JP6859624B2 - Fuel cell system and its control method - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池の発電を停止する燃料電池システム及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system for stopping power generation of a fuel cell and a control method thereof.
燃料電池システムとしては、燃料電池の発電を停止した後に燃料電池のカソード極に酸素が存在していると、カソード極において劣化反応が生じてしまうものがある。このような劣化反応を抑制するために、燃料電池の発電を停止してからあらたに酸化剤ガスをカソード極へ供給するまでの間、アノード極に対しカソード極が正となる極性の直流電圧を燃料電池に印加する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。 In some fuel cell systems, if oxygen is present at the cathode electrode of the fuel cell after the power generation of the fuel cell is stopped, a deterioration reaction occurs at the cathode electrode. In order to suppress such a deterioration reaction, a DC voltage having a polarity in which the cathode electrode is positive with respect to the anode electrode is applied between the time when the fuel cell power generation is stopped and the time when the oxidant gas is newly supplied to the cathode electrode. A technique for applying to a fuel cell has been proposed (for example, Patent Document 1).
上述のような燃料電池システムにおいては、カソード極での劣化反応は抑制されるものの、あらたにカソード極に酸化剤ガスの供給を開始するまで燃料電池に直流電圧を印加し続けるため、燃料電池の停止中に使用される電力量が増加してしまうという問題がある。 In the fuel cell system as described above, although the deterioration reaction at the cathode electrode is suppressed, the DC voltage is continuously applied to the fuel cell until the supply of the oxidant gas to the cathode electrode is newly started. There is a problem that the amount of power used during stoppage increases.
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の停止中におけるエネルギー損失の増加を抑制する燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made focusing on such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method thereof that suppress an increase in energy loss while the fuel cell is stopped.
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するアクチュエータと、前記アノード極から酸化剤を含むガスを排出する排気弁と、前記燃料電池のアノード極に燃料を供給する供給弁とを含む。そして燃料電池システムは、前記カソード極に対して電圧又は電流を印加するための印加回路と、前記燃料電池への燃料及び酸化剤の供給量を制御して前記燃料電池の発電を行う発電制御部と、前記燃料電池の発電を停止する場合には、前記アクチュエータを停止して前記カソード極の酸化剤を消費するように前記供給弁を制御する停止制御部とを含む。前記停止制御部は、前記供給弁及び前記排気弁を閉じるときには、前記印加回路により前記アノード極から前記カソード極への燃料の排出を抑えるための所定の電圧を印加するか否かを選択する回路制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。 According to an aspect of the present invention, the fuel cell system comprises an actuator that supplies an oxidant to the cathode electrode of the fuel cell, an exhaust valve that discharges a gas containing an oxidant from the anode electrode, and an anode electrode of the fuel cell. Includes a supply valve that supplies fuel to the. The fuel cell system is an application circuit for applying a voltage or a current to the cathode electrode, and a power generation control unit that controls the supply amount of fuel and an oxidant to the fuel cell to generate power of the fuel cell. And, when the power generation of the fuel cell is stopped, the stop control unit which stops the actuator and controls the supply valve so as to consume the oxidant of the cathode electrode is included. When closing the supply valve and the exhaust valve, the stop control unit selects whether or not to apply a predetermined voltage for suppressing fuel discharge from the anode pole to the cathode pole by the application circuit. A fuel cell system characterized by having a control unit.
この態様によれば、燃料電池の発電を停止する場合には、印加回路を用いて選択的に、カソード極への燃料の排出を抑制するための所定の電圧が燃料電池に印加される。これにより、カソード極への燃料透過に伴って失われる燃料電池の発電電力量よりも印加回路の消費電力量が上回るときに印加回路から燃料電池への電圧印加を停止することが可能になる。したがって、燃料電池の停止中に生じるエネルギー損失の増加を抑制することができる。 According to this aspect, when the power generation of the fuel cell is stopped, a predetermined voltage for suppressing the discharge of fuel to the cathode electrode is selectively applied to the fuel cell by using the application circuit. This makes it possible to stop the voltage application from the application circuit to the fuel cell when the power consumption of the application circuit exceeds the power generation amount of the fuel cell that is lost due to the permeation of fuel to the cathode electrode. Therefore, it is possible to suppress an increase in energy loss that occurs while the fuel cell is stopped.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す図である。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the
燃料電池システム１００は、燃料電池に対して外部から発電に必要となる燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を電気負荷に応じて発電させる電源システムを構成する。
The
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、酸化剤ガス給排装置２と、燃料ガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、負荷装置５と、電圧印加回路６と、コントローラ２００とを含む。
The
燃料電池スタック１は、負荷装置５に接続されて負荷装置５に電力を供給する積層電池である。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流の電圧を生じる。
The
燃料電池は、ひとつの電池セルであり、アノード極（燃料極）と、カソード極（酸化剤極）と、アノード極とカソード極で挟まれる電解質膜と、により構成される。燃料電池では、アノード極に水素を含有する燃料ガス（アノードガス）と、カソード極に酸素を含有する酸化剤ガス（カソードガス）とが、電解質膜において電気化学反応（発電反応）を起こす。アノード極及びカソード極では、以下の電気化学反応が進行する。 A fuel cell is one battery cell, and is composed of an anode electrode (fuel electrode), a cathode electrode (oxidizing agent electrode), and an electrolyte membrane sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode. In a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen at the anode electrode (anode gas) and an oxidizing agent gas containing oxygen at the cathode electrode (cathode gas) cause an electrochemical reaction (power generation reaction) in the electrolyte membrane. The following electrochemical reactions proceed at the anode electrode and the cathode electrode.
アノード極 ： ２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ・・・（１）
カソード極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋ Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ ・・・（２）
Anode pole: 2H 2 → 4H + + 4e- ・ ・ ・ (1)
Cathode pole: 4H + + 4e- + O 2 → 2H 2 O ・ ・ ・ (2)
上記（１）及び（２）に示した電気化学反応により起電力が発生するとともに水が生成される。燃料電池スタック１に形成された燃料電池の各々は直列に接続されており、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が燃料電池スタック１の出力電圧となる。
Electromotive force is generated and water is generated by the electrochemical reaction shown in (1) and (2) above. Each of the fuel cells formed in the
燃料電池スタック１は、燃料ガス給排装置３から燃料ガスが供給されるとともに酸化剤ガス給排装置２から酸化剤ガスが供給される。
In the
酸化剤ガス給排装置２は、燃料電池スタック１のカソード極に酸化剤ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１のカソード極から排出される酸化剤オフガスを大気に排出する装置である。すなわち、酸化剤ガス給排装置２は、燃料電池スタック１のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段を構成する。
The oxidant gas supply /
酸化剤ガス給排装置２は、酸化剤ガス供給通路２１と、吸入流量センサ２２と、コンプレッサ２３と、カソード圧力センサ２４と、酸化剤ガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６と、バイパス通路２７と、バイパス弁２８とを含む。
The oxidant gas supply /
酸化剤ガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給するための通路である。酸化剤ガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口孔に接続される。
The oxidant
吸入流量センサ２２は、コンプレッサ２３よりも上流の酸化剤ガス供給通路２１に設けられ、コンプレッサ２３により吸入される酸化剤ガスの流量を検出する。吸入流量センサ２２は、検出した流量を示す信号をコントローラ２００に出力する。
The suction
コンプレッサ２３は、燃料電池スタックのカソード極に酸化剤を供給するアクチュエータを構成する。コンプレッサ２３は、酸化剤ガス供給通路２１に設けられる。本実施形態のコンプレッサ２３は、酸化剤ガス供給通路２１の開口から酸素を含有する空気を取り込み、その空気を酸化剤ガスとして燃料電池スタック１に供給する。
The
カソード圧力センサ２４は、コンプレッサ２３よりも下流の酸化剤ガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２４は、燃料電池スタック１のカソード極に供給される酸化剤ガスの圧力の大きさを検出する。カソード圧力センサ２４は、検出した圧力を示す信号をカソード極の圧力値としてコントローラ２００に出力する。
The
酸化剤ガス排出通路２５は、燃料電池スタック１のカソード極から排出される酸化剤オフガスを外気へ排出するための通路である。酸化剤ガス排出通路２５の一端は、燃料電池スタック１の酸化剤ガス出口孔に接続され、他端は開口している。
The oxidant
カソード調圧弁２６は、燃料電池スタック１のカソード極から酸化剤オフガスを排出する排気弁を構成する。カソード調圧弁２６は、酸化剤ガス排出通路２５に設けられる。カソード調圧弁２６としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁２６は、コントローラ２００によって開閉制御される。この開閉制御によって燃料電池スタック１のカソード極に供給される酸化剤ガスの圧力が所望の圧力に調節される。
The cathode
バイパス通路２７は、コンプレッサ２３により吐出される酸化剤ガスの一部を外気へ排出するために、燃料電池スタック１を迂回するように配設された通路である。バイパス通路２７は、コンプレッサ２３よりも下流の酸化剤ガス供給通路２１から分岐してカソード調圧弁２６よりも上流の酸化剤ガス排出通路２５に接続される。
The
バイパス弁２８は、バイパス通路２７に設けられる。バイパス弁２８は、コンプレッサ２３により吐出される酸化剤ガスの一部を、燃料電池スタック１に供給することなく外気へ排出する。バイパス弁２８としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。バイパス弁２８は、コントローラ２００によって開閉制御される。この開閉制御によって燃料電池スタック１に酸化剤ガスが過剰に供給されるのを回避することが可能になる。
The
燃料ガス給排装置３は、燃料電池スタック１のアノード極に燃料ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１から排出される燃料オフガスを燃料電池スタック１のアノード極に循環させる装置である。すなわち、燃料ガス給排装置３は、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料供給手段を構成する。
The fuel gas supply /
燃料ガス給排装置３は、高圧タンク３１と、燃料ガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、合流部３４と、アノード圧力センサ３５と、燃料ガス循環通路３６と、アノード循環ポンプ３７と、パージ通路３８と、パージ弁３９とを含む。
The fuel gas supply /
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスを高圧状態に保って貯蔵する。
The high-
燃料ガス供給通路３２は、高圧タンク３１に貯蔵された燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード極に供給するための通路である。燃料ガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端は燃料電池スタック１の燃料ガス入口孔に接続される。
The fuel
アノード調圧弁３３は、燃料電池スタック１のアノード極に燃料を供給する供給弁を構成する。アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１と合流部３４との間の燃料ガス供給通路３２に設けられる。本実施形態では、アノード調圧弁３３として弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ２００によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１のアノード極に供給される燃料ガスの圧力が調節される。
The anode
合流部３４は、アノード調圧弁３３よりも下流の燃料ガス供給通路３２に設けられる。合流部３４は、アノード調圧弁３３からの燃料ガスと燃料ガス循環通路３６からの燃料オフガスとの混合ガスを燃料電池スタック１に供給する。合流部３４には、例えばエゼクタが設けられる。エゼクタは、アノード調圧弁３３から供給される燃料ガスの流速を加速して負圧を生じさせることにより、燃料電池スタック１から排出された燃料オフガスを吸引する。
The merging
アノード圧力センサ３５は、合流部３４よりも下流の燃料ガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３５は、燃料電池スタック１におけるアノード極に供給される燃料ガスの圧力の大きさを検出する。アノード圧力センサ３５は、検出した圧力を示す信号をアノード極の圧力値としてコントローラ２００に出力する。
The
燃料ガス循環通路３６は、燃料電池スタック１から排出された燃料オフガスを燃料ガス供給通路３２に循環させるための通路である。燃料ガス循環通路３６の一端は燃料電池スタック１の燃料ガス出口孔に接続され、他端は合流部３４の吸引口に接続される。
The fuel
アノード循環ポンプ３７は、燃料ガス循環通路３６に設けられる。アノード循環ポンプ３７は、合流部３４を介して燃料電池スタック１のアノード極に燃料オフガスを循環させる。
The
パージ通路３８は、燃料電池スタック１から排出される燃料オフガス中の水蒸気や窒素などの不純物を排出するための通路である。パージ通路３８の一端は、燃料電池スタック１の燃料ガス出口孔とアノード循環ポンプ３７との間の燃料ガス循環通路３６に接続され、他端はカソード調圧弁２６よりも下流の酸化剤ガス排出通路２５に接続される。
The
パージ弁３９は、パージ通路３８に設けられている。パージ弁３９は、燃料オフガス中の不純物を酸化剤ガス排出通路２５に排出する。水素を含む燃料オフガスが酸化剤ガス排出通路２５に排出されることにより、水素が空気によって希釈されるので、燃料電池システム１００から排出される排ガス中の水素濃度を規定値以下に維持することが可能になる。
The
なお、気液分離装置をパージ弁３９の上流に設けるようにしてもよい。これにより、燃料オフガスから水蒸気をより確実に取り除くことができる。
The gas-liquid separation device may be provided upstream of the
スタック冷却装置４は、冷媒を用いて燃料電池スタック１の温度を燃料電池の発電に適した所定の温度に調整する装置である。
The
スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、バイパス通路４４と、三方弁４５と、スタック入口水温センサ４６と、スタック出口水温センサ４７とを含む。
The
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１に冷却水を循環させるための通路である。冷却水循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。
The cooling
冷却水ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４２は、ラジエータ４３を介して燃料電池スタック１に冷却水を供給する。冷却水ポンプ４２の回転速度は、コントローラ２００によって制御される。
The cooling
ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも下流の冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４３は、燃料電池スタック１を通過することで温められた冷却水を冷却する。
The
バイパス通路４４は、ラジエータ４３を迂回して冷却水を燃料電池スタック１に直接循環させるための通路である。バイパス通路４４の一端は冷却水ポンプ４２とラジエータ４３との間の冷却水循環通路４１に接続され、他端は三方弁４５に接続される。
The bypass passage 44 is a passage for bypassing the
三方弁４５は、ラジエータ４３と燃料電池スタック１の冷却水入口孔との間の冷却水循環通路４１であってバイパス通路４４が合流する部分に設けられる。
The three-
三方弁４５としては、例えばサーモスタットにより構成される。サーモスタットにおいては、燃料電池スタック１の温度が低くなり過ぎると、冷却水の温度が所定の開弁温度以下になるので、ラジエータ４３から燃料電池スタック１への通路が閉じた状態となる。これにより、バイパス通路４４を経由してきた相対的に温かい冷却水のみが燃料電池スタック１に供給されるので、ラジエータ４３を経由してくる冷却水よりも高温の冷却水が燃料電池スタック１に供給されることになる。
The three-
一方、燃料電池スタック１の温度が高くなり過ぎると、冷却水の温度が上述の開弁温度よりも高くなるので、ラジエータ４３から燃料電池スタック１への冷却水通路が徐々に開き始める。これにより、バイパス通路４４を経由してきた冷却水と、ラジエータ４３を経由してきた冷却水とが混合されるので、バイパス通路４４を経由してくる冷却水よりも低温の冷却水が燃料電池スタック１に供給されることになる。
On the other hand, if the temperature of the
スタック入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。スタック入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。スタック入口水温センサ４６は、検出した温度を示す信号をコントローラ２００に出力する。
The stack inlet
スタック出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。スタック出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。スタック出口水温センサ４７は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ２００に出力する。
The stack outlet
負荷装置５は、燃料電池スタック１の発電電力により駆動する装置である。負荷装置５としては、例えば、車両を駆動する電動モータや、燃料電池スタック１の発電を補助する補機、電動モータを制御する制御ユニットなどにより構成される。燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２３や、バイパス通路４４に設けられるヒータ（不図示）などが挙げられる。
The
あるいは、負荷装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータの一方に電動モータ用インバータが接続され、他方にバッテリが接続される構成であってもよい。この場合、負荷装置５の制御ユニットは、バッテリの残容量を考慮して燃料電池スタック１に要求する要求電力を設定し、その要求電力をコントローラ２００に出力する。例えば、負荷装置５の制御ユニットは、アクセルペダルの踏込み量を検出し、検出した踏込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求電力を大きくする。
Alternatively, the
負荷装置５と燃料電池スタック１との間には、電流センサ５１及び電圧センサ５２が設けられている。
A
電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐに接続され、燃料電池スタック１から取り出される電流の大きさを検出する。電流センサ５１は、燃料電池スタック１を構成する各電池セルの電流を検出するものであってもよい。電流センサ５１は、検出した電流の大きさを示す信号をコントローラ２００に出力する。
The
電圧センサ５２については、一端が燃料電池スタック１の正極端子１ｐに接続され他端が負極端子１ｎに接続される。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間の電圧を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１を構成する各電池セルの電圧を検出するものであってもよい。電圧センサ５２は、検出した電圧の大きさを示す信号をコントローラ２００に出力する。
Regarding the
電圧印加回路６は、燃料電池のアノード極からカソード極への燃料の排出を抑制するたに、燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧を印加する回路である。本実施形態では、電圧印加回路６は、燃料電池のアノード極に印加される電位よりも高い電位がカソード極に印加されるように燃料電池スタック１の負極端子１ｎに電圧又は電流を印加する。
The
電圧印加回路６と燃料電池スタック１との間には、電流センサ６１及び電圧センサ６２が設けられている。
A
電流センサ６１は、電圧印加回路６から燃料電池スタック１に供給される電流を検出する検出手段を構成する。電流センサ６１は、電圧印加回路６から燃料電池スタック１の負極端子１ｎに供給される電流の大きさを検出してコントローラ２００に出力する。電圧センサ５２は、電圧印加回路６によって燃料電池スタック１に印加される電圧の大きさを検出してコントローラ２００に出力する。
The
コントローラ２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。
The
コントローラ２００は、吸入流量センサ２２、カソード圧力センサ２４、アノード圧力センサ３５、スタック入口水温センサ４６、スタック出口水温センサ４７、電流センサ６１、及び電圧センサ６２の出力信号を取得する。さらにコントローラ２００は、負荷装置５から燃料電池スタック１に対して要求される要求電力を取得する。コントローラ２００は、これらのパラメータを用いて、酸化剤ガス給排装置２、燃料ガス給排装置３、スタック冷却装置４、及び電圧印加回路６の動作を制御する。
The
例えば、コントローラ２００は、負荷装置５の要求電力に基づいて燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスの目標流量及び目標圧力を演算し、演算した目標流量及び目標圧力を用いてコンプレッサ２３のトルク、及びカソード調圧弁２６の開度を制御する。さらにコントローラ２００は、上記の負荷装置５の要求電力に基づいて燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの目標圧力を演算し、演算した目標圧力を用いて、アノード調圧弁３３の開度、アノード循環ポンプ３７のトルク、及びパージ弁３９の開度を制御する。
For example, the
また、コントローラ２００は、燃料電池システム１００の排ガス中の水素濃度が規定値以下となるようコンプレッサ２３のトルクを制御し、コンプレッサ２３の吐出流量が発電に必要となる酸化剤ガスの目標流量を上回る場合には、バイパス弁２８を開ける。また、コントローラ２００は、コンプレッサ２３のサージを回避するためにコンプレッサ２３のトルクを、燃料電池スタック１の発電に必要となるトルクよりも大きくする場合につても、バイパス弁２８の開度を調整する。
Further, the
さらに、コントローラ２００は、スタック入口水温センサ４６の検出値とスタック出口水温センサ４７の検出値との平均値を燃料電池スタック１の温度として算出し、算出した燃料電池スタック１の温度に基づいて冷却水ポンプ４２のトルクを制御する。例えば、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、冷却水ポンプ４２のトルクを高くする。これにより、燃料電池スタック１の温度上昇が抑制される。
Further, the
コントローラ２００は、燃料電池システム１００の燃費を向上させるために、車両のＥＶキーがＯＮ状態であっても、負荷装置５の作動状態に応じて燃料電池スタック１の発電を停止する。例えば、信号待ちで車両が停止した状態や、車両の走行中に電動モータへの電力供給がバッテリの出力で賄える状態などの一定の状態において、コントローラ２００は燃料電池スタック１の発電を停止する。
In order to improve the fuel efficiency of the
このように、燃料電池システム１００が作動中においてコントローラ２００が負荷装置５の作動状態に応じて燃料電池スタック１の発電を一旦停止することをアイドルストップ停止処理（ＩＳ停止処理）という。そして燃料電池スタック１の発電が停止した状態のことをアイドルストップ状態（ＩＳ状態）という。
In this way, when the
燃料電池スタック１のアイドルストップ状態では、コントローラ２００は、少なくとも酸化剤ガス給排装置２及び燃料ガス給排装置３の作動を停止する。その結果、燃料電池スタック１においてはアノード極から電解質膜を介してカソード極へと発電用の燃料が透過してしまい、燃料電池システム１００の燃費が低下する。
In the idle stop state of the
この対策として電圧印加回路６を用いて燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧を印加することにより、カソード極へ透過してくる燃料ガスをアノード極へ戻すことが可能になる。これにより、カソード極への燃料の排出は抑制されるものの、電圧印加回路６から燃料電池スタック１に電圧を印加し続けることに伴って電圧印加回路６で消費される電力量が増加する。その結果、ＩＳ中における電圧印加回路６の消費電力量が増加してしまい、反って燃料電池システム１００の燃費が低下することになる。
As a countermeasure, by applying a reverse bias voltage to the
そこで本実施形態のコントローラ２００は、燃料電池スタック１の停止中に燃料電池システム１００の燃費の低下を回避するため、燃料電池スタック１の停止状態に応じて、電圧印加回路６から燃料電池スタック１に対して電圧を印加するか否かを選択する。
Therefore, the
次に本実施形態におけるコントローラ２００の構成について詳細に説明する。
Next, the configuration of the
図２は、本実施形態におけるコントローラ２００の機能構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the
コントローラ２００は、発電制御部２１０と、制御切替部２１１と、停止制御部２２０と、を備える。
The
発電制御部２１０は、負荷装置５の作動状態に応じて、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスの状態を操作して燃料電池スタック１の発電量を制御する。
The power
例えば、発電制御部２１０は、負荷装置５から要求電力を取得し、取得した要求電力に基づいて、酸化剤ガスの目標流量及び目標圧力を算出するとともに燃料ガスの目標圧力を算出する。発電制御部２１０は、その酸化剤ガスの目標流量及び目標圧力に基づいて酸化剤ガス給排装置２の作動を制御するとともに燃料ガスの目標圧力に基づいて燃料ガス給排装置３の作動を制御する。
For example, the power
また、発電制御部２１０は、負荷装置５の作動状態を示す装置状態情報をＩＳ判定部２２１に出力する。装置状態情報には、例えば、燃料電池スタック１に対する要求電力や、アクセルペダルの踏込み量、ブレーキペダルの踏込み量などが示されている。
Further, the power
停止制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電を停止する場合に、酸化剤ガス給排装置２の動作を停止して燃料電池スタック１におけるカソード極に滞留する酸化剤を消費するように負荷装置５及びアノード調圧弁３３を制御する。
When the power generation of the
例えば、停止制御部２２０は、燃料電池スタック１がＩＳ状態に遷移する場合には、コンプレッサ２３の駆動を停止して、負荷装置５を用いて燃料電池スタック１から電流を取り出すとともにアノード調圧弁３３の開度を制御してカソード極に滞留する酸化剤ガスを発電反応により消費する。
For example, when the
停止制御部２２０は、ＩＳ判定部２２１と、酸化剤消費処理部２２２と、回路制御部３００とを備える。
The
ＩＳ判定部２２１は、燃料電池スタック１がＩＳ状態に遷移可能か否かを判定する。例えば、ＩＳ判定部２２１は、発電制御部２１０から装置状態情報としてブレーキペダルの踏込み量や負荷装置５の要求電力を取得し、ブレーキペダルの踏込み量がゼロよりも大きく、かつ、負荷装置５の要求電力がゼロになった場合には、燃料電池スタック１がＩＳ状態に遷移可能であると判定する。
The
あるいは、ＩＳ判定部２２１は、負荷装置５におけるバッテリの残容量とアクセルペダルの踏込み量とに基づいて、バッテリの電力を用いて負荷装置５の要求電力を賄えると判断した場合には、燃料電池スタック１がＩＳ状態に遷移可能であると判定する。
Alternatively, when the
ＩＳ判定部２２１は、燃料電池スタック１がＩＳ状態に遷移可能であると判定した場合には、燃料電池スタック１の停止を指示する停止信号を酸化剤消費処理部２２２に出力する。
When the
酸化剤消費処理部２２２は、燃料電池スタック１のカソード極に滞留する酸化剤を消費する処理を実行する。
The oxidant
本実施形態では、酸化剤消費処理部２２２は、ＩＳ判定部２２１から停止信号を受信した場合には、コンプレッサ２３の動作を停止する。そして酸化剤消費処理部２２２は、例えば負荷装置５に備えられたバッテリに対して、燃料電池スタック１から電流を供給する。これにより、燃料電池スタック１における酸化剤ガスと燃料ガスが発電反応を起こすので、燃料電池スタック１のカソード極に滞留する酸化剤ガスを消費することができる。
In the present embodiment, the oxidant
このとき、酸化剤消費処理部２２２は、燃料電池スタック１の発電反応に伴ってアノード極の燃料ガスが不足する場合には、アノード調圧弁３３を開いて燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する。一方、燃料電池スタック１のアノード極に燃料ガスが多量に残留している場合には、酸化剤消費処理部２２２はアノード調圧弁３３を閉じてもよい。
At this time, when the fuel gas at the anode electrode is insufficient due to the power generation reaction of the
酸化剤消費処理部２２２は、燃料電池スタック１の停止状態に応じて、燃料電池スタック１におけるカソード極の酸化剤ガスが消費されたか否かを判断する。例えば、酸化剤消費処理部２２２は、コンプレッサ２３を停止してから所定の時間を経過した場合には、カソード極の酸化剤ガスが消費されたと判断する。あるいは、酸化剤消費処理部２２２は、カソード極における酸素濃度を推定し、酸素濃度の推定値が、カソード極で劣化反応が生じる酸素濃度閾値を下回った場合に、カソード極の酸化剤ガスが消費されたと判断してもよい。
The oxidant
酸化剤消費処理部２２２は、燃料電池スタック１におけるカソード極の酸化剤ガスが消費されたと判断した場合には、カソード調圧弁２６及びアノード調圧弁３３を閉じるとともにパージ弁３９を閉じる。すなわち、酸化剤消費処理部２２２は、燃料電池スタック１のアノード極及びカソード極の両者を密閉状態にする。これにより、燃料電池スタック１はＩＳ状態に遷移する。酸化剤消費処理部２２２は、燃料電池スタック１の発電が停止すると、カソード極の酸化剤ガスを消費する処理が完了した旨を示す完了信号を回路制御部３００に出力する。
When the oxidant
回路制御部３００は、酸化剤消費処理部２２２から完了信号を受信した場合に、電圧印加回路６を用いて燃料電池スタック１への逆バイアス電圧を選択的に供給又は停止する。すなわち、回路制御部３００は、酸化剤消費処理部２２２によりアノード調圧弁３３及びパージ弁３９が閉じられたときに、電圧印加回路６を用いて燃料電池スタック１におけるアノード極からカソード極への燃料ガスの排出を抑制する処理を実行するか停止するかを選択する。
When the
回路制御部３００は、ＩＳ時間取得部３１０と、透過燃料電力換算部３２０と、回路消費電力保持部３２１と、燃料排出抑制処理部３３０とを備える。
The
ＩＳ時間取得部３１０は、燃料電池スタック１におけるカソード極の酸化剤を消費してから燃料電池スタック１の発電が再開（復帰）するまでのＩＳ時間Ｔｓを予測する。例えば、メモリ１１１には、実験データ等を通じてあらかじめ定められたＩＳ時間Ｔｓが記憶されており、ＩＳ時間取得部３１０は、酸化剤消費処理部２２２から完了信号を受信した場合には、メモリ１１１に記憶されたＩＳ時間Ｔｓを取得する。
The IS
本実施形態では、燃料電池システム１００を搭載した車両の速度と、車両の速度を考慮したＩＳ時間Ｔｓとの関係を示す時間テーブルがＩＳ時間取得部３１０にあらかじめ記録される。ＩＳ時間取得部３１０は、酸化剤消費処理部２２２から完了信号を受信した場合には、時間テーブルを参照して、車両の速度の検出値に関係付けられたＩＳ時間Ｔｓを算出する。
In the present embodiment, a time table showing the relationship between the speed of the vehicle equipped with the
あるいは、ＩＳ時間取得部３１０は、燃料電池スタック１の発電を停止してから発電を開始するまでの経過期間を計測し、計測した経過期間をメモリ３１１に記憶する。ＩＳ時間取得部３１０は、経過期間を計測するたびにメモリ３１１に記録し、メモリ１１１に記録された複数の経過期間の平均値をＩＳ期間Ｔｓとして設定するようにしてもよい。これにより、車両の使用状態が反映されたＩＳ時間Ｔｓが設定されるので、ＩＳ時間Ｔｓの予測精度を向上させることができる。
Alternatively, the IS
このように、ＩＳ時間取得部３１０は、燃料電池スタック１の発電が停止した場合に、発電の停止から復帰するまでのＩＳ時間Ｔｓを予測する。そしてＩＳ時間取得部３１０は、算出したＩＳ時間Ｔｓを燃料排出抑制処理部３３０に出力する。
In this way, the IS
透過燃料電力換算部３２０は、ＩＳ中に燃料電池スタック１のアノード極からカソード極への燃料ガスの透過量を燃料電池スタック１の発電電力量に換算して燃料電池システム１００の損失電力量として算出する。例えば、透過燃料電力換算部３２０は、あらかじめ定められた燃料ガスの透過量を用いて燃料電池システム１００の損失電力量を演算する。そして透過燃料電力換算部３２０は、換算した損失電力量が電圧印加回路６の消費電力量を上回るタイミングを予測する。
The permeated fuel
本実施形態の透過燃料電力換算部３２０は、酸化剤消費処理部２２２から完了信号を受信した場合には、燃料電池スタック１におけるアノード極に残留する水素の残留量ｍH2_eを算出する。
When the permeation fuel
例えば、透過燃料電力換算部３２０は、次式（１）及び（２）のように、コンプレッサ２３の停止時における水素の残留量ｍH2_s及び酸素の残留量ｍO2_sを算出する。
For example, the transparent fuel
式（１）においては、燃料電池スタック１におけるアノード極の容積Ｖａ、アノード極の圧力Ｐａ及びアノード極の水素濃度ＣH2と、燃料電池スタック１の温度Ｔと、所定のガス定数Ｒとが用いられる。これらのパラメータは、カソード極への燃料の透過量に関するパラメータに相当する。
In the formula (1), the volume Va of the anode electrode in the
アノード極の容積Ｖａはあらかじめ求められた値であり、アノード極の圧力Ｐａはアノード圧力センサ３５の検出値であり、燃料電池スタック１の温度Ｔはスタック入口水温センサ４６及びスタック出口水温センサ４７の検出値を用いて算出される値である。アノード極の水素濃度ＣH2は所定の演算処理により求められる値である。なお、水素濃度ＣH2については、燃料電池スタック１の内部に濃度センサを設け、その濃度センサの検出値を用いてもよい。
The volume Va of the anode electrode is a value obtained in advance, the pressure Pa of the anode electrode is the detection value of the
式（２）においては、式（１）中のアノード極の容積Ｖａ、圧力Ｐａ、及び水素濃度ＣH2に代えて、燃料電池スタック１におけるカソード極の容積Ｖｃ、カソード極の圧力Ｐｃ及びカソード極の酸素濃度ＣO2が用いられる。
In the formula (2), the volume Vc of the cathode pole, the pressure Pc of the cathode pole, and the cathode pole in the
カソード極の容積Ｖｃはあらかじめ求められた値であり、カソード極の圧力Ｐｃはカソード圧力センサ２４の検出値である。カソード極の酸素濃度ＣO2は所定の演算処理により求められる値である。なお、酸素濃度ＣO2については燃料電池スタック１の内部に濃度センサを設け、その濃度センサの検出値を用いてもよい。
The volume Vc of the cathode electrode is a value obtained in advance, and the pressure Pc of the cathode electrode is a value detected by the
透過燃料電力換算部３２０は、水素の残留量ｍH2_s及び酸素の残留量ｍO2_sを算出すると、次式（３）のように、カソード極の酸素を消費した後のアノード極に残留する燃料ガスの残留量ｍH2_eを算出する。
When the permeated fuel
透過燃料電力換算部３２０は、算出した燃料ガスの残留量ｍH2_eに基づいて、次式（４）に示すように、燃料電池スタック１におけるアノード極からカソード極への燃料の透過に伴う燃料電池システム１００の損失電力量Ｗleakを算出する。この燃料電池システム１００の損失電力量Ｗpumpとは、アノード極からカソード極へ水素が透過しなければ燃料電池スタック１において発電することができた電力量のことである。
Based on the calculated residual amount of fuel gas m H2_e , the permeated fuel
式（４）においては、残留水素を損失電力に換算する換算値Ａ［ｋＪ］と、アノード極からカソード極へ水素が透過する際に生じる抵抗の大きさを示す水素透過抵抗ＲH2［ｓ／ｍ3］と、アノード極の容積Ｖａ［ｍ3］とが用いられる。これらのパラメータは、カソード極への燃料の透過量に相当する。 In the formula (4), the conversion value A [kJ] for converting the residual hydrogen into the lost power and the hydrogen permeation resistance R H2 [s /] indicating the magnitude of the resistance generated when hydrogen permeates from the anode electrode to the cathode electrode. m 3 ] and the volume of the anode electrode Va [m 3 ] are used. These parameters correspond to the amount of fuel permeated through the cathode electrode.
換算値Ａは、透過した水素によって生じる発電電力の他に燃料電池スタック１の発電効率も加味されている。
The converted value A takes into account the power generation efficiency of the
水素透過抵抗ＲH2は、アノード極からカソード極への水素の透過度、すなわち水素の透過のし易さを表わす指標のひとつであり、水素透過抵抗ＲH2が大きくなるほど、水素の透過度は小さくなる。 The hydrogen permeation resistance R H2 is one of the indexes showing the permeability of hydrogen from the anode electrode to the cathode electrode, that is, the ease of permeation of hydrogen. The larger the hydrogen permeation resistance R H2, the smaller the hydrogen permeation. Become.
水素透過抵抗ＲH2は、カソード極に透過する水素をアノード極に留める（戻す）のに必要となる供給電流に反比例する。詳細には、電圧印加回路６から電圧を印加しているときのアノード極の水素モル濃度ｃ[ｍｏｌ／ｍ3]と電圧印加回路６の供給電流I／２Ｆ[
ｍｏｌ／ｓ]との関係から、水素透過度は、供給電流I／２Ｆ÷水素モル濃度ｃ[ｍ3／
ｓ]となる。水素透過度は、水素透過抵抗ＲH2の逆数であるので、水素透過抵抗ＲH2は水素モル濃度ｃ÷供給電流Ｉ／２Ｆとなる。
The hydrogen permeation resistor R H2 is inversely proportional to the supply current required to retain (return) the hydrogen permeating through the cathode electrode to the anode electrode. Specifically, the molar concentration of hydrogen in the anode electrode when a voltage is applied from the voltage application circuit 6 c [mol / m 3 ] and the supply current I / 2F [of the voltage application circuit 6].
From the relationship with [mol / s], the hydrogen permeability is the supply current I / 2F ÷ hydrogen molar concentration c [m 3 /].
s]. Hydrogen permeability, because it is the reciprocal of the hydrogen permeation resistance R H2, hydrogen permeation resistance R H2 is hydrogen molar concentration c ÷ supply current I / 2F.
したがって、透過燃料電力換算部３２０は、電流センサ６１から検出値を取得し、取得した検出値により所定の換算値を除して水素透過抵抗ＲH2を求めてもよい。これにより、ＩＳ中の燃料電池システム１００の損失電力量Ｗpumpを精度良く求めることができる。
Therefore, the permeated fuel
式（４）に示すように、燃料電池スタック１を密閉してから時間ｔが経過するにつれて、燃料電池システム１００の損失電力量Ｗleakは水素の残留量ｍH2_eに換算値Ａを乗じた電力量（ｍH2_e×Ａ）に収束する。
As shown in the formula (4), as time t elapses after the
このように、透過燃料電力換算部３２０は、燃料電池スタック１におけるアノード極からカソード極への水素の透過に伴う燃料電池システム１００の損失電力量を演算する。
In this way, the permeated fuel
回路消費電力保持部３２１は、燃料電池スタック１のカソード極からアノード極へ水素を戻すために逆バイアスの電圧を燃料電池スタック１に印加するときの電圧印加回路６の消費電力Ｐpumpを保持する。電圧印加回路６の消費電力Ｐpumpは、次式（５）に従って求められる。
The circuit power consumption holding unit 321 holds the power consumption P pump of the
透過燃料電力換算部３２０は、次式（７）を用いて、回路消費電力保持部３２１に保持された消費電力Ｐpumpに時間ｔを乗算して、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpを算出する。
Using the following equation (7), the permeated fuel
透過燃料電力換算部３２０は、ＩＳ中の電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが燃料電池システム１００の損失電力量Ｗleakを超えるまでの印加時間を算出し、算出した印加時間を電力超過閾値Ｔｃとして燃料排出抑制処理部３３０を出力する。なお、電力超過閾値Ｔｃの算出手法については図４を参照して後述する。
The permeated fuel power conversion unit 320 calculates the application time until the power consumption W pump of the
燃料排出抑制処理部３３０は、電圧印加回路６を用いて燃料電池スタック１におけるアノード極からカソード極への燃料の排出を抑制するか否かを選択する。
The fuel emission
本実施形態では、燃料排出抑制処理部３３０は、ＩＳ時間取得部３１０からＩＳ時間の予測値Ｔｓを取得し、透過燃料電力換算部３２０から電力超過閾値Ｔｃを取得する。そして燃料排出抑制処理部３３０は、ＩＳ時間の予測値Ｔｓが電力超過閾値Ｔｃ以下である場合には、電圧印加回路６から燃料電池スタック１へ逆バイアスの電圧を印加する。
In the present embodiment, the fuel emission
一方、燃料排出抑制処理部３３０は、ＩＳ時間の予測値Ｔｓが電力超過閾値Ｔｃよりも大きい場合には、電圧印加回路６による逆バイアス電圧の印加を抑制する。すなわち、燃料排出抑制処理部３３０は、ＩＳ状態における電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが燃料の透過に伴う損失電力量Ｗleakを上回る蓋然性が高い場合には、燃料電池システム１００の燃費を考慮して電圧印加回路６による電圧印加を停止する。
On the other hand, when the predicted value Ts of the IS time is larger than the power excess threshold value Tc, the fuel emission
このように、停止制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電を一旦停止する場合には、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpと燃料透過に伴う損失電力量Ｗleakとの大小関係に応じて、電圧印加回路６から燃料電池スタック１へ電圧を選択的に印加する。
In this way, when the power generation of the
図３は、電圧印加回路６を用いて燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧を印加した場合における燃料電池スタック１の内部状態を説明する概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an internal state of the
図３に示すように、酸化剤消費処理部２２２によりカソード極１１の酸素が消費されるので、燃料電池スタック１のカソード極１１には主に窒素Ｎ2が存在する。なお、窒素Ｎ2の他には、水蒸気や微量の酸素ガスなどがカソード極１１に存在する場合もある。
As shown in FIG. 3, since oxygen in the
発電を停止した直後の燃料電池スタック１においては、アノード極１３の圧力がカソード極１１の圧力よりも高いことから、アノード極１３から電解質膜１２を介してカソード極１１に水素が透過してくる。
In the
一方、電圧印加回路６により、アノード極１３に供給する電位を基準にしてアノード極１３の供給電位よりも高い電位がカソード極１１に供給される。これにより、カソード極１１の透過水素Ｈ2は水素イオンＨ+と電子ｅ-に分離されて水素イオンＨ+がアノード極１３へと移動する。そして、アノード極１３において電圧印加回路６から供給される電子ｅ-と水素イオンＨ+とが結合して水素Ｈ2が発生する。
On the other hand, the
このように、燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧を印加することにより、電解質膜１２を介してアノード極１３からカソード極１１へと透過してきた水素をアノード極１３へ戻すことができる。よって、アノード極１３からカソード極１１への水素の排出量を抑制することができる。
By applying a reverse bias voltage to the
一方、アノード極１３からカソード極１１へ透過する水素の量よりも多くの水素をアノード極１３へ戻すことはできないことから、電圧印加回路６から燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧を印加し続けると、反って燃料電池システム１００の燃費が低下する場合がある。
On the other hand, since it is not possible to return more hydrogen to the
図４は、透過燃料電力換算部３２０による電力超過閾値Ｔｃの算出手法の一例を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a method for calculating the power excess threshold value Tc by the permeated fuel
図４には、電圧印加回路６を停止した状態におけるカソード極１１への水素透過に伴う損失電力量Ｗleakが実線により示され、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが点線により示されており、横軸は互いに共通の時間軸である。
In FIG. 4, the power loss W leak due to hydrogen permeation to the
図４に示すように、カソード極１１の酸素を消費してから時間が経過するに従って水素の透過に伴う損失電力量Ｗleakは所定の値に収束する。これは、アノード極１３の水素濃度とカソード極１１の水素濃度との水素濃度差が小さくなるからである。
As shown in FIG. 4, as time elapses after consuming oxygen in the
本実施形態においては、透過燃料電力換算部３２０が、カソード極１１への水素透過に伴う損失電力量Ｗleakと電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpとの交点を損益分岐とし、その交点に対応する経過時間を電力超過閾値Ｔｃとして設定する。そして、ＩＳ時間取得部３１０によって予測されたＩＳ時間Ｔｓが電力超過閾値Ｔｃよりも小さい場合に限り、燃料排出抑制処理部３３０が、電圧印加回路６から燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧を印加する。
In the present embodiment, the permeation fuel
これにより、電圧印加回路６の消費電力量pumpよりも大きな損失電力量Ｗleakに相当する水素の量をアノード極１３へ戻すことが可能になるので、燃料電池システム１００の燃費を向上させることができる。一方、ＩＳ時間Ｔｓが電力超過閾値Ｔｃよりも大きい場合には電圧印加回路６による電圧印加が抑制されるので、電圧印加回路６で電力が無駄に消費されることを抑制することができる。
As a result, the amount of hydrogen corresponding to the power loss W leak, which is larger than the power consumption pump of the
図５は、ＩＳ時間ごとに燃料電池スタック１がＩＳ状態に遷移した頻度を示す統計データの一例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of statistical data showing the frequency at which the
図５に示すように、ＩＳ時間が電力超過閾値Ｔｃよりも短い特定の時間において頻度が高くなるものの、ＩＳ時間が電力超過閾値Ｔｃに対して長くなるほど頻度が緩やかに低下する。したがって、燃料電池スタック１の発電を停止する場合に、電圧印加回路６から燃料電池スタック１へ逆バイアスの電圧を選択的に印加することにより、燃料電池システム１００のトータルの燃費を向上させることができる。
As shown in FIG. 5, the frequency increases at a specific time shorter than the power excess threshold Tc, but the frequency gradually decreases as the IS time becomes longer than the power excess threshold Tc. Therefore, when the power generation of the
図６は、電圧印加回路６により燃料電池スタック１へ逆バイアスの電圧を印加する手法を説明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a method of applying a reverse bias voltage to the
図６には、燃料電池スタック１を構成する８個の電池セル１乃至８についての水素透過流速Ｊleakが示されている。図６に示すように、各電池セル１乃至８は固体差等があるため、アノード極からカソード極への水素の透過流速は電池セルごとに異なる。
FIG. 6 shows the hydrogen permeation flow velocity J leak for the eight
一般に、電圧印加回路６から電池セルに供給される電流を大きくするほど、アノード極への水素の返還量を増やすことが可能になる。しかしながら、カソード極への水素の透過量よりも多くの水素を戻すことはできないため、電池セルに供給される電流を必要以上に大きくしてしまうと、水素イオンＨ+と電子ｅ-に分離する水素Ｈ2が存在しないことから、電解質膜を構成するカーボンの腐食や水の分解などの望ましくない反応が起ってしまう。
Generally, as the current supplied from the
図６に示すように、電池セル７の水素透過流速が最も小さいため、電圧印加回路６から各電池セル１乃至８に供給される電流値は、電池セル７の水素透過流速に相当する電流値以下にしなければならない。
As shown in FIG. 6, since the hydrogen permeation flow velocity of the
電池セル７の水素透過流速に相当する電流値よりも大きな電流が電圧印加回路６から各電池セル１乃至８に供給されると、電池セル７の電圧値が急峻に大きくなる。したがって、回路制御部３００は、電池セル１乃至８の電圧値の全てが急峻に大きくならないように電圧印加回路６の電流値を高くする。
When a current larger than the current value corresponding to the hydrogen permeation flow velocity of the
図７は、本実施形態におけるコントローラ２００による制御方法に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。
FIG. 7 is a flowchart showing an example of a processing procedure related to the control method by the
ステップＳ１においてコントローラ２００は、負荷装置５の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１への燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給流量及び供給圧力とを操作することにより燃料電池スタック１の発電を制御する。
In step S1, the
ステップＳ２においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電を停止するＩＳ状態に遷移可能であるか否かを判定する。例えば、ＩＳ判定部２２１は、負荷装置５の要求電力と、負荷装置５に電力を供給可能なバッテリの残容量とを用いて、燃料電池スタック１がＩＳ状態に遷移可能であるか否かを判定する。
In step S2, the
ステップＳ３においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電を停止するＩＳ停止処理を実行する。ＩＳ停止処理については図７を参照して後述する。
In step S3, the
ステップＳ４においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１をＩＳ状態から復帰させる必要があるか否かを判断する。例えば、コントローラ２００は、アクセルペダルの踏込み量がゼロよりも大きくなった場合や、負荷装置５の要求電力がバッテリの供給可能電力を上回った場合などにＩＳ状態から復帰させる必要があると判断する。
In step S4, the
そしてコントローラ２００は、ＩＳ状態から復帰させる必要がないと判断した場合には、ＩＳ状態から復帰させる必要があるとの判断がなされるまでステップＳ３の処理を継続する。
Then, when the
ステップＳ５においてコントローラ２００は、ＩＳ状態から復帰させる必要があると判断した場合には、燃料電池システム１００を停止するか否かを判断する。例えば、コントローラ２００は、車両のＥＶキーがＯＦＦに設定された場合には、燃料電池システム１００の運転を停止すると判断する。
When the
コントローラ２００は、燃料電池スタック１を停止しないと判断した場合には、電圧印加回路６による逆バイアス電圧の印加を停止してステップＳ１の処理に戻り、燃料電池スタック１の発電を再開する復帰処理を実行する。そして燃料電池システム１００を停止するとの判断がなされるまで、コントローラ２００は、ステップＳ１乃至Ｓ４の処理を繰り返し実行する。
When the
コントローラ２００は、燃料電池システム１００を停止すると判断した場合には、燃料電池スタック１の停止処理を実行して、燃料電池システム１００の制御方法の一連の処理手順を終了する。
When the
なお、ステップＳ３とステップＳ４との間に、ステップ５の処理と同じように燃料電池システム１００を停止するか否かを判断する判断処理を加えてもよい。これにより、ＩＳ停止処理から燃料電池システム１００を停止する処理に直接移行することが可能になる。
In addition, a determination process for determining whether or not to stop the
図８は、ステップＳ３で実行されるＩＳ停止処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing an example of a processing procedure related to the IS stop processing executed in step S3.
ステップＳ３１においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１への酸化剤ガスの供給を停止する。本実施形態ではコントローラ２００は、コンプレッサ２３の駆動を停止するとともにパージ弁３９を閉じる。
In step S31, the
ステップＳ３２においてコントローラ２００は、カソード極１１に残留する酸化剤ガスを消費する残留酸化剤消費処理を実行する。残留酸化剤消費処理については図９を参照して後述する。
In step S32, the
ステップＳ３３においてコントローラ２００は、残留酸化剤消費処理を実行した後、アノード調圧弁３３及びカソード調圧弁２６を閉じる。これにより、燃料電池スタック１の発電が停止して燃料電池スタック１がＩＳ状態になる。
In step S33, the
ステップＳ３４においてコントローラ２００は、上述の式（３）のように、燃料電池スタック１を密閉した状態におけるアノード極１３の水素の残留量ｍH2_eを算出する。
In step S34, the
ステップＳ３５においてコントローラ２００は、上述の式（４）のように、カソード極１１への水素の透過に伴う損失電力量Ｗleakを算出する。
In step S35, the
ステップＳ３６においてコントローラ２００は、上述の式（５）のように水素透過流速Ｊleakに基づき電圧印加回路６の消費電力Ｐpumpを算出して、式（７）のように消費電力量Ｗpumpを求める。水素透過流速Ｊleakは、電流センサ６１の検出値に基づいて算出される。電流センサ６１の検出値は、前回のＩＳ停止処理中に検出したものでもよく、あるいは、コントローラ２００は、一時的に電圧印加回路６から燃料電池スタック１に逆バイアス電圧を印加し、その間に電流センサ６１で電流値を検出してもよい。
In step S36, the controller 200 calculates the power consumption P pump of the
ステップＳ３７においてコントローラ２００は、図５に示したように、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが損失電力量Ｗleakを超えるタイミングを示す電力超過閾値Ｔｃを算出する。
In step S37, as shown in FIG. 5, the
ステップＳ３８においてコントローラ２００は、ステップＳ３３の処理後、すなわち燃料電池スタック１の発電の停止後、燃料電池スタック１の発電を再開するまでのＩＳ期間Ｔｓを予測する。本実施形態のコントローラ２００は、車速ごとに予め定められたＩＳ時間を示すＩＳ時間テーブルを参照して、車速を検出した値に関係付けられたＩＳ時間Ｔｓを取得する。
In step S38, the
ステップＳ３９においてコントローラ２００は、予測したＩＳ時間Ｔｓが電力超過閾値Ｔｃよりも短いか否かを判断する。
In step S39, the
ステップＳ４０においてコントローラ２００は、ＩＳ時間の予測値Ｔｓが電力超過閾値Ｔｃよりも小さい場合には、電圧印加回路６を用いて燃料電池スタック１へ逆バイアス電圧を印加する逆バイアス電圧印加処理を実行する。逆バイアス電圧印加処理については図１０を参照して後述する。
In step S40, the
ステップＳ４０の処理が終了した場合、又は、ステップＳ４０でＩＳ時間の予測値Ｔｓが電力超過閾値Ｔｃ以上である場合には、ステップＳ３のＩＳ停止処理が終了し、図７に示した制御方法の処理手順に戻ってステップＳ４の処理に進む。 When the process of step S40 is completed, or when the predicted value Ts of the IS time is equal to or greater than the power excess threshold Tc in step S40, the IS stop process of step S3 is completed, and the control method shown in FIG. The process returns to the process procedure and proceeds to the process of step S4.
図１０は、ステップＳ３２で実行される残留酸化剤消費処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart showing an example of a processing procedure related to the residual oxidant consumption treatment executed in step S32.
ステップＳ３２１においてコントローラ２００は、負荷装置５を用いて燃料電池スタック１から電流を取り出す。これにより、燃料電池スタック１の発電反応によってカソード極１１に残留する酸化剤ガスが消費される。
In step S321, the
例えば、負荷装置５と燃料電池スタック１との間にスイッチが接続されている構成では、コントローラ２００は、スイッチを遮断状態から接続状態に切り替える。あるいは、負荷装置５が燃料電池スタック１とバッテリとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを接続した構成を有する場合には、コントローラ２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータを操作して燃料電池スタック１からバッテリへ電流を供給する。コントローラ２００は、必要に応じてアノード調圧弁３３の開度を制御して燃料電池スタック１の発電に必要となる燃料ガスの量をアノード極に供給するものであってもよい。
For example, in a configuration in which a switch is connected between the
ステップＳ３２２においてコントローラ２００は、電圧センサ５２を用いて燃料電池スタック１に形成された各電池セルの電圧値を取得し、取得した各電池セルの電圧値の平均値Ｖmeanを算出する。なお、コントローラ２００は、各電池セルのうち特定の電池セルの電圧値をそれぞれ取得して平均値Ｖmeanを算出するようにしてもよい。
In step S322, the
ステップＳ３２３においてコントローラ２００は、各電池セルの電圧値の平均値Ｖmeanが閾値Ｖth1よりも小さいか否かを判断する。例えば、閾値Ｖth1は、カソード極１１の酸素を十分に消費できているか否かを判定するためにあらかじめ定められた値である。そしてコントローラ２００は、各電池セルの電圧値の平均値Ｖmeanが劣化閾値Ｖth1よりも大きい又は等しい場合には、ステップＳ３２１の処理に戻り、各電池セルの電圧の平均値Ｖmeanが劣化閾値Ｖth1よりも小さくなるまで、ステップＳ３２１及びＳ３２２の処理を繰り返し行う。
In step S323, the
ステップＳ３２４においてコントローラ２００は、各電池セルの電圧の平均値Ｖmeanが閾値Ｖth1よりも小さくなった場合には、燃料電池スタック１からの電流の取出しを停止する。例えば、コントローラ２００は、負荷装置５と燃料電池スタック１との間の接続を遮断する。
In step S324, the
ステップＳ３２４の処理が終了すると、ステップＳ３２の残留酸化剤消費処理が終了するので、図８に示したＩＳ停止処理の処理手順に戻ってステップＳ３３の処理に進む。 When the process of step S324 is completed, the residual oxidant consumption process of step S32 is completed, so the process returns to the process procedure of the IS stop process shown in FIG. 8 and proceeds to the process of step S33.
図１０は、ステップＳ４０で実行される逆バイアス電圧印加処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart showing an example of a processing procedure related to the reverse bias voltage application process executed in step S40.
ステップＳ４０１においてコントローラ２００は、図３に示したように、電圧印加回路６から燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧を印加する。
In step S401, the
ステップＳ４０２においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１の各電池セルの電圧値のうち最大値Ｖmaxを取得する。
In step S402, the
ステップＳ４０３においてコントローラ２００は、取得した最大値Ｖmaxが所定の電圧範囲内にあるか否かを判断する。
In step S403, the
電圧値が最大値Ｖmaxとなる電池セルに対して電流が過剰に供給されると、電解質膜を構成するカーボンの腐食が生じる。その結果、カーボンを腐食させるには大きなエネルギーが必要となることから、当該電池セルの電圧値Ｖmaxは急峻に上昇する。したがって、所定の電圧範囲の上限値は、カーボンの腐食が発生しないような電圧値に設定される。 When an excessive current is supplied to a battery cell having a maximum voltage value of V max , the carbon constituting the electrolyte membrane is corroded. As a result, a large amount of energy is required to corrode the carbon, so that the voltage value V max of the battery cell rises sharply. Therefore, the upper limit of the predetermined voltage range is set to a voltage value at which carbon corrosion does not occur.
一方、所定の電圧範囲の下限値は、図３に示したように、電圧値が最大値Ｖmaxとなる電池セルにおいて電解質膜１２のカソード極側の水素Ｈ2を水素イオンＨ+と電子ｅ-に分離してアノード極側で水素Ｈ2に戻すのに最低限必要となる電圧値に設定される。例えば、所定の電圧範囲の下限値は、０．２〜０．３Ｖ（ボルト）の範囲内の電圧値に設定される。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the lower limit of the predetermined voltage range is that the hydrogen H 2 on the cathode electrode side of the
ステップＳ４０４においてコントローラ２００は、各電池セルの電圧値の最大値Ｖmaxが所定の電圧範囲内にある場合には、各電池セルの電圧値の最大値Ｖmaxが所定の電圧範囲内に収まるよう電圧印加回路６から燃料電池スタック１のカソード極１１に供給される電流の大きさを調整する。
The
ステップＳ４０５においてコントローラ２００は、各電池セルの電圧値の最大値Ｖmaxが所定の電圧範囲内にある場合には、ステップＳ４の判断と同様、燃料電池スタック１がＩＳ状態から復帰するか否かを判断する。そしてコントローラ２００は、燃料電池スタック１がＩＳ状態から復帰するとの判断がなされるまでステップＳ４０２乃至Ｓ４０４の処理を繰り返し行う。すなわち、コントローラ２００は、燃料電池スタック１がＩＳ状態から復帰するまで電圧印加回路６から燃料電池スタック１への逆バイアス電圧の印加を継続する。
In step S405, when the maximum value V max of the voltage value of each battery cell is within a predetermined voltage range, the
ステップＳ４０６においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１がＩＳ状態から復帰するとの判断がなされた場合には、電圧印加回路６から燃料電池スタック１への逆バイアス電圧の印加を停止する。これにより、ステップＳ４０の逆バイアス電圧印加処理が終了するため、図８に示したＩＳ停止処理に戻る。
When it is determined in step S406 that the
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池１のカソード極１１に酸化剤を供給するアクチュエータを構成するコンプレッサ２３と、カソード極１１から酸化剤を排出する排気弁を構成するカソード調圧弁２６とを含む。さらに燃料電池システム１００は、燃料電池１のアノード極１３に燃料を供給する供給弁を構成するアノード調圧弁３３と、カソード極１１に対して電圧又は電流を印加するための電圧印加回路６とを含む。
According to the first embodiment of the present invention, the
そして燃料電池システム１００は、燃料電池１への燃料及び酸化剤の供給量を制御して燃料電池１の発電を行う発電制御部２１０と、燃料電池１の発電を停止する場合には、コンプレッサ２３を停止してカソード極１１の酸化剤を消費するようにアノード調圧弁３３を制御する停止制御部２２０とを含む。停止制御部２２０は、アノード調圧弁３３及びカソード調圧弁２６を閉じるときには、電圧印加回路６によりアノード極１３からカソード極１１への燃料の排出を抑えるための所定の電圧を印加するか否かを選択する回路制御部３００を備える。
The
このように、本実施形態によれば、回路制御部３００は、燃料電池１の発電を停止する場合には、選択的に電圧印加回路６を用いて、カソード極への燃料の排出を抑制するための所定の電圧を燃料電池１に印加する。これにより、アノード極１３からカソード極１１への燃料透過に伴って失われる燃料電池１の発電電力量よりも電圧印加回路６の消費電力量が上回る場合には電圧印加回路６から燃料電池１への電圧印加を停止することが可能になる。したがって、燃料電池１の停止中に失われるエネルギー損失の増加を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, when the
また、本実施形態によれば、回路制御部３００は、アノード極１３からカソード極１１への燃料の透過量に関するパラメータに基づいて電圧印加回路６による電圧の印加を停止する。燃料の透過量に関するパラメータとして、燃料の透過に伴って失われる燃料電池の発電電力量を示す損失電力量Ｗleakを用いることにより、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpを超えないように、電圧印加回路６による電圧の印加を停止することが可能になる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、燃料の透過量に関するパラメータは、図４に示したように、燃料の透過量に基づく損失電力量Ｗleakと電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpとに基づいて設定される閾値Ｔｃである。
Further, according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, the parameters related to the permeation amount of the fuel are based on the power loss W leak based on the permeation amount of the fuel and the power consumption W pump of the
例えば、閾値Ｔｃは、ＩＳ中の燃料電池システム１００の損失電力量Ｗleakと電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpとの交点に設定してもよい。このように閾値Ｔｃを設定することにより、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが燃料電池システム１００の損失電力量Ｗleakを上回るタイミングを特定することが可能になる。
For example, the threshold value Tc may be set at the intersection of the power loss W leak of the
したがって、燃料の透過量に基づく損失電力量Ｗleakと電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpとを用いることにより、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが損失電力量Ｗleakを上回るＩＳ時間を予測することができる。
Therefore, by using the power loss W leak based on the permeation amount of the fuel and the power consumption W pump of the
また、本実施形態によれば、回路制御部３００は、式（３）及び式（４）に示したように、燃料電池スタック１のアノード極１３に残留する燃料の残留量ｍH2_eに基づいて損失電力量Ｗleakを演算する。これにより、燃料電池１の内部状態に合わせて燃料透過に伴う損失電力量Ｗleakが補正されるので、電圧印加回路６による電圧供給の要否を的確に選択することができる。
Further, according to the present embodiment, as shown in the equations (3) and (4), the
また、本実施形態によれば、回路制御部３００は、式（１）に示したように、燃料電池１の発電を停止する直前におけるアノード極１３の圧力Ｐａ、アノード極１３の燃料濃度ＣH2及びアノード極１３の容積Ｖａのうちの少なくとも１つのパラメータに基づいて燃料の残留量ｍH2_eを算出する。これにより、燃料電池１の内部状態に応じた損失電力量Ｗleakを算出することができる。
Further, according to the present embodiment, as shown in the equation (1), the
また、本実施形態によれば、回路制御部３００は、上述の式（４）のように、燃料の残留量ｍH2_eと、アノード極１３からカソード極１１への燃料の透過度を示す透過抵抗ＲH2と、アノード極１３の容積Ｖａとを用いて損失電力量Ｗleakを演算する。これにより、燃料電池１の停止状態に応じた損失電力量Ｗleakが求められるので、電圧印加回路６による電圧印加の要否を正確に判定することが可能になる。したがって、燃料電池の停止中におけるエネルギー損失の増加をより一層的確に抑制することが可能になる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、電圧印加回路６から燃料電池１に供給される電流の大きさを検出する検出手段を構成する電流センサ６１をさらに含む。そして回路制御部３００は、電流センサ６１によって検出される電流の大きさに応じて燃料の透過度を示す透過抵抗ＲH2を設定する。これにより、燃料の透過に伴う損失電力量Ｗleakを精度良く求めることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、燃料の透過に関するパラメータとして、図４に示したように、燃料の透過量によって定められる閾値Ｔｃが用いられる。回路制御部３００は、燃料電池１のアイドルストップ期間（ＩＳ期間）Ｔｓが閾値Ｔｃを超える場合に、電圧印加回路６による電圧の印加を抑制又は禁止する。
Further, according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, a threshold value Tc determined by the amount of fuel permeation is used as a parameter related to fuel permeation. The
このため、回路制御部３００は、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが燃料透過に伴う損失電力量Ｗleakを超えると予測した場合に、電圧印加回路６による電圧の印加を事前に禁止することができる。また、回路制御部３００は、電圧印加回路６の消費電力量Ｗpumpが燃料透過に伴う損失電力量Ｗleakを超えた時点において、電圧印加回路６による電圧の印加を停止することもできる。したがって、燃料電池１の停止中に生じるエネルギー損失の増加を抑制することができる。
Therefore, when the
また、本実施形態によれば、ＩＳ期間Ｔｓは、実験やシミュレーション等を通じて予め定められた期間に設定される。これにより、燃料電池１の発電を停止した時点、すなわち燃料電池１がＩＳ状態に遷移した時点で電圧印加回路６による電圧印加の要否を判定することが可能になる。
Further, according to the present embodiment, the IS period Ts is set to a predetermined period through experiments, simulations, and the like. This makes it possible to determine whether or not voltage is applied by the
また、本実施形態によれば、回路制御部３００は、燃料電池１の発電を停止してから当該発電を開始するまでの期間を示す情報を保持するメモリ３１１を含む。回路制御部３００のＩＳ時間取得部３１０は、燃料電池１の発電を停止してから当該発電を開始するまでの期間を計測して計測した期間をメモリ３１１に記録する。そしてＩＳ時間取得部３１０は、燃料電池がＩＳ状態に遷移するときに、メモリ３１１に記録された複数の期間の平均値を、ＩＳ期間Ｔｓとして設定する。
Further, according to the present embodiment, the
これにより、燃料電池システム１００を搭載した車両の使用状況に合わせてＩＳ期間Ｔｓが設定されるので、ＩＳ期間Ｔｓを予測する精度を高めることができる。したがって、電圧印加回路６による電圧印加の要否の判定精度を向上させることができる。
As a result, the IS period Ts is set according to the usage status of the vehicle equipped with the
また、本実施形態によれば、燃料電池１は、車両を駆動するモータを含む負荷装置５に対して電力を供給する。そして回路制御部３００は、車両の速度が大きくなるときには、車両の速度が小さいときに比べてＩＳ期間Ｔｓを小さな値に設定する。これにより、車両の走行中にはＩＳ期間Ｔｓが短く設定され、車両の停止中にはＩＳ期間Ｔｓが長く設定されるので、ＩＳ期間Ｔｓの予測精度を高めることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、燃料電池１は、複数の電池セルを有する。そして回路制御部３００は、燃料電池１のうちアノード極１３からカソード極１１への燃料の透過流速Ｊleakが小さい電池セルの電圧値に基づいて電圧印加回路６の電圧値を設定する。
Further, according to the present embodiment, the
電池セルにおける燃料の透過流速Ｊleakが小さくなるほど、その電池セルに供給可能な電流値は小さくなる。電池セルに過剰な電流が供給されると電池セルの電圧値が大きくなることから、このような特性を利用して電圧印加回路６の電圧値を適切に設定することができる。
The smaller the permeation flow velocity J leak of the fuel in the battery cell, the smaller the current value that can be supplied to the battery cell. Since the voltage value of the battery cell increases when an excessive current is supplied to the battery cell, the voltage value of the
（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態における電圧印加回路６の構成を示す回路図である。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a circuit diagram showing the configuration of the
本実施形態の電圧印加回路６は、燃料電池スタック１を構成する３つのセル群１ａ乃至１ｃに対して、それぞれ、逆バイアスの電圧を印加する電源回路６ａ乃至６ｃを備えている。
The
電源回路６ａは、所定数の電池セルで構成されるセル群１ａに接続され、電源回路６ｂは、所定数の電池セルで構成されるセル群１ｂに接続され、電源回路６ｃは、所定数の電池セルで構成されるセル群１ｃに接続される。
The
コントローラ２００の回路制御部３００は、電源回路６ａ乃至６ｃの各々について、図１０で示した逆バイアス電圧印加処理を実行する。例えば、回路制御部３００は、電圧センサ６２ａを用いて電池セルの電圧値の最大値Ｖmaxを取得し、取得した最大値Ｖmaxが所定の電圧範囲内にあるか監視する。そして回路制御部３００は、最大値Ｖmaxが所定の電圧範囲内にない場合には、電源回路６ａの出力電流を変化させることにより、最大値Ｖmaxが所定の電圧範囲内に収まるように電源回路６ａの電圧値を制御する。
The
このように、燃料電池スタック１のセル群１ａ乃至１ｃごとに別々に電源回路６ａ乃至６ｃを設けることにより、セル群１ａ乃至１ｃにおける各電池セルの固体差が小さくなる蓋然性が高まる。したがって、各電池セルに供給される電流の大きさを、各電池セルの水素透過速度に相当する電流値に近づけることが可能になるので、燃料電池スタック１におけるアノード極からカソード極への燃料の排出を抑制することができる。
As described above, by separately providing the
本実施形態によれば、電圧印加回路６は、燃料電池スタック１のうちの所定数の電池セルを構成する各セル群１ａ乃至１ｃごとに接続される複数の電源回路６ａ乃至６ｃを有する。回路制御部３００は、各電源回路６ａ乃至６ｃごとに、当該電源回路に接続されるセル群のうち燃料の透過流速が最も小さい電池セルの電圧値に基づいて、当該電源回路からセル群に供給される電圧値を設定する。これにより、燃料電池スタック１の全体に電圧を印加する場合に比べて、各電池セルの燃料透過流速に相当する電流値に近づけることが可能になる。
According to the present embodiment, the
（第３実施形態）
図１２は、本発明の第３実施形態における電圧印加回路６及び燃料電池スタック１の構成を示す回路図である。
(Third Embodiment)
FIG. 12 is a circuit diagram showing the configuration of the
燃料電池スタック１は。多数の電池セルにより構成されている。ここでは、便宜的に２つの電池セル１０１及び１０２のみが示されている。
電池セル１０１には、定電圧ダイオード１０１ａ及びスイッチ回路１０１ｂが接続され、電池セル１０２には、定電圧ダイオード１０２ａ及びスイッチ回路１０２ｂが接続されている。
A
定電圧ダイオード１０１ａ及び１２ａは、両端の電圧を一定の電圧値に維持する素子である。定電圧ダイオード１０１ａ及び１２ａの各々について、両端の電圧が一定の電圧値よりも大きくなる場合には、電流を通過させることにより両端の電圧が一定に維持される。
The
スイッチ回路１０１ｂ及び１２ｎは、それぞれ定電圧ダイオード１０１ａ及び１１ｂを電池セル１０１及び１２に接続する回路である。例えば、スイッチ回路１０１ｂは、電圧印加回路６により電池セル１０１に逆バイアスの電圧を印加する場合に定電圧ダイオード１０１ａを電池セル１０１に並列接続し、電池セル１０１への電圧の印加を停止する場合に電池セル１０１から定電圧ダイオード１０１ａを切り離す。スイッチ回路１０２ｂもスイッチ回路１０１ｂと同様である。
The
図１２では、燃料電池スタック１のうち電池セル１０１の水素透過流速が最も早いことを想定している。コントローラ２００の回路制御部３００は、電圧印加回路６から電池セル１０１の水素透過流速に相当する電流値Ｉ１を供給するとともに、スイッチ回路１０１ｂ及び１２ｂを接続状態に切り替える。
In FIG. 12, it is assumed that the hydrogen permeation flow velocity of the
これにより、電池セル１０１には電流Ｉ１が流れる。一方、電池セル１０２の水素透過流速は電池セル１０１の水素透過流速よりも遅いため、電池セル１０２には過剰に電流が供給されることになり、電池セル１０２の電圧値は大きくなる。これに伴って定電圧ダイオード１０２ａには所定の電圧値よりも大きな電圧が印加されることから、電池セル１０２の電圧値が所定の電圧値に下がるまで定電圧ダイオード１０２ａ自身に電流Ｉ２が流れる。これにより、電池セル１０２には、電池セル１０２の水素透過流速に相当する電流（Ｉ１−Ｉ２）が流れることになる。
As a result, the current I1 flows through the
このように、本実施形態では、燃料電池スタック１を構成する電池セルごとに、定電圧ダイオード、及び、電池セルと定電圧ダイオードとの間を接続するスイッチ回路を接続することより、電池セルの水素透過流速に応じた電流を供給することができる。したがって、燃料電池スタック１を構成する電池セルの各々について、アノード極からカソード極への燃料の排出を抑制してアノード極に燃料を保持することができる。
As described above, in the present embodiment, the constant voltage diode and the switch circuit connecting the battery cell and the constant voltage diode are connected to each battery cell constituting the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the above embodiments are only a part of the application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configurations of the above embodiments. Absent.
例えば、回路制御部３００は、燃料電池スタック１の停止時における燃料ガスの残留量ｍH2_eが少ないほど、電圧印加回路６から印加される逆バイアスの電圧値を小さくしたり、燃料電池スタック１の停止後の経過時間（ＩＳ時間）が上述の電力超過閾値Ｔｃに近づくほど、逆バイアスの電圧値を小さくしたりするようにしてもよい。
For example, in the circuit control unit 300, the smaller the residual amount m H2_e of the fuel gas when the
すなわち、回路制御部３００は、アノード極１３からカソード極１１への燃料の透過量に関するパラメータ（例えば燃料ガスの残留量ｍH2_eやＩＳ時間など）に基づいて電圧印加回路６から継続して印加される電圧の大きさを抑制するようにしてもよい。これにより、電圧印加回路６の消費電力を低減することができ、燃料電池スタック１の停止中におけるエネルギー損失の増加を抑制することができる。
That is, the
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。 The above embodiments can be combined as appropriate.
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
６ 電圧印加回路
６ａ〜６ｃ 電源回路
２３ コンプレッサ（アクチュエータ）
２５ カソード調圧弁（排気弁）
３３ アノード調圧弁（供給弁）
６１ 電流センサ（検出手段）
１００ 燃料電池システム
２１０ 発電制御部
２００ 停止制御部
２１１ メモリ
３００ 回路制御部
1 Fuel cell stack (fuel cell)
6
25 Cathode pressure regulating valve (exhaust valve)
33 Anode pressure regulating valve (supply valve)
61 Current sensor (detection means)
100
Claims (16)
前記カソード極から酸化剤を含むガスを排出する排気弁と、
前記燃料電池のアノード極に燃料を供給する供給弁と、
前記カソード極に対して電圧又は電流を印加するための印加回路と、
前記燃料電池への燃料及び酸化剤の供給量を制御して前記燃料電池の発電を行う発電制御部と、
前記燃料電池の発電を停止する場合には、前記アクチュエータを停止して前記カソード極の酸化剤を消費するように前記供給弁を制御する停止制御部と、を含み、
前記停止制御部は、前記供給弁及び前記排気弁を閉じるときには、前記印加回路により前記アノード極から前記カソード極への燃料の排出を抑えるための所定の電圧を印加するか否かを選択する回路制御部を備え、
前記回路制御部は、前記燃料電池の発電を一旦停止させるアイドルストップ期間中に前記印加回路が前記カソード極に所定の電圧を印加することを選択するものとし、前記選択時から前記アイドルストップ期間が終了するまでの前記印加回路の消費電力量と、前記選択時から前記アイドルストップ期間が終了するまでの前記アノード極から前記カソード極への前記燃料の透過に伴う損失電力量と、を算出することで、前記消費電力量が前記損失電力量を超えるまでの印加時間を算出し、前記アイドルストップ期間が前記印加時間以下となったときに前記選択を実行することを特徴とする燃料電池システム。 An actuator that supplies an oxidizer to the cathode electrode of a fuel cell,
An exhaust valve that discharges a gas containing an oxidizing agent from the cathode electrode,
A supply valve that supplies fuel to the anode electrode of the fuel cell,
An application circuit for applying a voltage or current to the cathode electrode, and
A power generation control unit that controls the amount of fuel and oxidant supplied to the fuel cell to generate electricity from the fuel cell.
When stopping the power generation of the fuel cell, it includes a stop control unit that stops the actuator and controls the supply valve so as to consume the oxidizing agent of the cathode electrode.
When closing the supply valve and the exhaust valve, the stop control unit selects whether or not to apply a predetermined voltage for suppressing fuel discharge from the anode electrode to the cathode electrode by the application circuit. Equipped with a control unit
The circuit control unit selects to apply a predetermined voltage to the cathode electrode during the idle stop period during which the power generation of the fuel cell is temporarily stopped, and the idle stop period is set from the time of the selection. To calculate the power consumption of the applied circuit until the end and the power loss due to the permeation of the fuel from the anode pole to the cathode pole from the time of the selection to the end of the idle stop period. The fuel cell system is characterized in that the application time until the power consumption exceeds the power loss is calculated, and the selection is executed when the idle stop period becomes equal to or less than the application time.
前記回路制御部は、前記アノード極から前記カソード極への燃料の透過量に関するパラメータに基づいて、前記印加回路により印加される電圧の大きさを抑制する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1.
The circuit control unit suppresses the magnitude of the voltage applied by the application circuit based on the parameter relating to the amount of fuel permeated from the anode electrode to the cathode electrode.
Fuel cell system.
前記回路制御部は、前記アノード極から前記カソード極への燃料の透過量に関するパラメータに基づいて、前記供給弁及び前記排気弁を閉じてから前記印加回路により継続して印加される電圧を停止する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2.
The circuit control unit closes the supply valve and the exhaust valve and then stops the voltage continuously applied by the application circuit based on the parameter relating to the amount of fuel permeated from the anode electrode to the cathode electrode. ,
Fuel cell system.
前記パラメータは、前記燃料の透過量に基づく損失電力量と前記印加回路の消費電力量とを用いて定められる、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2 or 3.
The parameter is determined by using the amount of power loss based on the amount of permeation of the fuel and the amount of power consumption of the applied circuit.
Fuel cell system.
前記回路制御部は、前記アノード極に残留する燃料の残留量に基づいて前記損失電力量を演算する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4.
The circuit control unit calculates the power loss amount based on the residual amount of fuel remaining in the anode electrode.
Fuel cell system.
前記回路制御部は、前記燃料電池の発電を停止するときの前記アノード極の圧力、燃料濃度及び容積のうちの少なくともひとつを用いて前記燃料の残留量を算出する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5.
The circuit control unit calculates the residual amount of the fuel by using at least one of the pressure, the fuel concentration, and the volume of the anode electrode when the power generation of the fuel cell is stopped.
Fuel cell system.
前記回路制御部は、前記アノード極に残留する燃料の残留量と前記アノード極から前記カソード極への燃料の透過度と前記アノード極の容積とを用いて、前記損失電力量を演算する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5.
The circuit control unit calculates the amount of power loss by using the residual amount of fuel remaining in the anode pole, the permeability of fuel from the anode pole to the cathode pole, and the volume of the anode pole.
Fuel cell system.
前記印加回路から前記燃料電池に供給される電流を検出する検出手段をさらに含み、
前記回路制御部は、前記検出手段により検出される電流の大きさに応じて前記燃料の透過度を設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 7.
The detection means for detecting the current supplied from the application circuit to the fuel cell is further included.
The circuit control unit sets the permeability of the fuel according to the magnitude of the current detected by the detection means.
Fuel cell system.
前記パラメータは、前記燃料の透過量によって定められる閾値であり、
前記回路制御部は、前記燃料電池のアイドルストップ期間が前記閾値を超える場合には、前記印加回路による電圧の印加を抑制する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 8.
The parameter is a threshold value determined by the permeation amount of the fuel.
When the idle stop period of the fuel cell exceeds the threshold value, the circuit control unit suppresses the application of voltage by the application circuit.
Fuel cell system.
前記アイドルストップ期間は、予め定められた期間である、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9.
The idle stop period is a predetermined period.
Fuel cell system.
前記燃料電池の発電を停止してから当該発電を開始するまでの期間を示す情報を保持する保持部をさらに含み、
前記回路制御部は、
前記期間を計測するたびに前記保持部に記録し、
前記保持部に記録された複数の期間の平均値を、前記アイドルストップ期間として設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9.
Further including a holding unit for holding information indicating a period from when the power generation of the fuel cell is stopped to when the power generation is started.
The circuit control unit
Every time the period is measured, it is recorded in the holding unit.
The average value of the plurality of periods recorded in the holding unit is set as the idle stop period.
Fuel cell system.
前記燃料電池は、車両を駆動するモータに対して電力を供給し、
前記回路制御部は、前記車両の速度が大きくなるときには、前記車両の速度が小さいときに比べて前記アイドルストップ期間を小さな値に設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9.
The fuel cell supplies electric power to the motor that drives the vehicle.
When the speed of the vehicle increases, the circuit control unit sets the idle stop period to a smaller value than when the speed of the vehicle decreases.
Fuel cell system.
前記燃料電池は、複数の電池セルを有し、
前記回路制御部は、前記燃料電池のうち前記アノード極から前記カソード極への燃料の透過流速が小さい電池セルの電圧値に基づいて前記印加回路の電圧値を設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 12.
The fuel cell has a plurality of battery cells and has a plurality of battery cells.
The circuit control unit sets the voltage value of the applied circuit based on the voltage value of the battery cell in which the permeation flow velocity of the fuel from the anode electrode to the cathode electrode of the fuel cell is small.
Fuel cell system.
前記印加回路は、前記燃料電池のうちの所定数の電池セルを構成するセル群ごとに接続される複数の電源回路を有し、
前記回路制御部は、前記電源回路ごとに、当該電源回路に接続される前記セル群のうち前記燃料の透過流速が最も小さい電池セルの電圧値に基づいて当該セル群に供給される電圧値を設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 12.
The application circuit has a plurality of power supply circuits connected for each cell group constituting a predetermined number of battery cells in the fuel cell.
For each power supply circuit, the circuit control unit determines the voltage value supplied to the cell group based on the voltage value of the battery cell having the smallest fuel permeation flow velocity among the cell groups connected to the power supply circuit. Set,
Fuel cell system.
前記回路制御部は、前記アイドルストップ期間の予測値を予測し、前記予測値が前記印加回路の消費電力量が前記アノード極から前記カソード極への前記燃料の透過に伴う損失電力量を超えるまでの印加時間以下となったときに前記印加回路による電圧の印加を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1.
The circuit control unit predicts the predicted value of the idle-stop period, the predicted value exceeds the power loss amount due to permeation of the fuel from the power consumption the anode of the application circuit to said cathode electrode to start the application of the voltage by the applying circuit when it becomes less marked pressure time to,
Fuel cell system.
前記燃料電池への燃料及び酸化剤の供給量を制御して前記燃料電池の発電を行う発電ステップと、
前記燃料電池の発電を停止する場合には、前記アクチュエータを停止して前記カソード極の酸化剤を消費するように前記供給弁を制御する停止制御ステップと、を含み、
前記停止制御ステップは、前記供給弁及び前記排気弁を閉じるときには、前記印加回路により前記アノード極から前記カソード極への燃料の排出を抑えるための所定の電圧を印加するか否かを選択する回路制御ステップを備え、
前記回路制御ステップにおいて、前記燃料電池の発電を一旦停止させるアイドルストップ期間中に前記印加回路が前記カソード極に所定の電圧を印加することを選択するものとし、前記選択時から前記アイドルストップ期間が終了するまでの前記印加回路の消費電力量と、前記選択時から前記アイドルストップ期間が終了するまでの前記アノード極から前記カソード極への前記燃料の透過に伴う損失電力量と、を算出することで、前記消費電力量が前記損失電力量を超えるまでの印加時間を算出し、前記アイドルストップ期間が前記印加時間以下となったときに前記選択を実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 An actuator that supplies an oxidant to the cathode electrode of a fuel cell, an exhaust valve that discharges a gas containing an oxidant from the cathode electrode, a supply valve that supplies fuel to the anode electrode of the fuel cell, and the cathode electrode. A method of controlling a fuel cell system, including an application circuit for applying voltage or current.
A power generation step in which the amount of fuel and oxidant supplied to the fuel cell is controlled to generate power in the fuel cell, and
When stopping the power generation of the fuel cell, it includes a stop control step of stopping the actuator and controlling the supply valve so as to consume the oxidizing agent of the cathode electrode.
The stop control step is a circuit that selects whether or not a predetermined voltage for suppressing fuel discharge from the anode pole to the cathode pole is applied by the application circuit when the supply valve and the exhaust valve are closed. With control steps
In the circuit control step, it is assumed that the application circuit selects to apply a predetermined voltage to the cathode electrode during the idle stop period during which the power generation of the fuel cell is temporarily stopped, and the idle stop period is set from the time of the selection. To calculate the power consumption of the applied circuit until the end and the power loss due to the permeation of the fuel from the anode pole to the cathode pole from the time of the selection to the end of the idle stop period. Control of the fuel cell system , wherein the application time until the power consumption exceeds the power loss is calculated, and the selection is executed when the idle stop period becomes equal to or less than the application time. Method.
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