JP4085805B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の発電セルから構成される燃料電池本体により発電を行う燃料電池システムに関するものであり、特に、セル電圧のバラツキを抑制するための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池本体のアノード極に水素ガス、カソード極に空気をそれぞれ供給し、各電極において水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【0003】
燃料電池システムに用いられる燃料電池本体としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池本体が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池本体は、アノード(水素極)とカソード(空気極)との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。固体高分子タイプの燃料電池本体では、アノードで水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、カソードで酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜をカソードに向かって移動する。
【0004】
ところで、固体高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、この固体高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池本体を用いた燃料電池システムでは、水素ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池本体に供給することで、燃料電池本体の固体高分子膜を加湿することが一般に行われている。
【0005】
また、固体高分子膜を加湿する上で有効な方法として、燃料電池本体で未使用の水素ガスを、再度燃料電池本体へと循環させて再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている。この水素循環形式の燃料電池システムでは、燃料電池本体外部に接続した負荷(以下、外部負荷という。)で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池本体のアノードへと供給し、未使用の水素ガスをアノード出口から排出させて、この排水素(以下、循環水素という。)を再度、燃料電池本体のアノード入口へ戻して再利用するようにしている。アノード出口から排出される循環水素は水蒸気を多く含んでいるため、この水蒸気を多く含んだ循環水素が水素タンクからの乾燥している水素に混合されて燃料電池本体のアノードへ供給されることによって、燃料電池本体の固体高分子膜が加湿されることになる。
【0006】
前記の水素循環形式の燃料電池システムでは、外部負荷で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池本体のアノード極へと供給するが、これにさらに循環水素が混合されるため、アノード極への供給水素流量が発電に必要な水素量よりも多くなる。このとき、発電に必要な水素量だけをアノード極に供給した場合にはアノード出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなって発電効率が落ちるため、前述のように発電に必要な水素量よりも多い水素ガスをアノード極に供給することによって、燃料電池システムの全てのセルでの発電が高効率で行われるようになる。燃料電池システムでは、同様のことがカソード極についても言えるため、発電に必要な酸素(空気)量のみを供給するのではなく、少し余分に酸素をカソード極に供給するようにしている。このような発電に要する水素(空気)量に対する実際に供給する水素(空気)量の比を原料ガスストイキ比と通常呼んでいるが、この原料ガスストイキ比は、前記理由により1以上の最適値に設定されている。
【0007】
原料ガスストイキはこのように燃料電池本体での発電を効率よく行わせるように設定される。しかしながら、燃料電池本体の状態は運転状態によって変化するので、ストイキ比を最適値に設定した場合でも、運転負荷あるいは経年変化の影響により発電効率が悪くなり、その結果としてセル電圧のバラツキが大きくなるという問題がある。セル電圧バラツキが許容範囲を超えて電圧下限以下になるようなセルが生じた場合は、燃料電池本体を構成している高分子膜にダメージを与えてしまう可能性があり、セル電圧にバラツキを生じないように、総電圧が低下しないようにストイキ比を変更する必要がある。
【0008】
燃料電池本体のセル電圧バラツキを抑制するための運転方法としては、例えば、セル電圧にバラツキを生じた場合に、燃料電池本体へ供給するの原料ガス流量を所定量増加させることで、結果としてストイキ比を増加させるように作用させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0009】
【特許文献1】
特開2002−164068号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に記載されるように、セル電圧にバラツキが生じた場合、あるいは総電圧が低下した場合に常にストイキ比を増加するように設定すると、原料の無駄使いや原料供給動力の無駄使いになる場合がある。
【0011】
例えば、セル電圧にバラツキが生ずる原因としては、発電セルの性能劣化による場合と、燃料電池本体内の原料ガス分布によって偶発的にその時の運転状態でセル電圧が相対的に低くなっている場合とがある。
【0012】
前者の場合、そのまま負荷を増加すると、発電セルの性能劣化が進行し、燃料電池本体全体の性能低下に繋がる。また、ストイキ比を低いまま設定しておくと、各発電セルへの原料ガス供給むらが生じ、セル電圧のバラツキを拡大させる。したがって、この場合には前記特許文献1記載の技術のようにストイキ比を増加するように設定することは有効である。
【0013】
これに対して、後者の場合、そのまま負荷を増加すれば、燃料電池本体内の原料ガス分布が変わって電圧の低い発電セルのセル電圧が復帰することから、このような場合にも電圧の低いセルを救済するようにストイキ比を設定すると、原料あるいは原料供給動力の無駄使いとなる。
【0014】
例えば、水素原料ストイキを高く設定すると循環させる水素量が増える。これは原料供給動力の増加を引き起こす。また、水素ストイキを高くしたことで水素循環系を循環する水分が増え、そのパージのために水素を大気で放出する頻度が増えて、原料の無駄使いに至る可能性がある。一方、空気原料のストイキを高く設定すると、発電に使用しなかった空気はそのまま捨てることになり、空気原料供給動力の無駄使いを引き起こす。
【0015】
したがって、特許文献1記載の技術のように常に原料ガスストイキ比を高く設定すると、後者の場合にも原料ガスストイキ比を高く設定することになり、無駄に捨てる原料が増え、また原料供給のための動力の無駄使いになる。
【0016】
本発明は、以上のような従来技術の有する不具合に鑑みて提案されたものであり、燃料電池本体に最適な流量で原料ガスを供給し、原料ガス及び原料供給動力の無駄をなくしながら、燃料電池本体の各セル電圧のバラツキを抑制することができ、常にセル電圧が下限値以上となるようにすることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、複数の発電セルを備え原料ガスである水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体のアノード極に水素を含有するガスを供給する水素含有ガス供給装置と、前記燃料電池本体のカソード極に酸素を含有するガスを供給する酸素含有ガス供給装置とを有する。そして、前記燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断し、判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定するようにしている。
【0018】
セル電圧にバラツキが生じる場合、発電セルの劣化が原因で性能が出ない場合と、燃料電池本体内の燃料ガス分布によってたまたまその時の運転状態で特定の発電セルの電圧が相対的に低くなっている場合とがある。後者の場合、そのまま負荷を増加すれば、燃料電池本体内の原料ガス分布が変わって電圧の低いセルの電圧は復帰するが、前者の場合はますます発電セルを弱らせて燃料電池本体にダメージを与える可能性がある。
【0019】
したがって、セル電圧にバラツキが生じた場合に常に電圧の低い発電セルを救済するようにストイキ比を設定すると、後者のような場合は原料あるいは原料供給動力の無駄使いとなる。反対に、原料を節約しようとしてストイキ比を低く設定すると、各セルへの原料供給むらを生じセル電圧にバラツキを生じ燃料電池本体にダメージを与える可能性がある。
【0020】
本発明では、燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断し、判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定しているので、常に適正な原料ガスストイキ比での運転が実現される。
【0021】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池本体に最適な流量で原料ガスを供給し、常に適正な原料ガスストイキ比での運転を実現しているので、原料ガス及び原料供給動力の無駄を抑えながら、燃料電池本体の各セル電圧のバラツキを抑制することができる。また、セル電圧のバラツキ過大による燃料電池本体へのダメージを防止することも可能である。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0023】
本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を図1に示す。この図1に示す燃料電池システム1は、電解質として固体高分子膜を有する固体高分子タイプの燃料電池本体2を備えている。燃料電池本体2は、複数の発電セルを積層したスタック構造を有し、各発電セルにおいて、原料ガスとしてカソード極に供給される空気中の酸素とアノード極に供給される水素とを電気化学的に反応させて発電するものである。
【0024】
燃料電池本体2は、カソード極入口に、空気供給用配管3を介してコンプレッサやブロワ等の空気供給装置4が接続されている。空気供給装置4は、燃料電池本体2のカソード極に酸素を含有するガスを供給する酸素含有ガス供給装置に相当するものであり、この空気供給装置4により流量及び圧力が調整された空気(酸素を含有するガス)が、空気供給用配管3を通って燃料電池本体2のカソード入口に供給されるようになっている。
【0025】
燃料電池システム1では、カソード極入口から供給された空気が全て消費されるわけではなく、消費されずに残った酸素及び空気中の他の成分が排空気として排空気用配管5から排出される。この排空気用配管5は大気開放されており、前記排空気は大気中に放出される。
【0026】
また、燃料電池本体2は、アノード極入口に、水素供給用配管6を介して、例えば水素タンク等からなる水素供給装置7が接続されている。この水素供給装置7は、燃料電池本体2のアノード極に水素を含有するガスを供給する水素含有ガス供給装置に相当するものである。そして、水素供給用配管6の中途部には、水素供給バルブ8が配されており、目標流量の水素ガス(以下、原料水素という。)を水素供給装置7から燃料電池本体2のアノード極入口側に供給できるようになっている。
【0027】
前記燃料電池システム1は、水素循環型として構成されており、燃料電池本体2での発電に使用されずに燃料電池本体2から排出された排水素(循環水素)の経路となる循環水素用配管9が設けられている。そして、この循環水素用配管9の中途部に循環水素ポンプ10が配設されており、燃料電池本体2から排出された水蒸気を多く含む循環水素が、前記循環水素ポンプ10の駆動によって、循環水素用配管9を通って燃料電池本体2のアノード極入口側へと循環され、水素供給装置7から供給される原料水素と合流するようになっている。したがって、燃料電池システム1では、水素供給装置7から供給される原料水素と水蒸気を多く含む循環水素との混合水素が、燃料電池本体2のアノード極に供給されることになる。
【0028】
このように、本実施形態の燃料電池システム1では、水蒸気を多く含む循環水素を原料水素と混合して燃料電池本体2のアノード極に供給することによって、燃料電池本体2の固体高分子膜を加湿するようにしている。なお、加湿効果を更に良好なものとするために、水素供給装置7の後段に加湿器を別途設置するようにしてもよい。このような加湿器を設置することで、燃料電池本体2のアノードには、加湿器を通過することで加湿された原料水素と循環水素との混合水素が供給されるようになり、燃料電池本体2の固体高分子膜を十分に加湿することができるようになる。
【0029】
また、前記燃料電池システム1には、前記循環水素用配管9内の余剰水素ガスや水蒸気を大気中へ放出するためのパージバルブ11が配設された排水素用配管12が循環水素用配管8に分岐して設けられている。
【0030】
そして、本実施形態の燃料電池本体2には、当該燃料電池本体2で発電した電力を消費する外部負荷13が接続されている。具体的には、外部負荷13として例えばインバータが燃料電池本体2に接続され、燃料電池本体2で発電した電力がこのインバータでエネルギ変換されて駆動モータ等へ供給されるようになっている。この駆動モータは、燃料電池システム1を車両に適用した場合には車両走行の動力として使用されることになる。
【0031】
燃料電池本体2と外部負荷13との間には、電圧センサ14と負荷電流センサ15とが配設されており、電圧センサ14によって燃料電池本体2における発電電圧が検出され、負荷電流センサ15によって燃料電池本体2から外部負荷13へと供給される負荷電流が検出されるようになっている。
【0032】
また、燃料電池本体2には、該燃料電池本体2の動作温度を検出する温度センサ16が配設されている。燃料電池システム1では、燃料電池本体2における反応時に熱が発生するが、図示を省略する冷却機構によって冷却されるとともに、前記温度センサ16にて燃料電池本体2の動作温度が監視されることによって、最適な温度下での運転が可能である。
【0033】
さらに、燃料電池本体2には、燃料電池本体2を構成する各発電セルの電圧を検出するセル電圧検出手段に相当するセル電圧測定装置17が設置されている。本実施形態の燃料電池システム1では、このセル電圧測定装置17による測定結果に基づき、セル電圧が低下した発電セルを特定し、その原因を判断する。
【0034】
そして、燃料電池システム1は、本発明の制御を行うためのコントローラ18を備えている。このコントローラ18は、CPUやROM、RAM、CPU周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。このコントローラ18には、前記セル電圧測定装置17における測定結果や循環水素ポンプ10からの情報が入力され、CPUがRAMをワークエリアとして利用してROMに格納された制御プログラムを実行することによって、前記燃料電池本体2を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体2内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断する。そして、この判断結果に応じて空気供給装置4や水素供給装置7に指示を送り、原料ガスストイキ比を設定する。
【0035】
このコントローラ18の内部構成を図2に示す。コントローラ18は、図2に示すように、基本的には、原料ガス分布変更手段19、セル劣化判断手段20、原料ガスストイキ比変更手段21とから構成される。
【0036】
原料ガス分布変更手段19は、負荷過渡変化がない定常時に原料ガス流量を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更するものである。例えば、カソード圧力調整弁とアノード圧力調整弁を有し、負荷過渡変化がない定常時に燃料電池本体のカソード圧力またはアノード圧力、あるいはこれら両者を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更する。この原料ガス分布変更手段19によって例えば原料ガス流量を過渡的に増加させ、その時のセル電圧の変化の様子を調べることで、セル劣化の原因を判断することができる。
【0037】
セル劣化判断手段20は、前記原料ガス分布変更手段19により原料ガス分布を変化させた時のセル電圧の変化に基づいてセル電圧低下原因を判断するものであり、前記セル電圧測定装置17における測定結果に基づいて各セル電圧が所望の電圧値であるか否かを判断するセル電圧判断手段22を有する。セル劣化判断手段20は、前記原料ガス分布変更手段19によって燃料電池本体2内部の原料ガス分布を変更した時に、前記セル電圧判断手段22で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇した場合には、前記原因が燃料電池本体2内部での原料ガス分布によるものと判断し、前記セル電圧判断手段22で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇しない場合には、前記原因がセル劣化によるものと判断する。
【0038】
前記セル電圧判断手段22は、例えば負荷電流と燃料電池本体の動作温度を入力とする燃料電池電流電圧性能関数を参照することにより各発電セルにおける所望のセル電圧を算出するセル電圧算出手段(図示は省略する。)と、前記セル電圧算出手段からの出力より低い電圧の発電セルを判別する第1の電圧低下セル判別手段23と、各セル電圧を他のセル電圧と比較する相対電圧比較手段(図示は省略する。)と、前記相対電圧比較手段からの情報に基づいて相対的に電圧の低い発電セルを判別する第2の電圧低下セル判別手段24とを有する。そして、前記第2の電圧低下セル判別手段24により相対的に電圧が低いと判別され、且つ前記第1の電圧低下セル判別手段23により所望の電圧値より低い電圧であると判別された発電セルについて、セル電圧が低いと判断する。
【0039】
前記原料ガスストイキ比変更手段21は、前記セル劣化判断手段20により前記原因がセル劣化によるものと判断された場合には、劣化した発電セルのセル電圧が下限値以上になるように原料ガスストイキ比を算出し、前記セル劣化判断手段20により前記原因が燃料電池本体2内部での原料ガス分布によるものと判断された場合には、原料ガスストイキ比を所定の下限値に設定する。また、前記原料ガスストイキ比変更手段21は、電圧の低い発電セルに対する重み付けを相対的に大きくして重み付け平均電圧を算出する平均電圧算出手段を有し、この平均電圧算出手段からの出力に基づいて原料ガスストイキ比を算出する。
【0040】
以上がコントローラ18の構成であるが、次に、このコントローラ18による処理の一例について、図3のフローチャートを参照して具体的に説明する。
【0041】
コントローラ18では、先ず、セル電圧判断手段22に組み込まれたセル電圧算出手段において、所望のセル電圧を算出する(ステップS10)。この所望のセル電圧は、燃料電池本体2の電流電圧特性関数(I−V特性)を参照することで算出する。燃料電池本体2の電流電圧特性関数の一例を図4に示す。セル電圧算出手段では、現在の負荷電流を電流電圧特性関数に入力してその負荷電流時の所望のセル電圧を算出する。電流電圧特性関数は燃料電池動作温度に応じて複数用意しておけば、動作温度に応じて所望のセル電圧を算出することができる。
【0042】
次に、セル電圧測定装置17によりセル電圧のバラツキを測定する(ステップS20)。セル電圧のバラツキの測定は、セル電圧判断手段22に組み込まれた相対電圧比較手段において、各セル電圧と他のセル電圧とを相対的に比較することにより行う。本実施例ではセル電圧平均値からの差を測定するようにしている。セル電圧ヒストグラムを作成するようにしても良い。
【0043】
ステップS30では、電圧が低い発電セルがあるか否かを判断する。本実施形態では、先のステップS10で第1の電圧低下セル判別手段23により所望の電圧より低い電圧の発電セルと判別され、ステップS20で第2の電圧低下セル判別手段24により相対的に電圧が低いセル(セル電圧平均値からの差が所定値以上のセル)と判別された発電セルがあった場合、電圧が低い発電セルであると判断する。そして、次のステップS40で、その電圧が低い発電セルのセル番号を記憶する。
【0044】
一方、ステップS30で電圧が低いセルがないと判断された場合には、ステップS35で識別変数「FLAG_Cell_V」に0を代入して(初期化)、リターンへジャンプし処理を終了する。なお、識別変数「FLAG_Cell_V」は、セル電圧の低下が燃料電池本体2内部のガス分布によって引き起こされたか発電セル自体の劣化により引き起こされたかを判断する変数である。
【0045】
次いで、原料ガス分布変更手段19により原料流量を所定量過渡的に変更して、燃料電池本体2内部の原料ガス分布を変更するようにする(ステップS50)。本実施形態では、空気流量のみを変更するが、空気と水素の両方を変更しても良いし、空気の代わりに水素を変更しても良い。ただし、水素を増加変更した場合、その余分な水素を大気へ放出して捨てる必要があり、かつ燃料の無駄にもなるので、本実施形態では空気流量のみを変更する。また、水素あるいは空気を減少変更した場合、原料不足でさらに電圧低下を招く可能性があるので、本実施形態では、空気流量をΔFだけΔt秒間、過渡的に増加変化するようにしている。なお、燃料電池本体2のアノード、カソードの圧力調整弁がある場合には、これらの弁開度を調整して圧力を変えるようにしてもよい。
【0046】
ステップS60では、ステップS40で記憶した電圧の低いセルの電圧が変化したかどうかを調べる。ステップS62では、ステップS40で記憶した電圧の低いセルの電圧が上昇した場合には、セル電圧の低下が燃料電池本体2内部の原料ガス分布によって引き起こされたと判断し、識別変数「FLAG_Cell_V」に1を代入する(初期値は0)。セル電圧が上昇しない場合には、セル電圧の低下はセル自体の劣化により引き起こされたと判断し、ステップS64で、識別変数「FLAG_Cell_V」に2を代入する。
【0047】
ステップS70では、セル電圧の重み付け平均電圧を算出する。「FLAG_Cell_V」=2の場合、すなわち、劣化してセル電圧が低下しているセルがある場合、そのセルの電圧に最も大きい重み付けをする。本実施形態では重みは0から1の実数で与え、劣化しているセル電圧に相対的に大きい重み、例えば1を与える。その他のセルには例えば0.3を与えて重み付け平均を算出する。このようにすることにより、劣化しているセル電圧がより強く平均電圧に反映されるようになる。
【0048】
一方、「FLAG_Cell_V」=1の場合、すなわち、セル電圧の低下が燃料電池本体2内部の原料ガス分布によって引き起こされたと判断した場合は、例えば電圧の低いセルに0.6を与え、その他のセルには0.5を与える。このようにすることによりセル電圧低いセルの影響があまり平均電圧に反映されないようになる。重み付けはファジイ理論でよく使われるメンバーシップ関数を使用するようにすればコンピュータでの自動処理が容易になるので、本実施形態ではこの方法を使っている。
【0049】
ステップS80では、ステップS70で算出されたセル電圧の重み付け平均電圧とステップS10で算出された所望のセル電圧を平均した電圧との差分を算出する。
【0050】
ステップS90では、ステップS80で算出した電圧の差分の絶対値が所定値以上かどうかを調べる。所定値以下の場合には、ステップS100へ進み、原料ガスストイキ比変更手段21によりストイキ比を所定の最低値に設定する。この場合は、セル電圧の低下があったとしても燃料電池本体2内の原料ガス分布に依存するものであるので、ストイキ比は最低値にして原料・原料供給動力の節約をする。
【0051】
ステップS80で算出した電圧の差分の絶対値が所定値以上の場合には、ステップS110へ進む。
【0052】
本実施形態ではセル電圧の重み付け平均電圧を算出して、この重み付け平均電圧とステップS10で算出した所望のセル電圧を平均した電圧との差分に応じてストイキ比を変更するようにしている。
【0053】
また、本実施形態では、重み付け平均電圧とステップS10で算出した所望のセル電圧を平均した電圧との差分とストイキ変更量を関係つける関数を予めコンピュータに記憶させておき、この関数を参照することによりストイキ比変更量を算出するようにしている。また、差分電圧が大きいほどストイキ変更量も大きくなるようにしている。このようにすることで劣化して電圧の低くなったセル電圧を下限値以上に維持するようにストイキ比を大きくするようにする。図5に関数の一例を示す。
【0054】
以上の構成を有する本実施形態の燃料電池システム1では、セル電圧のバラツキが燃料電池本体2内部での原料ガス分布に依存するものか発電セル自体の劣化に依存するものかどうかを判断して原料ガスストイキ比を設定するようにしているので、原料及び原料動力の無駄を節約でき、且つセル電圧のバラツキ過大による燃料電池本体2へのダメージを防止することができる。
【0055】
また、本実施形態の燃料電池システム1では、燃料電池本体2内の原料ガス分布を変化させた時に、電圧が低いと判断されたセル電圧が上昇したかどうかを調べ、電圧が上昇した場合にはセル電圧の低下がその時の運転状態の燃料電池本体2内部の原料ガス分布によって引き起こされたと判断し、電圧が低いと判断されたセルの電圧が上昇しない場合には、セル電圧の低下はセルの劣化により引き起こされたと判断することができ、的確な判断が可能である。燃料電池本体2内部の原料ガス分布の変更は、例えば負荷過渡変化がない定常時に燃料電池の原料供給側と出口の圧力差を過渡的に増加することで、簡単に行うことができる。
【0056】
さらに、本実施形態では、各セル電圧の所望のセル電圧値と比較して電圧の低いセルを判断することができる。例えば、所望のセル電圧値は燃料電池の電圧電流性能特性から算出するようにすれば負荷電流値に応じた所望のセル電圧値を算出して電圧の低いセルを判断できる。また、温度をパラメータとして電圧電流性能特性を複数用意しておき、燃料電池の動作温度に応じて参照するようにすれば、燃料電池の動作温度に応じた所望のセル電圧値を算出して電圧の低いセルを判断できる。また、各々のセル電圧を他のセル電圧と相対的に比較して相対的に電圧の低いセルを判断することができ、特異的に電圧の低いセルを判断できる。セル電圧の低下は所望の電圧値と比較して判断できるが、さらに相対的に比較することでセル電圧のバラツキを明確にすることができ、特に注意を要する電圧の低いセルを判断することができる。
【0057】
また、本実施形態では、セル電圧の低下が劣化により引き起こされたと判断された場合には、劣化して電圧の低いセルの電圧の電圧が下限値以上になるように原料ストイキ比を算出することができ、劣化して弱ったセルを更に弱らせてしまうことを防止でき、燃料電池本体2にダメージを与えることを防止することができる。セル電圧の低下が燃料電池内部のガス分布により引き起こされたと判断された場合には、ストイキ比を所定の下限値に設定することができ、原料及び原料供給に必要な動力の無駄使いを節約できる。
【0058】
さらにまた、本実施形態の燃料電池システム1では、電圧の低いセルの電圧に対して相対的に大きな重み付けをして全セルの平均電圧を算出し、原料ガスストイキ比を算出することができ、劣化して電圧の低いセルがある場合には、劣化したセルの電圧の重み付けを相対的に極端に大きくして(他のセルとの重みの格差を大きくして)劣化したセルの電圧が下限値以上になるように原料ストイキ比を算出するように設定することができ、劣化して弱ったセルを更に弱らせてしまうことを防止でき、燃料電池本体2にダメージを与えることを防止することができる。セル電圧の低下が燃料電池本体2内部の原料ガス分布により引き起こされたと判断された場合には、電圧の低いセル電圧の重みつけを相対的に幾分大きくし、他のセルとの重みの格差を小さくするようにしてセル電圧の重み付け平均を算出し、ストイキ比を所定の下限値に設定するように設定することで、原料及び原料供給に必要な動力の無駄使いを節約できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図2】燃料電池システムのコントローラで実現される機能を説明するための図である。
【図3】コントローラによる処理の一例を説明するためのフローチャートである
【図4】燃料電池本体の電流電圧特性関数の一例を示す特性図である。
【図5】ストイキ比を設定するための関数の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
1 燃料電池システム
2 燃料電池本体
4 空気供給装置
7 水素供給装置
10 循環水素ポンプ
17 セル電圧測定装置
18 コントローラ
19 原料ガス分布変更手段
20 セル劣化判断手段
21 原料ガスストイキ比変更手段
22 セル電圧判断手段
23 第1の電圧低下セル判別手段
24 第2の電圧低下セル判別手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates power using a fuel cell body composed of a plurality of power generation cells, and more particularly to a technique for suppressing variations in cell voltage.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system supplies hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell main body and air to the cathode electrode, respectively, and causes hydrogen and oxygen to react electrochemically at each electrode to obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles. Currently, research and development for practical use is actively performed.
[0003]
As a fuel cell main body used in a fuel cell system, a solid polymer type fuel cell main body is known as one particularly suitable for mounting in an automobile. This solid polymer type fuel cell body has a membrane-like solid polymer provided between an anode (hydrogen electrode) and a cathode (air electrode), and this solid polymer membrane is a hydrogen ion conductor. It is supposed to function as. In a solid polymer type fuel cell body, a reaction in which hydrogen gas is separated into hydrogen ions and electrons occurs at the anode, and a reaction in which water is generated from oxygen gas, hydrogen ions and electrons at the cathode. At this time, the solid polymer film functions as an ion conductor, and hydrogen ions move through the solid polymer film toward the cathode.
[0004]
By the way, in order for the solid polymer film to function as an ion conductor, it is necessary to include a certain amount of moisture in the solid polymer film. For this reason, in a fuel cell system using such a solid polymer type fuel cell main body, the solid polymer membrane of the fuel cell main body is supplied by supplying hydrogen gas to the fuel cell main body while being humidified by a humidifier. It is generally performed to humidify.
[0005]
Further, as an effective method for humidifying the solid polymer membrane, a hydrogen circulation type fuel cell system is known in which unused hydrogen gas in the fuel cell body is circulated again to the fuel cell body for reuse. Yes. In this hydrogen circulation type fuel cell system, hydrogen gas is supplied to the anode of the fuel cell body somewhat more than the amount of hydrogen required for power consumed by a load connected to the outside of the fuel cell body (hereinafter referred to as an external load). Then, unused hydrogen gas is discharged from the anode outlet, and this discharged hydrogen (hereinafter referred to as circulating hydrogen) is returned to the anode inlet of the fuel cell main body and reused. Since the circulating hydrogen discharged from the anode outlet contains a lot of water vapor, the circulating hydrogen containing a lot of water vapor is mixed with the dry hydrogen from the hydrogen tank and supplied to the anode of the fuel cell body. The solid polymer membrane of the fuel cell main body is humidified.
[0006]
In the hydrogen circulation type fuel cell system described above, a slightly larger amount of hydrogen gas than the amount of hydrogen required for the electric power consumed by the external load is supplied to the anode electrode of the fuel cell main body. Therefore, the flow rate of hydrogen supplied to the anode electrode is larger than the amount of hydrogen necessary for power generation. At this time, if only the amount of hydrogen necessary for power generation is supplied to the anode electrode, hydrogen will not reach the cells near the anode outlet efficiently and power generation efficiency will be reduced. By supplying more hydrogen gas to the anode electrode, power generation in all the cells of the fuel cell system can be performed with high efficiency. In the fuel cell system, the same can be said for the cathode electrode. Therefore, not only the amount of oxygen (air) necessary for power generation is supplied, but a little extra oxygen is supplied to the cathode electrode. The ratio of the amount of hydrogen (air) actually supplied to the amount of hydrogen (air) required for power generation is usually called the raw material gas stoichiometric ratio, but this raw material gas stoichiometric ratio is set to an optimum value of 1 or more for the above reason. Has been.
[0007]
In this way, the raw material gas stoichiometry is set so as to efficiently generate power in the fuel cell main body. However, since the state of the fuel cell body changes depending on the operating state, even when the stoichiometric ratio is set to the optimum value, the power generation efficiency is deteriorated due to the influence of the operating load or aging, and as a result, the variation in cell voltage increases. There is a problem. If the cell voltage variation exceeds the allowable range and falls below the lower voltage limit, the polymer film constituting the fuel cell body may be damaged, and the cell voltage variation It is necessary to change the stoichiometric ratio so that the total voltage does not decrease so as not to occur.
[0008]
As an operation method for suppressing the cell voltage variation of the fuel cell main body, for example, when the cell voltage varies, the flow rate of the raw material gas supplied to the fuel cell main body is increased by a predetermined amount. A method for increasing the ratio has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2002-164068 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described in Patent Document 1, if the stoichiometric ratio is always increased when the cell voltage varies or the total voltage decreases, waste of raw materials or waste of raw material supply power is caused. May be used.
[0011]
For example, the causes of variations in cell voltage are due to deterioration in performance of the power generation cell, and when the cell voltage is relatively low in the operation state at that time due to the distribution of the raw material gas in the fuel cell body. There is.
[0012]
In the former case, if the load is increased as it is, the performance deterioration of the power generation cell proceeds and the performance of the entire fuel cell main body is reduced. Further, if the stoichiometric ratio is set low, uneven supply of the raw material gas to each power generation cell occurs, and the variation in cell voltage is increased. Therefore, in this case, it is effective to set the stoichiometric ratio to increase as in the technique described in Patent Document 1.
[0013]
On the other hand, in the latter case, if the load is increased as it is, the distribution of the raw material gas in the fuel cell body changes and the cell voltage of the power generation cell having a low voltage is restored. If the stoichiometric ratio is set so as to rescue the cell, the raw material or the raw material supply power is wasted.
[0014]
For example, if the hydrogen source stoichiometry is set high, the amount of hydrogen to be circulated increases. This causes an increase in raw material supply power. In addition, by increasing the hydrogen stoichiometry, moisture circulating in the hydrogen circulation system is increased, and the frequency of releasing hydrogen in the atmosphere for purging is increased, which may lead to waste of raw materials. On the other hand, if the stoichiometry of the air raw material is set high, the air that has not been used for power generation is discarded as it is, which causes wasteful use of the air raw material supply power.
[0015]
Therefore, if the raw material gas stoichiometric ratio is always set high as in the technique described in Patent Document 1, the raw material gas stoichiometric ratio is also set high in the latter case, and the amount of raw material that is wasted is increased, and the power for supplying the raw material is increased. It becomes a wasteful use.
[0016]
The present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems of the prior art, and supplies a raw material gas at an optimal flow rate to the fuel cell body, while eliminating waste of the raw material gas and the raw material supply power. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can suppress variations in cell voltages of the battery body and can always make the cell voltage equal to or higher than the lower limit value.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell main body that includes a plurality of power generation cells and that generates electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, which are raw material gases, and a gas containing hydrogen at the anode electrode of the fuel cell main body. And a hydrogen-containing gas supply device for supplying oxygen-containing gas to the cathode electrode of the fuel cell main body. Then, when variation occurs in the voltage of the power generation cells constituting the fuel cell main body, it is determined whether the cause is due to the distribution of the raw material gas within the fuel cell main body or due to cell deterioration, The raw material gas stoichiometric ratio is set according to the result.
[0018]
When the cell voltage varies, the voltage of a specific power generation cell may become relatively low due to the deterioration of the power generation cell and the poor performance due to the fuel gas distribution in the fuel cell body. There is a case. In the latter case, if the load is increased as it is, the source gas distribution in the fuel cell body will change and the voltage of the low voltage cell will recover, but in the former case, the power generation cell will be weakened further and the fuel cell body will May cause damage.
[0019]
Therefore, if the stoichiometric ratio is set so that the power generation cell having a low voltage is always relieved when the cell voltage varies, in the latter case, the raw material or the raw material supply power is wasted. On the other hand, if the stoichiometric ratio is set low in order to save the raw material, the raw material supply unevenness to each cell may occur, the cell voltage may vary, and the fuel cell main body may be damaged.
[0020]
In the present invention, when variation occurs in the voltage of the power generation cells constituting the fuel cell main body, it is determined whether the cause is due to the distribution of the raw material gas inside the fuel cell main body or due to cell deterioration, Since the raw material gas stoichiometric ratio is set according to the determination result, operation at an appropriate raw material gas stoichiometric ratio is always realized.
[0021]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, the raw material gas is supplied to the fuel cell main body at an optimum flow rate, and the operation is always performed at an appropriate raw material gas stoichiometric ratio. While suppressing, variation in each cell voltage of the fuel cell main body can be suppressed. It is also possible to prevent damage to the fuel cell body due to excessive cell voltage variations.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
An overall configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied is shown in FIG. A fuel cell system 1 shown in FIG. 1 includes a solid polymer type fuel cell main body 2 having a solid polymer film as an electrolyte. The fuel cell main body 2 has a stack structure in which a plurality of power generation cells are stacked. In each power generation cell, oxygen in the air supplied to the cathode electrode as raw material gas and hydrogen supplied to the anode electrode are electrochemically generated. To generate electricity.
[0024]
In the fuel cell main body 2, an air supply device 4 such as a compressor or a blower is connected to a cathode electrode inlet via an air supply pipe 3. The air supply device 4 corresponds to an oxygen-containing gas supply device that supplies oxygen-containing gas to the cathode electrode of the fuel cell main body 2, and air (oxygen) whose flow rate and pressure are adjusted by the air supply device 4. Gas) is supplied to the cathode inlet of the fuel cell body 2 through the air supply pipe 3.
[0025]
In the fuel cell system 1, not all the air supplied from the cathode electrode inlet is consumed, but oxygen remaining without being consumed and other components in the air are discharged as exhaust air from the exhaust air pipe 5. . The exhaust air pipe 5 is open to the atmosphere, and the exhaust air is released into the atmosphere.
[0026]
Further, the fuel cell main body 2 is connected to the anode inlet via a hydrogen supply pipe 6 through a hydrogen supply device 7 composed of, for example, a hydrogen tank. This hydrogen supply device 7 corresponds to a hydrogen-containing gas supply device that supplies a gas containing hydrogen to the anode electrode of the fuel cell main body 2. A hydrogen supply valve 8 is disposed in the middle of the hydrogen supply pipe 6, and hydrogen gas having a target flow rate (hereinafter referred to as raw material hydrogen) is supplied from the hydrogen supply device 7 to the anode electrode inlet of the fuel cell main body 2. It can be supplied to the side.
[0027]
The fuel cell system 1 is configured as a hydrogen circulation type, and is a circulating hydrogen pipe that serves as a path for exhaust hydrogen (circulated hydrogen) discharged from the fuel cell main body 2 without being used for power generation in the fuel cell main body 2. 9 is provided. A circulating hydrogen pump 10 is disposed in the middle of the circulating hydrogen pipe 9, and circulating hydrogen containing a large amount of water vapor discharged from the fuel cell main body 2 is supplied to the circulating hydrogen pump 10 by driving the circulating hydrogen pump 10. It is circulated to the anode electrode inlet side of the fuel cell main body 2 through the pipe 9 and joins with the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7. Therefore, in the fuel cell system 1, mixed hydrogen of raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 and circulating hydrogen containing a large amount of water vapor is supplied to the anode electrode of the fuel cell main body 2.
[0028]
As described above, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the circulating hydrogen containing a large amount of water vapor is mixed with the raw material hydrogen and supplied to the anode electrode of the fuel cell main body 2, whereby the solid polymer membrane of the fuel cell main body 2 is formed. I try to humidify it. In addition, in order to further improve the humidification effect, a humidifier may be separately installed at the subsequent stage of the hydrogen supply device 7. By installing such a humidifier, the anode of the fuel cell body 2 is supplied with a mixed hydrogen of raw hydrogen and circulating hydrogen humidified by passing through the humidifier. The solid polymer film 2 can be sufficiently humidified.
[0029]
In the fuel cell system 1, an exhaust hydrogen pipe 12 provided with a purge valve 11 for releasing surplus hydrogen gas and water vapor in the circulating hydrogen pipe 9 into the atmosphere is provided as a circulating hydrogen pipe 8. It is provided by branching.
[0030]
And the external load 13 which consumes the electric power generated with the said fuel cell main body 2 is connected to the fuel cell main body 2 of this embodiment. Specifically, for example, an inverter is connected to the fuel cell main body 2 as the external load 13, and power generated by the fuel cell main body 2 is converted into energy by the inverter and supplied to a drive motor or the like. This drive motor is used as power for driving the vehicle when the fuel cell system 1 is applied to a vehicle.
[0031]
A voltage sensor 14 and a load current sensor 15 are arranged between the fuel cell main body 2 and the external load 13, and the generated voltage in the fuel cell main body 2 is detected by the voltage sensor 14, and the load current sensor 15 A load current supplied from the fuel cell main body 2 to the external load 13 is detected.
[0032]
The fuel cell main body 2 is provided with a temperature sensor 16 that detects the operating temperature of the fuel cell main body 2. In the fuel cell system 1, heat is generated during the reaction in the fuel cell main body 2, but it is cooled by a cooling mechanism (not shown) and the operating temperature of the fuel cell main body 2 is monitored by the temperature sensor 16. Operation at an optimum temperature is possible.
[0033]
Further, the fuel cell main body 2 is provided with a cell voltage measuring device 17 corresponding to cell voltage detecting means for detecting the voltage of each power generation cell constituting the fuel cell main body 2. In the fuel cell system 1 of the present embodiment, based on the measurement result by the cell voltage measurement device 17, the power generation cell in which the cell voltage has decreased is identified and the cause is determined.
[0034]
The fuel cell system 1 includes a controller 18 for performing the control of the present invention. The controller 18 includes a CPU, a ROM, a RAM, a CPU peripheral circuit, and the like, and has a microprocessor configuration in which these are connected via a bus. The controller 18 receives measurement results from the cell voltage measurement device 17 and information from the circulating hydrogen pump 10, and the CPU executes a control program stored in the ROM using the RAM as a work area. When variation occurs in the voltage of the power generation cells constituting the fuel cell main body 2, it is determined whether the cause is due to the distribution of the raw material gas in the fuel cell main body 2 or due to cell deterioration. Then, an instruction is sent to the air supply device 4 and the hydrogen supply device 7 in accordance with the determination result, and the raw material gas stoichiometric ratio is set.
[0035]
The internal configuration of the controller 18 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the controller 18 basically includes a source gas distribution changing unit 19, a cell deterioration determining unit 20, and a source gas stoichiometric ratio changing unit 21.
[0036]
The raw material gas distribution changing means 19 changes the raw material gas distribution by changing the raw material gas flow rate to increase transiently in a steady state where there is no load transient change. For example, it has a cathode pressure regulating valve and an anode pressure regulating valve, and changes the distribution of the raw material gas by transiently increasing the cathode pressure or anode pressure of the fuel cell body or both in a steady state when there is no load transient change. To do. The source gas distribution changing means 19 can, for example, increase the source gas flow rate transiently, and examine the state of the cell voltage change at that time, thereby determining the cause of cell deterioration.
[0037]
The cell deterioration judging means 20 judges the cause of the cell voltage drop based on the change of the cell voltage when the raw material gas distribution changing means 19 changes the raw gas distribution, and the cell voltage measuring device 17 performs the measurement. Cell voltage determination means 22 is provided for determining whether each cell voltage has a desired voltage value based on the result. When the source gas distribution changing means 19 changes the source gas distribution inside the fuel cell main body 2, the cell deterioration determining means 20 increases the cell voltage of the power generation cell determined by the cell voltage determining means 22 to be low. In this case, it is determined that the cause is due to the distribution of the raw material gas inside the fuel cell main body 2, and when the cell voltage of the power generation cell determined by the cell voltage determination means 22 to be low is not increased, It is determined that the cause is due to cell deterioration.
[0038]
The cell voltage determination means 22 is a cell voltage calculation means (shown) for calculating a desired cell voltage in each power generation cell by referring to, for example, a fuel cell current voltage performance function that receives the load current and the operating temperature of the fuel cell body. And a first voltage drop cell discriminating means 23 for discriminating a power generation cell having a voltage lower than the output from the cell voltage calculating means, and a relative voltage comparing means for comparing each cell voltage with another cell voltage. (Not shown) and second voltage drop cell discriminating means 24 for discriminating a power generation cell having a relatively low voltage based on information from the relative voltage comparing means. Then, the power generation cell which has been determined that the voltage is relatively low by the second voltage drop cell discriminating means 24 and which has been judged to be lower than the desired voltage value by the first voltage drop cell discrimination means 23 Is determined that the cell voltage is low.
[0039]
The raw material gas stoichiometric ratio changing unit 21 sets the raw material gas stoichiometric ratio so that the cell voltage of the deteriorated power generation cell becomes equal to or higher than a lower limit value when the cell deterioration determining unit 20 determines that the cause is due to cell deterioration. When the cell deterioration determining means 20 determines that the cause is due to the distribution of the raw material gas in the fuel cell main body 2, the raw material gas stoichiometric ratio is set to a predetermined lower limit value. The raw material gas stoichiometric ratio changing means 21 has an average voltage calculating means for calculating a weighted average voltage by relatively increasing the weighting for the power generation cell having a low voltage, and based on the output from the average voltage calculating means. Calculate the raw material gas stoichiometric ratio.
[0040]
The configuration of the controller 18 has been described above. Next, an example of processing by the controller 18 will be specifically described with reference to the flowchart of FIG.
[0041]
The controller 18 first calculates a desired cell voltage in the cell voltage calculation means incorporated in the cell voltage determination means 22 (step S10). This desired cell voltage is calculated by referring to the current-voltage characteristic function (IV characteristic) of the fuel cell main body 2. An example of the current-voltage characteristic function of the fuel cell main body 2 is shown in FIG. The cell voltage calculation means inputs the current load current to the current voltage characteristic function and calculates a desired cell voltage at the load current. If a plurality of current-voltage characteristic functions are prepared according to the fuel cell operating temperature, a desired cell voltage can be calculated according to the operating temperature.
[0042]
Next, the cell voltage variation is measured by the cell voltage measuring device 17 (step S20). The cell voltage variation is measured by relatively comparing each cell voltage with another cell voltage in a relative voltage comparison unit incorporated in the cell voltage determination unit 22. In this embodiment, the difference from the cell voltage average value is measured. A cell voltage histogram may be created.
[0043]
In step S30, it is determined whether there is a power generation cell having a low voltage. In the present embodiment, the first voltage drop cell discriminating unit 23 discriminates a power generation cell having a voltage lower than a desired voltage in the previous step S10, and in step S20, the second voltage drop cell discriminating unit 24 relatively determines the voltage. If there is a power generation cell that is determined as a low cell (a cell having a difference from the cell voltage average value equal to or greater than a predetermined value), it is determined that the power generation cell has a low voltage. In the next step S40, the cell number of the power generation cell having the low voltage is stored.
[0044]
On the other hand, if it is determined in step S30 that there is no cell having a low voltage, 0 is substituted for the identification variable “FLAG_Cell_V” (initialization) in step S35, and the process jumps to return and ends. The identification variable “FLAG_Cell_V” is a variable for determining whether the cell voltage drop is caused by the gas distribution inside the fuel cell main body 2 or by the deterioration of the power generation cell itself.
[0045]
Next, the raw material gas distribution changing means 19 changes the raw material flow rate by a predetermined amount to change the raw material gas distribution inside the fuel cell main body 2 (step S50). In the present embodiment, only the air flow rate is changed, but both air and hydrogen may be changed, or hydrogen may be changed instead of air. However, when the hydrogen is increased and changed, it is necessary to discharge the excess hydrogen to the atmosphere and discard it, and the fuel is wasted. In this embodiment, only the air flow rate is changed. In addition, when hydrogen or air is reduced and changed, there is a possibility that the voltage will be further reduced due to a shortage of raw materials. Therefore, in this embodiment, the air flow rate is increased and changed transiently by ΔF for Δt seconds. In the case where there are pressure control valves for the anode and cathode of the fuel cell main body 2, the pressure may be changed by adjusting the valve opening degree.
[0046]
In step S60, it is checked whether or not the voltage of the low voltage cell stored in step S40 has changed. In step S62, when the voltage of the low voltage cell stored in step S40 increases, it is determined that the decrease in the cell voltage is caused by the distribution of the raw material gas in the fuel cell main body 2, and the identification variable “FLAG_Cell_V” is set to 1. Is substituted (initial value is 0). If the cell voltage does not increase, it is determined that the cell voltage decrease is caused by the deterioration of the cell itself, and 2 is assigned to the identification variable “FLAG_Cell_V” in step S64.
[0047]
In step S70, a weighted average voltage of the cell voltage is calculated. In the case of “FLAG_Cell_V” = 2, that is, when there is a cell in which the cell voltage is reduced due to deterioration, the voltage of the cell is weighted most. In this embodiment, the weight is given as a real number from 0 to 1, and a relatively large weight, for example, 1 is given to the deteriorated cell voltage. For example, 0.3 is given to other cells to calculate the weighted average. By doing so, the deteriorated cell voltage is reflected more strongly in the average voltage.
[0048]
On the other hand, when “FLAG_Cell_V” = 1, that is, when it is determined that the cell voltage drop is caused by the distribution of the raw material gas in the fuel cell body 2, for example, 0.6 is given to the low voltage cell, Is given 0.5. By doing so, the influence of the cell having a low cell voltage is not reflected in the average voltage. The weighting uses a membership function often used in fuzzy theory, so that automatic processing by a computer is facilitated. In this embodiment, this method is used.
[0049]
In step S80, the difference between the weighted average voltage of the cell voltage calculated in step S70 and the voltage obtained by averaging the desired cell voltage calculated in step S10 is calculated.
[0050]
In step S90, it is checked whether or not the absolute value of the voltage difference calculated in step S80 is greater than or equal to a predetermined value. If it is equal to or smaller than the predetermined value, the process proceeds to step S100, and the stoichiometric ratio changing means 21 sets the stoichiometric ratio to a predetermined minimum value. In this case, even if the cell voltage is lowered, it depends on the raw material gas distribution in the fuel cell main body 2, so that the stoichiometric ratio is set to the lowest value to save the raw material / raw material supply power.
[0051]
If the absolute value of the voltage difference calculated in step S80 is greater than or equal to a predetermined value, the process proceeds to step S110.
[0052]
In this embodiment, the weighted average voltage of the cell voltage is calculated, and the stoichiometric ratio is changed according to the difference between the weighted average voltage and the voltage obtained by averaging the desired cell voltage calculated in step S10.
[0053]
In the present embodiment, a function that relates the difference between the weighted average voltage and the voltage obtained by averaging the desired cell voltage calculated in step S10 and the stoichiometric change amount is stored in the computer in advance, and this function is referred to. Thus, the stoichiometric ratio change amount is calculated. Further, the stoichiometric change amount increases as the differential voltage increases. In this way, the stoichiometric ratio is increased so as to maintain the cell voltage that has deteriorated and the voltage has decreased to the upper limit value or more. FIG. 5 shows an example of the function.
[0054]
In the fuel cell system 1 of the present embodiment having the above configuration, it is determined whether the cell voltage variation depends on the distribution of the raw material gas in the fuel cell main body 2 or on the deterioration of the power generation cell itself. Since the raw material gas stoichiometric ratio is set, waste of raw material and raw material power can be saved, and damage to the fuel cell main body 2 due to excessive variation in cell voltage can be prevented.
[0055]
Further, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, when the source gas distribution in the fuel cell main body 2 is changed, it is checked whether the cell voltage determined to be low has risen, and when the voltage has risen. Determines that the cell voltage drop is caused by the distribution of the raw material gas in the fuel cell main body 2 in the operating state at that time, and if the voltage of the cell determined to be low does not rise, the cell voltage drop is It is possible to determine that it was caused by the deterioration of the battery, and an accurate determination is possible. The change in the distribution of the raw material gas in the fuel cell main body 2 can be easily performed by, for example, transiently increasing the pressure difference between the raw material supply side and the outlet of the fuel cell in a steady state where there is no load transient change.
[0056]
Furthermore, in the present embodiment, it is possible to determine a cell having a low voltage compared to a desired cell voltage value of each cell voltage. For example, if the desired cell voltage value is calculated from the voltage-current performance characteristics of the fuel cell, the desired cell voltage value corresponding to the load current value can be calculated to determine a cell having a low voltage. In addition, if a plurality of voltage current performance characteristics are prepared using temperature as a parameter and referred to according to the operating temperature of the fuel cell, a desired cell voltage value corresponding to the operating temperature of the fuel cell is calculated and the voltage is calculated. Cell having a low value can be determined. Also, each cell voltage can be compared with other cell voltages to determine a cell having a relatively low voltage, and a cell having a specific low voltage can be determined. The cell voltage drop can be determined by comparing it with the desired voltage value, but the relative comparison can clarify the variation in the cell voltage, and it is possible to determine a cell with a low voltage that requires special attention. it can.
[0057]
Further, in this embodiment, when it is determined that the cell voltage drop is caused by the deterioration, the raw material stoichiometric ratio is calculated so that the voltage of the low voltage cell is deteriorated and becomes the lower limit value or more. Thus, it is possible to prevent further weakening of the deteriorated cells, and damage to the fuel cell main body 2 can be prevented. When it is determined that the cell voltage drop is caused by the gas distribution inside the fuel cell, the stoichiometric ratio can be set to a predetermined lower limit value, which can save the waste of the raw material and the power required for the raw material supply. .
[0058]
Furthermore, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the average voltage of all the cells can be calculated by relatively weighting the voltage of the low voltage cell, and the raw material gas stoichiometric ratio can be calculated. If there is a low voltage cell, the weight of the deteriorated cell voltage is set to a relatively extreme value (by increasing the weight difference with other cells), and the voltage of the deteriorated cell becomes the lower limit. It can be set to calculate the raw material stoichiometric ratio as described above, can prevent further weakening of the deteriorated and weak cells, and prevent damage to the fuel cell main body 2 Can do. If it is determined that the cell voltage drop is caused by the distribution of the raw material gas in the fuel cell main body 2, the weight of the cell voltage having a low voltage is relatively increased, and the weight difference with other cells is increased. By calculating the weighted average of the cell voltage so as to decrease the value and setting the stoichiometric ratio to a predetermined lower limit, it is possible to save waste of the raw material and the power necessary for supplying the raw material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining functions realized by a controller of the fuel cell system.
FIG. 3 is a flowchart for explaining an example of processing by a controller;
FIG. 4 is a characteristic diagram showing an example of a current-voltage characteristic function of the fuel cell main body.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of a function for setting a stoichiometric ratio.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell system
2 Fuel cell body
4 Air supply device
7 Hydrogen supply equipment
10 Circulating hydrogen pump
17 Cell voltage measuring device
18 Controller
19 Raw material gas distribution change means
20 Cell deterioration judgment means
21 Raw material gas stoichiometric ratio change means
22 Cell voltage judgment means
23 First voltage drop cell discrimination means
24 Second voltage drop cell discrimination means

Claims (9)

複数の発電セルを備え、原料ガスである水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体のアノード極に水素を含有するガスを供給する水素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池本体のカソード極に酸素を含有するガスを供給する酸素含有ガス供給装置とを有し、
前記燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるか或いはセル劣化によるものであるかを判断し、その判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell body that includes a plurality of power generation cells and that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen as raw material gases;
A hydrogen-containing gas supply device for supplying a gas containing hydrogen to the anode electrode of the fuel cell body;
An oxygen-containing gas supply device for supplying a gas containing oxygen to the cathode electrode of the fuel cell main body,
When variation occurs in the voltage of the power generation cells constituting the fuel cell body, it is determined whether the cause is due to the distribution of the raw material gas inside the fuel cell body or due to cell deterioration, and the determination A fuel cell system, wherein a raw material gas stoichiometric ratio is set according to a result.
前記燃料電池本体を構成する各発電セルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記燃料電池内部の原料ガスの分布を変更する原料ガス分布変更手段と、
前記原料ガス分布変更手段により原料ガス分布を変化させたときのセル電圧の変化に基づいて前記原因を判断するセル劣化判断手段と、
前記セル劣化判断手段からの出力に基づいて原料ガスストイキ比を算出し、当該原料ガスストイキ比となるように、前記燃料電池本体に対する原料ガスの供給を制御する原料ガスストイキ比変更手段とを有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Cell voltage detection means for detecting the voltage of each power generation cell constituting the fuel cell main body;
Source gas distribution changing means for changing the distribution of the source gas inside the fuel cell;
Cell deterioration determining means for determining the cause based on a change in cell voltage when the source gas distribution is changed by the source gas distribution changing means;
A raw material gas stoichiometric ratio is calculated based on an output from the cell deterioration determining means, and a raw material gas stoichiometric ratio changing means for controlling the supply of the raw material gas to the fuel cell main body so as to be the raw material gas stoichiometric ratio. The fuel cell system according to claim 1.
前記セル劣化判断手段は、各セル電圧が所望の電圧値であるか否かを判断するセル電圧判断手段を有し、
前記原料ガス分布変更手段によって前記燃料電池本体内部の原料ガス分布を変更したときに、前記セル電圧判断手段で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇した場合には、前記原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものと判断し、前記セル電圧判断手段で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇しない場合には、前記原因がセル劣化によるものと判断することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
The cell deterioration determining means includes cell voltage determining means for determining whether or not each cell voltage has a desired voltage value.
When the source gas distribution inside the fuel cell main body is changed by the source gas distribution changing means, and the cell voltage of the power generation cell determined by the cell voltage determining means is low, the cause is If the cell voltage of the power generation cell is determined to be due to the distribution of the raw material gas inside the fuel cell body and the voltage is determined to be low by the cell voltage determination means, the cause is determined to be due to cell deterioration. The fuel cell system according to claim 2.
前記セル電圧判断手段は、
負荷電流と燃料電池本体の動作温度を入力とする燃料電池電流電圧性能関数を参照することにより各発電セルにおける所望のセル電圧を算出するセル電圧算出手段と、
前記セル電圧算出手段からの出力より低い電圧の発電セルを判別する第1の電圧低下セル判別手段と、
各セル電圧を他のセル電圧と比較する相対電圧比較手段と、
前記相対電圧比較手段からの情報に基づいて相対的に電圧の低い発電セルを判別する第2の電圧低下セル判別手段とを有することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
The cell voltage determination means includes
Cell voltage calculation means for calculating a desired cell voltage in each power generation cell by referring to a fuel cell current voltage performance function that receives the load current and the operating temperature of the fuel cell body;
First voltage drop cell determining means for determining a power generation cell having a voltage lower than the output from the cell voltage calculating means;
Relative voltage comparison means for comparing each cell voltage with other cell voltages;
4. The fuel cell system according to claim 3, further comprising: a second voltage drop cell determining unit configured to determine a power generation cell having a relatively low voltage based on information from the relative voltage comparing unit.
前記セル電圧判断手段は、前記第2の電圧低下セル判別手段により相対的に電圧が低いと判別され、且つ前記第1の電圧低下セル判別手段により所望の電圧値より低い電圧であると判別された発電セルについて、電圧が低いと判断することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。The cell voltage determination means determines that the voltage is relatively low by the second voltage drop cell determination means, and determines that the voltage is lower than a desired voltage value by the first voltage drop cell determination means. The fuel cell system according to claim 4, wherein the power generation cell is determined to have a low voltage. 前記原料ガスストイキ比変更手段は、
前記セル劣化判断手段により前記原因がセル劣化によるものと判断された場合には、劣化した発電セルのセル電圧が下限値以上になるように原料ガスストイキ比を算出し、
前記セル劣化判断手段により前記原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものと判断された場合には、原料ガスストイキ比を所定の下限値に設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
The raw material gas stoichiometric ratio changing means is:
When it is determined by the cell deterioration determination means that the cause is due to cell deterioration, the raw material gas stoichiometric ratio is calculated so that the cell voltage of the deteriorated power generation cell is equal to or higher than the lower limit value,
The raw material gas stoichiometric ratio is set to a predetermined lower limit value when the cause is judged by the cell deterioration judging means to be a raw material gas distribution inside the fuel cell main body. Fuel cell system.
前記原料ガスストイキ比変更手段は、電圧の低い発電セルに対する重み付けを相対的に大きくして重み付け平均電圧を算出する平均電圧算出手段を有し、この平均電圧算出手段からの出力に基づいて原料ガスストイキ比を算出することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。The raw material gas stoichiometric ratio changing means has an average voltage calculating means for calculating a weighted average voltage by relatively increasing the weighting for the power generation cell having a low voltage, and based on the output from the average voltage calculating means, the raw material gas stoichiometric ratio The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is calculated. 前記原料ガス分布変更手段は、負荷過渡変化がない定常時に原料ガス流量を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the raw material gas distribution changing unit changes the raw material gas distribution by changing the raw material gas flow rate in a transient manner when there is no load transient change. 4. 前記原料ガス分布変更手段は、カソード圧力調整弁とアノード圧力調整弁とを有し、負荷過渡変化がない定常時に燃料電池本体のカソード圧力又はアノード圧力、或いはこれら両者を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。The raw material gas distribution changing means has a cathode pressure adjusting valve and an anode pressure adjusting valve, and changes the cathode pressure and / or anode pressure of the fuel cell main body in a transient manner when there is no load transient change. The fuel cell system according to claim 2, wherein the distribution of the raw material gas is changed by the above.
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