JP2005150025A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2005150025A JP2003389313A JP2003389313A JP2005150025A JP 2005150025 A JP2005150025 A JP 2005150025A JP 2003389313 A JP2003389313 A JP 2003389313A JP 2003389313 A JP2003389313 A JP 2003389313A JP 2005150025 A JP2005150025 A JP 2005150025A
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Yoshinao Otake
義直 大竹
Masatoshi Iio
雅俊 飯尾
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of maintaining water balance in a good condition by suppressing water discharged outside. <P>SOLUTION: In this fuel cell system, water contained in the discharged air discharged from an air outlet of the fuel cell stack 1A is transferred to compressed air supplied to an air inlet of the fuel cell stack 1A by a membrane type humidifier 4 when fuel gas and oxidation gas are supplied to a fuel cell by controlling oxidation gas pressure and fuel gas pressure according to an output required by a fuel cell stack 1A generating using hydrogen gas and air. A discharged air temperature is detected, and an output limiting circuit 21 performs output limiting, so that the higher the temperature of the discharge air is, the lower the maximum output of the fuel cell stack 1A is. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給して、当該燃料電池を発電させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that supplies fuel gas and oxidant gas to a fuel cell to generate power.

従来より、下記の特許文献1に記載されているように、水透過型中空糸膜を備えた加湿器(WRD(Water Recovery Device))を燃料電池のガス供給側配管及びガス排出側配管に設けた燃料電池システムが知られている。   Conventionally, as described in Patent Document 1 below, a humidifier (WRD (Water Recovery Device)) having a water-permeable hollow fiber membrane is provided in a gas supply side pipe and a gas discharge side pipe of a fuel cell. Fuel cell systems are known.

この特許文献1に記載されたシステムでは、加湿器によって、燃料電池から排出される高湿潤状態のガスから燃料電池に向かう低湿潤状態のガスに水分を移動させて、燃料電池の加湿等を行っている。
特開2002−216815号公報
In the system described in Patent Document 1, moisture is moved by a humidifier to move the moisture from the high-humidity gas discharged from the fuel cell to the low-humidity gas directed to the fuel cell, thereby humidifying the fuel cell. ing.
JP 2002-216815 A

しかしながら、上述した従来の技術では、燃料電池の発電量が高くなって燃料電池の温度が上昇すると、燃料電池から排出される酸化剤ガスであるカソードオフガスに含まれる水蒸気量が増加して、当該カソードオフガスに含まれる水分を加湿器で回収しきれなくなってしまう。したがって、従来の技術では、カソードオフガスに含まれた状態で外部に捨てられる水分量が増加し、システム全体での水収支が悪化するという問題点があった。   However, in the conventional technology described above, when the amount of power generated by the fuel cell increases and the temperature of the fuel cell rises, the amount of water vapor contained in the cathode offgas, which is the oxidant gas discharged from the fuel cell, increases. Moisture contained in the cathode off gas cannot be completely collected by the humidifier. Therefore, the conventional technique has a problem that the amount of water discarded to the outside in the state of being included in the cathode off gas increases, and the water balance of the entire system is deteriorated.

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、外部に排出する水分を抑制して、水収支を良好な状態に保持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress water discharged to the outside and maintain a water balance in a good state. And

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池に要求される出力に応じて、ガス供給手段により、燃料電池に供給する酸化剤ガス圧力及び燃料ガス圧力を制御して、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する場合に、加湿器により、燃料電池の酸化剤ガス出口から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を、ガス供給手段により燃料電池の酸化剤ガス入口に供給される酸化剤ガスに移動させる。   In the fuel cell system according to the present invention, the oxidant gas pressure and the fuel gas pressure supplied to the fuel cell are adjusted by the gas supply means according to the output required for the fuel cell that generates power using the fuel gas and the oxidant gas. When fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell under control, the moisture contained in the oxidant gas discharged from the oxidant gas outlet of the fuel cell by the humidifier is supplied to the fuel cell by the gas supply means. It moves to the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas inlet.

このとき、本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガス温度検出手段により燃料電池の酸化剤ガス出口から排出された酸化剤ガスの温度を検出し、出力制限手段により、酸化剤ガス温度検出手段により検出された酸化剤ガス温度が高いほど、燃料電池の最大出力を低くする出力制限を行うことにより、上述の課題を解決する。   At this time, the fuel cell system according to the present invention detects the temperature of the oxidant gas discharged from the oxidant gas outlet of the fuel cell by the oxidant gas temperature detection means, and the oxidant gas temperature detection means by the output limiting means. The above-mentioned problem is solved by performing output restriction that lowers the maximum output of the fuel cell as the oxidant gas temperature detected by (1) increases.

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の排出酸化剤ガスの温度が高いほど燃料電池の最大出力を低くするように出力制限を行うので、燃料電池の発熱量を抑制して、燃料電池から加湿器に送られる水分を低減することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、加湿器を通過して外部に排出される水分を抑制することができ、水収支を良好な状態に保持することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the output is limited so that the maximum output of the fuel cell is lowered as the temperature of the exhaust oxidant gas of the fuel cell is higher. The moisture sent from the battery to the humidifier can be reduced. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to suppress moisture that passes through the humidifier and is discharged to the outside, and the water balance can be maintained in a good state.

以下、本発明の第1実施形態〜第3実施形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
本発明は、例えば図1に示すように構成された第1実施形態に係る燃料電池システムに適用される。
[First Embodiment]
The present invention is applied to the fuel cell system according to the first embodiment configured as shown in FIG. 1, for example.

[燃料電池システムの構成]
この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池本体1を備える。この燃料電池本体1は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成された燃料電池スタック1Aを有する。本例においては、燃料電池スタック1Aが発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給する燃料電池システムについて説明する。
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell main body 1 that generates electric power when supplied with a fuel gas and an oxidant gas. The fuel cell main body 1 includes a fuel cell structure in which a fuel cell structure in which an air electrode and a hydrogen electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched between separators, and a plurality of cell structures are stacked. 1A. In this example, a fuel cell system in which the fuel cell stack 1A supplies hydrogen gas as a fuel gas for generating a power generation reaction to the hydrogen electrode and supplies air containing oxygen as an oxidant gas to the air electrode will be described. .

また、この燃料電池本体1は、後述する純水タンク13に貯蔵された水分を使用して燃料電池スタック1Aに供給される空気を加湿すると共に、燃料電池スタック1Aから排出される空気及び水素ガスに含まれる一部の水分を除去する機構を有し、純水タンク13に凝縮水を送る気液分離器1B(PSS)を備える。この燃料電池本体1は、燃料電池スタック1Aと気液分離器1Bとが一体化されて構成されている。   The fuel cell body 1 humidifies air supplied to the fuel cell stack 1A using moisture stored in a pure water tank 13 described later, and air and hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 1A. The gas-liquid separator 1 </ b> B (PSS) that has a mechanism for removing a part of the water contained in the water and sends condensed water to the pure water tank 13 is provided. The fuel cell main body 1 is configured by integrating a fuel cell stack 1A and a gas-liquid separator 1B.

この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1Aの空気極に加湿した空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック1Aの水素極に水素ガスを供給する水素供給系、燃料電池スタック1Aに供給する空気を加湿するための純水循環系を備える。このような燃料電池システムは、後述する各部の状態が出力制御回路21に読み込まれ、出力制御回路21及び車両コントローラ22によって制御される。   In this fuel cell system, an air supply system that supplies humidified air to the air electrode of the fuel cell stack 1A, a hydrogen supply system that supplies hydrogen gas to the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1A, and air supplied to the fuel cell stack 1A. A pure water circulation system is provided for humidification. In such a fuel cell system, the state of each part to be described later is read into the output control circuit 21 and controlled by the output control circuit 21 and the vehicle controller 22.

空気供給系は、燃料電池本体1の空気入口1aに接続された空気供給配管L1にコンプレッサ2、アフタークーラ3及び膜式加湿器(WRD)4が設けられ、燃料電池本体1の空気出口1bに接続された空気排出配管L2に膜式加湿器4が設けられ、外部排出配管L3に空気圧力調整弁5及びアクチュエータ6が設けられて構成されている。膜式加湿器4は、燃料電池本体1から排出された排出空気に含まれる水分を回収し、当該回収した水分を燃料電池スタック1Aに供給する圧縮空気に移動させる。これにより、膜式加湿器4は、燃料電池スタック1Aに供給する圧縮空気の湿度を高くする。   In the air supply system, a compressor 2, an aftercooler 3 and a membrane humidifier (WRD) 4 are provided in an air supply pipe L1 connected to an air inlet 1a of the fuel cell main body 1, and an air outlet 1b of the fuel cell main body 1 is provided. A membrane type humidifier 4 is provided in the connected air discharge pipe L2, and an air pressure adjusting valve 5 and an actuator 6 are provided in the external discharge pipe L3. The membrane humidifier 4 collects moisture contained in the discharged air discharged from the fuel cell main body 1, and moves the collected moisture to compressed air that supplies the fuel cell stack 1A. Thus, the membrane humidifier 4 increases the humidity of the compressed air supplied to the fuel cell stack 1A.

このような空気供給系において、空気は、大気がコンプレッサ2により加圧され、アフタークーラ3で冷却された後に、膜式加湿器4の圧縮空気入口4aに導入される。そして、圧縮空気入口4aに導入された空気は、水分によって加湿された後に圧縮空気出口4bから排出されて気液分離器1Bに送られる。   In such an air supply system, the air is introduced into the compressed air inlet 4 a of the membrane humidifier 4 after the atmosphere is pressurized by the compressor 2 and cooled by the aftercooler 3. The air introduced into the compressed air inlet 4a is humidified by moisture and then discharged from the compressed air outlet 4b and sent to the gas-liquid separator 1B.

気液分離器1Bは、圧縮空気が供給されると共に、純水供給系を構成する純水循環配管を介して純水タンク13から純水が循環される。この気液分離器1Bは、圧縮空気が供給されると、純水タンク13からの純水によって圧縮空気を加湿して更に湿度を高くして燃料電池スタック1Aに供給する。   The gas-liquid separator 1 </ b> B is supplied with compressed air, and pure water is circulated from the pure water tank 13 through a pure water circulation pipe constituting a pure water supply system. When the compressed air is supplied, the gas-liquid separator 1B humidifies the compressed air with pure water from the pure water tank 13 to further increase the humidity and supplies it to the fuel cell stack 1A.

そして、燃料電池スタック1Aに供給された圧縮空気は、酸素が発電反応に使用され、燃料電池スタック1Aでの発熱によって温度が上昇されて飽和水蒸気量が上昇すると共に、更に湿度が上昇された排出空気として気液分離器1Bに送られる。そして、排出空気は、気液分離器1Bで冷却されることによって温度が低下して飽和水蒸気量が低下する。これにより、気液分離器1Bは、排出空気に含まれる一部の水分が凝縮することにより発生した凝縮水を純水循環配管を介して純水タンク13に回収する。   In the compressed air supplied to the fuel cell stack 1A, oxygen is used for the power generation reaction, the temperature is increased by the heat generated in the fuel cell stack 1A, the saturated water vapor amount is increased, and the humidity is further increased. The air is sent to the gas-liquid separator 1B. And exhaust air is cooled with the gas-liquid separator 1B, and temperature falls, and saturated water vapor | steam amount falls. Thereby, the gas-liquid separator 1B collects the condensed water generated by condensing a part of the moisture contained in the discharged air in the pure water tank 13 through the pure water circulation pipe.

このように一部の水分が除去された排出空気は、空気出口1b及び空気排出配管L2を介して膜式加湿器4の排出空気入口4cに導入され、膜式加湿器4内で残存した水分が回収されて膜式加湿器4dから外部排出配管L3に排出され、空気圧力調整弁5を介して外部に排出される。   The exhaust air from which part of the moisture has been removed in this way is introduced into the exhaust air inlet 4c of the membrane humidifier 4 via the air outlet 1b and the air exhaust pipe L2, and the moisture remaining in the membrane humidifier 4 Is recovered and discharged from the membrane humidifier 4 d to the external discharge pipe L 3 and discharged to the outside via the air pressure adjustment valve 5.

水素供給系は、燃料電池本体1の水素入口1cに接続された水素供給配管L4に水素タンク7、水素ヒータ8及びエゼクタ9が設けられ、燃料電池本体1の水素出口1dに接続された水素循環配管L5にセパレータタンク10及びエゼクタ9が設けられ、水素ガスを放出するガス排出配管L6にセパレータタンク10、パージ弁11及びアクチュエータ12が設けられて構成されている。   The hydrogen supply system includes a hydrogen tank 7, a hydrogen heater 8, and an ejector 9 provided in a hydrogen supply pipe L 4 connected to the hydrogen inlet 1 c of the fuel cell main body 1, and a hydrogen circulation connected to the hydrogen outlet 1 d of the fuel cell main body 1. A separator tank 10 and an ejector 9 are provided in the pipe L5, and a separator tank 10, a purge valve 11 and an actuator 12 are provided in a gas discharge pipe L6 for releasing hydrogen gas.

このような水素供給系において、水素ガスは、水素タンク7に貯蔵された状態から水素出口7aを介して、水素ヒータ8の水素入口8aに導入され、水素ヒータ8で燃料電池スタック1Aでの発電に適した温度とされて、水素出口8bから排出されて、エゼクタ9に供給される。このエゼクタ9は、通常、水素ヒータ8からの水素ガスと、燃料電池スタック1Aの水素出口1dからのガスとを混合して、燃料電池スタック1Aの水素入口1cに供給する。ここで、燃料電池スタック1Aの水素出口1dから排出されるガスには、水素のみならず、窒素や水蒸気が含まれる。したがって、この水素供給系は、水素ヒータ8を通過した乾燥状態の水素ガスと、燃料電池スタック1Aを通過して湿潤状態となっているガスとを混合して、加湿した水素ガスを燃料電池スタック1Aに供給する。   In such a hydrogen supply system, hydrogen gas is introduced from the state stored in the hydrogen tank 7 into the hydrogen inlet 8a of the hydrogen heater 8 through the hydrogen outlet 7a, and the hydrogen heater 8 generates power in the fuel cell stack 1A. The temperature is set to a temperature suitable for the discharge from the hydrogen outlet 8 b and supplied to the ejector 9. The ejector 9 normally mixes the hydrogen gas from the hydrogen heater 8 and the gas from the hydrogen outlet 1d of the fuel cell stack 1A and supplies the mixed gas to the hydrogen inlet 1c of the fuel cell stack 1A. Here, the gas discharged from the hydrogen outlet 1d of the fuel cell stack 1A includes not only hydrogen but also nitrogen and water vapor. Therefore, the hydrogen supply system mixes the dry hydrogen gas that has passed through the hydrogen heater 8 and the gas that has passed through the fuel cell stack 1A and has become wet into the fuel cell stack. Supply to 1A.

そして、燃料電池スタック1Aに供給された水素ガスは、水素が発電反応に使用され、燃料電池スタック1Aでの発熱によって温度が上昇されて飽和水蒸気量が上昇すると共に、更に湿度が上昇されて気液分離器1Bに送られる。そして、水素ガスは、気液分離器1Bで冷却されることによって温度が低下して飽和水蒸気量が低下する。これにより、気液分離器1Bは、水素ガスに含まれる一部の水分が凝縮することにより発生した凝縮水を純水循環配管を介して純水タンク13に回収させる。   In the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1A, hydrogen is used for the power generation reaction, the temperature rises due to heat generation in the fuel cell stack 1A, the saturated water vapor amount rises, and the humidity further rises. It is sent to the liquid separator 1B. Then, the hydrogen gas is cooled by the gas-liquid separator 1B, whereby the temperature is lowered and the saturated water vapor amount is lowered. As a result, the gas-liquid separator 1B causes the pure water tank 13 to collect the condensed water generated by the condensation of a part of the moisture contained in the hydrogen gas via the pure water circulation pipe.

このように気液分離器1Bを通過した水素ガスは、燃料電池スタック1Aの水素出口1dから排出されて、セパレータタンク10の水素入口10aに送られる。セパレータタンク10は、水素出口1dから送られた水素ガスを冷却することによって凝縮水を発生させて、水素ガスに含まれる一部の水分を回収して、循環ガスとして水素出口10bからエゼクタ9に送る。   Thus, the hydrogen gas that has passed through the gas-liquid separator 1B is discharged from the hydrogen outlet 1d of the fuel cell stack 1A and sent to the hydrogen inlet 10a of the separator tank 10. The separator tank 10 generates condensed water by cooling the hydrogen gas sent from the hydrogen outlet 1d, collects a part of the water contained in the hydrogen gas, and passes from the hydrogen outlet 10b to the ejector 9 as a circulating gas. send.

また、この水素供給系は、燃料電池スタック1Aに循環させるガスに水素以外の窒素や水蒸気等の不純物が蓄積した場合などに、パージ弁11を開状態にするようにアクチュエータ12が制御される。これにより、水素供給系は、燃料電池スタック1Aに循環させているガスをセパレータタンク10及びパージ弁11を介して燃焼器やファン等に供給して、外部に排出する。   In this hydrogen supply system, the actuator 12 is controlled so that the purge valve 11 is opened when impurities other than hydrogen, such as nitrogen and water vapor, accumulate in the gas circulated in the fuel cell stack 1A. As a result, the hydrogen supply system supplies the gas circulated to the fuel cell stack 1A to the combustor, the fan, and the like via the separator tank 10 and the purge valve 11 and discharges them to the outside.

更に、純水循環系は、図示しない純水ポンプ等を備え、当該純水ポンプを駆動することにより、純水タンク13に貯蔵した純水を気液分離器1Bの純水入口1eに導入して純水を気液分離器1Bに循環させたり、気液分離器1Bで燃料電池スタック1Aを通過した空気や水素ガスから除去した凝縮水を純水出口1fから純水タンク13に回収する。   Furthermore, the pure water circulation system includes a pure water pump (not shown) and the like, and drives the pure water pump to introduce pure water stored in the pure water tank 13 into the pure water inlet 1e of the gas-liquid separator 1B. Then, the pure water is circulated to the gas-liquid separator 1B, or the condensed water removed from the air and hydrogen gas that has passed through the fuel cell stack 1A by the gas-liquid separator 1B is collected in the pure water tank 13 from the pure water outlet 1f.

このような燃料電池システムは、気液分離器1B及び膜式加湿器4で十分に空気及び水素ガスに含まれる水分を回収することにより、空気圧力調整弁5を介して外部に破棄する水分を抑制してシステム全体での水収支を良好なものとするために、燃料電池スタック1Aの最大出力値を制限する出力制限処理を出力制御回路21により実行する。なお、出力制御回路21は、この出力制限処理を実行する処理手順を記述したプログラムを内部ROM(Read Only Memory)等に記憶しておき、当該プログラムをCPU(Central Processing Unit)等により実行する。   In such a fuel cell system, the gas / liquid separator 1B and the membrane humidifier 4 sufficiently recover the moisture contained in the air and hydrogen gas, so that the moisture discarded outside via the air pressure regulating valve 5 is removed. The output control circuit 21 executes an output restriction process for restricting the maximum output value of the fuel cell stack 1A in order to suppress the water balance in the entire system and improve the water balance. The output control circuit 21 stores a program describing a processing procedure for executing the output restriction process in an internal ROM (Read Only Memory) or the like, and executes the program by a CPU (Central Processing Unit) or the like.

このように出力制限処理を行うため、燃料電池システムは、出力制御回路21により各部の状態を検出するための各種センサを備える。具体的には、燃料電池システムは、気液分離器1Bと膜式加湿器4とを接続する空気排出配管L2に設けられた空気圧力センサ31及び空気温度センサ32、燃料電池スタック1Aとセパレータタンク10とを接続する水素循環配管L5に設けられた水素温度センサ33、純水タンク13内に設けられた水位レベルセンサ34、燃料電池本体1の発電量(出力)を検出する出力センサ35を備え、出力制御回路21により各種センサ信号を読み込む処理を行う。なお、この出力制限処理の詳細な内容については後述する。   In order to perform the output restriction process in this way, the fuel cell system includes various sensors for detecting the state of each part by the output control circuit 21. Specifically, the fuel cell system includes an air pressure sensor 31 and an air temperature sensor 32 provided in an air discharge pipe L2 connecting the gas-liquid separator 1B and the membrane humidifier 4, a fuel cell stack 1A, and a separator tank. 10 is provided with a hydrogen temperature sensor 33 provided in a hydrogen circulation pipe L5 connecting to the water 10, a water level sensor 34 provided in the pure water tank 13, and an output sensor 35 for detecting the power generation amount (output) of the fuel cell body 1. The output control circuit 21 performs processing for reading various sensor signals. The detailed contents of this output restriction process will be described later.

[出力制限処理]
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、出力制御回路21によりシステム全体での水収支を良好なものとするために燃料電池スタック1Aの最大出力を制限する出力制限処理の処理手順を図2に示すフローチャートを参照して説明する。
[Output restriction processing]
Next, in the fuel cell system configured as described above, the output control circuit 21 limits the maximum output of the fuel cell stack 1A in order to improve the water balance of the entire system by the output control circuit 21. Will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

この出力制限処理は、燃料電池スタック1Aに要求される発電量に応じて最大出力を設定し、空気圧力及び空気流量、水素圧力及び水素流量を調整して、空気及び水素ガスを燃料電池スタック1Aに供給して発電反応を行わせている場合に、例えば所定期間ごとに実行される。   In this output limiting process, the maximum output is set according to the amount of power generation required for the fuel cell stack 1A, the air pressure, the air flow rate, the hydrogen pressure and the hydrogen flow rate are adjusted, and the air and hydrogen gas are supplied to the fuel cell stack 1A. For example, it is executed every predetermined period when the power generation reaction is performed.

先ず、ステップS1においては、出力制御回路21により、空気温度センサ32からのセンサ信号及び出力センサ35からのセンサ信号を読み込んで、燃料電池本体1の排出空気温度及び燃料電池本体1の出力値を検出する。   First, in step S1, the sensor signal from the air temperature sensor 32 and the sensor signal from the output sensor 35 are read by the output control circuit 21, and the exhaust air temperature of the fuel cell body 1 and the output value of the fuel cell body 1 are calculated. To detect.

次のステップS2においては、出力制御回路21により、ステップS1にて検出した空気温度が、ステップS1にて検出した燃料電池本体1の出力値に応じて変化する水収支成立上限温度よりも高いか否かを判定する。この時、出力制御回路21は、図3に示すような燃料電池スタック1Aの出力と水収支成立上限温度との関係を記述した出力制限テーブルを参照する。   In the next step S2, whether the air temperature detected in step S1 by the output control circuit 21 is higher than the water balance establishment upper limit temperature that changes according to the output value of the fuel cell body 1 detected in step S1. Determine whether or not. At this time, the output control circuit 21 refers to an output restriction table describing the relationship between the output of the fuel cell stack 1A and the water balance establishment upper limit temperature as shown in FIG.

この水収支成立上限温度は、燃料電池スタック1Aの出力値、すなわち燃料電池スタック1Aでの発電量に応じた発熱量によって変化するものである。すなわち、この水収支成立上限温度は、膜式加湿器4から空気圧力調整弁5を介して外部に放出する水分を抑制した状態で、空気圧力調整弁5から排出されている水分が少なく水収支がプラスとなる状態と、空気圧力調整弁5から排出されている水分が多く水収支がマイナスとなる状態との間の空気温度が実験等によって予め求められている。   This water balance establishment upper limit temperature varies depending on the output value of the fuel cell stack 1A, that is, the amount of heat generated according to the amount of power generated in the fuel cell stack 1A. That is, this water balance establishment upper limit temperature is a state in which moisture released from the membrane humidifier 4 to the outside through the air pressure adjustment valve 5 is suppressed, and the water balance discharged from the air pressure adjustment valve 5 is small. The air temperature between the state in which the air pressure is positive and the state in which the amount of water discharged from the air pressure adjustment valve 5 is large and the water balance is negative has been obtained in advance by experiments or the like.

これにより、出力制御回路21は、現在の燃料電池本体1の出力値に応じた水収支成立上限温度を求め、現在の空気温度が水収支成立上限温度よりも高くないと判定した場合には、水収支がプラスとなって、排出する純水が多くなく水収支が成立すると判定してステップS1に処理を戻す。一方、出力制御回路21は、現在の空気温度が水収支成立上限温度よりも高いと判定した場合には、排出する純水が多く水収支がマイナスとなってシステム全体で純水が不足する可能性があると判定してステップS3に処理を進める。   Thereby, the output control circuit 21 obtains the water balance establishment upper limit temperature according to the current output value of the fuel cell main body 1, and when it is determined that the current air temperature is not higher than the water balance establishment upper limit temperature, When the water balance is positive, it is determined that there is not much pure water to be discharged and the water balance is established, and the process returns to step S1. On the other hand, if the output control circuit 21 determines that the current air temperature is higher than the water balance establishment upper limit temperature, there is a large amount of pure water to be discharged, and the water balance is negative, so that the entire system may run out of pure water. The process proceeds to step S3.

ステップS3においては、出力制御回路21により、空気温度センサ32により検出される燃料電池本体1の排出空気の温度が、水収支成立上限温度よりも低くなるように燃料電池本体1の最大出力を制限する。   In step S3, the output control circuit 21 limits the maximum output of the fuel cell main body 1 so that the temperature of the exhaust air of the fuel cell main body 1 detected by the air temperature sensor 32 is lower than the water balance establishment upper limit temperature. To do.

このとき、出力制御回路21では、車両コントローラ22により空気圧力調整弁5の開度を低くして燃料電池スタック1A内の空気圧力や空気流量を低下させる処理や、パージ弁11を開状態にして燃料電池スタック1A内の水素圧力や水素流量を制限する処理を行う。これにより、出力制御回路21では、燃料電池本体1の最大出力を低下させることにより、燃料電池スタック1Aの温度を低下させて、燃料電池本体1の排出空気の温度を低下させる。   At this time, in the output control circuit 21, the vehicle controller 22 lowers the opening of the air pressure adjustment valve 5 to lower the air pressure and the air flow rate in the fuel cell stack 1A, and the purge valve 11 is opened. A process of limiting the hydrogen pressure and the hydrogen flow rate in the fuel cell stack 1A is performed. Thereby, in the output control circuit 21, the temperature of the fuel cell stack 1A is lowered by lowering the maximum output of the fuel cell main body 1, and the temperature of the exhaust air of the fuel cell main body 1 is lowered.

[第1実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池本体1の排出空気の温度が高いほど燃料電池スタック1Aの最大出力値を低くするように出力制限を行うので、燃料電池スタック1Aの発熱量を抑制して、燃料電池スタック1Aから気液分離器1Bに送られる水分を低減することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、膜式加湿器4を通過して、外部に排出される水分を抑制することができ、純水タンク13の貯蔵されている純水の消費量を多くすることなく、水収支の悪化を抑制することができる。また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1Aの最大出力を制限することによって、燃料電池スタック1Aの発電反応によって発生する生成水量を低減することができる。
[Effect of the first embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied, the maximum output value of the fuel cell stack 1A is lowered as the temperature of the exhaust air from the fuel cell body 1 is higher. Thus, the amount of heat generated from the fuel cell stack 1A can be suppressed, and the moisture sent from the fuel cell stack 1A to the gas-liquid separator 1B can be reduced. Therefore, according to this fuel cell system, moisture that passes through the membrane humidifier 4 and is discharged to the outside can be suppressed, and consumption of pure water stored in the pure water tank 13 is increased. Without deteriorating the water balance. Further, according to this fuel cell system, by limiting the maximum output of the fuel cell stack 1A, it is possible to reduce the amount of water generated by the power generation reaction of the fuel cell stack 1A.

ここで、上述した燃料電池システムは、燃料電池スタック1Aに要求される出力値によって空気圧力及び空気流量を一義的に制御して燃料電池スタック1Aの出力値を制御しているが、燃料電池スタック1Aの出力値に対して水収支が成立する空気温度の範囲が一義的に決定されることを利用して、システム全体での水収支を確実に成立させることができる。   Here, the fuel cell system described above controls the output value of the fuel cell stack 1A by uniquely controlling the air pressure and the air flow rate according to the output value required for the fuel cell stack 1A. By making use of the fact that the air temperature range in which the water balance is established for the output value of 1A is uniquely determined, the water balance in the entire system can be established reliably.

これに対し、LLC等の冷却媒体温度等により燃料電池スタックの最大出力の制限を行う場合には、燃料電池スタックから排出される空気温度と冷却媒体温度との間のずれの影響を考慮に入れる必要があり、燃料電池スタックの出力制限を実行する場合の冷却媒体温度の余裕代を設ける必要がある。したがって、第1実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池本体1の排出空気温度を直接測定して、燃料電池スタック1Aの最大出力の制限を行うことができるので、最大出力の制限を開始する空気温度の余裕代を最小限とする水収支成立上限温度と現在の空気温度とを比較して、出力制限を精度良く且つ必要最小限とすることができる。   On the other hand, when the maximum output of the fuel cell stack is limited by the cooling medium temperature such as LLC, the influence of the deviation between the air temperature discharged from the fuel cell stack and the cooling medium temperature is taken into consideration. It is necessary to provide an allowance for the cooling medium temperature when the output restriction of the fuel cell stack is executed. Therefore, according to the fuel cell system according to the first embodiment, it is possible to directly measure the exhaust air temperature of the fuel cell main body 1 and limit the maximum output of the fuel cell stack 1A. By comparing the water balance establishment upper limit temperature that minimizes the margin of the starting air temperature with the current air temperature, the output limit can be accurately and minimized.

[第2実施形態]
つぎに、第2実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第1実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第2実施形態に係る燃料電池システムは、その構成が第1実施形態と同様であるので、当該説明も省略するものとする。
[Second Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment will be described. In addition, about the part similar to the above-mentioned 1st Embodiment, the detailed description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol. Moreover, since the structure of the fuel cell system according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, the description thereof is also omitted.

第2実施形態に係る燃料電池システムは、出力制限処理において、図4及び図6に示すような処理を行うことにより、燃料電池本体1の排出空気温度のみならず、システム全体において水収支に関連する他のパラメータを使用して、燃料電池スタック1Aの最大出力の制限を実行する点で、第1実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。   The fuel cell system according to the second embodiment performs processing as shown in FIGS. 4 and 6 in the output restriction processing, so that not only the exhaust air temperature of the fuel cell body 1 but also the water balance in the entire system is related. This is different from the fuel cell system according to the first embodiment in that the limitation of the maximum output of the fuel cell stack 1A is executed using other parameters.

この出力制限処理は、燃料電池スタック1Aで発電を行わせている時に、例えば所定期間毎に行い、先ず、出力制御回路21は、図4に示すステップS11において、空気温度センサ32からのセンサ信号を読み込むことにより燃料電池本体1の排出空気温度を検出し、ステップS12において、空気圧力センサ31からのセンサ信号を読み込むことにより燃料電池本体1の排出空気圧力を検出する。   This output restriction process is performed, for example, every predetermined period when power generation is performed in the fuel cell stack 1A. First, the output control circuit 21 detects the sensor signal from the air temperature sensor 32 in step S11 shown in FIG. Is detected, and the exhaust air temperature of the fuel cell body 1 is detected by reading the sensor signal from the air pressure sensor 31 in step S12.

次のステップS13においては、出力制御回路21により、ステップS11及びステップS12にて検出した空気圧力及び空気温度を用いて、燃料電池本体1の排出空気に含まれる水蒸気量を演算する。このとき、出力制御回路21は、排出空気温度に基づいて飽和水蒸気量を求め、当該飽和水蒸気量の範囲内で空気圧力に基づく水蒸気分圧を求めることで、空気に含まれる水蒸気量を演算する。また、出力制御回路21は、出力センサ35からのセンサ信号を読み込むことにより燃料電池スタック1Aの発電量(電流値)を検出し、当該電流値に対応する燃料電池スタック1Aの生成水量を演算する。そして、出力制御回路21は、燃料電池スタック1A内の生成水量から、空気と共に排出される水蒸気量を減算して得た差分の水分量を、気液分離器1Bによって純水タンク13に回収される水回収水量A(=タンク回収量A)とする。   In the next step S13, the output control circuit 21 calculates the amount of water vapor contained in the exhaust air of the fuel cell body 1 using the air pressure and air temperature detected in steps S11 and S12. At this time, the output control circuit 21 calculates the amount of water vapor contained in the air by obtaining the saturated water vapor amount based on the exhaust air temperature and obtaining the water vapor partial pressure based on the air pressure within the range of the saturated water vapor amount. . Further, the output control circuit 21 detects a power generation amount (current value) of the fuel cell stack 1A by reading a sensor signal from the output sensor 35, and calculates a generated water amount of the fuel cell stack 1A corresponding to the current value. . Then, the output control circuit 21 collects the difference water amount obtained by subtracting the water vapor amount discharged together with the air from the generated water amount in the fuel cell stack 1A by the gas-liquid separator 1B in the pure water tank 13. Water recovery water amount A (= tank recovery amount A).

次のステップS14においては、出力制御回路21により、例えばコンプレッサ2の回転数に基づく燃料電池本体1に供給している空気流量から、予め用意しておいた図5に示すようなマップデータを参照して、膜式加湿器4での水回収量B(=WRD回収量B)を求める。ここで、図5に示すマップデータは、膜式加湿器4に供給される空気流量の増加に伴って、直線的に膜式加湿器4の水回収量が増加するデータが設定されており、燃料電池システムの設計時に実験等によって求められている。   In the next step S14, the map data as shown in FIG. 5 prepared in advance is referred to by the output control circuit 21 from the air flow rate supplied to the fuel cell main body 1 based on the rotational speed of the compressor 2, for example. Then, the water recovery amount B (= WRD recovery amount B) in the membrane humidifier 4 is obtained. Here, the map data shown in FIG. 5 is set to data in which the water recovery amount of the membrane humidifier 4 increases linearly as the air flow rate supplied to the membrane humidifier 4 increases. It is required by experiments when designing the fuel cell system.

次のステップS15においては、出力制御回路21により、水素温度センサ33からのセンサ信号を読み込むことにより燃料電池スタック1Aの水素出口1dから排出されるガス温度を検出する。   In the next step S15, the gas temperature discharged from the hydrogen outlet 1d of the fuel cell stack 1A is detected by reading the sensor signal from the hydrogen temperature sensor 33 by the output control circuit 21.

次のステップS16においては、出力制御回路21により、ステップS15にて検出した水素ガス温度を用いて燃料電池スタック1Aの水素出口1dから排出されるガスに含まれる水蒸気量を演算し、前回のパージ弁11を開状態とした時刻からの経過時間から、燃料電池スタック1Aの水素出口1dから排出されるガスの水素及び演算した水蒸気以外のガス濃度を求める。ここで、水素以外のガス濃度を求める場合、出力制御回路21は、予め実験等により求めておいたパージ後の経過時間に応じた水素以外のガスの蓄積度合いを示すデータを用いる。そして、出力制御回路21は、水素以外のガス濃度の蓄積量の変化によって、次回にパージ弁11を開状態として水素以外のガスを排出するタイミング及びパージ弁11を開状態とする時間、すなわちガス排出時間を求め、当該排出時間及び演算した水蒸気量から、パージ弁11から排出される水量(=排出水量C)を演算する。   In the next step S16, the output control circuit 21 calculates the amount of water vapor contained in the gas discharged from the hydrogen outlet 1d of the fuel cell stack 1A using the hydrogen gas temperature detected in step S15, and the previous purge. From the elapsed time from the time when the valve 11 is opened, the concentration of gas other than hydrogen of the gas discharged from the hydrogen outlet 1d of the fuel cell stack 1A and the calculated water vapor is obtained. Here, when obtaining the gas concentration other than hydrogen, the output control circuit 21 uses data indicating the accumulation degree of the gas other than hydrogen according to the elapsed time after purging obtained in advance through experiments or the like. The output control circuit 21 then changes the accumulated amount of the gas concentration other than hydrogen, the next time when the purge valve 11 is opened and the gas other than hydrogen is discharged, and the time when the purge valve 11 is opened, that is, the gas The discharge time is obtained, and the amount of water discharged from the purge valve 11 (= discharged water amount C) is calculated from the discharge time and the calculated water vapor amount.

次に、出力制御回路21は、図6に示す出力制限判定処理に移行する。この出力制限処理は、先ずステップS21において、出力制御回路21により、水位レベルセンサ34からのセンサ信号を読み込むことにより現在の純水タンク13の水位を検出し、当該水位が予め設定した規定値以上であるか否かを判定する。そして、出力制御回路21は、水位が規定値以上であると判定した場合には、空気圧力調整弁5を介して排出される水量が多く水収支が成立していない状態であっても燃料電池スタック1Aの出力制限を行わずに処理を終了する。一方、出力制御回路21は、水位が規定値以上ではなく純水タンク13に蓄積している純水量が少ないと判定した場合には、水収支によって出力制限を行うためにステップS22に処理を進める。   Next, the output control circuit 21 proceeds to the output restriction determination process shown in FIG. In this output limiting process, first, in step S21, the output control circuit 21 detects the current water level of the pure water tank 13 by reading a sensor signal from the water level sensor 34, and the water level is equal to or higher than a preset specified value. It is determined whether or not. When the output control circuit 21 determines that the water level is equal to or higher than the specified value, the fuel cell is in a state where the amount of water discharged through the air pressure adjustment valve 5 is large and the water balance is not established. The process ends without limiting the output of the stack 1A. On the other hand, when the output control circuit 21 determines that the water level is not equal to or higher than the specified value and the amount of pure water accumulated in the pure water tank 13 is small, the process proceeds to step S22 in order to limit the output by the water balance. .

ステップS22においては、出力制御回路21により、車両コントローラ22により検出している燃料電池システムが搭載された車両の走行状態から、燃料電池スタック1Aの出力制限が可能であるか否かを判定する。そして、出力制御回路21は、出力制限が可能であると判定した場合にはステップS23に処理を進め、出力制限が不可能であると判定した場合にはステップS24に処理を進める。   In step S22, the output control circuit 21 determines whether or not the output of the fuel cell stack 1A can be limited from the traveling state of the vehicle on which the fuel cell system detected by the vehicle controller 22 is mounted. If the output control circuit 21 determines that output restriction is possible, the process proceeds to step S23. If the output control circuit 21 determines that output restriction is not possible, the output control circuit 21 proceeds to step S24.

ステップS24においては、出力制御回路21により、水収支を成立させる排空気の圧力を求め、ステップS25においては、求めた水収支を成立させる排空気の圧力となるように空気圧力調整弁5の開度を調整して、処理を終了する。ここで、出力制御回路21は、ステップS24において、現在の空気圧力よりも高くするように空気圧力調整弁5を制御する。これにより、出力制御回路21は、空気圧力調整弁5から排出される空気流量を少なくすることにより排出空気と共に排出される水蒸気量を少なくして、純水タンク13内の純水が少なくなることを抑制する。   In step S24, the output control circuit 21 obtains the pressure of exhaust air that establishes the water balance. In step S25, the air pressure adjustment valve 5 is opened so that the exhaust air pressure that establishes the obtained water balance is obtained. Adjust the degree and end the process. Here, the output control circuit 21 controls the air pressure adjusting valve 5 so as to be higher than the current air pressure in step S24. As a result, the output control circuit 21 reduces the amount of water vapor discharged together with the discharged air by reducing the flow rate of air discharged from the air pressure regulating valve 5, thereby reducing the pure water in the pure water tank 13. Suppress.

一方、出力制御回路21は、ステップS22において出力制限が可能であると判定した場合のステップS23において、ステップS16で演算した排出水量Cが、ステップS13で演算したタンク回収量AとステップS14で演算したWRD回収量Bとを加算した合計水量を上回るか否かを判定することにより、排出される純水量が回収する純水量よりも多く水収支が成立しない状態であるか否かを判定する。そして、出力制御回路21は、水収支が成立しない状態であると判定した場合にはステップS26に処理を進め、水収支が成立しない状態ではないと判定した場合にはステップS27に処理を進める。   On the other hand, in step S23 when the output control circuit 21 determines that the output can be limited in step S22, the discharged water amount C calculated in step S16 is calculated in the tank recovery amount A calculated in step S13 and in step S14. By determining whether or not the total water amount obtained by adding the WRD recovery amount B added is greater than the amount of pure water to be discharged, it is determined whether or not the water balance is not established. The output control circuit 21 proceeds to step S26 when determining that the water balance is not established, and proceeds to step S27 when determining that the water balance is not established.

ステップS27においては、出力制御回路21により、純水タンク13の水位が規定値を越えるまで回復するための出力制限を行うために、燃料電池本体1の排出空気の温度を演算する。このとき、出力制御回路21は、図7に示すように、ステップS23での判定結果ごとに用意された、燃料電池スタック1Aの出力値に応じた、燃料電池本体1の排出空気温度の上限値を示す出力制限テーブルを参照する。そして、出力制御回路21は、出力センサ35から現在の出力値を検出し、当該出力値及びステップS23での判定結果(C<A+B)から、空気温度の上限値を求める。   In step S27, the output control circuit 21 calculates the temperature of the exhaust air from the fuel cell main body 1 in order to perform output restriction for recovering until the water level in the pure water tank 13 exceeds a specified value. At this time, as shown in FIG. 7, the output control circuit 21 provides an upper limit value of the exhaust air temperature of the fuel cell main body 1 according to the output value of the fuel cell stack 1A prepared for each determination result in step S23. Refer to the output restriction table indicating. And the output control circuit 21 detects the present output value from the output sensor 35, and calculates | requires the upper limit of air temperature from the said output value and the determination result (C <A + B) in step S23.

一方、ステップS26においては、水収支を成立させるための出力制限を行うために、燃料電池本体1の排出空気温度を演算する。このとき、出力制御回路21は、出力センサ35から現在の出力値を検出し、図7に示すような出力制限テーブルを参照して、出力値及びステップS23での判定結果(C>A+B)応じた、空気温度の上限値を求める。   On the other hand, in step S26, the exhaust air temperature of the fuel cell main body 1 is calculated in order to perform output restriction for establishing a water balance. At this time, the output control circuit 21 detects the current output value from the output sensor 35, refers to the output restriction table as shown in FIG. 7, and responds to the output value and the determination result in step S23 (C> A + B). The upper limit of the air temperature is obtained.

更に、出力制御回路21は、ステップS26及びステップS27において、図7に示すような出力制限テーブルを使用せずに、タンク回収量Aが多く、C<A+Bとなる可能性が高いほど空気温度の上限値を高く設定しても良く、WRD回収量Bが多く、C<A+Bとなる可能性が高いほど空気温度の上限値を高く設定しても良く、排出水量Cが多く、C>A+Bとなる可能性が高いほど空気温度の上限値を低く設定しても良い。   Furthermore, in step S26 and step S27, the output control circuit 21 does not use the output restriction table as shown in FIG. 7, and the tank recovery amount A is large and the air temperature is more likely to be C <A + B. The upper limit value may be set higher, the WRD recovery amount B is larger, and the higher the possibility that C <A + B, the higher the upper limit value of the air temperature may be set, the larger the discharged water amount C, and C> A + B. The upper limit value of the air temperature may be set lower as the possibility becomes higher.

更にまた、出力制御回路21は、ステップS26において、排出水量Cから、タンク回収量AとWRD回収量Bとを加算した合計回収量を減算した水量が大きいほど、空気温度の上限値を低く設定しても良い。   Furthermore, in step S26, the output control circuit 21 sets the upper limit value of the air temperature to be lower as the water amount obtained by subtracting the total recovered amount obtained by adding the tank recovered amount A and the WRD recovered amount B from the discharged water amount C is increased. You may do it.

これにより、出力制御回路21は、図8に示すように、現在の空気温度がT1且つ現在の燃料電池スタック1Aの出力値がP1であって、ステップS23で水収支がマイナスであると判定された場合では、図7の「C>A+B」なる特性の上限温度となるような燃料電池スタック1Aの出力値のP2とすることにより、空気温度を現在の空気温度T1より低い上限温度のT2とする。これにより、出力制御回路21は、外部に排出される水分を少なくして、水収支がプラスとなるような燃料電池スタック1Aの最大出力を設定する。   As a result, as shown in FIG. 8, the output control circuit 21 determines that the current air temperature is T1 and the current output value of the fuel cell stack 1A is P1, and that the water balance is negative in step S23. In this case, by setting the output value P2 of the fuel cell stack 1A to be the upper limit temperature of the characteristic “C> A + B” in FIG. 7, the air temperature is set to the upper limit temperature T2 lower than the current air temperature T1. To do. As a result, the output control circuit 21 sets the maximum output of the fuel cell stack 1A so that the amount of moisture discharged to the outside is reduced and the water balance becomes positive.

このように、ステップS23での判定によって水収支が成立しない状態であると判定した場合には、水収支が成立する場合にステップS27で求めた空気温度の上限値よりも、低い空気温度の上限値を設定することにより、出力制限の度合いを大きくする。   Thus, when it is determined in step S23 that the water balance is not established, the upper limit of the air temperature lower than the upper limit value of the air temperature obtained in step S27 when the water balance is established. Setting the value increases the degree of output restriction.

次のステップS28においては、出力制御回路21により、現在の燃料電池本体1の排出空気温度が、ステップS26又はステップS27で演算した空気温度の上限値を越えているか否かを判定し、越えている場合には演算した空気温度の上限値となるように、燃料電池スタック1Aの最大出力の制限を行う。すなわち、出力制御回路21は、空気温度を低くするように燃料電池スタック1Aの発熱量を低下させることにより、多くの水蒸気が含まれていたガスから凝縮水を取り出して、気液分離器1Bの純水回収量と膜式加湿器4の純水回収量との合計量を、パージ弁11からの排出量と略同量とする。   In the next step S28, the output control circuit 21 determines whether or not the current exhaust air temperature of the fuel cell body 1 exceeds the upper limit value of the air temperature calculated in step S26 or step S27. If so, the maximum output of the fuel cell stack 1A is limited so as to be the upper limit value of the calculated air temperature. That is, the output control circuit 21 takes out the condensed water from the gas containing a large amount of water vapor by lowering the calorific value of the fuel cell stack 1A so as to lower the air temperature, so that the gas-liquid separator 1B The total amount of the pure water recovery amount and the pure water recovery amount of the membrane humidifier 4 is set to be substantially the same as the discharge amount from the purge valve 11.

[第2実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムによれば、図7に示すような出力制限テーブルを使用して、燃料電池スタック1Aの出力が高いほど、燃料電池本体1の排出空気の上限温度を低く設定し、排出空気の温度が上限温度を超えた場合に、燃料電池スタック1Aの最大出力を制限するので、確実に燃料電池スタック1Aの生成水の低減及び燃料電池スタック1Aの発熱量の抑制を行うことができ、外部に排出される水分を少なくして水収支を成立させることができる。
[Effects of Second Embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the second embodiment to which the present invention is applied, the output limit table as shown in FIG. 7 is used, and the higher the output of the fuel cell stack 1A, The upper limit temperature of the exhaust air of the fuel cell main body 1 is set low, and the maximum output of the fuel cell stack 1A is limited when the temperature of the exhaust air exceeds the upper limit temperature. Reduction and suppression of the heat generation amount of the fuel cell stack 1A can be performed, and the water balance can be established by reducing the amount of moisture discharged to the outside.

したがって、この燃料電池システムによれば、排出空気の温度のみを判定して出力制限を行う場合に比べて、より正確に必要最小限の出力制限を行うことができ、出力制限と出力制限余裕代を低減することができ、出力制限を行うことによる例えば車両走行に与える影響を低減することができる。   Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to perform the necessary minimum output restriction more accurately than in the case where the output restriction is performed by determining only the temperature of the exhaust air, and the output restriction and the output restriction margin are reduced. For example, it is possible to reduce the influence on the vehicle running due to the output restriction.

また、この燃料電池システムによれば、燃料電池本体1の排出空気に含まれる水蒸気量を演算すると共に燃料電池スタック1Aの出力に基づく生成水量を演算し、演算した水蒸気量と生成水量との差分が多いほど、排出空気の上限温度を高く設定するので、より正確に現状の水収支を把握して最大出力の制限を行うことができ、最大出力の低下代を最小限に抑制することができる。   Further, according to this fuel cell system, the amount of water vapor contained in the exhaust air of the fuel cell main body 1 is calculated and the amount of generated water based on the output of the fuel cell stack 1A is calculated, and the difference between the calculated amount of water vapor and the amount of generated water The higher the temperature, the higher the upper limit temperature of the exhaust air, so it is possible to more accurately grasp the current water balance and limit the maximum output, and to suppress the reduction margin of the maximum output to the minimum .

更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池本体1から排出される水素ガスに含まれる水蒸気量を演算して、当該水蒸気量を用いてパージ弁11から排出される水量を演算し、演算したパージ弁11から排出される水量が多いほど、排出空気の上限温度を低く設定するので、排出空気温度のみを判定して出力制限を行う場合と比較して、更に確実に水収支が成立しているかの判定を行うことができ、より正確に現状の水収支を把握して最大出力の制限を行うことができ、最大出力の低下代を最小限に抑制することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the amount of water vapor contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell body 1 is calculated, and the amount of water discharged from the purge valve 11 is calculated using the amount of water vapor. As the amount of water discharged from the purge valve 11 increases, the upper limit temperature of the discharged air is set lower. Therefore, the water balance is more reliably established as compared with the case where the output is limited by determining only the discharged air temperature. It is possible to determine whether the current water balance is more accurate and limit the maximum output, and to suppress the reduction margin of the maximum output to a minimum.

更にまた、この燃料電池システムによれば、膜式加湿器4の水回収量を演算し、当該水回収量が多いほど、燃料電池本体1の排出空気の上限温度を高く設定するので、排出空気温度のみを判定して出力制限を行う場合と比較して、更に確実に水収支が成立しているかの判定を行うことができ、より正確に現状の水収支を把握して最大出力の制限を行うことができ、最大出力の低下代を最小限に抑制することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the water recovery amount of the membrane humidifier 4 is calculated, and the higher the water recovery amount, the higher the upper limit temperature of the exhaust air of the fuel cell body 1 is set. Compared to the case where only the temperature is determined and the output is limited, it is possible to determine whether the water balance is established more reliably, and the current water balance can be grasped more accurately to limit the maximum output. This can be done, and the reduction margin of the maximum output can be minimized.

更にまた、この燃料電池システムによれば、パージ弁11から排出される排出水量Cから、WRD回収量Bとタンク回収量Aとを加算した水量を減算した水量が多いほど、燃料電池本体1の排出空気の上限温度を低く設定するので、システム全体での水排出量と水回収量とに基づいて水収支が成立しているかを判定することができる。また、この燃料電池システムによれば、水収支が成立している場合には、純水タンク13の水位を規定値以上に回復するために出力制限を行って、常に純水を規定値以上に保つことができる一方、水収支が成立していない場合には、水収支が成立している場合よりも出力制限を厳しくして、早急に水収支を回復させることができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the greater the amount of water obtained by subtracting the amount of water obtained by adding the WRD recovery amount B and the tank recovery amount A from the discharge water amount C discharged from the purge valve 11, Since the upper limit temperature of the discharged air is set low, it can be determined whether the water balance is established based on the water discharge amount and the water recovery amount in the entire system. Further, according to this fuel cell system, when the water balance is established, the output is limited in order to recover the water level of the pure water tank 13 to a specified value or more, and the pure water is always set to a specified value or more. On the other hand, when the water balance is not established, the output limit can be made stricter than when the water balance is established, and the water balance can be quickly recovered.

更にまた、この燃料電池システムによれば、タンク回収量Aを求めて排出空気温度の上限値を変更して、燃料電池スタック1Aの出力制限を行うので、純水タンク13に回収可能な凝縮水量を正確に把握し、燃料電池本体1の出力制限を行うことによる出力低下代を最小限に制御して、水収支を成立させることができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the tank recovery amount A is obtained and the upper limit value of the exhaust air temperature is changed to limit the output of the fuel cell stack 1A. The water balance can be established by accurately controlling the output and controlling the output reduction by limiting the output of the fuel cell body 1 to a minimum.

更にまた、この燃料電池システムによれば、図7に示したように、排出水量Cと、気液分離器1B及び膜式加湿器4での水回収量とを等しくするように出力制限テーブルを変更して出力制限を行うことができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, as shown in FIG. 7, the output limit table is set so that the discharged water amount C is equal to the water recovery amount in the gas-liquid separator 1B and the membrane humidifier 4. You can change the output limit.

更にまた、この燃料電池システムによれば、車両の走行状態によって燃料電池スタック1Aの出力制限が行えない場合に、燃料電池本体1に供給する空気圧力を高くするので、車両走行状態に応じて最大出力の制限を抑制することができ、車両運転性の悪化を最小限とすると共に、空気圧力を上げることにより水収支の悪化を抑制することができる。具体的には、車両コントローラ22により車両が登坂走行等の高負荷走行をしていることが検出され、例えば車両コントローラ22から出力制御回路21に出力制限を禁止する出力制限解除信号が送信され、出力制御回路21による出力制限が行えない場合には、出力制限回路21により運転圧力を増加させることで、出力制限が出来ない運転状況でも、水収支を成立させることができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when the output of the fuel cell stack 1A cannot be restricted due to the traveling state of the vehicle, the air pressure supplied to the fuel cell main body 1 is increased. The limitation of output can be suppressed, the deterioration of vehicle drivability can be minimized, and the deterioration of water balance can be suppressed by increasing the air pressure. Specifically, it is detected by the vehicle controller 22 that the vehicle is traveling at a high load such as uphill traveling, for example, an output restriction release signal for prohibiting output restriction is transmitted from the vehicle controller 22 to the output control circuit 21. When output limitation by the output control circuit 21 cannot be performed, the water balance can be established by increasing the operation pressure by the output limitation circuit 21 even in an operation situation in which output limitation cannot be performed.

更にまた、この燃料電池システムによれば、純水タンク13の水位が高いほど、燃料電池スタック1Aの最大出力を高くする出力制限を行うので、純水タンク13の水位が高い場合には水収支が多少悪化しても純水の枯渇が発生することを利用して、燃料電池スタック1Aに要求される出力を極力実現することができ、更には、純水タンク13の水位が規定値より低くなるまでの期間に出力制限を行う必要が無く、出力制限の頻度を抑制することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the higher the water level of the pure water tank 13 is, the higher the output of the fuel cell stack 1A is, so that the output is limited. The output required for the fuel cell stack 1A can be realized as much as possible by utilizing the fact that the depletion of pure water occurs even if the water level is somewhat deteriorated. Furthermore, the water level of the pure water tank 13 is lower than the specified value. There is no need to limit the output in the period until it becomes, and the frequency of output limitation can be suppressed.

[第3実施形態]
つぎに、第2実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment will be described. Note that parts similar to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この第3実施形態に係る燃料電池システムは、概略構成を図9に示すように、車両に搭載されたナビゲーション装置41を備え、当該ナビゲーション装置41からの情報に基づいて、燃料電池スタック1Aの出力値を出力制御回路42によって制御する点で、上述した燃料電池システムとは異なる。このような燃料電池システムは、車両が走行している時に、ナビゲーション装置41で得た情報を出力制御回路42に送信して燃料電池スタック1Aの出力制限を行う。   As shown in FIG. 9, the fuel cell system according to the third embodiment includes a navigation device 41 mounted on a vehicle. Based on information from the navigation device 41, the output of the fuel cell stack 1A is provided. This is different from the fuel cell system described above in that the value is controlled by the output control circuit 42. Such a fuel cell system limits the output of the fuel cell stack 1A by transmitting information obtained by the navigation device 41 to the output control circuit 42 when the vehicle is traveling.

この燃料電池システムにおいて、ナビゲーション装置41は、ナビゲーション情報として、車両が現在位置から目的地に到着するまでの今後の走行距離及び走行時間、道路状況、道路勾配、高度、周囲温度、周囲湿度を取得して、出力制御回路42に送信する。   In this fuel cell system, the navigation device 41 acquires, as navigation information, the future travel distance and travel time until the vehicle arrives at the destination from the current position, road conditions, road gradient, altitude, ambient temperature, ambient humidity. Then, it is transmitted to the output control circuit 42.

この出力制限処理は、図10に示すように、ステップS31において、出力制御回路42により、先ず空気温度センサ32からのセンサ信号及び水位レベルセンサ34からのセンサ信号を読み込むことにより、燃料電池本体1の排出空気温度及び純水タンク13の水位を検出する。そして、出力制御回路42は、前回に検出した純水タンク13の水位と現在の純水タンク13の水位とを比較して、純水の増減を判定し、増加していると判定した場合にはステップS32に処理を進め、減少していると判定した場合にはステップS33に処理を進める。   As shown in FIG. 10, in the output limiting process, in step S31, the output control circuit 42 first reads the sensor signal from the air temperature sensor 32 and the sensor signal from the water level sensor 34, thereby making the fuel cell body 1 The discharge air temperature and the water level of the pure water tank 13 are detected. The output control circuit 42 compares the water level of the pure water tank 13 detected last time with the current water level of the pure water tank 13 to determine whether the pure water has increased or decreased. Advances the process to step S32, and advances the process to step S33 if determined to be decreasing.

次に、出力制御回路42は、ステップS32において、例えば図7で説明したように、出力制限による燃料電池スタック1Aの出力低下代を小さくすることにより、出力制限を緩くする出力制限テーブルを設定し、ステップS33において、出力制限による燃料電池スタック1Aの出力低下代を大きくすることにより、出力制限を厳しくする出力制限テーブルを設定する。これにより、純水タンク13の水位に応じて、燃料電池本体1の排出空気温度に応じた最大出力を示す出力制限テーブルに変更することで、燃料電池スタック1Aの出力変動を減少させると共に、燃料電池システム内の純水の枯渇を防ぐ。   Next, in step S32, the output control circuit 42 sets an output restriction table that loosens the output restriction by reducing the output reduction margin of the fuel cell stack 1A due to the output restriction, for example, as described in FIG. In step S33, an output restriction table that makes output restriction stricter is set by increasing the output reduction margin of the fuel cell stack 1A due to output restriction. As a result, the output fluctuation of the fuel cell stack 1A is reduced by changing to the output limit table indicating the maximum output according to the exhaust air temperature of the fuel cell main body 1 according to the water level of the pure water tank 13, and the fuel Prevent depletion of pure water in the battery system.

具体的に説明すると、出力制御回路42は、初期状態では図11に示すような燃料電池スタック1Aの最大出力特性aに従って、純水タンク13の水位に基づく出力制限を行う。すなわち、出力制御回路42は、限界水位から高くなって規定値に近づくに従って、燃料電池スタック1Aの最大出力を定格出力以下となる範囲で次第に高くし、水位が規定値である場合には燃料電池スタック1Aの最大出力を定格出力以上とする。   Specifically, the output control circuit 42 performs output restriction based on the water level of the pure water tank 13 according to the maximum output characteristic a of the fuel cell stack 1A as shown in FIG. 11 in the initial state. That is, the output control circuit 42 gradually increases the maximum output of the fuel cell stack 1A within a range that is equal to or less than the rated output as it increases from the limit water level and approaches the specified value, and when the water level is the specified value, the fuel cell. The maximum output of the stack 1A is set equal to or higher than the rated output.

これに対し、ステップS31で水位が増加していると判定した場合には、ステップS32において、図12に示すように、水位が規定値よりも低くても燃料電池スタック1Aの最大出力を定格出力以上とする最大出力特性b、又は、限界水位での燃料電池スタック1Aの最大出力を最大出力特性aよりも高くする最大出力特性cとすることにより、出力制限を緩やかにする。また、ステップS31で水位が減少していると判定した場合には、ステップS33において、図13に示すように、水位が規定値よりも高くても燃料電池スタック1Aの最大出力を定格出力より低くする最大出力特性dとすることにより、出力制限を厳しくする。   On the other hand, when it is determined in step S31 that the water level has increased, in step S32, as shown in FIG. 12, even if the water level is lower than the specified value, the maximum output of the fuel cell stack 1A is the rated output. By setting the maximum output characteristic b as described above or the maximum output characteristic c that makes the maximum output of the fuel cell stack 1A at the limit water level higher than the maximum output characteristic a, the output restriction is made gentle. If it is determined in step S31 that the water level has decreased, in step S33, as shown in FIG. 13, even if the water level is higher than the specified value, the maximum output of the fuel cell stack 1A is lower than the rated output. The output limit is tightened by setting the maximum output characteristic d.

次に、出力制御回路42は、ステップS34においてナビゲーション装置41からナビゲーション情報を取得し、以降のステップS35〜ステップS50において、ステップS32で最大出力特性b又は最大出力特性c、或いはステップS33で設定した最大出力特性dを変更することにより、出力制限テーブルを変更する処理に移行する。   Next, the output control circuit 42 acquires navigation information from the navigation device 41 in step S34, and in the subsequent steps S35 to S50, the maximum output characteristic b or the maximum output characteristic c is set in step S32 or set in step S33. By changing the maximum output characteristic d, the process proceeds to a process of changing the output restriction table.

先ずステップS35において、出力制御回路42は、車両が目的地に到着するまでの走行距離が所定値以上か否かを判定することにより残り走行距離が長いか否かを判定することで、純水タンク13の水位が規定値よりも低くなるか否かを判定する。そして、出力制御回路42は、残り走行距離が長いと判定した場合にはステップS37に処理を進め、残り走行距離が長くないと判定した場合には、ステップS36において出力制限を緩くする出力制限テーブルに変更する。すなわち、出力制御回路42は、現在の最大出力特性が例えば最大出力特性dである場合には、最大出力特性a〜cの何れかの最大出力特性となるように出力制限テーブルを変更する。これにより、残り走行距離が短い場合には、純水タンク13の水位が低くても、走行に影響を与えることなく、且つ出力制限が頻繁に行われることによる出力変動を抑制する。   First, in step S35, the output control circuit 42 determines whether the remaining travel distance is long by determining whether the travel distance until the vehicle arrives at the destination is greater than or equal to a predetermined value. It is determined whether or not the water level in the tank 13 is lower than a specified value. If the output control circuit 42 determines that the remaining travel distance is long, the process proceeds to step S37. If the output control circuit 42 determines that the remaining travel distance is not long, the output limit table loosens the output limit in step S36. Change to That is, when the current maximum output characteristic is the maximum output characteristic d, for example, the output control circuit 42 changes the output restriction table so that the maximum output characteristic is any one of the maximum output characteristics a to c. Thereby, when the remaining travel distance is short, even if the water level of the pure water tank 13 is low, the output fluctuation due to frequent output restriction is suppressed without affecting the travel.

次に、出力制御回路42は、ステップS37において、車両が目的地に到着するまでの走行時間が所定値以上か否かを判定することにより残り走行時間が長いか否かを判定することで、純水タンク13の水位が規定値よりも低くなるか否かを判定する。そして、出力制御回路42は、残り走行時間が長いと判定した場合にはステップS39に処理を進め、残り走行時間が長くないと判定した場合には、ステップS38において出力制限を緩くする出力制限テーブルに変更する。これにより、残り走行時間が短い場合には、純水タンク13の水位が低くても走行に影響を与えることなく、且つ出力制限が頻繁に行われることによる出力変動を抑制する。   Next, in step S37, the output control circuit 42 determines whether the remaining travel time is long by determining whether the travel time until the vehicle arrives at the destination is greater than or equal to a predetermined value. It is determined whether or not the water level in the pure water tank 13 is lower than a specified value. If the output control circuit 42 determines that the remaining travel time is long, the process proceeds to step S39. If the output control circuit 42 determines that the remaining travel time is not long, the output limit table loosens the output limit in step S38. Change to As a result, when the remaining traveling time is short, even if the water level of the pure water tank 13 is low, the traveling is not affected, and output fluctuation due to frequent output restriction is suppressed.

次に、出力制御回路42は、ステップS39において、車両が目的地に到着するために走行する道路状況に渋滞が発生しているか否かを判定することで、純水タンク13の水位が規定値よりも低くなるか否かを判定する。そして、出力制御回路42は、渋滞が発生してないと判定した場合にはステップS41に処理を進め、渋滞が発生していると判定した場合には、ステップS40において出力制限を厳しくする出力制限テーブルに変更する。すなわち、出力制御回路42は、現在の最大出力特性が例えば最大出力特性bである場合には、最大出力特性a又は最大出力特性dの何れかの最大出力特性となるように出力制限テーブルを変更する。これにより、残り走行距離が短い場合には、純水タンク13の水位が低くても、走行に影響を与えることなく、且つ出力制限が頻繁に行われることによる出力変動を抑制する。これにより、渋滞が発生している場合には燃料電池スタック1Aに要求される出力変動が頻繁に起きて、純水が枯渇することによる水収支の悪化を防止する。   Next, in step S39, the output control circuit 42 determines whether or not there is a traffic jam in the road conditions on which the vehicle travels to arrive at the destination, so that the water level of the pure water tank 13 is the specified value. It is determined whether it becomes lower than. If the output control circuit 42 determines that no traffic jam has occurred, the process proceeds to step S41. If the output control circuit 42 determines that the traffic jam has occurred, the output control circuit 42 tightens the output limit in step S40. Change to a table. That is, when the current maximum output characteristic is, for example, the maximum output characteristic b, the output control circuit 42 changes the output restriction table so that the maximum output characteristic becomes either the maximum output characteristic a or the maximum output characteristic d. To do. Thereby, when the remaining travel distance is short, even if the water level of the pure water tank 13 is low, the output fluctuation due to frequent output restriction is suppressed without affecting the travel. As a result, when traffic congestion occurs, output fluctuations required for the fuel cell stack 1A frequently occur, and deterioration of water balance due to depletion of pure water is prevented.

次に、出力制御回路42は、ステップS41において、車両が目的地に到着するために走行する道路に急勾配が存在するか否かを判定することで、純水タンク13の水位が規定値よりも低くなるか否かを判定する。そして、出力制御回路42は、急勾配が存在しないと判定した場合にはステップS43に処理を進め、急勾配が存在すると判定した場合には、ステップS42において出力制限を厳しくする出力制限テーブルに変更する。これにより、急勾配が存在する場合には燃料電池スタック1Aに要求される出力が増加すると共に、車両速度の変動が頻繁に起きて、純水が枯渇することによる水収支の悪化を防止する。   Next, in step S41, the output control circuit 42 determines whether or not there is a steep slope on the road on which the vehicle travels in order to reach the destination, so that the water level of the pure water tank 13 is less than the specified value. It is determined whether or not it becomes lower. If the output control circuit 42 determines that there is no steep slope, the process proceeds to step S43. If it is determined that there is a steep slope, the output control circuit 42 changes to an output limit table that tightens the output limit in step S42. To do. As a result, when there is a steep slope, the output required for the fuel cell stack 1A increases, and the fluctuation of the vehicle speed frequently occurs to prevent the water balance from deteriorating due to depletion of pure water.

次に、出力制御回路42は、ステップS43において、車両が目的地に到着するために走行する道路が高地であるか否かを判定することで、純水タンク13の水位が規定値よりも低くなるか否かを判定する。そして、出力制御回路42は、高地ではないと判定した場合にはステップS45に処理を進め、高地であると判定した場合には、ステップS44において出力制限を厳しくする出力制限テーブルに変更する。これにより、高地を走行する場合には空気濃度が低くシステム全体の電力使用効率が低下することによる熱収支及び水収支の悪化を防止する。   Next, in step S43, the output control circuit 42 determines whether or not the road on which the vehicle travels to reach the destination is a highland, so that the water level of the pure water tank 13 is lower than the specified value. It is determined whether or not. If the output control circuit 42 determines that it is not a high altitude, the process proceeds to step S45. If it is determined that the output control circuit 42 is a high altitude, the output control circuit 42 changes to an output limit table that tightens the output limit in step S44. As a result, when traveling on high altitudes, the heat balance and the water balance are prevented from deteriorating due to the low air concentration and the reduced power usage efficiency of the entire system.

次に、出力制御回路42は、ステップS45において、車両が目的地に到着するために走行する周囲温度が高いか否か否かを判定することで、純水タンク13の水位が規定値よりも低くならないか否かを判定する。そして、出力制御回路42は、周囲温度が高くないと判定した場合にはステップS47に処理を進めて出力制限を厳しくする出力制限テーブルに変更し、周囲温度が高いと判定した場合にはステップS46において出力制限を緩くする出力制限テーブルに変更する。これにより、周囲温度が高い場合には熱収支及び水収支の悪化が予想されることに対応し、周囲温度が低い場合には熱収支及び水収支に余裕がでることに対応する。   Next, in step S45, the output control circuit 42 determines whether or not the ambient temperature at which the vehicle travels to reach the destination is high, so that the water level in the pure water tank 13 is lower than the specified value. Judge whether or not to lower. When the output control circuit 42 determines that the ambient temperature is not high, the output control circuit 42 proceeds to step S47 to change to an output limit table that tightens the output limit, and when it is determined that the ambient temperature is high, step S46. Change to the output limit table that loosens the output limit at. Thus, when the ambient temperature is high, this corresponds to the expectation of deterioration of the heat balance and water balance, and when the ambient temperature is low, this corresponds to a margin in the heat balance and water balance.

次に、出力制御回路42は、ステップS48において、車両が目的地に到着するために走行する周囲湿度が高いか否か否かを判定することで、純水タンク13の水位が規定値よりも低くならないか否かを判定する。そして、出力制御回路42は、周囲湿度が高くないと判定した場合にはステップS50に処理を進めて出力制限を厳しくする出力制限テーブルに変更し、周囲湿度が高いと判定した場合にはステップS49において出力制限を緩くする出力制限テーブルに変更する。これにより、周囲湿度が高い場合には熱収支及び水収支の悪化が予想されることに対応し、周囲湿度が低い場合には熱収支及び水収支に余裕がでることに対応する。   Next, in step S48, the output control circuit 42 determines whether or not the ambient humidity in which the vehicle travels to reach the destination is high, so that the water level in the pure water tank 13 is lower than the specified value. Judge whether or not to lower. If the output control circuit 42 determines that the ambient humidity is not high, the output control circuit 42 proceeds to step S50 to change to an output limit table that tightens the output limit, and if it is determined that the ambient humidity is high, step S49. Change to the output limit table that loosens the output limit at. Accordingly, when the ambient humidity is high, it corresponds to the expectation of deterioration of the heat balance and the water balance, and when the ambient humidity is low, it corresponds to a margin in the heat balance and the water balance.

次に、出力制御回路42は、ステップS51において、ステップS31〜ステップS50の処理を行うことにより設定した出力制限テーブルを用いて現在の燃料電池スタック1Aの出力に応じた排出空気の上限温度を求め、現在の燃料電池本体1の排出空気温度が上限温度以上か否かを判定する。そして、出力制御回路42は、現在の排出空気温度が上限温度以上ではないと判定した場合には出力制限を行う必要がないので処理を終了し、現在の排出空気温度が上限温度以上であると判定した場合には、ステップS52において、排出空気温度を上限温度とするように燃料電池スタック1Aの出力制限を行って処理を終了する。   Next, in step S51, the output control circuit 42 obtains the upper limit temperature of the exhaust air corresponding to the current output of the fuel cell stack 1A using the output restriction table set by performing the processing of steps S31 to S50. Then, it is determined whether the current exhaust air temperature of the fuel cell body 1 is equal to or higher than the upper limit temperature. When the output control circuit 42 determines that the current exhaust air temperature is not equal to or higher than the upper limit temperature, the output control circuit 42 does not need to perform output restriction, so the process is terminated, and the current exhaust air temperature is equal to or higher than the upper limit temperature. If it is determined, in step S52, the output of the fuel cell stack 1A is limited so that the exhaust air temperature becomes the upper limit temperature, and the process is terminated.

[第3実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第3実施形態に係る燃料電池システムによれば、車両の残り走行距離に基づいて純水タンク13の水位が所定値より低くなるか否かを予測し、純水タンク13の水位が所定値より低くならないと予測した場合には純水タンク13の水位に基づいて設定した燃料電池スタック1Aの最大出力を高く変更するので、残り走行距離が短い場合には出力制限を緩く変更して、燃料電池スタック1Aに要求される出力を発電させることができる。また、この燃料電池システムによれば、今後の走行距離が長い場合であっても、以降において水収支が悪化しても純水が不足することを抑制することができる。
[Effect of the third embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the third embodiment to which the present invention is applied, whether or not the water level of the pure water tank 13 is lower than a predetermined value based on the remaining travel distance of the vehicle. When the prediction is made and the water level of the pure water tank 13 is predicted not to be lower than the predetermined value, the maximum output of the fuel cell stack 1A set based on the water level of the pure water tank 13 is changed to be high, so the remaining travel distance is short In some cases, the output limit can be changed loosely to generate the output required for the fuel cell stack 1A. Moreover, according to this fuel cell system, even if the future travel distance is long, it is possible to suppress the shortage of pure water even if the water balance deteriorates thereafter.

また、この燃料電池システムによれば、車両の残り走行時間に基づいて純水タンク13の水位が所定値より低くならないと予測した場合には、純水タンク13の水位に基づいて設定した燃料電池スタック1Aの最大出力を高く変更するので、残り走行時間が短い場合には出力制限を緩く変更して、燃料電池スタック1Aに要求される出力を発電させることができる。   Further, according to this fuel cell system, when it is predicted that the water level of the pure water tank 13 will not be lower than a predetermined value based on the remaining traveling time of the vehicle, the fuel cell set based on the water level of the pure water tank 13 Since the maximum output of the stack 1A is changed to a high value, when the remaining travel time is short, the output limit can be changed loosely to generate the output required for the fuel cell stack 1A.

更に、この燃料電池システムによれば、車両が走行する道路状況から渋滞が予想される場合には、純水タンク13の水位に基づいて設定した燃料電池スタック1Aの最大出力を低く変更するので、出力制限を厳しく変更することにより、渋滞している道路を走行する前に純水の水位を高くしておくことができ、アイドリング運転を行うことによって純水の水位が低くなることに備えて、燃料電池システム内での純水の枯渇を防ぐことができる。   Further, according to this fuel cell system, when traffic congestion is expected from the road conditions on which the vehicle is traveling, the maximum output of the fuel cell stack 1A set based on the water level of the pure water tank 13 is changed to be low. By strictly changing the output limit, the water level of pure water can be raised before traveling on a congested road, and in preparation for the water level of pure water being lowered by performing idling operation, Pure water depletion in the fuel cell system can be prevented.

更にまた、この燃料電池システムによれば、車両が走行する道路の勾配に基づいて純水タンク13の水位が所定値より低くなると予測した場合には、純水タンク13の水位に基づいて設定した燃料電池スタック1Aの最大出力を低く変更するので、今後に勾配道路を走行した時の燃料電池スタック1Aの出力及び車速、ラジエタへの風量から水収支が悪化すると予測される場合に、出力制限を厳しく変更することにより、勾配道路を走行する前に純水の水位を高くしておくことができ、燃料電池システム内での純水の枯渇を防ぐことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、純水が枯渇したことによって燃料電池スタック1Aの出力が低下して、登板道路の走行中に車速が低下してしまうことを防止することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when the water level of the pure water tank 13 is predicted to be lower than a predetermined value based on the slope of the road on which the vehicle travels, the fuel cell system is set based on the water level of the pure water tank 13. Since the maximum output of the fuel cell stack 1A is changed to a lower value, if the water balance is predicted to deteriorate due to the output of the fuel cell stack 1A when traveling on a slope road in the future, the vehicle speed, and the airflow to the radiator, the output limit is set. By changing strictly, the level of pure water can be increased before traveling on a slope road, and depletion of pure water in the fuel cell system can be prevented. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to prevent the output of the fuel cell stack 1A from being lowered due to the depletion of pure water, and the vehicle speed from being lowered during traveling on the climbing road.

更にまた、この燃料電池システムによれば、車両が走行する道路の高度に基づいて純水タンク13の水位が所定値より低くなると予測した場合には、純水タンク13の水位に基づいて設定した燃料電池スタック1Aの最大出力を低く変更するので、高度によって必要とされるコンプレッサ2の消費電力及び電力使用効率を予測して、電力使用効率が下がることにより熱水収支悪化が予測される場合に、出力制限を厳しく変更することにより、高度が高い道路を走行する前に純水の水位を高くしておくことができ、燃料電池システム内での純水の枯渇を防ぐことができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when the water level of the pure water tank 13 is predicted to be lower than a predetermined value based on the altitude of the road on which the vehicle is traveling, the fuel cell system is set based on the water level of the pure water tank 13. When the maximum output of the fuel cell stack 1A is changed to be low, the power consumption and power usage efficiency of the compressor 2 required by altitude are predicted, and when the hot water balance is predicted to deteriorate due to the lower power usage efficiency. By strictly changing the output restriction, the level of pure water can be increased before traveling on a high altitude road, and depletion of pure water in the fuel cell system can be prevented.

更にまた、この燃料電池システムによれば、車両が走行する道路の周囲温度から熱水収支の悪化が予測される場合は、出力制限を厳しく変更することにより、低温地帯を走行する前に純水の水位を高くしておくことができ、燃料電池システム内での純水の枯渇を防ぐことができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when the deterioration of the hot water balance is predicted from the ambient temperature of the road on which the vehicle is traveling, the output limit is strictly changed, so that the pure water before traveling in the low temperature zone is changed. The water level can be kept high, and depletion of pure water in the fuel cell system can be prevented.

更にまた、この燃料電池システムによれば、車両が走行する道路の周囲湿度から熱水収支の悪化が予測される場合は、出力制限を厳しく変更することにより、低湿地帯を走行する前に純水の水位を高くしておくことができ、燃料電池システム内での純水の枯渇を防ぐことができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when the hot water balance is expected to deteriorate due to the ambient humidity of the road on which the vehicle is traveling, the output limit is changed severely, so that the pure water before traveling in the low-humidity zone is changed. The water level can be kept high, and depletion of pure water in the fuel cell system can be prevented.

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.

本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの出力制限処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the output restriction | limiting process of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied. 燃料電池スタックの出力と水収支成立上限温度との関係を記述した出力制限テーブルを参照する。An output restriction table describing the relationship between the output of the fuel cell stack and the water balance establishment upper limit temperature is referenced. 本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムの出力制限処理において、出力制限を行うためのパラメータを演算する処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the process which calculates the parameter for performing output restriction | limiting in the output restriction | limiting process of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment to which this invention is applied. 燃料電池本体の排出空気流量と、膜式加湿器の水回収量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the exhaust air flow rate of a fuel cell main body, and the water recovery amount of a membrane type humidifier. 本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムの出力制限処理における出力制限判定処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the output restriction | limiting determination process in the output restriction | limiting process of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment to which this invention is applied. 燃料電池スタックの出力値に応じた、燃料電池本体の排出空気温度の上限値との関係を、パージ弁からの排出水量と、タンク回収量とWRD回収量との加算水量との大小関係ごとに示す図である。According to the output value of the fuel cell stack, the relationship between the upper limit value of the exhaust air temperature of the fuel cell main body and the relationship between the amount of water discharged from the purge valve and the added water amount of the tank recovery amount and the WRD recovery amount FIG. 水収支をマイナスからプラスとする場合における燃料電池本体の排出空気温度と、燃料電池スタックの出力値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the exhaust air temperature of a fuel cell main body, and the output value of a fuel cell stack in case water balance is changed from minus. 本発明を適用した第3実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第3実施形態に係る燃料電池システムの出力制限処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the output restriction | limiting process of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment to which this invention is applied. 出力制限処理の初期状態における純水タンクの水位と、燃料電池スタックの最大出力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the water level of the pure water tank in the initial state of an output control process, and the maximum output of a fuel cell stack. 出力制限を緩くする場合における燃料電池スタックの最大出力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship with the maximum output of a fuel cell stack in the case of loosening an output restriction. 出力制限を厳しくする場合における燃料電池スタックの最大出力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship with the maximum output of a fuel cell stack in the case of making output restrictions severe.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池本体
1A 燃料電池スタック
1B 気液分離器
2 コンプレッサ
3 アフタークーラ
4 膜式加湿器
5 空気圧力調整弁
6 アクチュエータ
7 水素タンク
8 水素ヒータ
9 エゼクタ
10 セパレータタンク
11 パージ弁
12 アクチュエータ
13 純水タンク
21 出力制御回路
22 車両コントローラ
31 空気圧力センサ
32 空気温度センサ
33 水素温度センサ
34 水位レベルセンサ
35 出力センサ
41 ナビゲーション装置
42 出力制御回路
L1 空気供給配管
L2 空気排出配管
L3 外部排出配管
L4 水素供給配管
L5 水素循環配管
L6 ガス排出配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell main body 1A Fuel cell stack 1B Gas-liquid separator 2 Compressor 3 After cooler 4 Membrane type humidifier 5 Air pressure adjustment valve 6 Actuator 7 Hydrogen tank 8 Hydrogen heater 9 Ejector 10 Separator tank 11 Purge valve 12 Actuator 13 Pure water tank DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Output control circuit 22 Vehicle controller 31 Air pressure sensor 32 Air temperature sensor 33 Hydrogen temperature sensor 34 Water level sensor 35 Output sensor 41 Navigation apparatus 42 Output control circuit L1 Air supply piping L2 Air discharge piping L3 External discharge piping L4 Hydrogen supply piping L5 Hydrogen circulation piping L6 Gas exhaust piping

Claims (14)

燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に要求される出力に応じて前記燃料電池に供給する酸化剤ガス圧力及び燃料ガス圧力を制御して、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤ガス出口から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を、前記ガス供給手段により前記燃料電池の酸化剤ガス入口に供給される酸化剤ガスに移動させる加湿器と、
前記燃料電池の酸化剤ガス出口から排出された酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段と、
前記酸化剤ガス温度検出手段により検出された酸化剤ガス温度が高いほど、前記燃料電池の最大出力を低くする出力制限を行う出力制限手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
Gas supply means for controlling the oxidant gas pressure and the fuel gas pressure supplied to the fuel cell according to the output required for the fuel cell, and supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell;
A humidifier for moving moisture contained in the oxidant gas discharged from the oxidant gas outlet of the fuel cell to an oxidant gas supplied to the oxidant gas inlet of the fuel cell by the gas supply means;
Oxidant gas temperature detection means for detecting the temperature of the oxidant gas discharged from the oxidant gas outlet of the fuel cell;
The fuel cell system further comprising: an output limiting unit that performs output limitation that lowers the maximum output of the fuel cell as the oxidant gas temperature detected by the oxidant gas temperature detection unit increases.
前記出力制限手段は、前記燃料電池の出力が高いほど、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの上限温度を低く設定し、前記燃料電池から排出される酸化剤ガス温度が前記上限温度を超えた場合に、前記燃料電池から排出される酸化剤ガス温度が前記上限温度以下となるように前記燃料電池の最大出力を制限することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   The output limiting means sets the upper limit temperature of the oxidant gas discharged from the fuel cell to be lower as the output of the fuel cell is higher, and the oxidant gas temperature discharged from the fuel cell exceeds the upper limit temperature. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the maximum output of the fuel cell is limited so that the temperature of the oxidant gas discharged from the fuel cell is equal to or lower than the upper limit temperature. 水を貯蔵する水タンクを更に備え、
前記出力制限手段は、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスに含まれる水蒸気量を演算すると共に前記燃料電池の出力に基づく生成水量を演算し、演算した前記水蒸気量と前記生成水量との差分が多いほど、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの上限温度を高く設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
A water tank for storing water;
The output limiting means calculates the amount of water vapor contained in the oxidant gas discharged from the fuel cell and calculates the amount of generated water based on the output of the fuel cell, and the difference between the calculated amount of water vapor and the amount of generated water 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the upper limit temperature of the oxidant gas discharged from the fuel cell is set to be higher as the amount of gas increases.
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを含むガスを排出するパージ弁を更に備え、
前記出力制限手段は、前記燃料電池から排出される燃料ガスに含まれる水蒸気量を演算して、当該水蒸気量を用いて前記パージ弁から排出される水量を演算し、演算した前記パージ弁から排出される水量が多いほど、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの上限温度を低く設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
A purge valve for discharging a gas containing the fuel gas discharged from the fuel cell;
The output limiting means calculates the amount of water vapor contained in the fuel gas discharged from the fuel cell, calculates the amount of water discharged from the purge valve using the amount of water vapor, and discharges from the calculated purge valve 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the upper limit temperature of the oxidant gas discharged from the fuel cell is set lower as the amount of water to be discharged is larger.
前記出力制限手段は、前記加湿器によって、前記燃料電池の酸化剤ガス出口から排出された酸化剤ガスから、前記燃料電池の酸化剤ガス入口に供給される酸化剤ガスに移動させる水回収量を演算し、当該水回収量が多いほど、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの上限温度を高く設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   The output limiting means is configured to reduce a water recovery amount transferred from the oxidant gas discharged from the oxidant gas outlet of the fuel cell to the oxidant gas supplied to the oxidant gas inlet of the fuel cell by the humidifier. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the upper limit temperature of the oxidant gas discharged from the fuel cell is set higher as the water recovery amount is calculated. 水を貯蔵する水タンクと、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを含むガスを排出するパージ弁とを更に備え、
前記出力制限手段は、前記燃料電池から排出される燃料ガスに含まれる水蒸気量を演算して当該水蒸気量に基づく前記パージ弁から排出される水量と、前記加湿器によって前記燃料電池の酸化剤ガス出口から排出された酸化剤ガスから前記燃料電池の酸化剤ガス入口に供給される酸化剤ガスに移動させる水回収量と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスに含まれる水蒸気量と前記燃料電池の出力に基づく生成水量との差分であって前記水タンクに回収される凝縮水量とを演算し、前記パージ弁から排出される水量から、前記水回収量と前記凝縮水量とを加算した水量を減算した水量が多いほど、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの上限温度を低く設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
A water tank for storing water;
A purge valve for discharging a gas containing the fuel gas discharged from the fuel cell,
The output limiting means calculates the amount of water vapor contained in the fuel gas discharged from the fuel cell, and the amount of water discharged from the purge valve based on the amount of water vapor, and the oxidant gas of the fuel cell by the humidifier The amount of water recovered from the oxidant gas discharged from the outlet to the oxidant gas supplied to the oxidant gas inlet of the fuel cell, the amount of water vapor contained in the oxidant gas discharged from the fuel cell, and the fuel The amount of water obtained by calculating the amount of condensed water recovered in the water tank, which is a difference from the amount of generated water based on the output of the battery, and adding the amount of recovered water and the amount of condensed water from the amount of water discharged from the purge valve The fuel cell system according to claim 2, wherein the upper limit temperature of the oxidant gas discharged from the fuel cell is set to be lower as the amount of water obtained by subtracting the amount of water is larger.
前記燃料電池の出力を用いて走行する車両に搭載される燃料電池システムであって、
車両の走行状態によって前記燃料電池の出力の制限が行えない場合に、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの圧力を高くするように前記ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
A fuel cell system mounted on a vehicle that travels using the output of the fuel cell,
The gas supply means is controlled to increase the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell when the output of the fuel cell cannot be limited due to the running state of the vehicle. The fuel cell system described.
水を貯蔵する水タンクを更に備え、
前記出力制限手段は、前記水タンクに貯蔵されている水の水位が高いほど、前記燃料電池の最大出力を高く設定して出力制限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。
A water tank for storing water;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the output limiting unit sets the maximum output of the fuel cell to be higher as the level of water stored in the water tank is higher. .
前記出力制限手段は、前記水タンクに貯蔵されている水の水位の減少速度が速いほど、前記燃料電池の最大出力を低く設定して出力制限を行うことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。   9. The output restriction unit according to claim 8, wherein the output restriction unit performs the output restriction by setting the maximum output of the fuel cell to be lower as the decrease rate of the water level stored in the water tank is faster. Fuel cell system. 前記出力制限手段は、車両の残り走行距離に基づいて前記水タンクの水位が所定値より低くなるか否かを予測し、前記水タンクの水位が所定値より低くならないと予測した場合には、前記水タンクの水位に基づいて設定した前記燃料電池の最大出力を高く変更することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。   The output limiting means predicts whether or not the water level of the water tank is lower than a predetermined value based on the remaining travel distance of the vehicle, and predicts that the water level of the water tank is not lower than a predetermined value. The fuel cell system according to claim 8, wherein the maximum output of the fuel cell set based on the water level of the water tank is changed to be high. 前記出力制限手段は、車両の残り走行時間に基づいて前記水タンクの水位が所定値より低くなるか否かを予測し、前記水タンクの水位が所定値より低くならないと予測した場合には、前記水タンクの水位に基づいて設定した前記燃料電池の最大出力を高く変更することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。   The output limiting means predicts whether or not the water level of the water tank is lower than a predetermined value based on the remaining travel time of the vehicle, and predicts that the water level of the water tank does not become lower than a predetermined value. The fuel cell system according to claim 8, wherein the maximum output of the fuel cell set based on the water level of the water tank is changed to be high. 前記出力制限手段は、車両が走行する道路状況に基づいて前記水タンクの水位が所定値より低くなるか否かを予測し、前記水タンクの水位が所定値より低くなると予測した場合には、前記水タンクの水位に基づいて設定した前記燃料電池の最大出力を低く変更することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。   The output limiting means predicts whether or not the water level of the water tank is lower than a predetermined value based on a road condition where the vehicle is traveling, and predicts that the water level of the water tank is lower than a predetermined value. 9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the maximum output of the fuel cell set based on the water level of the water tank is changed to be low. 前記出力制限手段は、車両が走行する道路状況として勾配又は高度に基づいて前記水タンクの水位が所定値より低くなるか否かを予測し、前記水タンクの水位が所定値より低くなると予測した場合には、前記水タンクの水位に基づいて設定した前記燃料電池の最大出力を低く変更することを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。   The output limiting means predicts whether or not the water level of the water tank is lower than a predetermined value based on a gradient or altitude as a road condition on which the vehicle is traveling, and predicts that the water level of the water tank is lower than a predetermined value The fuel cell system according to claim 12, wherein the maximum output of the fuel cell set based on the water level of the water tank is changed to be low. 前記出力制限手段は、車両が走行する道路の周囲温度又は周囲湿度に基づいて前記水タンクの水位が所定値より低くなるか否かを予測し、前記水タンクの水位が所定値より低くなると予測した場合には、前記水タンクの水位に基づいて設定した前記燃料電池の最大出力を低く変更することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。
The output limiting means predicts whether or not the water level of the water tank is lower than a predetermined value based on the ambient temperature or ambient humidity of the road on which the vehicle is traveling, and predicts that the water level of the water tank is lower than the predetermined value. In this case, the fuel cell system according to claim 8, wherein the maximum output of the fuel cell set based on the water level of the water tank is changed to be low.
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