JP5443776B2 - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system.
近年、水素(燃料ガス、反応ガス)と、酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)とが供給されることで発電する燃料電池の開発が急速に進められ、例えば、燃料電池車の電力源として期待されている。 In recent years, the development of fuel cells that generate electricity by supplying hydrogen (fuel gas, reactive gas) and oxygen-containing air (oxidant gas, reactive gas) has been promoted rapidly. Expected as a source.
このような燃料電池が発電すると、自己発熱すると共に、そのカソードにおける電極反応によって水分(水蒸気)を生成する。そして、生成した水分の一部は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)を透過(クロスリーク)し、アノードに向かう。したがって、燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスは、多湿となり、水分が凝縮してなる凝縮水を含む。 When such a fuel cell generates power, it self-heats and generates water (water vapor) by an electrode reaction at its cathode. And some of the produced | generated moisture permeate | transmits (cross-leaks) MEA (Membrane Electrode Assembly: membrane electrode assembly), and goes to an anode. Therefore, the anode off-gas and cathode off-gas discharged from the fuel cell are humid and contain condensed water formed by condensation of moisture.
また、このような燃料電池車において、信号待ち、人待ち等によって、無負荷状態となると、燃料電池車はアイドル中(アイドリング状態)となる。ところが、このアイドル中においても燃料電池で水素が消費されるので、所定のアイドル停止条件が成立した場合、所定のアイドル停止時間にて燃料電池の発電を停止することで、水素の消費を停止し、燃費を高めるアイドル停止技術が知られている(特許文献1)。 Further, in such a fuel cell vehicle, when the vehicle is in an unloaded state due to waiting for a signal or waiting for a person, the fuel cell vehicle is in an idle state (idling state). However, since hydrogen is consumed in the fuel cell even during the idling, when the predetermined idle stop condition is satisfied, the consumption of hydrogen is stopped by stopping the power generation of the fuel cell at the predetermined idle stop time. An idle stop technique for improving fuel consumption is known (Patent Document 1).
しかしながら、車外温度(外気温度)が低い場合において、アイドル停止すると、燃料電池の発熱も停止するので、アノードオフガス及びカソードオフガスが通流するオフガス配管の温度が低下し、アイドル停止中にオフガス配管が凍結してしまう虞がある。 However, if the vehicle outside temperature (outside air temperature) is low and the engine stops idling, the fuel cell heat generation also stops, so the temperature of the offgas piping through which the anode offgas and cathode offgas flow decreases, and the offgas piping is turned off during idling. There is a risk of freezing.
そこで、本発明は、オフガス配管の凍結を防止しつつ、適切にアイドル停止可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and an operation method of the fuel cell system that can appropriately stop idling while preventing freezing of off-gas piping.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスが通流するオフガス配管と、システムのアイドル停止を制御するアイドル停止制御手段と、仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中に前記オフガス配管が凍結するか否か判定する凍結判定手段と、前記凍結判定手段が凍結すると判定した場合、アイドル停止を禁止する禁止手段と、前記禁止手段によるアイドル停止の禁止中に、アイドル停止の禁止の解除条件が成立した場合、前記禁止手段によるアイドル停止の禁止を解除する解除手段と、を備え、前記解除条件は、前記オフガス配管の現在の温度が、その後にアイドル停止した場合にオフガス配管が凍結しない解除温度以上となったとき、成立し、外気温度が低くなると、前記解除温度は高くなるように変更され、且つ、アイドル停止するアイドル停止時間が長くなると、前記解除温度は高くなるように変更されることを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention controls a fuel cell that generates electric power when a reaction gas is supplied, an off-gas pipe through which off-gas discharged from the fuel cell flows, and idle stop of the system If the idle stop control means, the freeze determination means for determining whether or not the off-gas piping is frozen during the idle stop, and the freeze determination means are determined to freeze, the idle stop is prohibited. A prohibiting means, and a canceling means for canceling the prohibition of the idle stop by the prohibiting means when the canceling condition of the prohibition of the idle stop is satisfied while the prohibition of the idling stop by the prohibiting means is established. when the current temperature of the off-gas piping became then when idle stop off pipes releasing temperature or higher which does not freeze, Standing city, when the outside air temperature is lower, the release temperature is changed to be higher, and, when the idle stop time is prolonged to an idle stop, the fuel cell, characterized in that it is modified to the release temperature is high System.
このような燃料電池システムによれば、凍結判定手段が、仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中にオフガス配管が凍結すると判定したとき、禁止手段がアイドル停止を禁止する。これにより、アイドル停止中におけるオフガス配管の凍結は防止される。 According to such a fuel cell system, if the freezing determination means temporarily stops idling, the prohibiting means prohibits idling stop when it is determined that the offgas pipe is frozen during the idling stop. Thereby, freezing of off-gas piping during idle stop is prevented.
そして、禁止手段によるアイドル停止の禁止中において、オフガス配管の現在の温度が、その後にアイドル停止した場合にオフガス配管が凍結しない解除温度以上となり、解除条件が成立したとき、解除手段が、禁止手段によるアイドル停止の禁止を解除し、アイドル停止を可能、つまり、許可する。これにより、その後、アイドル停止制御手段が適切なタイミングでアイドル停止を開始しつつ、その後のアイドル停止中において、オフガス配管が凍結することを防止できる。
また、外気温度が低くなると、解除温度は高くなるように変更されるので、解除温度を適切に設定し、アイドル停止の禁止の解除を適切なタイミングで実行できる。
また、アイドル停止時間が長くなると、解除温度は高くなるように変更されるので、解除温度を適切に設定し、アイドル停止の禁止の解除を適切なタイミングで実行できる。
When the prohibition means prohibits the idling stop, the current temperature of the offgas pipe is equal to or higher than a release temperature at which the offgas pipe is not frozen when the idling stop is subsequently performed, and when the release condition is satisfied, the release means is prohibited. The prohibition of idling stop by is canceled, and idling can be stopped, that is, permitted. Thus, the off-gas piping can be prevented from freezing during the subsequent idle stop while the idle stop control means starts the idle stop at an appropriate timing.
Further, since the release temperature is changed so as to increase as the outside air temperature decreases, the release temperature can be set appropriately and the prohibition of idling stop can be canceled at an appropriate timing.
Further, when the idle stop time becomes longer, the release temperature is changed so as to increase. Therefore, it is possible to appropriately set the release temperature and release the prohibition of idle stop at an appropriate timing.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記オフガス配管の現在の温度は、当該オフガス配管の熱収支の積算値に基づいて算出されることを特徴とする。 In the fuel cell system, the current temperature of the offgas pipe is calculated based on an integrated value of the heat balance of the offgas pipe.
このような燃料電池システムによれば、オフガス配管の現在の温度を、オフガス配管の熱収支(cal/s等)の積算値(cal等)に基づいて、適切に算出できる。
なお、オフガス配管の熱収支は、後記する実施形態のように、例えば、オフガス配管の吸熱量と放熱量との差で与えられる。
According to such a fuel cell system, it is possible to appropriately calculate the current temperature of the offgas pipe based on the integrated value (cal etc.) of the heat balance (cal / s etc.) of the offgas pipe.
Note that the heat balance of the off-gas piping is given by, for example, the difference between the heat absorption amount and the heat dissipation amount of the off-gas piping as in an embodiment described later.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記オフガス配管の熱収支(後記する実施形態では吸熱量)は、発電に伴って自己発熱する前記燃料電池の出力に基づいて算出されることを特徴とする。 In the fuel cell system, the heat balance of the off-gas piping (in the embodiment described later, the heat absorption amount) is calculated based on the output of the fuel cell that self-heats with power generation.
このような燃料電池システムによれば、オフガス配管の熱収支を、発電に伴って自己発熱する燃料電池の出力に基づいて、適切に算出できる。なお、燃料電池スタックの出力が大きくなると、発電に伴う自己発熱量が大きくなり、オフガス配管の熱収支(吸熱量)が増加する。
また、オフガス配管の温度を検出する温度センサが不要となるので、システム構成を簡便にできる。
According to such a fuel cell system, the heat balance of the off-gas piping can be calculated appropriately based on the output of the fuel cell that self-heats with power generation. As the output of the fuel cell stack increases, the amount of self-heating generated during power generation increases, and the heat balance (heat absorption amount) of the off-gas piping increases.
In addition, since a temperature sensor for detecting the temperature of the off-gas piping is not required, the system configuration can be simplified.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記凍結判定手段は、前記オフガス配管の現在の温度と、外気温度とに基づいて、仮にアイドル停止した場合のアイドル停止中の前記オフガス配管の温度を予測し、予測された前記オフガス配管の温度と凍結温度とに基づいて、前記オフガス配管が凍結するか否か判定することを特徴とする。Further, in the fuel cell system, the freezing determination means predicts the temperature of the off-gas pipe during idling stop when the idling stop is temporarily performed based on the current temperature of the off-gas pipe and the outside air temperature. Whether or not the off-gas piping is frozen is determined based on the temperature and freezing temperature of the off-gas piping.
また、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスが通流するオフガス配管と、システムのアイドル停止を制御するアイドル停止制御手段と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中に前記オフガス配管が凍結するか否か判定する凍結判定ステップと、前記凍結判定ステップにおいて凍結すると判定された場合、アイドル停止を禁止する禁止ステップと、アイドル停止の禁止中に、アイドル停止の禁止の解除条件が成立した場合、アイドル停止の禁止を解除する解除ステップと、を含み、前記解除条件は、前記オフガス配管の現在の温度が、その後にアイドル停止した場合にオフガス配管が凍結しない解除温度以上となったとき、成立し、外気温度が低くなると、前記解除温度は高くなるように変更され、且つ、アイドル停止するアイドル停止時間が長くなると、前記解除温度は高くなるように変更されることを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
また、前記燃料電池システムの運転方法において、前記オフガス配管の現在の温度と、外気温度とに基づいて、仮にアイドル停止した場合のアイドル停止中の前記オフガス配管の温度を予測し、予測された前記オフガス配管の温度と凍結温度とに基づいて、前記オフガス配管が凍結するか否か判定することを特徴とする。
The present invention also includes a fuel cell that generates electric power when supplied with a reaction gas, an offgas pipe through which offgas discharged from the fuel cell flows, and an idle stop control means that controls idle stop of the system. In the fuel cell system operation method provided, if it is determined that the off-gas piping is frozen during the idle stop, if it is determined that the off-gas piping is frozen during the idle stop, A prohibiting step for prohibiting idling stop, and a canceling step for canceling prohibition of idling stop when a canceling condition for prohibiting idling stop is satisfied during the prohibition of idling stop, and the canceling condition includes the off-gas piping When the current temperature of the gas is higher than the release temperature at which the off-gas piping will not freeze when the engine is subsequently idled Enacted, if the outside air temperature is lower, the release temperature is changed to be higher, and, when the idle stop time is prolonged to an idle stop, the fuel cell, characterized in that it is modified to the release temperature is high This is a system operation method.
Further, in the operation method of the fuel cell system, based on the current temperature of the off-gas pipe and the outside air temperature, the temperature of the off-gas pipe during the idle stop when the idle stop is temporarily predicted is predicted. Whether or not the off-gas piping is frozen is determined based on the temperature and the freezing temperature of the off-gas piping.
このような燃料電池システムの運転方法によれば、仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中にオフガス配管が凍結すると判定した場合(凍結判定ステップ)、アイドル停止を禁止する(禁止ステップ)。これにより、アイドル停止中におけるオフガス配管の凍結は防止される。 According to such an operation method of the fuel cell system, if idling is stopped, if it is determined that the offgas pipe is frozen during the idling stop (freezing determination step), idling stop is prohibited (prohibition step). Thereby, freezing of off-gas piping during idle stop is prevented.
そして、アイドル停止の禁止中において、オフガス配管の現在の温度が、その後にアイドル停止した場合にオフガス配管が凍結しない解除温度以上となり、解除条件が成立した場合、アイドル停止の禁止を解除し(解除ステップ)、アイドル停止を可能、つまり、許可する。これにより、その後、アイドル停止制御手段が適切なタイミングでアイドル停止を開始しつつ、その後のアイドル停止中において、オフガス配管が凍結することを防止できる。 Then, when the idle stop is prohibited, the current temperature of the off-gas piping is equal to or higher than the release temperature at which the off-gas piping does not freeze when the idle stop is subsequently performed. Step), idle stop is possible, that is, allowed. Thus, the off-gas piping can be prevented from freezing during the subsequent idle stop while the idle stop control means starts the idle stop at an appropriate timing.
本発明によれば、オフガス配管の凍結を防止しつつ、適切にアイドル停止可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system and an operation method of the fuel cell system that can appropriately stop idling while preventing the off-gas piping from freezing.
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の発電電力を消費等する電力消費系と、ブレーキ装置51等と、これらを電子制御するECU60(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a
<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
<Fuel cell stack>
The
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)と、を含んでいる。
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路11(燃料ガス流路)、カソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。
The anode and the cathode include a porous body having conductivity such as carbon paper, and a catalyst (Pt, Ru, etc.) supported on the anode and causing an electrode reaction in the anode and the cathode.
Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a channel 11 (fuel gas channel) and a cathode channel 12 (oxidant gas channel).
そして、アノード流路11を介して各アノードに水素が供給されると、式(1)の電極反応が起こり、カソード流路12を介して各カソードに空気が供給されると、式(2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10とモータ41(外部負荷)とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
When hydrogen is supplied to each anode via the
2H 2 → 4H + + 4e − (1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
<アノード系>
アノード系は、水素タンク21と、常閉型の遮断弁22とを備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22aを介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、ECU60からの指令によって遮断弁22が開かれると、水素が、水素タンク21から、遮断弁22等を経由して、アノード流路11に供給されるようになっている。
<Anode system>
The anode system includes a
The
アノード流路11の出口には、配管22bが接続されている。そして、アノード流路11から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスは、配管22bを通って、車外に排出されるようになっている。
A
<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31と、インタークーラ32と、三方弁33とを備えている。
<Cathode system>
The cathode system includes a
コンプレッサ31は、配管31a、インタークーラ32、配管32aを介して、カソード流路12の入口に接続されている。そして、コンプレッサ31は、ECU60の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路12に供給するようになっている。
なお、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10及び/又はバッテリ(図示しない)を電源として作動する。また、配管32aには、カソード流路12に向かう空気を加湿する加湿器(図示しない)が設けられている。
The
The
インタークーラ32は、コンプレッサ31で圧縮されることにより高温となった空気を、適宜に冷却するものであり、例えば空冷式で構成される。
The
カソード流路12の出口には、配管33a、三方弁33、配管33bが順に接続されている。三方弁33は、通常時、配管33aと配管33bとを連通するポジションに設定されている。そして、カソード流路12から排出された多湿のカソードオフガスは、配管33a、33bを通って、車外に排出されるようになっている。
よって、本実施形態では、「カソードオフガスが通流するオフガス配管」は、配管33aと、配管33bとを備えて構成されている。
A
Therefore, in the present embodiment, the “off-gas piping through which the cathode off-gas flows” includes the
また、三方弁33には配管33cが接続されており、配管33cはインタークーラ32の近傍に配設された後、車外に開口している。そして、ECU60に制御される三方弁33が配管33aと配管33cとを連通させると、カソードオフガスが、配管33a、33cを通って、車外に排出されるようになっている。
A
ここで、カソードオフガスは、発電に伴って自己発熱する燃料電池スタック10で加温されたものである。そして、この暖かいカソードオフガスは、インタークーラ32の近傍の配管33cを通流する際に、インタークーラ32を介して、インタークーラ32内を通流し、カソード流路12に向かう空気を暖めるようになっている。
Here, the cathode off-gas is heated by the
これにより、例えば、システム起動時において、外気温度が極低温である場合、このようにカソードオフガスでカソード流路12に向かう空気を暖めることにより、燃料電池スタック10の廃熱を有効利用しつつ、燃料電池スタック10の暖機を促進するようになっている。
Thereby, for example, when the outside air temperature is extremely low at the time of starting the system, the waste heat of the
なお、三方弁33が配管33aと配管33bとを連通し、カソードオフガスが配管33cを通流しない場合、インタークーラ32が暖められることはなく、インタークーラ32がその機能を失うことはない。
また、カソードオフガスがカソード流路12に向かう空気を暖める位置、つまり、熱交換する位置は、これに限定されず、例えば、コンプレッサ31に吸気される空気や、配管32aを通流する空気と熱交換する構成でもよい。
When the three-
The position where the cathode off gas warms the air toward the
<電力消費系>
電力消費系は、モータ41と、電力制御器42と、出力検出器43とを備えている。そして、モータ41は、電力制御器42を介して、燃料電池スタック10の出力端子に接続されている。
<Power consumption system>
The power consumption system includes a
モータ41は、燃料電池自動車の動力源となる電動モータである。
電力制御器42は、ECU60の指令に従って、燃料電池スタック10の発電電力(電流、電圧)を制御するものであり、DC/DCチョッパ、DC/DCコンバータ等の電子回路を内蔵している。
The
The
出力検出器43は、燃料電池スタック10の出力電流値、出力電圧値を検出するものであり、電流センサ及び電圧センサを備えている。そして、出力検出器43は、検出した電流値及び電圧値を、ECU60に出力するようになっている。
The
なお、モータ41と電力制御器42との間には、電力制御器42からの直流電力を三相交流電流に変換し、モータ41に供給する図示しないPDU(Power Drive Unit)が設けられている。
また、電力制御器42には、燃料電池スタック10の余剰発電電力や、モータ41からの回生電力を蓄えるバッテリ(図示しない)が接続されている。そして、電力制御器42は、ECU60からの指令に従って、バッテリの充放電も制御するようになっている。
Note that a PDU (Power Drive Unit) (not shown) is provided between the
Further, the
<ブレーキ装置等>
ブレーキ装置51は、燃料電池車を制動する装置であり、ブレーキペダルや油圧回路等によって構成される。そして、ブレーキ装置51は、作動し、燃料電池車を制動している場合、その作動信号(ブレーキペダルのON信号等)をECU60に出力するようになっている。
<Brake device, etc.>
The
車速センサ52は、燃料電池車の車速を検出するセンサである。そして、車速センサ52は、検出した車速をECU60に出力するようになっている。
The
温度センサ53は、外気温度を検出するセンサであり、燃料電池車の適所に設けられている。そして、温度センサ53は、検出した外気温度をECU60に出力するようになっている。
The
<ECU>
ECU60は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
<ECU>
The
<ECU−アイドル停止制御機能>
ECU60(アイドル停止制御手段)は、所定のアイドル停止条件が成立した場合、燃料電池システム1(燃料電池車)をアイドル停止させるアイドル停止制御機能を有している。
所定のアイドル停止条件が成立した場合とは、例えば、ブレーキ装置51が作動すると共に、車速センサ52から入力される車速が、所定時間、継続して0である場合である。
そして、アイドル停止条件が成立し、アイドル停止を開始する場合、ECU60は、遮断弁22を閉じ、コンプレッサ31を停止すると共に、電力制御器42によって燃料電池スタック10の発電を停止させる。
<ECU-Idle stop control function>
The ECU 60 (idle stop control means) has an idle stop control function that idles the fuel cell system 1 (fuel cell vehicle) when a predetermined idle stop condition is satisfied.
The case where the predetermined idle stop condition is satisfied is, for example, a case where the
When the idle stop condition is satisfied and the idle stop is started, the
<ECU−凍結判定機能>
ECU60(凍結判定手段)は、アイドル停止条件が成立した場合において、仮に、アイドル停止したとき、その後に所定のアイドル停止時間(例えば1分間)にて実行されるアイドル停止中に、オフガス配管(配管33a、33b)が凍結するか否か判定する機能を備えている。
<ECU-Freezing judgment function>
The ECU 60 (freezing determination means) is configured to turn off-gas piping (piping) during idle stop that is executed at a predetermined idle stop time (for example, 1 minute) after the idle stop when the idle stop condition is satisfied. 33a, 33b) has a function of determining whether or not to freeze.
具体的には、ECU60は、現在のオフガス配管の温度と、外気温度とに基づいて、仮に、アイドル停止した場合のアイドル停止時間内に、オフガス配管の温度が、凍結温度(例えば0℃)未満に低下すると予測されるとき、オフガス配管が凍結すると判断するように設定されている(図4のケースB、図5のケースC、D参照)。この場合において、外気温度が低くなるほど、仮のアイドル停止中において、オフガス配管の温度は大きく低下する傾向となる。
Specifically, the
ここで、現在のオフガス配管の温度は、例えば、配管33a等に温度センサを取り付け、この温度センサによって直接検出する構成でもよいが、本実施形態では、ECU60は、システム起動後(燃料電池スタック10の発電開始後)から現在までの、オフガス配管の熱収支(cal/s)、つまり、オフガス配管への熱の出入り(cal/s)の積算値(cal)に基づいて算出する。
なお、オフガス配管の温度は、燃料電池スタック10から離れるほど低くなり、凍結しやすいので、オフガス配管の下流端の温度を、オフガス配管の温度としてもよい。
Here, the current temperature of the off-gas pipe may be, for example, a structure in which a temperature sensor is attached to the
Note that the temperature of the off-gas pipe becomes lower as it goes away from the
すなわち、ECU60は、システム起動時におけるオフガス配管の温度は外気温度と等しいと仮定したうえで、システム起動時におけるオフガス配管の温度と、現在までのオフガス配管の熱収支(吸熱量−放熱量)を時間で積算した積算値と、に基づいて、現在のオフガス配管の温度を算出する。
That is, the
なお、オフガス配管の熱収支(cal/s)は、吸熱量(cal/s)と放熱量(cal/s)との差(吸熱量−放熱量)で与えられる。ここで、オフガス配管の吸熱量は、後記するように、発電に伴って自己発熱する燃料電池スタック10の出力や、オフガス配管の材質等に依存する。また、オフガス配管の放熱量は、外気温度やオフガス配管の材質等に依存する。
The heat balance (cal / s) of the off-gas piping is given by the difference (heat absorption amount−heat radiation amount) between the heat absorption amount (cal / s) and the heat release amount (cal / s). Here, as will be described later, the amount of heat absorbed by the off-gas piping depends on the output of the
また、本実施形態では、ECU60は、オフガス配管の吸熱量(熱収支)の積算値(cal)を、出力検出器43から入力される燃料電池スタック10の出力(電流値及び/又は電圧値)の積算値に基づいて算出する。
In the present embodiment, the
すなわち、システム起動時から現在までの燃料電池スタック10の出力の積算値が、大きくなれば、発電により自己発熱する燃料電池スタック10の積算発熱量が大きくなるから、オフガス配管の吸熱量(熱収支)の積算値は大きく、現在のオフガス配管の温度が高くなるように算出される。逆に、燃料電池スタック10の出力の積算値が小さくなれば、現在のオフガス配管の温度が低くなるように算出される。
That is, if the integrated value of the output of the
その他、オフガス配管の温度と、その他デバイスに取り付けられた温度センサが検出するデバイス温度とが、所定の相関関係を有する場合、デバイス温度と所定の相関関係とに基づいて、オフガス配管の温度を算出することもできる。 In addition, when the temperature of the off-gas piping and the device temperature detected by the temperature sensor attached to the other device have a predetermined correlation, the temperature of the off-gas piping is calculated based on the device temperature and the predetermined correlation. You can also
<ECU−アイドル停止禁止機能>
ECU60(禁止手段)は、アイドル停止条件が成立した場合において、仮に、アイドル停止した場合、そのアイドル停止中に、オフガス配管が凍結すると判定されたとき、アイドル停止を禁止する機能を備えている。
<ECU-Idle stop prohibition function>
The ECU 60 (prohibiting means) has a function of prohibiting the idling stop when it is determined that the off-gas piping is frozen during the idling stop if the idling stop condition is satisfied.
<ECU−アイドル停止禁止の解除機能>
ECU60(解除手段)は、アイドル停止の禁止中において、所定の解除条件が成立した場合、アイドル停止の禁止を解除、つまり、アイドル停止を許可し、アイドル停止可能とする機能を備えている。所定の解除条件が成立する場合とは、アイドル停止の禁止中であって、アイドル中の燃料電池システム1において、オフガス配管の現在の温度が、その後にアイドル停止したとしても、オフガス配管が凍結しない解除温度以上となった場合である。
<ECU-Idle stop prohibition release function>
The ECU 60 (release means) has a function of releasing the prohibition of idling stop, that is, permitting the idling stop and enabling the idling stop when a predetermined release condition is satisfied while the idling stop is prohibited. The case where the predetermined release condition is satisfied is that idling stop is prohibited, and even in the idling fuel cell system 1, even if the current temperature of the off-gas piping is subsequently idle-stopped, the off-gas piping does not freeze. This is the case when the release temperature is exceeded.
この場合において、外気温度が低くなるほど(また、オフガス配管が放熱しやすいほど)、その後にアイドル停止した場合にオフガス配管の温度が大きく低下するから(図4、図5参照)、図3のマップに示すように、外気温度が低くなるほど、解除温度(オフガス配管の熱収支の積算値、燃料電池スタック10の出力の積算値)が高くなるように設定(変更)される。 In this case, the lower the outside air temperature (and the easier the off-gas piping dissipates heat), the more the temperature of the off-gas piping drops when the engine is subsequently idled (see FIGS. 4 and 5). As shown, the lower the outside air temperature, the higher the release temperature (the integrated value of the off-gas piping heat balance, the integrated value of the output of the fuel cell stack 10) is set (changed).
なお、図3のマップは、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶される。また、アイドル停止時間が可変するシステムである場合、図3に示すように、アイドル停止時間が長くなるほど、解除温度が高くなるように設定(変更)される。
Note that the map of FIG. 3 is obtained by a preliminary test or the like and is stored in the
さらに、燃料電池スタック10がアイドル中のままで、燃料電池車がバッテリ(図示しない)を走行した場合、走行風によりオフガス配管が冷却されるため、バッテリ走行する燃料電池車の車速が大きくなるほど、オフガス配管の温度が低くなるように補正することが好ましい。
Further, when the fuel cell stack travels on a battery (not shown) while the
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図2のフローチャートを参照して、燃料電池システム1の動作及びその運転方法を説明する。
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法は、仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中にオフガス配管が凍結するか否か判定する凍結判定ステップと、この凍結判定ステップにおいて凍結すると判定された場合、アイドル停止を禁止する禁止ステップと、アイドル停止の禁止中に、解除条件が成立した場合アイドル停止の禁止を解除する解除ステップと、を含んでいる。
なお、初期状態において、燃料電池スタック10は発電している。また、ECU60は、システム起動時の外気温度と、システム起動から現在までの燃料電池スタック10の出力の積算値とに基づいて、オフガス配管の現在の温度を把握している。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation of the fuel cell system 1 and the operation method thereof will be described with reference to the flowchart of FIG.
Here, in the operation method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment, if the idling stop is performed, the freezing determination step for determining whether or not the off-gas piping is frozen during the idling stop and the freezing determination step are performed. If it is determined, it includes a prohibiting step for prohibiting idling stop, and a canceling step for canceling prohibition of idling when the canceling condition is satisfied while the idling stop is prohibited.
In the initial state, the
ステップS101において、ECU60は、燃料電池システム1(燃料電池車)が、現在、アイドル中(無負荷状態)であるか否か判定する。
アクセルやエアコン等からの発電要求がなく、現在、アイドル中であると判定した場合(S101・Yes)、ECU60の処理はステップS102に進む。一方、現在、アイドル中でないと判定した場合(S101・No)、ECU60の処理は、ステップS113に進む。
In step S101, the
If it is determined that there is no power generation request from the accelerator or the air conditioner and the vehicle is currently idle (S101 / Yes), the process of the
ステップS102において、ECU60は、所定のアイドル停止条件が成立しているか否か判定する。
アイドル停止条件は成立していると判定した場合(S102・Yes)、ECU60の処理はステップS103に進む。一方、アイドル停止条件は成立していないと判定した場合(S102・No)、ECU60の処理はステップS113に進む。
In step S102, the
When it is determined that the idle stop condition is satisfied (S102 / Yes), the process of the
ステップS103において、ECU60は、温度センサ53を介して、外気温度を検出する。また、ECU60は、燃料電池スタック10の出力の積算値に基づいて、オフガス配管の現在の温度を算出する。
In step S <b> 103, the
ステップS105(凍結判定ステップ、禁止ステップ)において、ECU60は、外気温度と、オフガス配管の現在の温度とに基づいて、この後、仮にアイドル停止を開始し、所定のアイドル停止時間(例えば1分間)にてアイドル停止を継続すると、アイドル停止中にオフガス配管が凍結するか否か判定する。
In step S105 (freezing determination step, prohibition step), the
オフガス配管が凍結すると判定した場合(S104・Yes)、ECU60の処理はステップS105に進む。このようにステップS105に進む場合、アイドル停止は禁止され、燃料電池システム1のアイドル状態が継続する。一方、オフガス配管は凍結しないと判定した場合(S104・No)、ECU60の処理はステップS108に進む。
When it is determined that the off-gas piping is frozen (S104 / Yes), the process of the
ステップS105において、ECU60は、所定のアイドル停止時間と、外気温度と、図3のマップとに基づいて、アイドル停止の禁止を解除可能な解除温度を設定する。
なお、このようなアイドル停止の禁止中において、外気温度が極低温である場合、燃料電池スタック10の廃熱を有効利用するべく、三方弁33によって配管33aと配管33cを連通させ、カソードオフガスでカソード流路12に向かう空気を加温してもよい。
In step S105, the
When the outside air temperature is extremely low while the idling stop is prohibited, the three-
ステップS106において、ECU60は、出力検出器43を介して、燃料電池スタック10の出力(電流値、電圧値)を検出する。
In step S106, the
ステップS107(解除ステップ)において、ECU60は、燃料電池スタック10の出力の積算値に基づいて算出されるオフガス配管の現在の温度が、解除温度以上であるか否か判定する。
オフガス配管の現在の温度が解除温度以上であると判定した場合(S107・Yes)、ECU60の処理はステップS108に進む。このようにステップS108に進む場合、アイドル停止の禁止は解除される。一方、オフガス配管の現在の温度が解除温度以上でないと判定した場合(S107・No)、ECU60の処理はステップS109に進む。
In step S107 (release step), the
When it is determined that the current temperature of the off-gas piping is equal to or higher than the release temperature (Yes in S107), the process of the
ステップS108において、ECU60は、アイドル停止を開始する。
具体的には、ECU60は、コンプレッサ31を停止し、コンプレッサ31による電力消費を停止する。また、ECU60は、遮断弁22を閉じ、アノード流路11への水素供給を停止すると共に、電力制御器42により燃料電池スタック10の発電を停止する。これにより、燃料電池スタック10による水素消費が停止され、水素タンク21内の水素残量が確保され、燃料電池車の燃費が高まる。
その後、ECU60の処理は、ステップS110に進む。
In step S108, the
Specifically, the
Thereafter, the processing of the
ステップS109において、ECU60は、継続してアイドル停止条件が成立しているか否か判定する。
アイドル停止条件が成立していると判定した場合(S109・Yes)、ECU60の処理はステップS106に進む。一方、アイドル停止条件は成立していないと判定した場合(S109・No)、ECU60の処理はステップS113に進む。例えば、ブレーキが解除されたり、アクセルが踏み込まれると、アイドル停止条件は成立していないと判定される。
In step S109, the
When it is determined that the idle stop condition is satisfied (S109 / Yes), the process of the
ステップS110において、ECU60は、内蔵するクロックを利用して、ステップS108でアイドル停止を開始した後、所定のアイドル停止時間が経過したか否か判定する。
アイドル停止時間は経過したと判定した場合(S110・Yes)、ECU60の処理はステップS111に進む。一方、アイドル停止時間は経過していないと判定した場合(S110・No)、ECU60の処理はステップS112に進む。
In step S110, the
When it is determined that the idle stop time has elapsed (S110 / Yes), the process of the
ステップS111において、ECU60は、アイドル停止を終了(解除)する。
具体的には、ECU60は、遮断弁22を開き、アノード流路11に水素を供給すると共に、コンプレッサ31を作動し、カソード流路12に空気を供給する。そして、ECU60は、電力制御器42を制御し、燃料電池スタック10を再び発電させる。
その後、ECU60の処理は、ステップS113に進む。
In step S111, the
Specifically, the
Thereafter, the processing of the
ステップS112において、ECU60は、継続してアイドル停止条件が成立しているか否か判定する。
アイドル停止条件が成立していると判定した場合(S112・Yes)、ECU60の処理はステップS110に進む。一方、アイドル停止条件は成立していないと判定した場合(S112・No)、ECU60の処理はステップS111に進む。
In step S112, the
When it is determined that the idle stop condition is satisfied (S112 / Yes), the process of the
ステップS113において、ECU60は、燃料電池スタック10を通常に発電させる。つまり、ECU60は、アクセル開度等に基づく発電要求量に対応して、燃料電池スタック10を発電させる。
その後、ECU60の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
In step S113, the
Thereafter, the process of the
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム1によれば次の効果を得る。
アイドル停止条件が成立したとしても(S102・Yes)、仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中にオフガス配管が凍結すると判定したとき(S104・Yes)、アイドル停止を禁止するので、オフガス配管の凍結を防止できる。
≪Effect of fuel cell system≫
According to such a fuel cell system 1, the following effects are obtained.
Even if the idle stop condition is satisfied (S102 / Yes), if it is determined that the offgas pipe is frozen during the idle stop (S104 / Yes), the idle stop is prohibited, so the offgas pipe is frozen. Can be prevented.
また、アイドル停止の禁止中において、オフガス配管の現在の温度が解除温度以上となった場合(S107・Yes)、アイドル停止の禁止を解除し、その後のアイドル停止中にオフガス配管が凍結することを防止しつつ、適切なタイミングでアイドル停止を開始できる(S108)。
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図4〜図5を参照して、燃料電池システム1の一動作例を説明する。
図4のケースAに示すように、アイドル停止条件が成立した場合において(S102・Yes)、仮にアイドル停止したとき、オフガス配管は凍結しないと判定されるとき(S104・No)、アイドル停止は開始される(S108)。
In addition, when the current temperature of the off-gas piping is equal to or higher than the release temperature while the idle stop is prohibited (Yes at S107), the prohibition of the idle stop is canceled and the off-gas piping is frozen during the subsequent idle stop. While being prevented, the idle stop can be started at an appropriate timing (S108).
≪Example of fuel cell system operation≫
Next, an operation example of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS.
As shown in case A of FIG. 4, when the idle stop condition is satisfied (S102 / Yes), when it is determined that the off-gas piping is not frozen if the idle stop is temporarily performed (S104 / No), the idle stop is started. (S108).
一方、図4のケースA、図5のケースC、Dに示すように、アイドル停止条件が成立した場合において(S102・Yes)、仮にアイドル停止したとき、オフガス配管は凍結すると判定されるとき(S104・Yes)、アイドル停止は禁止される。そして、各ケースにおいて、適切な解除温度が設定された後(S105)、オフガス配管の現在の温度が解錠温度に到達すると(S107・Yes)、アイドル停止の禁止は解除され、アイドル停止は開始される(S108)。 On the other hand, as shown in case A of FIG. 4 and cases C and D of FIG. 5, when the idle stop condition is satisfied (Yes in S102), when it is determined that the offgas piping is frozen when the idle stop is temporarily performed ( S104 / Yes), idle stop is prohibited. In each case, after an appropriate release temperature is set (S105), when the current temperature of the off-gas piping reaches the unlocking temperature (Yes in S107), the prohibition of idle stop is canceled and the idle stop is started. (S108).
以上、本発明の一実施形態について説明したが、これに限定されず、例えば次のように変形できる。
前記した実施形態では、カソードオフガスが通流する配管33a等の凍結を防止することを目的としたが、これに代えて、又は加えて、アノードオフガスが通流する配管22bの凍結を防止することを目的としてもよい。
前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池車(四輪車)に搭載された構成を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された構成でもよい。また、燃料電池システム1は定置式のものでもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, it is not limited to this, For example, it can deform | transform as follows.
In the above-described embodiment, the purpose is to prevent freezing of the
In the above-described embodiment, the configuration in which the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle (four-wheeled vehicle) is exemplified, but other configurations such as a motorcycle, a train, and a ship may be used. The fuel cell system 1 may be a stationary type.
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
60 ECU(アイドル停止制御手段、凍結判定手段、禁止手段、解除手段)
1
60 ECU (idle stop control means, freeze determination means, prohibition means, release means)
Claims (6)
前記燃料電池から排出されたオフガスが通流するオフガス配管と、
システムのアイドル停止を制御するアイドル停止制御手段と、
仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中に前記オフガス配管が凍結するか否か判定する凍結判定手段と、
前記凍結判定手段が凍結すると判定した場合、アイドル停止を禁止する禁止手段と、
前記禁止手段によるアイドル停止の禁止中に、アイドル停止の禁止の解除条件が成立した場合、前記禁止手段によるアイドル停止の禁止を解除する解除手段と、
を備え、
前記解除条件は、前記オフガス配管の現在の温度が、その後にアイドル停止した場合にオフガス配管が凍結しない解除温度以上となったとき、成立し、
外気温度が低くなると、前記解除温度は高くなるように変更され、且つ、アイドル停止するアイドル停止時間が長くなると、前記解除温度は高くなるように変更される
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying reactive gas;
Off-gas piping through which off-gas discharged from the fuel cell flows;
Idle stop control means for controlling idle stop of the system;
If it is idle stopped, a freezing determination means for determining whether or not the off-gas piping is frozen during the idle stop,
When the freezing determining means determines that it is frozen, a prohibiting means for prohibiting idle stop;
A release means for releasing the prohibition of the idle stop by the prohibit means when the release condition for the prohibition of the idle stop is satisfied while the idle stop is prohibited by the prohibit means;
With
The release condition is satisfied when the current temperature of the off-gas pipe is equal to or higher than a release temperature at which the off-gas pipe is not frozen when idling is stopped thereafter .
The fuel cell system , wherein the release temperature is changed to be higher when the outside air temperature is lower, and the release temperature is changed to be higher when the idle stop time for idling is longer .
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the current temperature of the off-gas pipe is calculated based on an integrated value of a heat balance of the off-gas pipe.
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 fuel cell system according to claim 2, wherein the heat balance of the off-gas piping is calculated based on an output of the fuel cell that self-heats with power generation.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記燃料電池から排出されたオフガスが通流するオフガス配管と、
システムのアイドル停止を制御するアイドル停止制御手段と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
仮にアイドル停止した場合、そのアイドル停止中に前記オフガス配管が凍結するか否か判定する凍結判定ステップと、
前記凍結判定ステップにおいて凍結すると判定された場合、アイドル停止を禁止する禁止ステップと、
アイドル停止の禁止中に、アイドル停止の禁止の解除条件が成立した場合、アイドル停止の禁止を解除する解除ステップと、
を含み、
前記解除条件は、前記オフガス配管の現在の温度が、その後にアイドル停止した場合にオフガス配管が凍結しない解除温度以上となったとき、成立し、
外気温度が低くなると、前記解除温度は高くなるように変更され、且つ、アイドル停止するアイドル停止時間が長くなると、前記解除温度は高くなるように変更される
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A fuel cell that generates electricity by supplying reactive gas;
Off-gas piping through which off-gas discharged from the fuel cell flows;
Idle stop control means for controlling idle stop of the system;
A method for operating a fuel cell system comprising:
If the idle stop is performed, a freezing determination step for determining whether or not the offgas pipe is frozen during the idle stop,
A prohibiting step for prohibiting idle stop when it is determined that the freezing determination step is frozen;
A release step for releasing the prohibition of idling stop when the canceling condition of prohibiting the idling stop is satisfied while prohibiting the idling stop;
Including
The release condition is satisfied when the current temperature of the off-gas pipe is equal to or higher than a release temperature at which the off-gas pipe is not frozen when idling is stopped thereafter .
The operation of the fuel cell system is characterized in that when the outside air temperature is lowered, the release temperature is changed so as to be increased, and when the idle stop time for idling is prolonged, the release temperature is changed so as to be increased. Method.
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システムの運転方法。The operation method of the fuel cell system according to claim 5.
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