JP6629132B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムは、一般的に、燃料電池スタックと、水素ガスを供給可能な水素タンクと、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサとを備えている。このうち、燃料電池スタックは、固体高分子電解質をアノード極(水素極)とカソード極(空気極)とで挟み込んで形成される発電セルが複数積層された構成を有しており、各発電セルのアノード極には水素ガスが供給され、カソード極には空気が供給される。そして、各発電セルの内部における水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギーが生成され、燃料電池スタックの発電が行われる。 A fuel cell system generally includes a fuel cell stack, a hydrogen tank capable of supplying hydrogen gas, and an air compressor capable of supplying air containing oxygen. Among them, the fuel cell stack has a configuration in which a plurality of power generation cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte between an anode electrode (hydrogen electrode) and a cathode electrode (air electrode) are stacked. Is supplied with hydrogen gas, and air is supplied to the cathode. Then, electric energy is generated by a chemical reaction between hydrogen gas and oxygen in the air inside each power generation cell, and power generation of the fuel cell stack is performed.
従来、燃料電池システムが車両に搭載される場合、その燃料電池システムの燃費を向上させるため、車両のアイドリング時や低速走行時等の低負荷運転時に燃料電池スタックへの空気の供給を中止して発電を停止させ、バッテリからの電力供給によって車両の要求電力を賄う「間欠運転」と呼ばれる運転方法が行われている。 Conventionally, when a fuel cell system is mounted on a vehicle, in order to improve the fuel efficiency of the fuel cell system, supply of air to the fuel cell stack is stopped during low load operation such as idling or low speed running of the vehicle. An operation method called “intermittent operation” in which power generation is stopped and the required power of the vehicle is covered by power supply from a battery is performed.
特許文献1の燃料電池システムでは、ECUは、燃料電池システムの間欠運転の際に、電圧センサによって検出されるセル電圧Vcが所定の閾値電圧V’を下回ると、エアコンプレッサを稼働させて燃料電池スタックに第1所定流量で空気を供給し、セル電圧Vcが所定の目標電圧V”に到達すると、燃料電池スタックに第1所定流量よりも多い第2所定流量で空気を一定時間供給する。
ここで、第1所定流量は、空気供給手段が供給可能な最低流量である。また、第2所定流量は、燃料電池システムを最低出力状態で運転する際に必要な流量である。また、空気供給手段によって第1所定流量で供給される空気量と第2所定流量で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック内の各発電セルのアノードの容積の総和よりも多い。
In the fuel cell system of
Here, the first predetermined flow rate is a minimum flow rate that can be supplied by the air supply unit. Further, the second predetermined flow rate is a flow rate required when the fuel cell system is operated at the minimum output state. Further, the total amount of the air supplied at the first predetermined flow rate and the air amount supplied at the second predetermined flow rate by the air supply means is larger than the sum of the anode volumes of the power generation cells in the fuel cell stack.
この特許文献1の燃料システムによれば、燃料電池システムの間欠運転時に、燃料電池スタックの各セル電圧を可及的に均一に保ちながら、各セル電圧が最高許容電圧を超過することを防止することができる。
According to the fuel system of
特許文献1の燃料電池システムでは、間欠運転中に、発電セルのカソード極を形成するカソード面内で水が生成され、それにより発電セルの一部に局所的に空気供給不足が発生する場合があった。その場合、極端な電圧低下により発電セルが劣化するという問題があった。
In the fuel cell system of
この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、発電セルの劣化を防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and has as its object to provide a fuel cell system that prevents deterioration of a power generation cell.
上記の課題を解決するために、複数の発電セルを積層して構成され、各発電セルはアノード極とカソード極を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段と、燃料電池スタックに酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、燃料電池スタックの複数の発電セルの各セル電圧を検出する電圧検出手段とを備え、燃料電池システムの間欠運転の際に、電圧検出手段によって検出される各セル電圧のうち最低セル電圧が所定の閾値電圧以下である場合に、空気供給手段を稼働させて燃料電池スタックに第1所定流量で空気を供給した後、燃料電池スタックに第1所定流量よりも多い第2所定流量で空気を一定時間供給する制御手段を有する燃料電池システムであって、制御手段は、空気供給手段の吐出流量を調整することによって第2所定流量で空気を一定時間供給し、電圧検出手段で検出される各セル電圧のうち最低セル電圧が前記所定の閾値電圧以下であって、電圧検出手段によって検出される1つ又は複数のセル電圧に基づいて定まる比較電圧と最低セル電圧との電圧差が、基準電圧差を超えた場合、第2所定流量の値として、該第2所定流量よりも多い第3所定流量を設定することとしている。 In order to solve the above-mentioned problem, a plurality of power generation cells are stacked, each power generation cell is a fuel cell stack having an anode and a cathode, and a hydrogen supply unit that supplies hydrogen gas to the fuel cell stack, An air supply unit that supplies air containing oxygen to the fuel cell stack, and a voltage detection unit that detects each cell voltage of a plurality of power generation cells of the fuel cell stack, and detects a voltage during an intermittent operation of the fuel cell system. When the lowest cell voltage among the cell voltages detected by the means is equal to or less than a predetermined threshold voltage, the air supply means is operated to supply air to the fuel cell stack at a first predetermined flow rate, and then the fuel cell stack is supplied to the fuel cell stack. air at a second predetermined flow rate greater than the first predetermined flow rate to a fuel cell system having a predetermined time and supplies the control means, the control means regulates the discharge flow rate of the air supply means The air is supplied a predetermined time at a second predetermined flow rate by, a minimum cell voltage is less the predetermined threshold voltage of the cell voltages detected by the voltage detecting means, one that is detected by the voltage detecting means Or, when the voltage difference between the comparison voltage determined based on the plurality of cell voltages and the lowest cell voltage exceeds the reference voltage difference, a third predetermined flow rate larger than the second predetermined flow rate is used as the value of the second predetermined flow rate. It is to be set.
前記比較電圧は、最高セル電圧であってもよい。 The comparison voltage may be a highest cell voltage.
前記比較電圧は、前記複数のセル電圧に基づいて算出される平均セル電圧である請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to
この発明に係る燃料電池システムによれば、発電セルの劣化を防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the fuel cell system which concerns on this invention, deterioration of a power generation cell can be prevented.
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成を図1に示す。なお、以降の説明では、燃料電池システム100は、フォークリフト等の荷役装置を有する産業車両に搭載されるものとして説明する。
FIG. 1 shows a configuration of a
燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、水素ガスを供給可能な水素タンク20と、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサ30とを備えている。燃料電池スタック10は、固体高分子電解質をアノード極(水素極)とカソード極(空気極)とで挟み込んで形成される発電セルが複数積層された構成を有しており、各発電セルのアノード極には水素ガスが供給され、カソード極には空気が供給される。そして、各発電セルの内部における水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギーが生成され、燃料電池スック10の発電が行われる。
The
水素タンク20と燃料電池スタック10との間の水素供給管21の途中には、燃料電池スタック10に供給される水素ガスの流量を調整するためのインジェクタ等から構成される流量調整弁22と、水素還流管23に接続されるエゼクタ24とが設けられており、水素還流管23の途中には電動ポンプ25が設けられている。
In the middle of the
水素タンク20から水素供給管21を経由して燃料電池スタック10に供給される水素ガスは、燃料電池スタック10内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく水素還流管23に排出された水素ガスは、電動ポンプ25の作用によってエゼクタ24に導かれ、再び燃料電池スタック10に供給される。
The hydrogen gas supplied from the
一方、エアコンプレッサ30から空気供給管31を経由して燃料電池スタック10に供給される空気は、燃料電池スタック10内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく空気排気管32に排出された空気は、図示しない排気経路を経由して外気に放出される。
On the other hand, a part of the air supplied from the
また、燃料電池スタック10の出力には、DC/DCコンバータ40が接続されており、DC/DCコンバータ40の出力には、キャパシタ50と車両負荷60が接続されている。燃料電池スタック10から出力される直流電力は、DC/DCコンバータ40によって所定の電圧まで降圧された後、荷役モータや走行モータ等によって構成される車両負荷60に供給される。その際、燃料電池スタック10の発電電力が車両負荷60の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ50に充電され、発電電力が要求電力を下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ50から車両負荷60に供給される。
A DC /
さらに、燃料電池スタック10には、燃料電池スタック10を構成する複数の発電セルの各電圧、すなわち各セル電圧を検出する電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnが取り付けられており、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnの出力は、電子制御ユニット(ECU)80に入力される。なお、ここでnは2以上の自然数であり、燃料電池スタック10を構成する発電セルの個数を示している。
Further, the
ECU80は、マイクロコンピュータによって構成されている。ECU80は、流量調整弁22の開閉と電動ポンプ25の回転数を制御することによって、燃料電池スタック10に供給される水素ガスの流量を調整すると共に、エアコンプレッサ30の吐出流量を制御することによって、燃料電池スタック10に供給される空気の流量を調整し、これらにより燃料電池スタック10の発電電力を制御する。
また、ECU80は、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnから入力された燃料電池スタック10を構成する複数の発電セルの各セル電圧のうち最高値のセル電圧、すなわち最高セル電圧Vmaxと、最低値のセル電圧、すなわち最低セル電圧Vminとを特定する。そしてECU80は、最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminの差ΔVを算出する。
なお、ECU80は、燃料電池システム100の間欠運転の際、最低セル電圧Vminと、最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminの差ΔVとに基づいて、エアコンプレッサ30の動作を制御する。
The ECU 80 is configured by a microcomputer. The
Further,
The
次に、この実施の形態に係る燃料電池システム100における間欠運転の際の動作について説明する。燃料電池システム100の間欠運転の際には、エアコンプレッサ30は通常は停止状態であり、燃料電池スタック10への空気の供給は中止されている。一方、流量調整弁22は通常は閉状態であり、水素の圧力が低下すると開状態となり、また電動ポンプ25も低回転で駆動されており、燃料電池スタック10への水素ガスの供給は微量ながら継続されている。このような状況において、ECU80は、空気の供給においては、図2の制御フローに示される処理を所定の時間間隔で実行する。
Next, the operation of the
図2の制御フローを参照すると、まずステップS1において、ECU80は、最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下であるか否かを判断する。ここで、所定の閾値電圧V’は、燃料電池スタック10を構成する各発電セルが性能劣化を起こすことなく使用可能な最低セル電圧Vx、つまり最低許容電圧Vxよりも僅かに高くされた電圧V’である。
Referring to the control flow of FIG. 2, first, in step S1, the
ステップS1において、ECU80が、最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下であると判断した場合、ステップS2において、ECU80は、最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminの差ΔVを算出し、ΔVが基準電圧差ΔVsを超えたか否かを判断する。ECU80はこのステップS2でΔVが基準電圧差ΔVsを超えていないと判断した場合には、カソード極での水詰まりがないと判定する。
ここで、水詰まりとは、間欠運転中にカソード面内で生成された水が内部に留まっている(吹き飛ばされていない)状態をいう。なお、水詰まりがあると、発電セルの一部に局所的な空気供給不足が発生し、極端な電圧低下により発電セルが劣化する可能性があるので、水詰まりはないか、あるいは解消されるのが好ましい。
なお、基準電圧差ΔVsは、実験等による水詰まりによるセルの電圧低下の状況や発電セルの劣化の状況に基いて予め設定される。
次に、ECU80は、ステップS3において、エアコンプレッサ30を仕様上許される最低吐出流量、すなわち供給可能な最低流量で駆動する。この最低吐出流量は、第1所定流量A1である。
If the
Here, the water clogging refers to a state in which water generated in the cathode surface during the intermittent operation remains inside (is not blown off). In addition, if there is water clogging, local air supply shortage occurs in a part of the power generation cell, and the power generation cell may be deteriorated due to an extreme voltage drop. Is preferred.
Note that the reference voltage difference ΔVs is set in advance based on the state of voltage drop of the cell due to water clogging or the state of deterioration of the power generation cell in an experiment or the like.
Next, in step S3, the
続いて、ECU80は、ステップS4において第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われたか否かを判断し、一定時間行われていないと判断した場合は、エアコンプレッサ30の駆動による第1所定流量A1での空気供給を継続する。
Subsequently, in step S4, the
また、このステップS4において、ECU80は、第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われたと判断した場合には、その後、ECU80は、ステップS5において、エアコンプレッサ30の吐出流量を調整することによって、燃料電池スタック10に供給される空気の流量を第2所定流量A2まで増加させ、この第2所定流量A2で空気を一定時間供給する。
ここで、第2所定流量A2は、燃料電池システム100を最低出力状態で運転する際に必要な空気流量に設定されており、第1所定流量A1よりも多い流量に設定されている。
また、この実施の形態1の燃料電池システム100においては、ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、ステップS5において第2所定流量A2で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック10内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。
次に、ECU80は、ステップS6においてエアコンプレッサ30の駆動を停止する。
If the
Here, the second predetermined flow rate A2 is set to an air flow rate necessary for operating the
Further, in the
Next, the
また、ステップS1において、ECU80は最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下ではないと判断した場合、カソード極での水詰まりはないと判定し、リターンに移行する。
Further, in step S1, when the
また、ステップS2において、ECU80は、最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminの差ΔVが基準電圧差ΔVsを超えたと判断した場合には、カソード極での水詰まりがあると判定し、ステップS7において、燃料電池スタック10に供給される空気の流量についてステップS5における第2所定流量A2の値として、第2所定流量A2より多い第3所定流量A3を設定する。
ここで第3所定流量A3は、燃料電池スタック10のカソード極での水詰まりの水を吹き飛ばすのに十分な流量である。
なお、第3所定流量A3は、カソード極の空気の流路の形状等によって変更されうるものであり、実験等によって予め設定される。
次に、ステップS3において、ECU80は、エアコンプレッサ30を仕様上許される最低吐出流量、すなわち供給可能な最低流量で駆動する。この最低吐出流量は、第1所定流量A1である。
Further, in step S2, when the
Here, the third predetermined flow rate A3 is a flow rate sufficient to blow off water clogged at the cathode electrode of the
The third predetermined flow rate A3 can be changed depending on the shape of the air flow path of the cathode electrode and the like, and is set in advance by experiments and the like.
Next, in step S3, the
続いて、ECU80は、ステップS4において第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われたか否かを判断し、一定時間行われていないと判断した場合は、エアコンプレッサ30の駆動による第1所定流量A1での空気供給を継続する。
Subsequently, in step S4, the
また、このステップS4において、ECU80は、第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われたと判断した場合には、その後、ECU80は、ステップS5において、エアコンプレッサ30の吐出流量を調整することによって、燃料電池スタック10に供給される空気の流量を、設定した第3所定流量A3まで増加させ、第3所定流量A3で空気を一定時間供給する。
If the
また、この実施の形態1の燃料電池システム100においては、ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、ステップS7で設定された第3所定流量A3で供給されるステップS5での空気量との総量は、燃料電池スタック10内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。
また、実施の形態1の燃料電池システム100においては、ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、ステップS7において設定された第3所定流量A3で供給されるステップS5での空気量との総量は、上記ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、ステップS5において第2所定流量A2で供給される空気量との総量と等しくされている。
次に、ECU80はステップS6においてエアコンプレッサ30の駆動を停止する。
Further, in the
In the
Next, the
次に、カソード極での水詰まりがない場合について説明する。
図3は、実施の形態1に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりがない場合を示すタイミングチャートである。
図3(b)のタイミングチャートでは、時刻T1から時刻T7に至るまで、平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminの各電圧値が一致している。
なお、平均セル電圧とは、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnで検出される複数の各発電セルの電圧、すなわち複数のセル電圧に基づいて算出される平均値の電圧である。
図3(b)の時刻T1ではエアコンプレッサ30の駆動は停止されており、そのため、燃料電池スタック10内での発電は停止されている。その結果、平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとがともに同じ電圧値で下降している。
Next, a case where there is no water clogging at the cathode electrode will be described.
FIG. 3 is a timing chart showing the relationship between the air supply flow rate to the fuel cell stack and the cell voltage during intermittent operation in the fuel cell system mounted on the vehicle according to the first embodiment. 6 is a timing chart showing a case where there is no water clogging.
In the timing chart of FIG. 3B, the average cell voltage Va, the highest cell voltage Vmax, and the lowest cell voltage Vmin match from time T1 to time T7.
The average cell voltage and is calculated based voltage sensor B 1, B 2, · · ·, a plurality of voltage of each power generation cell detected by B n-1, B n, i.e. the plurality of cell voltage This is the average voltage.
At time T1 in FIG. 3B, the driving of the
また、時刻T2では、平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとがさらに下降し、最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下となっているが、最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとの差ΔVが基準電圧差ΔVsを超えていないため、カソード極での水詰まりはないと判定される。
また、時刻T2で、エアコンプレッサ30が駆動され燃料電池スタック10に第1所定流量A1が供給される。すると、水素タンク20から供給される水素とエアコンプレッサ30から供給される空気中の酸素との化学反応によって燃料電池スタック10内で発電が行われ、平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとがともに同じ電圧値で上昇していく。
At time T2, the average cell voltage Va, the highest cell voltage Vmax, and the lowest cell voltage Vmin further decrease, and the lowest cell voltage Vmin is equal to or lower than a predetermined threshold voltage V ′. Since the difference ΔV from the cell voltage Vmin does not exceed the reference voltage difference ΔVs, it is determined that there is no water clogging at the cathode.
At time T2, the
第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われるまでの間、エアコンプレッサ30の駆動による第1所定流量A1での空気供給は継続される。この間、上述したように平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとがともに同じ電圧値で上昇していくが、空気はエアコンプレッサ30の最低吐出流量で穏やかに供給されるため、平均セル電圧Vaが急激に上昇して最高許容電圧Vyを超えてしまうことはない。
なお、第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われた場合、平均セル電圧Vaは、電圧V”に到達する。電圧V”とは、燃料電池スタック10のセル電圧が各発電セルの性能劣化を起こすことなく使用可能な最大電圧(最大許容電圧:Vy)よりも僅かに低く設定された電圧である。
また、第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われた後である時刻T3では、燃料電池スタック10に供給される空気の流量が第2所定流量A2まで増加され、この第2所定流量A2で空気が一定時間供給される。
その後、時刻T4ではエアコンプレッサ30の駆動が停止され、これにより第2所定流量A2の供給が停止されると、時刻T4からT5で示すように、燃料電池スタック10内での発電は停止され、これにより平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminは、同じ電圧値で下降する。
Until the air supply at the first predetermined flow rate A1 is performed for a predetermined time, the air supply at the first predetermined flow rate A1 by driving the
When the air supply at the first predetermined flow rate A1 is performed for a certain period of time, the average cell voltage Va reaches the voltage V ″. The voltage V ″ means that the cell voltage of the
Further, at time T3 after the air supply at the first predetermined flow rate A1 has been performed for a predetermined time, the flow rate of the air supplied to the
Thereafter, at time T4, the driving of the
また、この実施の形態1の燃料電池システム100においては、ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、ステップS5において第2所定流量A2で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック10内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。そのため、図3(b)の時刻T2〜T4の間に燃料電池スタック10内の空気は完全に入れ替えられる。
また、時刻T4から時刻T7で行われる動作は、時刻T1から時刻T4までに行われた動作と同じであるので、説明を省略する。
Further, in the
In addition, the operation performed from time T4 to time T7 is the same as the operation performed from time T1 to time T4, and a description thereof will be omitted.
次に、カソード極での水詰まりがある場合について説明する。
図4は、この発明の実施の形態1に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりの発生とカソード極での水詰まりが解消された様子を示すタイミングチャートである。
時刻T11から時刻T14で示す動作は、時刻T1から時刻T4までの動作と同じであるので、説明を省略する。
図4(b)のタイミングチャートで示すように、時刻T11から符号Cの時点までは、平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとが一致しており、符号Cの時点で、カソード極での水詰まりが発生している。この水詰まりが発生した時点から、平均セル電圧Va、最低セル電圧Vminおよび最高セル電圧Vmaxは、互いの間に電圧差が生じた状態で下降し続けている。
Next, a case where water is clogged at the cathode will be described.
FIG. 4 is a timing chart showing the relationship between the air supply flow rate to the fuel cell stack and the cell voltage during intermittent operation in the fuel cell system mounted on the vehicle according to
The operation shown from time T11 to time T14 is the same as the operation from time T1 to time T4, and a description thereof will be omitted.
As shown in the timing chart of FIG. 4B, the average cell voltage Va, the highest cell voltage Vmax, and the lowest cell voltage Vmin match from the time T11 to the time point C, and at the time point C, Water clogging at the cathode electrode has occurred. The average cell voltage Va, the minimum cell voltage Vmin, and the maximum cell voltage Vmax have continued to decrease with a voltage difference between them since the time when the water clogging occurred.
平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminが、さらに互いの間に電圧差が生じた状態で下降した時刻T15では、最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下であって、最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとの差が基準電圧差ΔVsを超えているため、カソード極での水詰まりがあると判定され、ECU80は、燃料電池スタック10に供給される空気の流量である第2所定流量A2の値として、第3所定流量A3を設定する。
次に、時刻T15でエアコンプレッサ30が駆動されて燃料電池スタック10に第1所定流量A1が供給される。すると、水素タンク20から供給される水素とエアコンプレッサ30から供給される空気中の酸素との化学反応によって燃料電池スタック10内で発電が行われ、平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとがともに上昇していく。
At time T15 when the average cell voltage Va, the highest cell voltage Vmax, and the lowest cell voltage Vmin further decrease with a voltage difference therebetween, the lowest cell voltage Vmin is equal to or lower than a predetermined threshold voltage V ′, Since the difference between the highest cell voltage Vmax and the lowest cell voltage Vmin exceeds the reference voltage difference ΔVs, it is determined that there is water clogging at the cathode, and the
Next, at time T15, the
第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われるまでの間、エアコンプレッサ30の駆動による第1所定流量A1での空気供給が継続される。この間、上述したように平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminとがともに上昇していくが、空気はエアコンプレッサ30の最低吐出流量で穏やかに供給されるため、平均セル電圧Vaが急激に上昇して最高許容電圧Vyを超えてしまうことはない。なお、第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われた場合、平均セル電圧Vaは、電圧V”に到達する。
第1所定流量A1での空気供給が一定時間行われた後である時刻T16では、燃料電池スタック10に供給される空気の流量が、設定した第3所定流量A3まで増加され、第3所定流量A3で空気が一定時間供給される。第3所定流量A3は、燃料電池スタック10のカソード極での水詰まりの水を吹き飛ばすのに十分な流量である。これにより、燃料電池スタック10内のカソード極に溜まっている水が吹き飛ばされて、カソード極での水詰まりが解消される。また、この水詰まりが解消されると、発電セルの一部に局所的な空気供給不足が発生することが防止されるので、極端な電圧低下が防止され、これにより発電セルが劣化することが防止される。
Until the air supply at the first predetermined flow rate A1 is performed for a certain period of time, the air supply at the first predetermined flow rate A1 by driving the
At a time T16 after the air supply at the first predetermined flow rate A1 has been performed for a predetermined time, the flow rate of the air supplied to the
その後、時刻T17でエアコンプレッサ30の駆動が停止され、これにより燃料電池スタック10への第3所定流量A3の供給が停止されると、燃料電池スタック10内での発電は停止され、その結果、図4(b)の時刻T17以降の領域Dで示すように、平均セル電圧Vaと最高セル電圧Vmaxと最低セル電圧Vminは、同じ電圧値で下降する。
Thereafter, at time T17, the driving of the
また、この実施の形態1の燃料電池システム100においては、ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と上記ステップS7において設定される第3所定流量A3で供給されるステップS5での空気量との総量は、燃料電池スタック10内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。これにより、図4(b)の時刻T15〜T17の間に燃料電池スタック10内の空気は完全に入れ替えられる。
Further, in the
また実施の形態1の燃料電池システム100においては、上記ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、上記ステップS7において設定される第3所定流量A3で供給されるステップS5での空気量との総量は、上記ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、上記ステップS5において第2所定流量A2で供給される空気量との総量と等しくされている。
Further, in the
以上説明したように、この実施の形態1に係る燃料電池システム100では、燃料電池システム100の間欠運転の際に、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnによって検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下である場合に、ECU80は、エアコンプレッサ30を稼働させて燃料電池スタック10に第1所定流量A1で空気を供給した後、燃料電池スタック10に第1所定流量A1よりも多い第2所定流量A2で空気を一定時間供給する、燃料電池システムであって、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnで検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下であって、1つのセル電圧に基づいて定まる最高セル電圧Vmaxと、最低セル電圧との電圧差ΔVが、基準電圧差ΔVsを超えた場合、ECU80は、第2所定流量A2の値として、該第2所定流量A2よりも多い第3所定流量A3を設定することとしたから、カソード極での水詰まりを防止することができ、またそれにより極端な電圧低下が防止されるため、発電セルが劣化することが防止される。
As described above, in the
また、実施の形態1の燃料電池システム100では、上記ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と上記ステップS7において第3所定流量A3で設定されるステップS5での空気量との総量は、上記ステップS3〜S4において第1所定流量A1で供給される空気量と、上記ステップS5において第2所定流量A2で供給される空気量との総量と等しくなるようにされている。そのためカソード極での水詰まり防止のための過剰な空気の供給を削減でき、燃費を向上させることができる。
Further, in the
実施の形態2.
実施の形態2の燃料電池システム200では、実施の形態1の燃料電池システム100についての図2のフローチャートのステップS2に替えて、図5で示すように、平均セル電圧Vaと最低セル電圧Vminとの差ΔVが基準電圧差ΔVsを超えたか否かをECU180が判断するステップS12を設ける。
すなわち、最低セル電圧Vminとの電圧差ΔVをとる比較電圧を、最高セル電圧Vmaxに替えて、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnで検出される複数のセル電圧に基づいて算出される平均値の電圧、すなわち平均セル電圧Vaとしている。
ここで、基準電圧差ΔVsは、実施の形態1と同様に実験等によって予め設定される。
Embodiment 2 FIG.
In the fuel cell system 200 of the second embodiment, as shown in FIG. 5, instead of step S2 of the flowchart of FIG. 2 for the
That is, the comparison voltage taking the voltage difference ΔV from the lowest cell voltage Vmin is replaced with the highest cell voltage Vmax, and a plurality of voltages detected by the voltage sensors B 1 , B 2 ,..., B n−1 , B n The average voltage is calculated based on the cell voltage, that is, the average cell voltage Va.
Here, the reference voltage difference ΔVs is set in advance by an experiment or the like as in the first embodiment.
この燃料電池システム200の燃料電池スタック10には、燃料電池スタック10を構成する複数の発電セルの各セル電圧を検出する電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnが取り付けられており、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnの出力は、電子制御ユニット(ECU)180に入力される。なお、ここでnは2以上の自然数であり、燃料電池スタック10を構成する発電セルの個数を示している。
ECU180は、図1のECU80に替えて設けられる。このECU180はマイクロコンピュータによって構成されており、燃料電池システムの間欠運転の際のプログラムが図1のECU80とは異なるだけである。
ECU180は、B1、B2、・・・、Bn−1、Bnから入力された複数のセル電圧に基づき、それらの平均の電圧値、すなわち平均セル電圧Vaを算出する。
また、ECU180は、入力された燃料電池スタック10を構成する複数の発電セルの各セル電圧のうち、最低セル電圧Vminを特定する。また、ECU180は、平均セル電圧Vaと最低セル電圧Vminの差ΔVを算出する。
ECU80は、燃料電池システムの間欠運転の際、最低セル電圧Vminと、平均セル電圧Vaと最低セル電圧Vminの差ΔVとに基づいてエアコンプレッサ30の動作を制御する。
The
ECU 180 is provided instead of
The ECU 180 calculates an average voltage value of the plurality of cell voltages input from B 1 , B 2 ,..., B n−1 , B n , that is, an average cell voltage Va.
In addition, the ECU 180 specifies the lowest cell voltage Vmin among the cell voltages of the plurality of power generation cells constituting the
The
この実施の形態2の燃料電池システム200では、図5のステップS1、S3〜S7については、上述した実施の形態1の燃料電池システムで説明したとおりである。
図6は、この発明の実施の形態2に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりの発生とカソード極での水詰まりが解消された様子を示すタイミングチャートである。図6(a)および図6(b)で示す時刻T21〜T27での動作は、図4(a)および図4(b)に示す時刻T11〜T17で示す動作に対応するので、説明を省略する。
この実施の形態に係る燃料電池システム200では、燃料電池システム200の間欠運転の際に、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnによって検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下である場合に、ECU180はエアコンプレッサ30を稼働させて燃料電池スタック10に第1所定流量A1で空気を供給した後、燃料電池スタック10に第1所定流量A1よりも多い第2所定流量A2で空気を一定時間供給する、燃料電池システムであって、電圧センサB1、B2、・・・、Bn−1、Bnで検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Vminが所定の閾値電圧V’以下であって、複数のセル電圧に基づいて定まる平均セル電圧Vaと最低セル電圧との電圧差ΔVが、基準電圧差ΔVsを超えた場合、ECU180は、第2所定流量A2の値として、該第2所定流量A2よりも多い第3所定流量A3を設定することとしたから、カソード極での水詰まりを防止することができ、またそれにより極端な電圧低下が防止されるため、発電セルが劣化することが防止される。
In the fuel cell system 200 according to the second embodiment, steps S1, S3 to S7 in FIG. 5 are as described in the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 6 is a timing chart showing the relationship between the flow rate of air supplied to the fuel cell stack and the cell voltage during intermittent operation in the fuel cell system mounted on the vehicle according to Embodiment 2 of the present invention. 5 is a timing chart showing a state in which water clogging at a cathode electrode has been generated and water clogging at a cathode electrode has been eliminated. The operations at times T21 to T27 shown in FIGS. 6A and 6B correspond to the operations shown at times T11 to T17 shown in FIGS. I do.
In the fuel cell system 200 according to this embodiment, during the intermittent operation of the fuel cell system 200, each cell voltage detected by the voltage sensors B 1 , B 2 ,..., B n−1 , B n When the minimum cell voltage Vmin is equal to or lower than the predetermined threshold voltage V ′, the ECU 180 operates the
10 燃料電池スタック、20 水素タンク(水素供給手段)、30 エアコンプレッサ(空気供給手段)、80、180 ECU(制御手段)、100、200 燃料電池システム、A1 第1所定流量、A2 第2所定流量、A3 第3所定流量、B1、B2、・・・Bn−1、Bn 電圧センサ(電圧検出手段)、Va 平均セル電圧(比較電圧)、Vmax 最高セル電圧(比較電圧)、Vmin 最低セル電圧、V’ 所定の閾値電圧、ΔV 比較電圧と最低セル電圧との電圧差、ΔVs 基準電圧差。
Claims (3)
前記燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段と、
前記燃料電池スタックに酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池スタックの複数の発電セルの各セル電圧を検出する電圧検出手段と、
を備え、
燃料電池システムの間欠運転の際に、前記電圧検出手段によって検出される前記各セル電圧のうち最低セル電圧が所定の閾値電圧以下である場合に、前記空気供給手段を稼働させて前記燃料電池スタックに第1所定流量で空気を供給した後、前記燃料電池スタックに第1所定流量よりも多い第2所定流量で空気を一定時間供給する制御手段を有する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
前記空気供給手段の吐出流量を調整することによって前記第2所定流量で空気を一定時間供給し、
前記電圧検出手段で検出される前記各セル電圧のうち最低セル電圧が前記所定の閾値電圧以下であって、前記電圧検出手段によって検出される1つ又は複数のセル電圧に基づいて定まる比較電圧と最低セル電圧との電圧差が、基準電圧差を超えた場合、前記第2所定流量の値として、該第2所定流量よりも多い第3所定流量を設定する燃料電池システム。 A fuel cell stack including a plurality of power generation cells stacked, each power generation cell having an anode electrode and a cathode electrode,
Hydrogen supply means for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack,
Air supply means for supplying oxygen-containing air to the fuel cell stack;
Voltage detection means for detecting each cell voltage of the plurality of power generation cells of the fuel cell stack,
With
During intermittent operation of the fuel cell system, wherein when the lowest cell voltage among the respective cell voltages to be detected by the voltage detecting means is below a predetermined threshold voltage, the fuel cell is operated with the air supply means A fuel cell system comprising: a control unit that supplies air to a fuel cell stack at a first predetermined flow rate, and then supplies air to the fuel cell stack at a second predetermined flow rate greater than the first predetermined flow rate for a predetermined time,
The control means,
By adjusting the discharge flow rate of the air supply means to supply air at the second predetermined flow rate for a fixed time,
A comparison voltage determined based on one or more cell voltages detected by the voltage detection means, wherein a lowest cell voltage among the cell voltages detected by the voltage detection means is equal to or less than the predetermined threshold voltage; A fuel cell system for setting a third predetermined flow rate larger than the second predetermined flow rate as a value of the second predetermined flow rate when a voltage difference from a minimum cell voltage exceeds a reference voltage difference.
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