JP2007227058A - Fuel cell system, and method of controlling fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system, and method of controlling fuel cell system Download PDF

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Inventor
Isamu Kazama
勇 風間
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Nissan Motor Co Ltd
日産自動車株式会社
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of continuing the operation of a fuel cell without stopping the fuel cell system when the remaining amount of fuel gas is decreased.
SOLUTION: Fuel gas pressure of a high pressure fuel gas tank 40 is detected, a fuel gas flow rate operation part 32 computes fuel gas flow rate capable of supplying to the fuel cell based on the detected fuel gas pressure, and an upper limit current operation part 33 finds the upper limit current of the fuel cell from the computed fuel gas flow rate. When request current requested by the fuel cell is larger than the computed upper limit current, current taken out of the fuel cell is limited to the upper limit current.
COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。 The present invention relates to a control method for a fuel cell system and a fuel cell. 特に、燃料ガス残量が少ない為に、燃料ガス圧力が低い場合の燃料電池システムの出力制限方法に関する。 In particular, for the fuel gas level is low, about the output limiting method for a fuel cell system when the fuel gas pressure is low.

車両用燃料電池システムでは、要求出力に基づいて燃料電池の運転状態を変更して、要求出力が燃料電池から出力されるよう制御している。 In the fuel cell system for a vehicle, by changing the operating state of the fuel cell based on the required output, the required output is controlled so as to be output from the fuel cell.

特許文献1では、このような燃料電池システムにおいて、実際に燃料電池から出力可能な出力より大きな出力要求が駆動ユニットからされた場合、燃料電池に出力制限を掛けるが、要求出力が出ない違和感を操作者に与えないよう出力制限警告ランプを点灯している。 In Patent Document 1, in the fuel cell system, if indeed large output request from the possible output outputted from the fuel cell is from the drive unit, but multiplying the output restriction on the fuel cell, the sense of discomfort the request output does not appear It lit the output limitation warning lamp so as not to give to the operator.
特開2003−068342号 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-068342

一般に、燃料ガス残量が少なく、燃料ガス圧力が低い場合、燃料電池へ供給できる単位時間当たりの燃料ガス量も少なくなる。 Generally, less fuel gas remaining amount, if the fuel gas pressure is low, the amount of fuel gas per unit time can be supplied to the fuel cell also decreases. このとき、要求出力が大きい場合は、燃料電池スタック内のアノード圧力を目標値まで上げることができない為、カソード圧と圧力差が生じる。 At this time, if the required output is large, because it is impossible to increase the anode pressure in the fuel cell stack to the target value, the cathode pressure and the pressure difference is generated. 従って、燃料ガス残量が少なく、燃料ガス圧力が低い場合は、燃料電池の運転を停止するなどして燃料電池に出力制限を掛け燃料電池を保護する必要がある。 Therefore, less fuel gas remaining amount, if the fuel gas pressure is low, it is necessary to protect the fuel cell multiplied by output restriction on the fuel cell by stopping the operation of the fuel cell.

しかしながら、従来技術では、燃料電池の出力制限は燃料ガス残量を考慮した制御をしておらず、出力制限が掛かった後の走行距離が短くなると言う問題があった。 However, in the prior art, the output restriction of the fuel cell is not in the control in consideration of fuel gas level, the travel distance after took output limit there is a problem that the shorter.

例えば、特許文献1では、出力制限を掛ける情報を操作者に提供するのみであり、出力制限の具体的な方法につては言及されていない。 For example, Patent Document 1 merely provide information multiplying the output limit to the operator, connexion to a concrete method for the output restriction is not mentioned.

本発明は、燃料電池に供給する燃料ガス圧力から、燃料電池で発電可能な上限電流を演算し、燃料電池に要求される電流が、上限電流より大きい場合は、燃料電池から取り出す電流を上限電流に制限することを特徴とする。 The present invention is, from the fuel gas pressure supplied to the fuel cell, and calculates the power upper-limit current in the fuel cell, current required to the fuel cell, if the upper limit current greater than the upper limit current current extracted from the fuel cell and limits the.

具体的には、燃料ガス貯蔵手段から燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を検出し、検出した燃料ガスの圧力から、燃料電池に供給可能な燃料ガス流量を演算し、演算した燃料ガス流量から、上限電流を求めることを特徴とする。 Specifically, to detect the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell from the fuel gas storage means, from the pressure of the detected fuel gas, and calculates a fuel gas flow rate can be supplied to the fuel cell, from the calculated flow rate of the fuel gas , and obtains the upper limit current.

本発明によれば、燃料ガス残量が減少し、燃料ガスの圧力が低下している場合に大電流を要求される場合、燃料電池の運転を停止する等の必要以上の出力制限をせず、そのときに出力できる最大の出力で燃料電池の運転を継続することができる。 According to the present invention, the fuel gas level decreases, when the pressure of the fuel gas is required a large current to decreasing case, without undue output limiting, such that stopping operation of the fuel cell , it is possible to continue the operation of the fuel cell at the maximum output that can be output at that time.

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。 With reference to the accompanying drawings, an embodiment of the present invention. 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。 The same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals in the description of the drawings.

(第1実施形態) (First Embodiment)
図1を参照して、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを説明する。 Referring to FIG. 1, illustrating a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 図1は、本発明の本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 Figure 1 is a block diagram of a fuel cell system according to this embodiment of the present invention.

本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック3と、燃料ガス供給配管7と、燃料ガス貯蔵装置40(燃料ガス貯蔵手段)と、酸化剤ガス供給配管8と、空気コンプレッサ1と、アノード排気配管11と、パージ弁10と、カソード排気配管12と、空気圧力調整弁9と、燃料ガス循環配管5と、燃料ガス循環ポンプ6と、第1燃料ガス圧力センサ21と、第2燃料ガス圧力センサ22と、燃料ガス圧力調整弁4と、空気圧力センサ23と、制御部30とを備える。 The fuel cell system of this embodiment, the fuel cell stack 3, a fuel gas supply pipe 7, fuel gas storage device 40 (the fuel gas storage means), and an oxidant gas supply pipe 8, the air compressor 1, the anode exhaust a pipe 11, a purge valve 10, the cathode exhaust pipe 12, an air pressure regulating valve 9, a fuel gas circulation piping 5, the fuel gas circulating pump 6, the first fuel gas pressure sensor 21, the second fuel gas pressure It comprises a sensor 22, a fuel gas pressure regulating valve 4, the air pressure sensor 23, and a control unit 30.

燃焼電池スタック3は、一対のアノードとカソードからなる単セルが複数積層され、アノードに供給される水素を含有する燃料ガス、カソードに供給される酸化剤ガス(酸素を含有する空気)が反応する事で発電するものである。 Combustion cell stack 3, the single cell consisting of a pair of anode and cathode are stacked, a fuel gas containing hydrogen supplied to the anode, an oxidant gas supplied to the cathode (air containing oxygen) is reacted it is intended to generate electricity in the thing.

燃料ガス供給配管7は、一端が燃料電池スタック3の燃料ガス入口に接続され、他端が燃料ガス貯蔵装置40に接続され、燃料電池スタック3に燃料ガス(水素ガス)に供給される燃料ガスの経路となる。 Fuel gas supply pipe 7 has one end connected to the fuel gas inlet of the fuel cell stack 3, the other end is connected to a fuel gas storage device 40, a fuel gas to the fuel cell stack 3 fuel gas supplied to the (hydrogen gas) a path for. 燃料ガス貯蔵装置40は、燃料電池スタック3に対して上流にて燃料ガス供給配管7に接続され、燃料電池スタック3に供給される燃料ガスを高圧で貯蔵するものである。 The fuel gas storage device 40 is connected to the fuel gas supply pipe 7 on the upstream with respect to the fuel cell stack 3, a fuel gas supplied to the fuel cell stack 3 in which is stored at high pressure.

アノード排気配管11は、一端が燃料電池スタック3の燃料ガス出口に接続され、他端が外部に接続され、燃料電池スタック3から送り出されるオフガスの経路となる。 Anode exhaust pipe 11 has one end connected to the fuel gas outlet of the fuel cell stack 3, the other end is connected to the outside, the path of the off-gas fed from the fuel cell stack 3. パージ弁10は、アノード排気配管11上に配置され、通常閉じられている。 Purge valve 10 is disposed on the anode exhaust pipe 11, it is normally closed. 燃料電池スタック3が一定電力または一定時間発電した場合、又はセル電圧低下を検知した場合に開放され、燃料ガスとともに水分及び窒素ガスが排出される。 When the fuel cell stack 3 is generating a constant power or a predetermined time, or is opened when detecting a cell voltage drop, moisture and nitrogen gas are discharged together with the fuel gas.

酸化剤ガス(空気)供給配管8は、一端が燃料電池スタック3の酸化剤ガス入口に接続され、他端が空気コンプレッサ1に接続され、燃料電池スタック3に供給される酸化剤ガスの経路となる。 Oxidant gas (air) supply pipe 8 has one end connected to the oxidizing gas inlet of the fuel cell stack 3, the other end is connected to the air compressor 1, and the path of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 3 Become. 空気コンプレッサ1は、燃料電池スタック3に対して上流にて空気供給配管8に接続され、燃料電池スタック3に空気を供給する動力源となるものである。 Air compressor 1 is connected to an air supply pipe 8 on the upstream with respect to the fuel cell stack 3, a fuel cell stack 3 and serves as a power source for supplying air. 空気圧力センサ23は、空気供給配管8上に配置され、燃料電池スタック3に供給される空気の圧力を測定する。 Air pressure sensor 23 is disposed on the air supply pipe 8, to measure the pressure of air supplied to the fuel cell stack 3.

カソード排気配管12は、燃料電池スタック3の酸化剤ガス出口と外部とを接続するものであり、燃料電池スタック3から排出されるガスの経路である。 Cathode exhaust pipe 12 is for connecting the oxidant gas outlet and the outside of the fuel cell stack 3, it is a path of the gas discharged from the fuel cell stack 3.

空気圧力調整弁9は、カソード排気配管11上に配置され、制御部30の指令により燃料電池スタック3に供給される酸化剤ガスの圧力を調整するものである。 Air pressure regulating valve 9 is disposed on the cathode exhaust pipe 11 and adjusts the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 3 according to an instruction from the control unit 30.

燃料ガス圧力調整弁4は、燃料ガス供給配管7上に配置され、制御部30の指令により燃料電池スタック3のアノードに供給される燃料ガス圧力(アノードガス圧力)を調整する。 Fuel gas pressure regulating valve 4 is disposed on the fuel gas supply pipe 7, to adjust the fuel gas pressure supplied to the anode of the fuel cell stack 3 (anode gas pressure) in response to a command from the controller 30.

燃料ガス循環配管5は、一端が燃料電池スタック3の燃料ガス出口とパージ弁10の間でアノード排気配管11に接続され、他端が燃料電池スタック3の燃料ガス入口と燃料ガス圧力調整弁4の間で燃料ガス供給配管7に接続される。 Fuel gas circulation pipe 5 has one end connected to the anode exhaust pipe 11 between the fuel gas outlet and the purge valve 10 of the fuel cell stack 3, a fuel gas inlet of the other end of the fuel cell stack 3 and the fuel gas pressure regulating valve 4 It is connected to the fuel gas supply pipe 7 between. 燃料ガス循環ポンプ6は、燃料ガス循環配管5上に配置され、燃料電池スタック3から排出されるガスを循環し、再度燃料電池スタック3の燃料ガス入口にガスを送り込む動力源となる。 The fuel gas circulation pump 6 is disposed on the fuel gas circulation piping 5, circulates gas discharged from the fuel cell stack 3, a power source for feeding the gas to the fuel gas inlet of the fuel cell stack 3 again.

第1燃料ガス圧力センサ21は、燃料ガス供給配管7上で燃料電池スタック3の燃料ガス入口に配置され、燃料ガスの燃料電池スタック3入口での圧力を検出する。 The first fuel gas pressure sensor 21 is disposed in the fuel gas inlet of the fuel cell stack 3 on the fuel gas supply pipe 7, for detecting the pressure of the fuel cell stack 3 inlet of the fuel gas. 制御部30は、第1燃料ガス圧力センサ21で検出された圧力が、燃料電池スタック3に要求される圧力となるように燃料ガス圧力調整弁4を制御する。 Control unit 30, the detected pressure in the first fuel gas pressure sensor 21, controls the fuel gas pressure regulating valve 4 so that the pressure required for the fuel cell stack 3.

第2燃料ガス圧力センサ22は、燃料ガス圧力調整弁4の上流で、燃料ガス貯蔵装置40の燃料ガス出口に配置され、燃料ガス圧力を検出する。 The second fuel gas pressure sensor 22, upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4 is disposed in the fuel gas outlet of the fuel gas storage device 40, for detecting a fuel gas pressure. 燃料ガス貯蔵装置40として、例えば、高圧燃料ガスタンクを用いる事ができる。 As a fuel gas storage device 40, for example, it can be used a high-pressure fuel gas tank.

制御部30は、燃料ガス流量演算部32(燃料ガス流量演算手段)と、上限電流演算部(上限電流演算手段)33と、電流比較部34(電流比較手段)と、出力電流制御部35(出力電流制御手段)とを備える。 Control unit 30, the fuel gas flow rate calculation unit 32 (the fuel gas flow rate calculation means), an upper limit current calculator (the upper limit current calculation unit) 33, a current comparing portion 34 (the current comparison means), the output current control unit 35 ( an output current control means).

制御部30へは、第1燃料ガス圧力センサ21および第2燃料ガス圧力センサ22から圧力信号が入力される。 To the control unit 30, the pressure signal from the first fuel gas pressure sensor 21 and the second fuel gas pressure sensor 22 are inputted. 制御部30は、各演算結果に基づいて燃料電池スタック3より取り出す電流を制御する。 The control unit 30 controls the current drawn from the fuel cell stack 3 on the basis of the calculation results.
燃料電池の発電電流(燃料電池電流)に対する要求燃料ガス流量は、燃料電池スタック3の反応で消費される燃料ガス質量流量をV 、燃料電池発電電流をI FC 、燃料ガスモル重量をW 、燃料電池スタック3の総セル数をN、ファラデー定数をFとすると、式(1)に示すような比例的な関係であるので、燃料電池スタック3の燃料電池電流に対する要求燃料ガス流量の関係は図4の破線(制御部30に予め記憶されている)となる。 Required fuel gas flow rate to the power generation current (fuel cell current) of the fuel cell, the fuel gas mass flow which is consumed in the reaction of the fuel cell stack 3 V H, the fuel cell power generation current I FC, the fuel gas molar weight W H, When the total number of cells of the fuel cell stack 3 N, the Faraday constant and F, since it is proportional relationship as shown in equation (1), the relationship between the required fuel gas flow rate to the fuel cell current of the fuel cell stack 3 FIG become 4 broken line (stored in advance in the control unit 30). 一方、燃料電池電流に対し要求アノード圧力は図3の様な関係にある(制御部30に予め記憶されている)。 On the other hand, the request anode pressure to the fuel cell current are related, such as in FIG. 3 (which is previously stored in the control unit 30). この時、パージによる燃料ガス流出分は要求アノード圧力が高いほど多いので、パージによる燃料ガス流出分を燃料電池電流に対する要求燃料ガス流量に加算した、燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係は図4の実線のようになる(制御部30に予め記憶されている)。 At this time, since the fuel gas spillage is larger the higher the required anode pressure by purging, the fuel gas spillage by the purge were added to the required fuel gas flow rate to the fuel cell current, the second and the fuel cell current and the required fuel gas flow rate correlation becomes as shown by a solid line in FIG. 4 (which is previously stored in the control unit 30).

燃料ガス質量流量(V )=I FC ×W /2/F×N・・・(1) Fuel gas mass flow (V H) = I FC × W H / 2 / F × N ··· (1)
更に、図3に示す燃料電池発電電流とアノード圧力との相関関係および図4に示す燃料電池電流と要求燃料ガス流量の相関関係から、要求燃料ガス流量を燃料電池へ供給するために必要な燃料ガス圧力調整弁4の上流における圧力(圧力調整弁上流圧力)を設定し、図5のような要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧との第1の相関関係が制御部30に記憶されている。 Furthermore, the correlation and correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow shown in FIG. 4 of the fuel cell power generation current and the anode pressure shown in FIG. 3, the fuel necessary for the required fuel gas flow rate to be supplied to the fuel cell set the pressure (pressure regulating valve upstream pressure) upstream of the gas pressure regulating valve 4, the first correlation stored in the control unit 30 of the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure as shown in FIG. 5 It is. このとき、燃料ガス圧力調整弁4を流れる燃料ガス流量は、燃料ガス圧力調整弁4の前後の圧力に応じて決まる。 At this time, the fuel gas flow rate through the fuel gas pressure regulating valve 4 is dependent on the front and rear of the pressure of the fuel gas pressure regulating valve 4. 従って、燃料ガス圧力調整弁4の上流圧力は、アノード圧力および要求燃料ガス流量が決まれば求めることができる。 Accordingly, the upstream pressure of the fuel gas pressure adjusting valve 4 can be determined once the anode pressure and the required flow rate of the fuel gas.

次に第1実施形態の燃料電池システムの動作を図2のフローチャートを用いて説明する。 Will now be described with reference to the flowchart of FIG. 2 the operation of the fuel cell system of the first embodiment.

(イ)まず、S01において、第2燃料ガス圧力センサ22によって高圧燃料ガスタンク40の燃料ガス圧力を検出する。 (A) First, in S01, to detect the fuel gas pressure of the high pressure fuel gas tank 40 by the second fuel gas pressure sensor 22. 本実施形態では、燃料ガス圧力は燃料ガス圧力調整弁4の上流に配置された第2燃料ガス圧力センサ22によって検出される燃料ガス圧力である。 In this embodiment, the fuel gas pressure is a fuel gas pressure detected by the second fuel gas pressure sensor 22 disposed upstream of the fuel gas pressure adjusting valve 4. また、燃料ガス圧力調整弁4の上流に高圧燃料ガスタンクが設置されている場合を考えているので、高圧燃料ガスタンクの燃料ガス圧力は燃料ガス圧力調整弁上流圧力に等しい。 Further, since the high pressure fuel gas tank to the upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4 is thinking if installed, the fuel gas pressure of the high pressure fuel gas tank is equal to the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure.

(ロ)S02では、燃料ガス流量演算部32が、制御部30に予め記憶されている要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力との第1の相間関係(図5の実線)を用いて、S01で検出した燃料ガス圧力A1から供給可能な燃料ガス流量B1を演算する。 In (b) S02, the fuel gas flow rate calculation unit 32, using the first phase relationship between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure which is previously stored in the control unit 30 (the solid line in FIG. 5) Te, calculates a fuel gas flow rate B1 which can be supplied from the fuel gas pressure A1 detected in S01.

(ハ)S03では、上限電流演算部33が、制御部30に予め記憶されている燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係(図4の実線)を用いて、S02で演算された燃料ガス流量B1から発電可能な燃料電池電流C1(上限電流)を演算する。 In (c) S03, an upper limit current computing unit 33, using the second correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate which is previously stored in the control unit 30 (the solid line in FIG. 4), operation at S02 calculating a power generation possible fuel cell current C1 (upper limit current) from the fuel gas flow rate B1 that is.

(ニ)一方、S04においてドライバーのアクセル操作などより、車両に要求される出力(出力要求値)が演算される。 (D) On the other hand, the like driver accelerator operation in S04, the output required of the vehicle (output demand value) is calculated. S05では、S04で演算された出力要求値に応じて、燃料電池に要求される燃料電池電流(出力要求電流)が演算される。 In S05, in response to the calculated required output value in S04, the fuel cell current required by the fuel cell (output request current) is calculated.

(ホ)S06において、電流比較部34が、S05で演算された出力要求電流とS03で演算された上限電流を比較し、小さい方の電流値を選択する(セレクトローする)。 In (e) S06, the current comparing unit 34 compares the upper limit current calculated by the output required current and S03 calculated in S05, selects the smaller current value (to select low).

(ヘ)S07では、出力電流制御部35が、制御部30に予め記憶されている燃料電池電流と要求アノード圧力との関係(図3)を用いて、S06で選択した電流値に応じたアノードガス圧を演算する。 The anode in (f) S07, the output current control unit 35, by using the relationship between the fuel cell current which is previously stored in the control unit 30 and the required anode pressure (Fig. 3), corresponding to the current value selected in S06 It calculates a gas pressure. 更に、S08において、S07で演算した電流値に応じたカソードガス圧および流量を演算する。 Further, in S08, it calculates the cathode gas pressure and flow rate corresponding to the current value calculated in S07.

(ト)S09では、第1燃料ガス圧力センサ21で検出されるアノードガス圧力が、S07で決定したアノードガス圧になるように、燃料ガス圧力調整弁4が制御される。 (G) In S09, the anode gas pressure detected by the first fuel gas pressure sensor 21, so that the anode gas pressure determined in S07, the fuel gas pressure regulating valve 4 is controlled. また、空気圧力センサ23で検出されるカソードガス圧力が、S08で決定したカソードガス圧になるように空気圧力調整弁9が制御され、S08で決定したカソードガス流量になるように空気コンプレッサ1の回転数が制御される。 Further, the cathode gas pressure detected by the air pressure sensor 23, the air pressure adjustment valve 9 so that the cathode gas pressure determined in S08 is controlled, the air compressor 1 so that the cathode gas flow rate determined in S08 rotation speed is controlled.

従って本実施形態では、燃料ガス圧力調整弁4の上流に配置された第2燃料ガス圧力センサ22で検出した燃料ガス圧力によって燃料電池が発電可能な上限電流を決定し、燃料電池に要求される電流が燃料電池上限電流より大きい場合、出力電流を燃料電池上限電流に制限するので、燃料ガス圧力が低下している場合に大電流を要求されることによって、燃料電池システムが停止することを防止でき、燃料電池の運転を継続することができる。 Therefore, in the present embodiment, the fuel cell determines the power upper-limit current by the fuel gas pressure detected by the second fuel gas pressure sensor 22 disposed upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4, is required to the fuel cell If the current is greater than the fuel cell limit current, because it limits the output current to the fuel cell limit current, by the fuel gas pressure is required a large current to decreasing case, prevent the fuel cell system is stopped can, it is possible to continue the operation of the fuel cell.

また、燃料ガス圧力を燃料ガス圧力調整弁4の上流に配置された第2燃料ガス圧力センサ22で検出しているので、燃料電池上限電流を演算するのに新たにガス残量を測定する装置を備える必要がない。 Further, since the fuel gas pressure is detected by the second fuel gas pressure sensor 22 disposed upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4, to measure the new gas level to compute the fuel cell limit current device there is no need to provide.

さらに、高圧燃料ガスタンク40の燃料ガス圧力は燃料ガス圧力調整弁上流圧力に等しいので、圧力損失がなく正確な燃料ガス圧力を求めることができる。 Furthermore, the fuel gas pressure of the high pressure fuel gas tank 40 is equal to the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure, it is possible to obtain an accurate fuel gas pressure without pressure loss.

(第2実施形態) (Second Embodiment)
図6は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 Figure 6 is a block diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

第2実施形態では、燃料ガス貯蔵装置40は、高圧燃料ガスタンク41と、減圧レギュレータ42と、高圧燃料ガスタンク41の燃料ガス出口に配置された第3燃料ガス圧力センサ24を備えている点のみが異なっており、その他のシステム構成および動作は、第1実施形態と同一である。 In the second embodiment, a fuel gas storage device 40 includes a high pressure fuel gas tank 41, a pressure reducing regulator 42, only in that a third fuel gas pressure sensor 24 disposed in the fuel gas outlet of the high pressure fuel gas tank 41 different and the other system configuration and operation are the same as the first embodiment.

本実施形態において、燃料ガスの圧力は、燃料ガス貯蔵装置40の燃料ガス出口に配置される第2燃料ガス圧力センサ22より検出される燃料ガス圧力である。 In this embodiment, the pressure of the fuel gas is a fuel gas pressure detected from the second fuel gas pressure sensor 22 disposed in the fuel gas outlet of the fuel gas storage device 40.

これによって、燃料ガス貯蔵装置40が、減圧レギュレータ42を備えた場合も、減圧レギュレータ42で減圧された圧力を検出するので、第3燃料ガス圧力センサ24より測定分解能の高い第2燃料ガス圧力センサ22で検出される、燃料ガス圧力調整弁4の上流での燃料ガス圧力から上限電流を演算するので、精度良く燃料電池上限電流を演算できる。 Thereby, the fuel gas storage device 40, even if provided with a vacuum regulator 42, and detects the vacuum pressure in the vacuum regulator 42, a high measurement resolution than the third fuel gas pressure sensor 24 the second fuel gas pressure sensor It is detected at 22, since the fuel gas pressure upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4 for calculating the upper limit current can be calculated with high accuracy fuel cell limit current.

(第3実施形態) (Third Embodiment)
図7は、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 Figure 7 is a block diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.

第3実施形態では、第1実施形態の燃料電池システム構成に対し、燃料電池スタック3の温度を検出する温度検出手段50が追加されている。 In the third embodiment, with respect to the fuel cell system configuration of the first embodiment, the temperature detecting means 50 for detecting the temperature of the fuel cell stack 3 is added. 温度検出手段50としては、例えば燃料電池スタック3内部を循環冷却する冷却水の温度を測定する温度センサを用いればよい。 The temperature detecting means 50, for example, the internal fuel cell stack 3 may be used a temperature sensor for measuring the temperature of the cooling water circulating cooling. 第3実施形態は、上限電流値を演算する時に検出する燃料電池の温度から、制御部30に予め記憶されている燃料電池電流に対する要求アノード圧力の相間関係、燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係および要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力との第1の相関関係を補正し、燃料電池スタック3が発電可能な上限電流を演算することを特徴とする。 The third embodiment, the temperature of the fuel cell to detect when calculating the upper limit current value, the phase relationship between the required anode pressure for the fuel cell current which is previously stored in the control unit 30, the fuel cell current and the required fuel gas flow rate second correcting the first correlation between the correlation and the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure, the fuel cell stack 3 is characterized by calculating a power upper-limit current.

第3実施形態の燃料電池システムの動作をフローチャート(図8)を用いて説明する。 It will be described with reference to a flow chart the operation of the fuel cell system of the third embodiment (FIG. 8).

(い)先ず、S100において、温度検出手段50によって、燃料電池の温度が検出される。 (Ii) First, in S100, the temperature detecting means 50, the temperature of the fuel cell is detected.

(ろ)S101では、燃料電池電流に対する要求アノード圧力は温度に応じて変化するので、制御部30が、燃料電池電流と要求アノード圧の相関関係を検出された温度に対し補正する(図9)。 In (filtrate) S101, the request anode pressure for the fuel cell current so changes according to temperature, the control unit 30 corrects to the detected temperature the correlation between the fuel cell current and the required anode pressure (Fig. 9) .

(は)S102では、燃料電池の発電電流に対する要求アノード圧力の相間関係が検出された温度に対して補正されているので、制御部30は、パージによる燃料ガス流出分を考慮した燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係も検出された温度に対し補正する(図10)。 (The) in S102, since the phase relationship required the anode pressure for power generation current of the fuel cell is corrected for the temperature detected, the control unit 30 includes a fuel cell current in consideration of the fuel gas spillage by the purge second correlation between the required fuel gas flow rate is also corrected to the detected temperature (Fig. 10). 同様に、S103において、S101で補正した燃料電池の発電電流に対する要求アノード圧力の相間関係(図9)およびS102で補正した燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係(図10)を用いて、要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力との第1の相関関係を温度に対し補正する(図11)。 Similarly, in S103, the corrected phase relationship required the anode pressure for power generation current of the fuel cell (9) and corrected second correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow in S102 in S101 (FIG. 10) using the first correlation between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure corrected for temperature (Figure 11).

(に)S104において、第2燃料ガス圧力センサ22によって高圧燃料ガスタンク40の燃料ガス圧力を検出する。 (A) at S104, it detects a fuel gas pressure of the high pressure fuel gas tank 40 by the second fuel gas pressure sensor 22. 本実施形態においても、燃料ガス圧力調整弁上流に高圧燃料ガスタンクが設置されている場合を考えているので、高圧燃料ガスタンクの燃料ガス圧力は燃料ガス圧力調整弁上流圧に等しい。 In this embodiment, since the high pressure fuel gas tank to the upstream fuel gas pressure regulating valve is thinking if installed, the fuel gas pressure of the high pressure fuel gas tank is equal to the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure.

S105以降のフローは、第1実施形態におけるS04以降のフローと同じである為、本実施形態では詳細な説明は省略する。 S105 subsequent steps are the same as S04 and subsequent flow in the first embodiment, a detailed description in this embodiment will be omitted.

従って、検出した燃料電池の温度での、上限電流値の演算は次のようになる。 Therefore, at the detected temperature of the fuel cell, the calculation of the upper limit current value is as follows. 先ず、温度に対し補正された要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力との第1の相間関係(図11)を用いて、水素流量演算部32が、S104で検出された燃料ガス圧力A2から燃料ガス流量B2を演算する。 First, using the first phase relation between the corrected required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure with temperature (Figure 11), the hydrogen flow rate calculation unit 32, the fuel gas pressure detected in S104 It calculates a fuel gas flow B2 from A2. 次に、温度に対し補正された燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係(図10)を用いて、上限電流演算部33が、S103で演算された燃料ガス流量B2から燃料電池電流C2を演算する。 Next, using a second correlation between the fuel cell current which is corrected for temperature and the required fuel gas flow rate (FIG. 10), the upper limit current calculator 33, the fuel from the fuel gas flow B2, which is calculated in S103 It calculates the battery current C2.

第3実施形態では、燃料電池温度を燃料電池の運転状態の一例としているが、燃料電池スタック3の劣化状態や加湿状態を燃料電池電流に対する要求アノード圧力の相関関係を決める条件としても良いし、それらの条件を組み合わせても良い。 In the third embodiment, the fuel cell temperature has been an example of the operation state of the fuel cell, the deterioration state and the humidifying state of the fuel cell stack 3 may be used as the condition for determining the correlation between the requested anode pressure for the fuel cell current, it may be combined with those conditions.

従って本実施形態では、燃料電池の温度に対して、燃料電池電流に対する要求アノード圧力の相間関係、燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係および要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力との第1の相関関係を補正しているので、精度良く燃料電池上限電流を演算することができる。 Therefore, in the present embodiment, with respect to the temperature of the fuel cell, a phase relationship between the required anode pressure for the fuel cell current, the second correlation and the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure adjustment of the fuel cell current and the required fuel gas flow rate since the corrected first correlation between the valve upstream pressure, it can be calculated with high accuracy fuel cell limit current.

(第4実施形態) (Fourth Embodiment)
燃料電池電流に対する要求アノード圧力の関係は、燃料電池の温度によって変化する。 Relationship request anode pressure for the fuel cell current varies according to the temperature of the fuel cell. 第3実施形態では、検出した温度に対して、燃料電池電流と要求燃料ガス流量の相関関係および、要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力の相関関係を補正したが、第4実施形態は、等しい電流に対して圧力が最大となる燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第4の相関関係、および等しい電流に対して圧力が最大となる要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力との第3の相関関係を予め制御部30に記憶していることを特徴とする。 In the third embodiment, with respect to the detected temperature, correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate and has been corrected correlation between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure, the fourth embodiment a fuel cell current and the required fuel fourth correlation between the gas flow rate, and equal pressure to the current becomes maximum required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream of the pressure to equal currents up and characterized in that it the third pre-stored in the control unit 30 the correlation between the pressure.

つまり、第4の実施形態では、第1実施形態のS02で用いる要求燃料ガス流量と燃料ガス圧力調整弁上流圧力との第1の相間関係が、等しい電流に対して圧力が最大となる条件での第3の相間関係(図14)であり、第1実施形態のS03で用いる燃料電池電流と要求燃料ガス流量との第2の相関関係が、等しい電流に対して圧力が最大となる条件での第4の相関関係(図13)である点のみが異なっている。 That is, in the fourth embodiment, the first phase relationship between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure used in S02 of the first embodiment, under the condition that the pressure against the same current is maximized the third is the phase relationship (FIG. 14), a second correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate used in S03 of the first embodiment, under the condition that the pressure against the same current is greatest only in a fourth correlation (FIG. 13) are different.

従って、本実施形態での上限電流値の演算は次のようになる。 Therefore, the calculation of the upper limit current value in the present embodiment is as follows. 先ず、図15に示す様に、水素流量演算部32が、燃料ガス圧力調整弁4の上流に配置された第2燃料ガス圧力センサ22によって検出された燃料ガス圧力A3から燃料ガス流量B3を演算し、次に、図14に示すように、上限電流演算部33で、算出された燃料ガス流量B3から燃料電池電流C3を演算する。 First, as shown in FIG. 15, the hydrogen flow rate calculation unit 32, calculates a fuel gas flow rate B3 from the fuel gas pressure A3 detected by the second fuel gas pressure sensor 22 disposed upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4 and, then, as shown in FIG. 14, in the upper limit current computing unit 33 computes a fuel cell current C3 from the fuel gas flow rate B3 calculated.

第4実施形態では、燃料電池温度を条件としているが、燃料電池スタック3の劣化状態や過湿状態を燃料電池電流に対する要求アノード圧力の相関関係を決める条件としても良いし、それらの条件を組み合わせても良い。 In the fourth embodiment, although the fuel cell temperature and conditions, the deterioration state or excessive humidity state of the fuel cell stack 3 may be used as the condition for determining the correlation between the requested anode pressure for the fuel cell current, a combination of those conditions and it may be.

以上より本実施形態では、燃料ガス流量と燃料電池の上限電流の相関関係を、燃料電池の温度が変化した場合に、燃料電池電流に対する要求アノード圧力の関係が等しい電流に対して圧力が最大となる特性から演算するので、事前に予想される燃料電池の運転状態で出力可能な最大出力を精度良く演算できる。 In the present embodiment above, the correlation of the upper limit current of the fuel gas flow rate and the fuel cell, when the temperature of the fuel cell has changed, and pressure up against current relationship requests the anode pressure for the fuel cell current is equal to since computed from consisting characteristics, it can be accurately calculating the maximum output that can be output in the operating state of the fuel cell that is expected in advance.

上記のように、本発明は、第1乃至第4の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。 As described above, the present invention has been described by the first to fourth embodiments, the description and drawings which constitute part of this disclosure should not be understood as limiting the invention. この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 Various alternative embodiments to those skilled in the art from this disclosure, examples and operational techniques will be apparent. 即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。 That is, the present invention should be understood to include a variety of embodiments which are not described. したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。 Accordingly, it is intended that the invention be limited only by the inventive specified matters according to the scope of claims reasonable from the disclosure.

第1実施形態に係わる燃料電池システムの構成を表すブロック図である。 It is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the first embodiment. 第1実施形態に係わる燃料電池システムの制御方法を表すフローチャートである。 It is a flowchart illustrating a control method of the fuel cell system according to the first embodiment. 第1実施形態に係わる燃料電池電流とアノードガス圧力の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between the fuel cell current and the anode gas pressure according to the first embodiment. 第1実施形態に係わる燃料電池電流と要求水素流量の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between the fuel cell current and the required hydrogen flow rate according to the first embodiment. 第1実施形態に係わる要求水素流量と水素圧力調整圧弁上流圧力の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between required hydrogen flow rate and the hydrogen pressure regulating valve upstream pressure according to the first embodiment. 第2実施形態に係わる燃料電池システムの構成を表すブロック図である。 It is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment. 第3実施形態に係わる燃料電池システムの構成を表すブロック図である。 Is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the third embodiment. 第3実施形態に係わる燃料電池システムの制御方法を表すフローチャートである。 It is a flowchart illustrating a control method of the fuel cell system according to the third embodiment. 第3実施形態に係わる燃料電池電流とアノードガス圧力の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between the fuel cell current and the anode gas pressure according to the third embodiment. 第3実施形態に係わる燃料電池電流と要求水素流量の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between the fuel cell current and the required hydrogen flow rate according to the third embodiment. 第3実施形態に係わる要求水素流量と水素圧力調整圧弁上流圧力の相関関係を表す図である。 3 is a diagram illustrating the correlation between required hydrogen flow rate and the hydrogen pressure regulating valve upstream pressure according to the embodiment. 第4実施形態に係わる燃料電池電流とアノードガス圧力の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between the fuel cell current and the anode gas pressure according to the fourth embodiment. 第4実施形態に係わる燃料電池電流と要求水素流量の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between the fuel cell current and the required hydrogen flow rate according to the fourth embodiment. 第4実施形態に係わる要求水素流量と水素圧力調整圧弁上流圧力の相関関係を表す図である。 Is a graph showing the correlation between required hydrogen flow rate and the hydrogen pressure regulating valve upstream pressure according to the fourth embodiment.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

3 燃料電池スタック4 燃料ガス圧力調整弁7 燃料ガス供給配管21 第1燃料ガス圧力センサ22 第2燃料ガス圧力センサ30 制御部32 燃料ガス流量演算部33 上限電流演算部34 電流比較部35 出力電流制御部40 高圧燃料ガスタンク 3 fuel cell stack 4 fuel gas pressure regulating valve 7 fuel gas supply pipe 21 the first fuel gas pressure sensor 22 the second fuel gas pressure sensor 30 control unit 32 fuel gas flow rate calculation unit 33 limit current calculation unit 34 the current comparing unit 35 outputs a current control unit 40 the high-pressure fuel gas tank

Claims (6)

  1. 燃料ガスを貯蔵するガス貯蔵手段から燃料電池に供給する燃料ガス圧力を検出し、 Detecting a fuel gas pressure supplied to the fuel cell from the gas storage means for storing the fuel gas,
    前記燃料ガス圧力から、前記燃料電池に供給可能な燃料ガス流量を演算し、 From said fuel gas pressure, and calculates a fuel gas flow rate can be supplied to the fuel cell,
    前記燃料ガス流量から、前記燃料電池が発電可能な燃料電池電流である上限電流を演算し、 From said fuel gas flow rate, calculates the upper limit electrical current the fuel cell is a power generation possible fuel cell current,
    前記燃料電池に要求される燃料電池電流である要求電流と、前記上限電流を比較し、 A required current is a fuel cell current required to the fuel cell, compares the upper limit current,
    前記要求電流が、前記上限電流より大きい場合は、燃料電池から取り出す電流を前記上限電流に制限することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 The required current is the case the upper limit current is greater than the control method of the fuel cell system and limits the current drawn from the fuel cell to the upper limit current.
  2. 前記燃料ガスの圧力は、 The pressure of the fuel gas,
    前記燃料ガス圧力を前記燃料電池に要求される圧力に調整する燃料ガス圧力調整手段の上流における燃料ガス圧力であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの制御方法。 Control method for a fuel cell system according to claim 1, wherein said fuel gas pressure is a fuel gas pressure upstream of the fuel gas pressure adjusting means for adjusting the pressure required for the fuel cell.
  3. 前記上限電流を演算することは、 Computing the upper limit current,
    前記上限電流を演算する時の前記燃料電池の運転状態を検出し、 Detecting the operating state of the fuel cell at the time of calculating the upper limit current,
    前記運転状態における、前記燃料ガス圧力調整手段の上流における燃料ガス圧力と前記燃料ガス流量との予め記憶されている第1の相関関係を用いて、検出した前記燃料ガス圧力から前記燃料ガス流量を演算し、 In the operating condition, by using the first correlation stored in advance between the fuel gas pressure and the fuel gas flow rate upstream of the fuel gas pressure regulating means, the fuel gas flow rate from the detected the fuel gas pressure calculated,
    前記運転状態における、前記燃料ガス流量と前記上限電流との予め記憶されている第2の相関関係を用いて、前記第1の相関関係より演算した前記燃料ガス流量から上限電流を演算することを特徴とする請求項1から2何れか一項記載の燃料電池システムの制御方法。 In the operating state, using the second correlation stored in advance with the upper limit current and the fuel gas flow rate, that calculates the upper limit current from said first said fuel gas flow rate is calculated from the correlation between the the method of claims 1 to 2 or the fuel cell system of one claim, characterized.
  4. 前記上限電流を演算することは、 Computing the upper limit current,
    等しい前記燃料ガス流量に対して圧力が最大となる、前記燃料ガス圧力調整手段の上流における燃料ガス圧力と前記燃料ガス流量のとの予め記憶されている第3の相関関係を用いて、検出した前記燃料ガス圧力から前記燃料ガス流量を演算し、 Equal pressure is maximized with respect to the fuel gas flow rate, using a third correlation stored in advance between the fuel gas pressure of the fuel gas flow rate upstream of the fuel gas pressure adjusting means was detected calculating the fuel gas flow rate from the fuel gas pressure,
    等しい前記上限電流に対して前記燃料ガス流量が最大となる、前記燃料ガス流量と前記上限電流との予め記憶されている第4の相関関係を用いて、前記第3の相関関係より演算した前記燃料ガス流量から上限電流を演算することを特徴とする請求項1から2何れか一項記載の燃料電池システムの制御方法。 Equal the fuel gas flow rate to the upper limit current is maximum, using a fourth correlation stored in advance between the fuel gas flow rate and the upper limit current was calculated from the third correlation of the control method for a fuel cell system of claims 1 2 any one, wherein the calculating the upper limit current from the fuel gas flow rate.
  5. 前記運転状態は、前記燃料電池の温度であることを特徴とする請求項3又は4記載の燃料電池システムの制御方法。 The operating conditions, according to claim 3 or 4 control method as set forth is characterized in that the temperature of the fuel cell.
  6. 燃料電池と、 And the fuel cell,
    前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵するガス貯蔵手段と、 A gas storage means for storing the fuel gas supplied to the fuel cell,
    前記ガス貯蔵手段から前記燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、 A fuel gas pressure detection means for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell from the gas storage means,
    前記燃料ガス圧力を前記燃料電池に要求される圧力に調整する燃料ガス圧力調整手段と、 A fuel gas pressure adjusting means for adjusting the pressure required for the fuel gas pressure to the fuel cell,
    制御部とを備え、 And a control unit,
    前記制御部は、 Wherein,
    前記燃料ガス圧力から、前記燃料電池に供給可能な燃料ガス流量を演算するガス流量演算手段と、 From said fuel gas pressure, and gas flow rate calculation means for calculating a fuel gas flow rate can be supplied to the fuel cell,
    前記燃料ガス流量から、前記燃料電池が発電可能燃料電池電流である上限電流を演算する上限電流演算手段と、 From said fuel gas flow rate, the upper limit current calculation means for the fuel cell to calculate the upper limit current is capable of generating power fuel cell current,
    前記燃料電池に要求される電流である要求電流と前記上限電流を比較する電流比較手段と、 A current comparing means for comparing the upper limit current and the required current is the current required for the fuel cell,
    前記要求電流が、前記上限電流より大きい場合は、燃料電池から取り出す電流を前記上限電流に制限する、出力電流制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 The required current is the case the upper limit current larger than the current extracted from the fuel cell is limited to the upper limit current, the fuel cell system characterized by comprising an output current control means.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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