JP2008077968A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池として、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持して膜電極構造体（ＭＥＡ）を構成し、その両側をセパレータで挟持してセルを形成し、そのセルを所定数積層してスタックを形成した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燃料ガス流路が形成され、カソード電極とカソード側セパレータとの間に酸化ガス流路が形成されている。この燃料ガス流路に燃料ガス（水素ガス）を供給し酸化ガス流路に酸化ガス（空気）を供給すれば、水素と酸素との電気化学反応によって発電が行われる。この発電に伴って、酸化ガス流路に水が生成される（以下、生成水という。）。 In recent years, a fuel cell vehicle provided with a fuel cell as a vehicle drive source has been proposed. As this type of fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode to form a membrane electrode structure (MEA), and both sides thereof are sandwiched between separators to form a cell. A stack is formed by stacking several layers. In this fuel cell, a fuel gas flow path is formed between the anode electrode and the anode side separator, and an oxidizing gas flow path is formed between the cathode electrode and the cathode side separator. If fuel gas (hydrogen gas) is supplied to the fuel gas channel and oxidizing gas (air) is supplied to the oxidizing gas channel, power generation is performed by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Accompanying this power generation, water is generated in the oxidizing gas flow path (hereinafter referred to as generated water).
この種の燃料電池において、酸化ガス流路に残った生成水は、ＭＥＡに対する酸化ガスの供給の妨げになる。またカソード電極に溜まった生成水は発電有効面積を減少させる。これにより、燃料電池の発電性能が低下することになる。そこで、酸化ガス流路を酸化ガス（空気）により掃気して、生成水を排出する処理が行われている。 In this type of fuel cell, the generated water remaining in the oxidizing gas flow path hinders the supply of oxidizing gas to the MEA. In addition, the water generated at the cathode electrode reduces the effective power generation area. As a result, the power generation performance of the fuel cell is reduced. Therefore, a process is performed in which the oxidizing gas passage is scavenged with oxidizing gas (air) and the generated water is discharged.
近年では電解質膜が薄膜化される傾向にあるため、酸化ガス流路に存在する生成水が、電解質膜を通って燃料ガス流路に移動する。そのため、長時間（例えば、積算で１０００時間以上）の発電後には、燃料ガス流路に相当の生成水が蓄積される。この場合、通常の酸化ガス流路への掃気のみでは、発電性能を回復することが困難である。 In recent years, since the electrolyte membrane tends to be thinned, the generated water existing in the oxidizing gas passage moves to the fuel gas passage through the electrolyte membrane. Therefore, after a long period of power generation (for example, 1000 hours or more in total), considerable generated water is accumulated in the fuel gas flow path. In this case, it is difficult to recover the power generation performance only by scavenging the normal oxidizing gas flow path.
そこで特許文献１には、燃料電池の抵抗を測定しながら、燃料電池の抵抗が燃料電池の通常の抵抗の少なくとも五倍に増加するまで燃料流れ区域および空気流れ区域のうち少なくとも一つに水分吸収気体を流す方法が提案されている。また特許文献２には、燃料極を掃気処理する掃気バルブを備え、燃料電池の起動運転時におけるバルブ制御と定常運転時におけるバルブ制御とを切り替えて実行するシステムが提案されている。
図１０は、燃料電池の発電性能の低下を示すグラフである。このグラフの横軸は発電積算時間であり、縦軸は２００Ａの電流出力時における燃料電池の出力電圧である。図１０のグラフには、所定の発電積算時間ごとに測定されたＩＶ性能（出力電圧）の値がプロットされている。発電積算時間の経過とともに燃料電池のＩＶ性能は低下しているが、特にグラフの右半部ではＩＶ性能の低下率が大きくなっている。直線Ｌ１で示されるＩＶ性能の低下は、電解質膜の劣化に起因するものであり、直線Ｌ２で示されるＩＶ性能の低下は、燃料ガス流路における生成水の蓄積に起因するものである。 FIG. 10 is a graph showing a decrease in power generation performance of the fuel cell. The horizontal axis of this graph is the power generation integration time, and the vertical axis is the output voltage of the fuel cell at the time of current output of 200A. In the graph of FIG. 10, the value of the IV performance (output voltage) measured every predetermined power generation integration time is plotted. Although the IV performance of the fuel cell is decreasing with the lapse of the power generation integration time, the rate of decrease in IV performance is particularly large in the right half of the graph. The decrease in IV performance indicated by the straight line L1 is due to deterioration of the electrolyte membrane, and the decrease in IV performance indicated by the straight line L2 is due to accumulation of generated water in the fuel gas flow path.
図１０において、格子状のハッチングが施された第１領域Ａ１は、燃料電池の発電が安定していない領域であり、それ以外の第２領域Ａ２は、燃料電池の発電が安定している領域である。第２領域Ａ２では所定の直線上にＩＶ性能がプロットされるのに対して、第１領域Ａ１ではその直線から離れた位置にＩＶ性能がプロットされる。この第１領域Ａ１にプロットされるＩＶ性能を採用すると、ＩＶ性能の低下率が直線Ｌ３で示されることになる。この場合、燃料電池のＩＶ性能の低下判断を的確に行うことができないという問題がある。 In FIG. 10, the first area A <b> 1 with grid-like hatching is an area where the power generation of the fuel cell is not stable, and the other second area A <b> 2 is an area where the power generation of the fuel cell is stable It is. In the second area A2, the IV performance is plotted on a predetermined straight line, whereas in the first area A1, the IV performance is plotted at a position away from the straight line. When the IV performance plotted in the first region A1 is adopted, the rate of decrease in IV performance is indicated by a straight line L3. In this case, there is a problem that it is impossible to accurately determine the deterioration of the IV performance of the fuel cell.
このように、燃料電池の発電が安定していない場合や、長期間にわたって発電性能の低下が進行する場合には、正確な発電性能の把握が困難であり、発電性能の低下判断を的確に行うことができない。誤って発電性能が低下したと判断し掃気処理を実施すると、電解質膜を過乾燥させることになり、かえって発電性能を低下させることになる。
そこで本発明は、燃料電池の発電性能の低下判断を的確に行うことが可能であり、発電性能を回復させることが可能な燃料電池システムの提供を課題とする。
As described above, when the power generation of the fuel cell is not stable or when the deterioration of the power generation performance proceeds over a long period of time, it is difficult to accurately grasp the power generation performance, and the determination of the decrease in the power generation performance is made accurately. I can't. If it is determined that the power generation performance has been mistakenly reduced and the scavenging process is performed, the electrolyte membrane is overdried, which in turn reduces the power generation performance.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can accurately determine a decrease in power generation performance of a fuel cell and can recover the power generation performance.
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（例えば、実施形態における水素ガス）が流通する反応ガス流路（例えば、実施形態における燃料ガス流路５）を有し、該反応ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池が発電している時間を積算する発電時間積算部（例えば、実施形態における発電時間積算部７２）と、前記燃料電池の発電性能（例えば、実施形態におけるＩＶ性能）を検出する発電性能検出部（例えば、実施形態におけるＩＶ性能検出部７４）と、前記燃料電池の発電が安定しているかを判断する発電安定性判断部（例えば、実施形態における発電安定性判断部７６）と、検出した発電性能を記録する発電性能記録部（例えば、実施形態におけるＩＶ性能記録部７８）と、発電積算時間の所定時間における発電性能の低下率により前記燃料電池の発電性能の低下を判定する発電性能低下判定部（例えば、実施形態におけるＩＶ性能低下判定部８０）と、前記反応ガス流路を回復掃気する回復掃気手段（例えば、実施形態におけるエアコンプレッサ７等）と、を備え、前記発電安定性判断部により発電が安定していると判断された場合のみ前記発電性能記録部により発電性能を記録し、前記発電性能低下判定部により発電性能が低下していると判定されたとき、前記回復掃気手段により前記反応ガス流路を回復掃気することを特徴とする。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 has a reaction gas flow path (for example, the fuel
請求項２に係る発明は、前記発電安定性判断部は、前記燃料電池の温度が所定値以上である場合に発電が安定していると判断することを特徴とする。
The invention according to
請求項３に係る発明は、前記発電安定性判断部は、前記燃料電池の発電が所定時間以上継続されている場合に発電が安定していると判断することを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that the power generation stability determination unit determines that power generation is stable when power generation of the fuel cell is continued for a predetermined time or more.
請求項４に係る発明は、前記燃料電池の発電が停止しているときに回復掃気が実施可能であると判断する回復掃気実施可否判断部（例えば、実施形態における回復掃気実施可否判断部９０）を備え、前記回復掃気手段は、前記発電性能低下判定部により発電性能が低下していると判断され、前記回復掃気実施可否判断部により回復掃気が実施可能であると判断された場合に、前記反応ガス流路を回復掃気することを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, a recovery scavenging performance determination unit (for example, recovery scavenging
請求項１に係る発明によれば、発電安定性判断部により発電が安定していると判断された場合のみ、発電性能記録部により発電性能を記録するので、発電が安定していないときの発電性能をノイズとして扱うことが可能になる。そして、発電性能低下判定部により発電性能が低下していると判定されたとき、回復掃気手段により反応ガス流路を回復掃気するので、発電性能の低下を的確に判断して、適時に回復掃気を行うことが可能になる。したがって、燃料電池の発電性能を回復させることができる。 According to the first aspect of the invention, since the power generation performance recording unit records the power generation performance only when the power generation stability determination unit determines that the power generation is stable, the power generation when the power generation is not stable is performed. Performance can be treated as noise. When the power generation performance degradation determination unit determines that the power generation performance is degraded, the recovery gas flow is recovered and scavenged by the recovery scavenging means. Therefore, the decrease in power generation performance is accurately determined, and the recovery scavenging is performed in a timely manner. It becomes possible to do. Therefore, the power generation performance of the fuel cell can be recovered.
請求項２に係る発明によれば、燃料電池の温度が所定値以上である場合に発電が安定していると判断するので、低温起動時や暖機前などの発電が安定していないときの発電性能をノイズとして扱うことが可能になる。したがって、発電性能の低下を的確に判断することができる。
According to the invention of
請求項３に係る発明によれば、燃料電池の発電が所定時間以上継続されている場合に発電が安定していると判断するので、起動直後やすぐに発電を停止させてしまった場合など、発電が安定していないときの発電性能をノイズとして扱うことが可能になる。したがって、発電性能の低下を的確に判断することができる。 According to the invention according to claim 3, since it is determined that the power generation is stable when the power generation of the fuel cell is continued for a predetermined time or more, such as when the power generation is stopped immediately after the start or immediately, The power generation performance when power generation is not stable can be treated as noise. Therefore, it is possible to accurately determine a decrease in power generation performance.
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の発電が停止しているときに回復掃気が実施可能であると判断するので、イグニッションスイッチがオフされている場合だけでなく、アイドリング時やクルーズ走行時などにも回復掃気を行うことが可能になり、発電性能を早急に回復させることができる。
According to the invention of
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池セル）
図２は燃料電池セルの展開図であり、図２（ｂ）は膜電極構造体の側面図であり、図２（ａ）および図２（ｃ）は膜電極構造体の両側に配置されたセパレータを左右に開いた状態の正面図である。本実施形態の燃料電池は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのものである。図２（ｂ）に示すように、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２を、アノード電極３およびカソード電極４で両側から挟み込んで、膜電極構造体（ＭＥＡ）５０が形成されている。なおアノード電極３およびカソード電極４の外側に反応ガス拡散層（不図示）を設けることが望ましい。その膜電極構造体５０のアノード電極３に面してアノード側セパレータ３０が配置され、カソード電極４に面してカソード側セパレータ４０が配置されて、燃料電池セル５２が形成されている。この燃料電池セル５２が複数積層されて、燃料電池スタックが形成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Fuel battery cell)
2 is a development view of the fuel cell, FIG. 2 (b) is a side view of the membrane electrode structure, and FIGS. 2 (a) and 2 (c) are arranged on both sides of the membrane electrode structure. It is a front view of the state which opened the separator on either side. The fuel cell of this embodiment is of a type that obtains electric power by chemically reacting a reaction gas. As shown in FIG. 2B, a membrane electrode structure (MEA) 50 is formed by sandwiching a solid
図２（ａ）に示すアノード側セパレータ３０の左下隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口３１が設けられ、その対角位置である右上隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口３２が設けられている。またアノード側セパレータ３０の中央部には、燃料ガス供給口３１とアノードオフガス排出口３２とを結ぶように、燃料ガス流路５が設けられている。この燃料ガス流路５は、並列配置された複数の溝部で構成されている。
A fuel
同様に、図２（ｃ）に示すカソード側セパレータ４０には、使役前の酸化ガス（例えば、空気）が流通する酸化ガス供給口４１と、使役後の酸化ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口４２とが設けられている。これら酸化ガス供給口４１とカソードオフガス排出口４２とを結ぶように、酸化ガス流路６が設けられている。この酸化ガス流路６は、並列配置された複数の溝部で構成されている。
Similarly, in the cathode-
そして、図２（ｂ）に示すアノード側セパレータ３０の燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガス等を供給し、カソード側セパレータ４０の酸化ガス流路に酸化ガスとして酸素を含む空気等を供給すると、アノード電極３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２を通過してカソード電極４まで移動する。この水素イオンがカソード電極４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード電極４側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を透過してアノード電極３側に拡散するため、アノード電極３側にも生成水が蓄積される。
Then, when hydrogen gas or the like is supplied as a fuel gas to the fuel gas passage of the anode-
（燃料電池システム）
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システム１００における燃料電池１は、上述した燃料電池スタックで構成されている。
燃料電池システム１００は、酸化ガスである空気を所定圧力に加圧するスーパーチャージャーなどのエアコンプレッサ７を備えている。このエアコンプレッサ７は、酸化ガス供給路８を介して、燃料電池１の酸化ガス流路６の入口に接続されている。なお酸化ガス供給路８には、空気の冷却装置や加湿器等（いずれも不図示）を設けることが望ましい。一方、燃料電池１の酸化ガス流路６の出口には、背圧制御弁１０を備えたカソードオフガス排出路９が接続されている。燃料電池１において発電に供された空気は、カソード電極側の生成水と共に、カソードオフガス排出路９を通って排気処理装置（不図示）に供給される。
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment. The fuel cell 1 in the
The
一方、燃料電池システム１００は、燃料ガスである水素ガスが貯留された水素タンク１５を備えている。この水素タンク１５は、燃料ガス供給路１７を介して、燃料電池１の燃料ガス流路５の入口に接続されている。燃料ガス供給路１７には、燃料ガス遮断弁２０と、水素ガスを所定圧力に減圧する減圧弁（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とが設けられている。
また、酸化ガス供給路８と燃料ガス供給路１７とが、掃気ガス導入弁２３を備えた掃気ガス導入路２４によって接続されている。
On the other hand, the
The oxidizing gas supply path 8 and the fuel
一方、燃料電池１の燃料ガス流路５の出口には、循環遮断弁１８ａを備えたアノードオフガス循環路１８が接続されている。燃料電池１において消費されなかった未反応の水素ガスは、アノードオフガス循環路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、再び燃料電池１の燃料ガス流路５に供給される。またアノードオフガス循環路１８からは、パージ弁２１を備えたアノードオフガス排出路２２が分岐されている。パージ弁２１は、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開き、アノードオフガスを排出するものである。排出されたアノードオフガスは、上述した排気処理装置へ供給され、カソードオフガスによって希釈される。
On the other hand, an anode off-
上述したカソードオフガス排出路９の上流端部およびアノードオフガス循環路１８の上流端部には、温度センサ５３が配置されている。また燃料ガス流路５の下流端部にも温度センサ５３が配置されている。これらの温度センサ５３は、流通するガスの温度を測定することによって間接的に、燃料電池１の温度を検出するものである。
また燃料電池１には、電圧センサ５４および電流センサ５５を介して、車両を駆動する電動機（モータ）等の負荷５６が接続されている。電圧センサ５４および電流センサ５５は、燃料電池１の発電性能を示すＩＶ性能を計測するものである。
A
A
（コントローラ）
上述した電圧センサ５４および電流センサ５５は、燃料ガス流路５の回復掃気を制御するコントローラ６０に接続されている。コントローラ６０には、燃料電池１のＩＶ性能を検出して記録するＩＶ性能監視記録部７０が設けられている。ＩＶ性能監視記録部７０は、発電時間積算部７２、ＩＶ性能検出部７４、発電安定性判断部７６およびＩＶ性能記録部７８を備えている。
(controller)
The
発電時間積算部７２は、燃料電池１が発電している時間を積算するものである。発電積算時間の算出は、燃料電池１からの電圧出力および／または電流出力を電圧センサ５４および／または電流センサ５５により検出し、検出中の時間を積算することによって行う。
ＩＶ性能検出部（発電性能検出部）７４は、燃料電池のＩＶ性能を検出するものである。ＩＶ性能の検出は、所定の発電積算時間ごとに、燃料電池１のＩＶ性能を計測することによって行う。本実施形態では、発電積算時間の１０時間ごとに燃料電池１のＩＶ性能を計測するが、ＩＶ性能の低下速度が速い燃料電池の場合には、より短い時間ごとにＩＶ性能を計測してもよい。ＩＶ性能の計測は、燃料電池１からの電圧出力および／または電流出力を、電圧センサ５４および／または電流センサ５５により計測することによって行う。
The power generation
The IV performance detection unit (power generation performance detection unit) 74 detects the IV performance of the fuel cell. The detection of the IV performance is performed by measuring the IV performance of the fuel cell 1 at every predetermined power generation integration time. In the present embodiment, the IV performance of the fuel cell 1 is measured every 10 hours of the power generation integration time. However, in the case of a fuel cell having a fast IV performance degradation rate, the IV performance is measured every shorter time. Good. The IV performance is measured by measuring the voltage output and / or current output from the fuel cell 1 with the
発電安定性判断部７６は、燃料電池の発電が安定しているかを判断するものである。具体的には、燃料電池１が起動されてから所定時間以上継続して発電しているか、または各温度センサ５３によって検出された燃料電池１の温度が所定値以上である場合に、燃料電池の発電が安定していると判断する。
ＩＶ性能記録部（発電性能記録部）７８は、ＩＶ性能検出部７４により計測されたＩＶ性能を記録するものである。本実施形態では、発電安定性判断部により発電が安定していると判断された場合のみ、計測されたＩＶ性能をメモリに記録する。
The power generation
The IV performance recording unit (power generation performance recording unit) 78 records the IV performance measured by the IV
コントローラ６０には、ＩＶ性能監視記録部７０の他に、ＩＶ性能低下判定部８０、回復掃気実施可否判断部９０および回復掃気制御部９８が設けられている。
ＩＶ性能低下判定部（発電性能低下判定部）８０は、発電積算時間の所定時間におけるＩＶ性能の低下率によりＩＶ性能の低下を判定するものである。本実施形態では、ＩＶ性能記録部７８により記録されたＩＶ性能の低下率を用いて、ＩＶ性能が低下したか否かを判定する。
In addition to the IV performance monitoring /
The IV performance degradation determination unit (power generation performance degradation determination unit) 80 is configured to determine the degradation of the IV performance based on the degradation rate of the IV performance in a predetermined time of the power generation integration time. In the present embodiment, it is determined whether or not the IV performance has deteriorated by using the IV performance reduction rate recorded by the IV
回復掃気実施可否判断部９０は、燃料電池の発電が停止しているときに回復掃気が実施可能であると判断するものである。燃料ガス流路の回復掃気は、燃料ガス流路に酸化剤ガス（空気）を供給して行うため、燃料電池の発電が停止しているときに実施する必要がある。そこで回復掃気実施可否判断部９０は、イグニッションスイッチがオフ状態のときに加えて、車両のアイドリング中や減速中、クルーズ走行中、低負荷走行中など燃料電池の発電が停止しているときに、回復掃気が実施可能であると判断する。
回復掃気制御部９８は、回復掃気手段の動作を制御して回復掃気を実行するものである。本実施形態における回復掃気手段は、エアコンプレッサ７のほか、背圧制御弁１０や掃気ガス導入弁２３、燃料ガス遮断弁２０、パージ弁２１、循環遮断弁１８ａ等によって構成され、それぞれがコントローラ６０に接続されている。
The recovery scavenging
The recovery
（燃料電池の回復掃気方法）
次に、本実施形態に係る燃料電池の回復掃気方法について説明する。
図３は、燃料電池の回復掃気方法のフローチャートである。まず、発電時間積算部７２により燃料電池１の発電積算時間を算出する（Ｓ６２）。発電積算時間の算出は、燃料電池１からの電圧出力および／または電流出力を電圧センサ５４および／または電流センサ５５により検出し、検出中の時間を積算することによって行う。
次に、ＩＶ性能検出部７４により燃料電池１のＩＶ性能を計測する（Ｓ６４）。ＩＶ性能の計測は、所定の発電積算時間ごとに、燃料電池１からの電圧出力および／または電流出力を、電圧センサ５４および／または電流センサ５５により計測することによって行う。
(Fuel cell recovery scavenging method)
Next, the recovery scavenging method for the fuel cell according to this embodiment will be described.
FIG. 3 is a flowchart of the fuel cell recovery scavenging method. First, the power generation
Next, the IV performance of the fuel cell 1 is measured by the IV performance detector 74 (S64). The IV performance is measured by measuring the voltage output and / or current output from the fuel cell 1 by the
次に、計測したＩＶ性能を監視しつつ記録する（Ｓ７０）。
図４は、ＩＶ性能監視記録サブルーチンのフローチャートである。このサブルーチンでは、まず発電安定性判断部７６により燃料電池１の発電が安定しているか判断する（Ｓ７６）。具体的には、燃料電池１が所定時間以上継続して発電しているか、または燃料電池１の温度が所定値以上である場合に、燃料電池の発電が安定していると判断する。燃料電池１の継続発電時間が短い場合や、燃料電池１の温度が低い場合には、燃料電池１の電解質膜の内部抵抗が高い状態であり、発電が安定しないと考えられるからである。発電が安定していると判断した場合にはＳ７８に進み、計測されたＩＶ性能をＩＶ性能記録部７８によってメモリに記録する。また発電が安定していないと判断した場合にはＳ７９に進み、ＩＶ性能を記録しないで終了する。
Next, the measured IV performance is recorded while being monitored (S70).
FIG. 4 is a flowchart of the IV performance monitoring recording subroutine. In this subroutine, first, the power generation
図５は、ＩＶ性能低下推移監視グラフである。なお、各グラフの横軸は発電積算時間であり、縦軸は２００Ａの電流出力時における燃料電池の出力電圧である。図５のグラフには、所定の発電積算時間ごとに測定されたＩＶ性能（出力電圧）の値がプロットされている。発電積算時間の経過とともに燃料電池のＩＶ性能は低下しているが、特にグラフの右半部ではＩＶ性能の低下率が大きくなっている。グラフの左半部におけるＩＶ性能の低下は、電解質膜の劣化に起因するものであり、グラフの右半部におけるＩＶ性能の低下は、燃料ガス流路５における生成水の蓄積に起因するものである。
FIG. 5 is an IV performance deterioration transition monitoring graph. In each graph, the horizontal axis represents the accumulated power generation time, and the vertical axis represents the output voltage of the fuel cell at the time of 200 A current output. In the graph of FIG. 5, the value of IV performance (output voltage) measured every predetermined power generation integration time is plotted. Although the IV performance of the fuel cell is decreasing with the lapse of the power generation integration time, the rate of decrease in IV performance is particularly large in the right half of the graph. The decrease in IV performance in the left half of the graph is due to deterioration of the electrolyte membrane, and the decrease in IV performance in the right half of the graph is due to accumulation of generated water in the fuel
図５（ａ）において、格子状のハッチングが施された第１領域Ａ１は、燃料電池１の連続発電時間が所定時間未満の領域であり、それ以外の第２領域Ａ２は、連続発電時間が所定時間以上の領域である。燃料電池１の連続発電時間が所定時間未満の場合には、燃料電池１の発電が不安定である。そのため、第２領域Ａ２では所定の直線上にＩＶ性能７６がプロットされるのに対して、第１領域Ａ１ではその直線から離れた位置にＩＶ性能７７がプロットされる。この第１領域Ａ１にプロットされるＩＶ性能７７を採用すると、燃料電池のＩＶ性能の低下を的確に判定することができない。そこで、第２領域Ａ２にプロットされるＩＶ性能７６のみをメモリに記録し、第１領域Ａ１にプロットされるＩＶ性能７７は記録しない。
In FIG. 5 (a), the first region A1 with grid-like hatching is a region where the continuous power generation time of the fuel cell 1 is less than a predetermined time, and the other second region A2 is the continuous power generation time. This is an area longer than a predetermined time. When the continuous power generation time of the fuel cell 1 is less than the predetermined time, the power generation of the fuel cell 1 is unstable. Therefore, the
図５（ｂ）において、格子状のハッチングが施された第１領域Ａ１は、燃料電池１の温度が所定値未満の領域であり、それ以外の第２領域Ａ２は、燃料電池１の温度が所定値以上の領域である。燃料電池１の温度が所定値未満の場合には、燃料電池１の発電が不安定である。そのため、第２領域Ａ２では所定の直線上にＩＶ性能７９がプロットされるのに対して、第１領域Ａ１ではその直線から離れた位置にＩＶ性能７８がプロットされる。この第１領域Ａ１にプロットされるＩＶ性能７８を採用すると、燃料電池のＩＶ性能の低下を的確に判定することができない。そこで、第２領域Ａ２にプロットされるＩＶ性能７９のみをメモリに記録し、第１領域Ａ１にプロットされるＩＶ性能７８は記録しない。
In FIG. 5 (b), the first area A1 to which the lattice-shaped hatching is applied is an area where the temperature of the fuel cell 1 is less than a predetermined value, and the temperature of the fuel cell 1 is other than that in the second area A2. The region is a predetermined value or more. When the temperature of the fuel cell 1 is less than a predetermined value, the power generation of the fuel cell 1 is unstable. Therefore, the
本実施形態では、燃料電池１が起動されてから所定時間以上継続して発電しているか、または各温度センサによって検出された燃料電池１の温度が所定値以上である場合に、燃料電池１の発電が安定していると判断した。このように、これらの条件を選択的に適用してもよいが、これらの条件を重畳的に適用することも可能である。また、これらの条件以外の条件により、燃料電池１の発電が安定しているか判断してもよい。例えば、燃料電池スタックを構成する複数の単位セルの出力電圧が略同等の場合に、燃料電池の発電が安定していると判断してもよい。具体的には、単位セルの出力電圧の平均値と単位セルの出力電圧の最低値との差が所定値以下である場合に、燃料電池の発電が安定していると判断すればよい。 In the present embodiment, when the fuel cell 1 is continuously generating electric power for a predetermined time or more after the activation, or when the temperature of the fuel cell 1 detected by each temperature sensor is equal to or higher than a predetermined value, Judged that power generation was stable. As described above, these conditions may be selectively applied, but these conditions may be applied in a superimposed manner. Moreover, you may determine whether the electric power generation of the fuel cell 1 is stable by conditions other than these conditions. For example, it may be determined that the power generation of the fuel cell is stable when the output voltages of a plurality of unit cells constituting the fuel cell stack are substantially equal. Specifically, when the difference between the average value of the output voltages of the unit cells and the minimum value of the output voltage of the unit cells is equal to or less than a predetermined value, it may be determined that the power generation of the fuel cell is stable.
図３のメインフローに戻り、ＩＶ性能低下判定部８０によりＩＶ性能低下判定を行う（Ｓ８０）。
図６は、ＩＶ性能低下判定サブルーチンのフローチャートである。このサブルーチンでは、まず記録したＩＶ性能の低下率が所定値以上であるか判断する（Ｓ８２）。
Returning to the main flow of FIG. 3, the IV performance
FIG. 6 is a flowchart of an IV performance deterioration determination subroutine. In this subroutine, it is first determined whether or not the recorded rate of decrease in IV performance is greater than or equal to a predetermined value (S82).
図７は、記録されたＩＶ性能の低下推移監視グラフである。このグラフの横軸は発電積算時間であり、縦軸は２００Ａの電流出力時における燃料電池の出力電圧である。図７の左半部では、記録されたＩＶ性能が、右下がりの第１直線Ｌ１上にプロットされている。この第１直線Ｌ１におけるＩＶ性能の低下は、燃料電池の電解質膜の劣化に起因するものであって、例えば発電積算時間の１０時間ごとにＩＶ性能（出力電圧）が約１Ｖ低下している。このように第１直線Ｌ１の傾きは比較的小さいので、第１直線Ｌ１上の第１プロットＰ１に対する第２プロットＰ２のＩＶ性能の低下率は小さくなる。この場合、図６のＳ８２においてＩＶ性能の低下率が所定値以上であると判断せず、Ｓ８５に進む。 FIG. 7 is a graph showing a recorded transition transition of IV performance. The horizontal axis of this graph is the power generation integration time, and the vertical axis is the output voltage of the fuel cell at the time of current output of 200A. In the left half of FIG. 7, the recorded IV performance is plotted on a first straight line L1 that is descending to the right. The decrease in the IV performance in the first straight line L1 is caused by the deterioration of the electrolyte membrane of the fuel cell. For example, the IV performance (output voltage) decreases about 1 V every 10 hours of the power generation integration time. Thus, since the slope of the first straight line L1 is relatively small, the rate of decrease in the IV performance of the second plot P2 with respect to the first plot P1 on the first straight line L1 is small. In this case, in S82 of FIG. 6, it is not determined that the rate of decrease in IV performance is greater than or equal to a predetermined value, and the process proceeds to S85.
これに対して、図７の右半部では、記録されたＩＶ性能が、右下がりの第２直線Ｌ２上にプロットされている。この第２直線Ｌ２におけるＩＶ性能の低下は、燃料ガス流路における生成水の蓄積に起因するものであり、例えば発電積算時間の１０時間ごとにＩＶ性能（出力電圧）が約５Ｖ低下している。このように第２直線Ｌ２の傾きは比較的大きく、第２直線Ｌ２上の第２プロットＰ２に対する第３プロットＰ３のＩＶ性能の低下率は大きくなる。この場合、図６のＳ８２においてＩＶ性能の低下率が所定値以上であると判断し、Ｓ８３に進む。 On the other hand, in the right half of FIG. 7, the recorded IV performance is plotted on the second straight line L2 descending to the right. The decrease in the IV performance in the second straight line L2 is caused by accumulation of generated water in the fuel gas flow path. For example, the IV performance (output voltage) decreases by about 5 V every 10 hours of the power generation integration time. . Thus, the slope of the second straight line L2 is relatively large, and the rate of decrease in the IV performance of the third plot P3 with respect to the second plot P2 on the second straight line L2 is large. In this case, it is determined in S82 of FIG. 6 that the rate of decrease in IV performance is greater than or equal to a predetermined value, and the process proceeds to S83.
次に、図６のＳ８３では、ＩＶ性能の低下率が所定値以上の状態が（所定時間以上または所定回数以上）継続しているか判断する。
図７のグラフでは、第２プロットＰ２のＩＶ性能の低下率が所定値未満であるため、次に第３プロットＰ３の低下率が所定値以上であると判断されても、所定値以上の状態が継続しているとは判断しない。この場合、図６のＳ８３における判断はＮｏであり、Ｓ８５に進む。Ｓ８５では、回復掃気が必要でないと判断する。
Next, in S83 of FIG. 6, it is determined whether or not the state in which the rate of decrease in IV performance is a predetermined value or more (a predetermined time or more or a predetermined number of times or more).
In the graph of FIG. 7, since the rate of decrease in IV performance in the second plot P2 is less than a predetermined value, even if it is determined next that the rate of decrease in the third plot P3 is greater than or equal to a predetermined value, Is not determined to continue. In this case, the determination in S83 of FIG. 6 is No, and the process proceeds to S85. In S85, it is determined that recovery scavenging is not necessary.
次に、図７のグラフにおいて、第２直線Ｌ２上の第３プロットＰ３に対する第４プロットＰ４のＩＶ性能の低下率が所定値以上であると判断されたら、所定値以上の状態が所定時間以上または所定回数以上継続していると判断する。なお、第４プロットに続く複数プロットのＩＶ性能の低下率が所定値以上であると判断された場合に、所定値以上の状態が継続していると判断してもよい。この場合、図６のＳ８３における判断はＹｅｓであり、Ｓ８４に進む。Ｓ８４では、回復掃気が必要と判断する。 Next, in the graph of FIG. 7, if it is determined that the rate of decrease in IV performance of the fourth plot P4 with respect to the third plot P3 on the second straight line L2 is greater than or equal to a predetermined value, the state greater than or equal to the predetermined value is greater than or equal to a predetermined time. Alternatively, it is determined that it has continued for a predetermined number of times. In addition, when it is determined that the decrease rate of the IV performance of a plurality of plots following the fourth plot is equal to or greater than a predetermined value, it may be determined that the state equal to or greater than the predetermined value continues. In this case, the determination in S83 of FIG. 6 is Yes, and the process proceeds to S84. In S84, it is determined that recovery scavenging is necessary.
このように本実施形態では、図６のＳ８２においてＩＶ性能の低下率が所定値以上であると判断された場合に、直ちに回復掃気が必要と判断するのではなく、Ｓ８３において所定値以上の状態が継続していると判断された場合に、初めて回復掃気が必要と判断する。これにより、ＩＶ性能のノイズの混入を防止することが可能になる。したがって、ＩＶ性能の低下判断を的確に行うことが可能になり、適時に回復掃気を行うことができる。 As described above, in this embodiment, when it is determined in S82 of FIG. 6 that the rate of decrease in IV performance is equal to or greater than a predetermined value, it is not immediately determined that recovery scavenging is necessary. It is determined that recovery scavenging is necessary for the first time when it is determined that the gas is continuing. Thereby, it becomes possible to prevent mixing of noise of IV performance. Therefore, it is possible to accurately determine a decrease in IV performance, and recovery scavenging can be performed in a timely manner.
図３のメインフローに戻り、Ｓ８６において回復掃気の必要があるか判断する。回復掃気が必要でない場合は処理を終了し、回復掃気が必要な場合はＳ９０に進む。Ｓ９０では、回復掃気実施可否判断部９０により、回復掃気の実施可否を判断する。
図８は、回復掃気実施可否判断サブルーチンのフローチャートである。燃料ガス流路の回復掃気は、燃料ガス流路に掃気ガスである空気を供給して行うため、燃料電池の発電が停止しているときに実施する必要がある。そこで、このサブルーチンでは、まず燃料電池１の発電が停止している状況か判断する（Ｓ９２）。
Returning to the main flow of FIG. 3, it is determined in S86 whether recovery scavenging is necessary. If recovery scavenging is not required, the process is terminated, and if recovery scavenging is required, the process proceeds to S90. In S90, the recovery scavenging execution
FIG. 8 is a flowchart of a subroutine for determining whether or not recovery scavenging can be performed. Since the recovery scavenging of the fuel gas channel is performed by supplying air, which is the scavenging gas, to the fuel gas channel, it is necessary to perform it when the power generation of the fuel cell is stopped. Therefore, in this subroutine, it is first determined whether the power generation of the fuel cell 1 is stopped (S92).
図９は、車両の様々な状況と、燃料電池の出力電流との関係を示すグラフである。車両の通常走行中には、燃料電池１から電流が出力されてモータが駆動されている。これに対して、イグニッションスイッチ（ＩＧ）のオフ中には、燃料電池１の発電が停止され、出力電流がゼロになっている。また、車両のアイドリング中や減速中、クルーズ走行中、低負荷走行中などには、車両駆動用に大電流を必要としない。そのため、これらの場合には蓄電装置（バッテリ）から必要な電流を供給しつつ、燃料電池の発電を停止している。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between various conditions of the vehicle and the output current of the fuel cell. During normal traveling of the vehicle, current is output from the fuel cell 1 to drive the motor. On the other hand, while the ignition switch (IG) is off, the power generation of the fuel cell 1 is stopped and the output current is zero. Further, when the vehicle is idling, decelerating, cruising, running at a low load, etc., a large current is not required for driving the vehicle. Therefore, in these cases, power generation of the fuel cell is stopped while supplying a necessary current from the power storage device (battery).
そこで、図８のＳ９２では、車両がＩＧオフ中、アイドリング中、減速中、クルーズ走行中および低負荷走行中のいずれかの状況であって、燃料電池が発電停止状況であるか判断する。Ｓ９３において発電停止状況でないと判断された場合には、回復掃気は実施不可能である。また、Ｓ９３において発電停止状況であると判断された場合には、Ｓ９４に進み、回復掃気が実施可能であると判断する。 Therefore, in S92 of FIG. 8, it is determined whether the vehicle is in an IG off state, idling, decelerating, cruise traveling, or low load traveling, and the fuel cell is in a power generation stop state. If it is determined in S93 that the power generation is not stopped, recovery scavenging cannot be performed. If it is determined in S93 that the power generation is stopped, the process proceeds to S94 and it is determined that recovery scavenging can be performed.
図３のメインフローに戻り、Ｓ９６において回復掃気が実施可能であるか判断し、実施不可能の場合はＳ９７に進む。Ｓ９７では回復掃気予約を行い、Ｓ９６に戻って回復掃気が実施可能な状況になるまで待機する。一方、Ｓ９６において回復掃気が実施可能であると判断された場合には、Ｓ９８に進んで回復掃気（アノード重点掃気）を実施する。
なお回復掃気の継続時間は、ＩＶ性能の低下率が所定値以上の状態がどれだけ継続したかに対応して、マップ等を用いて求める。回復掃気が実施可能である間に、必要な回復掃気を完了できなかった場合には、上記と同様に回復掃気予約を行い、回復掃気が実施可能な状況になるまで待機する。
Returning to the main flow of FIG. 3, it is determined whether or not recovery scavenging can be performed in S96, and if it cannot be performed, the process proceeds to S97. In S97, a recovery scavenging reservation is made, and the process returns to S96 and waits until a situation in which recovery scavenging can be performed is reached. On the other hand, when it is determined in S96 that recovery scavenging can be performed, the process proceeds to S98 and recovery scavenging (anode-weighted scavenging) is performed.
The duration of the recovery scavenging is obtained using a map or the like corresponding to how long the state in which the rate of decrease in IV performance is equal to or greater than a predetermined value continues. If the required recovery scavenging cannot be completed while the recovery scavenging can be performed, the recovery scavenging reservation is performed in the same manner as described above, and the process waits until the recovery scavenging can be performed.
燃料ガス流路の回復掃気は以下の手順で行う。図１に示す燃料電池システム１００において、まず、酸化ガス経路（酸化ガス供給路８およびカソードオフガス排出路９）ならびに燃料ガス経路（燃料ガス供給路１７およびアノードオフガス排出路２２）の準備を行う。具体的には、燃料ガス遮断弁２０、循環遮断弁１８ａ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およびパージ弁２１を開放する。
Recovery scavenging of the fuel gas flow path is performed according to the following procedure. In the
次に、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が閉鎖された酸化ガス経路には流入せず、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、さらにパージ弁２１が開放された燃料ガス経路に流入する。燃料ガス経路では、燃料ガス遮断弁２０が閉鎖されて水素ガスの供給が停止され、循環遮断弁１８ａが閉鎖されてアノードオフガスの循環が阻止されている。そのため、燃料ガス経路に流入した空気は、燃料ガス流路５を流通して、アノードオフガス排出路２２から排出される。
Next, the air compressor 7 is operated to supply air as a scavenging gas. The air supplied from the air compressor 7 does not flow into the oxidizing gas passage where the back
空気が燃料ガス流路５を流通する際に、燃料ガス流路５に蓄積していた生成水が排出される。これにより、燃料ガス流路５に対する水素ガスの供給が、蓄積した生成水によって妨害されることがなくなる。またアノード電極に付着した生成水が除去され、発電有効面積が確保される。
この回復掃気により、図７のグラフにおいて第２直線Ｌ２上を下降していたＩＶ特性が、第１直線Ｌ１上に復帰する。したがって、燃料電池のＩＶ性能を回復させることができる。
When air flows through the
By this recovery scavenging, the IV characteristic that has been lowered on the second straight line L2 in the graph of FIG. 7 is restored to the first straight line L1. Therefore, the IV performance of the fuel cell can be recovered.
以上に詳述したように、本実施形態に係る燃料電池システム（図１参照）では、発電安定性判断部７６により発電が安定していると判断された場合のみＩＶ性能記録部７８によりＩＶ性能を記録するので、発電が安定していないときのＩＶ性能をノイズとして扱うことが可能になる。そして、ＩＶ性能低下判定部８０によりＩＶ性能が低下していると判断されたとき、回復掃気手段により燃料ガス流路５を掃気するので、ＩＶ性能の低下を的確に判断して、適時に回復掃気を行うことが可能になる。したがって、燃料電池１のＩＶ性能を回復させることができる。
As described in detail above, in the fuel cell system according to the present embodiment (see FIG. 1), the IV
また発電安定性判断部７６では、燃料電池１の温度が所定値以上である場合に発電が安定していると判断するので、低温起動時や暖機前などの発電が安定していないときのＩＶ性能をノイズとして扱うことが可能になる。また発電安定性判断部７６では、燃料電池１の発電が所定時間以上継続されている場合に発電が安定していると判断するので、起動直後やすぐに発電を停止させてしまった場合など、発電が安定していないときのＩＶ性能をノイズとして扱うことが可能になる。したがって、ＩＶ性能の低下を的確に判断することができる。
Further, since the power generation
さらに回復掃気実施可否判断部９０では、燃料電池１の発電が停止しているときに回復掃気が実施可能であると判断するので、イグニッションスイッチがオフされている場合だけでなく、アイドリング時やクルーズ走行時などにも回復掃気を行うことが可能になり、ＩＶ性能を早急に回復させることができる。
Further, the recovery scavenging execution
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、実施形態では燃料電池の発電性能としてＩＶ性能を抽出したが、他の特性を抽出してもよい。また、実施形態では燃料ガス流路の回復掃気方法について説明したが、酸化ガス流路の掃気は従来と同様に行えばよい。なお燃料ガス流路および酸化ガス流路を同時に掃気してもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above.
For example, in the embodiment, the IV performance is extracted as the power generation performance of the fuel cell, but other characteristics may be extracted. In the embodiment, the recovery scavenging method for the fuel gas flow path has been described. However, the scavenging of the oxidizing gas flow path may be performed in the same manner as in the prior art. The fuel gas channel and the oxidizing gas channel may be scavenged simultaneously.
１…燃料電池スタック（燃料電池） ７…エアコンプレッサ（回復掃気手段） ７２…発電時間積算部 ７４…ＩＶ性能検出部（発電性能検出部） ７６…発電安定性判断部 ７８…ＩＶ性能記録部（発電性能記録部） ８０…ＩＶ性能低下判定部（発電性能低下判定部） ９０…回復掃気実施可否判断部 １００…燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack (fuel cell) 7 ... Air compressor (recovery scavenging means) 72 ... Power generation
Claims (4)
前記燃料電池が発電している時間を積算する発電時間積算部と、
前記燃料電池の発電性能を検出する発電性能検出部と、
前記燃料電池の発電が安定しているかを判断する発電安定性判断部と、
検出した発電性能を記録する発電性能記録部と、
発電積算時間の所定時間における発電性能の低下率により前記燃料電池の発電性能の低下を判定する発電性能低下判定部と、
前記反応ガス流路を回復掃気する回復掃気手段と、を備え、
前記発電安定性判断部により発電が安定していると判断された場合のみ前記発電性能記録部により発電性能を記録し、
前記発電性能低下判定部により発電性能が低下していると判定されたとき、前記回復掃気手段により前記反応ガス流路を回復掃気することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a reaction gas flow path through which the reaction gas flows, and generating power by supplying the reaction gas to the reaction gas flow path;
A power generation time integration unit for integrating the time during which the fuel cell is generating power;
A power generation performance detector for detecting the power generation performance of the fuel cell;
A power generation stability determination unit that determines whether power generation of the fuel cell is stable;
A power generation performance recording unit for recording the detected power generation performance;
A power generation performance decrease determination unit that determines a decrease in power generation performance of the fuel cell based on a power generation performance decrease rate in a predetermined time of the power generation integration time;
Recovery scavenging means for recovering and scavenging the reaction gas flow path,
Only when it is determined by the power generation stability determination unit that power generation is stable, the power generation performance recording unit records the power generation performance,
The fuel cell system, wherein when the power generation performance decrease determination unit determines that the power generation performance is decreased, the recovery gas scavenging means recovers and scavenges the reaction gas flow path.
前記回復掃気手段は、前記発電性能低下判定部により発電性能が低下していると判断され、前記回復掃気実施可否判断部により回復掃気が実施可能であると判断された場合に、前記反応ガス流路を回復掃気することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A recovery scavenging performance determination unit that determines that recovery scavenging can be performed when power generation of the fuel cell is stopped;
When the recovery scavenging means determines that the power generation performance is reduced by the power generation performance decrease determination unit, and the recovery scavenging determination unit determines that recovery scavenging can be performed, the reaction gas flow The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the passage is recovered and scavenged.
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| JP2012054110A (en) * | 2010-09-01 | 2012-03-15 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
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