JP2005327596A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system accurately estimating an amount of impurities in an anode of a fuel cell, and exhausting the impurities without wasting fuel gas. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with an oxidant gas channel and a fuel gas channel fitted to the fuel cell, and an exhaust valve fitted to the fuel gas channel. A first gas transmission amount estimation means estimates the amount of the impurity gas transmitted from the oxidant gas channel to the fuel gas channel through an electrolyte film of the fuel cell. The fuel cell system opens the exhaust valve when accumulated amount of the impurity gas estimated by the first gas transmission amount estimation means exceeds a given volume. This prevents the exhaust valve from wastefully being opened to exhaust fuel gas or the like. Further, since estimation of the impurity gas amount is carried out by a normal fuel cell system, the fuel cell system is made in a simple structure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池内の不純物量を推定してガスの供給/排出の制御を行う燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that estimates the amount of impurities in a fuel cell and controls gas supply / discharge.

燃料電池自動車などに適用される燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料ガスとして水素が供給されるアノード極(燃料極)と、空気が供給されるカソード極(酸素極)を備える燃料電池スタックを本体として、アノード極に供給する水素等の燃料ガスを貯蔵したタンクや、未使用の燃料ガスを含む排ガスを元のアノード極に戻すためのポンプ等が付設されたシステムである。燃料電池スタックでは、水素と空気に含まれる酸素が反応して電力が生成される。   A fuel cell system applied to a fuel cell vehicle or the like is known. A fuel cell system is a fuel cell stack including an anode electrode (fuel electrode) to which hydrogen is supplied as a fuel gas and a cathode electrode (oxygen electrode) to which air is supplied, and a fuel such as hydrogen supplied to the anode electrode. The system is equipped with a tank for storing gas, a pump for returning exhaust gas containing unused fuel gas to the original anode, and the like. In the fuel cell stack, hydrogen and oxygen contained in air react to generate electric power.

ここで、燃料電池においては反応が進むにつれて、カソード極からカソードガス(空気)中の窒素や反応による生成水などが電解質膜を通りアノード極側へと滲み出してくることが知られている。これにより、アノード極において窒素や水蒸気の分圧が上昇して燃料ガス(水素)の濃度が低下し、燃料電池の発電能力が低下してしまう。   Here, it is known that in the fuel cell, as the reaction proceeds, nitrogen in the cathode gas (air), water produced by the reaction, etc. ooze out from the cathode electrode to the anode electrode side through the electrolyte membrane. As a result, the partial pressure of nitrogen or water vapor increases at the anode electrode, the concentration of the fuel gas (hydrogen) decreases, and the power generation capacity of the fuel cell decreases.

そのため、一般的には、アノード極の排出流路に設けられた排出弁を開弁し、未使用の水素や不純物を含むガスを排出していた。例えば、特許文献1には、混合ガスの超音波伝播時間より不純物ガス濃度を演算して、不純物ガス濃度・圧力・温度に基づいて不純物ガス存在量を演算して、不純物ガス存在量が所定量以上であるときにパージを行う(排出弁を開く)といった技術が記載されている。また、特許文献2には、燃料ガスの水素濃度を検出して所定濃度以下の際、及び燃料電池の出力が低下した際に排出弁を開くといった技術が記載されている。特許文献3には、水素循環ラインの圧力が所定圧力より高くなったら不純物ガスが溜まっていると判断して排出弁を開くという技術が記載されている。その他に、特許文献4には、セル電圧の低下・所定時間経過・スタックの層電圧の低下を判断要素として、水素のパージを行う技術が開示されている。   For this reason, in general, a discharge valve provided in the discharge flow path of the anode electrode is opened to discharge a gas containing unused hydrogen and impurities. For example, in Patent Document 1, the impurity gas concentration is calculated from the ultrasonic propagation time of the mixed gas, the impurity gas abundance is calculated based on the impurity gas concentration, pressure, and temperature, and the impurity gas abundance is a predetermined amount. A technique of purging (opening the discharge valve) when the above is described is described. Patent Document 2 describes a technique in which the discharge valve is opened when the hydrogen concentration of the fuel gas is detected and below a predetermined concentration, and when the output of the fuel cell is reduced. Patent Document 3 describes a technique in which, when the pressure in the hydrogen circulation line becomes higher than a predetermined pressure, it is determined that the impurity gas has accumulated and the discharge valve is opened. In addition, Patent Document 4 discloses a technique for purging hydrogen using a decrease in cell voltage, a predetermined time, and a decrease in stack layer voltage as determination factors.

しかしながら、上記の特許文献1に記載された技術では、超音波受発信器が必要でありコストがかかるという問題があった。また、特許文献2及至4に記載された技術では、現在のアノード極内の状況を考慮に入れて不純物濃度を推定しないため、無駄に未使用の水素が排出されてしまうという問題があった。そのため、燃費の低下等に繋がっていた。   However, the technique described in Patent Document 1 has a problem in that an ultrasonic transmitter / receiver is required and costs are high. Further, in the techniques described in Patent Documents 2 to 4, there is a problem in that unused hydrogen is discharged unnecessarily because the impurity concentration is not estimated in consideration of the current situation in the anode electrode. Therefore, it led to a decrease in fuel consumption.

特開2003−317752号公報JP 2003-317752 A 特開2003−77506号公報JP 2003-77506 A 特開2000−58092号公報JP 2000-58092 A 特開2002−246045号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-246045

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池におけるアノード極内の不純物量を正確に推定し、燃料ガスを無駄に排出することなく不純物を効率的に排出することが可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to accurately estimate the amount of impurities in the anode electrode of a fuel cell without exhausting fuel gas wastefully. The object is to provide a fuel cell system capable of efficiently discharging impurities.

本発明の1つの観点では、燃料電池システムは、燃料電池に設けられた酸化剤ガス通路及び燃料ガス通路と、単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量を推定する第1のガス透過量推定手段と、前記第1のガス透過量推定手段が推定した不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路内の燃料ガス量を調整する制御手段と、を備える。   In one aspect of the present invention, a fuel cell system includes an oxidant gas passage and a fuel gas passage provided in a fuel cell, and the fuel gas from the oxidant gas passage per unit time via the electrolyte of the fuel cell. A first gas permeation amount estimating means for estimating the amount of impurity gas permeating through the passage; and the fuel gas when an amount obtained by integrating the impurity gas amounts estimated by the first gas permeation amount estimation means is a predetermined amount or more. Control means for adjusting the amount of fuel gas in the passage.

上記の燃料電池システムは、燃料電池自動車などに搭載される。燃料電池システムは、燃料電池に設けられた酸化剤ガス通路と燃料ガス通路とを有する。更に、燃料電池システムは、単位時間当たりに酸化剤ガス通路から燃料電池の電解質(例えば、電解質膜)を介して燃料ガス通路に透過する不純物ガス量を推定する第1のガス透過量推定手段を有する。燃料電池システムは、第1のガス透過量推定手段が推定した不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路内の燃料ガス量を調整する。即ち、燃料電池内に不純物が所定量以上存在すると安定した発電を行うことができなくなるため、燃料ガス通路内の燃料ガス量を増加させる。これにより、発電効率の低下を防止することができる。また、上記の不純物ガス量の推定は、通常の燃料電池システムが有する装置を利用することができるので、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。   The fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle or the like. The fuel cell system has an oxidant gas passage and a fuel gas passage provided in the fuel cell. Furthermore, the fuel cell system includes first gas permeation amount estimation means for estimating the amount of impurity gas permeating from the oxidant gas passage per unit time through the fuel cell electrolyte (for example, electrolyte membrane) to the fuel gas passage. Have. The fuel cell system adjusts the amount of fuel gas in the fuel gas passage when the amount obtained by integrating the impurity gas amounts estimated by the first gas permeation amount estimating means is a predetermined amount or more. That is, if there are more than a predetermined amount of impurities in the fuel cell, stable power generation cannot be performed, and the amount of fuel gas in the fuel gas passage is increased. Thereby, the fall of power generation efficiency can be prevented. In addition, since the above estimation of the amount of impurity gas can use an apparatus included in a normal fuel cell system, the fuel cell system can be simplified.

上記の燃料電池システムの一態様は、単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出手段と、単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出手段と、単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過するガス透過量を推定する第2のガス透過量推定手段と、を有し、前記第1のガス透過量推定手段は、前記供給水素量検出手段が検出した水素量から、前記消費水素量検出手段が検出した水素量と、前記第2のガス透過量推定手段が推定したガス透過量と、を減じた値を単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定する。   One aspect of the above fuel cell system includes a supply hydrogen amount detecting means for detecting the amount of hydrogen supplied to the fuel gas passage per unit time under a constant pressure, and hydrogen consumed by the fuel cell per unit time. And a second gas permeation amount estimating means for estimating a gas permeation amount permeating from the fuel gas passage through the fuel cell electrolyte to the oxidant gas passage per unit time. The first gas permeation amount estimation means includes a hydrogen amount detected by the hydrogen consumption amount detection means and a second gas permeation amount from the hydrogen amount detected by the supply hydrogen amount detection means. The value obtained by subtracting the gas permeation amount estimated by the estimation means is estimated as the amount of impurity gas permeating from the oxidant gas passage through the fuel cell electrolyte to the fuel gas passage per unit time.

この態様では、燃料電池システムは、燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量と燃料電池で消費される水素量と、燃料ガス通路から燃料電池の電解質を介して酸化剤ガス通路に透過するガス(燃料ガスなど)の量と、に基づいて不純物ガス量を推定する。透過燃料ガス量、即ち透過水素量の推定は、透過不純物ガス量、即ち透過窒素量を直接推定するよりも推定精度が高い。これは、酸化剤ガス通路から燃料ガス通路に透過する窒素量は、燃料ガス通路から酸化剤ガス通路へ透過する水素量に比べて少ないため、窒素透過量をマップなどの直接的な手段で推定しても推定精度が低くなりやすいためである。よって、透過燃料ガス量を用いて不純物ガス量を推定することにより、不純物ガス量の推定精度が向上する。更に、この場合も、通常の燃料電池システムが有する装置を利用することができるので、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。   In this aspect, the fuel cell system transmits the amount of hydrogen supplied to the fuel gas passage at a constant pressure, the amount of hydrogen consumed by the fuel cell, and the oxidant gas passage from the fuel gas passage through the electrolyte of the fuel cell. The amount of impurity gas is estimated based on the amount of gas (fuel gas etc.) to be performed. The estimation of the amount of permeated fuel gas, that is, the amount of permeated hydrogen, has higher estimation accuracy than directly estimating the amount of permeated impurity gas, that is, the amount of permeated nitrogen. This is because the amount of nitrogen permeating from the oxidant gas passage to the fuel gas passage is smaller than the amount of hydrogen permeating from the fuel gas passage to the oxidant gas passage, so the nitrogen permeation amount is estimated by a direct means such as a map. This is because the estimation accuracy tends to be low. Therefore, the estimation accuracy of the impurity gas amount is improved by estimating the impurity gas amount using the permeated fuel gas amount. Furthermore, also in this case, since the apparatus which a normal fuel cell system has can be utilized, a fuel cell system can be made a simple structure.

上記の燃料電池システムの一態様では、前記第2のガス透過量推定手段は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、前記燃料電池の発電量の各々が増加するほど、前記ガス透過量が大きくなるように前記ガス透過量を推定する。   In one aspect of the above fuel cell system, the second gas permeation amount estimation unit is configured to increase the gas permeation as the temperature of the fuel cell, the humidity in the fuel cell, and the power generation amount of the fuel cell increase. The gas permeation amount is estimated so as to increase the amount.

この態様では、第2のガス透過量推定手段は、燃料電池の温度と、燃料電池内の湿度と、燃料電池の発電量と、燃料ガス通路から燃料電池の電解質を介して酸化剤ガス通路に透過するガスの量との関係を示すマップに基づいて推定を行う。したがって、酸化剤ガス通路に透過するガスの量を精度良く推定することができる。   In this aspect, the second gas permeation amount estimation means includes the temperature of the fuel cell, the humidity in the fuel cell, the amount of power generated by the fuel cell, and the oxidant gas passage from the fuel gas passage through the electrolyte of the fuel cell. Estimation is performed based on a map showing the relationship with the amount of gas that permeates. Therefore, it is possible to accurately estimate the amount of gas that permeates the oxidant gas passage.

上記の燃料電池システムにおいては、好適には、前記第1のガス透過量推定手段は、前記不純物として窒素と水蒸気の量を推定する。燃料電池の燃料ガス通路には、不純物として、酸化剤通路側から侵入する窒素や、発電のための反応により生じる水蒸気などが溜まるので、これらの量を推定して燃料ガス量の調整を行う。   In the fuel cell system, preferably, the first gas permeation amount estimation means estimates the amount of nitrogen and water vapor as the impurities. In the fuel gas passage of the fuel cell, nitrogen that enters from the oxidant passage side, water vapor generated by a reaction for power generation, and the like accumulate as impurities, and these amounts are estimated to adjust the fuel gas amount.

上記の燃料電池システムの一態様では、前記燃料ガス通路に設けられた排出弁を備え、前記制御手段は、前記不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記排出弁を開弁する。この態様では、燃料電池システムは、不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときのみ、排出弁を開いて燃料ガス通路内のガスを排出するので、無駄に排出弁を開弁して未使用の燃料ガスなどを排出することがない。よって、燃費を低下させることなく、発電効率の低下を防止することができる。   In one aspect of the above fuel cell system, the fuel cell system includes a discharge valve provided in the fuel gas passage, and the control means opens the discharge valve when an amount obtained by integrating the amount of the impurity gas is a predetermined amount or more. To do. In this aspect, the fuel cell system opens the discharge valve and discharges the gas in the fuel gas passage only when the accumulated amount of the impurity gas is equal to or greater than the predetermined amount. The fuel gas used is not discharged. Therefore, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency without reducing fuel consumption.

上記の燃料電池システムの一態様では、前記制御手段は、前記不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路内における燃料ガス量を増加する。この態様では、排出弁を開いて不純物ガスを排出する代わりに、燃料ガス通路内の燃料ガス量を増加させることにより発電効率の低下を防止する。   In one aspect of the fuel cell system, the control means increases the amount of fuel gas in the fuel gas passage when the amount obtained by integrating the amount of impurity gas is equal to or greater than a predetermined amount. In this aspect, instead of opening the discharge valve and discharging the impurity gas, the amount of fuel gas in the fuel gas passage is increased to prevent a decrease in power generation efficiency.

本発明の他の観点では、酸化剤ガス通路と、燃料ガス通路と、を有する燃料電池における不純物ガス量推定方法は、単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出工程と、単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出工程と、単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過する透過ガス量を推定する透過ガス量推定工程と、前記供給水素量検出工程により検出された水素量から、前記消費水素量検出工程により検出された水素量と、前記透過ガス量推定工程により推定された透過ガス量と、を減じた値を単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定する工程と、を備える。   In another aspect of the present invention, a method for estimating the amount of impurity gas in a fuel cell having an oxidant gas passage and a fuel gas passage is used to calculate the amount of hydrogen supplied to the fuel gas passage at a constant pressure per unit time. A supply hydrogen amount detection step for detecting, a hydrogen consumption amount detection step for detecting the amount of hydrogen consumed by the fuel cell per unit time, and the fuel gas passage from the fuel gas passage per unit time through the electrolyte of the fuel cell. A permeate gas amount estimation step for estimating a permeate gas amount permeating the oxidant gas passage; a hydrogen amount detected by the hydrogen consumption amount detection step from a hydrogen amount detected by the supply hydrogen amount detection step; A value obtained by subtracting the amount of permeated gas estimated by the gas amount estimating step from the oxidant gas passage per unit time through the fuel cell electrolyte to the fuel gas passage. And a step of estimating the object gas amount.

上記の不純物ガス量推定方法によれば、燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量と燃料電池で消費される水素量と、燃料ガス通路から燃料電池の電解質を介して酸化剤ガス通路に透過するガス(燃料ガスなど)の量と、に基づいて不純物ガス量が推定される。透過燃料ガス量、即ち透過水素量の推定は、透過不純物ガス量、即ち透過窒素量を直接推定するよりも推定精度が高い。よって、透過燃料ガス量を用いて不純物ガス量を推定することにより、不純物ガス量の推定精度が向上する。更に、この場合も、通常の燃料電池システムが有する装置を利用することができるので、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。   According to the above impurity gas amount estimation method, the amount of hydrogen supplied to the fuel gas passage at a constant pressure, the amount of hydrogen consumed by the fuel cell, and the oxidant gas passage from the fuel gas passage through the electrolyte of the fuel cell The amount of impurity gas is estimated based on the amount of gas (such as fuel gas) that permeates the gas. The estimation of the amount of permeated fuel gas, that is, the amount of permeated hydrogen, has higher estimation accuracy than directly estimating the amount of permeated impurity gas, that is, the amount of permeated nitrogen. Therefore, the estimation accuracy of the impurity gas amount is improved by estimating the impurity gas amount using the permeated fuel gas amount. Furthermore, also in this case, since the apparatus which a normal fuel cell system has can be utilized, a fuel cell system can be made a simple structure.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[燃料電池システムの構成]
図1は、本発明の1つの実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.

燃料電池システム50は、主に、調圧弁3と、温度センサ5と、電流センサ6と、排出弁8と、ECU(Engine Control Unit)10と、供給流路11、12と、排出流路13、14と、を備える。燃料電池システム50は、燃料電池自動車(以下、単に「車両」と呼ぶ)などに搭載され、燃料電池(燃料電池スタック)1に対して種々の制御を行うシステムである。   The fuel cell system 50 mainly includes a pressure regulating valve 3, a temperature sensor 5, a current sensor 6, a discharge valve 8, an ECU (Engine Control Unit) 10, supply channels 11 and 12, and a discharge channel 13. , 14. The fuel cell system 50 is a system that is mounted on a fuel cell vehicle (hereinafter simply referred to as a “vehicle”) and performs various controls on the fuel cell (fuel cell stack) 1.

燃料電池1は、電解質膜1cの両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルを、層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じた出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜1c面にカソード極(空気極)1aと、アノード極(燃料極)1bが形成された電池セルの構造のみを示している。図示のように、カソード極1aには供給流路11より酸化剤ガスとしての空気が供給され、アノード極1bには供給流路12より燃料ガスとしての水素が供給される。これによって、電力が生成される。   The fuel cell 1 is formed by laminating battery cells in which electrodes having a structure such as a porous layer capable of diffusing gas are formed on both surfaces of an electrolyte membrane 1c with a conductive separator interposed between the layers. The output voltage corresponding to In the drawing, for convenience of explanation, only the structure of a battery cell in which a cathode electrode (air electrode) 1a and an anode electrode (fuel electrode) 1b are formed on the surface of the electrolyte membrane 1c is shown. As shown in the figure, air as an oxidant gas is supplied to the cathode electrode 1 a from the supply channel 11, and hydrogen as a fuel gas is supplied to the anode electrode 1 b from the supply channel 12. Thereby, electric power is generated.

燃料電池1は、車両駆動用のモータの給電源であり、300V程度の直流の高電圧を発生するようになっている。また、燃料電池1の発電電圧は、電源ケーブル15を通り、モータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータや、車両に搭載される種々の補機や、この補機への給電用の二次電池であるバッテリー(これら全てを含めて、「負荷7」として示している)に出力するようになっている。   The fuel cell 1 is a power supply for a motor for driving a vehicle, and generates a high DC voltage of about 300V. Further, the generated voltage of the fuel cell 1 passes through the power cable 15 and is supplied to an inverter that supplies a current corresponding to a command torque to the motor, various auxiliary devices mounted on the vehicle, and for supplying power to the auxiliary devices. The output is output to a battery which is a secondary battery (all of these are indicated as “load 7”).

供給流路11には空気が流通し、供給流路12には水素が流通する。そして、排出流路13にはカソード極1aより排出されるガスが流通し、排出流路14にはアノード極1bより排出されるガス(未使用の水素、及び、不純物としての水、窒素などが含まれる)が流通する。以上のように、供給流路11と排出流路13は前述した酸化剤ガス通路として機能し、供給流路12と排出流路14は前述した燃料ガス通路として機能する。なお、酸化剤ガス通路及び燃料ガス通路は、燃料電池1内に設けてあるガスが流通する流路(例えば、セパレータ上に設けられた通路など)も含むものとする。   Air circulates in the supply channel 11, and hydrogen circulates in the supply channel 12. A gas discharged from the cathode electrode 1a circulates in the discharge channel 13, and a gas discharged from the anode electrode 1b (unused hydrogen, water as an impurity, nitrogen, etc.) Is included). As described above, the supply flow path 11 and the discharge flow path 13 function as the oxidant gas passage described above, and the supply flow path 12 and the discharge flow path 14 function as the fuel gas passage described above. Note that the oxidant gas passage and the fuel gas passage include a passage (for example, a passage provided on the separator) through which the gas provided in the fuel cell 1 flows.

上記した供給流路12上には、流量計2と調圧弁3が配設されている。流量計2は、供給流路12を流通する水素の流量(以下、「供給水素量」とも呼ぶ)を検出する装置である。即ち、流量計2が検出する流量は、アノード極1bに供給する水素量に相当する。この流量計2が検出した流量に対応する信号S1は、ECU10に出力される。   A flow meter 2 and a pressure regulating valve 3 are disposed on the supply flow path 12 described above. The flow meter 2 is a device that detects the flow rate of hydrogen flowing through the supply flow path 12 (hereinafter also referred to as “supply hydrogen amount”). That is, the flow rate detected by the flow meter 2 corresponds to the amount of hydrogen supplied to the anode 1b. A signal S1 corresponding to the flow rate detected by the flow meter 2 is output to the ECU 10.

調圧弁3は、アノード極1bに供給する水素の流量(水素量)を調節する弁である。調圧弁3は、圧力を一定に維持したまま、アノード極1bに水素を供給するようにする。調圧弁3は、ECU10からの制御信号S2により制御される。なお、調圧弁3が精度よく開度量の調節が可能な弁であれば、上記のように流量を直接検出する流量計2を用いずに、供給弁3の開度量から、アノード極1bへの供給水素量を求めるようにしてもよい。更に、調圧弁3がインジェクタ等で構成される場合(即ち、通電される制御パルスのデューティ比により開閉の制御が行われる弁を用いる場合)も流量計2を用いずに、上流圧と上流温度と弁の開信号とに基づいて供給水素量を求めてもよい。   The pressure regulating valve 3 is a valve that adjusts the flow rate (hydrogen amount) of hydrogen supplied to the anode 1b. The pressure regulating valve 3 supplies hydrogen to the anode 1b while keeping the pressure constant. The pressure regulating valve 3 is controlled by a control signal S2 from the ECU 10. If the pressure regulating valve 3 is a valve that can accurately adjust the opening amount, the opening amount of the supply valve 3 to the anode 1b is not used without using the flow meter 2 that directly detects the flow rate as described above. The amount of supplied hydrogen may be obtained. Further, when the pressure regulating valve 3 is constituted by an injector or the like (that is, when a valve whose opening / closing is controlled by the duty ratio of the energized control pulse is used), the upstream pressure and the upstream temperature are not used. And the supply hydrogen amount may be obtained based on the valve opening signal.

燃料電池1には温度センサ5が配設されている。即ち、温度センサ5は、燃料電池1の温度を検出する。温度センサ5が検出した温度に相当する信号S4は、ECU10に出力される。なお、燃料電池1の温度の検出方法は、温度センサ5を燃料電池1に直接配設することに限定されない。例えば、燃料電池1に供給する冷却剤の温度を燃料電池1の温度として用いても良い。即ち、燃料電池1の温度を直接検出せずとも、燃料電池1内の水素の温度を精度良く反映している温度を用いればよい。   A temperature sensor 5 is disposed in the fuel cell 1. That is, the temperature sensor 5 detects the temperature of the fuel cell 1. A signal S4 corresponding to the temperature detected by the temperature sensor 5 is output to the ECU 10. Note that the method for detecting the temperature of the fuel cell 1 is not limited to directly disposing the temperature sensor 5 on the fuel cell 1. For example, the temperature of the coolant supplied to the fuel cell 1 may be used as the temperature of the fuel cell 1. That is, a temperature that accurately reflects the temperature of hydrogen in the fuel cell 1 may be used without directly detecting the temperature of the fuel cell 1.

電源ケーブル15には、電流センサ6が設けられている。電流センサ6は、燃料電池1が発電した電流値を検出するセンサである。電流センサ6が検出した電流値に相当する信号S5は、ECU10に出力される。この電流センサの出力信号S5は、燃料電池1の発電量に対応する。更に、排出流路14には、排出弁8が配設されている。排出弁8は、アノード極1bより未使用の水素や不純物(窒素、水など)を含むガスを排出させることが可能な弁である。排出弁8は、ECU10からの制御信号S6により制御される。   The power cable 15 is provided with a current sensor 6. The current sensor 6 is a sensor that detects a current value generated by the fuel cell 1. A signal S5 corresponding to the current value detected by the current sensor 6 is output to the ECU 10. The output signal S5 of this current sensor corresponds to the power generation amount of the fuel cell 1. Further, a discharge valve 8 is disposed in the discharge flow path 14. The discharge valve 8 is a valve capable of discharging a gas containing unused hydrogen or impurities (nitrogen, water, etc.) from the anode 1b. The discharge valve 8 is controlled by a control signal S6 from the ECU 10.

ECU10は、図示しないCPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。ECU10は、上記したように、流量計2と温度センサ5と電流センサ6からの検出信号S1、S4、S5に基づいて、調圧弁3と排出弁8を制御する。即ち、調圧弁3と排出弁8に制御信号S2、S6を供給する。本実施形態では、ECU10は、電解質膜1cを透過してカソード極1aからアノード極1bに移動した不純物の量(不純物ガス量)を推定して、推定された不純物ガス量が所定量以上である場合に排出弁8を開弁するよう制御する。   The ECU 10 includes a CPU, a ROM, a RAM, an A / D converter, an input / output interface, and the like (not shown). As described above, the ECU 10 controls the pressure regulating valve 3 and the discharge valve 8 based on the detection signals S1, S4, and S5 from the flow meter 2, the temperature sensor 5, and the current sensor 6. That is, the control signals S2 and S6 are supplied to the pressure regulating valve 3 and the discharge valve 8. In the present embodiment, the ECU 10 estimates the amount of impurities (impurity gas amount) that has passed through the electrolyte membrane 1c and moved from the cathode electrode 1a to the anode electrode 1b, and the estimated impurity gas amount is a predetermined amount or more. In such a case, the discharge valve 8 is controlled to be opened.

ここで、ECU10が上記のような制御を行う意義について、図2を用いて説明する。図2は、燃料電池1の運転の継続時間とともに、燃料電池1内の不純物が増加する様子を示した図である。図において、横軸は時間を示し、縦軸は水素の流量を示している。また、破線で表した直線B1は水素の予測必要流量を示し、実線で表した曲線B2は実際の水素の流量を示している。これより、燃料電池1の運転の継続時間が増加するにつれ、実際の水素の流量は予測必要流量から離れていくことがわかる。これは、カソード極1aから電解質膜1cを透過した不純物(窒素や水蒸気など)がアノード極1b内に溜まるためである。即ち、予測必要流量と実際の流量との差を表す斜線領域B3は、不純物の量を示している。   Here, the significance of the ECU 10 performing the above control will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing how impurities in the fuel cell 1 increase with the duration of operation of the fuel cell 1. In the figure, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the flow rate of hydrogen. Further, a straight line B1 represented by a broken line represents a predicted required flow rate of hydrogen, and a curve B2 represented by a solid line represents an actual flow rate of hydrogen. From this, it can be seen that the actual flow rate of hydrogen deviates from the predicted required flow rate as the duration of operation of the fuel cell 1 increases. This is because impurities (such as nitrogen and water vapor) that have passed through the electrolyte membrane 1c from the cathode electrode 1a accumulate in the anode electrode 1b. That is, the hatched area B3 representing the difference between the predicted required flow rate and the actual flow rate indicates the amount of impurities.

アノード極1b内に不純物が多量に溜まると燃料電池1の発電効率が低下するため、排出弁8を開弁して不純物を排出する必要がある。しかし、不純物が多量(燃料電池1の発電効率に悪影響を与えるほどの量)に溜まっていないにも拘らず、排出弁8を開弁すると燃料電池1の利用効率が低下してしまう。このような観点から、本実施形態では、アノード極1b内の不純物ガス量を精度よく推定して、適切に排出弁8を制御する。また、本実施形態では、精度良く不純物ガス量を推定するために、電解質膜1cを透過してアノード極1bからカソード極1aへ移動したガス(水素など)の量を推定し、このガスの量に基づいて不純物ガス量を推定する。ECU10が行う処理の詳細は、後述する。以上のように、ECU10は、不純物ガス量を推定する第1のガス透過量推定手段と、ガス量(カソード極1aへ移動したガスの量)を推定する第2のガス透過量推定手段と、不純物ガス量に基づいて排出弁8を開弁する制御手段として機能する。   If a large amount of impurities accumulates in the anode 1b, the power generation efficiency of the fuel cell 1 decreases. Therefore, it is necessary to open the discharge valve 8 to discharge the impurities. However, when the discharge valve 8 is opened, the utilization efficiency of the fuel cell 1 is lowered even though impurities are not accumulated in a large amount (an amount that adversely affects the power generation efficiency of the fuel cell 1). From this point of view, in this embodiment, the amount of impurity gas in the anode 1b is accurately estimated and the discharge valve 8 is appropriately controlled. In this embodiment, in order to estimate the amount of impurity gas with high accuracy, the amount of gas (such as hydrogen) that has passed through the electrolyte membrane 1c and moved from the anode 1b to the cathode 1a is estimated, and the amount of this gas Based on the above, the amount of impurity gas is estimated. Details of processing performed by the ECU 10 will be described later. As described above, the ECU 10 includes the first gas permeation amount estimation unit that estimates the impurity gas amount, the second gas permeation amount estimation unit that estimates the gas amount (the amount of gas moved to the cathode electrode 1a), It functions as a control means for opening the discharge valve 8 based on the amount of impurity gas.

[不純物ガス量の推定方法]
以下では、ECU10が行う不純物ガス量の推定方法、及び、この推定結果に基づく排出弁8の制御方法について具体的に説明する。
[Method of estimating the amount of impurity gas]
Below, the estimation method of the impurity gas amount which ECU10 performs, and the control method of the discharge valve 8 based on this estimation result are demonstrated concretely.

図3は、ECU10が行う処理を示すフローチャートである。なお、この処理は燃料電池1の使用中に所定の周期で繰り返し実行される。例えば、1Hz以上の周期で処理を行うことが好適である。更に、以下では「不純物ガス量」の推定を行う処理を示すが、これに限定はせず、「不純物濃度」の推定としてもよい。燃料電池1の容積は一定であるため、ガスの濃度と量は一対一で対応するからである。また、以下では、不純物が窒素のみから成るものとして説明する。こうしたのは、窒素は、燃料電池1の発電安定性に最も影響を及ぼすからである。   FIG. 3 is a flowchart showing a process performed by the ECU 10. This process is repeatedly executed at a predetermined cycle while the fuel cell 1 is in use. For example, it is preferable to perform processing at a cycle of 1 Hz or more. Furthermore, although the process for estimating the “impurity gas amount” is shown below, the present invention is not limited to this, and the “impurity concentration” may be estimated. This is because, since the volume of the fuel cell 1 is constant, the concentration and amount of gas correspond one-on-one. In the following description, it is assumed that the impurity consists only of nitrogen. This is because nitrogen most affects the power generation stability of the fuel cell 1.

まず、ステップS11では、ECU10は、アノード極1b内の窒素量の初期値(窒素量(初期値))、及び透過水素量の積算値を設定する。ステップS11の処理は、主に燃料電池1の起動時などに行うものとする。一定時間停止した後の燃料電池1内の窒素濃度は、概ね100%となっている。よって、窒素量の初期値は、アノード極1bの容積に基づいて定められる。また、窒素量の初期値は、供給流路12又は排出流路14上に設けられる圧力計などが検出した圧力値に設定してもよい。一方、透過水素量は電解質膜1cを透過しアノード極1bからカソード極1aに移動した水素の量であり、燃料電池1の起動時などにおいては「0」に設定される。以上の処理が終了すると、処理はステップS12に進む。   First, in step S11, the ECU 10 sets an initial value (nitrogen amount (initial value)) of the nitrogen amount in the anode 1b and an integrated value of the permeated hydrogen amount. The processing in step S11 is mainly performed when the fuel cell 1 is started. The nitrogen concentration in the fuel cell 1 after stopping for a certain time is approximately 100%. Therefore, the initial value of the nitrogen amount is determined based on the volume of the anode 1b. The initial value of the nitrogen amount may be set to a pressure value detected by a pressure gauge or the like provided on the supply flow path 12 or the discharge flow path 14. On the other hand, the permeated hydrogen amount is the amount of hydrogen that has passed through the electrolyte membrane 1c and moved from the anode 1b to the cathode 1a, and is set to “0” when the fuel cell 1 is started. When the above process ends, the process proceeds to step S12.

ステップS12では、ECU10は、燃料電池1で発電に消費された水素量(以下、単に「消費水素量」とも呼ぶ)を求める。ECU10は、燃料電池1の発電量に対応する信号S5(電流センサ6の出力信号である)に基づいて、消費水素量を求める。そして、処理はステップS13に進む。   In step S <b> 12, the ECU 10 obtains the amount of hydrogen consumed for power generation in the fuel cell 1 (hereinafter, also simply referred to as “amount of consumed hydrogen”). The ECU 10 determines the amount of hydrogen consumption based on a signal S5 (which is an output signal of the current sensor 6) corresponding to the power generation amount of the fuel cell 1. Then, the process proceeds to step S13.

ステップS13では、ECU10は、アノード極1bから電解質膜1cを透過してカソード極1aに移動した単位時間当りの透過水素量の積算値を求める。この透過水素量の算出方法について、図4を用いて説明する。   In step S13, the ECU 10 obtains an integrated value of the permeated hydrogen amount per unit time that has passed through the electrolyte membrane 1c from the anode 1b and moved to the cathode 1a. A method of calculating the permeated hydrogen amount will be described with reference to FIG.

図4は、透過水素量を求める際に用いるマップの具体例を示している。具体的には、図4(a)は燃料電池1内の温度と透過水素量の関係(マップA11とする)を示しており、図4(b)は燃料電池1内の湿度と透過水素量の関係(マップA12とする)を示しており、図4(c)は燃料電池1の発電量と透過水素量の関係(マップA13とする)を示している。図4(a)より、燃料電池1内の温度が上昇すると、透過水素量は多くなっていくことがわかる。また、図4(b)より、燃料電池1内の湿度が上昇すると、透過水素量は多くなっていくことがわかる。更に、図4(c)より、燃料電池1内の発電量が大きくなると、透過水素量は多くなっていくことがわかる。なお、燃料電池1の湿度は温度と発電量から求めることができるので、マップA12を用いないでマップA11とマップA13のみを用いて透過水素量を求めてもよい。よって、ECU10は、温度センサ5からの出力信号S4と電流センサ6からの出力信号S5を取得し、マップA11とマップA13を用いて透過水素量を求めることができる。   FIG. 4 shows a specific example of a map used when obtaining the permeated hydrogen amount. Specifically, FIG. 4A shows the relationship between the temperature in the fuel cell 1 and the amount of permeated hydrogen (map A11), and FIG. 4B shows the humidity in the fuel cell 1 and the amount of permeated hydrogen. FIG. 4C shows the relationship between the power generation amount of the fuel cell 1 and the amount of permeated hydrogen (map A13). FIG. 4A shows that the amount of permeated hydrogen increases as the temperature in the fuel cell 1 increases. Further, FIG. 4B shows that the permeated hydrogen amount increases as the humidity in the fuel cell 1 increases. Further, FIG. 4C shows that the amount of permeated hydrogen increases as the amount of power generation in the fuel cell 1 increases. Since the humidity of the fuel cell 1 can be obtained from the temperature and the power generation amount, the permeated hydrogen amount may be obtained using only the map A11 and the map A13 without using the map A12. Therefore, the ECU 10 can obtain the output signal S4 from the temperature sensor 5 and the output signal S5 from the current sensor 6 and obtain the permeated hydrogen amount using the map A11 and the map A13.

このようにして求まった透過水素量を、ECU10は、前回までの透過水素量の積算値に積算する。以上の処理が終了すると、処理はステップS14に進む。なお、上記したマップA11〜A13は、ECU10内のメモリなどに記憶されている。   The ECU 10 integrates the permeated hydrogen amount obtained in this way to the integrated value of the permeated hydrogen amount up to the previous time. When the above process ends, the process proceeds to step S14. The above-described maps A11 to A13 are stored in a memory or the like in the ECU 10.

ステップS14では、ECU10は、以上のステップS12とステップS13で求めた水素量を用いて、透過窒素量を求める。この透過窒素量は、カソード極1aから電解質膜1cを透過してアノード極1bに移動した単位時間当りの窒素量(即ち、不純物ガス量)である。具体的には、以下の式(1)を用いて透過窒素量を求める。   In step S14, ECU10 calculates | requires permeated nitrogen amount using the hydrogen amount calculated | required by the above step S12 and step S13. This amount of permeated nitrogen is the amount of nitrogen per unit time (that is, the amount of impurity gas) that has passed through the electrolyte membrane 1c from the cathode 1a and moved to the anode 1b. Specifically, the permeated nitrogen amount is obtained using the following equation (1).

(透過窒素量)=(供給水素量)−(消費水素量)−(透過水素量) 式(1)
式(1)中の「供給水素量」は、圧力一定下で単位時間当たりにアノード極1bに供給された水素量であり、流量計2からの出力信号S1から求められる。また、「消費水素量」はステップS12にて求められた水素量であり、「透過水素量」はステップS13にて求められた水素量である。即ち、水素の供給は圧力一定で行われるので、供給された水素量から発電に使用された水素量とカソード極1aへ移動した水素量と差し引いた値は、アノード極1bへ入ってきた窒素量に他ならない。以上のような透過窒素量を求める処理が終了すると、処理はステップS15に進む。
(Amount of permeated nitrogen) = (Amount of supplied hydrogen) − (Amount of hydrogen consumed) − (Amount of permeated hydrogen) Equation (1)
The “supply hydrogen amount” in the equation (1) is the amount of hydrogen supplied to the anode 1b per unit time under a constant pressure, and is obtained from the output signal S1 from the flow meter 2. The “hydrogen consumption amount” is the hydrogen amount obtained in step S12, and the “permeated hydrogen amount” is the hydrogen amount obtained in step S13. That is, since the supply of hydrogen is performed at a constant pressure, the value obtained by subtracting the amount of hydrogen used for power generation and the amount of hydrogen transferred to the cathode 1a from the amount of supplied hydrogen is the amount of nitrogen that has entered the anode 1b. It is none other than. When the process for obtaining the permeated nitrogen amount is completed, the process proceeds to step S15.

ステップS15では、ECU10は、アノード極1bに存在する現在の窒素量を求める。現在の窒素量は、本ルーチンの前回までの処理で求めた窒素量にステップS14にて求めた透過窒素量を加算した値である。そして、処理はステップS16に進む。   In step S15, the ECU 10 obtains the current amount of nitrogen existing in the anode 1b. The current amount of nitrogen is a value obtained by adding the amount of permeated nitrogen obtained in step S14 to the amount of nitrogen obtained in the previous processing of this routine. Then, the process proceeds to step S16.

ステップS16では、ECU10は、許容最大窒素量を求める。この許容最大窒素量は、アノード極1b内で安定に発電を継続することが可能な窒素量の最大値である。即ち、アノード極1b内に許容最大窒素量を超える量の窒素が存在すれば、燃料電池1の発電は不安定になる。この許容最大窒素量の算出方法について、図5を用いて説明する。   In step S16, the ECU 10 obtains an allowable maximum nitrogen amount. This allowable maximum nitrogen amount is the maximum value of the nitrogen amount that can stably generate power in the anode 1b. That is, if the amount of nitrogen exceeding the maximum allowable nitrogen amount exists in the anode 1b, the power generation of the fuel cell 1 becomes unstable. A method of calculating the allowable maximum nitrogen amount will be described with reference to FIG.

図5は、横軸に燃料電池1の発電量を示し、縦軸に燃料電池1の温度を示している。図5において複数の曲線A2は、発電量と、燃料電池1の温度と、許容最大窒素量との関係を示す特性曲線(以下、「マップA2」とも呼ぶ)を表している。この許容最大窒素量は、濃度にて示してある(濃度が40%、30%、20%、10%であるものを示している)。図示のように、許容最大窒素量は、燃料電池1の発電量と温度に依存している。具体的には、発電量が大きいほど、必要な燃料ガス(水素)量が大きくなるので、許容最大窒素量は少なくなる傾向にある。また、燃料電池1の温度が低いときほど、発電のための反応が生じにくくなるので、必要な燃料ガス(水素)量が大きくなり、許容最大窒素量は少なくなる傾向にあることがわかる。以上のように、ステップS16ではECU10は、電流センサ6から燃料電池1の発電量を取得し、温度センサ5から燃料電池1の温度を取得し、これら取得した値とマップA2を用いて許容最大窒素量を求める。そして、処理はステップS17に進む。なお、上記したマップA2も、ECU10内のメモリなどに記憶されている。   In FIG. 5, the horizontal axis indicates the power generation amount of the fuel cell 1, and the vertical axis indicates the temperature of the fuel cell 1. In FIG. 5, a plurality of curves A2 represent characteristic curves (hereinafter also referred to as “map A2”) showing the relationship among the power generation amount, the temperature of the fuel cell 1, and the allowable maximum nitrogen amount. This permissible maximum nitrogen amount is indicated by concentration (concentrations of 40%, 30%, 20% and 10% are shown). As shown in the figure, the allowable maximum nitrogen amount depends on the power generation amount and temperature of the fuel cell 1. Specifically, the larger the power generation amount, the larger the required amount of fuel gas (hydrogen), and therefore the allowable maximum nitrogen amount tends to decrease. It can also be seen that the lower the temperature of the fuel cell 1, the less likely it is that a reaction for power generation occurs, so that the required amount of fuel gas (hydrogen) increases and the allowable maximum nitrogen amount tends to decrease. As described above, in step S16, the ECU 10 acquires the power generation amount of the fuel cell 1 from the current sensor 6, acquires the temperature of the fuel cell 1 from the temperature sensor 5, and uses the acquired value and the map A2 to allow the maximum allowable value. Determine the amount of nitrogen. Then, the process proceeds to step S17. The map A2 described above is also stored in a memory or the like in the ECU 10.

ステップS17では、ECU10は、現在の窒素量が許容最大窒素量以上であるか否かを判定する。現在の窒素量はステップS15で求めた量であり、許容最大窒素量はステップS16で求めた量である。ステップS17での処理は、現在のアノード極1b内にある窒素量が、燃料電池1の発電が不安定になるほど存在しているか否かの判定を行っている。よって、現在の窒素量が許容最大窒素量より少ない場合は(ステップS17;No)、処理はステップS12に戻り再度処理を行う。即ち、アノード極1内には燃料電池1の発電が不安定になるほどの窒素量が存在していないので、排出弁8を開弁しない。   In step S17, the ECU 10 determines whether or not the current nitrogen amount is greater than or equal to the allowable maximum nitrogen amount. The current nitrogen amount is the amount obtained in step S15, and the allowable maximum nitrogen amount is the amount obtained in step S16. In the processing in step S17, it is determined whether or not the current amount of nitrogen in the anode 1b exists so that the power generation of the fuel cell 1 becomes unstable. Therefore, when the current nitrogen amount is smaller than the allowable maximum nitrogen amount (step S17; No), the process returns to step S12 and the process is performed again. That is, since there is not enough nitrogen in the anode 1 to make the power generation of the fuel cell 1 unstable, the discharge valve 8 is not opened.

一方、現在の窒素量が許容最大窒素量以上である場合は(ステップS17;Yes)、処理はステップS18に進む。ステップ18では、ECU10は、排出弁8を開弁する。この場合は、不純物量は許容最大窒素量以上になっているため、ECU10は排出弁8を開き、アノード極1b内の流体(アノード極1bに存在する水素、窒素、水(ガスと液体含む)など)を排出するようにする。こうするのは、不純物を排出して燃料電池1の発電安定性を確保するためである。なお、ECU10は、アノード極1b内の圧力値などに基づいて排出弁8を制御する(例えば、排出弁8の開弁時間(又は、デューティ比)などを決定する)。以上の処理が終了すると、処理はステップS19に進む。   On the other hand, when the current nitrogen amount is greater than or equal to the allowable maximum nitrogen amount (step S17; Yes), the process proceeds to step S18. In step 18, the ECU 10 opens the discharge valve 8. In this case, since the impurity amount is equal to or greater than the allowable maximum nitrogen amount, the ECU 10 opens the discharge valve 8, and the fluid in the anode 1b (hydrogen, nitrogen, water present in the anode 1b (including gas and liquid) Etc.). This is because the impurities are discharged to ensure the power generation stability of the fuel cell 1. The ECU 10 controls the discharge valve 8 based on the pressure value in the anode 1b (for example, determines the valve opening time (or duty ratio) of the discharge valve 8). When the above process ends, the process proceeds to step S19.

ステップS19では、ECU10は、窒素量の初期値(窒素量(初期値))と透過水素量の積算値の設定を再設定する。具体的には、ECU10は、窒素量の初期値を「(現在の窒素量)−(排気した窒素量)」に設定し、透過水素量の積算値を「0」に設定する。窒素量の初期値における「排気した窒素量」は、ステップS18の処理時における排出弁8の開け方などにより決定される。以上の処理が終了すると、ステップS12に戻り再度処理を行う。   In step S19, the ECU 10 resets the initial value of the nitrogen amount (nitrogen amount (initial value)) and the integrated value of the permeated hydrogen amount. Specifically, the ECU 10 sets the initial value of the nitrogen amount to “(current nitrogen amount) − (exhausted nitrogen amount)”, and sets the integrated value of the permeated hydrogen amount to “0”. The “exhausted nitrogen amount” at the initial value of the nitrogen amount is determined by, for example, how to open the discharge valve 8 during the processing of step S18. When the above process ends, the process returns to step S12 and is performed again.

以上のように、本実施形態では、現在の燃料電池1のアノード極1bの状態に基づいて不純物ガス量を推定しているため、推定精度が向上する。また、この推定結果に基づいてアノード極1bのガスの供給/排出を制御しているので、燃料電池1の発電安定性を確保し、かつ、不必要な燃料ガスの排出を低減することができる。更に、本実施形態に係る不純物ガス量の推定方法は、通常の燃料電池システムが有するセンサ・制御装置を用いて行なうことができるため、新たな装置を設ける必要がないので、簡易な構成にて実行することができる。よって、コストが高くなることはない。   As described above, in this embodiment, since the amount of impurity gas is estimated based on the current state of the anode 1b of the fuel cell 1, the estimation accuracy is improved. Further, since the supply / discharge of the gas from the anode 1b is controlled based on the estimation result, it is possible to ensure the power generation stability of the fuel cell 1 and to reduce unnecessary fuel gas discharge. . Furthermore, since the impurity gas amount estimation method according to the present embodiment can be performed using a sensor / control device included in a normal fuel cell system, it is not necessary to provide a new device, and thus a simple configuration is used. Can be executed. Therefore, the cost does not increase.

更に、排気した窒素量と同様に水素の排出量も計算することができるので、水素処理器への空気供給量が不足している場合には供給する水素を増量すればよいので、水素処理器の能力を最大限に利用することが可能となる。   Furthermore, since the amount of discharged hydrogen can be calculated in the same way as the amount of exhausted nitrogen, the amount of hydrogen to be supplied can be increased when the amount of air supplied to the hydrogen processor is insufficient. It is possible to make the best use of the ability.

[変形例]
以下では、前述した実施形態に関する変形例について説明する。
[Modification]
Below, the modification regarding embodiment mentioned above is demonstrated.

上記では、現在の窒素量が許容最大窒素量以上である場合には排出弁8を開弁するようにしたが、その代わりに、アノード極1bへの水素供給圧を上昇させることとしてもよい。即ち、排出弁8は閉じたまま調圧弁3を更に開弁して、供給する水素量を増量する。上記の実施形態では、アノード極1b内の圧力を一定に維持しているため、アノード極1b内の不純物ガス量が増加すると相対的に水素量が減少し、発電効率が低下してしまう。よって、不純物を排出する代わりに、一時的に水素の供給圧を増加させ、十分な水素をアノード極1bに供給してやれば発電効率の低下を防止することができる。なお、水素量を増量する場合は、燃料電池1の機械的強度などを考慮に入れて制御する必要がある。   In the above description, when the current nitrogen amount is equal to or larger than the allowable maximum nitrogen amount, the discharge valve 8 is opened. Instead, the hydrogen supply pressure to the anode 1b may be increased. That is, the pressure regulating valve 3 is further opened while the discharge valve 8 is closed to increase the amount of hydrogen to be supplied. In the above embodiment, since the pressure in the anode 1b is kept constant, when the amount of impurity gas in the anode 1b is increased, the amount of hydrogen is relatively decreased and the power generation efficiency is lowered. Therefore, instead of discharging the impurities, if the supply pressure of hydrogen is temporarily increased and sufficient hydrogen is supplied to the anode 1b, a decrease in power generation efficiency can be prevented. In addition, when increasing the amount of hydrogen, it is necessary to control in consideration of the mechanical strength of the fuel cell 1 and the like.

更に、上記では不純物ガス量の推定に「窒素量」を用いる方法を示したが、これに限定されることはなく、「窒素濃度」を用いてもよい。これは、アノード極内の圧力を一定に維持しているため、窒素量と窒素濃度とは対応関係にあるからである。   Furthermore, although the method using the “nitrogen amount” for the estimation of the impurity gas amount has been described above, the present invention is not limited to this, and the “nitrogen concentration” may be used. This is because the amount of nitrogen and the nitrogen concentration are in a corresponding relationship because the pressure in the anode electrode is kept constant.

また、不純物として窒素量のみを推定して制御を行う例について示したが、不純物に窒素だけでなく水蒸気量も考慮してもよい。その場合、水蒸気量は、燃料電池システム50が備える気液分離器の分離率のマップと水素系の出口温度、又はその代用値にて求めることができる。この場合、ECU10は、現在のアノード極1b内の窒素量と水蒸気量を推定し、この推定された量が燃料電池1が安定して発電可能な最大の不純物ガス量以上であるか否かの判定を行えばよい。具体例としては、上記の例においては、図3の許容最大窒素量を求めるステップS16において、図5を参照して求めた許容最大窒素量から、上記のようにして求めた水蒸気量を減算した値を新たな許容最大窒素量としてステップS17の処理を行えばよい。   Moreover, although the example which estimates only the amount of nitrogen as an impurity and performs control was shown, you may consider not only nitrogen but a water vapor | steam amount as an impurity. In this case, the amount of water vapor can be obtained from a map of the separation rate of the gas-liquid separator provided in the fuel cell system 50, the outlet temperature of the hydrogen system, or a substitute value thereof. In this case, the ECU 10 estimates the current amount of nitrogen and water vapor in the anode 1b, and determines whether or not the estimated amount is equal to or greater than the maximum amount of impurity gas that the fuel cell 1 can stably generate power. A determination may be made. As a specific example, in the above example, in step S16 for obtaining the maximum allowable nitrogen amount in FIG. 3, the amount of water vapor determined as described above is subtracted from the maximum allowable nitrogen amount determined with reference to FIG. The process of step S17 may be performed using the value as a new allowable maximum nitrogen amount.

更に、図1に示した燃料電池システム50は排出された水素が循環されないシステムで構成されるものについて示しているが、燃料電池システムを水素循環系(排出された未使用のガスを再利用するシステム)にして、これに対して上記の不純物ガス量の推定を行い、水素の排出/供給を制御してもよい。   Furthermore, although the fuel cell system 50 shown in FIG. 1 is configured with a system in which discharged hydrogen is not circulated, the fuel cell system is reused in a hydrogen circulation system (reused unused gas is recycled). System) may be used to estimate the amount of impurity gas and control hydrogen discharge / supply.

更に、燃料電池スタックに使用される電解質膜の透過水素量が小さい場合には、透過水素量を無視し、透過窒素量を以下の式(2)を用いて求めてもよい。式(2)は、例えばハイドロカーボン系の電解質膜など、その性質上透過水素量が比較的小さい燃料電池1などに用いることが好ましい。   Furthermore, when the permeated hydrogen amount of the electrolyte membrane used in the fuel cell stack is small, the permeated hydrogen amount may be ignored and the permeated nitrogen amount may be obtained using the following equation (2). Formula (2) is preferably used for the fuel cell 1 having a relatively small amount of permeated hydrogen due to its properties, such as a hydrocarbon electrolyte membrane.

(透過窒素量)=(供給水素量)−(消費水素量) 式(2)
また、透過窒素量を供給水素量や消費水素量などから計算せずに、単位時間当りの窒素透過量のマップを用いて窒素透過量を積算してもよい。この場合、透過窒素量は、時間(前回に排出弁8を開弁してからの時間など)と、燃料電池1の温度と、燃料電池1の単位時間当りの発電量と、燃料電池1の湿度と、に基づいて求めることができる。
(Amount of permeated nitrogen) = (Amount of supplied hydrogen) − (Amount of hydrogen consumed) Equation (2)
Further, the nitrogen permeation amount may be integrated using a map of the nitrogen permeation amount per unit time without calculating the permeated nitrogen amount from the supply hydrogen amount, the hydrogen consumption amount, or the like. In this case, the amount of permeated nitrogen is the time (such as the time since the discharge valve 8 was last opened), the temperature of the fuel cell 1, the amount of power generated per unit time of the fuel cell 1, the It can be determined based on humidity.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 燃料電池内に不純物が溜まっていく様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the impurity accumulated in the fuel cell. 本発明の実施形態に係る不純物ガス量の推定を行うフローチャートである。It is a flowchart which estimates the amount of impurity gas which concerns on embodiment of this invention. 透過水素量を求めるためのマップを示す。The map for calculating | requiring permeated hydrogen amount is shown. 許容最大窒素量を求めるためのマップを示す。The map for calculating | requiring the allowable maximum nitrogen amount is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
1a カソード極
1b アノード極
2 流量計
3 調圧弁
5 温度センサ
6 電流計
8 排出弁
10 ECU
11、12 供給流路
13、14 排出流路
50 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 1a Cathode pole 1b Anode pole 2 Flowmeter 3 Pressure regulating valve 5 Temperature sensor 6 Ammeter 8 Discharge valve 10 ECU
11, 12 Supply flow path 13, 14 Discharge flow path 50 Fuel cell system

Claims (7)

燃料電池に設けられた酸化剤ガス通路及び燃料ガス通路と、
単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量を推定する第1のガス透過量推定手段と、
前記第1のガス透過量推定手段が推定した不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路内の燃料ガス量を調整する制御手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
An oxidant gas passage and a fuel gas passage provided in the fuel cell;
First gas permeation amount estimation means for estimating an amount of impurity gas per unit time permeating from the oxidant gas passage through the fuel cell electrolyte to the fuel gas passage;
Control means for adjusting the amount of fuel gas in the fuel gas passage when the amount obtained by integrating the impurity gas amounts estimated by the first gas permeation amount estimating means is a predetermined amount or more. A fuel cell system.
単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出手段と、
単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出手段と、
単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過するガス透過量を推定する第2のガス透過量推定手段と、を有し、
前記第1のガス透過量推定手段は、前記供給水素量検出手段が検出した水素量から、前記消費水素量検出手段が検出した水素量と、前記第2のガス透過量推定手段が推定したガス透過量と、を減じた値を単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定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。
Supply hydrogen amount detection means for detecting the amount of hydrogen supplied to the fuel gas passage at a constant pressure per unit time;
Hydrogen consumption detecting means for detecting the amount of hydrogen consumed by the fuel cell per unit time;
Second gas permeation amount estimating means for estimating a gas permeation amount per unit time permeating from the fuel gas passage through the fuel cell electrolyte to the oxidant gas passage;
The first gas permeation amount estimation means includes the hydrogen amount detected by the hydrogen consumption amount detection means and the gas estimated by the second gas permeation amount estimation means from the hydrogen amount detected by the supply hydrogen amount detection means. The value obtained by subtracting the permeation amount is estimated as the amount of impurity gas permeating from the oxidant gas passage through the fuel cell electrolyte to the fuel gas passage per unit time. Fuel cell system.
前記第2のガス透過量推定手段は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、前記燃料電池の発電量の各々が増加するほど、前記ガス透過量が大きくなるように前記ガス透過量を推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 second gas permeation amount estimation means is configured to increase the gas permeation amount as the temperature of the fuel cell, the humidity in the fuel cell, and the power generation amount of the fuel cell increase. The fuel cell system according to claim 2, wherein 前記第1のガス透過量推定手段は、前記不純物として窒素と水蒸気の量を推定することを特徴とする請求項1及至3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the first gas permeation amount estimation means estimates the amount of nitrogen and water vapor as the impurities. 前記燃料ガス通路に設けられた排出弁を備え、
前記制御手段は、前記不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記排出弁を開弁することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
A discharge valve provided in the fuel gas passage;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the control means opens the discharge valve when an amount obtained by integrating the impurity gas amounts is a predetermined amount or more.
前記制御手段は、前記不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路内における燃料ガス量を増加することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 5. The control unit according to claim 1, wherein the control unit increases the amount of fuel gas in the fuel gas passage when an amount obtained by integrating the impurity gas amounts is a predetermined amount or more. Fuel cell system. 酸化剤ガス通路と、燃料ガス通路と、を有する燃料電池における不純物ガス量推定方法であって、
単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出工程と、
単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出工程と、
単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過する透過ガス量を推定する透過ガス量推定工程と、
前記供給水素量検出工程により検出された水素量から、前記消費水素量検出工程により検出された水素量と、前記透過ガス量推定工程により推定された透過ガス量と、を減じた値を単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定する工程と、を備えることを特徴とする燃料電池の不純物ガス量推定方法。
An impurity gas amount estimation method in a fuel cell having an oxidant gas passage and a fuel gas passage,
A supply hydrogen amount detection step for detecting the amount of hydrogen supplied to the fuel gas passage at a constant pressure per unit time;
A hydrogen consumption detection step for detecting the amount of hydrogen consumed by the fuel cell per unit time;
A permeated gas amount estimating step of estimating a permeated gas amount per unit time permeating from the fuel gas passage through the fuel cell electrolyte to the oxidant gas passage;
A value obtained by subtracting the hydrogen amount detected by the consumed hydrogen amount detecting step and the permeated gas amount estimated by the permeated gas amount estimating step from the hydrogen amount detected by the supplied hydrogen amount detecting step is a unit time. A method for estimating the amount of impurity gas permeated from the oxidant gas passage to the fuel gas passage through the fuel cell electrolyte.
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