JP2013239250A - Fuel battery system and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
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). ).
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≫
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
<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
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
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(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
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
<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
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
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
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
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 (
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
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
水素タンク21は、水素が高圧で貯蔵された容器である。
The
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
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
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
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
However, the specific configuration of the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
<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
The discharge port of the
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
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
The
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
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
<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
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
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
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
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
<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
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
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−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
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−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
<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−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
≪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
As an initial state, the
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
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
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
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
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
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
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
In the high load region, the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
その後、ECU70の処理は、ステップS101に進む。
Thereafter, the processing of the
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
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
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
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
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
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 (
その後、ECU70の処理は、ステップS101に進む。
Thereafter, the processing of the
≪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
Further, if the
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
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
In the second embodiment, the
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
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
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
≪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
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
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
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
26a, 26b Piping (bypass flow path)
26c Orifice (small flow rate supply means)
27
28
70 ECU (control means, area determination means, gas leak determination means, flooding determination means)
Claims (5)
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.
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.
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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- 2012-05-11 JP JP2012109557A patent/JP2013239250A/en active Pending
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