JP4525837B2 - Energy output device and method for controlling energy output device - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備え、複数のエネルギ出力源の内の少なくとも一つを用いて外部にエネルギを出力するエネルギ出力装置およびその制御方法に関する。 The present invention relates to an energy output device that includes a plurality of energy output sources including a fuel cell and outputs energy to the outside using at least one of the plurality of energy output sources, and a control method thereof.
従来、燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備えるエネルギ出力装置として、燃料電池と共に2次電池を備える装置が知られている。例えば、特許文献1では、燃料電池と2次電池とを備える電源装置が開示されている。この電源装置では、電源装置から電力を供給される負荷が所定の低負荷状態の時には、燃料電池における発電を停止して、2次電池から電力供給を行なう制御を行なっている。このような制御は、低負荷状態ではシステム全体の効率が低下するという燃料電池の性質に基づいており、低負荷状態では燃料電池を停止して2次電池を用いることによって、電源装置全体の効率の向上を図るものである。 Conventionally, as an energy output device including a plurality of energy output sources including a fuel cell, a device including a secondary battery together with the fuel cell is known. For example, Patent Document 1 discloses a power supply device including a fuel cell and a secondary battery. In this power supply device, when the load supplied with power from the power supply device is in a predetermined low load state, the power generation in the fuel cell is stopped and the power supply from the secondary battery is performed. Such control is based on the property of the fuel cell that the efficiency of the entire system is reduced in a low load state. In the low load state, the efficiency of the entire power supply device is reduced by stopping the fuel cell and using the secondary battery. It is intended to improve.
しかしながら、このように低負荷時に燃料電池の発電を停止して、その後、負荷が増大したときに燃料電池を再起動しようとすると、再起同時に、発電応答遅れやセル電圧低下などの不都合が生じる場合がある。このような不都合を引き起こす原因としては、例えば、発電に伴って生じる生成水が燃料電池内のガス流路内で凝縮することや、燃料電池が固体高分子型である場合に電解質膜の湿潤状態が部分的に低下すること等が挙げられる。このように、システム全体の効率に基づいて燃料電池の発電停止制御を実施しても、実際には理論通りに高効率な運転が実現できない場合がある。燃料電池の発電を停止すると、次回に燃料電池を起動する際に不都合を生じる場合があるという問題は、燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備えるエネルギ出力装置において、所定の条件下で燃料電池の発電を停止する制御を行なう際に共通する問題であった。 However, when power generation by the fuel cell is stopped at such a low load and then the fuel cell is restarted when the load increases, inconveniences such as a delay in power generation response and a decrease in cell voltage may occur at the same time as the restart. There is. Possible causes of such inconvenience include, for example, that the generated water that accompanies power generation condenses in the gas flow path in the fuel cell, or the electrolyte membrane is wet when the fuel cell is a solid polymer type. Is partially reduced. As described above, even when the power generation stop control of the fuel cell is performed based on the efficiency of the entire system, there is a case where high-efficiency operation as in theory cannot be realized. When the power generation of the fuel cell is stopped, there is a problem in that it may cause inconvenience when the fuel cell is started next time. In the energy output device including a plurality of energy output sources including the fuel cell, the fuel cell under a predetermined condition. It was a common problem when performing control to stop power generation.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を停止する制御を行なうことで、燃料電池を次回起動する時に不都合が生じるのを防止することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to prevent inconvenience when the fuel cell is started next time by performing control to stop the fuel cell. .
上記目的を達成するために、本発明に係る他の態様としての第1のエネルギ出力装置は、燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備え、該複数のエネルギ出力源の内の少なくとも一つを用いて外部にエネルギを出力するエネルギ出力装置であって、
前記エネルギ出力装置からエネルギを出力する際に、所定の条件下では、前記燃料電池の発電を停止させ、前記燃料電池以外のエネルギ出力源からエネルギを出力させる出力制御部と、
前記燃料電池を停止すると、該燃料電池の次回起動時に、前記燃料電池の性能低下が起こるか否かを、前記燃料電池の発電中に判定する判定部と、
前記燃料電池の性能低下が起こると前記判定部が判定したときには、前記所定の条件下であるか否かに関わらず、前記燃料電池の発電を継続させるFC強制運転部と
を備えることを要旨とする。
In order to achieve the above object, a first energy output device according to another aspect of the present invention includes a plurality of energy output sources including a fuel cell, and at least one of the plurality of energy output sources is provided. An energy output device that uses and outputs energy to the outside,
When outputting energy from the energy output device, an output control unit that stops power generation of the fuel cell and outputs energy from an energy output source other than the fuel cell under a predetermined condition;
When the fuel cell is stopped, a determination unit that determines whether or not performance degradation of the fuel cell occurs at the next startup of the fuel cell, during power generation of the fuel cell;
An FC forcible operation unit for continuing power generation of the fuel cell regardless of whether or not the predetermined condition is satisfied when the determination unit determines that the performance degradation of the fuel cell occurs. To do.
以上のように構成された本発明に係る他の態様としての第1のエネルギ出力装置によれば、燃料電池の性能低下が起こると判定されるときには燃料電池の発電を継続するため、燃料電池を停止した後に次回起動したときに起こり得る燃料電池の性能低下を防止することができる。 According to the first energy output device as another aspect of the present invention configured as described above, when it is determined that the performance of the fuel cell is deteriorated, the fuel cell is continuously generated. It is possible to prevent a decrease in fuel cell performance that may occur the next time it is started after being stopped.
本発明に係る他の態様としての第1のエネルギ出力装置において、前記燃料電池の性能低下は、前記燃料電池の電流−電圧特性の低下であることとしても良い。このような場合には、燃料電池の発電を継続させることで、燃料電池の電流−電圧特性が低下するのを防止することができる。 In the first energy output device according to another aspect of the present invention , the performance degradation of the fuel cell may be a degradation of current-voltage characteristics of the fuel cell. In such a case, it is possible to prevent the current-voltage characteristic of the fuel cell from deteriorating by continuing the power generation of the fuel cell.
本発明に係る他の態様としての第1のエネルギ出力装置において、前記判定部は、前記燃料電池に供給する電極活物質を含有するガス中の不純物濃度が所定値以上であれば、前記燃料電池の性能低下が起こると判定することとしても良い。このような場合には、上記ガス中の不純物濃度が上昇することに起因して、燃料電池の電流−電圧特性が低下するのを防止することができる。 In the first energy output device according to another aspect of the present invention , the determination unit is configured so that the impurity concentration in the gas containing the electrode active material supplied to the fuel cell is equal to or higher than a predetermined value. It may be determined that the performance degradation occurs. In such a case, it is possible to prevent the current-voltage characteristics of the fuel cell from being deteriorated due to an increase in the impurity concentration in the gas.
このようなエネルギ出力装置において、
前記燃料電池のアノードに水素ガスを導く水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたアノード排ガスの少なくとも一部を前記水素ガス供給路に導く排ガス循環路と
を備え、
前記判定部は、前記水素ガス供給路に導かれる前記アノード排ガス中の不純物濃度が所定値以上であれば、前記燃料電池の性能低下が起こると判定することとしても良い。
In such an energy output device,
A hydrogen gas supply path for introducing hydrogen gas to the anode of the fuel cell;
An exhaust gas circulation path for guiding at least a part of the anode exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell to the hydrogen gas supply path,
The determination unit may determine that the performance degradation of the fuel cell occurs when the impurity concentration in the anode exhaust gas guided to the hydrogen gas supply path is equal to or higher than a predetermined value.
上記構成によれば、アノード排ガスの少なくとも一部をアノードに循環させる動作に伴ってガス中で不純物の濃度が高まることに起因して、燃料電池の電流−電圧特性が低下するのを防止することができる。 According to the above configuration, it is possible to prevent the current-voltage characteristics of the fuel cell from deteriorating due to the increase in the concentration of impurities in the gas accompanying the operation of circulating at least part of the anode exhaust gas to the anode. Can do.
このようなエネルギ出力装置において、
前記排ガス循環路は、前記アノード排ガスの一部を外部に排出可能なガスパージ部を備え、
前記判定部は、前記ガスパージ部が前記アノード排ガスの一部を排出する動作を前回行なってからの経過時間が、所定の基準時間以内のときに、前記燃料電池の性能低下が起こると判定することとしても良い。
In such an energy output device,
The exhaust gas circulation path includes a gas purge unit capable of discharging a part of the anode exhaust gas to the outside,
The determination unit determines that the fuel cell performance is deteriorated when an elapsed time from the previous time when the gas purge unit discharges part of the anode exhaust gas is within a predetermined reference time. It is also good.
ガスパージ部がアノード排ガスの一部を排出する動作を行なった直後のガス流路では、ガスパージ部の近傍の不純物濃度は低下するものの、燃料電池内部を含む他の領域では不純物濃度は高いままである。そのため、ガスパージ部の排出動作からの経過時間が所定時間以内であれば、燃料電池に供給されるガス中の不純物濃度が高いと判定することができる。 In the gas flow path immediately after the gas purge unit performs an operation for discharging part of the anode exhaust gas, the impurity concentration in the vicinity of the gas purge unit decreases, but the impurity concentration remains high in other regions including the inside of the fuel cell. . Therefore, if the elapsed time from the discharge operation of the gas purge unit is within a predetermined time, it can be determined that the impurity concentration in the gas supplied to the fuel cell is high.
このようなエネルギ出力装置において、さらに、
前記ガスパージ部によって排出されたアノード排ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排ガスで希釈して外部に排出する水素希釈部を備えることとしても良い。
In such an energy output device,
It is good also as providing the hydrogen dilution part which dilutes the anode waste gas discharged | emitted by the said gas purge part with the cathode waste gas discharged | emitted from the cathode of the said fuel cell, and discharges outside.
このような構成とすれば、次回に燃料電池を起動したときに、比較的濃度が高い水素が水素希釈部から排出されるという不都合が生じるのを、さらに防止することができる。アノード排ガスを排出する動作を行なってからの経過時間が短く、水素希釈部内に比較的濃度が高い水素が供給された状態で燃料電池を停止すると、カソード排ガスによる水素の希釈が行なわれなくなる。そのため、次回起動時にカソード排ガスの供給が再開されるときには、水素希釈部内に滞留している比較的濃度が高い水素が水素希釈部から外部に排出されることになるが、上記構成によればこのような不都合を防止できる。 With such a configuration, it is possible to further prevent the disadvantage that hydrogen having a relatively high concentration is discharged from the hydrogen dilution section when the fuel cell is started next time. If the fuel cell is stopped in a state where the time elapsed since the operation of discharging the anode exhaust gas is performed and hydrogen having a relatively high concentration is supplied into the hydrogen dilution section, the hydrogen is not diluted by the cathode exhaust gas. Therefore, when the supply of the cathode exhaust gas is restarted at the next start-up, hydrogen having a relatively high concentration staying in the hydrogen dilution section is discharged from the hydrogen dilution section. Such inconvenience can be prevented.
本発明に係る他の態様としての第1のエネルギ出力装置において、前記判定部は、前記燃料電池において、出力電流値に対する出力電圧値が、前記出力電流値に対応して定められた基準値以下であれば、前記燃料電池の性能低下が起こると判定することとしても良い。このようにして燃料電池の性能低下が起こると判定することで、燃料電池の電流−電圧特性が低下するのを効果的に防止可能となる。 In the first energy output device according to another aspect of the present invention , the determination unit is configured such that, in the fuel cell, an output voltage value with respect to an output current value is equal to or less than a reference value determined corresponding to the output current value. If so, it may be determined that performance degradation of the fuel cell occurs. By determining that the performance of the fuel cell is degraded in this way, it is possible to effectively prevent the current-voltage characteristic of the fuel cell from being degraded.
また、本発明に係る他の態様としての第1のエネルギ出力装置において、前記判定部は、前記燃料電池の温度が所定の基準温度以下であれば、前記燃料電池の性能低下が起こると判定することとしても良い。これによって、燃料電池温度の低下に起因する燃料電池の発電性能低下を防止することができる。 In the first energy output apparatus as another aspect of the present invention , the determination unit determines that the performance of the fuel cell is degraded if the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined reference temperature. It's also good. As a result, it is possible to prevent a decrease in power generation performance of the fuel cell due to a decrease in fuel cell temperature.
本発明に係る他の態様としての第2のエネルギ出力装置は、燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備え、該複数のエネルギ出力源の内の少なくとも一つを用いて外部にエネルギを出力するエネルギ出力装置であって、
前記エネルギ出力装置からエネルギを出力する際に、所定の条件下では、前記燃料電池の発電を停止させ、前記燃料電池以外のエネルギ出力源からエネルギを出力させる出力制御部と、
前記燃料電池の停止状態を継続すると、該燃料電池の次回起動時に、該燃料電池の性能低下が起こるか否かを、前記燃料電池の停止中に判定する判定部と、
前記燃料電池の性能低下が起こると前記判定部が判定したときには、前記所定の条件下であるか否かに関わらず、前記燃料電池の発電を開始させるFC強制運転部と
を備えることを要旨とする。
According to another aspect of the present invention , a second energy output apparatus includes a plurality of energy output sources including a fuel cell, and outputs energy to the outside using at least one of the plurality of energy output sources. An energy output device,
When outputting energy from the energy output device, an output control unit that stops power generation of the fuel cell and outputs energy from an energy output source other than the fuel cell under a predetermined condition;
If the fuel cell is kept in a stopped state, a determination unit that determines whether or not the performance of the fuel cell is degraded at the next start-up of the fuel cell;
An FC forcible operation unit that starts power generation of the fuel cell regardless of whether or not the predetermined condition is satisfied when the determination unit determines that the performance degradation of the fuel cell occurs. To do.
以上のように構成された本発明に係る他の態様としての第2のエネルギ出力装置によれば、燃料電池の性能低下が起こると判定されるときには、直ちに燃料電池を起動するため、そのまま燃料電池の停止を継続したならば、その後に燃料電池を起動したときに起こり得る燃料電池の性能低下を防止することができる。 According to the second energy output device as another aspect of the present invention configured as described above, when it is determined that the performance of the fuel cell is deteriorated, the fuel cell is immediately started. If the stop of the fuel cell is continued, it is possible to prevent the deterioration of the performance of the fuel cell that may occur when the fuel cell is subsequently started.
このような本発明に係る他の態様としての第2のエネルギ出力装置において、前記判定部は、前記燃料電池の温度が所定の基準温度以下であれば、前記燃料電池の性能低下が起こると判定することとしても良い。このような構成とすれば、燃料電池の温度が低下することに起因して燃料電池の性能低下が起こるのを防止することができる。 In the second energy output device as another aspect according to the present invention , the determination unit determines that the performance of the fuel cell is degraded if the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined reference temperature. It is also good to do. With such a configuration, it is possible to prevent a decrease in the performance of the fuel cell due to a decrease in the temperature of the fuel cell.
本発明のエネルギ出力装置は、燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備え、該複数のエネルギ出力源の内の少なくとも一つを用いて外部にエネルギを出力するエネルギ出力装置であって、
前記エネルギ出力装置からエネルギを出力する際に、前記燃料電池を用いたのでは前記エネルギ出力装置におけるエネルギ効率が低下すると判断される条件下では、前記燃料電池の発電を停止させ、前記燃料電池以外のエネルギ出力源からエネルギを出力させる出力制御部と、
前記燃料電池が発電する際に、発電に伴って動作する燃料電池補機と、
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池補機の動作状態を検出し、検出した動作状態に基づいて、前記燃料電池補機が異常と判断される前の過渡的な状態である異常過渡状態であるか否かを判定する判定部と、
前記燃料電池補機が異常過渡状態であると前記判定部が判定したときには、前記所定の条件下であるか否かに関わらず、前記燃料電池の発電を継続させるFC強制運転部と
を備えることを要旨とする。
Et Nerugi output apparatus of the present invention comprises a plurality of energy output sources including fuel cells, an energy output device that outputs the energy to the outside with at least one of the plurality of energy output sources,
When outputting energy from the energy output device, power generation of the fuel cell is stopped under conditions where it is determined that energy efficiency in the energy output device is reduced if the fuel cell is used. An output controller for outputting energy from the energy output source of
When the fuel cell generates power, a fuel cell auxiliary machine that operates along with power generation;
An operating state of the fuel cell auxiliary device is detected during power generation of the fuel cell, and an abnormal transient state is a transient state before the fuel cell auxiliary device is determined to be abnormal based on the detected operating state. A determination unit for determining whether or not there is,
An FC forced operation unit for continuing power generation of the fuel cell regardless of whether or not the predetermined condition is satisfied when the determination unit determines that the fuel cell auxiliary device is in an abnormal transient state. Is the gist.
以上のように構成された本発明のエネルギ出力装置によれば、燃料電池補機が異常過渡状態であると判定されたときには、燃料電池の発電を継続するため、上記燃料電池補機における動作状態の検出を継続することができる。そのため、上記燃料電池補機に異常が発生しているときには、速やかに異常を検出することが可能となる。 According to e Nerugi output device of the present invention configured as described above, when the fuel cell auxiliary machinery is determined to be abnormal transient state, in order to continue the power generation of the fuel cell, operation in the fuel cell auxiliary machinery The state detection can be continued. For this reason, when an abnormality occurs in the fuel cell auxiliary machine, it is possible to quickly detect the abnormality.
本発明のエネルギ出力装置において、前記判定部は、前記燃料電池補機の温度を検出し、該燃料電池補機の温度が所定の基準温度以上であれば、前記燃料電池補機が異常過渡状態であると判定することとしても良い。 In d Nerugi output apparatus of the invention, the determination unit is configured to detect the temperature of the fuel cell auxiliary machinery, the temperature of the fuel cell auxiliary machinery is equal to or greater than a predetermined reference temperature, the fuel cell auxiliary machinery is abnormal transient It is good also as determining with it being in a state.
このような構成とすれば、燃料電池の発電を継続することにより、上記燃料電池補機の温度上昇の様子を検出し続け、異常があるときには速やかに異常を検出することが可能となる。 With such a configuration, by continuing the power generation of the fuel cell, it is possible to continuously detect the temperature rise of the fuel cell auxiliary device, and to quickly detect the abnormality when there is an abnormality.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、エネルギ出力装置の制御方法や、エネルギ出力装置を動力源として搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a control method for an energy output apparatus or a moving body in which the energy output apparatus is mounted as a power source.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.装置の全体構成:
B.間欠運転を伴う運転制御:
C.間欠運転を禁止する制御:
D.実施例:
E.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overall configuration of the device:
B. Operation control with intermittent operation:
C. Control prohibiting intermittent operation:
D. Real施例:
E. Variations:
A.装置の全体構成:
図1は、本発明に係る実施の態様としての電気自動車10の構成の概略を表わすブロック図である。電気自動車10は、電力を消費する負荷として、駆動モータ33と補機モータ34とを備えており、これらの負荷に電力を供給する電源として、電源装置15を備えている。電源装置15と負荷との間には、配線50が設けられており、この配線50を介して、電源装置15と負荷との間で電力がやり取りされる。
A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the configuration of an
電源装置15は、燃料電池装置20と、2次電池30とを備えている。燃料電池装置20は、発電の本体である燃料電池22を備えている。2次電池30は、DC/DCコンバータ32を介して配線50に接続されており、DC/DCコンバータ32と燃料電池22とは、配線50に対して並列に接続されている。また、配線50には、配線50と燃料電池22との間の接続を入り切りするスイッチ52が設けられている。
The
燃料電池装置20は、燃料電池22と、燃料電池22に供給する水素を貯蔵する水素タンク23と、燃料電池22に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ24と、を備えている。燃料電池22としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施の態様では、燃料電池22として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池22は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。
The
水素タンク23は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベとすることができる。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとすることとしても良い。水素タンク23に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路60に放出されて、水素ガス供給路60に設けられた減圧弁61によって減圧された後、圧力調整弁62によって所定の圧力に調整されて、燃料電池22のアノードに供給される。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路63に導かれて再び水素ガス供給路60に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは流路内を循環して再度電気化学反応に供される。
The
アノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路63には、水素ポンプ65が設けられている。また、このアノード排ガス路63から分岐して、排ガス排出路64が設けられている。排ガス排出路64は、開閉弁66を備えている。開閉弁66を開状態とすることで、アノード排ガス路63を流れるアノード排ガスの一部を、排ガス排出路64を介して外部に排出可能となる。この開閉弁66は、アノード排ガス路63を経由して再びアノードに供給されるガス中の不純物濃度(窒素濃度)を低下させるために設けられている。燃料電池22とアノード排ガス路63との間で水素ガスを循環させると、電気化学反応の進行に伴って、水素ガス中にもともと微量に含まれていた窒素が濃縮されて窒素濃度が上昇する。また、窒素を含有する空気が供給されるカソード側からアノード側に窒素がリークしてくることによっても、水素ガス中の窒素濃度が上昇する。電気自動車10では、所定の時間間隔で開閉弁66を開放して、アノード排ガスの一部を外部に排出することで、アノードに供給する水素ガス中の窒素濃度の上昇を抑えている。開閉弁66を開放するタイミングは、例えば所定の時間間隔で行なうこととしても良いし、燃料電池22による発電量の積算値が所定値になる毎に行なうこととしても良い。
In order to circulate the anode exhaust gas, a
ここで、排ガス排出路64は、排ガス排出路64よりも断面積が大きい容器である希釈器26に接続されている。この希釈器26は、アノード排ガスを外部に排出する際に、アノード排ガス中の水素を、排出に先立って後述するカソード排ガスによって希釈するための構造である。
Here, the exhaust
また、アノード排ガス路63には、気液分離器27が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水は、電解質膜を介してアノード側のガス内にも導入される。気液分離器27は、このようにしてアノード排ガス中に溜まる水蒸気を、温度の低い気液分離器27の内壁面上で凝縮させることによって、アノード排ガス中から除去する。
The anode
エアコンプレッサ24は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路67を介して燃料電池22のカソードに供給する。エアコンプレッサ24が空気を圧縮する際には、フィルタを備えたエアフロメータ28を介して、外部から空気を取り込む。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路68に導かれて外部に排出される。ここで、酸化ガス供給路67およびカソード排ガス路68は、加湿モジュール25を経由している。加湿モジュール25では、酸化ガス供給路67の壁面の一部とカソード排ガス路68の壁面の一部とが接触しており、この接触部には、水蒸気透過性の膜が配設されている。水蒸気透過性の膜によって酸化ガス供給路67とカソード排ガス路68とを隔てることで、カソード排ガス側から加圧空気側に水蒸気が供給可能となっている。すなわち、カソード排ガスは、電気化学反応に伴って生じた生成水を水蒸気の状態で含有するが、加湿モジュール25では、上記水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路68から分岐して、排ガス分岐路69が設けられている。この排ガス分岐路69は、希釈器26を経由して、再びカソード排ガス路68に接続している。そのため、排ガス排出路64を介して希釈器26に流入したアノード排ガスは、希釈器26においてカソード排ガスの一部と混合されることによって希釈され、その後カソード排ガス路68に合流することで、残りのカソード排ガスによってさらに希釈されて外部に排出される。
The
燃料電池装置20は、さらに、燃料電池22の運転温度が所定温度となるように燃料電池22を冷却するための冷却部40を備えている。冷却部40は、冷却水路41と、冷却ポンプ42と、ラジエータ29とを備えている。冷却水路41は、燃料電池22の内部とラジエータ29との間で冷却水が循環するように、冷却水を導く流路である。冷却ポンプ42は、冷却水路41内で冷却水を循環させる。ラジエータ29は、冷却ファンを備えており、燃料電池22内を経由して昇温した冷却水を冷却する。冷却水路41と燃料電池22との接続部付近には、冷却水温度を検出するための温度センサ43,44が設けられている。この温度センサ43,44の検出結果に基づいて冷却ファンおよび冷却ポンプ42の駆動量を調節することで、燃料電池22の運転温度を制御している。なお、既述したエアコンプレッサ24や水素ポンプ65や冷却ポンプ42、あるいはラジエータファンや流路に設けた弁など、燃料電池22の発電に伴って動作する装置を、以後、燃料電池補機と呼ぶ。
The
2次電池30としては、鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム2次電池など種々の2次電池を用いることができる。また、図1に示すように、2次電池30には、2次電池30の残存容量(SOC)を検出するための残存容量モニタ31が併設されている。本実施の態様では、残存容量モニタ31は、2次電池30における充電・放電の電流値と時間とを積算するSOCメータとして構成されている。あるいは、残存容量モニタ31は、SOCメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。2次電池30は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するという性質を有しているため、電圧を測定することによって2次電池30の残存容量を検出することができる。
As the
2次電池30の残存容量が所定値以下になると、2次電池30は、燃料電池22によって充電される。また、電気自動車10の制動時(車両の走行時に運転者がブレーキを踏み込む動作を行なったとき)には、駆動モータ33を発電機として用いて、駆動モータ33の発電により発生する電力によって2次電池30を充電することができる。
When the remaining capacity of the
DC/DCコンバータ32は、出力側の目標電圧値を設定することによって、配線50における電圧を調節し、これによって燃料電池22からの出力電圧を調節して燃料電池22の出力電力を制御する。また、DC/DCコンバータ32は、2次電池30と配線50との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、2次電池30において充放電を行なう必要のないときには、2次電池30と配線50との接続を切断する。
The DC /
電源装置15から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ33は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ33には、駆動インバータ35を介して電源装置15から電力が供給される。駆動インバータ35は、上記駆動モータ33の各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ33の出力軸37は、減速ギヤ38を介して車両駆動軸39に接続している。減速ギヤ38は、駆動モータ33が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸39に伝える。
The
図1では、電源装置15から電力の供給を受ける他の負荷として、補機モータ34を示している。この補機モータ34とは、具体的には、既述したエアコンプレッサ24や冷却ポンプ42や水素ポンプ65が備えるモータであり、各々に対応して設けられたインバータ(図1では一括してインバータ36と表わしている)を介して電源装置15から電力を供給される。その他、電源装置15から電力を供給される補機には、ラジエータ29の冷却ファンや各流路に設けられた弁などの燃料電池補機の他、電気自動車10が備える空調装置(エアコン)等、車両に関わる電気機器が含まれる。これらの補機の内、動作電圧が低い機器(例えば流路に設けられた弁)には、所定の降圧DC/DCコンバータを介して電力が供給される(図示せず)。
In FIG. 1, an
また、電気自動車10は、電気自動車10の各部の動きを制御する制御部70をさらに備えている。制御部は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPUと、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROMと、同じくCPUで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAMと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部70は、既述した温度センサ43,44等の各種センサの検出信号や、残存容量モニタ31が出力する信号を入力する他、アクセル開度や車速等の車両の運転に関する情報を取得する(図示せず)。また、DC/DCコンバータ32、駆動インバータ35、あるいは燃料電池装置20が備えるポンプや流路に設けられた弁などに駆動信号を出力する。
The
B.間欠運転を伴う運転制御:
電気自動車10では、通常は車両の駆動に要する電力を主として燃料電池装置20が供給する。そして、燃料電池装置20を用いたのではエネルギ効率が低下する場合には、燃料電池装置20を停止させる制御(間欠運転)を行なって、2次電池30から電力を供給する。電源装置15は、エネルギ効率に基づくと間欠運転を行なうべき条件が成立しているときに、実際に間欠運転を行なうか否かの判断をさらに行なう際の動作に特徴があるが、まず、通常の運転制御と間欠運転について説明する。
B. Operation control with intermittent operation:
In
電源装置15から電力を得る際には、電源装置15における効率がより高くなるように、燃料電池22および2次電池30からの発電量を制御している。図2は、燃料電池22の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図である。図2(A)は、燃料電池22の効率(FC効率)および燃料電池補機が要する動力と、燃料電池22の出力との関係を示す。図2(A)に示すように、燃料電池22の出力が大きくなるほど、燃料電池22の効率は次第に低下する。また、燃料電池22の出力が大きくなるほど、補機動力、すなわち補機を駆動するために消費するエネルギは大きくなる。ここで、燃料電池22の出力が非常に小さい間は、燃料電池22の出力に対する補機動力割合が高くなっている。したがって、燃料電池22の効率と補機動力に基づいて求められる燃料電池装置20全体の効率(FCシステム効率)は、図2(B)に示すように、低負荷時には低くなり、燃料電池22の出力が所定の値のときに最も高くなり、さらに高負荷になると再び低下するという性質を示す。
When power is obtained from the
そのため、電気自動車10では、燃料電池装置20全体の効率が悪くなる低負荷時には、原則として燃料電池22を停止することによって、エネルギ効率が低下するのを防止している。また、燃料電池22による発電を行なう場合には、燃料電池装置20のエネルギ効率が特に高くなる負荷状態の時には、燃料電池22だけから電力を得るよう制御している。そして、これより負荷の大きな時には、燃料電池22と2次電池30との双方から所定の割合で電力を得るように、制御を行なっている。
Therefore, the
ここで、電源装置15からの出力状態は、2次電池30のSOCによっても影響を受ける。2次電池30のSOCが充分であれば、2次電池30から部分的に出力することで電源装置15全体のエネルギ効率を向上させられる場合がある。また、2次電池30のSOCが不十分であれば、燃料電池22によって2次電池30を充電する必要がある。そのため本実施の態様では、より効率良く電源装置15から電力を取り出すために、要求負荷(後述する電源装置要求電力)と2次電池30のSOCとに応じて、燃料電池22と2次電池30とが発電すべき電力量を予め定めており、制御部70内にマップ(電力分配マップ)として記憶している。
Here, the output state from the
以下、要求負荷が小さい場合に燃料電池22の発電を停止して2次電池30だけから電力を得る運転モードを「間欠運転モード」と呼び、燃料電池22が発電を行なう運転モードを「FC運転モード」と呼ぶ。
Hereinafter, an operation mode in which power generation of the
間欠運転モードが選択されるときには、燃料電池補機が停止され、燃料電池22に対する水素ガスおよび空気の供給が停止される。また、スイッチ52が開放されて、配線50と燃料電池22との接続が切断される。
When the intermittent operation mode is selected, the fuel cell auxiliary machine is stopped, and the supply of hydrogen gas and air to the
FC運転モードが選択されるときには、DC/DCコンバータ32の出力電圧によって、燃料電池22および2次電池30から出力する電力量を制御している。図3に、燃料電池22における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す。図3に示すように、燃料電池22から出力すべき電力PFCが定まれば、そのときの燃料電池22の出力電流の大きさIFCが定まる。燃料電池22の出力特性より、出力電流IFCが定まれば、そのときの燃料電池22の出力電圧VFCが定まる。FC運転モードが選択されているときに、既述した電力分配マップを参照して燃料電池22から出力すべき電力量が決まると、制御部70は、DC/DCコンバータ32に対して、このようにして求めた出力電圧VFCを目標電圧として指令する。このとき、燃料電池22の発電量に見合ったガスが供給されるように燃料電池補機を駆動すると共に、要求負荷に従ってインバータ35に駆動信号を出力することによって、燃料電池22と2次電池30のそれぞれから、所望量の電力が負荷に供給されるようになる。
When the FC operation mode is selected, the amount of power output from the
図4は、電気自動車10の制御部70において実行される運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電気自動車10の稼働中に、繰り返し実行される。
FIG. 4 is a flowchart showing a driving control processing routine executed in
本ルーチンが実行されると、制御部70は、車速およびアクセル開度に関する情報を取得する(ステップS100)。その後、制御部70は、アクセル開度および車速に基づいて、駆動モータ33における要求電力を算出する(ステップS110)。モータ要求電力PMreqを算出すると、制御部70は、電源装置15における要求電力Preq を算出する(ステップS120)。電源装置要求電力Preq とは、モータ要求電力PMreqに、さらに、他の負荷(燃料電池補機や、電気自動車10が備える空調装置)における要求電力を加えたものであり、電源装置15が出力すべき電力の総量である。
When this routine is executed, the
電源装置要求電力Preq を算出すると、次に制御部70は、残存容量モニタ31から2次電池30のSOCを取得する(ステップS130)。そして制御部70は、取得したSOCと上記電源装置要求電力Preq の値とに基づいて、既述した電力分配マップを参照して、燃料電池22と2次電池30とのそれぞれから出力すべき電力(電力分配)を決定する(ステップS140)。その後、制御部70は、ステップS140で決定した電力分配が、間欠運転モードに対応しているか否かを判断する(ステップS150)。間欠運転モードに対応する電力分配が決定されているときには、制御部70は、後述する性能低下予測処理ルーチンに移行して(ステップS160)、本ルーチンを終了する。決定された電力分配がFC運転モードに対応していると判断するときには、制御部70は、ステップS140で決定された電力分配が実現されるように、電気自動車10の各部に駆動信号を出力してFC運転モードの制御を行ない(ステップS170)、本ルーチンを終了する。具体的には、マップを参照して決定された電力を燃料電池22および2次電池30が出力するように、燃料電池装置20およびDC/DCコンバータ32を駆動すると共に、要求電力PMreqに応じてインバータ35,36等、負荷や燃料電池補機に関わる各部を駆動する。
After calculating the power supply device required power P req , the
C.間欠運転を禁止する制御:
電気自動車10では、上記ステップS140において間欠運転モードに対応する電力分配が決定されたときには、さらに性能低下予測条件に該当するか否かに基づいて、実際に間欠運転モードで運転制御を行なうか否かを決定する。図5は、このような間欠運転モードを実行するか否かの判断のための処理に関わる回路として、制御部70が備える回路の構成を示すブロック図である。図5に示すように、制御部70は、出力制御部72、判定部74およびFC強制運転部76を備えている。また、図6は、図4のステップS150で決定された電力分配が間欠運転モードに対応していると判断されたときに制御部70で実行される性能低下予測処理ルーチンを表わすフローチャートである。なお、電力分配が間欠運転モードに対応していると判断されると、ステップS160では、性能低下予測処理ルーチンが実行されると共に、上記判断およびステップS140で決定した電力分配が制御部70の出力制御部72に伝達される。
C. Control prohibiting intermittent operation:
In
図6のルーチンが実行されると、制御部70は、性能低下予測に関わる情報を入力する(ステップS200)。そして制御部70の判定部74は、上記性能低下予測に関わる情報に基づいて、性能低下予測条件に該当するか否かを判定する(ステップS210)。
When the routine of FIG. 6 is executed, the
ここで、性能低下予測条件とは、現在FC運転モードで運転中である場合には、この後に間欠運転モードを選択して燃料電池装置20を停止した場合に、次回燃料電池装置20を起動すると燃料電池22の性能低下が引き起こされる可能性があると判定される条件をいう。また、現在燃料電池22による発電を行なっていない場合には、燃料電池装置20の停止状態を継続すると、次回起動したときに、この燃料電池22の性能低下が引き起こされる可能性があると判定される条件をいう。
Here, the performance degradation prediction condition is that when the
まず、現在FC運転モードで運転中である場合に判定される性能低下予測条件について説明する。このような性能低下予測に関わる情報としては、具体的には、燃料電池22のアノードに供給されるガス中の窒素濃度、燃料電池22の出力電圧、燃料電池22を構成する各セルの電圧および燃料電池22の運転温度などを挙げることができる。
First, the performance degradation prediction condition that is determined when currently operating in the FC operation mode will be described. Specifically, the information related to the performance degradation prediction includes the nitrogen concentration in the gas supplied to the anode of the
燃料電池22のアノードに供給されるガス中の窒素濃度が上昇した状態で燃料電池装置20を一旦停止させると、再起動時の燃料電池22の発電効率が低下して、出力特性(出力電流に対する出力電圧である電流−電圧特性)が低下する可能性がある。そのため、本実施の態様では、アノードに供給されるガス中の窒素濃度が上昇していることを、性能低下予測条件に加えている。
If the
上記ガス中の窒素濃度は、例えば、前回開閉弁66を開弁操作した後の経過時間、あるいは開弁操作した後の燃料電池22における積算発電量に基づいて、推定値として算出することができる。本実施の態様では、制御部70において、上記のように経過時間の測定や発電量の積算を継続して行ない、ステップS200では、この経過時間や積算発電量を参照して、上記ガス中の窒素濃度を算出している。ステップS210では、このようにして算出した値が所定の基準値を超えているときに、性能低下予測条件に該当すると判定する。あるいは、窒素濃度を算出することなく、開閉弁66の開弁操作後の経過時間のみに基づいて判定しても良い。すなわち、ガス中の窒素濃度が上昇したと予測するための基準時間である窒素蓄積基準時間を予め設定しておき、開閉弁66の開弁操作後の経過時間が窒素蓄積基準時間を超えているときに、性能低下予測条件に該当すると判定することとしても良い。また、開閉弁66の開弁操作後の燃料電池22の積算発電量が、ガス中の窒素濃度が上昇すると予測される所定の基準値を超えるときに、性能低下予測条件に該当すると判定することとしても良い。
The nitrogen concentration in the gas can be calculated as an estimated value based on, for example, the elapsed time after the previous opening / closing operation of the opening / closing
あるいは、上記ガス中の窒素濃度に基づいて性能低下予測条件に該当するか否かを判定する際に、前回開閉弁66を開弁操作した後の経過時間が、上記窒素蓄積基準時間よりもはるかに短く設定した開弁直後基準時間以内である場合に、性能低下予測条件に該当すると判定しても良い。開閉弁66を開放すると、アノード排ガス路63において、開閉弁66の近傍では急激に窒素濃度が低下するが、燃料電池22内部などガス流路の他の部位では窒素濃度は高いままである。窒素濃度が流路内で均一化して流路全体で窒素濃度が充分に低くなるためには、開閉弁66の開弁操作後しばらくの時間を要する。そのため、開閉弁66の開弁操作後、流路全体の窒素濃度が低くなるのに要する時間として開弁直後基準時間を設定しておき、開閉弁66の開弁操作後の経過時間が開弁直後基準時間以内であるときには、性能低下予測条件に該当すると判定することができる。
Alternatively, when determining whether or not the performance deterioration prediction condition is satisfied based on the nitrogen concentration in the gas, the elapsed time after the previous opening / closing operation of the on-off
ここで、前回開閉弁66を開弁操作してからの経過時間が、上記開弁直後基準時間以内であるときには、ガス中の窒素濃度が高いままであるという不都合の他に、希釈器26内に比較的濃度が高い水素が滞留しているという問題も生じている。燃料電池装置20を停止させるとエアコンプレッサ24が停止して、希釈器26に対するカソード排ガスの供給が止まる。そのため、開閉弁66を開弁操作した直後に燃料電池装置20を一旦停止させると、次回起動時にエアコンプレッサ24が動き始めるときに、希釈器26から外部に比較的濃度が高い水素が排出される可能性がある。このように、開閉弁66の開弁操作からの経過時間がごく短い(開弁直後基準時間以内である)ということは、ガス中の窒素濃度が高いことに起因して燃料電池22の発電性能が低下するという性能低下の他に、比較的濃度が高い水素が排出されるという不都合が生じるということができる。
Here, when the elapsed time since the previous opening / closing
燃料電池22の出力電圧や、燃料電池22を構成する各セルの電圧は、燃料電池22を構成する電解質膜が水分不足となったときや、燃料電池22内のガス流路において凝縮水が滞留してガスの流れが妨げられた時に、低下する可能性がある。このように電解質膜が水分不足となった状態や流路内で凝縮水が滞留する状態のままで燃料電池装置20を一旦停止させると、再起動時の燃料電池22の発電効率が低下して、電流−電圧特性が低下する可能性がある。そのため、本実施の態様では、燃料電池22の出力電圧や、燃料電池22を構成する各セルの電圧が低下していることを、性能低下予測条件に加えている。
The output voltage of the
電源装置15では、燃料電池22の出力電流を検出する電流計と、燃料電池22の出力電圧(配線50の電圧)を検出する電圧計と、燃料電池22を構成する各単セル毎の電圧を測定する単セル電圧計と、が設けられている(図示せず)。図6のステップS200では、制御部70は、上記電流計と電圧計と単セル電圧計とから検出信号を取得する。その後、ステップS210で、出力電流に対する出力電圧の値が所定の基準値よりも低い場合には、性能低下予測条件に該当すると判定する。ここで、所定の基準値とは、発電を継続することは許容できるが、電解質膜の水分不足や凝縮水の滞留が疑われる程度に通常よりも低い電圧値として設定されている。なお、本実施の態様では、燃料電池22全体の出力電圧と各単セル毎の電圧との両方を検出しているが、特に単セル毎の電圧に基づくことで、不都合が発生する可能性を早い段階で検出することが可能となる。すなわち、特定の単セルにおける電解質膜の部分的な水分不足や、特定の単セル内ガス流路の一部において凝縮水の滞留が生じていることを、速やかに検出することが可能となる。
In
燃料電池22の運転温度が低下することによっても、燃料電池22の電流−電圧特性が低下する。そのため、燃料電池22の温度が低下し始めたときに燃料電池装置20を停止すると、燃料電池22の温度はさらに低下してしまい、再起動時には燃料電池22の出力特性がさらに低下する可能性がある。このように燃料電池22の温度が通常よりも低下しているときに、燃料電池22に対してより大きな負荷を接続する場合には、燃料電池22内で通常の電気化学反応とは異なる反応が進行して、燃料電池22の発電性能がさらに低下する可能性もある。従って本実施の態様では、燃料電池22の運転温度を、性能低下予測条件に加えている。
The current-voltage characteristic of the
燃料電池22の温度は、燃料電池22に温度センサを設けて直接検出することとしても良いし、燃料電池22の温度を反映する温度を検出することとしても良い。例えば、冷却水路41に設けた温度センサ43の検出信号に基づいて燃料電池22の温度を推測することができる。図6のステップS200では、制御部70は、上記した温度センサから検出信号を取得する。そして、ステップS210で、検出した温度が所定の温度以下であれば、性能低下予測条件に該当すると判定する。
The temperature of the
図6のステップS210において、判定部74が性能低下予測条件に該当すると判定したとき、すなわち、判定部74が燃料電池22の性能低下が起こると判定したときには、この判定は制御部70のFC強制運転部76に伝達される。ここで、制御部70には、既述した通常の電力分配マップの他に、間欠運転停止時電力分配マップが記憶されている。通常の電力分配マップでは、燃料電池装置20のエネルギ効率が低くなる所定の低負荷状態では、燃料電池22が発電すべき電力量はゼロに定められている。これに対して、間欠運転停止時電力分配マップでは、このような低負荷状態であっても燃料電池22が発電を行なうように、燃料電池22と2次電池30とが発電すべき電力量が記憶されている。ステップS220では、FC強制運転部76は、上記間欠運転停止時電力分配マップを参照して、燃料電池22と2次電池30とが発電すべき電力量(電力分配)を決定する。電力分配を決定すると、FC強制運転部76は、決定した電力分配が実現されるように、電源装置15の各部に駆動信号を出力してFC運転モードの制御を行ない(ステップS230)、本ルーチンを終了する。なお、ステップS210において、判定部74が性能低下予測条件に該当すると判定したときには、この判定は制御部70の出力制御部72にも伝達される。これによって、ステップS160で出力制御部72に伝達されていた判断(電力分配が間欠運転モードに対応しているという判断)および間欠運転モードに対応する電力分配がキャンセルされる。
In step S210 of FIG. 6, when the
ステップS210において、判定部74が性能低下予測条件のいずれにも該当しないと判定したとき、すなわち、判定部74が燃料電池22の性能低下が起こらないと判定したときには、この判定は制御部70の出力制御部72に伝達される。これにより、出力制御部72は、ステップS160で伝達された間欠運転モードに対応する電力分配に従い、電源装置15の各部に駆動信号を出力する。これによって、2次電池30が電源装置要求電力Preq に相当する電力を出力するという間欠運転モードの制御が実行され(ステップS240)、本ルーチンを終了する。
In step S210, when the
以上のように構成された電源装置15によれば、性能低下予測条件に該当するときには、電源装置15のエネルギ効率に関わらず間欠運転を行なわないため、燃料電池22の性能低下を防止することができる。
According to the thus constructed
性能低下予測条件が、ガス中の窒素濃度が高いことであった場合には、燃料電池22による発電を継続することで、その後開閉弁66の開弁操作が実行され、ガス中の窒素濃度が低下するため、性能低下を防止することができる。あるいは、開閉弁66の開弁操作を行なってからの経過時間が短いために間欠運転を行なわなかった場合には、比較的濃度が高い水素が外部に排出される不都合を防止することができる。このように、燃料電池22の性能低下とは、燃料電池22の性能に関わる不都合に加えて、燃料電池22の動作に伴って生じる不都合を広く含むものとする。
When the performance deterioration prediction condition is that the nitrogen concentration in the gas is high, by continuing the power generation by the
性能低下予測条件が、燃料電池22の出力電圧や、燃料電池22を構成する各セルの電圧が低いことであった場合には、燃料電池22による発電を継続することで、電解質膜の水分不足の回復や滞留する凝縮水の除去を行ない、性能低下を防止することが可能となる。すなわち、燃料電池22において、ガス流量の調節やガスの加湿を正常に行なわれているならば、発電を継続することによって、燃料電池22の出力電圧や燃料電池22を構成する各セル電圧を回復することが可能となる。
When the performance degradation predicting condition is that the output voltage of the
性能低下予測条件が、燃料電池22の運転温度が低いことであった場合には、燃料電池22による発電を継続することで、電気化学反応に伴って生じる熱を利用して燃料電池22の温度が低下しすぎるのを抑え、性能低下を防止することができる。
If the performance deterioration prediction condition is that the operating temperature of the
燃料電池22の発電を継続することで、性能低下予測条件が解消されると、その後に低負荷状態となって性能低下予測処理ルーチンが実行されるときには、間欠運転モードが実行されて、燃料電池装置20が停止される。このように性能低下予測条件が解消されていれば、その後負荷の増大などに伴って燃料電池装置20が再び起動されたときに、既述した性能低下が起こることがない。
When the performance deterioration prediction condition is resolved by continuing the power generation of the
なお、上記した説明では、現在FC運転モードで運転中である場合に判定される性能低下予測条件について説明したが、現在燃料電池22による発電を行なっていない場合にも、同様の制御が行なわれる。現在燃料電池22が発電を行なっていない場合(間欠運転モードとなっている場合)にステップS200で入力する情報としては、具体的には、例えば燃料電池22の温度を挙げることができる。燃料電池22の温度が所定の基準温度以下となったときには、性能低下予測条件に該当すると判断して、直ちに燃料電池装置20を起動する(FC運転モードにする)ことで、燃料電池22の温度低下を抑えて発電性能の低下が防止される。このような制御を行なうことで、間欠運転モードを継続することに起因して次回起動時に燃料電池22の性能低下が起こるのを防止することができる。
In the above description, the performance degradation prediction condition determined when currently operating in the FC operation mode has been described, but the same control is performed even when power generation by the
このような制御を行なう際に、燃料電池22の温度を直接検出する他に、間欠運転モードを開始してからの経過時間に基づいて、経過時間が所定の基準時間を超えたときに、ステップS210で性能低下予測条件に該当すると判断することとしても良い。すなわち、間欠運転モードを継続する時間に制限を設け、所定の基準時間以上継続して間欠運転を行なわないこととしても良い。これによって、間欠運転を継続することで燃料電池22の温度が低下し過ぎるのを防止することができる。さらに、間欠運転モードを継続する時間に制限を設けることで、間欠運転を継続することに起因して電解質膜の水分が不足することによる不都合を防止することも可能となる。なお、このような間欠運転を継続する時間の制限の他に、一旦間欠運転モードからFC運転モードに移行した後、再び間欠運転モードを開始するまでの時間に制限を設けることとしても良い。すなわち、ステップS200において前回間欠運転を終了してからの経過時間を入力し、ステップS210においてその経過時間が所定の基準時間未満であるときに性能低下予測条件に該当すると判断しても良い。このように、間欠運転の後に燃料電池22が発電する時間を確保することで、燃料電池22の温度を充分に高く維持し、あるいは電解質膜の加湿状態を充分に確保することが可能となる。
When performing such control, in addition to directly detecting the temperature of the
また、間欠運転モードとなっているときに図6のステップS200で入力する他の情報として、燃料電池22を構成する各単セルにおけるOCV(開放電圧)を入力することとしても良い。特定の単セル内のガス流路で凝縮水が滞留したときには、OCVが通常の値まで上昇しなくなるため、OCVが所定の基準電圧以下の時には、性能低下予測条件に該当すると判断することができる。一旦は間欠運転モードを開始しても、ステップS200でOCVが所定の基準電圧以下であるときには、直ちにステップS230のFC運転モードを開始することで、燃料電池22にガス供給を開始して凝縮水の滞留を解消し、性能低下を防止することが可能となる。
Further, OCV (open circuit voltage) in each single cell constituting the
D.実施例:
上記実施の態様では、間欠運転の後に燃料電池を再起動すると燃料電池の性能低下が起こると判定されるときには、間欠運転を行なわないこととしたが、燃料電池装置20が備える燃料電池補機のいずれかが異常と判断される前の過渡的な状態であることが検出されている状態では、間欠運転を行なわないこととしても良い。このような構成を実施例として以下に説明する。
D. Real施例:
In embodiments of the above you facilities, and restarting the fuel cell after the intermittent operation when the performance degradation of the fuel cell is determined to occur, it is assumed that not performed intermittent operation, the fuel cell auxiliary provided in the
本発明の実施例の電気自動車は、電気自動車10と同様の構成を有するため、共通する構成要素には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。図7は、実施例の電気自動車10の制御部70で実行される異常過渡状態処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、制御部70において、図4の運転制御処理ルーチンと同様の処理を行なってステップS150で間欠運転条件であると判断されたときに、ステップS160(図6)の性能低下予測処理ルーチンに代えて実行される。
Electric car real施例of the present invention, electrodeposition has the same structure as the
本ルーチンが実行されると、制御部70は、現在、間欠運転モードで運転中であるか否かを判断する(ステップS300)。間欠運転モードで運転中ではないと判断すると、次に制御部70は、異常過渡状態に関わる情報を入力する(ステップS305)。その後、実施例における制御部70の判定部74は、上記異常過渡状態に関わる情報に基づいて、異常過渡状態に該当するか否かを判定する(ステップS310)。
When this routine is executed, the
ここで、異常過渡状態とは、燃料電池装置20が備えるいずれかの燃料電池補機において、何らかの異常が検出される前の過渡的な状態として予め設定した条件が成立していることをいう。特に、間欠運転を実行して燃料電池装置20を停止すると、検出中であった異常過渡状態が解消されてしまい、実際に異常がある場合に異常の検出動作が継続できなくなるような性質の異常に関する条件として設定されている。
Here, the abnormal transient state means that a condition set in advance as a transient state before any abnormality is detected is satisfied in any of the fuel cell auxiliary devices included in the
このような異常過渡状態の判定のために、本実施例のステップS305では、エアコンプレッサ24が吐出する圧縮空気の温度と、水素ポンプ65が吐出する水素ガスの温度と、インバータ36の温度とを検出している。このような検出のために、エアコンプレッサ24から圧縮空気が吐出される流路には、空気温度センサ54が設けられており、アノード排ガス路63において、水素ポンプ65から圧縮水素が吐出される部位には水素温度センサ56が設けられている(図1参照)。また、インバータ36には、インバータ36の温度を検出する温度センサが設けられている(図示せず)。ステップS305では、制御部70は、これらのセンサから検出信号を取得する。
In order to determine such an abnormal transient state, in step S305 of this embodiment, the temperature of compressed air discharged from the
エアコンプレッサ24および水素ポンプ65のそれぞれによって圧縮されることで、空気及び水素ガスは昇温するが、エアコンプレッサ24や水素ポンプ65で何らかの異常が発生したときには、空気や水素ガスの温度が所定温度を超えて次第に上昇する場合がある。また、インバータ36において異常が発生したときにも、インバータ36の温度が所定温度を超えて次第に上昇する場合がある。本実施例では、上記圧縮空気、水素ガス及びインバータ36温度のそれぞれに対して、通常の温度範囲を超えた温度であって、燃料電池装置20の停止等の処置をすべき異常時であることを判定するための異常時基準温度を予め定めて制御部70に記憶している。さらに、それぞれに対して、通常の温度範囲と上記異常時基準温度との間の温度であって、異常過渡状態であることを判定するための異常過渡基準温度を予め定めて制御部70に記憶している。ステップS310では、上記3種類の温度の少なくともいずれか一つが、異常過渡基準温度を超えているか否かによって、異常過渡状態であるか否かを判定している。
Air and hydrogen gas are heated by being compressed by the
図7のステップS310において、判定部74が異常過渡状態に該当すると判定したときには、その判定結果は、制御部70のFC強制運転部76に伝達される。その後は図6のステップS220と同様の処理を実行し(ステップS320)、決定した電力分配が実現されるように電源装置15の各部に駆動信号を出力してFC運転モードの制御を行なって(ステップS330)、本ルーチンを終了する。
In step S310 of FIG. 7, when the
ステップS310において、判定部74が異常過渡状態のいずれにも該当しないと判定したときには、その判定結果は、制御部70の出力制御部72に伝達される。その後、出力制御部72は、図6のステップS240と同様に、運転制御処理ルーチンのステップS160で伝達された間欠運転モードに対応する電力分配に従い、電源装置15の各部に駆動信号を出力する。これによって、2次電池30が電源装置要求電力Preq に相当する電力を出力するという間欠運転モードの制御が実行され(ステップS340)、本ルーチンを終了する。
In step S <b> 310, when the
また、ステップS300において間欠運転モードで運転中と判断した場合には、すでに燃料電池装置20は停止されているため、異常過渡状態に関する判定を行なう必要はない。そのため、制御部70は、そのままステップS340に移行して間欠運転モードを継続する制御を行ない、本ルーチンを終了する。
Further, if it is determined in step S300 that the operation is in the intermittent operation mode, the
以上のように構成された実施例の電源装置15によれば、エアコンプレッサ24と水素ポンプ65とインバータ36とのいずれかが、異常過渡状態であることが検出されると、燃料電池装置20が停止されないため、実際に異常が生じている場合に、異常の検出のための動作を継続することができる。異常の前段階である異常過渡状態で間欠運転を行ない燃料電池装置20を停止すると、温度が上昇中であって異常過渡状態であると判定されたエアコンプレッサ24等は、動作を停止することで降温する。したがって、次回燃料電池装置20が起動されたときには、異常過渡状態に対応する温度、さらに異常時基準温度に昇温するまでに時間を要することになり、実際に異常が発生している場合にこれが検出されるまでにより長い時間を要することになる。本実施例では、異常過渡状態であると判定されると燃料電池装置20を停止しないため、エアコンプレッサ24等に異常が発生しているときには、速やかに異常を検出することが可能となる。
According to the
なお、実施例では、エアコンプレッサ24と水素ポンプ65とインバータ36とにおける異常過渡状態を検出することとしたが、燃料電池装置20が備える他の燃料電池補機について、同様の判定を行なうこととしても良い。燃料電池装置20を停止すると、検出中であった異常過渡状態が解消されてしまい、実際に異常がある場合に異常の検出がなされなくなるような種類の異常(例えば温度上昇を伴う異常)について、異常過渡状態を検出するならば、同様の効果を得ることができる。例えば、燃料電池22から排出されるアノード排ガスやカソード排ガスの温度を測定して、燃料電池22が、温度上昇を伴う異常の過渡的な状態であることを検出することとしても良い。あるいは、燃料電池22から排出されるアノード排ガスやカソード排ガスの圧力を測定して、燃料電池22が、排出ガス圧の低下を伴う異常(電解質膜の損傷など)の過渡的な状態であることを検出することとしても良い。
In the real施例, it is assumed that detects an abnormal transient state in an
E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
E. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
E1.変形例1:
本発明に係る実施の態様および実施例では、燃料電池装置20を停止させるか否かの判断は、電源装置15全体のエネルギ効率に基づいて行なっている。これに対して、エネルギ効率以外の条件をさらに考慮して、あるいは、エネルギ効率以外の条件に基づいて、上記判断を行ない、燃料電池装置20を停止して2次電池30を用いる制御を行なうこととしても良い。エネルギ効率以外の条件に基づいて判断する場合にも、性能低下予測条件や異常過渡状態に基づいて、燃料電池装置20の停止の解除を行なうこととすれば、同様の効果を得ることができる。
E1. Modification 1:
In embodiments Oyo BiMinoru施例embodiment according to the present invention, determination of whether to stop the
E2.変形例2:
本発明に係る実施の態様および実施例では、燃料電池装置20と2次電池30とを備える電源装置15としたが、2次電池30に代えて、あるいは2次電池30に加えてさらに、内燃機関を備えるエネルギ出力装置においても、同様に本発明を適用することができる。燃料電池装置と共に内燃機関を車両に搭載するならば、燃料電池装置から電力を供給されるモータと、内燃機関との双方から、車両駆動用の動力を得ることが可能となる。このように、燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備えるエネルギ出力装置において、少なくともいずれか一つのエネルギ出力源を用いて外部にエネルギを出力する際に、本発明を適用することができる。このようなエネルギ出力装置で、エネルギ効率などに基づく所定の条件下で燃料電池の発電を停止する制御を行なう際に、性能低下予測条件や異常過渡状態に基づいて、燃料電池装置20の停止の解除を行なうこととすれば、同様の効果を得ることができる。
E2. Modification 2:
In embodiments Oyo BiMinoru施例embodiment according to the present invention is based on a
E3.変形例3:
本発明に係る実施の態様および実施例では、燃料電池装置20は、アノードに対して純度の高い水素ガスを供給し、アノード排ガスをアノードに循環させる構成としたが、異なる構成とすることもできる。例えば、ガソリンやアルコールなどの炭化水素系燃料を改質して水素を生成する改質器を有する燃料電池装置を備えた電源装置において、同様に本発明を適用することが可能である。改質器を有する燃料電池装置を備える電源装置としては、2次電池をさらに備え、主電源として2次電池を用い、燃料電池は主として2次電池の充電に用い、2次電池が満充電のときには燃料電池装置の発電を停止する構成が考えられる。このような電源装置において、2次電池が満充電となって、燃料電池装置を停止する判断がなされても、性能低下予測条件や異常過渡状態に基づいて燃料電池装置の停止の解除を行なうこととすれば、同様の効果を得ることができる。
E3. Modification 3:
In embodiments Oyo BiMinoru施例embodiment according to the present invention, a
このような構成において、性能低下予測条件の一つである電極活物質を含有するガス中の不純物濃度は、改質ガス中の不純物濃度(例えば一酸化炭素濃度)とすることができる。改質ガス中の不純物濃度が高いときには、燃料電池装置を稼働させ続けることで、改質器の温度や、改質ガスを浄化するための触媒を備える反応器の温度の低下を抑えることができる。したがって、燃料電池装置を停止させることによって上記改質器や反応器の温度が低下して、次回に燃料電池装置を起動したときに改質ガス中の不純物濃度がさらに高まって許容範囲を超えてしまうのを防止することができる。 In such a configuration, the impurity concentration in the gas containing the electrode active material, which is one of the performance deterioration prediction conditions, can be the impurity concentration (for example, carbon monoxide concentration ) in the reformed gas. When the impurity concentration in the reformed gas is high, by continuing to operate the fuel cell device, it is possible to suppress a decrease in the temperature of the reformer and the temperature of the reactor equipped with a catalyst for purifying the reformed gas. . Therefore, by stopping the fuel cell device, the temperature of the reformer or reactor decreases, and when the fuel cell device is started next time, the impurity concentration in the reformed gas further increases and exceeds the allowable range. Can be prevented.
E4.変形例4:
本発明に係る実施の態様および実施例では、燃料電池装置20を備える電源装置15を電気自動車10に搭載することとしたが、燃料電池装置を備える電源装置などのエネルギ出力装置を、定置型としても良い。
E4. Modification 4:
In embodiments Oyo BiMinoru施例embodiment according to the present invention, it is assumed that includes the
10…電気自動車
15…電源装置
20…燃料電池装置
22…燃料電池
23…水素タンク
24…エアコンプレッサ
25…加湿モジュール
26…希釈器
27…気液分離器
28…エアフロメータ
29…ラジエータ
30…2次電池
31…残存容量モニタ
32…DC/DCコンバータ
33…駆動モータ
34…補機モータ
35,36…インバータ
37…出力軸
38…減速ギヤ
39…車両駆動軸
40…冷却部
41…冷却水路
42…冷却ポンプ
43,44…温度センサ
50…配線
52…スイッチ
54…空気温度センサ
56…水素温度センサ
60…水素ガス供給路
61…減圧弁
62…圧力調整弁
63…アノード排ガス路
64…排ガス排出路
65…水素ポンプ
66…開閉弁
67…酸化ガス供給路
68…カソード排ガス路
69…排ガス分岐路
70…制御部
72…出力制御部
74…判定部
76…FC強制運転部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池が発電する際に、発電に伴って動作する燃料電池補機と、
前記エネルギ出力装置からエネルギを出力する際に、前記燃料電池を用いたのでは、前記燃料電池と前記燃料電池補機とを備える燃料電池システム全体のエネルギ効率が低下すると判断される条件下では、前記燃料電池の発電を停止させ、前記燃料電池以外のエネルギ出力源からエネルギを出力させる出力制御部と、
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池補機の動作状態を検出し、検出した動作状態に基づいて、前記燃料電池補機が異常と判断される前の過渡的な状態である異常過渡状態であるか否かを判定する判定部と、
前記燃料電池補機が異常過渡状態であると前記判定部が判定したときには、前記所定の条件下であるか否かに関わらず、前記燃料電池の発電を継続させるFC強制運転部と
を備えるエネルギ出力装置。 An energy output device comprising a plurality of energy output sources including a fuel cell and outputting energy to the outside using at least one of the plurality of energy output sources,
When the fuel cell generates power, a fuel cell auxiliary machine that operates along with power generation;
When the fuel cell is used when outputting energy from the energy output device, under the condition that the energy efficiency of the entire fuel cell system including the fuel cell and the fuel cell auxiliary device is judged to be reduced, An output control unit that stops power generation of the fuel cell and outputs energy from an energy output source other than the fuel cell ;
Detecting an operating state of the fuel cell auxiliary machinery during power generation of the previous SL fuel cell, based on the detected operating state, the abnormal transient state the fuel cell auxiliary machinery is transient state before it is determined that abnormality A determination unit for determining whether or not
When the determination unit determines that the fuel cell auxiliary machine is in an abnormal transition state, an FC forcible operation unit that continues power generation of the fuel cell regardless of whether or not the predetermined condition is satisfied. Output device.
前記判定部は、前記燃料電池補機の温度を検出し、該燃料電池補機の温度が所定の基準温度以上であれば、前記燃料電池補機が異常過渡状態であると判定する
エネルギ出力装置。 The energy output device of claim 1, further comprising:
The determination unit detects the temperature of the fuel cell auxiliary device, and determines that the fuel cell auxiliary device is in an abnormal transient state if the temperature of the fuel cell auxiliary device is equal to or higher than a predetermined reference temperature. .
(a)前記エネルギ出力装置からエネルギを出力する際に、前記燃料電池と燃料電池補機とを備える燃料電池システム全体のエネルギ効率に基づく条件に基づいて、前記燃料電池が発電するFC発電モードと、前記燃料電池の発電は停止して前記燃料電池以外のエネルギ出力源からエネルギを出力させるFC停止モードと、のいずれかの運転モードを選択する工程と、
(b)前記燃料電池の発電に伴って動作する燃料電池補機の動作状態を検出し、検出した動作状態に基づいて、前記燃料電池補機が異常と判断される前の過渡的な状態である異常過渡状態であるか否かを判定する工程と、
(c)前記(b)工程で前記燃料電池補機が異常過渡状態であると判定したときに、前記(a)工程で前記FC停止モードを選択している場合には、前記FC停止モードの選択を解除する工程と、
(d)前記(c)工程で前記FC停止モードの選択を解除した場合には、前記FC発電モードとなるように、前記燃料電池および該燃料電池以外のエネルギ出力源の駆動制御を行なうと共に、前記(c)工程における選択の解除がなされていない場合には、前記(a)工程で選択した運転モードとなるように、前記駆動制御を行なう工程と
を備えるエネルギ出力装置の制御方法。 A control method for an energy output device comprising a plurality of energy output sources including a fuel cell and outputting energy to the outside using at least one of the plurality of energy output sources,
(A) an FC power generation mode in which the fuel cell generates power based on conditions based on energy efficiency of the entire fuel cell system including the fuel cell and a fuel cell auxiliary device when energy is output from the energy output device; A step of selecting any operation mode of FC stop mode in which power generation of the fuel cell is stopped and energy is output from an energy output source other than the fuel cell;
(B) Detecting the operating state of the fuel cell auxiliary machine that operates in conjunction with the power generation of the fuel cell, and in a transient state before the fuel cell auxiliary machine is determined to be abnormal based on the detected operating state Determining whether or not there is a certain abnormal transient state;
(C) When the FC stop mode is selected in the step (a) when it is determined in the step (b) that the fuel cell auxiliary device is in an abnormal transient state, the FC stop mode Deselecting, and
(D) When the selection of the FC stop mode is canceled in the step (c), drive control of the fuel cell and an energy output source other than the fuel cell is performed so as to enter the FC power generation mode. And (c) a step of performing the drive control so as to be in the operation mode selected in the step (a) when the selection is not canceled in the step (c).
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