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.

特開2004−171864号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-171864

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.

燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the fuel cell system. 掃気処理による消費電力と二次電池の電圧の関係を示した参考図である。It is a reference figure which showed the relationship between the power consumption by a scavenging process, and the voltage of a secondary battery. 掃気処理の概要を表わすフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of a scavenging process. 掃気制御処理による消費電力と二次電池の電圧の関係を示した図である。It is a figure which showed the relationship between the power consumption by a scavenging control process, and the voltage of a secondary battery. 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の電圧の関係を示した図である。It is a figure which showed the relationship between the power consumption by the scavenging control process in 2nd Embodiment, and the voltage of a secondary battery.

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 fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 includes a fuel cell 10, a control unit 20, an oxidation gas flow path system 30, and a fuel gas flow path system 50. Further, the fuel cell system 100 includes a DC / DC converter 90, a secondary battery 92, a load 93, and an SOC detection unit 94. The fuel cell system 100 of the present embodiment is mounted on, for example, a fuel cell vehicle.

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 fuel cell 10 is a solid polymer fuel cell that generates electricity by receiving the supply of hydrogen (fuel gas) and air (oxidizing gas) as reaction gases. The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of cells 11 are stacked. Each cell 11 has a membrane electrode assembly (not shown) in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane (not shown), and a set of separators that sandwich the membrane electrode assembly. The electric power generated by the fuel cell 10 is stored in the secondary battery 92 via the DC / DC converter 90.

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。 Various loads 93 are connected to the secondary battery 92. The fuel cell 10 and the secondary battery 92 can supply electric power to the air compressor 32, the circulation pump 64, and various valves, which will be described later. The secondary battery 92 is a lithium ion battery in this embodiment. The secondary battery 92 may be composed of, for example, a nickel hydrogen battery. When the secondary battery 92 is continuously discharged for a long time, lithium, which is a carrier of electric charges, becomes non-uniform, and the overvoltage increases. Further, by suspending the discharge, the overvoltage is reduced and the voltage is recovered by diffusing and homogenizing lithium.

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 SOC detection unit 94 is also connected to the secondary battery 92. The SOC detection unit 94 detects the stored amount (SOC) [%] of the secondary battery 92 and transmits it to the control unit 20. In the present embodiment, the “storage amount (SOC)” means the ratio of the remaining charge to the current charge capacity of the secondary battery 92. The SOC detection unit 94 detects the temperature, output voltage value, and output current value of the secondary battery 92, and detects the amount of electricity stored (SOC) based on these detected values. Further, the SOC detection unit 94 of the present embodiment also transmits the temperature of the secondary battery 92 to the control unit 20.

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 flow path system 30 includes an oxidation gas pipe 31, an air compressor 32, an on-off valve 33, a cathode off gas pipe 41, and a regulator 42. The oxidation gas flow path system 30 includes a flow path on the cathode side in the fuel cell 10.

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 air compressor 32 is connected to the fuel cell 10 via an oxidation gas pipe 31. The air compressor 32 compresses the air taken in from the outside in response to the control signal from the control unit 20, and supplies the air as an oxidation gas to the fuel cell 10.

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 air compressor 32 and the fuel cell 10, and opens and closes according to the flow of the supply air in the oxidation gas pipe 31. Specifically, the on-off valve 33 is normally in a closed state, and opens when air having a predetermined pressure is supplied from the air compressor 32 to the oxidation gas pipe 31.

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 gas pipe 41 discharges the cathode off gas discharged from the cathode of the fuel cell 10 to the outside of the fuel cell system 100. The regulator 42 adjusts the pressure of the cathode-off gas (back pressure on the cathode side of the fuel cell 10) in the cathode-off gas pipe 41 in response to the control signal from the control unit 20.

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 flow path system 50 includes a fuel gas pipe 51, a hydrogen tank 52, an on-off valve 53, a regulator 54, an injector 55, an exhaust / drain valve 60, an anode off-gas pipe 61, a circulation pipe 63, and circulation. A pump 64 and a gas-liquid separator 70 are provided. The fuel gas flow path system 50 includes a flow path on the anode side in the fuel cell 10. In the following, the fuel gas pipe 51 is composed of a downstream side of the injector 55, a flow path on the anode side in the fuel cell 10, an anode off-gas pipe 61, a circulation pipe 63, and a gas-liquid separator 70. The flow path is also referred to as a circulation flow path 65. The circulation flow path 65 is a flow path for circulating the anode off gas of the fuel cell 10 to the fuel cell 10.

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 hydrogen tank 52 is connected to the anode of the fuel cell 10 via the fuel gas pipe 51, and supplies the hydrogen filled therein to the fuel cell 10. The on-off valve 53, the regulator 54, and the injector 55 are provided in the fuel gas pipe 51 in this order from the upstream side, that is, the side close to the hydrogen tank 52.

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 valve 53 opens and closes in response to a control signal from the control unit 20 to control the inflow of hydrogen from the hydrogen tank 52 to the upstream side of the injector 55. The on-off valve 53 is closed when the fuel cell system 100 is stopped. The regulator 54 adjusts the hydrogen pressure on the upstream side of the injector 55 in response to the control signal from the control unit 20. The injector 55 is an electromagnetically driven on-off valve in which the valve body is electromagnetically driven according to the drive cycle and valve opening time set by the control unit 20. The control unit 20 controls the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 by controlling the drive cycle and valve opening time of the injector 55.

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-gas pipe 61 is a pipe that connects the outlet of the anode of the fuel cell 10 and the gas-liquid separator 70. The anode off-gas pipe 61 guides the anode-off gas containing fuel gas, nitrogen gas, etc., which has not been used in the power generation reaction, to the gas-liquid separator 70.

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-liquid separator 70 is connected between the anode off-gas pipe 61 of the circulation flow path 65 and the circulation pipe 63. The gas-liquid separator 70 separates the generated water from the anode off gas in the circulation flow path 65 and stores it.

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 circulation pipe 63 is connected downstream from the injector 55 of the fuel gas pipe 51. The circulation pipe 63 is provided with a circulation pump 64 that is driven in response to a control signal from the control unit 20. The circulation pump 64 sends out the anode-off gas from which the generated water is separated by the gas-liquid separator 70 to the fuel gas pipe 51. As described above, in the fuel cell system 100, the anode off gas containing hydrogen is circulated and supplied to the fuel cell 10 again to improve the efficiency of hydrogen utilization.

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 exhaust drain valve 60 is provided in the lower part of the gas-liquid separator 70. The exhaust / drain valve 60 drains the generated water stored in the gas-liquid separator 70 and exhausts the anode off gas in the gas-liquid separator 70. During the operation of the fuel cell system 100, the exhaust / drain valve 60 is normally closed and opens / closes in response to a control signal from the control unit 20. In the present embodiment, the exhaust drain valve 60 is connected to the cathode off gas pipe 41, and the generated water and the anode off gas discharged by the exhaust drain valve 60 are discharged to the outside through the cathode off gas pipe 41.

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 control unit 20 controls the air compressor 32, the on-off valve 53, the exhaust / drain valve 60, and the circulation pump 64 to perform scavenging processing while the fuel cell system 100 is suspended from power generation. These parts used for scavenging are collectively called "scavenging parts". The "scavenging treatment" in the present embodiment is to supply electric power to the scavenging components to drive them for a certain period of time, and to discharge the water existing in the scavenging components themselves and the flow path downstream of the scavenging components. .. In the scavenging process of the present embodiment, the control unit 20 drives all the scavenging components at the same time. The control unit 20 also monitors the temperature and voltage of the secondary battery 92 transmitted from the SOC detection unit 94.

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 control unit 20 is configured as a computer including a CPU, a memory, and an interface circuit to which the above-mentioned components are connected. The CPU controls the power generation by the fuel cell system 100 by executing the control program stored in the memory, and also controls the scavenging components to execute the scavenging process while the power generation of the fuel cell system 100 is stopped. Hereinafter, the scavenging process performed while the power generation of the fuel cell system 100 is stopped is simply referred to as "scavenging process". Since the scavenging process in the present embodiment is performed while the power generation of the fuel cell system 100 is stopped, power is supplied to the scavenging component from the secondary battery 92.

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 secondary battery 92. The control unit 20 continuously discharges the secondary battery 92 in the scavenging process of the scavenging component. The upper graph shows the change in the voltage of the secondary battery 92, and the vertical axis shows the voltage. The lower graph shows the power consumption required to complete the scavenging process by the scavenging components, and the vertical axis shows the power. In both the upper and lower graphs, the horizontal axis shows time.

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 secondary battery 92 gradually decreases and reaches the lower limit voltage. If the voltage of the secondary battery 92 is lower than the lower limit voltage, the performance of the secondary battery 92 may deteriorate. Therefore, power cannot be supplied to the scavenging component after the lower limit voltage is reached. As a result, there is a shortage of power to drive the scavenging components. Therefore, in the present embodiment, as described below, the secondary battery 92 is prevented from running out of power by temporarily suspending the scavenging process. The lower limit voltage can be determined by experimentally obtaining a voltage value at which the performance of the secondary battery 92 deteriorates.

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 control unit 20 while the fuel cell system 100 is stopped, for example, immediately after the fuel cell system 100 is stopped, or when a predetermined time has elapsed from the stop of the fuel cell system 100. Is. At the start of the scavenging control process, it is assumed that the amount of electricity stored (SOC) and the voltage of the SOC detection unit 94 are sufficient.

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 control unit 20 drives the scavenging component to start the scavenging process (step S100). Then, it is determined whether or not the voltage of the secondary battery 92 detected by the SOC detection unit 94 has dropped to a predetermined voltage (step S110). The predetermined voltage is hereinafter referred to as a "threshold value". The threshold value is preferably equal to or higher than the above-mentioned lower limit voltage. When the voltage of the secondary battery 92 has not dropped to the threshold value (step S110: NO), the control unit 20 continues to drive the scavenging component and continue the scavenging process. On the other hand, when the voltage of the secondary battery 92 drops to the threshold value (step S110: YES), the control unit 20 stops driving the scavenging component and suspends the scavenging process (step S120). In step S110, if the scavenging process continues for a predetermined period without the voltage reaching the threshold value, the scavenging control process may be terminated.

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 control unit 20 calculates the time required for the voltage of the secondary battery 92 to rise (recover) to the target voltage (hereinafter, referred to as “voltage recoverable time”) (step S130). .. Specifically, the control unit 20 first sets the remaining scavenging time and the voltage capable of supplying power until the completion of the scavenging process of the scavenging component as the target voltage, and is based on a map or function showing the relationship between the voltage and the scavengable time. Ask. Then, based on a map or function that defines the relationship between the storage capacity (SOC) of the secondary battery 92 and the temperature of the secondary battery 92 and the time required for voltage recovery, the voltage for recovering to the target voltage is set. Calculated as recoverable time.

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 control unit 20 temporarily suspends the scavenging process in step S120, and then determines whether or not the voltage recoverable time has elapsed (step S140). If the voltage recoverable time has not elapsed (step S140: NO), the control unit 20 waits until the voltage of the secondary battery 92 recovers to the target voltage, and if the voltage recoverable time has elapsed (step S140: NO). S140: YES), the control unit 20 restarts the scavenging process (step S150).

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 secondary battery 92. As shown in FIG. 4, the control unit 20 stops the driving of the scavenging component at the timing t1 when the voltage of the secondary battery 92 drops to a predetermined threshold value after the start of the scavenging process, and temporarily stops the scavenging process. Take a break. Then, the control unit 20 determines the timing t2 so that the interval (voltage recoverable time) for recovering the voltage of the secondary battery 92 to the target voltage can be secured, and when the elapsed time after the stop has passed the timing t2. , Drive the scavenging component to restart the scavenging process. As a result, the voltage of the secondary battery 92 is restored, and all the electric power required for driving the scavenging component can be supplied.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment described above, the control unit 20 can secure the electric power required for the scavenging process after the scavenging process is temporarily suspended due to the voltage drop of the secondary battery 92. Since the scavenging process can be restarted when the voltage of the secondary battery 92 recovers to the voltage, the period for suspending the scavenging can be minimized. Therefore, freezing of parts during scavenging suspension can be suppressed.

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 control unit 20 simultaneously drives all the scavenging components in the scavenging process. On the other hand, in the second embodiment, the scavenging control process is performed at different timings for each scavenging component. For example, in the fuel gas flow path system 50, scavenging of each component in the order of the fuel cell 10, the gas-liquid separator 70, and the exhaust drain valve 60 while reducing the scavenging strength from the component on the upstream side to the component on the downstream side. To carry out.

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 secondary battery 92 in the second embodiment. The control unit 20 performs scavenging of the fuel cell 10 during the period from timing t0b to timing t1b, scavenging of the gas-liquid separator 70 during the period from timing t2b to timing t3b, and exhausts during the period from timing t4b to timing t5b. Scavenging the drain valve 60 is performed. The control unit 20 determines the timing t2b and the timing t4b so as to secure an interval for the voltage of the secondary battery 92 to rise according to the voltage capable of supplying electric power until the completion of the scavenging process of each scavenging component, and the scavenging component. Controls to restart the scavenging process.

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 fuel cell system 100 of the second embodiment described above, it is possible to prevent insufficient scavenging of downstream parts due to inflow of liquid water from the upstream. Therefore, freezing of parts during scavenging suspension can be suppressed.

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 control unit 20 drives the scavenging components for a predetermined time and discharges the scavenging components themselves and the water existing in the flow path downstream of the scavenging components. .. In other words, the control unit 20 uses "time" as an index of the scavenging process. On the other hand, the control unit 20 may use "the amount of water in the scavenging component" as an index of the scavenging process. The amount of water in the scavenging component can be obtained by using, for example, an estimated value of the amount of residual water or a measured value based on impedance.

<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 control unit 20 elapses the voltage recoverable time by one discharge pause. On the other hand, the control unit 20 may restore the voltage of the secondary battery to the target voltage by suspending the discharge two or more times.

<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 fuel cell system 100 is stopped, the control unit 20 may perform the scavenging control process not only once but also a plurality of times.

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 ... Fuel cell 11 ... Cell 20 ... Control unit 30 ... Oxidation gas flow path system 31 ... Oxidation gas piping 32 ... Air compressor 33, 53 ... On-off valve 41 ... Cathode off gas piping 42, 54 ... Regulator 50 ... Fuel gas flow path system 51 ... Fuel gas piping 52 ... Hydrogen tank 55 ... Injector 60 ... Exhaust / drain valve 61 ... Anodic off gas piping 63 ... Circulation piping 64 ... Circulation pump 65 ... Circulation flow path 70 ... Gas / liquid separator 90 ... DC / DC converter 92 ... Secondary battery 93 ... Load 94 ... SOC detector 100 ... Fuel cell system

Claims (1)

燃料電池システムであって、
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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