JP2002313385A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素との化
学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池からな
る燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポ
ータブル発電器等の移動体に適用して有効である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell which generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is applied to a moving body such as a vehicle, a ship and a portable generator. It is valid.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、水素と酸素との電気化学反
応により電気エネルギを発生させる。燃料電池を構成す
るセル内部では、供給された水素ガスおよび酸素ガスが
化学反応により消費されるため、セルの出口付近ではガ
ス濃度が低くなって十分な起電力が得られなくなる。こ
のセル出口付近における起電力低下を防ぎ、燃料電池の
出力低下を防ぐためには、セル出口付近でも十分なガス
濃度を確保する必要がある。2. Description of the Related Art Fuel cells generate electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Since the supplied hydrogen gas and oxygen gas are consumed by the chemical reaction inside the cells constituting the fuel cell, the gas concentration becomes low near the outlet of the cell, and a sufficient electromotive force cannot be obtained. In order to prevent the electromotive force from decreasing near the cell outlet and prevent the output of the fuel cell from decreasing, it is necessary to ensure a sufficient gas concentration also near the cell outlet.
【０００３】このため、燃料電池システムでは、燃料電
池が要求出力を出力するために必要とされる水素流量お
よび酸素流量に対して、所定の過剰率で水素等を燃料電
池に供給している。供給水素、供給酸素のうち反応に用
いられなかったガスは、未反応ガスとして燃料電池から
排出される。For this reason, in a fuel cell system, hydrogen and the like are supplied to the fuel cell at a predetermined excess ratio with respect to a hydrogen flow rate and an oxygen flow rate required for the fuel cell to output a required output. Of the supply hydrogen and supply oxygen, the gas not used for the reaction is discharged from the fuel cell as an unreacted gas.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところが、現状では燃
料電池に供給される水素および酸素は、固定の過剰率
（例えば１．２倍）で供給されている。このため、特に
高負荷運転時においては、水素等の供給量を増大すると
過剰分も比例して増大することとなり、未反応ガスが増
大して発電効率が低下する。However, at present, hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell are supplied at a fixed excess ratio (for example, 1.2 times). For this reason, especially at the time of high-load operation, when the supply amount of hydrogen or the like is increased, the excess amount also increases in proportion, and the unreacted gas increases, and the power generation efficiency decreases.
【０００５】本発明は、上記点に鑑み、排出される未反
応ガスを減少させることが可能な燃料電池システムを提
供することを目的とする。[0005] In view of the above, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of reducing unreacted gas discharged.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを化学反
応させて、電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）
を有する燃料電池システムであって、燃料電池（１０）
に供給される水素あるいは酸素の少なくとも一方のガス
供給量を制御するガス供給量制御手段（２１、３２）
と、ガス供給量制御手段（２１、３２）により供給量を
制御されて燃料電池（１０）に供給された後に、燃料電
池（１０）から排出される水素あるいは酸素の少なくと
も一方の排出ガス流量を検出する排出ガス流量検出手段
（２３、２４、３４〜３６）とを備え、排出ガス流量検
出手段（２３、２４、３４〜３６）により検出した排出
ガス流量が所定目標流量となるように、ガス供給量制御
手段（２１、３２）によるガス供給量の制御を行うこと
を特徴としている。In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (10) in which hydrogen and oxygen are chemically reacted to generate electric energy.
A fuel cell system comprising a fuel cell (10)
Supply control means (21, 32) for controlling the supply of at least one of hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell
After the supply amount is controlled by the gas supply amount control means (21, 32) and supplied to the fuel cell (10), the flow rate of at least one of hydrogen and oxygen discharged from the fuel cell (10) is reduced. Exhaust gas flow rate detecting means (23, 24, 34 to 36) for detecting the exhaust gas flow rate so that the exhaust gas flow rate detected by the exhaust gas flow rate detecting means (23, 24, 34 to 36) becomes a predetermined target flow rate. The gas supply amount is controlled by the supply amount control means (21, 32).
【０００７】このように出口ガス流量が所定量となるよ
うに制御することで、常に燃料電池に対して必要最低限
のガスを供給することが可能となる。これによりどのよ
うな運転状況においても、未反応のまま燃料電池から排
出されるガスの量を最小に抑えることができる。この結
果、未反応のまま燃料電池から排出される水素あるいは
酸素の量を低減することができ、発電効率を向上させる
ことができる。[0007] By controlling the outlet gas flow rate to a predetermined amount in this way, it is possible to always supply the minimum necessary gas to the fuel cell. This makes it possible to minimize the amount of gas discharged from the fuel cell without any reaction under any operating conditions. As a result, the amount of hydrogen or oxygen discharged from the fuel cell without being reacted can be reduced, and the power generation efficiency can be improved.
【０００８】また、請求項２に記載の発明では、所定目
標流量と排出ガス流量との制御偏差に基づいて比例積分
制御を行う比例積分制御器（４１）を備え、燃料電池
（１０）に対する要求出力を燃料電池（１０）が発電す
るのに必要とされる水素あるいは酸素の少なくとも一方
の必要供給量をガス基本供給量とし、比例積分制御器に
よる比例積分制御により、ガス基本供給量に対するガス
補正供給量を取得し、燃料電池（１０）に対するガス供
給量が、ガス基本供給量にガス補正供給量を加えた量と
なるように、ガス供給量制御手段（２１、３２）による
ガス供給量の制御を行うことを特徴としている。According to the present invention, there is provided a proportional-integral controller (41) for performing proportional-integral control based on a control deviation between a predetermined target flow rate and an exhaust gas flow rate. The required supply amount of at least one of hydrogen and oxygen required for the fuel cell (10) to generate power is set as the basic gas supply amount, and the gas is corrected for the basic gas supply amount by proportional integral control by a proportional integral controller. The supply amount is acquired, and the gas supply amount is controlled by the gas supply amount control means (21, 32) so that the gas supply amount to the fuel cell (10) is the amount obtained by adding the gas correction supply amount to the basic gas supply amount. It is characterized by performing control.
【０００９】このような比例積分制御（ＰＩ制御）を用
いることにより、排出ガス流量を所定目標流量に迅速か
つ確実に到達させることができる。なお、比例制御およ
び積分制御に加え、さらに微分制御（Ｄ制御）を組み合
わせて用いてもよい。By using such proportional integral control (PI control), the flow rate of exhaust gas can quickly and reliably reach a predetermined target flow rate. Note that, in addition to the proportional control and the integral control, a differential control (D control) may be used in combination.
【００１０】また、請求項３に記載の発明では、排出ガ
ス流量検出手段は、燃料電池（１０）の水素極側から排
出される水素極側排ガス中の水素流量を検出する排出水
素流量検出手段（３４〜３６）であるとともに、水素極
側排ガスの温度を検出する温度センサ（３４）と、水素
極側排ガスの圧力を検出する圧力センサ（３５）と、水
素極側排ガスの流量を検出する水素極側排ガス流量セン
サ（３６）とを備えており、温度センサ（３４）により
検出した温度と、圧力センサ（３５）により検出した圧
力と、流量センサ（３６）により検出した水素極側排ガ
ス流量とに基づいて、水素極側排ガス中の水素流量を算
出することを特徴としている。これにより、水素極側排
ガス中の水素流量を間接的に検出することができる。According to the third aspect of the present invention, the exhaust gas flow rate detecting means detects the hydrogen flow rate in the hydrogen electrode side exhaust gas discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell (10). (34-36), a temperature sensor (34) for detecting the temperature of the hydrogen electrode side exhaust gas, a pressure sensor (35) for detecting the pressure of the hydrogen electrode side exhaust gas, and detecting a flow rate of the hydrogen electrode side exhaust gas. A hydrogen electrode side exhaust gas flow rate sensor (36), a temperature detected by the temperature sensor (34), a pressure detected by the pressure sensor (35), and a hydrogen electrode side exhaust gas flow rate detected by the flow rate sensor (36). Based on this, the flow rate of hydrogen in the exhaust gas on the hydrogen electrode side is calculated. This makes it possible to indirectly detect the hydrogen flow rate in the hydrogen electrode side exhaust gas.
【００１１】また、請求項４に記載の発明では、排出ガ
ス流量検出手段は、燃料電池（１０）から排出される酸
素極側排ガス中の酸素流量を検出する排出酸素流量検出
手段（２３、２４）であるとともに、酸素極側排ガス中
の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（２３）と、酸素
極側排ガスの流量を検出する酸素極側排ガス流量センサ
（２４）とを備え、酸素濃度センサ（２３）により検出
した酸素濃度と、酸素極側排ガス流量センサ（３６）に
より検出した酸素極側排ガス流量とに基づいて、酸素極
側排ガス中の酸素流量を算出することを特徴としてい
る。これにより、酸素極側排ガス中の酸素流量を間接的
に検出することができる。Further, in the invention according to claim 4, the exhaust gas flow rate detecting means detects the oxygen flow rate in the exhaust gas on the oxygen electrode side discharged from the fuel cell (10). ), An oxygen concentration sensor (23) for detecting the oxygen concentration in the oxygen electrode side exhaust gas, and an oxygen electrode side exhaust gas flow sensor (24) for detecting the flow rate of the oxygen electrode side exhaust gas. An oxygen flow rate in the oxygen electrode side exhaust gas is calculated based on the oxygen concentration detected by the oxygen electrode side exhaust gas flow rate sensor (36) detected by the oxygen electrode side exhaust gas flow rate sensor (36). This makes it possible to indirectly detect the oxygen flow rate in the oxygen electrode side exhaust gas.
【００１２】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。The reference numerals in parentheses of the above-mentioned means indicate the correspondence with the concrete means described in the embodiments described later.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池
システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車
（燃料電池車両）に適用したものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. The fuel cell system of the present embodiment is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using a fuel cell as a power source.
【００１４】図１は、本実施形態の燃料電池システムの
全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態
の燃料電池システムは、燃料電池１０、空気供給装置２
１、水素供給装置３１、制御部４０等を備えている。FIG. 1 shows the overall configuration of a fuel cell system according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell 10, an air supply device 2,
1, a hydrogen supply device 31, a control unit 40, and the like.
【００１５】燃料電池（ＦＣスタック）１０は、水素と
酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので
ある。本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電
解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複
数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一
対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１０
は、図示しない走行用モータ（負荷）や２次電池等の電
気機器に電力を供給するように構成されている。燃料電
池１０では、水素および空気（酸素）が供給されること
により、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気
エネルギが発生する。 （水素極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （酸素極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ 燃料電池１０に供給された水素および酸素のうち、上記
化学反応に用いられなかった未反応分は、排気ガスとし
て燃料電池１０の酸素極側および水素極側から排出され
る。本実施形態では、燃料電池１０の酸素極側から排出
される酸素極側排ガス中に含まれる酸素流量について、
予め所定の目標出口酸素流量ＦｒO2が定められている。
同様に、燃料電池１０の水素極側から排出される水素極
側排ガス中に含まれる水素流量についても、予め所定の
目標出口水素流量ＦｒH2が定められている。なお、目標
出口酸素流量ＦｒO2と目標出口水素流量ＦｒH2は固定値
でもよく、ガス供給量等に応じた可変値としてもよい。A fuel cell (FC stack) 10 generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Fuel cell 10
Is configured to supply electric power to electric devices such as a running motor (load) and a secondary battery (not shown). In the fuel cell 10, the supply of hydrogen and air (oxygen) causes the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen to generate electric energy. (Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e − (Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O Of the hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell 10, they were not used in the above chemical reaction. Unreacted components are exhausted from the oxygen electrode side and the hydrogen electrode side of the fuel cell 10 as exhaust gas. In the present embodiment, the flow rate of oxygen contained in the oxygen electrode side exhaust gas discharged from the oxygen electrode side of the fuel cell 10 is as follows.
A predetermined target outlet oxygen flow rate Fr O2 is determined in advance.
Similarly, a predetermined target outlet hydrogen flow rate Fr H2 is also determined in advance for the hydrogen flow rate contained in the hydrogen electrode side exhaust gas discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell 10. The target outlet oxygen flow rate Fr O2 and the target outlet hydrogen flow rate Fr H2 may be a fixed value or may be a variable value corresponding to the gas supply amount and the like.
【００１６】また、上記化学反応により、燃料電池１０
内部では生成水が発生する。この生成水は、水蒸気と水
の状態で燃料電池１０から排出される排気ガス中に含ま
れて、燃料電池１０から排出される。Also, the fuel cell 10
Generated water is generated inside. The generated water is contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell 10 in the state of water vapor and water, and is discharged from the fuel cell 10.
【００１７】燃料電池システムには、燃料電池１０の酸
素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経
路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供
給するための水素経路３０が設けられている。空気経路
２０の最上流部には空気供給装置（コンプレッサ）２１
が設けられ、水素経路３０の最上流部には水素供給装置
３１が設けられている。水素供給装置３１としては、例
えば改質反応により水素を生成する改質装置、あるいは
水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵す
る水素タンクを用いることができる。The fuel cell system includes an air path 20 for supplying air (oxygen) to the oxygen electrode (positive electrode) side of the fuel cell 10 and a hydrogen path for supplying hydrogen to the hydrogen electrode (negative electrode) side of the fuel cell 10. Hydrogen path 30 is provided. An air supply device (compressor) 21 is provided at the most upstream portion of the air path 20.
Is provided, and a hydrogen supply device 31 is provided at the most upstream portion of the hydrogen path 30. As the hydrogen supply device 31, for example, a reforming device that generates hydrogen by a reforming reaction, or a hydrogen tank that contains a hydrogen storage material such as a hydrogen storage alloy and stores pure hydrogen can be used.
【００１８】燃料電池１０への空気供給量（酸素供給
量）は、コンプレッサ２１の回転数を変動させることで
調整することができる。また、水素経路３０における燃
料電池１０の下流側には水素供給量調整バルブ３２が設
けられており、このバルブ３２の開度を調整すること
で、燃料電池１０への水素供給量を調整することができ
る。The air supply amount (oxygen supply amount) to the fuel cell 10 can be adjusted by changing the rotation speed of the compressor 21. Further, a hydrogen supply amount adjustment valve 32 is provided on the hydrogen path 30 downstream of the fuel cell 10, and by adjusting the opening of the valve 32, the hydrogen supply amount to the fuel cell 10 can be adjusted. Can be.
【００１９】上記電気化学反応のためには、燃料電池１
０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている
必要がある。このため、空気経路２０および水素経路３
０には、燃料電池１０に供給される空気および水素を加
湿するために、図示しない加湿器が設けられている。For the above electrochemical reaction, the fuel cell 1
The electrolyte membrane in 0 needs to be in a wet state containing water. Therefore, the air path 20 and the hydrogen path 3
At 0, a humidifier (not shown) is provided to humidify the air and hydrogen supplied to the fuel cell 10.
【００２０】空気経路２０、水素経路３０における燃料
電池１０の下流側には、それぞれ気液分離器２２、３３
が設けられている。この気液分離器２２、３３により、
排気ガス中に含まれる水分が水と水蒸気に分離される。Downstream of the fuel cell 10 in the air path 20 and the hydrogen path 30 are gas-liquid separators 22 and 33, respectively.
Is provided. By these gas-liquid separators 22 and 33,
Moisture contained in the exhaust gas is separated into water and water vapor.
【００２１】空気経路２０における気液分離器２２の下
流側には、酸素極側排ガス中の酸素濃度を検出する酸素
濃度センサ（Ｏ２センサ）２３と、酸素極側排ガスの流
量を検出する酸素極側排ガス流量センサ２４が設けられ
ている。これらのＯ２センサ２３と酸素極側排ガス流量
センサ２４により、酸素極側排ガス中に含まれる酸素流
量を検出する排出酸素流量検出手段が構成される。On the downstream side of the gas-liquid separator 22 in the air path 20, an oxygen concentration sensor (O2 sensor) 23 for detecting the oxygen concentration in the oxygen electrode side exhaust gas, and an oxygen electrode for detecting the flow rate of the oxygen electrode side exhaust gas A side exhaust gas flow sensor 24 is provided. The O2 sensor 23 and the oxygen electrode side exhaust gas flow rate sensor 24 constitute an exhaust oxygen flow rate detecting means for detecting the oxygen flow rate contained in the oxygen electrode side exhaust gas.
【００２２】水素経路３０における気液分離器３３の下
流側には、水素極側排ガスの温度を検出する温度センサ
３４と、水素極側排ガスの圧力を検出する圧力センサ３
５と、水素極側排ガスの流量を検出する水素極側排ガス
流量センサ３６が設けられている。これらの温度センサ
３４、圧力センサ３５、水素極側排ガス流量センサ３６
により、水素極側排ガス中に含まれる水素流量を検出す
る排出水素流量検出手段が構成される。Downstream of the gas-liquid separator 33 in the hydrogen passage 30, a temperature sensor 34 for detecting the temperature of the hydrogen electrode side exhaust gas and a pressure sensor 3 for detecting the pressure of the hydrogen electrode side exhaust gas are provided.
5 and a hydrogen electrode side exhaust gas flow rate sensor 36 for detecting the flow rate of the hydrogen electrode side exhaust gas. These temperature sensor 34, pressure sensor 35, hydrogen electrode side exhaust gas flow sensor 36
Thus, an exhausted hydrogen flow rate detecting means for detecting the hydrogen flow rate contained in the hydrogen electrode side exhaust gas is constituted.
【００２３】本実施形態の燃料電池システムには、各種
制御を行う制御部４０が設けられている。制御部４０に
は、Ｏ２センサ２３、酸素極側排ガス流量センサ２４、
温度センサ３４、圧力センサ３５、水素極側排ガス流量
センサ３６等から、各センサ信号が入力するように構成
されている。また、制御部４０は、コンプレッサ２１、
水素供給量調整バルブ３２等に対して制御信号を出力す
るように構成されている。The fuel cell system according to the present embodiment is provided with a control unit 40 for performing various controls. The control unit 40 includes an O2 sensor 23, an oxygen electrode side exhaust gas flow sensor 24,
Each sensor signal is input from a temperature sensor 34, a pressure sensor 35, a hydrogen electrode side exhaust gas flow rate sensor 36, and the like. Further, the control unit 40 controls the compressor 21,
It is configured to output a control signal to the hydrogen supply amount adjustment valve 32 and the like.
【００２４】本実施形態では、燃料電池１０から排出さ
れる酸素流量および水素流量が、予め定められた目標出
口酸素流量ＦｒO2および目標出口水素流量ＦｒH2となる
ように、空気供給量および水素供給量のフィードバック
制御が行われる。本実施形態の燃料電池システムでは、
図３に示す比例積分制御器４１を備えている。この比例
積分制御器４１による比例積分制御により、空気供給量
あるいは水素供給量の補正値が算出される。[0024] In this embodiment, oxygen flow rate and the hydrogen flow rate is discharged from the fuel cell 10, so that the target outlet oxygen flow rate Fr O2 and the target outlet hydrogen flow rate Fr H2 predetermined air supply amount and the hydrogen supply Feedback control of the quantity is performed. In the fuel cell system of the present embodiment,
A proportional-integral controller 41 shown in FIG. 3 is provided. By the proportional integral control by the proportional integral controller 41, a correction value of the air supply amount or the hydrogen supply amount is calculated.
【００２５】次に、本実施形態の燃料電池システムにお
けるガス供給量制御について図３〜図６に基づいて説明
する。図３は、ガス供給量制御の手順を示すフローチャ
ートである。以下のガス供給量制御は、所定の制御間隔
で繰り返し行われる。Next, gas supply amount control in the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of gas supply amount control. The following gas supply amount control is repeatedly performed at predetermined control intervals.
【００２６】まず、車両運転者によるアクセル開度を検
出する（ステップＳ１００）。このアクセル開度に基づ
いて、車両走行に必要な燃料電池１０に対する要求電力
Ｐｒを算出する（ステップＳ１１０）。この要求出力Ｐ
ｒに基づいて、燃料電池１０が要求出力Ｐｒを発電する
ために必要な空気供給量を所定の算出式により算出し、
これを空気基本供給量Ａｏとする（ステップＳ１２
０）。First, the accelerator opening by the vehicle driver is detected (step S100). The required power Pr for the fuel cell 10 required for running the vehicle is calculated based on the accelerator opening (step S110). This required output P
r, the air supply amount required for the fuel cell 10 to generate the required output Pr is calculated by a predetermined calculation formula,
This is set as the basic air supply amount Ao (step S12).
0).
【００２７】次に、燃料電池１０の酸素極側から排出さ
れる酸素極側排ガス中に含まれる酸素流量を検出する
（ステップＳ１３０）。この酸素排ガス流量の検出につ
いて図４のフローチャートに基づいて説明する。Next, the flow rate of oxygen contained in the exhaust gas on the oxygen electrode side discharged from the oxygen electrode side of the fuel cell 10 is detected (step S130). The detection of the oxygen exhaust gas flow rate will be described with reference to the flowchart of FIG.
【００２８】まず、Ｏ２センサ２３にて気液分離器２２
を通過した酸素極側排ガス中の酸素濃度を検出する（ス
テップＳ１３１）。酸素極側排ガス流量センサ２４によ
り酸素極側排ガスの流量（体積流量）Ｖａｉｒを検出す
る（ステップＳ１３２）。次に、酸素極側排ガス中に含
まれる出口酸素流量（質量流量）ＦO2を、ＦO2＝Ｖａｉ
ｒ×酸素濃度にて算出する（ステップＳ１３３）。First, the gas-liquid separator 22 is detected by the O2 sensor 23.
The oxygen concentration in the oxygen-side exhaust gas that has passed through is detected (step S131). The flow rate (volume flow rate) Vair of the oxygen electrode side exhaust gas is detected by the oxygen electrode side exhaust gas flow sensor 24 (step S132). Next, the outlet oxygen flow rate (mass flow rate) F O2 contained in the oxygen electrode side exhaust gas is calculated as follows: F O2 = Vai
It is calculated by r × oxygen concentration (step S133).
【００２９】次に、空気供給量の補正量Ａ１を算出する
（ステップＳ１４０）。この補正量Ａ１は、図２で示す
比例積分制御器４１を用いて、出口酸素流量ＦO2と目標
出口酸素流量ＦｒO2との制御偏差に基づいて比例積分制
御（ＰＩ制御）することにより算出する。このような比
例制御と積分制御を組み合わせて用いることにより、出
口酸素流量ＦO2を目標出口酸素流量ＦｒO2に迅速かつ確
実に到達させることができる。なお、図４に示すよう
に、比例制御および積分制御に加え、さらに微分制御
（Ｄ制御）を組み合わせて用いてもよい。Next, a correction amount A1 of the air supply amount is calculated (step S140). This correction amount A1 is calculated by performing proportional integral control (PI control) based on a control deviation between the outlet oxygen flow rate F O2 and the target outlet oxygen flow rate Fr O2 using the proportional integral controller 41 shown in FIG. . By using such a combination of the proportional control and the integral control, the outlet oxygen flow rate F O2 can quickly and reliably reach the target outlet oxygen flow rate Fr O2 . As shown in FIG. 4, in addition to proportional control and integral control, differential control (D control) may be used in combination.
【００３０】次に、空気供給量Ａを、Ａ＝空気基本供給
量Ａｏ＋空気補正供給量Ａ１により決定する（ステップ
Ｓ１５０）。この空気供給量Ａを燃料電池１０に供給す
るように、コンプレッサ２１の回転数を制御する。これ
により、燃料電池１０の出口酸素流量ＦO2が、所定の目
標出口酸素流量ＦｒO2となるように制御することができ
る。Next, the air supply amount A is determined by A = the basic air supply amount Ao + the air correction supply amount A1 (step S150). The rotation speed of the compressor 21 is controlled so that the air supply amount A is supplied to the fuel cell 10. Thereby, it is possible to control the outlet oxygen flow rate F O2 of the fuel cell 10 to be a predetermined target outlet oxygen flow rate Fr O2 .
【００３１】次に、上記ステップＳ１１０で求めた要求
出力Ｐｒに基づいて、燃料電池１０が要求出力Ｐｒを発
電するために必要な水素供給量を所定の算出式により算
出し、これを水素基本供給量Ｈｏとする（ステップＳ１
６０）。Next, based on the required output Pr obtained in step S110, a hydrogen supply amount required for the fuel cell 10 to generate the required output Pr is calculated by a predetermined calculation formula, and this is calculated as the basic hydrogen supply. The amount is set to Ho (step S1).
60).
【００３２】次に、燃料電池１０の水素極側から排出さ
れる水素極側排ガス中に含まれる水素流量を検出する
（ステップＳ１７０）。この水素排ガス流量の検出につ
いて図５のフローチャートに基づいて説明する。Next, the flow rate of hydrogen contained in the exhaust gas on the hydrogen electrode side discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell 10 is detected (step S170). The detection of the hydrogen exhaust gas flow rate will be described with reference to the flowchart of FIG.
【００３３】まず、温度センサ３４により気液分離器３
３を通過した水素極側排ガスの温度ＴH2を検出し（ステ
ップＳ１７１）、圧力センサ３５により水素極側排ガス
の圧力ＰH2を検出し（ステップＳ１７２）、水素極側排
ガス流量センサ３６により水素極側排ガスの流量（体積
流量）ＶH2を検出する（ステップＳ１７３）。First, the gas-liquid separator 3 is detected by the temperature sensor 34.
The temperature T H2 of the hydrogen electrode-side exhaust gas that has passed through Step 3 is detected (Step S171), the pressure P H2 of the hydrogen electrode-side exhaust gas is detected by the pressure sensor 35 (Step S172), and the hydrogen electrode is output by the hydrogen electrode-side exhaust gas flow sensor 36. The flow rate (volume flow rate) V H2 of the side exhaust gas is detected (step S173).
【００３４】次に、気液分離器３３を通過した水素極側
排ガス中の水蒸気分圧Ｐｗを算出する（ステップＳ１７
４）。水素極側排ガスは気液分離器３３にて水が分離さ
れて、水蒸気のみを含んでいる。図６は水蒸気分圧と温
度との関係を示している。温度ＴH2における水素極側排
ガス中の水蒸気分圧Ｐｗ（ＴH2）の算出は、図６の水蒸
気分圧と温度との関係がマップ化されたものを用いて行
う。Next, the partial pressure Pw of water vapor in the exhaust gas on the hydrogen electrode side that has passed through the gas-liquid separator 33 is calculated (step S17).
4). The hydrogen electrode side exhaust gas is separated from water by the gas-liquid separator 33 and contains only water vapor. FIG. 6 shows the relationship between the water vapor partial pressure and the temperature. The calculation of the water vapor partial pressure Pw (T H2 ) in the hydrogen electrode side exhaust gas at the temperature T H2 is performed using a map of the relationship between the water vapor partial pressure and the temperature in FIG.
【００３５】次に、水素極側排ガス中の水素濃度を算出
する（ステップＳ１７５）。水素濃度は気体の状態方程
式に基づいて、水素濃度＝（ＰH2−Ｐｗ（ＴH2））／
（Ｒ×ＴH2）により求めることができる。但しＲは気体
定数とする。次に、水素極側排ガス中の出口水素流量
（質量流量）ＦH2を、ＦH2＝水素極側排ガス流量ＶH2×
水素濃度にて算出する（ステップＳ１７６）。Next, the hydrogen concentration in the hydrogen electrode side exhaust gas is calculated (step S175). The hydrogen concentration is calculated based on the equation of state of the gas as follows: hydrogen concentration = (P H2 −Pw (T H2 )) /
(R × T H2 ). However, R is a gas constant. Next, the outlet hydrogen flow rate (mass flow rate) F H2 in the hydrogen electrode side exhaust gas is represented by F H2 = hydrogen electrode side exhaust gas flow rate V H2 ×
The calculation is performed based on the hydrogen concentration (step S176).
【００３６】次に、燃料電池１０に対する水素供給量の
補正量Ｈ１を算出する（ステップＳ１８０）。出口水素
流量ＦH2と目標出口水素流量ＦｒH2との偏差を、上記ス
テップＳ１４０と同様に比例積分制御することにより補
正量Ｈ１を算出する。Next, a correction amount H1 of the hydrogen supply amount to the fuel cell 10 is calculated (step S180). The correction amount H1 is calculated by performing a proportional integral control on the deviation between the outlet hydrogen flow rate F H2 and the target outlet hydrogen flow rate Fr H2 as in step S140.
【００３７】次に、水素供給量Ｈを、Ｈ＝Ｈｏ＋Ｈ１に
より算出する（ステップＳ１９０）。水素供給量Ｈを燃
料電池１０に供給するように、水素供給量調整バルブ３
２の開度を制御する。これにより、燃料電池１０の出口
水素流量ＦH2が、所定の目標出口水素流量ＦｒH2となる
ように制御することができる。Next, the hydrogen supply amount H is calculated by H = Ho + H1 (step S190). In order to supply the hydrogen supply amount H to the fuel cell 10, the hydrogen supply amount adjustment valve 3
2 is controlled. Thereby, it is possible to control the outlet hydrogen flow rate F H2 of the fuel cell 10 to be a predetermined target outlet hydrogen flow rate Fr H2 .
【００３８】以上、本実施形態によれば、空気供給量お
よび水素供給量の制御により、燃料電池１０から排出さ
れる酸素流量および水素流量が、予め定められた目標出
口酸素流量ＦｒO2および目標出口水素流量ＦｒH2となる
ように制御される。このように出口ガス流量が所定量と
なるように制御することで、常に燃料電池１０に対して
必要最低限のガスを供給することが可能となり、どのよ
うな運転状況においても排出されるガスの量を最小に抑
えることができる。この結果、未反応のまま燃料電池か
ら排出される水素および酸素の量を低減することがで
き、発電効率を向上させることができる。As described above, according to the present embodiment, by controlling the air supply amount and the hydrogen supply amount, the oxygen flow rate and the hydrogen flow rate discharged from the fuel cell 10 are reduced to the predetermined target outlet oxygen flow rate Fr O2 and target outlet flow rate. The hydrogen flow rate is controlled to be Fr H2 . By controlling the outlet gas flow rate to be a predetermined amount in this way, it is possible to always supply the minimum necessary gas to the fuel cell 10 and to control the amount of gas discharged under any operating conditions. The amount can be kept to a minimum. As a result, the amount of hydrogen and oxygen discharged from the fuel cell without being reacted can be reduced, and the power generation efficiency can be improved.
【００３９】（他の実施形態）なお、上記実施形態で
は、燃料電池１０に供給される空気および水素の双方に
ついて、出口ガス量に基づくガス供給量制御を行った
が、これに限らず、いずれか一方のみについてガス供給
量制御を行うように構成してもよい。(Other Embodiments) In the above embodiment, the gas supply amount control based on the outlet gas amount is performed for both the air and the hydrogen supplied to the fuel cell 10, but the invention is not limited to this. The gas supply amount control may be performed for only one of them.
【００４０】また、上記実施形態では、Ｏ２センサ２３
と酸素極側排ガス流量センサ２４から排出酸素流量検出
手段を構成したが、他の手段によって、燃料電池１０の
出口酸素流量ＦO2を検出してもよい。同様に、温度セン
サ３４、圧力センサ３５、水素極側排ガス流量センサ３
６から排出水素流量検出手段を構成したが、他の手段に
よって燃料電池１０の出口水素流量ＦH2を検出してもよ
い。In the above embodiment, the O2 sensor 23
Although the exhausted oxygen flow rate detecting means is constituted by the exhaust gas flow rate sensor 24 and the oxygen electrode side exhaust gas flow rate sensor 24, the outlet oxygen flow rate FO2 of the fuel cell 10 may be detected by other means. Similarly, the temperature sensor 34, the pressure sensor 35, and the hydrogen electrode side exhaust gas flow sensor 3
Although the exhausted hydrogen flow rate detecting means is constituted from FIG. 6, the outlet hydrogen flow rate F H2 of the fuel cell 10 may be detected by other means.
【００４１】例えば、燃料電池１０から排出される酸素
極側排ガス中の酸素流量を直接検出できる酸素流量セン
サ、水素極側排ガス中の水素流量を直接検出できる水素
流量センサを用いて出口ガス流量ＦO2、ＦH2を検出する
ようにしてもよい。For example, an outlet gas flow rate F using an oxygen flow rate sensor capable of directly detecting the oxygen flow rate in the oxygen electrode side exhaust gas discharged from the fuel cell 10 and a hydrogen flow rate sensor capable of directly detecting the hydrogen flow rate in the hydrogen electrode side exhaust gas. O2 and FH2 may be detected.
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの概念図であ
る。FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to the embodiment.
【図２】上記実施形態のガス供給量制御の手順を示すフ
ローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of gas supply amount control of the embodiment.
【図３】酸素排ガス流量算出手順を示すフローチャート
である。FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for calculating an oxygen exhaust gas flow rate.
【図４】比例積分制御器の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of a proportional-integral controller.
【図５】酸素排ガス流量算出手順を示すフローチャート
である。FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for calculating an oxygen exhaust gas flow rate.
【図６】水蒸気の分圧曲線を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a partial pressure curve of water vapor.
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、２０…空気経路、２
１…コンプレッサ、２２、３３…気液分離器、２３…Ｏ
２センサ、２４…酸素極側排ガス流量センサ、３０…水
素経路、３３…水素流量調整バルブ、３４…温度セン
サ、３５…圧力センサ、３６…水素極側排ガス流量セン
サ、４０…制御部、４１…比例積分制御器。10: fuel cell (FC stack), 20: air path, 2
1 ... compressor, 22, 33 ... gas-liquid separator, 23 ... O
2 sensors, 24: oxygen electrode side exhaust gas flow sensor, 30: hydrogen path, 33: hydrogen flow control valve, 34: temperature sensor, 35: pressure sensor, 36: hydrogen electrode side exhaust gas flow sensor, 40: control unit, 41 ... Proportional-integral controller.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 晴彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 岡本 邦夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA14 DD00 DD03 KK06 KK22 KK23 KK25 KK26 KK31 KK44 5H115 PA08 PG04 PI18 PU01 SE06 TI10 TR19 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Haruhiko Kato 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Pref. F term (reference) 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA14 DD00 DD03 KK06 KK22 KK23 KK25 KK26 KK31 KK44 5H115 PA08 PG04 PI18 PU01 SE06 TI10 TR19
Claims (4)
ネルギを発生させる燃料電池（１０）を有する燃料電池
システムであって、 前記燃料電池（１０）に供給される水素あるいは酸素の
少なくとも一方のガス供給量を制御するガス供給量制御
手段（２１、３２）と、 前記ガス供給量制御手段（２１、３２）により供給量を
制御されて前記燃料電池（１０）に供給された後に、前
記燃料電池（１０）から排出される水素あるいは酸素の
少なくとも一方の排出ガス流量を検出する排出ガス流量
検出手段（２３、２４、３４〜３６）とを備え、 前記排出ガス流量検出手段（２３、２４、３４〜３６）
により検出した排出ガス流量が所定目標流量となるよう
に、前記ガス供給量制御手段（２１、３２）によるガス
供給量の制御を行うことを特徴とする燃料電池システ
ム。1. A fuel cell system comprising a fuel cell (10) for generating electrical energy by chemically reacting hydrogen and oxygen, wherein at least one of hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell (10). A gas supply amount control means (21, 32) for controlling a gas supply amount of the fuel cell; and a supply amount controlled by the gas supply amount control means (21, 32) to be supplied to the fuel cell (10). Exhaust gas flow rate detecting means (23, 24, 34 to 36) for detecting at least one of an exhaust gas flow rate of hydrogen and oxygen discharged from the fuel cell (10); , 34-36)
A fuel cell system characterized in that the gas supply amount is controlled by the gas supply amount control means (21, 32) so that the exhaust gas flow amount detected by the above becomes a predetermined target flow amount.
の制御偏差に基づいて比例積分制御を行う比例積分制御
器（４１）を備え、 前記燃料電池（１０）に対する要求出力を前記燃料電池
（１０）が発電するのに必要とされる水素あるいは酸素
の少なくとも一方の必要供給量をガス基本供給量とし、 前記比例積分制御器による比例積分制御により、前記ガ
ス基本供給量に対するガス補正供給量を取得し、 前記燃料電池（１０）に対するガス供給量が、前記ガス
基本供給量に前記ガス補正供給量を加えた量となるよう
に、前記ガス供給量制御手段（２１、３２）によるガス
供給量の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池システム。2. A fuel cell system comprising: a proportional-integral controller (41) for performing a proportional-integral control based on a control deviation between the predetermined target flow rate and the exhaust gas flow rate; 10) The required supply amount of at least one of hydrogen and oxygen required for generating power is defined as the basic gas supply amount, and the proportional integration control by the proportional integration controller is used to calculate the gas correction supply amount with respect to the basic gas supply amount. The gas supply amount by the gas supply amount control means (21, 32) so that the gas supply amount to the fuel cell (10) is the amount obtained by adding the gas correction supply amount to the gas basic supply amount. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control is performed.
電池（１０）の水素極側から排出される水素極側排ガス
中の水素流量を検出する排出水素流量検出手段（３４〜
３６）であるとともに、前記水素極側排ガスの温度を検
出する温度センサ（３４）と、前記水素極側排ガスの圧
力を検出する圧力センサ（３５）と、前記水素極側排ガ
スの流量を検出する水素極側排ガス流量センサ（３６）
とを備えており、 前記温度センサ（３４）により検出した温度と、前記圧
力センサ（３５）により検出した圧力と、前記流量セン
サ（３６）により検出した水素極側排ガス流量とに基づ
いて、前記水素極側排ガス中の水素流量を算出すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池
システム。3. An exhaust gas flow rate detecting means for detecting a flow rate of hydrogen in a hydrogen electrode side exhaust gas discharged from a hydrogen electrode side of the fuel cell.
36), a temperature sensor (34) for detecting a temperature of the hydrogen electrode side exhaust gas, a pressure sensor (35) for detecting a pressure of the hydrogen electrode side exhaust gas, and detecting a flow rate of the hydrogen electrode side exhaust gas. Hydrogen electrode side exhaust gas flow sensor (36)
Based on a temperature detected by the temperature sensor (34), a pressure detected by the pressure sensor (35), and a hydrogen electrode side exhaust gas flow rate detected by the flow rate sensor (36). 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein a flow rate of hydrogen in the exhaust gas on the hydrogen electrode side is calculated.
電池（１０）から排出される酸素極側排ガス中の酸素流
量を検出する排出酸素流量検出手段（２３、２４）であ
るとともに、前記酸素極側排ガス中の酸素濃度を検出す
る酸素濃度センサ（２３）と、前記酸素極側排ガスの流
量を検出する酸素極側排ガス流量センサ（２４）とを備
え、 前記酸素濃度センサ（２３）により検出した酸素濃度
と、前記酸素極側排ガス流量センサ（３６）により検出
した酸素極側排ガス流量とに基づいて、前記酸素極側排
ガス中の酸素流量を算出することを特徴とする請求項１
ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。4. The exhaust gas flow rate detecting means is a discharge oxygen flow rate detecting means (23, 24) for detecting an oxygen flow rate in an oxygen electrode side exhaust gas discharged from the fuel cell (10). An oxygen concentration sensor (23) for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas on the pole side, and an oxygen exhaust gas flow rate sensor (24) for detecting the flow rate of the exhaust gas on the oxygen electrode side are detected by the oxygen concentration sensor (23). 2. An oxygen flow rate in said oxygen-electrode-side exhaust gas is calculated based on the detected oxygen concentration and an oxygen-electrode-side exhaust gas flow rate detected by said oxygen-electrode-side exhaust gas flow rate sensor (36).
4. The fuel cell system according to any one of items 3 to 3.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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