JP2009140658A - Fuel cell system - Google Patents

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統將 石河
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve accuracy of gas leakage detection while adopting comparatively simple control in a fuel cell system having an opening and closing valve for adjusting supply pressure of a fuel gas and a discharge valve for discharging impurities in the system to the outside. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 includes: a fuel cell 2; a supply passage 22 for flowing the fuel gas supplied from a fuel supply source 21 to the fuel cell 2; a discharge passage 23 for flowing the gas discharged from the fuel cell 2; the discharge valve 31 for discharging the gas in the discharge passage 23 to the outside; and the opening and closing valve 28 driven and controlled at designated driving intervals so as to supply at a downstream side by adjusting a gas condition at an upstream side of the supply passage 22. The fuel cell system 1 further includes a gas leakage detection means for detecting gas leakage of the discharge valve 31 based on the gas condition at a downstream side of the opening and closing valve at one driving interval period of the opening and closing valve 28. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来より、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、循環流路に接続した排出流路に排出弁を設け、この排出弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガスを一定時間毎に排出する技術(パージ技術)が提案されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) has been proposed and put into practical use. Impurities such as nitrogen and carbon monoxide accumulate over time in the fuel cell of such a fuel cell system and in the circulation path of the fuel off gas with power generation. In order to discharge such impurities to the outside, a discharge valve connected to the circulation flow path is provided with a discharge valve, and by opening and closing the discharge valve, the gas in the circulation flow path is discharged at regular intervals. A technique for purging (purge technique) has been proposed.

また、現在においては、排出弁(又はこれを含む流路)におけるガス漏れを検知するための技術が種々提案されている。例えば、近年においては、燃料電池への燃料ガス供給量と、燃料電池における燃料ガス消費量と、検知対象流路(排出弁を含む流路)内の燃料ガスの圧力変化と、に基づいてガス漏れ検知を行う技術が提案されている(特許文献1参照)。
特開2006−179469号公報
At present, various techniques for detecting a gas leak in a discharge valve (or a flow path including the discharge valve) have been proposed. For example, in recent years, based on the amount of fuel gas supplied to the fuel cell, the amount of fuel gas consumed in the fuel cell, and the pressure change of the fuel gas in the detection target flow path (flow path including the discharge valve) A technique for detecting leakage has been proposed (see Patent Document 1).
JP 2006-179469 A

ところで、燃料ガスの供給圧力を調整するための電磁式開閉弁を備える燃料電池システムにおいては、開閉弁の開閉動作に起因するノイズを低減させるために、低負荷運転時における開閉弁の駆動周期を通常運転時における駆動周期よりも長く設定する制御を実施する場合がある。このように開閉弁の駆動周期を長く設定すると、流路内における燃料ガスの圧力変化が大きくなるため、前記特許文献1に記載したような従来の技術を採用しても高精度なガス漏れ検知を実現させることが困難となる場合がある。   By the way, in a fuel cell system equipped with an electromagnetic on-off valve for adjusting the supply pressure of fuel gas, in order to reduce noise caused by the on-off operation of the on-off valve, the driving cycle of the on-off valve during low load operation is set. There is a case where control is set to be longer than the drive cycle during normal operation. If the drive cycle of the on-off valve is set to be long in this way, the change in the pressure of the fuel gas in the flow path becomes large. Therefore, even if the conventional technique as described in Patent Document 1 is adopted, highly accurate gas leak detection May be difficult to achieve.

また、前記した従来の技術を採用して高精度なガス漏れ検知を実現させようとすると、燃料電池の発電電流や流路内のガス圧力変化を常時監視する必要があり、制御がきわめて複雑になるという問題があった。   In addition, if the above-described conventional technology is used to achieve highly accurate gas leak detection, it is necessary to constantly monitor the power generation current of the fuel cell and the gas pressure change in the flow path, which makes the control extremely complicated. There was a problem of becoming.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給圧力を調整するための開閉弁と、システム内の不純物を外部に排出するための排出弁と、を備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な制御を採用しながら排出弁のガス漏れ検知精度を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell system comprising an on-off valve for adjusting the supply pressure of fuel gas and a discharge valve for discharging impurities in the system to the outside An object of the present invention is to improve the accuracy of gas leak detection of the discharge valve while adopting relatively simple control.

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、燃料電池から排出されるガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁と、供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するように所定の駆動周期で駆動制御される開閉弁と、を備える燃料電池システムにおいて、開閉弁の一駆動周期間における開閉弁下流側のガス状態に基づいて排出弁からのガス漏れを検知するガス漏れ検知手段を備えるものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention comprises a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a gas discharged from the fuel cell. A discharge channel for flowing, a discharge valve for discharging the gas in the discharge channel to the outside, and a predetermined driving cycle so as to adjust the gas state on the upstream side of the supply channel and supply it to the downstream side A fuel cell system comprising a gas leakage detection means for detecting gas leakage from the discharge valve based on a gas state downstream of the on-off valve during one drive cycle of the on-off valve It is.

かかる構成を採用すると、開閉弁の一駆動周期間における開閉弁下流側のガス状態に基づいて、排出弁からのガス漏れを検知することができる。開閉弁の一駆動周期間においては、ガス漏れ検知のために必要なガス状態を精度良く検出(算出)することができるため、比較的簡易な制御でガス漏れ検知精度を高めることが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味する。また、「開閉弁下流側のガス状態」には、開閉弁から燃料電池へのガス供給量、燃料電池におけるガス消費量、供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値等が含まれるものとする。   When such a configuration is adopted, it is possible to detect a gas leak from the discharge valve based on the gas state downstream of the opening / closing valve during one driving cycle of the opening / closing valve. Since the gas state necessary for gas leak detection can be detected (calculated) with high accuracy during one drive cycle of the on-off valve, the gas leak detection accuracy can be increased with relatively simple control. . The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, or the like. The “gas state downstream of the on-off valve” includes the amount of gas supplied from the on-off valve to the fuel cell, the amount of gas consumed in the fuel cell, the gas pressure value on the downstream side of the on-off valve of the supply channel, etc. To do.

前記燃料電池システムにおいて、駆動周期毎に駆動許可指令を送出して開閉弁を駆動制御する制御手段を備えるとともに、駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始するガス漏れ検知手段を採用することができる。   The fuel cell system includes a control unit that controls driving of the on-off valve by sending a drive permission command for each drive cycle, and employs a gas leak detection unit that starts gas leak detection from the time when the drive permission command is sent. can do.

また、前記燃料電池システムにおいて、一駆動周期間におけるガス供給量(開閉弁から燃料電池へのガス供給量)から、一駆動周期間におけるガス消費量(燃料電池におけるガス消費量)と、ガス圧力値(供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値)から算出される流路内のガス残存量と、を減算することによりガス漏れ量を算出し、算出したガス漏れ量が所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定するガス漏れ検知手段を採用することができる。   In the fuel cell system, the gas supply amount (gas supply amount from the on-off valve to the fuel cell) during one driving cycle, the gas consumption amount (gas consumption amount in the fuel cell) during one driving cycle, and the gas pressure The gas leakage amount is calculated by subtracting the gas remaining amount in the flow path calculated from the value (the gas pressure value downstream of the on-off valve of the supply flow path), and the calculated gas leakage amount reaches a predetermined threshold value. A gas leak detection means that determines that a gas leak has occurred when the value exceeds the limit can be employed.

また、前記燃料電池システムにおいて、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過した時点におけるガス圧力値(供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値)が所定圧力値に達しない場合に、ガス漏れが発生したものと判定するガス漏れ検知手段を採用することもできる。   Further, in the fuel cell system, when the gas pressure value (the gas pressure value on the downstream side of the on-off valve of the supply channel) does not reach the predetermined pressure value when the predetermined time has elapsed from the gas leak detection start time, It is also possible to employ a gas leak detection means that determines that the gas has occurred.

かかる構成を採用すると、開閉弁下流側におけるガス圧力値が、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過しても上昇しない(所定圧力値に達しない)場合に、排出弁からのガス漏れ量が開閉弁からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定することができる。   When this configuration is adopted, the gas leak amount from the discharge valve opens and closes when the gas pressure value on the downstream side of the on-off valve does not increase (not reach the predetermined pressure value) even after a predetermined time has elapsed since the start of gas leak detection. It is estimated that the amount of gas supplied from the valve is exceeded, and it can be determined that a gas leak has occurred.

また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを開閉弁として採用することができる。   In the fuel cell system, an injector can be employed as an on-off valve.

インジェクタとは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態(ガス流量やガス圧力)を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を高精度に制御することが可能となる。   An injector is an electromagnetically driven opening and closing that can adjust the gas state (gas flow rate and gas pressure) by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat It is a valve. The predetermined control unit drives the valve body of the injector to control the fuel gas injection timing and injection time, whereby the flow rate and pressure of the fuel gas can be controlled with high accuracy.

本発明によれば、燃料ガスの供給圧力を調整するための開閉弁と、システム内の不純物を外部に排出するための排出弁と、を備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な制御を採用しながら排出弁のガス漏れ検知精度を向上させることが可能となる。   According to the present invention, a relatively simple control is employed in a fuel cell system including an on-off valve for adjusting the supply pressure of fuel gas and a discharge valve for discharging impurities in the system to the outside. However, it is possible to improve the gas leak detection accuracy of the discharge valve.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両(移動体)の車載発電システムに適用した例について説明することとする。   Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (moving body) will be described.

まず、図1〜図3を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1は、図1に示すように、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて電力を発生する燃料電池2、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4、燃料電池2に冷媒を供給して燃料電池2を冷却する冷媒配管系5、システムの電力を充放電する電力系6、システム全体を統括制御する制御部7等を備えている。   First, the structure of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidizing gas and fuel gas), and air as oxidizing gas to the fuel cell 2. Supplying oxidant gas piping system 3, fuel gas piping system 4 for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell 2, refrigerant piping system 5 for supplying the refrigerant to the fuel cell 2 and cooling the fuel cell 2, and system power Power system 6 for charging / discharging, and a control unit 7 for controlling the entire system.

燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池2の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2には、発電中の電流を検出する電流センサ2aが取り付けられている。   The fuel cell 2 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The unit cell of the fuel cell 2 has a pair of separators having an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and further sandwiching the air electrode and the fuel electrode from both sides. have. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell 2 generates electric power by this gas supply. The fuel cell 2 is provided with a current sensor 2a for detecting a current during power generation.

酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路12と、を有している。空気供給流路11には、フィルタ13を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ14と、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられている。排気流路12を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ14は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。   The oxidizing gas piping system 3 has an air supply passage 11 through which oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 flows, and an exhaust passage 12 through which oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 2 flows. The air supply flow path 11 is provided with a compressor 14 that takes in the oxidizing gas via the filter 13 and a humidifier 15 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 14. The oxidizing off-gas flowing through the exhaust passage 12 is subjected to moisture exchange by the humidifier 15 through the back pressure adjusting valve 16, and is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas. The compressor 14 takes in the oxidizing gas in the atmosphere by driving a motor (not shown).

燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる水素供給流路22と、燃料電池2から排出されたガスを水素供給流路22の合流点A1に戻すための循環流路23と、循環流路23内のガスを水素供給流路22に圧送する水素ポンプ24と、循環流路23に分岐接続された排気排水流路25と、を有している。   The fuel gas piping system 4 includes a hydrogen supply source 21, a hydrogen supply passage 22 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel cell 2 flows, and a gas discharged from the fuel cell 2 through the hydrogen supply passage 22. A circulation flow path 23 for returning to the confluence point A1, a hydrogen pump 24 for pumping the gas in the circulation flow path 23 to the hydrogen supply flow path 22, and an exhaust / drain flow path 25 branched and connected to the circulation flow path 23. ,have.

水素供給源21は、本発明における燃料供給源に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧の水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁26を開くと、水素供給源21から水素供給流路22に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ27やインジェクタ28により最終的に所定の低圧まで減圧されて、燃料電池2に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源21を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源21として採用することもできる。   The hydrogen supply source 21 corresponds to the fuel supply source in the present invention, and is constituted by, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy, and is configured to store high-pressure hydrogen gas. When a shut-off valve 26 described later is opened, hydrogen gas flows out from the hydrogen supply source 21 into the hydrogen supply flow path 22. The hydrogen gas is finally depressurized to a predetermined low pressure by a regulator 27 and an injector 28 described later, and is supplied to the fuel cell 2. The hydrogen supply source 21 is composed of a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state. May be. In addition, a tank having a hydrogen storage alloy can be employed as the hydrogen supply source 21.

水素供給流路22には、水素供給源21からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁26と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ27と、インジェクタ28と、が設けられている。また、インジェクタ28の下流側であって水素供給流路22と循環流路23との合流部A1の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力及び温度を検出する圧力センサ29及び図示していない温度センサが設けられている。また、インジェクタ28の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ29等で検出された水素ガスのガス状態(圧力、温度)に係る情報は、各種制御に用いられる。   The hydrogen supply flow path 22 is provided with a shutoff valve 26 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen supply source 21, a regulator 27 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 28. A pressure sensor 29 that detects the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply channel 22 is located downstream of the injector 28 and upstream of the junction A1 between the hydrogen supply channel 22 and the circulation channel 23. A temperature sensor (not shown) is provided. Further, on the upstream side of the injector 28, a pressure sensor and a temperature sensor (not shown) for detecting the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 are provided. Information relating to the gas state (pressure, temperature) of the hydrogen gas detected by the pressure sensor 29 or the like is used for various controls.

レギュレータ27は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ27として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図1に示すように、インジェクタ28の上流側にレギュレータ27を2個配置することにより、インジェクタ28の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ28の機械的構造(弁体、筺体、流路、駆動装置等)の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ28の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ28の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ28の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ28の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ28の応答性の低下を抑制することができる。   The regulator 27 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure. In this embodiment, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure is employed as the regulator 27. The mechanical pressure reducing valve has a structure in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. Thus, a publicly known configuration for the secondary pressure can be employed. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the upstream pressure of the injector 28 can be effectively reduced by arranging two regulators 27 on the upstream side of the injector 28. For this reason, the design freedom of the mechanical structure (a valve body, a housing, a flow path, a drive device, etc.) of the injector 28 can be increased. In addition, since the upstream pressure of the injector 28 can be reduced, it is possible to prevent the valve body of the injector 28 from becoming difficult to move due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector 28. be able to. Therefore, it is possible to widen the adjustable pressure width of the downstream pressure of the injector 28 and to suppress a decrease in responsiveness of the injector 28.

インジェクタ28は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ28は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ28の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を2段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部7から出力される制御信号によってインジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ28は、弁(弁体及び弁座)を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。   The injector 28 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. The injector 28 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as hydrogen gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow direction) with respect to the nozzle body. And a valve body that is movably accommodated and opens and closes the injection hole. In the present embodiment, the valve body of the injector 28 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and the opening area of the injection hole is made two or more stages by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid. It can be switched. By controlling the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 by the control signal output from the control unit 7, the flow rate and pressure of the hydrogen gas are controlled with high accuracy. The injector 28 directly opens and closes the valve (valve body and valve seat) with an electromagnetic driving force, and has a high responsiveness because its driving cycle can be controlled to a highly responsive region.

インジェクタ28は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ28のガス流路に設けられた弁体の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側(燃料電池2側)に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。なお、インジェクタ28の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ28下流に供給されるガス圧力がインジェクタ28上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ28を調圧弁(減圧弁、レギュレータ)と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ28の上流ガス圧の調圧量(減圧量)を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。   Injector 28 changes downstream by changing at least one of the opening area (opening) and opening time of the valve provided in the gas flow path of injector 28 in order to supply the required gas flow rate downstream. The gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the side (fuel cell 2 side) is adjusted. Since the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve body of the injector 28 and the gas pressure supplied downstream of the injector 28 is reduced from the gas pressure upstream of the injector 28, the injector 28 is controlled by a pressure regulating valve (pressure reducing valve, regulator). ). Further, in the present embodiment, a variable pressure control valve capable of changing the pressure adjustment amount (pressure reduction amount) of the upstream gas pressure of the injector 28 so as to match the required pressure within a predetermined pressure range according to the gas requirement. Can also be interpreted.

なお、本実施形態においては、図1に示すように、水素供給流路22と循環流路23との合流部A1より上流側にインジェクタ28を配置している。また、図1に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源21を採用する場合には、各水素供給源21から供給される水素ガスが合流する部分(水素ガス合流部A2)よりも下流側にインジェクタ28を配置するようにする。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the injector 28 is disposed upstream of the junction A <b> 1 between the hydrogen supply channel 22 and the circulation channel 23. Further, as shown by a broken line in FIG. 1, when a plurality of hydrogen supply sources 21 are employed as the fuel supply source, a portion where the hydrogen gas supplied from each hydrogen supply source 21 merges (hydrogen gas merge portion A2). In addition, the injector 28 is arranged on the downstream side.

循環流路23には、気液分離器30及び排気排水弁31を介して、排気排水流路25が接続されている。気液分離器30は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁31は、制御部7からの指令によって作動することにより、気液分離器30で回収した水分と、循環流路23内の不純物を含むガスと、を外部に排出(パージ)するものである。排気排水弁31の開放により、循環流路23内のガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給されるガス中の水素濃度が上がる。循環流路23は本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁31は本発明における排出弁の一実施形態である。   An exhaust / drain channel 25 is connected to the circulation channel 23 via a gas / liquid separator 30 and an exhaust / drain valve 31. The gas-liquid separator 30 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 31 is operated according to a command from the control unit 7 to discharge (purge) the moisture collected by the gas-liquid separator 30 and the gas containing impurities in the circulation passage 23 to the outside. It is. By opening the exhaust / drain valve 31, the concentration of impurities in the gas in the circulation passage 23 decreases, and the concentration of hydrogen in the circulated gas increases. The circulation flow path 23 is an embodiment of the discharge flow path in the present invention, and the exhaust / drain valve 31 is an embodiment of the discharge valve in the present invention.

排気排水弁31及び排気排水流路25を介して排出されるガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路12内のガスと合流するようになっている。水素ポンプ24は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池2に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路22の合流点A1の下流側流路と、燃料電池2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路23と、によって構成されることとなる。   The gas discharged through the exhaust / drain valve 31 and the exhaust / drain passage 25 is diluted by a diluter (not shown) and merges with the gas in the exhaust passage 12. The hydrogen pump 24 circulates and supplies the hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown). The hydrogen gas circulation system is constituted by a downstream channel of the junction A1 of the hydrogen supply channel 22, a fuel gas channel formed in the separator of the fuel cell 2, and a circulation channel 23. Become.

冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路に連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、を有している。冷却ポンプ42は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。   The refrigerant piping system 5 includes a refrigerant channel 41 communicating with the cooling channel in the fuel cell 2, a cooling pump 42 provided in the refrigerant channel 41, and a radiator 43 that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 2. ,have. The cooling pump 42 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant channel 41 to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown).

電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2又はトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。   The power system 6 includes a high-voltage DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, a traction motor 64, various auxiliary machine inverters not shown, and the like. The high-voltage DC / DC converter 61 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 62 and outputs it to the traction inverter 63 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor 64. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 62. The charge / discharge of the battery 62 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 61. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 61.

バッテリ62は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部7からの制御指令に従って燃料電池2又はバッテリ62から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。   The battery 62 is configured such that battery cells are stacked and a constant high voltage is used as a terminal voltage, and surplus power can be charged or power can be supplementarily supplied under the control of a battery computer (not shown). The traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64. The traction motor 64 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a main power source of a vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted. The auxiliary inverter is an electric motor control unit that controls driving of each motor, converts a direct current into a three-phase alternating current, and supplies the three-phase alternating current to each motor. The auxiliary inverter is, for example, a pulse width modulation type PWM inverter, which converts the DC voltage output from the fuel cell 2 or the battery 62 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the control unit 7 and is generated by each motor. To control the rotational torque.

制御部7は、車両に設けられた加速用の操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えばトラクションモータ64等の負荷装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ64のほかに、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ14、水素ポンプ24、冷却ポンプ42の各モータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。   The control unit 7 detects an operation amount of an operation member (accelerator or the like) for acceleration provided in the vehicle, and receives control information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a load device such as the traction motor 64). To control the operation of various devices in the system. In addition to the traction motor 64, the load device is an auxiliary device necessary for operating the fuel cell 2 (for example, each motor of the compressor 14, the hydrogen pump 24, the cooling pump 42, etc.), and is involved in traveling of the vehicle. It is a collective term for power consumption devices including actuators used in various devices (transmissions, wheel control units, steering devices, suspension devices, etc.), air conditioners (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, and the like.

制御部7は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPUが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の処理や制御を行う。   The control unit 7 is configured by a computer system (not shown). Such a computer system includes a CPU, a ROM, a RAM, an HDD, an input / output interface, a display, and the like. When the CPU reads various control programs recorded in the ROM and executes desired calculations, various processes are performed. And do control.

具体的には、制御部7は、図2に示すように、電流センサ2aで検出した燃料電池2の発電電流値に基づいて、燃料電池2で消費される水素ガスの流量(以下「水素消費量」という)を算出する(燃料消費量算出機能:B1)。本実施形態においては、発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御部7の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the control unit 7 determines the flow rate of hydrogen gas consumed by the fuel cell 2 (hereinafter referred to as “hydrogen consumption”) based on the generated current value of the fuel cell 2 detected by the current sensor 2a. (Referred to as “amount”) (fuel consumption calculation function: B1). In the present embodiment, the hydrogen consumption is calculated and updated every calculation cycle of the control unit 7 using a specific calculation expression representing the relationship between the generated current value and the hydrogen consumption.

また、制御部7は、燃料電池2の発電電流値に基づいて、燃料電池2に供給される水素ガスのインジェクタ28の下流位置における目標圧力値を算出する(目標圧力値算出機能:B2)とともに、目標パージ量(排気排水弁31からの水素オフガスの目標排出量)を算出する。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部7の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。   The control unit 7 calculates a target pressure value at a downstream position of the injector 28 of hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 based on the generated current value of the fuel cell 2 (target pressure value calculation function: B2). The target purge amount (target discharge amount of hydrogen off-gas from the exhaust / drain valve 31) is calculated. In the present embodiment, the target pressure value and the target purge amount are calculated for each calculation cycle of the control unit 7 using a specific map representing the relationship between the generated current value, the target pressure value, and the target purge amount.

また、制御部7は、算出した目標圧力値と、圧力センサ29で検出したインジェクタ28の下流位置の圧力値(検出圧力値)と、の偏差を算出する(圧力差算出機能:B3)。そして、制御部7は、算出した偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量(フィードバック補正流量)を算出する(補正流量算出機能:B4)。また、制御部7は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ28の噴射流量を算出する(噴射流量算出機能:B5)。   The control unit 7 calculates a deviation between the calculated target pressure value and the pressure value (detected pressure value) at the downstream position of the injector 28 detected by the pressure sensor 29 (pressure difference calculation function: B3). And the control part 7 calculates the hydrogen gas flow volume (feedback correction flow volume) added to hydrogen consumption in order to reduce the calculated deviation (correction flow volume calculation function: B4). The control unit 7 calculates the injection flow rate of the injector 28 by adding the hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate (injection flow rate calculation function: B5).

そして、制御部7は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ28の噴射時間を算出し、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池2に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。この際、制御部7は、駆動周期毎に駆動許可指令(開弁指令)を送出してインジェクタ28を駆動制御する。すなわち、制御部7は、本発明における制御手段として機能する。なお、駆動周期とは、図3(A)に示すように、インジェクタ28の噴射孔の開閉状態を表す段状(オン・オフ)波形の周期t0を意味する。本実施形態においては、システムの運転状態と駆動周期との関係を表す特定のマップを用いて、制御部7の演算周期毎に駆動周期を算出して更新することとしている。 Then, the control unit 7 calculates the injection time of the injector 28 based on the calculated injection flow rate and drive cycle, and outputs a control signal for realizing this injection time, whereby the gas injection time and gas of the injector 28 are output. The injection timing is controlled to adjust the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2. At this time, the control unit 7 controls driving of the injector 28 by sending a drive permission command (valve opening command) for each drive cycle. That is, the control unit 7 functions as a control unit in the present invention. Here, the drive cycle, as shown in FIG. 3 (A), means the period t 0 of the stepped (on-off) waveform representing the open or closed state of the injection hole of the injector 28. In the present embodiment, the drive cycle is calculated and updated for each calculation cycle of the control unit 7 using a specific map representing the relationship between the operation state of the system and the drive cycle.

また、制御部7は、前記したインジェクタ28のフィードバック制御を行うと同時に、排気排水弁31の開閉制御を行うことにより、循環流路23内の水分及びガスを排気排水弁31から外部に排出する。この際、制御部7は、インジェクタ28からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁31からのガスのパージ量(総排出量)Qを算出し(パージ量算出機能:B6)、算出したパージ量Qが所定の目標パージ量Q0以上であるか否かを判定する(パージ量偏差判定機能:B7)。そして、制御部7は、算出したパージ量Qが目標パージ量Q0未満である場合には排気排水弁31を開放し、算出したパージ量Qが目標パージ量Q0以上である場合には排気排水弁31を閉鎖する(パージ制御機能:B8)。 Further, the control unit 7 performs the feedback control of the injector 28 described above and simultaneously controls the opening / closing of the exhaust / drain valve 31 to discharge moisture and gas in the circulation passage 23 from the exhaust / drain valve 31 to the outside. . At this time, the control unit 7 calculates the purge amount (total discharge amount) Q of the gas from the exhaust / drain valve 31 based on the change in the gas supply state from the injector 28 (purge amount calculation function: B6), and calculates it. It is determined whether or not the purge amount Q is equal to or greater than a predetermined target purge amount Q 0 (purge amount deviation determination function: B7). The control unit 7 opens the exhaust drain valve 31 when the calculated purge amount Q is less than the target purge amount Q 0 , and exhausts when the calculated purge amount Q is equal to or greater than the target purge amount Q 0. The drain valve 31 is closed (purge control function: B8).

また、制御部7は、インジェクタ28下流側のガス状態に基づいて、排気排水弁31からのガス漏れを検知する。具体的には、制御部7は、所定検出時間t内におけるインジェクタ28から燃料電池2への水素ガスの噴射総量(ガス供給量QINJ)から、所定検出時間t内における燃料電池2における水素ガスの消費総量(ガス消費量QFC)と、インジェクタ28の下流側における水素ガスの圧力値から算出される循環系流路内のガス残存量QΔPと、を減算することによりガス漏れ量QLを算出し、算出したガス漏れ量QLが所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定する(ガス漏れ検知機能:B9)。すなわち、制御部7は、本発明におけるガス漏れ検知手段としても機能する。 Further, the control unit 7 detects a gas leak from the exhaust / drain valve 31 based on the gas state downstream of the injector 28. Specifically, the control unit 7 determines the hydrogen gas in the fuel cell 2 within the predetermined detection time t from the total injection amount (gas supply amount Q INJ ) of hydrogen gas from the injector 28 to the fuel cell 2 within the predetermined detection time t. The gas leakage amount Q L is obtained by subtracting the total consumption amount of gas (gas consumption amount Q FC ) from the residual gas amount QΔ P in the circulation system flow path calculated from the pressure value of the hydrogen gas downstream of the injector 28. Is calculated, and it is determined that a gas leak has occurred when the calculated gas leak amount Q L exceeds a predetermined threshold (gas leak detection function: B9). That is, the control unit 7 also functions as a gas leak detection unit in the present invention.

ここで、所定検出時間t(s)内におけるガス供給量QINJ(NL/min)、ガス消費量QFC(NL/min)及びガス残存量QΔP(NL/min)は、各々、以下の式(A)〜式(C)により算出される。また、所定検出時間t(s)内におけるガス漏れ量QL(NL/min)は、式(D)により算出される。 Here, the gas supply amount Q INJ (NL / min), the gas consumption amount Q FC (NL / min), and the residual gas amount QΔ P (NL / min) within the predetermined detection time t (s) are as follows: It is calculated by formula (A) to formula (C). Further, the gas leakage amount Q L (NL / min) within the predetermined detection time t (s) is calculated by the equation (D).

Figure 2009140658
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式(A)において、Nはインジェクタ28の噴射回数を意味し、VINJ(NL/噴射)はインジェクタ28の各噴射時(各駆動周期)における噴射量を意味する。式(B)において、tC(s)は制御部7の制御周期(tC<t0)を意味し、VFC(NL/tC )は制御部7の各制御周期tC(s)における水素ガスの消費量を意味する。式(C)において、k(=1/101.3)は単位変換係数を意味し、V(L)は循環系流路の体積(水素供給流路22の合流点A1の下流側流路と、燃料電池2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路23と、から構成される流路の体積)を意味し、T(℃)は水素供給流路22のインジェクタ28下流側における水素ガスの温度を意味する。また、式(C)において、P1(kPa.abs)は所定検出時間tの開始時点において圧力センサ29で検出したインジェクタ28下流側における水素ガスの圧力値を意味し、P2(kPa.abs)は所定検出時間tの終了時点において圧力センサ29で検出したインジェクタ28下流側における水素ガスの圧力値を意味する。 In the formula (A), N means the number of injections of the injector 28, and V INJ (NL / injection) means the injection amount at each injection (each drive cycle) of the injector 28. Wherein in (B), t C (s ) control cycle of the controller 7 (t C <t 0) means, V FC (NL / t C ) each control cycle of the control unit 7 t C (s) Means the consumption of hydrogen gas in In the formula (C), k (= 1 / 101.3) means a unit conversion coefficient, and V (L) is the volume of the circulation system channel (the downstream channel of the confluence A1 of the hydrogen supply channel 22 and the fuel). Means the volume of the flow path formed by the fuel gas flow path formed in the separator of the battery 2 and the circulation flow path 23, and T (° C.) is hydrogen on the downstream side of the injector 28 of the hydrogen supply flow path 22. It means the temperature of the gas. In the formula (C), P 1 (kPa.abs) means the pressure value of the hydrogen gas downstream of the injector 28 detected by the pressure sensor 29 at the start of the predetermined detection time t, and P 2 (kPa.abs ) Means the pressure value of the hydrogen gas downstream of the injector 28 detected by the pressure sensor 29 at the end of the predetermined detection time t.

本実施形態における制御部7は、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始し、インジェクタ28の一駆動周期t0間において排気排水弁31からのガス漏れを検知する。具体的には、制御部7は、図3(A)〜(C)に示すように、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点(駆動周期t0の開始時点)から駆動周期t0の終了時点までガス供給量QINJ及びガス消費量QFCの算出を行う。また、制御部7は、図3(A)及び図3(D)に示すように、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点(駆動周期t0の開始時点)と、駆動周期t0の終了時点と、の双方においてインジェクタ28の下流側圧力P1、P2を検出し、これらの値を用いて循環系流路内のガス残存量QΔPの算出を行う。そして、駆動周期t0におけるガス漏れ量QLを算出してガス漏れ判定を行う。 The control unit 7 in the present embodiment starts gas leak detection from the time when the drive permission command for the injector 28 is sent, and detects gas leak from the exhaust / drain valve 31 during one drive cycle t 0 of the injector 28. Specifically, the control unit 7, as shown in FIG. 3 (A) ~ (C) , from the time when the driving permission command of the injector 28 has been sent (the beginning of the driving period t 0) of the driving period t 0 The gas supply amount Q INJ and the gas consumption amount Q FC are calculated until the end. The control unit 7, as shown in FIG. 3 (A) and FIG. 3 (D), the a time when the drive permission command of the injector 28 has been sent (the beginning of the driving period t 0), the driving period t 0 and end, both to detect the downstream pressure P 1, P 2 of the injector 28 in the, to calculate the gas residual amount Qderuta P of circulation flow path by using these values. Then, a gas leak determination is performed by calculating the gas leak amount Q L in the drive cycle t 0 .

図3(D)に示すように、駆動周期t0の開始時点及び終了時点におけるインジェクタ28の下流側圧力P1、P2は略同一の値となるため、これらの値を用いて式(C)に基づいて算出されるガス残存量QΔPの値は略零となる。従って、検出時間の開始時点及び終了時点におけるインジェクタ28の下流側圧力の偏差に起因したガス漏れ量QLの算出誤差を、極力抑えることができる。制御部7は、このようにインジェクタ28の一駆動周期t0間において排気排水弁31からのガス漏れを検知するため、ガス漏れ量QLを精確に算出することができ、ガス漏れ判定精度を向上させることができる。 As shown in FIG. 3D, since the downstream pressures P 1 and P 2 of the injector 28 at the start time and end time of the driving cycle t 0 are substantially the same value, the values (C the value of gas residual amount Qderuta P calculated based on) is substantially zero. Therefore, the calculation error of the gas leakage amount Q L due to the deviation of the downstream pressure of the injector 28 at the start time and end time of the detection time can be suppressed as much as possible. Control unit 7, thus to detect a gas leakage from the water discharge valve 31 in between first drive period t 0 of the injector 28, it is possible to accurately calculate the amount of gas leakage Q L, a gas leakage determination accuracy Can be improved.

また、制御部7は、ガス漏れ検知開始時点から所定時間(例えば数秒間)経過した時点におけるインジェクタ28の下流側の圧力値が所定圧力値に達しない場合には、排気排水弁31からのガス漏れ量がインジェクタ28からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定する。   In addition, when the pressure value on the downstream side of the injector 28 does not reach the predetermined pressure value when a predetermined time (for example, several seconds) has elapsed since the gas leak detection start time, the control unit 7 It is estimated that the amount of leakage exceeds the amount of gas supplied from the injector 28, and it is determined that a gas leak has occurred.

続いて、図4のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法について説明する。   Next, an operation method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described using the flowchart of FIG.

燃料電池システム1の通常運転時においては、水素供給源21から水素ガスが水素供給流路22を介して燃料電池2の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路11を介して燃料電池2の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池2から引き出すべき電力(要求電力)が制御部7で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池2内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時に、インジェクタ28のフィードバック制御を実施するとともに、排気排水弁31からのガス漏れを検知する。   During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel electrode of the fuel cell 2 through the hydrogen supply channel 22, and the air whose humidity has been adjusted is supplied to the air supply channel 11. Is supplied to the oxidation electrode of the fuel cell 2 through the electric power to generate electricity. At this time, electric power (required electric power) to be drawn from the fuel cell 2 is calculated by the control unit 7, and hydrogen gas and air in amounts corresponding to the amount of power generation are supplied into the fuel cell 2. In the present embodiment, during such normal operation, feedback control of the injector 28 is performed, and gas leakage from the exhaust / drain valve 31 is detected.

まず、図4のフローチャートに示すように、燃料電池システム1の制御部7は、電流センサ2aを用いて燃料電池2の発電時における電流値を検出する(電流検出工程:S1)。次いで、制御部7は、検出した電流値に基づいて、燃料電池2における水素消費量を算出する(水素消費量算出工程:S2)とともに、燃料電池2に供給される水素ガスのインジェクタ28の下流位置における目標圧力値を算出する(目標圧力値算出工程:S3)。   First, as shown in the flowchart of FIG. 4, the control unit 7 of the fuel cell system 1 detects a current value during power generation of the fuel cell 2 using the current sensor 2a (current detection step: S1). Next, the control unit 7 calculates the hydrogen consumption in the fuel cell 2 based on the detected current value (hydrogen consumption calculation step: S2), and downstream of the injector 28 for the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2. A target pressure value at the position is calculated (target pressure value calculating step: S3).

次いで、制御部7は、圧力センサ29を用いて、インジェクタ28の下流側の圧力値を検出する(圧力値検出工程:S4)。次いで、制御部7は、目標圧力値算出工程S3で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程S4で検出した圧力値(検出圧力値)と、の偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量(フィードバック補正流量)を算出し、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ28の噴射流量を算出する(噴射流量算出工程:S5)。そして、制御部7は、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ28の噴射時間を算出し、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池2に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する(フィードバック制御工程:S6)。   Next, the control unit 7 detects the pressure value on the downstream side of the injector 28 using the pressure sensor 29 (pressure value detection step: S4). Next, the control unit 7 adds to the hydrogen consumption in order to reduce the deviation between the target pressure value calculated in the target pressure value calculation step S3 and the pressure value (detected pressure value) detected in the pressure value detection step S4. The hydrogen gas flow rate (feedback correction flow rate) is calculated, and the hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate are added to calculate the injection flow rate of the injector 28 (injection flow rate calculation step: S5). And the control part 7 calculates the injection time of the injector 28 based on this injection flow rate and a drive period, and outputs the control signal for implement | achieving this injection time, The gas injection time and gas injection of the injector 28 are output. The timing is controlled to adjust the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 (feedback control step: S6).

制御部7は、前記したフィードバック制御工程S6を実現させながら、排気排水弁31からのガス漏れを検知する。制御部7は、ガス漏れ検知が可能か否かを判定する(漏れ検知許可判定工程:S7)。本実施形態においては、インジェクタ28の駆動許可指令が送出され、かつ、インジェクタ28の下流側における水素ガスの圧力値が所定の基準圧力値(例えば図3(D)におけるP0)を所定時間継続して下回った場合に、ガス漏れ検知が可能であると判定する。 The control unit 7 detects a gas leak from the exhaust / drain valve 31 while realizing the feedback control step S6 described above. The controller 7 determines whether or not gas leak detection is possible (leak detection permission determination step: S7). In the present embodiment, a drive permission command for the injector 28 is sent, and the hydrogen gas pressure value downstream of the injector 28 continues a predetermined reference pressure value (for example, P 0 in FIG. 3D ) for a predetermined time. If it falls below, it is determined that gas leak detection is possible.

制御部7は、漏れ検知許可判定工程S7においてガス漏れ検知が不能であると判定した場合には、それ以降の工程を経ることなく制御動作を終了する。一方、制御部7は、漏れ検知許可判定工程S7においてガス漏れ検知が可能であると判定した場合には、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始し、インジェクタ28の一駆動周期t0間におけるガス漏れ量QL(ガス供給量QINJ、ガス消費量QFC、ガス残存量QΔP)を算出する(ガス漏れ量算出工程:S8)。そして、制御部7は、算出したガス漏れ量QLが所定の閾値を上回るか否か、又は、インジェクタ28の下流側圧力値が所定圧力値に達しない状態(圧力低下状態)がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続したか否か、を判定する(ガス漏れ判定工程:S9)。 When it is determined that the leak detection is not possible in the leak detection permission determination step S7, the control unit 7 ends the control operation without passing through the subsequent steps. On the other hand, when it is determined that the gas leakage detection is possible in the leakage detection permission determination step S7, the control unit 7 starts the gas leakage detection from the time when the drive permission command for the injector 28 is sent. A gas leakage amount Q L (gas supply amount Q INJ , gas consumption amount Q FC , gas residual amount QΔ P ) is calculated during one drive cycle t 0 (gas leakage amount calculation step: S8). Then, the control unit 7 detects whether or not the calculated gas leakage amount Q L exceeds a predetermined threshold value, or the state where the downstream pressure value of the injector 28 does not reach the predetermined pressure value (pressure drop state). It is determined whether or not the predetermined time has elapsed from the start time (gas leak determination step: S9).

制御部7は、ガス漏れ判定工程S9において、ガス漏れ量QLが所定の閾値を上回る(又は圧力低下状態がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続する)ものと判定した場合には、排気排水弁31においてガス漏れが発生したものと判定して所定の処理を行い(ガス漏れ処理工程:S10)、制御動作を終了する。一方、制御部7は、ガス漏れ判定工程S9において、ガス漏れ量QLが所定の閾値以下であり、かつ、圧力低下状態がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続していないものと判定した場合には、排気排水弁31においてガス漏れは発生していないと判定し、そのまま制御動作を終了する。 When the control unit 7 determines in the gas leak determination step S9 that the gas leak amount Q L exceeds a predetermined threshold (or the pressure drop state continues for a predetermined time from the start of gas leak detection), the exhaust drainage It is determined that a gas leak has occurred in the valve 31, a predetermined process is performed (gas leak process step: S10), and the control operation is terminated. On the other hand, when the control unit 7 determines in the gas leakage determination step S9 that the gas leakage amount Q L is less than or equal to a predetermined threshold and the pressure drop state has not continued for a predetermined time from the start of gas leakage detection. In this case, it is determined that no gas leakage has occurred in the exhaust / drain valve 31, and the control operation is terminated as it is.

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、インジェクタ28の一駆動周期間におけるインジェクタ28下流側のガス状態に基づいて、排気排水弁31からのガス漏れを検知することができる。インジェクタ28の一駆動周期間においては、ガス漏れ検知のために必要なガス状態を精度良く検出(算出)することができるため、比較的簡易な制御でガス漏れ検知精度を高めることが可能となる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, it is possible to detect a gas leak from the exhaust / drain valve 31 based on the gas state downstream of the injector 28 during one drive cycle of the injector 28. Since the gas state necessary for gas leak detection can be detected (calculated) with high accuracy during one drive cycle of the injector 28, the gas leak detection accuracy can be increased with relatively simple control. .

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、インジェクタ28下流側におけるガス圧力値が、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過しても上昇しない(所定圧力値に達しない)場合に、排気排水弁31からのガス漏れ量がインジェクタ28からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定することができる。   Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, when the gas pressure value on the downstream side of the injector 28 does not increase (does not reach the predetermined pressure value) even if a predetermined time elapses from the gas leak detection start time. The gas leakage from the exhaust drain valve 31 can be estimated to exceed the gas supply from the injector 28, and it can be determined that a gas leak has occurred.

なお、以上の実施形態においては、循環流路23に水素ポンプ24を設けた例を示したが、水素ポンプ24に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁31を循環流路23に設けた例を示したが、気液分離器30で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路23内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部7で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。   In the above embodiment, an example in which the hydrogen pump 24 is provided in the circulation flow path 23 has been described. However, an ejector may be employed instead of the hydrogen pump 24. Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the exhaust drainage valve 31 which implement | achieves both exhaust_gas | exhaustion and waste_water | drain in the circulation flow path 23 was shown, the water | moisture content collect | recovered with the gas-liquid separator 30 is discharged | emitted outside. A drain valve and an exhaust valve for discharging the gas in the circulation channel 23 to the outside can be provided separately, and the drain valve and the exhaust valve can be controlled separately by the control unit 7.

また、以上の実施形態においては、水素供給流路22に遮断弁26及びレギュレータ27を設けた例を示したが、インジェクタ28は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁26やレギュレータ27を設けなくてもよい。従って、インジェクタ28を採用すると遮断弁26やレギュレータ27を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。   In the above embodiment, the example in which the shutoff valve 26 and the regulator 27 are provided in the hydrogen supply flow path 22 has been described. However, the injector 28 functions as a variable pressure control valve and shuts off the supply of hydrogen gas. Therefore, it is not always necessary to provide the shut-off valve 26 and the regulator 27. Therefore, when the injector 28 is employed, the shutoff valve 26 and the regulator 27 can be omitted, and the system can be reduced in size and cost.

また、以上の実施形態においては、燃料電池2の発電電流値に基づいて水素消費量や目標圧力値を設定した例を示したが、燃料電池2の運転状態を示す他の物理量(燃料電池2の発電電圧値や発電電力値、燃料電池2の温度等)を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量や目標圧力値を設定してもよい。また、燃料電池2が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態にあるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。   Moreover, in the above embodiment, although the example which set the hydrogen consumption and the target pressure value based on the electric power generation current value of the fuel cell 2 was shown, the other physical quantity (fuel cell 2 which shows the driving | running state of the fuel cell 2 was shown. The generated voltage value, the generated power value, the temperature of the fuel cell 2, etc.) may be detected, and the hydrogen consumption amount or the target pressure value may be set according to the detected physical quantity. Further, whether the fuel cell 2 is in a stopped state, in an operating state at the time of startup, in an operating state immediately before entering an intermittent operation, in an operating state immediately after recovering from an intermittent operation, or in a normal operating state It is also possible for the control unit to determine whether or not there is an operating state, and to set a hydrogen consumption amount or the like according to these operating states.

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。   Further, in each of the above embodiments, an example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle has been shown. Such a fuel cell system can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図1に示した燃料電池システムの制御部の制御態様を説明するための制御ブロック図である。It is a control block diagram for demonstrating the control aspect of the control part of the fuel cell system shown in FIG. 図1に示した燃料電池システムの制御部のガス漏れ判定機能を説明するためのタイムチャートであり、(A)はインジェクタの駆動許可指令の時間履歴を、(B)はインジェクタからのガス供給量の時間履歴を、(C)は燃料電池におけるガス消費量の時間履歴を、(D)はインジェクタ下流側圧力の時間履歴を、各々示すものである。2 is a time chart for explaining a gas leakage determination function of a control unit of the fuel cell system shown in FIG. 1, wherein (A) shows a time history of an injector drive permission command, and (B) shows a gas supply amount from the injector. (C) shows the time history of gas consumption in the fuel cell, and (D) shows the time history of the pressure downstream of the injector. 図1に示した燃料電池システムの排気排水弁のガス漏れ判定方法を説明するためのフローチャートである。2 is a flowchart for explaining a gas leak determination method for an exhaust / drain valve of the fuel cell system shown in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム、2…燃料電池、7…制御部(制御手段、ガス漏れ検知手段)、21…水素供給源(燃料供給源)、22…水素供給流路(供給流路)、23…循環流路(排出流路)、28…インジェクタ(開閉弁)、31…排気排水弁(排出弁)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 7 ... Control part (control means, gas leak detection means), 21 ... Hydrogen supply source (fuel supply source), 22 ... Hydrogen supply flow path (supply flow path), 23 ... Circulating flow path (discharge flow path), 28... Injector (open / close valve), 31... Exhaust drain valve (discharge valve).

Claims (5)

燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記燃料電池から排出されるガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁と、前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するように所定の駆動周期で駆動制御される開閉弁と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記開閉弁の一駆動周期間における前記開閉弁下流側のガス状態に基づいて前記排出弁からのガス漏れを検知するガス漏れ検知手段を備える、
燃料電池システム。
A fuel cell; a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell; a discharge channel for flowing gas discharged from the fuel cell; A fuel cell comprising: a discharge valve for discharging gas to the outside; and an on-off valve that is driven and controlled at a predetermined drive cycle so as to adjust the gas state upstream of the supply flow path and supply the gas downstream. In the system,
Gas leak detection means for detecting a gas leak from the discharge valve based on a gas state downstream of the on-off valve during one drive cycle of the on-off valve,
Fuel cell system.
駆動周期毎に駆動許可指令を送出して前記開閉弁を駆動制御する制御手段を備え、
前記ガス漏れ検知手段は、前記駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始するものである、
請求項1に記載の燃料電池システム。
A control means for driving and controlling the on-off valve by sending a drive permission command for each drive cycle;
The gas leak detection means starts gas leak detection from the time when the drive permission command is sent.
The fuel cell system according to claim 1.
前記開閉弁下流側のガス状態は、前記開閉弁から前記燃料電池へのガス供給量と、前記燃料電池におけるガス消費量と、前記供給流路の前記開閉弁下流側におけるガス圧力値と、を含むものであり、
前記ガス漏れ検知手段は、前記一駆動周期間における前記ガス供給量から、前記一駆動周期間における前記ガス消費量と、前記ガス圧力値から算出される流路内のガス残存量と、を減算することによりガス漏れ量を算出し、算出したガス漏れ量が所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定するものである、
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The gas state downstream of the on-off valve includes a gas supply amount from the on-off valve to the fuel cell, a gas consumption amount in the fuel cell, and a gas pressure value on the downstream side of the on-off valve of the supply passage. Including
The gas leak detection means subtracts the gas consumption amount during the one driving cycle and the residual gas amount in the flow path calculated from the gas pressure value from the gas supply amount during the one driving cycle. Calculating the amount of gas leakage, and determining that a gas leakage has occurred when the calculated amount of gas leakage exceeds a predetermined threshold,
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記ガス漏れ検知手段は、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過した時点における前記ガス圧力値が所定圧力値に達しない場合に、ガス漏れが発生したものと判定するものである、
請求項3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
The gas leak detection means determines that a gas leak has occurred when the gas pressure value at the time when a predetermined time has elapsed from the gas leak detection start time does not reach the predetermined pressure value.
The fuel cell system according to claim 3.
前記開閉弁は、インジェクタである、
請求項1から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。
The on-off valve is an injector;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013519984A (en) * 2010-02-19 2013-05-30 テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク Method and system for purifying a gas stream for a solid oxide battery

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