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JP7614912B2 - FUEL CELL SYSTEM, CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM, AND PROGRAM - Google Patents
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FUEL CELL SYSTEM, CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM, AND PROGRAM Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, a control method for a fuel cell system, and a program.

従来、燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで一対の電極が配置されたセル構造体を複数積層したセル構造体を備えた燃料電池スタックを有する。このような燃料電池システムでは、アノード電極とセパレータとの間にアノードガス(燃料ガス)として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス(酸化剤ガス)として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。 Conventionally, fuel cell systems have a fuel cell stack equipped with a cell structure in which multiple cell structures, each of which has a pair of electrodes sandwiched between an electrolyte membrane, are stacked. In such a fuel cell system, hydrogen gas is supplied between the anode electrode and the separator as an anode gas (fuel gas), and air is supplied between the cathode electrode and the separator as a cathode gas (oxidant gas). This allows hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode electrode to permeate the electrolyte membrane and travel to the cathode electrode, where they undergo an electrochemical reaction with oxygen in the air, generating electricity. As a result of this power generation, water is produced inside the fuel cell.

このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば氷点下環境で使用されると、燃料電池システムの停止中に内部に残留している液水が凍結してしまうおそれがある。ここで、燃料電池システム内部の液水を回収する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In a fuel cell system equipped with such a fuel cell, if it is used in a sub-freezing environment, for example, there is a risk that the liquid water remaining inside the fuel cell system while it is stopped will freeze. Therefore, a technology has been proposed to recover the liquid water inside the fuel cell system (for example, see Patent Document 1).

特開2005-251576号公報JP 2005-251576 A

特許文献1の場合、燃料電池システム内の液水を全て回収することは難しく、残留液水の凍結が生じ得る。この場合、回起動時にアノードガス及びカソードガスの循環が妨げられるため、発電安定性の低下や、燃料電池の劣化が課題となる。 In the case of Patent Document 1, it is difficult to recover all the liquid water in the fuel cell system, and the remaining liquid water may freeze. In this case, the circulation of the anode gas and cathode gas is hindered during startup, resulting in issues such as reduced power generation stability and deterioration of the fuel cell.

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、燃料電池システムにおいて、氷点下環境での使用時に、発電安定性および燃料電池の劣化抑制を両立しながらセル電圧低下の回復を行うことができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムを提供することを目的の一つとする。 The present invention has been made in consideration of these circumstances, and one of its objectives is to provide a fuel cell system, a control method for a fuel cell system, and a program that can recover from a drop in cell voltage while maintaining stable power generation and suppressing fuel cell degradation when used in a sub-freezing environment.

この発明に係る燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムは、以下の構成を採用した。
(1):この発明の一態様に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで一対の電極が配置されたセル構造体を複数積層して構成され、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させる流通路と、前記流通路に設けられ、前記燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、前記アノードオフガスをガス排出部から排出し、かつ前記液水を液水排出部から排出する気液分離部と、前記気液分離部内に貯留する貯留液水の水量を取得する水量取得手段と、前記貯留液水の凍結状態であるか非凍結状態であるかを判定する凍結判定処理を行う制御部と、を備え、前記制御部は、起動時の前記凍結判定処理によって前記貯留液水が凍結状態であると判定した場合に、凍結した前記貯留液水の解凍処理を開始し、前記制御部は、前記起動時に、前記水量取得手段により得られる前記気液分離部内の凍結した前記貯留液水の水量と、前記気液分離部の所定の貯水量と、に基づいて前記燃料電池スタックの出力を制限する、燃料電池システムである。
The fuel cell system, the control method for the fuel cell system, and the program according to the present invention employ the following configuration.
(1): A fuel cell system according to one aspect of the present invention includes a fuel cell stack configured by stacking a plurality of cell structures, each having a pair of electrodes disposed with an electrolyte membrane sandwiched therebetween, and which generates electricity when an oxidant gas and a fuel gas are supplied thereto; a flow passage which supplies an anode gas to the fuel cell stack and which distributes an anode off-gas discharged from the fuel cell stack; and a gas-liquid separation section which is provided in the flow passage and separates liquid water contained in the anode off-gas discharged from the fuel cell stack, discharges the anode off-gas from a gas discharge section, and discharges the liquid water from a liquid water discharge section. The fuel cell system comprises a water volume acquisition means for acquiring the volume of stored liquid water in the gas-liquid separation section, and a control unit for performing a freeze determination process for determining whether the stored liquid water is frozen or not, wherein when the freeze determination process at start-up determines that the stored liquid water is in a frozen state, the control unit starts a thawing process for the frozen stored liquid water, and at start-up, the control unit limits the output of the fuel cell stack based on the volume of frozen stored liquid water in the gas-liquid separation section acquired by the water volume acquisition means and a predetermined water storage volume in the gas-liquid separation section.

(2):上記(1)の態様において、燃料電池システムは、前記制御部は、凍結した前記貯留液水の水量および前記気液分離部の液水貯留上限値に基づき、前記燃料電池システムの起動後に生成される液水の前記気液分離部への貯留可能容量を算出する処理を行い、前記制御部は、前記燃料電池スタックの出力により生成される前記液水の水量が前記貯留可能容量に達する時間が、凍結した前記貯留液水の前記解凍処理に要する時間より長くなるように前記燃料電池スタックの出力を制限するものである。 (2): In the above aspect (1), the control unit of the fuel cell system performs a process to calculate the storable volume of liquid water generated after startup of the fuel cell system in the gas-liquid separation unit based on the volume of frozen stored liquid water and the liquid water storage upper limit value of the gas-liquid separation unit, and the control unit limits the output of the fuel cell stack so that the time it takes for the volume of liquid water generated by the output of the fuel cell stack to reach the storable volume is longer than the time required for the thawing process of the frozen stored liquid water.

(3):上記(1)または(2)の態様において、燃料電池システムは、前記水量取得手段は、前記燃料電池システムが前回停止した時の前記燃料電池スタックの温度及び湿度情報と前記流通路を流通する前記アノードオフガスの体積情報とに基づいて前記貯留液水の水量を算出するものである。 (3): In the above aspect (1) or (2), the water volume acquisition means of the fuel cell system calculates the volume of the stored liquid water based on temperature and humidity information of the fuel cell stack when the fuel cell system was last stopped and volume information of the anode off-gas flowing through the flow passage.

(4):上記(1)または(2)の態様において、燃料電池システムは、前記水量取得手段は、前記燃料電池システムの前回運転時の前記液水を排出する液水排出部における開弁間隔に対する前記生成水の生成量に基づいて前記貯留液水の水量を算出するものである。 (4): In the above aspect (1) or (2), the water volume acquisition means of the fuel cell system calculates the volume of the stored liquid water based on the volume of the generated water relative to the valve opening interval of the liquid water discharge section that discharges the liquid water during the previous operation of the fuel cell system.

(5):上記(1)の態様において、燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは複数設けられ、前記制御部は、複数の前記燃料電池スタックのうち、前記電極の劣化状態が相対的に大きい一方の前記燃料電池スタックにて安定出力発電を行い、前記電極の劣化状態が相対的に小さい他方の前記燃料電池スタックにて過渡応答発電を行うよう制御し、前記制御部は、前記凍結判定処理により他方の前記燃料電池スタックに接続される前記気液分離部の前記貯留液水の凍結を判定した場合に、他方の前記燃料電池スタックにて安定出力発電を行い、一方の前記燃料電池スタックにて過渡応答発電を行い、かつ、他方の前記燃料電池スタックの出力の制限分を一方の前記燃料電池スタックにて補うよう制御するものである。 (5): In the above aspect (1), the fuel cell system includes a plurality of fuel cell stacks, and the control unit controls one of the plurality of fuel cell stacks, the electrode of which is in a relatively deteriorated state, to perform stable output power generation, and the other fuel cell stack, the electrode of which is in a relatively less deteriorated state, to perform transient response power generation. When the control unit determines that the stored liquid water in the gas-liquid separation unit connected to the other fuel cell stack is frozen by the freezing determination process, the control unit controls the other fuel cell stack to perform stable output power generation, the one fuel cell stack to perform transient response power generation, and the one fuel cell stack to compensate for the limited portion of the output of the other fuel cell stack.

(6):この発明の他の態様に係る燃料電池システムの制御方法は、電解質膜を挟んで一対の電極が配置されたセル構造体を複数積層して構成され、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させる流通路と、前記流通路に設けられ、前記燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、前記アノードオフガスをガス排出部から排出し、かつ前記液水を液水排出部から排出する気液分離部と、前記気液分離部内に貯留する貯留液水の水量を取得する水量取得手段と、を有する燃料電池システムと、前記貯留液水の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理を行う制御部と、を備え、前記制御部は、起動時の前記凍結判定処理によって前記貯留液水の凍結を判定した場合に、凍結した前記貯留液水の解凍処理を開始し、前記制御部は、前記起動時に、前記水量取得手段により得られる前記気液分離部内の凍結した前記貯留液水の水量と、前記気液分離部の所定の貯水量と、に基づいて前記燃料電池スタックの出力を制限する制御を行う燃料電池システムの制御方法である。 (6): A method of controlling a fuel cell system according to another aspect of the present invention includes a fuel cell stack configured by stacking a plurality of cell structures, each having a pair of electrodes disposed across an electrolyte membrane, and supplied with an oxidant gas and a fuel gas to generate electricity; a flow passage that supplies an anode gas to the fuel cell stack and distributes an anode off-gas discharged from the fuel cell stack; a gas-liquid separation unit provided in the flow passage that separates liquid water contained in the anode off-gas discharged from the fuel cell stack, discharges the anode off-gas from a gas discharge unit, and discharges the liquid water from a liquid water discharge unit; A method for controlling a fuel cell system comprising: a water volume acquisition means for acquiring the volume of the stored liquid water stored in a gas-liquid separation unit; and a control unit for performing a freeze determination process for determining whether the stored liquid water is frozen or not, wherein the control unit starts a process for thawing the frozen stored liquid water when the freeze determination process at startup determines that the stored liquid water is frozen; and the control unit performs control at startup to limit the output of the fuel cell stack based on the volume of the frozen stored liquid water in the gas-liquid separation unit acquired by the water volume acquisition means and a predetermined water volume stored in the gas-liquid separation unit.

(7):この発明の他の態様に係るプログラムは、コンピュータに、電力により作動する電動装置に搭載された燃料電池システムの気液分離部の貯留液水の凍結又は非凍結を判定した凍結判定処理の結果を取得させ、凍結した前記貯留液水の解凍処理を開始させ、前記気液分離部内の凍結した前記貯留液水の水量と、起動後に生成される生成水の生成量と、に基づいて前記燃料電池スタックの出力を制限させる、プログラムである。 (7): A program according to another aspect of the present invention is a program that causes a computer to obtain the results of a freeze determination process that determines whether the stored liquid water in a gas-liquid separation unit of a fuel cell system mounted on an electrically operated electric device is frozen or not, starts a process of thawing the frozen stored liquid water, and limits the output of the fuel cell stack based on the amount of frozen stored liquid water in the gas-liquid separation unit and the amount of generated water generated after startup.

上記(1)~(7)の態様によれば、燃料電池システムにおいて、氷点下環境での使用時に、発電安定性および燃料電池の劣化抑制を両立しながらセル電圧低下の回復を行うことができる。 According to the above aspects (1) to (7), in a fuel cell system, when used in a sub-freezing environment, it is possible to recover from a drop in cell voltage while simultaneously achieving stable power generation and suppressing deterioration of the fuel cell.

実施形態の燃料電池システムが搭載された電動車両の構成の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the configuration of an electric vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment; 燃料電池システムの構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a fuel cell system. 車両制御装置の構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a vehicle control device. 統括ECUの構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a supervisory ECU. 気液分離器の概略構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a gas-liquid separator. 実施形態に係る燃料電池システムのコンピュータにより実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an example of a flow of processing executed by a computer of the fuel cell system according to the embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムのコンピュータにより実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an example of a flow of processing executed by a computer of the fuel cell system according to the embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムのコンピュータにより実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an example of a flow of processing executed by a computer of the fuel cell system according to the embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system according to an embodiment;

(第一実施形態)
以下、図面を参照し、本発明の燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムの実施形態について説明する。実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、電力により作動する電動装置に搭載される。電動装置には、例えば、電動車両や鉄道車両、飛行体(例えば、航空機、ドローン等)、船舶、ロボット等の移動体が含まれる。また、電動装置には、定置型の装置(例えば、燃料電池システム)が含まれてもよい。以下では、燃料電池システムが、電動車両に搭載されている例について説明する。電動車両は、例えば、燃料電池において発電された電力を走行用の電力または車載機器の動作用の電力として用いる燃料電池車両である。電動車両は、二輪や三輪、四輪等の自動車である。また、電動車両は、例えば、後述する燃料電池システムを複数搭載することが可能なバスやトラック等の大型車両であってもよい。
First Embodiment
Hereinafter, with reference to the drawings, an embodiment of a fuel cell system, a control method for a fuel cell system, and a program of the present invention will be described. The fuel cell system according to the embodiment is mounted on an electric device that operates by electricity, for example. The electric device includes, for example, an electric vehicle, a railroad vehicle, an aircraft (for example, an aircraft, a drone, etc.), a ship, a robot, and other moving objects. The electric device may also include a stationary device (for example, a fuel cell system). In the following, an example in which the fuel cell system is mounted on an electric vehicle will be described. The electric vehicle is, for example, a fuel cell vehicle that uses the power generated in a fuel cell as power for running or power for operating on-board equipment. The electric vehicle is a two-wheeled, three-wheeled, four-wheeled, or other automobile. The electric vehicle may also be, for example, a large vehicle such as a bus or truck that can be equipped with a plurality of fuel cell systems described later.

[電動車両]
図1は、実施形態の燃料電池システムが搭載された電動車両の構成の一例を示す図である。図1に示すように、電動車両10は、例えば、モータ12と、駆動輪14と、ブレーキ装置16と、車両センサ20と、変換器32と、BTVCU(Battery Voltage Control Unit)34と、バッテリシステム40と、表示装置50と、車両制御装置80と、統括ECU(Electronic Control Unit)100と、記憶部150と、一以上のFC(Fuel Cell)システム(燃料電池システム)200とを備える。図1に示す例では、複数のFCシステム200A、200B、が示されているが、それぞれを個別に区別しない場合には、単に「FCシステム200」と称する場合がある。FCシステム200は、「燃料電池システム」の一例である。各FCシステムの第一制御部246A、第二制御部246Bについて、それぞれを個別に区別しない場合は、単に「制御部246」と称する場合がある。
[Electric vehicles]
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an electric vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment. As shown in FIG. 1, an electric vehicle 10 includes, for example, a motor 12, drive wheels 14, a brake device 16, a vehicle sensor 20, a converter 32, a BTVCU (Battery Voltage Control Unit) 34, a battery system 40, a display device 50, a vehicle control device 80, a supervisory ECU (Electronic Control Unit) 100, a storage unit 150, and one or more FC (Fuel Cell) systems (fuel cell systems) 200. In the example shown in FIG. 1, a plurality of FC systems 200A and 200B are shown, but when they are not individually distinguished from each other, they may be simply referred to as "FC systems 200". The FC system 200 is an example of a "fuel cell system". When the first control unit 246A and the second control unit 246B of each FC system are not individually distinguished from each other, they may be simply referred to as the "control unit 246."

モータ12は、例えば、三相交流電動機である。モータ12のロータは、駆動輪14に連結される。モータ12は、FCシステム200により発電された電力とバッテリシステム40により蓄電された電力とのうち少なくとも一方を用いて、電動車両10の走行に用いられる駆動力を駆動輪14に出力する。また、モータ12は、車両の減速時に車両の運動エネルギーを用いて発電する。 The motor 12 is, for example, a three-phase AC motor. The rotor of the motor 12 is connected to the drive wheels 14. The motor 12 outputs the driving force used to run the electric vehicle 10 to the drive wheels 14 using at least one of the power generated by the FC system 200 and the power stored in the battery system 40. The motor 12 also generates power using the kinetic energy of the vehicle when the vehicle decelerates.

ブレーキ装置16は、例えば、ブレーキキャリパーと、ブレーキキャリパーに油圧を伝達するシリンダと、シリンダに油圧を発生させる電動モータとを備える。ブレーキ装置16は、ブレーキペダルの操作によって発生した油圧を、マスターシリンダを介してシリンダに伝達する機構をバックアップとして備えてよい。なお、ブレーキ装置16は、マスターシリンダの油圧をシリンダに伝達する電子制御式油圧ブレーキ装置であってもよい。 The brake device 16 includes, for example, a brake caliper, a cylinder that transmits hydraulic pressure to the brake caliper, and an electric motor that generates hydraulic pressure in the cylinder. The brake device 16 may include a backup mechanism that transmits hydraulic pressure generated by operating the brake pedal to the cylinder via a master cylinder. The brake device 16 may also be an electronically controlled hydraulic brake device that transmits hydraulic pressure from the master cylinder to the cylinder.

車両センサ20は、例えば、アクセル開度センサと、車速センサと、ブレーキ踏量センサとを備える。アクセル開度センサは、運転者による加速指示を受け付ける操作子の一例であるアクセルペダルに取り付けられ、アクセルペダルの操作量を検出し、アクセル開度として車両制御装置80に出力する。車速センサは、例えば、各車輪に取り付けられた車輪速センサと、速度計算機とを備え、車輪速センサにより検出された車輪速を統合して車両の速度(車速)を導出し、車両制御装置80および表示装置50に出力する。ブレーキ踏量センサは、ブレーキペダルに取り付けられ、ブレーキペダルの操作量を検出し、ブレーキ踏量として車両制御装置80に出力する。 The vehicle sensor 20 includes, for example, an accelerator opening sensor, a vehicle speed sensor, and a brake depression sensor. The accelerator opening sensor is attached to an accelerator pedal, which is an example of an operator that accepts an acceleration command from the driver, detects the amount of operation of the accelerator pedal, and outputs the accelerator opening to the vehicle control device 80. The vehicle speed sensor includes, for example, wheel speed sensors attached to each wheel and a speed calculator, and combines the wheel speeds detected by the wheel speed sensors to derive the vehicle speed (vehicle speed), which is output to the vehicle control device 80 and the display device 50. The brake depression sensor is attached to the brake pedal, detects the amount of operation of the brake pedal, and outputs the brake depression to the vehicle control device 80.

車両センサ20には、電動車両10の加速度を検出する加速度センサ、鉛直軸回りの角速度を検出するヨーレートセンサ、電動車両10の向きを検出する方位センサ等が含まれてもよい。また、車両センサ20には、電動車両10の位置を検出する位置センサが含まれてもよい。位置センサは、例えば、電動車両10に搭載されたGNSS(Global Navigation Satellite System)受信機や、GPS(Global Positioning System)装置から電動車両10の位置情報を取得する。また、車両センサ20には、FCシステム200の温度を測定する温度センサが含まれてもよい。車両センサ20により検出された各種情報は、車両制御装置80に出力される。 The vehicle sensor 20 may include an acceleration sensor that detects the acceleration of the electric vehicle 10, a yaw rate sensor that detects the angular velocity around a vertical axis, a direction sensor that detects the orientation of the electric vehicle 10, and the like. The vehicle sensor 20 may also include a position sensor that detects the position of the electric vehicle 10. The position sensor acquires position information of the electric vehicle 10 from, for example, a GNSS (Global Navigation Satellite System) receiver or a GPS (Global Positioning System) device mounted on the electric vehicle 10. The vehicle sensor 20 may also include a temperature sensor that measures the temperature of the FC system 200. Various information detected by the vehicle sensor 20 is output to the vehicle control device 80.

変換器32は、例えば、AC-DC変換器である。変換器32の直流側端子は、直流リンクDLに接続されている。直流リンクDLには、BTVCU34を介してバッテリシステム40が接続されている。変換器32は、モータ12により発電された交流電圧を直流電圧に変換して直流リンクDLに出力する。 The converter 32 is, for example, an AC-DC converter. The DC side terminal of the converter 32 is connected to the DC link DL. The battery system 40 is connected to the DC link DL via the BTVCU 34. The converter 32 converts the AC voltage generated by the motor 12 into a DC voltage and outputs it to the DC link DL.

BTVCU34は、例えば、昇圧型のDC―DCコンバータである。BTVCU34は、バッテリシステム40から供給される直流電圧を昇圧して直流リンクDLに出力する。BTVCU34は、モータ12から供給される回生電圧、または、FCシステム200から供給されるFC電圧をバッテリシステム40に出力する。 The BTVCU 34 is, for example, a step-up DC-DC converter. The BTVCU 34 steps up the DC voltage supplied from the battery system 40 and outputs it to the DC link DL. The BTVCU 34 outputs the regenerative voltage supplied from the motor 12 or the FC voltage supplied from the FC system 200 to the battery system 40.

バッテリシステム40は、例えば、バッテリ42と、バッテリセンサ44とを備える。バッテリ42は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池である。バッテリ42は、例えば、モータ12またはFCシステム200において発電された電力を蓄え、電動車両10の走行のため、または車載機器を動作させるための放電を行う。 The battery system 40 includes, for example, a battery 42 and a battery sensor 44. The battery 42 is, for example, a secondary battery such as a lithium-ion battery. The battery 42 stores, for example, the electric power generated by the motor 12 or the FC system 200, and discharges the electric power to drive the electric vehicle 10 or to operate on-board equipment.

バッテリセンサ44は、例えば、電流センサ、電圧センサ、温度センサを備える。バッテリセンサ44は、例えば、バッテリ42の電流値、電圧値、温度を検出する。バッテリセンサ44は、検出した電流値、電圧値、温度等を車両制御装置80に出力する。 The battery sensor 44 includes, for example, a current sensor, a voltage sensor, and a temperature sensor. The battery sensor 44 detects, for example, the current value, voltage value, and temperature of the battery 42. The battery sensor 44 outputs the detected current value, voltage value, temperature, etc. to the vehicle control device 80.

バッテリシステム40は、例えば外部の充電設備と接続して充放電装置から供給される電力をバッテリ42に充電させてもよい。 The battery system 40 may be connected, for example, to an external charging facility to charge the battery 42 with power supplied from a charging/discharging device.

表示装置50は、例えば、表示部52と、表示制御部54と、を備える。表示部52は、例えば、メータ内またはインストルメントパネルに設けられた表示部、またはヘッドアップディスプレイ(HUD)である。表示部52は、表示制御部54の制御に応じた各種情報を表示する。表示制御部54は、バッテリシステム40により出力される情報やFCシステム200により出力される情報に基づく画像を表示部52に表示させる。また、表示制御部54は、車両センサ20や車両制御装置80により出力される情報に基づく画像を表示部52に表示させる。また、表示制御部54は、車両センサ20により出力される車速等を示す画像を表示部52に表示させる。また、表示装置50は、音声を出力するスピーカを備え、表示部52に表示された画像に対応付けられた音声または警報等を出力してもよい。 The display device 50 includes, for example, a display unit 52 and a display control unit 54. The display unit 52 is, for example, a display unit provided in a meter or an instrument panel, or a head-up display (HUD). The display unit 52 displays various information according to the control of the display control unit 54. The display control unit 54 causes the display unit 52 to display an image based on the information output by the battery system 40 or the information output by the FC system 200. The display control unit 54 also causes the display unit 52 to display an image based on the information output by the vehicle sensor 20 or the vehicle control device 80. The display control unit 54 also causes the display unit 52 to display an image indicating the vehicle speed, etc., output by the vehicle sensor 20. The display device 50 also includes a speaker that outputs sound, and may output a sound or an alarm, etc., associated with the image displayed on the display unit 52.

車両制御装置80は、電動車両10における走行および車載機器の動作等を制御する。例えば、車両制御装置80は、電動車両10からの要求電力に応じてバッテリシステム40に充電された電力やFCシステム200で発電した電力の供給等を制御する。電動車両10からの要求電力とは、例えば、電動車両10の負荷が駆動または動作するために要求する総負荷電力である。負荷には、例えば、モータ12やブレーキ装置16、車両センサ20、表示装置50、その他の車載機器等の補機が含まれる。また、車両制御装置80は、電動車両10の走行制御等を行ってもよい。車両制御装置80の機能の詳細については後述する。 The vehicle control device 80 controls the traveling of the electric vehicle 10 and the operation of the on-board equipment. For example, the vehicle control device 80 controls the supply of power charged in the battery system 40 and power generated by the FC system 200 according to the power required by the electric vehicle 10. The power required by the electric vehicle 10 is, for example, the total load power required for the load of the electric vehicle 10 to drive or operate. The load includes, for example, the motor 12, the brake device 16, the vehicle sensor 20, the display device 50, and auxiliary equipment such as other on-board equipment. The vehicle control device 80 may also control the traveling of the electric vehicle 10. The functions of the vehicle control device 80 will be described in detail later.

統括ECU100は、例えば、車両制御装置80からの制御情報等に基づいて、複数のFCシステム(FCシステム200A、200B、…)のそれぞれの発電量を統括的に制御する。統括ECU100の機能の詳細については後述する。 The supervisory ECU 100 performs overall control of the power generation amount of each of the multiple FC systems (FC systems 200A, 200B, ...) based on, for example, control information from the vehicle control device 80. The functions of the supervisory ECU 100 will be described in detail later.

記憶部150は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、フラッシュメモリ、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory、ROM(Read Only Memory)、またはRAM(Random Access Memory)等により実現される。記憶部150には、例えば、FCシステム200の燃料電池スタックのセル電圧の状態に関する情報、プログラム、およびその他の各種情報が記憶される。 The memory unit 150 is realized, for example, by a HDD (Hard Disk Drive), flash memory, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), ROM (Read Only Memory), or RAM (Random Access Memory). The memory unit 150 stores, for example, information about the cell voltage state of the fuel cell stack of the FC system 200, programs, and various other information.

各FCシステム200は同様の構成を備える。第一FCシステム200Aを例に説明する。FCシステム200は、例えば、燃料電池を含む。燃料電池は、例えば、アノードの燃料とカソードの酸化剤とが反応することによって発電する電池である。燃料電池は、例えば、燃料ガスに燃料として含まれる水素と、空気に酸化剤として含まれる酸素とが反応することによって発電する。FCシステム200は、統括ECU100の制御により、指示された発電量の発電を行い、発電した電力を、例えば、変換器32とBTVCU34との間の直流リンクDLに出力して給電を行う。これによって、FCシステム200により供給される電力は、車両制御装置80等の制御により、変換器32を介してモータ12に供給されたり、BTVCU34を介してバッテリシステム40に供給され、バッテリ42に蓄電されたり、他の補機等に必要な電力が供給されたりする。 Each FC system 200 has a similar configuration. The first FC system 200A will be described as an example. The FC system 200 includes, for example, a fuel cell. The fuel cell is a cell that generates electricity by, for example, reacting a fuel at the anode with an oxidant at the cathode. The fuel cell generates electricity by, for example, reacting hydrogen contained as fuel in the fuel gas with oxygen contained as an oxidant in the air. The FC system 200 generates an instructed amount of electricity under the control of the integrated ECU 100, and supplies the generated electricity, for example, to a DC link DL between the converter 32 and the BTVCU 34. As a result, the electricity supplied by the FC system 200 is supplied to the motor 12 via the converter 32 or to the battery system 40 via the BTVCU 34 under the control of the vehicle control device 80, etc., and is stored in the battery 42, or is supplied as necessary to other auxiliary devices, etc.

[FCシステム]
FCシステム200について具体的に説明する。図2は、実施形態に係るFCシステム200の構成の一例を示す図である。図2に示す構成は、電動車両10に搭載される複数のFCシステム200のそれぞれに適用可能である。本実施形態に係るFCシステム200については、以下の構成に限定されるものではなく、例えばアノードとカソードによって発電するシステム構成であれば如何なる構成であってもよい。図2に示すFCシステム200は、例えば、FCスタック210と、コンプレッサ214と、封止入口弁216と、加湿器218と、気液分離器220(気液分離部)と、排気循環ポンプ(P)222と、水素タンク226と、水素供給弁228と、水素循環部230と、気液分離器232(気液分離部)と、流通路と、温度センサ(T)と、コンタクタ242と、FCVCU(Fuel Cell Voltage Control Unit)244と、制御部246と、FC冷却システム280とを備える。FCシステム200は、水素タンク226およびコンプレッサ214からFCスタック210を経て、排気再循環路254または酸化剤ガス排出路252に流通路を備える。流通路は、FCスタック210にアノードガスを供給するアノードガス流通路(例えば燃料ガス供給路256)と、FCスタック210のカソード排出口212bから排出されるアノードオフガス流通路(例えば排気再循環路254、燃料ガス供給路256)とを含む。
[FC system]
The FC system 200 will be described in detail. Fig. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the FC system 200 according to the embodiment. The configuration shown in Fig. 2 is applicable to each of the multiple FC systems 200 mounted on the electric vehicle 10. The FC system 200 according to the present embodiment is not limited to the following configuration, and may have any system configuration as long as it generates power using an anode and a cathode, for example. 2 includes, for example, an FC stack 210, a compressor 214, a sealing inlet valve 216, a humidifier 218, a gas-liquid separator 220 (gas-liquid separation section), an exhaust circulation pump (P) 222, a hydrogen tank 226, a hydrogen supply valve 228, a hydrogen circulation section 230, a gas-liquid separator 232 (gas-liquid separation section), a flow path, a temperature sensor (T), a contactor 242, an FCVCU (Fuel Cell Voltage Control Unit) 244, a control section 246, and an FC cooling system 280. The FC system 200 includes a flow path from the hydrogen tank 226 and the compressor 214 through the FC stack 210 to an exhaust gas recirculation path 254 or an oxidizing gas discharge path 252. The flow passages include an anode gas flow passage (e.g., a fuel gas supply passage 256) that supplies anode gas to the FC stack 210, and an anode off-gas flow passage (e.g., an exhaust recirculation passage 254, a fuel gas supply passage 256) that discharges gas from the cathode exhaust port 212b of the FC stack 210.

FCスタック210A,210Bは、複数の燃料電池セルが積層された積層体(図示略)と、積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート(図示略)とを備える。電解質膜を挟んで一対の電極が配置されたセル構造体を複数積層して構成され、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行う複数の燃料電池スタックを有する。燃料電池セルは、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータとを備える。膜電極接合体は、例えば、アノード触媒およびガス拡散層からなるアノードと、カソード触媒およびガス拡散層からなるカソードと、アノードおよびカソードによって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜とを備える。 The FC stacks 210A and 210B each include a stack (not shown) of multiple fuel cell cells, and a pair of end plates (not shown) that sandwich the stack from both sides in the stacking direction. The stack is configured by stacking multiple cell structures in which a pair of electrodes are arranged with an electrolyte membrane sandwiched between them, and includes multiple fuel cell stacks that generate electricity when oxidant gas and fuel gas are supplied. The fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly from both sides in the joining direction. The membrane electrode assembly includes, for example, an anode consisting of an anode catalyst and a gas diffusion layer, a cathode consisting of a cathode catalyst and a gas diffusion layer, and a solid polymer electrolyte membrane consisting of a cation exchange membrane or the like sandwiched between the anode and the cathode from both sides in the thickness direction.

アノードには、燃料として水素を含む燃料ガスが水素タンク226から供給される。カソードには、酸化剤として酸素を含む酸化剤ガス(反応ガス)である空気がコンプレッサ214から供給される。アノードに供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路(FCVCU244等)に取り出し可能である。アノードからカソードのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソードに供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。 The anode is supplied with fuel gas containing hydrogen as fuel from a hydrogen tank 226. The cathode is supplied with air, which is an oxidant gas (reactant gas) containing oxygen as an oxidant, from a compressor 214. The hydrogen supplied to the anode is ionized by a catalytic reaction on the anode catalyst, and the hydrogen ions move to the cathode through a suitably humidified solid polymer electrolyte membrane. Electrons generated as the hydrogen ions move can be extracted as direct current to an external circuit (such as the FCVCU 244). The hydrogen ions that move from the anode to the cathode catalyst of the cathode react with the oxygen supplied to the cathode and the electrons on the cathode catalyst to produce water.

コンプレッサ214は、制御部246により駆動制御されるモータ等を備え、このモータの駆動力によって外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気をカソードに接続された酸化剤ガス供給路250に送り込むことで、燃料電池に酸化ガスを圧送する。 The compressor 214 is equipped with a motor and other components that are driven and controlled by the control unit 246. The compressor 214 takes in air from the outside using the driving force of the motor, compresses it, and sends the compressed air to the oxidant gas supply path 250 connected to the cathode, thereby pressurizing the oxidant gas to the fuel cell.

封止入口弁216は、コンプレッサ214と、FCスタック210Aのカソードに空気を供給可能なカソード供給口212aとを接続する酸化剤ガス供給路250に設けられ、制御部246の制御によって開閉される。封止入口弁216は、流量調整手段の一例である。 The sealed inlet valve 216 is provided in an oxidant gas supply passage 250 that connects the compressor 214 and a cathode supply port 212a that can supply air to the cathode of the FC stack 210A, and is opened and closed under the control of the control unit 246. The sealed inlet valve 216 is an example of a flow rate adjustment means.

加湿器218は、コンプレッサ214から酸化剤ガス供給路250に送り込まれた空気を加湿する。例えば、加湿器218は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備え、コンプレッサ214からの空気を、水透過膜を介して接触させることで水分を空気に添加して空気を加湿する。 The humidifier 218 humidifies the air sent from the compressor 214 to the oxidant gas supply path 250. For example, the humidifier 218 has a water-permeable membrane such as a hollow fiber membrane, and adds moisture to the air from the compressor 214 by contacting the air through the water-permeable membrane, thereby humidifying the air.

封止入口弁216と、カソード供給口212aとの間に給気循環ポンプ223が設けられている。給気循環ポンプ223は、コンプレッサ214から酸化剤ガス供給路250に流入した空気を、封止入口弁216からカソード供給口212aに向かい供給する。給気循環ポンプ223は送気手段の一例である。 An air supply circulation pump 223 is provided between the sealed inlet valve 216 and the cathode supply port 212a. The air supply circulation pump 223 supplies air that has flowed into the oxidant gas supply path 250 from the compressor 214 from the sealed inlet valve 216 toward the cathode supply port 212a. The air supply circulation pump 223 is an example of an air supply means.

コンプレッサ214と加湿器218との間の酸化剤ガス供給路250には、流量調整弁270が設けられている。流量調整弁270は、制御部246の制御によって開閉される。 A flow rate control valve 270 is provided in the oxidant gas supply path 250 between the compressor 214 and the humidifier 218. The flow rate control valve 270 is opened and closed under the control of the control unit 246.

気液分離器220は、カソード消費されることなく、カソード排出口212bから酸化剤ガス排出路252に排出されたカソード排ガスと液水とをカソードの排気路262を介して大気中に排出させる。また、気液分離器220は、酸化剤ガス排出路252に排出されたカソード排ガスと液水とを分離し、分離されたカソード排ガスのみを排気再循環路254に流入させてもよい。気液分離器220は、後述する気液分離器232と同様の構成を有する。 The gas-liquid separator 220 discharges the cathode exhaust gas and liquid water discharged from the cathode exhaust port 212b to the oxidant gas discharge path 252 into the atmosphere via the cathode exhaust path 262 without being consumed by the cathode. The gas-liquid separator 220 may also separate the cathode exhaust gas and liquid water discharged to the oxidant gas discharge path 252 and allow only the separated cathode exhaust gas to flow into the exhaust gas recirculation path 254. The gas-liquid separator 220 has a configuration similar to that of the gas-liquid separator 232 described later.

排気循環ポンプ222は、排気再循環路254に設けられ、気液分離器220から排気再循環路254に流入したカソード排ガスを、封止入口弁216からカソード供給口212aに向かい酸化剤ガス供給路250を流通する空気と混合し、カソードに再び供給する。排気循環ポンプ222は、送気手段の一例である。 The exhaust circulation pump 222 is provided in the exhaust recirculation path 254, and mixes the cathode exhaust gas that has flowed into the exhaust recirculation path 254 from the gas-liquid separator 220 with air flowing through the oxidant gas supply path 250 from the sealed inlet valve 216 toward the cathode supply port 212a, and supplies the gas again to the cathode. The exhaust circulation pump 222 is an example of an air supply means.

水素タンク226は、水素を圧縮した状態で貯留する。水素供給弁228は、水素タンク226と、FCスタック210のアノードに水素を供給可能なアノード供給口212cとを接続する燃料ガス供給路256に設けられている。水素供給弁228は、制御部246の制御によって開弁した場合に、水素タンク226に貯留された水素を燃料ガス供給路256に供給する。燃料ガス供給路256には、インジェクタ271およびエゼクタ236が設けられている。 The hydrogen tank 226 stores hydrogen in a compressed state. The hydrogen supply valve 228 is provided in a fuel gas supply path 256 that connects the hydrogen tank 226 to an anode supply port 212c that can supply hydrogen to the anode of the FC stack 210. When the hydrogen supply valve 228 is opened under the control of the control unit 246, it supplies hydrogen stored in the hydrogen tank 226 to the fuel gas supply path 256. An injector 271 and an ejector 236 are provided in the fuel gas supply path 256.

水素循環部230は、例えば、燃料電池に燃料ガスを循環供給するポンプである。水素循環部230は、例えば、アノードで消費されることなく、アノード排出口212dから燃料ガス排出路258に排出されたアノード排ガスを、気液分離器232を経て燃料ガス供給路256に循環させる。 The hydrogen circulation unit 230 is, for example, a pump that circulates and supplies fuel gas to the fuel cell. The hydrogen circulation unit 230 circulates, for example, anode exhaust gas that is not consumed at the anode and is discharged from the anode exhaust port 212d to the fuel gas discharge path 258, via the gas-liquid separator 232 to the fuel gas supply path 256.

気液分離器232は、水素循環部230の作用により燃料ガス排出路258から燃料ガス供給路256に循環するアノード排ガスと液水とを分離する。図5は気液分離器232の構成を示す模式図である。気液分離器232は、貯留部91と、流入口92と、排気口93(ガス排出部)と、液水排出口(液水排出口)98と、ドレインヒータ95と、アノードドレイン弁96と、を含んで構成されている。貯留部91内で液水から分離されたアノード排ガスは、排気口93からFCスタック210のアノード供給口212cに供給される。具体的には、液水から分離されたアノード排ガスは、排気口93から排気再循環路254に流れ、FCスタック210のアノード供給口212cに供給される。気液分離器220では、アノードガスが燃料ガス供給路256に流れる。液水排出口98は、貯留部91の下部に設けられている。液水排出口98とアノードドレイン弁96との間には排水路971を有する。アノードドレイン弁96が閉弁されると、排水路971および貯留部91の下部に液水が溜まる。溜まった液水を貯留液水と称する。流入口92から貯留部91に排出され、気液分離された液水は、アノードドレイン弁96が開弁されると、液水排出口98からドレイン管264へ流出し、大気中に排出される。ドレインヒータ95は、貯留部91の下端部かつ、液水排出口98の近傍に配置されている。ドレインヒータ95は、ケーブル951を介して通電可能なヒータである。アノードドレイン弁96は、排水路971の開閉を行うバルブである。アノードドレイン弁96は例えばソレノイドバルブである。 The gas-liquid separator 232 separates the anode exhaust gas and liquid water circulated from the fuel gas exhaust passage 258 to the fuel gas supply passage 256 by the action of the hydrogen circulation section 230. FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the gas-liquid separator 232. The gas-liquid separator 232 includes a storage section 91, an inlet 92, an exhaust port 93 (gas exhaust section), a liquid water exhaust port (liquid water exhaust port) 98, a drain heater 95, and an anode drain valve 96. The anode exhaust gas separated from the liquid water in the storage section 91 is supplied from the exhaust port 93 to the anode supply port 212c of the FC stack 210. Specifically, the anode exhaust gas separated from the liquid water flows from the exhaust port 93 to the exhaust recirculation passage 254 and is supplied to the anode supply port 212c of the FC stack 210. In the gas-liquid separator 220, the anode gas flows to the fuel gas supply passage 256. The liquid water discharge port 98 is provided at the bottom of the storage section 91. A drainage channel 971 is provided between the liquid water discharge port 98 and the anode drain valve 96. When the anode drain valve 96 is closed, liquid water is stored in the drainage channel 971 and at the bottom of the storage section 91. The stored liquid water is called stored liquid water. When the anode drain valve 96 is opened, the liquid water discharged from the inlet 92 to the storage section 91 and separated into gas and liquid flows out from the liquid water discharge port 98 to the drain pipe 264 and is discharged into the atmosphere. The drain heater 95 is disposed at the bottom end of the storage section 91 and near the liquid water discharge port 98. The drain heater 95 is a heater that can be energized via a cable 951. The anode drain valve 96 is a valve that opens and closes the drainage channel 971. The anode drain valve 96 is, for example, a solenoid valve.

温度センサは、FCスタック210のアノードおよびカソードの温度を検出し、検出信号(温度情報)を制御部246に出力する。 The temperature sensor detects the temperature of the anode and cathode of the FC stack 210 and outputs a detection signal (temperature information) to the control unit 246.

コンタクタ242は、FCスタック210のアノードおよびカソードと、FCVCU244との間に設けられている。コンタクタ242は、制御部246からの制御に基づいて、FCスタック210とFCVCU244との間を電気的に接続させ、または遮断する。 The contactor 242 is provided between the anode and cathode of the FC stack 210 and the FCVCU 244. The contactor 242 electrically connects or disconnects the FC stack 210 and the FCVCU 244 based on control from the control unit 246.

FCVCU244は、例えば、昇圧型のDC―DCコンバータである。FCVCU244は、コンタクタ242を介したFCスタック210のアノードおよびカソードと電気負荷との間に配置されている。FCVCU244は、電気負荷側に接続された出力端子248の電圧を、制御部246によって決定された目標電圧に昇圧する。FCVCU244は、例えば、FCスタック210から出力された電圧を目標電圧に昇圧して出力端子248に出力する。 The FCVCU 244 is, for example, a step-up DC-DC converter. The FCVCU 244 is disposed between the anode and cathode of the FC stack 210 and the electrical load via the contactor 242. The FCVCU 244 boosts the voltage of the output terminal 248 connected to the electrical load to a target voltage determined by the control unit 246. The FCVCU 244 boosts, for example, the voltage output from the FC stack 210 to the target voltage and outputs it to the output terminal 248.

制御部246は、統括ECU100による発電制御にしたがって、FCシステム200における発電の開始や終了、発電量、ドレインヒータ95の発電の開始や終了等を制御する。制御部246は、FC冷却システム280を用いてFCシステム200の温度調整に関する制御を行う。制御部246は、例えばFC-ECUといった制御装置に置き換えられてもよい。制御部246は、統括ECU100や車両制御装置80と連携して電動車両10の給電制御を行ってもよい。 The control unit 246 controls the start and end of power generation in the FC system 200, the amount of power generation, and the start and end of power generation by the drain heater 95, in accordance with the power generation control by the integrated ECU 100. The control unit 246 controls the temperature adjustment of the FC system 200 using the FC cooling system 280. The control unit 246 may be replaced with a control device such as an FC-ECU. The control unit 246 may control the power supply to the electric vehicle 10 in cooperation with the integrated ECU 100 and the vehicle control device 80.

FC冷却システム280は、制御部246による制御にしたがって、例えば、温度センサにより検出されたFCスタック210の温度が閾値以上である場合に、FCシステム200を冷却する。例えば、FC冷却システム280は、FCスタック210内に設けられた流路に冷媒を巡回させてFCスタック210の熱を排出することで、FCスタック210の温度を冷却する。また、FC冷却システム280は、FCシステム200が発電中である場合に、温度センサによる温度が所定温度範囲で維持されるように、FCスタック210を加熱または冷却させる制御を行ってもよい。 The FC cooling system 280 cools the FC system 200 according to the control of the control unit 246, for example, when the temperature of the FC stack 210 detected by the temperature sensor is equal to or higher than a threshold value. For example, the FC cooling system 280 cools the temperature of the FC stack 210 by circulating a coolant through a flow path provided in the FC stack 210 to discharge heat from the FC stack 210. In addition, when the FC system 200 is generating power, the FC cooling system 280 may control the heating or cooling of the FC stack 210 so that the temperature detected by the temperature sensor is maintained within a predetermined temperature range.

[車両制御装置]
図3は、車両制御装置80の構成の一例を示す図である。車両制御装置80は、例えば、モータ制御部82と、ブレーキ制御部84と、電力制御部86と、走行制御部88とを備える。モータ制御部82、ブレーキ制御部84、電力制御部86、および走行制御部88は、それぞれ、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のハードウェアプロセッサがプログラム(ソフトウェア)を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)等のハードウェア(回路部;circuitryを含む)によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予め電動車両10のHDDやフラッシュメモリ等の記憶装置(非一過性の記憶媒体を備える記憶装置)に格納されていてもよいし、DVDやCD-ROM等の着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体(非一過性の記憶媒体)がドライブ装置に装着されることで電動車両10のHDDやフラッシュメモリにインストールされてもよい。上記の記憶装置は、例えば記憶部150である。
[Vehicle control device]
3 is a diagram showing an example of the configuration of the vehicle control device 80. The vehicle control device 80 includes, for example, a motor control unit 82, a brake control unit 84, a power control unit 86, and a driving control unit 88. The motor control unit 82, the brake control unit 84, the power control unit 86, and the driving control unit 88 are each realized by, for example, a hardware processor such as a CPU (Central Processing Unit) executing a program (software). In addition, some or all of these components may be realized by hardware (including circuitry) such as an LSI (Large Scale Integration), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a GPU (Graphics Processing Unit), or may be realized by cooperation between software and hardware. The program may be stored in advance in a storage device (storage device having a non-transient storage medium) such as an HDD or flash memory of the electric vehicle 10, or may be stored in a removable storage medium such as a DVD or CD-ROM, and the storage medium (non-transient storage medium) may be installed in the HDD or flash memory of the electric vehicle 10 by mounting the storage medium (non-transient storage medium) in a drive device. The storage device is, for example, the storage unit 150 .

モータ制御部82は、車両センサ20の出力に基づいて、モータ12に要求される駆動力を算出し、算出した駆動力を出力させるようにモータ12を制御する。 The motor control unit 82 calculates the driving force required of the motor 12 based on the output of the vehicle sensor 20, and controls the motor 12 to output the calculated driving force.

ブレーキ制御部84は、車両センサ20の出力に基づいて、ブレーキ装置16に要求される制動力を算出し、算出した制動力を出力させるようにブレーキ装置16を制御する。 The brake control unit 84 calculates the braking force required of the brake device 16 based on the output of the vehicle sensor 20, and controls the brake device 16 to output the calculated braking force.

電力制御部86は、車両センサ20の出力に基づいて、バッテリシステム40とFCシステム200に要求される要求電力量を算出する。例えば、電力制御部86は、アクセル開度と車速に基づいてモータ12が出力すべきトルクを算出し、トルクとモータ12の回転数から求められる駆動軸負荷電力と、補機等が要求する電力とを合計して要求電力量を算出する。また、電力制御部86は、バッテリシステム40の充電状況(蓄電状況)を管理する。例えば、電力制御部86は、バッテリセンサ44の出力に基づいて、バッテリ42のSOC(State Of Charge;バッテリ充電率)を算出する。電力制御部86は、例えば、バッテリ42のSOCが所定値未満である場合には、FCシステム200による発電によってバッテリ42を充電させるための制御を実行したり、外部の充電設備からの電力供給による充電を乗員に促す情報を表示装置50に出力させる。電力制御部86は、バッテリ42のSOCが所定値より大きい場合に充電制御を停止したり、FCシステム200で発電された余剰電力を補機等で消費させるための制御を行ってもよい。 The power control unit 86 calculates the amount of power required for the battery system 40 and the FC system 200 based on the output of the vehicle sensor 20. For example, the power control unit 86 calculates the torque to be output by the motor 12 based on the accelerator opening and the vehicle speed, and calculates the amount of power required by adding up the drive shaft load power calculated from the torque and the rotation speed of the motor 12 and the power required by the auxiliary equipment. The power control unit 86 also manages the charging status (electricity storage status) of the battery system 40. For example, the power control unit 86 calculates the SOC (State of Charge) of the battery 42 based on the output of the battery sensor 44. For example, when the SOC of the battery 42 is less than a predetermined value, the power control unit 86 executes control to charge the battery 42 by power generation by the FC system 200, or outputs information to the display device 50 that prompts the occupant to charge the battery 42 by power supply from an external charging facility. The power control unit 86 may stop charging control when the SOC of the battery 42 is greater than a predetermined value, or may perform control to cause surplus power generated by the FC system 200 to be consumed by auxiliary equipment, etc.

走行制御部88は、例えば車両センサ20により取得される情報に基づいて、電動車両10に対する運転制御を実行する。また、走行制御部88は、車両センサ20により取得される情報に加えて、地図情報や監視ユニット(不図示)から取得される情報に基づいて電動車両10の運転制御を実行してもよい。監視ユニットとは、例えば、電動車両10の外部の空間を撮像するカメラや、電動車両10の外部を検知範囲とするレーダあるいはLIDAR(Light Detection and Ranging)、これらの出力に基づいてセンサフュージョン処理を行う物体認識装置等を含む。監視ユニットは、電動車両10の周辺に存在する物体の種類(特に、車両、歩行者、および自転車)を推定し、その位置や速度の情報と共に走行制御部88に出力する。運転制御とは、例えば、電動車両10の操舵または加減速のうち一方または双方を制御することで、電動車両10を走行させるものである。運転制御には、例えば、ADAS(Advanced Driver Assistance System)等の運転支援制御が含まれる。ADASには、例えば、LKAS(Lane Keeping Assistance System)や、ACC(Adaptive Cruise Control System)、CMBS(Collision Mitigation Brake System)等が含まれる。 The driving control unit 88 executes driving control of the electric vehicle 10 based on, for example, information acquired by the vehicle sensor 20. The driving control unit 88 may also execute driving control of the electric vehicle 10 based on map information and information acquired from a monitoring unit (not shown) in addition to the information acquired by the vehicle sensor 20. The monitoring unit includes, for example, a camera that captures an image of the space outside the electric vehicle 10, a radar or LIDAR (Light Detection and Ranging) that has a detection range outside the electric vehicle 10, and an object recognition device that performs sensor fusion processing based on the output of these. The monitoring unit estimates the type of object (particularly, a vehicle, a pedestrian, and a bicycle) that exists in the vicinity of the electric vehicle 10, and outputs it to the driving control unit 88 together with information on its position and speed. Driving control is, for example, controlling one or both of the steering and acceleration/deceleration of the electric vehicle 10 to drive the electric vehicle 10. Driving control includes, for example, driving assistance control such as ADAS (Advanced Driver Assistance System). ADAS includes, for example, LKAS (Lane Keeping Assistance System), ACC (Adaptive Cruise Control System), CMBS (Collision Mitigation Brake System), etc.

[統括ECU]
図4は、統括ECU100の構成の一例を示す図である。統括ECU100は、例えば、流量制御部102と、要求電力取得部104と、出力制御部106と、送気制御部107と、水量取得部103と、解凍制御部105と、発電制御部108とを備える。流量制御部102、要求電力取得部104、出力制御部106、および発電制御部108は、それぞれ、例えば、CPU等のハードウェアプロセッサがプログラム(ソフトウェア)を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、LSIやASIC、FPGA、GPU等のハードウェア(回路部;circuitryを含む)によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予め電動車両10のHDDやフラッシュメモリ等の記憶装置(非一過性の記憶媒体を備える記憶装置)に格納されていてもよいし、DVDやCD-ROM等の着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体(非一過性の記憶媒体)がドライブ装置に装着されることで電動車両10のHDDやフラッシュメモリにインストールされてもよい。上記の記憶装置は、例えば記憶部150である。
[Control ECU]
4 is a diagram showing an example of the configuration of the master ECU 100. The master ECU 100 includes, for example, a flow control unit 102, a required power acquisition unit 104, an output control unit 106, an air supply control unit 107, a water volume acquisition unit 103, a defrosting control unit 105, and a power generation control unit 108. The flow control unit 102, the required power acquisition unit 104, the output control unit 106, and the power generation control unit 108 are each realized by, for example, a hardware processor such as a CPU executing a program (software). Some or all of these components may be realized by hardware (including circuitry) such as an LSI, an ASIC, an FPGA, or a GPU, or may be realized by cooperation between software and hardware. The program may be stored in advance in a storage device (a storage device having a non-transient storage medium) such as an HDD or flash memory of the electric vehicle 10, or may be stored in a removable storage medium such as a DVD or CD-ROM, and installed in the HDD or flash memory of the electric vehicle 10 by mounting the storage medium (non-transient storage medium) in a drive device. The above-mentioned storage device is, for example, the storage unit 150.

要求電力取得部104は、電動車両10からの要求電力量を取得する。例えば、要求電力取得部104は、車両制御装置80により複数のFCシステム200で発電させる要求電力量(つまり、電動車両全体で必要な要求電力量のうちバッテリシステム40が供給する電力量を除いた電力量)を取得する。 The power requirement acquisition unit 104 acquires the amount of power required from the electric vehicle 10. For example, the power requirement acquisition unit 104 acquires the amount of power required to be generated by the multiple FC systems 200 by the vehicle control device 80 (i.e., the amount of power required by the entire electric vehicle excluding the amount of power supplied by the battery system 40).

流量制御部102は、複数のFCシステム200A、200Bの各FCスタック210A、210Bのうち、電極の劣化状態が相対的に大きい一方のFCスタックを有する一方のFCシステムにて安定出力発電を行い、電極の劣化状態が相対的に小さい他方のFCスタックを有する他方の燃料電池システムにて過渡応答発電を行うよう制御する。 The flow control unit 102 controls one of the FC stacks 210A, 210B of the multiple FC systems 200A, 200B to perform stable output power generation in one FC system having an FC stack with a relatively large deterioration state of the electrodes, and to perform transient response power generation in the other fuel cell system having the other FC stack with a relatively small deterioration state of the electrodes.

送気制御部107は、例えば、給気循環ポンプ223等の送気手段の稼働状態を制御する。例えば、送気制御部107は、給気循環ポンプ223の出力を増加または減少させることにより、酸化剤ガス供給路250内の空気の流量や流速を制御できる。送気制御部107は、送気制御手段の一例である。 The air supply control unit 107 controls the operating state of an air supply means such as the air supply circulation pump 223. For example, the air supply control unit 107 can control the flow rate and flow speed of the air in the oxidant gas supply path 250 by increasing or decreasing the output of the air supply circulation pump 223. The air supply control unit 107 is an example of an air supply control means.

水量取得部103は、気液分離器220,232の貯留部91の下部に溜まっている貯留液水の水量を取得する。水量取得部103は、センサ等を用いて貯留液水の水量を検出する手段、貯留液水の推定水量を算出する手段のいずれか一方、または両方を備えていてもよい。水量取得部103が貯留液水の水量を計測する手段である場合は、例えば、気液分離器220,232に水位センサや温度センサ等を設けてもよい。水量取得部103が貯留液水の水量を推定する手段である場合、例えば、FCシステムの停止前の動作状況(以下、「前回動作状況」と記載する場合がある。)から貯留液水の推定水量を算出してもよい。水量取得部103が貯留液水の水量を推定する手段である場合、例えば、FCスタック210の出力に対応する液水の生成量を示す生成量情報を予め記憶し、記憶された生成量情報に基づき、貯留液水の水量を取得してもよい。 The water volume acquisition unit 103 acquires the volume of the stored liquid water stored in the lower part of the storage section 91 of the gas-liquid separator 220, 232. The water volume acquisition unit 103 may include either one or both of a means for detecting the volume of the stored liquid water using a sensor or the like and a means for calculating an estimated volume of the stored liquid water. When the water volume acquisition unit 103 is a means for measuring the volume of the stored liquid water, for example, a water level sensor or a temperature sensor may be provided in the gas-liquid separator 220, 232. When the water volume acquisition unit 103 is a means for estimating the volume of the stored liquid water, for example, the estimated volume of the stored liquid water may be calculated from the operating status before the FC system is stopped (hereinafter, sometimes referred to as the "previous operating status"). When the water volume acquisition unit 103 is a means for estimating the volume of the stored liquid water, for example, production volume information indicating the production volume of liquid water corresponding to the output of the FC stack 210 may be stored in advance, and the volume of the stored liquid water may be acquired based on the stored production volume information.

水量取得部103が前回動作状況に基づき貯留液水の推定水量を算出する場合の算出例を示す。例えば、FCシステムの動作時、FCスタック210の出力およびアノードドレイン弁の開弁時間の間隔により、気液分離器内の貯留液水の水量を算出する。例えば、前回動作時、ドレイン弁が開弁されてから閉じるまでの1サイクルの圧力降下特性を取得する。具体的には、FCスタック210の圧力をアノード圧力センサにより取得する。取得した圧力値の単位時間あたりの差ΔPを算出する。 An example of calculation is shown below in which the water volume acquisition unit 103 calculates an estimated amount of stored liquid water based on the previous operating status. For example, when the FC system is operating, the amount of stored liquid water in the gas-liquid separator is calculated based on the output of the FC stack 210 and the interval of time the anode drain valve is open. For example, during the previous operation, the pressure drop characteristics of one cycle from when the drain valve is opened to when it is closed are acquired. Specifically, the pressure of the FC stack 210 is acquired by the anode pressure sensor. The difference ΔP per unit time of the acquired pressure values is calculated.

Figure 0007614912000001
Figure 0007614912000001

(式1)において、Q:質量流量(単位:Kg/s)、C:流量係数、ΔP:オリフィス差圧(単位:kPA)、Y:流体密度(単位:kg/m)である。
(式1)に示すオリフィス式にΔPを、ドレイン弁が開弁されてから閉弁までの1ドレインサイクルにおいて、液水が流出する水量を算出する。液水の水量の値を積算して1ドレインサイクルあたりの液水の生成水量を算出する。次に、FCスタック210の電流密度を測定する。1ドレインサイクル毎の液水の生成水量と、FCスタック210の電流密度との関係値を複数取得することにより、FCスタック210の膜透過特性の推定値が得られる。水量取得部103は、低温起動時に取得したFCスタック210の電流密度と、FCスタック210の膜透過特性の推定値とにより、低温起動時の貯留液水の水量を推定する。推定された貯留液水の水量が全て凍結していると推定し、解凍処理を行う。
In formula 1, Q is mass flow rate (unit: Kg/s), C is flow coefficient, ΔP is orifice differential pressure (unit: kPA), and Y is fluid density (unit: kg/m 3 ).
By applying ΔP to the orifice equation shown in (Equation 1), the amount of liquid water flowing out during one drain cycle from when the drain valve is opened to when it is closed is calculated. The value of the liquid water amount is integrated to calculate the amount of liquid water generated per drain cycle. Next, the current density of the FC stack 210 is measured. An estimated value of the membrane permeability characteristic of the FC stack 210 is obtained by acquiring multiple relationship values between the amount of liquid water generated per drain cycle and the current density of the FC stack 210. The water amount acquisition unit 103 estimates the amount of stored liquid water at the time of low-temperature startup based on the current density of the FC stack 210 acquired during low-temperature startup and the estimated value of the membrane permeability characteristic of the FC stack 210. It is assumed that the estimated amount of stored liquid water is all frozen, and a thawing process is performed.

FCスタック210の膜透過特性は、各FCスタック210により異なる。そこで、複数のFCスタック210について個別に膜透過特性を推定し、各FCスタック210のアノード系における液水の生成水量を個別に取得する。低温起動時、複数のFCスタック210について個別に電流密度を取得し、取得した電流密度の値に基づき、各FCスタック210の液水の生成水量を推定し、気液分離器内の貯留液水の水量を算出する。通常運転時の発電のトレンドを取得し、電流密度毎のアノード系の生成水量を推定し、学習してもよい。各FCスタック210の液水の生成水量を推定することにより、貯留液水の水量の推定値の精度が上がる。この結果、実際の貯留液水の水量に最適な解凍処理を行うことができる。 The membrane permeability characteristics of the FC stack 210 differ for each FC stack 210. Therefore, the membrane permeability characteristics are estimated for each of the FC stacks 210, and the amount of liquid water generated in the anode system of each FC stack 210 is obtained individually. During low-temperature startup, the current density is obtained for each of the FC stacks 210, and the amount of liquid water generated in each FC stack 210 is estimated based on the obtained current density value, and the amount of liquid water stored in the gas-liquid separator is calculated. The trend of power generation during normal operation may be obtained, and the amount of water generated in the anode system for each current density may be estimated and learned. By estimating the amount of liquid water generated in each FC stack 210, the accuracy of the estimated value of the amount of stored liquid water is improved. As a result, the thawing process can be performed optimally for the actual amount of stored liquid water.

なお、FCシステムの運転停止後、気温が下降した場合、流路内に結露水が発生する。結露水も凍結する。この場合、算出された液水の生成量に気液分離器内に残留している貯留液水を足した量を貯留液水の推定水量として算出してもよい。 If the temperature drops after the FC system is shut down, condensation water will form in the flow path. The condensation water will also freeze. In this case, the estimated amount of stored liquid water can be calculated by adding the amount of stored liquid water remaining in the gas-liquid separator to the calculated amount of liquid water produced.

この他、前回停止した時のFCスタックの温度及び湿度情報と流通路を流通するアノードオフガスの体積情報とに基づいて貯留液水の水量を算出してもよい。 In addition, the amount of stored liquid water may be calculated based on the temperature and humidity information of the FC stack when it was last stopped and the volume information of the anode off-gas flowing through the flow passage.

解凍制御部105は、貯留液水を解凍する制御を行う。例えば、FCシステム起動時の貯留液水の水量に基づき、アノードヒータの通電時間の制御を行う。例えば、アノードヒータの通電時間の制御とともに、解凍制御中に出力制御部106、送気制御部107において、各FCシステムに対して安定出力発電または過渡応答発電を行う制御情報を送信する制御を行う。 The thawing control unit 105 performs control to thaw the stored liquid water. For example, it controls the time that the anode heater is energized based on the amount of stored liquid water at the time the FC system is started. For example, in addition to controlling the time that the anode heater is energized, during the thawing control, the output control unit 106 and the air supply control unit 107 perform control to send control information to each FC system to perform stable output power generation or transient response power generation.

統括ECU100は、流量制御部102、要求電力取得部104、出力制御部106、送気制御部107、および発電制御部108の全てを備える構成に限定されない。例えば、出力制御部106、送気制御部107、要求電力取得部104を備えない統括ECU100であってもよい。 The integrated ECU 100 is not limited to a configuration including all of the flow control unit 102, the required power acquisition unit 104, the output control unit 106, the air supply control unit 107, and the power generation control unit 108. For example, the integrated ECU 100 may not include the output control unit 106, the air supply control unit 107, or the required power acquisition unit 104.

以下の説明では、第一FCシステム200の第一FCスタック210Aの電極の劣化状態が、第二FCスタック210Bの電極より相対的に大きい例を示して説明する。つまり、第一FCスタック210Aが低下燃料電池スタックの例である。 In the following explanation, an example is shown in which the deterioration state of the electrodes of the first FC stack 210A of the first FC system 200 is relatively greater than that of the electrodes of the second FC stack 210B. In other words, the first FC stack 210A is an example of a deteriorated fuel cell stack.

各FCスタック210が有する各セル構造体のセル電圧はセル電圧センサ201により検出される。セル電圧センサ201は、常時または定期的にセル構造体のセル電圧を検出する。セル構造体のセル電圧の検出結果は、記憶部150に記録される。セル電圧センサ201によるセル構造体のセル電圧の検知結果が所定値を下回る場合、流量制御部102は、セル構造体のセル電圧が低下したと判定する。セル電圧の低下が判定されると、流量制御部102は、少なくともセル電圧が低下したセル構造体を有する燃料電池スタックである低下燃料電池スタック(第一FCスタック210A)が安定出力発電を行うよう制御し、かつ、低下燃料電池スタック210Aへ供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスのいずれか一方の流量を、セル電圧の低下前の流量と比較して増加させる流量制御を行う。 The cell voltage of each cell structure of each FC stack 210 is detected by the cell voltage sensor 201. The cell voltage sensor 201 constantly or periodically detects the cell voltage of the cell structure. The detection result of the cell voltage of the cell structure is recorded in the memory unit 150. If the detection result of the cell voltage of the cell structure by the cell voltage sensor 201 falls below a predetermined value, the flow control unit 102 determines that the cell voltage of the cell structure has decreased. When a decrease in cell voltage is determined, the flow control unit 102 controls the decreased fuel cell stack (first FC stack 210A), which is a fuel cell stack having at least a cell structure with a decreased cell voltage, to perform stable output power generation, and performs flow control to increase the flow rate of either the oxidant gas or the fuel gas supplied to the decreased fuel cell stack 210A compared to the flow rate before the cell voltage decrease.

安定出力発電とは、セル電圧が低下したセル構造体を有するFCスタック210Aの出力を下げ、発電を継続する発電状態をいう。安定出力発電は、凍結解除処理の間、解凍制御部105により、セル構造体を有するFCスタック210Aの出力を下げ、発電を継続する発電状態を含む。 Stable output power generation refers to a power generation state in which the output of the FC stack 210A having a cell structure with a reduced cell voltage is reduced and power generation continues. Stable output power generation includes a power generation state in which the thaw control unit 105 reduces the output of the FC stack 210A having a cell structure and power generation continues during the unfreezing process.

過渡応答発電とは、低下燃料電池スタックを安定出力発電に切り替えた結果、低下した出力を他のFCシステム200Bが補い、システム全体として、要求電力取得部104が取得した要求電力量を発電可能な発電状態をいう。他のFCシステム200Bは、安定出力発電対象のFCシステム200Aの発電量の減少分相当、あるいは減少分以下であるが要求電力量に対応可能な発電量となるように、発電量を上げる。過渡応答発電時、例えば、流量制御部102により、他のFCシステム200Bの発電量を上げる。過渡応答発電は、凍結解除処理を行う場合、解凍処理時に低下した出力を、凍結解除処理の終了時、または後述する解凍処理の終期に発電量を上げ、要求電力量に対応可能な発電量にする発電状態を含む。 Transient response power generation refers to a power generation state in which the other FC system 200B compensates for the reduced output as a result of switching the degraded fuel cell stack to stable output power generation, and the system as a whole can generate the requested amount of power acquired by the requested power acquisition unit 104. The other FC system 200B increases its power generation amount so that it is equivalent to the reduction in the power generation amount of the FC system 200A targeted for stable output power generation, or is less than the reduction but is still capable of generating the requested amount of power. During transient response power generation, for example, the flow control unit 102 increases the power generation amount of the other FC system 200B. Transient response power generation includes a power generation state in which, when performing unfreezing processing, the power generation amount is increased at the end of the unfreezing processing or at the end of the thawing processing described below to compensate for the reduced output during the thawing processing, so that the power generation amount can be generated to be capable of generating the requested amount of power.

例えば、流量制御部102は、セル電圧センサ201の検知結果に基づき、流量調整弁270開閉状態を制御し、酸化剤ガス供給量を調整する。流量制御は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの各流路に設けられている弁の開閉状態、開放量を調整し、あるいは、ポンプの出力を調整し、燃料の流通経路における流量を制御する。流量を制御する方法は、セル構造体のセル電圧の状態により選択する。 For example, the flow control unit 102 controls the open/close state of the flow control valve 270 based on the detection result of the cell voltage sensor 201 to adjust the amount of oxidant gas supplied. The flow control adjusts the open/close state and opening amount of the valves provided in each flow path of the fuel gas and oxidant gas, or adjusts the output of the pump to control the flow rate in the fuel distribution path. The method of controlling the flow rate is selected depending on the state of the cell voltage of the cell structure.

例えば、酸化剤ガスの流量を増加させる流量制御を行う場合には、流量制御部102は低下燃料電池スタックである第一FCスタック210Aへ供給する燃料ガスの流量も、セル電圧の低下前の流量と比較して増加させる。 For example, when performing flow control to increase the flow rate of the oxidant gas, the flow control unit 102 also increases the flow rate of the fuel gas supplied to the first FC stack 210A, which is the degraded fuel cell stack, compared to the flow rate before the cell voltage decreased.

流量制御部102が流量制御を開始した後、セル電圧センサ201が低下燃料電池スタックである第一FCスタック210Aのセル構造体のセル電圧が所定のセル電圧以上に上昇したことを検知した場合に、流量制御部102は、酸化剤ガスおよび/または燃料ガスの流量の増加状態を解除し、同時に複数のFCスタック210A,210Bスタックのそれぞれを、セル電圧の低下検知前の発電状態にて発電を行うよう制御する。 After the flow control unit 102 starts flow control, if the cell voltage sensor 201 detects that the cell voltage of the cell structure of the first FC stack 210A, which is a low fuel cell stack, has risen to or above a predetermined cell voltage, the flow control unit 102 cancels the increased state of the flow rate of the oxidizer gas and/or fuel gas, and simultaneously controls each of the multiple FC stacks 210A, 210B stacks to generate power in the power generation state before the detection of the drop in cell voltage.

出力制御部106は、複数のFCスタック210A、210Bの出力を制御する。出力制御部106は、セル電圧センサ201が低下燃料電池スタック210Aのセル構造体のセル電圧が所定のセル電圧以上に上昇しないことを検知した場合に、低下燃料電池スタック210Aの出力を所定以下に制限する出力制限を行うとともに、過渡応答発電を行う第二FCスタック210Bの出力を出力制限前の出力と比較して上げる出力補完制御を行う。 The output control unit 106 controls the output of the multiple FC stacks 210A, 210B. When the cell voltage sensor 201 detects that the cell voltage of the cell structure of the degraded fuel cell stack 210A does not rise above a predetermined cell voltage, the output control unit 106 performs output limitation to limit the output of the degraded fuel cell stack 210A to a predetermined value or less, and performs output complementation control to increase the output of the second FC stack 210B, which performs transient response power generation, compared to the output before the output limitation.

セル電圧センサ201が出力制限以降も低下燃料電池スタック210Aのセル構造体のセル電圧の低下が継続していることを検知した場合には、出力制御部106は、低下燃料電池スタック210Aによる発電を停止させるとともに過渡応答発電を行う他のFC電池スタック210Bの出力を出力制限時の出力と比較して上げる制御を行う。 If the cell voltage sensor 201 detects that the cell voltage of the cell structure of the degraded fuel cell stack 210A continues to decrease even after the output limit is imposed, the output control unit 106 stops power generation by the degraded fuel cell stack 210A and controls the output of the other FC cell stack 210B that is performing transient response power generation to be increased compared to the output when the output was limited.

[処理フロー]
以下、実施形態に係る燃料電池システムのコンピュータにより実行される処理の流れについてフローチャートを用いて説明する。以下の処理では、主に電動車両10に搭載された複数のFCシステムによる給電制御の処理を中心として説明する。図6は、実施形態に係る燃料電池システムのコンピュータにより実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。図6の処理は、例えば、電動車両10が起動している間に、所定のタイミングまたは所定の周期で繰り返し実行される。
[Processing flow]
The flow of processing executed by the computer of the fuel cell system according to the embodiment will be described below with reference to a flowchart. The following processing will be mainly described with a focus on the processing of power supply control by the multiple FC systems mounted on the electric vehicle 10. Fig. 6 is a flowchart showing an example of the flow of processing executed by the computer of the fuel cell system according to the embodiment. The processing in Fig. 6 is executed repeatedly at a predetermined timing or at a predetermined cycle, for example, while the electric vehicle 10 is running.

図6の例において、まず、例えば、電動車両10の起動時、燃料電池システムが起動すると、統括ECU100は、燃料電池システム近傍の温度情報を取得する。温度情報は、例えば、電動車両10の外気温、電動車両10の燃料電池システム収容部の温度、気液分離器近傍に設けられた温度センサ等により取得する。統括ECU100は、取得した温度情報に基づき、貯留液水の凍結の有無を判定する(ステップS10)。温度情報が摂氏零度より高い場合、後述する凍結解除処理(ステップS11)は行われず、FCシステム200A、200Bは通常運転が行われる。温度情報が統括ECU100は、凍結解除処理を行う(ステップS11)。凍結解除処理が開始されると、統括ECU100は、気液分離器の貯留液水の凍結の有無を判定する(ステップS12)。貯留液水の凍結の有無の判定方法は、例えば、各FCシステム200に備えるアノードドレイン弁の開閉を検知する。アノードドレイン弁の上流端は気液分離器と連通しており、貯留液水と接触している。そのため、貯留液水が凍結していると、アノードドレイン弁も開かない。そこで、例えば、統括ECU100は、各FCシステム200に備えるアノードドレイン弁を開弁させる弁駆動処理を行う。弁駆動処理の結果、アノードドレイン弁が開いたことが検知されない場合、統括ECU100は、貯留液水が凍結している状態であると判定する。貯留液水の凍結の有無の判定に用いる判定手段は、この例に限定されない。例えば、貯留液水の凍結を検出できるセンサを気液分離器内に備えて、凍結の有無を検出してもよい。 In the example of FIG. 6, first, for example, when the electric vehicle 10 is started and the fuel cell system is started, the supervisory ECU 100 acquires temperature information in the vicinity of the fuel cell system. The temperature information is acquired, for example, from the outside air temperature of the electric vehicle 10, the temperature of the fuel cell system housing of the electric vehicle 10, a temperature sensor provided in the vicinity of the gas-liquid separator, etc. The supervisory ECU 100 judges whether the stored liquid water is frozen or not based on the acquired temperature information (step S10). If the temperature information is higher than zero degrees Celsius, the freezing and unfreezing process (step S11) described later is not performed, and the FC systems 200A and 200B are operated normally. The supervisory ECU 100 performs the freezing and unfreezing process based on the temperature information (step S11). When the freezing and unfreezing process is started, the supervisory ECU 100 judges whether the stored liquid water in the gas-liquid separator is frozen or not (step S12). The method of judging whether the stored liquid water is frozen or not is, for example, by detecting the opening and closing of the anode drain valve provided in each FC system 200. The upstream end of the anode drain valve is connected to the gas-liquid separator and is in contact with the stored liquid water. Therefore, if the stored liquid water is frozen, the anode drain valve will not open. Therefore, for example, the integrated ECU 100 performs a valve drive process to open the anode drain valve provided in each FC system 200. If the valve drive process does not detect that the anode drain valve is open, the integrated ECU 100 determines that the stored liquid water is frozen. The determination means used to determine whether the stored liquid water is frozen is not limited to this example. For example, a sensor capable of detecting the freezing of the stored liquid water may be provided in the gas-liquid separator to detect whether the stored liquid water is frozen.

統括ECU100は、凍結判定処理(ステップS12)において、貯留液水の凍結が凍結している状態であると判定した場合(YES)、凍結した貯留液水の解凍処理を行う(ステップS13)。具体的には、アノードヒータを通電させ、アノードヒータの温度を上昇させる。アノードヒータは、排水口の近傍かつ、気液分離器の下端部に配置されている。そのため、貯留液水が凍結している場合、凍結している貯留液水に埋もれている、あるいは接触している。アノードヒータを加熱すると、アノードヒータの周囲から貯留液水が次第に解凍される。アノードヒータは、貯留液水の解凍が終わるまで加熱される。統括ECU100は、凍結判定処理(ステップS12)において、貯留液水の凍結が凍結している状態であると判定した場合(NO)、凍結解除処理を終了し、FCシステム200A、200Bは通常運転に切り替えられる。 If the supervisory ECU 100 determines that the stored liquid water is frozen in the freezing determination process (step S12) (YES), it performs a process of thawing the frozen stored liquid water (step S13). Specifically, it energizes the anode heater to increase the temperature of the anode heater. The anode heater is disposed near the drain outlet and at the lower end of the gas-liquid separator. Therefore, when the stored liquid water is frozen, it is buried in or in contact with the frozen stored liquid water. When the anode heater is heated, the stored liquid water gradually thaws from the periphery of the anode heater. The anode heater is heated until the thawing of the stored liquid water is completed. If the supervisory ECU 100 determines that the stored liquid water is frozen in the freezing determination process (step S12) (NO), it ends the unfreezing process and the FC systems 200A and 200B are switched to normal operation.

統括ECU100は、解凍処理開始と同時に、気液分離器内に貯留している貯留液水の水量を取得する(ステップS14)。貯留液水の水量は、センサを用いて検出する手段や、推定水量を算出する手段を含む。例えば、センサを用いる場合、気液分離器に液量を検出するセンサを設けてもよい。推定水量を算出する場合、前回動作状況から推定水量を算出してもよい。具体的には、燃料電池システムの起動時、FCスタック210の出力およびアノードドレイン弁の開弁時間の間隔により、気液分離器内の貯留液水の水量を算出してもよい。この場合、燃料電池システムの停止前の直前におけるアノードドレイン弁96の開弁時間の間隔とFCスタック210の出力とに基づき、生成される液水の生成量を算出してもよい。この場合、算出された液水の生成量に気液分離器内に残留している貯留液水を足した量を貯留液水の推定水量として算出してもよい。他の例として、FCスタック210の出力に対応する液水の生成量を示す生成量情報を予め記憶し、記憶された生成量情報に基づき、貯留液水の水量を取得してもよい。 The general ECU 100 acquires the amount of liquid water stored in the gas-liquid separator at the same time as the start of the thawing process (step S14). The amount of stored liquid water includes a means for detecting the amount of liquid water using a sensor and a means for calculating an estimated amount of water. For example, when a sensor is used, a sensor for detecting the amount of liquid may be provided in the gas-liquid separator. When calculating the estimated amount of water, the estimated amount of water may be calculated from the previous operating status. Specifically, when the fuel cell system is started, the amount of stored liquid water in the gas-liquid separator may be calculated based on the output of the FC stack 210 and the interval between the opening times of the anode drain valve 96 immediately before the fuel cell system is stopped and the output of the FC stack 210. In this case, the amount of liquid water generated may be calculated based on the interval between the opening times of the anode drain valve 96 immediately before the fuel cell system is stopped and the output of the FC stack 210. In this case, the amount of stored liquid water may be calculated by adding the amount of stored liquid water remaining in the gas-liquid separator to the calculated amount of liquid water generated. As another example, production volume information indicating the amount of liquid water produced corresponding to the output of the FC stack 210 may be stored in advance, and the amount of stored liquid water may be obtained based on the stored production volume information.

次に、統括ECU100は、燃料電池スタックの出力制限処理を行う(ステップS15)。気液分離器内に貯留液水が凍結している場合、開弁制御が行われてもアノードドレイン弁が開弁されない、あるいは、凍結している貯留液水が排水されない。このような状態で、燃料電池システムを起動させると、気液分離器内に液水が溜まり、気液分離器内の液水の水位が上昇する。気液分離器で液水の量が許容貯水量を超えるとFCスタック210からのアノード排ガスの排出口に達し、発電効率が低下する。また、電極の劣化の要因となる。そこで、統括ECU100は、貯留液水が解凍され、アノードドレイン弁から排水が可能になるまで、気液分離器内の貯留液水が許容貯水量を超えないようにFCスタック210の出力制限を行う。 Next, the integrated ECU 100 performs output restriction processing for the fuel cell stack (step S15). If the stored liquid water in the gas-liquid separator is frozen, the anode drain valve will not open even if valve opening control is performed, or the frozen stored liquid water will not be drained. In this state, when the fuel cell system is started, liquid water will accumulate in the gas-liquid separator, and the liquid water level in the gas-liquid separator will rise. If the amount of liquid water in the gas-liquid separator exceeds the allowable water storage capacity, it will reach the outlet for the anode exhaust gas from the FC stack 210, reducing the power generation efficiency. It will also cause deterioration of the electrodes. Therefore, the integrated ECU 100 restricts the output of the FC stack 210 so that the stored liquid water in the gas-liquid separator does not exceed the allowable water storage capacity until the stored liquid water thaws and can be drained from the anode drain valve.

出力制限処理(ステップS15)では、統括ECU100は、気液分離器内に流入可能な液水の水量を算出する。図5に示すように、許容水位L1における気液分離器の許容貯水量W1から、ステップS14において取得された貯留液水の水量W2を除いた水量W3が、低温起動時、気液分離器内に新たに流入可能な液水の水量である。低温起動処理時、統括ECU100は、解凍処理(ステップS13)が行われている間、出力制限制御を行う。出力制限制御は、後述する出力制限制御(S108)と同様に行う。例えば、凍結解除処理の間、新たに流入可能な液水の水量に対応する電流密度から逆算し、各FCスタック210の出力を所定値以下に制限する。 In the output limiting process (step S15), the general ECU 100 calculates the amount of liquid water that can flow into the gas-liquid separator. As shown in FIG. 5, the amount of water W3 obtained by subtracting the amount of stored liquid water W2 obtained in step S14 from the allowable water storage amount W1 of the gas-liquid separator at the allowable water level L1 is the amount of liquid water that can newly flow into the gas-liquid separator during low-temperature startup. During low-temperature startup, the general ECU 100 performs output limiting control while the thawing process (step S13) is being performed. The output limiting control is performed in the same manner as the output limiting control (S108) described below. For example, during the unfreezing process, the output of each FC stack 210 is limited to a predetermined value or less by back-calculating from the current density corresponding to the amount of liquid water that can newly flow in.

解凍処理(ステップS13)および出力制限処理(ステップS15)が行われている間、統括ECU100は、ステップS12と同様に凍結判定処理(ステップS16)を行う。凍結判定処理(ステップS16)において、貯留液水が凍結している(YES)と判定された場合、解凍処理(ステップS13)から出力制限処理(ステップS15)が繰り返される。凍結判定処理(ステップS16)において、統括ECU100は、アノードドレイン弁96が開弁され、貯留液水が排水可能になると貯留液水が解凍されたと判定する。凍結判定処理(ステップS16)において、貯留液水が凍結していない(非凍結)、すなわち解凍されたと判定されると(NO)、凍結解除処理を終了し、FCシステム200A,200Bは通常運転に切り替えられる。 While the thawing process (step S13) and the output limiting process (step S15) are being performed, the supervisory ECU 100 performs the freezing determination process (step S16) in the same manner as in step S12. If the freezing determination process (step S16) determines that the stored liquid water is frozen (YES), the thawing process (step S13) through the output limiting process (step S15) are repeated. In the freezing determination process (step S16), the supervisory ECU 100 determines that the stored liquid water has thawed when the anode drain valve 96 is opened and the stored liquid water can be drained. If the freezing determination process (step S16) determines that the stored liquid water is not frozen (non-frozen), i.e., thawed (NO), the unfreezing process is terminated and the FC systems 200A, 200B are switched to normal operation.

上記の例では、解凍処理(ステップS13)、水量取得処理(ステップS14)、および出力制限処理(ステップS15)を順に開始する例を示したが、各処理(ステップS13、S14、S15)を同時に開始して並行処理を行ってもよい。また、水量取得処理(ステップS14)の後、解凍処理(ステップS13)、および出力制限処理(ステップS15)を行ってもよい。 In the above example, the thawing process (step S13), the water volume acquisition process (step S14), and the output restriction process (step S15) are started in sequence, but each process (steps S13, S14, S15) may be started simultaneously to perform parallel processing. Also, after the water volume acquisition process (step S14), the thawing process (step S13) and the output restriction process (step S15) may be performed.

図7は、燃料電池システムの処理の一例を示すフローチャートである。燃料電池システムは、統括ECU100は、複数のFCシステム200A、200Bを備え、複数のFCスタック210A、200Bのうち、電極の劣化状態が相対的に大きい一方のFCスタック210Aにて安定出力発電を行い、電極の劣化状態が相対的に小さい他方のFCスタック210Bにて過渡応答発電を行うよう制御する。これに加えて、統括ECU100は、凍結判定処理(ステップS12)により複数のFCスタック210のうち、他方のFCスタック210Aに接続される気液分離器の貯留液水の凍結を判定した場合に、他方のFCスタック210Aにて安定出力発電を行い、一方のFCスタック210Bにて過渡応答発電を行い、かつ、他方の前記燃料電池スタックの出力の制限分を一方の燃料電池スタックにて補うよう制御する。 Figure 7 is a flowchart showing an example of the processing of the fuel cell system. The fuel cell system includes a plurality of FC systems 200A, 200B, and the integrated ECU 100 controls the FC stack 210A, 200B, one of which has a relatively large deterioration state of the electrodes, to perform stable output power generation, and the other FC stack 210B, one of which has a relatively small deterioration state of the electrodes, to perform transient response power generation. In addition, when the integrated ECU 100 determines that the stored liquid water in the gas-liquid separator connected to the other FC stack 210A of the plurality of FC stacks 210 is frozen by the freezing determination process (step S12), the integrated ECU 100 controls the other FC stack 210A to perform stable output power generation, the one FC stack 210B to perform transient response power generation, and the one fuel cell stack to compensate for the limited portion of the output of the other fuel cell stack.

まず、複数のFCスタック210A、200Bのうち、電極の劣化状態の有無の判定、および通常運転モードの統括ECU100の制御を説明する。統括ECU100は、ステップS100で取得したセル電圧の情報に基づき、各FCスタック210のセル電圧低下の有無を判定し、セル電圧低下を検出する(ステップS101)。第一FCスタック210Aでセル電圧低下を検出した場合、流量制御部102は、給気循環ポンプ223と第一FCシステム200Aの流量調整弁270の開放量を調整し、酸化剤ガス供給路250から供給される空気の流量を増やす(ステップS102)。 First, the determination of the deterioration state of the electrodes of the multiple FC stacks 210A, 200B and the control of the central ECU 100 in the normal operation mode will be described. Based on the cell voltage information acquired in step S100, the central ECU 100 determines whether the cell voltage of each FC stack 210 has decreased, and detects the cell voltage decrease (step S101). If a cell voltage decrease is detected in the first FC stack 210A, the flow control unit 102 adjusts the opening amount of the air supply circulation pump 223 and the flow control valve 270 of the first FC system 200A to increase the flow rate of air supplied from the oxidizing gas supply path 250 (step S102).

統括ECU100は、ステップS102の結果、第一FCスタック210Aのセル電圧低下の回復の有無を判定する(ステップS103)。第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復したと判定した場合(YES)、流量制御を通常制御に戻す(ステップS104)。通常制御に戻ると、ステップS100のセル電圧監視を継続する。ステップS103において第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復していない判定した場合(NO)、流量制御部102は、第一FCシステム200Aのパージ弁279を開き、燃料ガスの流量を増やす制御を行う(ステップS105)。 The integrated ECU 100 determines whether the cell voltage drop in the first FC stack 210A has recovered from the result of step S102 (step S103). If it is determined that the cell voltage drop in the first FC stack 210A has recovered (YES), the flow control is returned to normal control (step S104). When normal control is returned to, the cell voltage monitoring in step S100 is continued. If it is determined in step S103 that the cell voltage drop in the first FC stack 210A has not recovered (NO), the flow control unit 102 opens the purge valve 279 of the first FC system 200A and controls to increase the flow rate of the fuel gas (step S105).

統括ECU100は、ステップS105の結果、第一FCスタック210Aのセル電圧低下の回復の有無を判定する(ステップS106)。第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復したと判定した場合(YES)、流量制御を通常制御に戻す(ステップS104)。通常制御に戻ると、ステップS100のセル電圧監視を継続する。ステップS106において第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復していないと判定した場合(NO)、セル電圧低下は凝縮水によるガス流路閉塞が要因ではなく、別の故障診断を行う必要がある。統括ECU100は、システム異常と判定し、車両制御装置80にシステム異常および修理を促す信号を送信する(ステップS107)。車両制御装置80は、電動車両10の表示装置50または音声システム等により、システム異常および修理の情報を発信する。 The supervisory ECU 100 judges whether the cell voltage drop of the first FC stack 210A has recovered from the result of step S105 (step S106). If it is judged that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has recovered (YES), the flow control is returned to normal control (step S104). When normal control is resumed, the cell voltage monitoring of step S100 is continued. If it is judged in step S106 that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has not recovered (NO), the cell voltage drop is not caused by gas flow path blockage due to condensed water, and another fault diagnosis needs to be performed. The supervisory ECU 100 judges that there is a system abnormality and transmits a signal to the vehicle control device 80 to notify the system abnormality and to prompt repair (step S107). The vehicle control device 80 transmits information on the system abnormality and repair via the display device 50 or audio system of the electric vehicle 10.

次に、第一制御部246Aは、出力制限制御を行う(S108)。出力制御部106は、複数のFCスタック210A、210Bの出力を制御する。出力制御部106は、セル電圧センサ201が低下燃料電池スタック210Aのセル構造体のセル電圧が所定のセル電圧以上に上昇しないことを検知した場合に、低下燃料電池スタック210Aの出力を所定以下に制限する出力制限を行う。同時に、出力制御部106は、過渡応答発電を行う第二FCスタック210Bの出力を出力制限前の出力と比較して上げる出力補完制御を行う。 Next, the first control unit 246A performs output limiting control (S108). The output control unit 106 controls the output of the multiple FC stacks 210A, 210B. When the cell voltage sensor 201 detects that the cell voltage of the cell structure of the degraded fuel cell stack 210A does not rise above a predetermined cell voltage, the output control unit 106 performs output limiting to limit the output of the degraded fuel cell stack 210A to a predetermined value or less. At the same time, the output control unit 106 performs output supplementary control to increase the output of the second FC stack 210B, which performs transient response power generation, compared to the output before the output limiting.

第一FCシステム200Aの出力制限の結果、燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの流路内の堆積物が除去されると、セル電圧低下が解消し得る。統括ECU100は、第一FCスタック210Aのセル電圧低下が下げ止まったか否かを判定する(ステップS109)。第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復したと判定した場合(YES)、セル電圧監視(ステップS100)に戻る。この場合、次回FCシステム200起動時、発電状態を、セル電圧低下を検知する前の発電状態に戻す。ステップS109において第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復していない判定した場合(NO)、統括ECU100は、システム異常と判定し、第一FCシステム200Aのみ発電を停止し、他のFCシステム200は発電を継続する(ステップS110)。このとき、統括ECU100は、他のFCシステム200BにおけるFCスタック210Bの出力を上げる制御を行ってもよい。これにより、本フローチャートの処理は終了する。 When deposits in the fuel gas and/or oxidant gas flow paths are removed as a result of limiting the output of the first FC system 200A, the cell voltage drop may be resolved. The supervisory ECU 100 determines whether the cell voltage drop of the first FC stack 210A has stopped decreasing (step S109). If it is determined that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has recovered (YES), the process returns to cell voltage monitoring (step S100). In this case, the next time the FC system 200 is started, the power generation state is returned to the power generation state before the cell voltage drop was detected. If it is determined in step S109 that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has not recovered (NO), the supervisory ECU 100 determines that a system abnormality has occurred, and stops power generation only in the first FC system 200A, while the other FC systems 200 continue power generation (step S110). At this time, the supervisory ECU 100 may control the output of the FC stack 210B in the other FC system 200B to be increased. This completes the processing in this flowchart.

第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復したと判定した場合(YES)、流量制御を通常制御に戻してもよい(ステップS104)。通常制御に戻ると、ステップS100のセル電圧監視を継続する。 If it is determined that the cell voltage drop in the first FC stack 210A has recovered (YES), the flow control may be returned to normal control (step S104). When normal control is returned to, the cell voltage monitoring in step S100 continues.

以上説明した実施形態によれば、複数のFCスタック210の一つにセル電圧低下が発生した場合に、セル電圧低下の影響を抑制しながら、セル電圧低下からの回復制御を行うことができる。 According to the embodiment described above, when a cell voltage drop occurs in one of the multiple FC stacks 210, recovery control from the cell voltage drop can be performed while suppressing the effects of the cell voltage drop.

処理フローは図7に示す例に限定されない。例えば、図8に示すフローチャートのような処理フローであってもよい。図8は、燃料電池システムのコンピュータにより実行される処理の流れの他の例を示すフローチャートである。図8の処理は、例えば、電動車両10が起動している間に、所定のタイミングまたは所定の周期で繰り返し実行される。 The processing flow is not limited to the example shown in FIG. 7. For example, the processing flow may be a flowchart shown in FIG. 8. FIG. 8 is a flowchart showing another example of the processing flow executed by the computer of the fuel cell system. The processing of FIG. 8 is executed repeatedly at a predetermined timing or at a predetermined cycle, for example, while the electric vehicle 10 is running.

図8の例において、まず、統括ECU100は、セル電圧を監視する(ステップS200)。具体的には、統括ECU100は、各FCシステム200に備えるセル電圧センサ201により検知されたセル構造体のセル電圧値を取得する。ステップS200の処理において、統括ECU100は、取得したセル電圧情報を記憶部150に記憶させてもよい。 In the example of FIG. 8, first, the supervisory ECU 100 monitors the cell voltage (step S200). Specifically, the supervisory ECU 100 acquires the cell voltage value of the cell structure detected by the cell voltage sensor 201 provided in each FC system 200. In the process of step S200, the supervisory ECU 100 may store the acquired cell voltage information in the memory unit 150.

次に、統括ECU100は、ステップS200で取得したセル電圧の情報に基づき、各FCスタック210のセル電圧低下の有無を判定し、セル電圧低下を検出する(S201)。第一FCスタック210Aでセル電圧低下を検出した場合、流量制御部102は、給気循環ポンプ223と第一FCシステム200Aの流量調整弁270の開放量を調整し、酸化剤ガス供給路250から供給される空気の流量を増やし、かつ、第一FCシステム200Aのパージ弁279を開き、燃料ガスである水素の流量を増やす(ステップS202)。このように、流量制御部102は、燃料ガスの流量および酸化剤ガスの流量を同時に増やすことにより、セル電圧低下を短時間で解消できる。この結果、燃料電池システム全体の出力安定性をより高めることができる。 Next, the general ECU 100 determines whether or not the cell voltage of each FC stack 210 has decreased based on the cell voltage information acquired in step S200, and detects the cell voltage decrease (S201). When a cell voltage decrease is detected in the first FC stack 210A, the flow control unit 102 adjusts the opening amount of the supply air circulation pump 223 and the flow control valve 270 of the first FC system 200A to increase the flow rate of air supplied from the oxidant gas supply path 250, and opens the purge valve 279 of the first FC system 200A to increase the flow rate of hydrogen, which is the fuel gas (step S202). In this way, the flow control unit 102 can eliminate the cell voltage decrease in a short time by simultaneously increasing the flow rate of the fuel gas and the flow rate of the oxidant gas. As a result, the output stability of the entire fuel cell system can be further improved.

次に、統括ECU100は、ステップS202の結果、第一FCスタック210Aのセル電圧低下の回復の有無を判定する(ステップS203)。第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復したと判定した場合(YES)、流量制御を通常制御に戻す(ステップS204)。通常制御に戻ると、ステップS200のセル電圧監視を継続する。ステップS203において第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復していない判定した場合(NO)、セル電圧低下は凝縮水によるガス流路閉塞が要因ではなく、別の故障診断を行う必要がある。統括ECU100は、システム異常と判定し、車両制御装置80にシステム異常および修理を促す信号を送信する(ステップS205)。車両制御装置80は、電動車両10の表示装置50または音声システム等により、システム異常および修理の情報を発信する。 Next, the supervisory ECU 100 judges whether the cell voltage drop of the first FC stack 210A has recovered from the result of step S202 (step S203). If it is judged that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has recovered (YES), the flow control is returned to normal control (step S204). When normal control is resumed, the cell voltage monitoring of step S200 is continued. If it is judged in step S203 that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has not recovered (NO), the cell voltage drop is not caused by gas flow path blockage due to condensed water, and another fault diagnosis needs to be performed. The supervisory ECU 100 judges that there is a system abnormality and transmits a signal to the vehicle control device 80 to notify the system abnormality and to prompt repair (step S205). The vehicle control device 80 transmits information on the system abnormality and repair via the display device 50 or audio system of the electric vehicle 10.

次に、第一制御部246Aは、出力制限制御を行う(S206)。出力制御部106は、第一FCシステム200Aの出力を制限する。例えば、出力制御部106は、給気循環ポンプ223の出力を低減する制御や、水素循環部230の流量を低減する制御を行い、燃料ガスや酸化剤ガスの流量を減らし、第一FCシステム200Aの出力を制限する。このとき、統括ECU100は、第二制御部246Bに対して、第二FCシステム200Bにて過渡応答発電が行われるように制御してもよい。 Next, the first control unit 246A performs output limiting control (S206). The output control unit 106 limits the output of the first FC system 200A. For example, the output control unit 106 performs control to reduce the output of the air supply circulation pump 223 and control to reduce the flow rate of the hydrogen circulation unit 230, thereby reducing the flow rate of the fuel gas and oxidant gas and limiting the output of the first FC system 200A. At this time, the general ECU 100 may control the second control unit 246B to perform transient response power generation in the second FC system 200B.

第一FCシステム200Aの出力制限の結果、燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの流路内の堆積物が除去されると、セル電圧低下が解消し得る。統括ECU100は、第一FCスタック210Aのセル電圧低下が下げ止まったか否かを判定する(ステップS207)。第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復したと判定した場合(YES)、セル電圧監視(ステップS200)に戻る。この場合、次回FCシステム200起動時、発電状態を、セル電圧低下を検知する前の発電状態に戻す。ステップS207において第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復していない判定した場合(NO)、統括ECU100は、システム異常と判定し、第一FCシステム200Aのみ発電を停止し、他のFCシステム200は発電を継続する(ステップS208)。このとき、統括ECU100は、他のFCシステム200BにおけるFCスタック210Bの出力を上げる制御を行ってもよい。これにより、本フローチャートの処理は終了する。 When deposits in the flow path of the fuel gas and/or oxidant gas are removed as a result of limiting the output of the first FC system 200A, the cell voltage drop may be resolved. The supervisory ECU 100 determines whether the cell voltage drop of the first FC stack 210A has stopped decreasing (step S207). If it is determined that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has recovered (YES), the process returns to cell voltage monitoring (step S200). In this case, the next time the FC system 200 is started, the power generation state is returned to the power generation state before the cell voltage drop was detected. If it is determined in step S207 that the cell voltage drop of the first FC stack 210A has not recovered (NO), the supervisory ECU 100 determines that a system abnormality has occurred, and stops power generation only in the first FC system 200A, while the other FC systems 200 continue power generation (step S208). At this time, the supervisory ECU 100 may control the output of the FC stack 210B in the other FC system 200B to be increased. This completes the processing in this flowchart.

第一FCスタック210Aのセル電圧低下が回復したと判定した場合(YES)、流量制御を通常制御に戻してもよい(ステップS204)。通常制御に戻ると、ステップS200のセル電圧監視を継続する。 If it is determined that the cell voltage drop in the first FC stack 210A has been restored (YES), the flow control may be returned to normal control (step S204). When normal control is returned to, the cell voltage monitoring in step S200 continues.

このような燃料電池システムにおいて、起動時の凍結判定処理(ステップS11)によって貯留液水の凍結を判定した場合、凍結した貯留液水の解凍処理(ステップS13)を開始する。統括ECU100は、起動時に、水量取得処理(ステップS14)により得られる気液分離器内の凍結した貯留液水の水量と、気液分離器の所定の貯水量と、に基づいて各FCスタック210A、210Bの出力を制限する制御を行う。 In such a fuel cell system, if the stored liquid water is determined to be frozen by the freeze determination process at startup (step S11), a process to thaw the frozen stored liquid water (step S13) is initiated. At startup, the general ECU 100 performs control to limit the output of each FC stack 210A, 210B based on the amount of frozen stored liquid water in the gas-liquid separator obtained by the water amount acquisition process (step S14) and the predetermined amount of water stored in the gas-liquid separator.

統括ECU100は、凍結判定処理(ステップS11)により他方のFCスタック210Bに接続される気液分離器の貯留液水の凍結を判定した場合に、他方のFCスタック210Bにて安定出力発電を行い、一方のFCスタック210Aにて過渡応答発電を行い、かつ、他方のFCスタック210Bの出力の制限分を一方のFCスタック210Aにて補うように制御する。その結果、凍結した気液分離器を備えるFCシステム200Bは、凍結解除処理が重点的に行われ、凍結していない気液分離器を備えるFCシステム200Aで過渡応答発電を行うことにより、電動車両10を稼働可能な状態にする時間を短縮できる。 When the integrated ECU 100 determines that the stored liquid water in the gas-liquid separator connected to the other FC stack 210B is frozen by the freezing determination process (step S11), the integrated ECU 100 controls the other FC stack 210B to perform stable output power generation, the one FC stack 210A to perform transient response power generation, and the one FC stack 210A to compensate for the limited output of the other FC stack 210B. As a result, the FC system 200B with the frozen gas-liquid separator is subjected to the unfreezing process intensively, and the FC system 200A with the unfrozen gas-liquid separator performs transient response power generation, thereby shortening the time required to make the electric vehicle 10 operable.

以上説明した実施形態によれば、複数のFCスタック210の一つにセル電圧低下が発生した場合に、セル電圧低下の影響を抑制しながら、セル電圧低下からの回復制御を行うことができる。 According to the embodiment described above, when a cell voltage drop occurs in one of the multiple FC stacks 210, recovery control from the cell voltage drop can be performed while suppressing the effects of the cell voltage drop.

(第二実施形態)
次に、燃料電池システムの第二実施形態について図9を参照して説明する。本実施形態の説明において、第一実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、各FCシステム200Aに複数のFCスタック210が直列に配置された例である。本燃料電池システムでは、2つのFCスタック210が直列に配置されている。3以上のFCスタック210が直列に配置されてもよい。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the fuel cell system will be described with reference to Fig. 9. In the description of this embodiment, the same components as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted. In this embodiment, each FC system 200A is an example in which a plurality of FC stacks 210 are arranged in series. In this fuel cell system, two FC stacks 210 are arranged in series. Three or more FC stacks 210 may be arranged in series.

図7に概略構成を示す燃料電池システムは、複数のFCシステム200A、200Bと、電力変換部と、を備える。複数のFCシステム200A、200Bは、それぞれ同様の構成を有する。第一FCシステム200Aを例に説明する。FCシステム200は、2つのFCスタック210と、燃料ガス供給部と、酸化剤ガスの供給部と、冷却機構とを備える。燃料ガス供給部は、水素タンク226から供給され。気液分離器により分離された燃料ガスが直列配置された各FCスタック210にそれぞれ供給される。酸化剤ガス供給部においても、酸化剤ガスが直列配置された各FCスタック210にそれぞれ供給される。第一実施形態と同様に、燃料ガスの流路には、燃料ガスの流量調整手段(例えば、水素循環部230、インジェクタ231、パージ弁279等)が設けられ、酸化剤ガスの流路には、酸化剤ガスの流量調整手段(例えば、給気循環ポンプ223、流量調整弁270、封止入口弁216等)がそれぞれ独立して設けられている。セル電圧センサ201は、各FCスタック210に個別に設けられている。 The fuel cell system, the schematic configuration of which is shown in FIG. 7, comprises multiple FC systems 200A, 200B and a power conversion unit. The multiple FC systems 200A, 200B each have the same configuration. The first FC system 200A will be used as an example. The FC system 200 comprises two FC stacks 210, a fuel gas supply unit, an oxidizer gas supply unit, and a cooling mechanism. The fuel gas supply unit is supplied from a hydrogen tank 226. The fuel gas separated by the gas-liquid separator is supplied to each of the FC stacks 210 arranged in series. The oxidizer gas supply unit also supplies the oxidizer gas to each of the FC stacks 210 arranged in series. As in the first embodiment, the fuel gas flow path is provided with a fuel gas flow rate adjustment means (e.g., hydrogen circulation unit 230, injector 231, purge valve 279, etc.), and the oxidizer gas flow path is provided with an oxidizer gas flow rate adjustment means (e.g., air supply circulation pump 223, flow rate adjustment valve 270, sealed inlet valve 216, etc.) that are independent of each other. A cell voltage sensor 201 is provided individually for each FC stack 210.

冷却機構202は、ラジエータ203、冷媒タンク204、冷媒ポンプ206、不図示のファン、およびサーモスタット等を備える。ラジエータ203は、冷媒流路205から流出した高温の冷媒を放熱させるための熱交換器である。冷媒は、例えば水である。また、冷媒は、例えばエチレングリコールを含む水であってもよく、他の冷媒であってもよい。ラジエータ203は、冷媒流路205から流出した冷媒を空気との熱交換によって放熱させる。冷媒ポンプ206は、冷媒流路205を上流から流入する冷媒を圧縮する。冷媒が冷媒流路205を循環することにより、FCスタック210Aの温度が調整される。 The cooling mechanism 202 includes a radiator 203, a refrigerant tank 204, a refrigerant pump 206, a fan (not shown), and a thermostat. The radiator 203 is a heat exchanger for dissipating heat from the high-temperature refrigerant that flows out of the refrigerant flow path 205. The refrigerant is, for example, water. The refrigerant may also be, for example, water containing ethylene glycol, or another refrigerant. The radiator 203 dissipates heat from the refrigerant that flows out of the refrigerant flow path 205 by heat exchange with air. The refrigerant pump 206 compresses the refrigerant that flows in from the upstream of the refrigerant flow path 205. The temperature of the FC stack 210A is adjusted by circulating the refrigerant through the refrigerant flow path 205.

燃料電池システムは、統括ECU100の制御により、各FCシステム200の第一制御部246Aおよび第二制御部246BがそれぞれFCシステム200の動作を制御する。 In the fuel cell system, the first control unit 246A and the second control unit 246B of each FC system 200 control the operation of the FC system 200 under the control of the integrated ECU 100.

例えば、流量制御部102は、流量制御時、各FCスタック210へ供給する酸化剤ガスの流量を増加させる場合には、低下燃料電池システムである第一FCシステム200Aの各FCスタック210へ供給する燃料ガスの流量も、セル電圧の低下前の流量と比較して増加させる。この流量制御によれば、低下した第一FCスタック210Aは、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流量を増加させるため、凝縮水によるガス流路閉塞が解消し得る。その結果、各ガス流路内の閉塞を解消し、セル電圧の回復を効果的に試みることができる。 For example, when the flow control unit 102 increases the flow rate of the oxidant gas supplied to each FC stack 210 during flow control, it also increases the flow rate of the fuel gas supplied to each FC stack 210 of the first FC system 200A, which is a degraded fuel cell system, compared to the flow rate before the cell voltage was degraded. With this flow control, the degraded first FC stack 210A increases the flow rates of the oxidant gas and fuel gas, so that blockage of the gas flow path caused by condensed water can be eliminated. As a result, blockages in each gas flow path can be eliminated, and an effective attempt can be made to restore the cell voltage.

例えば、酸化剤ガスおよび/または燃料ガスの流量の増加により、低下燃料電池スタックである第一FCスタック210Aのセル構造体のセル電圧が、所定のセル電圧以上に上昇したことをセル電圧センサ201が検知した場合には、流量制御部102は、酸化剤ガスおよび/または燃料ガスの流量の増加状態を解除する制御とともに、各FCシステム200を、セル電圧の低下を検知する前の発電状態にて発電を行うよう制御する。この流量制御によれば、第一FCスタック210Aのセル電圧低下が解消されると、速やかにガス流量が低下前の状態となるように低減する。この結果、燃料ガスの浪費を防止できる。 For example, when the cell voltage sensor 201 detects that the cell voltage of the cell structure of the first FC stack 210A, which is a degraded fuel cell stack, has risen to a predetermined cell voltage or higher due to an increase in the flow rate of the oxidant gas and/or fuel gas, the flow rate control unit 102 controls to cancel the increase in the flow rate of the oxidant gas and/or fuel gas, and controls each FC system 200 to generate power in the power generation state before the cell voltage drop was detected. With this flow rate control, when the cell voltage drop of the first FC stack 210A is resolved, the gas flow rate is quickly reduced to the state before the drop. As a result, waste of fuel gas can be prevented.

例えば、低下燃料電池スタックである第一FCスタック210Aのセル構造体のセル電圧が所定のセル電圧以上に上昇しないことをセル電圧センサ201が検知した場合には、出力制御部106は、第一FCスタック210Aの出力を所定以下に制限する制御とともに、過渡応答発電を行う第二FCシステム200BのFCスタック210Bの出力を出力制限前の出力と比較して上げる出力補完制御を行う。このような出力補完制御によれば、第一FCシステム200Aの出力低下を第二FCシステム200Bで保管できる。したがって、第一FCスタック210Aの出力が低下しても、燃料電池システムは、継続稼働できる。 For example, if the cell voltage sensor 201 detects that the cell voltage of the cell structure of the first FC stack 210A, which is a degraded fuel cell stack, does not rise above a predetermined cell voltage, the output control unit 106 performs control to limit the output of the first FC stack 210A to a predetermined value or less, and also performs output complement control to increase the output of the FC stack 210B of the second FC system 200B, which performs transient response power generation, compared to the output before the output limit. With this type of output complement control, the output reduction of the first FC system 200A can be stored in the second FC system 200B. Therefore, even if the output of the first FC stack 210A decreases, the fuel cell system can continue to operate.

例えば、低下燃料電池スタックである第一FCスタック210Aのセル構造体のセル電圧が出力制限以降も継続して低下していることをセル電圧センサが検知した場合、出力制御部106は、第一FCスタック210Aによる発電を停止させる制御とともに、過渡応答発電を行う第二FCシステム200Bの第二FCスタック210Bの出力を出力制限時の出力と比較して上げる出力補完制御を行う。このような出力補完制御により、第一FCスタック210Aの出力を停止しても、燃料電池システムは継続稼働できる。また、出力補完制御によれば、燃料電池システムの稼働を維持しながら、第一FCスタック210Aの各種回復動作を実行可能である。 For example, if the cell voltage sensor detects that the cell voltage of the cell structure of the first FC stack 210A, which is a degraded fuel cell stack, continues to decrease even after the output limit is imposed, the output control unit 106 performs control to stop power generation by the first FC stack 210A, and also performs output complement control to increase the output of the second FC stack 210B of the second FC system 200B, which performs transient response power generation, compared to the output at the time of the output limit. This output complement control allows the fuel cell system to continue operating even if the output of the first FC stack 210A is stopped. Furthermore, the output complement control makes it possible to perform various recovery operations for the first FC stack 210A while maintaining operation of the fuel cell system.

例えば、送気制御部107は、第一FCスタック210を、過渡応答発電から安定出力発電に切り替える場合に、発電状態を切り替える前後の安定出力発電による発電量の差分を、過渡応答発電にて補える酸化剤ガスおよび/または燃料ガスの流量を送気するよう送気手段を制御できる。 For example, when switching the first FC stack 210 from transient response power generation to stable output power generation, the air supply control unit 107 can control the air supply means to supply a flow rate of oxidant gas and/or fuel gas that can compensate for the difference in the amount of power generated by stable output power generation before and after switching the power generation state with transient response power generation.

以上説明した実施形態によれば、各FCシステム200には、セル電圧センサ201、制御部246を備える。そのため、低下燃料電池スタック210Aを有するFCシステム200Aと、他のFCシステム200Bとを独立して制御できる。 According to the embodiment described above, each FC system 200 is equipped with a cell voltage sensor 201 and a control unit 246. Therefore, the FC system 200A having the degraded fuel cell stack 210A and the other FC system 200B can be controlled independently.

以上説明した実施形態によれば、燃料電池システムは、例えば氷点下等、液水が凍結する温度で再起動する際に、気液分離器の貯留部91内の貯留液水の凍結の有無を判定し、貯留液水が凍結していると判定した場合に、解凍処理(ステップS103)を行う。このため、寒冷地等、低温化で停止された燃料電池システムを再起動する際、気液分離器内に液水が凍結していても、解凍処理により円滑に起動できる。さらに、水量取得手段により、貯留部91内の貯留液水の水量を取得し、取得した貯留液水の水量と、気液分離部の所定の貯水量と、に基づいて燃料電池スタックの出力を制限するため、氷点下環境での使用時に、発電安定性および燃料電池の劣化抑制を両立しながらセル電圧低下の回復を行うことができる。 According to the embodiment described above, when the fuel cell system is restarted at a temperature where liquid water freezes, such as below freezing, it determines whether the stored liquid water in the storage section 91 of the gas-liquid separator is frozen, and if it is determined that the stored liquid water is frozen, it performs a thawing process (step S103). Therefore, when restarting a fuel cell system that has been stopped due to low temperatures, such as in cold regions, even if liquid water is frozen in the gas-liquid separator, the thawing process allows for smooth startup. Furthermore, the water volume acquisition means acquires the amount of stored liquid water in the storage section 91, and the output of the fuel cell stack is limited based on the acquired amount of stored liquid water and the specified amount of water stored in the gas-liquid separator, so that when used in a sub-freezing environment, it is possible to recover from a drop in cell voltage while achieving both power generation stability and suppression of fuel cell deterioration.

以上説明した実施形態によれば、制御部は、凍結した貯留液水の水量および気液分離器の液水貯留上限値に基づき、燃料電池システムの起動後に生成される液水の気液分離器への貯留可能容量を算出する処理を行い、かつ、制御部は、FCスタック210A、210Bの出力により生成される液水の水量が貯留可能容量に達する時間が、凍結した貯留液水の解凍処理に要する時間より長くなるように燃料電池スタックの出力を制限する。そのため、燃料電池システムは、凍結した貯留液水の解凍処理と並行して燃料電池スタックの出力を開始できる。さらに、解凍処理と燃料電池スタックの出力とを並行しても、気液分離器の貯留部91内に、上限値を超えて液水が溜まることを防止できる。したがって、発電安定性および燃料電池の劣化抑制を両立しながらセル電圧低下の回復を行うことができる。 According to the embodiment described above, the control unit performs a process to calculate the storage capacity of the liquid water generated after the fuel cell system is started in the gas-liquid separator based on the amount of frozen stored liquid water and the liquid water storage upper limit value of the gas-liquid separator, and the control unit limits the output of the fuel cell stack so that the time it takes for the amount of liquid water generated by the output of the FC stacks 210A and 210B to reach the storage capacity is longer than the time required for the thawing process of the frozen stored liquid water. Therefore, the fuel cell system can start the output of the fuel cell stack in parallel with the thawing process of the frozen stored liquid water. Furthermore, even if the thawing process and the output of the fuel cell stack are performed in parallel, it is possible to prevent liquid water from accumulating in excess of the upper limit value in the storage section 91 of the gas-liquid separator. Therefore, it is possible to recover from a drop in cell voltage while achieving both power generation stability and suppression of fuel cell deterioration.

以上説明した実施形態によれば、取得手段は、燃料電池システムが前回停止した時の燃料電池スタックの温度及び湿度情報と流通路を流通するアノードオフガスの体積情報とに基づいて貯留液水の水量を算出して取得するため、貯留液水の水量が迅速に算出され、適正な燃料電池スタックの制限処理を短時間で開始できる。また、前回の運転実績に基づいて貯留液水の水量を算出するため、実際の貯留液水の水量に近似した水量を算出できる。 According to the embodiment described above, the acquisition means calculates and acquires the amount of stored liquid water based on the temperature and humidity information of the fuel cell stack when the fuel cell system was last stopped and the volume information of the anode off-gas circulating through the flow passage, so that the amount of stored liquid water can be calculated quickly and appropriate fuel cell stack restriction processing can be started in a short time. In addition, because the amount of stored liquid water is calculated based on the previous operating results, it is possible to calculate an amount of water that is close to the actual amount of stored liquid water.

以上説明した実施形態によれば、燃料電池システムの前回運転時の液水を排出する液水排出部における開弁間隔に対する生成水の生成量に基づいて貯留液水の水量を算出できるため、貯留液水の水量が迅速に算出され、適正な燃料電池スタックの制限処理を短時間で開始できる。また、前回の運転実績に基づいて貯留液水の水量を算出するため、実際の貯留液水の水量に近似した水量を算出できる。 According to the embodiment described above, the amount of stored liquid water can be calculated based on the amount of water produced relative to the valve opening interval in the liquid water discharge section that discharges liquid water during the previous operation of the fuel cell system, so the amount of stored liquid water can be calculated quickly and appropriate fuel cell stack restriction processing can be started in a short time. In addition, because the amount of stored liquid water is calculated based on the previous operating results, it is possible to calculate an amount of water that is close to the actual amount of stored liquid water.

以上説明した実施形態によれば、流量制御部102による流量制御を行ってもセル電圧低下が回復しない場合は、低下燃料電池スタック210Aから取り出す出力のみを制限することにより、さらなるセル電圧低下を回避する。これにより、システム全体としての出力低下を最小限に抑制できる。 According to the embodiment described above, if the cell voltage drop does not recover even after flow control by the flow control unit 102, further cell voltage drop is avoided by limiting only the output taken from the degraded fuel cell stack 210A. This makes it possible to minimize the output drop of the entire system.

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 The above describes the form for carrying out the present invention using an embodiment, but the present invention is not limited to such an embodiment, and various modifications and substitutions can be made without departing from the spirit of the present invention.

上記実施形態では、複数のFCシステムを備える例、およびFCシステムに複数のFCスタックを備える例を説明したが、一つのFCスタックを備える一つのFCシステムにおいても上記システムは適用可能である。 In the above embodiment, an example with multiple FC systems and an example with multiple FC stacks in an FC system have been described, but the above system can also be applied to a single FC system with a single FC stack.

93…排気口(ガス排出部)、98…液水排出口(液水排出部)、100…統括ECU、106…出力制御部、107…送気制御部(送気制御手段)、200A、200B…FCシステム(燃料電池システム)、201…セル電圧センサ、210…FCスタック、220,232…気液分離器(気液分離部) 93...exhaust port (gas exhaust section), 98...liquid water exhaust port (liquid water exhaust section), 100...general ECU, 106...output control section, 107...air supply control section (air supply control means), 200A, 200B...FC system (fuel cell system), 201...cell voltage sensor, 210...FC stack, 220, 232...gas-liquid separator (gas-liquid separation section)

Claims (7)

電解質膜を挟んで一対の電極が配置されたセル構造体を複数積層して構成され、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させる流通路と、
前記流通路に設けられ、前記燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、前記アノードオフガスをガス排出部から排出し、かつ前記液水を液水排出部から排出する気液分離部と、
前記気液分離部内に貯留する貯留液水の水量を取得する水量取得手段と、
前記貯留液水が凍結状態であるか非凍結状態であるかを判定する凍結判定処理を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、起動時の前記凍結判定処理によって前記貯留液水が凍結状態であると判定した場合に、凍結した前記貯留液水の解凍処理を開始し、
前記制御部は、前記起動時に、前記水量取得手段により得られる前記気液分離部内の凍結した前記貯留液水の水量と、前記気液分離部の所定の貯水量と、に基づいて前記燃料電池スタックの出力を制限する、燃料電池システム。
a fuel cell stack including a plurality of cell structures each including a pair of electrodes sandwiching an electrolyte membrane therebetween, the cell structures being stacked together and supplied with an oxidant gas and a fuel gas to generate electricity;
a flow passage for supplying an anode gas to the fuel cell stack and for circulating an anode off-gas discharged from the fuel cell stack;
a gas-liquid separation section provided in the flow passage, which separates liquid water contained in the anode off-gas discharged from the fuel cell stack, discharges the anode off-gas from a gas discharge section, and discharges the liquid water from a liquid water discharge section;
a water amount acquiring means for acquiring the amount of liquid water stored in the gas-liquid separation section;
a control unit that performs a freezing determination process to determine whether the stored liquid water is in a frozen state or a non-frozen state,
the control unit, when determining that the stored liquid water is frozen by the freezing determination process at the time of startup, starts a thawing process of the frozen stored liquid water;
The control unit limits the output of the fuel cell stack at the time of startup based on the amount of frozen liquid water in the gas-liquid separation unit obtained by the water amount acquisition means and a predetermined amount of water stored in the gas-liquid separation unit.
前記制御部は、凍結した前記貯留液水の水量および前記気液分離部の液水貯留上限値に基づき、前記燃料電池システムの起動後に生成される液水の前記気液分離部への貯留可能容量を算出する処理を行い、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの出力により生成される前記液水の水量が前記貯留可能容量に達する時間が、凍結した前記貯留液水の前記解凍処理に要する時間より長くなるように前記燃料電池スタックの出力を制限する、請求項1に記載の燃料電池システム。
the control unit performs a process of calculating a storage capacity of the liquid water generated after startup of the fuel cell system in the gas-liquid separation unit based on the amount of frozen stored liquid water and a liquid water storage upper limit value of the gas-liquid separation unit;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit limits the output of the fuel cell stack so that the time required for the amount of liquid water generated by the output of the fuel cell stack to reach the storage capacity is longer than the time required for the thawing process of the frozen stored liquid water.
前記水量取得手段は、前記燃料電池システムが前回停止した時の前記燃料電池スタックの温度及び湿度情報と前記流通路を流通する前記アノードオフガスの体積情報とに基づいて前記貯留液水の水量を算出する、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the water volume acquisition means calculates the volume of the stored liquid water based on temperature and humidity information of the fuel cell stack when the fuel cell system was last stopped and volume information of the anode off-gas flowing through the flow passage. 前記水量取得手段は、前記燃料電池システムの前回運転時の前記液水を排出する液水排出部における開弁間隔に対する生成水の生成量に基づいて前記貯留液水の水量を算出する、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the water volume acquisition means calculates the volume of the stored liquid water based on the volume of water generated relative to the valve opening interval of a liquid water discharge section that discharges the liquid water during the previous operation of the fuel cell system. 前記燃料電池スタックは複数設けられ、
前記制御部は、複数の前記燃料電池スタックのうち、前記電極の劣化状態が相対的に大きい一方の前記燃料電池スタックにて安定出力発電を行い、前記電極の劣化状態が相対的に小さい他方の前記燃料電池スタックにて過渡応答発電を行うよう制御し、
前記制御部は、前記凍結判定処理により他方の前記燃料電池スタックに接続される前記気液分離部の前記貯留液水の凍結を判定した場合に、他方の前記燃料電池スタックにて安定出力発電を行い、一方の前記燃料電池スタックにて過渡応答発電を行い、かつ、他方の前記燃料電池スタックの出力の制限分を一方の前記燃料電池スタックにて補うよう制御する、請求項1に記載の燃料電池システム。
A plurality of the fuel cell stacks are provided,
the control unit controls one of the plurality of fuel cell stacks, the one having an electrode in a relatively deteriorated state, to perform stable output power generation, and controls the other of the fuel cell stacks, the other having an electrode in a relatively less deteriorated state, to perform transient response power generation;
2. The fuel cell system of claim 1, wherein when the control unit determines through the freezing determination process that the stored liquid water in the gas-liquid separation unit connected to the other fuel cell stack has frozen, the control unit controls the other fuel cell stack to perform stable output power generation, the one fuel cell stack to perform transient response power generation, and the one fuel cell stack to compensate for the limited amount of output from the other fuel cell stack.
電解質膜を挟んで一対の電極が配置されたセル構造体を複数積層して構成され、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させる流通路と、前記流通路に設けられ、前記燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、前記アノードオフガスをガス排出部から排出し、かつ前記液水を液水排出部から排出する気液分離部と、前記気液分離部内に貯留する貯留液水の水量を取得する水量取得手段と、を有する燃料電池システムと、
前記貯留液水の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、起動時の前記凍結判定処理によって前記貯留液水の凍結を判定した場合に、凍結した前記貯留液水の解凍処理を開始し、
前記制御部は、前記起動時に、前記水量取得手段により得られる前記気液分離部内の凍結した前記貯留液水の水量と、前記気液分離部の所定の貯水量と、に基づいて前記燃料電池スタックの出力を制限する制御を行う燃料電池システムの制御方法。
a fuel cell system comprising: a fuel cell stack constructed by stacking a plurality of cell structures, each having a pair of electrodes disposed across an electrolyte membrane, and which generates electricity when an oxidant gas and a fuel gas are supplied thereto; a flow passage which supplies an anode gas to the fuel cell stack and distributes an anode off-gas discharged from the fuel cell stack; a gas-liquid separation section which is provided in the flow passage and separates liquid water contained in the anode off-gas discharged from the fuel cell stack, discharges the anode off-gas from a gas discharge section, and discharges the liquid water from a liquid water discharge section; and a water amount acquisition means which acquires the amount of liquid water stored in the gas-liquid separation section;
A control unit that performs a freezing determination process to determine whether the stored liquid water is frozen or not.
the control unit, when determining that the stored liquid water is frozen by the freezing determination process at the time of startup, starts a thawing process of the frozen stored liquid water;
A control method for a fuel cell system in which the control unit performs control to limit the output of the fuel cell stack based on the amount of frozen liquid water in the gas-liquid separation unit obtained by the water amount acquisition means and a predetermined amount of water stored in the gas-liquid separation unit at the time of startup.
コンピュータに、
電力により作動する電動装置に搭載された燃料電池システムの気液分離部の貯留液水の凍結又は非凍結を判定した凍結判定処理の結果を取得させ、
凍結した前記貯留液水の解凍処理を開始させ、
前記気液分離部内の凍結した前記貯留液水の水量と、起動後に生成される生成水の生成量と、に基づいて燃料電池システムの燃料電池スタックの出力を制限させる、
プログラム。
On the computer,
obtaining a result of a freezing determination process for determining whether or not the stored liquid water in a gas-liquid separation unit of a fuel cell system mounted on an electrically operated electric device;
A thawing process of the frozen stored liquid water is started,
limiting the output of a fuel cell stack of the fuel cell system based on the amount of stored liquid water frozen in the gas-liquid separation unit and the amount of generated water generated after startup;
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