JP2024037203A - fuel cell unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池ユニットに関する。 The present invention relates to a fuel cell unit including a fuel cell stack.
燃料電池ユニットとして、車両や発電機に備えられているものがある。 Some fuel cell units are installed in vehicles and generators.
ところで、給気口が車両の前面に設けられていない場合や車両の速度が比較的遅い場合または燃料電池ユニットが定置式発電機に備えられている場合では、走行風が車両や発電機に入らないため、燃料電池ユニット内に外気を積極的に取り込むことができず、燃料電池ユニット内の空気の酸素濃度が低下し、燃料電池スタックの電圧が低下するおそれがある。 By the way, if the air supply port is not provided at the front of the vehicle, if the vehicle speed is relatively slow, or if the fuel cell unit is installed in a stationary generator, the wind from the vehicle will not enter the vehicle or generator. Therefore, outside air cannot be actively taken into the fuel cell unit, and the oxygen concentration of the air within the fuel cell unit may decrease, leading to a risk that the voltage of the fuel cell stack may decrease.
また、発電によって酸素濃度が低下した空気が燃料電池スタックから燃料電池ユニットの外に排出されず燃料電池ユニット内に排出される場合では、その空気が再びエアコンプレッサから燃料電池スタックに供給され、燃料電池スタックの電圧が低下するおそれがある。 In addition, if air whose oxygen concentration has decreased due to power generation is not discharged from the fuel cell stack to the outside of the fuel cell unit but is discharged into the fuel cell unit, that air is again supplied from the air compressor to the fuel cell stack and fuel There is a risk that the voltage of the battery stack will drop.
そこで、例えば、燃料電池スタックに供給される空気の流量が、燃料電池ユニット内の空気の酸素濃度を用いて算出される目標流量と一致するように、燃料電池スタックに空気を供給することが考えられる。関連する技術として、特許文献1がある。 Therefore, one idea is to supply air to the fuel cell stack so that the flow rate of air supplied to the fuel cell stack matches the target flow rate calculated using the oxygen concentration of the air inside the fuel cell unit. It will be done. A related technique is Patent Document 1.
本発明の一側面に係る目的は、燃料電池スタックに供給される空気の酸素濃度が低下し易い環境下において、燃料電池スタックの発電を安定させることである。 An object of one aspect of the present invention is to stabilize power generation of a fuel cell stack in an environment where the oxygen concentration of air supplied to the fuel cell stack tends to decrease.
本発明に係る一つの形態である燃料電池ユニットは、燃料電池スタックと、前記燃料電池ユニット内の空気を前記燃料電池スタックに供給するエアコンプレッサと、前記燃料電池ユニット内を換気する換気部と、前記燃料電池ユニットの吸入空気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、前記エアコンプレッサ及び前記換気部の動作を制御する制御部とを備える。 A fuel cell unit according to one embodiment of the present invention includes a fuel cell stack, an air compressor that supplies air within the fuel cell unit to the fuel cell stack, and a ventilation section that ventilates the inside of the fuel cell unit. The fuel cell unit includes an oxygen concentration detection section that detects the oxygen concentration of intake air of the fuel cell unit, and a control section that controls operations of the air compressor and the ventilation section.
前記制御部は、前記燃料電池スタックのエアストイキと、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度を標準酸素濃度で除算した値とを乗算した値である酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、前記エアコンプレッサの動作を制御することにより前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させる処理、または、前記換気部の動作を制御することにより前記燃料電池ユニット内を換気させる処理のうち少なくとも1つの処理を実行する。 When the oxygen stoichiometric value, which is a value obtained by multiplying the air stoichiometric of the fuel cell stack by the value obtained by dividing the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection unit by the standard oxygen concentration, is smaller than the target oxygen stoichiometric, At least one of a process of increasing the flow rate of air supplied to the fuel cell stack by controlling the operation of the air compressor, and a process of ventilating the inside of the fuel cell unit by controlling the operation of the ventilation section. Execute one process.
これにより、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニット内を換気させる処理の少なくとも1つの処理を実行することができるため、燃料電池スタックに供給される空気の酸素濃度を上昇させることができ、燃料電池スタックの電圧が低下することを抑制することができる。 As a result, when the oxygen stoichiometric value is smaller than the target oxygen stoichiometric value, at least one of the following processes can be performed: increasing the flow rate of air supplied to the fuel cell stack, and ventilating the inside of the fuel cell unit. , it is possible to increase the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack, and it is possible to suppress a drop in the voltage of the fuel cell stack.
また、前記制御部は、前記酸素ストイキが前記目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、前記酸素ストイキを前記目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量が、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量の許容範囲の上限値以下である場合に、前記空気の流量を増加させる処理を実行するように構成してもよい。 The control unit also controls the flow rate of air supplied to the fuel cell stack, which is necessary to increase the oxygen stoichiometric to the target oxygen stoichiometric when the oxygen stoichiometric is smaller than the target oxygen stoichiometric. may be configured to perform a process of increasing the flow rate of air when the flow rate of air supplied to the fuel cell stack is less than or equal to an upper limit of an allowable range of the flow rate of air.
これにより、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、酸素ストイキを目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、燃料電池スタックに供給される空気の流量が、上限値より大きい場合、燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させないようにすることができるため、エアコンプレッサにかかる負荷を低減させることができるとともに、燃料電池スタック内の乾燥を抑制することができる。 As a result, when the oxygen stoichiometric value is smaller than the target oxygen stoichiometric value, and the flow rate of air supplied to the fuel cell stack, which is necessary to increase the oxygen stoichiometric value to the target oxygen stoichiometric value, is greater than the upper limit value, the fuel Since the flow rate of air supplied to the cell stack can be prevented from increasing, the load on the air compressor can be reduced, and drying inside the fuel cell stack can be suppressed.
また、前記換気部は、前記燃料電池スタックの発熱により温められた冷媒を空気と熱交換させるラジエタの放熱量を上昇させるファンとしてもよい。 Further, the ventilation section may be a fan that increases the heat radiation amount of a radiator that exchanges heat with air between a refrigerant warmed by heat generated by the fuel cell stack.
これにより、ラジエタの放熱量を上昇させるファンが予め燃料電池ユニットに備えられている場合、そのファンを換気部として流用することができるため、燃料電池ユニットの製造コストの増大を抑制することができる。 As a result, if the fuel cell unit is already equipped with a fan that increases the amount of heat dissipated from the radiator, that fan can be used as a ventilation section, making it possible to suppress an increase in the manufacturing cost of the fuel cell unit. .
また、前記燃料電池ユニットは、通知部を備え、前記制御部は、前記燃料電池ユニット内を換気させる処理を実行した後に、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度が所定濃度よりも低い場合、前記燃料電池ユニットの外の空気の酸素濃度が低下している旨を前記通知部により前記燃料電池ユニットの外に通知させるように構成してもよい。 Further, the fuel cell unit includes a notification section, and the control section is configured to control the case where the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection section is lower than a predetermined concentration after performing a process of ventilating the inside of the fuel cell unit. The fuel cell unit may be configured such that the notification section notifies the outside of the fuel cell unit that the oxygen concentration of the air outside the fuel cell unit is decreasing.
これにより、燃料電池ユニットの周囲の空気の酸素濃度が低下しているときにその旨を燃料電池ユニットの外に通知することができるため、燃料電池ユニットを備える車両や定置式発電機の近くにいるユーザに燃料電池ユニットの周囲の空気の酸素濃度が低下している旨を知らせることができる。 This makes it possible to notify the outside of the fuel cell unit when the oxygen concentration in the air surrounding the fuel cell unit is decreasing, so it is possible to notify the outside of the fuel cell unit when the oxygen concentration in the air around the fuel cell unit is decreasing. It is possible to notify a user that the oxygen concentration of the air around the fuel cell unit is decreasing.
また、燃料電池ユニット内を換気させる処理を実行した後に酸素濃度が所定濃度より小さいか否かを判断する構成であるため、酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に含まれるノイズの影響により酸素濃度が所定濃度より小さいと誤って判断されることを抑制することができ、燃料電池ユニットの外に誤った通知が行われることを抑制することができる。 In addition, since the configuration determines whether the oxygen concentration is lower than a predetermined concentration after executing the process of ventilating the inside of the fuel cell unit, the oxygen concentration may be affected by the noise contained in the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection section. It is possible to prevent the concentration from being erroneously determined to be lower than the predetermined concentration, and it is possible to prevent erroneous notification from being sent outside the fuel cell unit.
本発明によれば、燃料電池スタックに供給される空気の酸素濃度が比較的低い環境下において、燃料電池スタックの発電を安定させることができる。 According to the present invention, the power generation of the fuel cell stack can be stabilized in an environment where the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack is relatively low.
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。 Embodiments will be described in detail below based on the drawings.
図1は、実施形態の燃料電池ユニットの適用例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing an example of application of the fuel cell unit of the embodiment.
図1に示す燃料電池ユニットの適用例では、燃料電池ユニットFCUが車両Veに備えられている。例えば、車両Veは、フォークリフトなどの産業車両とする。また、車両Veには、走行用モータを駆動するインバータなどの負荷Loが搭載され、燃料電池ユニットFCUから負荷Loに電力が供給されるものとする。また、車両Veは、給気口(不図示)が車両Veの前面に設けられていないため、または、給気口が車両Veの前面に設けられていたとしても車両Veの走行速度が比較的遅いため、走行風によって燃料電池ユニットFCU内の換気を行うことが難しいものとする。 In the application example of the fuel cell unit shown in FIG. 1, the fuel cell unit FCU is provided in the vehicle Ve. For example, the vehicle Ve is an industrial vehicle such as a forklift. Further, it is assumed that the vehicle Ve is equipped with a load Lo such as an inverter that drives a driving motor, and electric power is supplied to the load Lo from the fuel cell unit FCU. Furthermore, since the vehicle Ve is not provided with an air supply port (not shown) at the front of the vehicle Ve, or even if the air supply port is provided at the front of the vehicle Ve, the running speed of the vehicle Ve is relatively low. Because of the slow speed, it is assumed that it is difficult to ventilate the inside of the fuel cell unit FCU due to the running wind.
また、図2は、実施形態の燃料電池ユニットの他の適用例を示す図である。なお、図2に示す燃料電池ユニットFCUは、図1に示す燃料電池ユニットFCUと同様とする。 Moreover, FIG. 2 is a diagram showing another application example of the fuel cell unit of the embodiment. Note that the fuel cell unit FCU shown in FIG. 2 is similar to the fuel cell unit FCU shown in FIG. 1.
図2に示す燃料電池ユニットFCUの適用例では、燃料電池ユニットFCUが定置式発電機Sgに備えられている。例えば、燃料電池ユニットFCUは、商用電源や太陽光発電機などと協働して定置式発電機Sgの外に設けられる負荷Loに電力を供給する。また、定置式発電機Sgは、一定の場所に設置され、その場所から移動しない構成であるため、走行風によって燃料電池ユニットFCU内の換気を行うことが難しいものとする。また、さらに、窓が少ない建物や換気システムを備えていない部屋の中に定置式発電機Sgが設置されている場合では、燃料電池ユニットFCU内の換気を行うことがさらに難しいものとする。 In the application example of the fuel cell unit FCU shown in FIG. 2, the fuel cell unit FCU is provided in a stationary generator Sg. For example, the fuel cell unit FCU supplies power to a load Lo provided outside the stationary generator Sg in cooperation with a commercial power source, a solar power generator, or the like. Furthermore, since the stationary generator Sg is installed at a fixed location and does not move from that location, it is difficult to ventilate the inside of the fuel cell unit FCU due to the wind while the generator is running. Furthermore, if the stationary generator Sg is installed in a building with few windows or in a room without a ventilation system, it will be even more difficult to ventilate the fuel cell unit FCU.
すなわち、図1または図2に示す燃料電池ユニットFCUは、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度が比較的低い環境下にあるものとする。 That is, it is assumed that the fuel cell unit FCU shown in FIG. 1 or 2 is in an environment where the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack FCS is relatively low.
また、図1または図2に示す燃料電池ユニットFCUは、燃料電池スタックFCSと、燃料タンクTkと、主止弁SVと、インジェクタINJと、気液分離機GLSと、水素循環ポンプHPと、排気排水弁EDVと、希釈器DILと、エアコンプレッサACPと、エア調圧弁ARVと、エアシャット弁ASVとを備える。 The fuel cell unit FCU shown in FIG. 1 or 2 also includes a fuel cell stack FCS, a fuel tank Tk, a main stop valve SV, an injector INJ, a gas-liquid separator GLS, a hydrogen circulation pump HP, and an exhaust gas. It includes a drain valve EDV, a diluter DIL, an air compressor ACP, an air pressure regulating valve ARV, and an air shut valve ASV.
また、図1または図2に示す燃料電池ユニットFCUは、ラジエタRと、ファンF(換気部)と、ウォータポンプWPと、インタークーラICと、DCDCコンバータCNVと、蓄電装置Bと、電圧センサSvbと、電流センサSibと、電圧センサSvfと、電流センサSifと、酸素濃度検出部OCDと、記憶部STRと、制御部CNTとを備える。 The fuel cell unit FCU shown in FIG. 1 or 2 also includes a radiator R, a fan F (ventilation section), a water pump WP, an intercooler IC, a DC/DC converter CNV, a power storage device B, and a voltage sensor Svb. , a current sensor Sib, a voltage sensor Svf, a current sensor Sif, an oxygen concentration detection section OCD, a storage section STR, and a control section CNT.
燃料電池スタックFCSは、複数の燃料電池セルを積層させて構成される燃料電池であり、水素ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。一般に、燃料電池セルの電圧は、論理上の起電力から抵抗過電圧、活性化過電圧、及び濃度過電圧の3種類の過電圧を差し引いた電圧になる。そのため、抵抗過電圧、活性化過電圧、及び濃度過電圧のうちの少なくとも1つの過電圧が増加すると、燃料電池スタックFCSの電圧が低下してしまう。なお、抵抗過電圧とは、燃料電池セル内の電子やプラトンの移動し難さに由来する電圧である。活性化過電圧とは、燃料電池セルのアノードでの水素酸化反応や燃料電池セルのカソードでの酸素還元反応のし難さに由来する電圧である。濃度過電圧とは、燃料電池セル内における水素ガスや空気の拡散のし難さに由来する電圧である。 A fuel cell stack FCS is a fuel cell configured by stacking a plurality of fuel cells, and generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen contained in hydrogen gas and oxygen contained in air. In general, the voltage of a fuel cell is a voltage obtained by subtracting three types of overvoltage: resistance overvoltage, activation overvoltage, and concentration overvoltage from the theoretical electromotive force. Therefore, if at least one of the resistance overvoltage, activation overvoltage, and concentration overvoltage increases, the voltage of the fuel cell stack FCS will decrease. Note that the resistance overvoltage is a voltage resulting from the difficulty of moving electrons and platons within the fuel cell. The activation overvoltage is a voltage derived from the difficulty of hydrogen oxidation reaction at the anode of the fuel cell and oxygen reduction reaction at the cathode of the fuel cell. The concentration overvoltage is a voltage resulting from the difficulty of diffusion of hydrogen gas and air within the fuel cell.
燃料タンクTkは、水素ガスの貯蔵容器である。燃料タンクTkに貯蔵された水素ガスは主止弁SV及びインジェクタINJを介して燃料電池スタックFCSに供給される。 The fuel tank Tk is a storage container for hydrogen gas. Hydrogen gas stored in the fuel tank Tk is supplied to the fuel cell stack FCS via the main stop valve SV and the injector INJ.
主止弁SVは、電磁弁などにより構成され、水素ガスをインジェクタINJに供給する。また、主止弁SVは、制御部CNTの動作制御によりインジェクタINJへの水素ガスの供給を遮断する。 The main stop valve SV is composed of a solenoid valve or the like, and supplies hydrogen gas to the injector INJ. Moreover, the main stop valve SV cuts off the supply of hydrogen gas to the injector INJ under the operation control of the control unit CNT.
インジェクタINJは、燃料電池スタックFCSに供給される水素ガスの圧力が一定になるように水素ガスの流量を調整する。なお、燃料電池ユニットFCUが車両Veに備えられている場合、燃料タンクTk、主止弁SV、及びインジェクタINJは車両Veの内部に備えられる。燃料電池ユニットFCUが定置式発電機Sgに備えられている場合、燃料タンクTk、主止弁SV、及びインジェクタINJは定置式発電機Sgの外部に備えられる。 The injector INJ adjusts the flow rate of hydrogen gas so that the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack FCS is constant. Note that when the fuel cell unit FCU is included in the vehicle Ve, the fuel tank Tk, the main stop valve SV, and the injector INJ are provided inside the vehicle Ve. When the fuel cell unit FCU is included in the stationary generator Sg, the fuel tank Tk, main stop valve SV, and injector INJ are provided outside the stationary generator Sg.
気液分離機GLSは、燃料電池スタックFCSから排出される水素ガスと液水とを分離する。 The gas-liquid separator GLS separates hydrogen gas and liquid water discharged from the fuel cell stack FCS.
水素循環ポンプHPは、気液分離機GLSにより分離された水素ガスを燃料電池スタックFCSに再度供給する。 The hydrogen circulation pump HP resupplies the hydrogen gas separated by the gas-liquid separator GLS to the fuel cell stack FCS.
排気排水弁EDVは、気液分離機GLSにより分離された液水を希釈器DILに送る。希釈器DILに送られた液水は、希釈器DIL内の不図示のタンクに溜まる。また、燃料電池スタックFCSからエア調圧弁ARVを介して排出された空気は、排気排水弁EDVから排出された水素ガスと希釈器DILで合流し、その空気は希釈器DILから燃料電池ユニットFCU内に排出される。このように、希釈器DILから排出される空気は、燃料電池スタックFCSの発電により酸素が消費されているため、燃料電池ユニットFCU(車両Veや定置式発電機Sg)の外の空気に比べて、酸素濃度が低下しているものとする。 The exhaust drain valve EDV sends the liquid water separated by the gas-liquid separator GLS to the diluter DIL. The liquid water sent to the diluter DIL accumulates in a tank (not shown) within the diluter DIL. In addition, the air discharged from the fuel cell stack FCS via the air pressure regulating valve ARV joins the hydrogen gas discharged from the exhaust drain valve EDV at the diluter DIL, and the air is transferred from the diluter DIL into the fuel cell unit FCU. is discharged. In this way, the air discharged from the diluter DIL has oxygen consumed by the power generation of the fuel cell stack FCS, so compared to the air outside the fuel cell unit FCU (vehicle Ve and stationary generator Sg). , it is assumed that the oxygen concentration is decreasing.
エアコンプレッサACPは、燃料電池ユニットFCU内の空気を圧縮し、その圧縮した空気をインタークーラIC及びエアシャット弁ASVを介して燃料電池スタックFCSに供給する。なお、エアコンプレッサACPの負荷(モータの回転数)が増加するほど、エアコンプレッサACPから燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量が増加するものとする。 Air compressor ACP compresses air within fuel cell unit FCU and supplies the compressed air to fuel cell stack FCS via intercooler IC and air shut valve ASV. It is assumed that as the load on the air compressor ACP (the number of rotations of the motor) increases, the flow rate of air supplied from the air compressor ACP to the fuel cell stack FCS increases.
インタークーラICは、エアコンプレッサACPの圧縮により高温になった空気をインタークーラICに流れる冷却水などの冷媒と熱交換させる。 The intercooler IC exchanges heat with air heated to high temperature by compression by the air compressor ACP with a refrigerant such as cooling water flowing through the intercooler IC.
エアシャット弁ASVは、制御部CNTの動作制御により燃料電池スタックFCSへの空気の供給を遮断する。 The air shut valve ASV shuts off the supply of air to the fuel cell stack FCS under the operation control of the control unit CNT.
エア調圧弁ARVは、制御部CNTの動作制御により燃料電池スタックFCSに供給される空気の圧力を調整する。 The air pressure regulating valve ARV regulates the pressure of air supplied to the fuel cell stack FCS under the operation control of the control unit CNT.
ラジエタRは、燃料電池スタックFCSが発する熱により温められた冷媒を燃料電池ユニットFCU内の空気と熱交換させる。 The radiator R exchanges heat with the refrigerant warmed by the heat generated by the fuel cell stack FCS with the air inside the fuel cell unit FCU.
ファンFは、ラジエタRの放熱量を上昇させる。すなわち、ファンFが駆動することによって生じる風がラジエタRに当たることでラジエタRの温度を下げる。また、ファンFは、燃料電池ユニットFCUの外の空気を燃料電池ユニットFCU内に取り込むとともに燃料電池ユニットFCU内の空気を燃料電池ユニットFCUの外に排出する換気部、すなわち、燃料電池ユニットFCU内を換気する換気部として機能する。なお、換気部は、蓄電装置Bなどの補機を冷却するためのファン(不図示)などを採用してもよく、ファンFに限定されない。換気部としてファンFを採用する場合では、燃料電池ユニットFCUに換気部を新たに備える必要がなく、ファンFを換気部として流用することができるため、燃料電池ユニットFCUの製造コストの増大を抑制することができる。 The fan F increases the amount of heat dissipated from the radiator R. That is, the air generated by the fan F being driven hits the radiator R, thereby lowering the temperature of the radiator R. Further, the fan F is a ventilation section that takes air outside the fuel cell unit FCU into the fuel cell unit FCU and exhausts air inside the fuel cell unit FCU to the outside of the fuel cell unit FCU. Functions as a ventilation section to ventilate the air. Note that the ventilation section is not limited to the fan F, and may also employ a fan (not shown) for cooling auxiliary equipment such as the power storage device B. When fan F is used as the ventilation section, there is no need to newly provide a ventilation section in the fuel cell unit FCU, and fan F can be used as the ventilation section, thereby suppressing an increase in the manufacturing cost of the fuel cell unit FCU. can do.
ウォータポンプWPは、ラジエタRにより冷却された冷媒をインタークーラICを介して燃料電池スタックFCSに供給する。 Water pump WP supplies refrigerant cooled by radiator R to fuel cell stack FCS via intercooler IC.
DCDCコンバータCNVは、燃料電池スタックFCSの後段に接続され、燃料電池スタックFCSから出力される電圧を所定の電圧に変換する。また、DCDCコンバータCNVから出力される電力は、負荷Loや水素循環ポンプHP、エアコンプレッサACP、及びウォータポンプWPなどの補機に供給される。 The DCDC converter CNV is connected to the latter stage of the fuel cell stack FCS, and converts the voltage output from the fuel cell stack FCS into a predetermined voltage. Further, the electric power output from the DCDC converter CNV is supplied to the load Lo and auxiliary machines such as the hydrogen circulation pump HP, the air compressor ACP, and the water pump WP.
蓄電装置Bは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、DCDCコンバータCNVと負荷Loとの間に接続されている。 Power storage device B is configured with a lithium ion capacitor or the like, and is connected between DCDC converter CNV and load Lo.
DCDCコンバータCNVから出力される電力と、補機に供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、負荷Loから要求される要求電力より大きい場合、その供給電力のうちの要求電力に相当する電力が負荷Loに供給されるとともに残りの電力が蓄電装置Bに供給される。DCDCコンバータCNVから蓄電装置Bに電力が供給されると、蓄電装置Bが充電され蓄電装置Bの充電量Chが増加する。また、DCDCコンバータCNVから出力される電力と、補機に供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、負荷Loから要求される要求電力より小さい場合、その供給電力が負荷Loに供給されるとともに足りない分の電力が蓄電装置Bから負荷Loに供給される。蓄電装置Bから負荷Loに電力が供給されると、蓄電装置Bが放電され蓄電装置Bの充電量Chが減少する。なお、充電量Chとは、蓄電装置Bの充電率[%](蓄電装置Bの満充電容量に対する残容量の割合)、または、蓄電装置Bに電流が流れていないときの蓄電装置Bの電圧Vb[V]、または、蓄電装置Bに電流が流れているときの蓄電装置Bの電圧Vb[V]、または、蓄電装置Bに流れる電流Ibの積算値[Ah]などとする。 If the supplied power corresponding to the difference between the power output from the DC-DC converter CNV and the total value of the power supplied to the auxiliary equipment is greater than the required power requested from the load Lo, the required power of the supplied power The electric power corresponding to is supplied to the load Lo, and the remaining electric power is supplied to the power storage device B. When power is supplied from the DC/DC converter CNV to the power storage device B, the power storage device B is charged and the charge amount Ch of the power storage device B increases. In addition, if the supplied power corresponding to the difference between the power output from the DCDC converter CNV and the total value of the power supplied to the auxiliary equipment is smaller than the required power requested from the load Lo, the supplied power is At the same time, the insufficient power is supplied from power storage device B to load Lo. When power is supplied from power storage device B to load Lo, power storage device B is discharged and the amount of charge Ch of power storage device B decreases. Note that the charge amount Ch is the charging rate [%] of the power storage device B (the ratio of the remaining capacity to the fully charged capacity of the power storage device B), or the voltage of the power storage device B when no current is flowing through the power storage device B. Vb [V], voltage Vb [V] of power storage device B when current is flowing through power storage device B, or integrated value [Ah] of current Ib flowing through power storage device B, or the like.
電圧センサSvbは、複数の分圧抵抗などにより構成され、蓄電装置Bの電圧Vbを検出し、その検出した電圧Vbを制御部CNTに送る。 Voltage sensor Svb is configured with a plurality of voltage dividing resistors and the like, detects voltage Vb of power storage device B, and sends the detected voltage Vb to control unit CNT.
電流センサSibは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、蓄電装置Bに流れる電流Ibを検出し、その検出した電流Ibを制御部CNTに送る。 Current sensor Sib is configured with a shunt resistor, a Hall element, etc., detects current Ib flowing through power storage device B, and sends the detected current Ib to control unit CNT.
電圧センサSvfは、複数の分圧抵抗などにより構成され、燃料電池スタックFCS全体の電圧Vfを検出し、その検出した電圧Vfを制御部CNTに送る。 The voltage sensor Svf is constituted by a plurality of voltage dividing resistors, etc., detects the voltage Vf of the entire fuel cell stack FCS, and sends the detected voltage Vf to the control unit CNT.
電流センサSifは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、燃料電池スタックFCSからDCDCコンバータCNVに流れる電流Ifを検出し、その検出した電流Ifを制御部CNTに送る。 The current sensor Sif is composed of a shunt resistor, a Hall element, etc., detects the current If flowing from the fuel cell stack FCS to the DCDC converter CNV, and sends the detected current If to the control unit CNT.
酸素濃度検出部OCDは、例えば、酸素濃度計であり、燃料電池ユニットFCUの吸入空気の酸素濃度OCを検出し、その検出した酸素濃度OCを制御部CNTに送る。 The oxygen concentration detection unit OCD is, for example, an oxygen concentration meter, detects the oxygen concentration OC of the intake air of the fuel cell unit FCU, and sends the detected oxygen concentration OC to the control unit CNT.
記憶部STRは、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)などにより構成される。なお、記憶部STRは、後述する目標酸素ストイキや上限値などを記憶している。 The storage unit STR is composed of RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), and the like. Note that the storage unit STR stores a target oxygen stoichiometric value, an upper limit value, etc., which will be described later.
制御部CNTは、マイクロコンピュータなどにより構成され、燃料電池スタックFCSの発電制御時、蓄電装置Bの充電量Chに応じて目標発電電力Ptを段階的に変化させる。 The control unit CNT is constituted by a microcomputer or the like, and changes the target generated power Pt in stages according to the charge amount Ch of the power storage device B when controlling the power generation of the fuel cell stack FCS.
また、制御部CNTは、燃料電池スタックFCSの発電制御時、燃料電池スタックFCSの発電電力P(電流Ifと電圧Vfの乗算値)が目標発電電力Ptに追従するように、補機の動作を制御する。例えば、制御部CNTは、燃料電池スタックFCSを発電させているとき、PI(Proportional-Integral)制御により、燃料電池スタックFCSの発電電力Pと目標発電電力Ptとの差がゼロになるように、補機の動作を制御する。 Furthermore, when controlling the power generation of the fuel cell stack FCS, the control unit CNT controls the operation of the auxiliary equipment so that the generated power P (the product of the current If and the voltage Vf) of the fuel cell stack FCS follows the target generated power Pt. Control. For example, when the fuel cell stack FCS is generating power, the control unit CNT uses PI (Proportional-Integral) control so that the difference between the generated power P of the fuel cell stack FCS and the target generated power Pt becomes zero. Controls the operation of auxiliary equipment.
また、制御部CNTは、酸素ストイキ低下回避処理を一定周期毎に実行する。例えば、制御部CNTは、酸素ストイキ低下回避処理の実行時、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、エアコンプレッサACPの動作を制御することにより燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理、または、ファンFの動作を制御することにより燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理のうち少なくとも1つの処理を実行する。燃料電池ユニットFCU内の空気の酸素濃度OCが標準酸素濃度OCsと等しいまたは略等しい場合において、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させると、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度が上昇し、酸素ストイキが上昇するものとする。また、燃料電池ユニットFCU(車両Veや定置式発電機Sg)の外の空気の酸素濃度が標準酸素濃度OCsと等しいまたは略等しい場合において、燃料電池ユニットFCU内を換気させると、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度が上昇し、酸素ストイキが上昇するものとする。なお、目標酸素ストイキは、燃料電池セルの特性の違いに応じて異なる値であり、例えば、1.0~1.3とする。また、目標酸素ストイキは、燃料電池スタックFCSの発電電力Pが目標発電電力Ptと等しくなるときに酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCを用いて算出される酸素ストイキとする。 Further, the control unit CNT executes the oxygen stoichiometric reduction avoidance process at regular intervals. For example, when executing the oxygen stoichiometric reduction avoidance process, if the oxygen stoichiometric is smaller than the target oxygen stoichiometric, the control unit CNT increases the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS by controlling the operation of the air compressor ACP. At least one of the process of ventilating the inside of the fuel cell unit FCU by controlling the operation of the fan F is executed. When the oxygen concentration OC of the air in the fuel cell unit FCU is equal to or approximately equal to the standard oxygen concentration OCs, increasing the flow rate of the air supplied to the fuel cell stack FCS increases the amount of air supplied to the fuel cell stack FCS. It is assumed that the oxygen concentration increases and the oxygen stoichiometry increases. In addition, when the oxygen concentration of the air outside the fuel cell unit FCU (vehicle Ve or stationary generator Sg) is equal or approximately equal to the standard oxygen concentration OCs, if the inside of the fuel cell unit FCU is ventilated, the fuel cell stack FCS Assume that the oxygen concentration of the air supplied to the tank increases, and the oxygen stoichiometric value increases. Note that the target oxygen stoichiometric value is a value that varies depending on the characteristics of the fuel cell, and is, for example, 1.0 to 1.3. Further, the target oxygen stoichiometric value is the oxygen stoichiometric value calculated using the oxygen concentration OC detected by the oxygen concentration detection unit OCD when the generated power P of the fuel cell stack FCS becomes equal to the target generated power Pt.
例えば、制御部CNTは、燃料電池スタックFCSのエアストイキと、酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCを標準酸素濃度OCsで除算した値とを乗算した値を、酸素ストイキとする。すなわち、制御部CNTは、下記式1を計算した結果を酸素ストイキとする。なお、エアストイキや標準酸素濃度OCsは、記憶部STRに予め記憶されているものとする。また、エアストイキとは、燃料電池スタックFCSの発電電力Pが目標発電電力Ptと等しくなるときにエアコンプレッサACPから燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量に対する、エアコンプレッサACPから燃料電池スタックFCSに供給される空気の実際の流量の割合とする。また、標準酸素濃度OCsとは、燃料電池スタックFCS内の換気が十分に行われているときに酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCとする。また、酸素ストイキとは、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度の指標とする。 For example, the control unit CNT sets the oxygen stoichiometric value to a value obtained by multiplying the air stoichiometric value of the fuel cell stack FCS by the value obtained by dividing the oxygen concentration OC detected by the oxygen concentration detection unit OCD by the standard oxygen concentration OCs. That is, the control unit CNT sets the result of calculating the following equation 1 as the oxygen stoichiometric value. It is assumed that the air stoichiometry and standard oxygen concentration OCs are stored in advance in the storage section STR. In addition, air stoichiometry refers to the flow rate of air supplied from the air compressor ACP to the fuel cell stack FCS when the generated power P of the fuel cell stack FCS becomes equal to the target generated power Pt. It is a percentage of the actual flow rate of air supplied. Further, the standard oxygen concentration OCs is defined as the oxygen concentration OC detected by the oxygen concentration detection unit OCD when the fuel cell stack FCS is sufficiently ventilated. In addition, the oxygen stoichiometry is an index of the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack FCS.
酸素ストイキ=エアストイキ×酸素濃度OC÷標準酸素濃度OCs ・・・式1 Oxygen stoichiometric = Air stoichiometric x Oxygen concentration OC ÷ Standard oxygen concentration OCs ... Formula 1
<実施例1>
図3は、実施例1における制御部CNTの動作の一例を示すフローチャートである。
<Example 1>
FIG. 3 is a flowchart showing an example of the operation of the control unit CNT in the first embodiment.
まず、制御部CNTは、酸素ストイキ低下回避処理を開始すると、酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCを取得し(ステップS1)、ステップS1で取得した酸素濃度OCを用いて酸素ストイキを算出する(ステップS2)。 First, when the control unit CNT starts the oxygen stoichiometric reduction avoidance process, it acquires the oxygen concentration OC detected by the oxygen concentration detection unit OCD (step S1), and uses the oxygen concentration OC acquired in step S1 to control the oxygen stoichiometric reduction. Calculate (step S2).
次に、制御部CNTは、ステップS2で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキ以上である場合(ステップS3:No)、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。 Next, if the oxygen stoichiometric calculated in step S2 is equal to or higher than the target oxygen stoichiometric (step S3: No), the control unit CNT ends the current oxygen stoichiometric reduction avoidance process.
一方、制御部CNTは、ステップS2で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合(ステップS3:Yes)、必要エア流量を算出する(ステップS4)。なお、必要エア流量とは、酸素ストイキを目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量とする。例えば、エアストイキを1.5とし、目標酸素ストイキを1.2とし、酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCを13[%]とし、標準酸素濃度OCsを21[%]とし、エアストイキが1であるときに燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を100[NL/min]とする場合、制御部CNTは、まず、1.5×13[%]÷21[%]を計算することにより酸素ストイキとして0.92を算出し、次に、1.5×1.2÷0.92を計算することにより新たなエアストイキとして1.95を算出し、そして、1.95×100[NL/min]を計算することにより必要エア流量として195[NL/min]を算出する。 On the other hand, if the oxygen stoichiometric calculated in step S2 is smaller than the target oxygen stoichiometric (step S3: Yes), the control unit CNT calculates the required air flow rate (step S4). Note that the required air flow rate is the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS, which is necessary to increase the oxygen stoichiometric value to the target oxygen stoichiometric value. For example, if the air stoichiometric value is 1.5, the target oxygen stoichiometric value is 1.2, the oxygen concentration OC detected by the oxygen concentration detection unit OCD is 13 [%], and the standard oxygen concentration OCs is 21 [%], then the air stoichiometric value is 1 and the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS is 100 [NL/min], the control unit CNT first calculates 1.5 × 13 [%] ÷ 21 [%]. By doing this, we calculate 0.92 as the oxygen stoichiometric value, then calculate 1.95 as the new air stoichiometric value by calculating 1.5 x 1.2 ÷ 0.92, and then calculate 1.95 x 100[ NL/min], 195 [NL/min] is calculated as the required air flow rate.
また、制御部CNTは、ステップS4で算出した必要エア流量が、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量の許容範囲の上限値以下である場合(ステップS5:Yes)、エアコンプレッサACPの動作を制御することにより燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させて(ステップS6)、ステップS8の処理に進む。例えば、制御部CNTは、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量が、ステップS4で算出した必要エア流量に近づくように、エアコンプレッサACPの動作を制御する。このように、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させることで、エアストイキが増加するため、酸素ストイキの増加を期待することができる。なお、上限値は、実験やシミュレーションなどを行うことにより、エアコンプレッサACPの騒音レベルや燃料電池スタックFCS内の空気の流路の乾燥度合いを用いて予め求められる値とする。 Further, if the required air flow rate calculated in step S4 is less than or equal to the upper limit of the allowable range of air flow rate supplied to the fuel cell stack FCS (step S5: Yes), the control unit CNT operates the air compressor ACP. The flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS is increased by controlling (step S6), and the process proceeds to step S8. For example, the control unit CNT controls the operation of the air compressor ACP so that the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS approaches the required air flow rate calculated in step S4. In this way, by increasing the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS, the air stoichiometric capacity increases, and therefore, an increase in the oxygen stoichiometric capacity can be expected. Note that the upper limit value is a value that can be determined in advance by conducting experiments, simulations, etc. using the noise level of the air compressor ACP and the degree of dryness of the air flow path in the fuel cell stack FCS.
一方、制御部CNTは、ステップS4で算出した必要エア流量が上限値より大きい場合(ステップS5:No)、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を変化させず(ステップS7)、ステップS8の処理に進む。 On the other hand, if the required air flow rate calculated in step S4 is larger than the upper limit value (step S5: No), the control unit CNT does not change the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS (step S7), and in step S8 Proceed to processing.
次に、ステップS8において、制御部CNTは、酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCを取得し、ステップS8で取得した酸素濃度OCを用いて酸素ストイキを算出する(ステップS9)。 Next, in step S8, the control unit CNT acquires the oxygen concentration OC detected by the oxygen concentration detection unit OCD, and calculates the oxygen stoichiometric value using the oxygen concentration OC acquired in step S8 (step S9).
次に、制御部CNTは、ステップS9で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキ以上である場合(ステップS10:No)、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。 Next, if the oxygen stoichiometric calculated in step S9 is equal to or higher than the target oxygen stoichiometric (step S10: No), the control unit CNT ends the current oxygen stoichiometric reduction avoidance process.
一方、制御部CNTは、ステップS9で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合(ステップS10:Yes)、ファンFの動作制御することにより燃料電池ユニット内を換気させて(ステップS11)、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。なお、ステップS11において、すでにファンFが駆動している場合、制御部CNTは、目標酸素ストイキと酸素ストイキとの差が大きいほど、ファンFの回転数を増加させるように構成してもよい。このように、ファンFの動作を制御して燃料電池ユニットFCU内の換気を行うことで、燃料電池ユニットFCUの外の空気を燃料電池ユニットFCU内に取り込むとともに燃料電池ユニットFCU内の空気を燃料電池ユニットFCUの外に排出することができるため、エアコンプレッサACPに吸入される空気の酸素濃度を上昇させることができ、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度を上昇させることができ、酸素ストイキの増加を期待することができる。 On the other hand, if the oxygen stoichiometric calculated in step S9 is smaller than the target oxygen stoichiometric (step S10: Yes), the control unit CNT ventilates the inside of the fuel cell unit by controlling the operation of the fan F (step S11). The oxygen stoichiometric reduction avoidance process ends. In addition, in step S11, when the fan F is already driven, the control unit CNT may be configured to increase the rotation speed of the fan F as the difference between the target oxygen stoichiometric and the oxygen stoichiometric becomes larger. In this way, by controlling the operation of the fan F to ventilate the inside of the fuel cell unit FCU, the air outside the fuel cell unit FCU is taken into the fuel cell unit FCU, and the air inside the fuel cell unit FCU is used as fuel. Since it can be discharged outside the battery unit FCU, the oxygen concentration of the air taken into the air compressor ACP can be increased, and the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack FCS can be increased. An increase in oxygen stoichiometry can be expected.
実施例1によれば、酸素ストイキ低下回避処理が一定周期毎に繰り返し実行されることで、酸素ストイキを目標酸素ストイキに近づけることができる。 According to the first embodiment, the oxygen stoichiometric reduction avoidance process is repeatedly executed at regular intervals, thereby making it possible to bring the oxygen stoichiometric value closer to the target oxygen stoichiometric value.
また、実施例1によれば、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、必要エア流量が上限値より大きい場合、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させないようにすることができるため、エアコンプレッサACPにかかる負荷を低減させることができるとともに、燃料電池スタックFCS内の乾燥を抑制することができる。 Further, according to the first embodiment, when the oxygen stoichiometric value is smaller than the target oxygen stoichiometric value and the required air flow rate is greater than the upper limit value, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS is not increased. Therefore, the load on the air compressor ACP can be reduced, and drying inside the fuel cell stack FCS can be suppressed.
<実施例2>
図4は、実施例2における制御部CNTの動作の一例を示すフローチャートである。なお、図4に示すフローチャートのステップS1~ステップS11は、図3に示すフローチャートのステップS1~ステップS11と同様であるため、それらの説明を省略する。また、実施例2において、図1または図2に示す燃料電池ユニットFCUには、警告灯やブザーなどにより構成される通知部(不図示)が備えられているものとする。
<Example 2>
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the control unit CNT in the second embodiment. Note that steps S1 to S11 in the flowchart shown in FIG. 4 are the same as steps S1 to S11 in the flowchart shown in FIG. 3, so their explanation will be omitted. Further, in the second embodiment, it is assumed that the fuel cell unit FCU shown in FIG. 1 or 2 is equipped with a notification section (not shown) including a warning light, a buzzer, and the like.
ステップS11において、制御部CNTは、燃料電池ユニットFCU内を換気させた後、酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCを取得し(ステップS12)、ステップS12で取得した酸素濃度OCを用いて予め定めている酸素濃度の閾値と比較する(ステップS13)。閾値は、警告を行うために用いられる所定濃度とする。 In step S11, the control unit CNT ventilates the inside of the fuel cell unit FCU, and then acquires the oxygen concentration OC detected by the oxygen concentration detection unit OCD (step S12), and uses the oxygen concentration OC acquired in step S12. The oxygen concentration is compared with a predetermined oxygen concentration threshold (step S13). The threshold value is a predetermined concentration used to issue a warning.
次に、制御部CNTは、ステップS12で取得した酸素濃度OCが閾値以上である場合(ステップS13:No)、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。 Next, when the oxygen concentration OC acquired in step S12 is equal to or higher than the threshold value (step S13: No), the control unit CNT ends the current oxygen stoichiometric drop avoidance process.
一方、制御部CNTは、ステップS12で取得した酸素濃度OCが閾値より小さい場合(ステップS13:Yes)、燃料電池ユニットFCUの外の空気の酸素濃度が少なくとも標準酸素濃度より低下している旨を通知部により燃料電池ユニットFCU(車両Veや定置式発電機Sg)の外に通知させて(ステップS14)、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。 On the other hand, if the oxygen concentration OC acquired in step S12 is smaller than the threshold value (step S13: Yes), the control unit CNT informs that the oxygen concentration of the air outside the fuel cell unit FCU is lower than at least the standard oxygen concentration. The notification unit notifies the outside of the fuel cell unit FCU (vehicle Ve and stationary generator Sg) (step S14), and the current oxygen stoichiometric reduction avoidance process is ended.
このように、実施例2によれば、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させたり、燃料電池ユニットFCU内を換気させたりしたにもかかわらず、酸素濃度OCが閾値以上にならない場合、燃料電池ユニットFCUの外の空気の酸素濃度が低下している旨を燃料電池ユニットFCUの外に通知させる構成であるため、燃料電池ユニットFCUを備える車両Veや定置式発電機Sgの近くにいるユーザに燃料電池ユニットFCUの周囲の空気の酸素濃度が低下している旨を知らせることができる。 As described above, according to the second embodiment, the oxygen concentration OC does not exceed the threshold value even though the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS is increased or the inside of the fuel cell unit FCU is ventilated. In this case, since the configuration is configured to notify the outside of the fuel cell unit FCU that the oxygen concentration of the air outside the fuel cell unit FCU is decreasing, the vehicle near the vehicle Ve equipped with the fuel cell unit FCU or the stationary generator Sg It is possible to notify a user in the room that the oxygen concentration of the air around the fuel cell unit FCU is decreasing.
また、実施例2によれば、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理を実行した後に取得した酸素濃度OCが閾値より小さいか否かを判断する構成であるため、酸素濃度検出部OCDにより検出される酸素濃度OCに含まれるノイズの影響により酸素濃度OCが閾値より小さいと誤って判断されることを抑制することができ、燃料電池ユニットFCUの外に誤った通知が行われることを抑制することができる。 Further, according to the second embodiment, since the configuration is such that it is determined whether the oxygen concentration OC obtained after executing the process of ventilating the inside of the fuel cell unit FCU is smaller than the threshold value, the oxygen concentration detection unit OCD detects the oxygen concentration OC. It is possible to suppress erroneously determining that the oxygen concentration OC is smaller than a threshold value due to the influence of noise contained in the oxygen concentration OC, and to suppress erroneous notification from being sent outside the fuel cell unit FCU. Can be done.
また、図3または図4に示すフローチャートでは、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させた後、燃料電池ユニットFCU内を換気させる構成であるが、燃料電池ユニットFCU内を換気させた後、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させるように構成してもよい。すなわち、ステップS8~S11を実行した後、ステップS1~S7を実行するように構成してもよい。なお、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理の優先順位は、制御部CNTによるエアコンプレッサACPまたはファンFの制御開始からエアコンプレッサACPまたはファンFの動作開始までにかかる時間やエアコンプレッサACPまたはファンFの動作に伴う酸素ストイキの単位時間あたりの増加量により決めてもよい。例えば、制御部CNTによるエアコンプレッサACPの制御開始からエアコンプレッサACPの動作開始までにかかる時間が、制御部CNTによるファンFの制御開始からファンFの動作開始までにかかる時間より短い場合、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理を、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理より優先させる。また、ファンFの動作に伴う酸素ストイキの単位時間あたりの増加量が、エアコンプレッサACPの動作に伴う酸素ストイキの単位時間あたりの増加量より大きい場合、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理を、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理より優先させる。 Further, in the flowchart shown in FIG. 3 or 4, when the oxygen stoichiometric value is smaller than the target oxygen stoichiometric value, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS is increased, and then the inside of the fuel cell unit FCU is ventilated. However, after the inside of the fuel cell unit FCU is ventilated, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS may be increased. That is, the configuration may be such that steps S1 to S7 are executed after steps S8 to S11 are executed. The priority order of the process of increasing the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS and the process of ventilating the inside of the fuel cell unit FCU is from the start of control of the air compressor ACP or fan F by the control unit CNT to It may be determined based on the time required to start the operation of the ACP or the fan F or the amount of increase per unit time in the oxygen stoichiometry accompanying the operation of the air compressor ACP or the fan F. For example, if the time required from the start of control of the air compressor ACP by the control unit CNT to the start of operation of the air compressor ACP is shorter than the time required from the start of control of the fan F by the control unit CNT to the start of operation of the fan F, the fuel cell The process of increasing the flow rate of air supplied to the stack FCS is given priority over the process of ventilating the inside of the fuel cell unit FCU. In addition, if the amount of increase per unit time in the oxygen stoichiometry due to the operation of fan F is larger than the amount of increase per unit time in the oxygen stoichiometry due to the operation of air compressor ACP, the process of ventilating the inside of the fuel cell unit FCU is performed. Priority is given to processing that increases the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS.
また、図3または図4に示すフローチャートでは、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい状態が継続する場合、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理の2つの処理を実行する構成であるが、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理の2つの処理の一方の処理を実行するように構成してもよい。 In addition, in the flowchart shown in FIG. 3 or 4, when the oxygen stoichiometric state continues to be smaller than the target oxygen stoichiometric state, a process is performed to increase the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS, and to increase the flow rate inside the fuel cell unit FCU. The configuration executes two processes: ventilation process, but if the oxygen stoichiometry is smaller than the target oxygen stoichiometry, a process to increase the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS, and a process to ventilate the inside of the fuel cell unit FCU. The configuration may be such that one of two processes is executed.
ところで、給気口が前面に設けられていない車両Veや走行速度が比較的遅い車両Veに燃料電池ユニットFCUが備えられている場合、または、定置式発電機Sgに燃料電池ユニットFCUが備えられている場合では、燃料電池ユニットFCU内に外気を積極的に取り入れることができず、エアコンプレッサACPから燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度が比較的低くなるため、濃度過電圧が増加し燃料電池スタックFCSの電圧Vfが低下するおそれがある。 By the way, if the fuel cell unit FCU is provided in a vehicle Ve that does not have an air supply port on the front or a vehicle Ve that travels at a relatively slow speed, or if the fuel cell unit FCU is provided in a stationary generator Sg. In this case, outside air cannot be actively taken into the fuel cell unit FCU, and the oxygen concentration of the air supplied from the air compressor ACP to the fuel cell stack FCS becomes relatively low, resulting in an increase in concentration overvoltage. There is a possibility that the voltage Vf of the fuel cell stack FCS will decrease.
また、ラジエタRを通る冷媒の温度が比較的低くファンFを駆動させる必要が無い場合、燃料電池ユニットFCU内に外気を積極的に取り入れることができず、エアコンプレッサACPから燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度が比較的低くなるため、濃度過電圧が増加し燃料電池スタックFCSの電圧Vfが低下するおそれがある。 Additionally, if the temperature of the refrigerant passing through the radiator R is relatively low and there is no need to drive the fan F, outside air cannot be actively taken into the fuel cell unit FCU, and is supplied from the air compressor ACP to the fuel cell stack FCS. Since the oxygen concentration of the air is relatively low, the concentration overvoltage may increase and the voltage Vf of the fuel cell stack FCS may decrease.
また、負荷Loから燃料電池ユニットFCUに要求される電力が比較的大きい場合、濃度過電圧が増加し燃料電池スタックFCSの電圧Vfが低下するおそれがある。 Further, when the power required from the load Lo to the fuel cell unit FCU is relatively large, there is a possibility that the concentration overvoltage increases and the voltage Vf of the fuel cell stack FCS decreases.
また、一般に、大気中の酸素濃度(車両Veの外の空気の酸素濃度や定置式発電機Sgを覆う建物の外の空気の酸素濃度)は約21[%]であるが、燃料電池スタックFCS内の空気に含まれる酸素は発電によって消費されるため、燃料電池スタックFCSから排出される空気の酸素濃度は大気中の酸素濃度より低い。そのため、燃料電池スタックFCSから排出される空気をエアコンプレッサACPが吸い込んだ場合、エアコンプレッサACPから燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度が比較的低くなるため、濃度過電圧が増加し燃料電池スタックFCSの電圧Vfが低下するおそれがある。 Generally, the oxygen concentration in the atmosphere (the oxygen concentration in the air outside the vehicle Ve and the oxygen concentration in the air outside the building covering the stationary generator Sg) is about 21%, but the fuel cell stack FCS Since the oxygen contained in the air inside the fuel cell stack is consumed during power generation, the oxygen concentration of the air discharged from the fuel cell stack FCS is lower than the oxygen concentration in the atmosphere. Therefore, when the air compressor ACP sucks the air discharged from the fuel cell stack FCS, the oxygen concentration of the air supplied from the air compressor ACP to the fuel cell stack FCS becomes relatively low, so the concentration overvoltage increases and the fuel cell There is a possibility that the voltage Vf of the stack FCS will decrease.
そして、これらの条件が重なると、燃料電池スタックFCSの電圧Vfが低下する可能性がさらに高くなる。 When these conditions overlap, the possibility that the voltage Vf of the fuel cell stack FCS will decrease further increases.
そこで、実施形態の燃料電池ユニットFCUでは、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度の指標である酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、エアコンプレッサACPから燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理、または、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理のうち少なくとも1つの処理を実行する構成である。燃料電池スタックFCSに供給される空気の流量を増加させる処理、または、燃料電池ユニットFCU内を換気させる処理が実行されると、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度を上昇させることができる。これにより、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックに供給される空気の酸素濃度を上昇させることができ、燃料電池スタックの電圧が低下することを抑制することができる。すなわち、実施形態の燃料電池ユニットFCUによれば、燃料電池スタックFCSに供給される空気の酸素濃度が低下し易い環境下において、燃料電池スタックFCSの発電を安定させることができる。 Therefore, in the fuel cell unit FCU of the embodiment, when the oxygen stoichiometric value, which is an index of the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack FCS, is smaller than the target oxygen stoichiometric value, the fuel cell stack FCS is supplied from the air compressor ACP to the fuel cell stack FCS. This configuration executes at least one of a process of increasing the flow rate of air and a process of ventilating the inside of the fuel cell unit FCU. When the process of increasing the flow rate of air supplied to the fuel cell stack FCS or the process of ventilating the inside of the fuel cell unit FCU is executed, the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack FCS can be increased. can. Thereby, when the oxygen stoichiometric value is smaller than the target oxygen stoichiometric value, the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack can be increased, and the voltage of the fuel cell stack can be prevented from decreasing. That is, according to the fuel cell unit FCU of the embodiment, the power generation of the fuel cell stack FCS can be stabilized in an environment where the oxygen concentration of the air supplied to the fuel cell stack FCS tends to decrease.
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and changes can be made without departing from the gist of the present invention.
FCU 燃料電池ユニット
STR 記憶部
CNT 制御部
Ve 車両
Lo 負荷
Sg 定置式発電機
FCS 燃料電池スタック
Tk 燃料タンク
SV 主止弁
INJ インジェクタ
GLS 気液分離機
HP 循環ポンプ
EDV 排気排水弁
DIL 希釈器
ACP エアコンプレッサ
ARV エア調圧弁
ASV エアシャット弁
R ラジエタ
F ファン
WP ウォータポンプ
IC インタークーラ
CNV DCDCコンバータ
B 蓄電装置
Svf 電圧センサ
Sif 電流センサ
Svb 電圧センサ
Sib 電流センサ
OCD 酸素濃度検出部
FCU Fuel cell unit STR Storage unit CNT Control unit Ve Vehicle Lo Load Sg Stationary generator FCS Fuel cell stack Tk Fuel tank SV Main stop valve INJ Injector GLS Gas-liquid separator HP Circulation pump EDV Exhaust drain valve DIL Diluter ACP Air compressor ARV Air pressure regulating valve ASV Air shutoff valve R Radiator F Fan WP Water pump IC Intercooler CNV DCDC converter B Power storage device Svf Voltage sensor Sif Current sensor Svb Voltage sensor Sib Current sensor OCD Oxygen concentration detection section
Claims (4)
燃料電池スタックと、
前記燃料電池ユニット内の空気を前記燃料電池スタックに供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池ユニット内を換気する換気部と、
前記燃料電池ユニットの吸入空気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記エアコンプレッサ及び前記換気部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックのエアストイキと、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度を標準酸素濃度で除算した値とを乗算した値である酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、前記エアコンプレッサの動作を制御することにより前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させる処理、または、前記換気部の動作を制御することにより前記燃料電池ユニット内を換気させる処理のうち少なくとも1つの処理を実行する
ことを特徴とする燃料電池ユニット。 In the fuel cell unit,
fuel cell stack,
an air compressor that supplies air within the fuel cell unit to the fuel cell stack;
a ventilation section that ventilates the interior of the fuel cell unit;
an oxygen concentration detection section that detects the oxygen concentration of intake air of the fuel cell unit;
a control unit that controls operations of the air compressor and the ventilation unit;
Equipped with
When the oxygen stoichiometric value, which is a value obtained by multiplying the air stoichiometric of the fuel cell stack by the value obtained by dividing the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection unit by the standard oxygen concentration, is smaller than the target oxygen stoichiometric, At least one of a process of increasing the flow rate of air supplied to the fuel cell stack by controlling the operation of the air compressor, and a process of ventilating the inside of the fuel cell unit by controlling the operation of the ventilation section. A fuel cell unit characterized by executing one process.
前記制御部は、前記酸素ストイキが前記目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、前記酸素ストイキを前記目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量が、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量の許容範囲の上限値以下である場合に、前記空気の流量を増加させる処理を実行する
ことを特徴とする燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 1,
The control unit controls, when the oxygen stoichiometric is smaller than the target oxygen stoichiometric, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack required to increase the oxygen stoichiometric to the target oxygen stoichiometric; A fuel cell unit characterized in that, when the flow rate of air supplied to the fuel cell stack is below an upper limit value of an allowable range, a process of increasing the flow rate of the air is executed.
前記換気部は、前記燃料電池スタックの発熱により温められた冷媒を空気と熱交換させるラジエタの放熱量を上昇させるファンである
ことを特徴とする燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 1,
The fuel cell unit is characterized in that the ventilation section is a fan that increases the heat radiation amount of a radiator that exchanges heat with air between the refrigerant warmed by the heat generated by the fuel cell stack.
通知部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池ユニット内を換気させる処理を実行した後に、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度が所定濃度よりも低い場合、前記燃料電池ユニットの外の空気の酸素濃度が低下している旨を前記通知部により前記燃料電池ユニットの外に通知させる
ことを特徴とする燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 1,
Equipped with a notification section,
If the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection section is lower than a predetermined concentration after executing the process of ventilating the inside of the fuel cell unit, the control section may control the oxygen concentration of the air outside the fuel cell unit to A fuel cell unit, characterized in that the notification section notifies the outside of the fuel cell unit that the fuel cell temperature has decreased.
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