JP6442987B2 - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP6442987B2 JP6442987B2 JP2014222916A JP2014222916A JP6442987B2 JP 6442987 B2 JP6442987 B2 JP 6442987B2 JP 2014222916 A JP2014222916 A JP 2014222916A JP 2014222916 A JP2014222916 A JP 2014222916A JP 6442987 B2 JP6442987 B2 JP 6442987B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- anode
- pressure
- cell system
- anode gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving supply of anode gas and cathode gas.
特許文献1には、燃料電池のアノード系内にアノードガスを封入した状態で運転停止する放置停止処理を実行する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムによれば、システム停止中における燃料電池での不要な発電反応を抑えて、燃料電池の劣化を抑制することができる。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system that performs a standstill stop process for stopping operation in a state where an anode gas is sealed in an anode system of a fuel cell. According to this fuel cell system, unnecessary power generation reaction in the fuel cell while the system is stopped can be suppressed, and deterioration of the fuel cell can be suppressed.
なお、システム停止時の制御に関連する技術として、特許文献2には、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の電解質膜の湿潤状態(湿潤度)をドライ側に制御することが開示されている。 As a technique related to control when the system is stopped, Patent Document 2 discloses that the wet state (wetness) of the electrolyte membrane of the fuel cell is controlled to the dry side when the fuel cell system is stopped. .
特許文献1に記載の燃料電池システムのように、システム停止時に燃料電池のアノード極側にアノードガスを封入すると、アノード極側のアノードガスの一部は電解質膜を透過してカソード極側に拡散する。カソード極側に拡散したアノードガスは、時間の経過とともにカソードコンプレッサ等を通過してシステム外部に漏出したり、次回システム起動時のカソードガス供給によりシステム外部に排出されたりする。 As in the fuel cell system described in Patent Document 1, when anode gas is sealed on the anode electrode side of the fuel cell when the system is stopped, part of the anode gas on the anode electrode side permeates the electrolyte membrane and diffuses to the cathode electrode side. To do. The anode gas diffused to the cathode electrode side passes through the cathode compressor and the like as time passes and leaks to the outside of the system, or is discharged to the outside of the system by the cathode gas supply at the next system startup.
上述の通り、カソード極側に拡散したアノードガスは、燃料電池での発電に使用されずに、システム外部に放出されることとなる。したがって、燃料電池における燃料消費性能の観点から、燃料電池システムではシステム停止時にアノード極側に封入されたアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制することが望ましい。 As described above, the anode gas diffused to the cathode electrode side is discharged outside the system without being used for power generation in the fuel cell. Therefore, from the viewpoint of fuel consumption performance in the fuel cell, it is desirable to suppress the anode gas sealed on the anode electrode side from diffusing more than necessary to the cathode electrode side when the system is stopped.
本発明の目的は、システム停止時に、封入したアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制可能な燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent the enclosed anode gas from diffusing to the cathode electrode side more than necessary when the system is stopped.
本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、燃料電池のアノード系内にアノードガスを封入した状態で運転停止する放置停止処理を実行する燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、システム停止要求後に燃料電池の内部インピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、燃料電池のアノードガス圧力を、内部インピーダンスとアノードガスの拡散速度とに基づく所定圧に制御する圧力制御部と、所定圧を放置開始圧力として放置停止処理を実行する放置停止処理実行部と、を備える。 According to an aspect of the present invention, a fuel that includes a fuel cell that generates electric power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and that performs a standstill stopping process in which the operation is stopped with the anode gas sealed in the anode system of the fuel cell. A battery system is provided. The fuel cell system includes an impedance detection unit that detects an internal impedance of the fuel cell after a system stop request, and a pressure control unit that controls the anode gas pressure of the fuel cell to a predetermined pressure based on the internal impedance and the diffusion rate of the anode gas. A leaving stop process executing unit that executes a leave stop process using a predetermined pressure as a start start pressure.
本発明のある態様によれば、内部インピーダンス(電解質膜の湿潤状態)に応じた最適な放置開始圧力を設定することで、放置停止処理において必要最低限のアノードガスをアノード系内に封入することができる。これにより、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制でき、燃料電池システムにおける燃費性能を改善することが可能となる。 According to an aspect of the present invention, by setting an optimum leaving start pressure corresponding to the internal impedance (wet state of the electrolyte membrane), the minimum anode gas necessary for the leaving stop process is sealed in the anode system. Can do. Thereby, it is possible to suppress the anode gas from diffusing more than necessary to the cathode electrode side during the leaving stop process, and it is possible to improve fuel efficiency in the fuel cell system.
以下、図面等を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池システムについて説明する。 Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成される。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極において進行する電極反応は、以下の通りである。 A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode as a fuel electrode and a cathode electrode as an oxidant electrode. The fuel cell generates electric power using an anode gas containing hydrogen supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen supplied to the cathode electrode. The electrode reactions that proceed at the anode and cathode electrodes are as follows.
アノード電極: 2H2 → 4H++4e- ・・・(1)
カソード電極: 4H++4e-+O2 → 2H2O ・・・(2)
これら(1)、(2)の電極反応によって、燃料電池には1V(ボルト)程度の起電力が生じる。
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
Due to the electrode reactions of (1) and (2), an electromotive force of about 1 V (volt) is generated in the fuel cell.
図1及び図2は、本発明の一実施形態による燃料電池10の構成を説明するための図である。図1は燃料電池10の斜視図であり、図2は図1の燃料電池10のII−II断面図である。
1 and 2 are views for explaining the configuration of a
図1及び図2に示すように、燃料電池10は、膜電極接合体(MEA)11と、MEA11を挟むように配置されるアノードセパレータ12及びカソードセパレータ13と、を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
MEA11は、電解質膜111と、アノード電極112と、カソード電極113とから構成されている。MEA11は、電解質膜111の一方の面側にアノード電極112を有しており、他方の面側にカソード電極113を有している。
The MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an
電解質膜111は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜111は、適度な湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。 The electrolyte membrane 111 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a moderately wet state.
アノード電極112は、触媒層112Aとガス拡散層112Bとを備える。触媒層112Aは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子により形成された部材であって、電解質膜111と接するように設けられる。ガス拡散層112Bは、触媒層112Aの外側に配置される。ガス拡散層112Bは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、触媒層112A及びアノードセパレータ12と接するように設けられる。
The
アノード電極112と同様に、カソード電極113も触媒層113Aとガス拡散層113Bとを備える。触媒層113Aは電解質膜111とガス拡散層113Bとの間に配置され、ガス拡散層113Bは触媒層113Aとカソードセパレータ13との間に配置される。
Similar to the
アノードセパレータ12は、ガス拡散層112Bの外側に配置される。アノードセパレータ12は、アノード電極112にアノードガス(水素ガス)を供給するための複数のアノードガス流路121を備えている。アノードガス流路121は、溝状通路として形成されている。
The
カソードセパレータ13は、ガス拡散層113Bの外側に配置される。カソードセパレータ13は、カソード電極113にカソードガス(空気)を供給するための複数のカソードガス流路131を備えている。カソードガス流路131は、溝状通路として形成されている。
The
アノードセパレータ12及びカソードセパレータ13は、アノードガス流路121を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路131を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ12及びカソードセパレータ13は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。
The
このような燃料電池10を自動車用電源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池10を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。
When such a
図3は、本発明の一実施形態による燃料電池システム100の概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a
燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と、カソードガス給排装置2と、アノードガス給排装置3と、冷却装置4と、電力システム5と、コントローラ6と、を備えている。
The
燃料電池スタック1は、複数枚の燃料電池10(単位セル)を積層した積層電池である。燃料電池スタック1は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。燃料電池スタック1は、電力を取り出す出力端子として、アノード電極側端子1Aと、カソード電極側端子1Bと、を有している。
The fuel cell stack 1 is a stacked battery in which a plurality of fuel cells 10 (unit cells) are stacked. The fuel cell stack 1 receives the supply of the anode gas and the cathode gas and generates electric power necessary for traveling of the vehicle. The fuel cell stack 1 has an anode
カソードガス給排装置2は、燃料電池スタック1にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック1から排出されるカソードオフガスを外部に排出する。カソードガス給排装置2は、カソードガス供給通路21と、カソードガス排出通路22と、フィルタ23と、エアフローセンサ24と、カソードコンプレッサ25と、カソード圧力センサ26と、水分回収装置(WRD;Water Recovery Device)27と、カソード調圧弁28と、を備える。
The cathode gas supply / discharge device 2 supplies cathode gas to the fuel cell stack 1 and discharges cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the outside. The cathode gas supply / discharge device 2 includes a cathode
カソードガス供給通路21は、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路21の一端はフィルタ23に接続され、他端は燃料電池スタック1のカソードガス入口部に接続される。
The cathode
カソードガス排出通路22は、燃料電池スタック1から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路22の一端は燃料電池スタック1のカソードガス出口部に接続され、他端は開口端として形成される。カソードオフガスは、カソードガス、及び電極反応によって生じた水蒸気等を含む混合ガスである。
The cathode
フィルタ23は、カソードガス供給通路21に取り込まれるカソードガスに含まれる塵や埃等を除去する部材である。
The
カソードコンプレッサ25は、フィルタ23よりも下流側のカソードガス供給通路21に設けられる。カソードコンプレッサ25は、カソードガス供給通路21内のカソードガスを圧送して燃料電池スタック1に供給する。
The
エアフローセンサ24は、フィルタ23とカソードコンプレッサ25との間のカソードガス供給通路21に設けられる。エアフローセンサ24は、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの流量を検出する。
The
カソード圧力センサ26は、カソードコンプレッサ25とWRD27との間のカソードガス供給通路21に設けられる。カソード圧力センサ26は、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサ26で検出されたカソードガス圧力は、燃料電池スタック1のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。
The
WRD27は、カソードガス供給通路21とカソードガス排出通路22とに跨って接続される。WRD27は、カソードガス排出通路22を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分を用いてカソードガス供給通路21を流れるカソードガスを加湿する。
The
カソード調圧弁28は、WRD27よりも下流のカソードガス排出通路22に設けられる。カソード調圧弁28は、コントローラ6によって開閉制御され、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの圧力を調整する。
The cathode
アノードガス給排装置3は、燃料電池スタック1にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック1から排出されるアノードオフガスをカソードガス排出通路22に排出する。アノードガス給排装置3は、高圧タンク31と、アノードガス供給通路32と、アノード調圧弁33と、アノード圧力センサ34と、アノードガス排出通路35と、バッファタンク36と、パージ通路37と、パージ弁38と、を備える。
The anode gas supply /
高圧タンク31は、燃料電池スタック1に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。 The high-pressure tank 31 is a container that stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 while maintaining the high-pressure state.
アノードガス供給通路32は、高圧タンク31から排出されるアノードガスを燃料電池スタック1に供給する通路である。アノードガス供給通路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のアノードガス入口部に接続される。
The anode
アノード調圧弁33は、高圧タンク31よりも下流のアノードガス供給通路32に設けられる。アノード調圧弁33は、コントローラ6によって開閉制御され、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力を調整する。
The anode
アノード圧力センサ34は、アノード調圧弁33よりも下流のアノードガス供給通路32に設けられる。アノード圧力センサ34は、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサ34で検出されたアノードガス圧力は、バッファタンク36や燃料電池スタック1のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。
The
アノードガス排出通路35は、燃料電池スタック1から排出されたアノードオフガスを流す通路である。アノードガス排出通路35の一端は燃料電池スタック1のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク36に接続される。アノードオフガスには、電極反応で使用されなかったアノードガスや、カソード電極側からアノード電極側へとリークしてきた窒素等の不純物ガス等が含まれる。
The anode
バッファタンク36は、アノードガス排出通路35を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。バッファタンク36に溜められたアノードオフガスは、パージ弁38が開かれる時に、パージ通路37を通ってカソードガス排出通路22に排出される。
The
パージ通路37は、アノードオフガスを排出するための通路である。パージ通路37の一端はバッファタンク36の下流部に接続され、他端はカソード調圧弁28よりも下流のカソードガス排出通路22に接続される。
The
パージ弁38は、パージ通路37に設けられる。パージ弁38は、コントローラ6によって開閉制御され、アノードガス排出通路35からカソードガス排出通路22に排出するアノードオフガスのパージ流量を制御する。
The
パージ弁38が開弁状態となるパージ制御が実行されると、アノードオフガスは、パージ通路37及びカソードガス排出通路22を通じて外部に排出される。この時、アノードオフガスは、カソードガス排出通路22内でカソードオフガスと混合される。このようにアノードオフガスとカソードオフガスとを混合させて外部に排出することで、混合ガス中のアノードガス濃度(水素濃度)が排出許容濃度以下の値に設定される。
When the purge control is performed so that the
冷却装置4は、冷却液によって燃料電池スタック1を冷却するための装置である。冷却装置4は、循環通路41と、循環ポンプ42と、ラジエータ43と、温度センサ44,45と、を備える。
The cooling device 4 is a device for cooling the fuel cell stack 1 with a coolant. The cooling device 4 includes a
循環通路41は、燃料電池スタック1を冷却するための冷却液が流れる通路である。循環通路41の一端は燃料電池スタック1の冷却液入口部に接続され、他端は燃料電池スタック1の冷却液出口部に接続される。
The
循環ポンプ42は、冷却液を循環させるポンプであって、冷却液出口部寄りの循環通路41に設置される。
The
ラジエータ43は、燃料電池スタック1から排出された冷却液を冷却するための放熱器であって、循環ポンプ42よりも下流側の循環通路41に設置される。なお、燃料電池システム100には、ラジエータ43に外気等を送風し、冷却液の放熱を促進するラジエータ用ファンを設けてもよい。
The
温度センサ44,45は、循環通路41を流れる冷却液の温度を検出するセンサである。温度センサ44は、燃料電池スタック1の冷却液入口部寄りの循環通路41に設けられ、燃料電池スタック1に流入する冷却液の温度を検出する。一方、温度センサ45は、燃料電池スタック1の冷却液出口部寄りであって、燃料電池スタック1と循環ポンプ42との間の循環通路41に設けられる。温度センサ45は、燃料電池スタック1から排出された冷却液の温度を検出する。
The
電力システム5は、電流センサ51と、電圧センサ52と、走行モータ53と、インバータ54と、バッテリ55と、DC/DCコンバータ56と、を備える。
The
電流センサ51は、燃料電池スタック1から取り出される出力電流を検出する。電圧センサ52は、燃料電池スタック1の出力電圧、つまりアノード電極側端子1Aとカソード電極側端子1Bの間の端子間電圧を検出する。電圧センサ52は、燃料電池10の1枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよいし、燃料電池10の複数枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよい。
The
走行モータ53は、三相交流同期モータであって、車輪を駆動するため駆動源である。走行モータ53は、燃料電池スタック1及びバッテリ55から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能と、を有する。
The traveling
インバータ54は、IGBT等の複数の半導体スイッチから構成される。インバータ54の半導体スイッチは、コントローラ6によってスイッチング制御され、これにより直流電流が交流電流に、又は交流電流が直流電流に変換される。走行モータ53を電動機として機能させる場合、インバータ54は、燃料電池スタック1の出力電流とバッテリ55の出力電流との合成直流電流を三相交流電流に変換し、走行モータ53に供給する。これに対して、走行モータ53を発電機として機能させる場合、インバータ54は、走行モータ53からの三相交流電流を直流電流に変換し、バッテリ55に供給する。
The
バッテリ55は、燃料電池スタック1の出力電力の余剰分及び走行モータ53の回生電力が充電されるように構成されている。バッテリ55に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ25等の補機類や走行モータ53に供給される。
The
DC/DCコンバータ56は、燃料電池スタック1の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。DC/DCコンバータ56によって燃料電池スタック1の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック1の出力電流等が調整される。
The DC /
コントローラ6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で構成される。コントローラ6には、電流センサ51や電圧センサ52等の各種センサからの信号の他、イグニッションスイッチ61等からの信号が入力される。イグニッションスイッチ61は、燃料電池システム100の動作状態をオンまたはオフするために操作されるスタータスイッチである。
The controller 6 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). In addition to signals from various sensors such as the
コントローラ6は、燃料電池システム100の運転状態に応じて、アノード調圧弁33やカソード調圧弁28、カソードコンプレッサ25等を制御し、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスやカソードガスの圧力や流量を調整する。
The controller 6 controls the anode
コントローラ6は、燃料電池システム100の運転状態に基づいて、燃料電池スタック1の目標出力電力を算出する。コントローラ6は、走行モータ53の要求電力やカソードコンプレッサ25等の補機類の要求電力、バッテリ55の充放電要求等に基づいて、目標出力電力を算出する。コントローラ6は、目標出力電力に基づいて、予め定められた燃料電池スタック1のIV特性(電流電圧特性)を参照して燃料電池スタック1の目標出力電流を算出する。そして、コントローラ6は、燃料電池スタック1の出力電流が目標出力電流となるように、DC/DCコンバータ56によって燃料電池スタック1の出力電圧を制御し、走行モータ53や補機類に必要な電流を供給する。
The controller 6 calculates the target output power of the fuel cell stack 1 based on the operating state of the
また、コントローラ6は、燃料電池スタック1の各電解質膜111の湿潤状態(含水量)が発電に適した状態となるように、カソードコンプレッサ25等を制御する。コントローラ6は、電解質膜111の湿潤状態と相関関係のある燃料電池スタック1の内部インピーダンスを算出し、この内部インピーダンスが目標値となるようにカソードコンプレッサ25等を制御する。このような湿潤制御に用いられる内部インピーダンスは、燃料電池スタック1から出力される高周波数の交流信号(交流電流及び交流電圧)に基づいて算出される。
The controller 6 controls the
さらに、コントローラ6は、運転者等によりシステム停止操作がなされた場合等のシステム停止要求時に、燃料電池システム100を停止するためのシステム停止制御を実行する。このシステム停止制御には、アノード調圧弁33及びパージ弁38を閉弁し、燃料電池スタック1のアノード系内にアノードガスを封入した状態で運転停止する放置停止処理が含まれる。
Furthermore, the controller 6 executes system stop control for stopping the
放置停止処理によりアノード極側にアノードガスが封入されると、放置停止処理後にアノードガスの一部が電解質膜を透過してカソード極側に拡散する。このように拡散したアノードガスによりカソード極側のカソードガスの分圧が低くなるため、システム停止中における燃料電池スタック1での不要な発電反応が抑えられる。その結果、燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。 When the anode gas is sealed on the anode electrode side by the standing stop process, a part of the anode gas permeates the electrolyte membrane and diffuses to the cathode electrode side after the standing stop process. Since the diffused anode gas lowers the partial pressure of the cathode gas on the cathode electrode side, unnecessary power generation reaction in the fuel cell stack 1 during the system stop is suppressed. As a result, deterioration of the fuel cell stack 1 can be suppressed.
しかしながら、カソード極側に拡散したアノードガスは、時間の経過とともにカソードコンプレッサ25等を通過してシステム外部に漏出したり、次回システム起動時のカソードガス供給によりシステム外部に排出されたりする。つまり、カソード極側に拡散したアノードガスは、燃料電池スタック1での発電に使用されずに、システム外部に放出されることとなる。燃料電池スタック1の燃費性能を改善するためには、システム停止時にアノード極側に封入されたアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制することが望ましい。
However, the anode gas diffused to the cathode electrode side passes through the
これに関し、本願発明者は、電解質膜111がドライ状態になるほど、封入されたアノードガスのカソード極側への拡散速度が低下することを見出し(図4参照)、電解質膜111の湿潤状態に応じて、放置停止処理開始時におけるアノードガスの放置開始圧力の最適化を図った(図5参照)。 In this regard, the present inventor has found that the diffusion rate of the enclosed anode gas to the cathode electrode side decreases as the electrolyte membrane 111 is in a dry state (see FIG. 4), and according to the wet state of the electrolyte membrane 111. Thus, the anode gas leaving start pressure at the start of the leaving stop process was optimized (see FIG. 5).
図4を参照して、電解質膜111の湿潤状態と相関関係のある内部インピーダンスRと、放置停止処理中のアノードガスの拡散速度との関係について説明する。 With reference to FIG. 4, the relationship between the internal impedance R having a correlation with the wet state of the electrolyte membrane 111 and the diffusion rate of the anode gas during the standing stop process will be described.
燃料電池10の電解質膜111が乾燥するほど、アノード極側に封入されたアノードガスは電解質膜111を透過しにくくなる。そのため、電解質膜111が乾燥して燃料電池スタック1の内部インピーダンスRが大きくなるほど、アノードガスがアノード極側からカソード極側へと拡散する速度は低下する。
As the electrolyte membrane 111 of the
上記の通り、電解質膜111の湿潤状態に応じてアノードガスの拡散速度は変化するので、アノードガスの放置開始圧力は、図5に示すように電解質膜111の湿潤状態と相関のある内部インピーダンスに応じて設定される。つまり、燃料電池システム100では、内部インピーダンスRが大きくなるほど、アノードガスの放置開始圧力が低く設定される。なお、放置停止処理においては、処理開始後から目標保持時間(例えば数時間)を経過するまでアノード系内に所定量のアノードガスが残留している必要があるため、図5の放置開始圧力はこの点を考慮した圧力値として設定されている。
As described above, since the anode gas diffusion rate changes depending on the wet state of the electrolyte membrane 111, the anode gas start-up pressure has an internal impedance correlated with the wet state of the electrolyte membrane 111 as shown in FIG. Set accordingly. That is, in the
このように、内部インピーダンスR(電解質膜111の湿潤状態)に応じた最適なアノードガスの放置開始圧力を設定することで、放置停止処理において必要最低限のアノードガスをアノード極側に封入することができる。その結果、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制でき、さらに目標保持時間経過後も所定量のアノードガスをアノード極側に残留させておくことができる。 In this way, by setting an optimum anode gas leaving start pressure according to the internal impedance R (wet state of the electrolyte membrane 111), the minimum anode gas necessary for the leaving stop process is sealed on the anode electrode side. Can do. As a result, it is possible to prevent the anode gas from diffusing more than necessary to the cathode electrode side during the standstill stop process, and a predetermined amount of anode gas can be left on the anode electrode side even after the target holding time has elapsed. it can.
図6を参照して、燃料電池システム100のコントローラ6が実行するシステム停止制御の詳細について説明する。
The details of the system stop control executed by the controller 6 of the
ステップ101(S101)では、コントローラ6は、イグニッションスイッチ61がオフされたか否かを判定する。イグニッションスイッチ61がオフされた場合、コントローラ6は、システム停止要求時と判定して、S102以降の処理を実行する。これに対して、イグニッションスイッチ61がオンのままであってオフされていない場合、コントローラ6は、システム停止制御を一旦終了させる。
In step 101 (S101), the controller 6 determines whether or not the
S102では、コントローラ6は、燃料電池スタック1の電解質膜111を乾燥させるドライ処理を実行する。このように、コントローラ6はドライ処理を所定期間実行するドライ処理実行部として機能する。ドライ処理では、例えばカソードガス流量が、システム停止前の通常発電時に設定される流量よりも高いドライ処理用流量に設定される。なお、ドライ処理はドライ処理終了条件が成立するまで実行される。 In S <b> 102, the controller 6 performs a dry process for drying the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 1. Thus, the controller 6 functions as a dry process execution unit that executes the dry process for a predetermined period. In the dry processing, for example, the cathode gas flow rate is set to a dry processing flow rate that is higher than the flow rate set during normal power generation before the system is stopped. The dry process is executed until the dry process end condition is satisfied.
S103では、コントローラ6は、従来から知られている交流インピーダンス法を用いて、ドライ処理中の燃料電池スタック1の内部インピーダンスRを算出する。このように、コントローラ6は、電解質膜111の湿潤状態と相関のある内部インピーダンスRを検出するインピーダンス算出部として機能する。 In S103, the controller 6 calculates the internal impedance R of the fuel cell stack 1 during the dry process by using a conventionally known AC impedance method. As described above, the controller 6 functions as an impedance calculation unit that detects the internal impedance R correlated with the wet state of the electrolyte membrane 111.
例えば、コントローラ6は、DC/DCコンバータ56を制御し、燃料電池スタック1の出力電流及び出力電圧が高周波数(例えば数十kHz)を有する交流信号となるように燃料電池スタック1の出力を調整して、この時検出される出力電流値及び出力電圧値に基づいて燃料電池スタック1の内部インピーダンスRを算出する。なお、外部電源を用いて燃料電池スタック1に交流電圧を印加し、この印加電圧と、燃料電池スタック1から出力される交流電流とに基づいて、内部インピーダンスRを算出してもよい。
For example, the controller 6 controls the DC /
S104では、コントローラ6は、S103で算出した内部インピーダンスRに応じてアノード調圧弁33の開度を調整し、ドライ処理中のアノードガス圧力を所定圧に制御する。このように、コントローラ6はドライ処理中のアノードガス圧力を所定圧に制御する圧力制御部として機能する。
In S104, the controller 6 adjusts the opening of the anode
コントローラ6は、図5の内部インピーダンスRと放置開始圧力との特性図を参照し、アノードガス圧力を内部インピーダンスRに応じた所定圧(放置開始圧力)に設定する。ドライ処理実行時には、燃料電池スタック1の電解質膜111は徐々に乾燥し、それに応じて内部インピーダンスRは上昇するため、アノードガス圧力は内部インピーダンスRの上昇に合わせて低下するように制御される。なお、ドライ処理が終了される時に設定されているアノードガス圧力が、後述する放置停止処理開始時の放置開始圧力となる。 The controller 6 refers to the characteristic diagram of the internal impedance R and the leaving start pressure in FIG. 5 and sets the anode gas pressure to a predetermined pressure (standby start pressure) corresponding to the internal impedance R. When the dry process is performed, the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 1 is gradually dried, and the internal impedance R increases accordingly. Therefore, the anode gas pressure is controlled to decrease as the internal impedance R increases. Note that the anode gas pressure that is set when the dry process is finished becomes a leave start pressure at the start of the leave stop process described later.
S105では、コントローラ6は、S103で算出された内部インピーダンスRが予め設定された第1基準値R1以上であるか否かを判定する。 In S105, the controller 6 determines whether or not the internal impedance R calculated in S103 is equal to or greater than a first reference value R1 set in advance.
第1基準値R1は、システム停止後の燃料電池スタック1が低温環境下にある場合において電解質膜111の凍結を抑制可能な程度の湿潤状態となっているか否かを判定するための閾値である。 The first reference value R1 is a threshold value for determining whether or not the fuel cell stack 1 after the system is stopped is in a wet state that can suppress freezing of the electrolyte membrane 111 in a low temperature environment. .
内部インピーダンスRが第1基準値R1よりも小さい場合には、コントローラ6は電解質膜111が十分に乾燥していないと判定し、S102以降の処理を実行する。 When the internal impedance R is smaller than the first reference value R1, the controller 6 determines that the electrolyte membrane 111 is not sufficiently dried, and executes the processes after S102.
これに対して、内部インピーダンスRが第1基準値R1以上である場合には、コントローラ6は、電解質膜111が凍結の影響を受けにくい湿潤状態まで乾燥していると判定し、S106の処理を実行する。S106〜S108の処理は、ドライ処理終了条件が成立したか否かを判定するための処理であり、コントローラ6のドライ処理実行部により実行される。 On the other hand, when the internal impedance R is equal to or greater than the first reference value R1, the controller 6 determines that the electrolyte membrane 111 is dried to a wet state that is not easily affected by freezing, and performs the process of S106. Run. The processing of S106 to S108 is processing for determining whether or not the dry processing end condition is satisfied, and is executed by the dry processing execution unit of the controller 6.
S106では、コントローラ6は、S103で算出された内部インピーダンスRが予め設定された第2基準値R2以上であるか否かを判定する。 In S106, the controller 6 determines whether or not the internal impedance R calculated in S103 is equal to or greater than a second reference value R2 set in advance.
第2基準値R2は、第1基準値R1よりも大きく設定された値であって、電解質膜111の湿潤状態のドライ側限界を判定するための閾値(ドライ限界値)である。 The second reference value R2 is a value set larger than the first reference value R1, and is a threshold value (dry limit value) for determining the wet-side dry limit of the electrolyte membrane 111.
内部インピーダンスRが第2基準値R2以上である場合、コントローラ6は、電解質膜111の湿潤状態がドライ限界に達し、ドライ処理終了条件が成立したと判定する。そして、コントローラ6は、ドライ処理を終了させ、S109の放置前処理を実行する。S109の放置前処理については後述する。 When the internal impedance R is equal to or greater than the second reference value R2, the controller 6 determines that the wet state of the electrolyte membrane 111 has reached the dry limit and the dry processing end condition is satisfied. Then, the controller 6 ends the dry process and executes the pre-leaving process in S109. The pre-leaving process in S109 will be described later.
これに対して、内部インピーダンスRが第2基準値R2よりも小さい場合には、コントローラ6は、電解質膜111の湿潤状態がドライ限界に達していないと判定し、ドライ処理を継続しつつS107の処理を実行する。 On the other hand, when the internal impedance R is smaller than the second reference value R2, the controller 6 determines that the wet state of the electrolyte membrane 111 has not reached the dry limit, and continues the dry process in S107. Execute the process.
S107では、コントローラ6は、内部インピーダンスRが第1基準値R1を超えてから所定時間を経過したか否かを判定する。所定時間は、例えば数十秒から数分の範囲内の値であり、ドライ処理が長くなりすぎない程度に設定される時間である。 In S107, the controller 6 determines whether or not a predetermined time has elapsed since the internal impedance R exceeded the first reference value R1. The predetermined time is, for example, a value within a range of several tens of seconds to several minutes, and is a time set to such an extent that the dry processing does not become too long.
内部インピーダンスRが第1基準値R1に達してから所定時間経過した場合には、コントローラ6は、ドライ処理が長時間実行されている判定し、ドライ処理を終了させる。その後、コントローラ6はS109の放置前処理を実行する。 When a predetermined time has elapsed after the internal impedance R reaches the first reference value R1, the controller 6 determines that the dry process has been executed for a long time, and ends the dry process. Thereafter, the controller 6 executes the pre-leaving process in S109.
これに対して、内部インピーダンスRが第1基準値R1に到達してから所定時間経過していない場合には、コントローラ6は、ドライ処理を継続しつつS108の処理を実行する。 On the other hand, when the predetermined time has not elapsed since the internal impedance R reached the first reference value R1, the controller 6 executes the process of S108 while continuing the dry process.
S108では、コントローラ6は、ドライ処理中の燃料電池スタック1での発電により消費されたアノードガスの量(発電消費水素量)と、ドライ処理中に設定されたアノードガス圧力を放置開始圧力とした時にアノード極側からカソード極側に拡散するアノードガスの量(拡散消費水素量)とに基づいて、ドライ処理終了条件の成立の有無を判定する。 In S108, the controller 6 uses the amount of anode gas consumed by power generation in the fuel cell stack 1 during dry processing (power generation consumption hydrogen amount) and the anode gas pressure set during the dry processing as the leaving start pressure. On the basis of the amount of anode gas that diffuses from the anode side to the cathode side (diffusion hydrogen consumption) at times, it is determined whether or not the dry processing end condition is satisfied.
発電消費水素量Ncは、ドライ処理中の燃料電池スタック1の出力電流値Ifc及び定数Aに基づいて、下記(1)式により算出される。 The power generation consumption hydrogen amount Nc is calculated by the following equation (1) based on the output current value Ifc and the constant A of the fuel cell stack 1 during the dry processing.
発電消費水素量Ncは、ドライ処理中の燃料電池スタック1での発電により消費されるアノードガスの量であるため、図7(D)に示すようにドライ処理が進行するほど増加する。 The power generation consumption hydrogen amount Nc is the amount of anode gas consumed by power generation in the fuel cell stack 1 during the dry process, and therefore increases as the dry process proceeds as shown in FIG.
一方、拡散消費水素量Ndは、ドライ処理中のアノードガス圧力Pan、大気圧P0、アノード極側体積Van、及び補正係数f(T)に基づいて、下記(2)式により算出される。アノード極側体積Vanはアノード調圧弁33からパージ弁38までのアノードガス通路(アノード系)の体積であり、補正係数f(T)は冷却液が60°であると想定した時の燃料電池温度要因の補正値である。
On the other hand, the diffusion hydrogen consumption Nd is calculated by the following equation (2) based on the anode gas pressure Pan, the atmospheric pressure P0, the anode pole side volume Van, and the correction coefficient f (T) during the dry process. The anode side volume Van is the volume of the anode gas passage (anode system) from the anode
拡散消費水素量Ndは、ドライ処理中のアノードガス圧力を放置開始圧力とした時にカソード極側に拡散するアノードガスの量であるため、図7(B)及び(C)に示すようにドライ処理が進行して放置開始圧力が低く設定されるほど低下する。 The diffusion consumption hydrogen amount Nd is the amount of the anode gas that diffuses to the cathode electrode side when the anode gas pressure during the dry treatment is set as the standing start pressure, so that the dry treatment is performed as shown in FIGS. 7B and 7C. The lower the starting start pressure is, the lower the setting is.
コントローラ6は、発電消費水素量Ncを用いて単位時間当たりの発電消費水素量の変化量(dNc/dt)を算出するとともに、拡散消費水素量Ndを用いて単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量(dNd/dt)を算出する。発電消費水素量の変化量は例えば異なるタイミングで演算された2つの発電消費水素量に基づいて算出され、拡散消費水素量の変化量は例えば異なるタイミングで演算された2つの拡散消費水素量に基づいて算出される。このように、コントローラ6は、単位時間当たりの発電消費水素量の変化量を算出する第1算出部、及び単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量を算出する第2算出部として機能する。 The controller 6 calculates the change amount (dNc / dt) of the power generation hydrogen consumption per unit time using the power generation hydrogen consumption Nc, and calculates the diffusion hydrogen consumption per unit time using the diffusion hydrogen consumption Nd. A change amount (dNd / dt) is calculated. The amount of change in the power consumption hydrogen amount is calculated based on, for example, two power generation hydrogen consumption amounts calculated at different timings, and the amount of change in the diffusion hydrogen consumption amount is based on, for example, two diffusion hydrogen consumption amounts calculated at different timings. Is calculated. In this way, the controller 6 functions as a first calculation unit that calculates the amount of change in the amount of generated and consumed hydrogen per unit time and a second calculation unit that calculates the amount of change in the amount of diffused hydrogen consumption per unit time.
S108では、コントローラ6は、単位時間当たりの発電消費水素量の変化量の絶対値が単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量の絶対値以上であるか否かを判定する。 In S108, the controller 6 determines whether or not the absolute value of the amount of change in the amount of generated and consumed hydrogen per unit time is greater than or equal to the absolute value of the amount of change in the amount of diffused and consumed hydrogen per unit time.
発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値以上である場合、コントローラ6は、ドライ処理中の発電でのアノードガス消費の増大に伴って燃費性能が悪化すると判断し、ドライ処理を終了させる。その後、コントローラ6はS109の放置前処理を実行する。 When the absolute value of the change amount of the power generation hydrogen consumption is equal to or larger than the absolute value of the change amount of the diffusion hydrogen consumption, the controller 6 may cause the fuel efficiency to deteriorate as the anode gas consumption increases in the power generation during the dry process. Determine and finish the dry process. Thereafter, the controller 6 executes the pre-leaving process in S109.
これに対して、発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値より小さい場合、コントローラ6は、ドライ処理を継続した方が燃費性能が改善すると判断し、S102以降の処理を実行する。 On the other hand, when the absolute value of the change amount of the generated hydrogen consumption is smaller than the absolute value of the diffusion hydrogen consumption, the controller 6 determines that the fuel consumption performance is improved by continuing the dry process, and S102. The subsequent processing is executed.
S109では、コントローラ6は放置前処理を実行する。 In S109, the controller 6 executes pre-leaving processing.
放置前処理では、カソードコンプレッサ25を停止し、燃料電池スタック1へのカソードガスの供給を止める。この時、カソード調圧弁28は閉弁される。放置前処理では、カソードガスの供給を停止した状態で燃料電池スタック1から電流を取り出すことで、カソード極側のカソードガスを消費させ、燃料電池スタック1の出力電圧を所定電圧値まで低下させる。これにより、燃料電池スタック1が高電圧状態のまま停止されることがなく、電池劣化を防止できる。
In the pre-leaving process, the
なお、放置前処理では、コントローラ6は、ドライ処理終了時におけるアノードガス圧力(放置開始圧力)が維持されるようにアノード調圧弁33を制御する。本実施形態では、コントローラ6は、ドライ処理と後述する放置停止処理の間に放置前処理を実行するが、ドライ処理後に放置停止処理を実行して放置前処理を省略してもよい。
In the pre-leaving process, the controller 6 controls the anode
S110では、コントローラ6は放置停止処理を実行し、燃料電池システム100を停止して起動待ち状態とする。
In S110, the controller 6 executes a standstill stop process, stops the
放置停止処理では、コントローラ6は、アノード調圧弁33及びパージ弁38を全閉状態に制御し、燃料電池スタック1のアノード系内にアノードガスを封入する。放置前処理で維持されたドライ処理終了時のアノードガス圧力が放置停止処理における放置開始圧力となる。なお、放置停止処理においては、カソードコンプレッサ25は停止され、カソード調圧弁28は閉弁される。
In the standstill stop process, the controller 6 controls the anode
放置停止処理により、アノード系内のアノードガスの一部は電解質膜111を透過してカソード極側に拡散する。このように拡散したアノードガスによりカソード極側のカソードガスの分圧が低くなるため、システム停止中における燃料電池スタック1での不要な発電反応が抑えられる。その結果、発電に起因する燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。 Due to the standing stop process, part of the anode gas in the anode system permeates the electrolyte membrane 111 and diffuses to the cathode electrode side. Since the diffused anode gas lowers the partial pressure of the cathode gas on the cathode electrode side, unnecessary power generation reaction in the fuel cell stack 1 during the system stop is suppressed. As a result, deterioration of the fuel cell stack 1 due to power generation can be suppressed.
アノードガスの放置開始圧力は、電解質膜111の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック1の内部インピーダンスに応じた最適圧に設定されている(図5参照)。そのため、放置停止処理後にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制することが可能となる。 The anode gas leaving start pressure is set to an optimum pressure corresponding to the internal impedance of the fuel cell stack 1 correlated with the wet state of the electrolyte membrane 111 (see FIG. 5). Therefore, it is possible to suppress the anode gas from diffusing more than necessary to the cathode electrode side after the leaving stop process.
図7のタイミングチャートを参照して、システム停止制御の一例について説明する。図7は、発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値以上となってドライ処理が終了し、放置前処理及び放置停止処理が実行される場合を例示している。 An example of system stop control will be described with reference to the timing chart of FIG. FIG. 7 illustrates a case where the absolute value of the change amount of the generated power consumption hydrogen is equal to or larger than the absolute value of the change amount of the diffusion consumption hydrogen amount, the dry process is finished, and the pre-leaving process and the leaving stop process are executed. ing.
図7に示すように、時刻t1でイグニッションスイッチ61がオンからオフに操作されると、コントローラ6は、システム停止要求があると判定し、システム停止制御を開始する。コントローラ6は、システム停止制御の一処理として、各燃料電池10の電解質膜111を乾燥させるドライ処理を実行する。
As shown in FIG. 7, when the
ドライ処理により電解質膜111の湿潤状態がドライ側に調整されるため、燃料電池スタック1の内部インピーダンスは徐々に増加していく。ドライ処理後に実行される放置停止処理のアノードガスの放置開始圧力にはカソード極側へのアノードガスの拡散を極力低減可能な最適圧があり、その最適圧は電解質膜111の湿潤状態、つまり内部インピーダンスに応じて変化する。 Since the wet state of the electrolyte membrane 111 is adjusted to the dry side by the dry treatment, the internal impedance of the fuel cell stack 1 gradually increases. There is an optimum pressure that can reduce the anode gas diffusion to the cathode electrode side as much as possible as the anode gas leaving start pressure in the leaving stop process that is performed after the dry treatment. The optimum pressure is the wet state of the electrolyte membrane 111, that is, the internal pressure. It changes according to the impedance.
コントローラ6は、図5の特性図を参照し、ドライ処理中に検出された燃料電池スタック1の内部インピーダンスに基づいて、アノード系内のアノードガス圧力を放置停止処理に最適な所定圧(放置開始圧力)に設定する。 The controller 6 refers to the characteristic diagram of FIG. 5 and sets the anode gas pressure in the anode system to a predetermined pressure optimum for the standstill stop process based on the internal impedance of the fuel cell stack 1 detected during the dry process. Pressure).
さらに、コントローラ6は、ドライ処理中に拡散消費水素量及び発電消費水素量を算出し(図7(C)及び(D)参照)、これら消費水素量の変化量を比較することで、ドライ処理の終了タイミングを判定している。時刻t2において、単位時間当たりの発電消費水素量の変化量(傾き)の絶対値が単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量(傾き)の絶対値以上になると、コントローラ6はドライ処理での発電によりアノードガスが無駄に消費されるおそれがあると判断し、ドライ処理を終了させる。 Furthermore, the controller 6 calculates the diffusion hydrogen consumption amount and the power generation hydrogen consumption amount during the dry processing (see FIGS. 7C and 7D), and compares the amount of change in these hydrogen consumption amounts to thereby perform the dry processing. Is determined. At time t2, when the absolute value of the change amount (slope) of the generated hydrogen consumption amount per unit time becomes equal to or greater than the absolute value of the change amount (slope) of the diffusion hydrogen consumption amount per unit time, the controller 6 performs the dry process. It is determined that the anode gas may be wasted due to power generation, and the dry process is terminated.
時刻t2において、システム停止制御はドライ処理から放置前処理に以降する。放置前処理では、カソードガスの供給を停止した状態で燃料電池スタック1の発電を行うことにより、出力電圧を所定電圧値まで低下させる。放置前処理中のアノードガス圧力は、ドライ処理終了時のアノードガス圧力のまま維持される。 At time t2, the system stop control is changed from the dry process to the pre-leaving process. In the leaving pretreatment, the output voltage is reduced to a predetermined voltage value by generating power in the fuel cell stack 1 while the supply of the cathode gas is stopped. The anode gas pressure during the pre-leaving process is maintained at the anode gas pressure at the end of the dry process.
時刻t3において燃料電池スタック1の出力電圧が所定電圧値まで低下すると、ドライ処理終了時のアノードガス圧力を放置開始圧力として放置停止処理が開始される。放置停止処理では、アノード調圧弁33及びパージ弁38が全閉状態に制御され、アノード系内にアノードガスが封入される。
When the output voltage of the fuel cell stack 1 drops to a predetermined voltage value at time t3, the standstill stop process is started with the anode gas pressure at the end of the dry process as the start start pressure. In the standstill stop process, the anode
アノード極側のアノードガスの一部は電解質膜111を透過してカソード極側に拡散するため、放置停止処理後のアノードガス圧力は緩やかに低下する。このように拡散したアノードガスによりカソード極側のカソードガスの分圧が低くなるため、システム停止中における燃料電池スタック1での不要な発電反応が抑えられる。さらに、放置開始圧力は内部インピーダンスに応じた最適圧に設定されているため(図5参照)、封入されたアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことが抑制される。 A part of the anode gas on the anode electrode side permeates the electrolyte membrane 111 and diffuses to the cathode electrode side, so that the anode gas pressure after the standing stop process gradually decreases. Since the diffused anode gas lowers the partial pressure of the cathode gas on the cathode electrode side, unnecessary power generation reaction in the fuel cell stack 1 during the system stop is suppressed. Furthermore, since the leaving start pressure is set to an optimum pressure corresponding to the internal impedance (see FIG. 5), the enclosed anode gas is prevented from diffusing more than necessary to the cathode electrode side.
上記した本実施形態の燃料電池システム100によれば、以下の効果を得ることができる。
According to the
燃料電池システム100のコントローラ6は、システム停止要求後に燃料電池スタックの内部インピーダンスを検出し、燃料電池スタック1のアノード系内のアノードガス圧力を内部インピーダンスに応じた所定圧に制御して、所定圧を放置開始圧力として放置停止処理を実行する。より具体的には、コントローラ6は、内部インピーダンスの値が大きいほど所定圧(放置開始圧力)を低下させる。
The controller 6 of the
このように、内部インピーダンスR(電解質膜111の湿潤状態)に応じた最適な放置開始圧力を設定することで、放置停止処理において必要最低限のアノードガスをアノード極側に封入することができる。これにより、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制でき、燃料電池システム100における燃費性能を改善することが可能となる。
In this way, by setting an optimum leaving start pressure according to the internal impedance R (wet state of the electrolyte membrane 111), the minimum necessary anode gas can be sealed on the anode electrode side in the leaving stop process. Thereby, it is possible to suppress the anode gas from diffusing more than necessary to the cathode electrode side during the leaving stop process, and to improve the fuel efficiency in the
燃料電池システム100のコントローラ6は、システム停止要求後に、燃料電池スタック1の電解質膜111を乾燥させるドライ処理を所定期間実行する。そして、コントローラ6は、ドライ処理中に燃料電池スタック1の内部インピーダンスを検出し、その内部インピーダンスに応じてアノードガス圧力(放置開始圧力)を設定する。このようにドライ処理を実行して電解質膜111を乾燥させることで、アノードガスが電解質膜111を通過しにくくなるので、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことをより確実に抑制できる。
The controller 6 of the
さらに、コントローラ6は、内部インピーダンスが予め設定された第1基準値を超えてから所定時間経過した場合にドライ処理を終了させる。電解質膜111が凍結しにくい状態まで乾燥した後、ドライ処理が無駄に長く実行されることを防止できる。 Furthermore, the controller 6 ends the dry process when a predetermined time has elapsed after the internal impedance exceeds the preset first reference value. It is possible to prevent the dry treatment from being performed unnecessarily for a long time after the electrolyte membrane 111 is dried to a state where it is difficult to freeze.
さらに、コントローラ6は、内部インピーダンスが第1基準値よりも大きく設定された第2基準値(ドライ限界値)を超えた場合にドライ処理を終了させる。これにより、電解質膜111が乾燥しすぎてしまうことを回避でき、ドライ処理に起因する燃料電池スタック1の劣化を抑制することが可能となる。 Further, the controller 6 ends the dry process when the internal impedance exceeds a second reference value (dry limit value) set to be larger than the first reference value. Thereby, it can avoid that the electrolyte membrane 111 dries too much, and it becomes possible to suppress degradation of the fuel cell stack 1 resulting from dry processing.
さらに、コントローラ6は、ドライ処理中の燃料電池スタック1の出力電流から演算された発電消費水素量を用いて単位時間当たりの発電消費水素量の変化量を算出し、ドライ処理中のアノードガス圧力から演算された拡散消費水素量を用いて単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量を算出する。そして、コントローラ6は、内部インピーダンスが第1基準値以上で、かつ発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散水素量の変化量の絶対値以上である場合にドライ処理を終了させる。 Further, the controller 6 calculates the amount of change in the amount of generated power consumption per unit time using the amount of generated power consumption hydrogen calculated from the output current of the fuel cell stack 1 during the dry process, and the anode gas pressure during the dry process The amount of change in diffusion hydrogen consumption per unit time is calculated using the diffusion hydrogen consumption calculated from Then, the controller 6 ends the dry process when the internal impedance is equal to or greater than the first reference value and the absolute value of the change amount of the generated hydrogen consumption is equal to or greater than the absolute value of the change amount of the diffusion hydrogen amount.
このように、コントローラ6は、発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値以上である場合に、ドライ処理中の発電でのアノードガス消費の増大に伴って燃費性能が悪化すると判断し、ドライ処理を終了させる。これにより、ドライ処理を適切なタイミングで終了させることができ、燃料電池システム100における燃費性能を改善することが可能となる。
Thus, when the absolute value of the change amount of the power generation hydrogen consumption is equal to or larger than the absolute value of the change amount of the diffusion hydrogen consumption, the controller 6 increases the anode gas consumption in the power generation during the dry process. It is determined that the fuel efficiency is deteriorated, and the dry process is terminated. Thereby, the dry process can be terminated at an appropriate timing, and the fuel efficiency in the
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.
本実施形態では、コントローラ6は、前述した(2)式に基づいて拡散消費水素量Ndを算出する。(2)式においてf(T)は、一定値であるとしたが、燃料電池スタック1の温度に応じて定まる補正係数としてもよい。燃料電池スタック1の温度には、例えば温度センサ44及び温度センサ45で検出される冷却液温度の平均値が採用される。そして、f(T)の値は、燃料電池スタック1の温度が高くなるほど大きく設定される。
In the present embodiment, the controller 6 calculates the diffusion hydrogen consumption amount Nd based on the above-described equation (2). In equation (2), f (T) is a constant value, but it may be a correction coefficient that is determined according to the temperature of the fuel cell stack 1. For example, an average value of the coolant temperature detected by the
(2)式に基づく拡散消費水素量Ndの算出に際し、燃料電池スタック1の温度に応じて定まる補正係数f(T)を用いることで、拡散消費水素量Ndの算出精度を高めることができる。その結果、図6のS108において、ドライ処理終了条件をより正確に判定することが可能となる。 When calculating the diffusion hydrogen consumption amount Nd based on the equation (2), the calculation accuracy of the diffusion hydrogen consumption amount Nd can be increased by using the correction coefficient f (T) determined according to the temperature of the fuel cell stack 1. As a result, it is possible to more accurately determine the dry processing end condition in S108 of FIG.
さらに、コントローラ6は、(2)式ではなく、以下の(3)式により拡散消費水素量Ndを算出するよう構成されてもよい。 Further, the controller 6 may be configured to calculate the diffusion consumption hydrogen amount Nd by the following equation (3) instead of the equation (2).
(3)式では、アノード極側体積Vanは、アノードガス圧力と燃料電池スタック1を冷却する冷却液の液圧との差圧に応じて定まる補正係数ΔVanにより補正される。 In the expression (3), the anode electrode side volume Van is corrected by a correction coefficient ΔVan that is determined according to the differential pressure between the anode gas pressure and the liquid pressure of the coolant that cools the fuel cell stack 1.
積層電池である燃料電池スタック1のアノード極側体積Vanはアノードガス圧力や冷却液の液圧に応じて変化する。例えば、燃料電池スタック1では、アノードガス圧が冷却液圧よりも相対的に大きくなればアノードガスにより各燃料電池10が押されてアノード極側体積Vanが大きくなり、冷却液圧がアノードガス圧よりも相対的に大きくなれば冷却液により各燃料電池10が押されてアノード極側体積Vanが小さくなる。したがって、図8に示すように、補正係数ΔVanは、アノードガス圧力Panから冷却液圧Pclを差し引いた差圧が大きくなるほど大きな値に設定される。
The anode electrode side volume Van of the fuel cell stack 1 which is a stacked battery varies depending on the anode gas pressure and the coolant pressure. For example, in the fuel cell stack 1, if the anode gas pressure becomes relatively larger than the coolant pressure, each
(3)式に基づく拡散消費水素量Ndの算出に際し、アノードガス圧力Panと冷却液圧Pclとの差圧に応じて定まる補正係数ΔVanを用いることで、拡散消費水素量Ndの算出精度を高めることができる。その結果、図6のS108において、ドライ処理終了条件をより正確に判定することが可能となる。なお、(3)式におけるf(T)は、(2)式の場合と同様に、燃料電池スタック1の温度に応じて定まる補正係数としてもよい。 In calculating the diffusion hydrogen consumption amount Nd based on the equation (3), the calculation accuracy of the diffusion hydrogen consumption amount Nd is improved by using a correction coefficient ΔVan determined according to the differential pressure between the anode gas pressure Pan and the coolant pressure Pcl. be able to. As a result, it is possible to more accurately determine the dry processing end condition in S108 of FIG. Note that f (T) in the equation (3) may be a correction coefficient determined according to the temperature of the fuel cell stack 1 as in the case of the equation (2).
さらに、コントローラ6は、(3)式ではなく、以下の(4)式により拡散消費水素量Ndを算出するよう構成されてもよい。 Further, the controller 6 may be configured to calculate the diffusion consumption hydrogen amount Nd not by the equation (3) but by the following equation (4).
(4)式では、拡散消費水素量Ndの算出に際し、アノード系内のアノードガス濃度(水素濃度)が考慮されている。補正係数Cは、燃料電池スタック1のアノード系内のアノードガス濃度に応じて定まる補正係数である。 In equation (4), the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the anode system is taken into account when calculating the diffusion hydrogen consumption amount Nd. The correction coefficient C is a correction coefficient determined according to the anode gas concentration in the anode system of the fuel cell stack 1.
燃料電池システム100では、アノードガス濃度が高くなるほど、放置停止処理時にアノード極側からカソード極側に拡散する水素量は多くなる。したがって、補正係数Cは、図9に示すようにアノードガス濃度が高くなるほど大きな値に設定される。
In the
(4)式に基づく拡散消費水素量Ndの算出に際し、燃料電池スタック1のアノード系内のアノードガス濃度に応じて定まる補正係数Cを用いることで、拡散消費水素量Ndの算出精度を高めることができる。その結果、図6のS108において、ドライ処理終了条件をより正確に判定することが可能となる。なお、(4)式におけるf(T)は、(2)式の場合と同様に、燃料電池スタック1の温度に応じて定まる補正係数としてもよい。 When calculating the diffusion hydrogen consumption amount Nd based on the equation (4), the correction coefficient C determined according to the anode gas concentration in the anode system of the fuel cell stack 1 is used to increase the calculation accuracy of the diffusion hydrogen consumption amount Nd. Can do. As a result, it is possible to more accurately determine the dry processing end condition in S108 of FIG. Note that f (T) in the equation (4) may be a correction coefficient determined according to the temperature of the fuel cell stack 1 as in the case of the equation (2).
本実施形態による燃料電池システム100のコントローラ6は、ドライ処理を実行した後に放置停止処理を実行するよう構成されているが、ドライ処理を実行せずに放置停止処理を実行するよう構成されてもよい。この場合には、システム停止要求後に燃料電池スタック1の内部インピーダンスを検出し、検出した内部インピーダンスに応じてアノードガス圧力を所定の放置開始圧力に制御した後に、放置停止処理を実行する。
The controller 6 of the
コントローラ6は、システム停止制御のS106〜S108においてドライ処理終了条件が成立したか否かを判定する。しかしながら、ドライ処理終了条件の判定としては、S106〜S108の全てを実行するのではなく、S106〜S108の処理のうち少なくとも一つの処理を実行すればよい。 The controller 6 determines whether or not the dry process end condition is satisfied in S106 to S108 of the system stop control. However, as the determination of the dry process end condition, it is only necessary to execute at least one of the processes of S106 to S108 instead of executing all of S106 to S108.
100 燃料電池システム
1 燃料電池スタック
4 冷却装置
6 コントローラ
10 燃料電池
111 電解質膜
25 カソードコンプレッサ
28 カソード調圧弁
31 高圧タンク
33 アノード調圧弁
34 アノード圧力センサ
38 パージ弁
44 温度センサ
45 温度センサ
51 電流センサ
52 電圧センサ
53 走行モータ
56 DC/DCコンバータ
60 コントローラ
61 イグニッションスイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
システム停止要求後に、前記燃料電池の内部インピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
前記燃料電池のアノードガス圧力を、前記内部インピーダンスとアノードガスの拡散速度とに基づく所定圧に制御する圧力制御部と、
前記所定圧を放置開始圧力として前記放置停止処理を実行する放置停止処理実行部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system that includes a fuel cell that generates power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and that performs a standstill stop process for stopping operation in a state where the anode gas is sealed in the anode system of the fuel cell,
After the system stop request, an impedance detector that detects the internal impedance of the fuel cell;
A pressure controller that controls the anode gas pressure of the fuel cell to a predetermined pressure based on the internal impedance and the diffusion rate of the anode gas ;
An unattended stop process executing unit for executing the unattended stop process with the predetermined pressure as an unstart start pressure;
A fuel cell system comprising:
前記圧力制御部は、前記内部インピーダンスの値が大きいほど前記所定圧を低下させる、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The pressure control unit decreases the predetermined pressure as the value of the internal impedance increases.
Fuel cell system.
システム停止要求後に、前記燃料電池の電解質膜を乾燥させるドライ処理を所定期間実行するドライ処理実行部をさらに備え、
前記インピーダンス検出部は、前記ドライ処理中に前記燃料電池の内部インピーダンスを検出し、
前記放置停止処理実行部は、前記ドライ処理後に前記放置停止処理を実行する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A dry process execution unit for executing a dry process for drying the electrolyte membrane of the fuel cell for a predetermined period after the system stop request;
The impedance detection unit detects an internal impedance of the fuel cell during the dry process,
The neglect stop process execution unit executes the neglect stop process after the dry process;
Fuel cell system.
前記ドライ処理実行部は、前記内部インピーダンスが予め設定された基準値を超えてから所定時間経過した場合に、前記ドライ処理を終了させる、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3,
The dry process execution unit terminates the dry process when a predetermined time has elapsed since the internal impedance exceeded a preset reference value.
Fuel cell system.
前記ドライ処理実行部は、前記内部インピーダンスが前記基準値よりも大きく設定されたドライ限界値を超えた場合に、前記ドライ処理を終了させる、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
The dry processing execution unit terminates the dry processing when the internal impedance exceeds a dry limit value set larger than the reference value.
Fuel cell system.
前記ドライ処理中の前記燃料電池の出力電流から、前記燃料電池の発電により消費された水素量である発電消費水素量を算出し、当該発電消費水素量を用いて単位時間当たりの発電消費水素量の変化量を算出する第1算出部と、
前記ドライ処理中のアノードガス圧力から、当該アノードガス圧力を放置開始圧力として前記放置停止処理を実行した場合におけるアノード極側からカソード極側へ拡散する水素量である拡散消費水素量を算出し、当該拡散消費水素量を用いて単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量を算出する第2算出部と、をさらに備え、
前記ドライ処理実行部は、前記内部インピーダンスが予め設定された基準値以上で、かつ前記発電消費水素量の変化量の絶対値が前記拡散消費水素量の変化量の絶対値以上である場合に、前記ドライ処理を終了させる、
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 3 to 5,
From the output current of the fuel cell during the dry treatment, a power generation consumption hydrogen amount that is the amount of hydrogen consumed by the power generation of the fuel cell is calculated, and the power generation consumption hydrogen amount per unit time is calculated using the power generation consumption hydrogen amount A first calculation unit for calculating a change amount of
From the anode gas pressure during the dry treatment, calculate the diffusion consumption hydrogen amount that is the amount of hydrogen that diffuses from the anode electrode side to the cathode electrode side in the case of performing the leaving stop process using the anode gas pressure as the leaving start pressure, A second calculator that calculates the amount of change in diffusion hydrogen consumption per unit time using the diffusion hydrogen consumption, and
The dry processing execution unit, when the internal impedance is greater than or equal to a preset reference value, and the absolute value of the amount of change in the generated hydrogen consumption is greater than or equal to the absolute value of the amount of change in the diffusion hydrogen consumption, Ending the dry treatment,
Fuel cell system.
前記第2算出部は、燃料電池温度に応じて定まる補正係数を用いて、前記拡散消費水素量を算出する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6,
The second calculation unit calculates the diffusion hydrogen consumption amount using a correction coefficient determined according to the fuel cell temperature.
Fuel cell system.
前記第2算出部は、アノードガス圧力と前記燃料電池を冷却する冷却液の液圧との差圧に応じて定まる補正係数を用いて、前記拡散消費水素量を算出する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6 or 7, wherein
The second calculation unit calculates the diffusion hydrogen consumption amount using a correction coefficient determined according to a differential pressure between an anode gas pressure and a liquid pressure of a coolant that cools the fuel cell.
Fuel cell system.
前記第2算出部は、前記燃料電池のアノード系内のアノードガスの濃度に応じて定まる補正係数を用いて、前記拡散消費水素量を算出する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 6 to 8,
The second calculation unit calculates the diffusion hydrogen consumption amount using a correction coefficient determined according to the concentration of the anode gas in the anode system of the fuel cell.
Fuel cell system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014222916A JP6442987B2 (en) | 2014-10-31 | 2014-10-31 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014222916A JP6442987B2 (en) | 2014-10-31 | 2014-10-31 | Fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016091697A JP2016091697A (en) | 2016-05-23 |
JP6442987B2 true JP6442987B2 (en) | 2018-12-26 |
Family
ID=56017037
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014222916A Active JP6442987B2 (en) | 2014-10-31 | 2014-10-31 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6442987B2 (en) |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002352827A (en) * | 2001-05-22 | 2002-12-06 | Denso Corp | Fuel cell system |
JP3826833B2 (en) * | 2002-04-19 | 2006-09-27 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
JP4753164B2 (en) * | 2006-10-23 | 2011-08-24 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP2009259758A (en) * | 2008-03-26 | 2009-11-05 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and operating method of fuel cell |
JP2010140871A (en) * | 2008-12-15 | 2010-06-24 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP5741320B2 (en) * | 2011-08-22 | 2015-07-01 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP5925076B2 (en) * | 2012-07-30 | 2016-05-25 | 本田技研工業株式会社 | Stop control method for fuel cell system |
-
2014
- 2014-10-31 JP JP2014222916A patent/JP6442987B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016091697A (en) | 2016-05-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110767924B (en) | Fuel cell system | |
JP4940640B2 (en) | Fuel cell system | |
KR101677408B1 (en) | Fuel cell system and method for controlling fuel cell system | |
JP5545378B2 (en) | Fuel cell system and vehicle equipped with the same | |
JP5790705B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP6164308B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4788322B2 (en) | Fuel cell system | |
US9853311B2 (en) | Fuel cell system and fuel cell powered vehicle | |
KR20190034664A (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP2013206625A (en) | Fuel cell system | |
JP2006236862A (en) | Fuel cell system and vehicle loading it | |
JP5023684B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL START-UP METHOD | |
JP5083603B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2008034309A (en) | Fuel battery system | |
JP6304366B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2008021448A (en) | Fuel cell system and fuel cell control method | |
JP6972920B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6442987B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6256270B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6187412B2 (en) | Method for estimating the amount of liquid water at the anode of a fuel cell | |
JP5935839B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2021184362A (en) | Fuel cell system | |
JP2020170650A (en) | Fuel cell system | |
JP2015076246A (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20161205 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170804 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180417 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180418 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180615 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20181030 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20181112 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6442987 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |