JP2007080567A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電する燃料電池システムに係り、特に燃料電池システムに故障が生じた場合でも発電を継続して行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas to a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell system that continuously generates power even when a failure occurs in the fuel cell system.
燃料電池スタックは、高分子膜に代表されるイオン交換物質の両側に白金等からなる触媒電極を配置して薄膜状の膜−電極集合体（ＭＥＡ）を形成し、このＭＥＡを集電体によって複数積層することによって構成されている。そして、この燃料電池スタックの燃料極（アノード極）に水素を含有する燃料ガスが供給され、酸化剤極（カソード極）に酸素を含有する酸化ガスが供給されて発電を行っている。 In the fuel cell stack, catalyst electrodes made of platinum or the like are arranged on both sides of an ion exchange material typified by a polymer membrane to form a thin membrane-electrode assembly (MEA), and this MEA is collected by a current collector. It is configured by stacking a plurality of layers. Then, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode (anode electrode) of the fuel cell stack, and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the oxidant electrode (cathode electrode) to generate power.
このような燃料電池システムは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するシステムであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。 Such a fuel cell system is a system that directly converts chemical energy into electrical energy, and has recently attracted attention because of its high power generation efficiency and extremely low emission of harmful substances.
そして、燃料電池システムでは、例えば燃料電池に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力バランスを保つ必要があることから酸化剤極のガス圧力を調整する必要があり、この酸化剤極の圧力調節方法としては、特開２００４−１７９１２６号公報（特許文献１）に開示されているように、酸化剤極の下流の位置に背圧調整用の空気調圧弁を設け、この空気調圧弁の弁開度を圧力センサで測定した酸化剤極の空気圧力を利用してフィードバック制御する方法が一般的であった。
しかしながら、このような圧力制御系において故障が発生し、例えば圧力センサによって測定される酸化剤極の圧力などの情報が得られなくなると、空気調圧弁の目標開度を計算することができなくなり、空気調圧弁をフィードバック制御できなくなる。そこで、このような現象が発生した場合には燃料ガスと酸化剤ガスの圧力バランスが崩れる前にシステムを停止しなければならなかった。 However, when a failure occurs in such a pressure control system and information such as the pressure of the oxidizer electrode measured by the pressure sensor cannot be obtained, the target opening degree of the air pressure regulating valve cannot be calculated. The air pressure control valve cannot be feedback controlled. Therefore, when such a phenomenon occurs, the system must be stopped before the pressure balance between the fuel gas and the oxidant gas is lost.
また、空気流量をフィードバック制御していない場合には、コンプレッサの流量特性やフィルタの圧損特性などが変化すると、所望の空気流量を供給することが出来なくなる可能性があった。 Further, when the air flow rate is not feedback-controlled, there is a possibility that a desired air flow rate cannot be supplied if the flow rate characteristic of the compressor or the pressure loss characteristic of the filter changes.
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへ酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記燃料電池スタックにおける酸化剤ガスの圧力を調節する酸化剤ガス調圧弁と、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する燃料供給調整弁とを備えた燃料電池システムであって、当該燃料電池システムの故障時には前記燃料電池スタックで発電される上限電力を算出し、前記燃料電池スタックに対して要求された指令電力と前記上限電力とを比較して小さいほうを故障時の目標電力として決定し、この目標電力に基づいて前記コンプレッサの回転数と前記燃料供給調整弁の開度とを決定して運転を継続することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack. A fuel cell system comprising: a compressor; an oxidant gas pressure regulating valve that adjusts a pressure of an oxidant gas in the fuel cell stack; and a fuel supply adjustment valve that regulates the supply of fuel gas to the fuel cell stack. The upper limit power generated by the fuel cell stack at the time of failure of the fuel cell system is calculated, the command power required for the fuel cell stack is compared with the upper limit power, and the smaller one is the target at the time of failure To determine the electric power, and to determine the rotation speed of the compressor and the opening of the fuel supply regulating valve based on the target electric power, and continue the operation And features.
本発明に係る燃料電池システムでは、故障時には燃料電池スタックで発電可能な上限電力を算出し、この上限電力と燃料電池スタックに対して要求された指令電力とを比較して小さいほうを故障時の目標電力として決定し、この目標電力に基づいてコンプレッサの回転数と燃料供給調整弁の開度とを決定して運転を継続するので、圧力センサ信号の断線などに代表される空気圧力制御に関わる部品に故障が発生した場合でも、酸化剤ガス圧力調整弁の動作を固定して酸化剤極のガス圧力が上がらないようにすることができ、これによって燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力との差圧を所定値内に抑えることができるので、システムを停止することなく運転を継続することが可能となる。 In the fuel cell system according to the present invention, the upper limit power that can be generated by the fuel cell stack is calculated in the event of a failure, and the upper limit power is compared with the command power required for the fuel cell stack, Since it is determined as the target power and the operation is continued by determining the rotation speed of the compressor and the opening of the fuel supply regulating valve based on this target power, it is related to air pressure control represented by disconnection of the pressure sensor signal, etc. Even if a component failure occurs, the operation of the oxidant gas pressure adjustment valve can be fixed so that the gas pressure at the oxidant electrode does not increase, which allows the difference between the fuel gas pressure and the oxidant gas pressure. Since the pressure can be suppressed within a predetermined value, the operation can be continued without stopping the system.
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１による発電を制御する制御装置３と、燃料ガスを貯蔵する燃料貯蔵用タンク４と、燃料貯蔵用タンク４からの燃料ガスの供給を調整する燃料供給調整弁５と、燃料ガスを燃料電池スタック２に供給する燃料ガス供給流路６と、燃料電池スタック２の燃料極の入口圧力を検出する燃料極圧力センサ７と、燃料電池スタック２から排出されたガスの一部を外部へ排出する燃料ガス排出流路８と、外部から吸入する空気の温度を検出する空気温度センサ９と、吸入した空気から異物を取り除く異物フィルタ１０と、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池スタック２に供給する空気コンプレッサ１１と、空気コンプレッサ１１から吐出される空気の質量流量を測定するエアフロセンサ（酸化剤ガス流量測定装置）１２と、空気を燃料電池スタック２に供給する酸化剤ガス供給流路１３と、燃料電池スタック２の酸化剤極の入口圧力を検出する酸化剤極圧力センサ１４と、燃料電池スタック２における空気の圧力を調整する空気調圧弁１８と、空気調圧弁１８の弁開度を検出する空気調圧弁開度センサ１９と、燃料電池スタック２から排出されたガスを外部へ排出する酸化剤ガス排出流路２０と、燃料電池スタック２を冷却するための冷却水を循環させる冷却水循環流路２１と、冷却水循環流路２１内の冷却水を循環させる冷却水ポンプ２２と、燃料電池スタック２の冷却水出口温度を検出する冷却水温度センサ２３と、大気圧を検出する大気圧センサ２４と、電磁弁などを使用して燃料供給調整弁５の弁開度を調整する調整弁アクチュエータ２５と、空気調圧弁１８の弁開度を調整する調圧弁アクチュエータ２６と、電気モータなどによって空気コンプレッサ１１の回転数を調整するコンプレッサアクチュエータ２７と、冷却水ポンプ２２の回転数を調整するポンプアクチュエータ２８とを備えている。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to this embodiment. The
ここで、燃料電池スタック２は、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
Here, in the
アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
また、燃料電池スタック２は、酸化剤極と燃料極とによって固体高分子電解質膜を挟持して構成された膜−電極構造体（以下、ＭＥＡという）が、セパレータを介して複数積層されてスタック構造となっている。さらに、この燃料電池スタック２では、内部に酸化剤ガスとしての空気を通過させる酸化剤ガス流路３１と、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路３２と、冷却水流路３３とが設けられている。
Anode (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode (oxidant electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
The
このように構成された燃料電池システム１において、各部の動作を制御するために制御装置３が備えられており、この制御装置３は、例えば各種半導体素子などによって構成されたコンピュータ等の情報処理装置が用いられ、この制御装置３によって各部を制御することにより、燃料電池システム１全体としての動作が制御されている。
In the
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２に供給される空気を供給するために空気コンプレッサ１１を備え、この空気コンプレッサ１１によって送出された空気を燃料電池スタック２の酸化剤ガス流路３１に導入するために酸化剤ガス供給流路１３が設置されている。
Further, the
同様に燃料電池スタック２の発電によって生じる熱をシステム外部に持ち出すための冷却水を供給すべく、冷却水ポンプ２２が設置され、この冷却水ポンプ２２によって供給される冷却水を燃料電池スタック２の冷却水流路３３に導入するために冷却水循環流路２１が設置されている。
Similarly, a
一方、燃料電池システム１には、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスを蓄えておくための燃料貯蔵用タンク４と燃料供給調整弁５が燃料ガス供給流路６上に配設されている。
On the other hand, in the
また、酸化剤極に供給されるガスの一部を燃料電池システム１の外部に排出するために酸化剤ガス排出流路２０が接続され、この酸化剤ガス排出流路２０には空気調圧弁１８が設置されている。同様に、燃料極内のガスの一部を燃料電池システム１の外部に排出するために燃料ガス排出流路８が接続されている。
In addition, an oxidant
また、燃料電池システム１には上述した各種センサが設置されており、これらのセンサは、検出した圧力、温度、質量流量及び弁開度をセンサ信号として制御装置３に出力している。その結果、酸化剤極圧力センサ１４によって検出された酸化剤ガス圧力は、酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力として制御装置３によって認識され、燃料極圧力センサ７によって検出された燃料ガス圧力は、燃料極に供給される燃料ガスの圧力として認識され、大気圧センサ２４によって測定された圧力は大気圧として認識される。また、冷却水温度センサ２３によって検出された冷却水出口温度は、制御装置３によって冷却水流路３３から排出される冷却水の温度として認識され、制御上は燃料電池スタック２の運転温度として認識される。さらに、空気温度センサ９によって測定された温度は空気コンプレッサ１１が吸入する空気の温度として認識される。同様に、エアフロセンサ１２で測定された空気質量流量は、燃料電池システム１に供給される空気の質量流量として認識され、空気調圧弁開度センサ１９によって測定された弁開度は、空気調圧弁１８の実開度として認識される。
The
さらに、燃料電池システム１では、燃料供給調整弁５、空気調圧弁１８、空気コンプレッサ１１、冷却水ポンプ２２のそれぞれにアクチュエータが備えられており、これらのアクチュエータは制御装置３からの駆動信号にしたがって、それぞれ燃料供給調整弁５、空気調圧弁１８、空気コンプレッサ１１、冷却水ポンプ２２を駆動し、弁開度や回転数を所定値に調整している。
Further, in the
１）システム正常時における制御
次に、本実施形態の燃料電池システム１におけるシステム正常時に実施される制御を図２に基づいて説明する。図２に示すように、まず目標電流演算部４１が、燃料電池システム１に要求された指令電力ＴＰＧと冷却水温度センサ２３で検出された燃料電池運転温度ＴＭＰＦＣとから目標電流ＴＣＲを算出する。そして、この目標電流ＴＣＲに対して指令電力ＴＰＧを発電するためのパラメータである目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡを目標燃料ガス圧力演算部４２が計算し、同様に目標空気流量ＴＱＡを目標空気質量流量演算部４３が計算する。
1) Control when the system is normal Next, control performed when the system is normal in the
一方、目標空気圧力演算部４４では燃料極圧力センサ７で検出された燃料ガス圧力ＲＰＲＡに基づいて目標空気圧力ＴＰＲＣを算出する。
On the other hand, the target air pressure calculation unit 44 calculates the target air pressure TPRC based on the fuel gas pressure RPRA detected by the fuel
次に、空気調圧弁開度演算部４５では、算出された目標空気圧力ＴＰＲＣと酸化剤極圧力センサ１４で測定された酸化剤極のガス圧力ＲＰＲＣとに基づいて空気調圧弁１８の開度ＴＴＶＰを演算して調圧弁アクチュエータ２６に出力している。
Next, the air pressure regulating
また、燃料供給調整弁開度演算部４６では、算出された目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡと燃料極圧力センサ７で測定された燃料極のガス圧力ＲＰＲＡとに基づいて燃料供給調整弁５の目標開度ＴＣＶＰを演算して調整弁アクチュエータ２５に出力している。
Further, the fuel supply adjustment
目標コンプレッサ回転数演算部４７では、目標空気流量ＴＱＡと目標空気圧力ＴＰＲＣとから目標空気コンプレッサ回転数ＴＮＣを演算してコンプレッサアクチュエータ２７に出力している。
The target compressor rotation
次に上述した制御装置３の各部で実施される演算処理を説明する。 Next, the arithmetic processing performed in each part of the control apparatus 3 mentioned above is demonstrated.
まず、目標電流演算部４１で実施される目標電流ＴＣＲの演算処理を図３に基づいて説明する。図３に示すようにステージＳＡ１において制御対象である燃料電池スタック２の電力−電流特性を読み込む。この特性は２次元の制御マップとして予め制御装置３の記憶領域に記録されており、図４に示すように、燃料電池スタック２の運転温度によって変化するので、指令電力ＴＰＧのほかに、冷却水温度センサ２３によって測定される燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣに基づいて目標電流ＴＣＲが規定されている
ステージＳＡ２、ＳＡ３では燃料電池スタック２の指令電力ＴＰＧと燃料電池の運転温度ＴＭＰＦＣが入力され、ステージＳＡ４では入力された各パラメータと図４に示す電力−電流特性から燃料電池スタック２の目標電流ＴＣＲを算出する。
First, the target current TCR calculation process performed by the target
次に、目標燃料ガス圧力演算部４２で実施される目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡの演算処理を図５に基づいて説明する。図５に示すように、ステージＳＢ１では燃料電池スタック２の目標電流−目標燃料ガス圧力特性を制御装置３内の記憶領域から読み込む。この特性は、燃料電池システム１のシステム効率などを考慮して設計されるが、例えば図６に示すように目標電流に対して単調に増加する特性となっている。
Next, calculation processing of the target fuel gas pressure TPRA performed by the target fuel gas
ステージＳＢ２では目標電流演算部４１で算出された燃料電池スタック２の目標電流ＴＣＲが入力され、ステージＳＢ３では入力された目標電流ＴＣＲに基づいてステージＳＢ１で読み込んだ目標電流−目標燃料ガス圧力特性を使用して目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡを算出する。
In stage SB2, the target current TCR of the
次に、目標空気質量流量演算部４３で実施される目標空気流量ＴＱＡの演算処理を図７に基づいて説明する。図７に示すように、まずステージＳＣ１では燃料電池スタック２の目標電流ＴＣＲが入力され、ステージＳＣ２では目標空気流量演算用の制御定数ＫＡＩＲを取得する。この定数は、例えば単位電流あたりに必要な酸素流量、空気中の酸素濃度、燃料電池スタック２のセル数などを考慮して設定されている。
Next, calculation processing of the target air flow rate TQA performed by the target air mass flow
そして、ステージＳＣ３では入力された目標電流ＴＣＲに制御定数ＫＡＩＲを乗算することによって、目標空気流量ＴＱＡを算出する。 In stage SC3, the target air flow rate TQA is calculated by multiplying the input target current TCR by the control constant KAIR.
次に、目標空気圧力演算部４４で実施される目標空気圧力ＴＰＲＣの演算処理を図８に基づいて説明する。図８に示すように、ステージＳＤ１では燃料極圧力センサ７で測定された燃料電池スタック２の燃料極のガス圧力ＲＰＲＡが入力され、ステージＳＤ２では入力された燃料極のガス圧力ＲＰＲＡをそのまま目標空気圧力ＴＰＲＣとして出力する。
Next, the calculation process of the target air pressure TPRC performed by the target air pressure calculation unit 44 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8, the gas pressure RPRA of the fuel electrode of the
次に、燃料供給調整弁開度演算部４６で実施される目標燃料供給調整弁開度ＴＣＶＰの演算処理を図９に基づいて説明する。図９に示すように、ステージＳＥ１では目標燃料ガス圧力演算部４２で演算された目標燃料ガス圧力ＴＲＰＡが入力され、ステージＳＥ２では燃料極圧力センサ７で測定された燃料ガス圧力ＲＰＲＡが入力される。
Next, the calculation process of the target fuel supply adjustment valve opening TCVP performed by the fuel supply adjustment valve opening
そして、ステージＳＥ３では入力された２つの変数の差分を取り、ＰＩ制御器を使用して、フィードバック制御を行って燃料供給調整弁５の目標開度ＴＣＶＰを算出して調整弁アクチュエータ２５に出力する。
Then, at stage SE3, the difference between the two input variables is taken, and the PI controller is used to perform feedback control to calculate the target opening TCVP of the fuel supply regulating valve 5 and output it to the regulating
次に、空気調圧弁開度演算部４５で実施される目標空気調圧弁開度ＴＴＶＰの演算処理を図１０に基づいて説明する。図１０に示すように、ステージＳＦ１では目標空気圧力演算部４４で演算された目標空気圧力ＴＰＲＣが入力され、ステージＳＦ２では酸化剤極圧力センサ１４で測定された酸化剤極のガス圧力ＲＰＲＣが入力される。
Next, calculation processing of the target air pressure adjustment valve opening degree TTVP performed by the air pressure adjustment valve opening
そして、ステージＳＦ３では入力された２つの変数の差分を取り、ＰＩ制御器を使用して、フィードバック制御を行って空気調圧弁１８の目標開度ＴＴＶＰを演算する。
Then, in stage SF3, the difference between the two input variables is taken, and the PI controller is used to perform feedback control to calculate the target opening degree TTVP of the air
次に、目標コンプレッサ回転数演算部４７で実施される目標空気コンプレッサ回転数ＴＮＣの演算処理を図１１に基づいて説明する。図１１に示すようにステージＳＧ１では異物フィルタ１０の体積流量―圧損特性を読み込む。この特性は図１２に示すような関係になっており、予め実験的に、あるいは設計値を用いて値を設定し、制御テーブルとして制御装置３の記憶領域に記録されている。
Next, calculation processing of the target air compressor rotation speed TNC performed by the target compressor rotation
ステージＳＧ２では、空気温度センサ９で測定された吸気温度ＴＭＰＡが入力され、ステージＳＧ３では大気圧センサ２４で測定された大気圧ＲＰＲＡＭＢが入力される。
In the stage SG2, the intake air temperature TMPA measured by the
ステージＳＧ４では目標空気質量流量演算部４３で算出された目標空気流量ＴＱＡが入力され、ステージＳＧ５では目標空気圧力演算部４４で算出された目標空気圧力ＴＰＲＣが入力される。
At stage SG4, the target air flow rate TQA calculated by the target air mass flow
ステージＳＧ６では、目標空気流量ＴＱＡと吸気温度ＴＭＰＡと大気圧ＲＰＲＡＭＢを使用して目標空気体積流量ＴＱＡＶを算出し、ステージＳＧ７では算出した目標空気体積流量ＴＱＡＶとステージＳＧ１で読み込んだ異物フィルタ１０の体積流量−圧損特性と大気圧ＲＰＲＡＭＢとからコンプレッサ吸入空気圧力ＴＰＲＣＩＮを算出する。
In stage SG6, the target air volume flow TQAV is calculated using the target air flow TQA, the intake air temperature TMPA, and the atmospheric pressure RPRAMB. In stage SG7, the calculated target air volume flow TQAV and the volume of the
ステージＳＧ８では、ステージＳＧ５で入力された目標空気圧力ＴＰＲＣを、ステージＳＧ７で算出したコンプレッサ吸入空気圧力ＴＰＲＣＩＮで除算することによって、コンプレッサの吸入−吐出圧力比ＴＰＲＲＣを算出する。 In stage SG8, the target air pressure TPRC input in stage SG5 is divided by the compressor intake air pressure TPRCIN calculated in stage SG7, thereby calculating the intake-discharge pressure ratio TPRRC of the compressor.
ステージＳＧ９では、制御装置３の記憶領域に記録されている目標空気体積流量に対するコンプレッサ回転数特性の制御マップを読み込む。この制御マップは、予め測定された空気コンプレッサ１１の回転数に対する目標空気体積流量と吐出／吸入圧力比特性とを実験的に、あるいは設計値をベースとして設定し、この結果を逆演算することによって算出されたもので、図１３に示すような２次元の制御マップとして記録されている。 In stage SG9, the control map of the compressor speed characteristic with respect to the target air volume flow rate recorded in the storage area of the control device 3 is read. In this control map, the target air volume flow rate and the discharge / suction pressure ratio characteristic with respect to the rotation speed of the air compressor 11 measured in advance are set experimentally or based on the design value, and the result is inversely calculated. It is calculated and recorded as a two-dimensional control map as shown in FIG.
ステージＳＧ１０では、吸入空気温度ＴＭＰＡとステージＳＧ７で算出したコンプレッサ吸入空気圧力ＴＰＲＣＩＮと目標空気流量ＴＱＡとを使用して、コンプレッサ吸入空気体積流量ＴＱＣＩＮＶを算出する。 In stage SG10, compressor intake air volume flow rate TQCINV is calculated using intake air temperature TMPA, compressor intake air pressure TPRCIN calculated in stage SG7, and target air flow rate TQA.
ステージＳＧ１１では、算出したコンプレッサ吸入空気体積流量ＴＱＣＩＮＶと、ステージＳＧ８で演算したコンプレッサの吸入−吐出圧力比ＴＰＲＲＣと、ステージＳＧ９で読み込んだ制御マップとから、空気コンプレッサ１１の目標回転数ＴＮＣを算出する。 In stage SG11, the target rotational speed TNC of the air compressor 11 is calculated from the calculated compressor intake air volume flow rate TQCINV, the compressor suction-discharge pressure ratio TPRRC calculated in stage SG8, and the control map read in stage SG9. .
このようにシステム正常時には上述した処理を行うことによって、制御装置３が各アクチュエータを制御して燃料電池システム１の発電を制御している。
As described above, when the system is normal, the control device 3 controls each actuator to control the power generation of the
２）システム故障時における制御
次に、本実施形態の燃料電池システム１におけるシステム故障時に実施される制御を図１４に基づいて説明する。図１４に示すように、まず故障時の上限電力演算部１４１では、燃料電池スタック２への指令電力ＴＰＧと、冷却水温度センサ２３で測定される燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと、空気調圧弁開度センサ１９で測定される空気調圧弁実開度ＲＴＶＰとから故障時の目標電力ＴＰＧＦを演算する。
2) Control at the time of system failure Next, the control performed at the time of the system failure in the
目標電流演算部１４２では、指令電力ＴＰＧの代わりに故障時の目標電力ＴＰＧＦを使用し、故障時の目標電力ＴＰＧＦと燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣとから目標電流ＴＣＲを算出し、この目標電流ＴＣＲに基づいて目標空気質量流量演算部１４３が目標空気流量ＴＱＡを算出する。
The target current calculation unit 142 uses the target power TPGF at the time of failure instead of the command power TPG, calculates the target current TCR from the target power TPGF at the time of failure and the operating temperature TMPFC of the
また、故障時の目標燃料ガス圧力演算部１４４では、目標電流ＴＣＲに基づいて故障時の目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡＦが算出される。 Further, the target fuel gas pressure calculation unit 144 at the time of failure calculates a target fuel gas pressure TPRAF at the time of failure based on the target current TCR.
故障時の空気調圧弁開度演算部１４５では、制御装置３から読み込んだ制御定数を故障時の目標空気調圧弁開度ＴＴＶＰＦとして調圧弁アクチュエータ２６へ出力する。
The air pressure regulating
目標コンプレッサ回転数演算部１４６では、目標空気流量ＴＱＡとエアフロセンサ１２で測定された実空気流量ＲＱＡとから故障時の目標空気コンプレッサ回転数ＴＮＣＦを演算してコンプレッサアクチュエータ２７へ出力する。
The target compressor rotational
燃料供給調整弁開度演算部１４７では、故障時の目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡＦと燃料極圧力センサ７で測定された燃料極のガス圧力ＲＰＲＡとに基づいて燃料供給調整弁５の目標開度ＴＣＶＰを演算して調整弁アクチュエータ２５へ出力する。
The fuel supply adjustment
次に、故障時の上限電力演算部１４１で実施される故障時の目標電力ＴＰＧＦの演算処理を図１５に基づいて説明する。図１５に示すように、ステージＳＨ１では冷却水温度センサ２３で測定される燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣが入力され、ステージＳＨ２では空気調圧弁開度センサ１９で計測された空気調圧弁開度ＲＴＶＰが入力され、ステージＳＨ３では燃料電池スタック２への指令電力ＴＰＧが入力される。
Next, the calculation process of the target power TPGF at the time of failure performed by the upper limit
ステージＳＨ４では、図１６に示す運転温度ＴＭＰＦＣと空気調圧弁開度ＲＴＶＰに対する上限電力特性を読み込む。この上限電力特性は、２次元の制御マップとして予め設定され、制御装置３の記憶領域内に記録されている。ここで、上限電力特性の制御マップの設計方法は、後述する目標燃料ガス圧力の演算方法と関係するので別途説明する。 In stage SH4, the upper limit power characteristic for the operating temperature TMPFC and the air pressure regulating valve opening RTVP shown in FIG. 16 is read. This upper limit power characteristic is preset as a two-dimensional control map and recorded in the storage area of the control device 3. Here, the design method of the control map for the upper limit power characteristic is separately described because it is related to the target fuel gas pressure calculation method described later.
ステージＳＨ５では、読み込んだ上限電力特性の制御マップと、燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと空気調圧弁開度ＲＴＶＰとから故障時の上限電力ＴＰＧＦＬＭを算出する。
In stage SH5, the upper limit power TPGFLM at the time of failure is calculated from the read control map of the upper limit power characteristic, the operating temperature TMPFC of the
そして、ステージＳＨ６では、算出した故障時の上限電力ＴＰＧＦＬＭと外部から燃料電池システム１に要求される指令電力ＴＰＧとを比較し、ステージＳＨ７及びＳＨ８では比較した小さいほうを故障時の目標電力ＴＰＧＦとして設定する。
Then, at stage SH6, the calculated upper limit power TPGFLM at the time of failure is compared with the command power TPG required from the outside for the
こうして故障時の目標電力ＴＰＧＦを算出したら、次に目標電流演算部１４２で正常時の演算処理と同様の処理を行なって目標電流ＴＣＲを算出し、さらに目標電流ＴＣＲに基づいて目標空気質量流量演算部１４３が正常時と同様の処理を行なって目標空気流量ＴＱＡを算出する。
After the target power TPGF at the time of failure is thus calculated, the target current calculation unit 142 performs the same processing as the normal calculation processing to calculate the target current TCR, and further calculates the target air mass flow rate based on the target current TCR. The
次に、故障時の目標コンプレッサ回転数演算部１４６で実施される故障時の目標空気コンプレッサ回転数ＴＮＣＦの演算処理を図１７に基づいて説明する。図１７に示すように、ステージＳＪ１では、目標空気質量流量演算部１４３で算出された目標空気流量ＴＱＡが入力され、ステージＳＪ２ではエアフロセンサ１２で測定された実空気流量ＲＱＡが入力される。
Next, the calculation processing of the target air compressor rotation speed TNCF at the time of failure performed by the target compressor rotation
ステージＳＪ３では、入力された２つの変数の差分を取り、ＰＩ制御器を使用してフィードバック制御を行うことによって、故障時の目標空気コンプレッサ回転数ＴＮＣＦを算出してコンプレッサアクチュエータ２７に出力している。
At stage SJ3, the difference between the two input variables is taken and the feedback control is performed using the PI controller, thereby calculating the target air compressor rotational speed TNCF at the time of failure and outputting it to the
次に、故障時の目標燃料ガス圧力演算部１４４における故障時の目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡＦの演算処理を図１８に基づいて説明する。図１８に示すように、ステージＳＩ１では燃料電池スタック２の目標電流−目標燃料ガス圧力特性を読み込む。この特性は、図６で示した正常時の目標燃料ガス圧力演算部４２で使用したものと同じものを使用する。
Next, the calculation processing of the target fuel gas pressure TPRAF at the time of failure in the target fuel gas pressure calculation unit 144 at the time of failure will be described based on FIG. As shown in FIG. 18, at stage SI1, the target current-target fuel gas pressure characteristic of the
ステージＳＩ２では、目標電流演算部１４２で算出された目標電流ＴＣＲが入力される。 In stage SI2, the target current TCR calculated by the target current calculation unit 142 is input.
ステージＳＩ３では、入力された目標電流ＴＣＲとステージＳＩ１で読み込んだ制御テーブルとを使用して目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡを算出する。 In stage SI3, the target fuel gas pressure TPRA is calculated using the input target current TCR and the control table read in stage SI1.
ステージＳＩ４では、制御装置３に記録されている故障時の上限燃料ガス圧力ＴＰＲＡＦＬＭと目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡとの大小関係を比較し、ステージＳＩ５、ＳＩ６では、これらのうちの小さいほうを故障時の目標燃料ガス圧力ＴＰＲＡＦとして設定する。 In stage SI4, the magnitude relationship between the upper limit fuel gas pressure TPRAFLM at the time of failure recorded in the control device 3 and the target fuel gas pressure TPRA is compared. In stages SI5 and SI6, the smaller of these is the smaller one at the time of failure. Set as target fuel gas pressure TPRAF.
ここで、故障時の上限燃料ガス圧力ＴＰＲＡＦＬＭは、燃料電池スタック２の燃料極に供給されるガス圧力と酸化剤極に供給されるガス圧力との差圧制限値ＤＰＡＣと、大気圧センサ２４で測定される大気圧ＲＰＲＡＭＢとの和に設定されている。
Here, the upper limit fuel gas pressure TPRAFLM at the time of failure is a differential pressure limit value DPAC between the gas pressure supplied to the fuel electrode of the
次に、燃料供給調整弁開度演算部１４７で実施される目標燃料供給調整弁開度ＴＣＶＰの演算処理を図１９に基づいて説明する。図１９に示すように、ステージＳＮ１では目標燃料ガス圧力演算部１４４で演算された故障時の目標燃料ガス圧力ＴＲＰＡＦが入力され、ステージＳＮ２では燃料極圧力センサ７で測定された燃料ガス圧力ＲＰＲＡが入力される。
Next, the calculation process of the target fuel supply adjustment valve opening TCVP performed by the fuel supply adjustment valve opening
そして、ステージＳＮ３では入力された２つの変数の差分を取り、ＰＩ制御器を使用して、フィードバック制御を行って燃料供給調整弁５の目標開度ＴＣＶＰを算出して調整弁アクチュエータ２５に出力する。
Then, at stage SN3, the difference between the two input variables is taken, and the PI controller is used to perform feedback control to calculate the target opening TCVP of the fuel supply regulating valve 5 and output it to the regulating
次に、故障時の空気調圧弁開度演算部１４５で実施される故障時の目標空気調圧弁開度ＴＴＶＰＦの演算処理を図２０に基づいて説明する。図２０に示すように、ステージＳＫ１では、予め制御装置３に記録されている設計上の空気調圧弁１８の全開開度ＴＶＯＰが入力される。
Next, the calculation processing of the target air pressure regulating valve opening TTVPF at the time of failure performed by the air pressure regulating valve opening
ステージＳＫ２では、入力された全開開度ＴＶＯＰを故障時の目標空気調圧弁開度ＴＴＶＰＦと設定して調圧弁アクチュエータ２６に出力する。
At stage SK2, the fully opened opening TVOP input is set as the target air pressure regulating valve opening TTVPF at the time of failure and output to the pressure regulating
次に、故障時の上限電力演算部１４１で使用されている図１６で示した上限電力の制御マップの設計方法について説明する。上限電力は燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと空気調圧弁開度ＲＴＶＰとに基づいて変化しており、この制御マップを設定することにより、空気調圧弁１８を固定開度とした状態、すなわち空気調圧弁１８の制御を行わない状態で、燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力との差圧を所定値以内に収めるように制御することができる。
Next, a method of designing the upper limit power control map shown in FIG. 16 used in the upper limit
まず、故障時の上限空気圧力は、故障時の上限燃料ガス圧力ＴＰＲＡＦＬＭに、燃料極に供給されるガス圧力と酸化剤極に供給されるガス圧力との差圧制限値ＤＰＡＣと、大気圧センサ２４で測定される大気圧ＲＰＲＡＭＢとを足した圧力に設定される。 First, the upper limit air pressure at the time of failure is the upper limit fuel gas pressure TPRAFLM at the time of failure, the differential pressure limit value DPAC between the gas pressure supplied to the fuel electrode and the gas pressure supplied to the oxidizer electrode, and the atmospheric pressure sensor. It is set to a pressure obtained by adding the atmospheric pressure RPRAMB measured at 24.
そして、空気調圧弁１８をある一定開度にした状態で、酸化剤極の空気圧力が設定された上限空気圧力を超えないように、空気流量の上限値を設定する。
Then, the upper limit value of the air flow rate is set so that the air pressure of the oxidizer electrode does not exceed the set upper limit air pressure in a state where the air
まず、空気調圧弁１８の上下流差圧は、図２１（ａ）、図２１（ｂ）に示すように空気調圧弁１８を通過するガス流量、温度、調圧弁開度の影響を受けるので、ある上限空気圧力ＴＰＲＣＬＭを設定した場合、空気調圧弁実開度ＲＴＶＰと燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと上限空気流量ＴＱＡＬＭとの関係は図２１（ｃ）に示すような関係となる。
First, the upstream / downstream differential pressure of the air
一方で、正常時の目標電流演算部４１で実施される目標電流の演算処理で説明したように、燃料電池スタック２への指令電力ＴＰＧと燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣに対する目標電流ＴＣＲの特性は、図４に示す制御マップのようになる。
On the other hand, the characteristics of the target current TCR with respect to the command power TPG to the
ここで、目標電流ＴＣＲは目標空気流量ＴＱＡに対して単調増加になるので、燃料電池スタック２に供給される目標空気流量ＴＱＡは、燃料電池スタック２への指令電力ＴＰＧと燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣに対して図２２に示すような関係になる。
Here, since the target current TCR increases monotonously with respect to the target air flow rate TQA, the target air flow rate TQA supplied to the
そして、上述した図２１（ｃ）と図２２との関係から、燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと空気調圧弁開度ＲＴＶＰに対する上限電力ＴＰＧＦＬＭの関係は図２３に示すように設計することができる。
Then, from the relationship between FIG. 21 (c) and FIG. 22, the relationship between the operating temperature TMPFC of the
次に、上述したように上限空気圧力と上限電力とを設定した場合における故障時の指令電力に対する各パラメータの時系列的な変化を図２４に示す。 Next, FIG. 24 shows a time-series change of each parameter with respect to the command power at the time of failure when the upper limit air pressure and the upper limit power are set as described above.
図２４に示すように、指令電力に応じて目標空気流量ＴＱＡ、目標燃料ガス圧力が変化した場合でも、燃料極圧力センサ７で測定される圧力と酸化剤極圧力センサ１４で測定される圧力との差は、燃料ガス圧力と酸化剤極のガス圧力との差圧上限値ＤＰＡＣＬＭを超えることなく運転を継続することが可能である。
As shown in FIG. 24, even when the target air flow rate TQA and the target fuel gas pressure change according to the command power, the pressure measured by the fuel
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、空気圧力制御に関わる部品に故障が生じた時、空気調圧弁開度を固定して燃料電池システムの運転を継続する。これにより、酸化剤極のガス圧力が上がらないようにすることができるので、燃料ガス圧力との差圧を所定値に抑えやすくなる。よって、燃料電池システムを停止することなく、運転を継続することができる。
As described above, in the
また、故障時には燃料電池スタック２で発電される上限電力を算出し、この上限電力と燃料電池スタック２に対して要求された指令電力とを比較して小さいほうを故障時の目標電力として決定し、この目標電力に基づいて空気コンプレッサ１１の回転数と燃料供給調整弁５の開度とを決定して運転を継続するので、圧力センサ信号の断線などに代表される空気圧力制御に関わる部品に故障が発生した場合でも、空気調圧弁１８の動作を固定して酸化剤極のガス圧力が上がらないようにすることができ、これによって燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力との差圧を所定値内に抑えることができるので、システムを停止することなく運転を継続することが可能となる。
In addition, the upper limit power generated by the
また、本実施形態の燃料電池システム１では、故障時には燃料電池スタック２で発電される上限電力を算出し、この上限電力と燃料電池スタック２に対して要求された指令電力とを比較して小さいほうを故障時の目標電力として決定し、この目標電力に基づいて目標空気流量を算出し、この目標空気流量とエアフロセンサ１２で測定された空気流量とに基づいてコンプレッサ１１の回転数を決定して運転を継続するので、空気コンプレッサ１１の回転数と圧力比に対する吐出流量の特性が変化した場合でも、エアフロセンサ１２を使用して空気流量をフィードバック制御することができ、これによって目標空気流量にあった流量の空気を燃料電池システム１に供給することができ、システムで故障が発生したときでもシステムを停止させることなく運転を継続することが可能となる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池システム１では、システム内に異物を取り込んでしまうことを防止するために取り付けられた異物フィルタ１０に経時的な流量-圧損特性の変化が発生し、空気コンプレッサ１１の入出圧力比が変化した場合にも、エアフロセンサ１２を使用して空気流量をフィードバック制御する。これにより、目標空気流量にあった流量の空気を燃料電池システムに供給できるので、このような故障が発生した時でもシステムを停止することなく運転を継続できる。
Further, in the
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、目標電力に基づいて目標燃料ガス圧力を算出する一方で、目標燃料ガス圧力の上限値を、燃料電池の燃料極に供給するガス圧力と酸化剤極に供給するガス圧力との差圧制限値ＤＰＡＣと、大気圧センサＰ３で測定される大気圧ＲＰＲＡＭＢを和した圧力とし、両者のうち小さいものを故障時の目標燃料ガス圧力として決定し、この故障時の目標燃料ガス圧力に基づいて燃料供給調整弁５の開度を調節するので、燃料ガス圧力が酸化剤ガス圧力に対して限度以上に高くなることを防止することができるため、故障発生時においても燃料ガス圧力が過大となってガス差圧制限値を超えることを防止したまま、燃料電池システム１を運転することが可能である。
Further, in the
さらに、冷却水温度センサ２３で測定される燃料電池スタック２の運転温度と空気調圧弁開度センサ１９で測定される空気調圧弁実開度と、上限空気圧力から、制御マップなどを用いてシステムに供給する上限空気流量を演算する。これにより、燃料電池スタック２に供給する空気圧力が、運転温度や固定状態にある空気調圧弁開度によらず上限空気圧力を超えないように目標空気流量の上限値を設定することができる。
Further, a system is used by using a control map or the like from the operating temperature of the
さらに、目標空気流量の上限値と冷却水温度センサ２３で測定される燃料電池スタック２の運転温度から、燃料電池スタック２の上限電力を演算する。これにより、燃料電池システムに故障が発生した時でも燃料電池スタック２に供給する空気流量とシステムが要求する空気流量とのバランスを崩すことなく、かつ酸化剤ガス圧力が過大となることで燃料電池のガス差圧制限値を超えることなく故障時にもシステムの運転を継続することができる。
Further, the upper limit power of the
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図面に基づいて説明する。図２５は、本実施形態の燃料電池システムにおけるシステム故障時に実施される制御を示す図である。尚、本実施形態の燃料電池システムの構成及び正常時の制御は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 25 is a diagram illustrating control that is performed when a system failure occurs in the fuel cell system according to the present embodiment. Note that the configuration and normal control of the fuel cell system of this embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
図２５に示すように、まず故障時の上限電力演算部２５１では、燃料電池スタック２への指令電力ＴＰＧと、冷却水温度センサ２３で測定される燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと、空気調圧弁開度センサ１９で測定される空気調圧弁実開度ＲＴＶＰとから故障時の目標電力ＴＰＧＦを演算する。
As shown in FIG. 25, first, in the failure upper limit
目標電流演算部２５２では、故障時の目標電力ＴＰＧＦと燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣとから目標電流ＴＣＲを算出し、この目標電流ＴＣＲに基づいて目標空気質量流量演算部２５３が目標空気流量ＴＱＡを算出する。
The target
また、故障時の目標燃料ガス圧力演算部２５４では、エアフロセンサ１２で測定された実空気流量ＲＱＡと空気調圧弁開度ＲＴＶＰと燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと大気圧ＲＰＲＡＭＢとから故障時の目標燃料ガス圧力ＣＰＲＣを算出する。
Further, the target fuel gas pressure calculation unit 254 at the time of failure is calculated from the actual air flow rate RQA, the air pressure adjustment valve opening RTVP, the operating temperature TMPFC of the
故障時の空気調圧弁開度演算部２５５では、制御装置３から読み込んだ制御定数を故障時の目標空気調圧弁開度ＴＴＶＰＦとして調圧弁アクチュエータ２６へ出力する。
The air pressure regulating
目標コンプレッサ回転数演算部２５６では、目標空気流量ＴＱＡとエアフロセンサ１２で測定された実空気流量ＲＱＡとから故障時の目標空気コンプレッサ回転数ＴＮＣＦを演算してコンプレッサアクチュエータ２７へ出力する。
The target compressor rotation
燃料供給調整弁開度演算部２５７では、目標燃料ガス圧力ＣＰＲＣと燃料極圧力センサ７で測定された燃料極のガス圧力ＲＰＲＡとに基づいて燃料供給調整弁５の目標燃料供給調整弁開度ＴＣＶＰを演算して調整弁アクチュエータ２５へ出力する。
In the fuel supply adjustment valve opening
ここで、本実施形態では故障時の上限電力演算部２５１と故障時の目標燃料ガス圧力演算部２５４の処理が第１の実施形態と異なっており、その他の各部の処理は第１の実施形態と同一なので、説明は省略する。
Here, in the present embodiment, the processes of the upper limit
まず、故障時の上限電力演算部２５１における故障時の目標電力ＴＰＧＦの演算処理を図２６に基づいて説明する。図２６に示すように、ステージＳＬ１では冷却水温度センサ２３で測定される燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣが入力され、ステージＳＬ２では空気調圧弁開度センサ１９によって計測される空気調圧弁開度ＲＴＶＰが入力され、ステージＳＬ３では燃料電池スタック２への指令電力ＴＰＧが入力される。
First, the calculation process of the target power TPGF at the time of failure in the upper limit
ステージＳＬ４では制御装置３に一時的に記録された１サイクル前の指令電力ＴＰＧＺが入力され、ステージＳＬ５では指令電力が低下する場合の変化率制限値ＤＴＰＧＬＭが入力される。 At stage SL4, the command power TPGZ one cycle before temporarily recorded in the control device 3 is input, and at stage SL5, the rate of change limit value DTPGLM when the command power decreases is input.
ステージＳＬ６ではこのサイクルの指令電力ＴＰＧから１サイクル前の指令電力ＴＰＧＺを引き、その差と変化率制限値ＤＴＰＧＬＭとを比較する。 In stage SL6, the command power TPGZ of one cycle before is subtracted from the command power TPG of this cycle, and the difference is compared with the change rate limit value DTPGLM.
そして、変化率制限値ＤＴＰＧＬＭのほうが小さい場合にはステージＳＬ７で指令電力ＴＰＧを変化率制限後の指令電力ＴＰＧＤとして設定し、変化率制限値ＤＴＰＧＬＭ以上の場合にはステージＳＬ８で指令電力ＴＰＧから変化率制限値ＤＴＰＧＬＭを引いた値を変化率制限後の指令電力ＴＰＧＤとして設定する。 When the change rate limit value DTPGLM is smaller, the command power TPG is set as the command power TPGD after the change rate limit at the stage SL7. When the change rate limit value DTPGLM is equal to or greater than the change rate limit value DTPGLLM, the command power TPG is changed from the command power TPG at the stage SL8. A value obtained by subtracting the rate limit value DTPGLM is set as the command power TPGD after the rate of change limit.
ステージＳＬ９では、入力された指令電力ＴＰＧを１計算サイクル前の指令電力ＴＰＧＺとして、制御装置３に記録しておく。 At stage SL9, the input command power TPG is recorded in the control device 3 as command power TPGZ one calculation cycle before.
ステージＳＬ１０では、図１６で示した燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと空気調圧弁開度ＲＴＶＰに対する上限電力ＴＰＧＦＬＭの特性を制御装置３から読み込む。
In stage SL10, the characteristics of the upper limit power TPGFLM with respect to the operating temperature TMPFC and the air pressure regulating valve opening RTVP of the
ステージＳＬ１１では、ステージＳＬ１０で読み込んだ制御マップに燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣと空気調圧弁開度ＲＴＶＰを入力して故障時の上限電力ＴＰＧＦＬＭを算出する。
In the stage SL11, the operating temperature TMPFC and the air pressure regulating valve opening RTVP of the
ステージＳＬ１２では算出した故障時の上限電力ＴＰＧＦＬＭと変化率制限後の指令電力ＴＰＧＤとを比較し、上限電力ＴＰＧＦＬＭのほうが小さい場合にはステージＳＬ１３で故障時の目標電力ＴＰＧＦとして上限電力ＴＰＧＦＬＭを設定し、上限電力ＴＰＧＦＬＭのほうが大きい場合にはステージＳＬ１４で故障時の目標電力ＴＰＧＦとして変化率制限後の指令電力ＴＰＧＤが設定される。 In stage SL12, the calculated upper limit power TPGFLM at the time of failure is compared with the command power TPGD after the rate of change restriction. When the upper limit power TPGFLM is larger, the command power TPGD after the rate of change is set as the target power TPGF at the time of failure in the stage SL14.
次に、故障時の目標燃料ガス圧力演算部２５４で実施される故障時の目標燃料ガス圧力ＣＰＲＣの演算処理を図２７に基づいて説明する。図２７に示すように、ステージＳＭ１では、エアフロセンサ１２で測定された実空気流量ＲＱＡが入力され、ステージＳＭ２では空気調圧弁実開度ＲＴＶＰが入力され、ステージＳＭ３では大気圧センサ２４で測定される大気圧ＲＰＲＡＭＢが入力され、ステージＳＭ４では冷却水温度センサ２３で計測される燃料電池スタック２の運転温度ＴＭＰＦＣが入力される。
Next, the calculation process of the target fuel gas pressure CPRC at the time of failure performed by the target fuel gas pressure calculation unit 254 at the time of failure will be described based on FIG. As shown in FIG. 27, the actual air flow rate RQA measured by the
ステージＳＭ５では、入力された各変数から燃料電池スタック２から排出される空気の体積流量ＲＱＡＶを算出する。
In stage SM5, the volume flow rate RQAV of air discharged from the
ステージＳＭ６では、図２７に示す空気調圧弁ＲＴＶＰに対する酸化剤極の圧損特性を制御装置３から読み込む。 At stage SM6, the pressure loss characteristic of the oxidizer electrode with respect to the air pressure regulating valve RTVP shown in FIG.
ステージＳＭ７では、ステージＳＭ６で読み込んだ制御マップに空気調圧弁開度ＲＴＶＰと空気体積流量ＲＱＡＶとを入力して求めた値に、大気圧ＲＰＲＡＭＢを足して故障時の目標燃料ガス圧力ＣＰＲＣを算出する。 In the stage SM7, the target fuel gas pressure CPRC at the time of failure is calculated by adding the atmospheric pressure RPRAMB to the value obtained by inputting the air pressure regulating valve opening RTVP and the air volume flow rate RQAV into the control map read in the stage SM6. .
次に、上述した故障時の制御を実施した場合の燃料電池システムへの指令電力に対する各パラメータの推移を図２９に示す。 Next, FIG. 29 shows the transition of each parameter with respect to the command power to the fuel cell system when the above-described control at the time of failure is performed.
図２９に示すように、指令電力が低下した場合の負荷追従性は悪化するものの、第１の実施形態と比較すると、本実施形態では高負荷まで電力を取り出しても、差圧制限値を越えることなく、運転を継続することが可能となる。 As shown in FIG. 29, although the load followability when the command power is reduced is deteriorated, the differential pressure limit value is exceeded even if the power is taken out to a high load in this embodiment as compared with the first embodiment. It becomes possible to continue driving | running.
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、故障時に指令電力の変化率を制限して変化率制限後の指令電力を算出するとともに、故障時における燃料電池スタック２で発電される上限電力を算出し、この上限電力と変化率制限後の指令電力とを比較して小さいほうを故障時の目標電力として決定し、この目標電力に基づいて空気コンプレッサ１１の回転数を決定して運転を継続するので、指令電力が低下する場合に燃料電池スタック２の目標電力を緩やかに低下させて電力消費により水素圧力の低下を促し、目標圧力との差を小さくすることが可能となる。
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the change rate of the command power is limited at the time of failure to calculate the command power after the change rate limit, and the upper limit power generated by the
また、空気流量と燃料電池スタック２の運転温度と空気調圧弁開度とから空気圧力を推定し、推定した空気圧力を目標燃料ガス圧力とするため、燃料ガスと酸化剤ガスの差圧許容値を守ることが出来る目標燃料ガス圧力を、新たに計算することなく、容易に目標燃料ガス圧力を決定することができる。
Further, the air pressure is estimated from the air flow rate, the operating temperature of the
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 Although the fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.
燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電する燃料電池システムに係り、特に燃料電池システムに故障が生じた場合でも発電を継続して行うための技術として極めて有用である。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas to a fuel cell stack, and is particularly useful as a technique for continuously generating power even when a failure occurs in the fuel cell system.
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 制御装置
４ 燃料貯蔵用タンク
５ 燃料供給調整弁
６ 燃料ガス供給流路
７ 燃料極圧力センサ
８ 燃料ガス排出流路
９ 空気温度センサ
１０ 異物フィルタ
１１ 空気コンプレッサ
１２ エアフロセンサ
１３ 酸化剤ガス供給流路
１４ 酸化剤極圧力センサ
１８ 空気調圧弁
１９ 空気調圧弁開度センサ
２０ 酸化剤ガス排出流路
２１ 冷却水循環流路
２２ 冷却水ポンプ
２３ 冷却水温度センサ
２４ 大気圧センサ
２５ 調整弁アクチュエータ
２６ 調圧弁アクチュエータ
２７ コンプレッサアクチュエータ
２８ ポンプアクチュエータ
３１ 酸化剤ガス流路
３２ 燃料ガス流路
３３ 冷却水流路
４１、１４２、２５２ 目標電流演算部
４２ 目標燃料ガス圧力演算部
４３、１４３、２５３ 目標空気質量流量演算部
４４ 目標空気圧力演算部（目標酸化剤ガス圧力演算部）
４５ 空気調圧弁開度演算部（酸化剤ガス調圧弁開度演算部）
４６、１４７、２５７ 燃料供給調整弁開度演算部
４７、１４６、２５６ 目標コンプレッサ回転数演算部
１４１、２５１ 故障時の上限電力演算部
１４４、２５４ 故障時の目標燃料ガス圧力演算部
１４５、２５５ 故障時の空気調圧弁開度演算部
DESCRIPTION OF
45 Air pressure adjustment valve opening calculation section (oxidant gas pressure adjustment valve opening calculation section)
46, 147, 257 Fuel supply regulating valve opening
Claims (9)
前記燃料電池システムの故障時には、酸化剤ガス調圧弁の開度を固定して燃料電池システムの運転を継続することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, a compressor that supplies the fuel cell stack with the oxidant gas, and an oxidation that adjusts the pressure of the oxidant gas in the fuel cell stack An oxidant gas pressure regulating valve, a target oxidant gas pressure calculating unit for calculating a target pressure of the oxidant gas from the operating state of the fuel cell stack, and an opening degree or driving of the oxidant gas pressure regulating valve from the operating state of the fuel cell stack A fuel cell system comprising an oxidant gas pressure regulation valve opening calculation unit that calculates current,
When the fuel cell system fails, the fuel cell system is configured to continue the operation of the fuel cell system by fixing the opening of the oxidant gas pressure regulating valve.
前記燃料電池システムの故障時には前記燃料電池スタックで発電される上限電力を算出し、前記燃料電池スタックに対して要求された指令電力と前記上限電力とを比較して小さいほうを故障時の目標電力として決定し、この目標電力に基づいて目標酸化剤ガス流量を算出し、この目標酸化剤ガス流量と前記酸化剤ガス流量測定装置で測定された酸化剤ガス流量とに基づいて前記コンプレッサの回転数を決定して運転を継続することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electric power by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, a compressor that supplies the fuel cell stack with the oxidant gas, and a flow rate of the oxidant gas that is supplied to the compressor Fuel comprising an oxidant gas flow rate measuring device, an oxidant gas pressure regulating valve for regulating the pressure of the oxidant gas in the fuel cell stack, and a fuel supply regulating valve for regulating the supply of fuel gas to the fuel cell stack A battery system,
When the fuel cell system fails, the upper limit power generated by the fuel cell stack is calculated, the command power required for the fuel cell stack is compared with the upper limit power, and the smaller one is the target power at the time of failure. The target oxidant gas flow rate is calculated based on the target power, and the rotation speed of the compressor is calculated based on the target oxidant gas flow rate and the oxidant gas flow rate measured by the oxidant gas flow rate measuring device. The fuel cell system is characterized in that the operation is continued after being determined.
当該燃料電池システムの故障時には前記燃料電池スタックに対して要求された指令電力の変化率を制限して変化率制限後の指令電力を算出し、故障時において前記燃料電池スタックで発電される上限電力を算出し、前記変化率制限後の指令電力と前記上限電力とを比較して小さいほうを故障時の目標電力として決定し、この目標電力に基づいて前記コンプレッサの回転数を決定して運転を継続することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, a compressor that supplies the fuel cell stack with the oxidant gas, and an oxidation that adjusts the pressure of the oxidant gas in the fuel cell stack A fuel cell system comprising a reagent gas pressure regulating valve and a fuel supply regulating valve that regulates the supply of fuel gas to the fuel cell stack,
When the fuel cell system fails, the change rate of the command power requested to the fuel cell stack is limited to calculate the command power after the change rate limit, and the upper limit power generated by the fuel cell stack at the time of the failure The command power after the rate of change restriction is compared with the upper limit power, and the smaller one is determined as the target power at the time of failure, and the compressor speed is determined based on this target power. A fuel cell system characterized by being continued.
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