JP2007115488A - Cathode gas control method of fuel cell and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize improvement of fuel efficiency by restraining power consumption at a cathode compressor while taking a water budget balance of a fuel cell into consideration. <P>SOLUTION: The cathode compressor for supplying cathode gas is operated at an operation point where a cathode gas pressure P and a cathode gas flow volume q within a capacity of the cathode compressor become minimum, respectively. In this case, it is preferable to set the operation point on a graph so that a quantity of moisture exhausted from the fuel cell coincide with that to be exhausted therefrom, by utilizing the fact that a gradient of quantity of moisture to be exhausted is proportional to the gradient of a graph showing a relation between the cathode gas pressure P and the cathode gas flow volume q. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池のカソードガス制御方法および燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、カソードガスを供給する際の圧力等の制御技術の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell cathode gas control method and a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to an improvement in control technology such as pressure when supplying a cathode gas.

燃料電池のカソード極(酸素極)にカソードガスを供給するべくエアコンプレッサ等のカソード圧縮機が用いられている。このようなカソード圧縮機においては、例えば、燃料電池内の電解質膜が含有する水分量(膜含水量)を適度に保ちうるようなガス流量制御やガス圧力制御が行われている場合がある。また、燃料電池の燃費を向上させる観点から、ガス圧力を下げることによってエアコンプレッサ(カソード圧縮機)の消費電力を抑えるという制御が行われている場合もある(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−335444号公報
A cathode compressor such as an air compressor is used to supply a cathode gas to the cathode (oxygen electrode) of the fuel cell. In such a cathode compressor, for example, gas flow rate control or gas pressure control may be performed so that the amount of water (membrane water content) contained in the electrolyte membrane in the fuel cell can be kept moderate. Further, from the viewpoint of improving the fuel consumption of the fuel cell, there is a case where control is performed to reduce the power consumption of the air compressor (cathode compressor) by reducing the gas pressure (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-335444 A

しかしながら、燃費を向上させるという観点でガス圧力を下げるばかりの制御技術だと、燃料電池システム全体としてみた場合に効率のよい発電ができているとは言い難い状況にある。   However, it is difficult to say that the control technology that only lowers the gas pressure from the viewpoint of improving fuel efficiency makes it possible to generate power efficiently when viewed as a whole fuel cell system.

また、例えば氷点下といった低温状況下において燃料電池を起動する際には、水が蒸発しづらくなるという状況も考慮しつつ膜含水量の制御をする必要がある。それにもかかわらず、上述のごとく燃費を向上させるためにガス圧力を下げるばかりでは水収支(燃料電池における水分の出入り、またはその量のバランス)が崩れるという問題がある。   In addition, when starting the fuel cell under a low temperature condition such as below freezing point, it is necessary to control the membrane water content while taking into consideration the situation where water is difficult to evaporate. Nevertheless, as described above, there is a problem that the water balance (the flow of water in and out of the fuel cell, or the balance of the amount) is lost just by reducing the gas pressure in order to improve the fuel efficiency.

そこで、本発明は燃料電池における水収支のバランスを考慮しつつ燃費向上を実現しうる燃料電池のカソードガス制御方法および燃料電池システムを提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell cathode gas control method and a fuel cell system capable of improving fuel efficiency while taking into account the balance of water balance in the fuel cell.

かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討を行った。そもそも、燃料電池内での水収支バランスをとるためには、燃料電池から排出すべき水分量(つまり必要な持去り水量)を考慮したうえで、実際の排出水分量(持去り水量)をこれに合わせるような制御とすることが望まれる。この点、燃料電池においては電流等に応じて生成水量が定まるため、これに基づいて排出すべき水分量(必要な持去り水量)が定まってくる。ここで、本発明者は、この必要持去り水量がカソードガス流量に比例し尚かつカソードガス圧力に反比例することに着目し、さらに検討を重ねた結果、水収支のバランスを考慮しつつ燃費向上を実現しうる技術を知見するに至った。   In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. In the first place, in order to balance the water balance within the fuel cell, the amount of water to be discharged from the fuel cell (that is, the amount of water to be removed) must be taken into account, and the actual amount of water discharged (the amount of water to be removed) It is desirable that the control be adapted to the above. In this respect, in the fuel cell, the amount of generated water is determined according to the current or the like, and therefore the amount of water to be discharged (the amount of water necessary to be removed) is determined based on this. Here, the present inventor paid attention to the fact that the required water removal amount is proportional to the cathode gas flow rate and inversely proportional to the cathode gas pressure, and as a result of repeated studies, the fuel efficiency was improved while considering the balance of water balance. It came to know the technology that can realize.

本発明はかかる知見に基づくものであり、請求項1に記載の発明である燃料電池のカソードガス制御方法は、燃料電池からの排出水分量を当該燃料電池から排出すべき水分量に一致させながら、カソードガスを供給するためのカソード圧縮機が取りうるカソードガス圧力およびカソードガス流量のそれぞれが最小値となる動作点を設定して当該カソード圧縮機を動作させることを特徴とするものである。   The present invention is based on such knowledge, and the fuel cell cathode gas control method according to claim 1 is configured such that the amount of water discharged from the fuel cell matches the amount of water to be discharged from the fuel cell. The cathode compressor is operated by setting operating points at which the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate that can be taken by the cathode compressor for supplying the cathode gas are minimum values.

カソードガス圧力およびカソードガス流量はすべて自由な値をとれるというわけではなく、カソードガス流量については、カソード圧縮機(エアコンプレッサ)の最低回転数との関係である一定の最低流量が必要である。カソードガス圧力については、カソード圧縮機の構造や性能等に応じてある一定の上限が存在する。また、カソードガス流量とカソードガス圧力との関係については、カソードガス流量による圧損増加以上のカソードガス圧力が必要となる(換言すれば、ある値のガス流量を確保しようとすれば少なくともそれに見合う値以上のガス圧力を設定する必要がある)。そこで、このような関係からカソード圧縮機が取りうるカソードガス圧力およびカソードガス流量の範囲が定まるから、この範囲内にてそれぞれが最小値となる動作点を設定することとすれば、燃料電池システム全体としての効率のよい発電を維持しつつ消費電力を抑えて燃費を向上させることが可能となる。   The cathode gas pressure and the cathode gas flow rate are not all free values, and the cathode gas flow rate requires a certain minimum flow rate that is related to the minimum rotation speed of the cathode compressor (air compressor). The cathode gas pressure has a certain upper limit depending on the structure and performance of the cathode compressor. In addition, regarding the relationship between the cathode gas flow rate and the cathode gas pressure, a cathode gas pressure higher than the pressure loss increase due to the cathode gas flow rate is required (in other words, if a certain value of gas flow rate is to be secured, at least a value corresponding to it). It is necessary to set the above gas pressure). Therefore, since the range of the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate that can be taken by the cathode compressor is determined from such a relationship, if the operating point at which the respective values are minimum within this range is set, the fuel cell system It is possible to improve fuel efficiency by suppressing power consumption while maintaining efficient power generation as a whole.

しかも本発明においては、燃料電池からの排出水分量を当該燃料電池から排出すべき水分量に一致させながら動作点を設定することとしているため、燃料電池から実際に排出される水分量(持去り水量)を、燃料電池から排出すべき水分量(必要持去り水量)に一致させつつ、カソード圧縮機の消費電力が抑えられるような動作点を設定することが可能となっている。したがって、例えば氷点下といった低温状況下において燃料電池を起動するような場合においても、水収支のバランスが崩れるのを抑制して膜含水量を制御しつつ燃費向上を図ることができるようになる。   In addition, in the present invention, the operating point is set while matching the amount of water discharged from the fuel cell with the amount of water to be discharged from the fuel cell. It is possible to set an operating point at which the power consumption of the cathode compressor can be suppressed while matching the amount of water) to the amount of water to be discharged from the fuel cell (necessary amount of removed water). Accordingly, even when the fuel cell is started under a low temperature condition such as a freezing point, for example, the balance of water balance is prevented from being lost, and the fuel consumption can be improved while controlling the water content of the membrane.

請求項2に記載の発明は、前記排出すべき水分量が前記カソードガス圧力−カソードガス流量の関係を表すグラフの傾きに比例することを利用して前記動作点を当該グラフ上に設定するというものである。つまり、グラフ上に表すことのできる関数を利用して動作点を設定することが可能である。   According to a second aspect of the present invention, the operating point is set on the graph using the fact that the amount of water to be discharged is proportional to the slope of the graph representing the relationship between the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate. Is. That is, the operating point can be set using a function that can be represented on the graph.

また、請求項3に記載の発明である燃料電池のカソードガス制御方法は、カソードガスを供給するためのカソード圧縮機が取りうるカソードガス圧力およびカソードガス流量の範囲内にて動作点を設定するに際し、燃料電池の水分量の収支、燃費、および運転時の安定度という各要素のバランスを勘案して前記動作点を設定し、該動作点にて前記カソード圧縮機を動作させることを特徴とするものである。   In the fuel cell cathode gas control method according to claim 3, the operating point is set within the range of the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate that can be taken by the cathode compressor for supplying the cathode gas. In this case, the operating point is set in consideration of the balance of each element of moisture balance of fuel cell, fuel consumption, and stability during operation, and the cathode compressor is operated at the operating point. To do.

水収支バランスを考慮しつつ燃費向上を図る場合には前述の発明が適するが、燃料電池の運転時に考慮すべき要素はこればかりではなく、例えば安定した運転の継続という要素が優先される場合もある。このような場合には、前出の水収支バランス(水分量の収支)および燃費という要素に、安定度という要素も加味したうえで総合的なバランスを考慮した動作点を設定することが好ましい。これにより、各要素(ないしは当該運転時における種々の要求)を高次元でバランスさせた運転を実現することが可能となる。   The above-mentioned invention is suitable for improving fuel efficiency while taking into account the water balance, but this is not the only factor to be considered when operating the fuel cell. is there. In such a case, it is preferable to set an operating point in consideration of a comprehensive balance in consideration of the factor of stability in addition to the factor of water balance (moisture amount balance) and fuel consumption described above. As a result, it is possible to realize an operation in which each element (or various requirements during the operation) is balanced in a high dimension.

ここで、前記要素のうち運転時の安定度が優先される場合には、請求項4に記載のように、当該安定度を維持しうる前記カソードガス流量の最低量を保ちつつ前記動作点を設定することが好ましい。これにより、安定度の維持を前提としつつ、可能な範囲で水収支バランスをとることと燃費を向上させることができる。   Here, when priority is given to the stability during operation among the elements, as described in claim 4, the operating point is set while maintaining the minimum amount of the cathode gas flow rate capable of maintaining the stability. It is preferable to set. As a result, while maintaining the stability, it is possible to balance the water balance as much as possible and improve fuel efficiency.

さらに、この場合においては、請求項5に記載のように、前記安定度を維持しうる前記カソードガス流量の最低量を保ちつつ、前記燃料電池からの排出水分量が当該燃料電池から排出すべき水分量に近づくように前記動作点を設定することが好しく、請求項6に記載のように、前記燃料電池からの排出水分量が当該燃料電池から排出すべき水分量に最も近づくように前記動作点を設定することがさらに好ましい。排出すべき水分量に近い動作点を設定することにより、その分だけ水収支バランスが好ましい状態に近いものとなる。なお、このようにして排出すべき水分量に近づくように動作点を設定することには、結果として排出水分量(持去り水量)が排出すべき水分量(必要持去り水量)に一致する場合を含む。このように一致した場合には、燃料電池内における水収支バランスが最もとれた状態となるから、燃料電池内の膜含水量を最適な状態に保つことが可能となる。   Further, in this case, as described in claim 5, the amount of water discharged from the fuel cell should be discharged from the fuel cell while maintaining the minimum amount of the cathode gas flow rate capable of maintaining the stability. Preferably, the operating point is set so as to approach the amount of water, and as described in claim 6, the amount of water discharged from the fuel cell is closest to the amount of water to be discharged from the fuel cell. More preferably, the operating point is set. By setting an operating point close to the amount of water to be discharged, the water balance becomes closer to a preferable state accordingly. Note that setting the operating point so as to approach the amount of water to be discharged in this way results in a case where the amount of discharged water (the amount of water taken away) coincides with the amount of water to be discharged (the amount of water required to be removed). including. If they match in this way, the water balance in the fuel cell becomes the most balanced, so that the membrane water content in the fuel cell can be kept in an optimal state.

さらに、請求項7に記載の発明である燃料電池システムは、上述した請求項1から6のいずれかに記載のカソードガス制御方法を実施するための制御装置を備えているというものである。   Furthermore, a fuel cell system according to a seventh aspect of the present invention includes a control device for performing the cathode gas control method according to any of the first to sixth aspects.

本発明によれば、燃料電池における水収支のバランスを考慮しつつカソード圧縮機での消費電力を抑えて燃費向上を実現することが可能となる。また、他の要素(例えば運転の安定度)が優先される場合には可能な範囲内で水収支バランスと燃費向上を両立させることも可能である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to implement | achieve the fuel consumption improvement by suppressing the power consumption in a cathode compressor, considering the balance of the water balance in a fuel cell. Further, when priority is given to other factors (for example, driving stability), it is possible to achieve both a balance of water balance and an improvement in fuel consumption within a possible range.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図1〜図5に本発明にかかる燃料電池のカソードガス制御方法および燃料電池システムの一実施形態を示す。本実施形態における燃料電池システム1は、燃料電池2にカソードガスを供給するためのカソード圧縮機(以下、エアコンプレッサという)5を備えているもので(図1参照)、このエアコンプレッサ5が取りうるカソードガス圧力(以下、エア圧力ともいう)およびカソードガス流量(以下、エア流量ともいう)によって定まる動作点のうち、これらエア圧力およびエア流量のそれぞれが最小値となるような動作点にてエアコンプレッサ5を動作させ、カソードガス(エア)を供給するというものである。なお、本明細書でいう動作点とは、カソード圧縮機の動作中におけるカソードガス圧力値およびカソードガス流量を表すもので、例えばガス圧力−ガス流量のグラフ(4等参照)中のある一点となる。以下に示す実施形態では、まず燃料電池システム1の概略から説明し、その後にこのようなカソードガス制御方法の詳細について説明することとする(図1〜図5参照)。   1 to 5 show an embodiment of a fuel cell cathode gas control method and a fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system 1 in this embodiment includes a cathode compressor (hereinafter referred to as an air compressor) 5 for supplying cathode gas to the fuel cell 2 (see FIG. 1). Among the operating points determined by the cathode gas pressure (hereinafter also referred to as air pressure) and the cathode gas flow rate (hereinafter also referred to as air flow rate), the operating point at which each of these air pressure and air flow rate is at a minimum value. The air compressor 5 is operated to supply cathode gas (air). The operating point in this specification represents the cathode gas pressure value and the cathode gas flow rate during the operation of the cathode compressor. For example, a certain point in the gas pressure-gas flow graph (see 4 etc.) Become. In the embodiment described below, the fuel cell system 1 will be described first and then the details of such a cathode gas control method will be described (see FIGS. 1 to 5).

図1に本実施形態にかかる燃料電池システム1の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池システム1は、例えば燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして利用可能なものであるが、これに限られることはなく、各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。図示していない燃料電池セルスタックは、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 1 according to the present embodiment. The fuel cell system 1 shown in the present embodiment can be used as, for example, an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle), but is not limited to this, and various mobile objects (for example, ships) Naturally, it can also be used as a power generation system mounted on a self-propelled device such as a robot or a robot. A fuel cell stack (not shown) has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked in series, and is composed of, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池2への酸化ガス供給系は、エアコンプレッサ5、インタークーラ3、インタークーラ冷却用ウォータポンプ4を含んだ構成となっている(図1参照)。エアコンプレッサ5は図示しないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気を圧縮する。インタークーラ3は、圧縮されて高温となったエアを冷却する。インタークーラ冷却用ウォータポンプ4は、インタークーラ3を冷却するための冷却水を循環させる。エアコンプレッサ5によって圧縮されたエアは、このようにインタークーラ3によって冷却された後、加湿器17を通過し、燃料電池2のカソード(酸素極)へと供給される。燃料電池2の電池反応に供された後の酸素オフガスはカソードオフガス流路16を流れてシステム外へと排気される。この酸素オフガスは燃料電池2での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。そこで、加湿器17により、低湿潤状態にある供給前の酸化ガスと、カソードオフガス流路16を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池2に供給される酸化ガスを適度に加湿する。   The oxidizing gas supply system to the fuel cell 2 includes an air compressor 5, an intercooler 3, and an intercooler cooling water pump 4 (see FIG. 1). The air compressor 5 compresses air taken from outside air through an air filter (not shown). The intercooler 3 cools the air that has been compressed to a high temperature. The intercooler cooling water pump 4 circulates cooling water for cooling the intercooler 3. The air compressed by the air compressor 5 is cooled by the intercooler 3 in this way, passes through the humidifier 17, and is supplied to the cathode (oxygen electrode) of the fuel cell 2. The oxygen off-gas after being subjected to the cell reaction of the fuel cell 2 flows through the cathode off-gas channel 16 and is exhausted out of the system. This oxygen off gas is in a highly moist state because it contains moisture generated by the cell reaction in the fuel cell 2. Therefore, the humidifier 17 exchanges moisture between the oxidant gas before supply in a low wet state and the oxygen off gas in high wet state flowing through the cathode offgas flow path 16, and the oxidant gas supplied to the fuel cell 2 Humidify moderately.

また、燃料電池2の冷却水(LLC)の出入口には、当該冷却水を循環させるための冷却水配管11が設けられている。この冷却水配管11には、冷却水を送り出すウォータポンプ10と、冷却水供給量を調節するための流路切替弁12とが設けられている。   A cooling water pipe 11 for circulating the cooling water is provided at the inlet / outlet of the cooling water (LLC) of the fuel cell 2. The cooling water pipe 11 is provided with a water pump 10 that sends out the cooling water and a flow path switching valve 12 for adjusting the cooling water supply amount.

燃料電池2で発電された直流電力の一部はDC/DCコンバータ14によって降圧され、二次電池(バッテリー)15に充電される。モータインバータ7は、燃料電池2から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ8に交流電力を供給する。また、ウォータポンプインバータ9は、燃料電池2から供給される直流電力を交流電力に変換してウォータポンプ10に交流電力を供給する。さらに、エアコンプレッサ駆動用インバータ6は、燃料電池2から供給される直流電力を交流電力に変換してエアコンプレッサ5に交流電力を供給する。   Part of the DC power generated by the fuel cell 2 is stepped down by the DC / DC converter 14 and charged to the secondary battery (battery) 15. The motor inverter 7 converts the DC power supplied from the fuel cell 2 into AC power and supplies the AC power to the traction motor 8. Further, the water pump inverter 9 converts the DC power supplied from the fuel cell 2 into AC power and supplies the AC power to the water pump 10. Further, the air compressor driving inverter 6 converts the DC power supplied from the fuel cell 2 into AC power and supplies the AC power to the air compressor 5.

制御装置13は、例えば燃料電池自動車に搭載されている場合であればアクセル開度や車速等に基づいてシステム要求電力(車両走行電力と補機電力との総和)を求め、燃料電池2が目標電力に一致するようにシステムを制御する装置である。具体的に説明すると、この制御装置13は、エアコンプレッサ駆動用インバータ6を制御することによって当該エアコンプレッサ5を駆動するモータ(図示省略)の回転数および酸化ガス供給量を調整する。また、インタークーラ冷却用ウォータポンプ4を制御することによって圧縮エアの温度を調整する。さらに、モータインバータ7を制御してトラクションモータ8の回転数を調整し、ウォータポンプインバータ9を制御してウォータポンプ10を調整する。さらには、DC/DCコンバータ14を制御して燃料電池2の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を調整し、燃料電池2の出力電力が目標電力に一致するように調整する。   For example, if the control device 13 is mounted on a fuel cell vehicle, the control device 13 obtains the system required power (the sum of the vehicle travel power and the auxiliary power) based on the accelerator opening, the vehicle speed, etc. It is a device that controls the system to match the power. More specifically, the control device 13 controls the air compressor driving inverter 6 to adjust the rotational speed and the oxidizing gas supply amount of a motor (not shown) that drives the air compressor 5. Further, the temperature of the compressed air is adjusted by controlling the water pump 4 for cooling the intercooler. Further, the motor inverter 7 is controlled to adjust the rotational speed of the traction motor 8, and the water pump inverter 9 is controlled to adjust the water pump 10. Further, the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell 2 is adjusted by controlling the DC / DC converter 14 so that the output power of the fuel cell 2 matches the target power.

また、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車の制動時における余剰回生電力を上述のエアコンプレッサ5によって消費することができる構成となっている(図1参照)。すなわち、二次電池15を備えた構成の燃料電池自動車においては、例えば下り坂道にて駆動モータを回生させることによりエンジンブレーキ相当のトルクを発生させており、このとき発生する回生エネルギーは上述の二次電池15に蓄積することとしている。ところが、充電容量を超えた場合には他の方法でエネルギーを消費する必要が生じることから、例えば本実施形態においてはエアコンプレッサ5を回転させることによって余分な回生エネルギーを消費し、これによって安定したブレーキトルクが得られるようにしている。   Further, the fuel cell system of the present embodiment is configured such that surplus regenerative power during braking of the fuel cell vehicle can be consumed by the air compressor 5 (see FIG. 1). That is, in the fuel cell vehicle having the secondary battery 15, the torque equivalent to the engine brake is generated by regenerating the drive motor on a downhill road, for example, and the regenerative energy generated at this time is the above-mentioned regenerative energy. The secondary battery 15 is stored. However, if the charging capacity is exceeded, it is necessary to consume energy by another method. For example, in this embodiment, the regenerative energy is consumed by rotating the air compressor 5 to stabilize the energy. Brake torque is obtained.

ここで、例えば燃料電池車の燃費向上という観点からすればエアコンプレッサ(カソード圧縮機)5のエア圧力を下げ、消費電力を下げることが望ましいのは上述したとおりであるが、一方で、燃料電池2における水収支(水分の出入りのバランス)を考慮する必要もあるから、単にエア圧力を下げればいいという訳ではない。そこで本実施形態では以下のようにして燃料電池2における膜含水量の制御を行い、バランスのよい水収支を実現することとしている。   Here, for example, from the viewpoint of improving the fuel consumption of a fuel cell vehicle, it is desirable to lower the air pressure of the air compressor (cathode compressor) 5 to lower the power consumption as described above. Since it is necessary to consider the water balance in 2 (the balance of water flow in and out), it is not necessary to simply lower the air pressure. Therefore, in the present embodiment, the membrane water content in the fuel cell 2 is controlled as follows to achieve a well-balanced water balance.

まず、燃料電池2においては、その時点で生じている電流の大きさに応じて燃料電池2内での生成水量が決まる(一義的に定まる)。したがって、電流の大きさに応じ、燃料電池1から排水すべき当該時点での水分量(これを本明細書においては必要持去り水量、または単に持去り水量という)も決まってくる。ここで、この持去り水量は、燃料電池2を流れるエアの流量に比例し、圧力に反比例する、すなわち、エア流量をq、エア圧力をPとすると
持去り水量 ∝ q/P
という関係にあるものである。そこで、エア圧力Pをx軸、エア流量qをy軸にしてP−q平面をつくると、必要持去り水量は原点を通る直線の傾きに比例することになる(図2参照)。したがって、この直線の傾きは持去り水量の指標としての性格を有したものといえる。
First, in the fuel cell 2, the amount of water generated in the fuel cell 2 is determined (uniquely determined) according to the magnitude of the current generated at that time. Therefore, according to the magnitude of the current, the amount of water at the time point at which the fuel cell 1 should be drained (this is referred to as the necessary amount of removed water or simply the amount of removed water in this specification) is also determined. Here, the amount of water taken away is proportional to the flow rate of air flowing through the fuel cell 2 and inversely proportional to the pressure. That is, if the air flow rate is q and the air pressure is P, the amount of water taken away is q / P.
It has a relationship. Therefore, if the Pq plane is created with the air pressure P as the x-axis and the air flow rate q as the y-axis, the required water removal amount is proportional to the slope of the straight line passing through the origin (see FIG. 2). Therefore, it can be said that the slope of this straight line has a character as an index of the amount of water taken away.

図2に示した直線(動作線)の傾きが上述のような性格を有することからすれば、この直線(動作線)上に位置する点(動作点)によって定まるエア圧力Pおよびエア流量qならば持去り水量が一定ということになる。したがって、必要持去り水量を維持しつつ燃費向上を図るのであれば、この動作線上を維持しつつエア圧力Pを下げる方向、つまり動作線上であって原点にできるだけ近い方向に位置した動作点を設定すればよいことになる(図4参照)。   Given that the slope of the straight line (operating line) shown in FIG. 2 has the above-described character, if the air pressure P and the air flow rate q are determined by the point (operating point) located on this straight line (operating line). This means that the amount of water removed is constant. Therefore, if you want to improve fuel efficiency while maintaining the required amount of water to take away, set the operating point located in the direction that lowers the air pressure P while maintaining the operating line, that is, the operating line that is as close as possible to the origin. This should be done (see FIG. 4).

一方で、エア圧力Pおよびエア流量qは、図2に示したP−q平面上のすべての領域で自由な値をとれるというわけではなく、図3に示すようなある範囲(直角三角形で示されている範囲)中の値しかとることができない。これについて説明すると、まずエア流量qに関していえば、エアコンプレッサ5の最低回転数との関係で、少なくともある一定の最低エア流量以上であることが必要となる。これによって直角三角形の底辺が定まる。また、エア圧力Pに関していえば、エアコンプレッサ5の構造や性能等によってある一定の上限が定まる。これによって直角三角形の右辺(縦の辺)が定まる。さらに、エア流量qとエア圧力Pとの関係についていえば、エア流量qによる圧損増加以上のエア圧力Pが必要となる。つまり、ある値のエア流量qを確保しようとすれば少なくともそれに見合う値以上のエア圧力Pを設定する必要があり、また、エア流量qを増加させるとこれに対応して圧損が増加する(必要となる差圧が増加する)ことから、当然ながら必要となるエア圧力も増加することになる。この関係によって直角三角形の斜辺が定まる(図3参照)。以上から、エア圧力Pとエア流量qとによって定まる動作点はこの直角三角形の範囲内になければならない。   On the other hand, the air pressure P and the air flow rate q do not take free values in all regions on the Pq plane shown in FIG. 2, but are in a certain range (shown by a right triangle) as shown in FIG. It is possible to take only the value in the range). This will be described. First, regarding the air flow rate q, it is necessary to be at least a certain minimum air flow rate in relation to the minimum rotation speed of the air compressor 5. This determines the base of the right triangle. Regarding the air pressure P, a certain upper limit is determined depending on the structure and performance of the air compressor 5. This determines the right side (vertical side) of the right triangle. Furthermore, regarding the relationship between the air flow rate q and the air pressure P, an air pressure P that is greater than the pressure loss increase due to the air flow rate q is required. That is, if an air flow rate q of a certain value is to be secured, it is necessary to set an air pressure P that is at least equal to the value, and if the air flow rate q is increased, the pressure loss increases correspondingly (necessary) As a matter of course, the required air pressure also increases. This relationship determines the hypotenuse of the right triangle (see FIG. 3). From the above, the operating point determined by the air pressure P and the air flow rate q must be within the range of this right triangle.

以上から、本実施形態ではエア圧力Pとエア流量qとの所要の関係を満たしつつ持去り水量のバランスを維持し、尚かつ、こうした条件下で最も燃費を向上させうる点として、直角三角形の斜辺と上述の動作線との交点を動作点として設定する(図4参照)。すなわち、動作点を動作線上に設定すれば必要持去り水量を維持できる。また、上述の直角三角形の範囲内にてエア圧力とエア流量とを最小限とすればエアコンプレッサ5のエア圧力も必要最小限となるから、これに伴って消費電力を下げることが可能となる。このような制御を行うことにより、燃料電池2における水収支(水分の出入り)のバランスをとることと、システムとしての燃費を向上させることとの両立が可能となる。   As described above, in the present embodiment, the balance of the amount of water taken away is maintained while satisfying the required relationship between the air pressure P and the air flow rate q, and the fuel efficiency can be most improved under these conditions. The intersection of the hypotenuse and the operation line is set as an operation point (see FIG. 4). That is, if the operating point is set on the operating line, it is possible to maintain the necessary water removal amount. Further, if the air pressure and the air flow rate are minimized within the range of the right triangle described above, the air pressure of the air compressor 5 is also minimized, and accordingly, power consumption can be reduced. . By performing such control, it is possible to achieve both the balance of water balance (in / out of moisture) in the fuel cell 2 and the improvement of fuel consumption as a system.

続いて、上述した制御(膜含水量制御)の内容についてブロック線図を使って説明する(図5参照)。   Subsequently, the contents of the above-described control (membrane water content control) will be described using a block diagram (see FIG. 5).

まず、燃料電池2における目標含水量を設定し、これを目標値として比較部に入力する。比較部においては、この目標値(目標含水量)と、フィードバック要素(インピーダンスから算出された膜含水量)との差分である偏差が求められる。このようにして求められた偏差は、PI制御された後、加え合わせ点に入力される。一方で、燃料電池2のある時点での電流(FC電流)の大きさから生成水量を算出し、これを基本持去り水量とする。この基本持去り量も同じく加え合わせ点に入力される。加え合わせ点では、この基本持去り量に偏差を加えることによって必要持去り水量が求められる。   First, the target water content in the fuel cell 2 is set, and this is input to the comparison unit as a target value. In the comparison unit, a deviation which is a difference between this target value (target water content) and a feedback element (membrane water content calculated from impedance) is obtained. The deviation obtained in this way is input to the addition point after PI control. On the other hand, the amount of generated water is calculated from the magnitude of the current (FC current) at a certain point in time of the fuel cell 2, and this is used as the basic carry-out water amount. This basic carry-out amount is also input to the addition point. At the addition point, the necessary amount of water to be removed is obtained by adding a deviation to this basic amount of removal.

続いて、P−q平面(図2参照)中における動作線の傾きを計算する。ここでは、必要持去り水量と燃料電池2の温度(FC温度)から傾きを求める(つまり、エア流量qとエア圧力Pの比を求める)ためのテーブルをあらかじめ用意しておき(図5参照)、ここに前述の必要持去り量と、検出した燃料電池2の内部温度(FC温度)とをそれぞれ入力する。これら2つの要素からエア流量qとエア圧力Pの比が定まり、動作線の傾きが求められる。   Subsequently, the inclination of the operation line in the Pq plane (see FIG. 2) is calculated. Here, a table is prepared in advance for obtaining a slope (that is, obtaining a ratio between the air flow rate q and the air pressure P) from the necessary amount of water taken away and the temperature (FC temperature) of the fuel cell 2 (see FIG. 5). Here, the above-mentioned required removal amount and the detected internal temperature (FC temperature) of the fuel cell 2 are input, respectively. The ratio between the air flow rate q and the air pressure P is determined from these two factors, and the slope of the operation line is obtained.

動作線の傾きが求められたら、P−q平面中における直角三角形の斜辺との交点(動作点)を求める(図4、図5参照)。このようにして動作点が定まることにより、水収支バランスと燃費向上とを両立させうるエア圧力Pとエア流量qとがそれぞれ求められるから、制御装置13により、これらエア圧力Pとエア流量qとなるように制御を行う。また、インピーダンスに基づき燃料電池2の膜含水量を逐次算出し、この量をフィードバック要素として目標含水量との差分(偏差)を求める(図5参照)。   When the inclination of the operation line is obtained, the intersection (operation point) with the hypotenuse of the right triangle in the Pq plane is obtained (see FIGS. 4 and 5). Since the operating point is determined in this manner, the air pressure P and the air flow rate q that can achieve both the balance of water balance and the improvement of fuel consumption are respectively obtained. Control is performed as follows. Further, the membrane water content of the fuel cell 2 is sequentially calculated based on the impedance, and a difference (deviation) from the target water content is obtained using this amount as a feedback element (see FIG. 5).

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態においては動作線上に動作点を設定するようにした形態について説明したが、これは好適な一例に過ぎず、場合によっては動作線上以外の位置に適宜設定することが好ましい。以下に具体例を挙げて説明する(図6、図7参照)。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the mode in which the operating point is set on the operating line has been described. However, this is only a preferable example, and it is preferable that the operating point is appropriately set at a position other than the operating line depending on circumstances. A specific example will be described below (see FIGS. 6 and 7).

例えば燃料電池2の安定運転が優先される場合においては、このような状態を保つための最低エア流量が存在することがある。このような場合には、動作線の傾きとの関係で動作点を適宜設定することが好ましい。例えば安定運転のための最低エア流量qが図6中(1)で示される量である場合、安定運転を継続するためにはエア流量qがこの(1)で示すラインよりも多くなっている必要がある。このような状況下、動作線が図6に示すような傾きとなっている場合には、(1)のラインよりもエア流量が多くなるような動作点をこの動作線上に設定しようとしても直角三角形の範囲外となってしまうため不可である。そこで、安定運転を優先しつつ、できる限り持去り水量を必要量(必要持去り水量)に近づけるためには、直角三角形のうちライン(1)よりも上にある範囲内であって動作線にもっとも近い位置、本例の場合であれば図6中に符号Aで示す位置に動作点を設定することが好ましい。こうした場合、燃料電池2の安定運転を継続させるという前提の下、持去り水量を必要量に近づけることによって水収支バランスを可能な限り保つことが可能となる。   For example, when priority is given to stable operation of the fuel cell 2, there may be a minimum air flow rate for maintaining such a state. In such a case, it is preferable to appropriately set the operating point in relation to the inclination of the operating line. For example, when the minimum air flow rate q for stable operation is the amount indicated by (1) in FIG. 6, the air flow rate q is larger than the line indicated by (1) in order to continue the stable operation. There is a need. Under such circumstances, when the operating line has an inclination as shown in FIG. 6, even if an operating point at which the air flow rate is larger than the line (1) is set on this operating line, it is a right angle. This is not possible because it falls outside the range of the triangle. Therefore, in order to bring the amount of removed water as close as possible to the required amount (necessary amount of removed water) while giving priority to stable operation, within the range of the right triangle above the line (1) and within the operating line. In the case of this example, in the case of the closest position, it is preferable to set the operating point at the position indicated by symbol A in FIG. In such a case, it is possible to keep the water balance as much as possible by bringing the amount of removed water close to the required amount under the assumption that the stable operation of the fuel cell 2 is continued.

また、安定運転を継続するためのエア流量qが前述の場合よりも少ない量、例えば(2)で示す量である場合には、図6に符号Bで示すように、このライン(2)と動作線との交点に動作点を設定することが可能である。こうした場合、燃料電池2の安定運転を継続させるという前提の下、持去り水量を必要量に一致させて水収支バランスを保持することが可能となる。   In addition, when the air flow rate q for continuing stable operation is a smaller amount than the above-described case, for example, the amount indicated by (2), as indicated by reference numeral B in FIG. An operating point can be set at the intersection with the operating line. In such a case, it is possible to maintain the balance of water balance by making the amount of removed water equal to the required amount under the premise that the stable operation of the fuel cell 2 is continued.

また、安定運転を継続するためのエア流量qが前述の場合よりもさらに少ない量、例えば(3)で示す量である場合には、図6に符号Cで示すように、このライン(3)よりも上側の領域において、直角三角形の斜辺と動作線との交点に動作点を設定することが可能である。こうした場合、燃料電池2の安定運転を継続させるという前提の下、持去り水量を必要量に一致させて水収支バランスを保持しつつ、エア圧力Pとエア流量qとを最小限の値に設定して燃費を向上させることも可能となる。   In addition, when the air flow rate q for continuing the stable operation is an amount smaller than the above-described case, for example, the amount indicated by (3), this line (3) as indicated by reference numeral C in FIG. In the upper region, it is possible to set an operating point at the intersection of the hypotenuse of the right triangle and the operating line. In such a case, the air pressure P and the air flow rate q are set to the minimum values while maintaining the water balance by matching the amount of water taken away with the required amount under the premise that the stable operation of the fuel cell 2 is continued. Thus, it is possible to improve fuel efficiency.

引き続き、別の例についても説明しておく(図7参照)。前述の場合と同じく燃料電池2の安定運転が優先される状況下において動作線が図7に示すような傾き(図6の場合よりも小さな傾き)である場合にも、前述の場合と同様にして動作点を適宜設定することが好ましい。例えば安定運転のための最低エア流量qが図7中(4)で示される量である場合、安定運転を優先しつつ、できる限り持去り水量を必要量(必要持去り水量)に近づけるためには、直角三角形のうちライン(4)よりも上にある範囲内であって動作線にもっとも近い位置、本例の場合であれば図7中に符号Dで示す位置に動作点を設定することが好ましい。また、安定運転を継続するためのエア流量qが前述の場合よりも少ない量、例えば(5)で示す量である場合には、図7に符号Eで示すように、このライン(5)と動作線との交点に動作点を設定することが可能である。また、安定運転を継続するためのエア流量qがこの場合よりもさらに少ない量、例えば(6)で示すように直角三角形の底辺と一致するような量である場合には、図7に符号Fで示すように、このライン(6)と動作線との交点(換言すれば直角三角形の底辺と動作線との交点)に動作点を設定することが可能である。   Next, another example will be described (see FIG. 7). As in the case described above, even when the operation line has a slope as shown in FIG. 7 (a slope smaller than that in FIG. 6) under the situation where stable operation of the fuel cell 2 is prioritized, the same as in the case described above. It is preferable to set the operating point appropriately. For example, when the minimum air flow rate q for stable operation is the amount indicated by (4) in FIG. 7, in order to bring the amount of removed water as close as possible to the necessary amount (necessary amount of removed water) while giving priority to stable operation. Is set within the range above the line (4) of the right triangle and the position closest to the operation line, in the case of this example, the operation point is set at the position indicated by the symbol D in FIG. Is preferred. Further, when the air flow rate q for continuing stable operation is a smaller amount than the above case, for example, the amount indicated by (5), as shown by the symbol E in FIG. An operating point can be set at the intersection with the operating line. Further, in the case where the air flow rate q for continuing the stable operation is an amount smaller than that in this case, for example, an amount that coincides with the bottom of the right triangle as shown by (6), the symbol F in FIG. As shown in FIG. 8, the operating point can be set at the intersection of the line (6) and the operating line (in other words, the intersection of the base of the right triangle and the operating line).

以上、ここまで図6および図7を用いて種々の形態を説明したが、要は、燃料電池2における水収支バランスの要請、燃費向上の要請、安定運転の要請といった各要素を勘案し、またいずれが優先されるのかをも加味したうえでバランスのとれる動作点を適宜設定する(バランスのとれるエア圧力Pとエア流量qを設定する)ことが望ましい。他の一例を挙げておけば、例えば図6に符号Aで示した動作点を設定した場合において、運転の安定度が多少劣るとしても水収支バランスの改善が重要視される状況下においては、符号A’で示すように少し動作線寄りの位置に動作点を改めて設定し直すことも可能であり、こうした場合にはその分だけ水収支バランスの改善を図ることができる。   As described above, various embodiments have been described with reference to FIGS. 6 and 7. In short, the various factors such as a request for a water balance in the fuel cell 2, a request for improvement in fuel consumption, and a request for stable operation are taken into account. It is desirable to appropriately set a balanced operating point (setting a balanced air pressure P and air flow rate q) in consideration of which is prioritized. If another example is given, for example, in the case where the operating point indicated by the symbol A in FIG. 6 is set, even if the stability of the operation is somewhat inferior, under circumstances where improvement of the water balance is regarded as important, It is also possible to reset the operating point to a position slightly closer to the operating line as indicated by the reference symbol A ′. In such a case, the water balance can be improved accordingly.

なお、図2〜図7(図5を除く)のP−qグラフ中ではエア圧力Pとエア流量qとの関係(斜線で示される部分)を直線で表すこととしたが、これは説明のためにこのような例を代表的に示したに過ぎず、場合によっては曲線として表れる関係になることもある(例えば図5参照)。   In the Pq graphs of FIGS. 2 to 7 (excluding FIG. 5), the relationship between the air pressure P and the air flow rate q (portion indicated by hatching) is represented by a straight line. Therefore, such an example is merely shown as a representative example, and in some cases, the relationship may be expressed as a curve (see, for example, FIG. 5).

本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 横軸をエア圧力P、縦軸をエア流量qしたグラフを表した図で、燃料電池における持去り水量がこのグラフの原点を通る直線の傾きに比例するというものである。The graph shows the air pressure P on the horizontal axis and the air flow rate q on the vertical axis, and the amount of water taken away in the fuel cell is proportional to the slope of the straight line passing through the origin of this graph. エア圧力Pおよびエア流量qが取りうる値の範囲を示す図である。It is a figure which shows the range of the value which the air pressure P and the air flow rate q can take. 最適な動作点を設定する場合の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept in the case of setting an optimal operating point. 本実施形態で説明したカソードガス制御方法の一例を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows an example of the cathode gas control method demonstrated by this embodiment. 本発明の別の実施形態を説明するための図で、燃料電池の安定運転が優先される場合の動作点の設定例を表したものである。It is a figure for demonstrating another embodiment of this invention, and represents the example of a setting of the operating point in case the stable operation of a fuel cell is prioritized. 図6に示した実施形態の別例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another example of embodiment shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム、2…燃料電池、5…エアコンプレッサ(カソード圧縮機)、13…制御装置、P…エア圧力(カソードガス圧力)、q…エア流量(カソードガス流量) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 5 ... Air compressor (cathode compressor), 13 ... Control apparatus, P ... Air pressure (cathode gas pressure), q ... Air flow rate (cathode gas flow rate)

Claims (7)

燃料電池からの排出水分量を当該燃料電池から排出すべき水分量に一致させながら、カソードガスを供給するためのカソード圧縮機が取りうるカソードガス圧力およびカソードガス流量のそれぞれが最小値となる動作点を設定して当該カソード圧縮機を動作させることを特徴とする燃料電池のカソードガス制御方法。   An operation in which each of the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate that can be taken by the cathode compressor for supplying the cathode gas is minimized while making the amount of moisture discharged from the fuel cell coincide with the amount of water to be discharged from the fuel cell. A cathode gas control method for a fuel cell, wherein a point is set to operate the cathode compressor. 前記排出すべき水分量が前記カソードガス圧力−カソードガス流量の関係を表すグラフの傾きに比例することを利用して前記動作点を当該グラフ上に設定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池のカソードガス制御方法。   2. The operating point is set on the graph using the fact that the amount of water to be discharged is proportional to the slope of the graph representing the relationship between the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate. For controlling the cathode gas of a fuel cell. カソードガスを供給するためのカソード圧縮機が取りうるカソードガス圧力およびカソードガス流量の範囲内にて動作点を設定するに際し、燃料電池の水分量の収支、燃費、および運転時の安定度という各要素のバランスを勘案して前記動作点を設定し、該動作点にて前記カソード圧縮機を動作させることを特徴とする燃料電池のカソードガス制御方法。   When setting the operating point within the range of cathode gas pressure and cathode gas flow rate that can be taken by the cathode compressor for supplying cathode gas, each of the fuel cell moisture balance, fuel consumption, and stability during operation A cathode gas control method for a fuel cell, wherein the operating point is set in consideration of a balance of elements, and the cathode compressor is operated at the operating point. 前記要素のうち運転時の安定度が優先される場合に、当該安定度を維持しうる前記カソードガス流量の最低量を保ちつつ前記動作点を設定することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池のカソードガス制御方法。   The operation point is set while maintaining a minimum amount of the cathode gas flow rate capable of maintaining the stability when priority is given to stability during operation among the elements. A fuel cell cathode gas control method. 前記安定度を維持しうる前記カソードガス流量の最低量を保ちつつ、前記燃料電池からの排出水分量が当該燃料電池から排出すべき水分量に近づくように前記動作点を設定することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池のカソードガス制御方法。   The operating point is set such that the amount of water discharged from the fuel cell approaches the amount of water to be discharged from the fuel cell while maintaining the minimum amount of the cathode gas flow rate capable of maintaining the stability. The cathode gas control method for a fuel cell according to claim 4. 前記燃料電池からの排出水分量が当該燃料電池から排出すべき水分量に最も近づくように前記動作点を設定することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池のカソードガス制御方法。   6. The fuel cell cathode gas control method according to claim 5, wherein the operating point is set so that the amount of water discharged from the fuel cell is closest to the amount of water to be discharged from the fuel cell. 請求項1から6のいずれかに記載のカソードガス制御方法を実施するための制御装置を備えていることを特徴とする燃料電池システム。

A fuel cell system comprising a control device for carrying out the cathode gas control method according to claim 1.

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