JP2020205208A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムにおいて、例えば、特許文献1に記載されているように、システム停止の状態において異常電圧が発生することを抑制するために、システムを停止する場合に、予め定められた量の水素を供給する技術が知られている。 In a fuel cell system, for example, as described in Patent Document 1, a predetermined amount of hydrogen is applied when the system is stopped in order to suppress the generation of an abnormal voltage when the system is stopped. The technology to supply is known.
上記のような技術において、発電停止時における水素分圧が、想定される最低の水素分圧であると想定して供給する水素量を定める場合、必要以上に水素を供給するおそれがあり、燃費の低下に繋がる可能性があるという問題を本願発明者らは、見出した。また、本願発明者らは、燃費を低下させないため、燃料電池システムの停止時に毎回定量の水素を供給することを検討したものの、燃料電池システムの利用態様によっては異常電圧の発生頻度が高くなる可能性があるという問題を見出した。 In the above technology, if the hydrogen partial pressure at the time of power generation stoppage is assumed to be the lowest expected hydrogen partial pressure and the amount of hydrogen to be supplied is determined, there is a risk of supplying more hydrogen than necessary, resulting in fuel efficiency. The inventors of the present application have found a problem that it may lead to a decrease in hydrogen. Further, although the inventors of the present application have considered supplying a fixed amount of hydrogen each time the fuel cell system is stopped in order not to reduce fuel consumption, the frequency of occurrence of abnormal voltage may increase depending on the usage mode of the fuel cell system. I found the problem of having sex.
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、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
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。この燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記アノードガスを供給するアノードガス供給部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池システムの停止中において前記燃料電池スタックにおける異常電圧の発生の有無の検出をする異常電圧検出部と、前回の前記燃料電池システムの前回の停止中に異常電圧が検出された場合に、前記アノードガスの供給量を前回の前記燃料電池システムの停止時における前記アノードガスの供給量よりも多くするよう前記アノードガス供給部を制御して、前記燃料電池システムを停止させる制御部と、を備える。この形態の燃料電池システムによれば、前回の燃料電池システムの停止中において異常電圧が検出された場合に、今回の燃料電池システムの停止時におけるアノードガスの供給量を、前回のシステム停止時におけるアノードガスの供給量よりも多く設定するめ、過度に水素供給量を増加することなく、異常電圧の発生回数を抑制できる。 According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system is provided. This fuel cell system supplies a fuel cell stack that generates power by receiving supply of an anode gas and a cathode gas, an anode gas supply unit that supplies the anode gas to the fuel cell stack, and an output voltage of the fuel cell stack. An abnormal voltage measuring unit for measuring, an abnormal voltage detecting unit for detecting the presence or absence of an abnormal voltage in the fuel cell stack while the fuel cell system is stopped, and an abnormal voltage during the previous stopping of the fuel cell system. When is detected, the fuel cell system is controlled by controlling the anode gas supply unit so that the supply amount of the anode gas is larger than the supply amount of the anode gas at the time when the fuel cell system was stopped last time. It is provided with a control unit for stopping. According to this form of fuel cell system, when an abnormal voltage is detected during the previous shutdown of the fuel cell system, the amount of anode gas supplied when the fuel cell system is stopped this time is set to the amount of anode gas supplied when the system was stopped last time. Since it is set to be larger than the supply amount of the anode gas, the number of occurrences of abnormal voltage can be suppressed without excessively increasing the hydrogen supply amount.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms, for example, a power generation device including a fuel cell system, a vehicle equipped with a fuel cell system, a control method of the fuel cell system, and the like. Is.
A.第1実施形態:
図1は、本発明の一実施形態における燃料電池システム100の概略構成を示す図である。燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、制御部20と、カソードガス供給部30と、アノードガス供給部50と、を備える。また、燃料電池システム100は、DC/DCコンバータ80と、パワーコントロールユニット(以下、「PCU81」という)81と、負荷82と、電圧測定部83と、電流計84を備える。本実施形態の燃料電池システム100は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
A. First Embodiment:
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック10は、反応ガスとしてアノードガス(例えば、水素ガス)とカソードガス(例えば、空気)との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック10は、複数の単セル11が積層されて構成されている。各単セル11は、電解質膜(図示せず)の両面にアノード(図示せず)とカソード(図示せず)とを配置した膜電極接合体(図示せず)と、膜電極接合体を挟持する1組のセパレータ(図示せず)とを有する。
The
制御部20は、CPUとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。CPUは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、後述するアノードガス分圧が目標分圧になるよう、燃料電池システム100による発電の制御を行う。制御部20は、ECU(Electronic Control Unit)21の指示に応じて、燃料電池スタック10内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部20は、異常電圧検出部22を備える。異常電圧検出部22は、燃料電池システム100の停止中における燃料電池スタック10の異常電圧の発生の有無を検出する。より具体的には、後述する電圧測定部83が検出した燃料電池スタック10の出力電圧が予め定められた閾値以上に上昇した場合に、異常電圧が発生したと判断する。閾値は、例えば、1.5Vである。なお、制御部20は、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。
The
ECU21は、燃料電池システム100を含む装置全体(例えば、車両)の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてECU21が車両の制御を実行する。なお、ECU21は、制御部20の機能の一部に含まれていてもよい。
The ECU 21 is a control unit that controls the entire device (for example, a vehicle) including the
カソードガス供給部30は、カソードガス配管31と、エアフローメータ32と、コンプレッサ33と、第1開閉弁34と、カソードオフガス配管41と、第1レギュレータ42と、を備える。カソードガス配管31は、燃料電池スタック10に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック10に供給する。
The cathode
エアフローメータ32は、カソードガス配管31に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ33は、制御部20からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック10に供給する。第1開閉弁34は、コンプレッサ33と燃料電池スタック10との間に設けられている。カソード圧力計35は、燃料電池スタック10のカソードガス入口の圧力(以下「カソードガス圧力」という)を測定し、制御部20に送信する。
The
カソードオフガス配管41は、燃料電池スタック10から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム100の外部へと排出する。第1レギュレータ42は、制御部20からの制御信号に応じて、燃料電池スタック10のカソードガス出口の圧力を調整する。
The cathode off
アノードガス供給部50は、アノードガス配管51と、アノードガスタンク52と、第2開閉弁53と、第2レギュレータ54と、インジェクタ55と、アノード圧力計56と、アノードオフガス配管61と、気液分離器62と、排気排水弁63と、循環配管64と、アノードガスポンプ65と、を備える。以下では、アノードガス配管51のインジェクタ55よりも下流側と、燃料電池スタック10内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管61と、気液分離器62と、循環配管64と、アノードガスポンプ65と、で構成される流路のことを、循環流路66ともいう。循環流路66は、燃料電池スタック10のアノードオフガスを燃料電池スタック10に循環させるための流路である。
The anode
アノードガスタンク52は、アノードガス配管51を介して燃料電池スタック10のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック10に供給する。第2開閉弁53、第2レギュレータ54、インジェクタ55、およびアノード圧力計56は、アノードガス配管51に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク52に近い側から設けられている。
The
第2開閉弁53は、制御部20からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム100の停止時には第2開閉弁53は閉じられる。第2レギュレータ54は、制御部20からの制御信号に応じて、インジェクタ55の上流側におけるアノードガス圧力を調整する。インジェクタ55は、制御部20によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部20は、インジェクタ55の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック10に供給されるアノードガスの流量を制御する。アノード圧力計56は、燃料電池スタック10のアノードガス入口の圧力を測定し、制御部20に送信する。なお、アノード圧力計56を燃料電池スタック10のアノードガス出口側に設けてもよい。その場合、上述したカソード圧力計35も燃料電池スタック10のカソードガス出口側に設けることが好ましい。これらいずれの場合も、アノード圧力計56で測定される圧力を「アノードガス圧力」と呼ぶことができる。
The second on-off
アノードオフガス配管61は、燃料電池スタック10のアノードガス出口と気液分離器62とを接続する配管である。アノードオフガス配管61は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器62へと誘導する。
The anode off-
気液分離器62は、循環流路66のアノードオフガス配管61と循環配管64との間に接続されている。気液分離器62は、循環流路66内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。
The gas-
排気排水弁63は、気液分離器62の下部に設けられている。排気排水弁63は、気液分離器62に貯水された水の排水と、気液分離器62内の不要なガス(主に窒素ガス)の排気と、を行う。燃料電池システム100の運転中は、通常、排気排水弁63は閉じられており、制御部20からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁63は、カソードオフガス配管41に接続されており、排気排水弁63によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管41を通じて外部へ排出される。
The
循環配管64は、アノードガス配管51のうちのインジェクタ55より下流の部分に接続されている。循環配管64には、制御部20からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ65が設けられている。気液分離器62によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ65によって、アノードガス配管51へと送り出される。この燃料電池システム100では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック10に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
The
DC/DCコンバータ80は、燃料電池スタック10の出力電圧を昇圧してPCU81に供給する。PCU81は、インバータを内蔵し、制御部20の制御に応じてインバータを介して負荷82に電力を供給する。また、PCU81は、制御部20の制御により燃料電池スタック10の電流を制限する。
The DC /
電圧測定部83は、燃料電池スタック10の出力電圧を測定する。電圧測定部83は、測定した出力電圧を異常電圧検出部22に送信する。本実施形態において電圧測定部83は、単セル11の出力電圧の合計を燃料電池スタック10の出力電圧として異常電圧検出部22に送信する。電流計84は、燃料電池スタック10の出力電流値を測定する。
The
燃料電池スタック10の電力は、PCU81を含む電源回路を介して、車輪(図示せず)を駆動するためのトラクションモータ(図示せず)等の負荷82や、上述したコンプレッサ33、アノードガスポンプ65および各種弁に、供給される。
The electric power of the
図2は、本実施形態における、異常電圧検出処理の手順の一例を表すフローチャートである。異常電圧検出部22は、燃料電池システム100の停止中にこの処理を繰り返し実行する。まず、異常電圧検出部22は、ステップS100において、異常電圧が検出されたか否かを判定する。より具体的には、異常電圧検出部22は、電圧測定部83から取得した燃料電池スタック10の出力電圧が予め定めた閾値以上に上昇したか否かを判定する。異常電圧が検出された場合、異常電圧検出部22は、ステップS110に進み、異常電圧フラグをONにして、そのフラグの値をメモリに不揮発的に記録し、異常電圧検出処理を終了する。一方、異常電圧が検出されない場合、異常電圧検出部22は、異常電圧検出処理を終了する。なお、異常電圧フラグは、燃料電池システム100が停止される毎にOFFへリセットされる。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the procedure of the abnormal voltage detection process in the present embodiment. The abnormal voltage detection unit 22 repeatedly executes this process while the
「異常電圧」とは、通常の発電状況下よりカソード電位が上昇し、カソードの劣化(すなわち、カーボンの腐食)が進行するレベルまで高くなった電極電圧を言う。異常電圧が発生する原因の1つは、燃料電池のアノードにおいて、燃料電池システム100が長期間放置されることにより、カソードからアノードへ酸素が透過して起こる局所的な水素欠乏と考えられている。
The "abnormal voltage" refers to an electrode voltage in which the cathode potential rises from under normal power generation conditions and the cathode voltage rises to a level at which deterioration of the cathode (that is, corrosion of carbon) progresses. It is considered that one of the causes of the abnormal voltage is a local hydrogen deficiency caused by oxygen permeating from the cathode to the anode when the
図3は、本実施形態における、停止処理の手順の一例を表わすフローチャートである。制御部20は、燃料電池システム100を停止する場合に、この処理を開始する。
FIG. 3 is a flowchart showing an example of the stop processing procedure in the present embodiment. The
まず、制御部20は、ステップS200において、アノードガス分圧を推定する。本実施形態において、制御部20は、アノードガス圧力とアノードガス以外の気体の分圧との関係が予め定義されたマップや関数に基づき、アノードガス分圧を推定する。「アノードガス以外の気体」とは、例えば、カソードから透過した窒素や酸素、水蒸気等である。アノード分圧は、アノード圧力計56を用いて測定した現在のアノードガス圧力から、マップや関数を用いて求めたアノードガス以外の気体の分圧を差し引いた値である。なお、アノードガス分圧が推定できない場合は、アノードガス分圧として、予め定められた定数を用いてもよい。アノードガス分圧の推定については、例えば、特許文献1に記載されている。
First, the
次に、制御部20は、ステップS210で、異常電圧フラグがONか否かを判定する。つまり、燃料電池システム100の前回停止中に異常電圧が検出されたか否かを判定する。「前回停止中」とは、今回の停止処理を開始する以前に燃料電池システム100を停止した直近の停止中のことである。異常電圧フラグがONの場合、つまり、前回停止中において異常電圧が検出された場合、制御部20は、ステップS220において、アノードガス分圧の目標値を増加させる。より具体的には、制御部20は、アノードガス分圧の目標値を前回の停止制御における目標値よりも大きいアノードガス分圧の値に設定する。本実施形態において、制御部20は、目標値を、前回の停止制御における目標値を予め定められた値(例えば、10kPa)、増加させた値に設定する。目標値を初めて増加させる場合、標準目標値を予め定められた値、増加させた値に設定する。「標準目標値」とは、予め定めた期間の燃料電池システム100の停止中に異常電圧が発生しないアノードガス分圧の値であり、予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。一方、異常電圧フラグがOFFの場合、つまり、前回停止中において異常電圧が検出されなかった場合、制御部20はステップS230の処理に進む。
Next, in step S210, the
続いて、制御部20は、ステップS230において、ステップS200で推定したアノードガス分圧が、予め定められた目標値よりも大きいか否かを判定する。予め定められた目標値とは、ステップS220で増加させた目標値または標準目標値の事である。アノードガス分圧が目標値以下の場合、制御部20は、ステップS240において、アノードガス分圧が目標値になるようアノードガス供給部50を制御してアノードガスを供給し、ステップS250の処理に進む。制御部20は、目標値が大きいほど、多くのアノードガスを供給するようアノードガス供給部50を制御する。一方、アノードガス分圧が目標値よりも大きい場合、水素を供給せず、ステップS250の処理に進む。
Subsequently, in step S230, the
最後に、制御部20は、ステップS250において燃料電池システム100の停止制御を行う。制御部20は、例えば、カソードガスの供給の停止や、カソードガス配管31の封止、アノードガス配管51の封止等の制御を行う。
Finally, the
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム100によれば、制御部20は、前回の燃料電池システム100の停止中において異常電圧が検出された場合に、アノードガスの供給量を、前回のシステム停止時におけるアノードガスの供給量よりも多く設定する。そのため、燃料電池システム100の利用態様、具体的には、燃料電池システム100の放置期間の長短に応じてアノードガスの供給量を設定できる。この結果、異常電圧の発生回数を抑制できる。また、制御部20は、前回の燃料電池システム100の停止中において異常電圧が検出されなかった場合には、アノードガス供給量を定量に設定するため、必要以上に水素を供給することを抑制できる。従って、本実施形態によれば、過度に水素供給量を増加することなく、異常電圧の発生回数を抑制できる。
According to the
B.他の実施形態:
上述した実施形態において、制御部20は、停止処理において、アノードガス分圧に応じてアノードガスを供給している。この代わりに、制御部20は、燃料電池スタック10におけるアノードガスの残量に応じて、アノードガスを供給してもよい。この場合、目標値は、アノードガスの残量である。制御部20は、ステップS240において、アノードガスの残量が目標値となるようアノードガスを供給できる。アノードガスの残量は、アノードガス分圧から推定できる。また、アノードガスタンク52から供給したアノードガスの量から、燃料電池スタック10の発電量を用いて推定した消費したアノードガスの量を差し引いて求めることができる。
B. Other embodiments:
In the above-described embodiment, the
本発明は、上述の実施形態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中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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 embodiment, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each form described in the column of the outline of the invention are for solving the above-mentioned problems or for achieving a part or all of the above-mentioned effects. In addition, it is possible to replace or combine them as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.
10…燃料電池スタック、11…単セル、20…制御部、21…ECU、22…異常電圧検出部、30…カソードガス供給部、31…カソードガス配管、32…エアフローメータ、33…コンプレッサ、34…第1開閉弁、35…カソード圧力計、41…カソードオフガス配管、42…第1レギュレータ、50…アノードガス供給部、51…アノードガス配管、52…アノードガスタンク、53…第2開閉弁、54…第2レギュレータ、55…インジェクタ、56…アノード圧力計、61…アノードオフガス配管、62…気液分離器、63…排気排水弁、64…循環配管、65…アノードガスポンプ、66…循環流路、80…DC/DCコンバータ、81…PCU、82…負荷、83…電圧測定部、84…電流計、100…燃料電池システム 10 ... Fuel cell stack, 11 ... Single cell, 20 ... Control unit, 21 ... ECU, 22 ... Abnormal voltage detection unit, 30 ... Cathode gas supply unit, 31 ... Cathode gas piping, 32 ... Air flow meter, 33 ... Compressor, 34 ... 1st on-off valve, 35 ... Cathode pressure gauge, 41 ... Cathode off gas piping, 42 ... 1st regulator, 50 ... Anode gas supply unit, 51 ... Anode gas piping, 52 ... Anode gas tank, 53 ... 2nd on-off valve, 54 ... 2nd regulator, 55 ... Injector, 56 ... Anode pressure gauge, 61 ... Anode off gas pipe, 62 ... Gas-liquid separator, 63 ... Exhaust drain valve, 64 ... Circulation pipe, 65 ... Anode gas pump, 66 ... Circulation flow path, 80 ... DC / DC converter, 81 ... PCU, 82 ... load, 83 ... voltage measuring unit, 84 ... anode, 100 ... fuel cell system
Claims (1)
アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記アノードガスを供給するアノードガス供給部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池システムの停止中において前記燃料電池スタックにおける異常電圧の発生の有無の検出をする異常電圧検出部と、
前記燃料電池システムの前回の停止中に異常電圧が検出された場合に、前記アノードガスの供給量を前回の前記燃料電池システムの停止時における前記アノードガスの供給量よりも多くするよう前記アノードガス供給部を制御して、前記燃料電池システムを停止させる制御部と、を備える、燃料電池システム。 It ’s a fuel cell system,
A fuel cell stack that generates electricity by receiving the supply of anode gas and cathode gas,
An anode gas supply unit that supplies the anode gas to the fuel cell stack,
A voltage measuring unit that measures the output voltage of the fuel cell stack,
An abnormal voltage detection unit that detects the presence or absence of an abnormal voltage in the fuel cell stack while the fuel cell system is stopped.
When an abnormal voltage is detected during the previous shutdown of the fuel cell system, the anode gas is supplied so as to be larger than the supply amount of the anode gas at the time of the previous shutdown of the fuel cell system. A fuel cell system including a control unit that controls a supply unit and stops the fuel cell system.
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