JP6758606B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムにおいて、カソードの触媒に酸化被膜が生じた際に、該酸化被膜を取り除くために電圧を一時的に下げる（以下、「リフレッシュ」という）ことにより、酸化被膜を分解する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これは、空気の供給を遮断し、水素のみを供給することで、燃料電池の電圧を下げるというもので、これにより触媒表面の酸化物を還元させて除去する。これによれば、燃料電池スタックの性能が回復する。 In a fuel cell system, when an oxide film is formed on the catalyst of the cathode, a technique for decomposing the oxide film by temporarily lowering the voltage (hereinafter referred to as "refresh") in order to remove the oxide film is disclosed. (See, for example, Patent Document 1). This is to reduce the voltage of the fuel cell by shutting off the supply of air and supplying only hydrogen, which reduces and removes oxides on the surface of the catalyst. According to this, the performance of the fuel cell stack is restored.
しかし、リフレッシュ制御を行うことにより発熱し、燃料電池の最適動作温度と実際の温度が乖離し、発電効率が悪くなる場合がある。 However, the refresh control may generate heat, and the optimum operating temperature of the fuel cell may deviate from the actual temperature, resulting in poor power generation efficiency.
そこで、本発明は、燃料電池の発熱量を考慮してリフレッシュ制御を行うタイミングを決定することにより、燃料電池を最適動作温度に近づけ、発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a fuel cell system capable of bringing the fuel cell closer to the optimum operating temperature and improving the power generation efficiency by determining the timing of performing refresh control in consideration of the calorific value of the fuel cell. With the goal.
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池の触媒に生じた酸化被膜を除去するリフレッシュ制御部を有する燃料電池システムであって、
リフレッシュ制御を行った場合と、リフレッシュ制御を行わない場合における、所定時間経過した際の発熱量を比べ、当該燃料電池の増加発熱量と減少熱量の差分である熱収支が±０となる時間ｔ０を算出する熱量算出部を備え、
リフレッシュ制御部は、燃料電池の温度が最適温度よりも低い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも早く設定し、燃料電池の温度が最適温度よりも高い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも遅く設定する。
The fuel cell system according to one aspect of the present invention is a fuel cell system having a refresh control unit for removing an oxide film formed on a catalyst of the fuel cell.
Comparing the calorific value when a predetermined time elapses between the case where the refresh control is performed and the case where the refresh control is not performed, the time t0 at which the heat balance, which is the difference between the increased calorific value and the decreased calorific value of the fuel cell, becomes ± 0. Equipped with a calorific value calculation unit to calculate
The refresh control unit sets the refresh control start time earlier than t0 when the fuel cell temperature is lower than the optimum temperature, and starts the refresh control when the fuel cell temperature is higher than the optimum temperature. Set the time later than t0.
この燃料電池システムによれば、発熱量を考慮してリフレッシュ制御を行うタイミングを決定することにより、燃料電池を最適動作温度に近づけることができ、発電効率が向上する。 According to this fuel cell system, the fuel cell can be brought closer to the optimum operating temperature by determining the timing of performing the refresh control in consideration of the amount of heat generated, and the power generation efficiency is improved.
本発明によれば、燃料電池の発熱量を考慮してリフレッシュ制御を行うタイミングを決定することにより、燃料電池を最適動作温度に近づけ、発電効率を向上させることができる燃料電池システム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 capable of bringing the fuel cell closer to the optimum operating temperature and improving the power generation efficiency by determining the timing of performing refresh control in consideration of the calorific value of the fuel cell. Can be done.
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In each figure, those having the same reference numerals have the same or similar configurations.
一般的に、燃料電池システムは、特に図示してはいないが、燃料電池、燃料電池の冷却水が流れる水管、水管に設置されたラジエータ、水管のバイパス、水管に設置された三方弁、同じく水管に設置された冷却水ポンプ、コンピューター（制御装置）などを備えるシステムとして構成される。本実施形態の燃料電池システムは、これらの他、熱量算出部、リフレッシュ制御部、温度センサー等を備える。 In general, a fuel cell system is not shown in particular, but is a fuel cell, a water pipe through which cooling water of the fuel cell flows, a radiator installed in the water pipe, a bypass of the water pipe, a three-way valve installed in the water pipe, and a water pipe as well. It is configured as a system equipped with a cooling water pump and a computer (control device) installed in. In addition to these, the fuel cell system of the present embodiment includes a calorific value calculation unit, a refresh control unit, a temperature sensor, and the like.
また、燃料電池システムは例えば車両に搭載されて用いられる。燃料電池システムは、ある要求電力に対する燃料電池の出力を任意に指令できる制御を実施できるシステムを備えている。 Further, the fuel cell system is used by being mounted on a vehicle, for example. The fuel cell system includes a system capable of performing control that can arbitrarily command the output of the fuel cell with respect to a certain required electric power.
熱量算出部は、燃料電池がある電力を発電しようとした場合の発熱量を計算によって推定する。熱量算出部は、例えば、熱量を算出する装置として機能するコンピューター（制御部）によって構成される。なお、燃料電池の電流電圧特性（以下、ＩＶ特性という）は明らかになっている。 The calorific value calculation unit estimates the calorific value when the fuel cell tries to generate electric power by calculation. The heat quantity calculation unit is composed of, for example, a computer (control unit) that functions as a device for calculating the heat quantity. The current-voltage characteristics of the fuel cell (hereinafter referred to as IV characteristics) have been clarified.
リフレッシュ制御部は、コンピューターないしメモリーにあらかじめ格納された制御ソフト（プログラム）に従い、一時的にある電圧まで燃料電池の電圧を下げることで触媒の活性を回復する（本明細書ではこれを「リフレッシュ」という）制御（リフレッシュ制御）を実行する。 The refresh control unit restores the activity of the catalyst by temporarily lowering the voltage of the fuel cell to a certain voltage according to the control software (program) stored in advance in the computer or memory (this is "refreshed" in this specification). ) Control (refresh control) is executed.
温度センサーは、燃料電池の温度を測定するセンサーである。測定された温度に関するデータはコンピューター（制御部）に送信される。 The temperature sensor is a sensor that measures the temperature of the fuel cell. Data on the measured temperature is transmitted to the computer (control unit).
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の電圧を一時的に下げることで触媒の活性の回復を図る制御を実行する。この際、燃料電池システムは、ある時点での燃料電池の最適動作温度を推定し、あるいは既知の状態として計算に利用し（開発時点で既に燃料電池の最適動作温度をある温度に決めている場合は、推定する必要なくその温度に近づけるためのリフレッシュ頻度計算に利用できる）、その時点における燃料電池の最適な動作温度を推定できる燃料電池車両において、リフレッシュを実行する頻度を制御することによって燃料電池の温度を最適動作温度に近づける。 The fuel cell system of the present embodiment executes control for recovering the activity of the catalyst by temporarily lowering the voltage of the fuel cell. At this time, the fuel cell system estimates the optimum operating temperature of the fuel cell at a certain point in time, or uses it for calculation as a known state (when the optimum operating temperature of the fuel cell has already been determined to a certain temperature at the time of development). Can be used to calculate the refresh frequency to approach that temperature without the need to estimate), fuel cells by controlling the frequency with which refreshes are performed in fuel cell vehicles that can estimate the optimum operating temperature of the fuel cell at that time. Brings the temperature close to the optimum operating temperature.
燃料電池システムにおける制御フローの一例を示す（図５参照）。 An example of the control flow in the fuel cell system is shown (see FIG. 5).
リフレッシュ制御部（として機能する制御部）は、あらかじめ制御ソフト内に織り込まれた燃料電池のＩＶ特性から、リフレッシュを実行して電圧を下げた時の燃料電池の発熱量（発熱エネルギーＴ[kJ]）を計算する（ステップＳＰ１）。 The refresh control unit (the control unit that functions as) is based on the IV characteristics of the fuel cell woven into the control software in advance, and the calorific value of the fuel cell when the voltage is lowered by executing refresh (heat generation energy T [kJ]). ) Is calculated (step SP1).
また、リフレッシュ制御部は、あらかじめ制御ソフト内に織り込まれたマップを参照し、過去のリフレッシュの頻度から推定されるＩＶ特性の向上代[mV]を取得する。さらに、リフレッシュ制御部は、取得した向上代から、ＩＶ特性の向上による（１秒当たりの）発熱低減量Ｌ[kW]を計算する（ステップＳＰ２）。 In addition, the refresh control unit refers to the map woven into the control software in advance, and acquires the improvement allowance [mV] of the IV characteristic estimated from the frequency of past refreshes. Further, the refresh control unit calculates the heat generation reduction amount L [kW] (per second) due to the improvement of the IV characteristics from the acquired improvement allowance (step SP2).
次に、熱量算出部（として機能する制御部）は、ステップＳＰ１とステップＳＰ２で計算されたそれぞれの発熱量を計算することで、リフレッシュの電圧低下による発熱量増加分とＩＶ特性向上による発熱量低減分が釣り合うまでの時間ｔ０を計算する（ステップＳＰ３）。この時間ｔ０によれば、リフレッシュによる熱収支０が見込まれる。 Next, the calorific value calculation unit (the control unit that functions as) calculates the calorific value calculated in steps SP1 and SP2, respectively, to increase the calorific value due to the refresh voltage drop and the calorific value due to the improvement of IV characteristics. The time t0 until the reduced amount is balanced is calculated (step SP3). According to this time t0, the heat balance 0 due to refreshing is expected.
次に、ＦＣ温度（燃料電池の温度）と最適温度とを比較し（ステップＳＰ４）、バッテリーのＳＯＣ、リフレッシュ効果持続時間等から、次のリフレッシュを実行するまでの制限時間の最小値ｔ１、最大値ｔ２を計算する（ステップＳＰ５）。 Next, the FC temperature (fuel cell temperature) is compared with the optimum temperature (step SP4), and the minimum value t1 and the maximum time limit until the next refresh is executed from the battery SOC, refresh effect duration, etc. The value t2 is calculated (step SP5).
その時点での燃料電池の最適動作温度を取得し、現在の燃料電池の温度を比較する（ステップＳＰ６）。現在の燃料電池の温度（ＦＣ温度）が最適動作温度よりも低ければ（ステップＳＰ６にてＮｏ）、時間ｔ１〜ｔ０の間に次のリフレッシュを実行し（ステップＳＰ７）、これとは逆に、現在の燃料電池の温度（ＦＣ温度）が最適動作温度よりも高ければ（ステップＳＰ６にてＹｅｓ）、時間ｔ０〜ｔ２の間に次のリフレッシュを実行する（ステップＳＰ８）。 The optimum operating temperature of the fuel cell at that time is acquired, and the temperature of the current fuel cell is compared (step SP6). If the current fuel cell temperature (FC temperature) is lower than the optimum operating temperature (No in step SP6), the next refresh is performed during the time t1 to t0 (step SP7), and vice versa. If the current fuel cell temperature (FC temperature) is higher than the optimum operating temperature (Yes in step SP6), the next refresh is executed during the time t0 to t2 (step SP8).
上記のステップＳＰ６〜８の制御によって、リフレッシュによるＩＶ特性の向上効果を得ながら、燃料電池の最適温度に動作温度を近付けることができる。 By controlling steps SP6 to 8 above, the operating temperature can be brought close to the optimum temperature of the fuel cell while obtaining the effect of improving the IV characteristics by refreshing.
また、触媒の活性回復によるＩＶ特性の向上効果に加えて、動作温度の最適化による効率向上を見込むことができる。 Further, in addition to the effect of improving the IV characteristics by recovering the activity of the catalyst, it is expected that the efficiency will be improved by optimizing the operating temperature.
さらに、燃料電池の温度が最適温度よりも高い場合にはリフレッシュ頻度の調整によって降温することができるので、燃料電池の冷却系補機の動作温度を低減させ、燃料電池システム全体の動作効率を向上させることができる。 Furthermore, when the temperature of the fuel cell is higher than the optimum temperature, the temperature can be lowered by adjusting the refresh frequency, which reduces the operating temperature of the fuel cell cooling system auxiliary equipment and improves the operating efficiency of the entire fuel cell system. Can be made to.
＜リフレッシュ前とリフレッシュ後の発熱量＞
リフレッシュ前とリフレッシュ後の発熱量について説明する（図１等参照）。
<Amount of heat generated before and after refreshing>
The amount of heat generated before and after refreshing will be described (see FIG. 1 and the like).
リフレッシュ制御の実行時は電圧が下がるため、発熱量が上昇する。特に大きな電流を掃引することで電圧を下げる方法でリフレッシュを実行している場合は、電流の増加によってもが発熱量が上昇する（図１参照）。 When the refresh control is executed, the voltage drops, so the amount of heat generated increases. In particular, when refreshing is performed by a method of lowering the voltage by sweeping a large current, the amount of heat generated also increases due to the increase in the current (see FIG. 1).
また、リフレッシュ制御実行後は、触媒の活性回復によってＩＶ特性が向上するため、同じ電流量に対して発熱量が減少する（図２参照）。 Further, after the refresh control is executed, the IV characteristics are improved by recovering the activity of the catalyst, so that the calorific value decreases for the same amount of current (see FIG. 2).
以上から、リフレッシュを実行すると、ある時間を経過した時点で「リフレッシュ実行時の増加発熱量」＝「リフレッシュ実行時後の減少発熱量」となり、熱収支が０になる。 From the above, when refresh is executed, when a certain time elapses, "increased heat generation amount at the time of refresh execution" = "decrease heat generation amount after refresh execution", and the heat balance becomes 0.
また、この時間（すなわち、「リフレッシュ実行時の増加発熱量」＝「リフレッシュ実行時後の減少発熱量」となる時間）よりも早く次のリフレッシュを実行すれば 増加発熱量＞減少発熱量 となって燃料電池車は昇温し、その一方で、この時間よりも遅く次のリフレッシュを実行すれば 増加発熱量＜減少発熱量 となって燃料電池は降温する。 Also, if the next refresh is executed earlier than this time (that is, the time when "increased calorific value during refresh execution" = "decreased calorific value after refresh execution"), the increased calorific value> decreased calorific value. On the other hand, if the next refresh is executed later than this time, the temperature of the fuel cell vehicle will rise, and the temperature of the fuel cell will drop with the increase in heat generation <decrease in heat generation.
＜リフレッシュ前後の熱収支＞
リフレッシュ前後の熱収支について説明する（図３等参照）。
<Heat balance before and after refreshing>
The heat balance before and after refreshing will be described (see FIG. 3 and the like).
リフレッシュ実行時に一時的に発熱量が増えるが、その後、ＩＶ特性の向上によってリフレッシュ前と比べた時の発熱量は減少する（図３参照）。ある時間ｔ０で熱収支＝０になったとすると、ｔ０よりも前に次のリフレッシュを行えば全体的な熱収支がプラスとなり、ＦＣ温度が上昇する。逆に、ｔ０よりも後に次のリフレッシュを行えば、全体的な熱収支はマイナスとなり、ＦＣ温度は下降する。 The amount of heat generated temporarily increases when refreshing is executed, but after that, the amount of heat generated when compared with that before refreshing decreases due to the improvement of IV characteristics (see FIG. 3). Assuming that the heat balance becomes 0 at t0 for a certain period of time, if the next refresh is performed before t0, the overall heat balance becomes positive and the FC temperature rises. On the contrary, if the next refresh is performed after t0, the overall heat balance becomes negative and the FC temperature drops.
また、次のリフレッシュまでの時間Ｔは自由に設定できるわけではなく、たとえば一時的に大きなパワーを引く（電力を掃引する）ことによってバッテリーの充電量が増えるので、リフレッシュ機能を過大にしてしまうとバッテリーの過充電につながってしまう。さらに、リフレッシュの効果は時間とともに薄れるので、リフレッシュ頻度を過少にするとリフレッシュそのものの効果が薄くなる。したがって、たとえばバッテリーのＳＯＣや、リフレッシュの最長周期から時間Ｔの最小値ｔ１、最大値ｔ２が決まる。 In addition, the time T until the next refresh cannot be set freely. For example, by temporarily pulling a large amount of power (sweeping the power), the amount of charge in the battery increases, so if the refresh function is made excessive. It will lead to overcharging of the battery. Furthermore, since the effect of refreshing diminishes with time, if the refresh frequency is too low, the effect of refreshing itself diminishes. Therefore, for example, the minimum value t1 and the maximum value t2 of the time T are determined from the SOC of the battery and the longest cycle of refreshing.
以上から、燃料電池の温度が最適温度よりも高ければｔ０〜ｔ２の間で（ｔ０よりも遅いタイミングで）次のリフレッシュを行い、逆に最適温度よりも低ければｔ１〜ｔ０の間で（ｔ０よりも早いタイミングで）次のリフレッシュを行う（図３参照）。 From the above, if the temperature of the fuel cell is higher than the optimum temperature, the next refresh is performed between t0 and t2 (at a timing later than t0), and conversely, if it is lower than the optimum temperature, between t1 and t0 (t0). Perform the next refresh (see Figure 3).
上記した制御によれば、燃料電池の温度を最適温度に近付けつつ、リフレッシュの効果を得ることができる（図４参照）。 According to the above-mentioned control, the refreshing effect can be obtained while bringing the temperature of the fuel cell close to the optimum temperature (see FIG. 4).
すなわち、触媒表面の酸化被膜を取り除くために電圧を一時的に下げる（リフレッシュする）手段として、従前、スタックに送る空気を減らしていわゆるストイキを下げる方法や、一時的に負荷電流を増やす方法があるが、これらの方法では一時的に発電効率が悪くなり、特に大きな電流を引く（取り出す）場合には発電パワーが大きい分、燃料電池の熱損失が大きく上昇する場合がある（理由：従来のリフレッシュ制御は燃料電池の温度を参照して実行と非実行とを切り替えるための機構を備えず、リフレッシュを実行した結果、燃料電池の動作温度が高い状態にあっても実行されてしまうため）。また、燃料電池が最適動作温度に比べて高い温度で動作していた場合、リフレッシュを頻繁に行うことでさらに燃料電池の温度が上昇してしまうことがあり、そうすると、燃料電池の触媒活性は回復しても燃料電池システム全体として効率が悪化することがある（理由：従来のリフレッシュ制御は燃料電池の触媒活性を回復することを目的としており、燃料電池システム全体の効率を参照していないことから）。一方、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度を最適温度に近付けつつリフレッシュの効果を得ることで、これらの問題にも対処することができる。 That is, as a means for temporarily lowering (refreshing) the voltage in order to remove the oxide film on the surface of the catalyst, there are conventionally a method of reducing the air sent to the stack to lower the so-called stoichiometry and a method of temporarily increasing the load current. However, with these methods, the power generation efficiency temporarily deteriorates, and the heat loss of the fuel cell may increase significantly due to the large power generation power, especially when a large current is drawn (taken out) (reason: conventional refresh). Control does not have a mechanism to switch between execution and non-execution by referring to the temperature of the fuel cell, and as a result of executing refresh, it is executed even when the operating temperature of the fuel cell is high). In addition, if the fuel cell is operating at a temperature higher than the optimum operating temperature, the temperature of the fuel cell may rise further due to frequent refreshing, and the catalytic activity of the fuel cell is restored. Even so, the efficiency of the fuel cell system as a whole may deteriorate (reason: the conventional refresh control aims to restore the catalytic activity of the fuel cell and does not refer to the efficiency of the fuel cell system as a whole. ). On the other hand, according to the fuel cell system of the present embodiment, these problems can be dealt with by obtaining the refreshing effect while bringing the temperature of the fuel cell close to the optimum temperature.
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状およびサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not for limiting and interpreting the present invention. Each element included in the embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those exemplified, and can be changed as appropriate. In addition, the configurations shown in different embodiments can be partially replaced or combined.
本発明は、燃料電池システムに適用して好適である。 The present invention is suitable for application to fuel cell systems.
Claims (1)
リフレッシュ制御を行った場合と、リフレッシュ制御を行わない場合における、所定時間経過した際の発熱量を比べ、当該燃料電池の増加発熱量と減少熱量の差分である熱収支が±０となる時間ｔ０を算出する熱量算出部を備え、
前記リフレッシュ制御部は、前記燃料電池の温度が最適温度よりも低い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも早く設定し、前記燃料電池の温度が最適温度よりも高い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも遅く設定する、燃料電池システム。 A fuel cell system having a refresh control unit for removing an oxide film formed on a fuel cell catalyst.
Comparing the calorific value when a predetermined time elapses between the case where the refresh control is performed and the case where the refresh control is not performed, the time t0 at which the heat balance, which is the difference between the increased calorific value and the decreased calorific value of the fuel cell, becomes ± 0. Equipped with a calorific value calculation unit to calculate
The refresh control unit sets the start time of refresh control earlier than t0 when the temperature of the fuel cell is lower than the optimum temperature, and refreshes when the temperature of the fuel cell is higher than the optimum temperature. A fuel cell system that sets the control start time later than t0.
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