JP6816522B2 - 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.
燃料電池システムとして、燃料電池システム内の水の排出や窒素等の不純物の排気を行う掃気処理に、二次電池の電力を用いる物が知られている。特許文献1には、二次電池の制御方法として、掃気処理を行うための放電と、二次電池の電圧回復のための休止と、を繰り返す燃料電池システムが記載されている。 As a fuel cell system, a system that uses the electric power of a secondary battery for scavenging treatment for discharging water in the fuel cell system and exhausting impurities such as nitrogen is known. Patent Document 1 describes a fuel cell system that repeats discharging for performing scavenging processing and pausing for voltage recovery of the secondary battery as a control method for the secondary battery.
氷点下における燃料電池システムの掃気制御において、二次電池の放電休止を行うと、休止している時間によっては二次電池の電圧が回復するまでの間に生成水が凍結する場合がある。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制可能な技術が望まれていた。 In the scavenging control of the fuel cell system below the freezing point, if the discharge of the secondary battery is suspended, the generated water may freeze before the voltage of the secondary battery is restored depending on the pause time. Therefore, a technique capable of suppressing freezing of parts during scavenging suspension has been desired.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料システムは、燃料電池と、前記燃料電池内の水を排出する掃気処理に用いられる複数の掃気部品と、前記掃気部品に電力を供給可能な二次電池と、前記掃気部品を制御して、一定期間、前記燃料電池の反応ガスの流路の上流側に位置する部品から下流側に位置する部品に順に掃気が行われるように掃気部品毎に異なるタイミングで掃気の強さを弱めながら前記掃気処理を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの発電停止中に、前記掃気処理を開始し、前記掃気処理の開始後、前記二次電池の電圧が予め定められた電圧まで低下した場合に前記掃気処理を一時休止し、前記掃気処理の一時休止した後、前記二次電池の電圧が、再開後の前記掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで回復するのに必要な時間が経過した場合に、前記掃気処理を再開する。また、本発明は、以下の形態としても実現できる。
The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system is provided. This fuel system controls a fuel cell, a plurality of scavenging components used for scavenging processing to discharge water in the fuel cell, a secondary battery capable of supplying power to the scavenging component, and the scavenging component. For a certain period of time, the strength of the scavenging is weakened at different timings for each scavenging component so that the scavenging is performed in order from the component located on the upstream side of the reaction gas flow path of the fuel cell to the component located on the downstream side. The control unit includes a control unit that executes the scavenging process, and the control unit starts the scavenging process while the power generation of the fuel cell system is stopped, and after the start of the scavenging process, the voltage of the secondary battery is predetermined. When the voltage drops to the required voltage, the scavenging process is temporarily suspended, and after the scavenging process is temporarily suspended, the voltage of the secondary battery is restored to a voltage at which the power required for the scavenging process after resumption can be secured. When the time required for the above elapses, the scavenging process is restarted. The present invention can also be realized in the following forms.
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と;前記燃料電池内の水を排出する掃気処理に用いられる掃気部品と;前記掃気部品に電力を供給可能な二次電池と;前記掃気部品を制御して、一定期間、前記掃気処理を実行する制御部と、を備え;前記制御部は;前記燃料電池システムの発電停止中に、前記掃気処理を開始し、前記掃気処理の開始後、前記二次電池の電圧が予め定められた電圧まで低下した場合に前記掃気処理を一時休止し;前記掃気処理の一時休止した後、前記二次電池の電圧が、再開後の前記掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで回復するのに必要な時間が経過した場合に、前記掃気処理を再開する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、二次電池の電圧低下によって掃気処理を一時休止させた後、再開後の掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで二次電池の電圧が回復した時点で即掃気処理を再開できるので、掃気を休止する期間を最小限にできる。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制できる。 According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system is provided. This fuel cell system controls the fuel cell; the scavenging component used for the scavenging process to discharge the water in the fuel cell; the secondary battery capable of supplying power to the scavenging component; A control unit that executes the scavenging process for a certain period of time; the control unit; starts the scavenging process while the power generation of the fuel cell system is stopped, and after the start of the scavenging process, the secondary battery The scavenging process is paused when the voltage drops to a predetermined voltage; after the scavenging process is paused, the voltage of the secondary battery can secure the power required for the scavenging process after restarting. When the time required to recover to the voltage has elapsed, the scavenging process is restarted. According to this form of fuel cell system, the control unit suspends the scavenging process due to the voltage drop of the secondary battery, and then raises the voltage of the secondary battery to a voltage that can secure the power required for the scavenging process after restarting. Since the scavenging process can be resumed when the scavenging is recovered, the period during which the scavenging is stopped can be minimized. Therefore, freezing of parts during scavenging suspension can be suppressed.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両等の態様で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms, for example, a power generation device equipped with a fuel cell system, a vehicle equipped with a fuel cell system, and the like.
A.第1実施形態:
図1は、本発明の一実施形態における燃料電池システム100の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム100は、燃料電池10と、制御部20と、酸化ガス流路系30と、燃料ガス流路系50と、を備える。また、燃料電池システム100は、DC/DCコンバータ90と、二次電池92と、負荷93と、SOC検出部94と、備える。本実施形態の燃料電池システム100は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
A. First Embodiment:
FIG. 1 is a schematic view showing a schematic configuration of a
燃料電池10は、反応ガスとして水素(燃料ガス)と空気(酸化ガス)との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池10は、複数のセル11が積層されたスタック構造を有する。各セル11は、電解質膜(図示せず)の両面に電極を配置した膜電極接合体(図示せず)と、膜電極接合体を挟持する1組のセパレータとを有する。燃料電池10によって発電された電力は、DC/DCコンバータ90を介して二次電池92に蓄電される。
The
二次電池92には、種々の負荷93が接続されている。燃料電池10および二次電池92は、後述するエアコンプレッサ32や循環用ポンプ64、各種弁に、電力が供給可能である。二次電池92は、本実施形態において、リチウムイオン電池である。二次電池92は、例えば、ニッケル水素電池などで構成されていてもよい。二次電池92は、長時間連続で放電すると電荷のキャリアであるリチウムが不均一となり、過電圧が増大する。また、放電を一時休止することにより、リチウムが拡散し均一化することで過電圧が減少し電圧が回復する。
二次電池92には、また、SOC検出部94が接続されている。SOC検出部94は、二次電池92の蓄電量(SOC)[%]を検出し、制御部20に送信する。本実施形態において「蓄電量(SOC)」とは、二次電池92の現在の充電容量に対する充電残量の比率を意味する。SOC検出部94は、二次電池92の温度や、出力電圧値、出力電流値を検出し、それらの検出値に基づき、蓄電量(SOC)を検出する。また、本実施形態のSOC検出部94は、二次電池92の温度についても制御部20に送信する。
The
酸化ガス流路系30は、酸化ガス配管31と、エアコンプレッサ32と、開閉弁33と、カソードオフガス配管41と、レギュレータ42と、を備える。酸化ガス流路系30には、燃料電池10内のカソード側の流路が含まれる。
The oxidation gas
エアコンプレッサ32は、酸化ガス配管31を介して燃料電池10と接続されている。エアコンプレッサ32は、制御部20からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、酸化ガスとして燃料電池10に供給する。
The
開閉弁33は、エアコンプレッサ32と燃料電池10との間に設けられており、酸化ガス配管31における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁33は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ32から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管31に供給されたときに開く。
The on-off valve 33 is provided between the
カソードオフガス配管41は、燃料電池10のカソードから排出されたカソードオフガスを燃料電池システム100の外部へと排出する。レギュレータ42は、制御部20からの制御信号に応じて、カソードオフガス配管41におけるカソードオフガスの圧力(燃料電池10のカソード側の背圧)を調整する。
The cathode off
燃料ガス流路系50は、燃料ガス配管51と、水素タンク52と、開閉弁53と、レギュレータ54と、インジェクタ55と、排気排水弁60と、アノードオフガス配管61と、循環配管63と、循環用ポンプ64と、気液分離器70と、を備える。燃料ガス流路系50には、燃料電池10内のアノード側の流路が含まれる。以下では、燃料ガス配管51のインジェクタ55よりも下流側と、燃料電池10内のアノード側の流路と、アノードオフガス配管61と、循環配管63と、気液分離器70と、で構成される流路のことを、循環流路65ともいう。循環流路65は、燃料電池10のアノードオフガスを燃料電池10に循環させるための流路である。
The fuel gas
水素タンク52は、燃料ガス配管51を介して燃料電池10のアノードと接続されており、内部に充填されている水素を燃料電池10に供給する。開閉弁53、レギュレータ54、インジェクタ55は、燃料ガス配管51に、この順序で上流側、つまり水素タンク52に近い側、から設けられている。
The
開閉弁53は、制御部20からの制御信号に応じて開閉し、水素タンク52からインジェクタ55の上流側への水素の流入を制御する。燃料電池システム100の停止時には開閉弁53は閉じられる。レギュレータ54は、制御部20からの制御信号に応じて、インジェクタ55の上流側における水素の圧力を調整する。インジェクタ55は、制御部20によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部20は、インジェクタ55の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池10に供給される水素の量を制御する。
The on-off
アノードオフガス配管61は、燃料電池10のアノードの出口と気液分離器70とを接続する配管である。アノードオフガス配管61は、発電反応に用いられることのなかった燃料ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器70へと誘導する。
The anode off-
気液分離器70は、循環流路65のアノードオフガス配管61と循環配管63との間に接続されている。気液分離器70は、循環流路65内のアノードオフガスから生成水を分離して貯水する。
The gas-
循環配管63は、燃料ガス配管51のインジェクタ55より下流に接続されている。循環配管63には、制御部20からの制御信号に応じて駆動される循環用ポンプ64が設けられている。この循環用ポンプ64によって、気液分離器70によって生成水が分離されたアノードオフガスが、燃料ガス配管51へと送り出される。このように、この燃料電池システム100では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池10に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。
The
排気排水弁60は、気液分離器70の下部に設けられている。排気排水弁60は、気液分離器70に貯水された生成水の排水と、気液分離器70内のアノードオフガスの排気と、を行う。燃料電池システム100の運転中は、通常、排気排水弁60は閉じられており、制御部20からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁60は、カソードオフガス配管41に接続されており、排気排水弁60によって排出された生成水およびアノードオフガスは、カソードオフガス配管41を通じて外部へ排出される。
The
本実施形態において、制御部20は、燃料電池システム100の発電休止持に、エアコンプレッサ32や開閉弁53、排気排水弁60、循環用ポンプ64を制御して掃気処理を行う。掃気処理に用いられるこれらの部品をあわせて「掃気部品」という。本実施形態における「掃気処理」とは、一定期間、掃気部品に電力を供給して駆動し、それら掃気部品自体およびそれら掃気部品よりも下流の流路内に存在する水を排出することである。本実施形態の掃気処理では、制御部20は、すべての掃気部品を同時に駆動する。また、制御部20は、SOC検出部94から送信された二次電池92の温度や電圧の監視も行う。
In the present embodiment, the
制御部20は、CPUとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。CPUは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム100による発電の制御を行うと共に、掃気部品を制御して燃料電池システム100の発電停止中に掃気処理を実行する。以下では、燃料電池システム100の発電停止中に行われる掃気処理のことを、単に「掃気処理」という。本実施形態における掃気処理は燃料電池システム100の発電停止中に行われるため、掃気部品には二次電池92から電力が供給される。
The
図2は、掃気処理による消費電力と二次電池92の電圧との関係を示した参考図である。制御部20は、掃気部品の掃気処理において、二次電池92を連続放電させる。上側のグラフは二次電池92の電圧の変化を示しており、縦軸は電圧を示している。下側のグラフは掃気部品による掃気処理が完了するまでに必要な消費電力を示しており、縦軸は電力を示している。上下のグラフ共に、横軸は時間を示している。
FIG. 2 is a reference diagram showing the relationship between the power consumption due to the scavenging process and the voltage of the
図2に示すように、掃気部品を駆動して掃気処理を行うと二次電池92の電圧が徐々に低下し、下限電圧に到達する。二次電池92の電圧が下限電圧を下回ると、二次電池92の性能が劣化する原因となる。そのため、下限電圧に到達した後は掃気部品に電力を供給することが出来ない。その結果、掃気部品を駆動する電力が不足する。そこで本実施形態では、以下に説明するように、掃気処理を一時休止させることによって二次電池92が電力不足となる事を抑制する。なお、下限電圧は、二次電池92の性能が劣化する電圧値を、予め実験的に求めることで定めることができる。
As shown in FIG. 2, when the scavenging component is driven to perform the scavenging process, the voltage of the
図3は、本実施形態における掃気制御処理の概要を表わすフローチャートである。本実施形態における掃気制御処理は、燃料電池システム100の停止中、例えば燃料電池システム100の停止直後や、燃料電池システム100の停止から予め定めた時間経過した場合に制御部20により実行される処理である。なお、掃気制御処理の開始時にはSOC検出部94の蓄電量(SOC)と電圧とは十分にあるものとする。
FIG. 3 is a flowchart showing an outline of the scavenging control process in the present embodiment. The scavenging control process in the present embodiment is a process executed by the
本実施形態の掃気制御処理では、まず、制御部20が、掃気部品を駆動させて掃気処理を開始する(ステップS100)。そして、SOC検出部94を用いて検出した二次電池92の電圧が予め定めた電圧まで低下したか否か判定する(ステップS110)。予め定めた電圧のことを、以下、「閾値」という。閾値は上述した下限電圧以上であることが好ましい。二次電池92の電圧が閾値まで低下していない場合(ステップS110:NO)、制御部20は引き続き掃気部品を駆動し、掃気処理を続ける。一方、二次電池92の電圧が閾値まで低下した場合(ステップS110:YES)、制御部20は、掃気部品の駆動を停止させ、掃気処理を一時休止する(ステップS120)。なお、上記ステップS110では、電圧が閾値に到達しないまま、予め定めた期間、掃気処理が継続した場合には、当該掃気制御処理を終了させてもよい。
In the scavenging control process of the present embodiment, first, the
掃気処理を休止した後、制御部20は、二次電池92の電圧が目標電圧まで上昇(回復)するのに必要な時間(以下、「電圧回復可能時間」という)を算出する(ステップS130)。具体的には、制御部20は、まず、残りの掃気時間、掃気部品の掃気処理完了まで電力を供給できる電圧を、目標電圧として、電圧と掃気可能な時間の関係を示すマップや関数に基づき求める。そして、その後、二次電池92の蓄電量(SOC)および二次電池92の温度と、電圧の回復にかかる時間との関係を定義したマップや関数に基づき、目標電圧まで回復する時間を、電圧回復可能時間として求める。
After suspending the scavenging process, the
電圧回復可能時間を求めた後、制御部20は、ステップS120で掃気処理を一時休止した後、電圧回復可能時間経過したか否かを判定する(ステップS140)。電圧回復可能時間が経過していなければ(ステップS140:NO)、制御部20は、二次電池92の電圧が目標電圧まで回復するまで待機し、電圧回復可能時間が経過していれば(ステップS140:YES)、制御部20は、掃気処理を再開する(ステップS150)。
After obtaining the voltage recoverable time, the
図4は、上述した掃気制御処理による消費電力と二次電池92の電圧の関係を示した図である。図4に示すように、制御部20は、掃気処理の開始後、二次電池92の電圧が予め定めた閾値まで低下したタイミングt1の時点で、掃気部品の駆動を停止させ、掃気処理を一時休止する。そして、制御部20は、二次電池92の電圧が目標電圧まで回復するためのインターバル(電圧回復可能時間)を確保できるようにタイミングt2を決定し、停止後の経過時間がタイミングt2を経過したら、掃気部品を駆動して掃気処理を再開させる。これにより、二次電池92の電圧が回復し、掃気部品の駆動に必要な電力全てを供給することができる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the power consumption by the above-mentioned scavenging control process and the voltage of the
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム100によれば、制御部20は、二次電池92の電圧低下によって掃気処理を一時休止させた後、再開後の掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで二次電池92の電圧が回復した時点で即掃気処理を再開できるので、掃気を休止する期間を最小限にできる。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制できる。
According to the
B.第2実施形態:
上記実施形態において、制御部20は、掃気処理において、全ての掃気部品を同時に駆動している。これに対して、第2実施形態では、掃気部品毎に異なるタイミングで掃気制御処理を行う。例えば、燃料ガス流路系50において、上流側にある部品から下流側にある部品へと掃気の強さを弱めながら燃料電池10、気液分離器70、排気排水弁60という順に各部品の掃気を実施する。
B. Second embodiment:
In the above embodiment, the
図5は、第2実施形態における掃気制御処理による消費電力と二次電池92の電圧の関係を示した図である。制御部20は、タイミングt0bからタイミングt1bの期間に燃料電池10の掃気処理を行い、タイミングt2bからタイミングt3bの期間に気液分離器70の掃気処理を行い、タイミングt4bからタイミングt5bの期間に排気排水弁60の掃気処理を行う。制御部20は、各掃気部品の掃気処理完了まで電力を供給できる電圧に応じて、二次電池92の電圧が上昇するためのインターバルを確保できるようにタイミングt2b、タイミングt4bを決定し、掃気部品の掃気処理を再開させる制御を行う。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the power consumption by the scavenging control process and the voltage of the
以上で説明した第2実施形態の燃料電池システム100によれば、上流からの液水流入で、下流の部品の掃気が不十分になる事を抑制できる。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制できる。
According to the
C.変形例:
<第1変形例>
上記実施形態において、掃気処理とは、制御部20が、予め定めた時間掃気部品を駆動し、それら掃気部品自体およびそれら掃気部品よりも下流の流路内に存在する水を排出することである。換言すれば、制御部20は、「時間」を掃気処理の指標としている。これに対して、制御部20は、「掃気部品内の水分量」を掃気処理の指標としてもよい。掃気部品内の水分量は、例えば、残水量の推定値やインピーダンスによる計測値などを用いて求めることができる。
C. Modification example:
<First modification>
In the above embodiment, the scavenging process means that the
<第2変形例>
上記第1実施形態において、制御部20は、1回の放電休止により、電圧回復可能時間経過させている。これに対して、制御部20は、2回以上の放電休止により2次電池の電圧を目標電圧まで回復させてもよい。
<Second modification>
In the first embodiment, the
<第3変形例>
燃料電池システム100の発電停止時において、制御部20は、掃気制御処理を1回に限らず複数回行ってもよい。
<Third modification example>
When the power generation of the
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the embodiment corresponding to the technical feature in each embodiment described in the column of the outline of the invention, the technical feature in the modified example, in order to solve the above-mentioned problem, or a part or all of the above-mentioned effect. It is possible to replace or combine as appropriate to achieve this. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.
10…燃料電池
11…セル
20…制御部
30…酸化ガス流路系
31…酸化ガス配管
32…エアコンプレッサ
33、53…開閉弁
41…カソードオフガス配管
42、54…レギュレータ
50…燃料ガス流路系
51…燃料ガス配管
52…水素タンク
55…インジェクタ
60…排気排水弁
61…アノードオフガス配管
63…循環配管
64…循環用ポンプ
65…循環流路
70…気液分離器
90…DC/DCコンバータ
92…二次電池
93…負荷
94…SOC検出部
100…燃料電池システム
10 ...
Claims (1)
燃料電池と、
前記燃料電池内の水を排出する掃気処理に用いられる複数の掃気部品と、
前記掃気部品に電力を供給可能な二次電池と、
前記掃気部品を制御して、一定期間、前記燃料電池の反応ガスの流路の上流側に位置する部品から下流側に位置する部品に順に掃気が行われるように掃気部品毎に異なるタイミングで掃気の強さを弱めながら前記掃気処理を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの発電停止中に、前記掃気処理を開始し、前記掃気処理の開始後、前記二次電池の電圧が予め定められた電圧まで低下した場合に前記掃気処理を一時休止し、
前記掃気処理の一時休止した後、前記二次電池の電圧が、再開後の前記掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで回復するのに必要な時間が経過した場合に、前記掃気処理を再開する、燃料電池システム。 It ’s a fuel cell system,
With a fuel cell
A plurality of scavenging parts used for the scavenging process for discharging water in the fuel cell, and
A secondary battery that can supply power to the scavenging component,
By controlling the scavenging component , scavenging is performed at different timings for each scavenging component so that scavenging is performed in order from the component located on the upstream side of the reaction gas flow path of the fuel cell to the component located on the downstream side for a certain period of time. A control unit that executes the scavenging process while weakening the strength of the
The control unit
The scavenging process is started while the power generation of the fuel cell system is stopped, and when the voltage of the secondary battery drops to a predetermined voltage after the start of the scavenging process, the scavenging process is temporarily suspended.
After the suspension of the scavenging process, the scavenging process is restarted when the time required for the voltage of the secondary battery to recover to a voltage at which the power required for the scavenging process after the restart can be secured has elapsed. Fuel cell system.
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