JP3731517B2

JP3731517B2 - 燃料電池システムの制御装置

Info

Publication number: JP3731517B2
Application number: JP2001305981A
Authority: JP
Inventors: 幸一赤堀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: JP2003115314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特にパージ制御に関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池では、アノード（陽極）側で燃料ガス（水素ガス）が消費され、セルのカソード（陰極）側で生成される水がセルの隔室に蓄積する。また、燃料ガス（水素ガス）や酸化ガス（空気）中に含まれる窒素などの不純物も蓄積される。これら水や不純物が蓄積されると、セルの発電電力が低下するなど性能の低下が起こってしまう。
【０００３】
そこで、特開2000-215905のように、水や不純物などを除去するパージ動作を行うためガス通路を一定間隔で大気開放する方法がある（従来例１）。
【０００４】
また、特開2000-243417のように、一定時間毎にパージを行うとともに、隔室内に不純物が蓄積されると、セル電圧の低下が起こるため、セル電圧の低下を検出したら、パージを行う方法がある（従来例２）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パージでは水や不純物などの除去とともに燃料の放出、あるいは発電量の一時的な低下などの副作用を伴うが、従来例１では、定期的にパージを行うので実際には水や不純物が蓄積されていないにも関わらずパージを行ってしまうことがあるため、燃費の悪化となる。
【０００６】
また、従来例２でもセル電圧の低下が無くとも一定時間経過すると、パージを行ない実際には水や不純物が蓄積されていないにも関わらずパージを行ってしまうことがあるため、燃費の悪化となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為、第１の発明では、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて電力を得るセルと、セル内の燃料ガス通路、酸化ガス通路の少なくとも一方をパージするパージ手段、単セルあるいは複数のセルからなるセル群の電圧を検出するセル電圧検出手段と、検出されたセル電圧の状態に応じてパージ手段を作動させるパージ制御手段を備えた燃料電池システムの制御装置において、パージ制御手段は、セル電圧検出手段の正常時には、セル電圧が低下していればパージ手段を作動させる一方、セル電圧が低下していなければパージ手段の作動を停止させ、セル電圧検出手段の異常時には、所定の間隔でパージ手段を作動させる構成とした。
【０００８】
第２の発明では、パージ手段の作動時間は燃料電池の運転状態に基づいて決める構成とした。
【０００９】
第3の発明では、燃料電池の運転状態は、燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力の少なくとも１つ以上の状態であり、これらの値が小さいほど作動時間を長くする構成とした。
【００１０】
第4の発明では、所定の間隔は、燃料電池の運転状態に基づいて決める構成とした。
【００１１】
第5の発明では、燃料電池の運転状態は、燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力の少なくとも１つ以上の状態であり、これらの値が小さいほど所定の間隔を小さくする構成とした。
【００１２】
第６の発明では、パージ制御手段は、セル電圧検出手段の正常時のパージ手段の作動間隔を記憶し、セル電圧検出手段の異常時には、記憶された作動間隔を所定の間隔とする構成とした。
【００１３】
第7の発明では、記憶された作動間隔のうち、最後に記憶された作動間隔を所定の間隔とする構成とした。
【００１４】
第8の発明では、記憶された作動間隔のうち、もっとも短い作動間隔を所定の間隔とする構成とした。
【００１５】
第９の発明では、パージ制御手段は、セル電圧検出手段の正常時のパージ手段の作動間隔を記憶するとともに当該パージ手段作動時の燃料電池の運転状態を記憶し、セル電圧検出手段の異常時には、記憶された作動間隔のうち、現在の燃料電池の運転状態に最も近い運転状態時に記憶された作動間隔を所定の間隔とする構成とした。
【００１６】
第10の発明では、所定の間隔を設定するにあたり、記憶された作動間隔のうち、異常直前に記憶されたデータは考慮しない構成とした。
【００１７】
【発明の効果】
第１の発明によれば、セル電圧検出手段が正常である間はセル電圧の状態に応じてパージ手段を作動させるので、実際には水や不純物が蓄積されていないにも関わらずパージを行ってしまい燃費を悪化させる、ということを防ぐとともに、セル電圧検出手段の異常時には、所定の間隔でパージ手段を作動させることで、セル電圧検出手段の異常時であっても水や不純物を取り除くことが出来る。
【００１８】
また、パージし易さ、つまり水や不純物の除去し易さは燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力など燃料電池の運転状態に依存するが、第２の発明では、運転状態に基づいてパージ手段の作動時間を決めるようにしたため、水や不純物が蓄積しにくくなくなり、燃料電池スタックの性能低下を効果的に防止することが出来る。
【００１９】
特に、燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力が小さいときには、パージ動作を行ったとしても、ガスの流速が遅いため、パージの効果が小さい。そこで、第３の発明によれば、これらの値が小さいほど、パージする時間を長くすることで、蓄積された水や不純物が除去され易くなり、パージの効果を高め、燃料電池スタックの性能低下をより効果的に防止することが出来る。
【００２０】
また、パージの必要性、つまり水や不純物の発生・蓄積し易さは燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力など燃料電池の運転状態に依存するが、第４の発明では、運転状態に基づいて所定の間隔を決めパージを行うようにしたため、水や不純物が蓄積しにくくなくなり、燃料電池スタックの性能低下を効果的に防止することが出来る。
【００２１】
特に、燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力が小さいときには、水や不純物が隔壁内に蓄積されやすい。そこで、第５の発明によれば、これらの値が小さいほど、短い間隔でパージを行うようにしたため、水や不純物が蓄積され難くなり、燃料電池スタックの性能低下を防止することがより効果的に出来る。
【００２２】
第６の発明によれば、セル電圧検出手段の正常時のパージ手段の作動間隔を記憶しておくことで、セル電圧検出手段の異常時であっても適切な間隔でパージを行うことができ、水や不純物が隔室内に蓄積されることを防止しつつ、無駄にパージを行うことを抑制できる。
【００２３】
第７の発明によれば、最後に記憶された作動間隔でパージを行うことで、記憶された時と現在の運転状態が近似している可能性が高いので、より適切な間隔でパージを行うことができる可能性が高まる。
【００２４】
第８の発明によれば、記憶された中のもっとも短い作動間隔でパージを行うことで、水や不純物が隔室内に蓄積されることを確実に防止できる。
【００２５】
第９の発明によれば、作動間隔と共に運転状態を記憶しておくことで、セル電圧検出手段の異常時にも、運転状態に応じたより適切な間隔でパージを行うことができる。
【００２６】
第１０の発明によれば、信頼性の低い異常直前のデータは用いないことでより適切な間隔でパージを行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明を適用した燃料電池システムを示す。
【００２８】
２０１は、複数のセルから構成される燃料電池スタックである。２０２は、加湿器である。２０３は、コンプレッサーで、燃料電池スタックに圧縮空気を送る。２０４は、可変バルブであり、高圧の水素の圧力を調整して、燃料スタックへ流れる水素の流量を調整する。２０５は、スロットルであり、燃料電池スタックに供給される加湿された圧縮空気の流量を調整する。２０６は、パージ手段としてのパージ弁で循環している水素を外部へ排気するとともに、燃料電池スタックに蓄積した水や不純物を排気することでパージを行う。２０７は、純水ポンプであり、加湿器へ純水を送り込む。２０８は、イジェクターであり、燃料電池スタックから排出された水素ガスを循環させる。２０９は、燃料電池の発電力を利用する駆動ユニット（負荷）である。２１０は、酸化ガス（空気）の圧力を計測するセンサである。２１１は、燃料ガス（水素）の圧力を計測するセンサである。２１２は、酸化ガスの流量を計測するセンサである。２１３は、燃料ガスの流量を計測するセンサである。２１４は、目標発電量になるように、燃料ガスの圧力と流量、酸化ガスの圧力と流量を入力としてスロットル２０５とコンプレッサ２０３と可変バルブ２０４を制御し、パージ制御手段としてパージ弁２０６を駆動するコントローラである。２１５は、燃料電池スタックのセル電圧を計測するセル電圧センサである。セル電圧センサ２１５は図には便宜上1つしか書いていないが、燃料電池スタックの中にある、すべての単セル毎に、あるいは複数のセルからなるセル群毎に備えられている。
【００２９】
図２に、本発明の第１の実施形態に関する制御フローチャートを示す。本フローチャートは例えば１０ｍｓ毎に繰り返し実行されるものである。
【００３０】
ステップS301では、セル電圧を検出する。ステップS302では、セル電圧センサ２１５が正常であるか判断して、正常であればステップS303へ進み、異常であればステップS306へ進む。
【００３１】
セル電圧センサ２１５が正常に機能しているかを判断するには、通常セル電圧モニター値が示す値がV1〜V2（V1<V2）であるとする。
正常の場合にはこの範囲内に電圧モニター値が入っているが、セル電圧センサ２１５が断線してしまった場合には、V1より低い電圧を指し示すかV2より高い電圧を指し示す。
このような状態が所定時間続いた場合にセル電圧センサーが断線したと判断できる。
また、電源ラインへのショートやグランドラインへのショートなども、同様の方法で検出できる。
【００３２】
ステップS303では、セル電圧が低下しているセルがないかを判断して、低下セルがあればステップS304へ進み、なければステップS305へ進みパージ弁２０６を閉じる。
【００３３】
セル電圧が低下しているセルが有るということは、燃料スタックに水や不純物が堆積している可能性が高いことからステップS304では、パージ弁２０６を開く。
【００３４】
ステップS306では、パージ弁２０６の状態を判断して、閉じていればステップS307へ進み、開いていればステップS309へ進む。
【００３５】
ステップS307では、パージ弁２０６が閉じてから所定時間（t1）経過しているか判断して、所定時間（t1）経過していればステップS308へ進み、パージ弁２０６を開く。所定時間（t1）の決め方は後述する。なお、この所定時間（t1）が請求項１の「所定の間隔」に相当するものである。
【００３６】
ステップS309ではパージ弁が開いてから所定時間（t2）経過しているかを判断して、所定時間（t2）経過していればステップS310へ進み、パージ弁を閉じる。所定時間（t２）の決め方は後述する。なお、この所定時間（t２）が請求項２の「作動時間」に相当するものである。
【００３７】
図３に所定時間（t1）の設定に関する制御フローチャート（Ａ）と、所定時間（t２）の設定に関する制御フローチャート（Ｂ）を示す。
ステップS401A、S401Bでは、水素ガスの流量を検出する。ステップS402Aでは、水素ガス流量から図4に示すようなマップを検索して、所定時間（t1）を、ステップS402Bでは、図５に示すようなマップを検索して、所定時間（t２）を求める。
【００３８】
水素ガスの流量が小さいほど水や不純物が発生・蓄積し易い傾向に有るため図4に示すように水素ガスの流量が小さいほど所定時間（t1）を小さくして短い間隔でパージを行うようにしたため、水や不純物が蓄積しにくくなくなり、燃料電池スタックの性能低下を効果的に防止することが出来る。
【００３９】
また、水素ガスの流量が小さいときには、パージ動作を行ったとしても、ガスの流速が遅いため、パージの効果が小さいので図５に示すように水素ガスの流量が小さいほど所定時間（t２）を大きくしてパージする時間を長くすることで、蓄積された水や不純物が除去され易くなり、パージの効果を高め、燃料電池スタックの性能低下をより効果的に防止することが出来る。
【００４０】
なお、ここでは所定時間（t1）、所定時間（t２）の設定に水素ガスの流量を用いたが、これに限らず他の燃料電池の運転状態、例えば燃料電池の負荷、ガス圧力等から求めるようにしても良い。またマップ検索でなく数式を用いても良い。
【００４１】
次に第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は所定時間（ｔ１）すなわちセル電圧検出手段の異常時のパージ間隔の設定方法が第1の実施形態と異なり、その他の制御は同一である。
【００４２】
図６に、本発明の第２の実施形態における所定時間（ｔ１）の設定に関する制御フローチャートを示す。本フローは第1の実施形態における図３の制御フローチャート（Ａ）の代わりに行われるものである。
【００４３】
ステップS601では、セル電圧センサ２１５が正常であるか判断して、正常であればステップS602へ進み、異常であればステップS604へ進む。
ステップS602では、パージを開始したかを判断してパージ開始したら、ステップS603へ進み、そうでなければ終了する。
ステップS603では、前回のパージ開始から今回のパージ開始までの時間すなわちパージ間隔を記憶する。
ステップS604では、ステップS603で記憶されたパージ間隔を所定時間（t１）とする。
【００４４】
このような制御を行うことで、セル電圧検出手段の異常時には正常時に行われていたのと同じ間隔でパージを行うことが出来るので、適切な間隔でパージが行われることになる。
【００４５】
ここで、ステップＳ６０３でパージ間隔を記憶する際に、最新のパージ間隔のみを記憶しておく構成とすると、メモリ容量の節約になるとともに、その後の異常発生時と記憶した時の運転状態が近似している可能性が高くなり、異常時にも運転状態に応じたより適切な間隔でパージを行うことができる可能性が高まる。
【００４６】
また、ステップＳ６０３でパージ間隔を記憶する際に、パージ間隔の履歴を記憶しておき、ステップＳ６０４では記憶されているパージ間隔の中のもっとも短いものを所定時間（t１）とすることで、異常発生後に運転状態が水や不純物が隔室内に蓄積されやすい状態になったとしても、これらの蓄積が確実に防止できる。
【００４７】
ところでセル電圧検出手段が異常と判定される直前に記憶されたパージ間隔は信頼性の低いデータである可能性が高いので、ステップS６０３では、記憶されたパージ間隔のうち、異常発生直前に記憶されたデータは考慮しないようにすると、より一層精度が向上する。
【００４８】
なお、ステップＳ６０３でパージ間隔を記憶する際に、パージ開始毎に常時記憶を更新するのではなく、記憶されているパージ間隔よりも短くなったときにのみ更新する構成とすると、メモリ容量を節約しつつ、記憶された中のもっとも短いものを所定時間（t１）とすることと等価な制御を行うことが出来る。
【００４９】
次に第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態は所定時間（ｔ１）すなわちセル電圧検出手段の異常時のパージ間隔の設定方法が第1、第２の実施形態と異なり、その他の制御は同一である。
【００５０】
図７に、本発明の第３の実施形態における所定時間（ｔ１）の設定に関する制御フローチャートを示す。本フローは第1の実施形態における図３の制御フローチャート（Ａ）、第２の実施形態における図６の制御フローチャートの代わりに行われるものである。
【００５１】
ステップS701では、運転状態（燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力等）を検出する。ステップS702では、セル電圧検出手段が正常であるか判断して、正常であればステップS703へ進み、異常であればステップS705へ進む。ステップS703では、パージを開始したかを判断してパージ開始したら、ステップS704へ進み、そうでなければ終了する。ステップS704では、運転状態と共にパージ間隔を記憶する。ステップS705では、現在の運転状態に最も近い運転状態時に記憶されたパージ間隔を所定時間（t１）に設定する。
【００５２】
このように所定時間（t１）を設定することでセル電圧検出手段の異常時にも、運転状態に応じたより適切な間隔でパージを行うことができる。
【００５３】
ところでセル電圧検出手段が異常と判定される直前に記憶されたパージ間隔は信頼性の低いデータである可能性が高いので、ステップS705では、記憶されたパージ間隔のうち、異常発生直前に記憶されたデータは考慮しないようにすると、より一層精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の第1の実施形態の制御フローチャートである。
【図３】第1の実施形態の所定時間（ｔ１）、（ｔ２）の設定に関する制御フローチャートである。
【図４】第1の実施形態の所定時間（ｔ１）の設定に関するマップである。
【図５】第1の実施形態の所定時間（ｔ２）の設定に関するマップである。
【図６】第２の実施形態の所定時間（ｔ１）の設定に関する制御フローチャートである。
【図７】第３の実施形態の所定時間（ｔ１）の設定に関する制御フローチャートである。
【符号の説明】
２０１燃料電池スタック
２０６パージ弁
２０９燃料電池の発電力を利用する駆動ユニット（負荷）
２１０酸化ガス（空気）の圧力を計測するセンサ
２１１燃料ガス（水素）の圧力を計測するセンサ
２１２酸化ガスの流量を計測するセンサ
２１３燃料ガスの流量を計測するセンサ
２１４コントローラ
２１５セル電圧センサ

Claims

燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて電力を得るセルと、
セル内の燃料ガス通路、酸化ガス通路の少なくとも一方をパージするパージ手段と、
単セルあるいは複数のセルからなるセル群の電圧を検出するセル電圧検出手段と、
検出されたセル電圧の状態に応じてパージ手段を作動させるパージ制御手段を備えた燃料電池システムの制御装置において、
パージ制御手段は、上記セル電圧検出手段の正常時には、セル電圧が低下していればパージ手段を作動させる一方、セル電圧が低下していなければパージ手段の作動を停止させ、上記セル電圧検出手段の異常時には、所定の間隔でパージ手段を作動させることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
前記パージ手段の作動時間は燃料電池の運転状態に基づいて決めることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
前記燃料電池の運転状態は、燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力の少なくとも１つ以上の状態であり、
これらの値が小さいほど前記作動時間を長くすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
前記所定の間隔は、燃料電池の運転状態に基づいて決めることを特徴とする請求項１乃至３記載の燃料電池システムの制御装置。
前記燃料電池の運転状態は、燃料電池の負荷、ガス流量、ガス圧力の少なくとも１つ以上の状態であり、
これらの値が小さいほど前記所定の間隔を小さくすることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システムの制御装置。
前記パージ制御手段は、上記セル電圧検出手段の正常時のパージ手段の作動間隔を記憶し、上記セル電圧検出手段の異常時には、記憶された作動間隔を前記所定の間隔とすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システムの制御装置。
上記記憶された作動間隔のうち、最後に記憶された作動間隔を前記所定の間隔とすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
上記記憶された作動間隔のうち、もっとも短い作動間隔を前記所定の間隔とすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記パージ制御手段は、上記セル電圧検出手段の正常時のパージ手段の作動間隔を記憶するとともに当該パージ手段作動時の燃料電池の運転状態を記憶し、上記セル電圧検出手段の異常時には、記憶された作動間隔のうち、現在の燃料電池の運転状態に最も近い運転状態時に記憶された作動間隔を前記所定の間隔とすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
上記所定の間隔を設定するにあたり、前記記憶された作動間隔のうち、上記セル電圧検出手段の異常と判定される直前に記憶されたデータは考慮しないことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。