JP2006086117A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスセンサを用いることなく、燃料ガス濃度を推定して把握することにより燃料電池の発電能力を制御する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that controls the power generation capability of a fuel cell by estimating and grasping the fuel gas concentration without using a fuel gas sensor.
固体高分子型燃料電池では、アノード電極(燃料極)とカソード電極(空気極)の間に電解質膜を挟み、アノード電極側へは水素(燃料ガス)を、カソード電極側には空気(酸化ガス)を供給することで電気化学反応により発電を行うが、時間経過と共にカソード側から窒素ガスや水分が電解質膜を通してアノード側へリークする傾向がある。このため、発電モードを長い時間停止したり、排気水素の通路が凍結して排気弁作動が不良といった場合には、カソード側からアノード側にリークした窒素や水分等の量がますます増大して水素濃度が大きく低下する。そこで、排気水素を再利用する燃料電池システムの発電制御においては、発電効率向上の観点からアノード通過後の排出水素の水素濃度を把握することが必要になる。 In a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (air electrode), hydrogen (fuel gas) is placed on the anode electrode side, and air (oxidizing gas) is placed on the cathode electrode side. ) Is generated by an electrochemical reaction, but with the passage of time, nitrogen gas and moisture tend to leak from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane. For this reason, when the power generation mode is stopped for a long time, or when the exhaust hydrogen passage freezes and the exhaust valve operation is defective, the amount of nitrogen, moisture, etc. leaking from the cathode side to the anode side increases more and more. The hydrogen concentration is greatly reduced. Therefore, in power generation control of a fuel cell system that reuses exhaust hydrogen, it is necessary to grasp the hydrogen concentration of exhaust hydrogen after passing through the anode from the viewpoint of improving power generation efficiency.
水素濃度の検出には水素濃度センサ(ガス濃度計)が用いられる。水素濃度センサは、通常、水素以外の成分にも反応するため、水素以外の成分が存在するとその測定精度が低下する傾向がある。白金など高価な材料を用いるため高価格である。また、水素濃度センサはある程度の大きさ(体格)を有するため、燃料電池システム内の設置場所に制約がある。従って、コストや大きさ等に制約の大きい量販品の燃料電池システムの水素濃度の測定は容易でない。 A hydrogen concentration sensor (gas concentration meter) is used to detect the hydrogen concentration. Since the hydrogen concentration sensor usually reacts with components other than hydrogen, the presence of components other than hydrogen tends to reduce the measurement accuracy. It is expensive because expensive materials such as platinum are used. Further, since the hydrogen concentration sensor has a certain size (physique), there are restrictions on the installation location in the fuel cell system. Therefore, it is not easy to measure the hydrogen concentration of a mass-produced fuel cell system that is greatly limited in cost, size, and the like.
そこで、例えば、特開2003−197232号公報記載の燃料電池システムでは、燃料電池の端子間電圧と、最適水素利用率における端子間電圧とに基づいて燃料電池を運転することにより、水素濃度センサを不要としている。すなわち、燃料電池に供給された水素量に対する燃料電池で消費された水素量の割合を水素利用率としたとき、燃料電池の端子間電圧が急降下するポイントにおける水素利用率、つまり最適水素利用率に基づいて燃料電池を運転させる構成のものである。
しかしながら、上記特開2003−197232号のものにあっては、燃料電池の端子間電圧を測定して水素利用率を割り出して発電制御するもので、カソード側からの窒素ガスリーク等の運転状態によって変動しうる水素濃度を把握することは困難である。このため、水素濃度センサを用いないで発電制御しているが、アノードを通過後の排出水素が再循環される水素循環路を備えた燃料電池システムの発電制御には、適用できない問題がある。 However, in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-197232, the voltage between the terminals of the fuel cell is measured to determine the hydrogen utilization rate, and the power generation is controlled, and it varies depending on the operating state such as nitrogen gas leak from the cathode side. It is difficult to figure out the possible hydrogen concentration. For this reason, although power generation control is performed without using a hydrogen concentration sensor, there is a problem that cannot be applied to power generation control of a fuel cell system including a hydrogen circulation path in which discharged hydrogen after passing through the anode is recirculated.
よって、本発明は水素濃度センサを使用することなく、水素循環路における水素濃度を推定することの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, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of estimating the hydrogen concentration in the hydrogen circulation path without using a hydrogen concentration sensor.
上記課題を解決するために本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、上記燃料電池から排出される燃料オフガスを上記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、上記燃料ガス循環路に設けられて上記燃料オフガスを昇圧して上記燃料ガス供給路に還流させる燃料ガス循環ポンプと含む燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の運転状態に応じて変動する上記燃料オフガスに係る物理的データを検出するデータ検知手段と、当該データ検知手段で検出された前記物理的データに基づいて燃料極側の燃料ガス濃度又は不純物濃度を推定する燃料ガス濃度推定演算手段と、を備える。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel gas supply path for supplying fuel gas to a fuel cell, a fuel gas circulation path for returning fuel off-gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply path, and the fuel In a fuel cell system including a fuel gas circulation pump that is provided in a gas circulation path and boosts the fuel off-gas and recirculates the fuel off-gas to the fuel gas supply path, the physics related to the fuel off-gas that varies depending on the operating state of the fuel cell Data detection means for detecting the target data, and fuel gas concentration estimation calculation means for estimating the fuel gas concentration or impurity concentration on the fuel electrode side based on the physical data detected by the data detection means.
本発明では、燃料電池から排出される燃料オフガス中の燃料ガスあるいは不純物ガスの濃度検出に、各ガスの物理的特性(圧力、密度、粘度)の相違に着目している。例えば、燃料ガスに相当する水素ガスと不純物ガスに相当する窒素ガスとは粘性係数(粘度)が異なる。燃料ガスと不純物とが混合した流体(例えば、燃料オフガス)は燃料ガスと不純物ガスの量的比率(濃度)に応じた物理的特性(粘度等)を示す。 In the present invention, attention is paid to the difference in physical characteristics (pressure, density, viscosity) of each gas in detecting the concentration of the fuel gas or impurity gas in the fuel off-gas discharged from the fuel cell. For example, the viscosity coefficient (viscosity) differs between hydrogen gas corresponding to fuel gas and nitrogen gas corresponding to impurity gas. A fluid in which fuel gas and impurities are mixed (for example, fuel off-gas) exhibits physical characteristics (viscosity and the like) corresponding to the quantitative ratio (concentration) of the fuel gas and impurity gas.
上記発明の構成によれば、燃料オフガスの粘度に応じて燃料ガス循環ポンプ駆動により燃料ガス循環路等に惹起される物理的データを検出する。燃料電池の運転状態に応じて変化する物理的データの変動をデータ検知手段で検出し、その検出結果を燃料ガス濃度推定演算手段に入力して演算処理し、その演算処理結果を燃料ガス濃度に換算して燃料ガス濃度を推定する。 According to the configuration of the above invention, physical data induced in the fuel gas circulation path or the like by the fuel gas circulation pump drive is detected according to the viscosity of the fuel off gas. Changes in physical data that change in accordance with the operating state of the fuel cell are detected by the data detection means, and the detection result is input to the fuel gas concentration estimation calculation means for calculation processing. Convert to estimate the fuel gas concentration.
こうして、燃料ガス濃度センサあるいは燃料ガスセンサ等のセンサ類を用いることなく、粘度などの物理的データに基づいて、すなわち燃料電池の運転状態に応じて燃料ガス濃度を把握することができ、ひいては燃料電池の発電制御を効率的に行えるようになる。 Thus, without using a sensor such as a fuel gas concentration sensor or a fuel gas sensor, the fuel gas concentration can be ascertained based on physical data such as viscosity, that is, according to the operating state of the fuel cell. It becomes possible to efficiently perform power generation control.
ここで、粘度(粘性)μは流速の異なる流体(ガス)間の内部摩擦(internal friction)であり、単位面積当たりの摩擦力(shearing stress) をτとし、流体の速度勾配をdu/dyとすると、μ=τ/(du/dy)[Pa・s]として表される。例えば、燃料ガスとしての水素ガスよりも、不純物ガスである窒素ガスや水分の粘性(粘性抵抗)は高い。 Here, viscosity (viscosity) μ is internal friction between fluids (gases) with different flow velocities, and τ is the shearing stress per unit area, and the fluid velocity gradient is du / dy. Then, it is expressed as μ = τ / (du / dy) [Pa · s]. For example, the viscosity (viscosity resistance) of nitrogen gas or moisture, which is an impurity gas, is higher than that of hydrogen gas as a fuel gas.
好ましくは、上記データ検知手段は、上記燃料ガス循環ポンプ駆動による上記燃料オフガスの昇圧量を上記物理的データとして検出する。 Preferably, the data detection unit detects the pressure increase amount of the fuel off-gas driven by the fuel gas circulation pump as the physical data.
燃料ガス循環ポンプ上流側(ポンプ入口側)の燃料オフガスの圧力とポンプ下流側(ポンプ出口側)の燃料オフガスの圧力との間に昇圧(圧力差)が生じるが、昇圧量が燃料オフガスの粘度に関連するため、その昇圧量をデータ検知手段により物理的データとして検出し、その検出結果を燃料ガス濃度推定演算手段で演算処理して燃料ガス濃度を推定するようにしているので、燃料ガス循環ポンプによる昇圧量を測定するだけで燃料ガス濃度を推定して把握することができる。 A pressure increase (pressure difference) occurs between the pressure of the fuel off-gas upstream (pump inlet side) of the fuel gas circulation pump and the pressure of the fuel off-gas downstream (pump outlet side) of the fuel gas circulation pump. Therefore, the pressure increase amount is detected as physical data by the data detection means, and the detection result is calculated by the fuel gas concentration estimation calculation means to estimate the fuel gas concentration. The fuel gas concentration can be estimated and grasped only by measuring the pressure increase by the pump.
好ましくは、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記燃料ガス循環ポンプの上流と下流とにそれぞれ配置した圧力センサで形成され、当該両圧力センサによって燃料ガス循環ポンプによる燃料オフガスの昇圧量が上記物理的データとして検出される。 Preferably, the data detection means is formed by pressure sensors respectively arranged upstream and downstream of the fuel gas circulation pump as the physical data, and the pressure increase amount of the fuel off gas by the fuel gas circulation pump is determined by the both pressure sensors. It is detected as the physical data.
燃料ガス循環ポンプの上流と下流とに圧力センサを配置しているため、燃料ガス循環ポンプによる燃料オフガスの昇圧量を測定することができる。同一ガス流量でも、燃料オフガスの粘度が高い場合には、上流と下流の両圧力センサの出力差は大きくなり、粘度が低い場合には、両圧力センサの出力差は小さくなる。出力差から燃料ガス濃度推定演算手段によって燃料オフガスの粘度が推定され、当該粘度から燃料オフガスの燃料ガス(あるいは不純物ガス)の濃度が推定される。 Since the pressure sensors are arranged upstream and downstream of the fuel gas circulation pump, the pressure increase amount of the fuel off gas by the fuel gas circulation pump can be measured. Even at the same gas flow rate, when the viscosity of the fuel off-gas is high, the output difference between the upstream and downstream pressure sensors becomes large, and when the viscosity is low, the output difference between both pressure sensors becomes small. From the output difference, the fuel gas concentration estimation calculation means estimates the viscosity of the fuel off gas, and the concentration of the fuel gas (or impurity gas) of the fuel off gas is estimated from the viscosity.
好ましくは、上記燃料ガス循環ポンプと上記燃料ガス供給路との間の上記燃料ガス循環路に逆止弁を設ける一方で、上記データ検知手段を、上記燃料ガス循環ポンプの上流、または下流に配置した圧力センサで形成する。 Preferably, a check valve is provided in the fuel gas circulation path between the fuel gas circulation pump and the fuel gas supply path, while the data detection means is arranged upstream or downstream of the fuel gas circulation pump. Formed by the pressure sensor.
燃料電池から外部に排出された燃料オフガスを燃料ガス供給路に還流させる燃料ガス循環路において、燃料ガス循環ポンプの上流または下流に圧力センサを配置している。 A pressure sensor is disposed upstream or downstream of the fuel gas circulation pump in the fuel gas circulation path for returning the fuel off-gas discharged from the fuel cell to the outside to the fuel gas supply path.
燃料ガス循環ポンプの上流、すなわち、燃料ガス循環ポンプと燃料電池のアノード側出口との間の燃料ガス循環路に圧力センサを配置した態様では、調圧弁によって入口側に一定圧の燃料ガスを受けている燃料電池スタックの出口側でガス圧力の測定を行う。燃料電池のスタックは圧損(圧力損失)が大きく、出口側の燃料オフガスでは上記一定圧力よりも小さな圧力が検知される。この際に、還流された燃料オフガスやカソード側から浸透した不純物ガスの粘度が圧損に影響を及ぼす。粘性の高い不純物ガス(例えば、窒素ガスや水蒸気)が燃料オフガスに占める割合が大きくなればなるほど流体抵抗係数による圧損が増える。出口側のガス圧力は燃料オフガス中の不純物ガス濃度が増加する(あるいは燃料ガス濃度が減少する)と同一流量では相対的に低い圧力値として検知されるため、燃料ガス濃度の推定が可能となる。なお、水蒸気は気液分離器によって除去可能である。 In a mode in which a pressure sensor is disposed upstream of the fuel gas circulation pump, that is, between the fuel gas circulation pump and the anode outlet of the fuel cell, a constant pressure fuel gas is received by the pressure regulating valve on the inlet side. The gas pressure is measured at the outlet side of the fuel cell stack. The fuel cell stack has a large pressure loss (pressure loss), and a pressure smaller than the constant pressure is detected in the fuel off-gas on the outlet side. At this time, the viscosity of the refluxed fuel off gas and the impurity gas permeating from the cathode side affects the pressure loss. As the ratio of the impurity gas with high viscosity (for example, nitrogen gas or water vapor) to the fuel off-gas increases, the pressure loss due to the fluid resistance coefficient increases. Since the gas pressure on the outlet side is detected as a relatively low pressure value at the same flow rate when the impurity gas concentration in the fuel off-gas increases (or the fuel gas concentration decreases), the fuel gas concentration can be estimated. . Water vapor can be removed by a gas-liquid separator.
また、燃料ガス循環ポンプの下流、すなわち、燃料ガス循環ポンプと逆止弁との間の燃料循環路に圧力センサを配置した態様では、逆止弁を燃料オフガスが通過するときの流体抵抗係数による圧力損失が生じ、やはりこの態様によっても圧力センサにより圧力(当該圧力は、燃料ガス供給路の圧力よりも高い)が物理的データとして検知される。こうして検知される燃料オフガスの圧力は、上記と同様に、粘性の低い燃料ガス(水素ガス)が混入するほど小さくなるので、燃料ガス濃度を推定することが可能となる。 Moreover, in the aspect which has arrange | positioned the pressure sensor downstream from the fuel gas circulation pump, ie, the fuel circulation path between the fuel gas circulation pump and the check valve, it depends on the fluid resistance coefficient when the fuel off-gas passes through the check valve. A pressure loss occurs, and the pressure (the pressure is higher than the pressure in the fuel gas supply path) is detected as physical data by the pressure sensor also in this mode. As described above, the pressure of the fuel off-gas detected in this manner becomes smaller as the low-viscosity fuel gas (hydrogen gas) is mixed, so that the fuel gas concentration can be estimated.
好ましくは、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記燃料ガス循環ポンプ駆動により消費される消費電力を検出する。 Preferably, the data detection means detects power consumption consumed by driving the fuel gas circulation pump as the physical data.
燃料ガス循環ポンプの消費電力を測定するようにしているので、或る燃料オフガスの循環量(ポンプ回転数)を制御目標値とした場合に、燃料ガス(例えば、水素)と異なる粘度を有する不純物ガス(例えば、窒素等のガス成分)の燃料オフガス中における割合が増加すると、燃料ガス循環ポンプにおける消費電力が予測値と異なるようになる。また、粘性の高いガスになるほどより多くの電力を消費するため、燃料ガス濃度(あるいは不純物ガス濃度)を推定することが可能となる。 Since the power consumption of the fuel gas circulation pump is measured, an impurity having a viscosity different from that of the fuel gas (for example, hydrogen) when the circulation amount (pump rotation speed) of a certain fuel off gas is set as a control target value When the ratio of gas (for example, a gas component such as nitrogen) in the fuel off-gas increases, the power consumption in the fuel gas circulation pump becomes different from the predicted value. In addition, the higher the viscosity of the gas, the more electric power is consumed, so the fuel gas concentration (or impurity gas concentration) can be estimated.
好ましくは、上記燃料ガス濃度推定演算手段により上記燃料ガス濃度の推定演算値が算出されたとき、それに基づいて上記燃料ガス循環路に設けられた燃料ガス排気弁の開閉制御、上記燃料ガス循環ポンプの回転数制御、または、上記燃料ガス供給路に設けられた減圧機能を有する圧力調節弁の開閉制御のうち少なくともいずれか一の制御を行う制御手段を備える。 Preferably, when the estimated calculation value of the fuel gas concentration is calculated by the fuel gas concentration estimation calculating means, based on the calculated calculation value of the fuel gas concentration, open / close control of the fuel gas exhaust valve provided in the fuel gas circulation path, the fuel gas circulation pump Control means for performing at least one of the control of the rotational speed of the engine and the opening / closing control of the pressure regulating valve having a pressure reducing function provided in the fuel gas supply path.
燃料ガス濃度推定演算手段により燃料ガス濃度の推定演算値が算出されたときには、それに基づいて燃料ガス排気弁の開閉制御、燃料ガス循環ポンプの回転数制御、あるいは圧力調節弁の開閉制御を円滑に行え、燃料電池の発電制御を効率的に実行できるようになる。 When the estimated calculation value of the fuel gas concentration is calculated by the fuel gas concentration estimation calculating means, the opening / closing control of the fuel gas exhaust valve, the rotation speed control of the fuel gas circulation pump, or the opening / closing control of the pressure control valve is smoothly performed based on the calculated calculation value. It is possible to perform the power generation control of the fuel cell efficiently.
好ましくは、上記燃料オフガスに係る物理的データは、燃料オフガスの粘度に起因するデータである。燃料オフガスの粘度は、燃料オフガスが通路のある部分を通過するときの流体抵抗係数による圧力損失として検出され得る。 Preferably, the physical data relating to the fuel off-gas is data resulting from the viscosity of the fuel off-gas. The viscosity of the fuel off gas can be detected as a pressure loss due to a fluid resistance coefficient when the fuel off gas passes through a portion of the passage.
好ましくは、上記燃料ガス濃度推定演算手段は、上記燃料電池の運転状態が一定のときに上記燃料オフガス中の燃料ガス濃度(あるいは不純物ガス濃度)を推定する。同じ運転条件下あるいは安定した運転状態でデータ検出を行うことによって燃料オフガス中の燃料ガス濃度をより正確に測定することが可能となる。 Preferably, the fuel gas concentration estimation calculation means estimates the fuel gas concentration (or impurity gas concentration) in the fuel off-gas when the operating state of the fuel cell is constant. By performing data detection under the same operating condition or in a stable operating condition, the fuel gas concentration in the fuel off-gas can be measured more accurately.
好ましくは、上記燃料ガス濃度推定演算手段は、上記燃料オフガスの上記ガス温度を考慮して濃度を推定する。燃料電池スタックは一定温度で運転されるように冷却機構が設けられているが、粘性に関係する燃料オフガスの温度を考慮することによってより正確な燃料ガス濃度の推定や燃料電池の起動時におけるより正確な燃料ガス濃度の推定を行うことが可能となる。 Preferably, the fuel gas concentration estimation calculation means estimates the concentration of the fuel off gas in consideration of the gas temperature. The fuel cell stack is provided with a cooling mechanism so that it can be operated at a constant temperature. However, the fuel gas concentration can be estimated more accurately by considering the temperature of the fuel off-gas related to the viscosity and the fuel cell stack can be more It is possible to accurately estimate the fuel gas concentration.
好ましくは、上記データ検知手段は、上記燃料ガス循環路又は上記燃料ガス供給路に絞りを設けて上記燃料オフガス又は上記燃料ガスの圧力を検出する。それにより、より簡便にあるいはより適宜な部位(場所)で圧力検出を行うことが可能となって具合がよい。 Preferably, the data detection means detects the pressure of the fuel off gas or the fuel gas by providing a throttle in the fuel gas circulation path or the fuel gas supply path. Thereby, it is possible to perform pressure detection more easily or at a more appropriate portion (location), which is favorable.
好ましくは、上記データ検出手段は、回転式ポンプ(燃料ガス循環ポンプ)の上下流差圧の一定値におけるポンプ回転数値から燃料ガス濃度を推定する。一定の差圧を得る回転数の違いからも燃料ガス濃度(あるいは不純物ガス濃度)を推定することが可能である。 Preferably, the data detection means estimates the fuel gas concentration from the pump rotation value at a constant value of the upstream / downstream differential pressure of the rotary pump (fuel gas circulation pump). It is also possible to estimate the fuel gas concentration (or impurity gas concentration) from the difference in the rotational speed that obtains a certain differential pressure.
本発明によれば、水素センサ類を用いることなく燃料電池の運転状態に応じた燃料ガス濃度を把握することができる。また、推定された燃料ガス濃度に基づいて燃料電池の発電制御を効率的に行える。 According to the present invention, it is possible to grasp the fuel gas concentration according to the operating state of the fuel cell without using hydrogen sensors. Further, the power generation control of the fuel cell can be performed efficiently based on the estimated fuel gas concentration.
以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、燃料電池システムのブロック図である。同図に示されるように、燃料電池システムは、概略、固体高分子型燃料電池1(場合によっては、「燃料電池スタック」ともいう)と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する高圧タンク3、高圧水素タンク3からの水素を調圧する圧力調節弁(減圧弁)4、燃料電池1のアノード2の入口に調圧された水素を供給する燃料ガス供給路としての水素供給路5と、図示しないエアポンプから供給される酸化ガスとしての空気に水分を加える加湿モジュール7と、加湿空気を燃料電池1のカソード6の入口に供給する空気供給路8aと、燃料電池1のカソード6を通過した空気を燃料電池1の外部に排出する帰還路8bと、燃料電池1のアノード2を通過し、その出口から外部に排出される燃料オフガスとしての排出水素を水素供給路5に再び環流させる燃料ガス循環路としての水素循環路9と、システム全体を制御する電子制御ユニット10と、を含む。空気供給路8aと帰還路8bとは空気流通路8を構成する。加湿モジュール7において、排出空気と供給空気との熱交換が行われる。
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system. As shown in the figure, the fuel cell system generally includes a polymer electrolyte fuel cell 1 (sometimes referred to as a “fuel cell stack”), a high-
水素循環路9には、排出水素を昇圧する燃料ガス循環ポンプとしての定積型の水素循環ポンプ11と、その上流(ポンプ入口側)の排出水素の圧力(物理的データ)を検出するデータ検知手段としての第1圧力センサ(圧力計)12と、下流(ポンプ出口側)の吐出圧力を検出する第2圧力センサ(圧力計)13と、排出水素を外部へ放出する水素排気弁14と、水素供給路5から水素循環路9への水素の逆流を防止する逆止弁15と、が配置されている。
The
上述した水素供給路5は、濃度100%の高圧水素を圧力調節弁4で、例えば、略100KPa(1気圧)の圧力に減圧した後、その一定圧力でアノード2へ水素を供給する。圧力調節弁4及び水素排気弁14は、後述する電子制御ユニット10からの指令信号に基づいて開閉制御される、例えば常開型電磁弁である。圧力調節弁4は機械構造的な調圧弁や、機械的な調圧構造と電磁開閉弁とを組み合わせたものであっても良い。
The
次に、電子制御ユニット10を説明する。この電子制御ユニット10は、予め設定された制御プログラムにより所定の演算処理を実行するCPU10a、同CPU10aにおいて各種演算処理を実行するために必要な制御プログラムや制御データ等を記憶させたROM10b、CPU10aで各種演算処理を実行するために必要なデータを一時的に読み書きするRAM10c、第1圧力センサ12や第2圧力センサ13等の燃料電池システムの各部からの信号を受信したり、上記圧力調節弁4,水素循環ポンプ11,水素排気弁14等各部へ信号を送信するための入出力ポート10d等を備える。なお、タイマ10eは、例えば、水素排気弁14の開時間を計測するものである。また、電子制御ユニット10は燃料電池スタックや排出水素の温度を検出する温度検出器(図示せず)を備えている。
Next, the
上記CPU10aには、水素濃度を推定するための水素(燃料ガス)濃度演算推定手段としての演算制御プログラムが格納されている。水素濃度演算推定手段は、例えば、第1及び第2の圧力センサ12及び13で検出された圧力から水素循環ポンプ11による排出水素の昇圧量を算出し、その昇圧量に基づいて水素濃度の推定演算値が算出し、水素濃度(あるいは窒素濃度)を推定するようになっている。水素濃度演算推定手段は、後述するその他の態様によっても水素濃度を推定する。
The
電子制御ユニット10には、更に、CPU10aが水素循環路9の排出水素中の水素濃度が、或る推定演算値に到達したと判断した場合に、圧力調節弁4や水素排気弁14の開閉制御、あるいは水素循環ポンプ11の回転数の増減制御を実行する制御手段(制御プログラム)が設けられる。それにより、水素循環路9外への排気水素量を多くしたり、新規水素の導入量を増やす等して、循環水素量を多くして水素濃度を高めるような制御が行われる。
The
(実施例1)
次に、このように構成される燃料電池システムにおいて、水素濃度が推定される手順の第1の実施例を図2及び図3に示す発電制御フロー図に基づいて説明する。
Example 1
Next, in the fuel cell system configured as described above, a first embodiment of the procedure for estimating the hydrogen concentration will be described based on the power generation control flowcharts shown in FIGS.
燃料電池システムには、図示しないバッテリ電源から待機電流が流れているが、燃料電池システムを作動させる主スイッチ(図示せず)が投入されると(ステップS1;YES)、電子制御ユニット10は運転モードか否かを判断する(ステップS2)。ステップS2において運転モードでない場合(ステップS2;NO)には、ステップS1へ戻る。
In the fuel cell system, standby current flows from a battery power source (not shown), but when a main switch (not shown) for operating the fuel cell system is turned on (step S1; YES), the
なお、ステップS1において、主スイッチがOFFである場合(NO)には、燃料電池は運転されないと判断し、圧力調節弁4は閉じ、水素循環ポンプ11は停止状態になり(ステップS10,ステップS11)、燃料電池は発電をしない。
In step S1, when the main switch is OFF (NO), it is determined that the fuel cell is not operated, the pressure control valve 4 is closed, and the
電子制御ユニット10が燃料電池1の運転モードであると判断した場合(ステップS2;YES)には、それまで閉弁されていた圧力調節弁4を開弁する(ステップS3)。高圧水素タンク3から水素が減圧されて水素供給路5を経てアノード2へ供給される。
When the
また、電子制御ユニット10は、図示しないエアポンプを動作させてカソード6にも加湿モジュール7を経て所定量の空気を供給し、燃料電池1に発電を行わせる。
The
運転モード状態では、ステップS4において、電子制御ユニット10は指令信号を与えて水素循環ポンプ11の作動を開始させ、水素循環ポンプ11が所定回転数N1で動作するように制御する。
In the operation mode state, in step S4, the
例えば、ポンプ類の動作の安定等の、一定の運転条件が成立すると、第1圧力センサ12および第2圧力センサ13により水素循環路9における排出水素(燃料オフガス)の圧力P1,P2(物理的データ)がそれぞれ測定され(ステップS5,ステップS6)、これ等の測定データが電子制御ユニット10に入力される。
For example, when certain operating conditions such as stable operation of the pumps are established, the pressures P1 and P2 (physical offgas) of the discharged hydrogen (fuel offgas) in the
電子制御ユニット10では、水素濃度を推定する演算制御プログラムを格納されたCPU10aにおいて、水素循環ポンプ11の駆動で生じた昇圧量(圧力差ΔP=P2−P1)が計算され(ステップS7)、この昇圧量ΔPxに対応する水素濃度が推定される(ステップS8)。
In the
図4は、水素濃度推定のために、電子制御ユニット10が予め備えているマップ(グラフ)の例を示している。複数のマップの中から燃料電池スタックの現在の温度tに対応した温度パラメータTaの特性マップが選択されている。同図に示すように、水素循環ポンプ11の回転数(排出水素量)の増加に伴って圧力差ΔPも増加し、更に、排出水素中の水素濃度の低下(窒素濃度が増加)に伴って圧力差ΔPが増加する傾向がある。CPU10a(水素濃度演算推定手段)は、このマップより、水素循環ポンプ11の回転数N1及び昇圧量ΔPxに対応するx点を通過するグラフの水素濃度Hx%(あるいは窒素濃度Nx%)を求める。
FIG. 4 shows an example of a map (graph) provided in advance in the
ステップS9において、ステップS8で求められた水素濃度の推定演算値Hx%、すなわち推定水素濃度が目標水素濃度値(目標値)Hs%以下であるか否かが比較判断される。
水素濃度が低下していない場合(ステップS9;NO)には、ステップS1からステップS9を繰り返し、アノード2を通過して水素循環路9に流入する排出水素は再びそのまま水素循環ポンプ11で昇圧されて水素供給路5へ再循環され、通常運転が行われる。
In step S9, a comparison determination is made as to whether or not the estimated hydrogen concentration value Hx% obtained in step S8, that is, the estimated hydrogen concentration is equal to or less than the target hydrogen concentration value (target value) Hs%.
If the hydrogen concentration has not decreased (step S9; NO), steps S1 to S9 are repeated, and the discharged hydrogen flowing through the
ステップS9において水素濃度が目標水素濃度値Hs以下に低下したと判断された場合(ステップS9;YES)には、図3に示すように、水素排気弁14の開閉制御、水素循環ポンプ11の回転数増減制御、および圧力調節弁4の開閉制御が電子制御ユニット10の制御手段により選択的に実行される。
If it is determined in step S9 that the hydrogen concentration has dropped below the target hydrogen concentration value Hs (step S9; YES), the opening / closing control of the
すなわち、CPU10aは、ステップS12において、図示しない燃料電池システムにおける各種の条件フラグを参照して水素排気弁14を制御するかを判断する。制御すると判断した場合には(ステップS12;YES)、水素排気弁14に所定時間だけ駆動信号を与えて開状態に制御する(ステップS13)。それにより、アノード2から水素循環路9への排出水素量が増大する。排出水素は窒素(不純物)と共に水素排気弁14を介して図示しない燃焼器や希釈器に送られて処理される。同時に圧力調節弁4から新規水素がアノード2に供給される。燃料電池1内の水素濃度が高められて発電量が増大(あるいは回復)する。その後ステップS14に進む。
That is, in step S12, the
ステップS12でNOと判断された場合には、CPU10aは、図示しない燃料電池システムにおける各種の条件フラグを参照して水素循環ポンプ11を制御するか否かを判断する(ステップS15)。YESの場合には、水素循環ポンプ11の回転数を上昇させて(ステップS16)、循環水素量を多くする制御が開始されてステップS14へ進む。循環水素量を多くすることによってアノード内の生成水の排水を促すことができる。
If NO is determined in step S12, the
ステップS15でNOと判断された場合には、CPU10aは、図示しない燃料電池システムにおける各種の条件フラグを参照して圧力調節弁4を制御するか否かを判断する(ステップS17)。YESの場合には、圧力調節弁4が大きく開かれ(ステップS18)、循環水素量を多くする制御を行ってステップS14に進む。ステップS17でNOと判断された場合にはステップS14へ進む。
If NO is determined in step S15, the
ステップS14〜S22では、CPU10aが既述ステップS5〜S8と同様の手順で水素濃度を再度推定する。
In steps S14 to S22, the
すなわち、循環ポンプ11下流の圧力P1を第1圧力センサ12で検出し(ステップS14)、次いで、第2圧力センサ13で同ポンプ上流の圧力P2を検出する(ステップS19)。昇圧量ΔP(=P2−P1)を計算し(ステップS20)、昇圧量ΔPと循環ポンプ11の回転数に基づいて水素濃度を推定する(ステップS21)。このステップS21で求められた推定演算値、つまり推定水素濃度Hx%が目標水素濃度(目標値)Hs%に到達したか否かがステップS22で判断される。
That is, the pressure P1 downstream of the
ステップS22において、CPU10aが排出水素の水素濃度が目標値に到達した場合(ステップS22;YES)、つまり水素循環路9の排出水素の濃度が高くなったと判断すると(ステップS22;YES)、ステップS23で各制御手段の制御(ステップS12〜S17)に対応して、水素排気弁14を閉じ、あるいは水素循環ポンプ11の回転数を元の回転数に下げ、あるいは圧力調節弁4の場合にはその開度が小さくなるように復帰制御を行う。
If the
ステップS23を経由した後は、再びステップS1に戻り、以降の各ステップに従って連続運転モードで発電制御が実行される。 After passing through step S23, it returns to step S1 again, and electric power generation control is performed in continuous operation mode according to each subsequent step.
他方、ステップS22において、推定水素濃度が目標値に到達していないと判断された場合(ステップS22;NO)には、ステップS1に戻り、ステップS22で目標値に到達するまでルーチンを繰り返す。 On the other hand, if it is determined in step S22 that the estimated hydrogen concentration has not reached the target value (step S22; NO), the process returns to step S1, and the routine is repeated until the target value is reached in step S22.
なお、上述したように実施例では、図4に示すマップを排出水素の各温度毎に持つようにしている。燃料電池スタックや水素循環路9に温度検出器を設けて、排出水素の温度を検出し、当該温度のマップを選択することによってより現在の運転状態に適合した水素濃度推定を行うことが可能となる。例えば、燃料電池システムは図示しない冷却装置を備えており、一定の温度状態で運転を行うが、燃料電池システムの起動時には装置の温度が下がっている場合がある。このような場合には、現在の温度Taに対応したマップを選択することで水素濃度推定の精度を向上することが可能となる。勿論、一つの標準的なマップを使用し、これを現在の温度で補正して使用するようにしてもよい。より簡便には、一つの標準マップをそのまま使用することとしても良い。
As described above, in the embodiment, the map shown in FIG. 4 is provided for each temperature of the discharged hydrogen. By providing a temperature detector in the fuel cell stack or the
また、水素循環路9(排気水素ライン)が凍結等によって弁動作不良を来したような場合には、上記したような制御手段による水素濃度を高める制御は行わず、電子制御ユニット10からの指令によりブザーや警報ランプ等の異常報知手段を作動させて、燃料電池の運転を中止する。
Further, when the hydrogen circulation path 9 (exhaust hydrogen line) has become defective in valve operation due to freezing or the like, the control means as described above is not controlled to increase the hydrogen concentration, and the command from the
上記実施の形態によれば、水素循環ポンプ11による排出水素の昇圧量ΔPに基づいて水素濃度に換算して水素濃度を推定するため、従来のように水素センサを用いることなく、燃料電池1の運転状態に応じた水素濃度を把握でき、しかも水素循環ポンプ11の上下両流に配置した圧力センサ12及び13により圧力を検出するため、正確に水素濃度を推定することができる。また、水素排気弁14の制御による水素排気量や、水素循環ポンプ11または圧力調節弁4の制御による水素循環量の増減制御を的確に行え、水素排気弁14の開閉制御を最適に制御するため、排出水素の無駄を抑制でき、ひいてはコスト安価な燃料電池システムを得ることが可能となる利点がある。
According to the above embodiment, since the hydrogen concentration is estimated by converting into the hydrogen concentration based on the pressure increase amount ΔP of the discharged hydrogen by the
(実施例2)
上述した第1の実施例では、水素循環ポンプ11の上下両流に第1圧力センサ12と第2圧力センサ13を配置して圧力を計測したが、この代わりに、第2圧力センサ13を廃して、第1圧力センサ12だけを用いる構成にしてもよい。
(Example 2)
In the first embodiment described above, the
このような第2の実施例の場合、水素供給路5は一定圧力(例えば、100KPa)であるのに対して、アノード2と水素循環ポンプ11との間の水素循環路9では、燃料電池スタック1を通過した水素(再循環される排出水素も混合している)の粘度の影響を受けて上記一定圧力よりも小さな圧力P1が検知される。こうして検知される圧力P1は、粘性の高い窒素(不純物ガス)が供給水素に混入する程度が大きくなればなるほど小さな圧力値が検知されるため、燃料電池スタックによる圧力損失ΔP、例えば、ΔP=100KPa−P1を検出する。そして、図4に示すようなΔP、水素循環ポンプ11の回転数(排出水素流量)、濃度曲線のマップを参照することにより水素濃度の推定が可能となる。
In such a second embodiment, the
(実施例3)
上述した第1の実施例では、水素循環ポンプ11の上下両流に第1圧力センサ12と第2圧力センサ13を配置して圧力を計測したが、この代わりに、第1圧力センサ12を廃して、第2圧力センサ13だけを用いる構成にしてもよい。
(Example 3)
In the first embodiment described above, the
第3実施例の場合には、逆止弁15を排出水素が通過するときに流体抵抗係数によって圧力損失が生じるので、この第3実施例においても第2圧力センサ13により圧力P2(当該圧力は、水素供給路の圧力よりも高い)が物理的データとして検知される。こうして検知される圧力P2は、粘性の高い窒素ガスが混入するほど大きくなるので、圧力損失ΔP(=P2−100KPa)を検出することで、第2の実施例と同様にマップ(図4参照)を用いて水素濃度を推定することが可能となる。
In the case of the third embodiment, a pressure loss occurs due to the fluid resistance coefficient when the discharged hydrogen passes through the
(実施例4)
図5は第4の実施例を示している。同図は、図1に示される全体構成のうち水素循環路9の部分のみを示しており、他の構成は図1と同様である。同図において、図1と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
Example 4
FIG. 5 shows a fourth embodiment. This figure shows only the portion of the
この実施例では、水素循環路9内にオリフィス(絞り)9aを挿入している。このオリフィス9aの上流側で流体圧力を圧力センサ13によって検出している。オリフィス9aを通過する排出水素の水素濃度による粘性によって流体圧力が変化するので図4に示すような各温度におけるマップを参照して水素循環ポンプ11の回転数(排出水素流量)と検出圧力とから該当水素濃度の曲線Gxを選択することによって水素濃度x%を推定することができる。
In this embodiment, an orifice (throttle) 9 a is inserted in the
(実施例5)
図6は、第5の実施例を示している。同図も図1に示される全体構成のうち水素循環路9の部分のみを示しており、他の構成は図1と同様である。同図において、図1と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
(Example 5)
FIG. 6 shows a fifth embodiment. This figure also shows only the
この実施例では、水素循環路9に並行して設けられたバイパス内にオリフィス(絞り)9aを挿入している。このバイパスのオリフィス9aの上流で流体圧力を圧力センサ13によって検出している。更に、水素循環路9には電子制御ユニット10によって開閉が制御されるバイパス制御弁9bが設けらる。
かかる構成においては、圧力センサ13によって排出水素の流体圧力を検出するときのみ、バイパス制御弁9bが閉じられ、それ以外のときはバイパス制御弁9bは開放される。それにより、オリフィス9aを設けたことによる水素循環路9におけるロス増加を回避している。
In this embodiment, an orifice (throttle) 9 a is inserted in a bypass provided in parallel with the
In such a configuration, the
この実施例の構成によっても、オリフィス9aを通過する排出水素の水素濃度によって流体圧力が変化するので図4に示すような各温度におけるマップを参照して水素循環ポンプ11の回転数(排出水素流量)と検出圧力とから該当水素濃度の曲線Gxを選択することによって水素濃度x%を推定することができる。
なお、オリフィスは、燃料ガス循環路9のみならず、燃料ガス供給路5に設けることも可能である。それにより、燃料オフガス、燃料ガスの圧力を検出することができる。
Even in the configuration of this embodiment, the fluid pressure varies depending on the hydrogen concentration of the discharged hydrogen passing through the
The orifice can be provided not only in the fuel
(実施例6)
上述した各実施例は、いずれの場合も水素循環ポンプ11に起因する水素循環路9における排出水素の圧力を物理的データとして検出し、これらに基づき水素濃度を推定したが、これらの代わりに、水素循環ポンプ11が消費する消費電力を物理的データとして計測するようにすることも可能である。
この実施例では、電子制御ユニット10は水素循環ポンプ11の消費電力を検出する機能を備えているが、圧力センサ12及び13を必要としない。
(Example 6)
In each of the above-described embodiments, the pressure of discharged hydrogen in the
In this embodiment, the
図7は、水素循環ポンプ(定積型)の回転数と当該ポンプ消費電力との関係を示すグラフである。このグラフは各温度毎に用意され、マップとして電子制御ユニット10に記憶される。
図示のように、100%濃度の水素のグラフはG1で示される。窒素が混入したりして水素濃度が低下した水素のグラフはG2のように指数関数的曲線で示される。ここで、燃料電池システムにおける水素の循環ガス量(ガス流量)すなわちポンプ回転数を、例えば水素循環ポンプ11の回転数1000rpmで設定して運転したとすると、水素濃度の低下した粘性の高いガスにおける水素循環ポンプ11の消費電力W2は、100%水素濃度の消費電力W1よりも大きいので、その消費電力差(W2−W1)を演算し、その結果により水素濃度に換算して水素濃度を推定することが可能となる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the rotation speed of the hydrogen circulation pump (constant volume type) and the pump power consumption. This graph is prepared for each temperature and stored in the
As shown, the graph for 100% hydrogen is indicated by G1. A graph of hydrogen in which the hydrogen concentration is reduced due to nitrogen mixing is shown by an exponential curve like G2. Here, assuming that the hydrogen circulation gas amount (gas flow rate), that is, the pump rotation speed in the fuel cell system is set at, for example, the rotation speed of the
また、図9に示すような、予め各温度毎に計測された水素濃度をパラメータとする水素循環ポンプの回転数対消費電力特性曲線群のマップを参照して、現在の流体温度における水素循環ポンプ11の回転数(ガス流量)と当該回転数におけるポンプの消費電力とから、水素濃度を推定することができる。 Further, referring to the map of the rotation speed versus power consumption characteristic curve group of the hydrogen circulation pump using the hydrogen concentration measured in advance for each temperature as a parameter as shown in FIG. 9, the hydrogen circulation pump at the current fluid temperature The hydrogen concentration can be estimated from the rotation speed (gas flow rate) of 11 and the power consumption of the pump at the rotation speed.
図10及び図11は、本実施例における水素濃度推定の手順を示しており、実施例1における図2及び図3に示したフローチャートと共通する部分には同一符号を付している。 10 and 11 show the procedure for estimating the hydrogen concentration in the present embodiment, and the same reference numerals are given to the portions common to the flowcharts shown in FIGS. 2 and 3 in the first embodiment.
すなわち、図10は図2のフロー図に対応し、図11は図3のフロー図に対応している。図10が図2と相違する点は、図2のステップS5〜ステップS7がステップS31に、また、図11が図3と異なる点は、図3のステップS14〜ステップS20がステップS32に置き換えられている。ステップS31及び32は水素循環ポンプの消費電力(W2−W1)を演算するステップである。その他の各ステップは共通するので、手順の詳細な説明は省略する。 That is, FIG. 10 corresponds to the flowchart of FIG. 2, and FIG. 11 corresponds to the flowchart of FIG. 2 differs from FIG. 2 in that step S5 to step S7 in FIG. 2 are replaced with step S31, and FIG. 11 differs from FIG. 3 in that step S14 to step S20 in FIG. ing. Steps S31 and 32 are steps for calculating the power consumption (W2-W1) of the hydrogen circulation pump. Since the other steps are common, detailed description of the procedure is omitted.
ステップS31では、CPU10aは現在の排出水素の温度に対応した図7に示すマップを参照する。CPU10aは水素循環ポンプ11の現在の回転数(例えば1000rpm)と水素循環ポンプ11の現在の消費電力W2を検出する。マップに予め記憶されている水素100パーセントの特性曲線G1から現在の回転数(例えば1000rpm)における電力W1を読出す。消費電力差ΔW(=W2−W1)を計算する。
In step S31, the
更に、図8に示す、所定回転数(例えば1000rpm)における水素濃度対消費電力差ΔWのマップから水素濃度を読出す。ステップS32も同様である。 Further, the hydrogen concentration is read from the map of the hydrogen concentration versus the power consumption difference ΔW at a predetermined rotational speed (for example, 1000 rpm) shown in FIG. The same applies to step S32.
また、他の手法として、CPU10aは現在の排出水素の温度に対応した図9に示すマップを参照することができる。この場合、CPU10aは水素循環ポンプ11の現在の回転数(水素流量に対応)と水素循環ポンプ11の現在の消費電力W2を検出する。ポンプの回転数と消費電力W2とが交差する位置xの特性曲線の水素濃度パラメータから水素濃度を読出す。ステップS32も同様である。
As another method, the
したがって、本実施例によっても、上述した各実施例と同様に水素センサを用いることなく、水素濃度を推定して燃料電池システムの運転を行える。 Therefore, also in this embodiment, the fuel cell system can be operated by estimating the hydrogen concentration without using a hydrogen sensor as in the above-described embodiments.
上記実施の形態、第1〜第3の各変形例においては、水素供給路5には100%濃度の水素を利用したが、改質水素を供給する態様でも応用できるものである。
In the above-described embodiment and the first to third modifications, 100% concentration of hydrogen is used for the
(実施例7)
図12及び図13は、本発明の第7の実施例を示している。図12は制御手順を示すフローチャートであり、図13は動作を説明するグラフである。
この実施例では、排出水素の水素濃度が低くなると水素循環路9における所定の圧損ΔP(=P2−P1)を発生させる水素循環ポンプ11の回転数が小さくなることを利用している。
(Example 7)
12 and 13 show a seventh embodiment of the present invention. FIG. 12 is a flowchart showing the control procedure, and FIG. 13 is a graph for explaining the operation.
In this embodiment, the fact that the rotation speed of the
図12に示されるように、この制御態様が開始されると(ステップS50)、CPU10aは、水素循環ポンプ11に駆動信号を与えて所定の回転数で動作させる(ステップS52)。水素循環ポンプ11の回転数が所定の回転数になると(ステップS54)、圧力センサ12及び13の検出値P1及びP2を読取り、現在の差圧ΔP(=P2−P1)を計算する(ステップS56)。
As shown in FIG. 12, when this control mode is started (step S50), the
CPU10aは、この差圧ΔPが予め検出基準に設定した差圧ΔPsに等しいか(許容範囲内か)を判断する(ステップS58)。規定値以上にずれが大きい場合(ステップS58;NO)には、水素循環ポンプ11の回転数を増減して、現在の差圧ΔPが差圧ΔPsとなるように調整する(ステップS52〜S58)。
The
差圧ΔPが基準差圧ΔPsに等しくなると(ステップS58;YES)、CPU10aはこのときの水素循環ポンプ11の回転数Nxを読取る(ステップS60)。CPU10aは、図13に示されるマップを参照して、回転数Nxと差圧ΔPsに対応する曲線を選択する。この曲線のパラメータから排出水素の水素濃度を読取る(ステップS62)。
When the differential pressure ΔP becomes equal to the reference differential pressure ΔPs (step S58; YES), the
この水素濃度が基準値を下回る場合には水素排気弁14を開放するアノードパージ等の処理(ステップS12〜S18参照)を行う(ステップS64)。
こように、回転式ポンプの上下流差圧の一定時におけるポンプ回転数値から燃料ガス濃度を推定することができる。
When the hydrogen concentration is lower than the reference value, processing such as anode purge for opening the hydrogen exhaust valve 14 (see Steps S12 to S18) is performed (Step S64).
Thus, the fuel gas concentration can be estimated from the pump rotation value when the upstream / downstream differential pressure is constant.
このように、本発明の実施例の燃料電池システムは、水素供給源の供給水素を燃料電池のアノードへ供給する水素供給路と、上記燃料電池のアノードから排出される水素オフガスを上記水素供給路に戻す水素循環路と、上記水素循環路に設けられて上記水素オフガスを昇圧して上記水素供給路に還流させる水素循環ポンプと含む燃料電池システムであって、上記燃料電池の運転状態に応じて変動する上記水素オフガスに係る物理的データを検出するデータ検知手段、及び当該データ検知手段で検出された上記物理的データに基づいて上記水素オフガスの水素濃度を推定する水素濃度推定演算手段と、を備える。 As described above, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention includes a hydrogen supply path that supplies hydrogen supplied from a hydrogen supply source to the anode of the fuel cell, and a hydrogen supply path that supplies hydrogen off-gas discharged from the anode of the fuel cell. And a hydrogen circulation pump that is provided in the hydrogen circulation path and pressurizes the hydrogen off-gas and recirculates the hydrogen off-gas to the hydrogen supply path, according to the operating state of the fuel cell. Data detection means for detecting physical data relating to the fluctuating hydrogen offgas, and hydrogen concentration estimation calculation means for estimating the hydrogen concentration of the hydrogen offgas based on the physical data detected by the data detection means. Prepare.
上記データ検知手段は、上記水素循環ポンプの駆動による上記水素オフガスの昇圧量を上記物理的データとして検出する。
また、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記水素循環ポンプの上流と下流とに配置した圧力センサで形成され、当該両圧力センサによって水素循環ポンプによる水素オフガスの昇圧量が上記物理的データとして検出される。
The data detection means detects the amount of pressure increase of the hydrogen off gas by driving the hydrogen circulation pump as the physical data.
The data detection means is formed by pressure sensors disposed upstream and downstream of the hydrogen circulation pump as the physical data, and the pressure increase amount of hydrogen off-gas by the hydrogen circulation pump is determined by the both pressure sensors. Detected as
また、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記水素循環ポンプ駆動により消費される消費電力を検出する。
また、上記水素オフガスに係る物理的データは、水素オフガスの粘度に起因するデータである。
The data detection means detects power consumption consumed by driving the hydrogen circulation pump as the physical data.
The physical data related to the hydrogen off gas is data resulting from the viscosity of the hydrogen off gas.
また、上記水素循環ポンプと上記水素供給路との間の上記水素循環路に逆止弁を設ける一方で、上記データ検知手段を、上記水素循環ポンプの上流、または下流に配置した圧力センサで形成している。 In addition, a check valve is provided in the hydrogen circulation path between the hydrogen circulation pump and the hydrogen supply path, while the data detection means is formed by a pressure sensor arranged upstream or downstream of the hydrogen circulation pump. is doing.
上記水素濃度推定演算手段により上記水素濃度の推定演算値が算出されたとき、それに基づいて上記水素循環路に設けられた水素排気弁の開閉制御、上記水素循環ポンプの回転数制御、または、上記水素供給路に設けられた減圧機能を有する圧力調節弁の開閉制御のうち少なくともいずれか一の制御を行う制御手段を備える。 When the hydrogen concentration estimation calculation means calculates the hydrogen concentration estimation calculation value, on the basis of this, the hydrogen exhaust valve opening / closing control provided in the hydrogen circulation path, the hydrogen circulation pump rotation speed control, or the above Control means for performing at least any one of opening / closing control of a pressure regulating valve having a pressure reducing function provided in the hydrogen supply path is provided.
以上説明したように本発明の実施例によれば、データ検知手段で検出した物理的データを、水素濃度推定演算手段で演算処理することで水素濃度を推定するため、水素センサ類を用いることなく燃料電池の運転状態に応じた水素濃度を把握することができ、燃料電池の発電制御を効率的に行える効果を奏する。 As described above, according to the embodiment of the present invention, since the physical concentration detected by the data detecting means is processed by the hydrogen concentration estimating calculating means to estimate the hydrogen concentration, the hydrogen sensors are not used. The hydrogen concentration according to the operating state of the fuel cell can be grasped, and the power generation control of the fuel cell can be efficiently performed.
また、水素循環ポンプによる排出水素の昇圧量に基づいて水素濃度を推定するため、水素センサ類を使用することなく、運転状態に応じた水素濃度を把握することができ、運転制御を円滑に行え、かつコスト安価な燃料電池システムを実現できる効果を奏する。 In addition, since the hydrogen concentration is estimated based on the pressure increase of the discharged hydrogen by the hydrogen circulation pump, it is possible to grasp the hydrogen concentration according to the operation state without using hydrogen sensors, and smooth operation control. In addition, the fuel cell system can be realized at a low cost.
また、水素循環ポンプの上流と下流とに圧力センサを配置しているため、正確に水素濃度を推定できる効果を奏する。 In addition, since the pressure sensors are arranged upstream and downstream of the hydrogen circulation pump, the hydrogen concentration can be accurately estimated.
また、水素循環ポンプの上流または下流に圧力センサを配置することによっても水素濃度の推定把握を行って水素濃度の低下を検出することが可能となる効果を奏する。 In addition, by arranging a pressure sensor upstream or downstream of the hydrogen circulation pump, it is possible to estimate and grasp the hydrogen concentration and detect a decrease in the hydrogen concentration.
また、水素循環ポンプの消費電力を測定することによっても、水素濃度の推定ができ、これにより水素濃度の低下を検出することができ有利である。 It is also advantageous to estimate the hydrogen concentration by measuring the power consumption of the hydrogen circulation pump, thereby detecting a decrease in the hydrogen concentration.
また、水素濃度推定演算手段により水素濃度の推定演算値が算出されたときには、それに基づいて水素排気弁の開閉制御、水素循環ポンプの回転数制御、あるいは圧力調節弁の開閉制御を円滑に行え、燃料電池の発電制御を効率的に実行できる利点がある。 In addition, when the hydrogen concentration estimation calculation value is calculated by the hydrogen concentration estimation calculation means, it is possible to smoothly perform the opening / closing control of the hydrogen exhaust valve, the rotation speed control of the hydrogen circulation pump, or the opening / closing control of the pressure control valve based on the calculated value. There is an advantage that the power generation control of the fuel cell can be executed efficiently.
また、複数種類の水素濃度推定手法を組み合わせることができる。 Also, a plurality of types of hydrogen concentration estimation methods can be combined.
1 燃料電池(燃料電池スタック)、2 アノード、3 高圧水素タンク、4 圧力調節弁、5 水素供給路、6 カソード、7 加湿モジュール、8 空気流通路、9 水素循環路、10 電子制御ユニット、11 水素循環ポンプ、12 第1圧力センサ、13 第2圧力センサ、14 水素排気弁、15 逆止弁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell (fuel cell stack), 2 Anode, 3 High pressure hydrogen tank, 4 Pressure control valve, 5 Hydrogen supply path, 6 Cathode, 7 Humidification module, 8 Air flow path, 9 Hydrogen circulation path, 10 Electronic control unit, 11 Hydrogen circulation pump, 12 1st pressure sensor, 13 2nd pressure sensor, 14 Hydrogen exhaust valve, 15 Check valve
Claims (11)
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に設けられて前記燃料オフガスを昇圧して前記燃料ガス供給路に還流させる燃料ガス循環ポンプと含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転状態に応じて変動する前記燃料オフガスに係る物理的データを検出するデータ検知手段と、
当該データ検知手段で検出された前記物理的データに基づいて燃料極側の燃料ガス濃度を推定する燃料ガス濃度推定演算手段と、
を備える燃料電池システム。 A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell;
A fuel gas circulation path for returning the fuel off-gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply path;
A fuel cell system including a fuel gas circulation pump provided in the fuel gas circulation path for boosting the fuel off-gas and returning it to the fuel gas supply path;
Data detection means for detecting physical data relating to the fuel off-gas, which varies according to the operating state of the fuel cell;
Fuel gas concentration estimation calculation means for estimating the fuel gas concentration on the fuel electrode side based on the physical data detected by the data detection means;
A fuel cell system comprising:
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