JP6972920B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに電力出力要求がない場合に、間欠的にカソードガスを供給するものが知られている。特許文献1に記載の燃料電池システムでは、セル電圧が予め定めた上限電圧を超えないように、かつ、セル電圧が予め定めた下限電圧を下回らないように、カソードガスを供給する。 A fuel cell system is known that intermittently supplies cathode gas when there is no power output requirement in the fuel cell stack. In the fuel cell system described in Patent Document 1, the cathode gas is supplied so that the cell voltage does not exceed a predetermined upper limit voltage and the cell voltage does not fall below a predetermined lower limit voltage.

特開2012−089523号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-089523

従来のエアコンプレッサは、イナーシャが大きく応答性が悪いために少量のカソードガスを供給することが難しく、特に、エアコンプレッサの起動時にはカソードガスの流量が不必要に大きくなってしまうという問題がある。この結果、セル電圧が過剰に上昇し、また、燃費が悪化するおそれがある。そのため、燃費が悪化することを抑制できる技術が望まれていた。 The conventional air compressor has a large inertia and poor responsiveness, so that it is difficult to supply a small amount of cathode gas, and in particular, there is a problem that the flow rate of the cathode gas becomes unnecessarily large when the air compressor is started. As a result, the cell voltage may rise excessively and fuel efficiency may deteriorate. Therefore, a technique capable of suppressing deterioration of fuel efficiency has been desired.

本発明は、上述の課題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。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be realized as 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、複数の単セルを有する燃料電池スタックと;前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するターボコンプレッサと;前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部と;前記ターボコンプレッサを制御する制御部と;を備える。前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がなく前記カソードガスの供給を停止している場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を再開させ、前記平均セル電圧が前記目標電圧を上回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止する間欠運転を実行する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、応答性の良いターボコンプレッサを用いて間欠運転を実行するので、細かい周期でカソードガスを間欠的に供給できる。そのため、燃費が悪化することを抑制できる。また、制御部は、目標電圧を上回ったか下回ったかでターボコンプレッサを制御して間欠運転を行うため、制御が簡素化できる。 According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system is provided. This fuel cell system controls a fuel cell stack having a plurality of single cells; a turbo compressor that supplies cathode gas to the fuel cell stack; a voltage detector that detects the voltage of the fuel cell stack; and the turbo compressor. It is provided with a control unit and; The control unit stops the supply of the cathode gas without a power output request to the fuel cell stack, and when the average cell voltage of the fuel cell stack falls below a predetermined target voltage, the turbo Intermittent operation in which the supply of the cathode gas to the fuel cell stack by the compressor is restarted, and the supply of the cathode gas to the fuel cell stack by the turbo compressor is stopped when the average cell voltage exceeds the target voltage. To execute. According to this form of the fuel cell system, since the control unit executes the intermittent operation by using the turbo compressor having good responsiveness, the cathode gas can be intermittently supplied in a fine cycle. Therefore, it is possible to suppress deterioration of fuel efficiency. Further, since the control unit controls the turbo compressor depending on whether the voltage exceeds or falls below the target voltage to perform intermittent operation, the control can be simplified.

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、燃料電池システムの制御方法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 including a fuel cell system, a vehicle equipped with a fuel cell system, a control method of the fuel cell system, and the like. Is.

燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the schematic structure of the fuel cell system. 間欠運転の手順の一例を表わすフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the procedure of intermittent operation. 平均セル電圧とカソードガス指示流量との関係を示した図である。It is a figure which showed the relationship between the average cell voltage and the cathode gas indicated flow rate. 第2実施形態における間欠運転の手順の一例を表わすフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the procedure of intermittent operation in 2nd Embodiment.

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、燃料電池スタック10と、制御部20と、カソードガス供給部30と、アノードガス供給部50と、冷却媒体循環部70と、を備える。また、燃料電池システム100は、DC/DCコンバータ80と、パワーコントロールユニット(以下、「PCU」という)81と、負荷82と、電圧検出部83と、を備える。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 diagram 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 stack 10, a control unit 20, a cathode gas supply unit 30, an anode gas supply unit 50, and a cooling medium circulation unit 70. Further, the fuel cell system 100 includes a DC / DC converter 80, a power control unit (hereinafter referred to as “PCU”) 81, a load 82, and a voltage detection unit 83. The fuel cell system 100 of the present embodiment is mounted on, for example, a fuel cell vehicle.

燃料電池スタック10は、反応ガスとしてアノードガス(例えば、水素ガス)とカソードガス(例えば、空気)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。燃料電池スタック10は、複数の単セル11が積層されて構成されている。各単セル11は、電解質膜(図示せず)の両面にアノード(図示せず)とカソード(図示せず)と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(図示せず)とを有する。 The fuel cell stack 10 is a polymer electrolyte fuel cell that generates electricity by being supplied with an anode gas (for example, hydrogen gas) and a cathode gas (for example, air) as reaction gases. The fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of single cells 11. Each single cell 11 sandwiches a membrane electrode assembly (not shown) in which an anode (not shown) and a cathode (not shown) are arranged on both sides of an electrolyte membrane (not shown) and a membrane electrode assembly. It has a set of separators (not shown).

制御部20は、CPUとメモリと、後述する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。制御部20は、ECU(Electronic Control Unit)21の指示に応じて、燃料電池スタック10内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。ECU21は、燃料電池システム100を含む装置全体(例えば、車両)の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてECU21が車両の制御を実行する。なお、ECU21は、制御部20の機能の一部に含まれていてもよい。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、後述する間欠運転を実現する。 The control unit 20 is configured as a computer including a CPU, a memory, and an interface circuit to which each component described later is connected. The control unit 20 outputs a signal for controlling the start and stop of each device in the fuel cell stack 10 in response to an instruction from the ECU (Electronic Control Unit) 21. The ECU 21 is a control unit that controls the entire device (for example, a vehicle) including the fuel cell system 100. For example, in a fuel cell vehicle, the ECU 21 controls the vehicle according to a plurality of input values such as the amount of depression of the accelerator pedal, the amount of depression of the brake pedal, and the vehicle speed. The ECU 21 may be included as a part of the function of the control unit 20. By executing the control program stored in the memory, the CPU controls the power generation by the fuel cell system 100 and realizes the intermittent operation described later.

カソードガス供給部30は、カソードガス配管31と、エアフローメータ32と、ターボコンプレッサ33と、第1開閉弁34と、圧力計35と、分流弁36と、カソードオフガス配管41と、第1レギュレータ42と、を備える。カソードガス配管31は、燃料電池スタック10に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック10に供給する。 The cathode gas supply unit 30 includes a cathode gas pipe 31, an air flow meter 32, a turbo compressor 33, a first on-off valve 34, a pressure gauge 35, a divergence valve 36, a cathode off gas pipe 41, and a first regulator 42. And. The cathode gas pipe 31 is connected to the fuel cell stack 10 and supplies air taken in from the outside to the fuel cell stack 10.

エアフローメータ32は、カソードガス配管31に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。ターボコンプレッサ33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、カソードガスとして燃料電池スタック10に供給する。ターボコンプレッサの特徴として、イナーシャが小さいので応答性が良く、稼動開始時の消費電力が他の種類のエアコンプレッサに比べて小さいとともに、回転数を変更させる際の動作が俊敏である点が挙げられる。 The air flow meter 32 is provided in the cathode gas pipe 31 and measures the flow rate of the taken-in air. The turbo compressor 33 compresses air taken in from the outside in response to a control signal from the control unit 20, and supplies the air as cathode gas to the fuel cell stack 10. The characteristics of the turbo compressor are that it has good responsiveness due to its small inertia, consumes less power at the start of operation than other types of air compressors, and is agile when changing the rotation speed. ..

第1開閉弁34は、ターボコンプレッサ33と燃料電池スタック10との間に設けられている。圧力計35は、燃料電池スタック10のカソードガス入口の圧力を測定し、制御部20に送信する。分流弁36は、ターボコンプレッサ33とカソードオフガス配管41との間に設けられており、燃料電池スタック10とカソードオフガス配管41への空気の流量を調節する。 The first on-off valve 34 is provided between the turbo compressor 33 and the fuel cell stack 10. The pressure gauge 35 measures the pressure at the cathode gas inlet of the fuel cell stack 10 and transmits it to the control unit 20. The shunt valve 36 is provided between the turbo compressor 33 and the cathode off gas pipe 41, and regulates the flow rate of air to the fuel cell stack 10 and the cathode off gas pipe 41.

カソードオフガス配管41は、燃料電池スタック10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。第1レギュレータ42は、制御部20からの制御信号に応じて、燃料電池スタック10のカソードガス出口の圧力を調整する。 The cathode off gas pipe 41 discharges the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 10 to the outside of the fuel cell system 100. The first regulator 42 adjusts the pressure at the cathode gas outlet of the fuel cell stack 10 in response to the control signal from the control unit 20.

アノードガス供給部50は、アノードガス配管51と、アノードガスタンク52と、第2開閉弁53と、第2レギュレータ54と、インジェクタ55と、圧力計56と、アノードオフガス配管61と、気液分離器62と、排気排水弁63と、循環配管64と、アノードガスポンプ65と、を備える。以下では、アノードガス配管51のインジェクタ55よりも下流側と、燃料電池スタック10内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管61と、気液分離器62と、循環配管64と、アノードガスポンプ65と、で構成される流路のことを、循環流路66ともいう。循環流路66は、燃料電池スタック10のアノードオフガスを燃料電池スタック10に循環させるための流路である。 The anode gas supply unit 50 includes an anode gas pipe 51, an anode gas tank 52, a second on-off valve 53, a second regulator 54, an injector 55, a pressure gauge 56, an anode off-gas pipe 61, and a gas-liquid separator. A 62, an exhaust / drain valve 63, a circulation pipe 64, and an anode gas pump 65 are provided. In the following, the anode gas pipe 51 downstream from the injector 55, the anode gas flow path in the fuel cell stack 10, the anode off-gas pipe 61, the gas-liquid separator 62, the circulation pipe 64, and the anode gas pump 65. The flow path composed of the above is also referred to as a circulation flow path 66. The circulation flow path 66 is a flow path for circulating the anode off gas of the fuel cell stack 10 to the fuel cell stack 10.

アノードガスタンク52は、アノードガス配管51を介して燃料電池スタック10のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック10に供給する。第2開閉弁53、第2レギュレータ54、インジェクタ55、および圧力計56は、アノードガス配管51に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク52に近い側から設けられている。 The anode gas tank 52 is connected to the anode gas inlet of the fuel cell stack 10 via the anode gas pipe 51, and supplies the anode gas to the fuel cell stack 10. The second on-off valve 53, the second regulator 54, the injector 55, and the pressure gauge 56 are provided in the anode gas pipe 51 in this order from the upstream side, that is, from the side closer to the anode gas tank 52.

第2開閉弁53は、制御部20からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム100の停止時には第2開閉弁53は閉じられる。第2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、燃料電池スタック10に供給されるアノードガスの流量を制御する。圧力計56は、燃料電池スタック10のアノードガス入口の圧力を測定し、制御部20に送信する。 The second on-off valve 53 opens and closes in response to a control signal from the control unit 20. When the fuel cell system 100 is stopped, the second on-off valve 53 is closed. The second regulator 54 adjusts the pressure of hydrogen 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 flow rate of the anode gas supplied to the fuel cell stack 10 by controlling the drive cycle and the valve opening time of the injector 55. The pressure gauge 56 measures the pressure at the anode gas inlet of the fuel cell stack 10 and transmits it to the control unit 20.

アノードオフガス配管61は、燃料電池スタック10のアノードガス出口と気液分離器62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水素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62へと誘導する。 The anode off-gas pipe 61 is a pipe that connects the anode gas outlet of the fuel cell stack 10 and the gas-liquid separator 62. The anode off-gas pipe 61 guides the anode-off gas containing hydrogen gas, nitrogen gas, etc., which has not been used in the power generation reaction, to the gas-liquid separator 62.

気液分離器62は、循環流路66のアノードオフガス配管61と循環配管64との間に接続されている。気液分離器62は、循環流路66内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。 The gas-liquid separator 62 is connected between the anode off-gas pipe 61 of the circulation flow path 66 and the circulation pipe 64. The gas-liquid separator 62 separates water as an impurity from the anode off-gas in the circulation flow path 66 and stores it.

排気排水弁63は、気液分離器62の下部に設けられている。排気排水弁63は、気液分離器62に貯水された水の排水と、気液分離器62内の不要なガス(主に窒素ガス)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63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63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63によって排出された水および不要なガスは、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 63 is provided in the lower part of the gas-liquid separator 62. The exhaust drain valve 63 drains the water stored in the gas-liquid separator 62 and exhausts unnecessary gas (mainly nitrogen gas) in the gas-liquid separator 62. During the operation of the fuel cell system 100, the exhaust / drain valve 63 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 63 is connected to the cathode off gas pipe 41, and the water discharged by the exhaust drain valve 63 and unnecessary gas are discharged to the outside through the cathode off gas pipe 41.

循環配管64は、アノードガス配管51のうちのインジェクタ55より下流の部分に接続されている。循環配管64には、制御部20からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ65が設けられている。気液分離器62によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ65によって、アノードガス配管51へと送り出される。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、再び燃料電池スタック10に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。 The circulation pipe 64 is connected to a portion of the anode gas pipe 51 downstream of the injector 55. The circulation pipe 64 is provided with an anode gas pump 65 driven in response to a control signal from the control unit 20. The anode off gas from which water has been separated by the gas-liquid separator 62 is sent out to the anode gas pipe 51 by the anode gas pump 65. In the fuel cell system 100, the anode off gas containing hydrogen is circulated and supplied to the fuel cell stack 10 again to improve the utilization efficiency of the anode gas.

冷却媒体循環部70は、燃料電池スタック10を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック10の温度を調整する。冷却媒体循環部70は、冷媒供給管71と、冷媒排出管72と、ラジエータ73と、冷媒ポンプ74と、三方弁75と、バイパス管76と、温度計77と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。 The cooling medium circulation unit 70 adjusts the temperature of the fuel cell stack 10 by circulating the cooling medium through the fuel cell stack 10. The cooling medium circulation unit 70 includes a refrigerant supply pipe 71, a refrigerant discharge pipe 72, a radiator 73, a refrigerant pump 74, a three-way valve 75, a bypass pipe 76, and a thermometer 77. As the refrigerant, for example, water, antifreeze water such as ethylene glycol, air and the like are used.

冷媒供給管71は、燃料電池スタック10内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管72は、燃料電池スタック10の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ73は、冷媒排出管72と冷媒供給管71とに接続されており、冷媒排出管72から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管71へと排出する。冷媒ポンプ74は、冷媒供給管71に設けられており、冷媒を燃料電池スタック10に圧送する。三方弁75は、ラジエータ73とバイパス管76への冷媒の流量を調節する。温度計77は、冷媒排出管72に接続されており、燃料電池スタック10から排出される冷却水の温度を測定する。温度計77で測定される温度は、燃料電池スタック10の温度とほぼ等しい。 The refrigerant supply pipe 71 is connected to the cooling medium inlet in the fuel cell stack 10, and the refrigerant discharge pipe 72 is connected to the cooling medium outlet of the fuel cell stack 10. The radiator 73 is connected to the refrigerant discharge pipe 72 and the refrigerant supply pipe 71, and cools the cooling medium flowing in from the refrigerant discharge pipe 72 by blowing air from an electric fan or the like, and then discharges the cooling medium to the refrigerant supply pipe 71. The refrigerant pump 74 is provided in the refrigerant supply pipe 71, and pumps the refrigerant to the fuel cell stack 10. The three-way valve 75 regulates the flow rate of the refrigerant to the radiator 73 and the bypass pipe 76. The thermometer 77 is connected to the refrigerant discharge pipe 72 and measures the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 10. The temperature measured by the thermometer 77 is substantially equal to the temperature of the fuel cell stack 10.

DC/DCコンバータ80は、燃料電池スタック10の出力電圧を昇圧してPCU81に供給する。PCU81は、インバータを内蔵し、制御部20の制御に応じてインバータを介して負荷82に電力を供給する。また、PCU81は、制御部20の制御により燃料電池スタック10の電流を制限する。 The DC / DC converter 80 boosts the output voltage of the fuel cell stack 10 and supplies it to the PCU 81. The PCU 81 has a built-in inverter, and supplies electric power to the load 82 via the inverter according to the control of the control unit 20. Further, the PCU 81 limits the current of the fuel cell stack 10 by the control of the control unit 20.

電圧検出部83は、燃料電池スタック10の電圧を検出する。本実施形態において電圧検出部83は、燃料電池スタック10の電圧から平均セル電圧を算出する。「平均セル電圧」とは、燃料電池スタック10の両端電圧を単セル11の数で除算した値である。電圧検出部83は、制御部20に算出した平均セル電圧を送信する。 The voltage detection unit 83 detects the voltage of the fuel cell stack 10. In the present embodiment, the voltage detection unit 83 calculates the average cell voltage from the voltage of the fuel cell stack 10. The "average cell voltage" is a value obtained by dividing the voltage across the fuel cell stack 10 by the number of single cells 11. The voltage detection unit 83 transmits the calculated average cell voltage to the control unit 20.

燃料電池スタック10の電力は、PCU81を含む電源回路を介して、車輪(図示せず)を駆動するためのトラクションモータ(図示せず)等の負荷82や、上述したターボコンプレッサ33、アノードガスポンプ65および各種弁に、供給される。 The electric power of the fuel cell stack 10 is supplied to a load 82 such as a traction motor (not shown) for driving wheels (not shown) via a power supply circuit including a PCU 81, a turbo compressor 33 described above, and an anode gas pump 65. And to various valves.

図2は、本実施形態における、間欠運転の手順の一例を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム100が通常運転から非発電運転に移行したときに開始される。「非発電運転」とは、ECU21から燃料電池スタック10への電力出力要求が無いときの燃料電池システム100の運転態様である。非発電運転中は、単セル11の電圧が開回路電圧となるのを避けるために小さな電流を燃料電池スタック10から発生させてもよい。この場合も、実質的に発電を行っていないため「非発電運転」に含まれる。なお、非発電運転では、各機器の電力は2次電池等の他の電源(図示せず)から供給される。非発電運転では、燃費向上のために、可能な限り補機類を停止する。特に、ターボコンプレッサ33は消費電力が大きいため、非発電運転中は可能な限り停止させることが好ましい。 FIG. 2 is a flowchart showing an example of the procedure of intermittent operation in the present embodiment. This process is started when the fuel cell system 100 shifts from normal operation to non-power generation operation. The “non-power generation operation” is an operation mode of the fuel cell system 100 when there is no power output request from the ECU 21 to the fuel cell stack 10. During non-power generation operation, a small current may be generated from the fuel cell stack 10 in order to prevent the voltage of the single cell 11 from becoming an open circuit voltage. This case is also included in "non-power generation operation" because it does not generate power substantially. In the non-power generation operation, the electric power of each device is supplied from another power source (not shown) such as a secondary battery. In non-power generation operation, auxiliary equipment is stopped as much as possible in order to improve fuel efficiency. In particular, since the turbo compressor 33 consumes a large amount of power, it is preferable to stop it as much as possible during non-power generation operation.

制御部20は、非発電運転を開始すると、図2に示す間欠運転を開始する。また、制御部20は、非発電運転の停止指示、より具体的には、ECU21から燃料電池スタック10への電力要求がされると、図2の制御を終了する。 When the control unit 20 starts the non-power generation operation, the control unit 20 starts the intermittent operation shown in FIG. Further, the control unit 20 ends the control of FIG. 2 when an instruction to stop the non-power generation operation, more specifically, a power request from the ECU 21 to the fuel cell stack 10 is received.

制御部20は、ステップS100で、カソードガスの供給を停止する。より具体的には、ターボコンプレッサ33が燃料電池スタック10に供給するカソードガスの供給流量をゼロに設定する。燃費を向上させる観点から、アノードガスの供給流量もゼロに設定することが好ましい。 The control unit 20 stops the supply of the cathode gas in step S100. More specifically, the supply flow rate of the cathode gas supplied by the turbo compressor 33 to the fuel cell stack 10 is set to zero. From the viewpoint of improving fuel efficiency, it is preferable to set the supply flow rate of the anode gas to zero.

次に、制御部20は、ステップS110で、平均セル電圧Vfcを取得し、平均セル電圧Vfcが予め定めた目標電圧Vmより低いか否か判定する。目標電圧Vmは、0Vより高くすることが好ましく、0.6V以上0.85V以下の値とすることが更に好ましい。平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmより低い場合、制御部20は、ステップS120に進み、ターボコンプレッサ33によるカソードガスの供給を再開する。この時のカソードガスの供給流量は、予め実験的に定められた流量であり、任意に定めることができる。また、燃料電池スタック10の状態とカソードガス流量との関係が定義されたマップや関数に基づき、ステップS120におけるカソードガスの供給流量を定めるようにしてもよい。一方、平均セル電圧Vfcが目標電圧Vm以上の場合、制御部20はステップS100の処理に戻る。つまり、平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmを下回るまではカソードガスの供給を停止した状態を維持する。なお、目標電圧Vmは、ステップS110を実行する度に変えてもよい。 Next, in step S110, the control unit 20 acquires the average cell voltage Vfc and determines whether or not the average cell voltage Vfc is lower than the predetermined target voltage Vm. The target voltage Vm is preferably higher than 0V, and more preferably 0.6V or more and 0.85V or less. When the average cell voltage Vfc is lower than the target voltage Vm, the control unit 20 proceeds to step S120 and restarts the supply of the cathode gas by the turbo compressor 33. The supply flow rate of the cathode gas at this time is a flow rate experimentally determined in advance and can be arbitrarily determined. Further, the supply flow rate of the cathode gas in step S120 may be determined based on a map or a function in which the relationship between the state of the fuel cell stack 10 and the flow rate of the cathode gas is defined. On the other hand, when the average cell voltage Vfc is equal to or higher than the target voltage Vm, the control unit 20 returns to the process of step S100. That is, the supply of the cathode gas is maintained until the average cell voltage Vfc falls below the target voltage Vm. The target voltage Vm may be changed each time step S110 is executed.

ステップS120でカソードガスの供給を開始した後、制御部20は、ステップS130で、平均セル電圧Vfcを再度取得して、その平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmより高いか否か判定する。平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmより高い場合、制御部20は、ステップS100の処理に戻り、カソードガスの供給を停止する。一方、平均セル電圧Vfcが目標電圧Vm以下の場合、制御部20はステップS130の処理に戻り、カソードガスの供給を続ける。このように、ステップS120、S130では、平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmを超えるまでカソードガスの供給を一時的に再開する。なお、ステップS130の目標電圧Vmは、ステップS110の目標電圧Vmと同じ値である。 After starting the supply of the cathode gas in step S120, the control unit 20 acquires the average cell voltage Vfc again in step S130, and determines whether or not the average cell voltage Vfc is higher than the target voltage Vm. When the average cell voltage Vfc is higher than the target voltage Vm, the control unit 20 returns to the process of step S100 and stops the supply of the cathode gas. On the other hand, when the average cell voltage Vfc is equal to or less than the target voltage Vm, the control unit 20 returns to the process of step S130 and continues to supply the cathode gas. As described above, in steps S120 and S130, the supply of the cathode gas is temporarily restarted until the average cell voltage Vfc exceeds the target voltage Vm. The target voltage Vm in step S130 is the same value as the target voltage Vm in step S110.

上述した図2の手順では、平均セル電圧Vfcを用いてステップS110、S130の判断を行っているが、この代わりに、燃料電池スタック10の両端電圧を用いてステップS110、S130の判断を行ってもよい。上述したように、平均セル電圧Vfcは、燃料電池スタック10の両端電圧を単セル11の枚数で除した値なので、燃料電池スタック10の両端電圧を用いた判断も、平均セル電圧Vfcを用いた判断と等価である。 In the procedure of FIG. 2 described above, the average cell voltage Vfc is used to determine steps S110 and S130, but instead, the voltage across the fuel cell stack 10 is used to determine steps S110 and S130. May be good. As described above, since the average cell voltage Vfc is a value obtained by dividing the voltage across the fuel cell stack 10 by the number of single cells 11, the average cell voltage Vfc was also used for the judgment using the voltage across the fuel cell stack 10. Equivalent to judgment.

図3は、間欠運転における平均セル電圧Vfcとカソードガス指示流量との関係の一例を示したタイミングチャートである。上側のグラフは平均セル電圧Vfcの変化を示しており、下側のグラフはカソードガスの供給流量の指示流量(以下、「カソードガス指示流量」という)の変化を示している。図3に示すように、制御部20は、タイミングt0において、通常運転から非発電運転に切替える。より具体的には、燃料電池スタック10の発電を停止し、カソードガス指示流量をゼロにしている。カソードガス指示流量がゼロになると、ターボコンプレッサ33は運転を停止する。 FIG. 3 is a timing chart showing an example of the relationship between the average cell voltage Vfc and the cathode gas indicated flow rate in intermittent operation. The upper graph shows the change in the average cell voltage Vfc, and the lower graph shows the change in the indicated flow rate of the cathode gas supply flow rate (hereinafter referred to as “cathode gas indicated flow rate”). As shown in FIG. 3, the control unit 20 switches from the normal operation to the non-power generation operation at the timing t0. More specifically, the power generation of the fuel cell stack 10 is stopped, and the cathode gas indicated flow rate is set to zero. When the indicated flow rate of the cathode gas becomes zero, the turbo compressor 33 stops operating.

図3の上側のグラフに示すように、燃料電池システム100が通常運転から非発電運転に切り替わり、カソードガスの供給を停止すると、平均セル電圧Vfcが低下する。平均セル電圧Vfcが過度に低下すると、単セル11の性能が劣化する原因となる。そのため、本実施形態では、上述したように、平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmよりも低下したタイミングt1において、制御部20がターボコンプレッサ33により燃料電池スタック10にカソードガスの供給を再開する。カソードガスの供給を制御することによって平均セル電圧Vfcが過度に低下する事を抑制できる。また、燃費向上のため、平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmまで上昇したタイミングt2において、制御部20は、ターボコンプレッサの運転を停止させる。 As shown in the upper graph of FIG. 3, when the fuel cell system 100 switches from the normal operation to the non-power generation operation and the supply of the cathode gas is stopped, the average cell voltage Vfc decreases. If the average cell voltage Vfc drops excessively, it causes deterioration of the performance of the single cell 11. Therefore, in the present embodiment, as described above, at the timing t1 when the average cell voltage Vfc is lower than the target voltage Vm, the control unit 20 restarts the supply of the cathode gas to the fuel cell stack 10 by the turbo compressor 33. By controlling the supply of the cathode gas, it is possible to suppress an excessive decrease in the average cell voltage Vfc. Further, in order to improve fuel efficiency, the control unit 20 stops the operation of the turbo compressor at the timing t2 when the average cell voltage Vfc rises to the target voltage Vm.

図3の下側のグラフに示すように、タイミングt0からタイミングt1の期間はカソードガスの供給を停止しているため、指示エア流量はゼロに設定されている。制御部20は、タイミングt1において、図2のステップS120のカソードガス供給を再開し、制御周期毎にステップS100〜ステップS130の制御を実行する。この結果、カソードガスの供給が間欠的に実行される。 As shown in the lower graph of FIG. 3, since the supply of the cathode gas is stopped during the period from the timing t0 to the timing t1, the indicated air flow rate is set to zero. At the timing t1, the control unit 20 restarts the cathode gas supply in step S120 of FIG. 2 and executes the control of steps S100 to S130 for each control cycle. As a result, the cathodic gas supply is intermittently executed.

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、応答性の良いターボコンプレッサ33を用いて間欠運転を実行するので、細かい周期でカソードガスを間欠的に供給できる。そのため、燃費が悪化することを抑制できる。 According to the fuel cell system 100 of the present embodiment described above, since the control unit 20 executes the intermittent operation by using the turbo compressor 33 having good responsiveness, the cathode gas can be intermittently supplied in a fine cycle. Therefore, it is possible to suppress deterioration of fuel efficiency.

また、制御部20は、目標電圧Vmを上回ったか下回ったかでターボコンプレッサ33を制御して間欠運転を行うため、制御が簡素化できる。 Further, since the control unit 20 controls the turbo compressor 33 depending on whether the target voltage exceeds or falls below the target voltage Vm to perform intermittent operation, the control can be simplified.

B.第2実施形態:
図4は、第2実施形態における間欠運転の手順の一例を表わすフローチャートである。第2実施形態の燃料電池システムの構成は、第1実施形態の燃料電池システムの構成と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。また、第2実施形態の間欠運転は、液水滞留が発生していた場合に液水パージ処理を行う点が第1実施形態と異なり、他の工程は第1実施形態と同じである。液水パージ処理とは、燃料電池システム100の各構成部を制御して、燃料電池スタック10に残留する水分や、燃料電池システム100の配管・バルブ等に付着している水分を低減させるための掃気処理である。
B. Second embodiment:
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the procedure of intermittent operation in the second embodiment. Since the configuration of the fuel cell system of the second embodiment is the same as the configuration of the fuel cell system of the first embodiment, the description of the configuration of the fuel cell system will be omitted. Further, the intermittent operation of the second embodiment is different from the first embodiment in that the liquid water purge process is performed when the liquid water retention has occurred, and the other steps are the same as those of the first embodiment. The liquid water scavenging process is for controlling each component of the fuel cell system 100 to reduce the water content remaining in the fuel cell stack 10 and the water content adhering to the pipes, valves, etc. of the fuel cell system 100. It is a scavenging process.

前述した第1実施形態において、制御部20は、ステップS130において平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmより低いと判定した後に、ステップS120の処理に戻り、カソードガスの供給を続けている。第2実施形態では、制御部20は、ステップS130において平均セル電圧Vfcが目標電圧Vmより低いと判定した後に、ステップS140、S150に従って、必要に応じて液水パージ処理を行う。 In the first embodiment described above, the control unit 20 returns to the process of step S120 after determining in step S130 that the average cell voltage Vfc is lower than the target voltage Vm, and continues to supply the cathode gas. In the second embodiment, after determining in step S130 that the average cell voltage Vfc is lower than the target voltage Vm, the control unit 20 performs a liquid water purging process as necessary according to steps S140 and S150.

ステップS130で、平均セル電圧Vfcを再度取得して、その平均セル電圧Vfcが目標電圧Vm以下の場合、制御部20はステップS140に進み、ステップS130で取得した平均セル電圧Vfcが下限電圧Vlowより低いか否か判定する。下限電圧Vlowとは、燃料電池スタック10で液水滞留が発生していると判断する電圧値(例えば、単セル11の触媒の酸化還元の切り替わる電圧値)として、予め実験的に定めることができる。下限電圧Vlowは、例えば、0.4V以上0.7V以下の値である。平均セル電圧Vfcが下限電圧Vlowより低い場合、制御部20は、ステップS150の処理に進み、液水パージ処理を行う。一方、平均セル電圧Vfcが下限電圧Vlow以上の場合、制御部20はステップS130の処理に戻り、カソードガスの供給を続ける。 If the average cell voltage Vfc is acquired again in step S130 and the average cell voltage Vfc is equal to or less than the target voltage Vm, the control unit 20 proceeds to step S140, and the average cell voltage Vfc acquired in step S130 is from the lower limit voltage Vlow. Determine if it is low. The lower limit voltage Vlow can be experimentally determined in advance as a voltage value for determining that liquid water retention has occurred in the fuel cell stack 10 (for example, a voltage value at which the redox of the catalyst of the single cell 11 is switched). .. The lower limit voltage Vlow is, for example, a value of 0.4 V or more and 0.7 V or less. When the average cell voltage Vfc is lower than the lower limit voltage Vlow, the control unit 20 proceeds to the process of step S150 and performs the liquid water purge process. On the other hand, when the average cell voltage Vfc is equal to or higher than the lower limit voltage Vlow, the control unit 20 returns to the process of step S130 and continues to supply the cathode gas.

ステップS150で液水パージ処理を行った後、制御部20は、ステップS100の処理に戻る。本実施形態において、液水パージ処理では、制御部20が、カソードガス供給部30を制御して、燃料電池スタック10に過剰にカソードガスを投入する。例えば、通常の電圧維持に必要な流量、より具体的には図3に示す、カソードガス指示流量Q1の10倍以上で数秒間カソードガスを投入することが好ましい。 After performing the liquid water purging process in step S150, the control unit 20 returns to the process of step S100. In the present embodiment, in the liquid water purging process, the control unit 20 controls the cathode gas supply unit 30 to excessively charge the cathode gas into the fuel cell stack 10. For example, it is preferable to input the cathode gas for several seconds at a flow rate required for maintaining a normal voltage, more specifically, at least 10 times the cathode gas indicated flow rate Q1 shown in FIG.

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、液水滞留が発生していた場合にパージ処理を行う。そのため、セル電圧が過度に低下することを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。 According to the fuel cell system 100 of the present embodiment described above, the control unit 20 performs a purge process when liquid water retention has occurred. Therefore, it is possible to suppress an excessive decrease in the cell voltage and suppress deterioration of fuel efficiency.

本発明は、上述の実施形態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 embodiment, and can be realized with various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention are for solving the above-mentioned problems or for achieving a part or all of the above-mentioned effects. In addition, it is possible to replace or combine them as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.

10…燃料電池スタック
11…単セル
20…制御部
21…ECU
30…カソードガス供給部
31…カソードガス配管
32…エアフローメータ
33…ターボコンプレッサ
34…第1開閉弁
35…圧力計
36…分流弁
41…カソードオフガス配管
42…第1レギュレータ
50…アノードガス供給部
51…アノードガス配管
52…アノードガスタンク
53…第2開閉弁
54…第2レギュレータ
55…インジェクタ
56…圧力計
61…アノードオフガス配管
62…気液分離器
63…排気排水弁
64…循環配管
65…アノードガスポンプ
66…循環流路
70…冷却媒体循環部
71…冷媒供給管
72…冷媒排出管
73…ラジエータ
74…冷媒ポンプ
75…三方弁
76…バイパス管
77…温度計
80…DC/DCコンバータ
81…PCU
82…負荷
83…電圧検出部
100…燃料電池システム
10 ... Fuel cell stack 11 ... Single cell 20 ... Control unit 21 ... ECU
30 ... Cathode gas supply unit 31 ... Cathode gas pipe 32 ... Air flow meter 33 ... Turbo compressor 34 ... First on-off valve 35 ... Pressure gauge 36 ... Divergence valve 41 ... Cathode off gas pipe 42 ... First regulator 50 ... Anoden gas supply unit 51 … Anodic gas pipe 52… Anodic gas tank 53… 2nd on-off valve 54… 2nd regulator 55… Injector 56… Pressure gauge 61… Anodic off gas pipe 62… Gas-liquid separator 63… Exhaust drain valve 64… Circulation pipe 65… Anodic gas pump 66 ... Circulation flow path 70 ... Cooling medium circulation section 71 ... Refrigerator supply pipe 72 ... Refrigerator discharge pipe 73 ... Radiator 74 ... Refrigerator pump 75 ... Three-way valve 76 ... Bypass pipe 77 ... Thermometer 80 ... DC / DC converter 81 ... PCU
82 ... Load 83 ... Voltage detector 100 ... Fuel cell system

Claims (1)

燃料電池システムであって、
複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するターボコンプレッサと、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部と、
前記ターボコンプレッサを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がなく前記カソードガスの供給を停止している場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を再開させ、前記平均セル電圧が前記目標電圧を上回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止する間欠運転を実行する、燃料電池システム。
It ’s a fuel cell system.
With a fuel cell stack with multiple single cells,
A turbo compressor that supplies cathode gas to the fuel cell stack,
A voltage detector that detects the voltage of the fuel cell stack,
A control unit that controls the turbo compressor and
Equipped with
When the average cell voltage of the fuel cell stack falls below a predetermined target voltage when the supply of the cathode gas is stopped without a power output request to the fuel cell stack, the control unit performs the turbo. Intermittent operation in which the supply of the cathode gas to the fuel cell stack by the compressor is restarted, and the supply of the cathode gas to the fuel cell stack by the turbo compressor is stopped when the average cell voltage exceeds the target voltage. To run, fuel cell system.
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