JP2007305563A - Fuel cell system, and method for estimating exhaust gas amount - Google Patents

Fuel cell system, and method for estimating exhaust gas amount Download PDF

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Katsuki Ishigaki
克記 石垣
Yoshiaki Naganuma
良明 長沼
Hideaki Mizuno
秀昭 水野
Yoshinobu Hasuka
芳信 蓮香
Munemasa Ishikawa
統將 石河
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize an exhaust gas amount (an amount of purge) from an exhaust valve in a fuel cell system having a variable gas feeder. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 comprises: a fuel cell 2; a supply channel 22 for allowing fuel gas supplied from a fuel supply source 21 to the fuel cell 2; the variable gas feeder 28 for adjusting a gas state at the upstream side of the supply channel 22 for supplying to the downstream side; a discharge channel 23 for allowing fuel exhausted gas discharged from the fuel cell 2; and the exhaust valve 31 for discharging gas in the discharge channel 23 to the outside. The fuel cell system 1 has an exhaust control means 7 for controlling the open/close state of the exhaust valve 31 corresponding to a change in a gas supply state from the variable gas feeder 28. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム及び排気量推定方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a displacement estimation method.

従来より、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、循環流路に接続した排出流路に排気弁を設け、この排気弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガスを一定時間毎に排出する技術(パージ技術)が提案されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) has been proposed and put into practical use. Impurities such as nitrogen and carbon monoxide accumulate over time in the fuel cell of such a fuel cell system and in the circulation path of the fuel off gas with power generation. In order to discharge such impurities to the outside, an exhaust valve is provided in the exhaust flow path connected to the circulation flow path, and the exhaust valve is controlled to open and close to exhaust the gas in the circulation flow path at regular intervals. A technique for purging (purge technique) has been proposed.

また、現在においては、排気弁を通過するガスの流量が所定値を超えた場合に排気弁を閉じるように制御する技術(特許文献1参照。)や、燃料電池の発電状態に応じて排出時間を設定することにより、発電状態に対応する要求排出量と同量の排気を実現させる技術(特許文献2参照。)が提案されている。
特開2004−179000号公報 特開2005−141977号公報
In addition, at present, the discharge time depends on a technique for controlling the exhaust valve to close when the flow rate of the gas passing through the exhaust valve exceeds a predetermined value (see Patent Document 1) and the power generation state of the fuel cell. A technique (see Patent Document 2) that realizes exhaust of the same amount as the required emission amount corresponding to the power generation state is set.
JP 2004-179000 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-141977

ところで、燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。そして、近年においては、この燃料供給流路に機械式可変レギュレータ等の可変ガス供給装置を設けることにより、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力をシステムの運転状態に応じて変化させる技術が提案されている。   By the way, the fuel cell system is provided with a fuel supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source such as a hydrogen tank to the fuel cell. In recent years, a technology has been proposed in which a variable gas supply device such as a mechanical variable regulator is provided in the fuel supply flow path to change the supply pressure of the fuel gas from the fuel supply source in accordance with the operating state of the system. Has been.

前記したような可変ガス供給装置を設けた場合には、燃料電池に供給される燃料ガスの状態量(圧力、流量、温度等)が逐次変化することとなる。従って、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて前記特許文献1や前記特許文献2に記載されたような技術を採用するだけでは、排気弁からの排気量(パージ量)の安定化を実現させることが困難であった。   When the variable gas supply device as described above is provided, the state quantities (pressure, flow rate, temperature, etc.) of the fuel gas supplied to the fuel cell change sequentially. Therefore, in a fuel cell system provided with a variable gas supply device, stabilization of the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve is realized only by adopting the technique described in Patent Document 1 and Patent Document 2. It was difficult to make.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量(パージ量)の安定化を図ることを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to stabilize the exhaust amount (purge amount) from an exhaust valve in a fuel cell system including a variable gas supply device.

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して排気弁の開閉状態を制御する排気制御手段を備えるものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and an upstream side of the supply channel. A variable gas supply device that adjusts the gas state and supplies it to the downstream side, a discharge passage for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside And an exhaust control means for controlling the open / close state of the exhaust valve in response to a change in the gas supply state from the variable gas supply device.

かかる構成を採用すると、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して、排気弁の開閉状態の制御(排気弁の開閉時間の変更・補正等)を実現させることができる。従って、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量(パージ量)を安定させることが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。また、「ガス供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味する。   By adopting such a configuration, it is possible to realize control of the open / close state of the exhaust valve (change / correction of the open / close time of the exhaust valve, etc.) in response to a change in the gas supply state from the variable gas supply device. Therefore, in the fuel cell system including the variable gas supply device, the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve can be stabilized. The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc., and particularly includes at least one of a gas flow rate and a gas pressure. The “gas supply state” means the gas state of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell.

前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化及び流量変化の少なくとも一方に基づいて、排気弁の開閉状態を変更する排気制御手段を採用することができる。   In the fuel cell system, an exhaust control means for changing an open / close state of the exhaust valve based on at least one of a pressure change and a flow rate change of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell can be employed. .

また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路に気液分離器を設け、この気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁を排気弁として採用することもできる。   In the fuel cell system, a gas / liquid separator may be provided in the discharge channel, and an exhaust / drain valve that serves as both drainage and exhaust from the liquid reservoir of the gas / liquid separator may be employed as the exhaust valve. .

また、前記燃料電池システムにおいて、排気弁の開放時点からの排気量を算出する排気量算出手段を備えてもよい。かかる場合には、排気量算出手段により算出された排気量が所定の目標排気量(例えば燃料電池の発電状態に基づいて設定される値)に到達したときに排気弁を閉鎖する排気制御手段を採用することができる。   The fuel cell system may further include an exhaust amount calculating means for calculating an exhaust amount from when the exhaust valve is opened. In such a case, the exhaust control means for closing the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculating means reaches a predetermined target exhaust amount (for example, a value set based on the power generation state of the fuel cell). Can be adopted.

また、前記燃料電池システムにおいて、排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて排気弁の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気弁を閉鎖する排気制御手段を採用することもできる。   Further, in the fuel cell system, an exhaust valve closing delay amount is calculated based on a difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the exhaust valve, and the exhaust gas is exhausted ahead of time based on the calculated closing delay amount. An exhaust control means for closing the valve may be employed.

かかる構成を採用すると、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化等に起因して排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差が大きくなり、排気弁の閉じ遅れが想定されるような場合においても、その閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気弁を閉鎖することができる。従って、排気弁の閉じ遅れを抑制することができる。なお、「閉じ遅れ量」とは、所定の基準状態(例えば、排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差が比較的小さい一定の状態)における排気弁閉鎖時と、非基準状態における排気弁閉鎖時と、の差である閉じ遅れ時間や、この閉じ遅れ時間に対応して発生する超過排気量(目標排気量を超過する排気量)等の閉じ遅れに係る物理量を意味する。   When such a configuration is adopted, the difference between the upstream side pressure and the downstream side pressure of the exhaust valve increases due to a change in the pressure of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell, etc. Even in such a case, the exhaust valve can be closed in advance in time based on the closing delay amount. Accordingly, the exhaust valve closing delay can be suppressed. Note that the “closing delay amount” refers to exhaust gas in a predetermined reference state (for example, a constant state in which a difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the exhaust valve is relatively small) and in a non-reference state. It means a physical quantity related to the closing delay, such as a closing delay time that is a difference between the closing time of the valve and an excess exhaust amount (exhaust amount exceeding the target exhaust amount) generated in correspondence with the closing delay time.

また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路から排気弁を介して排出されたガスを希釈するための希釈ガスを供給する希釈ガス供給手段と、排気量算出手段による排気量算出が正常に行われているか否かを判定する異常検出手段と、を備えることができる。かかる場合において、異常検出手段で排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定した場合に、希釈ガス供給手段からの希釈ガスの供給量に応じて排気弁の開弁時間を制限する排気制御手段を採用することができる。   Further, in the fuel cell system, the exhaust gas amount is normally calculated by the dilution gas supply means for supplying the dilution gas for diluting the gas discharged from the discharge passage through the exhaust valve, and the exhaust amount calculation means. An abnormality detecting means for determining whether or not there is an abnormality. In such a case, when the abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed, the exhaust valve opening time according to the supply amount of the dilution gas from the dilution gas supply means It is possible to employ an exhaust control means for limiting the above.

かかる構成を採用すると、排気量算出手段による排気量算出が正常に行われない状況下においても、排気弁の開放状態が長期間持続することを抑制することができる。従って、排気弁から高濃度の燃料ガスが排出されることを抑制することが可能となる。   By adopting such a configuration, it is possible to prevent the exhaust valve from being kept open for a long time even in a situation where the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculating means is not normally performed. Therefore, it is possible to suppress the high concentration fuel gas from being discharged from the exhaust valve.

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして供給する希釈ガス供給手段を採用することができる。   Further, in the fuel cell system, a dilution gas supply means for supplying an oxidizing off gas discharged from the fuel cell as a dilution gas can be employed.

かかる構成を採用すると、燃料電池から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして有効利用することができる。   When such a configuration is employed, the oxidizing off gas discharged from the fuel cell can be effectively used as the dilution gas.

また、前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、可変ガス供給装置の異常を検出した場合に排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定する異常検出手段と、を採用することができる。   Further, in the fuel cell system, an exhaust amount calculating means for calculating an exhaust amount from the exhaust valve based on a gas supply state from the variable gas supplying device, and an exhaust amount calculating means when an abnormality of the variable gas supplying device is detected. It is possible to employ an abnormality detection means that determines that the exhaust amount calculation based on is not normally performed.

また、前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを備えることができる。かかる場合において、可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、センサの異常を検出した場合に排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定する異常検出手段と、を採用することができる。   The fuel cell system may further include a sensor that detects a gas supply state from the variable gas supply device. In such a case, the exhaust amount calculation means for calculating the exhaust amount from the exhaust valve based on the gas supply state from the variable gas supply device, and the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means when the sensor abnormality is detected are normally calculated. It is possible to employ an abnormality detection means that determines that it has not been performed.

また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを可変ガス供給装置として採用することができる。   In the fuel cell system, an injector can be employed as the variable gas supply device.

インジェクタとは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態(ガス流量やガス圧力)を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。   An injector is an electromagnetically driven opening and closing that can adjust the gas state (gas flow rate and gas pressure) by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat It is a valve. The predetermined control unit drives the valve body of the injector to control the fuel gas injection timing and injection time, whereby the flow rate and pressure of the fuel gas can be controlled.

また、本発明に係る排気量推定方法は、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムの排気量推定方法であって、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて排気弁からの排気量を算出する算出工程を含むものである。   Further, the exhaust amount estimation method according to the present invention adjusts a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a gas state upstream of the supply channel. And a variable gas supply device that supplies the gas to the downstream side, a discharge passage for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside. A method for estimating an exhaust amount of a fuel cell system includes a calculation step of calculating an exhaust amount from an exhaust valve based on time integration of a change in a gas supply state from a variable gas supply device.

かかる方法を採用すると、排出流路内のガスを外部に排出している間(パージ動作中)に、可変ガス供給装置からのガス供給状態が変化した場合においても、その変化分(例えば、可変ガス供給装置の下流側における圧力低下分や、この圧力低下分を補うための可変ガス供給装置による補正流量)に基づいて排気弁からの排気量(パージ量)を正確に推定(算出)することが可能となる。従って、この推定した排気量を所定の目標排気量に近付けるように排気弁の開閉動作を制御すると、その制御精度が向上するため、排気量の安定化を実現させることが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。また、「ガス供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味する。   When such a method is adopted, even when the gas supply state from the variable gas supply device changes while the gas in the discharge channel is being discharged to the outside (during the purge operation), the change (for example, variable) Accurately estimate (calculate) the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve based on the pressure drop on the downstream side of the gas supply device and the correction flow rate by the variable gas supply device to compensate for this pressure drop) Is possible. Therefore, if the opening / closing operation of the exhaust valve is controlled so that the estimated exhaust amount approaches the predetermined target exhaust amount, the control accuracy is improved, so that stabilization of the exhaust amount can be realized. The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc., and particularly includes at least one of a gas flow rate and a gas pressure. The “gas supply state” means the gas state of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell.

前記排気量推定方法において、算出工程では、可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、排気弁からの排気量を算出することができる。なお、「ガス補正供給流量」とは、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うために可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの流量を意味する。   In the exhaust amount estimation method, in the calculation step, a pressure change corresponding flow rate converted from a change in the downstream pressure of the variable gas supply device and a gas correction supply flow rate for compensating for a decrease in the downstream pressure of the variable gas supply device are calculated. By adding the time integration value, the exhaust amount from the exhaust valve can be calculated. The “gas correction supply flow rate” means the flow rate of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell in order to compensate for the decrease in the downstream pressure of the variable gas supply device.

また、前記排気量推定方法において、可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを設け、算出工程では、センサで検出されたガス供給状態と、所定の目標供給状態と、の偏差が所定の閾値を超えた時点から、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算を開始することが好ましい。   In the exhaust amount estimation method, a sensor for detecting a gas supply state from the variable gas supply device is provided, and in the calculation step, a deviation between the gas supply state detected by the sensor and a predetermined target supply state is predetermined. It is preferable to start the time integration for the change in the gas supply state from the variable gas supply device from the time when the threshold value is exceeded.

このようにすることにより、可変ガス供給装置からのガス供給状態の微小な変化(例えば排水時における微小な圧力変化)に起因する排気量の算出誤差を抑制することができる。なお、「目標供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態の目標値(例えば、排気直前における燃料ガスの圧力値等)を意味する。   By doing so, it is possible to suppress an exhaust amount calculation error caused by a minute change in the gas supply state from the variable gas supply device (for example, a minute pressure change during drainage). The “target supply state” means a target value of the gas state of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell (for example, the pressure value of the fuel gas immediately before exhaust).

また、前記排気量推定方法において、算出工程は、燃料電池の発電時における燃料ガスの消費量の変化分に基づいて排気弁からの排気量を補正する発電補正工程や、燃料電池から排出される燃料オフガスの温度に基づいて排気弁からの排気量を補正する温度補正工程や、燃料電池システムの燃料ガス流路におけるガス漏れ量(例えば燃料電池内の燃料ガス流路から電解質膜を介して酸化ガス流路へと透過する燃料ガスのクロスリーク量)に基づいて排気弁からの排気量を補正する漏れ補正工程を含むことが好ましい。   In the exhaust amount estimation method, the calculation step is a power generation correction step of correcting the exhaust amount from the exhaust valve based on a change in the consumption amount of the fuel gas during power generation of the fuel cell, or the fuel cell is discharged from the fuel cell. A temperature correction process that corrects the exhaust amount from the exhaust valve based on the temperature of the fuel off-gas, or a gas leak amount in the fuel gas passage of the fuel cell system (for example, oxidation from the fuel gas passage in the fuel cell through the electrolyte membrane It is preferable to include a leakage correction step of correcting the exhaust amount from the exhaust valve based on the fuel gas cross leak amount permeating into the gas flow path.

本発明によれば、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量(パージ量)の安定化を実現させることが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the fuel cell system provided with the variable gas supply apparatus, it becomes possible to realize stabilization of the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両(移動体)の車載発電システムに適用した例について説明することとする。   Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (moving body) will be described.

まず、図1及び図2を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1は、図1に示すように、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて電力を発生する燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給して燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システムの電力を充放電する電力系6と、システム全体を統括制御する制御部7と、を備えている。   First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receipt of reaction gas (oxidation gas and fuel gas), and air as the oxidation gas. An oxidant gas piping system 3 for supplying fuel gas, a fuel gas piping system 4 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 2, and a refrigerant piping system 5 for supplying a refrigerant to the fuel cell 2 to cool the fuel cell 2. A power system 6 that charges and discharges the power of the system and a control unit 7 that performs overall control of the entire system are provided.

燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池2の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2には、発電中の電流を検出する電流センサ2aが取り付けられている。   The fuel cell 2 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The unit cell of the fuel cell 2 has a pair of separators having an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and further sandwiching the air electrode and the fuel electrode from both sides. have. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell 2 generates electric power by this gas supply. The fuel cell 2 is provided with a current sensor 2a for detecting a current during power generation.

酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路12と、を有している。空気供給流路11には、フィルタ13を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ14と、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられている。排気流路12を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、後述する希釈器34において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し(図1の「B」参照)、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ14は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。   The oxidizing gas piping system 3 has an air supply passage 11 through which oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 flows, and an exhaust passage 12 through which oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 2 flows. The air supply flow path 11 is provided with a compressor 14 that takes in the oxidizing gas via the filter 13 and a humidifier 15 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 14. Oxidized off-gas flowing through the exhaust passage 12 is subjected to moisture exchange in the humidifier 15 through the back pressure regulating valve 16 and then merged with the hydrogen off-gas in a diluter 34 described later to dilute the hydrogen off-gas (FIG. 1 Finally, the exhaust gas is exhausted into the atmosphere outside the system. The compressor 14 takes in the oxidizing gas in the atmosphere by driving a motor (not shown).

燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる水素供給流路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を水素供給流路22の合流点A1に戻すための循環流路23と、循環流路23内の水素オフガスを水素供給流路22に圧送する水素ポンプ24と、循環流路23に分岐接続された排気排水流路25と、を有している。   The fuel gas piping system 4 includes a hydrogen supply source 21, a hydrogen supply passage 22 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel cell 2 flows, and a hydrogen offgas (fuel offgas) discharged from the fuel cell 2. A circulation channel 23 for returning to the junction A1 of the hydrogen supply channel 22, a hydrogen pump 24 for pumping the hydrogen off-gas in the circulation channel 23 to the hydrogen supply channel 22, and a branch connection to the circulation channel 23 And an exhaust drainage channel 25.

水素供給源21は、本発明における燃料供給源に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁26を開くと、水素供給源21から水素供給流路22に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ27やインジェクタ28により最終的に例えば200kPa程度まで減圧されて、燃料電池2に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源21を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源21として採用することもできる。   The hydrogen supply source 21 corresponds to the fuel supply source in the present invention, and is configured by, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy, and is configured to be able to store, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas. When a shut-off valve 26 described later is opened, hydrogen gas flows out from the hydrogen supply source 21 into the hydrogen supply flow path 22. The hydrogen gas is finally depressurized to about 200 kPa, for example, by a regulator 27 and an injector 28 described later, and supplied to the fuel cell 2. The hydrogen supply source 21 is composed of a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state. May be. In addition, a tank having a hydrogen storage alloy can be employed as the hydrogen supply source 21.

水素供給流路22には、水素供給源21からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁26と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ27と、インジェクタ28と、が設けられている。また、インジェクタ28の下流側であって水素供給流路22と循環流路23との合流部A1の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ29が設けられている。また、インジェクタ28の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ29等で検出された水素ガスのガス状態(圧力、温度)に係る情報は、後述するインジェクタ28のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。   The hydrogen supply flow path 22 is provided with a shutoff valve 26 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen supply source 21, a regulator 27 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 28. A pressure sensor 29 that detects the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 is provided on the downstream side of the injector 28 and upstream of the junction A1 between the hydrogen supply flow path 22 and the circulation flow path 23. It has been. Further, on the upstream side of the injector 28, a pressure sensor and a temperature sensor (not shown) for detecting the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 are provided. Information relating to the gas state (pressure, temperature) of the hydrogen gas detected by the pressure sensor 29 or the like is used for feedback control and purge control of an injector 28 described later.

レギュレータ27は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ27として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図1に示すように、インジェクタ28の上流側にレギュレータ27を2個配置することにより、インジェクタ28の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ28の機械的構造(弁体、筺体、流路、駆動装置等)の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ28の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ28の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ28の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ28の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ28の応答性の低下を抑制することができる。レギュレータ27は、水素供給流路22の上流側のガス状態(ガス圧力)を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。   The regulator 27 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure. In this embodiment, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure is employed as the regulator 27. The mechanical pressure reducing valve has a structure in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. Thus, a publicly known configuration for the secondary pressure can be employed. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the upstream pressure of the injector 28 can be effectively reduced by arranging two regulators 27 on the upstream side of the injector 28. For this reason, the design freedom of the mechanical structure (a valve body, a housing, a flow path, a drive device, etc.) of the injector 28 can be increased. In addition, since the upstream pressure of the injector 28 can be reduced, it is possible to prevent the valve body of the injector 28 from becoming difficult to move due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector 28. be able to. Therefore, it is possible to widen the adjustable pressure width of the downstream pressure of the injector 28 and to suppress a decrease in responsiveness of the injector 28. The regulator 27 adjusts the gas state (gas pressure) on the upstream side of the hydrogen supply flow path 22 and supplies it to the downstream side, and corresponds to the variable gas supply device in the present invention.

インジェクタ28は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ28は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ28の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を2段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部7から出力される制御信号によってインジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ28は、弁(弁体及び弁座)を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。   The injector 28 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. The injector 28 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as hydrogen gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow direction) with respect to the nozzle body. And a valve body that is movably accommodated and opens and closes the injection hole. In the present embodiment, the valve body of the injector 28 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and the opening area of the injection hole is made two or more stages by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid. It can be switched. By controlling the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 by the control signal output from the control unit 7, the flow rate and pressure of the hydrogen gas are controlled with high accuracy. The injector 28 directly opens and closes the valve (valve body and valve seat) with an electromagnetic driving force, and has a high responsiveness because its driving cycle can be controlled to a highly responsive region.

インジェクタ28は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ28のガス流路に設けられた弁体の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側(燃料電池2側)に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。なお、インジェクタ28の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ28下流に供給されるガス圧力がインジェクタ28上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ28を調圧弁(減圧弁、レギュレータ)と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ28の上流ガス圧の調圧量(減圧量)を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。インジェクタ28は、水素供給流路22の上流側のガス状態(ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力)を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。   Injector 28 changes downstream by changing at least one of the opening area (opening) and opening time of the valve provided in the gas flow path of injector 28 in order to supply the required gas flow rate downstream. The gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the side (fuel cell 2 side) is adjusted. Since the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve body of the injector 28 and the gas pressure supplied downstream of the injector 28 is reduced from the gas pressure upstream of the injector 28, the injector 28 is controlled by a pressure regulating valve (pressure reducing valve, regulator). ). Further, in the present embodiment, a variable pressure control valve capable of changing the pressure adjustment amount (pressure reduction amount) of the upstream gas pressure of the injector 28 so as to match the required pressure within a predetermined pressure range according to the gas requirement. Can also be interpreted. The injector 28 adjusts the gas state (gas flow rate, hydrogen molar concentration, gas pressure) on the upstream side of the hydrogen supply flow path 22 and supplies it to the downstream side, and corresponds to the variable gas supply device in the present invention.

なお、本実施形態においては、図1に示すように、水素供給流路22と循環流路23との合流部A1より上流側にインジェクタ28を配置している。また、図1に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源21を採用する場合には、各水素供給源21から供給される水素ガスが合流する部分(水素ガス合流部A2)よりも下流側にインジェクタ28を配置するようにする。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the injector 28 is disposed upstream of the junction A <b> 1 between the hydrogen supply channel 22 and the circulation channel 23. Further, as shown by a broken line in FIG. 1, when a plurality of hydrogen supply sources 21 are employed as the fuel supply source, a portion where the hydrogen gas supplied from each hydrogen supply source 21 merges (hydrogen gas merge portion A2). In addition, the injector 28 is arranged on the downstream side.

循環流路23には、気液分離器30及び排気排水弁31を介して、排気排水流路25が接続されている。気液分離器30は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁31は、制御部7からの指令によって作動することにより、気液分離器30で回収した水分と、循環流路23内の不純物を含む水素オフガス(燃料オフガス)と、を外部に排出(パージ)するものである。排気排水弁31の開放により、循環流路23内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁31の上流位置(循環流路23上)及び下流位置(排気排水流路25上)には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ32及び下流側圧力センサ33が設けられている。これら圧力センサで検出された水素オフガスの圧力に係る情報は、後述するパージ制御に用いられる。循環流路23は本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁31は本発明における排気弁の一実施形態である。   An exhaust / drain channel 25 is connected to the circulation channel 23 via a gas / liquid separator 30 and an exhaust / drain valve 31. The gas-liquid separator 30 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 31 operates according to a command from the control unit 7 to discharge moisture collected by the gas-liquid separator 30 and hydrogen off-gas (fuel off-gas) containing impurities in the circulation channel 23 to the outside. (Purge). By opening the exhaust / drain valve 31, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation passage 23 decreases, and the hydrogen concentration in the hydrogen off-gas supplied in circulation increases. An upstream pressure sensor 32 and a downstream pressure sensor 33 for detecting the pressure of the hydrogen off gas are provided at an upstream position (on the circulation flow path 23) and a downstream position (on the exhaust drain flow path 25) of the exhaust drain valve 31, respectively. It has been. Information relating to the pressure of the hydrogen off-gas detected by these pressure sensors is used for purge control described later. The circulation channel 23 is an embodiment of the discharge channel in the present invention, and the exhaust / drain valve 31 is an embodiment of the exhaust valve in the present invention.

排気排水弁31及び排気排水流路25を介して排出される水素オフガスは、希釈器34において排気流路12内の酸化オフガス(空気)と合流して希釈されるようになっている。排気流路12内の酸化オフガスは、本発明における希釈ガスの一例である。また、排気流路12は、排気排水弁31を介して排出された水素オフガスを希釈するための希釈ガス(酸化オフガス)を供給するものであり、本発明における希釈ガス供給手段の一実施形態に相当する。水素ポンプ24は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池2に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路22の合流点A1の下流側流路と、燃料電池2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路23と、によって構成されることとなる。   The hydrogen off-gas discharged through the exhaust / drain valve 31 and the exhaust / drain passage 25 is diluted by the diluter 34 by joining with the oxidizing off-gas (air) in the exhaust passage 12. The oxidizing off gas in the exhaust passage 12 is an example of a dilution gas in the present invention. The exhaust flow path 12 supplies a dilution gas (oxidation off gas) for diluting the hydrogen off gas discharged through the exhaust drain valve 31, and is an embodiment of the dilution gas supply means in the present invention. Equivalent to. The hydrogen pump 24 circulates and supplies the hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown). The hydrogen gas circulation system is constituted by a downstream channel of the junction A1 of the hydrogen supply channel 22, a fuel gas channel formed in the separator of the fuel cell 2, and a circulation channel 23. Become.

冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路に連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、燃料電池2から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ44と、を有している。冷却ポンプ42は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。温度センサ44で検出された冷媒の温度(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)は、後述するパージ制御に用いられる。   The refrigerant piping system 5 includes a refrigerant channel 41 communicating with the cooling channel in the fuel cell 2, a cooling pump 42 provided in the refrigerant channel 41, and a radiator 43 that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 2. And a temperature sensor 44 for detecting the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell 2. The cooling pump 42 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant channel 41 to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown). The temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor 44 (= temperature of hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2) is used for purge control described later.

電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2又はトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。   The power system 6 includes a high-voltage DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, a traction motor 64, various auxiliary machine inverters not shown, and the like. The high-voltage DC / DC converter 61 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 62 and outputs it to the traction inverter 63 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor 64. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 62. The charge / discharge of the battery 62 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 61. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 61.

バッテリ62は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部7からの制御指令に従って燃料電池2又はバッテリ62から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。   The battery 62 is configured such that battery cells are stacked and a constant high voltage is used as a terminal voltage, and surplus power can be charged or power can be supplementarily supplied under the control of a battery computer (not shown). The traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64. The traction motor 64 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a main power source of a vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted. The auxiliary inverter is an electric motor control unit that controls driving of each motor, converts a direct current into a three-phase alternating current, and supplies the three-phase alternating current to each motor. The auxiliary inverter is, for example, a pulse width modulation type PWM inverter, which converts the DC voltage output from the fuel cell 2 or the battery 62 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the control unit 7 and is generated by each motor. To control the rotational torque.

制御部7は、車両に設けられた加速用の操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えばトラクションモータ64等の負荷装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ64のほかに、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ14、水素ポンプ24、冷却ポンプ42の各モータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。   The control unit 7 detects an operation amount of an operation member (accelerator or the like) for acceleration provided in the vehicle, and receives control information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a load device such as the traction motor 64). To control the operation of various devices in the system. In addition to the traction motor 64, the load device is an auxiliary device necessary for operating the fuel cell 2 (for example, each motor of the compressor 14, the hydrogen pump 24, the cooling pump 42, etc.), and is involved in traveling of the vehicle. It is a collective term for power consumption devices including actuators used in various devices (transmissions, wheel control units, steering devices, suspension devices, etc.), air conditioners (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, and the like.

制御部7は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPUが読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。   The control unit 7 is configured by a computer system (not shown). Such a computer system includes a CPU, a ROM, a RAM, an HDD, an input / output interface, a display, and the like. The CPU reads various control programs recorded in the ROM and executes a desired calculation, thereby performing a purge described later. Various processes and controls such as control are performed.

具体的には、制御部7は、図2に示すように、電流センサ2aで検出した燃料電池2の発電電流値に基づいて、燃料電池2で消費される水素ガスの流量(以下「水素消費量」という)を算出する(燃料消費量算出機能:B1)。本実施形態においては、発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御部7の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the control unit 7 determines the flow rate of hydrogen gas consumed by the fuel cell 2 (hereinafter referred to as “hydrogen consumption”) based on the generated current value of the fuel cell 2 detected by the current sensor 2a. (Referred to as “amount”) (fuel consumption calculation function: B1). In the present embodiment, the hydrogen consumption is calculated and updated every calculation cycle of the control unit 7 using a specific calculation expression representing the relationship between the generated current value and the hydrogen consumption.

また、制御部7は、燃料電池2の発電電流値に基づいて、燃料電池2に供給される水素ガスのインジェクタ28の下流位置における目標圧力値を算出する(目標圧力値算出機能:B2)とともに、目標パージ量(排気排水弁31からの水素オフガスの目標排出量)を算出する(目標パージ量算出機能:B3)。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部7の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。   The control unit 7 calculates a target pressure value at a downstream position of the injector 28 of hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 based on the generated current value of the fuel cell 2 (target pressure value calculation function: B2). Then, the target purge amount (target discharge amount of hydrogen off gas from the exhaust / drain valve 31) is calculated (target purge amount calculation function: B3). In the present embodiment, the target pressure value and the target purge amount are calculated for each calculation cycle of the control unit 7 using a specific map representing the relationship between the generated current value, the target pressure value, and the target purge amount.

また、制御部7は、算出した目標圧力値と、圧力センサ29で検出したインジェクタ28の下流位置の圧力値(検出圧力値)と、の偏差を算出する(圧力差算出機能:B4)。そして、制御部7は、算出した偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量(フィードバック補正流量)を算出する(補正流量算出機能:B5)。本実施形態においては、PI制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。また、制御部7は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ28の噴射流量を算出する(噴射流量算出機能:B6)。そして、制御部7は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ28の噴射時間を算出し、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池2に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。   Further, the control unit 7 calculates a deviation between the calculated target pressure value and the pressure value (detected pressure value) at the downstream position of the injector 28 detected by the pressure sensor 29 (pressure difference calculation function: B4). And the control part 7 calculates the hydrogen gas flow volume (feedback correction flow volume) added to hydrogen consumption in order to reduce the calculated deviation (correction flow volume calculation function: B5). In the present embodiment, the feedback correction flow rate is calculated using a target tracking control law such as PI control. Further, the control unit 7 calculates the injection flow rate of the injector 28 by adding the hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate (injection flow rate calculation function: B6). Then, the control unit 7 calculates the injection time of the injector 28 based on the calculated injection flow rate and drive cycle, and outputs a control signal for realizing this injection time, whereby the gas injection time and gas of the injector 28 are output. The injection timing is controlled to adjust the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2.

また、制御部7は、前記したインジェクタ28のフィードバック制御(インジェクタ28の下流位置の検出圧力値を所定の目標圧力値に追従させるようなインジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期の制御)を行うと同時に、排気排水弁31の開閉制御を行うことにより、循環流路23内の水分及び水素オフガスを排気排水弁31から外部に排出する。   Further, the control unit 7 performs the feedback control of the injector 28 (control of the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 so that the detected pressure value at the downstream position of the injector 28 follows the predetermined target pressure value). At the same time, by controlling the opening / closing of the exhaust / drain valve 31, moisture and hydrogen off-gas in the circulation passage 23 are discharged from the exhaust / drain valve 31 to the outside.

この際、制御部7は、インジェクタ28からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量)を算出し(パージ量算出機能:B7)、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する(パージ量偏差判定機能:B8)。そして、制御部7は、算出したパージ量が目標パージ量未満である場合には排気排水弁31を開放し、算出したパージ量が目標パージ量以上である場合には排気排水弁31を閉鎖する(パージ制御機能:B9)。すなわち、制御部7は、本発明における排気制御手段及び排気量算出手段として機能する。   At this time, the control unit 7 calculates the total discharge amount (purge amount) of the hydrogen off-gas from the exhaust drain valve 31 based on the change in the gas supply state from the injector 28 (purge amount calculation function: B7) and calculates It is determined whether or not the purge amount is equal to or greater than a predetermined target purge amount (purge amount deviation determination function: B8). Then, the control unit 7 opens the exhaust / drain valve 31 when the calculated purge amount is less than the target purge amount, and closes the exhaust / drain valve 31 when the calculated purge amount is equal to or larger than the target purge amount. (Purge control function: B9). That is, the control unit 7 functions as an exhaust control unit and an exhaust amount calculation unit in the present invention.

なお、制御部7は、圧力センサ32で検出された排気排水弁31の上流側圧力と、圧力センサ33で検出された排気排水弁31の下流側圧力と、の差に基づいて排気排水弁31の閉じ遅れ量を算出する(閉じ遅れ量算出機能:B9a)。そして、制御部7は、算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気排水弁31を閉鎖する。本実施形態においては、閉じ遅れ量として、排気排水弁31の閉じ遅れ時間と、この閉じ遅れ時間に対応する超過排気量(目標パージ量を超過する排気量)と、を採用している。   The control unit 7 determines the exhaust drainage valve 31 based on the difference between the upstream pressure of the exhaust drainage valve 31 detected by the pressure sensor 32 and the downstream pressure of the exhaust drainage valve 31 detected by the pressure sensor 33. The closing delay amount is calculated (closing delay amount calculation function: B9a). Then, the control unit 7 closes the exhaust / drain valve 31 ahead of time based on the calculated closing delay amount. In the present embodiment, as the closing delay amount, a closing delay time of the exhaust drain valve 31 and an excess exhaust amount corresponding to the closing delay time (an exhaust amount exceeding the target purge amount) are employed.

ここで、制御部7のパージ量算出機能B7についてさらに詳細に説明する。   Here, the purge amount calculation function B7 of the control unit 7 will be described in more detail.

インジェクタ28のフィードバック制御により、インジェクタ28の下流位置における圧力センサ29の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁31の開放により循環流路23から水素オフガスが排出されると、検出圧力値が一時的に低下する。制御部7は、このような水素オフガスの排出(パージ)に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分と、温度センサ44で検出された冷媒の温度と、に基づいて、圧力低下分に対応する水素オフガスの排出量(圧力変化対応流量)を算出する(圧力変化対応流量算出機能:B7a)。本実施形態においては、以下の式を用いて、圧力変化対応流量「Q」を算出している。 By the feedback control of the injector 28, the hydrogen off-gas is discharged from the circulation passage 23 by opening the exhaust / drain valve 31 in a state where the detected pressure value of the pressure sensor 29 at the downstream position of the injector 28 follows the target pressure value. As a result, the detected pressure value temporarily decreases. The control unit 7 calculates a pressure decrease due to such hydrogen off-gas discharge (purge), and based on the calculated pressure decrease and the temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor 44, the pressure is reduced. A discharge amount of hydrogen off-gas corresponding to the decrease (flow rate corresponding to pressure change) is calculated (pressure change corresponding flow rate calculation function: B7a). In the present embodiment, the pressure change-compatible flow rate “Q 1 ” is calculated using the following equation.

Figure 2007305563
Figure 2007305563

前記式において、「ΔP」は、インジェクタ28の下流位置におけるパージ直前の水素ガスの圧力値(水素基準圧)からパージ後の水素ガスの圧力値(水素現在圧)を減じて得た圧力低下分を意味している。また、「Pa」は標準大気圧を、「V」は水素系体積を、「T」は温度センサ44で検出された冷媒の温度(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)を、各々意味している。   In the above equation, “ΔP” is the pressure drop obtained by subtracting the hydrogen gas pressure value (hydrogen current pressure) after purging from the hydrogen gas pressure value (hydrogen reference pressure) just before purging at the downstream position of the injector 28. Means. “Pa” is the standard atmospheric pressure, “V” is the hydrogen-based volume, “T” is the temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor 44 (= temperature of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2), Each means.

また、制御部7は、水素オフガスの排出(パージ)に起因する圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量(ガス補正供給流量)を算出し(補正流量算出機能:B5)、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Qを算出する(補正流量積算機能:B7b)。本実施形態においては、圧力センサ29に所定の不感帯を設けておき、圧力センサ29で検出される水素現在圧(ガス供給状態)と水素基準圧(目標供給状態)との偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合に、制御部7がフィードバック補正流量の時間積算を開始するようにしている。このようにすることにより、排水時における微小な圧力変動の影響を抑制することが可能となる。 Further, the control unit 7 calculates a feedback correction flow rate (gas correction supply flow rate) for compensating for the pressure drop caused by the discharge (purging) of hydrogen off-gas (correction flow rate calculation function: B5). It calculates the time integration value Q 2 from the purge start time (correction flow rate integrating function: B7b). In the present embodiment, a predetermined dead zone is provided in the pressure sensor 29, and the absolute value of the deviation between the current hydrogen pressure (gas supply state) detected by the pressure sensor 29 and the hydrogen reference pressure (target supply state) is predetermined. When the threshold value is exceeded, the control unit 7 starts the time integration of the feedback correction flow rate. By doing in this way, it becomes possible to suppress the influence of the minute pressure fluctuation at the time of drainage.

さらに、制御部7は、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Qを算出する(水素消費量変化分積算機能:B7c)とともに、インジェクタ28の下流位置における水素ガスの圧力値(圧力センサ29での検出圧力値)に基づいて、クロスリーク量Q(燃料電池2内部の燃料ガス流路から電解質膜を介して酸化ガス流路へと透過する水素ガスの量)を算出する(クロスリーク量算出機能:B7d)。本実施形態においては、インジェクタ28の下流位置における水素ガスの圧力値とクロスリーク量との関係を表す特定のマップを用いて、クロスリーク量Qを算出している。 Further, the control unit 7 calculates a time integrated value Q 3 of hydrogen consumption variation in the fuel cell 2 from the purge start time (hydrogen consumption variation totalization function: B7c) with hydrogen in the downstream position of the injector 28 Based on the pressure value of the gas (the pressure value detected by the pressure sensor 29), the amount of cross leak Q 4 (the amount of hydrogen gas that permeates from the fuel gas channel inside the fuel cell 2 to the oxidizing gas channel through the electrolyte membrane) Amount) (cross leak amount calculation function: B7d). In the present embodiment, by using a specific map indicating a relationship between the pressure value of the hydrogen gas and the amount of cross leak in the downstream position of the injector 28, and it calculates the cross leak amount Q 4.

そして、制御部7は、圧力変化対応流量Qと、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Qと、を加算した値(Q+Q)から、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Qとクロスリーク量Qとを減じることにより、排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量Q)を算出する(パージ量算出機能:B7)。 Then, the control unit 7 calculates the fuel cell from the purge start time from the value (Q 1 + Q 2 ) obtained by adding the pressure change corresponding flow rate Q 1 and the time integrated value Q 2 from the purge correction flow rate start time. 2 calculates the total discharge amount (purge amount Q) of hydrogen off-gas from the exhaust / drain valve 31 by subtracting the time integrated value Q 3 and the cross leak amount Q 4 for the change in the hydrogen consumption amount in 2 (purge amount calculation function) : B7).

また、制御部7は、パージ量Qの算出が正常に行われているか否かを判定し、パージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定した場合に、排気流路12を介して供給される酸化オフガス(希釈ガス)の供給量に応じて、排気排水弁31の開弁時間を制限する。すなわち、制御部7は、本発明における異常検出手段としても機能する。パージ量Qの算出の異常判定は、種々の方法を採用することができる。例えば、インジェクタ28に断線や短絡等の何らかの異常が発生した場合や、インジェクタ28の下流側に配置された圧力センサ29が故障した場合には、前記した圧力変化対応流量Q等を正確に算出することができなくなるため、パージ量Qの算出が正常に行われなくなる。このため、インジェクタ28及び圧力センサ29の少なくとも何れか一方の異常を検出した場合に、パージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定することができる。 Further, the control unit 7 determines whether or not the calculation of the purge amount Q is normally performed, and when it is determined that the calculation of the purge amount Q is not normally performed, the control unit 7 passes the exhaust passage 12. The valve opening time of the exhaust / drain valve 31 is limited according to the supply amount of the oxidizing off gas (dilution gas) supplied. That is, the control unit 7 also functions as an abnormality detection unit in the present invention. Various methods can be employed for determining whether the purge amount Q is abnormal. For example, when an abnormality such as a disconnection or a short circuit occurs in the injector 28 or when the pressure sensor 29 disposed on the downstream side of the injector 28 breaks down, the above-described flow rate Q 1 corresponding to the pressure change is accurately calculated. Therefore, the purge amount Q cannot be calculated normally. Therefore, when the abnormality of at least one of the injector 28 and the pressure sensor 29 is detected, it can be determined that the purge amount Q is not normally calculated.

続いて、図3及び図4のフローチャートと、図5〜図7のタイムチャートと、図8のマップと、を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法について説明する。   Subsequently, the operation method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described using the flowcharts of FIGS. 3 and 4, the time charts of FIGS. 5 to 7, and the map of FIG. 8.

燃料電池システム1の通常運転時においては、水素供給源21から水素ガスが水素供給流路22を介して燃料電池2の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路11を介して燃料電池2の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池2から引き出すべき電力(要求電力)が制御部7で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池2内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時に、インジェクタ28のフィードバック制御を実施するとともに、排気排水弁31のパージ制御(循環流路23の内部に滞留する水分や水素オフガスを外部に排出するための排気排水弁31の開閉制御)を実施する。   During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel electrode of the fuel cell 2 through the hydrogen supply channel 22, and the air whose humidity has been adjusted is supplied to the air supply channel 11. Is supplied to the oxidation electrode of the fuel cell 2 through the electric power to generate electricity. At this time, electric power (required electric power) to be drawn from the fuel cell 2 is calculated by the control unit 7, and hydrogen gas and air in amounts corresponding to the amount of power generation are supplied into the fuel cell 2. In the present embodiment, during such a normal operation, feedback control of the injector 28 is performed, and purge control of the exhaust drain valve 31 (in order to discharge moisture or hydrogen off-gas staying in the circulation flow path 23 to the outside). Open / close control of the exhaust drain valve 31).

まず、図3のフローチャートに示すように、燃料電池システム1の制御部7は、電流センサ2aを用いて燃料電池2の発電時における電流値を算出する(電流検出工程:S1)。次いで、制御部7は、検出した電流値に基づいて、燃料電池2における水素消費量を算出する(水素消費量算出工程:S2)とともに、燃料電池2に供給される水素ガスのインジェクタ28の下流位置における目標圧力値及び目標パージ量を算出する(目標値算出工程:S3)。   First, as shown in the flowchart of FIG. 3, the control unit 7 of the fuel cell system 1 calculates a current value during power generation of the fuel cell 2 using the current sensor 2a (current detection step: S1). Next, the control unit 7 calculates the hydrogen consumption in the fuel cell 2 based on the detected current value (hydrogen consumption calculation step: S2), and downstream of the injector 28 for the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2. A target pressure value and a target purge amount at the position are calculated (target value calculation step: S3).

次いで、制御部7は、圧力センサ29を用いて、インジェクタ28の下流側の圧力値を検出する(圧力値検出工程:S4)。次いで、制御部7は、目標値算出工程S3で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程S4で検出した圧力値(検出圧力値)と、の偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量(フィードバック補正流量)を算出する(補正流量算出工程:S5)。次いで、制御部7は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ28の噴射流量を算出し、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ28の噴射時間を算出する。そして、制御部7は、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池2に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する(フィードバック制御工程:S6)。   Next, the control unit 7 detects the pressure value on the downstream side of the injector 28 using the pressure sensor 29 (pressure value detection step: S4). Next, the control unit 7 adds to the hydrogen consumption in order to reduce the deviation between the target pressure value calculated in the target value calculation step S3 and the pressure value (detected pressure value) detected in the pressure value detection step S4. The hydrogen gas flow rate (feedback correction flow rate) is calculated (correction flow rate calculation step: S5). Next, the control unit 7 calculates the injection flow rate of the injector 28 by adding the hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate, and calculates the injection time of the injector 28 based on the injection flow rate and the driving cycle. And the control part 7 controls the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 by outputting the control signal for implement | achieving this injection time, the flow volume of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2, and The pressure is adjusted (feedback control step: S6).

制御部7は、前記したフィードバック制御工程S6を実現させながら、パージ開始要求の有無を判定する(パージ要求判定工程:S7)。本実施形態においては、気液分離器30の液溜部に溜まった水分量が所定の閾値を超える場合に、図示されていない液量センサが制御部7に対してパージ開始要求信号を出力するようになっている。制御部7は、パージ要求判定工程S7においてパージ開始要求無と判定した場合には、排気排水弁31を閉鎖する(パージ弁閉鎖工程:S11)。一方、制御部7は、パージ要求判定工程S7でパージ開始要求信号を受けてパージ開始要求有と判定し、かつ、インジェクタ28からのガス噴射が既に開始されている場合には、排気排水弁31を開放する(パージ弁開放工程:S8)。図5(A)〜図5(C)に示されるように、パージ弁開放工程S8において排気排水弁31が開放されることにより、気液分離器30に溜まった水分が排気排水流路25へと排出され、水分の排出が終了するとほぼ同時に循環流路23内の水素オフガスが排気排水流路25へと排出されることとなる。   The control unit 7 determines whether or not there is a purge start request while realizing the feedback control step S6 (purge request determination step: S7). In the present embodiment, when the amount of water accumulated in the liquid reservoir of the gas-liquid separator 30 exceeds a predetermined threshold, a liquid amount sensor not shown outputs a purge start request signal to the controller 7. It is like that. When it is determined in the purge request determination step S7 that there is no purge start request, the control unit 7 closes the exhaust drain valve 31 (purge valve closing step: S11). On the other hand, the control unit 7 receives the purge start request signal in the purge request determination step S7, determines that there is a purge start request, and if the gas injection from the injector 28 has already started, the exhaust drain valve 31 Is opened (purge valve opening step: S8). As shown in FIGS. 5 (A) to 5 (C), when the exhaust drain valve 31 is opened in the purge valve opening step S8, the water accumulated in the gas-liquid separator 30 is transferred to the exhaust drain passage 25. The hydrogen off-gas in the circulation channel 23 is discharged to the exhaust drainage channel 25 almost simultaneously with the completion of the moisture discharge.

また、制御部7は、排気排水弁31の開放と同時に、排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量Q)を推定する(パージ量推定工程:S9)。パージ量推定工程S9については、図4のフローチャート等を用いて後に詳述する。次いで、制御部7は、パージ量推定工程S9で推定された水素オフガスの総排出量(パージ量Q)が、目標値算出工程S3で算出された目標パージ量Q以上であるかを判定する(パージ量判定工程:S10)。そして、制御部7は、推定したパージ量Qが目標パージ量Q未満である場合には、引き続きパージ量推定工程S9及びパージ量判定工程S10を続行する一方、推定したパージ量Qが目標パージ量Q以上である場合には、排気排水弁31を閉鎖する(パージ弁閉鎖工程:S11)。 The controller 7 estimates the total amount of hydrogen off-gas discharged from the exhaust drain valve 31 (purge amount Q) simultaneously with the opening of the exhaust drain valve 31 (purge amount estimation step: S9). The purge amount estimation step S9 will be described in detail later using the flowchart of FIG. Then, the control unit 7 determines whether the total emissions of the hydrogen off-gas was estimated purge amount estimation step S9 (purge amount Q) is the target value calculated target purge amount calculated in step S3 Q 0 or more (Purge amount determination step: S10). Then, the control unit 7, when the estimated purge amount Q is less than the target purge amount Q 0 is continued while continuing the purge amount estimation step S9 and the purge amount judgment step S10, the estimated purge amount Q is the target purge If it is the amount Q 0 or closes the water discharge valve 31 (purge valve closed step: S11).

パージ弁閉鎖工程S11において、制御部7は、圧力センサ32で検出された排気排水弁31の上流側圧力と、圧力センサ33で検出された排気排水弁31の下流側圧力と、の差に基づいて排気排水弁31の閉じ遅れ量(図6(B)に示した閉じ遅れ時間Δt及び図6(C)に示した閉じ遅れ時間Δtに対応する超過パージ量ΔQ)を算出する。そして、制御部7は、図6(D)に示すように、算出した閉じ遅れ時間Δtだけ時間的に先行して排気排水弁31を閉鎖する。この結果、実際のパージ量を超過パージ量ΔQの分だけ低減させて、図6(E)に示すように実際のパージ量Qを目標パージ量Qに一致させることが可能となる。 In the purge valve closing step S <b> 11, the control unit 7 is based on the difference between the upstream pressure of the exhaust / drain valve 31 detected by the pressure sensor 32 and the downstream pressure of the exhaust / drain valve 31 detected by the pressure sensor 33. Then, the closing delay amount of the exhaust / drain valve 31 (the closing delay time Δt shown in FIG. 6B and the excess purge amount ΔQ corresponding to the closing delay time Δt shown in FIG. 6C) is calculated. Then, as shown in FIG. 6 (D), the control unit 7 closes the exhaust / drain valve 31 in advance by the calculated closing delay time Δt. As a result, by reducing the actual purge amount by the amount of excess purge amount Delta] Q, it is possible to match the target purge amount Q 0 of the actual purge amount Q as shown in FIG. 6 (E).

ここで、図4のフローチャート等を用いて、パージ量推定工程S9について説明する。   Here, the purge amount estimation step S9 will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、制御部7は、排気排水弁31の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ28の下流側の圧力低下分ΔP(水素基準圧から水素現在圧を減じて得た値:図5(D)参照)と、温度センサ44で検出された冷媒の温度Tと、に基づいて、圧力低下分ΔPに対応する流量としての圧力変化対応流量Qを算出する(圧力変化対応流量算出工程:S20)。圧力変化対応流量算出工程S20においては、温度センサ44で検出された冷媒の温度T(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)に基づいて圧力変化対応流量を算出しているため、水素オフガスの温度変化に基づいてパージ量を補正することが可能となる。 First, the control unit 7 reduces the pressure drop ΔP (the value obtained by subtracting the current hydrogen pressure from the hydrogen reference pressure) on the downstream side of the injector 28 resulting from the discharge of the hydrogen off-gas by opening the exhaust / drain valve 31: FIG. 5 (D) and see), and the temperature T of the refrigerant detected by the temperature sensor 44, based on, and calculates the pressure change corresponding flow rate to Q 1 as a flow rate corresponding to the pressure decrease amount [Delta] P (a pressure change corresponding flow rate calculation Step: S20). In the pressure change corresponding flow rate calculation step S20, the pressure change corresponding flow rate is calculated based on the refrigerant temperature T (= temperature of hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2) detected by the temperature sensor 44. The purge amount can be corrected based on the temperature change of the off gas.

次いで、制御部7は、排気排水弁31の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ28の下流側の圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量を算出し、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Q(図5(E)参照)を算出する(補正流量積算工程:S21)。補正流量積算工程S21においては、図7(A)に示すように圧力センサ29に不感帯を設けておき、圧力センサ29で検出される水素現在圧(ガス供給状態)と水素基準圧(目標供給状態)との偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合に、図7(B)に示すようにフィードバック補正流量の時間積算値Qの算出を開始するようにしている。なお、図7の破線は、制御部7の制御タイミングを示している。 Next, the control unit 7 calculates a feedback correction flow rate to compensate for the pressure drop on the downstream side of the injector 28 resulting from the discharge of the hydrogen off-gas due to the opening of the exhaust drain valve 31, and purge of this feedback correction flow rate A time integrated value Q 2 (see FIG. 5E) from the start time is calculated (corrected flow integration step: S21). In the correction flow rate integration step S21, as shown in FIG. 7A, a dead zone is provided in the pressure sensor 29, and the current hydrogen pressure (gas supply state) detected by the pressure sensor 29 and the hydrogen reference pressure (target supply state). if) the absolute value of the deviation between exceeds a predetermined threshold value, so that to start the calculation of the feedback correction flow rate of the time integration value Q 2 as shown in Figure 7 (B). The broken line in FIG. 7 indicates the control timing of the control unit 7.

また、制御部7は、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Qを算出する(水素消費量変化分積算工程:S22)。例えば、図5(F)に示すようにパージ開始時点からパージ終了時点まで燃料電池2における発電電流値が増加するような場合を想定すると、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Q(図5(G)の右上り斜線領域)は、電流増加分に対応する水素消費量変化分の時間積算値Q(図5(G)の右上り斜線と右下り斜線の交差領域)に圧力低下分補正流量値が加算された値となる。このため、パージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Qをパージ量の算出にそのまま用いると、電流増加分に対応する値Qの分だけ誤差が生じる。このため、本実施形態においては、電流増加分に対応する水素消費量変化分の時間積算値Qを算出してパージ量を補正することとしている。また、制御部7は、クロスリーク量Qを算出する(クロスリーク量算出工程:S23)。 The control unit 7 calculates a time integrated value Q 3 of hydrogen consumption variation in the fuel cell 2 from the purge start time (hydrogen consumption variation integration step: S22). For example, assuming that the generated current value in the fuel cell 2 increases from the purge start point to the purge end point as shown in FIG. 5F, the time integrated value Q 2 from the purge start point of the feedback correction flow rate is assumed. (A hatched area in the upper right of FIG. 5G) is a time integrated value Q 3 corresponding to the change in hydrogen consumption corresponding to the current increase (intersection area of the hatched in the upper right and the lower right hatched in FIG. 5G). This is a value obtained by adding the pressure drop correction flow rate value. Therefore, when used as a time integration value Q 2 of the feedback correction flow rate from the purge start time to calculate the purge amount, an amount corresponding error values Q 3 corresponding to the current increase occurs. Therefore, in the present embodiment, and correcting the amount of purge by calculating the time integration value Q 3 of hydrogen consumption variation corresponding to the current increment. The control unit 7 calculates the cross leak amount Q 4 (cross leak amount calculation step: S23).

続いて、制御部7は、圧力変化対応流量Qとパージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Qとを加算した値から、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Qとクロスリーク量Qとを減算することにより、排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量Q)を算出する(パージ量算出工程:S24)。以上の工程群からなるパージ量推定工程S9は本発明における排気量推定方法に相当し、パージ量算出工程S24は本発明における算出工程に相当する。また、圧力変化対応流量算出工程S20及びパージ量算出工程S24は、本発明における温度補正工程に相当し、水素消費量積算工程S22及びパージ量算出工程S24は、本発明における発電補正工程に相当し、クロスリーク量算出工程S23及びパージ量算出工程S24は本発明における漏れ補正工程に相当する。 Subsequently, the control unit 7, a pressure change corresponding flow rate Q 1, the time integration value Q 2 and a value obtained by adding the feedback correction flow rate from the purge start time, hydrogen consumption variation in the fuel cell 2 from the purge start time by subtracting the time integrated value Q 3 of the cross leak amount Q 4, and calculates the total emission amount of the hydrogen off-gas from the water discharge valve 31 (purge amount Q) (purge amount calculation step: S24). The purge amount estimation step S9 composed of the above process group corresponds to the exhaust amount estimation method in the present invention, and the purge amount calculation step S24 corresponds to the calculation step in the present invention. The pressure change corresponding flow rate calculation step S20 and the purge amount calculation step S24 correspond to the temperature correction step in the present invention, and the hydrogen consumption amount integration step S22 and the purge amount calculation step S24 correspond to the power generation correction step in the present invention. The cross leak amount calculation step S23 and the purge amount calculation step S24 correspond to the leak correction step in the present invention.

なお、制御部7は、例えばインジェクタ28や圧力センサ29の異常を検出することによりパージ量推定工程S9においてパージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定した場合には、排気排水弁31の開弁時間を制限する。この際、制御部7は、燃料電池2の発電電流値、コンプレッサ14の回転数、背圧調整弁16の開度等に基づいて、排気流路12を介して希釈器34へと供給される酸化オフガス(希釈ガス)の供給量を算出し、この供給量に応じて排気排水弁31の開弁時間を制限する。   If the control unit 7 determines that the purge amount Q is not normally calculated in the purge amount estimation step S9 by detecting an abnormality in the injector 28 or the pressure sensor 29, for example, the exhaust drain valve 31 valve opening time is limited. At this time, the control unit 7 is supplied to the diluter 34 via the exhaust passage 12 based on the generated current value of the fuel cell 2, the rotational speed of the compressor 14, the opening degree of the back pressure adjustment valve 16, and the like. The supply amount of the oxidizing off gas (dilution gas) is calculated, and the valve opening time of the exhaust / drain valve 31 is limited according to this supply amount.

図8(A)のマップに基づけば、希釈ガスである酸化オフガスの供給量が比較的少量(q)である場合には、希釈器34で希釈され排出されるガスの水素濃度(排出水素濃度)は比較的高く(D)なることが推定される。このため、制御部7は、図8(B)のマップに示すように、酸化オフガスの供給量が比較的少量(q)である場合には、排気排水弁31の最大開弁時間を比較的短く(T)設定する。これにより、排出水素濃度の上昇を抑制することが可能となる。一方、図8(A)のマップに基づけば、酸化オフガスの供給量が比較的多量(q)である場合には、排出水素濃度は比較的低く(D)なることが推定されるため、制御部7は、図8(B)のマップに示すように、排気排水弁31の最大開弁時間を比較的長く(T)設定することとしている。 Based on the map of FIG. 8A, when the supply amount of the oxidizing off-gas as a dilution gas is relatively small (q 1 ), the hydrogen concentration of the gas diluted and discharged by the diluter 34 (exhaust hydrogen) It is estimated that (concentration) is relatively high (D 1 ). Therefore, as shown in the map of FIG. 8B, the control unit 7 compares the maximum valve opening time of the exhaust drain valve 31 when the supply amount of the oxidizing off gas is relatively small (q 1 ). Short (T 1 ). This makes it possible to suppress an increase in the exhaust hydrogen concentration. On the other hand, based on the map of FIG. 8A, when the supply amount of the oxidizing off gas is relatively large (q 2 ), the exhaust hydrogen concentration is estimated to be relatively low (D 2 ). As shown in the map of FIG. 8B, the control unit 7 sets the maximum valve opening time of the exhaust / drain valve 31 to be relatively long (T 2 ).

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、インジェクタ28(可変ガス供給装置)からのガス供給状態の変化に対応して、排気排水弁31の開閉状態の制御を実現させることができるので、排気排水弁31からの水素オフガスの排気量(パージ量)を安定させることが可能となる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the control of the open / close state of the exhaust / drain valve 31 can be realized in response to a change in the gas supply state from the injector 28 (variable gas supply device). The exhaust amount (purge amount) of the hydrogen off gas from the exhaust drain valve 31 can be stabilized.

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、排気排水弁31の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて排気排水弁31の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気排水弁31を閉鎖することができる。従って、インジェクタ28から燃料電池2へと供給される水素ガスの圧力変化等に起因して排気排水弁31の上流側圧力と下流側圧力との差が大きくなり、排気排水弁31の閉じ遅れが想定されるような場合においても、その閉じ遅れを抑制することができる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the closing delay amount of the exhaust / drain valve 31 is calculated based on the difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the exhaust / drain valve 31, and the calculated closing Based on the delay amount, the exhaust drain valve 31 can be closed in advance in time. Therefore, the difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the exhaust drain valve 31 is increased due to the change in the pressure of the hydrogen gas supplied from the injector 28 to the fuel cell 2, and the closing delay of the exhaust drain valve 31 is delayed. Even in the case assumed, the closing delay can be suppressed.

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、パージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定した場合に、酸化オフガス(希釈ガス)の供給量に応じて排気排水弁31の開弁時間を制限することができる。従って、パージ量Qの算出が正常に行われない状況下においても、排気排水弁31の開放状態が長期間持続することを抑制することができるので、排気排水弁31から高濃度の水素ガスが排出されることを抑制することが可能となる。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1においては、燃料電池2から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして有効利用することができるので、希釈ガスを新たに生成する必要がない。   Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, when it is determined that the purge amount Q is not normally calculated, the exhaust drainage valve according to the supply amount of the oxidizing off gas (diluted gas). The valve opening time of 31 can be limited. Accordingly, even when the purge amount Q is not normally calculated, it is possible to prevent the exhaust drain valve 31 from being kept open for a long period of time. It becomes possible to suppress discharge. In the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the oxidizing off gas discharged from the fuel cell 2 can be effectively used as the dilution gas, so that it is not necessary to newly generate the dilution gas.

また、以上説明した実施形態に係るパージ量推定工程S9を採用すると、循環流路23内の水素オフガスを排出している間(パージ動作中)に、インジェクタ28からのガス供給状態が変化した場合においても、その変化分(インジェクタ28の下流側における圧力低下分や、この圧力低下分を補うためのインジェクタ28による補正流量)に基づいて排気排水弁31からのパージ量を正確に推定(算出)することが可能となる。従って、この推定したパージ量を所定の目標パージ量に近付けるように排気排水弁31の開閉動作を制御するとその制御精度が向上するため、パージ量の安定化を実現させることが可能となる。   Further, when the purge amount estimation step S9 according to the embodiment described above is employed, the gas supply state from the injector 28 changes while the hydrogen off-gas in the circulation passage 23 is being discharged (during the purge operation). Also, the amount of purge from the exhaust / drain valve 31 is accurately estimated (calculated) based on the amount of change (the pressure drop on the downstream side of the injector 28 and the corrected flow rate by the injector 28 to compensate for this pressure drop). It becomes possible to do. Therefore, if the opening / closing operation of the exhaust / drain valve 31 is controlled so as to bring the estimated purge amount close to the predetermined target purge amount, the control accuracy is improved, so that the purge amount can be stabilized.

また、以上説明した実施形態に係るパージ量推定工程S9においては、圧力センサ29で検出される水素現在圧と水素基準圧との偏差が所定の閾値を超える場合に、フィードバック補正流量の時間積算値の算出を開始するため、インジェクタ28からのガス供給状態の微小な変化(例えば排水時等における微小な圧力変化)に起因するパージ量の算出誤差を抑制することができる。   Further, in the purge amount estimation step S9 according to the embodiment described above, when the deviation between the hydrogen current pressure detected by the pressure sensor 29 and the hydrogen reference pressure exceeds a predetermined threshold, the time integrated value of the feedback correction flow rate Therefore, the calculation error of the purge amount due to a minute change in the gas supply state from the injector 28 (for example, a minute pressure change during drainage or the like) can be suppressed.

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム1の水素ガス配管系4に循環流路23を設けた例を示したが、例えば、図9に示すように、燃料電池2に排出流路35を接続して循環流路23を廃止することもできる。かかる構成(デッドエンド方式)を採用した場合においても、制御部7で前記実施形態と同様に、インジェクタ28からのガス供給状態の変化に対応して排気排水弁31の開閉状態を制御することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。   In the above embodiment, the example in which the circulation channel 23 is provided in the hydrogen gas piping system 4 of the fuel cell system 1 has been shown. However, for example, as shown in FIG. It is also possible to eliminate the circulation channel 23 by connecting. Even when such a configuration (dead end method) is adopted, the control unit 7 controls the open / close state of the exhaust / drain valve 31 in response to a change in the gas supply state from the injector 28 as in the above-described embodiment. The same operational effects as in the above embodiment can be obtained.

また、以上の実施形態においては、燃料電池2から排気流路12を経由して希釈器34へと供給される酸化オフガス(空気)を希釈ガスとして採用し、排気流路12を希釈ガス供給手段として機能させた例を示したが、希釈ガスの種類や希釈ガス供給手段の構成はこれに限られるものではない。   Further, in the above embodiment, the oxidizing off gas (air) supplied from the fuel cell 2 to the diluter 34 via the exhaust passage 12 is adopted as the dilution gas, and the exhaust passage 12 is used as the dilution gas supply means. However, the type of dilution gas and the configuration of the dilution gas supply means are not limited to this.

また、以上の実施形態においては、循環流路23に水素ポンプ24を設けた例を示したが、水素ポンプ24に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁31を循環流路23に設けた例を示したが、気液分離器30で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路23内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部7で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。   Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the hydrogen pump 24 in the circulation flow path 23 was shown, it replaces with the hydrogen pump 24 and an ejector may be employ | adopted. Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the exhaust_drain_valve 31 which implement | achieves both exhaust_gas | exhaustion and waste_water | drain in the circulation flow path 23 was shown, the water | moisture content collect | recovered with the gas-liquid separator 30 is discharged | emitted outside. A drain valve and an exhaust valve for discharging the gas in the circulation channel 23 to the outside can be provided separately, and the drain valve and the exhaust valve can be controlled separately by the control unit 7.

また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系4の水素供給流路22のインジェクタ28の下流位置に圧力センサ29を配置し、この位置における圧力を調整する(所定の目標圧力値に近付ける)ようにインジェクタ28の作動状態を設定した例を示したが、インジェクタ制御用の圧力センサの位置はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池2の水素ガス入口近傍位置(水素供給流路22上)や、燃料電池2の水素ガス出口近傍位置(循環流路23上)や、水素ポンプ24の出口近傍位置(循環流路23上)にインジェクタ制御用の圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、圧力センサで検出した圧力値(検出圧力値)と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。   Further, in the above embodiment, the pressure sensor 29 is arranged at the downstream position of the injector 28 in the hydrogen supply flow path 22 of the hydrogen gas piping system 4 and the pressure at this position is adjusted (approaches a predetermined target pressure value). Although the example in which the operating state of the injector 28 is set as described above is shown, the position of the pressure sensor for controlling the injector is not limited to this. For example, the position near the hydrogen gas inlet of the fuel cell 2 (on the hydrogen supply channel 22), the position near the hydrogen gas outlet of the fuel cell 2 (on the circulation channel 23), or the position near the outlet of the hydrogen pump 24 (circulation channel) 23) may be provided with a pressure sensor for controlling the injector. In such a case, a map in which the target pressure value at each position of the pressure sensor is recorded is created in advance, and the target pressure value recorded in this map and the pressure value (detected pressure value) detected by the pressure sensor are Based on this, a feedback correction flow rate is calculated.

また、以上の実施形態においては、水素供給流路22に遮断弁26及びレギュレータ27を設けた例を示したが、インジェクタ28は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁26やレギュレータ27を設けなくてもよい。従って、インジェクタ28を採用すると遮断弁26やレギュレータ27を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。   In the above embodiment, the example in which the shutoff valve 26 and the regulator 27 are provided in the hydrogen supply flow path 22 has been described. However, the injector 28 functions as a variable pressure control valve and shuts off the supply of hydrogen gas. Therefore, it is not always necessary to provide the shut-off valve 26 and the regulator 27. Therefore, when the injector 28 is employed, the shutoff valve 26 and the regulator 27 can be omitted, and the system can be reduced in size and cost.

また、以上の実施形態においては、燃料電池2の発電電流値に基づいて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定した例を示したが、燃料電池2の運転状態を示す他の物理量(燃料電池2の発電電圧値や発電電力値、燃料電池2の温度等)を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定してもよい。また、燃料電池2が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態あるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。   In the above embodiment, an example in which the hydrogen consumption amount, the target pressure value, and the target purge amount are set based on the generated current value of the fuel cell 2 has been described. However, other physical quantities indicating the operating state of the fuel cell 2 are shown. (The generated voltage value or generated power value of the fuel cell 2, the temperature of the fuel cell 2, etc.) may be detected, and the hydrogen consumption, target pressure value and target purge amount may be set according to the detected physical quantity. In addition, the fuel cell 2 is in a stopped state, in an operating state at the time of start-up, in an operating state immediately before entering intermittent operation, in an operating state immediately after recovering from intermittent operation, or in a normal operating state It is also possible for the control unit to determine such an operating state and to set a hydrogen consumption amount or the like according to these operating states.

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。   Further, in each of the above embodiments, the example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on the fuel cell vehicle has been shown. However, the present invention is applied to various moving bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. Such a fuel cell system can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図1に示す燃料電池システムの制御部の制御態様を説明するための制御ブロック図である。It is a control block diagram for demonstrating the control aspect of the control part of the fuel cell system shown in FIG. 図1に示す燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。2 is a flowchart for explaining a method of operating the fuel cell system shown in FIG. 本発明の実施形態に係る排気量推定方法(パージ量推定工程)を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the exhaust gas amount estimation method (purge amount estimation process) which concerns on embodiment of this invention. 図1に示す燃料電池システムの運転方法を説明するためのタイムチャートであり、(A)は排気排水弁の開閉動作を示すもの、(B)は排気排水弁からの排水量を示すもの、(C)は排気排水弁からの排気量(パージ量)を示すもの、(D)はパージに起因したインジェクタ下流側圧力の低下を示すもの、(E)はインジェクタ下流側圧力の低下分を補うためのフィードバック補正流量を示すもの、(F)は燃料電池の発電電流値の増大を示すもの、(G)は発電電流値の増分とインジェクタ下流側圧力の低下分との双方を補うためのフィードバック補正流量を示すもの、である。2 is a time chart for explaining the operation method of the fuel cell system shown in FIG. 1, wherein (A) shows the opening / closing operation of the exhaust drain valve, (B) shows the drainage amount from the exhaust drain valve, (C ) Indicates the exhaust amount (purge amount) from the exhaust drain valve, (D) indicates a decrease in the injector downstream pressure caused by the purge, and (E) compensates for the decrease in the injector downstream pressure. (F) shows an increase in the generated current value of the fuel cell, (G) shows a feedback corrected flow rate to compensate for both the increment of the generated current value and the decrease in the pressure on the downstream side of the injector. It is what shows. 図1に示す燃料電池システムの遅れ補正を説明するためのタイムチャートであり、(A)は排気排水弁の開閉要求信号を示すもの、(B)は遅れ補正を適用しない場合における排気排水弁の開閉動作を示すもの、(C)は遅れ補正を適用しない場合における排気排水弁からの排気量(パージ量)を示すもの、(D)は遅れ補正を適用した場合における排気排水弁の開閉動作を示すもの、(E)は遅れ補正を適用した場合における排気排水弁からの排気量(パージ量)を示すもの、である。FIG. 2 is a time chart for explaining delay correction of the fuel cell system shown in FIG. 1, (A) shows an exhaust drain valve open / close request signal, and (B) shows an exhaust drain valve when delay correction is not applied. (C) shows the exhaust amount (purge amount) from the exhaust drain valve when the delay correction is not applied, (D) shows the open / close operation of the exhaust drain valve when the delay correction is applied. (E) shows the exhaust amount (purge amount) from the exhaust / drain valve when delay correction is applied. (A)は図1に示す燃料電池システムの圧力センサの不感帯を説明するためのタイムチャートであり、(B)は図1に示す燃料電池システムの検出圧力値が不感帯を外れた場合にフィードバック補正流量の時間積算を開始する旨を説明するためのタイムチャートである。(A) is a time chart for explaining the dead zone of the pressure sensor of the fuel cell system shown in FIG. 1, and (B) is feedback correction when the detected pressure value of the fuel cell system shown in FIG. 1 is out of the dead zone. It is a time chart for demonstrating that the time integration of flow volume is started. (A)は図1に示す燃料電池システムの希釈ガス(酸化オフガス)の供給量と排出水素濃度との関係を示すマップであり、(B)は図1に示す燃料電池システムの希釈ガスの供給量と最大開弁時間との関係を示すマップである。(A) is a map which shows the relationship between the supply amount of the dilution gas (oxidation off gas) and exhaust hydrogen concentration of the fuel cell system shown in FIG. 1, and (B) is the supply of the dilution gas of the fuel cell system shown in FIG. It is a map which shows the relationship between quantity and the maximum valve opening time. 図1に示す燃料電池システムの変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the fuel cell system shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム、2…燃料電池、7…制御部(排気制御手段、排気量算出手段、異常検出手段)、12…排気流路(希釈ガス供給手段)、21…水素供給源(燃料供給源)、22…水素供給流路(供給流路)、23…循環流路(排出流路)、28…インジェクタ(可変ガス供給装置)、29…圧力センサ、30…気液分離器、31…排気排水弁(排気弁)、35…排出流路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 7 ... Control part (Exhaust control means, Exhaust amount calculation means, Abnormality detection means), 12 ... Exhaust flow path (dilution gas supply means), 21 ... Hydrogen supply source (fuel supply) Source), 22 ... Hydrogen supply channel (supply channel), 23 ... Circulation channel (discharge channel), 28 ... Injector (variable gas supply device), 29 ... Pressure sensor, 30 ... Gas-liquid separator, 31 ... Exhaust drain valve (exhaust valve), 35 ... discharge channel.

Claims (18)

燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して前記排気弁の開閉状態を制御する排気制御手段を備える燃料電池システム。
A fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a variable gas supply device that adjusts the gas state on the upstream side of the supply channel and supplies it to the downstream side And a fuel cell system comprising: a discharge passage for flowing a fuel off gas discharged from the fuel cell; and an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside.
A fuel cell system comprising exhaust control means for controlling an open / close state of the exhaust valve in response to a change in a gas supply state from the variable gas supply device.
前記排気制御手段は、前記可変ガス供給装置から前記燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化及び流量変化の少なくとも一方に基づいて、前記排気弁の開閉状態を変更するものである、
請求項1に記載の燃料電池システム。
The exhaust control means changes an open / close state of the exhaust valve based on at least one of a pressure change and a flow rate change of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 1.
前記排出流路に設けられた気液分離器を備え、
前記排気弁は、前記気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁である、
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
Comprising a gas-liquid separator provided in the discharge flow path;
The exhaust valve is an exhaust / drain valve that serves as both drainage and exhaust from the liquid reservoir of the gas-liquid separator.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記排気弁の開放時点からの排気量を算出する排気量算出手段を備え、
前記排気制御手段は、前記排気量算出手段で算出した排気量が所定の目標排気量に到達したときに前記排気弁を閉鎖するものである、
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
An exhaust amount calculating means for calculating an exhaust amount from the opening time of the exhaust valve;
The exhaust control means closes the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculating means reaches a predetermined target exhaust amount.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記排気制御手段は、前記排気量算出手段で算出した排気量が、前記燃料電池の発電状態に基づいて設定される目標排気量に到達したときに前記排気弁を閉鎖するものである、
請求項4に記載の燃料電池システム。
The exhaust control unit closes the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculating unit reaches a target exhaust amount set based on a power generation state of the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 4.
前記排気制御手段は、前記排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて前記排気弁の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して前記排気弁を閉鎖するものである、
請求項4に記載の燃料電池システム。
The exhaust control means calculates a closing delay amount of the exhaust valve based on a difference between an upstream pressure and a downstream pressure of the exhaust valve, and precedes in time based on the calculated closing delay amount. Which closes the exhaust valve,
The fuel cell system according to claim 4.
前記排出流路から前記排気弁を介して排出されたガスを希釈するための希釈ガスを供給する希釈ガス供給手段と、
前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われているか否かを判定する異常検出手段と、を備え、
前記排気制御手段は、前記異常検出手段で前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定した場合に、前記希釈ガス供給手段からの希釈ガスの供給量に応じて前記排気弁の開弁時間を制限するものである、
請求項4から6の何れか一項に記載の燃料電池システム。
Dilution gas supply means for supplying a dilution gas for diluting the gas discharged from the discharge passage through the exhaust valve;
An abnormality detecting means for determining whether or not the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculating means is normally performed,
The exhaust control means, when the abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed, the exhaust control means according to the supply amount of the dilution gas from the dilution gas supply means It limits the opening time of the exhaust valve,
The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6.
前記希釈ガス供給手段は、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを前記希釈ガスとして供給するものである、
請求項7に記載の燃料電池システム。
The dilution gas supply means supplies oxidation off-gas discharged from the fuel cell as the dilution gas.
The fuel cell system according to claim 7.
前記排気量算出手段は、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて前記排気弁からの排気量を算出するものであり、
前記異常検出手段は、前記可変ガス供給装置の異常を検出した場合に前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定するものである、
請求項7又は8に記載の燃料電池システム。
The exhaust amount calculation means calculates an exhaust amount from the exhaust valve based on a gas supply state from the variable gas supply device,
The abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed when an abnormality of the variable gas supply device is detected.
The fuel cell system according to claim 7 or 8.
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを備え、
前記排気量算出手段は、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて前記排気弁からの排気量を算出するものであり、
前記異常検出手段は、前記センサの異常を検出した場合に前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定するものである、
請求項7又は8に記載の燃料電池システム。
A sensor for detecting a gas supply state from the variable gas supply device;
The exhaust amount calculation means calculates an exhaust amount from the exhaust valve based on a gas supply state from the variable gas supply device,
The abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed when an abnormality of the sensor is detected.
The fuel cell system according to claim 7 or 8.
前記可変ガス供給装置は、インジェクタである、
請求項1から10の何れか一項に記載の燃料電池システム。
The variable gas supply device is an injector.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10.
燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムの排気量推定方法であって、
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて前記排気弁からの排気量を算出する算出工程を含む排気量推定方法。
A fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a variable gas supply device that adjusts the gas state on the upstream side of the supply channel and supplies it to the downstream side And an exhaust valve for exhausting the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an exhaust valve for exhausting the gas in the exhaust channel to the outside. And
An exhaust amount estimation method including a calculation step of calculating an exhaust amount from the exhaust valve based on time integration of a change in a gas supply state from the variable gas supply device.
前記算出工程では、前記可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、前記可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、前記排気弁からの排気量を算出する、請求項12に記載の排気量推定方法。   In the calculation step, a pressure change corresponding flow rate converted from a change in downstream pressure of the variable gas supply device, and a time integrated value of a gas correction supply flow rate to compensate for a decrease in downstream pressure of the variable gas supply device, The exhaust amount estimation method according to claim 12, wherein the exhaust amount from the exhaust valve is calculated by adding. 前記可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを設け、
前記算出工程では、前記センサで検出されたガス供給状態と、所定の目標供給状態との偏差が所定の閾値を超えた時点から、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算を開始する請求項12に記載の排気量推定方法。
A sensor for detecting a gas supply state from the variable gas supply device;
In the calculating step, the time integration for the change in the gas supply state from the variable gas supply device from the time when the deviation between the gas supply state detected by the sensor and the predetermined target supply state exceeds a predetermined threshold value. The exhaust amount estimation method according to claim 12, which starts the operation.
前記算出工程は、前記燃料電池の発電時における燃料ガスの消費量の変化分に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する発電補正工程を含む請求項12に記載の排気量推定方法。   13. The exhaust amount estimation method according to claim 12, wherein the calculation step includes a power generation correction step of correcting an exhaust amount from the exhaust valve based on a change in fuel gas consumption during power generation of the fuel cell. 前記算出工程は、前記燃料電池から排出される燃料オフガスの温度に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する温度補正工程を含む請求項12に記載の排気量推定方法。   13. The exhaust amount estimation method according to claim 12, wherein the calculating step includes a temperature correction step of correcting an exhaust amount from the exhaust valve based on a temperature of a fuel off gas discharged from the fuel cell. 前記算出工程は、前記燃料電池システムの燃料ガス流路におけるガス漏れ量に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する漏れ補正工程を含む請求項12に記載の排気量推定方法。   The exhaust amount estimation method according to claim 12, wherein the calculating step includes a leak correction step of correcting an exhaust amount from the exhaust valve based on a gas leak amount in a fuel gas flow path of the fuel cell system. 前記漏れ補正工程では、前記燃料電池内の燃料ガス流路から電解質膜を介して酸化ガス流路へと透過する燃料ガスのクロスリーク量に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する請求項17に記載の排気量推定方法。   The amount of exhaust from the exhaust valve is corrected based on the amount of cross leak of fuel gas that permeates from the fuel gas channel in the fuel cell to the oxidizing gas channel through the electrolyte membrane in the leak correction step. The displacement estimation method according to claim 17.
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