JP2010019574A - Fluid supply estimation apparatus and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simply and accurately estimate a flow rate of a fluid transmitted in all operation modes in a fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes: a discharge pressure detecting means for detecting a discharge pressure of the fluid discharged from a fluid transmitting apparatus; a drive quantity detecting means for detecting the drive quantity of the fluid transmitting apparatus; and an estimated transmission quantity deriving means for storing a flow rate estimation map M representing a relationship among the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid transmitting apparatus, the drive quantity of the fluid transmitting apparatus and a discharge flow rate of the fluid discharged from the fluid transmitting apparatus in response to the discharge pressure and the drive quantity in a storage section, and obtaining an estimated transmission flow rate estflux1 of the fluid discharged from the fluid transmitting apparatus based on the discharge flow rate of the fluid obtained from the flow rate estimation map M in response to the detected drive quantity and the detected discharge pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムの流量計測に関する。 The present invention relates to flow measurement of a fuel cell system.

従来から、燃料電池システムとして特許文献1に示されているものが知られている。図3に示すように特許文献1の燃料電池システムは、流体送出のための制御装置に大型で高価な流量計を設けることなく、精度よく送出流体の流量計測が行なえるようになっている。流量計測のために流体周辺の温度を検知する温度検知手段(温度センサ)と、流体の圧力を検知する圧力検知手段(圧力センサ)と、流体を送出するためのポンプの駆動量を検知する駆動量検知手段(回転数センサ)が備えられ、検知された周辺温度と吐出圧力と駆動量が流量推定ロジック部32に入力され、周辺温度と吐出圧力と駆動量を変数とする予め記憶される流量計算式により流量計算が行なわれて、精度よく流量値が推定できるようになっている。また、このとき流量推定ロジック部32の流量計算式は、より精度よく流量値を得るため、通路抵抗の違いを考慮して暖機モード用と発電モード用の2種類が準備されており、2種類の流量計算式の切替えは燃料電池スタックおよび改質ガス流路にそれぞれ設けられた各温度検知手段(温度センサ)の計測値に基いて行なわれている。
特開2008−4414号公報
Conventionally, what is shown by patent document 1 as a fuel cell system is known. As shown in FIG. 3, the fuel cell system of Patent Document 1 is capable of accurately measuring the flow rate of the fluid to be delivered without providing a large and expensive flow meter in the control device for fluid delivery. Temperature detection means (temperature sensor) for detecting the temperature around the fluid for flow rate measurement, pressure detection means (pressure sensor) for detecting the pressure of the fluid, and drive for detecting the drive amount of the pump for delivering the fluid An amount detection means (rotation speed sensor) is provided, and the detected ambient temperature, discharge pressure, and drive amount are input to the flow rate estimation logic unit 32, and the flow rate stored in advance using the ambient temperature, discharge pressure, and drive amount as variables. The flow rate is calculated by the calculation formula so that the flow rate value can be estimated with high accuracy. At this time, the flow rate calculation formula of the flow rate estimation logic unit 32 is prepared in two types for the warm-up mode and the power generation mode in consideration of the difference in passage resistance in order to obtain the flow rate value with higher accuracy. Switching between types of flow rate calculation formulas is performed based on the measured values of the temperature detection means (temperature sensors) provided in the fuel cell stack and the reformed gas flow path, respectively.
Japanese Patent Laid-Open No. 2008-4414

上述した特許文献1に記載の燃料電池システムにおいては、2種類の流量計算式を燃料電池システムの運転モードによって切替え、温度検知手段、圧力検知手段および駆動量検知手段によって検出された検出結果を選択された流量計算式に入力することによって流量を精度よく演算することができる。しかし、運転モードの判定に使用される燃料電池スタックおよび改質ガス流路にそれぞれ設けられた各温度検知手段のうちいずれかが故障した場合には、運転モードの判定ができず適切な流量計算式の選択が困難となるため流量を精度よく演算することができないおそれがあった。   In the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, two types of flow rate calculation formulas are switched depending on the operation mode of the fuel cell system, and the detection results detected by the temperature detection means, the pressure detection means, and the drive amount detection means are selected. By inputting into the calculated flow rate calculation formula, the flow rate can be calculated with high accuracy. However, if any one of the temperature detection means provided in the fuel cell stack and reformed gas flow path used for determining the operation mode fails, the operation mode cannot be determined and an appropriate flow rate calculation is performed. Since it becomes difficult to select an expression, there is a possibility that the flow rate cannot be calculated with high accuracy.

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、運転モード判定用の燃料電池スタックおよび改質ガス流路にそれぞれ設けられた各温度検知手段がなくても、簡易に燃料電池システムの全運転モードで送出流体の流量を精度よく推定することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and in the fuel cell system, even without each temperature detection means provided in each of the fuel cell stack for operation mode determination and the reformed gas flow path, The purpose is to accurately estimate the flow rate of the fluid to be delivered in all operation modes of the fuel cell system.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、運転状態に応じて流体の流路抵抗が変更される装置に接続された流体送出装置から該装置に供給される前記流体の流量を推定する流体供給量推定装置において、前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力と、前記流体送出装置の駆動量と、該吐出圧力および該駆動量に応じて前記流体送出装置から吐出される流体の吐出流量との関係を表す流量推定マップを記憶部に記憶し、前記検出された駆動量および前記検出された吐出圧力に応じて前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量に基いて前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求める推定送出量導出手段と、を備えたことである。   In order to solve the above problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is supplied to the apparatus from a fluid delivery apparatus connected to an apparatus in which the flow path resistance of the fluid is changed according to the operating state. In the fluid supply amount estimation device for estimating the flow rate of the fluid, discharge pressure detection means for detecting a discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, and drive amount detection means for detecting the drive amount of the fluid delivery device; The relationship between the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, the drive amount of the fluid delivery device, and the discharge flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device according to the discharge pressure and the drive amount A flow rate estimation map is stored in the storage unit and discharged from the fluid delivery device based on the fluid discharge flow rate obtained from the flow rate estimation map in accordance with the detected drive amount and the detected discharge pressure. And estimated transmission amount deriving means for obtaining an estimated delivery rate of fluid, is that with the.

請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、前記流体送出装置から吐出された流体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段を備え、前記推定送出量導出手段は、前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量を、前記検出された吐出温度により補正して前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求めることである。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a structural feature of the invention according to the first aspect, further comprising discharge temperature detection means for detecting a discharge temperature of the fluid discharged from the fluid delivery device, wherein the estimated delivery amount deriving means is the flow rate. The fluid discharge flow rate obtained from the estimated map is corrected by the detected discharge temperature to obtain the estimated delivery flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device.

請求項3に係る発明の構成上の特徴は、運転状態に応じて流体の流路抵抗が変更される装置に接続された流体送出装置から該装置に供給される前記流体の流量を推定する流体供給量推定装置において、前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、運転状態に応じて変更される流体の流路抵抗による圧損値が限界値となる場合における前記流体送出装置から吐出される流体の限界吐出圧力と前記流体送出装置の駆動量との関係を表す限界圧損マップを前記記憶部に記憶し、前記検出された駆動量に対応する限界吐出圧力を前記限界圧損マップから求め、前記検出された吐出圧力が前記限界吐出圧力を超えると消耗品交換信号を送出することである。   A structural feature of the invention according to claim 3 is that a fluid that estimates the flow rate of the fluid supplied to the device from a fluid delivery device connected to the device in which the flow path resistance of the fluid is changed according to the operating state. In the supply amount estimation device, the discharge pressure detection means for detecting the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, the drive amount detection means for detecting the drive amount of the fluid delivery device, and a change according to the operating state A limit pressure loss map representing the relationship between the limit discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device and the drive amount of the fluid delivery device when the pressure loss value due to the flow path resistance of the fluid is a limit value. And storing a limit discharge pressure corresponding to the detected drive amount from the limit pressure loss map, and sending a consumable replacement signal when the detected discharge pressure exceeds the limit discharge pressure.

請求項4に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料および改質水が供給され、その供給された改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質器と、を含む燃料電池システムであって、暖機運転および定常運転に応じて流体送出装置から供給される流体の流路抵抗が変更される燃料電池システムにおいて、前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力と、前記流体送出装置の駆動量と、該吐出圧力および該駆動量に応じて前記流体送出装置から吐出される流体の吐出流量との関係を表す流量推定マップを記憶部に記憶し、前記検出された駆動量および前記検出された吐出圧力に応じて前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量に基いて前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求める推定送出量導出手段と、を備えたことである。   The constitutional feature of the invention according to claim 4 is that a fuel cell for generating electricity with fuel gas and oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, a reforming fuel and reforming water are supplied, A reformer that generates the fuel gas containing hydrogen by reforming the supplied reforming fuel, and is supplied from the fluid delivery device according to warm-up operation and steady operation In the fuel cell system in which the flow path resistance of the fluid to be changed is changed, the discharge pressure detecting means for detecting the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, and the drive amount detection for detecting the drive amount of the fluid delivery device Means, a discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, a drive amount of the fluid delivery device, and a discharge flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device according to the discharge pressure and the drive amount Is stored in the storage unit, and the fluid delivery device is based on the discharge flow rate of the fluid obtained from the flow rate estimation map in accordance with the detected drive amount and the detected discharge pressure. And an estimated delivery amount deriving unit for obtaining an estimated delivery flow rate of the fluid discharged from the fluid.

請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項4において、前記流体送出装置から吐出された流体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段を備え、前記推定送出量導出手段は、前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量を、前記検出された吐出温度により補正して前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求めることである。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a structural feature of the invention according to the fourth aspect, further comprising discharge temperature detection means for detecting a discharge temperature of the fluid discharged from the fluid delivery device, wherein the estimated delivery amount deriving means is the flow rate. The fluid discharge flow rate obtained from the estimated map is corrected by the detected discharge temperature to obtain the estimated delivery flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device.

請求項6に係る発明の構成上の特徴は、請求項5において前記流量推定マップから求められた前記吐出流量と、前記吐出温度検出手段によって検出された前記吐出温度と、前記流量推定マップの作成時の環境温度Aとを変数として構成され、前記温度補正後の推定送出流量を算出する温度補正関数は下記(数1)式によってなることである。   The structural feature of the invention according to claim 6 is that the discharge flow rate obtained from the flow rate estimation map in claim 5, the discharge temperature detected by the discharge temperature detection means, and creation of the flow rate estimation map The temperature correction function that is configured with the environmental temperature A at the time as a variable and calculates the estimated delivery flow rate after the temperature correction is expressed by the following equation (1).

(数1)

Figure 2010019574
(Equation 1)
Figure 2010019574

請求項7に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料および改質水が供給され、その供給された改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質器と、を含む燃料電池システムであって、暖機運転および定常運転に応じて流体送出装置から供給される流体の流路抵抗が変更される燃料電池システムにおいて、前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、前記暖機運転状態および前記定常運転状態に応じて変更される流体の流路抵抗による圧損値が限界値となる場合における前記流体送出装置から吐出される流体の限界吐出圧力と前記流体送出装置の駆動量との関係を表す限界圧損マップを前記記憶部に記憶し、前記検出された駆動量に対応する限界吐出圧力を前記限界圧損マップから求め、前記検出された吐出圧力が前記限界吐出圧力を超えると消耗品交換信号を送出することである。   The structural feature of the invention according to claim 7 is that a fuel cell for generating electricity by using fuel gas and oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, a reforming fuel and reforming water are supplied, A reformer that generates the fuel gas containing hydrogen by reforming the supplied reforming fuel, and is supplied from the fluid delivery device according to warm-up operation and steady operation In the fuel cell system in which the flow path resistance of the fluid to be changed is changed, the discharge pressure detecting means for detecting the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, and the drive amount detection for detecting the drive amount of the fluid delivery device And the limit discharge of the fluid discharged from the fluid delivery device when the pressure loss value due to the flow path resistance of the fluid changed according to the warm-up operation state and the steady operation state becomes a limit value A limit pressure loss map representing the relationship between the force and the drive amount of the fluid delivery device is stored in the storage unit, a limit discharge pressure corresponding to the detected drive amount is obtained from the limit pressure loss map, and the detected discharge When the pressure exceeds the limit discharge pressure, a consumable replacement signal is sent.

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、流体送出装置で送出される吐出流量の推定は、流体送出装置の吐出圧力と、流体送出装置の駆動量と、予め測定され記憶部に記憶された、流体送出装置の吐出圧力と駆動量との関係を表す流量推定マップに基づき精度よく導出される。これにより、高価で大型な流量計を設ける必要がなくなり、コスト低減が図れるとともに、省スペースも図ることができる。   In the invention according to claim 1 configured as described above, the estimation of the discharge flow rate delivered by the fluid delivery device is based on the discharge pressure of the fluid delivery device, the drive amount of the fluid delivery device, and the measurement unit previously measured. It is accurately derived based on the stored flow rate estimation map representing the relationship between the discharge pressure of the fluid delivery device and the drive amount. As a result, it is not necessary to provide an expensive and large flow meter, cost can be reduced, and space can be saved.

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1において、流体送出装置から吐出された流体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段を備え、推定送出量導出手段は、流量推定マップから求められた流体の吐出流量を、検出された吐出温度により補正して流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求めるものである。これにより、請求項1における効果に加え推定流量はさらに精度よく導出される。   In the invention according to claim 2 configured as described above, in claim 1, it is provided with discharge temperature detecting means for detecting the discharge temperature of the fluid discharged from the fluid delivery device, and the estimated delivery amount deriving means is flow rate estimation. The fluid discharge flow rate obtained from the map is corrected by the detected discharge temperature, and the estimated delivery flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device is obtained. Thereby, in addition to the effect in claim 1, the estimated flow rate is derived with higher accuracy.

上記のように構成した請求項3に係る発明においては、運転状態に応じて変更される流体の流路抵抗による圧損値が限界値となる場合における流体送出装置から吐出される流体の限界吐出圧力と流体送出装置の駆動量との関係を表す限界圧損マップを記憶部に記憶し、検出された駆動量に対応する限界吐出圧力を限界圧損マップから求め、検出された吐出圧力が限界吐出圧力を超えると消耗品交換信号が送出される。これにより、運転者は劣化確認のため分解検査を実施する必要がないため、時間の節約ができる。また運転者は目視で劣化の確認ができるため経路が劣化したまま運転し続けるおそれが減り、信頼性が高く効率的な運転を行なうことができる。   In the invention according to claim 3 configured as described above, the limit discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device when the pressure loss value due to the flow path resistance of the fluid changed according to the operation state becomes the limit value A limit pressure loss map representing the relationship between the drive amount of the fluid delivery device and the fluid delivery device is stored in the storage unit, a limit discharge pressure corresponding to the detected drive amount is obtained from the limit pressure loss map, and the detected discharge pressure indicates the limit discharge pressure. If it exceeds, a consumable replacement signal is sent out. This saves time because the driver does not need to carry out an overhaul to check for deterioration. Further, since the driver can visually confirm the deterioration, the possibility of continuing to drive while the route is deteriorated is reduced, and the driving can be performed with high reliability and efficiency.

上記のように構成した請求項4に係る発明においては、燃料電池システムにおいて、流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力と、流体送出装置の駆動量と、該吐出圧力および該駆動量に応じて流体送出装置から吐出される流体の吐出流量との関係を表す流量推定マップを記憶部に記憶し、検出された駆動量および前記検出された吐出圧力に応じて流量推定マップから求められた流体の吐出流量に基いて流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求める推定送出量導出手段と、を備えている。これにより、高価で大型な流量計を設ける必要がなくなり、コスト低減が図れるとともに、省スペースも図ることができる。また、流量推定マップを使用することにより運転状態(運転モード)に関らず吐出流量の推定が精度よく行なえるために、従来技術において必要であった各運転状態毎に用意された流量計算式を選択する必要がない。したがって対応する流量計算式を選択するために利用されていたスタックおよび改質燃料に対する温度検知手段(センサ)が不要になり、信頼性が向上される。さらに運転モード判定用の各温度検知手段を使用しないためデータ保存のためのメモリ容量を減らすことができ、コストの低減が可能となる。   In the invention according to claim 4 configured as described above, in the fuel cell system, the discharge pressure detecting means for detecting the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, and the drive for detecting the drive amount of the fluid delivery device Relationship between the amount detection means, the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, the drive amount of the fluid delivery device, and the discharge pressure and the discharge flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device according to the drive amount Is stored in the storage unit, and the flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device is determined based on the flow rate of the fluid obtained from the flow rate estimation map according to the detected drive amount and the detected discharge pressure. And an estimated delivery amount deriving unit for obtaining an estimated delivery flow rate. As a result, it is not necessary to provide an expensive and large flow meter, cost can be reduced, and space can be saved. In addition, the flow rate calculation formula prepared for each operating state required in the prior art to accurately estimate the discharge flow rate regardless of the operating state (operating mode) by using the flow rate estimation map There is no need to select. Therefore, the temperature detection means (sensor) for the stack and the reformed fuel used for selecting the corresponding flow rate calculation formula becomes unnecessary, and the reliability is improved. Further, since each temperature detecting means for determining the operation mode is not used, the memory capacity for storing data can be reduced, and the cost can be reduced.

上記のように構成した請求項5に係る発明においては、請求項4において、流体送出装置から吐出された流体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段を備え、推定送出量導出手段は、流量推定マップから求められた流体の吐出流量を、検出された吐出温度により補正して流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求める。よって運転状態(運転モード)に関らず吐出流量の推定がより一層精度よく行なえ、従来技術においては必要であった各運転状態毎に用意された流量計算式を選択する必要がない。したがってそれぞれの運転モードに対応する流量計算式を選択するために利用されていたスタックおよび改質燃料に対する各温度検知手段(センサ)が不要になり、信頼性が向上される。さらに運転モード判定用の各温度検知手段を使用しないためデータ保存のためのメモリ容量を減らすことができるためコストの低減が可能となる。   In the invention according to claim 5 configured as described above, in claim 4, there is provided discharge temperature detection means for detecting the discharge temperature of the fluid discharged from the fluid delivery device, and the estimated delivery amount deriving means is flow rate estimation. The fluid discharge flow rate obtained from the map is corrected by the detected discharge temperature to obtain the estimated delivery flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device. Therefore, the discharge flow rate can be estimated more accurately regardless of the operation state (operation mode), and there is no need to select a flow rate calculation formula prepared for each operation state, which was necessary in the prior art. Therefore, the temperature detecting means (sensors) for the stack and the reformed fuel that have been used for selecting the flow rate calculation formula corresponding to each operation mode are not required, and the reliability is improved. Further, since each temperature detection means for determining the operation mode is not used, the memory capacity for storing data can be reduced, and thus the cost can be reduced.

上記のように構成した請求項6に係る発明においては、請求項5において、流量推定マップから求められた吐出流量と吐出温度検出手段によって検出された吐出温度と、流量推定マップ作成時の環境温度Aとを変数として構成され、推定送出流量を算出する温度補正関数は下記(数1)式によってなる。(数1)式によって、精度よく温度補正の換算ができることが確認されており、これにより、短時間で精度よく温度補正が可能となるとともに、制御の負荷が低減できる。   In the invention according to Claim 6 configured as described above, in Claim 5, the discharge flow rate obtained from the flow rate estimation map, the discharge temperature detected by the discharge temperature detecting means, and the environmental temperature at the time of creating the flow rate estimation map A temperature correction function that is configured with A as a variable and calculates the estimated delivery flow rate is expressed by the following equation (1). It has been confirmed that the temperature correction can be accurately converted by the equation (1). This makes it possible to perform the temperature correction with high accuracy in a short time and to reduce the control load.

(数1)

Figure 2010019574
(Equation 1)
Figure 2010019574

上記のように構成した請求項7に係る発明においては、燃料電池システムにおいて、暖機運転状態および定常運転状態に応じて変更される流体の流路抵抗による圧損値が限界値となる場合における流体送出装置から吐出される流体の限界吐出圧力と流体送出装置の駆動量との関係を表す限界圧損マップを記憶部に記憶し、検出された駆動量に対応する限界吐出圧力を限界圧損マップから求め、検出された吐出圧力が限界吐出圧力を超えると消耗品交換信号を送出する。これにより運転者は劣化確認のため分解検査を実施する必要がないため、時間の節約ができる。また運転者は目視で劣化の確認ができるため経路が劣化したまま運転し続けるおそれが減り、信頼性が高く効率的な運転を行なうことができる。   In the invention according to claim 7 configured as described above, in the fuel cell system, the fluid when the pressure loss value due to the flow path resistance of the fluid changed according to the warm-up operation state and the steady operation state becomes a limit value A limit pressure loss map representing the relationship between the limit discharge pressure of the fluid discharged from the delivery device and the drive amount of the fluid delivery device is stored in the storage unit, and the limit discharge pressure corresponding to the detected drive amount is obtained from the limit pressure loss map. When the detected discharge pressure exceeds the limit discharge pressure, a consumable replacement signal is sent out. This saves time because the driver does not need to carry out an overhaul to check for deterioration. Further, since the driver can visually confirm the deterioration, the possibility of continuing to drive while the route is deteriorated is reduced, and the driving can be performed with high reliability and efficiency.

以下、本発明による燃料電池システムの第1の実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む燃料ガスである改質ガスを生成する改質器20を備えている。   Hereinafter, a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates a reformed gas that is a fuel gas containing hydrogen gas necessary for the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、酸化剤ガスは、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11, an air electrode 12 that is an oxidant electrode, and an electrolyte 13 interposed between the electrodes 11 and 12, and supplies the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 and the air electrode 12. Electric power is generated using air (cathode air), which is the oxidant gas. In addition, you may make it supply oxidant gas the gas which enriched oxygen of air instead of air.

改質器20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23、一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどがあり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。   The reformer 20 steam reforms the reforming fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10. The reformer 20 includes a reforming unit 21, a cooling unit 22, a carbon monoxide shift reaction unit (hereinafter referred to as a “carbon monoxide shift reaction unit”). , A CO shift unit) 23, a carbon monoxide selective oxidation reaction unit (hereinafter referred to as a CO selective oxidation unit) 24, a combustion unit 25, and an evaporation unit 26. The reforming fuel includes natural gas, LPG, and the like. In this embodiment, natural gas will be described.

改質部21は、改質用燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。   The reforming unit 21 generates and derives a reformed gas from a mixed gas that is a reforming raw material in which steam is mixed with the reforming fuel. The reforming portion 21 is formed in a bottomed cylindrical shape, and includes an annular folded channel 21a extending along the axis in the annular cylindrical portion.

改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されている。触媒21bは折り返し流路21aの底部に設けられた消耗品である各網部材15および16によって押えられ、下方に落下しないようになっている。そして網部材15を介して冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管51から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は網部材16を介して冷却部(熱交換部)22に導出される。   The return channel 21a of the reforming unit 21 is filled with a catalyst 21b (for example, a Ru or Ni-based catalyst). The catalyst 21b is pressed by the mesh members 15 and 16 which are consumables provided at the bottom of the folded flow path 21a, so that it does not fall downward. Then, a mixed gas of the reforming fuel introduced from the cooling unit 22 via the mesh member 15 and the steam introduced from the steam supply pipe 51 reacts and is reformed by the catalyst 21b, so that hydrogen gas and carbon monoxide gas are converted. (So-called steam reforming reaction). At the same time, a so-called carbon monoxide shift reaction occurs in which carbon monoxide generated in the steam reforming reaction reacts with steam to transform into hydrogen gas and carbon dioxide. These generated gases (so-called reformed gas) are led out to the cooling unit (heat exchange unit) 22 through the net member 16.

冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。   The cooling unit 22 is a heat exchanger (heat exchange unit) in which heat exchange is performed between the reformed gas derived from the reforming unit 21 and a mixed gas of reforming fuel and reformed water (steam). The temperature of the reformed gas having a high temperature is lowered by the mixed gas having a low temperature and led to the CO shift unit 23, and the temperature of the mixed gas is raised by the reformed gas and led to the reforming unit 21. Yes.

冷却部22には燃料供給源Sf(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されている。燃料供給管41には、上流から順番に第1燃料バルブ42、改質用燃料ポンプ43、および第2燃料バルブ45が設けられている。第1および第2燃料バルブ42,45は制御装置30の指令によって燃料供給管41を開閉するものである。   A fuel supply pipe 41 connected to a fuel supply source Sf (for example, a city gas pipe) is connected to the cooling unit 22. The fuel supply pipe 41 is provided with a first fuel valve 42, a reforming fuel pump 43, and a second fuel valve 45 in order from the upstream. The first and second fuel valves 42 and 45 open and close the fuel supply pipe 41 according to commands from the control device 30.

改質用燃料ポンプ43は、制御装置30の指令に応じて改質部21に改質用燃料を供給し、その供給量を調整するものである。改質用燃料ポンプ43は、ポンプの回転数(駆動量)を検出する駆動量検出手段である回転数センサ43aを備えている。回転数センサ43aが検出した検出信号は制御装置30に出力されるようになっている。改質用燃料ポンプ43の吐出口には、吐出圧力検出手段である圧力センサ43bおよび吐出温度検出手段である温度センサ43cが設けられている。圧力センサ43bは、改質用燃料ポンプ43の出口側の流体の圧力を検出する吐出圧力検出手段であり、その検出信号を制御装置30に出力するようになっている。温度センサ43c(例えば熱電対)は、改質用燃料ポンプ43の出口側の流体の温度を検出する吐出温度検出手段であり、その検出信号を制御装置30に出力するようになっている。それらセンサ43a,43b,43cは改質用燃料ポンプ43に一体的に設けられている。   The reforming fuel pump 43 supplies reforming fuel to the reforming unit 21 in accordance with an instruction from the control device 30 and adjusts the supply amount. The reforming fuel pump 43 includes a rotation speed sensor 43a that is a drive amount detection means for detecting the rotation speed (drive amount) of the pump. A detection signal detected by the rotation speed sensor 43 a is output to the control device 30. The discharge port of the reforming fuel pump 43 is provided with a pressure sensor 43b as discharge pressure detection means and a temperature sensor 43c as discharge temperature detection means. The pressure sensor 43 b is discharge pressure detection means for detecting the pressure of the fluid on the outlet side of the reforming fuel pump 43, and outputs a detection signal to the control device 30. The temperature sensor 43 c (for example, a thermocouple) is discharge temperature detection means for detecting the temperature of the fluid on the outlet side of the reforming fuel pump 43, and outputs a detection signal to the control device 30. These sensors 43a, 43b, 43c are provided integrally with the reforming fuel pump 43.

なお、回転数センサ43aは、磁気式ロータリエンコーダを使用しており、回転数を電圧に変換して所定形状の波形として出力するものである。回転軸に直流発電機を付けその発電電圧から回転数を測定するDCタコゼネレータや、鉄心と2組のコイルから構成され2組のコイルを使って発生させる正弦波状の電圧から回転数を測定するレゾルバも使用可能である。   The rotation speed sensor 43a uses a magnetic rotary encoder and converts the rotation speed into a voltage and outputs it as a waveform having a predetermined shape. A DC tachometer generator that attaches a DC generator to the rotating shaft and measures the rotational speed from the generated voltage, and a resolver that measures the rotational speed from a sinusoidal voltage generated by using two sets of coils and an iron core. Can also be used.

また、圧力センサ43bは、ダイヤフラムで受圧しダイヤフラムの歪みを電圧に変換して出力するものである。材料は半導体(Si)を用いており、歪みを検出するのに静電容量の変化から検出している。材料がNiやCuの合金を用いる抵抗線式も使用可能である。   The pressure sensor 43b receives pressure by the diaphragm, converts the distortion of the diaphragm into a voltage, and outputs the voltage. The material is a semiconductor (Si), and is detected from a change in capacitance to detect strain. A resistance wire type using an alloy of Ni or Cu can also be used.

また、燃料供給管41の第2燃料バルブ45と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管51が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。   Further, a steam supply pipe 51 connected to the evaporation section 26 is connected between the second fuel valve 45 of the fuel supply pipe 41 and the cooling section 22. The steam supplied from the evaporation unit 26 is mixed with the reforming fuel, and the mixed gas is supplied to the reforming unit 21 through the cooling unit 22.

COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って供給された改質ガス(燃料ガス)中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部である。供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、COシフト部23内に充填された触媒23a(例えば、Cu−Zn系の触媒)により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されて導出される。   The CO shift unit 23 is a carbon monoxide reduction unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas (fuel gas) supplied from the reforming unit 21 through the cooling unit 22. Carbon monoxide contained in the supplied reformed gas reacts with water vapor by a catalyst 23a (for example, a Cu—Zn-based catalyst) filled in the CO shift unit 23 to be converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas. A so-called carbon monoxide shift reaction occurs. As a result, the reformed gas is derived with a reduced carbon monoxide concentration.

CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給する一酸化炭素低減部である。CO選択酸化部24は、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。CO選択酸化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。   The CO selective oxidation unit 24 is a carbon monoxide reduction unit that further reduces the carbon monoxide in the reformed gas supplied from the CO shift unit 23 and supplies it to the fuel cell 10. The CO selective oxidation unit 24 is formed in a cylindrical shape, and is provided so as to cover the outer peripheral wall of the evaporation unit 26. The CO selective oxidation unit 24 is filled with a catalyst 24a (for example, a Ru or Pt catalyst).

このCO選択酸化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された接続管93および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。接続管93には、酸化用空気を供給する酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO選択酸化部24には、COシフト部23からの改質ガスと酸化用空気とが導入される。酸化用空気供給管61には、上流から順番に酸化用空気ブロア63および酸化用空気バルブ64が設けられている。酸化用空気ブロア63は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ64は酸化用空気供給管61を開閉するものである。したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応(酸化)して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。   A connecting pipe 93 connected to the CO shift unit 23 and a reformed gas supply pipe 71 connected to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 are connected to the lower side wall surface and the upper side wall surface of the CO selective oxidation unit 24, respectively. ing. An oxidation air supply pipe 61 that supplies oxidation air is connected to the connection pipe 93. As a result, the reformed gas and the oxidizing air from the CO shift unit 23 are introduced into the CO selective oxidation unit 24. The oxidation air supply pipe 61 is provided with an oxidation air blower 63 and an oxidation air valve 64 in order from the upstream. The oxidizing air blower 63 supplies oxidizing air and adjusts the supply amount. The oxidation air valve 64 opens and closes the oxidation air supply pipe 61. Therefore, carbon monoxide in the reformed gas introduced into the CO selective oxidation unit 24 reacts (oxidizes) with oxygen in the oxidizing air to become carbon dioxide. Thereby, the reformed gas is derived by further reducing the carbon monoxide concentration (10 ppm or less) by the oxidation reaction, and is supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10.

また、CO選択酸化部24内には触媒24aの温度を検出する温度センサ24bが設けられている。温度センサ24bの検出信号は制御装置30に出力されるようになっている。   In the CO selective oxidation unit 24, a temperature sensor 24b for detecting the temperature of the catalyst 24a is provided. The detection signal of the temperature sensor 24 b is output to the control device 30.

燃焼部25は、燃焼用燃料、改質ガスやアノードオフガスなどの可燃ガスを燃焼用酸化剤ガスにより燃焼し、その燃焼ガスによって改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するためのものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。   The combustion unit 25 burns combustible gas such as combustion fuel, reformed gas and anode off-gas with combustion oxidant gas, heats the reforming unit 21 with the combustion gas, and generates heat necessary for the steam reforming reaction. The lower end portion is inserted into the inner peripheral wall of the reforming portion 21 and arranged with a space.

燃焼部25には、改質用燃料ポンプ43の上流にて燃料供給管41から分岐した燃焼用燃料供給管47が接続されるとともに、燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されている。燃料電池10の起動当初(暖機運転状態)、燃焼用燃料が燃焼部25に供給され、燃料電池10の暖機運転中(暖機運転状態)、CO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10を経由しないで燃焼部25に供給され、燃料電池10の発電運転中(定常運転状態)、燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用の水素を含んだ改質ガス)が燃焼部25に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。   A combustion fuel supply pipe 47 branched from the fuel supply pipe 41 upstream of the reforming fuel pump 43 is connected to the combustion section 25, and one end is connected to the outlet of the fuel electrode 11. The other end of the pipe 72 is connected. At the start of the fuel cell 10 (warm-up operation state), combustion fuel is supplied to the combustion unit 25, and during the warm-up operation of the fuel cell 10 (warm-up operation state), the reformed gas from the CO selective oxidation unit 24 is The anode off-gas that is supplied to the combustion unit 25 without going through the fuel cell 10 and is discharged from the fuel cell 10 during the power generation operation (steady operation state) of the fuel cell 10 Quality gas) is supplied to the combustion section 25. In addition, the shortage of reformed gas and off-gas is supplemented with combustion fuel.

また、燃焼部25には、燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管65が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼(酸化)させるための燃焼用空気などの酸化剤ガスが供給されるようになっている。   The combustion unit 25 is connected to a combustion air supply pipe 65 for supplying combustion air, and combusts (oxidizes) the combustion fuel, combustible gas such as anode off-gas and reformed gas, and combustible gas. For this purpose, an oxidant gas such as combustion air is supplied.

なお、燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料ポンプ48が設けられている。燃焼用燃料ポンプ48は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整するものである。また、燃焼用空気供給管65には上流から順番に、空気中の埃が入らないようにするための、消耗品であるフィルタ17と、燃焼用空気ブロア66とが設けられている。   The combustion fuel supply pipe 47 is provided with a combustion fuel pump 48. The combustion fuel pump 48 supplies combustion fuel and adjusts the supply amount. Further, the combustion air supply pipe 65 is provided with a filter 17 and a combustion air blower 66 which are consumables for preventing dust in the air from entering in order from the upstream.

燃焼用空気ブロア66は燃焼用空気を供給しその供給量を調整するものである。燃焼用空気ブロア66は、ブロアの回転数(駆動量)を検出する駆動量検出手段である回転数センサ66aを備えている。回転数センサ66aが検出した検出信号は制御装置30に出力される。燃焼用空気ブロア66の吐出口には、圧力センサ66bおよび温度センサ66cが設けられている。圧力センサ66bは、燃焼用空気ブロア66の出口側の流体(空気)の圧力を検出する吐出圧力検出手段であり、その検出信号は制御装置30に出力される。   The combustion air blower 66 supplies combustion air and adjusts the supply amount. The combustion air blower 66 includes a rotation speed sensor 66a that is a drive amount detection means for detecting the rotation speed (drive amount) of the blower. A detection signal detected by the rotation speed sensor 66 a is output to the control device 30. A pressure sensor 66 b and a temperature sensor 66 c are provided at the discharge port of the combustion air blower 66. The pressure sensor 66 b is discharge pressure detection means for detecting the pressure of the fluid (air) on the outlet side of the combustion air blower 66, and the detection signal is output to the control device 30.

温度センサ66cは、燃焼用空気ブロア66の出口側の流体(空気)の温度を検出する吐出温度検出手段であり、その検出信号は制御装置30に出力される。   The temperature sensor 66 c is discharge temperature detection means for detecting the temperature of the fluid (air) on the outlet side of the combustion air blower 66, and the detection signal is output to the control device 30.

上述した燃焼部25は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路27を流通し、排気管91を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部21および蒸発部26を加熱する。燃焼ガス流路27は、改質部21の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部21の外周壁と断熱部28との間に当接して配設され、折り返されて断熱部28と蒸発部26の間に当接して配設された流路である。   When the above-described combustion section 25 is ignited, the supplied combustion fuel, reformed gas or anode off-gas is combusted by the combustion air to generate high-temperature combustion gas. The combustion gas flows through the combustion gas passage 27 and is exhausted as combustion exhaust gas through the exhaust pipe 91. As a result, the combustion gas heats the reforming unit 21 and the evaporation unit 26. The combustion gas flow path 27 is disposed in contact with the inner peripheral wall of the reforming section 21 and is folded and disposed between the outer peripheral wall of the reforming section 21 and the heat insulating section 28 and folded. In other words, the flow path is disposed in contact between the heat insulating portion 28 and the evaporation portion 26.

蒸発部26は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものである。蒸発部26は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の最も外側の流路の外周壁を覆って当接して設けられている。   The evaporation unit 26 heats and boiles the reformed water to generate water vapor, and supplies the steam to the reforming unit 21 via the cooling unit 22. The evaporation part 26 is formed in a cylindrical shape and is provided so as to cover the outer peripheral wall of the outermost channel of the combustion gas channel 27.

この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水タンクSwに接続された給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気供給管51が接続されている。改質水タンクSwから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO選択酸化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管51および冷却部22を介して改質部22へ導出するようになっている。なお、給水管52には、上流から順番に改質水ポンプ53および改質水バルブ54が設けられている。改質水ポンプ53は、蒸発部26に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ54は給水管52を開閉するものである。   A water supply pipe 52 connected to the reforming water tank Sw is connected to the lower part (for example, the lower part of the side wall surface and the bottom surface) of the evaporation unit 26. A water vapor supply pipe 51 is connected to the upper part (for example, the upper part of the side wall surface) of the evaporation unit 26. The reformed water introduced from the reformed water tank Sw is heated by the heat from the combustion gas and the heat from the CO selective oxidation unit 24 in the course of flowing through the evaporation unit 26 to become water vapor and the steam supply pipe 51 and the cooling unit 22 are led out to the reforming unit 22. The water supply pipe 52 is provided with a reforming water pump 53 and a reforming water valve 54 in order from the upstream. The reforming water pump 53 supplies reforming water to the evaporation unit 26 and adjusts the reforming water supply amount. The reforming water valve 54 opens and closes the water supply pipe 52.

燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されるとともに、燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。   A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 via a reformed gas supply pipe 71, and the combustion unit 25 is connected to the outlet of the fuel electrode 11 via an offgas supply pipe 72. Is connected. The bypass pipe 73 bypasses the fuel cell 10 and directly connects the reformed gas supply pipe 71 and the offgas supply pipe 72. The reformed gas supply pipe 71 is provided with a first reformed gas valve 74 between the branch point of the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. The off gas supply pipe 72 is provided with an off gas valve 75 between the junction with the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. A second reformed gas valve 76 is provided in the bypass pipe 73.

また、燃料電池10の空気極12の導入口には、カソード用空気を供給するカソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、排気管92が接続され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ブロア68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。   Further, a cathode air supply pipe 67 that supplies cathode air is connected to the inlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10, and an exhaust pipe 92 is connected to the outlet of the air electrode 12, so that off-gas is supplied. Will be exhausted. The cathode air supply pipe 67 is provided with a cathode air blower 68 and a cathode air valve 69 in order from the upstream.

カソード用空気ブロア68はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。   The cathode air blower 68 supplies cathode air and adjusts the supply amount. The cathode air valve 69 opens and closes the cathode air supply pipe 67.

上述した改質用燃料ポンプ43、燃焼用燃料ポンプ48、酸化用空気ブロア63、燃焼用空気ブロア66は改質器20に燃料および空気である流体を送出する流体送出装置である。また改質水ポンプ53は、蒸発部26に水である流体を送出する流体送出装置である。さらにカソード用空気ブロア68は、燃料電池10に、空気である流体を送出する流体送出装置である。   The reforming fuel pump 43, the combustion fuel pump 48, the oxidizing air blower 63, and the combustion air blower 66 described above are fluid delivery devices that send fuel and air as fluid to the reformer 20. The reforming water pump 53 is a fluid delivery device that delivers a fluid that is water to the evaporation unit 26. Further, the cathode air blower 68 is a fluid delivery device that delivers a fluid, which is air, to the fuel cell 10.

燃料電池システムは制御装置30を備えており、制御装置30は図示しないマイクロコンピュータを有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、各温度センサ24b,43c、66c、各回転数センサ43a、66a、各圧力センサ43b、66b、からの入力信号に基づいて、各ポンプ43,48,53、各ブロア63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76、および燃焼部25を制御している。これにより、燃料電池システムの暖機運転(暖機モード)および発電運転(発電モード)を実施するとともに、所望の出力電流(負荷装置で消費される電流・電力)となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、改質水およびカソード用空気の各供給量を制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものである。ROMは前記プログラムを記憶するものである。   The fuel cell system includes a control device 30, and the control device 30 includes a microcomputer (not shown). The microcomputer includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all of which are connected via a bus). (Not shown). The CPU, based on the input signals from the temperature sensors 24b, 43c, 66c, the rotational speed sensors 43a, 66a, and the pressure sensors 43b, 66b, each pump 43, 48, 53 and each blower 63, 66, 68. The valves 42, 45, 54, 64, 69, 74, 75, 76 and the combustion unit 25 are controlled. Thus, the fuel for reforming is performed so that the warm-up operation (warm-up mode) and the power generation operation (power-generation mode) of the fuel cell system are performed and the desired output current (current / power consumed by the load device) is obtained. Each supply amount of combustion fuel, combustion air, reforming water and cathode air is controlled. The RAM temporarily stores variables necessary for executing the program. The ROM stores the program.

制御装置30は、流体送出装置である例えば改質用燃料ポンプ43の流体の流量(送出量)を制御したり、改質用燃料ポンプ43から送出される流量(送出量)を推定するものであり、図3に示すように、制御ロジック部31と流体供給量推定装置である流量推定ロジック部32とを備えている。   The control device 30 controls, for example, the flow rate (delivery amount) of the fluid of the reforming fuel pump 43 that is a fluid delivery device, or estimates the flow rate (delivery amount) delivered from the reforming fuel pump 43. Yes, as shown in FIG. 3, a control logic unit 31 and a flow rate estimation logic unit 32 which is a fluid supply amount estimation device are provided.

制御ロジック部31は、設定流量rfluxに基づき改質用燃料ポンプ43のモータ43dのデューティ比dutyを演算する操作量導出手段と、その演算結果をモータ43dのドライバ回路43eへ出力しモータ43dの駆動量(回転数)を制御する制御手段とを備える。   The control logic unit 31 operates the operation amount deriving means for calculating the duty ratio duty of the motor 43d of the reforming fuel pump 43 based on the set flow rate rflux, and outputs the calculation result to the driver circuit 43e of the motor 43d to drive the motor 43d. Control means for controlling the amount (number of rotations).

また制御ロジック部31は、流量推定ロジック部32で推定された推定流量である推定送出流量estflux2と、目標流量である設定流量rfluxとの差に基づき操作量導出手段によって操作量を導出する。そして導出された操作量であるデューティ比dutyを入力された制御手段によって、改質用燃料ポンプ43のモータ43dの駆動量(回転数)がフィードバック制御される。モータ43dは演算結果に基づいたデューティ比dutyで、PWM制御される(パルスの大きさは一定で,パルス幅をデューティ比に応じて変化させて制御する)。設定流量rfluxは、燃料電池システムの電力供給先に設置された負荷装置で消費される電流・電力と、予め記憶されている燃料供給マップとに基づいて導出されるものである。燃料供給マップは、負荷装置で消費される電流・電力と改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、改質水およびカソード用空気の各供給量(供給指示値)との相関関係を示すものである。   The control logic unit 31 derives the operation amount by the operation amount deriving unit based on the difference between the estimated delivery flow rate estflux2 that is the estimated flow rate estimated by the flow rate estimation logic unit 32 and the set flow rate rflux that is the target flow rate. The driving amount (rotation speed) of the motor 43d of the reforming fuel pump 43 is feedback-controlled by the control means that receives the duty ratio duty that is the derived operation amount. The motor 43d is PWM-controlled with a duty ratio based on the calculation result (the pulse size is constant and the pulse width is controlled according to the duty ratio). The set flow rate rflux is derived based on the current / power consumed by the load device installed at the power supply destination of the fuel cell system and the fuel supply map stored in advance. The fuel supply map shows a correlation between current / power consumed by the load device and supply amounts (supply instruction values) of reforming fuel, combustion fuel, combustion air, reforming water, and cathode air. Is.

流量推定ロジック部32は、図4に示すように2つの推定送出量導出手段を備えている。第1の推定送出量導出手段は回転数センサ43aによって検出された改質用燃料ポンプ43の回転数rpmと、吐出圧力センサ43bによって検出された改質用燃料ポンプ43の吐出圧力pressとを、ROMに記憶された流量推定マップMにあてはめ推定送出流量estflux1を導出するものである。   As shown in FIG. 4, the flow rate estimation logic unit 32 includes two estimated transmission amount derivation means. The first estimated delivery amount deriving means calculates the rotation speed rpm of the reforming fuel pump 43 detected by the rotation speed sensor 43a and the discharge pressure press of the reforming fuel pump 43 detected by the discharge pressure sensor 43b. The estimated delivery flow rate estflux1 is derived from the flow rate estimation map M stored in the ROM.

流量推定マップMは、改質用燃料ポンプ43の駆動量検出手段である回転数センサ43aによって検出された回転数rpmと、改質用燃料ポンプ43の吐出圧力検出手段である圧力センサ43bによって検出された吐出圧力pressと、実験のために備えられた流量計により計測された流量値との相関関係を表すものであり、予め実測され記憶部30aに記憶されている。   The flow rate estimation map M is detected by the rotation speed rpm detected by the rotation speed sensor 43a that is the drive amount detection means of the reforming fuel pump 43 and by the pressure sensor 43b that is the discharge pressure detection means of the reforming fuel pump 43. This represents the correlation between the discharge pressure pressed and the flow rate value measured by a flow meter provided for the experiment, and is measured in advance and stored in the storage unit 30a.

また流量推定マップMは、燃料電池システムの全運転モード域において所定の間隔毎にそれぞれのデータ同士が対応して測定され、測定されない部分については測定されたデータを基に2次関数以上の所定の多項式によってデータ補間されている。   In addition, the flow rate estimation map M is measured corresponding to each other at predetermined intervals in the entire operation mode region of the fuel cell system, and a portion that is not measured is a predetermined value of a quadratic function or more based on the measured data. The data is interpolated by the polynomial.

第2の推定送出量導出手段は第1の推定送出量導出手段によって導出された吐出流量である推定送出流量estflux1と、吐出温度検出手段である温度センサ43cによって検出された改質用燃料ポンプ43の流体の吐出温度tempと、流量推定マップMが作成されたときの環境温度Aと、を変数として構成される下記(数1)式に示す温度補正関数から推定送出流量estflux2が導出され、導出された推定送出流量estflux2を制御ロジック部31に出力するものである。なお、流量推定マップMが作成されたときの環境温度Aは流量推定マップMを温度補正するためのものであり、本実施形態においては20℃である。発明者が、検証した結果、(数1)式は、温度補正して精度よく推定送出流量を導出できることが確認されている。   The second estimated delivery amount derivation means includes an estimated delivery flow rate estflux1 that is the discharge flow rate derived by the first estimated delivery amount derivation means, and a reforming fuel pump 43 that is detected by the temperature sensor 43c that is a discharge temperature detection means. The estimated delivery flow rate estflux2 is derived from the temperature correction function shown in the following (Equation 1) configured with the discharge temperature temp of the fluid and the environmental temperature A when the flow rate estimation map M is created as variables. The estimated delivery flow rate estflux2 is output to the control logic unit 31. The environmental temperature A when the flow rate estimation map M is created is for correcting the temperature of the flow rate estimation map M, and is 20 ° C. in the present embodiment. As a result of the inventor's verification, it has been confirmed that the equation (1) can accurately derive the estimated delivery flow rate by correcting the temperature.

(数1)

Figure 2010019574
(Equation 1)
Figure 2010019574

次に上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの暖機運転を開始する。すなわち燃料電池システムは暖機運転状態に入る。制御装置30は、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開いてCO選択酸化部24を燃焼部25に接続し、第1燃料バルブ42を開き第2燃料バルブ45を閉じて燃焼用燃料ポンプ48および燃焼用空気ブロア66を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼部25に供給して燃焼部25を着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部21および蒸発部26が加熱される。   Next, the operation of the above-described fuel cell system will be described. When a start switch (not shown) is turned on at time t0, control device 30 starts the warm-up operation of the fuel cell system. That is, the fuel cell system enters a warm-up operation state. The control device 30 closes the first reformed gas valve 74 and the off-gas valve 75, opens the second reformed gas valve 76, connects the CO selective oxidation unit 24 to the combustion unit 25, opens the first fuel valve 42, and opens the second fuel valve. 45 is closed and the combustion fuel pump 48 and the combustion air blower 66 are driven to supply combustion fuel and combustion air to the combustion unit 25 to ignite the combustion unit 25. Thereby, the fuel for combustion is combusted, and the reforming part 21 and the evaporation part 26 are heated by the combustion gas.

制御装置30は、蒸発部26が水蒸気を生成するのに十分な温度に達すると、水バルブ54を開き、改質水ポンプ53を駆動させ水タンクSwの水を所定流量(所定供給量)だけ蒸発部26を介して改質部21に供給を開始する。その後、制御装置30は、第2燃料バルブ45を開いて改質用燃料ポンプ43を駆動させ燃料供給源Sf の燃料を所定流量(所定供給量)だけ改質部21に供給するとともに、酸化用空気バルブ64を開いて酸化用空気ブロア63を駆動させ酸化用空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する。これにより、改質部21に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃焼部25に供給され燃焼される。   When the temperature reaches a temperature sufficient for the evaporation unit 26 to generate water vapor, the control device 30 opens the water valve 54 and drives the reforming water pump 53 to supply water in the water tank Sw by a predetermined flow rate (predetermined supply amount). Supply to the reforming unit 21 is started via the evaporation unit 26. Thereafter, the control device 30 opens the second fuel valve 45 to drive the reforming fuel pump 43 to supply the fuel from the fuel supply source Sf to the reforming unit 21 by a predetermined flow rate (predetermined supply amount) and The air valve 64 is opened to drive the oxidizing air blower 63 to supply the oxidizing air to the CO selective oxidation unit 24 by a predetermined flow rate (predetermined supply amount). Thus, the reformed fuel and steam mixed gas are supplied to the reforming unit 21, and the reforming unit 21 generates the reformed gas by causing the steam reforming reaction and the carbon monoxide shift reaction described above. The reformed gas derived from the reforming unit 21 is derived from the CO selective oxidizing unit 24 after the carbon monoxide gas is reduced by the CO shift unit 23 and the CO selective oxidizing unit 24, supplied to the combustion unit 25 and burned. The

このような改質ガスの生成中において、制御装置30は、温度センサ24bによりCO選択酸化部24の触媒24aの温度を検出し、この検出した温度が所定温度以上となれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の低濃度以下となったとして、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じてCO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口を燃焼部25に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する暖機運転状態が終了して続いて流路が変更され定常運転状態が開始される。すなわち燃料電池システムは発電モードに入る。   During the generation of the reformed gas, the control device 30 detects the temperature of the catalyst 24a of the CO selective oxidation unit 24 by the temperature sensor 24b, and if the detected temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, As a result, the first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 are opened, the second reformed gas valve 76 is closed, and the CO selective oxidizer 24 is connected to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. And the outlet of the fuel electrode 11 is connected to the combustion section 25. Thereby, after the warm-up operation state for warming up the fuel cell system is completed, the flow path is changed and the steady operation state is started. That is, the fuel cell system enters the power generation mode.

制御装置30は、発電モードにおいては、所望の出力電流(負荷装置で消費される電流・電力)となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。制御装置30は、所望の出力電流となるように改質用燃料の供給量を演算し設定流量として出力し、その供給量となるように改質用燃料ポンプ43を駆動させ、演算した改質用燃料設定流量およびS/C(スチームカーボン比)に基づいて改質水の供給量を演算し設定流量として出力し、その供給量となるように改質水ポンプ53を駆動させている。   In the power generation mode, the control device 30 performs reforming fuel, combustion fuel, combustion air, oxidation air, cathode air, and a desired output current (current / power consumed by the load device). The reformed water is supplied. The control device 30 calculates the supply amount of the reforming fuel so as to obtain a desired output current, outputs it as a set flow rate, drives the reforming fuel pump 43 so as to obtain the supply amount, and performs the calculated reforming. Based on the set fuel flow rate and S / C (steam carbon ratio), the supply amount of reforming water is calculated and output as the set flow rate, and the reforming water pump 53 is driven so as to obtain the supply amount.

また、制御装置30は、アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部25にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、燃焼部25に供給する燃焼用燃料の供給量を演算し設定流量として出力し、その供給量となるように燃焼用燃料ポンプ48を駆動させ、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算し設定流量として出力し、その供給量となるように燃焼用空気ブロア66を駆動させている。   Further, the control device 30 determines the supply amount of the fuel for combustion supplied to the combustion unit 25 when the thermal energy necessary for the combustion unit 25 is insufficient by the combustion heat of the anode off gas, or when the start-up operation is being performed. Calculate and output as a set flow rate, drive the combustion fuel pump 48 so as to achieve the supply amount, calculate the supply amount of combustion air based on the reforming fuel supply amount, etc., and output it as the set flow rate, The combustion air blower 66 is driven so as to obtain a supply amount.

また、制御装置30は、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算し設定流量として出力し、その供給量となるように酸化用空気ブロア63を駆動させている。そして、制御装置30は、改質器20から供給された改質ガスと反応するに十分なカソード用空気の供給量を演算し設定流量として出力し、その供給量となるようにカソード用空気ブロア68を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止運転を実施して停止する。   In addition, the control device 30 calculates the supply amount of the oxidation air so that the carbon monoxide is less than or equal to a predetermined amount, outputs it as a set flow rate, and drives the oxidation air blower 63 so as to achieve the supply amount. . Then, the control device 30 calculates a supply amount of cathode air sufficient to react with the reformed gas supplied from the reformer 20, outputs it as a set flow rate, and supplies the cathode air blower so as to obtain the supply amount. 68 is driven. When the stop switch is pushed, the fuel cell system performs a stop operation and stops.

次に、改質用燃料ポンプ43の推定送出流量estflux2の算出および算出した推定送出流量estflux2による改質用燃料ポンプ43のフィードバック制御について図6に示したフローチャート1を参照しながら説明する。なおフローチャート1は流体送出装置によって送出される流体の流路抵抗が異なる運転状態、即ち暖機運転状態および発電運転状態のどちらにも適用されるものである。   Next, calculation of the estimated delivery flow rate estflux2 of the reforming fuel pump 43 and feedback control of the reforming fuel pump 43 based on the calculated estimated delivery flow rate estflux2 will be described with reference to the flowchart 1 shown in FIG. Note that the flowchart 1 is applied to an operation state in which the flow path resistance of the fluid delivered by the fluid delivery device is different, that is, both a warm-up operation state and a power generation operation state.

制御装置30は、図示しないスタートスイッチがオンされ暖機運転が開始されると、改質用燃料ポンプ43が駆動され燃料供給源Sf の燃料が所定流量(所定供給量)だけ改質部21に供給されて図6のフローチャート1に対応したプログラムの実行を開始する(ステップS10)。   When the start switch (not shown) is turned on and the warm-up operation is started, the control device 30 drives the reforming fuel pump 43 and supplies the fuel from the fuel supply source Sf to the reforming unit 21 by a predetermined flow rate (predetermined supply amount). The execution of the program corresponding to the flow chart 1 shown in FIG. 6 is started (step S10).

その後、制御装置30は、改質用燃料ポンプ43の回転数センサ43aが検出した回転数rpmと、改質用燃料ポンプ43の圧力センサ43bが検出した吐出圧力pressと、温度センサ43cが検出した改質用燃料ポンプ43の吐出温度tempとを受信する(ステップS11)。   Thereafter, the control device 30 detects the rotation speed rpm detected by the rotation speed sensor 43a of the reforming fuel pump 43, the discharge pressure press detected by the pressure sensor 43b of the reforming fuel pump 43, and the temperature sensor 43c. The discharge temperature temp of the reforming fuel pump 43 is received (step S11).

制御装置30は、それら受信した回転数rpmと、吐出圧力pressと、予めROMに記憶された流量推定マップMとから推定送出量導出手段M(rpm、press)によって推定送出流量estflux1を読み取って導出する(ステップS12)。   The control device 30 reads and derives the estimated delivery flow rate estflux1 by the estimated delivery amount deriving means M (rpm, press) from the received rotation speed rpm, the discharge pressure press, and the flow rate estimation map M previously stored in the ROM. (Step S12).

次に制御装置30は、導出された推定送出流量estflux1と受信した吐出温度tempと、流量推定マップMが作成されたときの環境温度A(本実施形態においては20℃)と、を推定送出量導出手段である温度補正関数(数1)に入力し、推定送出流量estflux2を導出する(ステップS13)。   Next, the control device 30 calculates the estimated delivery flow rate estflux1 derived, the received discharge temperature temp, and the ambient temperature A (20 ° C. in the present embodiment) when the flow rate estimation map M is created. It inputs into the temperature correction function (Formula 1) which is a derivation means, and presumes sending flow rate estflux2 (Step S13).

そして念のためにステップS14にて、ステップS13までのデータが改質用燃料ポンプ43が作動していたかどうかを改質用燃料ポンプ43の回転数の大きさによって確認する。回転数rpmが0より大きいか否かを確認し、0以下であれば改質用燃料ポンプ43は作動していなかったとして推定送出流量estflux2を0とし、回転数rpmが0より大きければ改質用燃料ポンプ43は正常に作動していたとしてステップS13によって導出された値を推定送出流量estflux2とする。   As a precaution, in step S14, it is confirmed from the data up to step S13 whether or not the reforming fuel pump 43 has been operated based on the magnitude of the number of revolutions of the reforming fuel pump 43. It is confirmed whether or not the rotational speed rpm is greater than 0. If the rotational speed rpm is greater than 0, it is assumed that the reforming fuel pump 43 has not been operated, and the estimated delivery flow rate estflux2 is set to 0. Assuming that the fuel pump 43 is operating normally, the value derived in step S13 is set as the estimated delivery flow rate estflux2.

次に制御装置30は、フィードバック制御を行なうために改質用燃料ポンプ43の設定流量rfluxを受信し(ステップS15)、該設定流量rfluxと、ステップS13にて導出された推定送出流量estflux2との差を算出する。そして制御装置30は、算出された設定流量rfluxと推定送出流量estflux2との差から、操作量導出手段によって、設定流量rfluxに追従する操作量であるモータ43dのデューティ比dutyを算出する(ステップS16)。   Next, the control device 30 receives the set flow rate rflux of the reforming fuel pump 43 in order to perform feedback control (step S15), and the set flow rate rflux and the estimated delivery flow rate estflux2 derived in step S13. Calculate the difference. Then, the control device 30 calculates the duty ratio duty of the motor 43d, which is the operation amount following the set flow rate rflux, by the operation amount deriving unit from the difference between the calculated set flow rate rflux and the estimated delivery flow rate estflux2 (step S16). ).

そして、制御装置30は、制御手段によってステップS16で算出された改質用燃料ポンプ43のモータ43dのデューティ比dutyをモータ43dのドライバ回路43eへ出力して、改質用燃料ポンプ43を駆動し(ステップS17)、その後プログラムを終了する(ステップS18)。なお本プログラムは発電運転状態においても同様の内容で作動される。   Then, the control device 30 outputs the duty ratio duty of the motor 43d of the reforming fuel pump 43 calculated by the control means in step S16 to the driver circuit 43e of the motor 43d to drive the reforming fuel pump 43. (Step S17), and then the program ends (Step S18). This program is operated with the same contents even in the power generation operation state.

このようにして推定された改質用燃料ポンプ43の流量について検証する。図5は本実施の形態に係る改質用燃料ポンプ43の暖機運転状態および発電運転状態において、検証用に設けた質量流量計を使用して測定した実流量と、改質用燃料ポンプ43の回転数センサ43a、圧力センサ43bおよび温度センサ43cの検出値を用い流量推定ロジック32にて推定した推定送出流量estflux2との比較を示したものである。   The flow rate of the reforming fuel pump 43 estimated in this way is verified. FIG. 5 shows an actual flow rate measured using a mass flow meter provided for verification in the warm-up operation state and the power generation operation state of the reforming fuel pump 43 according to the present embodiment, and the reforming fuel pump 43. The comparison with the estimated delivery flow rate estflux2 estimated by the flow rate estimation logic 32 using the detected values of the rotation speed sensor 43a, the pressure sensor 43b, and the temperature sensor 43c is shown.

図5に示すように、質量流量計を使用して所定時間、測定した実流量を点で表す。また実流量測定と同時に、かつ同じだけの所定時間、検出された各センサ43a,43bおよび43cの検出値をもとに、第1の推定送出量導出手段および第2の推定送出量導出手段の2段階で導出した推定送出流量estflux2を実線La1で表す。   As shown in FIG. 5, the actual flow rate measured for a predetermined time using a mass flow meter is represented by dots. Simultaneously with the actual flow rate measurement and based on the detected values of the sensors 43a, 43b and 43c detected for the same predetermined time, the first estimated delivery amount deriving means and the second estimated delivery amount deriving means. The estimated delivery flow rate estflux2 derived in two stages is represented by a solid line La1.

図5から明らかなように、暖機運転状態および発電運転状態のどちらの状態においても、第2の推定送出流量estflux2は実流量とよく一致していることを確認することができる。   As is apparent from FIG. 5, it can be confirmed that the second estimated delivery flow rate estflux2 is in good agreement with the actual flow rate in both the warm-up operation state and the power generation operation state.

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、流体送出装置(例えば改質用燃料ポンプ43)に備えられた吐出圧力検出手段、駆動量検出手段および吐出温度検出手段の各検出手段によって検出された、吐出圧力press、回転数rpm、および吐出温度tempのみを用い、精度よく流体の送出量を推定することができる。よって大型で高価な流量計を備える必要がなくコストの低減を図ることができる。   As is apparent from the above description, in the present embodiment, the detection means of the discharge pressure detection means, the drive amount detection means, and the discharge temperature detection means provided in the fluid delivery device (for example, the reforming fuel pump 43) are used. Using only the detected discharge pressure, rotation speed rpm, and discharge temperature temp, the fluid delivery amount can be estimated with high accuracy. Therefore, it is not necessary to provide a large and expensive flow meter, and the cost can be reduced.

また前述したとおり、起動直後の暖機運転状態と、発電を行なう定常運転状態においては、各流体送出装置(例えば改質用燃料ポンプ43)の送出する各流体が移動する経路が大きく異なる。これは各運転状態によって流路抵抗が異なることを、即ち流量特性が異なっていることを示している。しかし、本実施形態においては、予め実験によって求められた暖機運転状態と定常運転状態に係る流量推定マップMが予めROMに記憶され、該流量推定マップMに基づいて第1の推定送出流量estflux1が導出され、導出された第1の推定送出流量estflux1に基づいて第2の推定送出流量estflux2が導出される。これにより暖機運転状態と、定常運転状態の流量推定は一つのプログラムで行なうことができ、従来のように、暖機運転状態と、定常運転状態の各モード毎に備えられた流量計算式を切替えるための動作が不要となる。よって、従来技術において流量計算式を切替えるために利用されていたスタック用温度計および改質ガス用温度計に依存する必要がないため、万一スタック用温度計および改質ガス用温度計が故障しても流体送出量の推定を精度よく行なうことができ、信頼性が向上される。さらに、流体送出流量の推定のためにスタック用温度計および改質ガス用温度計のデータを保存する必要がないため、メモリ容量を減らすことができ、コスト低減も図ることができる。   Further, as described above, the path along which each fluid delivered from each fluid delivery device (for example, the reforming fuel pump 43) moves greatly differs between the warm-up operation state immediately after startup and the steady operation state in which power generation is performed. This indicates that the flow resistance is different depending on each operation state, that is, the flow rate characteristic is different. However, in the present embodiment, the flow rate estimation map M related to the warm-up operation state and the steady operation state obtained in advance by experiments is stored in advance in the ROM, and the first estimated delivery flow rate estflux1 based on the flow rate estimation map M. Is derived, and the second estimated delivery flow rate estflux2 is derived based on the derived first estimated delivery flow rate estflux1. As a result, the flow rate estimation for the warm-up operation state and the steady operation state can be performed by one program, and the flow rate calculation formula provided for each mode of the warm-up operation state and the steady operation state as in the past. The operation for switching is unnecessary. Therefore, it is not necessary to depend on the stack thermometer and reformed gas thermometer used to switch the flow rate calculation formula in the prior art, so the stack thermometer and reformed gas thermometer should fail. Even in this case, the fluid delivery amount can be estimated with high accuracy, and the reliability is improved. Furthermore, since it is not necessary to store the data of the stack thermometer and the reformed gas thermometer for estimating the fluid delivery flow rate, the memory capacity can be reduced and the cost can be reduced.

さらに、本実施形態においては、流量推定ロジック32において吐出流量である導出された推定送出流量estflux1を温度補正するための推定送出量導出手段として、推定送出流量estflux1と、改質用燃料ポンプ43の流体の吐出温度tempと、流量推定マップMが作成されたときの環境温度A(本実施形態においてはAは20℃)と、を変数として構成される温度補正関数である下記(数1)式が備えられている。(数1)式は、発明者によって、精度よく温度補正できることが確認されている。これにより、短時間で精度よく温度補正が可能となるとともに、制御の負荷が低減できる。   Further, in the present embodiment, the estimated delivery flow rate estflux1 and the reforming fuel pump 43 are used as estimated delivery amount derivation means for correcting the temperature of the estimated delivery flow rate estflux1 derived as the discharge flow rate in the flow rate estimation logic 32. The following equation (1), which is a temperature correction function configured with the fluid discharge temperature temp and the environmental temperature A (in this embodiment, A is 20 ° C.) when the flow rate estimation map M is created as variables. Is provided. It has been confirmed by the inventor that the equation (Equation 1) can be temperature-corrected with high accuracy. Thereby, temperature correction can be performed accurately in a short time, and the control load can be reduced.

(数1)

Figure 2010019574
(Equation 1)
Figure 2010019574

次に第2の実施形態について説明する(図10、図11)。以下変更点のみ説明し、その他の構成については、第1の実施形態と同じであるので、同一部品については同一の符号を付し、同一の構成、同一の作用についてその説明は省略する。   Next, a second embodiment will be described (FIGS. 10 and 11). Only the changes will be described below, and the other configurations are the same as those of the first embodiment. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and the description of the same configurations and the same operations is omitted.

第2の実施形態は、図10に示すように、第1の実施形態に対し流体送出装置(改質用燃料ポンプ43、燃焼用空気ブロア66等)によって送出される流体の経路の詰り、すなわち劣化を検知し、外部に表示する機能をもつ圧損変動算出ロジック33を備える点が異なる。なお、第2の実施形態においては燃焼用空気ブロア66について説明する。   In the second embodiment, as shown in FIG. 10, the path of the fluid delivered by the fluid delivery device (reforming fuel pump 43, combustion air blower 66, etc.) relative to the first embodiment is blocked. The difference is that a pressure loss fluctuation calculation logic 33 having a function of detecting deterioration and displaying the deterioration is provided. In the second embodiment, the combustion air blower 66 will be described.

圧損変動算出ロジック33は制御装置30に備えられる。圧損変動算出ロジック33は図11に示すように限界圧損マップMmpreと、経路の劣化を判定する劣化判定手段と、劣化判定手段により劣化していると判定された場合に、消耗品交換信号が送出され、外部に対し劣化した消耗品の交換を知らせる部品交換表示手段とを備えている。   The pressure loss fluctuation calculation logic 33 is provided in the control device 30. As shown in FIG. 11, the pressure loss fluctuation calculation logic 33 sends a consumable replacement signal when it is determined that the limit pressure loss map Mmpre, the deterioration determining means for determining the deterioration of the route, and the deterioration determining means. And a component replacement display means for informing the outside of replacement of deteriorated consumables.

ここで対象となる消耗品とは、詰ることにより流体送出装置の吐出圧力を変化させる部品のことをいう。例えば図1に示すように燃焼用空気ブロア66の上流に設けられ、空気中の埃の進入を防止する機能を持つフィルタ17等がある。また対象となる別の消耗品としては改質用燃料ポンプ43によって送出される混合ガスおよび改質ガスの通路に設けられる網部材15および16である。網部材15および16は前述のとおり改質部21の底部で、混合ガスの入口および改質ガス出口に設けられ、冷却部22との間に介在されて改質部21の触媒21bを押え、触媒21bが下方に落ちるのを防ぐ機能を持つものである。なお、網部材15および16は別体としたが一体で構成してもよい。   The consumable item to be used herein refers to a component that changes the discharge pressure of the fluid delivery device by clogging. For example, as shown in FIG. 1, there is a filter 17 provided upstream of the combustion air blower 66 and having a function of preventing dust from entering the air. Other consumables to be targeted are the mixed members sent by the reforming fuel pump 43 and the net members 15 and 16 provided in the reformed gas passage. As described above, the net members 15 and 16 are provided at the inlet of the mixed gas and the outlet of the reformed gas at the bottom of the reforming unit 21 and are interposed between the cooling unit 22 and press the catalyst 21b of the reforming unit 21, It has a function of preventing the catalyst 21b from falling downward. Although the net members 15 and 16 are separate bodies, they may be integrally formed.

限界圧損マップMmpreは、流体の流路抵抗による圧損値が燃料電池システムを運用する上で限界値となる燃焼用空気ブロア66から吐出される流体の限界吐出圧mpressと、そのときの燃焼用空気ブロア66の駆動量である回転数rpmとの相関関係を表すものである。   The limit pressure loss map Mmpre is the limit discharge pressure mpress of the fluid discharged from the combustion air blower 66 in which the pressure loss value due to the flow path resistance of the fluid becomes a limit value in operating the fuel cell system, and the combustion air at that time The correlation with the rotation speed rpm which is the drive amount of the blower 66 is represented.

限界圧損マップMmpreは、予め実機によって流体の流路に限界状態の詰まり、即ち限界状態の劣化が発生した状態の流路が人工的に再現され、再現された流路にて暖機運転状態および定常運転状態に応じて変更される流路ごとに燃焼用空気ブロア66の回転数rpmと、吐出圧力pressと、実験用に備えられた流量計によって計測された実測流量値との相関関係が導出され記憶部30aに記憶されている。   The limit pressure loss map Mmpre is obtained by artificially reproducing a flow path in a state where the fluid flow path is clogged in advance by the actual machine, that is, when the limit state is deteriorated. Correlation between the rotational speed rpm of the combustion air blower 66, the discharge pressure, and the actual flow rate value measured by the flow meter provided for the experiment is derived for each flow path changed according to the steady operation state. And stored in the storage unit 30a.

次に図7乃至図9に基いて検証を行なう。図7は流体の経路に劣化がない初期状態での燃焼用空気ブロア66の回転数rpmと経過時間および吐出圧力pressと経過時間との関係を同じ時間スケールで取得したグラフである。図8は流体の流路にシステムの運用上限界の圧損値が発生する限界状態の詰まり、即ち限界状態の劣化が発生した状態を再現させ、図7と同じ条件でデータを取得したグラフである。図7および図8は横軸(X軸)を所定の経過時間(例えば1分〜10時間、好ましくは3〜20分)とし、縦軸(Y軸)を回転数rpmまたは吐出圧力pressとして、燃焼用空気ブロア66の回転数センサ66aが検出した回転数rpm(破線)および燃焼用空気ブロア66の圧力センサ66bが検出した吐出圧力press(点)とを同一時間ごとに対応させ関係付けて取得したものである。なお、図7および図8にはそれぞれ測定された点に対して実測された流量データが記されていないが、実際には全ての測定点に対し対応する実測流量データが計測され、それぞれの測定された点に対応して存在している。なお、上述の測定に要した所定の経過時間は取得したデータを回帰させ直線を得ることができる長さであればよい。ただしデータの取得時間は長いほど回帰直線の信頼性は向上し、劣化の判断の信頼性は向上する。   Next, verification is performed based on FIGS. FIG. 7 is a graph in which the relationship between the rotational speed rpm of the combustion air blower 66 and the elapsed time and the discharge pressure press and the elapsed time in the initial state in which there is no deterioration in the fluid path is acquired on the same time scale. FIG. 8 is a graph in which data is acquired under the same conditions as in FIG. 7 by reproducing the clogging of the limit state where the pressure loss value of the system operation limit occurs in the fluid flow path, that is, the state where the deterioration of the limit state has occurred. . 7 and 8, the horizontal axis (X-axis) is a predetermined elapsed time (for example, 1 minute to 10 hours, preferably 3 to 20 minutes), and the vertical axis (Y-axis) is the rotation speed rpm or the discharge pressure press. The rotational speed rpm (broken line) detected by the rotational speed sensor 66a of the combustion air blower 66 and the discharge pressure press (point) detected by the pressure sensor 66b of the combustion air blower 66 are associated with each other at the same time and obtained. It is a thing. Although FIG. 7 and FIG. 8 do not show actually measured flow rate data for each measured point, actually measured flow rate data corresponding to all measured points are measured, and the respective measurement data are measured. Exists in correspondence with the marked points. The predetermined elapsed time required for the above-described measurement may be a length that allows the obtained data to be regressed to obtain a straight line. However, the longer the data acquisition time, the more reliable the regression line, and the more reliable the judgment of deterioration.

図9は図7および図8のデータに対し時間軸を排除し横軸を吐出圧press、縦軸を回転数rpmとして同一のスケールでまとめたグラフであり、丸点で示されたデータ群が限界圧損マップMmpreとして記憶部30aに記憶される。また、図9にもそれぞれ測定された点に対して実測された流量データが記されていないが、実際には全ての測定点に対し対応する実測流量データがそれぞれ存在しており、流量データもあわせて限界圧損マップMmpreを構成しているものである。   FIG. 9 is a graph in which the time axis is excluded from the data in FIGS. 7 and 8, the horizontal axis is the discharge pressure press, and the vertical axis is the rotation speed rpm. The limit pressure loss map Mmpre is stored in the storage unit 30a. Also, FIG. 9 does not show the actual flow data measured for each measured point, but actually there is actual measured flow data corresponding to all the measurement points, and the flow data is also In addition, a limit pressure loss map Mmpre is configured.

なお、丸点で示された劣化限界のデータ群のみではなく菱形で示された初期データ群および初期データと劣化限界のデータ群の中間を埋めるデータも同様に予め取得し合わせて限界圧損マップMmpreとしてもよい。こうすることにより、劣化の状態の推移を把握できるという効果が得られる。   In addition, not only the deterioration limit data group indicated by circles but also the initial data group indicated by diamonds and the data filling the middle between the initial data and the deterioration limit data group are obtained in advance and combined to obtain the limit pressure loss map Mmpre. It is good. By doing so, it is possible to obtain an effect that the transition of the deterioration state can be grasped.

図9からわかるように経路の劣化が限界状態の劣化限界データ(丸の点)は、初期のデータ(菱形の点)と略同一の傾きを保ったまま平行に吐出圧が大きくなる方向(右方向)に移動しているのが確認できる。つまり劣化後は同一の回転数rpmに対して吐出圧力pressが大きくなっていることがわかる。これは流体の送出経路が劣化、即ち詰まりをおこして圧損が増大していることを示しており、同一の回転数rpm時に対応するそれぞれの吐出圧pressの大きさが劣化の判断の指標となることがわかる。   As can be seen from FIG. 9, the deterioration limit data (circle points) when the path deterioration is in the limit state is in the direction in which the discharge pressure increases in parallel while maintaining substantially the same inclination as the initial data (diamond points). You can see that it is moving in the direction). That is, after the deterioration, it can be seen that the discharge pressure press is increased with respect to the same rotation speed rpm. This indicates that the fluid delivery path is deteriorated, that is, the pressure loss is increased due to clogging, and the magnitude of each discharge pressure press corresponding to the same rotation speed rpm is an index for determining deterioration. I understand that.

劣化判定手段は劣化検知を実行したときに、燃焼用空気ブロア66の駆動量検出手段である回転数センサ66aによって検出された回転数rpmに対応する限界吐出圧力mpressを限界圧損マップMmpreから求め、燃焼用空気ブロア66の吐出圧力検出手段である圧力センサ66bによって検出された吐出圧力pressが限界吐出圧力mpressを超えると流体経路は劣化していると判定する。例えば図9においては回転数rpmがPrpm時の限界吐出圧力mpressはQkPaとなっており、劣化検知を実行したときに、回転数センサ66aによって検出された回転数rpmがPrpm時に圧力センサ66bによって検出された吐出圧力pressがQkPaを超えたときに流体経路は劣化していると判定する。   The deterioration determination means obtains a limit discharge pressure mpress corresponding to the rotation speed rpm detected by the rotation speed sensor 66a, which is a drive amount detection means of the combustion air blower 66, when the deterioration detection is performed, from the limit pressure loss map Mmpre, When the discharge pressure press detected by the pressure sensor 66b, which is the discharge pressure detection means of the combustion air blower 66, exceeds the limit discharge pressure mpless, it is determined that the fluid path is deteriorated. For example, in FIG. 9, the limit discharge pressure mpress when the rotation speed rpm is Prpm is QkPa, and when the deterioration detection is performed, the rotation speed rpm detected by the rotation speed sensor 66a is detected by the pressure sensor 66b when Prpm. When the discharged pressure pressure exceeds QkPa, it is determined that the fluid path is deteriorated.

消耗品交換信号は劣化判定手段によって流体経路は劣化していると判定されたとき送出され外部に対し劣化した消耗品の交換を知らせる部品交換表示がなされる。   The consumables replacement signal is sent out when the fluid path is determined to be deteriorated by the deterioration determining means, and a parts replacement display for notifying the outside of replacement of the deteriorated consumables is made.

次に、圧損変動算出ロジック33の制御について図12に示したフローチャート2を参照しながら説明する。フローチャート2は流体の経路の劣化判定時に作動させ、予め記憶部30aに記憶された限界圧損マップMmpreから読み取った限界吐出圧力mpressと、劣化判定時に検出された吐出圧力pressとを比較し劣化判定を行なうものである。   Next, the control of the pressure loss fluctuation calculation logic 33 will be described with reference to the flowchart 2 shown in FIG. Flowchart 2 is activated when determining the deterioration of the fluid path, and compares the limit discharge pressure mpress read from the limit pressure loss map Mmpre previously stored in the storage unit 30a with the discharge pressure press detected at the time of deterioration determination to determine deterioration. To do.

制御装置30は、燃料電池システムが運転中に図示しない劣化判定スイッチがオンされると、フローチャート2に対応したプログラムの実行を開始する(ステップS20)。   When a deterioration determination switch (not shown) is turned on while the fuel cell system is in operation, the control device 30 starts executing a program corresponding to the flowchart 2 (step S20).

その後、制御装置30は、燃焼用空気ブロア66の回転数センサ66aが検出した回転数rpmおよび燃焼用空気ブロア66の圧力センサ66bが検出した吐出圧力pressと、を同一時間ごとに対応させ関係付けて受信し所定時間(例えば1分〜10時間、好ましくは3〜20分)に亘ってデータを受信する(ステップS21)。   Thereafter, the control device 30 correlates the rotation speed rpm detected by the rotation speed sensor 66a of the combustion air blower 66 and the discharge pressure press detected by the pressure sensor 66b of the combustion air blower 66 at the same time. The data is received for a predetermined time (for example, 1 minute to 10 hours, preferably 3 to 20 minutes) (step S21).

次に制御装置30は、記憶部30aに記憶された限界圧損マップMmpreから読み取った任意の回転数rpm時における限界吐出圧力mpressを導出する(ステップS22)。   Next, the control device 30 derives the limit discharge pressure mpress at an arbitrary rotation speed rpm read from the limit pressure loss map Mmpre stored in the storage unit 30a (step S22).

次に制御装置30は、導出された限界吐出圧力mpressに対応する回転数rpmと同一の回転数rpmに対応するステップS21で受信した吐出圧力pressと、限界吐出圧力mpressと、を比較し吐出圧力pressが限界吐出圧力mpressを超えたときに劣化判定手段によって劣化している、という判定を行ない消耗品交換シグナルchange_flagを0から1に変更する(ステップS23)。   Next, the control device 30 compares the discharge pressure press received in step S21 corresponding to the same rotation speed rpm with the derived limit discharge pressure mpress with the limit discharge pressure mpress and compares the discharge pressure with the discharge pressure. When the pressure exceeds the limit discharge pressure mppress, it is determined that the deterioration has been deteriorated by the deterioration determining means, and the consumables replacement signal change_flag is changed from 0 to 1 (step S23).

そしてchange_flagが0か1かを確認し(ステップS24)、0であれば正常と判定し(ステップS25)、終了する(ステップS26)。またchange_flagが1であれば劣化により消耗品の交換が必要であると判断し、部品交換表示手段によって図示しないLED等の発光物等を点灯させる等のため、消耗品交換表示信号を送出し(ステップS27)、終了する(ステップS28)。   Then, it is confirmed whether change_flag is 0 or 1 (step S24). If it is 0, it is determined to be normal (step S25), and the process ends (step S26). If change_flag is 1, it is determined that replacement of consumables is necessary due to deterioration, and a consumables replacement display signal is sent to turn on a light emitting object such as an LED (not shown) by the component replacement display means ( Step S27) is ended (Step S28).

なお、ステップS21において受信した回転数rpmに対応するそれぞれの吐出圧pressの値と、限界圧損マップMmpreを作成するときに回転数rpmに対応するそれぞれの限界吐出圧pressの値とを精度よく求めるにはそれぞれ取得したデータ群に基づき、吐出圧pressを変数として構成される1次関数として回帰させた回転数rpmを求める回帰直線La2、La3を算出し、該回帰直線La2、La3に基づき、同一の回転数rpmに対するそれぞれの吐出圧pressを算出すればよい(図9)。このときデータ取得のための時間が長いほど回帰直線La2、La3の信頼性が向上し、劣化に対する判定の信頼性も向上するのは前述した通りである。   It should be noted that the value of each discharge pressure press corresponding to the rotation speed rpm received in step S21 and the value of each limit discharge pressure press corresponding to the rotation speed rpm when the limit pressure loss map Mmpre is created are accurately obtained. The regression lines La2 and La3 for calculating the rotation speed rpm obtained by regressing as a linear function composed of the discharge pressure press as a variable are calculated based on the acquired data groups, and the same based on the regression lines La2 and La3. What is necessary is just to calculate each discharge pressure press with respect to the rotation speed rpm (FIG. 9). At this time, as the time for data acquisition is longer, the reliability of the regression lines La2 and La3 is improved, and the reliability of determination for deterioration is also improved as described above.

上述した説明から明らかなように、第2の実施形態においては、流体送出装置(例えば燃焼用空気ブロア66)に備えられた回転数センサ66aおよび圧力センサ66bによって検出された、回転数rpmおよび吐出圧力pressを利用し、簡易に流体経路の劣化を検知し、劣化していると判定されたときに結果を表示することができる。これにより、適宜、劣化の確認を目視で行なうことができ、経路が劣化したまま運転し続けるおそれが減るため信頼性が高く効率的な運転を行なうことができる。また劣化確認のため分解検査を実施する必要がないため、時間の節約を図ることができる。   As is apparent from the above description, in the second embodiment, the rotational speed rpm and the discharge detected by the rotational speed sensor 66a and the pressure sensor 66b provided in the fluid delivery device (for example, the combustion air blower 66). By using the pressure press, it is possible to easily detect the deterioration of the fluid path and display the result when it is determined that the fluid path is deteriorated. As a result, the deterioration can be appropriately checked visually, and the possibility of continuing the operation while the route is deteriorated is reduced, so that a highly reliable and efficient operation can be performed. Moreover, since it is not necessary to carry out an overhaul to confirm the deterioration, time can be saved.

なお、上述した第1および第2の実施形態において、流量推定ロジック32と圧損算出ロジック33をそれぞれ別個に説明したが、もちろん同時に備えられていてもよい。   In the first and second embodiments described above, the flow rate estimation logic 32 and the pressure loss calculation logic 33 have been described separately, but of course, they may be provided simultaneously.

また、上述した第1の実施形態において、流体の送出流量を推定する流体送出装置として改質用燃料ポンプ43について説明したが、これに限らず他の流体送出装置でもよい。図1に示す燃料電池システムでは、カソード用空気ブロア68、燃焼用空気ブロア66、酸化用空気ブロア63、燃焼用燃料ポンプ48などの気体流体送出装置、改質水ポンプ53などの液体流体送出装置にも適用できる。異なる燃料電池システムでは、上記以外に設けられた流体送出装置があれば、それにも適用できる。また燃料電池システム以外のシステムの流体送出装置でも適用できる。いずれも吐出圧力検出手段、駆動量検出手段および温度検出手段を改質用燃料ポンプ43と同様に備え、同様の制御を行なうことによって適用可能である。   In the first embodiment described above, the reforming fuel pump 43 has been described as a fluid delivery device that estimates the delivery flow rate of the fluid. However, the present invention is not limited to this, and other fluid delivery devices may be used. In the fuel cell system shown in FIG. 1, a gas fluid delivery device such as a cathode air blower 68, a combustion air blower 66, an oxidation air blower 63, a combustion fuel pump 48, and a liquid fluid delivery device such as a reforming water pump 53. It can also be applied to. In a different fuel cell system, if there is a fluid delivery device provided in addition to the above, it can be applied to that. It can also be applied to fluid delivery devices of systems other than the fuel cell system. In any case, the discharge pressure detection means, the drive amount detection means, and the temperature detection means are provided in the same manner as the reforming fuel pump 43 and can be applied by performing the same control.

また、上述した第2の実施形態において、流体の経路の劣化を検出するものとして燃焼用空気ブロア66の経路について説明したが、これに限らず他の流体送出装置の経路でもよく、いずれも吐出圧力検出手段および駆動量検出手段を燃焼用空気ブロア66と同様に備え、かつ予め各流体の各流路ごとにそれぞれ限界圧損マップMmpreを作成し備えれば、同様の制御を行なうことで適用可能である。   In the second embodiment described above, the path of the combustion air blower 66 has been described as detecting the deterioration of the path of the fluid. However, the path is not limited to this, and may be a path of another fluid delivery device. If the pressure detection means and the drive amount detection means are provided in the same manner as the combustion air blower 66 and the limit pressure loss map Mmpre is prepared for each flow path of each fluid, it can be applied by performing the same control. It is.

また、上述した第1および第2の実施形態において、空気を送出する流体送出装置(例えば酸化用空気、燃焼用空気をそれぞれ送出する装置63、66)としてブロアを採用したが、これに限らず、流体を送出する装置であればよく、例えばポンプを採用するようにしてもよい。この場合にも、ブロアと同様に制御を行えばよい。   Further, in the first and second embodiments described above, the blower is adopted as the fluid delivery device that sends out air (for example, the devices 63 and 66 that send out oxidation air and combustion air, respectively). Any device that delivers a fluid may be used, and for example, a pump may be employed. In this case as well, control may be performed in the same manner as the blower.

また、上述した第1および第2実施形態において、燃料を送出する流体送出装置(例えば改質用燃料、燃焼用燃料をそれぞれ送出する装置43、48)としてポンプを採用したが、これに限らず、流体を送出する装置であればよく、例えばブロアを採用するようにしてもよい。この場合にも、ポンプと同様に制御を行えばよい。   In the first and second embodiments described above, the pump is employed as the fluid delivery device for delivering the fuel (for example, the devices 43 and 48 for delivering the reforming fuel and the combustion fuel, respectively). Any device that delivers a fluid may be used, and for example, a blower may be employed. In this case as well, control may be performed in the same manner as the pump.

また、上述した第1および第2の実施形態において、流体送出装置の回転数はポンプ(またはブロア)の回転数でもそれを駆動させる駆動源(例えばモータ)の回転数でもどちらでもよい。   In the first and second embodiments described above, the rotational speed of the fluid delivery device may be either the rotational speed of a pump (or blower) or the rotational speed of a drive source (for example, a motor) that drives the pump.

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の概要図である。1 is a schematic diagram of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 図1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system shown in FIG. 図2に示した制御装置の第1の実施例に係るブロック線図である。FIG. 3 is a block diagram according to a first embodiment of the control device shown in FIG. 2. 図3に示した流量推定ロジック部のブロック線図である。It is a block diagram of the flow volume estimation logic part shown in FIG. 第1の実施形態に係る実機で測定した改質用燃料ポンプの実流量と推定流量との比較を示したグラフである。It is the graph which showed the comparison with the actual flow volume of the fuel pump for a reforming measured with the actual machine which concerns on 1st Embodiment, and an estimated flow volume. 図2に示す制御装置にて実行される第1の実施形態に係る制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program which concerns on 1st Embodiment performed with the control apparatus shown in FIG. 第2の実施形態に係る実機にて測定した燃焼用空気ブロアの初期の吐出圧力および回転数の時系列データを示すグラフである。It is a graph which shows the time series data of the initial discharge pressure and rotation speed of the combustion air blower measured with the actual machine concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係る実機にて測定した燃焼用空気ブロアの劣化後の吐出圧力および回転数の時系列データを示すグラフである。It is a graph which shows the time series data of the discharge pressure and rotation speed after deterioration of the combustion air blower measured with the actual machine which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る限界圧損マップを示すグラフである。It is a graph which shows the limit pressure loss map which concerns on 2nd Embodiment. 図2に示した制御装置の第2の実施形態に係るブロック線図である。FIG. 3 is a block diagram according to a second embodiment of the control device shown in FIG. 2. 図10に示した圧損変動算出ロジック部のブロック線図である。It is a block diagram of the pressure loss fluctuation | variation calculation part shown in FIG. 図2に示す制御装置の第2の実施形態に係る制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program which concerns on 2nd Embodiment of the control apparatus shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、15…網部材、16…網部材、17…フィルタ、20…改質器、21…改質部、22…冷却部、23…COシフト部、24…CO選択酸化部、25…燃焼部、30…制御装置、30a…記憶部(記憶手段)、31…制御ロジック部(操作量導出手段、制御手段)、32…流量推定ロジック部(推定送出量導出手段)、33…圧損変動算出ロジック部(圧損係数導出手段、劣化判定手段、部品交換表示手段)、43…改質用燃料ポンプ(流体送出装置)、43a…回転数センサ(駆動量検出手段)、43b…圧力センサ(吐出圧力検出手段)、43c…温度センサ(吐出温度検出手段)、66…燃焼用空気ブロア(流体送出装置)、66a…回転数センサ(駆動量検出手段)、66b…圧力センサ(吐出圧力検出手段)、66c…温度センサ(吐出温度検出手段)、M…流量推定マップ、Mmpre…限界圧損マップ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 15 ... Net member, 16 ... Net member, 17 ... Filter, 20 ... Reformer, 21 ... Reformer, 22 ... Cooling unit, 23 ... CO shift , 24 ... CO selective oxidation unit, 25 ... combustion unit, 30 ... control device, 30a ... storage unit (storage unit), 31 ... control logic unit (operation amount derivation unit, control unit), 32 ... flow rate estimation logic unit ( Estimated delivery amount deriving means), 33... Pressure loss fluctuation calculation logic (pressure loss coefficient deriving means, deterioration determining means, parts replacement display means), 43... Reforming fuel pump (fluid delivery device), 43 a. Quantity detection means), 43b ... pressure sensor (discharge pressure detection means), 43c ... temperature sensor (discharge temperature detection means), 66 ... combustion air blower (fluid delivery device), 66a ... rotational speed sensor (drive quantity detection means) 66b ... Pressure sensor (Discharge pressure detection means), 66c ... temperature sensor (discharge temperature detection means), M ... flow rate estimation map, Mmpre ... limits pressure loss map.

Claims (7)

運転状態に応じて流体の流路抵抗が変更される装置に接続された流体送出装置から該装置に供給される前記流体の流量を推定する流体供給量推定装置において、
前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、
前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力と、前記流体送出装置の駆動量と、該吐出圧力および該駆動量に応じて前記流体送出装置から吐出される流体の吐出流量との関係を表す流量推定マップを記憶部に記憶し、前記検出された駆動量および前記検出された吐出圧力に応じて前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量に基いて前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求める推定送出量導出手段と、
を備えたことを特徴とする流体供給量推定装置。
In a fluid supply amount estimation device for estimating a flow rate of the fluid supplied to a device from a fluid delivery device connected to a device whose flow path resistance of the fluid is changed according to an operation state,
A discharge pressure detecting means for detecting a discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device;
Drive amount detection means for detecting the drive amount of the fluid delivery device;
The relationship between the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, the drive amount of the fluid delivery device, and the discharge flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device according to the discharge pressure and the drive amount is represented. A flow rate estimation map is stored in the storage unit, and discharged from the fluid delivery device based on the fluid discharge flow rate obtained from the flow rate estimation map in accordance with the detected drive amount and the detected discharge pressure. An estimated delivery amount deriving means for obtaining an estimated delivery flow rate of the fluid;
A fluid supply amount estimation device comprising:
請求項1において、前記流体送出装置から吐出された流体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段を備え、
前記推定送出量導出手段は、前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量を、前記検出された吐出温度により補正して前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求めることを特徴とする流体供給量推定装置。
In Claim 1, it comprises a discharge temperature detection means for detecting the discharge temperature of the fluid discharged from the fluid delivery device,
The estimated delivery amount deriving means corrects the discharge flow rate of the fluid obtained from the flow rate estimation map by the detected discharge temperature to obtain an estimated delivery flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device. A fluid supply amount estimation device.
運転状態に応じて流体の流路抵抗が変更される装置に接続された流体送出装置から該装置に供給される前記流体の流量を推定する流体供給量推定装置において、
前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、
運転状態に応じて変更される流体の流路抵抗による圧損値が限界値となる場合における前記流体送出装置から吐出される流体の限界吐出圧力と前記流体送出装置の駆動量との関係を表す限界圧損マップを前記記憶部に記憶し、前記検出された駆動量に対応する限界吐出圧力を前記限界圧損マップから求め、前記検出された吐出圧力が前記限界吐出圧力を超えると消耗品交換信号を送出することを特徴とする流体供給量推定装置。
In a fluid supply amount estimation device for estimating a flow rate of the fluid supplied to a device from a fluid delivery device connected to a device whose flow path resistance of the fluid is changed according to an operation state,
A discharge pressure detecting means for detecting a discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device;
Drive amount detection means for detecting the drive amount of the fluid delivery device;
A limit representing the relationship between the limit discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device and the drive amount of the fluid delivery device when the pressure loss value due to the flow path resistance of the fluid changed according to the operating state becomes the limit value A pressure loss map is stored in the storage unit, a limit discharge pressure corresponding to the detected drive amount is obtained from the limit pressure loss map, and a consumable replacement signal is sent when the detected discharge pressure exceeds the limit discharge pressure A fluid supply amount estimation device.
燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
改質用燃料および改質水が供給され、その供給された改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質器と、を含む燃料電池システムであって、暖機運転および定常運転に応じて流体送出装置から供給される流体の流路抵抗が変更される燃料電池システムにおいて、
前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、
前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力と、前記流体送出装置の駆動量と、該吐出圧力および該駆動量に応じて前記流体送出装置から吐出される流体の吐出流量との関係を表す流量推定マップを記憶部に記憶し、前記検出された駆動量および前記検出された吐出圧力に応じて前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量に基いて前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求める推定送出量導出手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electric power using the fuel gas and the oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
And a reformer that is supplied with reforming fuel and reforming water and generates the fuel gas containing hydrogen by reforming the supplied reforming fuel. In the fuel cell system in which the flow path resistance of the fluid supplied from the fluid delivery device is changed according to the machine operation and the steady operation,
A discharge pressure detecting means for detecting a discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device;
Drive amount detection means for detecting the drive amount of the fluid delivery device;
The relationship between the discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device, the drive amount of the fluid delivery device, and the discharge flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device according to the discharge pressure and the drive amount is represented. A flow rate estimation map is stored in the storage unit, and discharged from the fluid delivery device based on the fluid discharge flow rate obtained from the flow rate estimation map in accordance with the detected drive amount and the detected discharge pressure. An estimated delivery amount deriving means for obtaining an estimated delivery flow rate of the fluid;
A fuel cell system comprising:
請求項4において、前記流体送出装置から吐出された流体の吐出温度を検出する吐出温度検出手段を備え、
前記推定送出量導出手段は、前記流量推定マップから求められた前記流体の吐出流量を、前記検出された吐出温度により補正して前記流体送出装置から吐出される流体の推定送出流量を求めることを特徴とする燃料電池システム。
The discharge temperature detecting means according to claim 4, further comprising a discharge temperature detecting means for detecting a discharge temperature of the fluid discharged from the fluid delivery device,
The estimated delivery amount deriving means corrects the discharge flow rate of the fluid obtained from the flow rate estimation map by the detected discharge temperature to obtain an estimated delivery flow rate of the fluid discharged from the fluid delivery device. A fuel cell system.
請求項5において、前記流量推定マップから求められた前記吐出流量と、前記吐出温度検出手段によって検出された前記吐出温度と、前記流量推定マップの作成時の環境温度Aと、を変数として構成され、前記温度補正後の推定送出流量を算出する温度補正関数は下記(数1)式によってなることを特徴とする燃料電池システム。
(数1)
Figure 2010019574
6. The discharge flow rate obtained from the flow rate estimation map, the discharge temperature detected by the discharge temperature detection means, and the environmental temperature A when the flow rate estimation map is created are configured as variables in claim 5. The fuel cell system is characterized in that the temperature correction function for calculating the estimated delivery flow rate after temperature correction is expressed by the following equation (1).
(Equation 1)
Figure 2010019574
燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
改質用燃料および改質水が供給され、その供給された改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質器と、を含む燃料電池システムであって、暖機運転および定常運転に応じて流体送出装置から供給される流体の流路抵抗が変更される燃料電池システムにおいて、
前記流体送出装置から吐出される流体の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、
前記暖機運転状態および前記定常運転状態に応じて変更される流体の流路抵抗による圧損値が限界値となる場合における前記流体送出装置から吐出される流体の限界吐出圧力と前記流体送出装置の駆動量との関係を表す限界圧損マップを前記記憶部に記憶し、前記検出された駆動量に対応する限界吐出圧力を前記限界圧損マップから求め、前記検出された吐出圧力が前記限界吐出圧力を超えると消耗品交換信号を送出することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electric power using the fuel gas and the oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
And a reformer that is supplied with reforming fuel and reforming water and generates the fuel gas containing hydrogen by reforming the supplied reforming fuel. In the fuel cell system in which the flow path resistance of the fluid supplied from the fluid delivery device is changed according to the machine operation and the steady operation,
A discharge pressure detecting means for detecting a discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device;
Drive amount detection means for detecting the drive amount of the fluid delivery device;
The limit discharge pressure of the fluid discharged from the fluid delivery device when the pressure loss value due to the flow path resistance of the fluid changed according to the warm-up operation state and the steady operation state becomes a limit value, and the fluid delivery device A limit pressure loss map representing the relationship with the drive amount is stored in the storage unit, a limit discharge pressure corresponding to the detected drive amount is obtained from the limit pressure loss map, and the detected discharge pressure is calculated as the limit discharge pressure. A fuel cell system that sends a consumable replacement signal when exceeded.
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