JP4064213B2 - Method and apparatus for discharging fuel cell stack - Google Patents
Method and apparatus for discharging fuel cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- JP4064213B2 JP4064213B2 JP2002330228A JP2002330228A JP4064213B2 JP 4064213 B2 JP4064213 B2 JP 4064213B2 JP 2002330228 A JP2002330228 A JP 2002330228A JP 2002330228 A JP2002330228 A JP 2002330228A JP 4064213 B2 JP4064213 B2 JP 4064213B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- fuel cell
- cell stack
- stack
- discharge
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のセルが直列接続された燃料電池スタックの発電を停止したときに、前記燃料電池スタックに残っている電圧をディスチャージする方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側にそれぞれカソード電極およびカソード電極を配置した電解質膜(電解質)・電極構造体を、セパレータによって挟んで保持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータからなるセルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【0003】
燃料電池において、カソード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、カソード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面に沿って設けられ、燃料電池装置とされている。
【0005】
このような燃料電池装置では、長期的に安定した発電運転を維持継続するために定期的に運転を停止して点検することが必要であるとされている(特許文献1参照)。
【0006】
この特許文献1の「燃料電池発電装置」では、点検の際に、燃料ガスを不活性ガスに置換するとともに、燃料電池スタックに残る電圧を短絡スイッチにより短絡し、さらに短絡後に接地スイッチにより接地してディスチャージし安全に点検作業ができると開示されている。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−139221号公報(段落[0018]、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記特許文献1に係る技術では、点検の際における点検者の保護については考慮されているが、燃料電池スタックおよびセルの保護という観点については何も考慮されていない。
【0009】
また、短絡スイッチおよび接地スイッチの投入が手動で行われており、作業効率が悪いという問題が指摘される。
【0010】
さらに、燃料電池スタックを搭載した車両、いわゆる燃料電池車両では、点検を目的としない通常の駐車時にも、燃料電池スタックの発電が長時間停止される場合があるが、この点についても何も考慮されていない。
【0011】
この発明は、このような種々の課題を考慮してなされたものであり、燃料電池スタックの発電の停止時に、燃料電池スタックの保護をも考慮した燃料電池スタックのディスチャージ方法およびその装置を提供することを目的とする。
【0012】
また、この発明は、燃料電池スタックの発電の停止時に、ディスチャージの作業効率を向上することを可能とする燃料電池スタックのディスチャージ方法およびその装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【0014】
この発明の燃料電池スタックのディスチャージ方法は、複数のセル(12)が直列に接続され、メインコンタクタ(32)を通じて負荷と蓄電装置(36)に接続される燃料電池スタック(14)の発電を停止したときに、アノード電極に不活性ガス(N2)を供給すると共に、前記燃料電池スタックに残っている電圧をディスチャージする方法において、以下の特徴を有する。
【0015】
(1)ディスチャージ処理(図2)中に、前記各セルの電圧(Vc)を測定する過程(S8)と、測定した各セルの電圧中、最低セル電圧(Vmin)が所定値(V1)以上であるときに、前記メインコンタクタを閉じて(S11)ディスチャージすると共に、前記燃料電池スタックの両端電圧であるスタック電圧(Vh)により前記蓄電装置(36)に蓄積し(S8「否定」)、最低セル電圧が所定値以下であるときに、前記メインコンタクタを開いてディスチャージしない(S8「肯定」)過程とを有する。所定の最低セル電圧(V1)以上の場合にのみ、ディスチャージを継続するようにしているので、特定のセルの電圧が低下して、このセルがダメージを受けることなく保護される。また、ディスチャージ処理は、自動的に行われるので作業効率が高い。さらに、ディスチャージする電気を蓄電装置に蓄積するようにしているので、燃料電池スタックの電気を有効に利用することができる。たとえば、ダウンバータや各種ポンプ等の電源として利用することができる。
【0016】
(2)上記特徴(1)において、さらに、前記最低セル電圧が前記所定値以下である継続時間(T)を測定する過程(S12)と、測定した継続時間が所定時間に達したとき(S12「肯定」)、前記ディスチャージ処理が完了したと判断する過程とを有するようにしているので、ディスチャージ処理を自動的に完了させることができる。最低セル電圧が所定値以下である継続時間を所定時間保持することで、燃料ガスが確実に不活性ガスに置換され、セルに残っている電圧を一層確実にディスチャージすることができる。
【0017】
(3)上記特徴(1)または(2)において、さらに、前記燃料電池スタックのスタック電圧(Vh)を測定する過程(S7)と、測定した前記スタック電圧が所定値(V2)以下となったとき、ディスチャージ処理が完了したと判断する過程(S19)とを有するので、燃料電池スタックとしてディスチャージ処理を自動的に完了させることができる。
【0019】
また、この発明の燃料電池スタックのディスチャージ装置は、複数のセル(12)が直列に接続され、メインコンタクタ(32)を通じて負荷と蓄電装置(36)に接続される燃料電池スタック(14)の発電を停止したときに、アノード電極に不活性ガス(N2)を供給すると共に、前記燃料電池スタックに残っている電圧をディスチャージする装置において、ディスチャージ処理中に、前記各セルの電圧(Vc)を測定する手段(16)と、測定した各セルの電圧中、最低セル電圧(Vmin)が所定値(V1)以上であるときに、前記メインコンタクタを閉じて(S11)ディスチャージすると共に、前記燃料電池スタックの両端電圧であるスタック電圧(Vh)により前記蓄電装置(36)に蓄積し、前記最低セル電圧が所定値以下であるときに、前記メインコンタクタを開いてディスチャージしないように制御するディスチャージ制御手段(16)とを有することを特徴とする。この場合にも、特定のセルの電圧が低下して、このセルがダメージを受けることなく保護される。また、ディスチャージ処理は、自動的に行われるので作業効率が高い。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0021】
図1は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム10の構成を示している。
【0022】
この燃料電池システム10は、基本的には、複数のセル12が電気的に直列に接続された燃料電池スタック14と、この燃料電池スタック14を含む燃料電池システム10の全体的な動作を制御する制御部16とから構成されている。
【0023】
各セル12は、周知のようにアノード電極と電解質膜(この実施形態では固体高分子膜)とカソード電極とからなる燃料電池がセパレータにより挟まれて保持された構造とされている。これら各セル12の発生電圧(セル電圧)Vcは、制御部16により検出される。
【0024】
燃料電池スタック14は、このように構成される各セル12が積層され、両端に電圧取出板であるターミナルプレート18,20が取り付けられ、さらにターミナルプレート18,20の両側がエンドプレート22により保持固定された構造とされている。
【0025】
そして、ターミナルプレート18,20に発生する燃料電池スタック14の両端の電圧(通常、高圧電圧であるスタック電圧)Vhが制御部16により検出されるとともに、このスタック電圧Vhは、コンタクタ(メインコンタクタ)32を通じて、高圧負荷、たとえば車両を推進するためのモータに印加され、かつコンタクタ(キャパシタコンタクタ)34を通じて電気を蓄える蓄電装置であるキャパシタ36の一方の入力側(直流出力側にもなる。)に印加される。
【0026】
キャパシタ36は、蓄積されている電気を、必要に応じて高圧負荷に供給するとともにダウンバータ86に供給する。ダウンバータ86は、スタック電圧Vhを低圧電圧として低圧バッテリ88に供給する。低圧バッテリ88の出力電圧は制御部16等、低電圧動作する補機類に印加される。
【0027】
一方、燃料電池スタック14を構成するエンドプレート22の一端側には燃料ガスの供給ポート24と空気の供給ポート26とが設けられ、他端側には燃料ガスおよび水等の排出ポート28と、空気および水の排出ポート30が設けられている。
【0028】
燃料ガスの供給ポート24には、実際上、燃料電池スタック14の発電時に、燃料ガスボンベ50から開閉弁(燃料弁)52および圧力調節弁54を介して燃料ガスである水素(H2)が供給されるが、燃料電池スタック14の発電が停止し、かつ一定の条件が成立していると判定したときには、置換ガスボンベ56から開閉弁(置換ガス弁)58を介し、化学的に安定で電気化学反応を起こしにくい不活性ガスである窒素(N2)が前記の圧力調節弁54を介して供給されるようになっている。なお、燃料ガスの供給時には置換ガス弁58が閉とされ、置換ガスの供給時には燃料弁52が閉とされる。不活性ガスとしては窒素以外にHe,Ne,Ar等の希ガスを使用することも可能である。
【0029】
空気の供給ポート26には、大気である外気への連通口からコンプレッサ60を通じて圧縮空気が供給される。この圧縮空気の圧力は、圧力センサ62により検出され、この圧力センサ62の検出圧力に応じて燃料ガス(水素)および置換ガス(窒素)の圧力調節弁54の開度が調節される。
【0030】
さらに、燃料ガスの排出ポート28と排気システムとの間には、開閉弁(水素パージ弁)70が設けられている。また、燃料ガスの排出ポート28と供給ポート24との間には、開閉弁(循環弁)71と循環ポンプ72が接続されている。これら開閉弁70,71は、3方弁に置換することができる。
【0031】
循環弁71が閉じられ、水素パージ弁70が開かれているときには、排出ポート28と排気システムとが連通され、排出ポート28から水と水素が排気システムに供給されて排出され、その一方、水素パージ弁70が閉じられ循環弁71が開かれていて排出ポート28と循環ポンプ72を通じて供給ポート24とが連通されているときには、循環ポンプ72により排出ポート28からの水素が供給ポート24にもどされ、水素が有効利用される。
【0032】
空気および水の排出ポート30は、圧力調節弁である排圧弁73を介して外気に連通している。
【0033】
上記のキャパシタ36の他方の入力側には、図示していない商用交流電源からプラグ,充電器82およびコンタクタ(充電器コンタクタ)84を介して充電電圧が供給されてキャパシタ36が充電されるとともに、上記したように、キャパシタ36の直流出力側(燃料電池スタック14からの直流入力側あるいは高圧負荷からの回生直流入力側にもなる。)にはダウンバータ86を介してバッテリ88が接続されている。
【0034】
制御部16は、CPU(Central Processing Unit)90,ROM(Read Only Memory)・RAM(Random Access Memory)等のメモリ92,計数・計時手段であるカウンタ・タイマ(タイマという。)94,A/D変換器・D/A変換器・ドライバ等のインタフェース(I/F)96が搭載された制御基板で構成されている。
【0035】
制御部16(のCPU90)は、各種入力(入力装置98からの入力あるいはセル電圧Vc,スタック電圧Vh等の検出入力)に対応して、メモリ92に格納されているプログラムを実行することで、燃料電池システム10全体を統括して制御する。たとえば、燃料電池システム10が車両に搭載されている場合には、制御部16は、入力装置98を構成する、イグニッションスイッチの位置、トランスミッションの位置、パーキングブレーキ、あるいはアクセルペダルさらにはエアコンスイッチ等の状態、およびセル電圧Vc、スタック電圧Vhに応じて、コンタクタ32,34,84の開閉制御、排圧弁73の排圧の調節、開閉弁52,58,70,71の開閉、ポンプ72およびコンプレッサ60の駆動、キャパシタ36やダウンバータ86の制御を行う。なお、上述したように、制御部16には、インタフェース96を通じてキーボード等の入力装置98を接続することが可能である。
【0036】
この実施形態に係る燃料電池システム10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、発電時の動作および発電停止時におけるディスチャージ処理動作について説明する。
【0037】
まず、モータやエアコン等の高圧負荷を駆動する発電時の動作について簡単に説明する。
【0038】
このとき、置換ガス弁58が閉、燃料弁52が開とされて、燃料ガスボンベ50から水素が燃料電池スタック14に供給可能な状態とされ、さらに空気の排圧弁73が所定開度に開かれることで、コンプレッサ60から空気の供給ポート26に供給される空気量が調整される。この空気量の圧力が圧力センサ62により検出され、圧力調節弁54の開度が、この検出圧力に応じた開度に調節されることで、所定量の水素が燃料供給ポート24に供給される。
【0039】
さらに、通常、循環弁71は開とされ、排出ポート28と供給ポート24とが循環ポンプ72を介して連通され、その間、水素パージ弁70が間欠的に開とされたとき排出ポート28と排気システムとが連通される。
【0040】
このようにして、燃料ガスである水素が供給ポート24を通じて各セル12のアノード電極に供給され、その一方、空気が供給ポート26を通じて各セル12のカソード電極に供給されることで、各セル12で電気化学反応が起こり、ターミナルプレート18,20間に各セル12のセル電圧Vcの直列電圧である高電圧(両端の電圧であるスタック電圧)Vhが発生する。
【0041】
このスタック電圧Vhが、メインコンタクタ32を通じて高圧負荷に供給される。高圧負荷が車両のモータである場合には、一般に、アイドリング時や定速走行時において燃料電池スタック14からのスタック電圧Vhが高圧負荷に供給され、加速時にはキャパシタコンタクタ34も閉じてキャパシタ36からも電気が高圧負荷に供給される。その一方、減速時には、発電機として機能するモータからキャパシタ36に電気が回生され、キャパシタ36に電気が蓄積される。以上の説明が発電時の動作である。
【0042】
次に、発電停止時における燃料電池スタック14の制御部16によるディスチャージ処理について、図2の制御フローチャートに基づいて説明する。
【0043】
ステップS1において、まず、ディスチャージ処理の要求があるかどうかが判定され、要求があった場合にはステップS2に進む。ここで、ディスチャージの要求は、燃料電池システム10の点検を必要とするときに点検者が入力装置98から要求指令を入力したとき(前者の条件という。)、あるいはメモリ92に予め記憶された条件(後者の条件という。)を満足したときに発生する。メモリ92に予め記憶された条件を満足したときとは、たとえば車両の例では、図示していないトランスミッションがパーキング位置に入っており、かつパーキングブレーキがかけられた状態で、さらに充電器82の入力側まで交流電圧が供給されている状態(充電器82のプラグが外部交流電源に接続されている状態)等をいう。
【0044】
この実施形態では、後者の条件が満足してディスチャージ制御が自動的に行われるときの制御動作について説明する。
【0045】
この場合、ステップS2において、ディスチャージ処理が完了しているかどうかがディスチャージ完了フラグFdがセットされている(Fd=1)かどうかにより判定される。
【0046】
ディスチャージ処理が開始していない場合あるいは完了していない場合には、このディスチャージ完了フラグFdはクリアされているのでステップS3に進む。
【0047】
ステップS3では、ディスチャージ処理の開始・継続のための準備処理が行われる。すなわち、燃料電池スタック14のディスチャージを行うために、燃料弁52を閉、置換ガス弁58を開、メインコンタクタ32とキャパシタコンタクタ34と充電器コンタクタ84をオン状態、ダウンバータ86をオン状態、充電器82をオン状態、循環弁71を開、循環ポンプ72を駆動状態とする。
【0048】
次に、ステップS4では、コンプレッサ60の回転数をディスチャージ用の所定回転数に設定してコンプレッサ60を駆動する。
【0049】
そして、ステップS5、S6では、排圧弁73の開度を所定開度とし、水素パージ弁70を所定時間開とする。ステップS5、S6の処理は前後しても同時でもよい。
【0050】
これらステップS3−S6の処理により、反応ガスである燃料ガス水素の燃料電池スタック14に対する供給が停止される。そして、置換ガスボンベ56から置換ガス弁58を介して導かれる置換ガスである窒素が、排圧弁73の開度とコンプレッサ60の回転数に応じた圧力センサ62による空気の検出圧力に基づき所定開度に開かれた圧力調節弁54を通じて供給ポート24に導入され燃料電池スタック14に供給される。この場合、循環弁71が開かれているので、循環ポンプ72を介して窒素が排出ポート28から供給ポート24に積極的にもどされ、窒素ガスを有効に活用できる。
【0051】
これにより、各セル12の内部が窒素ガスにより置換される一方、各セル12に残っている電圧は、メインコンタクタ32およびキャパシタコンタクタ34がオン状態とされていることから、主に、メインコンタクタ32の2次側からキャパシタ36に至るまでの線路の抵抗(浮遊抵抗)とキャパシタ36の入力インピーダンスからなる等価抵抗により消費され、徐々にディスチャージ(放電)される。ただし、このディスチャージの際、特に、初期時にはスタック電圧Vhが高いことから、大部分の電気がキャパシタ36に蓄積されることになり、電気を有効に利用することができる。キャパシタ36に蓄積された電気は、たとえば、ディスチャージ中におけるダウンバータ86用の電源やポンプ72の電源として利用することができる。
【0052】
次にステップS7において、ターミナルプレート18,20間の端子間電圧であるスタック電圧Vhが測定され、測定されたスタック電圧Vhが予め定められている所定電圧V2より低いかどうかが判定される。
【0053】
ディスチャージ処理当初は、スタック電圧Vhは高圧電圧となっているのでこの判定は成立しない。そこで、次に、ステップS8において、各セル12のセル電圧Vcの電圧値が測定されて確認され、測定されたセル電圧Vc中、電圧値のもっとも低い(最低な)セル電圧値が選択され、その最低セル電圧Vminが予め定められている所定電圧V1より低いかどうかが判定される。
【0054】
この場合にも、ディスチャージ当初はセル電圧Vcが高いことから、この判定は成立しないので、次に、ステップS9において、最低セル電圧Vmin以下の継続時間を規定するためのタイマ94の設定時間(最低セル電圧Vminが所定値以下である継続時間)Tが、予め定めた所定時間Tsに設定される。なお、最低セル電圧Vminが所定値V1以下である継続時間を規定するのは、該当するセル12のダメージを未然に回避するためと、継続時間の経過によりディスチャージをより確実に完了させるためである。
【0055】
ステップS9の処理時には、ディスチャージ処理が未完了であるので、ステップS10において、ディスチャージ完了フラグFdがクリアされる(F←0)。なお、このとき、既に、クリアされていれば、クリアされている状態が保持される。
【0056】
また、ステップS11においては、メインコンタクタ32もオン状態にされる。なお、このときにも、既に、オン状態にされていればオン状態が継続される。
【0057】
以上説明したステップS1「肯定」,S2「否定」,S3−S6,S7「否定」,S8「否定」−S11の処理が繰り返されて、燃料電池スタック14に残っている電圧のディスチャージが遂行される。
【0058】
そして、ディスチャージ遂行中に、ステップS8の判定が成立したとき、すなわち、最低セル電圧Vminが所定電圧V1よりも低い電圧となったとき、ステップS12において、タイマ94の設定時間Tがゼロ(T=0)になっているかどうかが判定される。
【0059】
ステップS12において設定時間Tがゼロでない場合には、ステップS13で、タイマ94の設定時間Tを1だけ減算する(T←T−1)。このときにも、ステップS14において、ディスチャージは未完了とみなしてステップS14においてディスチャージ完了フラグFdをクリアする。
【0060】
ただし、このときには、セル電圧Vcが最低セル電圧Vmin以下の値になっているので、ステップS15において、メインコンタクタ32をオフ状態とし、最低セル電圧Vminが過剰に低下しないように制御する。メインコンタクタ32をオフ状態とすることにより最低セル電圧が一時的に上昇する。このようにして、セル12が保護される。
【0061】
ステップS1「肯定」,S2「否定」,S3−S6,S7「否定」,S8「肯定」,S12「否定」,S13−S15の一連の処理が設定時間T経過したとき、最低セル電圧Vminが所定値V1以下である所定継続時間Tsに達したと判断され、ステップS12の判定が成立する(T=0)。このとき、ステップS16においてディスチャージ完了フラグFdがセットされ(Fd←1)、ディスチャージが完了とみなされ、ステップS17において、メインコンタクタ32がオフ状態とされてディスチャージ処理が正常に完了したとみなされる。
【0062】
なお、ディスチャージ処理が正常に完了したとみなされる他の例の判定ステップとして、ステップS7が設けられている。このステップS7においては、燃料電池スタック14のスタック電圧Vhが所定電圧V2以下となったときには、所定の継続時間Tsに達しない場合であっても、十分にディスチャージが完了していると判定する。この場合にも、ステップS18においてディスチャージ完了フラグFdがセットされ(Fd←1)、ステップS19において、メインコンタクタ32がオフ状態とされてディスチャージ処理が正常に完了したとみなされる。
【0063】
ステップS17あるいはステップS19においてディスチャージ処理が正常に完了したとみなされた場合には、ディスチャージ完了フラグFdがFd=1となっている。このため、次の処理周期でのステップS2の判定が成立しステップS20以降の処理に進む。
【0064】
このとき、ステップS20−S23においては、ディスチャージ処理の完了に伴う整理的な処理(終了準備処理)を行う。すなわち、ステップS20では、置換ガス弁58を閉、キャパシタコンタクタ34と充電器コンタクタ84とメインコンタクタ32をオフ状態、ダウンバータ86と充電器82をオフ状態、循環弁71を閉、循環ポンプ72を非駆動状態(オフ状態)とする。
【0065】
そして、ステップS21においては、さらに、コンプレッサ60が非駆動状態(オフ状態すなわち回転数がゼロ)とされる。次のステップS22においては、排圧弁73が全開状態とされ、排出ポート30が大気に連通される。さらに、ステップS23では、水素パージ弁70が閉状態とされる。
【0066】
このようにして、発電停止時における燃料電池スタック14の制御部16によるディスチャージ処理が完了する。
【0067】
このように上述した実施形態によれば、ディスチャージ処理(図2)中に、各セル12のセル電圧Vcを測定し、測定した各セル12のセル電圧Vc中、最低セル電圧Vminが所定電圧V1以上であるときにディスチャージし、最低セル電圧Vminが所定電圧V1以下であるときにディスチャージしないようにしているので、特定のセルの電圧が低下して、このセルがダメージを受けることなく、全てのセル12が保護され、結果として燃料電池スタック14自体が保護される。
【0068】
また、燃料電池スタック14の両端電圧であるスタック電圧Vhを測定し、測定したスタック電圧Vhが所定電圧V2以下となったとき、ディスチャージ処理が完了したと判断するようにしているので、燃料電池スタック14としてディスチャージ処理を自動的に完了させることができる。
【0069】
すなわち、この実施形態では、ディスチャージ処理を、手動ではなく自動で行うようにしているので作業効率が高い。特に、手動でコンプレッサ60の回転数を設定することは困難であり、必要以上の流量を燃料電池スタック14に流してしまうことが防止される。また、排圧弁73の開度も自動的に適切な値に設定できるので、圧力過多による燃料電池スタック14へのダメージも未然に防止される。このようにして、この実施形態では、燃料電池スタック14の発電停止時におけるディスチャージ処理の際に、作業効率の向上およびスタックの保護が両立される。
【0070】
また、燃料電池スタック14を搭載した車両では、点検を目的としない通常の駐車時にも、燃料電池スタック14の発電が長時間停止される場合があるが、この実施形態では、このような場合にもディスチャージを行うことができ、燃料電池スタック14の平均使用時間、いわゆる平均寿命を延ばすことができる。
【0071】
また、ディスチャージの際に、メインコンタクタ32とキャパシタコンタクタ34とをオン状態にし、キャパシタ36に電気を蓄積するようにしているので、エネルギの有効利用ができる。
【0072】
なお、所定電圧V1,V2等の各種設定値は、個々の燃料電池スタック14に対して、設計的あるいは実験的に最適な値を設定することができる。
【0073】
また、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、燃料電池スタックの発電の停止時に、燃料電池スタック自体の保護をも考慮したディスチャージ処理を実行できるという効果が達成される。
【0075】
また、この発明によれば、燃料電池スタックの発電の停止時に行うディスチャージ処理を自動的に行うことができるので、ディスチャージ処理の作業効率を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態が適用された燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図2】自動ディスチャージ処理の制御フローチャートである。
【符号の説明】
10…燃料電池システム 12…セル
14…燃料電池スタック 16…制御部
18,20…ターミナルプレート 22…エンドプレート
24…燃料ガスの供給ポート 26…空気の供給ポート
28…燃料ガスおよび水等の排出ポート 30…空気および水の排出ポート
32…コンタクタ(メインコンタクタ)
34…コンタクタ(キャパシタコンタクタ)
36…キャパシタ 50…燃料ガスボンベ
52…開閉弁(燃料弁) 54…圧力調節弁
56…置換ガスボンベ 58…開閉弁(置換ガス弁)
60…コンプレッサ 62…圧力センサ
70…開閉弁(水素パージ弁) 71…開閉弁(循環弁)
72…循環ポンプ 73…排圧弁
82…充電器 86…ダウンバータ
88…低圧バッテリ 90…CPU
92…メモリ 94…タイマ
96…インタフェース 98…入力装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for discharging a voltage remaining in a fuel cell stack when power generation of the fuel cell stack in which a plurality of cells are connected in series is stopped.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which a cathode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is comprised by pinching and hold | maintaining. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of cells comprising an electrolyte membrane / electrode structure and a separator.
[0003]
In a fuel cell, a fuel gas supplied to the cathode electrode, for example, a hydrogen-containing gas, is hydrogen-ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane. The generated electrons are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since the cathode electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, the hydrogen ions, the electrons and oxygen react with each other to produce water.
[0004]
In the fuel cell described above, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing fuel gas facing the cathode electrode and an oxidant for flowing oxidant gas facing the cathode electrode in the plane of the separator. An agent gas channel (reactive gas channel) is provided. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium as necessary is provided along the surface of the separator to form a fuel cell device.
[0005]
In such a fuel cell device, it is said that it is necessary to periodically stop the operation and check in order to maintain a stable power generation operation over a long period of time (see Patent Document 1).
[0006]
In the “fuel cell power generator” of
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-9-139221 (paragraph [0018], FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique according to
[0009]
In addition, since the short-circuit switch and the ground switch are manually turned on, it is pointed out that the work efficiency is poor.
[0010]
In addition, in vehicles equipped with fuel cell stacks, so-called fuel cell vehicles, power generation of the fuel cell stack may be stopped for a long time even during normal parking for inspection purposes. It has not been.
[0011]
The present invention has been made in view of such various problems, and provides a method and apparatus for discharging a fuel cell stack that also considers protection of the fuel cell stack when power generation of the fuel cell stack is stopped. For the purpose.
[0012]
Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for discharging a fuel cell stack that can improve the work efficiency of the discharge when power generation of the fuel cell stack is stopped.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In this section, for ease of understanding, reference numerals in the attached drawings are used for explanation. Therefore, the contents described in this section should not be construed as being limited to those having the reference numerals.
[0014]
In the discharge method of the fuel cell stack according to the present invention, a plurality of cells (12) are connected in series. In Connected And connected to the load and the power storage device (36) through the main contactor (32). When power generation of the fuel cell stack (14) is stopped, an inert gas (N 2 ) And discharging the voltage remaining in the fuel cell stack has the following characteristics.
[0015]
(1) During the discharge process (FIG. 2), the process of measuring the voltage (Vc) of each cell (S8), and among the measured voltages of each cell, the lowest cell voltage (Vmin) is a predetermined value (V1) or more. When Close the main contactor (S11) and discharge, By the stack voltage (Vh) which is the voltage across the fuel cell stack Said Store in power storage device (36) Stacked ( S8 “No”), when the lowest cell voltage is not more than a predetermined value, Open the main contactor And not discharging (S8 “Yes”). Since the discharge is continued only when the voltage is equal to or higher than a predetermined minimum cell voltage (V1), the voltage of a specific cell is lowered and the cell is protected without being damaged. Further, since the discharge process is automatically performed, the work efficiency is high. Furthermore, the electricity to be discharged is stored in the power storage device. product Therefore, the electricity of the fuel cell stack can be used effectively. For example, it can be used as a power source for downverters and various pumps.
[0016]
(2) In the feature (1), the minimum cell voltage is Said A process of measuring a duration (T) that is less than or equal to a predetermined value (S12), and when the measured duration reaches a predetermined time (S12 “Yes”), Said A process for determining that the discharge process has been completed, so that the discharge process can be automatically completed. By maintaining the duration for which the minimum cell voltage is equal to or less than the predetermined value for a predetermined time, the fuel gas is surely replaced with the inert gas, and the voltage remaining in the cell can be discharged more reliably.
[0017]
(3) In the above feature (1) or (2), the fuel cell stack stack The process of measuring the voltage (Vh) (S7) and the measurement The stack When the voltage becomes equal to or lower than the predetermined value (V2), there is a step (S19) for determining that the discharge process is completed, so that the discharge process can be automatically completed as a fuel cell stack.
[0019]
In the discharge device for a fuel cell stack according to the present invention, a plurality of cells (12) are connected in series. In Connected, Connected to the load and the power storage device (36) through the main contactor (32). When power generation of the fuel cell stack (14) is stopped, an inert gas (N 2 ) And a means for measuring the voltage (Vc) of each cell during the discharge process in the apparatus for discharging the voltage remaining in the fuel cell stack, and the measured voltage of each cell When the minimum cell voltage (Vmin) is equal to or higher than a predetermined value (V1), Close the main contactor (S11) and discharge, By the stack voltage (Vh) which is the voltage across the fuel cell stack Said Store in power storage device (36) Loading When the minimum cell voltage is a predetermined value or less, Open the main contactor Discharge control means (16) for controlling so as not to discharge. Also in this case, the voltage of a specific cell is lowered, and this cell is protected without being damaged. Further, since the discharge process is automatically performed, the work efficiency is high.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 shows a configuration of a
[0022]
The
[0023]
As is well known, each
[0024]
In the
[0025]
Then, the voltage across the
[0026]
The
[0027]
On the other hand, a fuel
[0028]
The fuel
[0029]
Compressed air is supplied to the
[0030]
Further, an on-off valve (hydrogen purge valve) 70 is provided between the fuel
[0031]
When the circulation valve 71 is closed and the
[0032]
The air and
[0033]
A charging voltage is supplied to the other input side of the
[0034]
The
[0035]
The control unit 16 (the CPU 90) executes a program stored in the
[0036]
The
[0037]
First, an operation during power generation for driving a high-voltage load such as a motor or an air conditioner will be briefly described.
[0038]
At this time, the
[0039]
Further, normally, the circulation valve 71 is opened, and the
[0040]
In this manner, hydrogen, which is a fuel gas, is supplied to the anode electrode of each
[0041]
This stack voltage Vh is supplied to the high voltage load through the
[0042]
Next, the discharge process by the
[0043]
In step S1, it is first determined whether or not there is a request for a discharge process. If there is a request, the process proceeds to step S2. Here, the discharge request is a condition stored in the
[0044]
In this embodiment, the control operation when the latter condition is satisfied and the discharge control is automatically performed will be described.
[0045]
In this case, in step S2, whether or not the discharge process is completed is determined by whether or not the discharge completion flag Fd is set (Fd = 1).
[0046]
If the discharge process has not been started or has not been completed, the discharge completion flag Fd is cleared, and the process proceeds to step S3.
[0047]
In step S3, a preparation process for starting and continuing the discharge process is performed. That is, in order to discharge the
[0048]
Next, in step S4, the
[0049]
In steps S5 and S6, the opening of the
[0050]
The supply of the fuel gas hydrogen, which is the reaction gas, to the
[0051]
As a result, the inside of each
[0052]
Next, in step S7, the stack voltage Vh, which is the voltage between the
[0053]
Since the stack voltage Vh is a high voltage at the beginning of the discharge process, this determination is not established. Therefore, in step S8, the voltage value of the cell voltage Vc of each
[0054]
Also in this case, since the cell voltage Vc is high at the beginning of discharge, this determination is not satisfied. Next, in step S9, the set time (minimum time) of the
[0055]
During the process of step S9, since the discharge process is not completed, the discharge completion flag Fd is cleared (F ← 0) in step S10. At this time, if it has already been cleared, the cleared state is maintained.
[0056]
In step S11, the
[0057]
The above-described steps S1 “Yes”, S2 “No”, S3-S6, S7 “No”, and S8 “No” -S11 are repeated to discharge the voltage remaining in the
[0058]
When the determination in step S8 is established during the discharge, that is, when the lowest cell voltage Vmin becomes lower than the predetermined voltage V1, the set time T of the
[0059]
If the set time T is not zero in step S12, the set time T of the
[0060]
However, at this time, since the cell voltage Vc is a value equal to or lower than the minimum cell voltage Vmin, the
[0061]
When a set time T elapses in a series of steps S1 “Yes”, S2 “No”, S3-S6, S7 “No”, S8 “Yes”, S12 “No”, and S13-S15, the minimum cell voltage Vmin is It is determined that the predetermined duration Ts that is equal to or less than the predetermined value V1 has been reached, and the determination in step S12 is established (T = 0). At this time, the discharge completion flag Fd is set in step S16 (Fd ← 1), and it is considered that the discharge is completed. In step S17, the
[0062]
Note that step S7 is provided as another example determination step in which the discharge process is normally completed. In step S7, when the stack voltage Vh of the
[0063]
If it is determined in step S17 or step S19 that the discharge process has been completed normally, the discharge completion flag Fd is Fd = 1. For this reason, determination of step S2 in the next processing cycle is established, and the process proceeds to step S20 and subsequent steps.
[0064]
At this time, in steps S20 to S23, an organized process (end preparation process) is performed in accordance with the completion of the discharge process. That is, in step S20, the
[0065]
In step S21, the
[0066]
In this way, the discharge process by the
[0067]
As described above, according to the above-described embodiment, the cell voltage Vc of each
[0068]
Further, the stack voltage Vh that is the voltage across the
[0069]
That is, in this embodiment, since the discharge process is performed automatically instead of manually, the work efficiency is high. In particular, it is difficult to manually set the rotation speed of the
[0070]
Further, in a vehicle equipped with the
[0071]
In addition, when discharging, the
[0072]
Various set values such as the predetermined voltages V1 and V2 can be set to optimum values experimentally or experimentally for each
[0073]
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted based on the contents described in this specification.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to execute the discharge process considering the protection of the fuel cell stack itself when the power generation of the fuel cell stack is stopped.
[0075]
Further, according to the present invention, since the discharge process performed when the fuel cell stack stops generating power can be automatically performed, the work efficiency of the discharge process can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system to which an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a control flowchart of automatic discharge processing.
[Explanation of symbols]
10 ...
14 ...
18, 20 ...
24 ... Fuel
28 ... Exhaust port for fuel gas and
32 ... Contactor (Main contactor)
34 ... Contactor (capacitor contactor)
36 ...
52 ... Open / close valve (fuel valve) 54 ... Pressure control valve
56 ...
60 ... Compressor 62 ... Pressure sensor
70 ... Open / close valve (hydrogen purge valve) 71 ... Open / close valve (circulation valve)
72 ...
82 ...
88 ...
92 ...
96 ...
Claims (4)
ディスチャージ処理中に、前記各セルの電圧を測定する過程と、
測定した各セルの電圧中、最低セル電圧が所定値以上であるときに、前記メインコンタクタを閉じてディスチャージすると共に、前記燃料電池スタックの両端電圧であるスタック電圧により前記蓄電装置に蓄積し、前記最低セル電圧が所定値以下であるときに、前記メインコンタクタを開いてディスチャージしない過程と
を有することを特徴とする燃料電池スタックのディスチャージ方法。When a plurality of cells are connected in series and the power generation of the fuel cell stack connected to the load and the power storage device through the main contactor is stopped, an inert gas is supplied to the anode electrode and remains in the fuel cell stack In the method of discharging the voltage,
Measuring the voltage of each cell during the discharge process;
During the voltage of each cell measured, when the lowest cell voltage is equal to or greater than a predetermined value, the discharging closing the main contactor, and accumulated in the electric storage device by the stack voltage is voltage across the fuel cell stack, A method of discharging a fuel cell stack, comprising: opening the main contactor and not discharging when the minimum cell voltage is equal to or lower than a predetermined value.
さらに、
前記最低セル電圧が前記所定値以下である継続時間を測定する過程と、
測定した継続時間が所定時間に達したとき、前記ディスチャージ処理が完了したと判断する過程と
を有することを特徴とする燃料電池スタックのディスチャージ方法。The method of discharging a fuel cell stack according to claim 1,
further,
Measuring the duration that the lowest cell voltage is less than or equal to the predetermined value;
And a step of determining that the discharge process has been completed when the measured duration has reached a predetermined time.
さらに、
前記スタック電圧を測定する過程と、
測定した前記スタック電圧が所定値以下となったとき、前記ディスチャージ処理が完了したと判断する過程と
を有することを特徴とする燃料電池スタックのディスチャージ方法。The method for discharging a fuel cell stack according to claim 1 or 2,
further,
Measuring the stack voltage;
And a step of determining that the discharge process has been completed when the measured stack voltage is equal to or lower than a predetermined value.
ディスチャージ処理中に、前記各セルの電圧を測定する手段と、
測定した各セルの電圧中、最低セル電圧が所定値以上であるときに、前記メインコンタクタを閉じてディスチャージすると共に、前記燃料電池スタックの両端電圧であるスタック電圧により前記蓄電装置に蓄積し、前記最低セル電圧が所定値以下であるときに、前記メインコンタクタを開いてディスチャージしないように制御するディスチャージ制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池スタックのディスチャージ装置。When a plurality of cells are connected in series and the power generation of the fuel cell stack connected to the load and the power storage device through the main contactor is stopped, an inert gas is supplied to the anode electrode and remains in the fuel cell stack In the device for discharging the voltage,
Means for measuring the voltage of each cell during the discharge process;
During the voltage of each cell measured, when the lowest cell voltage is equal to or greater than a predetermined value, the discharging closing the main contactor, and accumulated in the electric storage device by the stack voltage is voltage across the fuel cell stack, A discharge control device for a fuel cell stack, comprising: a discharge control means for controlling so that the main contactor is not opened and discharged when the minimum cell voltage is equal to or lower than a predetermined value.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002330228A JP4064213B2 (en) | 2002-11-14 | 2002-11-14 | Method and apparatus for discharging fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002330228A JP4064213B2 (en) | 2002-11-14 | 2002-11-14 | Method and apparatus for discharging fuel cell stack |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004165028A JP2004165028A (en) | 2004-06-10 |
JP4064213B2 true JP4064213B2 (en) | 2008-03-19 |
Family
ID=32807973
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002330228A Expired - Fee Related JP4064213B2 (en) | 2002-11-14 | 2002-11-14 | Method and apparatus for discharging fuel cell stack |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4064213B2 (en) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4653467B2 (en) * | 2004-11-29 | 2011-03-16 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system |
JP4762569B2 (en) * | 2005-02-18 | 2011-08-31 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
KR101028023B1 (en) | 2008-06-05 | 2011-04-13 | 현대자동차주식회사 | Exhaust system for fuel cell electric vehicle |
JP5446166B2 (en) * | 2008-08-12 | 2014-03-19 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
JP5319252B2 (en) * | 2008-11-26 | 2013-10-16 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell vehicle |
JP6750345B2 (en) * | 2016-06-30 | 2020-09-02 | いすゞ自動車株式会社 | Fuel cell system and control method |
JP7047685B2 (en) | 2018-09-18 | 2022-04-05 | トヨタ自動車株式会社 | How to handle the fuel cell system and how to remove parts |
CN109659586B (en) * | 2018-12-28 | 2023-05-26 | 佛山索弗克氢能源有限公司 | Hydrogen power generation and energy storage device and starting method thereof |
JP7115340B2 (en) * | 2019-01-28 | 2022-08-09 | トヨタ自動車株式会社 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING FUEL CELL SYSTEM |
-
2002
- 2002-11-14 JP JP2002330228A patent/JP4064213B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004165028A (en) | 2004-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7846598B2 (en) | Fuel cell system and method of stopping operation of the fuel cell system | |
US7767352B2 (en) | Fuel cell system and charge amount adjustment method for energy storage | |
US8765317B2 (en) | Fuel cell system | |
KR101136502B1 (en) | Fuel cell system | |
CN104205454B (en) | Fuel cell system | |
JP5051989B2 (en) | Voltage control system and moving body | |
JP4753682B2 (en) | Fuel cell system and scavenging method in the system | |
KR101719674B1 (en) | Fuel cell system | |
JP2007305372A (en) | Contactor failure detection device in fuel cell system | |
US20070224482A1 (en) | Fuel Cell System | |
JP4742444B2 (en) | Fuel cell device | |
US7776481B2 (en) | Fuel cell system and method of controlling electrical energy discharged in the fuel cell system | |
JP4438232B2 (en) | FUEL CELL DEVICE AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL DEVICE | |
CA2641475C (en) | Mobile body | |
JP4516093B2 (en) | Fuel cell system and starting method thereof | |
JP4064213B2 (en) | Method and apparatus for discharging fuel cell stack | |
JP4847929B2 (en) | Contactor failure detection method and apparatus in fuel cell system | |
JP4495110B2 (en) | Contactor failure detection method and apparatus in fuel cell system | |
JP5099580B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2002231286A (en) | Fuel cell device and its control method | |
JP4056863B2 (en) | Fault detection device for voltage detection circuit | |
JP4877911B2 (en) | FUEL CELL VEHICLE AND METHOD OF CONTROLLING CHARGE TO ELECTRIC STORAGE ELEMENT IN FUEL CELL VEHICLE | |
JP2022016773A (en) | Power control system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041130 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070403 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070417 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070618 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070814 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071011 |
|
A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20071122 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071218 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071226 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4064213 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110111 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110111 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120111 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120111 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130111 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130111 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140111 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |