JP2009211919A - Fuel cell system - Google Patents

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fuel cell
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impurity
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liquid water
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Masaaki Matsusue
真明 松末
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately estimate in detail an inside state of a fuel cell and optimize the operation condition of the fuel cell based on the estimated contents. <P>SOLUTION: A fuel cell 10 is virtually divided into a plurality of small regions arranged in a line along the flow of hydrogen of a fuel cell. The generation of nitrogen or liquid water in each small region is calculated based on power generation environment in the small region, and the movement of nitrogen or liquid water to the downstream small region is also calculated. The amount of nitrogen and the amount of liquid water in each small region are periodically updated reflecting the generation or the movement of them. An ECU 4 controls the operation of a purge valve 6 or a hydrogen circulation valve 8 according to the estimated distribution state of nitrogen or liquid water in the fuel cell 10. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池内部の状態を推定してその推定内容に応じて燃料電池の運転条件を最適化する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that estimates the internal state of a fuel cell and optimizes the operating conditions of the fuel cell in accordance with the estimated contents.

燃料電池の発電能力は、反応ガスの濃度や湿度等、その内部の状態に大きく依存する。このため、例えば下記の各特許文献に記載されているように、従来提案されている幾つかの燃料電池システムでは、燃料電池の内部状態を推定してその推定内容に応じて燃料電池の運転条件を最適化することが行われている。これらのシステムでは、システム内に配備されたセンサの信号状態に燃料電池の内部状態を関連付け、センサの信号から燃料電池の内部状態を推定している。   The power generation capacity of a fuel cell greatly depends on its internal state such as the concentration and humidity of the reaction gas. For this reason, for example, as described in the following patent documents, in some conventionally proposed fuel cell systems, the internal state of the fuel cell is estimated, and the operating conditions of the fuel cell are determined according to the estimated contents. Has been done to optimize. In these systems, the internal state of the fuel cell is associated with the signal state of a sensor provided in the system, and the internal state of the fuel cell is estimated from the sensor signal.

特開2006−019121号公報JP 2006-019121 A 特開2006−318784号公報JP 2006-318784 A 特開2005−108673号公報JP 2005-108673 A 特開2004−179000号公報JP 2004-179000 A

燃料電池の発電性能はその内部の全体的な状態だけでなく、局所的な状態によっても左右される。特に、窒素や液水といった不純物が溜まっている場所と量は燃料電池の発電性能に大きく影響する。しかしながら、上記の各特許文献に記載されているシステムは、燃料電池内部のどこがどのような状態になっているかまでは詳細に推定できるようにはなっていなかった。燃料電池の運転条件を最適化してより一層の燃費向上を図るためには、燃料電池内部の状態をより詳しく、特に、不純物の分布状態を詳しく推定できる技術の開発が望まれていた。   The power generation performance of a fuel cell depends not only on the internal state of the fuel cell but also on the local state. In particular, the location and amount of impurities such as nitrogen and liquid water greatly affect the power generation performance of the fuel cell. However, the systems described in each of the above-mentioned patent documents have not been able to estimate in detail up to what state inside the fuel cell. In order to further improve the fuel consumption by optimizing the operating conditions of the fuel cell, it has been desired to develop a technique that can estimate the state inside the fuel cell in more detail, and in particular, the impurity distribution state in detail.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内部の状態を詳細に高い精度で推定し、その推定内容に基づいて燃料電池の運転条件を最適化できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, so that the state inside the fuel cell can be estimated in detail with high accuracy, and the operating condition of the fuel cell can be optimized based on the estimated content. An object of the present invention is to provide a fuel cell system.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムにおいて、
反応ガスの供給を受けることにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に仮想的に分割する仮想分割手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける不純物の推定量を記憶する記憶手段と、
前記燃料電池の運転条件に基づいて前記燃料電池の発電環境を推定する発電環境推定手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける不純物の発生量を、前記燃料電池の発電環境と不純物の発生量との関係を規定した不純物発生特性に従って算出する不純物発生量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への不純物の移動量を、前記燃料電池の発電環境と不純物移動量との関係を規定した不純物移動特性に従って算出する不純物移動量算出手段と、
前記記憶手段に記憶されている各小領域における不純物推定量を、隣接する小領域間での不純物移動量及び当該小領域における不純物発生量を反映させて周期的に更新する更新手段と、
前記燃料電池内の不純物の分布状態に応じて前記燃料電池の運転条件を変更する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell system comprising:
A fuel cell that generates electricity by receiving a supply of reactive gas;
Virtual dividing means for virtually dividing the fuel cell into a plurality of small regions arranged along the flow of the reaction gas;
Storage means for storing an estimated amount of impurities in each of the plurality of small regions;
Power generation environment estimation means for estimating a power generation environment of the fuel cell based on operating conditions of the fuel cell;
Impurity generation amount calculating means for calculating the generation amount of impurities in each of the plurality of small regions according to an impurity generation characteristic that defines the relationship between the power generation environment of the fuel cell and the generation amount of impurities;
For each of the plurality of small regions, the amount of impurities transferred from the small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is defined as an impurity that defines the relationship between the power generation environment of the fuel cell and the amount of impurity transfer Impurity transfer amount calculation means for calculating according to the transfer characteristics;
Updating means for periodically updating the estimated impurity amount in each small region stored in the storage unit to reflect the amount of impurity movement between adjacent small regions and the amount of impurity generation in the small region;
Control means for changing the operating conditions of the fuel cell according to the distribution of impurities in the fuel cell;
It is characterized by having.

また、第2の発明は、第1の発明において、
前記反応ガスはアノードガスであって、前記不純物は前記燃料電池のアノード側に存在する不純物であり、
前記制御手段は、アノードガスの供給或いは排出に関わる運転条件を変更することを特徴としている。
The second invention is the first invention, wherein
The reaction gas is an anode gas, and the impurity is an impurity present on the anode side of the fuel cell,
The control means changes operating conditions related to supply or discharge of the anode gas.

また、第3の発明は、第2の発明において、
前記不純物には窒素と液水とが含まれ、
前記不純物発生量算出手段は、窒素の発生量と液水の発生量をそれぞれ別々の不純物発生特性に従って算出し、
前記不純物移動量算出手段は、窒素の移動量と液水の移動量をそれぞれ別々の不純物移動特性に従って算出することを特徴としている。
The third invention is the second invention, wherein
The impurities include nitrogen and liquid water,
The impurity generation amount calculating means calculates the generation amount of nitrogen and the generation amount of liquid water according to respective impurity generation characteristics,
The impurity transfer amount calculation means calculates the transfer amount of nitrogen and the transfer amount of liquid water according to different impurity transfer characteristics.

第1の発明によれば、仮想的に分割された小領域のそれぞれにおける不純物の発生量と、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への不純物の移動量とを、その小領域が置かれている発電環境に基づいて求めることができる。各小領域について、その小領域での不純物発生量、その小領域への前段からの不純物移動量、その小領域から後段への不純物移動量がそれぞれ分かることで、各小領域における不純物量を正確に推定することができ、燃料電池内の不純物の分布状態を詳細に把握することができる。不純物の分布状態を正確に把握し、それに応じて燃料電池の運転条件を変更することで、運転条件の最適化による燃費の向上が可能となる。   According to the first invention, the amount of impurities generated in each of the virtually divided small regions, and the amount of impurities transferred from each small region to the small region located downstream of the flow of the reaction gas, It can be determined based on the power generation environment in which the small area is located. For each small region, the amount of impurities generated in the small region, the amount of impurity transferred from the previous stage to the small region, and the amount of impurity transferred from the small region to the subsequent stage can be known, so that the amount of impurities in each small region can be accurately determined. Therefore, it is possible to grasp the distribution state of impurities in the fuel cell in detail. By accurately grasping the distribution state of impurities and changing the operating conditions of the fuel cell accordingly, the fuel consumption can be improved by optimizing the operating conditions.

第2の発明によれば、燃料電池のアノード側に溜まった不純物の影響によって燃料電池の発電性能が低下するのを防止することができる。   According to the second invention, it is possible to prevent the power generation performance of the fuel cell from being deteriorated due to the influence of impurities accumulated on the anode side of the fuel cell.

第3の発明によれば、燃料電池のアノード側における窒素の分布状態と液水の分布状態とを区別してそれぞれを正確に推定することができる。   According to the third invention, it is possible to accurately estimate each of the distribution state of nitrogen and the distribution state of liquid water on the anode side of the fuel cell.

以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

図1は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図1に示す燃料電池システムは、積層された複数の燃料電池10からなる燃料電池スタック2を備えている。燃料電池10の内部には、電解質膜を挟んでアノードとカソードが形成されている。アノード側には、水素を含む燃料ガス(本実施形態では水素ガスとする)を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。また、カソード側には、酸素を含む酸化ガス(本実施形態では空気とする)を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。さらに、個々の燃料電池10は、内部に冷却水通路が形成された集電板によって隣接する燃料電池から隔離されている。燃料電池10の構成は公知であるため、ここでは、これ以上の説明は省略する。   FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 2 composed of a plurality of stacked fuel cells 10. An anode and a cathode are formed inside the fuel cell 10 with an electrolyte membrane interposed therebetween. On the anode side, there is formed a gas flow path for allowing a fuel gas containing hydrogen (in this embodiment, hydrogen gas) to flow in the plane. In addition, a gas flow path for allowing an oxidizing gas containing oxygen (in this embodiment, air) to flow in the plane is formed on the cathode side. Furthermore, each fuel cell 10 is isolated from the adjacent fuel cell by a current collecting plate having a cooling water passage formed therein. Since the configuration of the fuel cell 10 is known, further description is omitted here.

燃料電池スタック2は複数のシステム補器を介してECU4によって制御される。システム補器には、燃料電池スタック2のアノード出口から排出されたオフガスを系外に排気するためのパージバルブ6や、オフガスを再びアノード入口に循環させる水素循環ポンプ8が含まれる。ECU4は、これらの機器6,8の動作を個々の燃料電池10の面内状態、特に、燃料電池10のアノードにおける窒素や液水の分布状態に応じて制御する。   The fuel cell stack 2 is controlled by the ECU 4 through a plurality of system auxiliary devices. The system auxiliary equipment includes a purge valve 6 for exhausting off-gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 2 out of the system, and a hydrogen circulation pump 8 for circulating off-gas to the anode inlet again. The ECU 4 controls the operation of these devices 6 and 8 according to the in-plane state of each fuel cell 10, particularly the distribution state of nitrogen and liquid water at the anode of the fuel cell 10.

[燃料電池セルの面内状態の推定]
ECU4は、図示省略の各種センサの出力から燃料電池スタック2内の圧力及び温度に関する情報を取得し、その情報に基づいて個々の燃料電池10の面内状態を推定している。以下、本実施の形態の燃料電池システムで採られている燃料電池10の面内状態の推定方法について説明する。
[Estimation of in-plane state of fuel cell]
The ECU 4 acquires information on the pressure and temperature in the fuel cell stack 2 from the outputs of various sensors not shown, and estimates the in-plane state of each fuel cell 10 based on the information. Hereinafter, a method for estimating the in-plane state of the fuel cell 10 employed in the fuel cell system of the present embodiment will be described.

ECU4は、燃料電池10の面内状態をシミュレーション(以下、状態推定シミュレーションという)によって推定する。状態推定シミュレーションには燃料電池10のモデルが使用される。このモデルは、図1中に示すように、燃料電池10を反応ガスの流路に沿って複数個の小領域に仮想的に分割した一次元モデルである。この一次元モデルに示すように、本実施の形態の燃料電池10は、電解質膜を挟んでカソード側ガスとアノード側ガスとが対向して流れるカウンターフロー流路を有している。   The ECU 4 estimates the in-plane state of the fuel cell 10 by simulation (hereinafter referred to as state estimation simulation). A model of the fuel cell 10 is used for the state estimation simulation. As shown in FIG. 1, this model is a one-dimensional model in which the fuel cell 10 is virtually divided into a plurality of small regions along the reaction gas flow path. As shown in this one-dimensional model, the fuel cell 10 of the present embodiment has a counter flow channel in which the cathode side gas and the anode side gas flow opposite to each other with the electrolyte membrane interposed therebetween.

燃料電池10は、その面内において、発電環境に応じた電流密度で発電を行う。「発電環境」とは、燃料電池10の面内状態を表す種々のパラメータのうち、燃料電池10の発電状態を決定する複数のパラメータの総称である。ECU4による状態推定シミュレーションでは、分割モデルの個々の小領域が置かれている発電環境は各小領域内で均一であるとみなして、小領域毎に発電環境の推定計算が行われる。   The fuel cell 10 generates power at a current density corresponding to the power generation environment within the plane. The “power generation environment” is a general term for a plurality of parameters that determine the power generation state of the fuel cell 10 among various parameters representing the in-plane state of the fuel cell 10. In the state estimation simulation by the ECU 4, the power generation environment in which each small area of the divided model is placed is considered to be uniform in each small area, and the power generation environment is estimated for each small area.

発電環境には、アノード側ガスの相対湿度、カソード側ガスの相対湿度、アノードの圧力、カソードの圧力、アノード側ガス中の水素濃度、カソード側ガス中の酸素濃度、アノードの液水量、カソードの液水量、及び燃料電池の温度が含まれる。ECU4には、これらのパラメータで決まる発電環境と電流密度との関係を定義したマップ(発電特性マップ)が記憶されている。また、ECU4には、発電による酸素消費量、水素消費量及び水生成量と電流密度との関係を定義したマップ(消費生成特性マップ)も記憶されている。さらに、ECU4には、燃料電池のカソードからアノードへ、燃料電池を横断して移動する水の量と発電環境との関係を定めたマップ(水横断移動特性マップ)と、燃料電池のカソードからアノードへ、燃料電池を横断して移動する窒素の量と発電環境との関係を定めたマップ(窒素横断移動特性マップ)とが記憶されている。消費生成特性マップと水横断移動特性マップは、液水に係る「不純物発生特性」に相当する。窒素横断移動特性マップは、窒素に係る「不純物発生特性」に相当する。   The power generation environment includes the relative humidity of the anode side gas, the relative humidity of the cathode side gas, the anode pressure, the cathode pressure, the hydrogen concentration in the anode side gas, the oxygen concentration in the cathode side gas, the amount of liquid water in the anode, The amount of liquid water and the temperature of the fuel cell are included. The ECU 4 stores a map (power generation characteristic map) that defines the relationship between the power generation environment determined by these parameters and the current density. The ECU 4 also stores a map (consumption generation characteristic map) that defines the relationship between the current consumption and the oxygen consumption, hydrogen consumption, water generation amount, and current density. Further, the ECU 4 includes a map (water crossing movement characteristic map) that defines the relationship between the amount of water moving across the fuel cell from the cathode to the anode of the fuel cell and the power generation environment, and a fuel cell cathode to the anode. A map (nitrogen crossing movement characteristic map) that defines the relationship between the amount of nitrogen moving across the fuel cell and the power generation environment is stored. The consumption generation characteristic map and the water crossing movement characteristic map correspond to “impurity generation characteristics” related to liquid water. The nitrogen cross transfer characteristic map corresponds to the “impurity generation characteristic” related to nitrogen.

個々の小領域が置かれている発電環境が特定されれば、発電特性マップを参照することにより、その発電環境下で発生する電流密度を予測することができる。また、水横断移動特性マップを参照することにより、その発電環境下で発生する水横断移動量を予測することができ、窒素横断移動特性マップを参照することにより、その発電環境下で発生する窒素移動量を予測することができる。そして、発電特性マップにより電流密度が特定されれば、消費生成特性マップを参照することにより、その発電環境下での酸素消費量、水素消費量及び水生成量を予測することができる。   If the power generation environment in which each small area is placed is specified, the current density generated in the power generation environment can be predicted by referring to the power generation characteristic map. In addition, by referring to the water crossing movement characteristics map, the amount of water crossing movement generated in the power generation environment can be predicted, and by referring to the nitrogen crossing movement characteristics map, nitrogen generated in the power generation environment can be predicted. The amount of movement can be predicted. When the current density is specified by the power generation characteristic map, the oxygen consumption amount, the hydrogen consumption amount, and the water generation amount in the power generation environment can be predicted by referring to the consumption generation characteristic map.

酸素消費量、水素消費量、水生成量、水横断移動量、そして、窒素横断移動量は、何れも発電環境に影響を与える要因である。これらの他にも、発電環境に影響する要因には、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域からの各ガス成分及び液水の各移動量、反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への各ガス成分及び液水の各移動量が含まれる。状態推定シミュレーションでは、これら要因の値が個々の小領域について取得され、その値に基づいて個々の小領域が置かれている発電環境が更新される。   Oxygen consumption, hydrogen consumption, water generation, water crossing movement, and nitrogen crossing movement are all factors affecting the power generation environment. In addition to these, other factors that affect the power generation environment include each gas component and each amount of liquid water moved from a small region located upstream of the reaction gas flow, and downstream of the reaction gas flow. Each movement amount of each gas component and liquid water to a small area is included. In the state estimation simulation, the values of these factors are acquired for the individual small areas, and the power generation environment in which the individual small areas are placed is updated based on the values.

[発電環境の更新の具体的方法]
状態推定シミュレーションで行われる発電環境の更新について、その内容を図2を参照して具体的に説明する。図2は、分割モデルの任意の小領域(n領域)を例にとって、n領域が置かれている発電環境の更新の手順について説明するための図である。状態推定シミュレーションでは、個々の小領域はカソード(Ca)側とアノード(An)側とに区分される。各小領域は、そこに存在する各成分の状態量(モル数)を内部パラメータとして持たされている。具体的には、図2に示すように、n領域は、カソード側の状態量として酸素量n_O2_Ca、窒素量n_N2_Ca、水蒸気量n_gasH2O_Ca、及び液水量n_liqH2O_Caを持ち、アノード側の状態量として水素量n_H2_An、窒素量n_N2_An、水蒸気量n_gasH2O_An、及び液水量n_liqH2O_Anを持っている。
[Specific method for renewing power generation environment]
The contents of the power generation environment update performed in the state estimation simulation will be specifically described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining a procedure for updating the power generation environment in which the n region is placed, taking an arbitrary small region (n region) of the division model as an example. In the state estimation simulation, each small region is divided into a cathode (Ca) side and an anode (An) side. Each small area has a state quantity (number of moles) of each component existing therein as an internal parameter. Specifically, as shown in FIG. 2, the n region has an oxygen amount n_O2_Ca, a nitrogen amount n_N2_Ca, a water vapor amount n_gasH2O_Ca, and a liquid water amount n_liqH2O_Ca as state quantities on the cathode side, and a hydrogen amount n_H2_An as state quantities on the anode side. , Nitrogen amount n_N2_An, water vapor amount n_gasH2O_An, and liquid water amount n_liqH2O_An.

また、n領域は、当該領域の圧力P、体積V、及び温度Tも内部パラメータとして持っている。体積Vは予め設定された固定値であり、温度Tは冷却水温と同じ一定値である。圧力Pは状態方程式(PV=nRT)によって計算することができる。   The n region also has the pressure P, volume V, and temperature T of the region as internal parameters. The volume V is a preset fixed value, and the temperature T is the same constant value as the cooling water temperature. The pressure P can be calculated by the equation of state (PV = nRT).

状態推定シミュレーションでは、上記の複数の状態量を用いてn領域におけるアノード側ガスの相対湿度、カソード側ガスの相対湿度、アノード側ガス中の水素濃度、及び、カソード側ガス中の酸素濃度を計算する。各相対湿度は、水蒸気分圧P_H2Oと温度Tとから計算することができる。水素濃度は、アノード側の全ガス成分の量(モル数)に対する水素量n_H2_Anの比から計算することができる。酸素濃度は、カソード側の全ガス成分の量(モル数)に対する酸素量n_O2_Caの比から計算することができる。   In the state estimation simulation, the relative humidity of the anode-side gas, the relative humidity of the cathode-side gas, the hydrogen concentration in the anode-side gas, and the oxygen concentration in the cathode-side gas in the n region are calculated using the plurality of state quantities described above. To do. Each relative humidity can be calculated from the water vapor partial pressure P_H2O and the temperature T. The hydrogen concentration can be calculated from the ratio of the hydrogen amount n_H2_An to the amount (number of moles) of all gas components on the anode side. The oxygen concentration can be calculated from the ratio of the oxygen amount n_O2_Ca to the amount (number of moles) of all gas components on the cathode side.

こうして、n領域における各パラメータの値が特定されることで、現時点においてn領域が置かれている発電環境が特定される。状態推定シミュレーションでは、特定した発電環境を前述の発電特性マップに照合することで、n領域における電流密度Iを特定する。そして、電流密度Iを前述の消費生成特性マップに照合することで、n領域のカソード側での酸素消費量と水生成量、及び、アノード側での水素消費量を特定する。また、特定した発電環境を前述の水横断移動特性マップに照合することで、n領域のカソード側からアノード側への水横断移動量cross_H2Oを特定する。また、特定した発電環境を前述の窒素横断移動特性マップに照合することで、n領域のカソード側からアノード側への窒素横断移動量cross_N2を特定する。なお、酸素消費量、水素消費量、水生成量、水横断移動量及び窒素横断移動量は、何れも所定の計算刻み時間当たりの量である。   Thus, by specifying the values of the parameters in the n region, the power generation environment in which the n region is currently located is specified. In the state estimation simulation, the current density I in the n region is specified by comparing the specified power generation environment with the above-described power generation characteristic map. Then, by comparing the current density I with the above-described consumption generation characteristic map, the oxygen consumption amount and water generation amount on the cathode side in the n region and the hydrogen consumption amount on the anode side are specified. Further, the cross-H2O water crossing movement amount from the cathode side to the anode side in the n region is specified by collating the specified power generation environment with the water crossing movement characteristic map described above. Further, the cross-N2 amount of nitrogen crossing movement from the cathode side to the anode side in the n region is specified by collating the specified power generation environment with the above-described nitrogen crossing movement characteristic map. Note that the oxygen consumption, hydrogen consumption, water production, water crossing movement, and nitrogen crossing movement are all amounts per predetermined calculation interval.

また、状態推定シミュレーションでは、上記の各消費生成量の計算と並行して、或いは、その計算の前後において、n領域からその下流のn+1領域への各成分の計算刻み時間当たりの移動量(モル数)を計算する。具体的には、図2に示すように、カソード側では、酸素移動量dn_O2_Ca、窒素移動量dn_N2_Ca、水蒸気移動量dn_gasH2O_Ca、及び移動量dn_liqH2O_Caを計算し、アノード側では、水素移動量dn_H2_An、窒素移動量dn_N2_An、水蒸気移動量dn_gasH2O_An、及び液水移動量dn_liqH2O_Anを計算する。各成分の移動量の計算には、その移動量と発電環境との関係を定めたマップ(移動特性マップ)を使用する。   In the state estimation simulation, in parallel with the above calculation of each consumption generation amount, or before and after the calculation, the movement amount (moles) of each component from the n region to the n + 1 region downstream thereof per calculation time. Number). Specifically, as shown in FIG. 2, the oxygen transfer amount dn_O2_Ca, the nitrogen transfer amount dn_N2_Ca, the water vapor transfer amount dn_gasH2O_Ca, and the transfer amount dn_liqH2O_Ca are calculated on the cathode side, and the hydrogen transfer amount dn_H2_An and nitrogen transfer are calculated on the anode side. The amount dn_N2_An, the water vapor transfer amount dn_gasH2O_An, and the liquid water transfer amount dn_liqH2O_An are calculated. In calculating the movement amount of each component, a map (movement characteristic map) that defines the relationship between the movement amount and the power generation environment is used.

ここで留意するのは、本実施の形態の燃料電池2が採用しているカウンターフロー流路では、カソード側のn+1領域とアノード側のn+1領域とは表裏の関係にはないことである。n−1領域についても同様である。燃料電池を挟んでアノード側とカソード側とが表裏の関係にあるのは、あくまでも計算の対象になっているn領域だけである。図2では、カソード側のガス流れとアノード側のガス流れとを同方向に描いているため、n+1領域及びn−1領域に関してもカソード側とアノード側とが対応しているように見えるが、実際にはカソード側のn+1領域と対応するのはアノード側のn−1領域であり、カソード側のn−1領域に対応するのはアノード側のn+1領域である。なお、カソード側ガスとアノード側ガスとが並行して流れるコフロー流路であるならば、カソード側のn+1領域とアノード側のn+1領域とは表裏の関係になる。n−1領域についても同様である。コフロー流路を有する燃料電池にも本発明の適用は可能である。   It should be noted here that in the counterflow channel employed by the fuel cell 2 of the present embodiment, the n + 1 region on the cathode side and the n + 1 region on the anode side are not in a reverse relationship. The same applies to the n-1 region. The anode side and the cathode side have a front / back relationship across the fuel cell only in the n region to be calculated. In FIG. 2, since the gas flow on the cathode side and the gas flow on the anode side are drawn in the same direction, it seems that the cathode side and the anode side correspond to each other in the n + 1 region and the n−1 region. Actually, the n + 1 region on the anode side corresponds to the n + 1 region on the cathode side, and the n + 1 region on the anode side corresponds to the n-1 region on the cathode side. If the cathode side gas and the anode side gas flow in parallel, the n + 1 region on the cathode side and the n + 1 region on the anode side have a front / back relationship. The same applies to the n-1 region. The present invention can also be applied to a fuel cell having a coflow channel.

なお、状態推定シミュレーションでは、全ての小領域のそれぞれについて当小該領域から下流への各成分の移動量の計算が行われている。このため、上述のようにn領域からn-1領域への各物質の移動量(流出量)が算出されると同時に、上流のn−1領域からn領域への各物質の移動量(流入量)も計算されている。   In the state estimation simulation, the movement amount of each component downstream from the small region is calculated for each of the small regions. Therefore, as described above, the movement amount (outflow amount) of each substance from the n region to the n-1 region is calculated, and at the same time, the movement amount (inflow) of each substance from the upstream n-1 region to the n region. Amount) is also calculated.

以上の一連の計算により、n領域で生ずる反応ガス消費量及び水生成量、前段のn−1領域からn領域への各成分の移動量、n領域から後段のn+1領域への各成分の移動量、そして、n領域のアノードとカソードとの間での各成分の横断移動量がそれぞれ判明する。これらの消費生成量や移動量をn領域の各成分の状態量に反映させることで、各成分の最新の状態量を把握することが可能となる。   Through the above series of calculations, the amount of reaction gas consumed and the amount of water produced in the n region, the amount of movement of each component from the preceding n-1 region to the n region, and the movement of each component from the n region to the subsequent n + 1 region The amount of each component and the amount of movement of each component between the anode and the cathode in the n region are determined. By reflecting these consumption generation amount and movement amount on the state amount of each component in the n region, it is possible to grasp the latest state amount of each component.

ただし、各成分のうち水蒸気と液水に関しては、n領域内の発電環境によって水蒸気から液水への凝縮が起こることや、逆に、液水から水蒸気への蒸発が起こることを考慮する必要がある。n領域のカソード或いはアノード内に存在する水分を全て水蒸気と仮定したとき、そのときの相対湿度が100%を超える場合には水蒸気の凝縮が起こり、相対湿度が100%未満である場合には液水の蒸発が起こる。状態推定シミュレーションでは、計算刻み時間当たりの液水生成量若しくは液水蒸発量を計算し、上述の各種の消費生成量や移動量に加えて、この液水生成蒸発量も反映させた上でn領域の各成分の状態量を更新する。液水生成量や液水蒸発量の計算には、それらと発電環境との関係を定めたマップ(液水生成蒸発特性マップ)を使用する。   However, regarding water vapor and liquid water among the components, it is necessary to consider that condensation from water vapor to liquid water occurs due to the power generation environment in the n region, and conversely, evaporation from liquid water to water vapor occurs. is there. Assuming that all the water present in the cathode or anode in the n region is water vapor, if the relative humidity at that time exceeds 100%, condensation of water vapor occurs, and if the relative humidity is less than 100%, Water evaporation occurs. In the state estimation simulation, the liquid water generation amount or liquid water evaporation amount per calculation step time is calculated, and in addition to the above-mentioned various consumption generation amounts and movement amounts, the liquid water generation evaporation amount is reflected and n Update the state quantity of each component in the region. For the calculation of the liquid water generation amount and the liquid water evaporation amount, a map (liquid water generation evaporation characteristic map) that defines the relationship between them and the power generation environment is used.

[ECUによる燃料電池スタックの制御フロー]
上述の状態推定シミュレーションによれば、燃料電池10を仮想的に分割した各小領域について、アノードにおける窒素や液水の各発生量と、隣接する小量域間での窒素や液水の各移動量とが周期的に計算されるので、発電性能に影響する窒素量や液水量を高い精度で推定することができる。そして、小領域毎にアノードの窒素量及び液水量が分かれば、面内のどの位置に窒素や液水が溜まっているのか、その程度はどれほどのものなのか、を正確に把握することができる。
[Control flow of fuel cell stack by ECU]
According to the state estimation simulation described above, for each small region obtained by virtually dividing the fuel cell 10, each amount of nitrogen and liquid water generated at the anode and each movement of nitrogen and liquid water between adjacent small regions Since the amount is periodically calculated, the amount of nitrogen and liquid water that affect the power generation performance can be estimated with high accuracy. And if the amount of nitrogen and liquid water in the anode is known for each small area, it is possible to accurately grasp at which position in the surface the nitrogen and liquid water are accumulated and how much. .

図3は、状態推定シミュレーションによる推定結果を燃料電池スタック2の制御に反映させるためにECU4が実行するルーチンのフローチャートである。図3に示すルーチンは、燃料電池システムの起動時に開始され、前述の計算刻み時間を1周期として繰り返し実行される。   FIG. 3 is a flowchart of a routine executed by the ECU 4 in order to reflect the estimation result by the state estimation simulation in the control of the fuel cell stack 2. The routine shown in FIG. 3 is started when the fuel cell system is started, and is repeatedly executed with the above-described calculation step time as one cycle.

図3に示すルーチンの最初のステップS101では、状態推定シミュレーションが実行される。次のステップS102では、燃料電池スタック2の発電性能の低下の有無が判定される。燃料電池スタック2の発電性能は、電圧値、電流値或いはIV特性から判断することができる。   In the first step S101 of the routine shown in FIG. 3, a state estimation simulation is executed. In the next step S102, it is determined whether or not the power generation performance of the fuel cell stack 2 is reduced. The power generation performance of the fuel cell stack 2 can be determined from the voltage value, current value, or IV characteristics.

ステップS102の判定の結果、燃料電池スタック2の発電性能が低下しているときには、次にステップS103の判定が行われる。ステップS103では、状態推定シミュレーションによる推定結果に基づき、窒素や液水の溜まっている場所が燃料電池10のアノード入口付近か否か判定される。これらの不純物がアノード入口付近に溜まっている場合には、燃料電池セル10内からの排出に時間を要する一方、圧力が高い分だけ脈動効果は大きい。そこで、窒素や液水がアノード入口付近に溜まっていると推定される場合には、ステップS105の処理が実行される。ステップS105では、燃料電池10からのアノードガスの排出効果が大きく増加する方向に、水素循環ポンプ8やパージバルブ6の動作が制御される。   As a result of the determination in step S102, when the power generation performance of the fuel cell stack 2 is degraded, the determination in step S103 is performed next. In step S <b> 103, it is determined whether or not the place where nitrogen or liquid water is accumulated is near the anode inlet of the fuel cell 10 based on the estimation result by the state estimation simulation. When these impurities are accumulated in the vicinity of the anode inlet, it takes time to discharge from the inside of the fuel cell 10, but the pulsation effect is large because the pressure is high. Therefore, when it is estimated that nitrogen or liquid water has accumulated near the anode inlet, the process of step S105 is executed. In step S105, the operations of the hydrogen circulation pump 8 and the purge valve 6 are controlled in a direction in which the effect of discharging the anode gas from the fuel cell 10 is greatly increased.

一方、不純物が溜まっている場所がアノード入口付近ではない場合には、次にステップS104の判定が行われる。ステップS104では、状態推定シミュレーションによる推定結果に基づき、窒素や液水の溜まっている量が所定の閾値を越えているか否か判定される。これらの不純物が溜まっている量が多い場合には、脈動効果は小さく、また、ガス流量を大きくする効果も小さい。そこで、窒素や液水が多く溜まっていると推定される場合には、ステップS106の処理が実行される。ステップS106では、燃料電池10からのアノードガスの排出効果が小さく増加する方向に、水素循環ポンプ8やパージバルブ6の動作が制御される。   On the other hand, if the location where the impurities are accumulated is not near the anode inlet, the determination in step S104 is performed next. In step S104, it is determined whether the amount of nitrogen or liquid water accumulated exceeds a predetermined threshold based on the estimation result obtained by the state estimation simulation. When these impurities are accumulated in a large amount, the pulsation effect is small and the effect of increasing the gas flow rate is small. Therefore, when it is estimated that a large amount of nitrogen or liquid water is accumulated, the process of step S106 is executed. In step S106, the operations of the hydrogen circulation pump 8 and the purge valve 6 are controlled so that the discharge effect of the anode gas from the fuel cell 10 increases.

なお、水素循環ポンプ8の動作の制御内容としては、水素循環ポンプ8の回転数を上げて循環流量を大きくすること、水素循環ポンプ8で脈動をつけること、その脈動の周波数を変えること、それら制御時間を変えること等が挙げられる。また、パージバルブ6の動作の制御内容としては、パージバルブ6を開くこと、開度を変えること等が挙げられる。ECU4は、窒素と液水のそれぞれについて場所と量の二次元マップを有しており、状態推定シミュレーションによる推定結果をマップに照らして水素循環ポンプ8やパージバルブ6の動作内容を決定している。   The control content of the operation of the hydrogen circulation pump 8 includes increasing the rotational speed of the hydrogen circulation pump 8 to increase the circulation flow rate, adding pulsation with the hydrogen circulation pump 8, changing the frequency of the pulsation, For example, changing the control time. Further, the contents of control of the operation of the purge valve 6 include opening the purge valve 6 and changing the opening degree. The ECU 4 has a two-dimensional map of location and amount for each of nitrogen and liquid water, and determines the operation contents of the hydrogen circulation pump 8 and the purge valve 6 in light of the estimation result by the state estimation simulation.

上述のステップS105或いはステップS106の処理は、燃料電池スタック2の発電性能が回復するまで継続して行われる。ステップS102の判定の結果、燃料電池スタック2の発電性能が回復したときには、ステップS107の処理が実行される。ステップS107では、水素循環ポンプ8やパージバルブ6の制御が標準の制御に戻される。   The processing in step S105 or step S106 described above is continuously performed until the power generation performance of the fuel cell stack 2 is restored. As a result of the determination in step S102, when the power generation performance of the fuel cell stack 2 is recovered, the process in step S107 is executed. In step S107, the control of the hydrogen circulation pump 8 and the purge valve 6 is returned to the standard control.

以上のルーチンを実行することにより、窒素や液水が溜まることによる燃料電池スタック2の発電性能の低下を回避することが可能となる。また、特殊な運転条件での運転は必要最小限に止められるので、最適化された運転条件での運転によって燃費を向上させることができる。   By executing the above routine, it is possible to avoid a decrease in the power generation performance of the fuel cell stack 2 due to accumulation of nitrogen and liquid water. In addition, since driving under special driving conditions can be kept to the minimum necessary, fuel consumption can be improved by driving under optimized driving conditions.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、図2に示す分割モデルの各小領域を、さらに断面方向に分割した一次元モデルで表し、断面方向における窒素や液水の存在位置や量を把握するようにしてもよい。断面方向における窒素や液水の分布状態も考慮することで、燃料電池の運転条件をさらに最適化することができるようになる。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, each small region of the divided model shown in FIG. 2 may be represented by a one-dimensional model further divided in the cross-sectional direction, and the position and amount of nitrogen and liquid water in the cross-sectional direction may be grasped. Considering the distribution of nitrogen and liquid water in the cross-sectional direction, the operating conditions of the fuel cell can be further optimized.

また、本発明は水素循環ポンプの代わりにエジェクタを用いている燃料電池システムにも適用可能である。そのような燃料電池システムでも、水素供給量、供給圧力の変化等で運転条件を最適化することができる。   The present invention is also applicable to a fuel cell system that uses an ejector instead of a hydrogen circulation pump. Even in such a fuel cell system, the operating conditions can be optimized by changing the hydrogen supply amount, the supply pressure, and the like.

また、上述の実施の形態では、アノードに溜まる窒素や液水に着目して燃料電池の運転条件の最適化を図っているが、カソードに溜まる液水にも着目してもよい。上述の状態推定シミュレーションによれば、カソードにおける液水の分布状態も正確に推定することができる。   In the above-described embodiment, the fuel cell operating conditions are optimized by focusing on nitrogen and liquid water accumulated in the anode. However, the liquid water accumulated in the cathode may also be focused. According to the state estimation simulation described above, the distribution state of liquid water at the cathode can also be accurately estimated.

本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の状態推定シミュレーションで使用する、燃料電池の面内を反応ガスの流路に沿って分割したモデルを示す図である。It is a figure which shows the model which divided | segmented the surface of the fuel cell along the flow path of the reactive gas used in the state estimation simulation of embodiment of this invention. 状態推定シミュレーションによる推定結果を燃料電池スタックの制御に反映させるためにECUが実行するルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine which ECU performs in order to reflect the estimation result by a state estimation simulation in control of a fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

2 燃料電池スタック
4 ECU
6 パージバルブ
8 水素循環ポンプ
10 燃料電池
I 電流密度
n_O2_Ca 酸素量
n_H2_An 水素量
n_N2_Ca,n_N2_An 窒素量
n_liqH2O_Ca,n_liqH2O_An 液水量
n_gasH2O_Ca,n_gasH2O_An 水蒸気量
dn_O2_Ca 酸素移動量
dn_H2_An 水素移動量
dn_N2_Ca,dn_N2_An 窒素移動量
dn_liqH2O_Ca,dn_liqH2O_An 液水移動量
dn_gasH2O_Ca,dn_gasH2O_An 水蒸気移動量
cross_H2O 水横断移動量
cross_N2 窒素横断移動量
2 Fuel cell stack 4 ECU
6 Purge valve 8 Hydrogen circulation pump 10 Fuel cell I Current density
n_O2_Ca Oxygen content
n_H2_An Hydrogen amount
n_N2_Ca, n_N2_An Nitrogen content
n_liqH2O_Ca, n_liqH2O_An Liquid water volume
n_gasH2O_Ca, n_gasH2O_An amount of water vapor
dn_O2_Ca Oxygen transfer
dn_H2_An Hydrogen transfer amount
dn_N2_Ca, dn_N2_An Nitrogen transfer
dn_liqH2O_Ca, dn_liqH2O_An Liquid water transfer amount
dn_gasH2O_Ca, dn_gasH2O_An Water vapor transfer amount
cross_H2O Cross-water travel
cross_N2 Nitrogen crossing travel

Claims (3)

反応ガスの供給を受けることにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に仮想的に分割する仮想分割手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける不純物の推定量を記憶する記憶手段と、
前記燃料電池の運転条件に基づいて前記燃料電池の発電環境を推定する発電環境推定手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける不純物の発生量を、前記燃料電池の発電環境と不純物の発生量との関係を規定した不純物発生特性に従って算出する不純物発生量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への不純物の移動量を、前記燃料電池の発電環境と不純物移動量との関係を規定した不純物移動特性に従って算出する不純物移動量算出手段と、
前記記憶手段に記憶されている各小領域における不純物推定量を、隣接する小領域間での不純物移動量及び当該小領域における不純物発生量を反映させて周期的に更新する更新手段と、
前記燃料電池内の不純物の分布状態に応じて前記燃料電池の運転条件を変更する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by receiving a supply of reactive gas;
Virtual dividing means for virtually dividing the fuel cell into a plurality of small regions arranged along the flow of the reaction gas;
Storage means for storing an estimated amount of impurities in each of the plurality of small regions;
Power generation environment estimation means for estimating a power generation environment of the fuel cell based on operating conditions of the fuel cell;
Impurity generation amount calculating means for calculating the generation amount of impurities in each of the plurality of small regions according to an impurity generation characteristic that defines the relationship between the power generation environment of the fuel cell and the generation amount of impurities;
For each of the plurality of small regions, the amount of impurities transferred from the small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is defined as an impurity that defines the relationship between the power generation environment of the fuel cell and the amount of impurity transfer Impurity transfer amount calculation means for calculating according to the transfer characteristics;
Updating means for periodically updating the estimated impurity amount in each small region stored in the storage unit to reflect the amount of impurity movement between adjacent small regions and the amount of impurity generation in the small region;
Control means for changing the operating conditions of the fuel cell according to the distribution of impurities in the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
前記反応ガスはアノードガスであって、前記不純物は前記燃料電池のアノード側に存在する不純物であり、
前記制御手段は、アノードガスの供給或いは排出に関わる運転条件を変更することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
The reaction gas is an anode gas, and the impurity is an impurity present on the anode side of the fuel cell,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control means changes operating conditions relating to supply or discharge of the anode gas.
前記不純物には窒素と液水とが含まれ、
前記不純物発生量算出手段は、窒素の発生量と液水の発生量をそれぞれ別々の不純物発生特性に従って算出し、
前記不純物移動量算出手段は、窒素の移動量と液水の移動量をそれぞれ別々の不純物移動特性に従って算出することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
The impurities include nitrogen and liquid water,
The impurity generation amount calculating means calculates the generation amount of nitrogen and the generation amount of liquid water according to respective impurity generation characteristics,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the impurity transfer amount calculation means calculates the transfer amount of nitrogen and the transfer amount of liquid water according to different impurity transfer characteristics.
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