JP2009117066A - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM Download PDFInfo
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Abstract
【課題】負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を判定する。
【解決手段】燃料電池の電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、燃料電池の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定し、この実行条件を具備すると判定された場合に、電圧の低下幅と、燃料電池の電気的な抵抗の時系列的な推移とに基づいて、含水状態を判定する。
【選択図】図１A water content state of a fuel cell is determined in a system in which load fluctuation occurs.
From a time-series transition of a voltage of a fuel cell, it is determined whether or not an execution condition for determining a water content state of the fuel cell is provided based on a voltage decrease corresponding to a transient load increase. When it is determined that the execution condition is satisfied, the water content state is determined based on the voltage decrease width and the time-series transition of the electric resistance of the fuel cell.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を主体に構成されるが、その含水状態によって発電性能が左右される。そのため、効率的な発電を行うためには、燃料電池の含水状態を判定することが重要となっている。 Conventionally, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas (for example, air) is supplied to the oxidant electrode, and these gases are reacted electrochemically to generate power. There is known a fuel cell system including a fuel cell for performing the above. The fuel cell is mainly composed of a fuel cell structure in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and the power generation performance depends on the water content. Therefore, in order to perform efficient power generation, it is important to determine the water content state of the fuel cell.
例えば、特許文献１には、燃料電池の電気的な抵抗を時系列的に測定し、これら測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出することにより、電解質膜の湿潤状態を判断する手法が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、燃料電池の負荷が定常状態であることを前提として、抵抗のばらつきから、含水状態、すなわち、正常、水分過多、水分不足を判断しており、負荷が過渡的に変動するような場合には、含水状態を判定することが困難となるという問題がある。
However, according to the technique disclosed in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を判定することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to determine the moisture content of a fuel cell in a system in which load fluctuation occurs.
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池の電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、燃料電池の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定し、この実行条件を具備すると判定された場合に、電圧の低下幅と、燃料電池の電気的な抵抗の時系列的な推移とに基づいて、含水状態を判定する。 In order to solve such a problem, the present invention is for determining the moisture content of a fuel cell based on the voltage decrease corresponding to a transient load increase from the time-series transition of the voltage of the fuel cell. It is determined whether or not the execution condition is satisfied, and when it is determined that the execution condition is satisfied, the water content state is determined based on the voltage drop and the time-series transition of the electric resistance of the fuel cell. .
本発明によれば、負荷増加に応じて、燃料電池の含水状態を判定することができるので、負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を有効に判定することができる。 According to the present invention, the moisture content of the fuel cell can be determined according to the increase in load, and therefore the moisture content of the fuel cell can be effectively determined in a system in which load fluctuation occurs.
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。 FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle that is a moving body, and the vehicle is driven by electric power supplied from the fuel cell system.
燃料電池システムは、燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セル２を積層して構成され、個々の燃料電池セル２は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成される。この燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セル２において、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
The fuel cell system includes a
燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とをさらに有している。
The fuel cell system further includes a hydrogen system for supplying hydrogen to the
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。
In the hydrogen system, hydrogen, which is a fuel gas, is stored in a fuel tank 10 (for example, a high-pressure hydrogen cylinder), and is supplied from the
燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されており、水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といったガス循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、燃料極からの排出ガスが、水素循環流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１の供給側へと循環させられる。
Exhaust gas from the fuel electrode (gas containing unused hydrogen) is discharged from the
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下するといった不都合が生じるため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３の開き量を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される窒素量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。
By the way, in the case of using air as the oxidant gas, since impurities in the air permeate from the oxidant electrode to the fuel electrode, the impurities in the hydrogen circulation passage L2 including the fuel electrode increase and the hydrogen partial pressure decreases. Tend to. Here, the impurity is a non-fuel gas component other than hydrogen which is a fuel gas, and a typical example is nitrogen. If the amount of nitrogen is excessively increased, the output from the
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、コンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ４には、アフタークーラー２１、加湿装置２２が設けられており、コンプレッサ２０から供給される空気は、燃料電池スタック１での反応に適した温度まで冷却されるとともに、また、燃料電池スタック１での反応に適した湿度まで加湿される。酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５は、上述した加湿装置２２を経由して配設されており、これにより、加湿装置２２では、酸化剤極からの排出ガスと、コンプレッサ２０からの空気との間で水分の交換が行われ、コンプレッサ２０からの空気に対する加湿が行われる。また、空気排出流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ２３が設けられている。
In the air system, air that is an oxidant gas is pressurized by, for example, the
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水（熱媒体）が循環する閉ループ状の冷却流路Ｌ６を有しており、この冷却流路Ｌ６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、冷却流路Ｌ６内の冷却水が循環する。また、冷却流路Ｌ６には、ラジエータ３１と、このラジエータ３１を送風するファン３２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、冷却流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３１に流れ、ラジエータ３１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。
The cooling system has a closed loop cooling flow path L6 through which cooling water (heat medium) for cooling the
燃料電池スタック１には、電力取出装置３が接続されている。この電力取出装置３は、後述するコントロールユニット４０によって制御され、燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、燃料電池スタック１において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ（図示せず）に供給する。
A
コントロールユニット４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。コントロールユニット４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントロールユニット４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１３、コンプレッサ２０、アフタークーラー２１、空気調圧バルブ２３、冷却水循環ポンプ３０、ファン３２、電力取出装置３といった種々の要素を制御する。
The
本実施形態との関係において、コントロールユニット４０は、以下に示す機能を担っている。具体的には、コントロールユニット４０は、燃料電池スタック１の電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、燃料電池スタック１の含水状態判定を行う実行条件を具備するか判定する（第１の判定手段）。また、コントロールユニット４０は、実行条件を具備すると判定された場合に、電圧の低下幅と、燃料電池スタック１の電気的な抵抗の時系列的な推移とに基づいて、燃料電池スタック１の含水状態を判定する。
In relation to the present embodiment, the
コントロールユニット４０には、システムの状態を検出するために、電圧センサ４および抵抗センサ５各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。電圧センサ（電圧検出手段）４は、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段であり、本実施形態では、個々の燃料電池セル２を対象として、燃料電池セル２の電圧（以下「セル電圧」という）をそれぞれ検出する。抵抗センサ５は、燃料電池の電気的な抵抗を検出する抵抗検出手段であり、本実施形態では、個々の燃料電池セル２を対象として、燃料電池セル２の電気抵抗（以下「セル抵抗」という）をそれぞれ検出するセンサである。抵抗センサ５としては、例えば、交流抵抗計などを用いることができる。この抵抗センサ５が検出する抵抗は、セルとしての全体的な電気抵抗であり、電解質膜の抵抗のみならず、電解質膜、触媒層などを含む燃料電池構造体やセパレータのバルク抵抗、部材感の接触抵抗などを含む。また、燃料電池スタック１から取り出す電流（以下「取出電流」という）が電力取出装置３によって計測されており、この情報が電力取出装置３からコントロールユニット４０に入力されている。
Sensor signals from the voltage sensor 4 and the
なお、電圧センサ４および抵抗センサ５は、個々の燃料電池セル２を個別の検出対象とするのみならず、隣接する複数の燃料電池セル２を１セットとして、このセル群毎に検出を行ってもよいし、燃料電池スタック１の総体として、全ての燃料電池セル２を１セットとして、検出を行ってもよい。また、燃料電池スタック１を構成する全ての燃料電池セル２を対象とするのではなく、対象とする燃料電池セル２（あるいは、セル群）を選択して検出を行ってもよい。
Note that the voltage sensor 4 and the
図２は、本発明の実施形態に係るフラッディング判定処理を含む燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントロールユニット４０によって実行される。コントロールユニット４０は、個々の燃料電池セル２を処理対象として、フラッディング判定処理を実行する。また、コントロールユニット４０は、かかる処理を実行する前提として、電圧センサ４からセル電圧、抵抗センサ５からセル抵抗、電力取出装置３から取出電流を所定周期で取得し、これらの推移を時系列的にモニタリングしている。
FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of the control method of the fuel cell system including the flooding determination process according to the embodiment of the present invention. The process shown in this flowchart is executed by the
まず、ステップ１（Ｓ１）において、燃料電池スタック１の負荷が過渡的に増加したか否かが判断される。ドライバーがアクセルペダルを踏み込んだといったように、電力取出装置３によって燃料電池スタック１から取り出される電流が急激に増加すると、燃料電池スタック１の負荷が過渡的に増加する。単位時間あたりの負荷変動が小さい場合、すなわち、過渡的に負荷が変動しない場合には、セル電圧の低下も大きなものとはならない。そこで、本実施形態では、セル電圧が大きく低下するような負荷の増加、例えば、０．１A/cm2/sec以上の負荷の増加を過渡状態と規定する。
First, in step 1 (S1), it is determined whether or not the load on the
このステップ１において肯定判定された場合、すなわち、負荷が過渡的に増加した場合には、ステップ２（Ｓ２）に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、すなわち、負荷が過渡的に増加していない場合には、所定時間後に再度ステップ１の判断を行う。
If an affirmative determination is made in
ステップ２において、燃料電池スタック１の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか否かが判断される。この実行条件は、セル電圧の低下幅ΔＶが、定常状態のセル電圧である定常セル電圧の１％以上となっていることである。ここで、図３に示すように、定常セル電圧は、一定負荷状態におけるセル電圧の変動幅が±１mV/sec以内となってから、所定のサンプリング時間Ｔ１（例えば、１０sec）におけるセル電圧の平均値Ｖaveとする。また、セル電圧の低下幅ΔＶは、定常セル電圧Ｖaveと、過渡時におけるセル電圧の最小値Ｖlowとの差とする。ただし、定常セル電圧は、セル電圧の変動幅が±１mV/sec以内となる前、また、±１mV/sec以内となってからサンプリング時間Ｔ１に到達するまでの間に、過渡的な負荷増加が発生した場合には、その間の平均値とする。
In
ここで、セル電圧の低下幅ΔＶが、定常セル電圧の１％よりも小さい場合には、セル電圧の変化が小さい。そのため、このような状態は正常とみなし、燃料電池スタック１の含水状態判定を行わないこととする。なお、上記の「１％」は例示的な値であり、セル電圧の変化が小さく、燃料電池スタック１が正常であると見なせる範囲に設定されるのであれば、燃料電池スタックの特性等に応じて任意に設定することがことができる。
Here, when the cell voltage drop ΔV is smaller than 1% of the steady cell voltage, the change in the cell voltage is small. For this reason, it is assumed that such a state is normal, and the water content state determination of the
ステップ２において肯定判定された場合、すなわち、実行条件を具備する場合には（ΔＶ≧Ｖave×0.01）、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、すなわち、実行条件を具備しない場合には（ΔＶ＜Ｖave×0.01）、ステップ１に戻る。なお、上記の「１％」は例示的な値であり、セル電圧の変化が小さく、燃料電池スタック１が正常であると見なせる範囲に設定されるのであれば、燃料電池スタックの特性等に応じて任意に設定することがことができる。
If an affirmative determination is made in
ステップ３において、フラッディングが発生しているか否かが判断される。具体的には、セル電圧の低下幅ΔＶが、定常セル電圧の５％以上であるか否かが判断される。燃料電池スタック１の酸化剤極に供給されるガスが純酸素である場合、負荷が過渡的に増加した時でもセル電圧の低下はほとんど起こらない。すなわち、過渡的な負荷増加に対応してセル電圧が低下する場合は、酸化剤極における触媒層またはガス拡散層（ＧＤＬ）でのフラッディングに起因していると考えられる。そこで、負荷増加に対応したセル電圧の低下幅ΔＶが、定常セル電圧の５％以上である場合には、フラッディングが発生していると判断する。また、５％よりも小さいケースでは、セル電圧の変化が小さく、同様にセル抵抗の変化も小さいため、後述するようなフラッディング要因の判断が困難となる。
In
このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、フラッディングが発生している場合には（ΔＶ≧Ｖave×0.05）、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、フラッディングが発生していない場合には（ΔＶ＜Ｖave×0.05）、ステップ１に戻る。なお、上記の「５％」は例示的な値であり、燃料電池スタック１がフラッディングであるか否かを切り分ける値として設定されるのであれば、燃料電池スタック１の特性等に応じて任意に設定することがことができる。
If an affirmative determination is made in
ステップ４において、フラッディングの発生がドライに起因するか否かが判断される。ここで、ドライに起因するフラッディングは、燃料電池スタック１の乾燥状態を要因として生じるフラッディングのことである。具体的には、燃料電池スタック１の乾燥条件時、電解質膜の水移動性が低く、ガス拡散層の排水性が低い場合には、負荷変動にともなって増加したプロトン随伴水（水素イオンとともに移動する水分子）と生成水とが、電解質膜側およびガス拡散層側への移動が制限されることにより、酸化剤極側の触媒層（またはガス拡散層）で瞬間的に溢れ、酸素拡散を阻害するためにフラッディングが発生する。
In step 4, it is determined whether the occurrence of flooding is due to dryness. Here, flooding caused by dryness is flooding caused by the dry state of the
図４は、負荷増加タイミングＴtrとセル抵抗の時系列的な推移とを示す説明図である。同図（ａ）に示すように、ドライに起因するフラッディングの発生時には、定常状態に至るまでのセル抵抗の変化幅が大きく、極小値および極大値Ｒｐの峻険度が高い、すなわち、明確な極小値および極大値Ｒｐを有する傾向となる。このような傾向を判定すべく、本実施形態では、初期抵抗Ｒ０と最小抵抗Ｒlow（このケースでは極小値）との差（以下「初期抵抗差」という）ΔＲ１と、初期抵抗Ｒ０との比Ｓ１が０．２以上であり、セル抵抗の極大値Ｒｐと極小値との差（以下「極大抵抗差」という）ΔＲ２と、初期抵抗差ΔＲ１の比Ｓ２が０．４以上の場合、ドライに起因するフラッディングが発生していると判定する。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing the load increase timing Ttr and the time-series transition of the cell resistance. As shown in FIG. 5A, when flooding due to dryness occurs, the cell resistance change width until reaching a steady state is large, and the steepness of the minimum value and the maximum value Rp is high, that is, a clear minimum Tend to have a value and a maximum value Rp. In order to determine such a tendency, in the present embodiment, a ratio S1 between a difference (hereinafter referred to as “initial resistance difference”) ΔR1 between the initial resistance R0 and the minimum resistance Rlow (in this case, a minimum value) ΔR1 and the initial resistance R0. If the ratio S2 between the difference between the maximum value Rp and the minimum value of cell resistance (hereinafter referred to as “maximum resistance difference”) ΔR2 and the initial resistance difference ΔR1 is 0.4 or more, It is determined that flooding occurs.
ステップ４において肯定判定された場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングの場合には、ステップ５（Ｓ５）に進む。一方、ステップ４において否定判定された場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングではない場合には、ステップ（Ｓ６）に進む。なお、比Ｓ１と比較される判定値（本実施形態では、０．２）、および、比Ｓ２と比較される判定値（本実施形態では、０．４）は、例示的な値であり、燃料電池スタック１の特性等に応じて任意に設定することがことができる。具体的には、前者の判定値は、セル抵抗の変化幅を判定するための値であり、後者の判定値は、極小値および極大値の峻険度を判定するための値であり、実験やシミュレーションを通じて最適値を設定することができる。
When an affirmative determination is made in step 4, that is, in the case of flooding due to dryness, the process proceeds to step 5 (S5). On the other hand, if a negative determination is made in step 4, that is, if it is not flooding due to dryness, the process proceeds to step (S6). The determination value (0.2 in the present embodiment) compared with the ratio S1 and the determination value (0.4 in the present embodiment) compared with the ratio S2 are exemplary values. It can be arbitrarily set according to the characteristics of the
ステップ５において、要因フラグＦが「１」にセットされる。この要因フラグＦは、フラッディングの要因が反映されるフラグであり、初期的には「０」にセットされている。
In
ステップ６において、フラッディングの発生がウェットに起因するか否かが判断される。ここで、ウェットに起因するフラッディングは、燃料電池スタック１の湿潤状態を要因として生じるフラッディングのことである。具体的には、燃料電池スタック１の湿潤条件時、ガス拡散層の排水性が低い場合には、負荷変動にともなって増加したプロトン随伴水と生成水とが、ガス拡散層側への移動が制限されることにより、酸化剤極側の触媒層（またはガス拡散層）で瞬間的に溢れ、酸素拡散を阻害するためにフラッディングが発生する。なお、ウェットに起因するフラッディングは、過渡時に限らず定常でも発生する。
In step 6, it is determined whether the occurrence of flooding is due to wetness. Here, the flooding caused by wetness is flooding caused by the wet state of the
図４（ｂ）に示すように、ウェットに起因するフラッディングの発生時には、定常状態に至るまでのセル抵抗の変化幅が小さく、極小値および極大値Ｒｐの峻険度が低い、すなわち、明確な極大値Ｒｐおよび極小値を有しない傾向となる。このような傾向を判定すべく、本実施形態では、初期抵抗差ΔＲ１と、初期抵抗Ｒ０との比Ｓ１が０．１５以下の場合、ウェットに起因するフラッディングが発生していると判定する。 As shown in FIG. 4B, when flooding due to wet occurs, the change width of the cell resistance until reaching the steady state is small, and the steepness of the minimum value and the maximum value Rp is low, that is, a clear maximum. It tends to have no value Rp and local minimum. In order to determine such a tendency, in the present embodiment, when the ratio S1 between the initial resistance difference ΔR1 and the initial resistance R0 is 0.15 or less, it is determined that flooding due to wet has occurred.
ステップ６において肯定判定された場合、すなわち、ウェットに起因するフラッディングの場合には、ステップ７（Ｓ７）に進む。一方、ステップ６において否定判定された場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングではない場合には、ステップ（Ｓ８）に進む。なお、比Ｓ１と比較される判定値（本実施形態では、０．１５）は、例示的な値であり、燃料電池スタック１の特性等に応じて任意に設定することがことができる。具体的には、この判定値は、セル抵抗の変化幅を判定するための値であり、実験やシミュレーションを通じて最適値を設定することができる。
When an affirmative determination is made in step 6, that is, in the case of flooding due to wet, the process proceeds to step 7 (S7). On the other hand, if a negative determination is made in step 6, that is, if it is not flooding due to dryness, the process proceeds to step (S8). Note that the determination value (0.15 in this embodiment) compared with the ratio S1 is an exemplary value, and can be arbitrarily set according to the characteristics of the
ステップ８において、フラッディングを抑制するフラッディング抑制処理が行われる。この処理では、要因フラグＦが参照される。まず、要因フラグＦが「１」にセットされている場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングが生じている場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも増加させる制御を行う。空気の相対湿度を増加させる手法としては、例えば、アフタークーラー２１から排出される温度を低下させたり、冷却水の温度を低下させる等により燃料電池スタック１の入口側の空気温度を低下させたりするといった如くである。一方、水素の相対湿度を増加させる手法としては、冷却水温度を低下させる等により燃料電池スタック１の入口の水素温度を低下させるといった如くである。
In step 8, a flooding suppression process for suppressing flooding is performed. In this process, the factor flag F is referred to. First, when the factor flag F is set to “1”, that is, when flooding due to dryness has occurred, the relative humidity of air and the relative humidity of hydrogen supplied to the
これに対して、要因フラグＦが「２」にセットされている場合、すなわち、ウェットに起因するフラッディングが生じている場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも減少させる制御を行う。空気の相対湿度を減少させる手法としては、例えば、アフタークーラー２１から排出される温度を増加させたり、冷却水の温度を増加させる等により燃料電池スタック１の入口側の空気温度を増加させたりするといった如くである。また、加湿装置２２をバイパスする流路を設け、アフタークーラー２１から排出される空気をそのまま燃料電池スタック１へ供給してもよい。一方、水素の相対湿度を減少させる手法としては、冷却水の温度を増加させる等により燃料電池スタック１の入口側の水素温度を増加させるといった如くである。
On the other hand, when the factor flag F is set to “2”, that is, when flooding due to wet occurs, the relative humidity of the air supplied to the
また、要因フラグＦが「０」にセットされている場合、すなわち、フラッディングであるがその要因が判別できない場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を現在の状態よりも増加させる制御を行う。空気の流量を増加させる手法としては、例えば、コンプレッサ２０の回転数を増加させるといった如くである。
When the factor flag F is set to “0”, that is, when the factor is flooding but the factor cannot be determined, the flow rate of the air supplied to the
要因フラグＦに応じたフラッディング抑制処理を行い、一連の手順が終了する。この際、要因フラグＦは、「０」にリセットされる。 A flooding suppression process corresponding to the factor flag F is performed, and a series of procedures ends. At this time, the factor flag F is reset to “0”.
このように本実施形態では、セル電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応したセル電圧の低下幅に基づいて、含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定し、この実行条件を具備すると判定された場合に、セル電圧の低下幅と、セル抵抗の時系列的な推移とに基づいて、含水状態を判定する。このため、負荷変動（負荷増加）に応じて、含水状態を判定することができるので、負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を有効に判定することができる。 As described above, in the present embodiment, it is determined from the time series transition of the cell voltage whether or not the execution condition for performing the moisture content determination is provided based on the decrease width of the cell voltage corresponding to the transient load increase. When it is determined that the execution condition is satisfied, the water content state is determined based on the decrease width of the cell voltage and the time-series transition of the cell resistance. For this reason, since a moisture content state can be determined according to a load fluctuation (load increase), the moisture content state of the fuel cell can be effectively determined in a system in which the load fluctuation occurs.
また、本実施形態では、含水状態としてフラッディングを判定した場合には、さらに、フラッディングの要因を判定する。特に、抵抗の変化幅と、抵抗変化における極大値および極小値の峻険度とに基づいて、フラッディングが、燃料電池の乾燥状態に起因するのか、それとも燃料電池の湿潤状態に起因するのか判定する。これにより、フラッディングの要因を把握することができるので、その後に、フラッディングを抑制するための適切な処置を施すことが可能となる。 Moreover, in this embodiment, when flooding is determined as a water-containing state, the factor of flooding is further determined. In particular, whether the flooding is caused by the dry state of the fuel cell or the wet state of the fuel cell is determined based on the change width of the resistance and the steepness of the maximum value and the minimum value in the resistance change. As a result, the cause of flooding can be grasped, and thereafter appropriate measures for suppressing flooding can be taken.
また、本実施形態では、フラッディングの要因に応じて、フラッディングを抑制する抑制処理が実行される。これにより、フラッディングを効果的に抑制することができる。 In the present embodiment, a suppression process for suppressing flooding is executed according to the cause of flooding. Thereby, flooding can be suppressed effectively.
また、本実施形態では、ドライ起因のフラッディングの場合、抑制処理として、供給される空気および水素の湿度をそれぞれ増加させている。これにより、電解質膜と触媒層中の電解質成分の含水量が多くなり、電解質内で水の移動経路が多く存在するため、過渡時に瞬間的に生成された水が速やかに移動できるようになり、ドライ起因のフラッディングを抑制することができる。 In the present embodiment, in the case of flooding due to dryness, the humidity of the supplied air and hydrogen is increased as suppression processing. As a result, the water content of the electrolyte component in the electrolyte membrane and the catalyst layer increases, and there are many water movement paths in the electrolyte, so that the water generated instantaneously at the time of transition can move quickly, Flooding caused by dryness can be suppressed.
加えて、フラッディングを抑制することにより、図５に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
In addition, by suppressing flooding, a decrease in cell voltage can be suppressed even when the load increases transiently as shown in FIG. Thereby, electric power corresponding to the required load can be obtained from the
また、本実施形態では、ウェット起因のフラッディングの場合、供給される空気の湿度を減少させている。これにより、触媒層、ガス拡散層の乾燥が促進されるため、過渡時に瞬間的に水が増えても、触媒層やガス拡散層の水が過剰になることを抑制することができる。これにより、ウェット起因のフラッディングを抑制することができる。フラッディングを抑制することにより、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。
In the present embodiment, in the case of flooding due to wetness, the humidity of the supplied air is reduced. Thereby, since drying of a catalyst layer and a gas diffusion layer is accelerated | stimulated, even if water increases instantaneously at the time of a transient, it can suppress that the water of a catalyst layer or a gas diffusion layer becomes excess. Thereby, the flooding resulting from wetness can be suppressed. By suppressing flooding, a decrease in cell voltage can be suppressed even if the load increases transiently. Thereby, electric power corresponding to the required load can be obtained from the
さらに、本実施形態では、フラッディングの要因が判定されない場合には、供給される空気の流量を増加させている。これにより、酸素濃度を高くすることができ、図９に示すように、過渡時におけるセル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。ここで、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
Furthermore, in this embodiment, when the factor of flooding is not determined, the flow rate of the supplied air is increased. As a result, the oxygen concentration can be increased, and as shown in FIG. 9, it is possible to suppress a decrease in the cell voltage during the transition. Thereby, electric power corresponding to the required load can be obtained from the
なお、上述した本実施形態では、ドライに起因するフラッディングが生じている場合には（Ｆ＝１）、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも増加させる制御を行っているが、これ以外にも、以下に示すような手法により、フラッディングを抑制してもよい。
In the above-described embodiment, when flooding due to dryness occurs (F = 1), the relative humidity of the air supplied to the
まず、第１の手法としては、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度のみを現在の状態よりも増加させる制御を行う。このように、カソード供給ガスの相対湿度のみでも、フラッディングを抑制することが可能となる。また、フラッディングを抑制することにより、図６に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
First, as a first method, control is performed to increase only the relative humidity of the air supplied to the
第２の手法としては、燃料電池スタック１に供給される水素の相対湿度よりも空気の相対湿度が高くなるように、水素および空気の相対湿度を制御する（数式１参照）。 As a second method, the relative humidity of hydrogen and air is controlled so that the relative humidity of air is higher than the relative humidity of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 (see Formula 1).
（数式１）
ＲＨｃ’＞ＲＨｃ
ＲＨｃ’＞ＲＨａ’
ここで、ＲＨｃは現在（制御前）の空気の相対湿度、ＲＨｃ’は制御後の空気の相対湿度である。また、ＲＨａ’は、制御後の水素の相対湿度である。
(Formula 1)
RHc '> RHc
RHc '>RHa'
Here, RHc is the relative humidity of the current air (before control), and RHc ′ is the relative humidity of the air after control. RHa ′ is the relative humidity of hydrogen after control.
かかる手法によれば、水の逆拡散が起こるため、電解質膜内において、水の流れが酸化剤極から燃料極側となる。この状態で負荷が過渡的に増加し、瞬間的に生成水が増大しても、燃料極側へと水移動がスムーズに起こり、フラッディングを抑制することができる。フラッディングを抑制することにより、図７に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
According to such a method, since reverse diffusion of water occurs, the flow of water moves from the oxidizer electrode to the fuel electrode side in the electrolyte membrane. Even if the load increases transiently in this state and the generated water instantaneously increases, water can smoothly move to the fuel electrode side, and flooding can be suppressed. By suppressing flooding, as shown in FIG. 7, even if the load increases transiently, it is possible to suppress a decrease in cell voltage. Thereby, electric power corresponding to the required load can be obtained from the
第３の手法としては、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を現在の状態よりも増加させる制御を行う。これにより、酸化剤極側の含水量が増大することで、酸化剤極から燃料極への水の逆拡散が促進される。そのため、この状態で瞬間的に生成水が増大しても、速やかに燃料極側へと水移動が起こり、また、空気の圧力を増加させることにより、酸素分圧が増加するため、フラッディングを抑制することができる。フラッディングを抑制することにより、図８に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
As a third method, control is performed to increase the pressure of the air supplied to the
また、本実施形態では、ウェットに起因するフラッディングが生じている場合には（Ｆ＝２）、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも減少させる制御を行っているが、これ以外にも、以下に示すような手法により、フラッディングを抑制してもよい。
Further, in this embodiment, when flooding due to wet occurs (F = 2), the relative humidity of air and the relative humidity of hydrogen supplied to the
具体的には、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を現在の状態よりも増加させるとともに、空気の圧力を現在の状態よりも減少させる制御を行う。これにより、空気流量を高く、空気圧力を低くすることで、フラッディングを抑制することが可能となる。
Specifically, control is performed to increase the flow rate of air supplied to the
１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池セル
３ 電力取出装置
４ 電圧センサ
５ 抵抗センサ
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素循環ポンプ
１３ パージバルブ
２０ コンプレッサ
２１ アフタークーラー
２２ 加湿装置
２３ 空気調圧バルブ
３０ 冷却水循環ポンプ
３１ ラジエータ
３２ ファン
４０ コントロールユニット
DESCRIPTION OF
Claims (14)
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
燃料電池の電気的な抵抗を検出する抵抗検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出される電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、前記燃料電池の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定する第１の判定手段と、
前記判定手段によって実行条件を具備すると判定された場合に、前記電圧の低下幅と、前記抵抗検出手段によって検出される抵抗の時系列的な推移とに基づいて、前記燃料電池の含水状態を判定する第２の判定手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
Voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell;
Resistance detection means for detecting the electrical resistance of the fuel cell;
Does the fuel cell have an execution condition for determining the moisture content of the fuel cell based on the voltage decrease corresponding to the transient load increase from the time-series transition of the voltage detected by the voltage detection means? First determining means for determining;
When the determination unit determines that the execution condition is satisfied, the water content state of the fuel cell is determined based on the voltage decrease width and the time-series transition of the resistance detected by the resistance detection unit. And a second determination means.
前記燃料電池の電圧を検出するステップと、
燃料電池の電気的な抵抗を検出するステップと、
検出される電圧の時系列的な推移を参照し、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、前記燃料電池の含水状態判定を行う実行条件を具備するか判定するステップと、
前記実行条件を具備すると判定された場合に、前記電圧の低下幅と、前記抵抗検出手段によって検出される抵抗の時系列的な推移とに基づいて、前記燃料電池の含水状態を判定するステップと
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In a control method of a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas,
Detecting the voltage of the fuel cell;
Detecting the electrical resistance of the fuel cell;
A step of referring to a time-series transition of the detected voltage and determining whether or not an execution condition for performing a moisture content determination of the fuel cell is provided based on a voltage decrease corresponding to a transient load increase;
Determining a water content state of the fuel cell based on a decrease width of the voltage and a time-series transition of the resistance detected by the resistance detection unit when it is determined that the execution condition is satisfied; A control method for a fuel cell system, comprising:
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2007
- 2007-11-02 JP JP2007286028A patent/JP2009117066A/en active Pending
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