JP2019129089A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

To reduce a crosstalk occurring due to a difference in hydrogen gas pressure between an anode 12 and a cathode 13.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a circulation pump 82 for mixing an exhaust gas discharged from an anode 12 that contains a hydrogen gas with a hydrogen gas from an injection 80 and supplying the mixture to the anode 12 for circulation of the exhaust gas; and an air compressor 84 for supplying a compressed air to a cathode 13. When power generation by a fuel cell 10 is not requested, a control unit 90 generates power by the fuel cell 10 when it is determined in a step S120 that the hydrogen partial pressure in the anode 12 is greater than or equal to a threshold and controls a converter 40 so that a battery 50 is charged with the generated power. This way, it is possible to reduce the hydrogen partial pressure quickly by power generation.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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

従来、燃料電池システムにおいて、アノードとカソードとを備える単セルを含む燃料電池と、アノードに水素ガスを供給する水素供給装置と、燃料電池の発電に使用されずにアノードから排出される水素を含むアノード排ガスを再びアノードに供給してアノード排ガスを循環させる循環ポンプとを備える(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, in a fuel cell system, a fuel cell including a single cell having an anode and a cathode, a hydrogen supply device for supplying hydrogen gas to the anode, and hydrogen discharged from the anode without being used for power generation of the fuel cell are included. And a circulation pump for supplying the anode exhaust gas to the anode again to circulate the anode exhaust gas (see, for example, Patent Document 1).

制御部は、所定の電流値において、循環ポンプを駆動させるために必要な電力に相当する水素量と、燃料電池のアノード側からカソード側へ通過する水素量との合計である総合水素損失量が最小となる循環ポンプの最適回転数に回転数が近づくように循環ポンプを駆動させる。   The control unit has a total hydrogen loss amount that is a sum of a hydrogen amount corresponding to electric power necessary for driving the circulation pump and a hydrogen amount passing from the anode side to the cathode side of the fuel cell at a predetermined current value. The circulation pump is driven so that the rotation speed approaches the optimum rotation speed of the circulation pump that is minimized.

このことにより、燃費の悪化を避けるため、アノード内の水素分圧を上げる代わりに、循環ポンプを駆動してストイキ比を確保しつつ、アノードからカソードへ水素ガスが通過するクロスリークを抑制する。   Thus, in order to avoid deterioration in fuel consumption, instead of increasing the hydrogen partial pressure in the anode, the circulation pump is driven to ensure a stoichiometric ratio and suppress cross-leakage of hydrogen gas passing from the anode to the cathode.

特開2016−96085号公報JP, 2016-96085, A

しかし、上記燃料電池システムでは、燃料電池の発電による生成水や窒素を排気弁から排出する際、大気が排気弁を通してアノード側に逆流しないように水素供給装置からアノードに水素を供給することによりアノード内のガス圧力を大気圧以上にする必要がある。この結果、アノード内の水素濃度が上昇する。   However, in the fuel cell system, when water or nitrogen generated by power generation of the fuel cell is discharged from the exhaust valve, the anode is supplied by supplying hydrogen from the hydrogen supply device to the anode so that the air does not flow backward to the anode through the exhaust valve. The internal gas pressure needs to be higher than atmospheric pressure. As a result, the hydrogen concentration in the anode increases.

また、高い発電量が要求される高負荷時は、アノードへの水素供給量が増大してアノード内のガス圧力が上がるため、その後発電要求が無くなった後もアノード内の水素濃度が高い状態が続く場合がある。   Also, at high loads where high power generation is required, the amount of hydrogen supplied to the anode increases and the gas pressure in the anode increases, so that the hydrogen concentration in the anode remains high even after the power generation request is lost. May continue.

このように非発電状態で水素濃度が高くなると、アノード内の水素分圧も下げられず、水素ガスのクロスリークを抑制できない。   As described above, when the hydrogen concentration is high in the non-power generation state, the hydrogen partial pressure in the anode can not be reduced, and the cross leak of hydrogen gas can not be suppressed.

本発明は上記点に鑑みて、水素ガスのクロスリークを抑制するようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which cross leak of hydrogen gas is suppressed.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、燃料極(12)と酸素極(11)とを備える単セル(10a)を有する燃料電池(10)と、
燃料極に水素ガスを供給する水素供給部(80)と、
燃料電池の発電に使用されずに燃料極から排出される水素ガスを含む排ガスを水素供給部からの水素ガスに混合して燃料極に供給して排ガスを循環させる循環ポンプ(82)と、
酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部(84)と、
水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力を電気負荷(20)に出力する第1電力出力部(30)と、
水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力をバッテリ(50)に充電させる第2電力出力部(40)と、
燃料電池による発電が要求される場合には、燃料電池によって発電させ、この発電された電力を電気負荷に出力させるように第1電力出力部を制御する第1発電制御部(S140)と、
燃料極内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部(91)と、
水素分圧検出部の検出値が閾値(Pth)よりも高いか否かを判定する第1水素分圧判定部(S120)と、
燃料電池による発電が要求されない場合には、水素分圧検出部の検出値が閾値よりも高いと第1水素分圧判定部が判定したとき、燃料電池によって発電させ、この発電された電力をバッテリに充電させるように第2電力出力部を制御する第2発電制御部(S130)と、を備える。
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, a fuel cell (10) having a single cell (10a) comprising a fuel electrode (12) and an oxygen electrode (11),
A hydrogen supply unit (80) for supplying hydrogen gas to the fuel electrode;
A circulation pump (82) for mixing exhaust gas containing hydrogen gas exhausted from the fuel electrode without being used for fuel cell power generation with hydrogen gas from the hydrogen supply unit and supplying it to the fuel electrode to circulate the exhaust gas;
An oxidant supply unit (84) for supplying an oxidant to the oxygen electrode;
A first power output unit (30) for outputting electric power generated by the fuel cell using hydrogen gas and an oxidant to an electric load (20);
A second power output unit (40) for charging the battery (50) with electric power generated by the fuel cell using hydrogen gas and an oxidant;
A first power generation control unit (S140) for controlling the first power output unit to generate power by the fuel cell and output the generated power to the electric load when power generation by the fuel cell is required;
A hydrogen partial pressure detection unit (91) for detecting a hydrogen gas partial pressure in the fuel electrode;
A first hydrogen partial pressure determination unit (S120) for determining whether or not the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than a threshold value (Pth);
When the first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold when power generation by the fuel cell is not required, the fuel cell generates electricity, and the generated power is used as a battery A second power generation control unit (S130) that controls the second power output unit so as to be charged.

したがって、燃料電池の発電によって燃料極内の水素ガス濃度を下げることができるので、燃料極内の水素ガス分圧を下げることができる。よって、燃料極側から酸素極側へ水素ガスが通過するクロスリークを抑制するようにした燃料電池システムを提供することができる。   Therefore, since the hydrogen gas concentration in the fuel electrode can be lowered by the power generation of the fuel cell, the hydrogen gas partial pressure in the fuel electrode can be lowered. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system that suppresses cross leak in which hydrogen gas passes from the fuel electrode side to the oxygen electrode side.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the parenthesis of each means described by this column and the claim shows correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第1実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。1 is a diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 第1実施形態における燃料電池システムの課題を説明するためのもので、排気後の非発電時のアノード内のガス全圧、および水素ガス分圧のタイミングチャートである。It is for demonstrating the subject of the fuel cell system in 1st Embodiment, and is a timing chart of gas total pressure in the anode at the time of non-electric power generation after exhaust_gas | exhaustion, and hydrogen gas partial pressure. 第1実施形態における燃料電池システムの課題を説明するためのもので、高負荷後の非発電時のアノード内のガス全圧、および水素ガス分圧のタイミングチャートである。It is for demonstrating the subject of the fuel cell system in 1st Embodiment, and is a timing chart of gas total pressure in the anode at the time of non-electric power generation after high load, and hydrogen gas partial pressure. 図1の制御部における制御処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the control processing in the control part of FIG. 本発明の第2実施形態における燃料電池システムにおける制御処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the control processing in the fuel cell system in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the fuel cell system in 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the fuel cell system in 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the fuel cell system in 5th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts identical or equivalent to each other are denoted by the same reference numerals in the drawings in order to simplify the description.

(第1実施形態)
以下、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態について図に基づいて説明する。
First Embodiment
Hereinafter, a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described based on the drawings.

本実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用されて、車両に搭載された燃料電池10の発電状態を制御するものである。   The fuel cell system of the present embodiment is applied to a fuel cell vehicle which is a type of electric vehicle, and controls the power generation state of the fuel cell 10 mounted on the vehicle.

燃料電池10は、水素ガスを含む燃料ガスと酸素ガスを含む酸化剤ガス(本例では、空気)といった反応ガスの電気化学反応を利用して電気エネルギを出力するものである。本実施形態では、燃料電池10としては、固体高分子型燃料電池が採用されている。   The fuel cell 10 outputs electric energy using an electrochemical reaction of a reaction gas such as a fuel gas containing hydrogen gas and an oxidant gas (air in this example) containing oxygen gas. In the present embodiment, a solid polymer fuel cell is employed as the fuel cell 10.

燃料電池10は、発電により発生した直流電力をインバータ30を介して主に車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷20に供給する。   The fuel cell 10 mainly supplies DC power generated by power generation to an electric load 20 such as a vehicle travel electric motor or a secondary battery through an inverter 30.

本実施形態の燃料電池10は、最小単位となるセル10aが複数積層されたスタック構造になっており、複数のセル10aを電気的に直列接続した直列接続体として構成されている。   The fuel cell 10 of the present embodiment has a stack structure in which a plurality of cells 10a serving as a minimum unit are stacked, and is configured as a series connection body in which a plurality of cells 10a are electrically connected in series.

複数のセル10aは、図1に示すように、電解質膜11と、電解質膜11の一方の面に配置されているカソード(すなわち、酸素極)13と、電解質膜11の他方の面に配置されるアノード(すなわち、燃料極)12とを有する膜電極接合体を備えている。なお、図1では、燃料電池10として、一つの単セル10aが示されている。   As shown in FIG. 1, the plurality of cells 10 a are disposed on the electrolyte membrane 11, the cathode (that is, the oxygen electrode) 13 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11, and the other surface of the electrolyte membrane 11. A membrane electrode assembly having an anode (ie, fuel electrode) 12. In FIG. 1, one single cell 10 a is shown as the fuel cell 10.

電解質膜11は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜であり、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。カソード13およびアノード12は、ガス拡散性と導電性とを有する電極であり、それぞれ、触媒電極層と、この触媒電極層に面したガス流路とを含んで構成されている。   The electrolyte membrane 11 is a solid polymer electrolyte membrane that exhibits good proton conductivity in a wet state, and is made of, for example, a fluorine-based ion exchange resin. The cathode 13 and the anode 12 are electrodes having gas diffusibility and conductivity, and each include a catalyst electrode layer and a gas flow path facing the catalyst electrode layer.

触媒電極層は、電気化学反応を進行する触媒金属と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを含んでいる。触媒電極層は、例えば、白金担持カーボンと電解質膜11と同じ又は類似の高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクの乾燥塗膜として形成される。ガス流路は、例えば、図示しないセパレータの溝部やエキスパンドメタルによって形成される。ここでは、カソード13のガス流路をカソードガス流路13aとも呼び、アノード12のガス流路をアノードガス流路12aとも呼ぶ。   The catalyst electrode layer includes a catalyst metal that proceeds with an electrochemical reaction and a polymer electrolyte having proton conductivity. The catalyst electrode layer is formed, for example, as a dried coating film of a catalyst ink in which platinum supported carbon and a polymer electrolyte which is the same as or similar to the electrolyte membrane 11 are dispersed in a solvent. The gas flow path is formed by, for example, a not-shown separator groove or expanded metal. Here, the gas flow channel of the cathode 13 is also referred to as a cathode gas flow channel 13a, and the gas flow channel of the anode 12 is also referred to as an anode gas flow channel 12a.

複数のセル10aは、それぞれ、アノードガス流路12aに燃料ガスが供給され、かつカソードガス流路13aに酸化剤ガスとしての空気が供給されると、以下に示すように、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により、電気エネルギを出力する。   When the fuel gas is supplied to the anode gas flow path 12a and the air as the oxidant gas is supplied to the cathode gas flow path 13a, the plurality of cells 10a are each supplied with hydrogen gas and oxygen gas as shown below. Output electrical energy by the electrochemical reaction of

(アノード側)H→2H+2e
(カソード側)2H+1/2O+2e→H
このように構成される燃料電池10は、複数のセル10aのそれぞれの出力電圧を加算した電圧を出力電圧Vnとして出力する。燃料電池10には、インバータ30を介して電気負荷20が接続されている。本実施形態の複数のセル10aはそれぞれ冷却水によって冷却されるように構成されている。
(Anode side) H 2 → 2 H + + 2 e
(Cathode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O
The fuel cell 10 configured in this manner outputs a voltage obtained by adding the output voltages of the plurality of cells 10a as the output voltage Vn. An electric load 20 is connected to the fuel cell 10 via an inverter 30. Each of the plurality of cells 10a of the present embodiment is configured to be cooled by cooling water.

インバータ30は、制御部90によって制御されて、燃料電池10の出力電圧(或いは、コンバータ40の出力電圧)に基づいて電気負荷20に交流電流を流す第1電力出力部である。燃料電池10には、コンバータ40を介してバッテリ50が接続されている。   The inverter 30 is a first power output unit which is controlled by the control unit 90 and causes an alternating current to flow to the electric load 20 based on the output voltage of the fuel cell 10 (or the output voltage of the converter 40). A battery 50 is connected to the fuel cell 10 via a converter 40.

本実施形態のバッテリ50としては、リチウムイオン電池や鉛蓄電池などの二次電池やコンデンサが用いられる。   As the battery 50 of the present embodiment, a secondary battery such as a lithium ion battery or a lead storage battery or a capacitor is used.

燃料電池システムは、燃料供給配管60、アノード排出管61、排気排水管62、空気供給管63、およびカソード排気管64を備える。   The fuel cell system includes a fuel supply pipe 60, an anode discharge pipe 61, an exhaust drainage pipe 62, an air supply pipe 63, and a cathode exhaust pipe 64.

燃料供給配管60は、水素タンク70からの水素ガスを複数のセル10aのそれぞれアノードガス流路12aに供給する。水素タンク70の水素ガス出口と燃料電池10の水素ガス入口10bとの間には、水素供給部としてのインジェクション80が配置されている。   The fuel supply pipe 60 supplies the hydrogen gas from the hydrogen tank 70 to the anode gas flow paths 12a of the plurality of cells 10a. An injection 80 as a hydrogen supply unit is disposed between the hydrogen gas outlet of the hydrogen tank 70 and the hydrogen gas inlet 10 b of the fuel cell 10.

インジェクション80は、水素タンク70の水素ガス出口と燃料電池10の水素ガス入口10bとの間の水素ガス流路を流れる水素ガス流量を調整する。燃料電池10の水素ガス入口10bは、セル10a毎のアノードガス流路12aの水素ガス入口に連通されている。   The injection 80 adjusts the flow rate of hydrogen gas flowing in the hydrogen gas flow path between the hydrogen gas outlet of the hydrogen tank 70 and the hydrogen gas inlet 10 b of the fuel cell 10. The hydrogen gas inlet 10b of the fuel cell 10 is in communication with the hydrogen gas inlet of the anode gas flow passage 12a of each cell 10a.

具体的には、インジェクション80は、水素ガス流路を開閉する弁体と、弁体を駆動する電動アクチュエータとを備える。   Specifically, the injection 80 includes a valve body that opens and closes a hydrogen gas flow path, and an electric actuator that drives the valve body.

ここで、インジェクション80によって水素ガス流量を閉じる期間を閉期間Tcとし、インジェクション80によって水素ガス流量を開ける期間を開期間Toとし、閉期間Tcと開期間Toとを加算した期間Tk(=Tc+To)を一周期とする。開期間Toを開期間Toで除算した値をデユーティ比dy(=To/Tk)とする。   Here, a period in which the hydrogen gas flow rate is closed by the injection 80 is a closing period Tc, a period in which the hydrogen gas flow rate is opened by the injection 80 is an opening period To, and a period Tk (= Tc + To) obtained by adding the closing period Tc and the opening period To. Is one cycle. A value obtained by dividing the open period To by the open period To is defined as a duty ratio dy (= To / Tk).

インジェクション80のデユーティ比dyを大きくすることにより、水素ガス流路を流れる水素ガス流量が多くなる。一方、インジェクション80のデユーティ比dyを小さくすることにより、水素ガス流路を流れる水素ガス流量が少なくなる。   By increasing the duty ratio dy of the injection 80, the flow rate of hydrogen gas flowing through the hydrogen gas flow path increases. On the other hand, by reducing the duty ratio dy of the injection 80, the flow rate of hydrogen gas flowing through the hydrogen gas flow path is reduced.

アノード排出管61は、そのガス入口が燃料電池10のアノードガス出口10cに接続されている。アノード排出管61のガス出口が燃料供給配管60のうちインジェクション80の水素ガス出口と燃料電池10の水素ガス入口との間の部位60aに接続されている。   The gas inlet of the anode discharge pipe 61 is connected to the anode gas outlet 10 c of the fuel cell 10. The gas outlet of the anode discharge pipe 61 is connected to a portion 60 a of the fuel supply pipe 60 between the hydrogen gas outlet of the injection 80 and the hydrogen gas inlet of the fuel cell 10.

アノード排出管61には、気液分離器81および循環ポンプ82が配置されている。気液分離器81は、燃料電池10のアノードガス出口10cから排出されるアノード排ガスに含まれる窒素ガス、水と水素ガスとを分離し、この分離した水素ガスを燃料供給配管60に誘導し、水、窒素ガスを排気排水管62に誘導する。   A gas-liquid separator 81 and a circulation pump 82 are disposed in the anode discharge pipe 61. The gas-liquid separator 81 separates nitrogen gas, water and hydrogen gas contained in the anode exhaust gas discharged from the anode gas outlet 10c of the fuel cell 10, and guides the separated hydrogen gas to the fuel supply pipe 60. Water and nitrogen gas are guided to the exhaust drainage pipe 62.

ここで、気液分離器81によって分離された水素ガスは、燃料電池10の発電に使用されずにアノード排出管61から排出される水素ガス(以下、未使用水素ガスという)である。アノードガス出口10cは、セル10a毎のアノードガス流路12aの出口に連通されている。   Here, the hydrogen gas separated by the gas-liquid separator 81 is hydrogen gas discharged from the anode discharge pipe 61 without being used for power generation of the fuel cell 10 (hereinafter referred to as unused hydrogen gas). The anode gas outlet 10c communicates with the outlet of the anode gas flow path 12a for each cell 10a.

排気排水管62は、気液分離器81によって誘導される水分、窒素ガス等を大気に排出する。排気排水管62には、排気排水弁83が設けられている。排気排水弁83は、排気排水管62を開閉する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとを備える。   The exhaust drain pipe 62 discharges moisture, nitrogen gas, and the like induced by the gas-liquid separator 81 to the atmosphere. An exhaust / drain valve 83 is provided in the exhaust / drain pipe 62. The exhaust / drain valve 83 includes a valve body that opens and closes the exhaust / drain pipe 62 and an electric actuator that drives the valve body.

循環ポンプ82は、気液分離器81から誘導される水素ガスを水素タンク70からの水素ガスに混合してアノードガス流路12aに供給して水素ガスを循環させる電動ポンプである。   The circulation pump 82 is an electric pump that circulates the hydrogen gas by mixing the hydrogen gas derived from the gas-liquid separator 81 with the hydrogen gas from the hydrogen tank 70 and supplying it to the anode gas flow path 12a.

つまり、循環ポンプ82は、燃料電池10の発電に使用されずにアノード排出管61から流れる未使用水素ガスを含む排ガスを水素タンク70からの水素ガスに混合してアノードガス流路12aに供給して排気ガスを循環させることになる。本実施形態の循環ポンプ82は、気液分離器81およびアノードガス流路12aの間で循環するガス流量を調整する。   That is, the circulation pump 82 mixes the exhaust gas containing the unused hydrogen gas flowing from the anode discharge pipe 61 without being used for the power generation of the fuel cell 10 with the hydrogen gas from the hydrogen tank 70 and supplies it to the anode gas flow path 12a. Thus, the exhaust gas is circulated. The circulation pump 82 of the present embodiment adjusts the flow rate of gas circulated between the gas-liquid separator 81 and the anode gas flow passage 12 a.

空気供給管63は、エアコンプレッサ84によって圧送される空気流を燃料電池10の空気入口10dに空気流(すなわち、酸素ガス)を供給する。燃料電池10の空気入口10dは、セル10a毎のカソードガス流路の入口に連通されている。   The air supply pipe 63 supplies the air flow (i.e., oxygen gas) to the air inlet 10 d of the fuel cell 10 with the air flow pumped by the air compressor 84. The air inlet 10d of the fuel cell 10 communicates with the inlet of the cathode gas flow path for each cell 10a.

エアコンプレッサ84は、制御部90によって制御されて、空気供給管63を介して燃料電池10の空気入口10dに供給する空気量を調整する酸化剤供給部である。   The air compressor 84 is an oxidant supply unit which is controlled by the control unit 90 and adjusts the amount of air supplied to the air inlet 10 d of the fuel cell 10 via the air supply pipe 63.

カソード排気管64は、燃料電池10の空気出口10eから排出される空気流を大気に排出する。燃料電池10の空気出口は、燃料電池10の空気出口10eは、セル10a毎のカソードガス流路13aの空気出口に連通されている。   The cathode exhaust pipe 64 discharges the air flow discharged from the air outlet 10e of the fuel cell 10 to the atmosphere. The air outlet 10e of the fuel cell 10 is in communication with the air outlet of the cathode gas flow path 13a of each cell 10a.

次に、本実施形態の燃料電池システムの電気的構成について説明する。   Next, the electrical configuration of the fuel cell system of this embodiment will be described.

燃料電池システムは、制御部90を備える。制御部90は、マイクロコンピュータやメモリ等から構成されて、予めメモリに記憶されたコンピュータプログラムにしたがって、発電制御処理を実行する。   The fuel cell system includes a control unit 90. The control unit 90 includes a microcomputer, a memory, and the like, and executes power generation control processing according to a computer program stored in advance in the memory.

発電制御処理は、燃料電池10の発電量を制御したり、燃料電池10のセル10a毎のアノードガス流路12a内の水素ガス分圧を低減するための制御処理である。   The power generation control process is a control process for controlling the power generation amount of the fuel cell 10 or reducing the hydrogen gas partial pressure in the anode gas passage 12a for each cell 10a of the fuel cell 10.

制御部90は、発電制御処理の実行に伴って、温度センサ91b、11aの検出信号、水素分圧検出部91の検出信号、アクセルペダル位置センサ92の検出信号等に基づいて、インバータ30、コンバータ40、排気排水弁83、循環ポンプ82、インジェクション80、およびエアコンプレッサ84を制御する。   In accordance with the execution of the power generation control process, the control unit 90 generates the inverter 30 and the converter based on the detection signals of the temperature sensors 91b and 11a, the detection signal of the hydrogen partial pressure detection unit 91, the detection signal of the accelerator pedal position sensor 92, and the like. 40, the exhaust drain valve 83, the circulation pump 82, the injection 80, and the air compressor 84 are controlled.

水素分圧検出部91は、セル10a毎のアノードガス流路12a内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部である。本実施形態の水素分圧検出部91は、燃料電池10の排気ガス出口10c(すなわち、セル10a毎のアノードガス流路12a)から排出されるアノード排ガスのうち水素ガス分圧を検出する。   The hydrogen partial pressure detection unit 91 is a hydrogen partial pressure detection unit that detects the hydrogen gas partial pressure in the anode gas flow channel 12a of each cell 10a. The hydrogen partial pressure detector 91 of the present embodiment detects the hydrogen gas partial pressure in the anode exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 10c of the fuel cell 10 (that is, the anode gas flow path 12a for each cell 10a).

温度センサ91bは、燃料電池10の排気ガス出口10cから排出されるアノード排ガスの温度を検出する温度センサである。温度センサ11aは、燃料電池10の温度を検出する温度センサである。温度センサ11aとして、例えば、燃料電池10の冷却水の温度を検出する水温センサを用いてもよい。   The temperature sensor 91 b is a temperature sensor that detects the temperature of the anode exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 10 c of the fuel cell 10. The temperature sensor 11 a is a temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell 10. For example, a water temperature sensor that detects the temperature of the cooling water of the fuel cell 10 may be used as the temperature sensor 11a.

アクセルペダル位置センサ92は、運転者の足によって踏み込み操作されるアクセルペダルの位置(すなわち、アクセルペダルの踏み込み量)を検出する。   The accelerator pedal position sensor 92 detects the position of the accelerator pedal (that is, the depression amount of the accelerator pedal) which is depressed by the driver's foot.

コンバータ40は、制御部90によって制御されて、燃料電池10の出力電圧を昇圧してバッテリ50に出力したり、バッテリ50の出力電圧を降圧してインバータ30に出力する第2電力出力部である。   The converter 40 is a second power output unit that is controlled by the control unit 90 to boost the output voltage of the fuel cell 10 and output the boosted voltage to the battery 50, or to step down the output voltage of the battery 50 and output it to the inverter 30. .

次に、本実施形態の燃料電池システムについて図2、図3、図4を参照して説明する。   Next, the fuel cell system of this embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、制御部90は、アクセルペダル位置センサ92の検出信号に基づいて、循環ポンプ82、インジェクション80およびエアコンプレッサ84を制御して、水素ガスをアノードガス流路12aに供給して、かつカソードガス流路13aに空気を供給させる。   First, the control unit 90 controls the circulation pump 82, the injection 80, and the air compressor 84 based on the detection signal of the accelerator pedal position sensor 92, supplies hydrogen gas to the anode gas flow path 12a, and cathode gas. Air is supplied to the flow path 13a.

運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、インジェクション80のデユーティ比dyを大きくして水素タンク70から燃料電池10に流れる水素ガス流量を多くする。   As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver increases, the duty ratio dy of the injection 80 is increased to increase the flow rate of hydrogen gas flowing from the hydrogen tank 70 to the fuel cell 10.

運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、循環ポンプ82の回転数を大きくして、セル10a毎のアノードガス流路12aと気液分離器81との間において水素ガスの循環量を増大させる。   As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver increases, the number of revolutions of the circulation pump 82 is increased to increase the circulation amount of hydrogen gas between the anode gas flow path 12a and the gas-liquid separator 81 for each cell 10a. .

一方、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、インジェクション80のデユーティ比dyを小さくして水素タンク70から燃料電池10に流れる水素ガス流量を少なくする。   On the other hand, the smaller the depression amount of the accelerator pedal by the driver, the smaller the duty ratio dy of the injection 80 and the lower the flow rate of hydrogen gas flowing from the hydrogen tank 70 to the fuel cell 10.

運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、循環ポンプ82の回転数を小さくして、セル10a毎のアノードガス流路12aと気液分離器81との間において水素ガスの循環量を減少させる。   As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver is reduced, the number of revolutions of the circulation pump 82 is reduced to reduce the amount of hydrogen gas circulated between the anode gas passage 12a and the gas-liquid separator 81 for each cell 10a. .

このため、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、セル10a毎のアノードガス流路12aに供給される水素ガス量が増大する。アクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、セル10a毎のアノードガス流路12aに供給される水素ガス量が減少させる。   Therefore, as the depression amount of the accelerator pedal increases, the amount of hydrogen gas supplied to the anode gas flow path 12a for each cell 10a increases. As the depression amount of the accelerator pedal decreases, the amount of hydrogen gas supplied to the anode gas flow path 12a for each cell 10a decreases.

運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、エアコンプレッサ84の回転数を大きくして、空気供給管63に供給する空気量を増大させる。一方、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、エアコンプレッサ84の回転数を大きくして、空気供給管63に供給する空気量を減少させる。   As the driver's depression amount of the accelerator pedal increases, the rotational speed of the air compressor 84 is increased, and the amount of air supplied to the air supply pipe 63 is increased. On the other hand, as the depression amount of the accelerator pedal by the driver decreases, the rotational speed of the air compressor 84 is increased, and the amount of air supplied to the air supply pipe 63 is decreased.

インバータ30は、制御部90によって、燃料電池10の出力電圧Vaに基づいて交流電流を電気負荷20に流す。   The inverter 30 causes the control unit 90 to flow an alternating current to the electric load 20 based on the output voltage Va of the fuel cell 10.

ここで、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、上述した水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応が促進されて燃料電池10から大きな電気エネルギを出力される。   Here, as the amount of depression of the accelerator pedal by the driver increases, the above-described electrochemical reaction of hydrogen gas and oxygen gas is promoted, and large electric energy is output from the fuel cell 10.

これに伴い、燃料電池10からインバータ30を通して電気負荷20に供給される交流電力が増大される。   Accordingly, the AC power supplied from the fuel cell 10 to the electric load 20 through the inverter 30 is increased.

運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、上述した水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応が抑制されて燃料電池10から出力される電気エネルギが小さくなる。これに伴い、燃料電池10からインバータ30を通して電気負荷20に供給される交流電力が減少される。   As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver decreases, the above-described electrochemical reaction of hydrogen gas and oxygen gas is suppressed, and the electrical energy output from the fuel cell 10 decreases. Accordingly, the AC power supplied from the fuel cell 10 to the electric load 20 through the inverter 30 is reduced.

ここで、燃料電池10の発電が継続されると、カソードガス流路13a内の空気中の窒素ガスがアノードガス流路12aに移動するクロスリークが原因で、アノードガス流路12a内の窒素ガスの濃度が増える。   Here, if the power generation of the fuel cell 10 is continued, the nitrogen gas in the anode gas passage 12a is caused by the cross leak in which the nitrogen gas in the air in the cathode gas passage 13a moves to the anode gas passage 12a. The concentration of increases.

これに対して、本実施形態では、一定期間毎に、制御部90は、排気排水弁83を開弁させる。このため、アノード排出管61を流れる窒素ガス、水等が気液分離器81から排気排水管62、および排気排水弁83を通して大気に排出される。   On the other hand, in the present embodiment, the control unit 90 opens the exhaust / drain valve 83 at regular intervals. Therefore, nitrogen gas, water and the like flowing through the anode discharge pipe 61 are discharged from the gas-liquid separator 81 to the atmosphere through the exhaust / drain pipe 62 and the exhaust / drain valve 83.

この際、大気から空気が排気排水弁83を通して排気排水管62に逆流することを未然に防ぐために、インジェクション80のデユーティ比dyを大きくし、かつ循環ポンプ82の回転数を大きくする。このため、セル10a毎のアノードガス流路12aに供給される水素ガス量が増える。これにより、セル10a毎のアノードガス流路12a内の水素ガス濃度が高くなる(図2参照)。   At this time, in order to prevent air from flowing back from the atmosphere to the exhaust / drain pipe 62 through the exhaust / drain valve 83, the duty ratio dy of the injection 80 is increased and the rotational speed of the circulation pump 82 is increased. For this reason, the amount of hydrogen gas supplied to the anode gas flow path 12a for each cell 10a increases. Thereby, the hydrogen gas concentration in the anode gas flow path 12a for every cell 10a becomes high (refer FIG. 2).

また、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなる高負荷運転が実施されると、セル10a毎のアノードガス流路12a内の水素濃度が過度的に高くなる(図3参照)。   Further, when a high load operation is performed in which the amount of depression of the accelerator pedal by the driver is increased, the hydrogen concentration in the anode gas flow path 12a of each cell 10a becomes excessively high (see FIG. 3).

このように高負荷運転や窒素ガスの排出に伴ってセル10a毎のアノードガス流路12a内の水素ガス濃度が過度的に高くなると、アノードガス流路12a内の水素ガス分圧が過度的に上昇する。これにより、アノードガス流路12aから水素ガスがカソードガス流路13aに移動するクロスリークが生じる恐れがある。   As described above, when the hydrogen gas concentration in the anode gas flow path 12a of each cell 10a becomes excessively high due to high load operation or nitrogen gas discharge, the hydrogen gas partial pressure in the anode gas flow path 12a becomes excessively high. To rise. As a result, there is a possibility that a cross leak may occur in which the hydrogen gas moves from the anode gas flow passage 12a to the cathode gas flow passage 13a.

これに対して、本実施形態では、制御部90は、発電制御処理を実行してセル10a毎のアノードガス流路12a内の水素ガス濃度を低下させる。以下、制御部90による発電制御処理の詳細について説明する。制御部90は、図4のフローチャートにしたがって、発電制御処理を実行する。   On the other hand, in the present embodiment, the control unit 90 executes the power generation control process to reduce the hydrogen gas concentration in the anode gas flow passage 12a for each cell 10a. Hereinafter, the details of the power generation control process by the control unit 90 will be described. The controller 90 executes power generation control processing according to the flowchart of FIG.

まず、制御部90は、ステップS100において、水素タンク70から燃料電池10へ供給される水素ガス量が所定量となるようにインジェクション80のデユーティ比dyを制御する。   First, in step S100, the controller 90 controls the duty ratio dy of the injection 80 such that the amount of hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 70 to the fuel cell 10 becomes a predetermined amount.

これに加えて、ステップS100では、制御部90は、セル10a毎のアノードガス流路12aと気液分離器81との間に循環されるガス循環量が所定量になるように、循環ポンプ82の回転数を制御する。   In addition, in step S100, the control unit 90 causes the circulation pump 82 so that the gas circulation amount circulated between the anode gas flow path 12a and the gas-liquid separator 81 for each cell 10a becomes a predetermined amount. Control the number of revolutions.

さらに、ステップS100では、制御部90は、セル10a毎のカソードガス流路13aに供給される空気量が所定量になるようにエアコンプレッサ84を制御する。   Furthermore, in step S100, the control unit 90 controls the air compressor 84 such that the amount of air supplied to the cathode gas flow path 13a for each cell 10a becomes a predetermined amount.

次に、制御部90は、ステップS110において、運転者から燃料電池10への発電要求が有るか否かについて判定する。   Next, the control unit 90 determines whether or not there is a power generation request from the driver to the fuel cell 10 in step S110.

例えば、アクセルペダルが運転者によって踏み込まれなく、アクセルペダルの踏み込み量Faが零であるときには(踏み込み量Fa=零)、運転者から燃料電池10への発電要求が無いとして、ステップS100においてNOと判定する。   For example, if the accelerator pedal is not depressed by the driver and the accelerator pedal depression amount Fa is zero (depression amount Fa = zero), NO is determined in step S100 that there is no power generation request from the driver to the fuel cell 10. judge.

次に、ステップS120において、第1水素分圧判定部として、水素分圧検出部91により検出される水素ガス分圧PHが閾値Pthよりも大きいか否かを判定する。 Next, in step S120, it determines a first hydrogen partial pressure determining unit, whether or not the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial pressure detector 91 is greater than the threshold value Pth.

このとき、水素分圧検出部91により検出される水素ガス分圧PHが閾値Pthよりも大きいときには、制御部90は、ステップS120でYESと判定する。 At this time, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial pressure detector 91 is greater than the threshold value Pth, the control unit 90 determines YES in step S120.

これに伴い、制御部90は、ステップS130において、第2発電制御部として、燃料電池10により発電させて、この発電される電力をバッテリ50に充電させる。   Along with this, in step S130, the control unit 90 causes the fuel cell 10 to generate power as the second power generation control unit and causes the battery 50 to charge the generated power.

具体的には、インジェクション80を制御して水素タンク70の水素出口および燃料電池10の水素入口の間の水素流路を閉じる。   Specifically, the injection 80 is controlled to close the hydrogen flow path between the hydrogen outlet of the hydrogen tank 70 and the hydrogen inlet of the fuel cell 10.

この際に、循環ポンプ82の作動によって、気液分離器81およびアノードガス流路12aの間で水素ガスが循環され、かつエアコンプレッサ84の作動によって空気流が燃料電池10の空気入口に供給される。   At this time, the operation of the circulation pump 82 circulates hydrogen gas between the gas-liquid separator 81 and the anode gas flow path 12a, and the operation of the air compressor 84 supplies an air flow to the air inlet of the fuel cell 10. The

このため、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応が促進されて燃料電池10から電気エネルギが出力される。   For this reason, the electrochemical reaction of hydrogen gas and oxygen gas is promoted, and electric energy is output from the fuel cell 10.

この際に、コンバータ40は、制御部90によって制御されて、燃料電池10の出力電圧を昇圧してバッテリ50に出力する。すなわち、コンバータ40が燃料電池10により発電された電気エネルギを吸い取ってバッテリ50に出力する。このことにより、燃料電池10による発電が促進されて、この発電された電力がバッテリ50に充電されることになる。   At this time, the converter 40 is controlled by the control unit 90 to boost the output voltage of the fuel cell 10 and output it to the battery 50. That is, converter 40 absorbs the electric energy generated by fuel cell 10 and outputs it to battery 50. As a result, power generation by the fuel cell 10 is promoted, and the generated power is charged in the battery 50.

その後、ステップS110に戻る。このため、制御部90は、運転者から燃料電池10への発電要求が有るか否かについて判定する。   Then, it returns to step S110. Therefore, the control unit 90 determines whether or not there is a power generation request from the driver to the fuel cell 10.

このため、運転者から燃料電池10への発電要求が無く、かつ水素分圧検出部91により検出される水素ガス分圧PHが閾値Pthよりも大きい状態が継続されると、制御部90は、ステップS110のNO判定、ステップS120のYES判定、およびステップS130(FC発電・バッテリ充電)を繰り返す。 Therefore, there is no power demand for the fuel cell 10 from the driver, and the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial pressure detector 91 state continues greater than the threshold value Pth, control unit 90 , NO determination in step S110, YES determination in step S120, and step S130 (FC power generation / battery charging) are repeated.

このことにより、セル10a毎のアノードガス流路12a内の水素ガス濃度を低下させることができる。   As a result, the hydrogen gas concentration in the anode gas flow path 12a of each cell 10a can be reduced.

その後、水素分圧検出部91により検出される水素ガス分圧PHが閾値Pthよりも小さくなる。すなわち、非発電時において水素ガス分圧PHが過度的に高い状態から定常時と同等になるまで燃料電池10の発電が継続されてバッテリ50に充電されることになる。これに伴い、制御部90は、ステップS120でNOと判定する。 Thereafter, the hydrogen gas partial pressure PH 2 to be detected is smaller than the threshold value Pth by the hydrogen partial pressure detector 91. In other words, the power generation of the fuel cell 10 is continued and the battery 50 is charged until the hydrogen gas partial pressure PH < b > 2 is excessively high at the time of non-power generation until it becomes equal to that at the steady state. Along with this, the control unit 90 determines NO in step S120.

ここで、水素ガス流路の容積をV[L]とし、温度をT[K]とし、気体定数をRとし、定常時の水素ガス分圧PHを水素ガス分圧PHnorm[kPa]とし、過渡的に上昇した水素ガス分圧PHを水素分圧PHtrans[kPa]とする。 Here, the volume of the hydrogen gas flow path is V [L], the temperature is T [K], the gas constant is R, and the hydrogen gas partial pressure PH 2 at the steady state is the hydrogen gas partial pressure PH 2 norm [kPa]. And the hydrogen gas partial pressure PH 2 that has risen transiently is defined as the hydrogen partial pressure PH 2 trans [kPa].

ステップS130において、V×(PHtrans−PHnorm)/(R×T)×241.83kJのエネルギが発電に使用されることになる。本実施形態の水素ガス流路は、セル10a毎のアノードガス流路12aである。なお、「241.83kJ」は、水素低位発熱量「kJ/mol」である。その後、ステップS110に戻る。 In step S130, energy of V × (PH 2 trans−PH 2 norm) / (R × T) × 241.83 kJ will be used for power generation. The hydrogen gas flow path of this embodiment is the anode gas flow path 12a for each cell 10a. “241.83 kJ” is the lower hydrogen heating value “kJ / mol”. Thereafter, the process returns to step S110.

このとき、アクセルペダルが運転者の足によって踏み込まれてアクセルペダルの踏み込み量Faが零以上であるときには(踏み込み量Fa>零)、運転者から燃料電池10への発電要求が有るとして、ステップS100においてYESと判定する。   At this time, if the accelerator pedal is depressed by the driver's foot and the accelerator pedal depression amount Fa is greater than or equal to zero (depression amount Fa> zero), it is assumed that there is a power generation request from the driver to the fuel cell 10 in step S100. Is determined as YES.

これに伴い、ステップS140において、第1発電制御部として、バッテリ50の出力を燃料電池10の出力よりも優先して電気負荷20に与えるようにインバータ30およびコンバータ40を制御する。   Along with this, in step S140, as a first power generation control unit, the inverter 30 and the converter 40 are controlled so that the output of the battery 50 is given priority to the electric load 20 over the output of the fuel cell 10.

具体的には、コンバータ40は、制御部90によって制御されて、バッテリ50の出力電圧を所定出圧に降圧してインバータ30に出力する。所定電圧は、予め決められた値であって、燃料電池10の出力電圧よりも大きい電圧に設定される値である。   Specifically, converter 40 is controlled by control unit 90 to step down the output voltage of battery 50 to a predetermined output pressure and output it to inverter 30. The predetermined voltage is a value determined in advance and set to a voltage higher than the output voltage of the fuel cell 10.

これに加えて、インバータ30は、制御部90によって制御されて、コンバータ40の出力電圧に基づいて交流電流を電気負荷20に流す。このことにより、燃料電池10の発電が抑制された状態で、バッテリ50に充電された直流電力が交流電力に変換されて電気負荷20に与えられることになる。   In addition to this, the inverter 30 is controlled by the control unit 90 to flow an alternating current to the electric load 20 based on the output voltage of the converter 40. As a result, in a state where the power generation of the fuel cell 10 is suppressed, the direct current power charged in the battery 50 is converted into alternating current power and is given to the electric load 20.

その後、コンバータ40は、制御部90によって制御されて、降圧作動を停止する。これに伴い、インバータ30は、制御部90によって制御されて、燃料電池10の出力電圧に基づいて交流電流を電気負荷20に流す。   Thereafter, converter 40 is controlled by control unit 90 to stop the step-down operation. Along with this, the inverter 30 is controlled by the control unit 90 to cause an alternating current to flow to the electric load 20 based on the output voltage of the fuel cell 10.

すなわち、インバータ30が燃料電池10により発電された電気エネルギを吸い取って電気負荷20に出力する。このことにより、燃料電池10による発電が促進されて、この発電された直流電力が交流電力に変換されて電気負荷20に与えられることになる。このことにより、バッテリ50の出力が燃料電池10の出力よりも優先して電気負荷20に出力される。   That is, the inverter 30 absorbs the electric energy generated by the fuel cell 10 and outputs it to the electric load 20. As a result, power generation by the fuel cell 10 is promoted, and the generated DC power is converted into AC power and is given to the electrical load 20. As a result, the output of the battery 50 is output to the electric load 20 with priority over the output of the fuel cell 10.

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システムは、アノード12とカソード13とを備える複数の単セル10aを含む燃料電池10と、水素タンク70からのアノード12に水素ガスを供給するインジェクション80とを備える。   According to the present embodiment described above, the fuel cell system includes a fuel cell 10 including a plurality of single cells 10 a including the anode 12 and the cathode 13, and an injection 80 for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank 70 to the anode 12. With.

燃料電池システムは、燃料電池10の発電に使用されずにアノード12から排出される水素ガスを含む排ガスをインジェクション80からの水素ガスに混合してアノード12に供給して排ガスを循環させる循環ポンプ82と、カソード13に酸化剤としての空気流を供給するエアコンプレッサ84とを備える。   The fuel cell system is a circulation pump 82 that circulates exhaust gas by mixing exhaust gas containing hydrogen gas discharged from the anode 12 without being used for power generation of the fuel cell 10 with hydrogen gas from the injection 80 and supplying the mixed gas to the anode 12. And an air compressor 84 for supplying an air flow as an oxidant to the cathode 13.

燃料電池システムは、燃料電池10で水素ガスと空気とによって発電された電力を交流電力に変換して電気負荷20に出力するインバータ30と、燃料電池10で水素ガスと空気とによって発電された電力をバッテリ50に充電させるコンバータ40とを備える。   The fuel cell system includes an inverter 30 that converts electric power generated by hydrogen gas and air in the fuel cell 10 into AC power and outputs the alternating current power, and electric power generated by hydrogen gas and air in the fuel cell 10. And a converter 40 for charging the battery 50.

燃料電池システムは、燃料電池10による発電が要求される場合には、燃料電池10で発電させてこの発電された電力を電気負荷20に出力させるようにインバータ30を制御するステップS140を備える。   When power generation by the fuel cell 10 is required, the fuel cell system includes a step S140 for controlling the inverter 30 so that the fuel cell 10 generates power and outputs the generated power to the electric load 20.

燃料電池システムは、燃料電池10による発電が要求されない場合には、制御部90は、アノード12内の水素分圧が閾値Pth以上であるとステップS120で判定したとき、燃料電池10で発電させてこの発電された電力をバッテリ50に充電させるようにコンバータ40を制御するステップS130を備える。   In the fuel cell system, when power generation by the fuel cell 10 is not required, the control unit 90 causes the fuel cell 10 to generate power when it is determined in step S120 that the hydrogen partial pressure in the anode 12 is equal to or higher than the threshold value Pth. Step S130 for controlling the converter 40 so as to charge the battery 50 with the generated electric power is provided.

これにより、発電により速やかに水素ガス分圧を減らすことができる。このため、アノード12側からカソード13側へ水素ガスが移動するクロスリークを抑制することができる。   Thereby, the hydrogen gas partial pressure can be quickly reduced by power generation. For this reason, the cross leak from which hydrogen gas moves from the anode 12 side to the cathode 13 side can be suppressed.

本実施形態では、燃料電池10による発電が要求される場合には、燃料電池10からの電力よりもバッテリ50からの電力を優先して電気負荷20に出力させるようにインバータ30およびコンバータ40を制御する。   In the present embodiment, when power generation by the fuel cell 10 is required, the inverter 30 and the converter 40 are controlled so that the power from the battery 50 is output to the electric load 20 with priority over the power from the fuel cell 10. To do.

これにより、燃料電池10による大電力の発電が要求される場合でも、燃料電池10からの電力よりもバッテリ50からの電力を優先して電気負荷20に出力させるため、短期間に大量の水素ガスが消費されて水素ガスの欠乏が生じることを未然に抑えるとともに、本燃料電池システムの制御が成立するようにバッテリ50の充放電の収支をあわせることができる。   As a result, even when a large amount of power is required to be generated by the fuel cell 10, the power from the battery 50 is given priority over the power from the fuel cell 10 and is output to the electric load 20. As a result, it is possible to suppress the occurrence of hydrogen gas deficiency and to balance the charging / discharging of the battery 50 so that the control of the fuel cell system is established.

(第2実施形態)
本第2実施形態では、上記第1実施形態において、水素ガス分圧PHが閾値Pthよりも低いときには、必要に応じて、水素タンク70からの水素ガスをアノード12に供給する例について図5を参照して説明する。
Second Embodiment
In the second embodiment, in the first embodiment, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 is less than the threshold value Pth is optionally 5 for example of supplying hydrogen gas from the hydrogen tank 70 to the anode 12 Explain with reference to.

本実施形態と上記第1実施形態とは制御部90による発電制御処理の一部が相違する。そこで、以下、本実施形態と上記第1実施形態とで発電制御処理の相違点について主に説明する。   This embodiment is different from the first embodiment in part of the power generation control processing by the control unit 90. Thus, hereinafter, differences in power generation control processing between the present embodiment and the first embodiment will be mainly described.

本実施形態の制御部90による発電制御処理には、図4に代わる図5のフローチャートが用いられる。図5のフローチャートは、図4のフローチャートにおいて、ステップS150、ステップS160、ステップS170、ステップS180が追加されたものである。図5のフローチャートにおいて、図4のフローチャートと同一符号は、同一ステップを示しているため、その説明を簡素化する。   The power generation control process performed by the control unit 90 of the present embodiment uses the flowchart of FIG. 5 instead of FIG. The flowchart of FIG. 5 is obtained by adding steps S150, S160, S170, and S180 to the flowchart of FIG. In the flowchart of FIG. 5, the same reference numerals as those in the flowchart of FIG. 4 indicate the same steps, and thus the description thereof is simplified.

以下、本実施形態の制御部90による発電制御処理の詳細について説明する。   Hereinafter, the details of the power generation control process by the control unit 90 of the present embodiment will be described.

制御部90は、図5のフローチャートに従って、発電制御処理を実行する。   The controller 90 executes power generation control processing according to the flowchart of FIG.

まず、制御部90は、ステップS100において、インジェクション80、循環ポンプ82、およびエアコンプレッサ84を制御する。   First, the control unit 90 controls the injection 80, the circulation pump 82, and the air compressor 84 in step S100.

次に、ステップS100において、アクセルペダルが運転者によって踏み込まれなく、アクセルペダルの踏み込み量Faが零であるときには、運転者から燃料電池10への発電要求が無いとして、NOと判定する。   Next, in step S100, when the accelerator pedal is not depressed by the driver and the accelerator pedal depression amount Fa is zero, it is determined that the driver does not have a power generation request to the fuel cell 10 and NO is determined.

次に、ステップS120において、水素分圧検出部91により検出される水素ガス分圧PHが閾値Pthよりも大きいときには、制御部90は、ステップS120でYESと判定する。 Next, in step S120, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial pressure detector 91 is greater than the threshold value Pth, the control unit 90 determines YES in step S120.

これに伴い、制御部90は、ステップS130において、燃料電池10により発電させてバッテリ50に充電させる。   Accordingly, the control unit 90 causes the fuel cell 10 to generate power and charge the battery 50 in step S130.

次に、ステップS110に戻り、運転者から燃料電池10への発電要求が無く、かつ水素ガス分圧PHが閾値Pthよりも大きい状態が継続されると、制御部90は、ステップS110のNO判定、ステップS120のYES判定、およびステップS130(FC発電・バッテリ充電)を繰り返す。 Then, the process returns to step S110, there is no power demand for the fuel cell 10 from the driver, and the partial pressure of hydrogen gas PH 2 status is continued greater than the threshold value Pth, control unit 90, NO in step S110 The determination, YES determination in step S120, and step S130 (FC power generation / battery charging) are repeated.

その後、水素ガス分圧PHが閾値Pth以下になると、制御部90は、ステップS120でNOと判定する。 Thereafter, the hydrogen gas partial pressure PH 2 is less than the threshold value Pth, control unit 90 determines NO in step S120.

次に、制御部90は、ステップS150において、水素ガス分圧PHが下限目標値PLよりも大きいか否かを判定する。ここで、下限目標値PLは、水素ガスの欠乏によりアノード12の劣化を防ぐための水素ガス分圧の下限値である。下限目標値PLは、閾値Pth(>PL)よりも小さい値に設定されている。 Next, the control unit 90, at step S150, the determining whether the hydrogen gas partial pressure PH 2 is greater than the lower limit target value PL. Here, the lower limit target value PL is a lower limit value of the hydrogen gas partial pressure for preventing deterioration of the anode 12 due to lack of hydrogen gas. The lower limit target value PL is set to a value smaller than the threshold value Pth (> PL).

このとき、水素ガス分圧PHが下限目標値PLよりも大きいときには、制御部90は、ステップS150においてYESと判定する。 At this time, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 is greater than the lower limit target value PL, the control unit 90 determines that YES in step S150.

このことにより、ステップS130では、水素ガス分圧PHと下限目標値PLとの差分ΔP(=PH-PL)に相当する水素ガス量以下の水素ガス量を用いて発電されることになる。 As a result, in step S130, power generation is performed using a hydrogen gas amount equal to or less than the hydrogen gas amount corresponding to the difference ΔP (= PH 2 −PL) between the hydrogen gas partial pressure PH 2 and the lower limit target value PL. .

次に、ステップS160において、制御部90は、水素ガス分圧PHに基づいてアノード12からカソード13に移動する水素ガス量(以下、クロスリーク量Qcという)を求める。 Next, in step S160, the control unit 90, the amount of hydrogen gas to migrate from the anode 12 to the cathode 13 based on the hydrogen gas partial pressure PH 2 (hereinafter, referred to as cross leakage amount Qc) Request.

具体的には、制御部90は、水素ガス分圧PHを所定期間に亘って測定して水素ガス分圧PHの変化量dPHを求め、変化量dPHからクロスリーク量Qc(=dPH×V/101.3×273.15/(273.15+Tfc))を求める。 Specifically, the control unit 90 obtains a change amount dPH of the hydrogen gas partial pressure PH 2 were measured over a hydrogen gas partial pressure PH 2 in a predetermined time period, the cross leakage amount Qc from variation dPH (= dPH × Calculate V / 101.3 × 273.15 / (273.15 + Tfc)).

ここで、Vは、アノードガス流路12aと循環ポンプ82との間で水素ガスを循環させる閉回路の全容積であり、Tfcは、燃料電池10の排気ガス出口10cから排出されるアノード排ガスの温度である。Tfcは、温度センサ91bによって検出される温度、または温度センサ11aによって検出される冷却水温度である。   Here, V is the total volume of a closed circuit for circulating hydrogen gas between the anode gas flow passage 12a and the circulation pump 82, and Tfc is the anode exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 10c of the fuel cell 10. Temperature. Tfc is the temperature detected by the temperature sensor 91 b or the coolant temperature detected by the temperature sensor 11 a.

次に、ステップS170において、制御部90は、インジェクション80を制御して水素タンク70の水素出口および燃料電池10の水素入口の間の水素流路を所定期間Taに亘って開ける。   Next, in step S170, the control unit 90 controls the injection 80 to open the hydrogen flow path between the hydrogen outlet of the hydrogen tank 70 and the hydrogen inlet of the fuel cell 10 over a predetermined period Ta.

ここで、所定期間Taは、クロスリーク量Qcの水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給するのに必要な時間である。このため、クロスリーク量Qcの水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給することができる。その後、ステップS110に戻る。   Here, the predetermined period Ta is the time required to supply the hydrogen gas of the cross leak amount Qc to the anode gas flow passage 12a of each cell 10a. For this reason, the hydrogen gas of the cross leak amount Qc can be supplied to the anode gas flow path 12a of each cell 10a. Then, it returns to step S110.

また、制御部90は、ステップS150において、水素ガス分圧PHが下限目標値PL以下であるときには、NOと判定する。 The control unit 90 determines at step S150, the when hydrogen gas partial pressure PH 2 is less than the lower limit target value PL is the NO.

この場合、ステップS180において、制御部90は、インジェクション80を制御して水素タンク70の水素出口および燃料電池10の水素入口の間の水素流路を所定期間Tbに亘って開ける。   In this case, in step S180, the control unit 90 controls the injection 80 to open a hydrogen flow path between the hydrogen outlet of the hydrogen tank 70 and the hydrogen inlet of the fuel cell 10 over a predetermined period Tb.

ここで、所定期間Tbは、所定量Q2の水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給するのに必要な時間である。このため、所定量Q2の水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給することができる。所定量Q2とは、所定量Q2の水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給した際に、水素ガス分圧PHが閾値Pth以下になる水素ガス量である。その後、ステップS110に戻る。 Here, the predetermined period Tb is a time required to supply a predetermined amount Q2 of hydrogen gas to the anode gas flow passage 12a of each cell 10a. Therefore, a predetermined amount Q2 of hydrogen gas can be supplied to the anode gas channel 12a for each cell 10a. The predetermined amount Q2, an anode when supplied to the gas passage 12a, the amount of hydrogen gas partial pressure of hydrogen gas PH 2 is less than the threshold value Pth for each cell 10a of hydrogen gas at a predetermined amount Q2. Thereafter, the process returns to step S110.

なお、ステップS170、ステップS180は、第1水素流量制御部を構成する。   Steps S170 and S180 constitute a first hydrogen flow rate control unit.

以上説明した本実施形態によれば、制御部90は、上記第1実施形態と同様に、燃料電池10による発電が要求されない場合には、水素ガス分圧PHが閾値Pth以上であると判定したとき、余剰の水素ガスを燃料電池10で発電させてバッテリ50に充電させるようにコンバータ40を制御する。 According to the embodiment described above, the control unit 90, as in the first embodiment, when the power generation by the fuel cell 10 is not required, it determines that a hydrogen gas partial pressure PH 2 is the threshold value Pth or more Then, the converter 40 is controlled so that surplus hydrogen gas is generated by the fuel cell 10 and the battery 50 is charged.

これにより、発電により速やかに水素ガス分圧を減らすことができるので、アノード12とカソード13との間の水素ガス圧力差により生じるクロスリークを低減することができる。   Thereby, since the hydrogen gas partial pressure can be quickly reduced by power generation, it is possible to reduce the cross leak caused by the hydrogen gas pressure difference between the anode 12 and the cathode 13.

本実施形態では、制御部90は、水素ガス分圧PHが下限目標値PL以下であるときには、インジェクション80を制御して所定量Q2の水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給する。このため、水素ガスの欠乏による燃料電池10(具体的には、アノード12)の劣化を抑えつつ、アノード12とカソード13との間の水素ガス圧力差により生じるクロスリークを低減することができる。 In the present embodiment, the control unit 90, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 is less than the lower limit target value PL controls the injection 80 supplies hydrogen gas at a predetermined amount Q2 to the anode gas passage 12a of each cell 10a To do. For this reason, it is possible to reduce the cross leak caused by the hydrogen gas pressure difference between the anode 12 and the cathode 13 while suppressing the deterioration of the fuel cell 10 (specifically, the anode 12) due to the lack of hydrogen gas.

ここで、所定量Q2とは、上述の如く、所定量Q2の水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給した際に、水素ガス分圧PHが閾値Pth以下になる水素ガス量である。このため、所定量Q2の水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給しても、水素ガス分圧PHが閾値Pth以下になるため、ステップ180の処理後に、ステップS130(FC発電・バッテリ充電)を実施することを避けることができる。 Here, the predetermined amount Q2, as described above, when supplying the hydrogen gas of a predetermined amount Q2 to the anode gas passage 12a of each cell 10a, the amount of hydrogen gas partial pressure of hydrogen gas PH 2 is less than the threshold value Pth It is. Therefore, even by supplying a hydrogen gas at a predetermined amount Q2 to the anode gas passage 12a of each cell 10a, the hydrogen gas partial pressure PH 2 is less than the threshold value Pth, after the processing of step 180, step S130 (FC power generation・ Battery charging can be avoided.

本実施形態では、水素ガス分圧PHが閾値Pth以下であり、かつ水素ガス分圧PHが下限目標値PLよりも大きいときには、クロスリーク量Qcの水素ガスをセル10a毎のアノードガス流路12aに供給する。このため、水素ガス分圧の過度な上昇を抑えることで、アノード12とカソード13との間の水素ガス圧力差により生じるクロスリークを低減することができる。 In this embodiment, no more than a hydrogen gas partial pressure PH 2 threshold Pth, and hydrogen when gas partial pressure PH 2 is greater than the lower limit target value PL, the anode gas flow of each cell 10a of hydrogen gas cross leakage amount Qc Supply to path 12a. For this reason, the cross leak produced by the hydrogen gas pressure difference between the anode 12 and the cathode 13 can be reduced by suppressing the excessive rise in the hydrogen gas partial pressure.

本実施形態では、燃料電池10のアノードガス出口10c付近に水素分圧検出部91を設けている。ここで、燃料電池10のアノードガス出口10c付近は、燃料電池10の水素ガス入口10b付近やアノードガス流路12a内に比べて、水素ガス濃度(すなわち、水素ガス分圧)が低い。   In the present embodiment, a hydrogen partial pressure detector 91 is provided near the anode gas outlet 10 c of the fuel cell 10. Here, the hydrogen gas concentration (that is, the hydrogen gas partial pressure) is lower in the vicinity of the anode gas outlet 10c of the fuel cell 10 than in the vicinity of the hydrogen gas inlet 10b of the fuel cell 10 and in the anode gas flow path 12a.

このため、循環ポンプ82とセル10a毎のアノードガス流路12aとの間でガスが循環されるガス閉回路のうち、最も水素ガス濃度が低い箇所で水素ガス分圧PHを検出することができる。 Therefore, of gas closed circuit gas is circulated between the anode gas passage 12a of the circulating pump 82 and each cell 10a, to detect hydrogen gas partial pressure PH 2 in the most hydrogen gas concentration is low position it can.

このような水素ガス分圧PHを用いて水素ガス分圧PHが下限目標値PLよりも大きいか否かをステップS150で判定する。このため、ステップS150の判定の信頼性を向上することができる。 Determines Whether such a hydrogen gas partial pressure PH 2 with hydrogen gas partial pressure PH 2 is greater than the lower limit target value PL in step S150. For this reason, the reliability of determination of step S150 can be improved.

(第3実施形態)
上記第1実施形態では、水素タンク70から燃料電池10へ供給される水素ガス量を調整するためにインジェクション80を用いた例について説明したが、これに代えて、流量調整弁80Aを用いる本第3実施形態について図6を参照して説明する。
Third Embodiment
In the first embodiment, an example in which the injection 80 is used to adjust the amount of hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 70 to the fuel cell 10 has been described, but instead of this, the flow rate adjustment valve 80A is used. Three embodiments will be described with reference to FIG.

流量調整弁80Aは、水素タンク70の出口と燃料電池10の水素ガス入口との間の水素ガス流路の開口面積を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとを備える。   The flow rate adjustment valve 80A includes a valve body for adjusting the opening area of the hydrogen gas flow path between the outlet of the hydrogen tank 70 and the hydrogen gas inlet of the fuel cell 10, and an electric actuator for driving this valve body.

本実施形態の流量調整弁80Aは、制御部90によって制御されて、水素ガス流路の開口面積を調整する。このことにより、水素タンク70の出口から燃料電池10の水素ガス入口に流れる水素ガスの流量を調整することができる。   The flow rate adjustment valve 80A of the present embodiment is controlled by the control unit 90 to adjust the opening area of the hydrogen gas flow path. As a result, the flow rate of hydrogen gas flowing from the outlet of the hydrogen tank 70 to the hydrogen gas inlet of the fuel cell 10 can be adjusted.

本実施形態の燃料電池システムのうち流量調整弁80A以外の他の構成は、上記第1実施形態の燃料電池システムと同様である。このため、燃料電池システムのうち流量調整弁80A以外の他の構成の説明を省略する。   In the fuel cell system of the present embodiment, the configuration other than the flow rate adjustment valve 80A is the same as that of the fuel cell system of the first embodiment. For this reason, description of components other than the flow rate adjustment valve 80A in the fuel cell system is omitted.

(第4実施形態)
本第4実施形態では、上記第1実施形態の水素分圧検出部91の具体的の構成について図7を参照して説明する。
Fourth Embodiment
In the fourth embodiment, a specific configuration of the hydrogen partial pressure detector 91 of the first embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態の水素分圧検出部91は、湿度センサ91a、温度センサ91b、および圧力センサ91cによって構成されている。   The hydrogen partial pressure detection unit 91 of the present embodiment is configured of a humidity sensor 91a, a temperature sensor 91b, and a pressure sensor 91c.

湿度センサ91aは、燃料電池10のアノードガス出口10cから流れるアノード排ガスの湿度を求めるセンサである。温度センサ91bは、燃料電池10のアノードガス出口10cから流れるアノード排ガスの温度を求めるセンサである。圧力センサ91cは、燃料電池10のアノードガス出口10cから流れるアノード排ガス全圧を求めるセンサである。   The humidity sensor 91 a is a sensor that determines the humidity of the anode exhaust gas flowing from the anode gas outlet 10 c of the fuel cell 10. The temperature sensor 91b is a sensor for obtaining the temperature of the anode exhaust gas flowing from the anode gas outlet 10c of the fuel cell 10. The pressure sensor 91 c is a sensor for obtaining the total pressure of the anode exhaust gas flowing from the anode gas outlet 10 c of the fuel cell 10.

制御部90は、湿度センサ91aの検出値、および温度センサ91bの検出値によって水蒸気の分圧を求め、アノード排ガス全圧から水蒸気分圧、および窒素ガス分圧を引いて
水素ガス分圧を求める。
The control unit 90 obtains the partial pressure of water vapor based on the detection value of the humidity sensor 91a and the detection value of the temperature sensor 91b, and subtracts the water vapor partial pressure and the nitrogen gas partial pressure from the anode exhaust gas total pressure to obtain the hydrogen gas partial pressure. .

ここで、アノード排ガスに含まれる窒素ガスは、カソードガス流路13aからアノードガス流路12aに移動した窒素ガスである。   Here, the nitrogen gas contained in the anode exhaust gas is a nitrogen gas which has moved from the cathode gas flow channel 13a to the anode gas flow channel 12a.

ここで、アノード排ガスに含まれる窒素ガスの濃度は、カソードとアノードの窒素分圧差による窒素透過量NTと、排気排水弁83から大気に排出される窒素排気量NHによって推定される。すなわち、アノード排ガス中の窒素ガス分圧は、カソードからアノードへ
透過される窒素透過量NTと、排気排水弁から大気に放出する窒素排気量NHによって推定される。
Here, the concentration of nitrogen gas contained in the anode exhaust gas is estimated by the nitrogen permeation amount NT due to the nitrogen partial pressure difference between the cathode and the anode, and the nitrogen discharge amount NH discharged from the exhaust water discharge valve 83 to the atmosphere. That is, the nitrogen gas partial pressure in the anode exhaust gas is estimated by the nitrogen permeation amount NT transmitted from the cathode to the anode and the nitrogen exhaust amount NH released to the atmosphere from the exhaust drainage valve.

窒素透過量NTは、燃料電池10(具体的には、セル10aの電解質膜11)の温度によって変化する。このため、窒素透過量NTは、温度センサ11aの検出温度によって推定される。窒素排気量NHは、排気排水弁83が排気排水管62を開けた開弁時間と排気排水管62内の圧力とによって推定される。本実施形態では、排気排水管62内の圧力としては、圧力センサ91cによって検出されるアノード排ガス全圧が用いられる。   The nitrogen permeation amount NT changes with the temperature of the fuel cell 10 (specifically, the electrolyte membrane 11 of the cell 10a). For this reason, the nitrogen permeation amount NT is estimated by the temperature detected by the temperature sensor 11a. The nitrogen discharge amount NH is estimated by the valve opening time when the exhaust drainage valve 83 opens the exhaust drainage pipe 62 and the pressure in the exhaust drainage pipe 62. In the present embodiment, as the pressure in the exhaust drainage pipe 62, the anode exhaust gas total pressure detected by the pressure sensor 91c is used.

このようにアノード排ガス中の窒素ガス分圧は、温度センサ11aの検出温度、排気排水弁83の開弁時間、および圧力センサ91cの検出圧力によって求められる。   Thus, the nitrogen gas partial pressure in the anode exhaust gas is determined by the detection temperature of the temperature sensor 11a, the valve opening time of the exhaust drainage valve 83, and the detection pressure of the pressure sensor 91c.

以上により、湿度センサ91aの検出値、温度センサ91bの検出値、および圧力センサ91cの検出値によって水素ガス分圧を求めることができる。   As described above, the hydrogen gas partial pressure can be obtained from the detection value of the humidity sensor 91a, the detection value of the temperature sensor 91b, and the detection value of the pressure sensor 91c.

(第5実施形態)
上記第4実施形態では、湿度センサ91a、温度センサ91b、および圧力センサ91cによって水素分圧検出部91を構成した例について説明したが、これに代えて、湿度センサ91a、温度センサ91b、およびガス流路センサ91dによって水素分圧検出部91を構成した本第5実施形態について図8を参照して説明する。
Fifth Embodiment
In the fourth embodiment, the example in which the hydrogen partial pressure detection unit 91 is configured by the humidity sensor 91a, the temperature sensor 91b, and the pressure sensor 91c has been described. Instead, the humidity sensor 91a, the temperature sensor 91b, and the gas A fifth embodiment in which the hydrogen partial pressure detection unit 91 is configured by the flow path sensor 91d will be described with reference to FIG.

本実施形態では、ガス流路センサ91dは、燃料電池10のアノードガス出口10cから流れるアノード排ガス流量を求めるもので、圧力センサ91cの代わりに用いられる。すなわち、ガス流路センサ91dの検出値は、燃料電池10のアノードガス出口10cから流れるアノード排ガス全圧を推定するために用いられる。   In the present embodiment, the gas flow path sensor 91d obtains the flow rate of the anode exhaust gas flowing from the anode gas outlet 10c of the fuel cell 10, and is used instead of the pressure sensor 91c. That is, the detection value of the gas flow path sensor 91 d is used to estimate the anode exhaust gas total pressure flowing from the anode gas outlet 10 c of the fuel cell 10.

ここで、制御部90は、上記第4実施形態と同様に、湿度センサ91aの検出値、および温度センサ91bの検出値を用いて水蒸気の分圧を求める。   Here, the control unit 90 obtains the partial pressure of water vapor using the detection value of the humidity sensor 91a and the detection value of the temperature sensor 91b, as in the fourth embodiment.

以上により、湿度センサ91aの検出値、温度センサ91bの検出値、および圧力センサ91cの検出値によって水素ガス分圧を求めることができる。   As described above, the hydrogen gas partial pressure can be obtained from the detection value of the humidity sensor 91a, the detection value of the temperature sensor 91b, and the detection value of the pressure sensor 91c.

(他の実施形態)
(1)上記第1〜第4実施形態では、燃料電池10のアノードガス出口10c付近に水素分圧検出部91を設けた例について説明したが、これに代えて、アノードガス流路12a内に水素分圧検出部91を設けてもよく、或いは、燃料電池10の水素ガス入口10b付近に水素分圧検出部91を設けてもよい。
(Other embodiments)
(1) In the first to fourth embodiments, the example in which the hydrogen partial pressure detection unit 91 is provided in the vicinity of the anode gas outlet 10c of the fuel cell 10 has been described. The hydrogen partial pressure detection unit 91 may be provided, or the hydrogen partial pressure detection unit 91 may be provided near the hydrogen gas inlet 10 b of the fuel cell 10.

(2)上記第1〜第4実施形態では、水素分圧検出部の検出値としての水素ガス分圧PHを用いてステップS120、S150の判定を実施した例について説明したが、これに代えて、次のようにしてもよい。 (2) In the first to fourth embodiments have been described as being carried out determination of the step S120, S150 with hydrogen gas partial pressure PH 2 of the detection value of the hydrogen partial pressure detecting unit, instead of this May be as follows.

すなわち、制御部90は、セル10a毎のアノードガス流路12a内を流れるアノード排ガスの全圧を水素ガス分圧の推定値として推定する。制御部90は、水素ガス分圧PHに代わる、前記推定されるアノード排ガスの全圧を用いてステップS120、S150の判定を実施する。 That is, the control unit 90 estimates the total pressure of the anode exhaust gas flowing in the anode gas flow path 12a for each cell 10a as an estimated value of the hydrogen gas partial pressure. Controller 90 replaces the hydrogen gas partial pressure PH 2, to implement the determination of step S120, S150 using the total pressure of the anode exhaust gas to be the estimation.

(3)上記第1〜第4実施形態では、本発明の燃料電池システムを自動車に適用した例について説明したが、これに代えて、設置型の発電機に本発明の燃料電池システムを用いてもよい。   (3) In the first to fourth embodiments, the example in which the fuel cell system of the present invention is applied to an automobile has been described. Instead, the fuel cell system of the present invention is used for an installed generator. Also good.

(4)なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。   (4) In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. Moreover, said each embodiment is not mutually irrelevant and can be combined suitably, unless the combination is clearly impossible. Further, in each of the above-described embodiments, it is needless to say that the elements constituting the embodiment are not necessarily essential except when clearly indicated as being essential and when it is considered to be obviously essential in principle. Yes. Further, in the above embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, amount, range, etc. of constituent elements of the embodiment are mentioned, it is clearly indicated that they are particularly essential and clearly limited to a specific number in principle. The number is not limited to the specific number except for the case. Further, in the above embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the component etc., unless otherwise specified or in principle when limited to a specific shape, positional relationship, etc., the shape, etc. It is not limited to the positional relationship and the like.

(まとめ)
上記第1〜第3実施形態、および他の実施形態の一部または全部に記載された第1の観点によれば、燃料電池システムにおいて、燃料極と酸素極とを備える単セルを有する燃料電池と、燃料極に水素ガスを供給する水素供給部と、燃料電池の発電に使用されずに燃料極から排出される水素ガスを含む排ガスを水素供給部からの水素ガスに混合して燃料極に供給して排ガスを循環させる循環ポンプと、酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力を電気負荷に出力する第1電力出力部と、水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力をバッテリに充電させる第2電力出力部と、燃料電池による発電が要求される場合には、燃料電池によって発電させ、この発電された電力を電気負荷に出力させるように第1電力出力部を制御する第1発電制御部と、燃料極内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部と、水素分圧検出部の検出値が閾値よりも高いか否かを判定する第1水素分圧判定部と、燃料電池による発電が要求されない場合には、水素分圧検出部の検出値が閾値よりも高いと第1水素分圧判定部が判定したとき、燃料電池によって発電させ、この発電された電力をバッテリに充電させるように第2電力出力部を制御する第2発電制御部と、を備える。
(Summary)
According to the first aspect described in the first to third embodiments and part or all of the other embodiments, in the fuel cell system, a fuel cell having a single cell including a fuel electrode and an oxygen electrode. A hydrogen supply unit for supplying hydrogen gas to the fuel electrode, and an exhaust gas containing hydrogen gas discharged from the fuel electrode without being used for power generation of the fuel cell mixed with the hydrogen gas from the hydrogen supply unit to the fuel electrode A first power output that outputs to the electric load the power generated by the fuel cell using a circulation pump that supplies and circulates the exhaust gas, an oxidant supply unit that supplies an oxidant to the oxygen electrode, and hydrogen gas and an oxidant. And a second power output unit for charging the battery with the electric power generated by the fuel cell using hydrogen gas and an oxidant, and, when power generation by the fuel cell is required, the fuel cell is used to generate electric power Load electric power The first power generation control unit that controls the first power output unit to output, the hydrogen partial pressure detection unit that detects the hydrogen gas partial pressure in the fuel electrode, and the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit are higher than the threshold The first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold when the first hydrogen partial pressure determination unit determines whether the fuel cell is not required and the fuel cell does not require power generation. And a second power generation control unit configured to control the second power output unit to generate power by the fuel cell and to charge the battery with the generated power.

第2の観点によれば、閾値よりも低い目標下限値と水素分圧検出部の検出値との差分に相当する電力を上限電力とし、第2発電制御部は、燃料電池で発電させる電力が上限電力以下になるように第2電力出力部を制御する。   According to the second aspect, the power corresponding to the difference between the target lower limit value lower than the threshold value and the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is set as the upper limit power, and the second power generation control unit is configured to generate power generated by the fuel cell. The second power output unit is controlled to be equal to or less than the upper limit power.

これにより、燃料極内の水素ガス分圧が目標下限値より低くなることを抑制することができるので、水素ガスの欠乏により燃料電池の劣化を抑えることができる。   As a result, it can be suppressed that the hydrogen gas partial pressure in the fuel electrode becomes lower than the target lower limit value, so deterioration of the fuel cell can be suppressed due to the lack of hydrogen gas.

第3の観点によれば、目標下限値よりも水素分圧検出部の検出値が高い否かを判定する第2水素分圧判定部を備え、燃料電池による発電が要求されない場合に、水素分圧検出部の検出値が閾値未満であると第1水素分圧判定部が判定し、かつ目標下限値よりも水素分圧検出部の検出値が高いと第2水素分圧判定部が判定した場合には、水素分圧検出部の検出値における変化量を求め、この求められた変化量によって燃料極から酸素極へ通過する水素ガス量を算出し、この算出した水素ガス量と同等の水素ガス量を燃料極に供給させるように水素供給部を制御する第1水素流量制御部と、を備える。   According to the third aspect, the second hydrogen partial pressure determination unit that determines whether or not the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the target lower limit value, and when the power generation by the fuel cell is not required, The first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the pressure detection unit is less than the threshold value, and the second hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the target lower limit value. In this case, the amount of change in the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is obtained, the amount of hydrogen gas passing from the fuel electrode to the oxygen electrode is calculated based on the obtained amount of change, and hydrogen equivalent to the calculated amount of hydrogen gas is calculated. And a first hydrogen flow control unit that controls the hydrogen supply unit to supply a gas amount to the fuel electrode.

これにより、酸素極から燃料極へのクロスリークの発生を抑えることができる。   Thereby, generation | occurrence | production of the cross leak from an oxygen electrode to a fuel electrode can be suppressed.

第4の観点によれば、燃料電池による発電が要求されない場合に、水素分圧検出部の検出値が目標下限値以下であると第2水素分圧判定部が判定した場合には、水素タンクから所定量の水素ガスを燃料極に供給させるように水素供給部を制御する第2水素流量制御部を備え、所定量は、水素タンクから所定量の水素ガスを燃料極に供給させたとき、燃料極の水素ガス分圧が閾値以下になる水素ガスの量である。   According to the fourth aspect, when power generation by the fuel cell is not required, when the second hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is equal to or lower than the target lower limit value, A second hydrogen flow rate control unit that controls the hydrogen supply unit so that a predetermined amount of hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, and the predetermined amount is obtained when a predetermined amount of hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank to the fuel electrode. This is the amount of hydrogen gas at which the hydrogen gas partial pressure at the fuel electrode falls below the threshold.

したがって、水素タンクからの水素ガスを燃料極に供給させても、第2発電制御部により発電を実施することを未然に防ぐことができる。   Therefore, even if the hydrogen gas from the hydrogen tank is supplied to the fuel electrode, it is possible to prevent the second power generation control unit from performing power generation in advance.

第5の観点によれば、閾値および目標下限値は、水素ガスの欠乏が起因して燃料電池に劣化が生じる水素ガス分圧の基準値よりも大きくなるように設定されている。   According to the fifth aspect, the threshold value and the target lower limit value are set to be larger than the reference value of the hydrogen gas partial pressure that causes deterioration of the fuel cell due to the lack of hydrogen gas.

第6の観点によれば、第1発電制御部は、燃料電池からの電力よりもバッテリからの電力を優先して電気負荷に出力させるように第1電力出力部および第2電力出力部を制御する。   According to the sixth aspect, the first power generation control unit controls the first power output unit and the second power output unit so that the power from the battery is given priority over the power from the fuel cell and is output to the electric load. Do.

これにより、燃料電池による大電力の発電が要求される場合でも、燃料電池からの電力よりもバッテリからの電力を優先して電気負荷に出力させるため、短期間に大量の水素ガスが消費されて水素ガスの欠乏が生じることを未然に抑えるとともに、本燃料電池システムの制御が成立するようにバッテリの充放電の収支をあわせることができる。   As a result, even when large power generation by the fuel cell is required, power from the battery is given priority over the power from the fuel cell and output to the electric load, so a large amount of hydrogen gas is consumed in a short period of time. In addition to suppressing the occurrence of hydrogen gas deficiency, it is possible to balance the charge and discharge of the battery so that the control of the present fuel cell system is established.

第7の観点によれば、水素分圧検出部は、燃料極内のガスの全圧を検出する圧力センサの検出値に基づいて水素ガスの分圧を推定した推定値を検出値として求める。   According to the seventh aspect, the hydrogen partial pressure detector obtains, as a detected value, an estimated value obtained by estimating the partial pressure of hydrogen gas based on a detected value of a pressure sensor that detects the total pressure of the gas in the fuel electrode.

10 燃料電池
10a セル
11 カソード
12 アノード
80 インジェクタ
82 循環ポンプ
20 電気負荷
30 インバータ
40 コンバータ
50 バッテリ
90 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 10a Cell 11 Cathode 12 Anode 80 Injector 82 Circulation pump 20 Electric load 30 Inverter 40 Converter 50 Battery 90 Control part

Claims (7)

燃料極(12)と酸素極(11)とを備える単セル(10a)を有する燃料電池(10)と、
前記燃料極に水素ガスを供給する水素供給部(80、80A)と、
前記燃料電池の発電に使用されずに前記燃料極から排出される水素ガスを含む排ガスを前記水素供給部からの水素ガスに混合して前記燃料極に供給して前記排ガスを循環させる循環ポンプ(82)と、
前記酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部(84)と、
前記水素ガスと前記酸化剤とを用いて前記燃料電池が発電した電力を電気負荷(20)に出力する第1電力出力部(30)と、
前記水素ガスと前記酸化剤とを用いて前記燃料電池が発電した電力をバッテリ(50)に充電させる第2電力出力部(40)と、
前記燃料電池による発電が要求される場合には、前記燃料電池によって発電させ、この発電された電力を前記電気負荷に出力させるように前記第1電力出力部を制御する第1発電制御部(S140)と、
前記燃料極内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部(91)と、
前記水素分圧検出部の検出値が閾値(Pth)よりも高いか否かを判定する第1水素分圧判定部(S120)と、
前記燃料電池による発電が要求されない場合には、前記水素分圧検出部の検出値が前記閾値よりも高いと前記第1水素分圧判定部が判定したとき、前記燃料電池によって発電させ、この発電された電力を前記バッテリに充電させるように前記第2電力出力部を制御する第2発電制御部(S130)と、
を備える燃料電池システム。
A fuel cell (10) having a single cell (10a) comprising a fuel electrode (12) and an oxygen electrode (11);
A hydrogen supply unit (80, 80A) for supplying hydrogen gas to the fuel electrode;
A circulation pump which mixes exhaust gas containing hydrogen gas discharged from the fuel electrode without being used for power generation of the fuel cell with hydrogen gas from the hydrogen supply unit and supplies it to the fuel electrode to circulate the exhaust gas ( 82)
An oxidant supply unit (84) for supplying an oxidant to the oxygen electrode;
A first power output unit (30) that outputs the power generated by the fuel cell using the hydrogen gas and the oxidant to an electric load (20);
A second power output unit (40) for charging the battery (50) with electric power generated by the fuel cell using the hydrogen gas and the oxidant;
When the power generation by the fuel cell is required, the first power generation control unit (S140) controls the first power output unit to cause the fuel cell to generate power and output the generated power to the electric load (S140) )When,
A hydrogen partial pressure detection unit (91) for detecting a hydrogen gas partial pressure in the fuel electrode;
A first hydrogen partial pressure determination unit (S120) for determining whether or not a detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than a threshold value (Pth);
When the first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold value when power generation by the fuel cell is not required, the fuel cell is caused to generate electric power A second power generation control unit (S130) for controlling the second power output unit to charge the battery with the generated power,
A fuel cell system comprising:
前記閾値よりも低い目標下限値(PL)と前記水素分圧検出部の検出値との差分(ΔP)に相当する電力を上限電力とし、
前記第2発電制御部は、前記燃料電池で発電させる電力が前記上限電力以下になるように前記第2電力出力部を制御する請求項1に記載の燃料電池システム。
The power corresponding to the difference (ΔP) between the target lower limit (PL) lower than the threshold and the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is defined as the upper limit power.
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the second power generation control unit controls the second power output unit so that power generated by the fuel cell is equal to or lower than the upper limit power.
前記目標下限値よりも前記水素分圧検出部の検出値が高い否かを判定する第2水素分圧判定部(S150)を備え、
前記燃料電池による発電が要求されない場合に、前記水素分圧検出部の検出値が閾値未満であると前記第1水素分圧判定部が判定し、かつ前記目標下限値よりも前記水素分圧検出部の検出値が高いと前記第2水素分圧判定部が判定した場合には、前記水素分圧検出部の検出値における変化量を求め、この求められた変化量によって前記燃料極から前記酸素極へ通過する水素ガス量を算出し、この算出した水素ガス量と同等の水素ガス量を前記燃料極に供給させるように前記水素供給部を制御する第1水素流量制御部(S170、S160)と、
を備える請求項2に記載の燃料電池システム。
A second hydrogen partial pressure determination unit (S150) for determining whether or not the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the target lower limit value;
When power generation by the fuel cell is not required, the first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is less than a threshold, and the hydrogen partial pressure detection is more than the target lower limit value. When the second hydrogen partial pressure determination unit determines that the detected value of the unit is high, the amount of change in the detected value of the hydrogen partial pressure detection unit is determined, and the determined amount of change determines the oxygen from the fuel electrode The first hydrogen flow control unit (S170, S160) which calculates the amount of hydrogen gas passing to the pole and controls the hydrogen supply unit to supply the amount of hydrogen gas equivalent to the calculated amount of hydrogen gas to the fuel electrode When,
The fuel cell system according to claim 2, comprising:
前記燃料電池による発電が要求されない場合に、前記水素分圧検出部の検出値が目標下限値以下であると前記第2水素分圧判定部が判定した場合には、前記水素タンクから所定量の水素ガスを前記燃料極に供給させるように前記水素供給部を制御する第2水素流量制御部(S180)を備え、
前記所定量は、前記水素タンクから所定量の水素ガスを前記燃料極に供給させたとき、前記燃料極の水素ガス分圧が前記閾値以下になる前記水素ガスの量である請求項3に記載の燃料電池システム。
When the second hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is less than or equal to a target lower limit when power generation by the fuel cell is not required, a predetermined amount of hydrogen from the hydrogen tank is determined. A second hydrogen flow rate control unit (S180) for controlling the hydrogen supply unit to supply hydrogen gas to the fuel electrode;
4. The apparatus according to claim 3, wherein the predetermined amount is an amount of the hydrogen gas at which a partial pressure of hydrogen gas of the fuel electrode is equal to or less than the threshold value when hydrogen gas of a predetermined amount is supplied to the fuel electrode from the hydrogen tank. Fuel cell system.
前記閾値および前記目標下限値は、前記水素ガスの欠乏が起因して前記燃料電池に劣化が生じる前記水素ガス分圧の基準値(Pd)よりも大きくなるように設定されている請求項2ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   The threshold value and the target lower limit value are set to be larger than a reference value (Pd) of the hydrogen gas partial pressure at which the fuel cell is deteriorated due to the lack of the hydrogen gas. 5. The fuel cell system according to any one of 4. 前記第1発電制御部は、前記燃料電池からの電力よりも前記バッテリからの電力を優先して前記電気負荷に出力させるように前記第1電力出力部および前記第2電力出力部を制御する請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   The first power generation control unit controls the first power output unit and the second power output unit so that power from the battery is output to the electric load with priority over power from the fuel cell. Item 6. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 5. 前記水素分圧検出部は、前記燃料極内のガスの全圧を検出する圧力センサの検出値に基づいて前記水素ガスの分圧を推定した推定値を前記検出値として求める請求項1ないし6のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   7. The hydrogen partial pressure detection unit obtains an estimated value obtained by estimating a partial pressure of the hydrogen gas based on a detection value of a pressure sensor that detects a total pressure of gas in the fuel electrode as the detection value. The fuel cell system according to any one of the above.
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