JP2005243491A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パージ弁を備える燃料電池システムに係り、特にパージを制御する技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a purge valve, and more particularly to a technique for controlling purge.
燃料電池を用いたシステムでは、燃料極に燃料ガスを供給する系統において、電気化学反応で生じた水や空気に含まれる窒素が不純物として蓄積するため、一定時間水素ガスを排出するパージを実施することがある。例えば、特開2002―289237号公報では、燃料極側の循環経路から分岐した排出流路にシャットバルブを設け、循環している水素ガス中の濃度が上がってきたら、シャットバルブを開いて、循環している不純物を含む水素ガスの一部を排出するものであった(特許文献1)。
しかし、バルブを通過する気体の流量はバルブ前後の圧力の影響を受けるところ、上記従来の技術ではシャットバルブの上流の圧力や下流の圧力を考慮していなかったことから、排出される不純物が期待したとおりの排出量から逸脱する場合があった。 However, the flow rate of the gas passing through the valve is affected by the pressure before and after the valve. Since the above conventional technology does not consider the pressure upstream or downstream of the shut valve, impurities discharged are expected. There was a case where it deviated from the emission amount as it was.
そこで本発明は、パージ量を正確に制御可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of accurately controlling the purge amount.
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池の出口に接続されたパージ弁を開閉してアノードオフガスを排出する燃料電池システムにおいて、パージを実施する際に、燃料電池の出口圧に応じてパージ弁の開閉状態を制御可能に構成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell system that opens and closes a purge valve connected to an outlet of a fuel cell to discharge anode off gas, and performs purging according to the outlet pressure of the fuel cell. Thus, the open / close state of the purge valve can be controlled.
パージ弁を通過する気体の流量、すなわちパージ量は上流側に相当するパージ弁の一次側の圧力と、下流側に相当するパージ弁の二次側の圧力とに影響を受ける。上記構成によれば、パージを実施する場合、燃料電池の出口圧が参照され、その出口圧相当量に応じてパージ弁の開閉状態を制御、すなわち、パージする時間長や頻度、または、パージ弁が流量制御可能な弁である場合にはその流量の制御が行われるので、予定していた流量のガスを排出可能である。 The flow rate of the gas passing through the purge valve, that is, the purge amount is affected by the pressure on the primary side of the purge valve corresponding to the upstream side and the pressure on the secondary side of the purge valve corresponding to the downstream side. According to the above configuration, when purging, the outlet pressure of the fuel cell is referred to, and the open / close state of the purge valve is controlled according to the outlet pressure equivalent amount, that is, the purge time length or frequency, or the purge valve When is a valve capable of controlling the flow rate, the flow rate is controlled, so that the gas having a predetermined flow rate can be discharged.
ここで「燃料電池の出口圧」とは、燃料電池に流入し電気化学反応に供された後に排出されて出てきた気体の圧力の総称であり、特定の配管位置には限定されないものである。「出口圧」といっても圧力検出手段で測定される直接的な圧力のみならず、燃料電池の発電量、負荷、その他の要素から推定できる圧力に対応する値をこの「出口圧」として取り扱うことができる。 Here, “the outlet pressure of the fuel cell” is a general term for the pressure of the gas that flows into the fuel cell and is discharged after being subjected to an electrochemical reaction, and is not limited to a specific piping position. . The "outlet pressure" is not only the direct pressure measured by the pressure detection means, but also the value corresponding to the pressure that can be estimated from the power generation amount, load, and other factors of the fuel cell is handled as this "outlet pressure". be able to.
また「開閉状態」とは、弁の開閉のみならず、弁開度や開閉時間も含む概念である。 The “open / closed state” is a concept that includes not only opening / closing of the valve but also valve opening and opening / closing time.
例えば燃料電池の出口圧をアノード出口圧としてもよい。アノード出口圧はパージ弁の一次側の圧力であり、パージ弁が開放された際のパージ弁の流量に影響を与える要素だからである。ここで「アノード出口圧」とは、燃料電池の燃料ガスの排出口から下流方向の圧力の総称であり、パージ弁の入口当たりまでで検出することが可能な圧力をいう。 For example, the outlet pressure of the fuel cell may be the anode outlet pressure. This is because the anode outlet pressure is the pressure on the primary side of the purge valve and is an element that affects the flow rate of the purge valve when the purge valve is opened. Here, the “anode outlet pressure” is a general term for the pressure in the downstream direction from the fuel gas discharge port of the fuel cell, and refers to a pressure that can be detected up to the inlet of the purge valve.
また、燃料電池の出口圧をカソード出口圧とすることもできる。パージ弁の二次側圧力もパージ弁が開放された際のパージ弁の流量に影響を与える要素であり、カソード出口圧は空気の排出口の圧力であり、パージ弁の二次側も排出口であることから、カソード出口圧がパージ弁の二次側の圧力と相関関係があるからである。ここでは、さらに当該燃料電池システムは、アノードオフガスとカソードオフガスとを合流させる構成を備えている。この構成によれば、例えばカソードオフガスがアノードオフガスを希釈するために合流していることになり、カソードオフガスの圧力が、前記パージ弁の二次側の圧力に対応している。ここで、「カソード出口圧」とは、燃料電池の空気の排出口から下流方向の圧力の総称であり、カソードオフガスとアノードオフガスとの合流点付近の圧力や、その合流点から遡ってパージ弁の出口当たりまでのパージ弁の二次側の圧力をいう。 Further, the outlet pressure of the fuel cell can be set as the cathode outlet pressure. The secondary pressure of the purge valve is also an element that affects the flow rate of the purge valve when the purge valve is opened. The cathode outlet pressure is the pressure of the air outlet, and the secondary side of the purge valve is also the outlet. Therefore, the cathode outlet pressure is correlated with the pressure on the secondary side of the purge valve. Here, the fuel cell system further includes a configuration for merging the anode off-gas and the cathode off-gas. According to this configuration, for example, the cathode off gas is joined to dilute the anode off gas, and the pressure of the cathode off gas corresponds to the pressure on the secondary side of the purge valve. Here, the “cathode outlet pressure” is a general term for the pressure downstream from the air outlet of the fuel cell. The pressure near the junction of the cathode offgas and the anode offgas, or the purge valve retroactively from the junction. This is the pressure on the secondary side of the purge valve up to the outlet.
ここで、燃料電池の出口圧を大気圧に応じて補正してパージ弁の開閉を制御することは好ましい。パージ弁の二次側の圧力はほぼ大気圧付近に制御されることが多いが、高所など、低地における大気圧からずれる場合には、その大気圧の変動に応じた補正をした方が好ましいのである。これは特にパージ弁の二次側の圧力を、低地における大気圧下における二次圧を基準とする推定演算で得る場合に必要である。 Here, it is preferable to control the opening and closing of the purge valve by correcting the outlet pressure of the fuel cell according to the atmospheric pressure. The pressure on the secondary side of the purge valve is often controlled to be close to atmospheric pressure, but if it deviates from atmospheric pressure at low altitudes such as high places, it is preferable to make corrections according to fluctuations in the atmospheric pressure. It is. This is particularly necessary when the pressure on the secondary side of the purge valve is obtained by estimation calculation based on the secondary pressure under atmospheric pressure in the lowland.
また、燃料電池の出口圧を、アノード出口圧とカソード出口圧との差圧とすることも好ましい。パージ弁の一次側と二次側との差圧もパージ弁が開放された際のパージ弁の流量の影響を与える要素だからである。 It is also preferable that the outlet pressure of the fuel cell is a differential pressure between the anode outlet pressure and the cathode outlet pressure. This is because the differential pressure between the primary side and the secondary side of the purge valve is also an element that affects the flow rate of the purge valve when the purge valve is opened.
また、パージ弁が開放されている期間におけるパージ弁の流量相当値を積算し、積算された流量相当値に応じてパージ弁の開閉を補正することは好ましい。パージされたアノードオフガスは高濃度であると燃える可能性があるため、燃焼可能な濃度以下にして排出する必要がある。上記構成によれば、パージ弁を流れたアノードオフガスの積算量が監視され、燃焼しやすい量となる前にパージ弁の開閉状態が制御(例えば閉鎖)される。 Further, it is preferable to integrate the purge valve flow rate equivalent value during the period in which the purge valve is open, and to correct the opening and closing of the purge valve according to the integrated flow rate equivalent value. Since the purged anode off-gas may burn if it is at a high concentration, it is necessary to discharge the anode off-gas below a combustible concentration. According to the above configuration, the integrated amount of the anode off-gas that has flowed through the purge valve is monitored, and the open / close state of the purge valve is controlled (for example, closed) before the amount easily burns.
例えば、流量相当値が所定の基準量を上限とするように、パージ弁の開閉が制御される。基準量をアノードオフガスの燃焼可能な流量より少なく設定しておくことにより、アノードオフガスが燃えることを回避可能である。 For example, the opening and closing of the purge valve is controlled so that the flow rate equivalent value has a predetermined reference amount as an upper limit. By setting the reference amount smaller than the combustible flow rate of the anode off gas, it is possible to avoid burning of the anode off gas.
以上本発明によれば、燃料電池の出口圧が参照され、その出口圧相当量に応じてパージ弁の開閉を制御するので、必要な量のアノードオフガスを排出可能であり、パージ量を正確に制御可能である。 As described above, according to the present invention, the outlet pressure of the fuel cell is referred to, and the opening and closing of the purge valve is controlled in accordance with the outlet pressure equivalent amount. Therefore, the required amount of anode off-gas can be discharged, and the purge amount can be accurately set. It can be controlled.
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。 Next, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiment is merely one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereto and can be applied.
(実施形態1)
この実施形態1は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムに本発明のパージ制御方法を適用したものである。図1に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。図1に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック10に燃料ガスである水素ガスを供給するための系統と、酸素源として空気を供給するための系統と、燃料電池スタック10を冷却するための系統とを備えて構成されている。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, the purge control method of the present invention is applied to a fuel cell system mounted on a moving body such as an electric vehicle. FIG. 1 shows an overall system diagram of the fuel cell system. As shown in FIG. 1, the fuel cell system cools the
燃料電池スタック10は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたMEA(Membrane Electrode Assembly)と、から構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。MEAは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、アノード(陰極)である燃料極側にはアノードガスである水素ガスが供給され、カソード(陽極)である空気極側には酸素を含んだカソードガス(空気)が供給され、燃料極側では式(1)のような反応を、空気極側では式(2)のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。 The fuel cell stack 10, a hydrogen gas, air, and a separator having a flow path of the cooling water, MEA sandwiched by a pair of separators (M embrane E lectrode A ssembly) and, stacking a plurality of cells composed of a stacked structure It has. The MEA has a structure in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between two electrodes, a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode is provided with a fuel electrode catalyst layer in the form of a porous support layer, and the air electrode is provided with an air electrode catalyst layer on the porous support layer. Since a fuel cell causes a reverse reaction of water electrolysis, hydrogen gas, which is an anode gas, is supplied to a fuel electrode side, which is an anode (cathode), and an air electrode side, which is a cathode (anode). Cathode gas (air) containing oxygen is supplied, and a reaction such as equation (1) is caused on the fuel electrode side, and a reaction such as equation (2) is caused on the air electrode side to circulate electrons and flow current. Is.
H2 → 2H++2e- …(1)
2H++2e-+(1/2)O2 → H2O …(2)
アノードガスの供給系統は、水素ガス供給源としての水素タンク11、元弁SV1、調圧弁RG、燃料電池入口遮断弁SV2、燃料電池スタック10を経て燃料電池出口遮断弁SV3、気液分離機12及び遮断弁SV4、水素ポンプ13、及び逆止弁RVを備えている。本実施形態1の燃料電池システムは、調圧弁RGの上流側に逆止弁RVの出力が接続されて循環経路Rが形成されているものである。
H 2 → 2H + + 2e− (1)
2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
The anode gas supply system includes a
水素タンク11には高圧の水素ガスが充填されている。水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。元弁SV1は、水素ガスの供給を制御する。調圧弁RGは循環経路Rの圧力を決定する。燃料電池入口遮断弁SV2及び出口遮断弁SV3は、燃料電池の発電停止時等に閉鎖される。
The
気液分離器12は、通常運転時において燃料電池スタック10の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁SV4を通じて外部に放出するものである。水素ポンプ13は、制御部20の制御信号に基づいて、循環経路R中の水素ガスを強制循環させる。
The gas-
燃料電池出口遮断弁SV3の出口から下流の循環経路Rであって逆止弁RVまでに流通する水素オフガスが本発明のアノードオフガスに相当し、これらの経路で検出される圧力が本発明のアノード出口圧に相当する。 The hydrogen off-gas flowing from the outlet of the fuel cell outlet shut-off valve SV3 to the downstream circulation path R to the check valve RV corresponds to the anode off-gas of the present invention, and the pressure detected in these paths is the anode of the present invention. Corresponds to outlet pressure.
逆止弁RVの手前には排出経路に分岐しており、排出経路上には本発明のパージ弁に相当する遮断弁であるパージ弁SV5が設けられている。パージ弁SV5の一次側(上流側)には、アノードオフガスの圧力を測定する圧力センサp1及び温度を測定する温度センサt1が設けられ、パージ弁SV5の二次側(下流側)には、カソードオフガスの圧力を測定する圧力センサp2が設けられている。なお以下の実施形態では、圧力センサp2を頼らず、二次側の圧力を推定で求めている。各弁の開閉は制御部20からの制御信号に応じるものとなっている。
Before the check valve RV, a branch is made to the discharge path, and a purge valve SV5 which is a shutoff valve corresponding to the purge valve of the present invention is provided on the discharge path. The primary side (upstream side) of the purge valve SV5 is provided with a pressure sensor p1 for measuring the pressure of the anode off-gas and a temperature sensor t1 for measuring temperature, and the secondary side (downstream side) of the purge valve SV5 is provided with a cathode A pressure sensor p2 for measuring the off-gas pressure is provided. In the following embodiment, the pressure on the secondary side is obtained by estimation without relying on the pressure sensor p2. Each valve is opened and closed in response to a control signal from the
カソードガスの供給系統としては、エアクリーナ21、コンプレッサ22、加湿器23を備えている。エアクリーナ21は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ22は、取り入れられた空気を制御部20の制御信号に基づいて圧縮することによって燃料電池スタック10に供給される空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器23は圧縮された空気とカソードオフガスと間で水分の交換を行って適度な湿度を加える。エアクリーナ21の空気取り入れ口付近には圧力センサp3が設けられ、外気圧(大気圧)を検出可能になっている。
The cathode gas supply system includes an
燃料電池スタック10から排出されたカソードオフガスは希釈器14に供給されて、パージ弁SV5から排出されたアノードオフガスと混合される。すなわち可燃性のあるアノードオフガスをカソードオフガスが希釈するように構成されている。このためアノードオフガスとカソードオフガスはほぼ大気圧の近傍の圧力になっており、両者の圧力差は大きくはない。このため、パージ弁SV5直後の二次側の圧力は、ほぼ大気圧であってカソードオフガスの圧力に近いものとなっている。
The cathode offgas discharged from the
なお、燃料電池スタック10の冷却系は、ラジエタ31、ファン32、及び冷却ポンプ33を備え、冷却水が燃料電池スタック10内部に循環供給されるようになっている。
The cooling system for the
制御部20はECU(Electric Control Unit)等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないROM等に格納されているソフトウェアプログラムを図示しないCPU(中央処理装置)が順次実行することにより、当該システムに本発明のパージ制御方法を実施させることが可能になっている。
The
上記構成において、燃料電池スタック10にアノードガスである水素ガスとカソードガスである空気が供給されると、式(1)及び(2)に示す電気化学反応が生じて発電が行われる。発電を継続すると、不純物が発生して蓄積されていく。カソードオフガスの流路は循環経路が形成されておらず、カソードオフガスが希釈器14を介して排出されるので、不純物蓄積の弊害は少ない。一方、アノードオフガスは循環経路Rを循環することになるため、不純物が時間の経過とともに蓄積される。このため、定期的にパージ弁SV5を開放して不純物を含むカソードオフガスを排出するパージを実行せねばならない。パージを実施する際に、本実施形態では燃料電池スタック10の出口圧に応じてパージ弁SV5の開閉を制御するようになっている。
In the above configuration, when hydrogen gas as the anode gas and air as the cathode gas are supplied to the
すなわち、パージ弁を通過するガスの流量qは、一次側圧力をP1、二次側圧力P2、一次側圧力と二次側圧力との差圧をΔP、一次側ガス温度をTとすると、次の関係がある。 That is, the flow rate q of the gas passing through the purge valve is as follows, assuming that the primary side pressure is P1, the secondary side pressure P2, the differential pressure between the primary side pressure and the secondary side pressure is ΔP, and the primary side gas temperature is T. There is a relationship.
q ∝ √(ΔP*P2)*√(1/T) …(3)
ΔP=P1―P2
図4は遮断弁の二次側圧力を固定した場合のガス温度とガス流量との関係を示し、図5は遮断弁の一次側圧力を固定した場合のガス温度とガス流量との関係を示している。図4に示すように、遮断弁の一次側圧力を上昇させるとガス流量が増加する。また図5に示すように、遮断弁の二次側圧力を減少させると流量が増加する。いずれの場合もガス温度の影響も若干存在する。これらの特性図は、式(3)の関係を表している。
q ∝√ (ΔP * P2) * √ (1 / T) (3)
ΔP = P1-P2
4 shows the relationship between the gas temperature and the gas flow rate when the secondary pressure of the shut-off valve is fixed, and FIG. 5 shows the relationship between the gas temperature and the gas flow rate when the primary pressure of the shut-off valve is fixed. ing. As shown in FIG. 4, when the primary pressure of the shut-off valve is increased, the gas flow rate is increased. Further, as shown in FIG. 5, the flow rate increases when the secondary pressure of the shut-off valve is decreased. In either case, there is some influence of gas temperature. These characteristic diagrams represent the relationship of Expression (3).
本実施形態では、式(3)に鑑み、パージ弁SV5の一次側圧力P1及びパージ弁SV5の二次側圧力P2の推定値を求めてパージすべきアノードオフガスの流量qを求め、パージ弁SV5を開放させる時間と頻度を制御する。 In the present embodiment, in view of the equation (3), the estimated value of the primary pressure P1 of the purge valve SV5 and the secondary pressure P2 of the purge valve SV5 is obtained to obtain the flow rate q of the anode off gas to be purged, and the purge valve SV5 Control the time and frequency of opening.
ここで、不純物は幾つかの原因によって蓄積される。まず、前回の運転によって残留していた不純物がある。この不純物は、前回の運転停止から経時的に減少していくものなので、この減少特性のマップを参照することで求めることができる。 Here, impurities accumulate for several reasons. First, there are impurities left over from the previous run. Since this impurity decreases with the lapse of time since the previous shutdown, it can be obtained by referring to the map of this decrease characteristic.
次にMEAの電解質膜を介して空気極側から漏れてくる窒素等の不純物がある。図3に示すように、このクロスリークによる不純物濃度は、運転開始からの経過時間に応じて変化するため、クロスリークによる不純物濃度のマップを参照することで求めることができる。 Next, impurities such as nitrogen leak from the air electrode side through the MEA electrolyte membrane. As shown in FIG. 3, since the impurity concentration due to the cross leak changes in accordance with the elapsed time from the start of operation, it can be obtained by referring to a map of the impurity concentration due to the cross leak.
さらに水素ガスに含まれる不純物も蓄積される。このアノードガス自体に含まれる不純物の量はアノードガスの使用量に対応し、アノードガスの使用量は発電量(電力量)に値対応するため、発電量と不純物量との関係マップを参照することで求めることができる。 Furthermore, impurities contained in hydrogen gas are also accumulated. Since the amount of impurities contained in the anode gas itself corresponds to the amount of anode gas used, and the amount of anode gas used corresponds to the amount of power generation (power amount), reference is made to a relationship map between the amount of power generation and the amount of impurities. Can be obtained.
以上の要因で蓄積される不純物の濃度が高まったらパージする必要が生じる。図2に示すフローチャートに基づいて、本実施形態におけるパージ制御方法をさらに具体的に説明する。 When the concentration of impurities accumulated due to the above factors increases, it becomes necessary to purge. Based on the flowchart shown in FIG. 2, the purge control method in the present embodiment will be described more specifically.
まず起動時である場合には(S1:YES)、上記最初の要因による不純物蓄積を考慮する必要がある。制御部20は前回の運転停止からの放置時間と不純物の減少との関係を示すデータマップを参照し、運転開始時に循環経路Rに残留している不純物濃度を把握する(S2)。
First, when it is a start time (S1: YES), it is necessary to consider the impurity accumulation due to the first factor. The
次に第2の要因による不純物蓄積量を把握するため、制御部20は図3に示すような前回パージ後からの経過時間tと蓄積される不純物濃度Cと関係を示すデータマップを参照し、クロスリークによる不純物蓄積濃度を把握する(S3)。
Next, in order to grasp the amount of accumulated impurities due to the second factor, the
さらに第3の要因による不純物蓄積量を把握するため、制御部20は前回パージ後からの発電総量を参照し、アノードガスの総使用量を推測し、それに基づいて定まる水素ガスの純度不足に起因して蓄積された不純物濃度を把握する(S4)。
Further, in order to grasp the accumulated amount of impurities due to the third factor, the
制御部20は、第1の要因、第2の要因、及び第3の要因によってそれぞれ定まる不純物濃度を合計して、前回パージ後から蓄積された不純物濃度を計算する(S5)。
The
不純物濃度が求められると、その濃度の不純物を排出するために必要なパージ流量が定まるため、制御部20は不純物濃度と必要パージ流量とのデータマップを参照して、一定温度におけるパージ流量を定める(S6)。ここでアノードオフガスの温度は、パージを実行した回数との関係で定まる。制御部20は、両者の関係を示すデータマップを参照し、運転開始からのパージ回数から定まるアノードオフガスの温度を推測する(S8)。もちろん、温度センサt1からの検出信号を参照することにより、一次側圧力を直接的に測定してもよい。
When the impurity concentration is obtained, the purge flow rate necessary for discharging the impurity of that concentration is determined. Therefore, the
次にパージ弁の二次側圧力を求めるため、制御部20は燃料電池システムの要求負荷量を参照し、燃料電池スタック10に対する負荷量、すなわち要求発電量に対応して一義的に定まる空気量、すなわちカソードオフガスの流量を演算する(S9)。パージ弁SV5の二次側の圧力はカソードオフガスの流量に対応している。そのため制御部20は、カソードオフガスの流量と圧力とのデータマップを参照してカソードオフガスの圧力、すなわちパージ弁SV5の二次側圧力を推定する(S10)。
Next, in order to obtain the secondary pressure of the purge valve, the
ここで上記カソードオフガスの圧力を推定するためのデータマップは大気圧における関係を示すものであり、電気自動車が高地を走行しており、外気圧が低地における標準大気圧(例えば1013hPa)からずれる場合にはそのずれの程度に応じた補正が必要である。そこで、制御部20は、大気圧を測定可能な圧力センサp3の検出信号を参照して、その検出信号から把握される外気圧に応じて、ステップS10で算出したパージ弁SV5の二次側圧力を補正する(S11)。
Here, the data map for estimating the pressure of the cathode offgas indicates the relationship at atmospheric pressure, and the electric vehicle is traveling in the highland, and the external atmospheric pressure deviates from the standard atmospheric pressure (for example, 1013 hPa) in the lowland. Needs to be corrected according to the degree of the deviation. Therefore, the
パージ弁SV5の二次側圧力が推定できたら、制御部20は圧力センサp1の検出信号を参照してパージ弁SV5の一次側圧力を測定する(S12)。これによって式(3)の演算に必要なパラメータである、カソードオフガスの温度T、パージ弁SV5の一次側圧力P1、及び二次側圧力P2が総て把握できたので、制御部20はパージ弁SV5の有効断面積等から定まる制約を考慮した式(3)の計算式または図4や図5の関係を示すデータマップを参照することによって、パージ弁SV5を流すことが可能なガスの流量を求める。パージ弁SV5の流量と、ステップS5で求めた不純物を排出するための必要パージ流量から、パージ弁SV5の開弁時間t1を求める(S13)。
When the secondary pressure of the purge valve SV5 can be estimated, the
ここで、アノードオフガスはカソードオフガスで希釈する必要がある。アノードオフガスの濃度が所定の基準値以上に上がりすぎると燃える可能性があるからである。そこで、制御部20は、ステップS9で求めてあるカソードオフガスの流量に鑑み、排出することのできるカソードオフガスの最大量から、パージ弁SV5が最大開弁させてよい時間t2を求める(S14)。当該時間t2以下の時間であれば、希釈されて排出されるオフガスが燃える可能性を抑制できる。
Here, the anode off gas needs to be diluted with the cathode off gas. This is because if the concentration of the anode off gas is excessively higher than a predetermined reference value, there is a possibility of burning. Therefore, the
そこで制御部20は不純物排除の観点から計算された開弁時間t1と燃焼防止の観点から計算された開弁時間t2とを比較し(S15)、前者が後者を越えてしまった場合には(S15:YES)上限値として開弁時間t2を選択し(S16)、前者が後者以下の場合には(S15:NO)開弁時間t1を選択する(S17)。
Therefore, the
なお、上記実施形態ではパージ弁SV5の二次側圧力を推定演算によって求めていたが、圧力センサp2の検出信号を参照することによって、直接的に測定してもよい。 In the above embodiment, the secondary side pressure of the purge valve SV5 is obtained by estimation calculation, but it may be directly measured by referring to the detection signal of the pressure sensor p2.
以上の本実施形態1によれば、燃料電池スタック10のアノードオフガスの圧力及びカソードオフガスの圧力からパージ弁SV5の通過流量を正確に求め、パージ時間長を定めるので、不純物を確実に排出することができる。
According to the first embodiment described above, since the flow rate of the purge valve SV5 is accurately obtained from the pressure of the anode offgas and the pressure of the cathode offgas of the
また本実施形態1によれば、外気圧を測定してその測定値に応じてカソードオフガスの圧力を補正するので、当該燃料電池システムが高地などの大気圧が低地と異なる場所にあったとしても正確にパージ制御が行える。 Further, according to the first embodiment, since the atmospheric pressure is measured and the cathode offgas pressure is corrected according to the measured value, even if the fuel cell system is in a place where the atmospheric pressure such as the high altitude is different from the low altitude. Purge control can be performed accurately.
さらに本実施形態1によれば、パージ可能な最大時間を超えないようにパージ制御されるので、オフガスが燃焼する可能性を確実に抑制することができる。 Furthermore, according to the first embodiment, the purge control is performed so as not to exceed the maximum purgeable time, so that the possibility of burning off-gas can be reliably suppressed.
(実施形態2)
前記実施形態1では、パージ弁を通過可能な流量を予め推定し開弁時間を定めていたが、本発明の実施形態2は、開弁時間を定める代わりにパージ弁の通過流量を積算し、この積算量が必要パージ流量に達した否かでパージ弁の開閉を制御するものである。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the flow rate that can pass through the purge valve is estimated in advance and the valve opening time is determined, but in the second embodiment of the present invention, instead of determining the valve opening time, the flow rate through the purge valve is integrated, The opening and closing of the purge valve is controlled based on whether or not this integrated amount reaches the required purge flow rate.
本実施形態2に使用する燃料電池システムは実施形態1で示したものと同じものとする。なお、実施形態1ではパージ二次側圧力を演算による推定で求めることとしていた。本実施例においても同様の手法で二次側圧力を推定するようにしてもよいが、ここでは話を簡単にするためパージ弁SV5の二次側圧力を直接測定する圧力センサp2の検出信号を利用するものとする。 The fuel cell system used in the second embodiment is the same as that shown in the first embodiment. In the first embodiment, the purge secondary pressure is obtained by calculation. In the present embodiment, the secondary side pressure may be estimated by the same method, but here, for the sake of simplicity, the detection signal of the pressure sensor p2 that directly measures the secondary side pressure of the purge valve SV5 is used. Shall be used.
図6に、本実施形態2におけるパージ制御を説明するフローチャートを示す。必要とされるパージ流量の把握は、上記実施形態1における処理(S1〜S6)と同様であるため説明を省略する。すなわち図6のフローチャートに移行する時には必要パージ量の把握が終了しているものとする。 FIG. 6 shows a flowchart for explaining the purge control in the second embodiment. Since the grasp of the required purge flow rate is the same as the processing (S1 to S6) in the first embodiment, the description is omitted. That is, it is assumed that the grasp of the required purge amount has been completed when the process proceeds to the flowchart of FIG.
パージ処理をする場合(S21:YES)、まず制御部20はパージ弁SV5を開放する(S22)。ここで図7に示すように、開弁直後は圧力不安点領域が存在する。そこで制御部20は圧力が安定する迄待って(S23)、流量の積算を開始する。
When performing the purge process (S21: YES), the
流量の積算をするために、制御部20は圧力センサp1の検出信号を参照してパージ弁SV5の一次側圧力P1を特定し(S24)、圧力センサp2の検出信号を参照してパージ弁SV5の二次側圧力P2を特定する(S25)。そして一次側圧力P1から二次側圧力を減算してパージ弁の圧力差ΔPを算出する(S26)。
In order to integrate the flow rate, the
圧力差ΔP、一次側圧力P1、二次側圧力P2が定まれば、このパージ弁SV5の有効断面積を考慮に入れて短時間当たりの流量qが定まる。制御部20はこの流量qを演算し(S27)、前回までの積算値Qn−1に今回演算した流量qを加える累積演算を行う(S28)。
If the pressure difference ΔP, the primary side pressure P1, and the secondary side pressure P2 are determined, the flow rate q per short time is determined in consideration of the effective sectional area of the purge valve SV5. The
そしてこの積算値Qが所定値Qthを越えない限り(S29:NO)、積算演算が繰り返される(S24〜S28)。この所定値Qthは、上記実施形態1で演算された必要パージ流量とすることができる。また、オフガスの燃焼を防止するためにパージ可能時間の上限量としてもよい。すなわち、実施形態1のステップS15〜S17で実施していた開弁時間の比較を流量の比較に換算し直して、同様の判断をしてもよい。 As long as the integrated value Q does not exceed the predetermined value Qth (S29: NO), the integration calculation is repeated (S24 to S28). The predetermined value Qth can be the required purge flow rate calculated in the first embodiment. Also, the upper limit amount of purgeable time may be used to prevent off-gas combustion. That is, the same determination may be made by converting the comparison of the valve opening times performed in steps S15 to S17 of the first embodiment into the comparison of the flow rates.
積算値Qが所定値Qthを越えたら(S29:YES)、制御部20はパージ弁SV5を閉鎖する制御信号を出力して処理を終える(S30)。なおパージ終了時にこの積算値Qはリセットされゼロとされる。
When the integrated value Q exceeds the predetermined value Qth (S29: YES), the
上記したように本実施形態2によれば、パージ弁を実際に通過するガスの流量を積算することによってもパージ制御が行え、実施形態1と同様の作用効果を奏することが可能である。 As described above, according to the second embodiment, purge control can be performed by integrating the flow rate of the gas that actually passes through the purge valve, and the same effects as those of the first embodiment can be achieved.
特に本実施形態によれば、パージ弁SV5の二次側の圧力変化(背圧・大気圧・水詰まり等の外乱)の影響があっても、パージ流量を一定に保つことができ、適正なパージ量を確保することができ、燃料電池を安定して運転させることが可能である。そしてパージをし過ぎることによる燃費の悪化を防ぐこともできる。 In particular, according to the present embodiment, the purge flow rate can be kept constant even when there is an influence of a change in pressure on the secondary side of the purge valve SV5 (disturbance such as back pressure, atmospheric pressure, and water clogging). The purge amount can be ensured and the fuel cell can be operated stably. Further, it is possible to prevent deterioration in fuel consumption due to excessive purging.
なお、上記実施形態2では、パージ弁SV5を通過する瞬時流量qを求めてそれを積分していたが、代わりにパージ弁の圧力差ΔPを積算しても一義的に通過流量が定められるので、圧力差ΔPから求められる積算流量を用いてもよい。 In the second embodiment, the instantaneous flow rate q passing through the purge valve SV5 is obtained and integrated, but instead the flow rate is uniquely determined even if the pressure difference ΔP of the purge valve is integrated. Alternatively, an integrated flow rate obtained from the pressure difference ΔP may be used.
また、上記実施形態2では簡単にするためパージ弁SV5の二次側圧力を圧力センサによって測定していたが、上記実施形態1と同様に二次側圧力を推定したり、二次側圧力を大気圧と見なしたり、さらに大気圧センサによる補正を加えたりする推定演算によって求めるものでもよい。 In the second embodiment, the secondary side pressure of the purge valve SV5 is measured by a pressure sensor for the sake of simplicity. However, as in the first embodiment, the secondary side pressure is estimated or the secondary side pressure is You may obtain | require by the estimation calculation which considers it as atmospheric pressure, and also adds correction | amendment by an atmospheric pressure sensor.
(その他の実施形態)
本発明は上記各実施形態に限定されることなく種々に変更して利用することができる。例えば、上記燃料電池システムは循環経路Rを調圧弁RVの上流側に接続するような形態のシステムに適用していた。この形態は水素ポンプの動作による脈動が調圧弁RGの下流に伝達されないため、調圧弁RG下流のガス漏れ検査に適するものであるが、このような形態に限定されるものではない。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiments and can be used with various modifications. For example, the fuel cell system has been applied to a system in which the circulation path R is connected to the upstream side of the pressure regulating valve RV. This form is suitable for the gas leak inspection downstream of the pressure regulating valve RG because the pulsation due to the operation of the hydrogen pump is not transmitted downstream of the pressure regulating valve RG, but is not limited to such a form.
例えば、図8に示すように、循環経路Rを調圧弁RVの下流側に接続するような燃料電池システムに本発明をそのまま適用することも可能である。このようなシステムによれば、循環経路Rの水素ポンプ13の圧力変化が調圧弁RVの上部に伝達されないので、元弁SV1のガス漏れ検査を正確に行う場合に有利である。
For example, as shown in FIG. 8, it is also possible to apply the present invention as it is to a fuel cell system in which the circulation path R is connected to the downstream side of the pressure regulating valve RV. According to such a system, since the pressure change of the
また図9に示すように、循環経路を設けない燃料電池システムに本発明をそのまま適用することも可能である。さらに希釈器14を設けないシステムに本発明を適用してもよい。この場合、カソードオフガスの圧力は直接パージ弁SV5の二次側圧力とはならないので、圧力センサによる直接測定または二次側圧力が大気圧であるとの推定が必要となる。
Further, as shown in FIG. 9, the present invention can be applied as it is to a fuel cell system without a circulation path. Furthermore, the present invention may be applied to a system in which the
またパージ遮断弁の制御は、上記したような開閉時間を制御することの他に、弁開度を制御して流量を調整するようにしてもよい。 In addition to controlling the opening and closing time as described above, the purge cutoff valve may be controlled by controlling the valve opening and adjusting the flow rate.
p1〜p3…圧力センサ、t1…温度センサ、RG…調圧弁、SV1…元弁、SV2…燃料電池入口遮断弁、SV3…燃料電池出口遮断弁、SV4…遮断弁、SV5…パージ遮断弁、RV…逆止弁、10…燃料電池スタック、11…高圧水素タンク、12…気液分離器、13…水素ポンプ、14…希釈器、20…制御部、21…エアクリーナ、22…コンプレッサ、23…加湿器、31…ラジエタ、32…ファン、33…冷却水ポンプ
p1 to p3 ... pressure sensor, t1 ... temperature sensor, RG ... pressure regulating valve, SV1 ... main valve, SV2 ... fuel cell inlet shutoff valve, SV3 ... fuel cell outlet shutoff valve, SV4 ... shutoff valve, SV5 ... purge shutoff valve, RV DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Check valve, 10 ... Fuel cell stack, 11 ... High pressure hydrogen tank, 12 ... Gas-liquid separator, 13 ... Hydrogen pump, 14 ... Diluter, 20 ... Control part, 21 ... Air cleaner, 22 ... Compressor, 23 ...
Claims (7)
パージを実施する際に、前記燃料電池の出口圧に応じて前記パージ弁の開閉状態を制御可能に構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system for discharging the anode off gas by opening and closing the purge valve connected to the outlet of the fuel cell,
A fuel cell system configured to be able to control an open / close state of the purge valve in accordance with an outlet pressure of the fuel cell when purging.
前記燃料電池の出口圧は前記カソード出口圧である、請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system includes a configuration for joining the anode off-gas and the cathode off-gas,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the outlet pressure of the fuel cell is the cathode outlet pressure.
The fuel cell system according to claim 6, wherein opening and closing of the purge valve is controlled such that the flow rate equivalent value has a predetermined reference amount as an upper limit.
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Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007066717A (en) * | 2005-08-31 | 2007-03-15 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and method for operating it |
JP2007066688A (en) * | 2005-08-31 | 2007-03-15 | Hitachi Maxell Ltd | Fuel cell |
JP2007103172A (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-19 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and its gas discharge method |
JP2007165103A (en) * | 2005-12-13 | 2007-06-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, its operation method, and movable body |
JP2007280801A (en) * | 2006-04-07 | 2007-10-25 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and offgas purging method |
JP2008117719A (en) * | 2006-11-08 | 2008-05-22 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2010003509A (en) * | 2008-06-19 | 2010-01-07 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell vehicle and its control method in highlands |
JP2021044067A (en) * | 2019-09-06 | 2021-03-18 | 株式会社Soken | Fuel cell system and method for estimating anode off-gas emission amount |
JP2021044107A (en) * | 2019-09-10 | 2021-03-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and method for opening and closing exhaust valve |
CN113921869A (en) * | 2021-09-30 | 2022-01-11 | 上海重塑能源科技有限公司 | Drainage valve closed-loop control method, system, medium and electronic equipment |
JP7498689B2 (en) | 2021-09-22 | 2024-06-12 | 株式会社豊田自動織機 | Fuel Cell Systems |
-
2004
- 2004-02-27 JP JP2004053344A patent/JP2005243491A/en active Pending
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007066688A (en) * | 2005-08-31 | 2007-03-15 | Hitachi Maxell Ltd | Fuel cell |
JP2007066717A (en) * | 2005-08-31 | 2007-03-15 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and method for operating it |
JP4649308B2 (en) * | 2005-10-04 | 2011-03-09 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system |
JP2007103172A (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-19 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and its gas discharge method |
US7897286B2 (en) | 2005-10-04 | 2011-03-01 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method of discharging gas from the fuel cell system |
JP2007165103A (en) * | 2005-12-13 | 2007-06-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, its operation method, and movable body |
JP2007280801A (en) * | 2006-04-07 | 2007-10-25 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and offgas purging method |
JP2008117719A (en) * | 2006-11-08 | 2008-05-22 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2010003509A (en) * | 2008-06-19 | 2010-01-07 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell vehicle and its control method in highlands |
JP2021044067A (en) * | 2019-09-06 | 2021-03-18 | 株式会社Soken | Fuel cell system and method for estimating anode off-gas emission amount |
JP7272912B2 (en) | 2019-09-06 | 2023-05-12 | 株式会社Soken | Fuel cell system and method for estimating anode off-gas emissions |
JP2021044107A (en) * | 2019-09-10 | 2021-03-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and method for opening and closing exhaust valve |
JP7243538B2 (en) | 2019-09-10 | 2023-03-22 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and method for opening and closing discharge valve |
JP7498689B2 (en) | 2021-09-22 | 2024-06-12 | 株式会社豊田自動織機 | Fuel Cell Systems |
CN113921869A (en) * | 2021-09-30 | 2022-01-11 | 上海重塑能源科技有限公司 | Drainage valve closed-loop control method, system, medium and electronic equipment |
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