JP2013239250A - Fuel battery system and operating method thereof - Google Patents

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宏一朗 古澤
Shunji Tsukabayashi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery system capable of continuously supplying fuel gas to a fuel battery even when a requested power generation amount is small.SOLUTION: The fuel battery system comprises: a fuel battery stack 10; a fuel gas supply flow passage in which hydrogen is circulated; a fuel gas circulation flow passage for circulating the hydrogen; a first injector 24 provided on the fuel gas supply flow passage on an upper stream side than a connection point of the fuel gas circulation flow passage, and emitting the hydrogen; a bypass flow passage connecting the fuel gas supply flow passage on an upstream side of the first injector 24 to the fuel gas supply flow passage on a downstream side of the first injector 24, and bypassing the hydrogen to the first injector 24; small flow rate supply means provided on the bypass flow passage and constituted so that the hydrogen can be continuously supplied at a small flow rate; region determination means for determining whether the requested power generation amount is in a low load region or not; and control means for controlling the first injector 24. When the region determination means determines the requested power generation amount as the low load region, the control means stops the first injector 24, and the small flow rate supply means continuously supplies fuel gas at a small flow rate.

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.

燃料電池車等の電源として、水素(燃料ガス)及び酸素を含む空気(酸化剤ガス)が供給されることで発電する燃料電池が注目されている。そして、アノードの上流にインジェクタを設け、要求発電量に対応してインジェクタをPWM制御することで水素を噴射し、燃料電池への水素の流量を制御する方法が提案されている(特許文献1参照)。   As a power source for a fuel cell vehicle or the like, a fuel cell that generates electric power by supplying hydrogen (fuel gas) and oxygen-containing air (oxidant gas) has attracted attention. Then, a method has been proposed in which an injector is provided upstream of the anode, hydrogen is injected by PWM control of the injector corresponding to the required power generation amount, and the flow rate of hydrogen to the fuel cell is controlled (see Patent Document 1). ).

特開2007−165237号公報JP 2007-165237 A

ところが、燃料電池車が、例えば信号待ちや人待ち等で停車しアイドル状態(無負荷状態)になると、要求発電量が小さくなりインジェクタの閉時間が長くなってしまい、燃料電池に水素が供給されない期間が形成される虞がある。   However, when the fuel cell vehicle stops, for example, waiting for a signal or waiting for a person, and enters an idle state (no load state), the required power generation amount becomes small and the closing time of the injector becomes long, and hydrogen is not supplied to the fuel cell. There is a risk that a period will be formed.

そこで、本発明は、要求発電量が小さくても燃料ガスを燃料電池に連続供給可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of continuously supplying fuel gas to the fuel cell even when the required power generation amount is small, and an operation method thereof.

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路の出口と前記燃料ガス供給流路とを接続し、前記燃料ガス流路からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス循環流路の接続点よりも上流の前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスを噴射するインジェクタと、前記インジェクタの上流の前記燃料ガス供給流路と、前記インジェクタの下流の前記燃料ガス供給流路とを接続し、燃料ガスが前記インジェクタをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、燃料ガスを小流量で連続供給可能に構成された小流量供給手段と、要求発電量が低負荷領域であるか否か判定する領域判定手段と、前記インジェクタを制御する制御手段と、を備え、前記領域判定手段が低負荷領域であると判定した場合、前記制御手段が前記インジェクタを停止し、前記小流量供給手段が燃料ガスを小流量で連続供給することを特徴とする燃料電池システムである。   As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell having a fuel gas flow path, which generates power when fuel gas is supplied to the fuel gas flow path, and an inlet of the fuel gas flow path. A fuel gas supply channel through which fuel gas directed to the fuel gas channel flows, and an outlet of the fuel gas channel and the fuel gas supply channel are connected, and fuel from the fuel gas channel is connected The off-gas is returned to the fuel gas supply flow path, and the fuel gas circulation flow path for circulating the fuel gas and the fuel gas supply flow path upstream from the connection point of the fuel gas circulation flow path are provided to inject the fuel gas Connecting the injector, the fuel gas supply channel upstream of the injector, and the fuel gas supply channel downstream of the injector, and bypassing the fuel gas bypassing the injector, the bypass flow A small flow rate supply means configured to be capable of continuously supplying fuel gas at a low flow rate, an area determination means for determining whether the required power generation amount is in a low load area, and a control means for controlling the injector The control means stops the injector and the small flow rate supply means continuously supplies fuel gas at a low flow rate when the region determination means determines that the region is a low load region. It is a battery system.

このような構成によれば、領域判定手段が低負荷領域であると判定した場合、制御手段がインジェクタを停止(停止状態、OFF状態)とすることにより、インジェクタによって燃料ガスが噴射されず、燃料ガスの圧力、流れが脈動しない。
ここで、インジェクタの停止状態(OFF状態)とは、インジェクタが継続して閉じ、燃料ガスが継続して噴射されない状態を意味する。一方、インジェクタの作動状態(ON状態)とは、インジェクタが間欠的又は断続的に開閉し、燃料ガスが間欠的又は断続的に噴射され、燃料ガスの圧力、流れが脈動する状態を意味する。そして、脈動によってインジェクタの二次側圧力が目標圧力を超えオーバーシュートしていると、インジェクタに開指令が入力されていたとしても燃料ガスが噴射されない。
According to such a configuration, when the region determination unit determines that the region is a low load region, the control unit stops the injector (stopped state, OFF state), so that the fuel gas is not injected by the injector, and the fuel Gas pressure and flow do not pulsate.
Here, the stopped state (OFF state) of the injector means a state in which the injector is continuously closed and fuel gas is not continuously injected. On the other hand, the injector operating state (ON state) means a state in which the injector is intermittently or intermittently opened and closed, fuel gas is injected intermittently or intermittently, and the pressure and flow of the fuel gas pulsate. If the secondary pressure of the injector exceeds the target pressure and overshoots due to pulsation, fuel gas is not injected even if an open command is input to the injector.

そして、小流量供給手段が、燃料ガスを小流量で連続供給するので、燃料ガスがバイパス流路を通ってインジェクタをバイパスし、燃料電池の燃料ガス流路に連続供給される。これにより、燃料電池において燃料ガス不足となり難く、つまり、燃料ガスについてストイキ比不足となり難く、燃料電池の発電が安定する。ここで言うストイキ比とは、燃料ガスの余剰率を意味し、カソードに供給されている酸化剤ガス(酸素)と過不足なく反応するのに必要な燃料ガス(水素等)に対して、実際の燃料ガスがどの程度余剰であるかを示す比である。   Since the small flow rate supply means continuously supplies the fuel gas at a small flow rate, the fuel gas bypasses the injector through the bypass channel and is continuously supplied to the fuel gas channel of the fuel cell. Accordingly, the fuel cell is unlikely to be short of fuel gas, that is, the fuel gas is unlikely to be short of the stoichiometric ratio, and the power generation of the fuel cell is stabilized. The stoichiometric ratio here means the surplus rate of the fuel gas, and it is actually compared with the fuel gas (hydrogen etc.) necessary to react with the oxidant gas (oxygen) supplied to the cathode without excess or deficiency. It is a ratio indicating how much excess fuel gas is present.

前記燃料電池システムにおいて、前記バイパス流路の上流側の接続点よりも上流の前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を要求発電量に対応した圧力に調整するレギュレータと、前記燃料ガス循環流路に接続し、開くことで前記燃料ガス循環流路内のガスを外部に排出するパージ弁と、前記レギュレータと前記パージ弁との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定手段と、を備え、前記領域判定手段が低負荷領域であると判定し、前記インジェクタが停止し、前記小流量供給手段が燃料ガスを小流量で連続供給している場合において、前記パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、前記ガス漏れ判定手段は、ガスが漏れているか否か判定することが好ましい。   In the fuel cell system, a regulator that is provided in the fuel gas supply channel upstream of a connection point on the upstream side of the bypass channel and adjusts the pressure of the fuel gas to a pressure corresponding to a required power generation amount, and the fuel Based on the pressure of the gas between the purge valve that connects to the gas circulation flow path and opens the gas in the fuel gas circulation flow path to the outside, and the gas between the regulator and the purge valve, the gas leaks Gas leakage determining means for determining whether or not the fuel gas leakage is determined, the area determining means determines that the load is low, the injector is stopped, and the small flow rate supplying means continuously supplies fuel gas at a small flow rate. When the valve closing command is input to the purge valve, the gas leak determination means preferably determines whether or not gas is leaking.

このような構成によれば、領域判定手段が低負荷領域であると判定し、インジェクタが停止し、小流量供給手段が燃料ガスを小流量で連続供給している場合において、パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、燃料ガスの圧力は脈動していない。   According to such a configuration, when the region determination unit determines that the region is a low load region, the injector is stopped, and the small flow rate supply unit continuously supplies fuel gas at a low flow rate, the purge valve is closed. When the command is input, the fuel gas pressure is not pulsating.

ここで、ガスが漏れていない場合、レギュレータとパージ弁との間におけるガスの圧力は、レギュレータによって略一定に調整されるか又は燃料電池による燃料ガスの消費に伴って極緩やかに低下する。一方、ガスが漏れている場合、レギュレータとパージ弁との間におけるガスの圧力は、ガスが漏れていない場合に対して、大きく低下することになる。   Here, when gas is not leaking, the pressure of the gas between the regulator and the purge valve is adjusted to be approximately constant by the regulator, or extremely slowly decreases as the fuel gas is consumed by the fuel cell. On the other hand, when the gas is leaking, the pressure of the gas between the regulator and the purge valve is greatly reduced compared to when the gas is not leaking.

このように、燃料ガスの圧力が脈動しておらず、パージ弁に閉弁指令が入力されているときに、ガス漏れ判定手段が、ガスが漏れているか否か判定するので、高精度でガス漏れを判定できる。   As described above, when the pressure of the fuel gas is not pulsating and the valve closing command is input to the purge valve, the gas leakage determination means determines whether or not the gas is leaking. Leakage can be judged.

前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内においてフラッディングが発生しているか否か判定するフラッディング判定手段を備え、前記領域判定手段が低負荷領域であると判定し、前記インジェクタが停止し、前記小流量供給手段が燃料ガスを小流量で連続供給している場合において、前記フラッディング判定手段がフラッディングは発生していると判定したとき、前記制御手段は、前記インジェクタを作動させることが好ましい。   The fuel cell system includes flooding determination means for determining whether flooding has occurred in the fuel cell, the area determination means determines that the area is a low load area, the injector stops, and the small flow rate In the case where the supply means continuously supplies fuel gas at a small flow rate, the control means preferably operates the injector when the flood determination means determines that flooding has occurred.

このような構成によれば、低負荷領域であり、インジェクタが停止し、燃料ガスを小流量で連続供給している場合において、フラッディング判定手段がフラッディングは発生していると判定したとき、制御手段がインジェクタを作動させる。   According to such a configuration, when the flooding determination unit determines that flooding has occurred when the injector is stopped and the fuel gas is continuously supplied at a low flow rate in the low load region, the control unit Activates the injector.

これにより、インジェクタによって燃料ガスが間欠的又は断続的に噴射されるので、燃料ガスの流れが脈動する。そして、脈動する燃料ガスが燃料電池の燃料ガス流路を通流することにより、燃料ガス流路に滞留する水や、MEAに付着する水が、燃料ガス流路から速やかに排出され、燃料電池の発電安定性が回復する。   Thereby, since fuel gas is injected intermittently or intermittently by an injector, the flow of fuel gas pulsates. Then, when the pulsating fuel gas flows through the fuel gas flow path of the fuel cell, water staying in the fuel gas flow path and water adhering to the MEA are quickly discharged from the fuel gas flow path. The power generation stability is restored.

前記燃料電池システムにおいて、前記小流量供給手段は、燃料ガスを供給/遮断する燃料ガスバイパス弁と、前記燃料電池が発電可能であって要求発電量の下限値に対応した流量で燃料ガスが供給される流路断面積に設定されたオリフィスと、を備えることが好ましい。   In the fuel cell system, the small flow rate supply means supplies a fuel gas at a flow rate corresponding to a lower limit value of the required power generation amount, and a fuel gas bypass valve that supplies / shuts off the fuel gas and the fuel cell can generate power. It is preferable to provide an orifice set in a flow path cross-sectional area.

このような構成によれば、小流量供給手段の構成を簡便としつつ、燃料ガスバイパス弁を開くのみで燃料ガスを小流量で連続供給できる。   According to such a configuration, the fuel gas can be continuously supplied at a low flow rate by simply opening the fuel gas bypass valve while simplifying the configuration of the low flow rate supply means.

本発明によれば、要求発電量が小さくても燃料ガスを燃料電池に連続供給可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of continuously supplying fuel gas to the fuel cell even when the required power generation amount is small, and an operation method thereof.

第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 要求電力(要求発電量)と指令電流(水素流量)との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between request | requirement electric power (request | requirement electric power generation amount) and instruction | command electric current (hydrogen flow rate). (a)は第1実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートであり、(b)は比較例である。(A) is a time chart which shows the operation example of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment, (b) is a comparative example. 通常時(ガス漏れなし)及びアノード漏れ発生時におけるアノード圧力の変化を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the change of the anode pressure at the time of normal time (no gas leak) and anode leak occurrence. 目標水素圧力(レギュレータの二次側圧力)と、バイパス流路を通流する水素流量(バイパス量)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the target hydrogen pressure (secondary pressure of the regulator) and the hydrogen flow rate (bypass amount) flowing through the bypass channel. 第2実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment.

≪第1実施形態≫
本発明の第1実施形態について、図1〜図6を参照して説明する。
<< First Embodiment >>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(車両、移動体)に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等である。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (vehicle, moving body) (not shown). The fuel cell vehicle is, for example, an automobile, a tricycle, a motorcycle, a unicycle, a train, or the like. However, the structure mounted in the other mobile body, for example, a ship, an aircraft, may be sufficient.

燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、セル電圧モニタ15と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の発電を制御する電力制御系と、これらを電子制御するECU70(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。   The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a cell voltage monitor 15, an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas and reactive gas) to and from the anode of the fuel cell stack 10, and a cathode of the fuel cell stack 10. In contrast, a cathode system that supplies and discharges air containing oxygen (oxidant gas and reaction gas), a power control system that controls power generation of the fuel cell stack 10, and an ECU 70 (Electronic Control Unit, electronic control device) that electronically controls these systems ) And.

<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル11は電気的に直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
<Fuel cell stack>
The fuel cell stack 10 is a stack formed by stacking a plurality of (for example, 200 to 400) solid polymer type single cells 11, and the plurality of single cells 11 are electrically connected in series. The single cell 11 includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) and two conductive separators sandwiching the MEA. The MEA includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane) made of a monovalent cation exchange membrane or the like, and an anode and a cathode (electrode) that sandwich the membrane.

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)と、を含んでいる。   The anode and the cathode include a porous body having conductivity such as carbon paper, and a catalyst (Pt, Ru, etc.) supported on the anode and causing an electrode reaction in the anode and the cathode.

各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路12(燃料ガス流路)、カソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。   Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a passage 12 (fuel gas passage) and a cathode passage 13 (oxidant gas passage).

そして、アノード流路12を介して各アノードに水素が供給されると、式(1)の電極反応が起こり、カソード流路13を介して各カソードに空気が供給されると、式(2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10とモータ51等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。   When hydrogen is supplied to each anode via the anode flow path 12, the electrode reaction of Formula (1) occurs, and when air is supplied to each cathode via the cathode flow path 13, Formula (2) Thus, a potential difference (OCV (Open Circuit Voltage), open circuit voltage) is generated in each single cell. Next, when the fuel cell stack 10 and an external circuit such as the motor 51 are electrically connected and a current is taken out, the fuel cell stack 10 generates power.

2H→4H+4e …(1)
+4H+4e→2HO …(2)
2H 2 → 4H + + 4e (1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)

<セル電圧モニタ>
セル電圧モニタ15は、燃料電池スタック10を構成する複数の単セル11毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。
<Cell voltage monitor>
The cell voltage monitor 15 is a device that detects a cell voltage for each of the plurality of single cells 11 constituting the fuel cell stack 10, and includes a monitor main body and a wire harness that connects the monitor main body and each single cell. .

モニタ本体は、所定周期で全ての単セル11をスキャニングし、各単セル11のセル電圧を検出し、平均セル電圧、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体(セル電圧モニタ15)は、平均セル電圧、最低セル電圧をECU70に出力するようになっている。   The monitor body scans all the single cells 11 at a predetermined period, detects the cell voltage of each single cell 11, and calculates the average cell voltage and the lowest cell voltage. The monitor main body (cell voltage monitor 15) outputs an average cell voltage and a minimum cell voltage to the ECU 70.

<アノード系>
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給源)と、常閉型の遮断弁22と、レギュレータ23と、第1インジェクタ24(第1流量調整手段)と、第2インジェクタ25(第2流量調整手段)と、常閉型の水素バイパス弁26と、エゼクタ27と、パージ弁28と、を備えている。
<Anode system>
The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas supply source), a normally closed shut-off valve 22, a regulator 23, a first injector 24 (first flow rate adjusting means), and a second injector 25 (second flow rate adjustment). Means), a normally closed hydrogen bypass valve 26, an ejector 27, and a purge valve 28.

水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、レギュレータ23、第1インジェクタ24、配管24a、エゼクタ27、配管27aを介して、アノード流路12の入口に接続されている。配管23aは、配管25a、第2インジェクタ25、配管25bを介して、配管27aに接続されている。また、配管23aは、配管26a、水素バイパス弁26、配管26bを介して、配管24aに接続されている。   The hydrogen tank 21 is connected to the inlet of the anode channel 12 via a pipe 21a, a shutoff valve 22, a pipe 22a, a regulator 23, a first injector 24, a pipe 24a, an ejector 27, and a pipe 27a. The pipe 23a is connected to the pipe 27a via the pipe 25a, the second injector 25, and the pipe 25b. The pipe 23a is connected to the pipe 24a via the pipe 26a, the hydrogen bypass valve 26, and the pipe 26b.

そして、遮断弁22が開いた状態で、第1インジェクタ24及び/又は第2インジェクタ25が水素を噴射すると、又は、水素バイパス弁26が開くと、水素タンク21の水素が配管21a等を通って、アノード流路12に供給されるようになっている。   When the first injector 24 and / or the second injector 25 injects hydrogen with the shut-off valve 22 open, or when the hydrogen bypass valve 26 opens, the hydrogen in the hydrogen tank 21 passes through the pipe 21a and the like. The anode channel 12 is supplied.

ここで、アノード流路12の入口に接続され、アノード流路12に供給される水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管21aと、配管22aと、配管23aと、配管24aと、配管27aとを備えて構成されている。第1インジェクタ24は、後記する配管29b(燃料ガス循環流路)の接続点よりも上流の燃料ガス供給流路に設けられている。エゼクタ27は、燃料ガス供給流路と配管29b(燃料ガス循環流路)との接続点に設けられている。   Here, the fuel gas supply channel that is connected to the inlet of the anode channel 12 and through which hydrogen supplied to the anode channel 12 flows is a pipe 21a, a pipe 22a, a pipe 23a, a pipe 24a, and a pipe. 27a. The first injector 24 is provided in a fuel gas supply channel upstream of a connection point of a pipe 29b (fuel gas circulation channel) described later. The ejector 27 is provided at a connection point between the fuel gas supply channel and the pipe 29b (fuel gas circulation channel).

第1インジェクタ24の上流の燃料ガス供給流路(配管23a)と、第1インジェクタ24の下流かつ配管29b(燃料ガス循環流路)の接続点よりも上流の燃料ガス供給流路(配管24a)とを接続し、水素が第1インジェクタ24をバイパスするバイパス流路は、配管26aと、配管26bとを備えて構成されている。バイパス流路に水素バイパス弁26が設けられており、水素バイパス弁26の下流の配管26bにオリフィス26cが設けられている。   A fuel gas supply flow path (pipe 24a) upstream of the first injector 24 and a connection point between the downstream of the first injector 24 and the pipe 29b (fuel gas circulation flow path). The bypass flow path in which hydrogen bypasses the first injector 24 includes a pipe 26a and a pipe 26b. A hydrogen bypass valve 26 is provided in the bypass flow path, and an orifice 26 c is provided in a pipe 26 b downstream of the hydrogen bypass valve 26.

すなわち、バイパス流路に設けられ水素を小流量で連続供給可能に構成された小流量供給手段は、水素を供給/遮断する水素バイパス弁26と、オリフィス26c(絞り手段)と、を備えて構成されている。そして、オリフィス26cが設けられた部分における流路断面積は、アクセル開度が0であるアイドル状態(無負荷状態)、つまり、燃料電池スタック10が発電可能であって要求発電量の下限値に対応した流量及びストイキ比で水素が連続供給される面積に設定されている。   That is, the small flow rate supply means provided in the bypass channel and configured to be able to continuously supply hydrogen at a small flow rate includes a hydrogen bypass valve 26 for supplying / blocking hydrogen and an orifice 26c (throttle means). Has been. The flow path cross-sectional area in the portion where the orifice 26c is provided is the idle state (no load state) in which the accelerator opening is 0, that is, the fuel cell stack 10 is capable of generating power and has a lower limit value of the required power generation amount. The area where hydrogen is continuously supplied at a corresponding flow rate and stoichiometric ratio is set.

また、配管25aと配管25bとを備えて、水素が第1インジェクタ24及びエゼクタ27をバイパスする第2バイパス流路が構成されており、第2バイパス流路に第2インジェクタ25が設けられている。   In addition, a second bypass flow path that includes the pipe 25a and the pipe 25b and in which hydrogen bypasses the first injector 24 and the ejector 27 is configured, and the second injector 25 is provided in the second bypass flow path. .

水素タンク21は、水素が高圧で貯蔵された容器である。   The hydrogen tank 21 is a container in which hydrogen is stored at a high pressure.

遮断弁22は、常閉型の電磁弁であって、ECU70の指令に従って開/閉することで、水素を供給/遮断する弁である。   The shutoff valve 22 is a normally closed electromagnetic valve, and is a valve that supplies / shuts off hydrogen by opening / closing in accordance with a command from the ECU 70.

レギュレータ23は、弁体と、弁体によって開閉されるポートを有する弁座とを備え、弁体が前記ポートを開閉することで水素を減圧すると共に、二次側の圧力を要求電力(要求発電量)に対応した圧力に調整する装置である。なお、レギュレータ23は、バイパス流路の上流側の接続点よりも上流の燃料ガス供給流路に設けられている。   The regulator 23 includes a valve body and a valve seat having a port that is opened and closed by the valve body. The valve body opens and closes the port to depressurize hydrogen, and the secondary pressure is set to a required power (required power generation). It is a device that adjusts the pressure corresponding to the amount. The regulator 23 is provided in the fuel gas supply channel upstream of the connection point on the upstream side of the bypass channel.

具体的には、レギュレータ23には、カソード流路13に向かう空気の圧力が、オリフィス23cの設けられた配管23bを介してパイロット圧として入力され、パイロット圧に基づいて前記弁体が前記ポートを開閉するようになっている。そして、レギュレータ23は、パイロット圧が高くなるにつれて、その二次側圧力を高くし、アノード流路12における圧力と、カソード流路13における圧力とをバランスさせるようになっている。   Specifically, the pressure of the air toward the cathode flow path 13 is input to the regulator 23 as a pilot pressure through a pipe 23b provided with an orifice 23c, and the valve body controls the port based on the pilot pressure. It opens and closes. The regulator 23 increases the secondary pressure as the pilot pressure increases, and balances the pressure in the anode channel 12 and the pressure in the cathode channel 13.

なお、要求電力が大きくなると、コンプレッサ41の回転速度が高まり吐出圧が上昇してパイロット圧も上昇し、これに基づいてレギュレータ23が二次側圧力を調整するようになっている。
ただし、レギュレータ23の具体的構成はこれに限定されず、例えば、電磁式のアクチュエータを備え、このアクチュエータによって弁体を開閉し、要求電力に対応して二次側圧力を制御する構成としてもよい。
When the required power increases, the rotational speed of the compressor 41 increases, the discharge pressure increases, and the pilot pressure also increases. Based on this, the regulator 23 adjusts the secondary pressure.
However, the specific configuration of the regulator 23 is not limited to this, and for example, an electromagnetic actuator may be provided, and the valve body may be opened and closed by this actuator to control the secondary side pressure corresponding to the required power. .

第1インジェクタ24及び第2インジェクタ25は、ECU70に電子制御されることで、水素を間欠的(断続的)に噴射する噴射装置である。なお、第1インジェクタ24、第2インジェクタ25、遮断弁22や、後記するコンプレッサ41等は、燃料電池スタック10及び/又は後記するバッテリ54を電源としている。また、第1インジェクタ24は、主に、要求電力が低負荷領域〜中負荷領域の場合に作動し、第2インジェクタ25は、主に高負荷領域の場合に作動する。   The first injector 24 and the second injector 25 are injection devices that inject hydrogen intermittently (intermittently) by being electronically controlled by the ECU 70. The first injector 24, the second injector 25, the shutoff valve 22, the compressor 41 described later, and the like use the fuel cell stack 10 and / or the battery 54 described later as a power source. The first injector 24 operates mainly when the required power is in a low load region to a medium load region, and the second injector 25 operates mainly in a high load region.

第1インジェクタ24は小流量噴射可能に構成され、第2インジェクタ25は大流量噴射可能で構成されている。このような噴射流量の差は、水素を噴射するノズルの噴射面積や、第1インジェクタ24、第2インジェクタ25内を往復運動する弁体のストローク量を変更することで構成される。また、第2インジェクタ25の設けられた第2バイパス流路は第1インジェクタ24及びエゼクタ27をバイパスしているので、第2インジェクタ25の作動する高負荷発電時も、燃料電池スタック10において水素不足とならない。   The first injector 24 is configured to be capable of small flow injection, and the second injector 25 is configured to be capable of large flow injection. Such a difference in the injection flow rate is configured by changing the injection area of the nozzle that injects hydrogen and the stroke amount of the valve body that reciprocates in the first injector 24 and the second injector 25. Further, since the second bypass flow path provided with the second injector 25 bypasses the first injector 24 and the ejector 27, the fuel cell stack 10 is short of hydrogen even during high load power generation in which the second injector 25 operates. Not.

また、第1インジェクタ24は、水素の噴射/停止を繰り返すことで、その二次側圧力を調整する調圧手段(レギュレータ)としての機能も備えている。したがって、レギュレータ23を省略することも可能である。   The first injector 24 also has a function as a pressure adjusting means (regulator) for adjusting the secondary side pressure by repeatedly injecting / stopping hydrogen. Therefore, the regulator 23 can be omitted.

エゼクタ27は、第1インジェクタ24及び/又は水素バイパス弁26からの新規水素を噴射することで負圧を発生させるノズル27bと、新規水素と前記負圧で吸引された配管29b(燃料オフガス循環流路)のアノードオフガスとを混合し、配管27a(アノード流路12)に向けて供給するディフューザ27cと、を備えている。   The ejector 27 includes a nozzle 27b that generates a negative pressure by injecting new hydrogen from the first injector 24 and / or the hydrogen bypass valve 26, and a pipe 29b (fuel off-gas circulation flow that is sucked with the new hydrogen and the negative pressure. And a diffuser 27c that mixes with the anode off-gas of the channel and feeds it toward the pipe 27a (anode channel 12).

アノード流路12の出口は、配管29a、逆止弁29、配管29bを介して、エゼクタ27の吸気口に接続されている。そして、アノード流路12から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス(燃料オフガス)が、エゼクタ27(燃料ガス供給流路)に戻されるようになっている。よって、アノード流路12から排出されたアノードオフガスをエゼクタ27に戻すことで水素を循環させる燃料ガス循環流路は、配管29aと配管29bとを備えて構成されている。   The outlet of the anode flow path 12 is connected to the intake port of the ejector 27 via a pipe 29a, a check valve 29, and a pipe 29b. The anode off gas (fuel off gas) containing unconsumed hydrogen discharged from the anode flow path 12 is returned to the ejector 27 (fuel gas supply flow path). Therefore, the fuel gas circulation channel that circulates hydrogen by returning the anode off-gas discharged from the anode channel 12 to the ejector 27 includes a pipe 29a and a pipe 29b.

逆止弁29は、アノードオフガスの逆流を防止する弁である。なお、配管29aには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器(図示しない)が設けられている。   The check valve 29 is a valve that prevents the backflow of the anode off gas. The pipe 29a is provided with a gas-liquid separator (not shown) for separating liquid water accompanying the anode off gas.

配管29aの途中は、配管28a、パージ弁28、配管28bを介して、後記する希釈器43に接続されている。パージ弁28は、燃料電池スタック10の発電時に、配管29aを循環するアノードオフガスに含まれる不純物(水蒸気、窒素等)を排出(パージ)する場合や、システム起動時にアノード流路12を水素に置換する場合、ECU70によって開かれる。なお、ECU70は、例えば、セル電圧モニタ15を介して検出される最低セル電圧が不純物を排出すべき所定電圧以下である場合、パージ弁28を開くようになっている。   The middle of the pipe 29a is connected to a diluter 43 described later via a pipe 28a, a purge valve 28, and a pipe 28b. The purge valve 28 discharges (purifies) impurities (water vapor, nitrogen, etc.) contained in the anode off-gas circulating through the pipe 29a during power generation of the fuel cell stack 10, or replaces the anode flow path 12 with hydrogen when the system is started. When it does, it is opened by ECU70. The ECU 70 opens the purge valve 28 when, for example, the lowest cell voltage detected via the cell voltage monitor 15 is equal to or lower than a predetermined voltage at which impurities are to be discharged.

配管29aの途中は、配管31a、循環ポンプ31、配管31bを介して、配管27aに接続されている。循環ポンプ31は、例えば、燃料電池スタック10においてフラッディングが発生していると判断される場合にECU70の指令に従って作動するように構成されている。そして、循環ポンプ31が作動すると、アノード流路12を通流するガスの流量が増加し、アノード流路12に滞留する水や、アノードの表面に付着する水がアノード流路12から排出され、燃料電池スタック10におけるフラッディングが解消される。   The middle of the pipe 29a is connected to the pipe 27a via the pipe 31a, the circulation pump 31, and the pipe 31b. For example, the circulation pump 31 is configured to operate according to a command from the ECU 70 when it is determined that flooding has occurred in the fuel cell stack 10. Then, when the circulation pump 31 is activated, the flow rate of the gas flowing through the anode flow path 12 is increased, and water staying in the anode flow path 12 and water adhering to the surface of the anode are discharged from the anode flow path 12, The flooding in the fuel cell stack 10 is eliminated.

圧力センサ32は、配管27aに取り付けられている。そして、圧力センサ32は、配管27a内の圧力(アノード流路12の圧力と略等しい)を検出し、ECU70に出力するようになっている。なお、圧力センサ32はアノード流路12の上流に限定されず、例えば、アノード流路12の下流の配管29a、配管28a等に取り付けられた構成でもよい。また、第1実施形態では、要求電力が低負荷領域であってパージ弁28に閉弁指令が入力されている場合、圧力センサ32の検出する圧力値に基づいて、パージ弁28が正常に閉じているか否か(水素漏れしているか否か)を判断するので、圧力センサ32はパージ弁28の直上流の配管28aに取り付けられた構成が好ましい。   The pressure sensor 32 is attached to the pipe 27a. The pressure sensor 32 detects the pressure in the pipe 27 a (substantially equal to the pressure in the anode flow path 12) and outputs it to the ECU 70. Note that the pressure sensor 32 is not limited to the upstream side of the anode channel 12, and may be configured to be attached to, for example, a pipe 29 a, a pipe 28 a, or the like downstream of the anode channel 12. In the first embodiment, when the required power is in the low load region and the valve closing command is input to the purge valve 28, the purge valve 28 is normally closed based on the pressure value detected by the pressure sensor 32. Therefore, it is preferable that the pressure sensor 32 is attached to the pipe 28a immediately upstream of the purge valve 28.

<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ41と、加湿器42と、希釈器43と、常閉型の空気バイパス弁44と、を備えている。
コンプレッサ41の吐出口は、配管41a、加湿器42、配管42aを介して、カソード流路13の入口に接続されている。そして、コンプレッサ41は、ECU70の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管41a等を介して、カソード流路13に供給するようになっている。
<Cathode system>
The cathode system includes a compressor 41, a humidifier 42, a diluter 43, and a normally closed air bypass valve 44.
The discharge port of the compressor 41 is connected to the inlet of the cathode channel 13 via a pipe 41a, a humidifier 42, and a pipe 42a. When the compressor 41 operates in accordance with a command from the ECU 70, it takes in oxygen-containing air and supplies it to the cathode flow path 13 through the piping 41a and the like.

加湿器42は、水分が透過可能な中空糸膜42dを備えている。そして、加湿器42は、中空糸膜42dを介して、カソード流路13に向かう新規空気と多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、新規空気を加湿する。   The humidifier 42 includes a hollow fiber membrane 42d that is permeable to moisture. Then, the humidifier 42 exchanges moisture between the new air heading toward the cathode flow path 13 and the humid cathode offgas via the hollow fiber membrane 42d to humidify the new air.

カソード流路13の出口には、配管42b、加湿器42、配管43a、希釈器43、配管43bが順に接続されている。そして、カソード流路13からのカソードオフガスは、配管42b等を通って、車外に排出されるようになっている。
なお、配管43aには、ECU70の指令に従って、その背圧(カソード流路13の圧力)を制御する背圧弁(図示しない)が設けられている。
A pipe 42b, a humidifier 42, a pipe 43a, a diluter 43, and a pipe 43b are sequentially connected to the outlet of the cathode flow path 13. And the cathode off gas from the cathode flow path 13 is discharged | emitted out of a vehicle through piping 42b etc. As shown in FIG.
The pipe 43a is provided with a back pressure valve (not shown) for controlling the back pressure (the pressure of the cathode channel 13) in accordance with a command from the ECU 70.

希釈器43は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス(希釈用ガス)で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。   The diluter 43 is a container that mixes the anode off-gas and the cathode off-gas and dilutes the hydrogen in the anode off-gas with the cathode off-gas (dilution gas), and has a dilution space therein.

配管41aの途中は、配管44a、空気バイパス弁44、配管44bを介して、配管43aに接続されている。そして、ECU70によって空気バイパス弁44が開かれると、コンプレッサ41からの空気が、配管44a等を通って、つまり、加湿器42及び燃料電池スタック10をバイパスし、配管43aに流入するようになっている。   The middle of the pipe 41a is connected to the pipe 43a via the pipe 44a, the air bypass valve 44, and the pipe 44b. When the air bypass valve 44 is opened by the ECU 70, the air from the compressor 41 passes through the pipe 44a or the like, that is, bypasses the humidifier 42 and the fuel cell stack 10, and flows into the pipe 43a. Yes.

<電力制御系>
電力制御系は、モータ51と、PDU52(Power Drive Unit)と、電力制御器53と、バッテリ54とを備えている。モータ51は、PDU52、電力制御器53を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されており、バッテリ54は、電力制御器53に接続されている。すなわち、モータ51とバッテリ54とは、電力制御器53(燃料電池スタック10)に対して並列で接続されている。
<Power control system>
The power control system includes a motor 51, a PDU 52 (Power Drive Unit), a power controller 53, and a battery 54. The motor 51 is connected to an output terminal (not shown) of the fuel cell stack 10 via the PDU 52 and the power controller 53, and the battery 54 is connected to the power controller 53. That is, the motor 51 and the battery 54 are connected in parallel to the power controller 53 (fuel cell stack 10).

モータ51は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。   The motor 51 is an electric motor that generates a driving force for running the fuel cell vehicle.

PDU52は、ECU70の指令に従って、電力制御器53からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ51に供給するインバータである。   The PDU 52 is an inverter that converts DC power from the power controller 53 into three-phase AC power and supplies it to the motor 51 in accordance with a command from the ECU 70.

電力制御器53は、ECU70の指令に従って、(1)燃料電池スタック10の出力(発電電力、電流値、電圧値)を制御する機能と、(2)バッテリ54の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器53は、DC−DCチョッパ回路等の各種電子回路を備えて構成される。   The power controller 53 is configured to (1) control the output (generated power, current value, voltage value) of the fuel cell stack 10 according to a command from the ECU 70, and (2) control the charge / discharge of the battery 54, It has. Such a power controller 53 includes various electronic circuits such as a DC-DC chopper circuit.

バッテリ54は、電力を充電/放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池が複数組み合わせてなる組電池で構成される。   The battery 54 is a power storage device that charges / discharges electric power, and includes, for example, an assembled battery formed by combining a plurality of lithium ion type cells.

<その他機器>
IG61は、燃料電池システム1(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG61はECU70と接続されており、ECU70はIG61のON信号(システム起動信号)、OFF信号(システム停止信号)を検知するようになっている。
<Other equipment>
The IG 61 is a start switch of the fuel cell system 1 (fuel cell vehicle), and is provided around the driver's seat. The IG 61 is connected to the ECU 70, and the ECU 70 detects an ON signal (system start signal) and an OFF signal (system stop signal) of the IG 61.

アクセル開度センサ62は、アクセルペダル(図示しない)の踏み込み量であるアクセル開度を検出するセンサである。そして、アクセル開度センサ62は、アクセル開度をECU70に出力するようになっている。   The accelerator opening sensor 62 is a sensor that detects an accelerator opening that is a depression amount of an accelerator pedal (not shown). The accelerator opening sensor 62 outputs the accelerator opening to the ECU 70.

警告ランプ63は、ガス漏れを運転者に報知するランプであり、運転席周りに設けられている。   The warning lamp 63 is a lamp for informing the driver of gas leakage, and is provided around the driver's seat.

<ECU>
ECU70は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
<ECU>
The ECU 70 is a control device that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU, ROM, RAM, various interfaces, electronic circuits, and the like, and controls various devices according to programs stored therein. However, various processes are executed.

<ECU−インジェクタ等制御機能>
ECU70(制御手段)は、第1インジェクタ24と第2インジェクタ25とを独立して、開閉制御(PWM制御)する機能を備えている。すなわち、ECU70は、第1インジェクタ24について、開時間と閉時間との比(デューティ比)を可変して、第1インジェクタ24による水素の噴射量を、0を含めて可変する機能を備えている。ECU70は、第2インジェクタ25に対しても同様に制御する機能を備えている。
<ECU-Injector control function>
The ECU 70 (control means) has a function of controlling the opening and closing (PWM control) of the first injector 24 and the second injector 25 independently. That is, the ECU 70 has a function of changing the ratio of the opening time to the closing time (duty ratio) of the first injector 24 and changing the amount of hydrogen injected by the first injector 24 including zero. . The ECU 70 has a function of controlling the second injector 25 in the same manner.

また、ECU70は、水素バイパス弁26を開閉制御し、第1インジェクタ24をバイパスさせて水素を配管24aに適宜に流入させる機能を備えている。   In addition, the ECU 70 has a function of controlling the opening and closing of the hydrogen bypass valve 26, allowing the first injector 24 to bypass, and appropriately allowing hydrogen to flow into the pipe 24a.

<ECU−領域判定機能>
ECU70(領域判定手段)は、燃料電池スタック10に要求されている要求電力(要求発電量)が、低負荷領域、中負荷領域、高負荷領域(図3参照)のいずれであるかを判定する機能を備えている。具体的な判定方法は後で説明する。
<ECU-region determination function>
The ECU 70 (region determination means) determines whether the required power (required power generation amount) required for the fuel cell stack 10 is a low load region, a medium load region, or a high load region (see FIG. 3). It has a function. A specific determination method will be described later.

<ECU−ガス漏れ判定機能>
ECU70(ガス漏れ判定手段)は、アノード漏れが発生しているか否か判定する機能を備えている。すなわち、ECU70は、圧力センサ32を介して検出される圧力値の所定時間における変化量(実測ΔP)に基づいて、閉弁指令の入力されているパージ弁28が正常に閉じているか否か、つまり、パージ弁28が正常に閉じてなく開故障しており、レギュレータ23とパージ弁28との間の流路(配管28a等内)に留まるべき水素を含むガスが、パージ弁28の下流(外部)に流出して漏れているか否か判定する機能を備えている。具体的な判定方法は後で説明する。
<ECU-Gas leak judgment function>
The ECU 70 (gas leakage determination means) has a function of determining whether or not anode leakage has occurred. That is, the ECU 70 determines whether or not the purge valve 28 to which the valve closing command is input is normally closed based on the change amount (measured ΔP) of the pressure value detected via the pressure sensor 32 in a predetermined time. In other words, the purge valve 28 is not normally closed but has an open failure, and the gas containing hydrogen that should remain in the flow path between the regulator 23 and the purge valve 28 (in the pipe 28a or the like) is downstream of the purge valve 28 ( It has a function to determine whether it has leaked out to the outside. A specific determination method will be described later.

<ECU−フラッディング判定機能>
ECU70(フラッディング判定手段)は、セル電圧モニタ15を介して検出される最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタック10内でフラッディングが発生しているか否か、つまり、アノード流路12等に滞留する水分(結露水等)を排出するべきか否か判定する機能を備えている。
<ECU-Flooding determination function>
The ECU 70 (flooding determination means) is based on the lowest cell voltage detected via the cell voltage monitor 15, whether or not flooding has occurred in the fuel cell stack 10, that is, stays in the anode flow path 12 or the like. It has a function to determine whether or not moisture (condensed water, etc.) should be discharged.

≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、燃料電池システム1の動作・効果について、図2を主に参照して説明する。
ここで、第1実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法は、要求電力が低負荷領域であるか否か判定する判定ステップ(S101)と、要求電力が低負荷領域であると判定された場合、第1インジェクタ24を停止する停止ステップ(S102)と、小流量供給手段で水素を小流量で連続供給する小流量連続供給ステップ(S102)と、を含む。
なお、初期状態として、IG61はONされ、燃料電池スタック10に水素及び空気が供給されており、燃料電池スタック10は発電している。
≪Operation and effect of fuel cell system≫
Next, the operation and effect of the fuel cell system 1 will be described with reference mainly to FIG.
Here, in the operation method of the fuel cell system 1 according to the first embodiment, the determination step (S101) for determining whether or not the required power is in the low load region, and the determination that the required power is in the low load region. In this case, a stop step (S102) for stopping the first injector 24 and a small flow continuous supply step (S102) for continuously supplying hydrogen at a small flow rate by the small flow rate supply means are included.
As an initial state, the IG 61 is turned on, hydrogen and air are supplied to the fuel cell stack 10, and the fuel cell stack 10 is generating electric power.

ステップS101において、ECU70は、要求電力(要求発電量、負荷要求)が低負荷領域であるか否か判定する。要求電力とは、モータ51、コンプレッサ41等の補機、空調装置等の外部負荷が燃料電池スタック10に要求する電力である。ここでは、指令電流が第1所定電流未満である場合、要求電力が低負荷領域であると判定する。   In step S101, the ECU 70 determines whether the required power (required power generation amount, load request) is in a low load region. The required power is the power required from the fuel cell stack 10 by an external load such as an auxiliary device such as the motor 51 and the compressor 41, and an air conditioner. Here, when the command current is less than the first predetermined current, it is determined that the required power is in the low load region.

具体的には、ECU70は、アクセル開度センサ62から入力されるアクセル開度と、要求電力マップとに基づいて、現在の要求電力を算出する。要求電力マップにおいて、アクセル開度が大きくなるにつれて、要求電力が大きくなる関係となっている。   Specifically, the ECU 70 calculates the current required power based on the accelerator opening input from the accelerator opening sensor 62 and the required power map. In the required power map, the required power increases as the accelerator opening increases.

そして、ECU70は、要求電力と図3のマップとに基づいて、指令電流を算出する。指令電流とは、燃料電池スタック10が出力すべき電流値であって、ECU70が電力制御器53に出力する指令値である。図3のマップは、事前試験、シミュレーション等によって求められ、ECU70に予め記憶されている。   Then, the ECU 70 calculates a command current based on the required power and the map of FIG. The command current is a current value that the fuel cell stack 10 should output, and is a command value that the ECU 70 outputs to the power controller 53. The map of FIG. 3 is obtained by a preliminary test, simulation, or the like, and stored in the ECU 70 in advance.

また、指令電流が大きくなるにつれて、カソード流路13を通流する空気の流量及び圧力を増加させるためコンプレッサ41の回転速度が高くなる関係となっている。そして、コンプレッサ41の回転速度が高くなると、レギュレータ23に入力されるパイロット圧が高くなり、レギュレータ23の二次側圧力が高く、アノード流路12に向かう水素の流量も増加する関係となっている(図3参照)。   Further, as the command current increases, the rotational speed of the compressor 41 increases because the flow rate and pressure of the air flowing through the cathode flow path 13 are increased. When the rotational speed of the compressor 41 increases, the pilot pressure input to the regulator 23 increases, the secondary pressure of the regulator 23 increases, and the flow rate of hydrogen toward the anode flow path 12 also increases. (See FIG. 3).

図3に示すように、指令電流の大きさに対応して、低負荷領域、中負荷領域、高負荷領域に区分されている。低負荷領域は指令電流が第1所定電流未満の領域(指令電流<第1所定電流)であり、中負荷領域は指令電流が第1所定電流以上かつ第2所定電流以下の領域(第1所定電流≦指令電流≦第2所定電流)であり、高負荷領域は指令電流が第2所定電流を超える領域(第2所定電流<指令電流)である。第1所定電流、第2所定電流は、事前試験等により求められ、ECU70に予め記憶されている。   As shown in FIG. 3, the load is divided into a low load region, a medium load region, and a high load region according to the magnitude of the command current. The low load region is a region where the command current is less than the first predetermined current (command current <first predetermined current), and the medium load region is the region where the command current is greater than the first predetermined current and less than the second predetermined current (first predetermined current). Current ≦ command current ≦ second predetermined current), and the high load region is a region where the command current exceeds the second predetermined current (second predetermined current <command current). The first predetermined current and the second predetermined current are obtained by a preliminary test or the like and stored in the ECU 70 in advance.

そして、図3に示すように、低負荷領域において、水素バイパス弁26は開状態、第1インジェクタ24及び第2インジェクタ25は停止状態(OFF状態、制御停止状態)、で設定されている。ただし、小流量噴射用の第1インジェクタ24は、例えば、空調装置からの要求電力が大きくなった場合等、必要に応じて作動状態(ON状態、制御可能状態)に切り替えられ、水素を噴射するように設定されている。   As shown in FIG. 3, in the low load region, the hydrogen bypass valve 26 is set in an open state, and the first injector 24 and the second injector 25 are set in a stopped state (OFF state, control stopped state). However, the first injector 24 for small flow rate injection is switched to the operating state (ON state, controllable state) as necessary, for example, when the required power from the air conditioner becomes large, and injects hydrogen. Is set to

中負荷領域において、水素バイパス弁26は開状態、第1インジェクタ24は作動状態(ON状態)、第2インジェクタ25は停止状態、で設定されている。
高負荷領域において、水素バイパス弁26は開状態、第1インジェクタ24は作動状態(ON状態)、第2インジェクタ25は作動状態(ON状態)、で設定されている。
In the middle load region, the hydrogen bypass valve 26 is set in an open state, the first injector 24 is in an operating state (ON state), and the second injector 25 is in a stopped state.
In the high load region, the hydrogen bypass valve 26 is set in an open state, the first injector 24 is in an operating state (ON state), and the second injector 25 is in an operating state (ON state).

そして、要求電力が低負荷領域であると判定した場合(S101・Yes)、ECU70の処理はステップS102に進む。要求電力が低負荷領域でないと判定した場合(S101・No)、ECU70の処理はステップS121に進む。   When it is determined that the required power is in the low load region (S101 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S102. When it determines with request | requirement electric power not being a low load area | region (S101 * No), the process of ECU70 progresses to step S121.

ステップS102において、ECU70は、水素バイパス弁26を開き、第1インジェクタ24及び第2インジェクタ25を停止状態(OFF状態)とする。これにより、水素の噴射が停止するので、水素の圧力が脈動しない。   In step S102, the ECU 70 opens the hydrogen bypass valve 26 and puts the first injector 24 and the second injector 25 into a stopped state (OFF state). As a result, the hydrogen injection stops, and the hydrogen pressure does not pulsate.

そうすると、水素が、配管26a、水素バイパス弁26、オリフィス26cの設けられた配管26b、エゼクタ27、配管27aを通って、アノード流路12に小流量で連続的に供給される(図4(a)参照)。そして、オリフィス26cが設けられた部分における流路断面積は、燃料電池スタック10が発電可能であって要求電力の下限値に対応した流量及びストイキ比で水素が連続供給される面積に設定されているので、燃料電池スタック10において水素不足となり難くなり、その結果、燃料電池スタック10の発電が安定する。
よって、その後にアクセルペダルが踏み込まれて要求電力が大きくなり、例えば高負荷領域に移行しても、燃料電池スタック10において水素のストイキ比不足となり難くなり、燃料電池車はスムーズに加速する。
Then, hydrogen is continuously supplied to the anode flow path 12 at a small flow rate through the pipe 26a, the hydrogen bypass valve 26, the pipe 26b provided with the orifice 26c, the ejector 27, and the pipe 27a (FIG. )reference). The flow path cross-sectional area in the portion where the orifice 26c is provided is set to an area where hydrogen can be continuously supplied at a flow rate and stoichiometric ratio corresponding to the lower limit value of the required power, where the fuel cell stack 10 can generate power. Therefore, it becomes difficult for the fuel cell stack 10 to be short of hydrogen, and as a result, the power generation of the fuel cell stack 10 is stabilized.
Therefore, after that, the accelerator pedal is depressed to increase the required power. For example, even when shifting to a high load region, it becomes difficult for the fuel cell stack 10 to become short of the hydrogen stoichiometric ratio, and the fuel cell vehicle accelerates smoothly.

なお、ECU70は、要求電力が低負荷領域であると判定している場合において、例えば、運転者によって空調装置の出力が高められた等により、低負荷領域の範囲内で要求電力が大きくなったとき、要求電力が大きくなった程度に対応して、第1インジェクタ24を作動状態(ON状態)、つまり、開閉制御し、水素を噴射する(図4(a)参照)。   When the ECU 70 determines that the required power is in the low load area, the required power has increased within the low load area due to, for example, an increase in the output of the air conditioner by the driver. When the required power increases, the first injector 24 is operated (ON state), that is, is controlled to be opened and closed, and hydrogen is injected (see FIG. 4A).

この場合において、水素が小流量で連続供給されているので、バイパス流路を備えない図4(b)の比較例に対して、第1インジェクタ24の開時間(駆動時間、通電時間)を短くでき、第1インジェクタ24による消費電力を抑えることができる。なお、第1インジェクタ24の開時間が短くなるので、アノード流路12に供給される水素量の変動幅及び最大値が小さくなる。   In this case, since hydrogen is continuously supplied at a small flow rate, the opening time (driving time, energization time) of the first injector 24 is shortened compared to the comparative example of FIG. And power consumption by the first injector 24 can be suppressed. In addition, since the opening time of the 1st injector 24 becomes short, the fluctuation range and maximum value of the amount of hydrogen supplied to the anode flow path 12 become small.

ステップS103にいて、ECU70は、その直前の所定時間(例えば5秒〜60秒)の間、第1インジェクタ24が継続して停止状態(OFF状態)であり、パージ弁28に継続して閉弁指令が入力されているか否か判定する。なお、所定時間は、後記するステップS104において水素の漏れを判定可能な最短時間であり、事前試験等により求められ、ECU70に予め記憶されている。   In step S103, the ECU 70 keeps the first injector 24 in a stopped state (OFF state) for a predetermined time (for example, 5 seconds to 60 seconds) immediately before it, and continues to close the purge valve 28. It is determined whether or not a command is input. The predetermined time is the shortest time during which hydrogen leakage can be determined in step S104, which will be described later, is obtained by a preliminary test or the like, and is stored in the ECU 70 in advance.

第1インジェクタ24は停止状態(OFF状態)であり、かつ、パージ弁28に閉弁指令が入力されていると判定した場合(S103・Yes)、ECU70の処理はステップS104に進む。第1インジェクタ24は継続して停止状態(OFF状態)でない、又は、パージ弁28に閉弁指令が入力されていない判定した場合(S103・No)、ECU70の処理はステップS111に進む。   When it is determined that the first injector 24 is in a stopped state (OFF state) and a valve closing command is input to the purge valve 28 (S103 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S104. If it is determined that the first injector 24 is not continuously stopped (OFF state) or that the valve closing command is not input to the purge valve 28 (S103, No), the process of the ECU 70 proceeds to step S111.

ステップS104において、ECU70は、前記した直前の所定時間(例えば5秒〜60秒)において、圧力センサ32を介して検出されるアノード圧力の実測変化量ΔPが所定変化量ΔP以下であるか否か判定する。所定変化量ΔPは、レギュレータ23とパージ弁28との間において水素が漏れているか否か(アノード漏れがあるか否か)の判断基準となる圧力変化量であり、事前試験等により求められ、ECU70に予め記憶されている。   In step S104, the ECU 70 determines whether or not the actually measured change amount ΔP of the anode pressure detected via the pressure sensor 32 is equal to or less than the predetermined change amount ΔP during the predetermined time immediately before (for example, 5 seconds to 60 seconds). judge. The predetermined change amount ΔP is a pressure change amount that is a criterion for determining whether hydrogen is leaking between the regulator 23 and the purge valve 28 (whether there is an anode leak), and is obtained by a preliminary test or the like. Pre-stored in the ECU 70.

実測変化量ΔPが所定変化量ΔP以下であると判定した場合(S104・Yes)、ECU70の処理はステップS111に進む。実測変化量ΔPが所定変化量ΔP以下でないと判定した場合(S104・No)、ECU70の処理はステップS105に進む。   When it is determined that the actually measured change amount ΔP is equal to or less than the predetermined change amount ΔP (S104 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S111. When it is determined that the actually measured change amount ΔP is not less than or equal to the predetermined change amount ΔP (S104 · No), the process of the ECU 70 proceeds to step S105.

なお、このようにステップS105に進む場合、レギュレータ23とパージ弁28との間において水素が漏れている(アノード漏れがある)虞があると判断される。すなわち、閉弁指令の入力されているパージ弁28が完全に閉じておらず、例えば、その弁体と弁座との隙間に設けられたOリング(シール部材)が使用に伴って硬化し、水素がパージ弁28の下流に漏れている虞があると判断される。   When the process proceeds to step S105 as described above, it is determined that there is a possibility that hydrogen leaks between the regulator 23 and the purge valve 28 (there is an anode leak). That is, the purge valve 28 to which the valve closing command is input is not completely closed. For example, an O-ring (seal member) provided in the gap between the valve body and the valve seat is hardened with use, It is determined that there is a risk of hydrogen leaking downstream of the purge valve 28.

ここで、水素の漏れは、一般的に、接触燃焼式等の水素センサで検出され、水素センサは水素の通流箇所や滞留し易い箇所に取り付けられる。ところが、水素センサを構成し水素を燃焼させる触媒は使用に伴って劣化し、また、水素センサは発電に伴って生成する水蒸気にも曝され、この水蒸気が触媒に付着すると水素が燃焼し難くなり、水素の検出感度が低下してしまう。   Here, the leakage of hydrogen is generally detected by a hydrogen sensor such as a catalytic combustion type, and the hydrogen sensor is attached to a hydrogen passage location or a location where it tends to stay. However, the catalyst that constitutes the hydrogen sensor and burns hydrogen deteriorates with use, and the hydrogen sensor is also exposed to water vapor generated by power generation, and if this water vapor adheres to the catalyst, it becomes difficult for hydrogen to burn. , Hydrogen detection sensitivity decreases.

そこで、本実施形態によれば、圧力センサ32の検出する圧力値に基づいて、アノード漏れがあるか否か、つまり、パージ弁28が正常に閉じているか否か、判断できる。よって、パージ弁28の下流に水素センサを取り付ける必要がなく、部品点数及びコストを削減したうえ、水素センサのメンテナンス・交換に要する手間も省略できる。   Therefore, according to the present embodiment, based on the pressure value detected by the pressure sensor 32, it can be determined whether there is an anode leak, that is, whether the purge valve 28 is normally closed. Therefore, it is not necessary to attach a hydrogen sensor downstream of the purge valve 28, and the number of parts and cost can be reduced, and the labor required for maintenance and replacement of the hydrogen sensor can be omitted.

また、目標水素圧力の変動幅が小さい低負荷領域であり(S101・Yes)、直前の所定時間において、第1インジェクタ24が継続して停止状態(OFF状態)であって、パージ弁28に継続して閉弁指令が入力されている場合(S103・Yes)、水素の漏れ判定を実行する(S104)。したがって、仮に水素漏れが発生している場合、圧力センサ32の検出する圧力値(アノード圧力)が時間と共に大きく低下し、所定時間における実測ΔPが大きくなり、高精度で水素漏れを検知できる、つまり、誤検知を防止できる(図5参照)。   Further, the fluctuation range of the target hydrogen pressure is a low load region (S101 / Yes), and the first injector 24 is continuously stopped (OFF state) and continues to the purge valve 28 immediately before the predetermined time. When the valve closing command is input (S103 / Yes), the hydrogen leakage determination is executed (S104). Therefore, if hydrogen leakage occurs, the pressure value (anode pressure) detected by the pressure sensor 32 greatly decreases with time, and the actual measurement ΔP at a predetermined time increases, so that hydrogen leakage can be detected with high accuracy. , False detection can be prevented (see FIG. 5).

なお、図5において、水素漏れがない通常の場合も圧力センサ32の検出する圧力値(アノード圧力)が緩やかに低下しているのは、図5の全期間において、水素タンク21からの新規水素が消費量よりも少ない量供給されているからである。   In FIG. 5, the pressure value (anode pressure) detected by the pressure sensor 32 gradually decreases even in a normal case where there is no hydrogen leakage. This is because an amount less than the amount consumed is supplied.

ステップS105において、ECU70は、警告ランプ63を点灯させ、水素が漏れている(アノード漏れがある)ことを運転者に報知する。   In step S105, the ECU 70 turns on the warning lamp 63 to notify the driver that hydrogen is leaking (there is an anode leak).

ステップS106において、ECU70は、空気バイパス弁44を開く。これにより、コンプレッサ41からの空気が、配管44a及び配管44bを通り、加湿器42及びカソード流路13(燃料電池スタック10)をバイパスし、配管43aに流入する。   In step S106, the ECU 70 opens the air bypass valve 44. Thereby, the air from the compressor 41 passes through the piping 44a and the piping 44b, bypasses the humidifier 42 and the cathode flow path 13 (fuel cell stack 10), and flows into the piping 43a.

ここで、加湿器42及びカソード流路13は流路断面積が小さく圧力損失が大きいので、空気が加湿器42及びカソード流路13をバイパスすることで、希釈器43に流入する空気の流量が増加する。したがって、パージ弁28が完全に閉じておらず、水素が配管28bを通って希釈器43に流入していたとしても、この水素は流量の増加した空気によって良好に希釈されるので、高濃度のまま車外に排出されることはない。   Here, since the humidifier 42 and the cathode channel 13 have a small channel cross-sectional area and a large pressure loss, the air flows into the diluter 43 by bypassing the humidifier 42 and the cathode channel 13. To increase. Therefore, even if the purge valve 28 is not completely closed and hydrogen flows into the diluter 43 through the pipe 28b, the hydrogen is well diluted by the air having an increased flow rate. It will not be discharged outside the vehicle.

ここで、ステップS104における実測変化量ΔPが大きくなるにつれて、水素の漏れ量が多くなると予想されるので、バイパスして希釈器43に流入する空気を増加させるため、実測変化量ΔPが大きくなるにつれて、コンプレッサ41の回転速度を高める構成としてもよい。   Here, since the amount of hydrogen leakage is expected to increase as the actually measured change amount ΔP in step S104 increases, the amount of air that bypasses and flows into the diluter 43 is increased. Therefore, as the actually measured change amount ΔP increases. Alternatively, the rotation speed of the compressor 41 may be increased.

その後、ECU70の処理はENDに進み、一連の処理を終了する。
なお、このように水素漏れの虞がある場合には、空気(カソードオフガス)量を多くして確実に希釈するので、燃料電池スタック10での発電を継続することができ、燃料電池車は燃料電池スタック10の出力する電力で自走可能であり、また、バッテリ54の電力でも自走可能(バッテリ走行可能)であるため、運転者は修理工場等に燃料電池車を持ち込むことができる。この場合において、水素漏れの虞がある旨の判断(S104・Yes)から所定時間経過したとき、又は、バッテリ走行に切り替えたとき、水素漏れを確実に停止するため、遮断弁22を閉じる構成としてもよい。
Thereafter, the process of the ECU 70 proceeds to END, and the series of processes is terminated.
When there is a possibility of hydrogen leakage in this way, the amount of air (cathode off-gas) is increased and diluted reliably, so that power generation in the fuel cell stack 10 can be continued, and the fuel cell vehicle is a fuel cell vehicle. Since the vehicle can be self-propelled by the electric power output from the battery stack 10 and can be self-propelled by the electric power of the battery 54 (battery can be driven), the driver can bring the fuel cell vehicle to a repair shop or the like. In this case, the shutoff valve 22 is closed when the predetermined time has elapsed from the determination that there is a risk of hydrogen leakage (Yes in S104) or when switching to battery running so as to stop hydrogen leakage reliably. Also good.

ステップS111において、ECU70は、セル電圧モニタ15から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下であるか否か判定する。なお、最低セル電圧が所定セル電圧以下である場合、燃料電池スタック10においてフラッディング(水詰まり等)が発生していると判断される。所定セル電圧は、フラッディングが発生しているか否かの判断基準となる電圧であり、事前試験等により求められ、ECU70に予め記憶されている。   In step S111, the ECU 70 determines whether or not the lowest cell voltage input from the cell voltage monitor 15 is equal to or lower than a predetermined cell voltage. When the minimum cell voltage is equal to or lower than the predetermined cell voltage, it is determined that flooding (water clogging or the like) has occurred in the fuel cell stack 10. The predetermined cell voltage is a voltage that is a criterion for determining whether flooding has occurred, is determined by a preliminary test or the like, and is stored in the ECU 70 in advance.

最低セル電圧は所定セル電圧以下であると判定した場合(S111・Yes)、ECU70の処理はステップS112に進む。最低セル電圧は所定セル電圧以下でないと判定した場合(S111・No)、ECU70の処理はステップS101に進む。   When it is determined that the minimum cell voltage is equal to or lower than the predetermined cell voltage (S111 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S112. When it is determined that the minimum cell voltage is not equal to or lower than the predetermined cell voltage (S111 · No), the process of the ECU 70 proceeds to step S101.

ステップS112において、ECU70は、例えば所定時間にて、第1インジェクタ24を作動状態(ON状態)とする、つまり、第1インジェクタ24に開弁指令/閉弁指令を出力し、第1インジェクタ24を開閉させ、水素を間欠的(断続的)に噴射する。   In step S112, the ECU 70 activates the first injector 24 (ON state) at a predetermined time, for example, that is, outputs a valve opening command / valve command to the first injector 24, and causes the first injector 24 to Open and close and inject hydrogen intermittently.

そうすると、間欠的(断続的)に噴射されたことで脈動する水素が、アノード流路12を通流し、アノード流路12に滞留する水や、アノードに付着する水がアノード流路12から押し出される。これにより、水素がアノードに供給され易くなり、最低セル電圧が上昇し、燃料電池スタック10の発電安定性が回復する。なお、これに加えて、パージ弁28を間欠的(断続的)に開く構成としてもよい。   Then, hydrogen that pulsates due to intermittent (intermittent) injection flows through the anode flow path 12, and water staying in the anode flow path 12 and water adhering to the anode are pushed out from the anode flow path 12. . Thereby, hydrogen is easily supplied to the anode, the minimum cell voltage is increased, and the power generation stability of the fuel cell stack 10 is restored. In addition to this, the purge valve 28 may be opened intermittently (intermittently).

その後、ECU70の処理は、ステップS101に進む。   Thereafter, the processing of the ECU 70 proceeds to step S101.

次に、ステップS101の判定結果が「No」の場合に進むステップS121について説明する。なお、このようにステップS121に進む場合は、要求電力(指令電流)が中負荷領域又は高負荷領域である場合である(図3参照)。   Next, step S121 that proceeds when the determination result of step S101 is “No” will be described. Note that the process proceeds to step S121 in this way when the required power (command current) is in the middle load region or the high load region (see FIG. 3).

ステップS121において、ECU70は、水素バイパス弁26を開いたまま、第1インジェクタ24及び第2インジェクタ25を作動状態(ON状態)とする。なお、水素バイパス弁26を閉じる構成としてもよい。   In step S121, the ECU 70 sets the first injector 24 and the second injector 25 to the operating state (ON state) while the hydrogen bypass valve 26 is open. The hydrogen bypass valve 26 may be closed.

具体的には、ECU70は、指令電流(要求電力)が中負荷領域である場合、第2インジェクタ25は停止状態(OFF状態)のまま、指令電流の大きさに対応して、第1インジェクタ24のみを開閉制御(PWM制御)する。また、指令電流(要求電力)が高負荷領域である場合、指令電流の大きさに対応して、第1インジェクタ24及び第2インジェクタ25を開閉制御(PWM制御)する。   Specifically, when the command current (required power) is in the middle load region, the ECU 70 keeps the second injector 25 in the stopped state (OFF state) and corresponds to the magnitude of the command current. Only open / close control (PWM control) is performed. When the command current (required power) is in a high load region, the first injector 24 and the second injector 25 are controlled to open and close (PWM control) in accordance with the magnitude of the command current.

そして、第1インジェクタ24及び第2インジェクタ25による単位時間における目標総噴射量Q(L/min)は、例えば、式(3)で与えられる。   And the target total injection amount Q (L / min) in the unit time by the 1st injector 24 and the 2nd injector 25 is given by Formula (3), for example.

目標総噴射量Q=消費量Q1+圧力フィードバック量Q2−バイパス量Q3 …(3)   Target total injection amount Q = consumption amount Q1 + pressure feedback amount Q2-bypass amount Q3 (3)

消費量Q1(L/min)は、燃料電池スタック10で消費される水素量であり、指令電流値に基づいて算出される。なお、指令電流値が大きくなるにつれて、消費量Q1が大きくなる関係となっている。   The consumption amount Q1 (L / min) is the amount of hydrogen consumed in the fuel cell stack 10, and is calculated based on the command current value. Note that the consumption Q1 increases as the command current value increases.

圧力フィードバック量Q2は、PID制御において補正すべき水素量であり、目標水素圧力と圧力センサ32の検出する実測圧力値との差分に基づいて算出される。例えば、実測圧力値が目標水素圧力よりも低い場合、圧力フィードバック量Q2はプラス側(増加側)で算出され、実測圧力値が目標水素圧力よりも高い場合、圧力フィードバック量Q2はマイナス側(減少側)で算出される。なお、目標水素圧力は、要求電力(要求発電量)に基づいて算出され、要求電力が大きくなるにつれて、目標水素圧力が高くなる関係となっている。   The pressure feedback amount Q2 is the hydrogen amount to be corrected in the PID control, and is calculated based on the difference between the target hydrogen pressure and the actually measured pressure value detected by the pressure sensor 32. For example, when the measured pressure value is lower than the target hydrogen pressure, the pressure feedback amount Q2 is calculated on the plus side (increase side), and when the measured pressure value is higher than the target hydrogen pressure, the pressure feedback amount Q2 is minus side (decrease). Side). The target hydrogen pressure is calculated based on the required power (required power generation amount), and the target hydrogen pressure increases as the required power increases.

バイパス量Q3は、バイパス流路(配管26a、配管26b)からの水素量である。バイパス量Q3は、図6に示すように、目標水素圧力(レギュレータ23の二次側圧力)が高くなるにつれて、大きくなる関係となっている。   The bypass amount Q3 is the amount of hydrogen from the bypass channel (pipe 26a, pipe 26b). As shown in FIG. 6, the bypass amount Q3 has a relationship that increases as the target hydrogen pressure (secondary pressure of the regulator 23) increases.

その後、ECU70の処理は、ステップS101に進む。   Thereafter, the processing of the ECU 70 proceeds to step S101.

≪変形例≫
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。また、後記する実施形態と適宜に組み合わせることもできる。
≪Modification≫
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, it can change as follows. Moreover, it can also combine suitably with embodiment mentioned later.

前記した実施形態では、ステップS112において、第1インジェクタ24を作動し、水素を間欠的(断続的)に噴射する構成を例示したが、これに加えて、水素バイパス弁26を閉じる構成とすれば、第1インジェクタ24の開閉に伴う水素の流量変化幅(脈動幅)が大きくなり、アノード流路12から水等が排出され易くなる。
また、このような水素の噴射に対応して、循環ポンプ31を間欠的(断続的)に作動する構成とすれば、水素の流量変化幅(脈動幅)がさらに大きくなる。
In the above-described embodiment, in the step S112, the first injector 24 is operated and hydrogen is intermittently (intermittently) injected. However, in addition to this, the hydrogen bypass valve 26 is closed. The flow rate change width (pulsation width) of hydrogen accompanying opening and closing of the first injector 24 increases, and water and the like are easily discharged from the anode flow path 12.
Further, if the circulation pump 31 is operated intermittently (intermittently) in response to such hydrogen injection, the flow rate change width (pulsation width) of hydrogen is further increased.

前記した実施形態では、燃料電池車に搭載された燃料電池システム1を例示したが、適用箇所はこれに限定されず、例えば、定置型の燃料電池システムに組み込まれた構成でもよい。   In the above-described embodiment, the fuel cell system 1 mounted on the fuel cell vehicle is exemplified, but the application location is not limited to this, and for example, a configuration incorporated in a stationary fuel cell system may be used.

≪第2実施形態≫
次に、本発明の第2実施形態について、図7を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, a different part from 1st Embodiment is demonstrated.

第2実施形態に係るエゼクタ27は、第1インジェクタ24からの水素を噴射するノズル27bに加えて、水素バイパス弁26からの水素を噴射するノズル27d(小流量供給手段)を備えている。すなわち、配管26bの下流端は、ノズル27dに接続されている。   The ejector 27 according to the second embodiment includes a nozzle 27d (small flow supply means) for injecting hydrogen from the hydrogen bypass valve 26 in addition to the nozzle 27b for injecting hydrogen from the first injector 24. That is, the downstream end of the pipe 26b is connected to the nozzle 27d.

そして、ノズル27b及びノズル27dは、ディフューザ27c(エゼクタ27)の中心軸線に対して斜めに配置されている。また、ノズル27b又はノズル27dの中心軸線上に、エゼクタ27の絞り部分であるスロート部の中心が配置されており、ノズル27b又はノズル27dから噴射された水素が、前記スロート部を通って、ディフューザ27cに向かうようになっている。
なお、第2実施形態では、配管26bにオリフィス26c(図1参照)が設けられていない。
The nozzle 27b and the nozzle 27d are arranged obliquely with respect to the central axis of the diffuser 27c (ejector 27). In addition, the center of the throat portion that is the throttle portion of the ejector 27 is disposed on the central axis of the nozzle 27b or the nozzle 27d, and hydrogen injected from the nozzle 27b or the nozzle 27d passes through the throat portion and passes through the diffuser. It is going to 27c.
In the second embodiment, the orifice 26c (see FIG. 1) is not provided in the pipe 26b.

ノズル27dは、オリフィス26cと同様の機能を備えるものである。すなわち、ノズル27dの噴射口面積は、オリフィス26cが設けられた部分における流路断面積と同一に形成されており、アクセル開度が0であるアイドル状態(無負荷状態)、つまり、燃料電池スタック10が発電可能であって要求発電量の下限値に対応した流量及びストイキ比で水素が連続供給される面積に設定されている。つまり、ノズル27dの噴射口面積は、要求電力が中負荷領域又は高負荷領域である場合に水素を噴射するノズル27bの噴射口面積よりも小さい。   The nozzle 27d has the same function as the orifice 26c. That is, the nozzle 27d has an injection port area that is the same as the cross-sectional area of the flow path in the portion where the orifice 26c is provided and is in an idle state (no load state) in which the accelerator opening is 0, that is, a fuel cell stack. 10 is set to an area where hydrogen can be generated and hydrogen is continuously supplied at a flow rate and stoichiometric ratio corresponding to the lower limit value of the required power generation amount. In other words, the area of the nozzle 27d is smaller than the area of the nozzle 27b that injects hydrogen when the required power is in the middle load region or the high load region.

このような構成によれば、要求電力が低負荷領域であって、水素バイパス弁26が開かれた場合、水素バイパス弁26からの水素がノズル27dで噴射される。この場合において、ノズル27dの噴射口面積は、ノズル27bよりも小さいので、小流量であっても水素の流速が大幅に上昇し、大きな負圧が発生し易くなる。   According to such a configuration, when the required power is in a low load region and the hydrogen bypass valve 26 is opened, hydrogen from the hydrogen bypass valve 26 is injected by the nozzle 27d. In this case, the area of the nozzle 27d is smaller than that of the nozzle 27b. Therefore, even if the flow rate is small, the flow rate of hydrogen is greatly increased, and a large negative pressure is likely to be generated.

これにより、大きな負圧によって配管29bのアノードオフガスを吸引し易くなり、その結果、アノード流路12におけるガス(水素)の流量も大きくなる。したがって、アノード流路12に水が滞留し難くなり、低負荷領域で発電する燃料電池スタック10の発電安定性が向上する。   Thereby, it becomes easy to suck the anode off-gas in the pipe 29b by a large negative pressure, and as a result, the flow rate of the gas (hydrogen) in the anode channel 12 also increases. Therefore, water does not easily stay in the anode flow path 12, and the power generation stability of the fuel cell stack 10 that generates power in the low load region is improved.

≪第3実施形態≫
次に、本発明の第3実施形態について、図8を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
«Third embodiment»
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, a different part from 1st Embodiment is demonstrated.

第3実施形態では、水素バイパス弁26を備えておらず、配管26aの下流端は配管24aに接続されており、そして、オリフィス26cは配管26aに設けられている。   In the third embodiment, the hydrogen bypass valve 26 is not provided, the downstream end of the pipe 26a is connected to the pipe 24a, and the orifice 26c is provided in the pipe 26a.

このような構成によれば、要求電力が、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域のいずれの領域であっても、水素が配管26aを通って配管24aに流入することになる。これにより、低負荷領域と中負荷領域/高負荷領域と間における水素バイパス弁26の開閉制御処理を省略し簡便とできる。また、水素バイパス弁26を備えないので、部品点数を削減し、燃料電池システム1を安価で構成できる。   According to such a configuration, hydrogen flows into the pipe 24a through the pipe 26a regardless of the required power in any of the low load area, the medium load area, and the high load area. Thereby, the opening / closing control processing of the hydrogen bypass valve 26 between the low load region and the middle load region / high load region can be omitted and simplified. Further, since the hydrogen bypass valve 26 is not provided, the number of parts can be reduced and the fuel cell system 1 can be configured at low cost.

1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
12 アノード流路(燃料ガス流路)
13 カソード流路(酸化剤ガス流路)
21a、22a、23a、27a 配管(燃料ガス供給流路)
23 レギュレータ
24 第1インジェクタ
25 第2インジェクタ
26 水素バイパス弁(小流量供給手段、燃料ガスバイパス弁)
26a、26b 配管(バイパス流路)
26c オリフィス(小流量供給手段)
27 エゼクタ
27d ノズル(小流量供給手段)
28 パージ弁
29a、29b 配管(燃料ガス循環流路)
70 ECU(制御手段、領域判定手段、ガス漏れ判定手段、フラッディング判定手段)
1 Fuel Cell System 10 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
11 Single cell (fuel cell)
12 Anode channel (fuel gas channel)
13 Cathode channel (oxidant gas channel)
21a, 22a, 23a, 27a Piping (fuel gas supply flow path)
23 Regulator 24 First injector 25 Second injector 26 Hydrogen bypass valve (small flow rate supply means, fuel gas bypass valve)
26a, 26b Piping (bypass flow path)
26c Orifice (small flow rate supply means)
27 Ejector 27d Nozzle (small flow rate supply means)
28 Purge valve 29a, 29b Piping (fuel gas circulation flow path)
70 ECU (control means, area determination means, gas leak determination means, flooding determination means)

Claims (5)

燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路の出口と前記燃料ガス供給流路とを接続し、前記燃料ガス流路からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
前記燃料ガス循環流路の接続点よりも上流の前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスを噴射するインジェクタと、
前記インジェクタの上流の前記燃料ガス供給流路と、前記インジェクタの下流の前記燃料ガス供給流路とを接続し、燃料ガスが前記インジェクタをバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、燃料ガスを小流量で連続供給可能に構成された小流量供給手段と、
要求発電量が低負荷領域であるか否か判定する領域判定手段と、
前記インジェクタを制御する制御手段と、
を備え、
前記領域判定手段が低負荷領域であると判定した場合、前記制御手段が前記インジェクタを停止し、前記小流量供給手段が燃料ガスを小流量で連続供給する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel gas channel, and generating power by supplying fuel gas to the fuel gas channel;
A fuel gas supply channel connected to an inlet of the fuel gas channel and through which a fuel gas directed to the fuel gas channel flows;
A fuel gas circulation channel for connecting the outlet of the fuel gas channel and the fuel gas supply channel, returning the fuel off-gas from the fuel gas channel to the fuel gas supply channel, and circulating the fuel gas;
An injector for injecting fuel gas, provided in the fuel gas supply channel upstream of the connection point of the fuel gas circulation channel;
A bypass flow path connecting the fuel gas supply flow path upstream of the injector and the fuel gas supply flow path downstream of the injector, wherein the fuel gas bypasses the injector;
A small flow rate supply means provided in the bypass channel and configured to continuously supply fuel gas at a small flow rate;
Region determination means for determining whether the required power generation amount is a low load region;
Control means for controlling the injector;
With
The fuel cell system, wherein when the region determination unit determines that the region is a low load region, the control unit stops the injector, and the small flow rate supply unit continuously supplies fuel gas at a low flow rate.
前記バイパス流路の上流側の接続点よりも上流の前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を要求発電量に対応した圧力に調整するレギュレータと、
前記燃料ガス循環流路に接続し、開くことで前記燃料ガス循環流路内のガスを外部に排出するパージ弁と、
前記レギュレータと前記パージ弁との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定手段と、
を備え、
前記領域判定手段が低負荷領域であると判定し、前記インジェクタが停止し、前記小流量供給手段が燃料ガスを小流量で連続供給している場合において、前記パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、
前記ガス漏れ判定手段は、ガスが漏れているか否か判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
A regulator that is provided in the fuel gas supply channel upstream of a connection point on the upstream side of the bypass channel, and that adjusts the pressure of the fuel gas to a pressure corresponding to the required power generation amount;
A purge valve connected to the fuel gas circulation passage and opened to discharge the gas in the fuel gas circulation passage to the outside;
Gas leakage determination means for determining whether or not gas is leaking based on the pressure of the gas between the regulator and the purge valve;
With
When the region determination unit determines that the region is a low load region, the injector is stopped, and the small flow rate supply unit continuously supplies fuel gas at a small flow rate, a valve closing command is input to the purge valve. When
The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas leak determination unit determines whether or not gas is leaking.
前記燃料電池内においてフラッディングが発生しているか否か判定するフラッディング判定手段を備え、
前記領域判定手段が低負荷領域であると判定し、前記インジェクタが停止し、前記小流量供給手段が燃料ガスを小流量で連続供給している場合において、前記フラッディング判定手段がフラッディングは発生していると判定したとき、
前記制御手段は、前記インジェクタを作動させる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
A flooding determining means for determining whether flooding has occurred in the fuel cell;
When the region determination unit determines that the region is a low load region, the injector is stopped, and the small flow rate supply unit continuously supplies fuel gas at a low flow rate, the flooding determination unit generates flooding. When it is determined that
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit operates the injector.
前記小流量供給手段は、燃料ガスを供給/遮断する燃料ガスバイパス弁と、前記燃料電池が発電可能であって要求発電量の下限値に対応した流量で燃料ガスが供給される流路断面積に設定されたオリフィスと、を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The small flow rate supply means includes a fuel gas bypass valve that supplies / shuts off fuel gas, and a flow path cross-sectional area in which the fuel cell can generate power and is supplied at a flow rate corresponding to a lower limit value of the required power generation amount. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising: an orifice set to the following.
燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路の出口と前記燃料ガス供給流路とを接続し、前記燃料ガス流路からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
前記燃料ガス循環流路の接続点よりも上流の前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスを噴射するインジェクタと、
前記インジェクタの上流の前記燃料ガス供給流路と、前記インジェクタの下流の前記燃料ガス供給流路とを接続し、燃料ガスが前記インジェクタをバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、燃料ガスを小流量で連続供給可能に構成された小流量供給手段と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
要求発電量が低負荷領域であるか否か判定する判定ステップと、
要求電力量が低負荷領域であると判定された場合、前記インジェクタを停止する停止ステップと、
前記小流量供給手段で燃料ガスを小流量で連続供給する小流量連続供給ステップと、
を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell having a fuel gas channel, and generating power by supplying fuel gas to the fuel gas channel;
A fuel gas supply channel connected to an inlet of the fuel gas channel and through which a fuel gas directed to the fuel gas channel flows;
A fuel gas circulation channel for connecting the outlet of the fuel gas channel and the fuel gas supply channel, returning the fuel off-gas from the fuel gas channel to the fuel gas supply channel, and circulating the fuel gas;
An injector for injecting fuel gas, provided in the fuel gas supply channel upstream of the connection point of the fuel gas circulation channel;
A bypass flow path connecting the fuel gas supply flow path upstream of the injector and the fuel gas supply flow path downstream of the injector, wherein the fuel gas bypasses the injector;
A small flow rate supply means provided in the bypass channel and configured to continuously supply fuel gas at a small flow rate;
A method for operating a fuel cell system comprising:
A determination step for determining whether the required power generation amount is in a low load region; and
When it is determined that the required power amount is in the low load region, a stop step of stopping the injector;
A small flow continuous supply step of continuously supplying fuel gas at a small flow rate by the small flow rate supply means;
A method for operating a fuel cell system, comprising:
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