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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Abstract

<P>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. <P>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. <P>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。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。   The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell control method. In particular, the present invention relates to a method for limiting the output of a fuel cell system when the fuel gas pressure is low because the remaining amount of fuel gas is small.

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 vehicle fuel cell system, the operation state of the fuel cell is changed based on the required output, and control is performed so that the required output is 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。
特開２００３−０６８３４２号 In Patent Document 1, in such a fuel cell system, when an output request larger than the output that can actually be output from the fuel cell is made from the drive unit, the output restriction is applied to the fuel cell, but there is a sense of incongruity that the required output is not output. The output limit warning lamp is lit so as not to give it to the operator.
JP 2003-068342 A

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。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。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。   Generally, when the remaining amount of fuel gas is small and the fuel gas pressure is low, the amount of fuel gas per unit time that can be supplied to the fuel cell also decreases. At this time, if the required output is large, the anode pressure in the fuel cell stack cannot be raised to the target value, so that there is a pressure difference from the cathode pressure. Therefore, when the remaining amount of fuel gas is small and the fuel gas pressure is low, it is necessary to protect the fuel cell by limiting the output of 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 limit of the fuel cell is not controlled in consideration of the remaining amount of fuel gas, and there is a problem that the travel distance after the output limit is applied is shortened.

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 only provides the operator with information for limiting output, and does not mention a specific method for limiting output.

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 calculates the upper limit current that can be generated by the fuel cell from the fuel gas pressure supplied to the fuel cell, and if the current required for the fuel cell is larger than the upper limit current, the current taken out from the fuel cell is the upper limit current. It is characterized by limiting to.

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, the pressure of the fuel gas supplied from the fuel gas storage means to the fuel cell is detected, the flow rate of the fuel gas that can be supplied to the fuel cell is calculated from the detected pressure of the fuel gas, and the calculated fuel gas flow rate is calculated. The upper limit current is obtained.

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, when a large amount of current is required when the remaining amount of fuel gas is reduced and the pressure of the fuel gas is reduced, the output of the fuel cell is not restricted more than necessary, such as stopping the operation of the fuel cell The operation of the fuel cell can be continued 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。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実施形態）
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。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。 (First embodiment)
A fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration 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 the present embodiment includes a fuel cell stack 3, a fuel gas supply pipe 7, a fuel gas storage device 40 (fuel gas storage means), an oxidant gas supply pipe 8, an air compressor 1, and an anode exhaust. Pipe 11, purge valve 10, cathode exhaust pipe 12, air pressure adjustment valve 9, fuel gas circulation pipe 5, fuel gas circulation pump 6, first fuel gas pressure sensor 21, and second fuel gas pressure A sensor 22, a fuel gas pressure adjustment valve 4, an air pressure sensor 23, and a control unit 30 are provided.

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。   In the combustion cell stack 3, a plurality of single cells each composed of a pair of an anode and a cathode are stacked, and a fuel gas containing hydrogen supplied to the anode and an oxidant gas (air containing oxygen) supplied to the cathode react. It is something that generates electricity.

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。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 supply pipe 7 has one end connected to the fuel gas inlet of the fuel cell stack 3 and the other end connected to the fuel gas storage device 40. The fuel gas supplied to the fuel cell stack 3 as fuel gas (hydrogen gas) It becomes the route. The fuel gas storage device 40 is connected to the fuel gas supply pipe 7 upstream of the fuel cell stack 3 and stores the fuel gas supplied to the fuel cell stack 3 at a 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。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。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。   One end of the anode exhaust pipe 11 is connected to the fuel gas outlet of the fuel cell stack 3, and the other end is connected to the outside to provide a path for off-gas sent from the fuel cell stack 3. The purge valve 10 is disposed on the anode exhaust pipe 11 and is normally closed. When the fuel cell stack 3 generates power at a constant power or for a certain time, or when a drop in cell voltage is detected, the fuel cell stack 3 is opened, and 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。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。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。   The oxidant gas (air) supply pipe 8 has one end connected to the oxidant gas inlet of the fuel cell stack 3 and the other end connected to the air compressor 1, and a path of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 3. Become. The air compressor 1 is connected to an air supply pipe 8 upstream of the fuel cell stack 3 and serves as a power source for supplying air to the fuel cell stack 3. The air pressure sensor 23 is disposed on the air supply pipe 8 and measures the pressure of the 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。   The cathode exhaust pipe 12 connects the oxidant gas outlet of the fuel cell stack 3 and the outside, and is a path for 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。   The air pressure adjustment 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 a command 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。   The fuel gas pressure adjusting valve 4 is disposed on the fuel gas supply pipe 7 and adjusts the fuel gas pressure (anode gas pressure) supplied to the anode of the fuel cell stack 3 according to a command from the control unit 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。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。   One end of the fuel gas circulation pipe 5 is connected to the anode exhaust pipe 11 between the fuel gas outlet of the fuel cell stack 3 and the purge valve 10, and the other end is connected to the fuel gas inlet of the fuel cell stack 3 and the fuel gas pressure regulating valve 4. Are connected to the fuel gas supply pipe 7. The fuel gas circulation pump 6 is disposed on the fuel gas circulation pipe 5 and circulates the gas discharged from the fuel cell stack 3, and becomes a power source that sends 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。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。   The first fuel gas pressure sensor 21 is disposed at the fuel gas inlet of the fuel cell stack 3 on the fuel gas supply pipe 7 and detects the pressure of the fuel gas at the inlet of the fuel cell stack 3. The control unit 30 controls the fuel gas pressure adjusting valve 4 so that the pressure detected by the first fuel gas pressure sensor 21 becomes a 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。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。   The second fuel gas pressure sensor 22 is disposed at the fuel gas outlet of the fuel gas storage device 40 upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4 and detects the fuel gas pressure. As the fuel gas storage device 40, for example, a high-pressure fuel gas tank can be used.

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。   The control unit 30 includes a fuel gas flow rate calculation unit 32 (fuel gas flow rate calculation unit), an upper limit current calculation unit (upper limit current calculation unit) 33, a current comparison unit 34 (current comparison unit), and an output current control unit 35 ( 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。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。
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ＶＨ、燃料電池発電電流をＩＦＣ、燃料ガスモル重量をＷＨ、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。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）。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）。 Pressure signals are input from the first fuel gas pressure sensor 21 and the second fuel gas pressure sensor 22 to the control unit 30. The control unit 30 controls the current extracted from the fuel cell stack 3 based on each calculation result.
The required fuel gas flow rate with respect to the power generation current (fuel cell current) of the fuel cell is as follows: the fuel gas mass flow consumed by the reaction of the fuel cell stack 3 is V H , the fuel cell power generation current is I FC , the fuel gas molar weight is W H , Assuming that the total number of cells in the fuel cell stack 3 is N and the Faraday constant is F, the relationship is proportional as shown in Equation (1), so the relationship of the required fuel gas flow rate to the fuel cell current of the fuel cell stack 3 is The broken line in FIG. 4 (previously stored in the control unit 30). On the other hand, the required anode pressure is related to the fuel cell current as shown in FIG. 3 (stored in advance in the control unit 30). At this time, the fuel gas outflow due to purging increases as the required anode pressure increases, so the fuel gas outflow due to purging is added to the required fuel gas flow with respect to the fuel cell current. Is as indicated by a solid line in FIG. 4 (stored in the control unit 30 in advance).

燃料ガス質量流量（ＶＨ）＝ＩＦＣ×ＷＨ／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。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。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。 Fuel gas mass flow rate (V H ) = I FC × W H / 2 / F × N (1)
Further, from the correlation between the fuel cell power generation current and the anode pressure shown in FIG. 3 and the correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate shown in FIG. 4, the fuel required for supplying the required fuel gas flow rate to the fuel cell. The pressure upstream of the gas pressure regulating valve 4 (pressure regulating valve upstream pressure) is set, and the first correlation between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure as shown in FIG. Has been. At this time, the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas pressure regulating valve 4 is determined according to the pressure before and after the fuel gas pressure regulating valve 4. Therefore, the upstream pressure of the fuel gas pressure regulating valve 4 can be obtained if the anode pressure and the required fuel gas flow rate are determined.

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。   Next, the operation of the fuel cell system of the first embodiment will be described using the flowchart of FIG.

（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。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。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。   (A) First, in S01, the fuel gas pressure in the high-pressure fuel gas tank 40 is detected by the second fuel gas pressure sensor 22. In the present embodiment, the fuel gas pressure is a fuel gas pressure detected by a second fuel gas pressure sensor 22 disposed upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4. Moreover, since the case where the high pressure fuel gas tank is installed upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4 is considered, the fuel gas pressure of the high pressure fuel gas tank is equal to the upstream pressure of the fuel gas pressure regulating valve.

（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。   (B) In S02, the fuel gas flow rate calculation unit 32 uses the first interphase relationship (the solid line in FIG. 5) between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure stored in advance in the control unit 30. Thus, the fuel gas flow rate B1 that can be supplied from the fuel gas pressure A1 detected in S01 is calculated.

（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。   (C) In S03, the upper limit current calculator 33 calculates in S02 using the second correlation (solid line in FIG. 4) between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate stored in advance in the controller 30. A fuel cell current C1 (upper limit current) that can be generated is calculated from the fuel gas flow rate B1.

（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。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。   (D) On the other hand, in S04, the output (requested output value) required for the vehicle is calculated by the driver's accelerator operation or the like. In S05, the fuel cell current (output request current) required for the fuel cell is calculated according to the output request value calculated in S04.

（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）。   (E) In S06, the current comparator 34 compares the output request current calculated in S05 with the upper limit current calculated in S03, and selects the smaller current value (selects 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。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。   (F) In S07, the output current control unit 35 uses the relationship between the fuel cell current stored in advance in the control unit 30 and the required anode pressure (FIG. 3), and the anode according to the current value selected in S06. Calculate the gas pressure. Further, in S08, the cathode gas pressure and flow rate corresponding to the current value calculated in S07 are calculated.

（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。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。   (G) In S09, the fuel gas pressure regulating valve 4 is controlled so that the anode gas pressure detected by the first fuel gas pressure sensor 21 becomes the anode gas pressure determined in S07. Further, the air pressure adjusting valve 9 is controlled so that the cathode gas pressure detected by the air pressure sensor 23 becomes the cathode gas pressure determined in S08, and the air compressor 1 has the cathode gas flow rate determined in S08. The 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 upper limit current that can be generated by the fuel cell is determined based on the fuel gas pressure detected by the second fuel gas pressure sensor 22 disposed upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4, and the fuel cell is required. When the current is larger than the fuel cell upper limit current, the output current is limited to the fuel cell upper limit current, so that the fuel cell system is prevented from shutting down when a large current is required when the fuel gas pressure is reduced. And the operation of the fuel cell can be continued.

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 arranged upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4, a device for newly measuring the remaining amount of gas for calculating the fuel cell upper limit current It is not necessary to have.

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, since the fuel gas pressure in the high-pressure fuel gas tank 40 is equal to the upstream pressure of the fuel gas pressure regulating valve, an accurate fuel gas pressure can be obtained without any pressure loss.

（第２実施形態）
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。 (Second Embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the 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, the fuel gas storage device 40 includes only a high-pressure fuel gas tank 41, a decompression regulator 42, and a third fuel gas pressure sensor 24 disposed at the fuel gas outlet of the high-pressure fuel gas tank 41. The other system configurations and operations are the same as those of 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 the present embodiment, the pressure of the fuel gas is the fuel gas pressure detected by the second fuel gas pressure sensor 22 disposed at 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。   Thus, even when the fuel gas storage device 40 includes the decompression regulator 42, the second fuel gas pressure sensor having higher measurement resolution than the third fuel gas pressure sensor 24 detects the pressure decompressed by the decompression regulator 42. Since the upper limit current is calculated from the fuel gas pressure upstream of the fuel gas pressure regulating valve 4 detected at 22, the fuel cell upper limit current can be calculated with high accuracy.

（第３実施形態）
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。 (Third embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the 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。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。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。   In the third embodiment, temperature detecting means 50 for detecting the temperature of the fuel cell stack 3 is added to the fuel cell system configuration of the first embodiment. As the temperature detection means 50, for example, a temperature sensor that measures the temperature of cooling water that circulates and cools the inside of the fuel cell stack 3 may be used. In the third embodiment, the interrelationship of the required anode pressure with respect to the fuel cell current stored in the controller 30 in advance, the fuel cell current and the required fuel gas flow rate, from the temperature of the fuel cell detected when calculating the upper limit current value The second correlation and the first correlation between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure are corrected, and an upper limit current that can be generated by the fuel cell stack 3 is calculated.

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。   The operation of the fuel cell system according to the third embodiment will be described with reference to a flowchart (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。   (I) First, in S100, the temperature detecting means 50 detects the temperature of the fuel cell.

（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）。   (B) In S101, since the required anode pressure with respect to the fuel cell current changes according to the temperature, the control unit 30 corrects the correlation between the fuel cell current and the required anode pressure with respect to the detected temperature (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）。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）。   (Ha) In S102, the correlation between the required anode pressure and the generated current of the fuel cell is corrected with respect to the detected temperature, so that the control unit 30 takes into account the fuel cell outflow due to the purge, The second correlation with the required fuel gas flow rate is also corrected for the detected temperature (FIG. 10). Similarly, in S103, the correlation between the required anode pressure and the generated current of the fuel cell corrected in S101 (FIG. 9) and the second correlation between the fuel cell current corrected in S102 and the required fuel gas flow rate (FIG. 10). Is used to correct the first correlation between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure with respect to the temperature (FIG. 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。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。   (Ii) In S104, the fuel gas pressure in the high-pressure fuel gas tank 40 is detected by the second fuel gas pressure sensor 22. Also in this embodiment, since the case where the high pressure fuel gas tank is installed upstream of the fuel gas pressure adjustment valve is considered, the fuel gas pressure of the high pressure fuel gas tank is equal to the upstream pressure of the fuel gas pressure adjustment valve.

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。   Since the flow after S105 is the same as the flow after S04 in the first embodiment, detailed description is omitted in this embodiment.

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。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。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。   Accordingly, the calculation of the upper limit current value at the detected temperature of the fuel cell is as follows. First, using the first interphase relationship (FIG. 11) between the required fuel gas flow rate corrected with respect to the temperature and the upstream pressure of the fuel gas pressure regulating valve, the hydrogen flow rate calculation unit 32 detects the fuel gas pressure detected in S104. The fuel gas flow rate B2 is calculated from A2. Next, using the second correlation (FIG. 10) between the fuel cell current corrected with respect to the temperature and the required fuel gas flow rate, the upper limit current calculation unit 33 calculates the fuel from the fuel gas flow rate B2 calculated in S103. The battery current C2 is calculated.

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 is an example of the operating state of the fuel cell. However, the deterioration state or humidified state of the fuel cell stack 3 may be a condition for determining the correlation of the required anode pressure with respect to the fuel cell current. You may combine 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, the correlation between the required anode pressure and the fuel cell current with respect to the temperature of the fuel cell, the second correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate, and the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure adjustment. Since the first correlation with the valve upstream pressure is corrected, the fuel cell upper limit current can be calculated with high accuracy.

（第４実施形態）
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。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。 (Fourth embodiment)
The relationship of the required anode pressure to the fuel cell current varies with the temperature of the fuel cell. In the third embodiment, the correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate and the correlation between the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream pressure are corrected with respect to the detected temperature. Is the fourth correlation between the fuel cell current and the required fuel gas flow rate at which the pressure is maximum for the same current, and the required fuel gas flow rate and the fuel gas pressure regulating valve upstream at which the pressure is maximum for the same current. The third correlation with the pressure is stored in the control unit 30 in advance.

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 interphase relationship between the required fuel gas flow rate used in S02 of the first embodiment and the upstream pressure of the fuel gas pressure adjustment valve is such that the pressure is maximum for the same current. And the second correlation between the fuel cell current used in S03 of the first embodiment and the required fuel gas flow rate is such that the pressure is maximum for the same current. Only the fourth correlation (FIG. 13) is 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。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。   Therefore, the calculation of the upper limit current value in the present embodiment is as follows. First, as shown in FIG. 15, the hydrogen flow rate calculation unit 32 calculates the 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. Then, as shown in FIG. 14, the upper limit current calculation unit 33 calculates the fuel cell current C3 from the calculated fuel gas flow rate B3.

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, the fuel cell temperature is used as a condition. However, the deterioration state or overhumidity state of the fuel cell stack 3 may be used as a condition for determining the correlation of the required anode pressure with respect to the fuel cell current, or a combination of these conditions. 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。   As described above, in the present embodiment, the correlation between the fuel gas flow rate and the upper limit current of the fuel cell is such that when the temperature of the fuel cell changes, the pressure is maximum for the current where the relationship of the required anode pressure to the fuel cell current is equal. Therefore, the maximum output that can be output in the expected operating state of the fuel cell can be calculated with high accuracy.

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。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。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。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。   As described above, the present invention has been described according to the first to fourth embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it should be understood that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this 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 the structure of the fuel cell system concerning 1st 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 showing the control method of the fuel cell system concerning 1st 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。It is a figure showing the correlation of the fuel cell electric current concerning 1st Embodiment, and anode gas pressure. 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。It is a figure showing the correlation of the fuel cell electric current and required hydrogen flow volume concerning 1st 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。It is a figure showing the correlation of the request | requirement hydrogen flow rate and hydrogen pressure regulation pressure valve upstream pressure concerning 1st 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 the structure of the fuel cell system concerning 2nd 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。It is a block diagram showing the structure of the fuel cell system concerning 3rd 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 showing the control method of the fuel cell system concerning 3rd 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。It is a figure showing the correlation of the fuel cell electric current concerning 3rd Embodiment, and anode gas pressure. 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。It is a figure showing the correlation of the fuel cell electric current and required hydrogen flow volume concerning 3rd 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。It is a figure showing the correlation of the request | requirement hydrogen flow rate concerning 3rd Embodiment, and a hydrogen pressure regulating pressure valve upstream pressure. 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。It is a figure showing the correlation of the fuel cell electric current concerning 4th Embodiment, and anode gas pressure. 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。It is a figure showing the correlation of the fuel cell current concerning 4th Embodiment, and a request | required hydrogen flow rate. 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。It is a figure showing the correlation of the request | required hydrogen flow concerning 4th Embodiment, and a hydrogen pressure regulation pressure valve upstream pressure.

符号の説明Explanation 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 Control Valve 7 Fuel Gas Supply Pipe 21 First Fuel Gas Pressure Sensor 22 Second Fuel Gas Pressure Sensor 30 Control Unit 32 Fuel Gas Flow Rate Calculation Unit 33 Upper Limit Current Calculation Unit 34 Current Comparison Unit 35 Output Current Control unit 40 High pressure fuel gas tank

Claims (6)

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、
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、
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、
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、
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。 Detecting the fuel gas pressure supplied to the fuel cell from the gas storage means for storing the fuel gas;
From the fuel gas pressure, the flow rate of fuel gas that can be supplied to the fuel cell is calculated,
From the fuel gas flow rate, an upper limit current that is a fuel cell current that can be generated by the fuel cell is calculated,
Compare the required current, which is a fuel cell current required for the fuel cell, with the upper limit current,
When the required current is larger than the upper limit current, a current extracted from the fuel cell is limited to the upper limit current. 前記燃料ガスの圧力は、
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。 The pressure of the fuel gas is
2. The method of controlling a fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas pressure is upstream of fuel gas pressure adjusting means for adjusting the fuel gas pressure to a pressure required for the fuel cell. 前記上限電流を演算することは、
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、
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、
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。 Calculating the upper limit current
Detecting the operating state of the fuel cell when calculating the upper limit current,
Using the first stored correlation between the fuel gas pressure upstream of the fuel gas pressure adjusting means and the fuel gas flow rate in the operating state, the fuel gas flow rate is calculated from the detected fuel gas pressure. Operate,
The upper limit current is calculated from the fuel gas flow rate calculated from the first correlation using the second correlation stored in advance between the fuel gas flow rate and the upper limit current in the operating state. The method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 1 to 2, characterized in that: 前記上限電流を演算することは、
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、
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。 Calculating the upper limit current
Detected by using a third previously stored correlation between the fuel gas pressure upstream of the fuel gas pressure adjusting means and the fuel gas flow rate, the pressure being the maximum for the same fuel gas flow rate. Calculating the fuel gas flow rate from the fuel gas pressure;
The fuel gas flow rate is maximized with respect to the same upper limit current, and the fourth correlation stored in advance between the fuel gas flow rate and the upper limit current is used to calculate the third correlation. 3. The fuel cell system control method according to claim 1, wherein an upper limit current is calculated from the fuel gas flow rate. 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。   5. The fuel cell system control method according to claim 3, wherein the operating state is a temperature of the fuel cell. 燃料電池と、
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、
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、
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、
制御部とを備え、
前記制御部は、
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、
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、
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、
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。 A fuel cell;
Gas storage means for storing fuel gas to be supplied to the fuel cell;
Fuel gas pressure detecting means for detecting the pressure of the fuel gas supplied from the gas storage means to the fuel cell;
Fuel gas pressure adjusting means for adjusting the fuel gas pressure to a pressure required for the fuel cell;
A control unit,
The controller is
A gas flow rate calculating means for calculating a flow rate of fuel gas that can be supplied to the fuel cell from the fuel gas pressure;
Upper limit current calculating means for calculating an upper limit current, which is a fuel cell current that can be generated by the fuel cell, from the fuel gas flow rate;
A current comparing means for comparing a required current, which is a current required for the fuel cell, with the upper limit current;
A fuel cell system comprising output current control means for limiting a current taken out from the fuel cell to the upper limit current when the required current is larger than the upper limit current.
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