JP2010049915A - Fuel cell system and scavenging method for the same - Google Patents
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Abstract
【課題】適切なタイミングで掃気処理を行うことが可能な燃料電池システムの掃気方法を提供する。
【解決手段】冷却水温度検出工程S14の検出値を用いて冷却水温度変化率を検出する冷却水温度変化率検出工程と、アノードガス温度検出工程S12の検出値を用いて燃料電池の温度が第1所定温度以下であるか否かを判定するとともに、冷却水温度変化率検出工程S16において検出された冷却水温度変化率が所定温度変化率以下であるか否かを判定する判定工程S18と、判定工程S18において、燃料電池の温度が第1所定温度以下でありなおかつ冷却水温度変化率が所定温度変化率以下であると判定された場合に、掃気を行う掃気工程S22と、を有する。
【選択図】図2A scavenging method for a fuel cell system capable of performing a scavenging process at an appropriate timing.
A cooling water temperature change rate detecting step for detecting a cooling water temperature change rate using a detection value in a cooling water temperature detecting step S14, and a fuel cell temperature using a detection value in an anode gas temperature detecting step S12. A determination step S18 for determining whether or not the cooling water temperature change rate detected in the cooling water temperature change rate detection step S16 is less than or equal to a predetermined temperature change rate, as well as determining whether or not the first predetermined temperature or lower; The scavenging step S22 performs scavenging when it is determined in the determination step S18 that the temperature of the fuel cell is equal to or lower than the first predetermined temperature and the cooling water temperature change rate is equal to or lower than the predetermined temperature change rate.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a scavenging method for the fuel cell system.
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下「単位セル」という。)を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成されたアノードガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成されたカソードガス流路に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。また、この発電に伴って水が生成される(以下、生成水という。)。 In a fuel cell, a membrane electrode structure is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode from both sides, and a pair of separators are arranged on both sides of the membrane electrode structure to form a flat unit fuel. A battery (hereinafter referred to as “unit cell”) is configured, and a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack. In this fuel cell, a hydrogen gas is supplied as a fuel gas to an anode gas passage formed between the anode electrode and the anode side separator, and a cathode gas passage formed between the cathode electrode and the cathode side separator. Is supplied with air as an oxidant gas. As a result, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode electrode, and the cathode electrode causes an electrochemical reaction with oxygen in the air to generate power. Further, water is generated along with this power generation (hereinafter referred to as generated water).
この種の燃料電池において、反応ガス流路(燃料ガス流路および酸化ガス流路)に残った生成水(以下、残留水という。)は、膜電極構造体に対する燃料ガスおよび酸化ガスの供給の妨げになり、発電性能を低下させることになる。また、氷点下で燃料電池を駆動する場合には、残留水の凍結により、膜電極構造体における発電面積が低下して、発電性能を低下させることになる。
そこで、反応ガス流路内に掃気ガスを供給して残留水を除去する技術が提案されている。なお、燃料電池の温度が氷点下になる前に掃気を実施する必要がある。そこで特許文献1には、アノードガス流路内の掃気タイミングを、冷却系内の温度センサ(絶対値)で判定する技術が開示されている。
Therefore, a technique has been proposed in which scavenging gas is supplied into the reaction gas flow path to remove residual water. It is necessary to perform scavenging before the temperature of the fuel cell falls below freezing point. Therefore, Patent Document 1 discloses a technique for determining the scavenging timing in the anode gas flow path with a temperature sensor (absolute value) in the cooling system.
しかしながら、温度センサにオフセット故障が発生した際には、燃料電池の温度を正確に検出することができなくなる。そのため、燃料電池が氷点下になる前に掃気を実施することが困難になるという問題がある。この場合、燃料電池スタックの内部で生成水が凍結するため、燃料電池システムの起動性および発電性が低下することになる。
そこで本発明は、適切なタイミングで掃気処理を実施することが可能な燃料電池システムおよびその掃気方法の提供を課題とする。
However, when an offset failure occurs in the temperature sensor, the temperature of the fuel cell cannot be accurately detected. Therefore, there is a problem that it becomes difficult to perform scavenging before the fuel cell becomes below freezing point. In this case, since the generated water freezes inside the fuel cell stack, the startability and power generation performance of the fuel cell system are deteriorated.
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing a scavenging process at an appropriate timing and a scavenging method therefor.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、反応ガス流路(例えば、実施形態におけるアノードガス流路11またはカソードガス流路12)に反応ガス(例えば、実施形態における水素ガスまたは空気)を供給し発電を行う燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池1)と、前記燃料電池内部の冷媒流路(例えば、実施形態における冷媒流路40)に供給される冷却流体(例えば、実施形態における冷却水)と、前記反応ガス流路に掃気ガス(例えば、実施形態における空気)を供給する掃気ガス供給手段(例えば、実施形態におけるエアコンプレッサ7等)と、前記燃料電池の発電が停止している状態で、前記掃気ガスで前記燃料電池の内部を掃気する掃気制御部(例えば、実施形態におけるコントローラ60)と、を有する燃料電池システム(例えば、実施形態における燃料電池システム100)であって、前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出手段(例えば、実施形態におけるアノードガス温度センサT1)と、前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出手段(例えば、実施形態における冷却水温度センサT3)と、前記反応ガス温度検出手段の検出値または前記冷却流体温度検出手段の検出値のうち何れか一方の検出値(例えば、実施形態におけるアノードガス温度TH)を用いて、前記燃料電池の温度が第1所定温度(例えば、実施形態における第1所定温度A1)以下であるか否かを判定する第1判定部(例えば、実施形態におけるコントローラ60)と、前記第1判定部において使用しなかった他方の検出値(例えば、実施形態における冷却水温度TW)を用いて温度変化率(例えば、実施形態におけるTW変化率)を検出する温度変化率検出手段(例えば、実施形態におけるコントローラ60)と、前記第1判定部において前記燃料電池の温度が前記第1所定温度以下であると判定された際に、前記温度変化率検出手段により検出された温度変化率が所定温度変化率(例えば、実施形態における所定温度変化率D)以下であるか否かを判定する第2判定部(例えば、実施形態におけるコントローラ60)と、をさらに有し、前記掃気制御部は、前記第2判定部により温度変化率が前記所定温度変化率以下であると判定された際に掃気を行うことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is directed to a reactive gas flow path (for example, the anode
請求項2に係る発明は、前記第1判定部において、前記燃料電池の温度が前記第1所定温度を超えると判定された際には、前記第2判定部による判定を行わないことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that the determination by the second determination unit is not performed when the first determination unit determines that the temperature of the fuel cell exceeds the first predetermined temperature. To do.
請求項3に係る発明は、前記第1判定部において、前記燃料電池の温度が前記第1所定温度よりも低い第2所定温度(例えば、実施形態における第2所定温度A2)以下であると判定された場合には、前記掃気制御部による掃気を行うことを特徴とする。 In the invention according to claim 3, in the first determination unit, it is determined that the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a second predetermined temperature (for example, a second predetermined temperature A2 in the embodiment) lower than the first predetermined temperature. If it is, scavenging is performed by the scavenging control unit.
請求項4に係る発明は、反応ガス流路に反応ガスを供給し発電を行う燃料電池と、前記燃料電池内部の冷媒流路に供給される冷却流体と、前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記燃料電池の発電が停止している状態で、前記掃気ガスで前記燃料電池の内部を掃気する掃気制御部と、前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出手段と、前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出手段と、を有する燃料電池システムの掃気方法であって、前記反応ガス温度検出手段により前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出工程(例えば、実施形態におけるアノードガス温度検出工程S12)と、前記冷却流体温度検出手段により前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出工程(例えば、実施形態における冷却水温度検出工程S14)と、前記反応ガス温度検出工程の検出値または前記冷却流体温度検出工程の検出値のうち何れか一方の検出値を用いて、前記燃料電池の温度が第1所定温度以下であるか否かを判定する第1判定工程(例えば、実施形態における判定工程S18)と、前記第1判定工程において使用しなかった他方の検出値を用いて温度変化率を検出する温度変化率検出工程(例えば、実施形態における冷却水温度変化率検出工程S16)と、前記第1判定工程において前記燃料電池の温度が前記第1所定温度以下であると判定された際に、前記温度変化率検出工程において検出された温度変化率が所定温度変化率以下であるか否かを判定する第2判定工程(例えば、実施形態における判定工程S18)と、前記第2判定工程において温度変化率が前記所定温度変化率以下であると判定された際に、前記掃気制御部により掃気を行う掃気工程(例えば、実施形態における掃気工程S22)と、を有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that generates a power by supplying a reaction gas to a reaction gas channel, a cooling fluid supplied to a refrigerant channel inside the fuel cell, and a scavenging gas to the reaction gas channel. Scavenging gas supply means for supplying, scavenging control unit for scavenging the inside of the fuel cell with the scavenging gas in a state where power generation of the fuel cell is stopped, and reaction gas temperature detection for detecting the temperature of the reaction gas And a cooling fluid temperature detection means for detecting the temperature of the cooling fluid, the scavenging method of the fuel cell system, wherein the reaction gas temperature detection means detects the temperature of the reaction gas by the reaction gas temperature detection means (For example, the anode gas temperature detection step S12 in the embodiment) and the cooling fluid temperature detection step (for example, in the embodiment, the temperature of the cooling fluid is detected by the cooling fluid temperature detection means). The temperature of the fuel cell is set to a first predetermined temperature using one of a detection value of the cooling water temperature detection step S14), a detection value of the reaction gas temperature detection step, or a detection value of the cooling fluid temperature detection step. A temperature change that detects a rate of temperature change using a first determination step (for example, determination step S18 in the embodiment) for determining whether or not it is below and the other detection value that is not used in the first determination step. When the rate detection step (for example, the cooling water temperature change rate detection step S16 in the embodiment) and the first determination step determine that the temperature of the fuel cell is equal to or lower than the first predetermined temperature, the temperature change A second determination step (for example, determination step S18 in the embodiment) for determining whether or not the temperature change rate detected in the rate detection step is equal to or less than a predetermined temperature change rate; and the second determination step When it is determined that the temperature change rate is below the predetermined temperature change rate have, scavenging of performing scavenging by the scavenging control section (e.g., scavenging reaction process S22 in the embodiment) and is characterized by having a.
請求項5に係る発明は、第1判定工程において、前記燃料電池の温度が前記第1所定温度を超えると判定された際には、第2判定工程における判定を行わないことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is characterized in that in the first determination step, when it is determined that the temperature of the fuel cell exceeds the first predetermined temperature, the determination in the second determination step is not performed.
請求項6に係る発明は、第1判定工程において、前記燃料電池の温度が前記第1所定温度よりも低い第2所定温度以下であると判定された場合には、前記掃気工程を行うことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, when it is determined in the first determination step that the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a second predetermined temperature lower than the first predetermined temperature, the scavenging step is performed. Features.
請求項1または4に係る発明によれば、反応ガス温度検出手段の検出値または冷却流体温度検出手段の検出値のうち何れか一方の検出値を用いて、燃料電池の温度が第1所定温度以下であるか否かを判定するので、他方の温度検出手段にオフセット故障が発生した場合でも、燃料電池が氷点下になる前の適切なタイミングで掃気処理を行うことができる。
また、温度変化率が所定温度変化率以下であると判定された場合には、燃料電池の温度が外気温に接近した均熱状態であり、燃料電池内の水蒸気が最大限に結露している。この状態で掃気処理を行うことにより、燃料電池内の生成水を効率的に除去することができる。なお温度検出手段にオフセット故障が発生した場合でも、温度変化率を検出することにより、燃料電池が均熱状態であることを正確に把握することができる。
According to the first or fourth aspect of the present invention, the temperature of the fuel cell is set to the first predetermined temperature by using one of the detection value of the reaction gas temperature detection means and the detection value of the cooling fluid temperature detection means. Since it is determined whether or not it is below, even when an offset failure occurs in the other temperature detecting means, the scavenging process can be performed at an appropriate timing before the fuel cell becomes below freezing point.
Further, when it is determined that the temperature change rate is equal to or lower than the predetermined temperature change rate, the temperature of the fuel cell is in a soaking state close to the outside air temperature, and water vapor in the fuel cell is condensed to the maximum. . By performing the scavenging process in this state, the generated water in the fuel cell can be efficiently removed. Even when an offset failure occurs in the temperature detecting means, it is possible to accurately grasp that the fuel cell is in a soaking state by detecting the temperature change rate.
請求項2または5に係る発明によれば、燃料電池の温度が第1所定温度を超える場合には、燃料電池内で生成水が凍結するおそれはないので、掃気処理を中止することにより、無駄なエネルギー消費を防止することができる。 According to the invention according to claim 2 or 5, when the temperature of the fuel cell exceeds the first predetermined temperature, there is no possibility that the generated water will freeze in the fuel cell. Energy consumption can be prevented.
請求項3または6に係る発明によれば、外気温が極端に低く温度変化率が所定温度変化率以下にならない場合でも、燃料電池が氷点下になる前の適切なタイミングで掃気処理を行うことができる。 According to the invention of claim 3 or 6, even when the outside air temperature is extremely low and the temperature change rate does not fall below the predetermined temperature change rate, the scavenging process can be performed at an appropriate timing before the fuel cell becomes below freezing point. it can.
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
(燃料電池システム)
図1は、燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム100は、カソードガスとアノードガスを供給し発電を行う燃料電池1を備えている。燃料電池1は、単位燃料電池(以下「単位セル」という。)を多数積層して電気的に直列接続したものである。単位セルは、膜電極構造体の両側にセパレータを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜(電解質膜)の両側にアノード電極とカソード電極を配置して構成されている。その膜電極構造体のアノード電極に面してアノード側セパレータが配置され、両者間にアノードガス流路11が形成されている。また膜電極構造体のカソード電極に面してカソード側セパレータが配置され、両者間にカソードガス流路12が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system. The
この燃料電池1では、アノードガス流路11にアノードガスとして水素ガス等の燃料ガスを供給し、カソードガス流路12にカソードガスとして酸素を含む空気等の酸化剤ガスを供給する。すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動する。この水素イオンがカソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電が行われ、発電に伴ってカソード電極側で水が生成される。
In this fuel cell 1, a fuel gas such as hydrogen gas is supplied as an anode gas to the anode
燃料電池1のアノードガス流路11の入口側には、燃料ガス供給路17が接続されている。燃料ガス供給路17には、水素タンク15と、燃料ガスの流通を遮断する電磁遮断弁(不図示)と、酸化剤ガスの圧力に応じて燃料ガスを減圧する減圧弁(不図示)と、燃料ガス供給路17中の不純物を除去するフィルタ(不図示)と、燃料ガスの温度を調整する熱交換器(不図示)と、アノードオフガスを燃料ガス供給路17に合流させるエゼクタ19とが、順に設けられている。
A fuel
また、燃料電池1のアノードガス流路11の出口側からエゼクタ19にかけて、アノード循環路18が設けられている。
水素タンク15から供給された燃料ガスは、燃料ガス供給路17を通って燃料電池1のアノードガス流路11に供給される。アノードオフガスは、アノード循環路18を通ってエゼクタ19に吸引され、水素タンク15から供給される燃料ガスと合流し、再び燃料電池1に供給されて循環するようになっている。
An
The fuel gas supplied from the
アノード循環路18から、電磁駆動式のパージ弁21を介して、アノードオフガス排出配管22が分岐されている。燃料電池1を循環するアノードオフガス中の不純物(水分や空気、窒素等)の濃度が高くなった場合など、燃料電池1の運転状態に応じて、定期的にパージ弁21が開放され、アノードオフガス排出配管22からアノードオフガスが排出されるようになっている。またアノード循環路18から、電磁駆動式の掃気ガス排出弁21aを介して、掃気ガス排出配管22aが分岐されている。
アノードオフガスおよび掃気ガスは、未反応の燃料ガスを含んでいる。そのため、アノードオフガス排出配管22および掃気ガス排出配管22aは希釈器30に接続されている。希釈器30は、アノードオフガスおよび掃気ガスをカソードオフガスで希釈して、外部に排出するものである。
An anode off-
The anode off gas and the scavenging gas contain unreacted fuel gas. Therefore, the anode off
一方、燃料電池1のカソードガス流路12の入口側には、酸化剤ガス供給路8が連結されている。酸化剤ガス供給路8には、酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサ7と、カソードオフガスを用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器(不図示)とが設けられている。また、カソードガス流路12の出口側にはカソードオフガス排出配管9が接続されている。カソードオフガス排出配管9は、加湿器を通り、背圧制御弁10を介して希釈器30に接続されている。また酸化剤ガス供給路8からバイパス流路32が分岐され、希釈器30に接続されている。バイパス流路32には、バイパス流路32の連通状態を切り替える希釈換気弁(不図示)が設けられている。
エアコンプレッサ7により加圧された空気は、酸化剤ガス供給路8を通って燃料電池1のカソードガス流路12に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池1からカソードオフガスとして排出される。
On the other hand, an oxidant
The air pressurized by the air compressor 7 is supplied to the cathode
燃料電池1の内部には、冷却水が流通する冷媒流路40が設けられている。また燃料電池1の外部には冷媒循環路41が設けられ、冷却水は冷媒流路40および冷媒循環路41を循環するようになっている。冷媒循環路41には、冷媒流路40に冷却水を供給する冷却水ポンプ42が設けられている。また冷媒循環路41には、冷媒流路40から排出された冷却水の熱交換を行うFC系ラジエタ44が設けられている。
燃料電池1は発電にともなって発熱するが、冷媒流路40を流通する冷却水によって冷却される。燃料電池1から排出された冷却水は、FC系ラジエタ44で熱交換を行った後に、冷却水ポンプ42により再び燃料電池1に供給されて循環するようになっている。
Inside the fuel cell 1, a
The fuel cell 1 generates heat with power generation, but is cooled by cooling water flowing through the
(温度センサ)
アノードガス流路11の出口付近のアノード循環路18には、アノードガス(アノードオフガス)の温度を検出するアノードガス温度センサ(TH2STKOUT)T1が設けられている。またカソードガス流路12の出口付近のカソードオフガス排出配管9には、カソードガス(カソードオフガス)の温度を検出するカソードガス温度センサ(TASTKOUT)T2が設けられている。また冷媒流路40の出口付近の冷媒循環路41には、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ(TWSTKOUT)T3が設けられている。
(Temperature sensor)
An anode gas temperature sensor (TH2STKOUT) T1 for detecting the temperature of the anode gas (anode off gas) is provided in the
(掃気ガス供給手段)
燃料電池システム100は、反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段を備えている。具体的には、アノードガス流路11およびカソードガス流路12に対して、エアコンプレッサ7から空気を供給する。アノードガス流路11に空気を供給するため、酸化剤ガス供給路8から分岐して、掃気ガス導入路24が設けられている。この掃気ガス導入路24は、掃気ガス導入弁23を介して燃料ガス供給路17に接続されている。
(Scavenging gas supply means)
The
また燃料電池システム100は、各部の動作を制御するコントローラ60を備えている。コントローラ60は、アノードガス温度センサT1の検出値を用いて、燃料電池1の温度が第1所定温度以下であるか否かを判定する第1判定部として機能する。またコントローラ60は、冷却水温度センサT3の検出値を用いて温度変化率を検出する温度変化率検出手段として機能する。さらにコントローラ60は、検出された温度変化率が所定温度変化率以下であるか否かを判定する第2判定部として機能する。これらの詳細については後に述べる。
The
またコントローラ60は、燃料電池1の発電が停止している状態で反応ガス流路を掃気する掃気制御部として機能する。
アノードガス流路11を掃気する場合、まずコントローラ60は、希釈換気弁、燃料ガス遮断弁、循環遮断弁、パージ弁21および背圧制御弁10を閉鎖するとともに、掃気ガス導入弁23および掃気ガス排出弁21aを開放する。次にコントローラ60は、エアコンプレッサ7を作動させ、掃気ガスとして空気を供給する。エアコンプレッサ7から供給された空気は、背圧制御弁10が閉鎖されているためカソードガス流路12には流入せず、掃気ガス導入弁23が開放された掃気ガス導入路24に流入し、さらに掃気ガス排出弁21aが開放されているためアノードガス流路11に流入する。この掃気ガスは、アノードガス流路11に残留する生成水およびアノード電極に付着した生成水を伴って、掃気ガス排出配管22aから排出される。
Further, the
When scavenging the anode
カソードガス流路12を掃気する場合、まずコントローラ60は、希釈換気弁、燃料ガス遮断弁、循環遮断弁、掃気ガス導入弁23、パージ弁21および掃気ガス排出弁21aを閉鎖するとともに、背圧制御弁10を開放する。次にコントローラ60は、エアコンプレッサ7を作動させ、掃気ガスとして空気を供給する。エアコンプレッサ7から供給された空気は、掃気ガス導入弁23が閉鎖されているため掃気ガス導入路24には流入せず、背圧制御弁10が開放されているためカソードガス流路12に流入する。この掃気ガスは、カソードガス流路12に残留する生成水およびカソード電極に付着した生成水を伴って、カソードオフガス排出配管9から排出される。
When scavenging the cathode
(掃気方法)
次に、燃料電池システムの掃気方法について説明する。
図2は、本実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法のフローチャートである。掃気処理は、燃料電池1のソーク期間(燃料電池が停止してから次に起動するまでの期間)に行う。そのため図4のフローチャートは、イグニッションスイッチがオフされた状態からスタートする。
(Scavenging method)
Next, a scavenging method for the fuel cell system will be described.
FIG. 2 is a flowchart of the scavenging method of the fuel cell system according to the present embodiment. The scavenging process is performed during the soak period of the fuel cell 1 (the period from when the fuel cell is stopped until it is next started). Therefore, the flowchart of FIG. 4 starts from a state in which the ignition switch is turned off.
まずS10において、コントローラ60がRTC監視を開始する。具体的には、所定時間(例えば5分)ごとに各温度センサを起動して温度を検出する。次にS12において、アノードガス温度センサT1によりアノードガス温度THを検出する(アノードガス温度検出工程)。またS14において、冷却水温度センサT3により冷却水温度TWを検出する(冷却水温度検出工程)。次にS16において、TW変化率を検出する(冷却水温度変化率検出工程)。具体的には、今回検出したTWと前回検出したTWとの差を求める。
次にS18において、THが第1所定温度以下であるか判定し、なおかつTW変化率が所定温度変化率以下であるか判定する(判定工程)。そして、S18の判定がYesの場合(THが第1所定温度以下であり、なおかつTW変化率が所定温度変化率以下である場合)には、S22に進んで掃気処理を実施する(掃気工程)。
First, in S10, the
Next, in S18, it is determined whether TH is equal to or lower than the first predetermined temperature, and it is determined whether the TW change rate is equal to or lower than the predetermined temperature change rate (determination step). If the determination in S18 is Yes (TH is equal to or lower than the first predetermined temperature and the TW change rate is equal to or lower than the predetermined temperature change rate), the process proceeds to S22 and the scavenging process is performed (scavenging process). .
図3(a)はアノードガス温度(TH)の経時変化のグラフであり、図3(b)は冷却水温度(TW)変化率の径時変化のグラフである。なお図3では、イグニッションスイッチがオフされ燃料電池が運転停止した時間を0としている。図3(a)に示すように、燃料電池1が運転を停止してから、アノードガス温度センサT1の検出値であるアノードガス温度THは単調に低下する。カソードガス温度センサT2の検出値であるカソードガス温度TAおよび冷却水温度センサT3の検出値である冷却水温度TWについても同様である。なおTH,TAおよびTWは燃料電池の温度に比例するから、TH,TAおよびTWを用いて燃料電池の温度を推定することができる。 FIG. 3A is a graph of the change with time of the anode gas temperature (TH), and FIG. 3B is a graph of the change with time of the cooling water temperature (TW) change rate. In FIG. 3, the time when the ignition switch is turned off and the fuel cell is stopped is set to zero. As shown in FIG. 3A, the anode gas temperature TH, which is the detected value of the anode gas temperature sensor T1, decreases monotonously after the fuel cell 1 stops operating. The same applies to the cathode gas temperature TA, which is a detection value of the cathode gas temperature sensor T2, and the cooling water temperature TW, which is a detection value of the cooling water temperature sensor T3. Since TH, TA, and TW are proportional to the temperature of the fuel cell, the temperature of the fuel cell can be estimated using TH, TA, and TW.
一方、図3(b)に示すTW変化率は、冷却水温度TWと外気温との差に比例する。上記のように時間経過とともにTWが低下するので、図3(b)に示すように時間経過とともにTW変化率も低下している。そして長時間が経過し、燃料電池の温度が外気温に接近した均熱状態になると、TW変化率が0に接近する。 On the other hand, the TW change rate shown in FIG. 3B is proportional to the difference between the cooling water temperature TW and the outside air temperature. As described above, the TW decreases with the passage of time, so that the TW change rate also decreases with the passage of time as shown in FIG. When a long time elapses and the temperature of the fuel cell reaches a soaking state in which it approaches the outside air temperature, the TW change rate approaches zero.
ところで、掃気処理は燃料電池1が氷点下になる前に行う必要がある。そこで、例えば燃料電池の温度が10℃以下になった場合に掃気処理を行うことが考えられる。
ところが、冷却水温度センサT3にはオフセット故障が発生する場合がある。例えば+5℃のオフセット故障が発生した場合には、実際の冷却水温度が40℃であるにもかかわらず、冷却水温度センサT3の検出値は45℃を示すことになる。この場合、燃料電池の温度の推定を誤ることになり、適切なタイミングで掃気処理を行うことが困難になる。
By the way, the scavenging process needs to be performed before the fuel cell 1 becomes below freezing point. Therefore, for example, it is conceivable to perform the scavenging process when the temperature of the fuel cell becomes 10 ° C. or lower.
However, an offset failure may occur in the cooling water temperature sensor T3. For example, when an offset failure of + 5 ° C. occurs, the detected value of the cooling water temperature sensor T3 indicates 45 ° C. even though the actual cooling water temperature is 40 ° C. In this case, the temperature of the fuel cell is erroneously estimated, and it is difficult to perform the scavenging process at an appropriate timing.
そこで本実施形態では、図3(a)に示すように、アノードガス温度センサT1の検出値であるアノードガス温度THを用いて、燃料電池1の温度が第1所定温度A1(例えば10℃)以下であるか否かを判定する。なお、TH自体が第1所定温度以下であるか否かを判定してもよい。このようにアノードガス温度センサT1の検出値であるアノードガス温度THを用いることで、冷却水温度センサT3にオフセット故障が発生した場合でも、燃料電池1が氷点下になる前の適切なタイミングで掃気処理を行うことができる。
なお、アノードガス温度センサT1にオフセット故障が発生する場合もありうる。この場合には、THだけでなくTAやTWからも燃料電池1の温度を推定し、推定温度のうち最低値と第1所定温度とを比較すればよい。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 3A, the temperature of the fuel cell 1 is set to the first predetermined temperature A1 (for example, 10 ° C.) using the anode gas temperature TH that is a detection value of the anode gas temperature sensor T1. It is determined whether or not: In addition, you may determine whether TH itself is below 1st predetermined temperature. As described above, by using the anode gas temperature TH that is the detection value of the anode gas temperature sensor T1, even when an offset failure occurs in the cooling water temperature sensor T3, scavenging is performed at an appropriate timing before the fuel cell 1 becomes below freezing point. Processing can be performed.
An offset failure may occur in the anode gas temperature sensor T1. In this case, the temperature of the fuel cell 1 may be estimated not only from TH but also from TA and TW, and the lowest value of the estimated temperatures may be compared with the first predetermined temperature.
また本実施形態では、図3(b)に示すように、TW変化率が所定温度変化率D以下であるか否かを判定する。TW変化率は今回検出したTWと前回検出したTWとの差であるから、冷却水温度センサT3にオフセット故障が発生した場合でも、そのオフセット分を排除することができる。これにより、オフセット故障の有無にかかわらず、燃料電池が均熱状態であることを正確に把握することができる。
燃料電池が均熱状態になると、燃料電池内の水蒸気が最大限に結露する。この状態で掃気を行うことにより、燃料電池内の生成水を効率よく排出することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3B, it is determined whether or not the TW change rate is equal to or less than a predetermined temperature change rate D. Since the TW change rate is the difference between the TW detected this time and the TW detected last time, even if an offset failure occurs in the cooling water temperature sensor T3, the offset can be eliminated. Thereby, it is possible to accurately grasp that the fuel cell is in a soaking state regardless of the presence or absence of an offset failure.
When the fuel cell is in a soaking state, the water vapor in the fuel cell is fully condensed. By scavenging in this state, the generated water in the fuel cell can be efficiently discharged.
なお、燃料電池の温度が第1所定温度以下であるか否かを先に判定し(第1判定工程)、第1所定温度以下であると判定された際に、TW変化率が所定温度変化率以下であるか否かを判定してもよい(第2判定工程)。この第1判定工程において、燃料電池の温度が第1所定温度を超えると判定された際には、第2判定工程および掃気工程を行わない。燃料電池1の温度が第1所定温度を超える場合には、燃料電池内で生成水が凍結するおそれはないので、掃気処理を中止することにより、無駄なエネルギー消費を防止することができる。 Note that it is first determined whether or not the temperature of the fuel cell is equal to or lower than the first predetermined temperature (first determination step), and when it is determined that the temperature is equal to or lower than the first predetermined temperature, the TW change rate changes to the predetermined temperature. You may determine whether it is below a rate (2nd determination process). In this first determination step, when it is determined that the temperature of the fuel cell exceeds the first predetermined temperature, the second determination step and the scavenging step are not performed. When the temperature of the fuel cell 1 exceeds the first predetermined temperature, there is no possibility that the generated water will freeze in the fuel cell, so that wasteful energy consumption can be prevented by stopping the scavenging process.
図2に戻り、S18の判定がNoの場合には掃気処理を行わない。この場合はS20に進み、次回のTW変化率の検出用にTWを記憶して、S20のRTC監視を継続する。
一方、S22において掃気処理を行った後は、S24に進んでRTC監視を停止し、全ての処理を終了する。
Returning to FIG. 2, when the determination in S18 is No, the scavenging process is not performed. In this case, the process proceeds to S20, the TW is stored for detection of the next TW change rate, and the RTC monitoring in S20 is continued.
On the other hand, after the scavenging process is performed in S22, the process proceeds to S24 to stop the RTC monitoring, and all the processes are terminated.
図4は、本実施形態の変形例に係る燃料電池システムの掃気方法のフローチャートである。なお本実施形態と同じ工程については詳細な説明を省略する。
上述した実施形態では、THが第1所定温度(例えば10℃)以下になっても、TW変化率が所定温度変化率以下にならなければ、掃気処理を行わない。そのため、外気温が極端に低い場合には、燃料電池が氷点下になっても、TW変化率が所定温度変化率以下にならない可能性がある。
FIG. 4 is a flowchart of a scavenging method for a fuel cell system according to a modification of the present embodiment. Detailed description of the same steps as those in this embodiment will be omitted.
In the above-described embodiment, even if TH is equal to or lower than a first predetermined temperature (for example, 10 ° C.), the scavenging process is not performed unless the TW change rate is equal to or lower than the predetermined temperature change rate. Therefore, when the outside air temperature is extremely low, there is a possibility that the TW change rate does not fall below the predetermined temperature change rate even when the fuel cell is below freezing point.
そこで、この変形例では、S12においてアノードガス温度THを検出した後に、S13においてTHが第2所定温度(例えば5℃)より小さいか判定する。そして、S13の判定がYesの場合には、S22に進んで直ちに掃気処理を実施する。これにより、外気温が極端に低くTW変化率が所定温度変化率以下にならない場合でも、燃料電池が氷点下になる前の適切なタイミングで掃気処理を行うことができる。 Therefore, in this modification, after detecting the anode gas temperature TH in S12, it is determined in S13 whether TH is lower than a second predetermined temperature (for example, 5 ° C.). If the determination in S13 is Yes, the process proceeds to S22 and the scavenging process is immediately performed. As a result, even when the outside air temperature is extremely low and the TW change rate does not fall below the predetermined temperature change rate, the scavenging process can be performed at an appropriate timing before the fuel cell is below freezing point.
なお、この発明は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、実施形態ではアノードガス温度THと第1所定温度とを比較したが、カソードガス温度TAと第1所定温度とを比較してもよく、冷却水温度TWと第1所定温度とを比較してもよい。また、これらを組み合わせて行ってもよい。
一方、実施形態ではTW変化率と所定温度変化率とを比較したが、TH変化率と所定温度変化率とを比較してもよく、TA変化率と所定温度変化率とを比較してもよい。また、これらを組み合わせて行ってもよい。ただし、TH変化率やTA変化率に比べてTW変化率の変動幅は大きくなるので、TW変化率を採用すれば所定温度変化率との比較精度を高めることができる。
また、図1に示す燃料電池システムは一例であり、他の構成を採用してもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above.
For example, although the anode gas temperature TH and the first predetermined temperature are compared in the embodiment, the cathode gas temperature TA and the first predetermined temperature may be compared, and the cooling water temperature TW and the first predetermined temperature may be compared. May be. Moreover, you may carry out combining these.
On the other hand, in the embodiment, the TW change rate and the predetermined temperature change rate are compared, but the TH change rate and the predetermined temperature change rate may be compared, or the TA change rate and the predetermined temperature change rate may be compared. . Moreover, you may carry out combining these. However, since the fluctuation range of the TW change rate is larger than the TH change rate and the TA change rate, the use of the TW change rate can improve the accuracy of comparison with the predetermined temperature change rate.
The fuel cell system shown in FIG. 1 is an example, and other configurations may be adopted.
A1…第1所定温度 A2…第2所定温度 D…所定温度変化率 S12…アノードガス温度検出工程 S14…冷却水温度検出工程 S16…冷却水温度変化率検出工程 S18…判定工程 S22…掃気工程 T1…アノードガス温度センサ(反応ガス温度検出手段) T2…カソードガス温度センサ(反応ガス温度検出手段) T3…冷却水温度センサ(冷却流体温度検出手段) TA…カソードガス温度 TH…アノードガス温度 TW…冷却水温度 1…燃料電池 7…エアコンプレッサ(掃気ガス供給手段) 40…冷媒流路 60…コントローラ(掃気制御部、温度変化率検出手段、第1判定部、第2判定部)
A1 ... first predetermined temperature A2 ... second predetermined temperature D ... predetermined temperature change rate S12 ... anode gas temperature detection step S14 ... cooling water temperature detection step S16 ... cooling water temperature change rate detection step S18 ... determination step S22 ... scavenging step T1 ... anode gas temperature sensor (reaction gas temperature detection means) T2 ... cathode gas temperature sensor (reaction gas temperature detection means) T3 ... cooling water temperature sensor (cooling fluid temperature detection means) TA ... cathode gas temperature TH ... anode gas temperature TW ... Cooling water temperature 1 ... Fuel cell 7 ... Air compressor (scavenging gas supply means) 40 ...
Claims (6)
前記燃料電池内部の冷媒流路に供給される冷却流体と、
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記燃料電池の発電が停止している状態で、前記掃気ガスで前記燃料電池の内部を掃気する掃気制御部と、
を有する燃料電池システムであって、
前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出手段と、
前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出手段と、
前記反応ガス温度検出手段の検出値または前記冷却流体温度検出手段の検出値のうち何れか一方の検出値を用いて、前記燃料電池の温度が第1所定温度以下であるか否かを判定する第1判定部と、
前記第1判定部において使用しなかった他方の検出値を用いて温度変化率を検出する温度変化率検出手段と、
前記第1判定部において前記燃料電池の温度が前記第1所定温度以下であると判定された際に、前記温度変化率検出手段により検出された温度変化率が所定温度変化率以下であるか否かを判定する第2判定部と、
をさらに有し、
前記掃気制御部は、前記第2判定部により温度変化率が前記所定温度変化率以下であると判定された際に掃気を行うことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that supplies the reaction gas to the reaction gas channel to generate power;
A cooling fluid supplied to a refrigerant flow path inside the fuel cell;
A scavenging gas supply means for supplying a scavenging gas to the reaction gas flow path;
A scavenging control unit for scavenging the inside of the fuel cell with the scavenging gas in a state where power generation of the fuel cell is stopped;
A fuel cell system comprising:
Reaction gas temperature detection means for detecting the temperature of the reaction gas;
Cooling fluid temperature detection means for detecting the temperature of the cooling fluid;
It is determined whether or not the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a first predetermined temperature using one of the detection value of the reaction gas temperature detection means and the detection value of the cooling fluid temperature detection means. A first determination unit;
A temperature change rate detecting means for detecting a temperature change rate using the other detection value not used in the first determination unit;
Whether or not the temperature change rate detected by the temperature change rate detection means is less than or equal to a predetermined temperature change rate when the first determination unit determines that the temperature of the fuel cell is lower than or equal to the first predetermined temperature. A second determination unit for determining whether or not
Further comprising
The scavenging control unit performs scavenging when the second determination unit determines that the temperature change rate is equal to or less than the predetermined temperature change rate.
前記燃料電池内部の冷媒流路に供給される冷却流体と、
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記燃料電池の発電が停止している状態で、前記掃気ガスで前記燃料電池の内部を掃気する掃気制御部と、
前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出手段と、
前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出手段と、
を有する燃料電池システムの掃気方法であって、
前記反応ガス温度検出手段により前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出工程と、
前記冷却流体温度検出手段により前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出工程と、
前記反応ガス温度検出工程の検出値または前記冷却流体温度検出工程の検出値のうち何れか一方の検出値を用いて、前記燃料電池の温度が第1所定温度以下であるか否かを判定する第1判定工程と、
前記第1判定工程において使用しなかった他方の検出値を用いて温度変化率を検出する温度変化率検出工程と、
前記第1判定工程において前記燃料電池の温度が前記第1所定温度以下であると判定された際に、前記温度変化率検出工程において検出された温度変化率が所定温度変化率以下であるか否かを判定する第2判定工程と、
前記第2判定工程において温度変化率が前記所定温度変化率以下であると判定された際に、前記掃気制御部により掃気を行う掃気工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの掃気方法。 A fuel cell that supplies the reaction gas to the reaction gas channel to generate power;
A cooling fluid supplied to a refrigerant flow path inside the fuel cell;
A scavenging gas supply means for supplying a scavenging gas to the reaction gas flow path;
A scavenging control unit for scavenging the inside of the fuel cell with the scavenging gas in a state where power generation of the fuel cell is stopped;
Reaction gas temperature detection means for detecting the temperature of the reaction gas;
Cooling fluid temperature detection means for detecting the temperature of the cooling fluid;
A scavenging method for a fuel cell system comprising:
A reaction gas temperature detection step of detecting the temperature of the reaction gas by the reaction gas temperature detection means;
A cooling fluid temperature detection step of detecting a temperature of the cooling fluid by the cooling fluid temperature detection means;
It is determined whether or not the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a first predetermined temperature by using one of the detection value of the reaction gas temperature detection step and the detection value of the cooling fluid temperature detection step. A first determination step;
A temperature change rate detection step of detecting a temperature change rate using the other detection value not used in the first determination step;
Whether or not the temperature change rate detected in the temperature change rate detection step is less than or equal to a predetermined temperature change rate when it is determined in the first determination step that the temperature of the fuel cell is lower than or equal to the first predetermined temperature. A second determination step for determining whether or not
A scavenging step of scavenging by the scavenging control unit when it is determined in the second determination step that the temperature change rate is equal to or less than the predetermined temperature change rate;
A scavenging method for a fuel cell system.
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|---|---|---|---|---|
| JP2011198630A (en) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2022131744A (en) * | 2021-02-26 | 2022-09-07 | 三菱重工業株式会社 | Fuel cell temperature evaluation device, control device, and temperature evaluation method |
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