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JP5105222B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP5105222B2 JP2006315876A JP2006315876A JP5105222B2 JP 5105222 B2 JP5105222 B2 JP 5105222B2 JP 2006315876 A JP2006315876 A JP 2006315876A JP 2006315876 A JP2006315876 A JP 2006315876A JP 5105222 B2 JP5105222 B2 JP 5105222B2
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Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックのセル電圧管理に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to cell voltage management of a fuel cell stack.

近年、環境問題に対する取り組みの一環として、低公害車の開発が進められており、その中の一つに燃料電池スタックを車載電源とする燃料電池車両がある。燃料電池スタックは、複数のセルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。   In recent years, low-pollution vehicles have been developed as part of efforts to deal with environmental problems, and one of them is a fuel cell vehicle using a fuel cell stack as an on-vehicle power source. The fuel cell stack has a stack structure in which a plurality of cells are stacked in series, and each cell has an anode electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane and a cathode electrode disposed on the other surface. A membrane-electrode assembly. By supplying fuel gas and oxidizing gas to the membrane-electrode assembly, an electrochemical reaction occurs, and chemical energy is converted into electrical energy. In particular, a solid polymer electrolyte fuel cell stack using a solid polymer membrane as an electrolyte is easy to downsize at low cost and has a high output density, so that it is expected to be used as an in-vehicle power source. Yes.

燃料電池システムを運転する際には、フラッディングによる反応ガス供給不足や膜−電極接合体の乾燥などに起因する発電異常を検出し、十分な出力が取り出せるようにセルの状態を回復させる必要がある。特開2004−165058号公報には、セル電圧低下を監視し、セル電圧がある一定の下限電圧閾値を下回ると、出力制限をしつつ、セル電圧回復処理を実行する技術が提案されている。
特開2004−165058号公報
When operating a fuel cell system, it is necessary to detect a power generation abnormality caused by insufficient supply of reaction gas due to flooding or drying of the membrane-electrode assembly, and recover the cell state so that sufficient output can be taken out. . Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-165058 proposes a technique for monitoring cell voltage drop and executing cell voltage recovery processing while limiting output when the cell voltage falls below a certain lower limit voltage threshold value.
JP 2004-165058 A

しかし、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックにおいては、セルの配置場所によって、電圧低下要因が異なるので、全てのセルに対して同一の下限電圧閾値を以ってセル電圧制御を行うと、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることにより運転効率を低下させてしまう虞がある。   However, in a fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells, the voltage drop factor varies depending on the cell placement location, so if cell voltage control is performed with the same lower limit voltage threshold for all cells If the cell voltage recovery process is performed more than necessary or the output is excessively limited, the operation efficiency may be reduced.

そこで、本発明は、このような問題に鑑み、セルの配置場所に応じて、下限電圧閾値、及び下限電圧許容時間閾値を適切に設定することを課題とする。   Therefore, in view of such a problem, the present invention has an object to appropriately set a lower limit voltage threshold value and a lower limit voltage allowable time threshold value according to a cell arrangement location.

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、セル電圧が下限電圧閾値を下回るセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行うセル電圧制御手段と、を備え、燃料電池スタックの略中央部に配置されるセル群の下限電圧閾値は、燃料電池スタックの端部に配置されるセル群の下限電圧閾値よりも低電圧である。セル電圧制御手段は、セル電圧が下限電圧閾値を下回っている時間が下限電圧許容時間閾値を越えているセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行ってもよい。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, and a cell voltage recovery process or an output current limit process for a cell group in which the cell voltage is lower than a lower limit voltage threshold and a cell voltage control means for the lower limit voltage threshold of the cell group arranged in a substantially central portion of the fuel cell stack, voltage lower than the lower limit voltage threshold of the cell group arranged on an end portion of the fuel cell stack It is. The cell voltage control means may perform a cell voltage recovery process or an output current limit process for a cell group in which the time during which the cell voltage is below the lower limit voltage threshold exceeds the lower limit voltage allowable time threshold.

セルスタック端部(アノード極側端部、及びカソード極側端部)に配置されるセル群の方がセルスタック略中央部に配置されるセル群よりも、セル内、セル間、極間での温度差が生じやすく、フラッディング等に起因する反応ガス供給不足によるセル電圧低下が生じやすい。特に、低温始動時では、燃料ガス供給不足によるセルの損傷を回避する必要性が高いので、セルスタック端部のセル電圧管理を厳重に行う必要がある。   The cell group arranged at the cell stack end portion (the anode electrode side end portion and the cathode electrode side end portion) is within the cell, between the cells, and between the electrodes than the cell group arranged at the substantially central portion of the cell stack. The temperature difference is likely to occur, and the cell voltage is likely to decrease due to insufficient supply of reaction gas due to flooding or the like. In particular, at the time of cold start, since it is highly necessary to avoid damage to the cell due to insufficient fuel gas supply, it is necessary to strictly manage the cell voltage at the end of the cell stack.

一方、セルスタック略中央部に配置されるセル群では、そのようなフラッディングを起こすことは稀であり、セル電圧低下要因は、主として、電解質膜の乾燥による抵抗増加によるものである。電解質膜の乾燥がセルに与えるダメージは、燃料ガス供給不足がセルに与えるダメージよりも小さいので、セルスタック略中央部に配置されるセル群のセル電圧管理は、セルスタック端部に配置されるセル群のセル電圧管理よりも緩やかにすることができる。   On the other hand, in the cell group disposed in the substantially central portion of the cell stack, such flooding is rarely caused, and the cell voltage reduction factor is mainly due to an increase in resistance due to drying of the electrolyte membrane. Since the damage to the cell due to the drying of the electrolyte membrane is smaller than the damage to the cell due to insufficient fuel gas supply, the cell voltage management of the cell group arranged at the substantially central part of the cell stack is arranged at the end of the cell stack. It can be made more gradual than the cell voltage management of the cell group.

以上の理由から、セルスタック略中央部に配置されるセル群の下限電圧閾値を、セルスタック端部に配置されるセル群の下限電圧閾値よりも低電圧に設定してセル電圧管理を行うことにより、セルスタック略中央部に配置されるセル群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。   For the above reasons, the cell voltage management is performed by setting the lower limit voltage threshold of the cell group arranged at the substantially central portion of the cell stack to a lower voltage than the lower limit voltage threshold of the cell group arranged at the end of the cell stack. As a result, it is possible to avoid a decrease in operation efficiency caused by executing a cell voltage recovery process more than necessary or excessively limiting the output of the cell group arranged in the substantially central part of the cell stack.

また、セルスタック略中央部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値を、セルスタック端部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値よりも長時間に設定してセル電圧管理を行うことにより、セルスタック略中央部に配置されるセル群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。   Further, the cell voltage management is performed by setting the lower limit voltage allowable time threshold of the cell group arranged in the substantially central portion of the cell stack to be longer than the lower limit voltage allowable time threshold of the cell group arranged at the end of the cell stack. As a result, it is possible to avoid a decrease in operation efficiency caused by executing a cell voltage recovery process more than necessary or excessively limiting the output of a cell group arranged in the substantially central portion of the cell stack.

本発明によれば、セルスタック略中央部に配置されるセル群のセル電圧管理を、セルスタック端部に配置されるセル群のセル電圧管理よりも緩やかにすることで、セルスタック略中央部に配置されるセル群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。   According to the present invention, the cell voltage management of the cell group disposed in the substantially central portion of the cell stack is made more gradual than the cell voltage management of the cell group disposed in the end portion of the cell stack. It is possible to avoid a reduction in operating efficiency due to executing cell voltage recovery processing more than necessary or excessively limiting the output of the cell group arranged in the cell group.

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図1は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム10のシステム構成を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system configuration of a fuel cell system 10 that functions as an in-vehicle power supply system for a fuel cell vehicle.

燃料電池システム10は、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて発電する燃料電池スタック20と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20に供給する燃料ガス配管系30と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック20に供給する酸化ガス配管系40と、電力の充放電を制御する電力系60と、システム全体を統括制御するコントローラ70と、を備えている。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 20 that generates power upon receiving supply of reaction gases (oxidation gas and fuel gas), a fuel gas piping system 30 that supplies hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 20, an oxidation An oxidizing gas piping system 40 that supplies air as gas to the fuel cell stack 20, a power system 60 that controls charging / discharging of power, and a controller 70 that controls the entire system are provided.

燃料電池スタック20は、例えば、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、更にカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池スタック20は発電する。   The fuel cell stack 20 is, for example, a solid polymer electrolyte cell stack formed by stacking a large number of cells in series. The cell has a cathode electrode on one surface of an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an anode electrode on the other surface, and a pair of separators so as to sandwich the cathode electrode and the anode electrode from both sides. Yes. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator, and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell stack 20 generates power by this gas supply.

燃料電池スタック20では、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じる。燃料電池スタック20全体としては(3)式の起電反応が生じる。   In the fuel cell stack 20, the oxidation reaction of the formula (1) occurs at the anode electrode, and the reduction reaction of the equation (2) occurs at the cathode electrode. In the fuel cell stack 20 as a whole, the electromotive reaction of the formula (3) occurs.

2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

セルモニタ80は、燃料電池スタック20を構成する複数のセルのそれぞれの電圧を検出するためのセル電圧検出手段である。   The cell monitor 80 is a cell voltage detection means for detecting each voltage of a plurality of cells constituting the fuel cell stack 20.

燃料ガス配管系30は、燃料ガス供給源31と、燃料ガス供給源31から燃料電池スタック20のアノード極に供給される燃料ガス(水素ガス)が流れる燃料ガス供給流路35と、燃料電池スタック20から排出される燃料オフガス(水素オフガス)を燃料ガス供給流路35に還流せしめるための循環流路36と、循環流路36内の燃料オフガスを燃料ガス供給流路35に圧送する循環ポンプ37と、循環流路36に分岐接続される排気流路39とを有している。   The fuel gas piping system 30 includes a fuel gas supply source 31, a fuel gas supply passage 35 through which fuel gas (hydrogen gas) supplied from the fuel gas supply source 31 to the anode electrode of the fuel cell stack 20 flows, and a fuel cell stack. A circulation passage 36 for recirculating the fuel off-gas (hydrogen off-gas) discharged from the fuel gas supply passage 35 to the fuel gas supply passage 35, and a circulation pump 37 for pressure-feeding the fuel off-gas in the circulation passage 36 to the fuel gas supply passage 35. And an exhaust passage 39 branched and connected to the circulation passage 36.

燃料ガス供給源31は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば、35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留する。遮断弁32を開くと、燃料ガス供給源31から燃料ガス供給流路35に水素ガスが流出する。水素ガスは、レギュレータ33やインジェクタ34により、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池スタック20に供給される。   The fuel gas supply source 31 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas. When the shut-off valve 32 is opened, hydrogen gas flows out from the fuel gas supply source 31 into the fuel gas supply channel 35. The hydrogen gas is decompressed to, for example, about 200 kPa by the regulator 33 and the injector 34 and supplied to the fuel cell stack 20.

尚、燃料ガス供給源31は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から構成してもよい。   The fuel gas supply source 31 includes a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas from hydrocarbon fuel, a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state, and You may comprise.

インジェクタ34は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ34は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。   The injector 34 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and the gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. The injector 34 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as fuel gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow direction) with respect to the nozzle body. And a valve body that is movably accommodated and opens and closes the injection hole.

循環流路36には、排気弁38を介して、排気流路39が接続されている。排気弁38は、コントローラ70からの指令によって作動することにより、循環流路36内の不純物を含む燃料オフガスと水分を外部に排出する。排気弁38の開弁により、循環流路36内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される燃料オフガス中の水素濃度が上がる。   An exhaust passage 39 is connected to the circulation passage 36 via an exhaust valve 38. The exhaust valve 38 is operated according to a command from the controller 70, and thereby discharges the fuel off-gas and impurities including impurities in the circulation flow path 36 to the outside. By opening the exhaust valve 38, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation passage 36 decreases, and the concentration of hydrogen in the fuel off-gas circulated increases.

希釈器50には、排気弁38及び排気流路39を介して排出される燃料オフガスと、排気流路45を流れる酸化オフガスとが流入し、燃料オフガスを希釈する。希釈化された燃料オフガスの排出音は、マフラー(消音器)51によって消音され、テールパイプ52を流れて車外に排気される。   The diluter 50 receives the fuel off-gas discharged through the exhaust valve 38 and the exhaust passage 39 and the oxidizing off-gas flowing through the exhaust passage 45 to dilute the fuel off-gas. The diluted exhaust gas of the fuel off-gas is silenced by a muffler (silencer) 51, flows through the tail pipe 52, and is exhausted outside the vehicle.

酸化ガス配管系40は、燃料電池スタック20のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス供給流路44と、燃料電池スタック20から排出される酸化オフガスが流れる排気流路45と、を有している。酸化ガス供給流路44には、フィルタ41を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ42と、コンプレッサ42により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器43と、が設けられている。排気流路45には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁46と、加湿器43とが設けられている。   The oxidizing gas piping system 40 has an oxidizing gas supply passage 44 through which oxidizing gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 20 flows, and an exhaust passage 45 through which oxidizing off gas discharged from the fuel cell stack 20 flows. is doing. The oxidizing gas supply channel 44 is provided with a compressor 42 that takes in the oxidizing gas via the filter 41 and a humidifier 43 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 42. The exhaust passage 45 is provided with a back pressure adjustment valve 46 for adjusting the oxidizing gas supply pressure and a humidifier 43.

加湿器43は、多数本の中空糸膜から成る中空糸膜束を収容している。中空糸膜の内部には、電池反応により生じた水分を多量に含む高湿潤の酸化オフガス(ウェットガス)が流れる一方で、中空糸膜の外部には、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガス(ドライガス)が流れる。酸化ガスと酸化オフガスとの間で中空糸膜を隔てて水分交換が行われることにより、酸化ガスを加湿することができる。   The humidifier 43 accommodates a hollow fiber membrane bundle composed of a large number of hollow fiber membranes. Inside the hollow fiber membrane, a highly humid oxidizing off gas (wet gas) containing a large amount of water generated by the battery reaction flows, while on the outside of the hollow fiber membrane is a low wet oxidizing gas taken from the atmosphere. (Dry gas) flows. Oxidizing gas can be humidified by performing water exchange between the oxidizing gas and the oxidizing off gas across the hollow fiber membrane.

電力系60は、DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、及びトラクションモータ64を備えている。DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62からの直流電圧を昇圧してトラクションインバータ63に出力する機能と、燃料電池スタック20又はトラクションモータ64からの直流電圧を降圧してバッテリ62に充電する機能と、を有する。DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、バッテリ62の充放電が制御される。また、DC/DCコンバータ61による電圧変換制御により、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)が制御される。   The power system 60 includes a DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, and a traction motor 64. The DC / DC converter 61 is a DC voltage converter, which boosts the DC voltage from the battery 62 and outputs it to the traction inverter 63, and steps down the DC voltage from the fuel cell stack 20 or the traction motor 64. And a function of charging the battery 62. The charge / discharge of the battery 62 is controlled by these functions of the DC / DC converter 61. Further, the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20 is controlled by the voltage conversion control by the DC / DC converter 61.

バッテリ62は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ62としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。   The battery 62 is a power storage device capable of storing and discharging electric power, and functions as a regenerative energy storage source at the time of brake regeneration and an energy buffer at the time of load fluctuation accompanying acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle. As the battery 62, for example, a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is suitable.

トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。   The traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64. The traction motor 64 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a power source of the fuel cell vehicle.

コントローラ70は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム10の各部を制御する。例えば、コントローラ70は、イグニッションスイッチ(図示せず)から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム10の運転を開始し、アクセルセンサ(図示せず)から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ(図示せず)から出力される車速信号などを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。   The controller 70 is a computer system including a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls each part of the fuel cell system 10. For example, when the controller 70 receives an activation signal output from an ignition switch (not shown), the controller 70 starts operation of the fuel cell system 10 and an accelerator opening signal output from an accelerator sensor (not shown), Based on a vehicle speed signal output from a vehicle speed sensor (not shown), the required power of the entire system is obtained. The required power of the entire system is the total value of the vehicle running power and the auxiliary machine power. Auxiliary power includes, for example, power consumed by in-vehicle auxiliary equipment (humidifiers, air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and devices required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, steering devices) , And suspension devices), and power consumed by devices (such as air conditioners, lighting fixtures, and audio devices) disposed in the passenger space.

そして、コントローラ70は、燃料電池スタック20とバッテリ62の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック20の発電量が目標電力に一致するように、コンプレッサ42の回転数やインジェクタ34の弁開度を調整し、燃料電池スタック20への反応ガス供給量を調整するとともに、DC/DCコンバータ61を制御して燃料電池スタック20の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を制御する。更に、コントローラ70は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、U相、V相、及びW相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ63に出力し、トラクションモータ64の出力トルク、及び回転数を制御する。   Then, the controller 70 determines the distribution of the output power of the fuel cell stack 20 and the battery 62, and the rotational speed of the compressor 42 and the valve opening of the injector 34 so that the power generation amount of the fuel cell stack 20 matches the target power. And adjusting the output voltage of the fuel cell stack 20 by controlling the DC / DC converter 61 and adjusting the output voltage of the fuel cell stack 20. , Output current). Further, the controller 70 outputs, for example, each U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command value to the traction inverter 63 as a switching command so that the target vehicle speed according to the accelerator opening is obtained, and the traction motor 64 output torque and rotation speed are controlled.

コントローラ70は、セルモニタ80が検出する各セルのセル電圧を基に、燃料電池スタック20の発電異常の有無を監視し、発電異常が生じていると判定すると、セル電圧回復処理を実行したり、或いは出力制限をしたりする。セル電圧監視の詳細については、後述する。   The controller 70 monitors the presence or absence of power generation abnormality of the fuel cell stack 20 based on the cell voltage of each cell detected by the cell monitor 80, and determines that the power generation abnormality has occurred, executes a cell voltage recovery process, Or, output is limited. Details of the cell voltage monitoring will be described later.

図2は燃料電池スタック20の構造を示す模式図である。
同図に示すように、N個(Nは2以上の整数とする。)のセル21を積層してなるセルスタックの両端には、電力取り出し用の一対のターミナルプレート22A,22Bが配置されている。ターミナルプレート22Aはアノード極であり、ターミナルプレート22Bはカソード極である。ターミナルプレート22A,22Bの外側は絶縁プレート23A,23Bを介して一対のエンドプレート24A,24Bによって挟持固定されている。それぞれのセル21には、セル番号が割り当てられており、ターミナルプレート22Aからターミナルプレート22Bへ向かってセル番号が増加している。例えば、ターミナルプレート22Aに一番に近いセル21のセル番号は1であり、ターミナルプレート22Bに一番に近いセル21のセル番号はNである。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the fuel cell stack 20.
As shown in the figure, a pair of terminal plates 22A and 22B for power extraction are arranged at both ends of a cell stack formed by stacking N cells (N is an integer of 2 or more). Yes. The terminal plate 22A is an anode electrode, and the terminal plate 22B is a cathode electrode. The outer sides of the terminal plates 22A and 22B are sandwiched and fixed by a pair of end plates 24A and 24B via insulating plates 23A and 23B. Each cell 21 is assigned a cell number, and the cell number increases from the terminal plate 22A toward the terminal plate 22B. For example, the cell number of the cell 21 closest to the terminal plate 22A is 1, and the cell number of the cell 21 closest to the terminal plate 22B is N.

図3は燃料電池スタック20のセル電圧分布を示すグラフである。
同図において、横軸はセル番号を示し、縦軸はセル電圧を示している。燃料電池スタック20では、外気に接するエンドプレート24A,24Bから熱が奪われることにより、セルスタック端部(アノード極側端部、及びカソード極側端部)に配置されるセル群(以下、説明の便宜上、A群と称する。)の方がセルスタック略中央部に配置されるセル群(以下、説明の便宜上、B群と称する。)よりも、セル内、セル間、極間での温度差が生じやすい。このため、A群では、セルスタック端部に近づく程、セル電圧が低下する傾向が見られる。これは、セル内の温度の低い部分で水分が凝縮し、そこを起点としてフラッディングが発生し、セル電圧低下を引き起こしやすいためである。特に、電池運転を停止してから長時間放置された燃料電池スタック20内部では、カソード極から電解質膜を介してアノード極に水分が移動するため、低温始動時では、フラッディングによる燃料ガス供給不足が生じる虞がある。燃料ガス供給不足での発電は、セル21にダメージを与えることが判明しているため、A群では、厳密なセル電圧管理が必要となる。
FIG. 3 is a graph showing the cell voltage distribution of the fuel cell stack 20.
In the figure, the horizontal axis indicates the cell number, and the vertical axis indicates the cell voltage. In the fuel cell stack 20, the heat is removed from the end plates 24A and 24B that are in contact with the outside air, so that a group of cells (hereinafter, described) is arranged at the cell stack end portions (the anode electrode side end portion and the cathode electrode side end portion). For the sake of convenience, the temperature in the cell, between the cells, and between the electrodes is higher than the cell group (hereinafter referred to as the B group for convenience of description) disposed in the substantially central portion of the cell stack. Differences are likely to occur. For this reason, in group A, the cell voltage tends to decrease as it approaches the cell stack end. This is because moisture is condensed at a low temperature in the cell, and flooding occurs from that point, which tends to cause a drop in cell voltage. In particular, in the fuel cell stack 20 that has been left for a long time after the battery operation is stopped, moisture moves from the cathode electrode to the anode electrode through the electrolyte membrane. May occur. Since power generation due to insufficient fuel gas supply has been found to cause damage to the cells 21, the group A requires strict cell voltage management.

一方、B群においては、上記のようなフラッディングを起こすことは稀であり、セル電圧低下要因は、主として、電解質膜の乾燥による抵抗増加(プロトン伝導性低下)によるものである。B群では、セル内、セル間、極間の温度が少ないので、どのセルも同程度のセル電圧を有している。電解質膜の乾燥がセル21に与えるダメージは、燃料ガス供給不足がセル21に与えるダメージよりも小さいので、B群のセル電圧管理は、A群のセル電圧管理よりも緩やかにすることができる。具体的には、B群の下限電圧閾値Vth2は、A群の下限電圧閾値Vth1よりも低電圧に設定できる。また、B群下限電圧許容時間閾値T2は、A群の下限電圧許容時間閾値T1よりも長時間に設定できる。ここで、下限電圧閾値とは、発電異常によってセル21が受けるダメージの観点から、セル電圧の低下を許容し得る最低電圧をいい、下限電圧許容時間閾値とは、発電異常によってセル21が受けるダメージの観点から、セル電圧が下限電圧閾値を下回った状態を許容し得る最長時間をいう。   On the other hand, in the group B, the above-mentioned flooding is rare, and the cell voltage lowering factor is mainly due to the increase in resistance (decrease in proton conductivity) due to drying of the electrolyte membrane. In the group B, since the temperature in the cell, between the cells, and between the electrodes is small, all the cells have the same cell voltage. Since the damage to the cell 21 due to the drying of the electrolyte membrane is smaller than the damage to the cell 21 due to insufficient fuel gas supply, the cell voltage management of the B group can be made more gradual than the cell voltage management of the A group. Specifically, the lower limit voltage threshold Vth2 of the B group can be set to a voltage lower than the lower limit voltage threshold Vth1 of the A group. Further, the B group lower limit voltage allowable time threshold T2 can be set longer than the lower limit voltage allowable time threshold T1 of the A group. Here, the lower limit voltage threshold refers to the lowest voltage that can allow the cell voltage to decrease from the viewpoint of damage to the cell 21 due to power generation abnormality, and the lower limit voltage allowable time threshold refers to damage that the cell 21 receives due to power generation abnormality. From this point of view, it means the longest time in which the cell voltage can be allowed to fall below the lower limit voltage threshold.

図4はセル電圧管理テーブル90を示す。
セル電圧管理テーブル90は、A群及びB群それぞれの下限電圧閾値、及び下限電圧許容時間閾値を格納するものである。コントローラ70は、セル電圧管理テーブル90を保持しており、セルモニタ80から出力されるセル電圧を基にセル電圧を管理するセル電圧制御手段として機能する。具体的には、コントローラ70は、A群及びB群それぞれのセル電圧が下限電圧閾値を下回っているか否か、セル電圧が下限電圧閾値を下回っている場合には、その時間が下限電圧許容時間閾値を越えているか否かをチェックする。そしてセル電圧が下限電圧閾値を下回っている時間が下限電圧許容時間閾値を越えている場合には、セル電圧回復処理を実行したり、或いは出力電流制限処理を実行したりする。
FIG. 4 shows the cell voltage management table 90.
The cell voltage management table 90 stores a lower limit voltage threshold value and a lower limit voltage allowable time threshold value for each of the A group and the B group. The controller 70 holds a cell voltage management table 90 and functions as cell voltage control means for managing the cell voltage based on the cell voltage output from the cell monitor 80. Specifically, the controller 70 determines whether or not the cell voltage of each of the A group and the B group is below the lower limit voltage threshold, and if the cell voltage is lower than the lower limit voltage threshold, the time is the lower limit voltage allowable time. Check if the threshold is exceeded. If the time during which the cell voltage is below the lower limit voltage threshold exceeds the lower limit voltage allowable time threshold, the cell voltage recovery process is executed or the output current limit process is executed.

このように、B群の下限電圧閾値Vth2を、A群の下限電圧閾値Vth1よりも低電圧に設定してセル電圧管理を行うことにより、B群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。   In this way, cell voltage management is performed for the B group more than necessary by setting the lower limit voltage threshold Vth2 of the B group to a voltage lower than the lower limit voltage threshold Vth1 of the A group. It is possible to avoid a decrease in operating efficiency due to execution or excessive output limitation.

また、B群の下限電圧許容時間閾値T2を、A群の下限電圧許容時間閾値T1よりも長時間に設定してセル電圧管理を行うことにより、B群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。   Further, the cell voltage management is performed more than necessary for the B group by setting the lower limit voltage allowable time threshold T2 of the B group to be longer than the lower limit voltage allowable time threshold T1 of the A group and performing cell voltage management. It is possible to avoid a decrease in operating efficiency due to execution of processing or excessive output limitation.

また、本実施形態に係わるセル電圧管理によれば、燃料電池スタック20の出力制限(電流制限)を最小限に抑えることができるので、運転効率の向上を期待できる。また、図3に示すセル電圧分布は、低温始動時に限らず、電池運転中にも見られるものであるから、本実施形態に係わる電圧管理は、低温始動時に限らず、電池運転中にも有効である。   Further, according to the cell voltage management according to the present embodiment, the output limit (current limit) of the fuel cell stack 20 can be minimized, so that it is possible to expect an improvement in operation efficiency. In addition, since the cell voltage distribution shown in FIG. 3 can be seen not only at low temperature start but also during battery operation, voltage management according to this embodiment is effective not only during low temperature start but also during battery operation. It is.

発明の実施形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが特許請求の範囲から明らかであろう。   The examples and application examples described through the embodiments of the invention can be used in combination as appropriate according to the application, or can be used with modifications or improvements, and the present invention is limited to the description of the embodiment described above. It is not something. It will be apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such combinations or changes or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.

例えば、上述の実施形態では、燃料電池システム10を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム10の利用形態はこの例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム10を燃料電池車両以外の移動体(ロボット、船舶、航空機等)の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム10を住宅やビル等の発電設備(定置用発電システム)として用いてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the usage form in which the fuel cell system 10 is used as the in-vehicle power supply system is illustrated, but the usage form of the fuel cell system 10 is not limited to this example. For example, the fuel cell system 10 may be mounted as a power source of a mobile body (robot, ship, aircraft, etc.) other than the fuel cell vehicle. Further, the fuel cell system 10 according to the present embodiment may be used as a power generation facility (stationary power generation system) such as a house or a building.

本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。1 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment. 燃料電池スタックの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a fuel cell stack. 燃料電池スタックのセル電圧分布を示すグラフである。It is a graph which shows the cell voltage distribution of a fuel cell stack. セル電圧管理テーブルの説明図である。It is explanatory drawing of a cell voltage management table.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム 20…燃料電池スタック 70…コントローラ 80…セルモニタ 90…セル電圧管理テーブル DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell stack 70 ... Controller 80 ... Cell monitor 90 ... Cell voltage management table

Claims (2)

複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
セル電圧が下限電圧閾値を下回るセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行うセル電圧制御手段と、を備え、
前記燃料電池スタックの略中央部に配置されるセル群の下限電圧閾値は、前記燃料電池スタックの端部に配置されるセル群の下限電圧閾値よりも低電圧である、燃料電池システム。
A fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells;
Cell voltage control means for performing cell voltage recovery processing or output current limiting processing of a cell group whose cell voltage is below the lower limit voltage threshold , and
The fuel cell system, wherein a lower limit voltage threshold value of a cell group disposed at a substantially central portion of the fuel cell stack is lower than a lower limit voltage threshold value of a cell group disposed at an end portion of the fuel cell stack.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記セル電圧制御手段は、セル電圧が前記下限電圧閾値を下回っている時間が下限電圧許容時間閾値を越えているセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行い、
前記燃料電池スタックの略中央部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値は、前記燃料電池スタックの端部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値よりも長時間である、燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The cell voltage control means performs a cell voltage recovery process or an output current limit process of a cell group in which the time during which the cell voltage is lower than the lower limit voltage threshold exceeds the lower limit voltage allowable time threshold,
A fuel cell in which a lower limit voltage allowable time threshold value of a cell group disposed at a substantially central portion of the fuel cell stack is longer than a lower limit voltage allowable time threshold value of a cell group disposed at an end of the fuel cell stack. system.
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