の運転温度ごとの情報を制御用情報として予め記憶しており、その制御用情報に基づいて、燃料電池10の電流・電圧の指令値を取得する。運転制御部21は、ステップS20で受け付けた出力要求に基づいて、燃料電池10が出力すべき目標電力Ptを決定する。そして、燃料電池10のI−P特性(グラフGI-P)に基づいて、目標電力Ptに対して燃料電池10が出力すべき電流の目標値(目標電流It)を取得する。
The
運転制御部21は、燃料電池10のI−V特性(グラフGI-V)に基づいて、目標電流Itを出力するために必要な燃料電池10のセル電圧の目標値(目標電圧Vt)を取得する。通常運転制御部22は、燃料電池コンバータ81および二次電池コンバータ83を制御して、目標電圧Vtを燃料電池10に出力させるとともに、不足する電力を二次電池82に出力させる。
The
ステップS30(図3)では、乾燥履歴度数取得部22は、前回の制御周期におけるステップS30の実行時から今回の制御周期におけるステップS30実行時までの期間における燃料電池10内部における水分の増加量および減少量を取得する。以下では、前記の期間を「計測期間」と呼ぶ。また、計測期間中における燃料電池10の内部における水分の増加量を「増加水量WI」と呼び、減少量を「減少水量WD」と呼ぶ。増加水量WIは、燃料電池10の内部における単位時間あたりの水分の増加量に相当する。また、減少水量WDは、燃料電池10の内部における単位時間あたりの水分の減少量に相当する。
In step S30 (FIG. 3), the drying history
乾燥履歴度数取得部22は、電流計測部92によって計測された燃料電池10の出力電流に基づいて、計測期間中の発電反応によって燃料電池10のカソード側において生成された生成水の量を増加水量WIとして取得する。また、乾燥履歴度数取得部22は、減少水量WDを、計測期間中に排ガス情報取得部44によって取得された排ガス情報に基づいて以下のように取得する。
The drying history
乾燥履歴度数取得部22は、カソード排ガスの流量から計測期間中に燃料電池10から排出されたカソード排ガスの量を求める。乾燥履歴度数取得部22は、カソード排ガスには飽和水蒸気量の水分が含まれているものとして、カソード排ガスの温度と飽和水蒸気圧とに基づいて、カソード排ガスに含有されている水蒸気量を減少水量WDとして取得する。
The drying history
ステップS35では、乾燥履歴度数取得部22は乾燥履歴度数Dを更新する。乾燥履歴度数Dは、燃料電池10における劣化の進行度合いが反映された劣化反映値であり、以下に説明するように、乾燥指標値IDと、乾燥指標値IDが取得される時間間隔と、に基づいて積算によって取得される値である。
In step S35, the drying history
乾燥指標値IDは、増加水量WIと減少水量WDとの比として求められる水分増減比αに基づいて逐次的に取得される(下記の式(1))。
水分増減比α=増加水量WI/減少水量WD
乾燥指標値ID=1−α(0≦α<1のとき) …(1)
乾燥指標値ID=0(α≧1のとき)
The drying index value ID is sequentially acquired based on the water increase / decrease ratio α obtained as the ratio of the increased water amount WI and the decreased water amount WD (the following equation (1)).
Moisture increase / decrease ratio α = increasing water amount WI / decreasing water amount WD
Drying index value ID = 1−α (when 0 ≦ α <1) (1)
Drying index value ID = 0 (when α ≧ 1)
乾燥指標値IDは、増加水量WIに対して減少水量WDが大きいほど、すなわち、燃料電池10内部の水分量が減少傾向にある乾燥傾向が強いほど1に近い値となる(0≦α<1)。一方、燃料電池10内部の水分量が増加傾向にある湿潤傾向が強いときには0になる(α≧1)。このように、乾燥指標値IDは、燃料電池10の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値に相当する。
The drying index value ID is closer to 1 as the decrease water amount WD is larger than the increase water amount WI, that is, as the water content in the
乾燥履歴度数取得部22は乾燥指標値IDを用いて、乾燥履歴度数Dを以下の式(2)によって算出して更新する。
乾燥履歴度数D=Dn=Dn-1+ID×Δt …(2)
n:1以上の自然数
Δt:計測期間(ステップS30の実行周期)
The drying history
Drying history frequency D = D n = D n-1 + ID × Δt (2)
n: Natural number greater than or equal to Δt: Measurement period (execution cycle of step S30)
上記の数式(2)中における「Dn」は、乾燥履歴度数Dの今回値である。また、「Dn-1」は、乾燥履歴度数Dの前回値であり、前回の制御周期のステップS40において取得された値である。なお、今回の制御周期が燃料電池システム100の運転開始後の最初の制御周期である場合には、前回値Dn-1は、ステップS10で読み込まれた乾燥履歴度数Dである。乾燥履歴度数Dは、燃料電池10において乾燥傾向の運転が継続されると、その乾燥傾向の強さとその運転時間に応じて増加し、燃料電池10において湿潤傾向の運転が継続されるときには前回値が維持される。
“D n ” in Equation (2) is the current value of the drying history frequency D. Further, “D n-1 ” is the previous value of the drying history frequency D, and is the value acquired in step S40 of the previous control cycle. If the current control cycle is the first control cycle after the start of operation of the
ところで、燃料電池の内部の水分が少ない乾燥傾向の状態で燃料電池の運転が継続されると、高分子樹脂などの材料の一部が電極の触媒表面に付着する触媒被毒が発生することが知られている。この触媒被毒は、その原因物質が触媒表面から除去されない限り蓄積される。乾燥傾向の状態での運転時間が累積されると、この触媒被毒の蓄積が原因となって、ある時期に急激な燃料電池の性能低下が発生する可能性が高まる。 By the way, if the operation of the fuel cell is continued in a dry tendency with low moisture inside the fuel cell, catalyst poisoning may occur in which a part of the material such as polymer resin adheres to the catalyst surface of the electrode. Are known. This catalyst poisoning accumulates unless the causative agent is removed from the catalyst surface. If the operation time in the dry tendency state is accumulated, there is an increased possibility that the performance of the fuel cell is suddenly deteriorated at a certain time due to the accumulation of the catalyst poisoning.
上述したように、乾燥履歴度数Dは、乾燥指標値IDの大きさと、乾燥指標値IDが1より小さくなっていたときの運転時間の累積と、が反映された変数である。すなわち、乾燥履歴度数Dには、燃料電池10が乾燥傾向にあった運転履歴が反映されている。従って、乾燥履歴度数Dによれば、燃料電池10における触媒被毒の進行の度合いを触媒被毒に起因する燃料電池10の性能低下の到来を事前に把握することができる。
As described above, the drying history frequency D is a variable reflecting the size of the drying index value ID and the cumulative operation time when the drying index value ID is less than 1. That is, the operation history in which the
ここで、本実施形態において乾燥履歴度数Dの算出に用いられている水分増減比αは、増加水量WIと減少水量WDの比である。水分増減比αであれば、燃料電池10に対する反応ガスの供給流量の大小や燃料電池10の発電量の大小などの運転条件の相違による変動が少ない。従って、水分増減比αに基づく乾燥指標値IDには、運転条件の相違によらずに、燃料電池10内部の乾燥傾向の度合いがより適切に反映されていると言える。また、本実施形態の燃料電池システム100では、乾燥履歴度数Dが上記のような乾燥指標値IDによって求められていることから、燃料電池10が乾燥傾向にあった運転履歴がより適切に反映されていると言える。
Here, the water increase / decrease ratio α used for calculating the drying history frequency D in the present embodiment is a ratio of the increased water amount WI and the decreased water amount WD. If the moisture increase / decrease ratio α, the fluctuation due to the difference in operating conditions such as the flow rate of the reactant gas supplied to the
ステップS40では、劣化時期検出部23が乾燥履歴度数Dに基づいて、燃料電池10の劣化時期の到来を判定し、その判定結果を運転制御部21に出力する。劣化時期検出部23は、乾燥履歴度数Dが所定の閾値以下である場合には、触媒被毒に起因する燃料電池10の急激な性能低下が発生する時期までには猶予があると判定する。この場合には、運転制御部21は、燃料電池システム100の運転終了まで通常の運転制御を繰り返す(ステップS20〜S50)。一方、劣化時期検出部23は、乾燥履歴度数Dが所定の閾値より大きい場合には、触媒被毒に起因する燃料電池10の性能低下の発生時期の到来が近いと判定する。この場合には、運転制御部21は、ステップS60の回復運転を開始する。
In step S <b> 40, the deterioration
触媒被毒に起因する燃料電池の性能低下は触媒表面の付着物を除去することによって回復することができる。そこで、ステップS60の回復運転では、運転制御部21は通常の運転制御(ステップS20,S25)のときよりも燃料電池10の内部の水分量を増加させる運転制御を行い、触媒表面の付着物を増加させた水分によって洗い流して除去する。具体的には、運転制御部21は、外部からの負荷要求にかかわらず、燃料電池10の電圧を一時的に低下させる。これによって、燃料電池10の電流が一時的に増大するため、発電反応による生成水量を増大させることができる。
The fuel cell performance degradation due to catalyst poisoning can be recovered by removing deposits on the catalyst surface. Therefore, in the recovery operation in step S60, the
運転制御部21は、ステップS60の回復運転として、燃料電池10の運転温度を低下させる処理を実行しても良い。具体的には、運転制御部21は、冷媒供給部70から燃料電池10に供給される冷媒の流量を通常の運転制御のときよりも増大させる処理を実行する。燃料電池10の運転温度が低下されれば、燃料電池10の内部に存在する水分の液化が促進されるため、燃料電池10から蒸気として排出される水分量が低減される。従って、燃料電池10の内部に残留する水分量を増大させることができる。
The
回復運転の終了後には、乾燥履歴度数取得部22が乾燥履歴度数Dを初期値に設定する(ステップS65)。その後、運転制御部21は、燃料電池システム100の運転が終了されるまで、通常の運転制御を繰り返す(ステップS10〜S50)。なお、燃料電池システム100の運転終了時には、乾燥履歴度数取得部22は、乾燥履歴度数Dを、次回の運転開始時に読み込み可能なように制御部20が有する不揮発性記憶部に記憶する(ステップS55)。これによって、燃料電池10が乾燥傾向にあった運転履歴が不揮発的に記録される。
After completion of the recovery operation, the drying history
以上のように、本実施形態の燃料電池システム100によれば、燃料電池10の内部が乾燥傾向にあった運転時間が累積されることによって発生する急激な性能低下を、乾燥履歴度数Dに基づいて、適切に予防することができる。従って、燃料電池システム100の信頼性が高められる。
As described above, according to the
[乾燥履歴度数Dについて]
図5は、乾燥履歴度数Dの算出に用いられる水分増減比αと燃料電池の性能低下との関係を説明するための説明図である。図5には、横軸を水分増減比αとし、縦軸を燃料電池の出力変化率とするグラフを図示してある。なお、グラフ縦軸の出力変化率は、初期状態の燃料電池の出力電力を基準とする出力電力の変化量を初期状態の燃料電池の出力電力を100%としたときの百分率で表した値である。
[Dry history frequency D]
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the moisture increase / decrease ratio α used for calculating the drying history frequency D and the performance degradation of the fuel cell. FIG. 5 shows a graph in which the horizontal axis is the moisture increase / decrease ratio α and the vertical axis is the output change rate of the fuel cell. The output change rate on the vertical axis of the graph is a value expressed as a percentage when the output power of the fuel cell in the initial state is defined as 100%, based on the output power of the fuel cell in the initial state as a reference. is there.
この実験では、水分増減比αが一定となるように定められた種々の運転条件で燃料電池に、それぞれ中負荷域、中低負荷域、低負荷域における一定の電流密度での発電を間欠的に繰り返させた。いずれの場合においても、水分増減比αが1より小さいときには燃料電池の出力電力はある時期から次第に低下していき、一定の値に収束した。これに対して、水分増減比αが1以上のときには、燃料電池の出力電力の低下はみられなかった。 In this experiment, the fuel cell was intermittently generated at a constant current density in the medium load region, medium low load region, and low load region under various operating conditions determined so that the moisture increase / decrease ratio α was constant. Repeated. In any case, when the water increase / decrease ratio α is smaller than 1, the output power of the fuel cell gradually decreases from a certain time and converges to a certain value. On the other hand, when the moisture increase / decrease ratio α was 1 or more, no decrease in the output power of the fuel cell was observed.
ここで、グラフに示されているように、水分増減比αが1より小さいときには、水分増減比αが小さいほど、燃料電池の出力電力の低下量は小さくなった。加えて、この実験においては、水分増減比αが大きいほど、燃料電池の出力の低下が収束されるまでの運転時間は短くなった。また、燃料電池の出力低下の原因を、サイクリックボルタンメトリー測定によって調べたところ触媒被毒が原因であることがわかった。 Here, as shown in the graph, when the moisture increase / decrease ratio α is smaller than 1, the decrease in the output power of the fuel cell is smaller as the moisture increase / decrease ratio α is smaller. In addition, in this experiment, the larger the moisture increase / decrease ratio α, the shorter the operation time until the decrease in the output of the fuel cell was converged. Further, when the cause of the decrease in the output of the fuel cell was examined by cyclic voltammetry measurement, it was found that it was caused by catalyst poisoning.
このように、水分増減比αが1より小さいときの水分増減比αの大きさと、水分増減比αが1より小さくなる運転が継続された時間とは、触媒被毒に起因する燃料電池の性能低下の進行に関係する。上述したように、乾燥指標値IDは1から水分増減比αをひいた値であり、乾燥履歴度数Dは、乾燥指標値IDの大きさと、乾燥指標値IDが1より小さくなっていたときの運転時間の累積と、が反映されている値である。従って、上記の実験結果から、乾燥履歴度数Dであれば、燃料電池の触媒被毒に起因する性能劣化の到来時期を事前に把握できることがわかる。 Thus, the magnitude of the moisture increase / decrease ratio α when the moisture increase / decrease ratio α is smaller than 1 and the time during which the operation in which the moisture increase / decrease ratio α is smaller than 1 are continued are the performance of the fuel cell due to catalyst poisoning. Related to the progression of the decline. As described above, the drying index value ID is a value obtained by subtracting the moisture increase / decrease ratio α from 1, and the drying history frequency D is the value when the drying index value ID and the drying index value ID are smaller than 1. This is a value reflecting the cumulative operating time. Therefore, it can be seen from the above experimental results that if the drying history frequency is D, the arrival time of performance deterioration due to catalyst poisoning of the fuel cell can be grasped in advance.
図6〜図8は、水分増減比αの変化履歴が異なる第1と第2の運転パターンにおける燃料電池の性能低下の時期の到来の相違を示す説明図である。図6,図7にはそれぞれ、燃料電池を所定の第1と第2の運転パターンで発電させたときに得られたグラフを図示してある。図6,図7のグラフでは、横軸が時間を示し、紙面左側の縦軸が水分増減比αを示し、紙面右側の縦軸が電流を示している。また、実線のグラフGDは水分増減比αの時間変化を示し、一点鎖線のグラフGIは燃料電池が出力する電流の時間変化を示している。 FIGS. 6 to 8 are explanatory diagrams showing the difference in arrival of the fuel cell performance degradation time in the first and second operation patterns in which the change history of the moisture increase / decrease ratio α is different. FIG. 6 and FIG. 7 show graphs obtained when the fuel cell is generated with the predetermined first and second operation patterns, respectively. In the graphs of FIGS. 6 and 7, the horizontal axis indicates time, the vertical axis on the left side of the paper indicates the moisture increase / decrease ratio α, and the vertical axis on the right side of the paper indicates the current. A graph G D of the solid line indicates the time variation of α moisture decrease ratio, the graph G I of the dash-dotted line indicates the time variation of the current output by the fuel cell.
ここで、図6,図7のグラフでは、水分増減比αが1より小さくなっている領域DAを、ハッチングを付して示してある。以下では、この領域DAを「乾燥領域DA」と呼ぶ。乾燥履歴度数Dは、この乾燥領域DAの面積に相当する値である。図6のグラフでは、乾燥領域DAの面積が、図7のグラフよりも大きい。すなわち、図6のグラフが得られた第1の運転パターンは、図7のグラフが得られた第2の運転パターンよりも燃料電池が乾燥傾向になる時間が多く、乾燥履歴度数Dが増大する速度が速い運転パターンである。 Here, in the graphs of FIGS. 6 and 7, the area DA in which the moisture increase / decrease ratio α is smaller than 1 is indicated by hatching. Hereinafter, this area DA is referred to as “dry area DA”. The drying history frequency D is a value corresponding to the area of the dry area DA. In the graph of FIG. 6, the area of the dry area DA is larger than the graph of FIG. That is, in the first operation pattern in which the graph of FIG. 6 is obtained, the fuel cell tends to dry more than the second operation pattern in which the graph of FIG. 7 is obtained, and the drying history frequency D increases. This is a fast driving pattern.
図8には、図6,図7のグラフが得られた第1と第2の運転パターンをそれぞれ1サイクルとして複数回繰り返したときの燃料電池の出力変化を示すグラフを図示してある。図8のグラフでは、横軸がサイクル数を示しており、縦軸が燃料電池の出力を示している。また、実線のグラフGaは、第1の運転パターン(図6)を繰り返したときのグラフであり、破線のグラフGbは、第2の運転パターン(図7)を繰り返したときのグラフである。2つのグラフGa,Gbはそれぞれ、第1と第2の運転パターンをそれぞれ所定のサイクル数繰り返すごとに燃料電池に所定の電流を出力させたときの電圧を測定することによって得られたものである。 FIG. 8 is a graph showing changes in the output of the fuel cell when the first and second operation patterns obtained from the graphs of FIGS. 6 and 7 are each repeated as a plurality of times. In the graph of FIG. 8, the horizontal axis indicates the number of cycles, and the vertical axis indicates the output of the fuel cell. Further, the solid line graph Ga is a graph when the first operation pattern (FIG. 6) is repeated, and the broken line graph Gb is a graph when the second operation pattern (FIG. 7) is repeated. The two graphs Ga and Gb are obtained by measuring the voltages when a predetermined current is output to the fuel cell each time the first and second operation patterns are repeated a predetermined number of cycles. .
図8のグラフに示されているように、第1と第2の運転パターンのいずれを繰り返した場合にも、燃料電池の出力が急激に低下してしまう時期が到来した。出力が低下した後の燃料電池を検証したところ、この燃料電池の出力低下の原因は、触媒被毒によるものであることが確認された。また、第1の運転パターンが繰り返されたときの方が(グラフGa)、第2の運転パターンが繰り返されたとき(グラフGb)よりも、触媒被毒による燃料電池の出力低下が早期に到来した。すなわち、乾燥履歴度数Dが増大する速度が速い第1の運転パターンの方が先に触媒被毒による性能低下の発生時期の到来が速かった。この実験結果からも、乾燥履歴度数Dを指標として用いれば触媒被毒による燃料電池の性能低下の発生時期の把握が可能であることがわかる。 As shown in the graph of FIG. 8, the time has come when the output of the fuel cell suddenly drops when either the first or second operation pattern is repeated. When the fuel cell after the output decreased was verified, it was confirmed that the cause of the decrease in the output of the fuel cell was due to catalyst poisoning. Further, when the first operation pattern is repeated (graph Ga), the output decrease of the fuel cell due to catalyst poisoning comes earlier than when the second operation pattern is repeated (graph Gb). did. That is, in the first operation pattern in which the drying history frequency D increases at a higher speed, the time when the performance deterioration due to catalyst poisoning occurs earlier. Also from this experimental result, it can be seen that when the drying history frequency D is used as an index, it is possible to grasp the time of occurrence of the performance deterioration of the fuel cell due to catalyst poisoning.
図9は、触媒被毒によって性能低下した燃料電池の性能回復を示す説明図である。図9には、触媒被毒による性能低下が検出された燃料電池に対して性能回復のための回復運転を実行した前後での燃料電池の出力の変化を棒グラフによって示してある。この実験では、燃料電池の回復運転として、発電後の燃料電池に1単セルあたり2.0gの含水量の水分が残留するような湿潤な運転を実行した。このように、燃料電池内部の水分が多くなる運転を実行することによって、触媒被毒による燃料電池の性能回復が可能である。 FIG. 9 is an explanatory view showing the performance recovery of the fuel cell whose performance is degraded by catalyst poisoning. FIG. 9 is a bar graph showing changes in the output of the fuel cell before and after the recovery operation for performance recovery is performed on the fuel cell in which the performance deterioration due to catalyst poisoning is detected. In this experiment, as a recovery operation of the fuel cell, a wet operation was performed such that water having a water content of 2.0 g per single cell remained in the fuel cell after power generation. As described above, by performing the operation in which the moisture inside the fuel cell increases, the performance of the fuel cell can be recovered by catalyst poisoning.
[参考例]
図10は、参考例として、燃料電池の乾燥運転による性能低下に対する燃料電池の抵抗値の変化を示す説明図である。図10には横軸を電流密度とし、紙面左側の縦軸を電圧とし、紙面右側の縦軸を面積抵抗とするグラフを図示してある。グラフIVi,IVd,IVwは電流密度に対する電圧の変化を示すグラフであり、グラフIRi,IRd,IRwは電流密度に対する面積抵抗の変化を示すグラフである。
[Reference example]
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a change in the resistance value of the fuel cell as a reference example with respect to a decrease in performance due to the drying operation of the fuel cell. FIG. 10 is a graph in which the horizontal axis is current density, the vertical axis on the left side of the paper is voltage, and the vertical axis on the right side of the paper is area resistance. Graphs IVi, IVd, and IVw are graphs showing changes in voltage with respect to current density, and graphs IRi, IRd, and IRw are graphs showing changes in sheet resistance with respect to current density.
ここで、実線のグラフIVi,IRiは、初期状態の燃料電池において得られたグラフである。破線のグラフIVd,IRdは燃料電池内部を乾燥状態にした上での発電によって発電性能が低下した後の燃料電池において得られたグラフである。一点鎖線のグラフIVw,IRwは、発電性能が低下した後の燃料電池において湿潤状態の発電を行うことによって得られたグラフである。 Here, the solid line graphs IVi and IRi are graphs obtained in the fuel cell in the initial state. The broken line graphs IVd and IRd are graphs obtained in the fuel cell after the power generation performance is reduced by power generation after the inside of the fuel cell is dried. Dotted line graphs IVw and IRw are graphs obtained by performing power generation in a wet state in the fuel cell after the power generation performance is lowered.
これらのグラフに示されているように、燃料電池における電流密度に対する抵抗の変化は、燃料電池内部の湿潤状態に応じて変動はするものの、乾燥状態での発電による燃料電池の性能低下の影響は受けていない。従って、燃料電池の抵抗の測定によっては、乾燥状態での発電による燃料電池の性能低下を検出することは容易ではない。これに対して、上述したように、乾燥履歴度数Dであれば、燃料電池の水収支を表す情報に基づいて取得されているため、燃料電池の乾燥状態の発電の履歴が適切に反映されおり、乾燥発電による燃料電池の性能低下の時期を事前に把握することが可能である。 As shown in these graphs, the change in resistance with respect to the current density in the fuel cell varies depending on the wet state inside the fuel cell, but the effect of the decrease in fuel cell performance due to power generation in the dry state is I have not received it. Therefore, it is not easy to detect a decrease in the performance of the fuel cell due to power generation in a dry state depending on the measurement of the resistance of the fuel cell. On the other hand, as described above, since the drying history frequency D is acquired based on the information representing the water balance of the fuel cell, the history of power generation in the dry state of the fuel cell is appropriately reflected. In addition, it is possible to grasp in advance the time when the performance of the fuel cell deteriorates due to dry power generation.
B.変形例:
B1.変形例1:
上記実施形態では、乾燥履歴度数取得部22は、増加水量WIを燃料電池10の発電量に基づいて取得し、減少水量WDをカソード排ガスの流量および温度に基づいて取得していた。これに対して、乾燥履歴度数取得部22は、他の方法によって、増加水量WIと減少水量WDとを取得しても良い。例えば、乾燥履歴度数取得部22は、増加水量WIを燃料電池10の発電量に燃料電池10に供給されるカソードガスの湿度を加味しても良い。また、乾燥履歴度数取得部22は、減少水量WDを、カソード排ガスの湿度を計測することによって取得しても良いし、カソード排ガス中の蒸気として排出される水分量以外に、カソード側やアノード側から液水として排出される排水量を加味して取得しても良い。あるいは、乾燥履歴度数取得部22は、減少水量WDを、カソード排ガスの流量のみによって取得しても良い。この場合には、カソード排ガスの温度が例えば80℃程度であると仮定してカソード排ガスに含まれる飽和水蒸気量を減少水量WDとして取得しても良い。
B. Variation:
B1. Modification 1:
In the above embodiment, the drying history
B2.変形例2:
上記実施形態において、乾燥履歴度数取得部22は、乾燥履歴度数Dを、増加水量WIと減少水量WDとの比である水分増減比αに基づいて逐次的に算出していた。乾燥履歴度数取得部22は乾燥履歴度数Dを水分増減比αに基づいて算出しなくても良い。乾燥履歴度数取得部22は増加水量WIと減少水量WDとを含む燃料電池10の水収支情報に基づいて算出すれば良い。例えば、乾燥履歴度数取得部22は、増加水量WIと減少水量WDとの差を用いて乾燥履歴度数Dを算出しても良い。ただし、上記実施形態でも説明したように、上水分増減比αに基づく乾燥履歴度数Dであれば、燃料電池10における運転条件(例えば、供給ガス流量や発電量)の相違による変動が少ないため、より適切に燃料電池10の内部の乾燥傾向の履歴が反映される。
B2. Modification 2:
In the above-described embodiment, the drying history
B3.変形例3:
上記実施形態では、乾燥履歴度数取得部22は、制御部20の制御周期ごとに乾燥指標値IDを逐次的に取得し、その度に、乾燥履歴度数Dを更新していた。これに対して、乾燥履歴度数取得部22は、乾燥指標値IDを制御部20の制御周期に関わらず、所定のタイミングごとに逐次的に取得しても良い。また、乾燥履歴度数取得部22は、乾燥指標値IDが取得される度に乾燥履歴度数Dを更新しなくても良い。乾燥履歴度数取得部22は、乾燥指標値IDが所定の変化量で変化したことが検出されたときに、その乾燥指標値IDと、前回の乾燥履歴度数Dの更新時から現在までの時間間隔と、に基づいて、乾燥履歴度数Dを更新しても良い。あるいは、乾燥履歴度数取得部22は、複数回取得され乾燥指標値IDの平均値と、その平均値が取得されるまでの時間間隔と、を用いて乾燥履歴度数Dを更新しても良い。
B3. Modification 3:
In the above embodiment, the drying history
B4.変形例4:
上記実施形態では、劣化時期検出部23が乾燥履歴度数Dに基づいて燃料電池10の性能低下の発生時期の到来を判定し、運転制御部21がその判定結果に基づいて回復運転(ステップS60)を実行していた。これに対して、劣化時期検出部23による判定処理や、運転制御部21による回復運転は省略されても良い。制御部20は、劣化時期検出部23による判定処理の代わりに、乾燥履歴度数Dの値をメーターなどによってユーザーに報知する報知処理を実行しても良い。また、制御部20は、ステップS60の回復運転の代わりに、劣化時期検出部23が出力する判定結果をユーザーに報知しても良い。なお、この場合には、制御部20はユーザーの指示に従って、回復運転の実行を開始しても良い。
B4. Modification 4:
In the above embodiment, the deterioration
B5.変形例5:
上記の各実施形態の燃料電池システムは燃料電池車両に限らず、他の燃料電池の電力を使用する移動体(例えば、航空機や船舶など)に搭載されても良い。また、上記の各実施形態の燃料電池システムは移動体ではなく、位置が固定された施設や設備などに導入されても良い。
B5. Modification 5:
The fuel cell system of each of the above embodiments is not limited to a fuel cell vehicle, and may be mounted on a mobile body (for example, an aircraft or a ship) that uses the power of another fuel cell. In addition, the fuel cell system of each of the above embodiments may be introduced not to a moving body but to a facility or equipment whose position is fixed.
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…燃料電池
11…発電体
20…制御部
21…運転制御部
22…乾燥履歴度数取得部
23…劣化判定部
30…カソードガス供給部
31…カソードガス配管
32…エアコンプレッサ
33…開閉弁
34…エアフロメータ
35…圧力計測部
40…カソードガス排出部
41…カソード排ガス配管
43…調圧弁
44…排ガス情報取得部
50…アノードガス供給部
51…アノードガス配管
52…水素タンク
53…開閉弁
54…レギュレータ
55…水素供給装置
56…圧力計測部
60…アノードガス循環排出部
61…アノード排ガス配管
62…気液分離部
63…アノードガス循環配管
64…水素循環用ポンプ
65…アノード排水配管
66…排水弁
67…圧力計測部
70…冷媒供給部
71a…上流側配管
71b…下流側配管
72…ラジエータ
75…冷媒循環用ポンプ
76a,76b…第1と第2の冷媒温度計測部
81…燃料電池コンバータ
82…二次電池
83…二次電池コンバータ
84…DC/ACインバータ84
91…セル電圧計測部
92…電流計測部
DESCRIPTION OF
91 ... Cell
Claims (9)
燃料電池と、
前記燃料電池内部における水分量の増減を示す水収支情報を取得する水収支情報取得部と、
運転中の前記燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支情報に基づいて逐次的に取得する指標値取得部と、
前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する劣化反映値取得部と、
を備える、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
A water balance information acquisition unit for acquiring water balance information indicating an increase or decrease in the amount of water in the fuel cell;
An index value acquisition unit that sequentially acquires a drying index value indicating a degree of drying tendency inside the fuel cell during operation based on the water balance information;
When the drying index value is acquired, a deterioration reflecting value that reflects the degree of progress of deterioration of the fuel cell based on the drying index value and the time interval at which the drying index value is acquired. Deterioration reflected value acquisition unit that acquires and accumulates,
A fuel cell system comprising:
前記水収支情報は、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の増加量である増加水分量と、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の減少量である減少水分量と、を含み、
前記指標値取得部は、前記乾燥指標値を、前記増加水分量と、前記減少水分量と、の比に基づいて取得する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The water balance information includes an increased water amount that is an increased amount of moisture per unit time inside the fuel cell, and a decreased water amount that is a decreased amount of moisture per unit time inside the fuel cell,
The index value acquisition unit acquires the drying index value based on a ratio between the increased water content and the decreased water content.
前記劣化反映値取得部は、前記指標値取得部によって前記乾燥指標値が取得される度に、前記乾燥指標値の前回値が取得された時刻から、前記乾燥指標値の今回値が取得された時刻までの間の時間を、前記今回値に乗算した値を積算して前記劣化反映値を取得する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The deterioration reflected value acquisition unit acquires the current value of the dry index value from the time when the previous value of the dry index value is acquired each time the dry index value is acquired by the index value acquisition unit. A fuel cell system that obtains the deterioration reflection value by integrating a value obtained by multiplying a time between the current time and the current value.
前記燃料電池の発電量を取得する発電量検出部と、
前記燃料電池から排出される排ガスの流量を取得する排ガス情報取得部と、
を備え、
前記水収支情報取得部は、前記水収支情報の取得のために、前記燃料電池内部における水分の増加量を少なくとも前記燃料電池の発電量に基づいて取得し、前記燃料電池内部における水分の減少量を少なくとも前記排ガスの流量に基づいて取得する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
A power generation amount detection unit for acquiring the power generation amount of the fuel cell;
An exhaust gas information acquisition unit for acquiring a flow rate of exhaust gas discharged from the fuel cell;
With
The water balance information acquisition unit acquires an increase in moisture in the fuel cell based on at least the amount of power generated by the fuel cell to acquire the water balance information, and reduces the moisture in the fuel cell. Is obtained based on at least the flow rate of the exhaust gas.
前記劣化反映値に基づいて、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来を事前に検出する劣化時期検出部を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A fuel cell system comprising a deterioration timing detection unit that detects in advance the arrival of a time when the fuel cell reaches a predetermined degree of deterioration based on the deterioration reflection value.
前記劣化時期検出部によって、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来が検出されたときに、前記燃料電池の劣化を回復させる回復運転として、前記前記燃料電池において発生する水分量を増大させる運転制御を実行する運転制御部を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
When the arrival of the time when the fuel cell reaches a predetermined degree of deterioration is detected by the deterioration time detection unit, the amount of moisture generated in the fuel cell is used as a recovery operation for recovering the deterioration of the fuel cell. A fuel cell system comprising an operation control unit that executes operation control to be increased.
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載している、燃料電池車両。 A fuel cell vehicle,
A fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to any one of claims 1 to 6.
前記燃料電池内部における水分量の増減を示す水収支情報を取得する水収支情報取得部と、
運転中の燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支情報に基づいて逐次的に取得する指標値取得部と、
前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する劣化反映値取得部と、
を備える、装置。 An apparatus for detecting the progress of deterioration of a fuel cell,
A water balance information acquisition unit for acquiring water balance information indicating an increase or decrease in the amount of water in the fuel cell;
An index value acquisition unit that sequentially acquires a drying index value indicating a degree of drying tendency inside the fuel cell during operation based on the water balance information;
When the drying index value is acquired, a deterioration reflecting value that reflects the degree of progress of deterioration of the fuel cell based on the drying index value and the time interval at which the drying index value is acquired. Deterioration reflected value acquisition unit that acquires and accumulates,
An apparatus comprising:
前記燃料電池内部における水分量の増減を示す水収支情報を取得する水収支情報取得工程と、
運転中の前記燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支に基づいて逐次的に取得する指標値取得工程と、
前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する劣化反映値取得工程と、
を備える、方法。 A method for detecting the progress of deterioration of a fuel cell,
A water balance information acquisition step for acquiring water balance information indicating an increase or decrease in the amount of water in the fuel cell;
An index value acquisition step of sequentially acquiring a drying index value indicating a degree of drying tendency inside the fuel cell during operation based on the water balance;
When the drying index value is acquired, a deterioration reflecting value that reflects the degree of progress of deterioration of the fuel cell based on the drying index value and the time interval at which the drying index value is acquired. Degradation reflected value acquisition process to be acquired by integrating,
A method comprising:
Priority Applications (1)
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