JP4495578B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
(1)前記複数の単セルのうち、最も電圧の低い単セルの電圧と各単セルの平均電圧との偏差である第1の電圧偏差を演算した結果、前記第1の電圧偏差が第1の閾値よりも大きい場合
(2)前記複数の単セルのうち、最も電圧の高い単セルのセル電圧と、前記最も電圧の低い単セルのセル電圧との偏差である第2の電圧偏差を演算した結果、前記第2の電圧偏差が第2の閾値よりも大きい場合
請求項6においては、反応ガス供給の流量を通常運転時よりも増加させることにより、パージ操作を行わずとも、燃料電池内に滞留している生成水の排出を行うことができる。
燃料電池2は、主として、電解質膜の両面をアノード(燃料極)、およびカソード(空気極)で挟持してなる単セルが、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜(燃料極・空気極)の全面に反応ガスを供給するための溝、各単セルに反応ガスを供給するための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード側流路4、カソード側流路6として機能している。アノード側流路4には燃料ガスとしての水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各単セル上の各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路6には、酸化剤ガスとしての空気が流通し、この流通する空気が各単セル上の各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池2から大きな電力を取り出すことが可能となっている。
燃料電池2を構成している各単セルにはセル電圧測定器(電圧検出手段)3が設けられ、この測定器により各単セルの電圧(セル電圧)を検出する。セル電圧測定器3は、後記するECU80の平均セル電圧算出部81とセル電圧検出部82とに電気的に接続しており、取得した各セル電圧はこれらに送られる。
アノード系は、燃料電池2のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵されていた水素タンク41、遮断弁(補機類)42、エゼクタ43、パージ弁51を主に備えている。
カソード系は、燃料電池2のカソード側に配置し、空気を供給・排出する系であり、コンプレッサ(補機類)61を主に備えている。
また、配管61aには、加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池2に供給される空気を所定に加湿可能となっている。
蓄電手段72は、例えば電気二重層キャパシタなどであり、燃料電池2の電圧よりも蓄電手段72の電圧が低い場合は、燃料電池2により蓄電すると共に、負荷71ともVCU73を介して接続することによって、必要に応じて負荷71に電力を供給し、燃料電池2の発電を補助する役割を有する。また、ECU80内の制御部85と電気的に接続しており、蓄電手段72の蓄電量に関する情報は制御部85に送られる。
負荷71は、例えばモータやエアコン、カーナビゲーションなどから構成される。また、負荷71は、制御部85と電気的に接続しており、負荷71の状態に関する情報が制御部85に送られる。
ECU(制御手段)80は、燃料電池2の発電を制御する機能、燃料電池2内に異常な単セルが存在するか否かを判定する機能と、所定のアイドル停止条件で燃料電池システム1における遮断弁42やコンプレッサ61の動作を禁止して、これらの電力消費を防止、または抑制する機能、反応ガスを節約する機能を主に有している。ECU80は、CPU、ROM、RAM、各種インターフェイス、電子回路などを含んで構成され、平均セル電圧算出部81、セル電圧検出部82、電圧差算出部83、アイドル停止禁止条件判定部84、制御部85、電圧低下セル履歴記憶部86、クロック87を主に備えている。
また、ECU80は、燃料電池自動車のアクセルペダルAPに連動するようになっている。
平均セル電圧算出部81は、セル電圧測定器3とセル電圧検出部82と電圧差算出部83とに電気的に接続している。本実施形態では、平均セル電圧算出部81は、後記するセル電圧検出部82の指示により、セル電圧測定器3から入力された各セル電圧を加算し、その値を全セル数で割ることにより、平均セル電圧を算出し、算出された平均セル電圧は電圧差算出部83に送られる。
セル電圧検出部82は、セル電圧測定器3と平均セル電圧算出部81と電圧差算出部83とに電気的に接続している。セル電圧検出部82は、セル電圧測定器3が検出している各セル電圧を監視している。セル電圧検出部82は、セル電圧測定器3から送られた各セル電圧を比較し、最低の電圧値を示しているセルを検出し、さらにその電圧値(最低セル電圧)を取得する。そして、最低セル電圧が所定値以下であるか否かを判定する。その結果、最低セル電圧が所定値以下であれば、平均セル電圧算出部81に平均セル電圧の算出を指示し、電圧差算出部83に最低セル電圧を送る。最低セル電圧が所定値より大きければ、再び監視を続ける。
電圧差算出部83は、平均セル電圧算出部81とセル電圧検出部82とアイドル停止禁止条件判定部84とに電気的に接続しており、平均セル電圧算出部81が算出した平均セル電圧とセル電圧検出部82が検出した最低セル電圧との差である電圧差を算出し、算出された電圧差はアイドル停止禁止条件判定部84に送られる。
アイドル停止禁止条件判定部84は、電圧差算出部83と電圧低下セル履歴記憶部86と制御部85とに電気的に接続している。アイドル停止禁止条件判定部84は、電圧差算出部83から送られた電圧差と所定値との比較を行い、電圧差が所定値より大きければ、セル電圧の低下の原因は前記した原因1であると判定し、電圧低下を示しているセルの有無(電圧低下セル履歴)を電圧低下セル履歴記憶部86に送信する。また、電圧差が所定値以下であれば、セル電圧の低下の原因は前記した原因2であると判定し、制御部85にアイドル停止禁止条件が成立しているか否かを判定するよう指示する。
制御部85は、アノード側の遮断弁42、パージ弁51と、カソード側のコンプレッサ61などとに電気的に接続しており、遮断弁42、パージ弁51の開閉、コンプレッサ61の稼動(回転速度)などを適宜に制御可能となっている。
また、制御部85は、アクセルペダルAPに電気的に接続しており、アクセルペダルAPの状態に関する情報を検知し、これらの情報を基にアイドル停止禁止条件、アイドル停止可能条件の判定を行い、判定の結果によって、遮断弁42の開閉、コンプレッサ61の回転数などを制御する。
ここで、アイドル停止禁止条件とは、具体的には、例えばアクセルペダルAPの出力がある、などである。そして、アイドル停止可能条件とは、具体的には、例えばアクセルペダルAPの出力がない、または、パージが完了している、などである。
さらに、制御部85は、アイドル停止禁止条件判定部84と電圧低下セル履歴記憶部86とクロック87とに接続している。制御部85には、所定の制御プログラムが記憶されており、このプログラムを実行することで、前記した遮断弁42、パージ弁51、コンプレッサ61の制御をする。
電圧低下セル履歴記憶部86は、アイドル停止禁止条件判定部84と制御部85とに電気的に接続している。
電圧低下セル履歴記憶部86は、アイドル停止禁止条件判定部84から送られる電圧低下セル履歴を記憶する。
さらに、電圧低下セル履歴記憶部86は、制御部85からの要求に従って、電圧低下セル履歴の有無を制御部85に送ったり、制御部85からの要求に従って、記憶している電圧低下セル履歴を削除したりする。
クロック87は、制御部85と電気的に接続して、時刻を刻んでいる。例えばパージ開始時に時刻を刻み始め、パージ終了後に時刻を刻み終え、この時間を制御部85に送る。
まず、燃料電池システム1はアイドル停止が可能な状態にあるとする。すなわち、実際にアイドル停止しているか否かは問題ではなく、条件が整えば燃料電池システム1はアイドル停止をすることが可能な状態にある。
そして、セル電圧検出部82は、セル電圧測定器3から送られた各セル電圧を比較し、最低の電圧値を示している単セルを検出し、さらにその電圧値(最低セル電圧)を取得する。そして、セル電圧検出部82は、最低セル電圧が所定値以下であるか否かを判定する(S1)。その結果、最低セル電圧が所定値以下であれば(S1→Yes)、セル電圧検出部82は、平均セル電圧算出部81に平均セル電圧の算出を指示し、電圧差算出部83に最低セル電圧を送る。最低セル電圧が所定値より大きければ(S1→No)、再びステップS1に処理を戻す。
なお、最低セル電圧が所定値より小さければ、平均セル電圧算出部81に平均セル電圧の算出を指示し、電圧差算出部83に最低セル電圧を送り、最低セル電圧が所定値以上であれば、再びステップS1に処理を戻してもよい。
次に、平均セル電圧算出部81が、セル電圧測定器3が取得した各セル電圧を加算し、さらに燃料電池2中の全セル数で割ることにより、平均セル電圧の算出を行う(S2)。
次に、電圧差算出部83が、平均セル電圧−最低セル電圧の算出を行う。この値を、以下、電圧差(第1の電圧偏差)と呼ぶことにする。
次に、アイドル停止禁止条件判定部84が、電圧差が所定値(第1の閾値)以下であるか否かを判定する(S3)。電圧差が所定値より大きければ(S3→No)、アイドル停止禁止条件判定部84は、セル電圧の低下の原因は前記した原因1であると判定し、電圧低下を示しているセルの有無(電圧低下セル履歴)を電圧低下セル履歴記憶部86に送る。これは、電極表面への生成水の付着による電圧が低下している単セルの個数は、全セル中でわずかな数であるため、平均するとこの値はならされてしまい、平均電圧値の低下は、小さくなることによる。ステップS5では、アイドル停止禁止条件判定部84が、電圧低下セル履歴を電圧低下セル履歴記憶部86に記憶する。そして、ステップS6へ処理を進める。
電圧差が所定値以下であれば(S3→Yes)、アイドル停止禁止条件判定部84は、セル電圧の低下の原因は前記した原因2であると判定し、ステップS4へ処理を進める。これは、蓄電手段72への充電によるセル電圧の低下は、各単セルに共通に生じている、すなわち各単セルが一様に電圧低下を生じており、そのため平均化しても、低い値を示すためである。
なお、本実施形態では、電圧差が所定値より大きければステップS5へ処理を進め、所定値以下であればステップS4へ処理を進めたが、所定値以上であればステップS5へ処理を進め、所定値より小さければステップS4へ処理を進めてもよい。
ステップS6においては、制御部85がアイドル停止の禁止、すなわち反応ガスを供給しつづけるよう、遮断弁42、コンプレッサ61に指示する。その後、制御部85は、パージ弁51を開くようパージ弁51に指示し、パージが開始される。同時にECU80内のクロック87が、時間の計測を開始する。そして、ステップS7へ処理を進める。なお、パージは必須ではない。
ステップS7では、制御部85が、電圧低下セル履歴が電圧低下セル履歴記憶部86に記憶されているか否かを判定する。その結果、電圧低下セル履歴が電圧低下セル履歴記憶部86に記憶されていなければ(S7→No)、制御部85は、原因2によるセル電圧の低下が生じていると判定し、ステップS10へ処理を進める。これは、電圧低下セル履歴が電圧低下セル履歴記憶部86に記憶されていないことは、アイドル停止禁止条件判定部84が、ステップS3においてYes(原因2)を判定したことを意味することによる。記憶されていれば(S7→Yes)、制御部85は、原因1によるセル電圧の低下が生じていると判定し、ステップS8へ処理を進める。これは、電圧低下セル履歴が電圧低下セル履歴記憶部86に記憶されていることは、アイドル停止禁止条件判定部84が、ステップS3においてNo(原因1)を判定したことを意味することによる。
ステップS8では、制御部85が、ステップS6で併せて行った、単セルの回復操作が完了したか否かを判定する。判定方法としては、ステップS6で計測開始したクロック87の計測時間が予め設定しておいた所定時間を超えたか否かで判断する。所定時間は、パージ開始からパージ完了までの時間などを設定する。
その結果、制御部85が、セルの回復操作が完了していないと判定した場合(S8→No)、再びステップS8に戻る。制御部85が、セルの回復操作が完了していると判定した場合(S8→Yes)、ステップS9へ処理を進める。
ステップS9においては、制御部85が、ステップS5で記憶した電圧低下セル履歴記憶部86の電圧低下セル履歴を電圧低下セル履歴記憶部86から削除する。そして、ステップS10へ処理を進める。
ステップS10において、制御部85が、アイドル停止可能条件が成立しているか否かを判定する。アイドル停止可能条件が成立しているとは、具体的には、例えばアクセルペダルAPの出力がない、または、パージが完了しているなどである。
ステップS10で、制御部85が、アイドル停止可能条件が成立していると判定した場合(S10→Yes)、ステップS11へ処理を進める。
ステップS10で、制御部85が、アイドル停止可能条件が成立していないと判定した場合(S10→No)、ステップS10の処理へ戻る。
ステップS11において、制御部85は、遮断弁42、コンプレッサ61の状態をアイドル停止禁止の解除、すなわちアイドル停止を可能な状態とする。そして、ステップS1の処理へ戻る。
この場合、アイドル停止禁止条件として、例えば(1)アクセルペダルAPの出力がある。または、(2)蓄電手段72の蓄電容量が所定値以下で、かつエアコンやカーナビゲーションなど負荷71からの発電要求が所定値以上である、などとしてもよい。そして、アイドル停止可能条件として、例えば(1)アクセルペダルAPの出力がなく、かつ蓄電容量が所定値以上である、または、(2)アクセルペダルAPの出力がなく、かつエアコン、カーナビゲーションなどの負荷71からの発電要求が所定値以下である、または、(3)パージが完了している、あるいは、(4)所定時間、通常運転時よりも多く反応ガス供給量を増加させているなどとしてもよい。(4)について、通常運転時よりも多く反応ガスを供給することにより、生成水の排出が可能となり、次にアイドル停止が行われた場合も、このアイドル停止が円滑になされる。なお、このときの反応ガスの供給量は、実験やシミュレーションなどにより、適宜設定される。
2 燃料電池
3 セル電圧測定器
41 水素タンク
42 遮断弁
51 パージ弁
61 コンプレッサ
71 負荷
72 蓄電手段
80 ECU
81 平均セル電圧算出部
82 セル電圧検出部
83 電圧差算出部
84 アイドル停止禁止条件判定部
85 制御部
86 電圧低下セル履歴記憶部
87 クロック
AP アクセルペダル
Claims (6)
- 燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが供給され発電する複数の単セルを有する燃料電池と、
前記単セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
所定のアイドル停止条件で、前記燃料電池の所定の補機類の動作を禁止して前記補機類での電力消費を防止又は抑制する制御手段と、
前記燃料電池が発電した電力を蓄電する蓄電手段と、を備え、
前記燃料電池が発電した電力及び前記蓄電手段に蓄電された電力とにより負荷を駆動する燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、次のいずれかの場合に、前記補機類のアイドル停止を禁止して前記補機類を駆動すること、
を特徴とする燃料電池システム。
(1)前記複数の単セルのうち、最も電圧の低い単セルの電圧と各単セルの平均電圧との偏差である第1の電圧偏差を演算した結果、前記第1の電圧偏差が第1の閾値よりも大きい場合
(2)前記複数の単セルのうち、最も電圧の高い単セルの電圧と、前記最も電圧の低い単セルの電圧との偏差である第2の電圧偏差を演算した結果、前記第2の電圧偏差が第2の閾値よりも大きい場合 - 前記燃料電池の電圧よりも前記蓄電手段の電圧が低い場合、前記蓄電手段は、前記燃料電池により蓄電され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。
- 前記蓄電手段は、キャパシタであ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。
- 前記アイドル停止の禁止を行った後、所定時間経過後に、前記制御手段は、前記アイドル停止の禁止を解除することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記アイドル停止の禁止を行った後、前記制御手段は、所定回数のパージを行った後に前記アイドル停止の禁止を解除することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記アイドル停止の禁止を行った後、前記制御手段は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流量を通常時よりも多く前記燃料電池に供給する動作を、所定時間行った後に前記アイドル停止の禁止を解除することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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