JP2021163700A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタックの発電によって生成される生成水によって、エアコンプレッサから取り込まれたエアをインタークーラで冷却する燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, as this type of fuel cell system, there is a fuel cell system in which the air taken in from the air compressor is cooled by an intercooler by the generated water generated by the power generation of the fuel cell stack (see, for example, Patent Document 1). ..
ところで、前記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、インタークーラの冷却性能は生成水の水量に依存するため、燃料電池スタックの発電状況によっては必要な水量が得られない場合がある。この場合には、燃料電池スタックに供給されるエアは、インタークーラで所望の温度に冷却されないため、燃料電池システムの発電性能の低下を招くおそれがある。このような点から、エアの冷却性能を保持するため、エアの圧力を制限すると、燃料電池システムが供給する電力が低下してしまう。
By the way, in the fuel cell system described in
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、インタークーラの冷却性能を確保しつつ、電力を安定して供給することができる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of stably supplying electric power while ensuring the cooling performance of an intercooler.
前記目的を達成すべく、本発明に係る燃料電池システムは、エアと燃料ガスにより発電し、モータに電力を供給する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにエアを供給するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサと前記燃料電池スタックとの間に配置され前記燃料電池スタックに供給されるエアを冷却するインタークーラと、前記燃料電池スタックで発電された電力を蓄電するバッテリと、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスの圧力と、前記エアコンプレッサが吐出するエアの吐出圧力と、を制御することにより、前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御部と、を少なくとも備える燃料電池システムであって、前記インタークーラは、前記燃料電池スタックの発電時に生成される生成水が供給され、前記インタークーラの壁部を介して、前記エアの熱を前記生成水に伝達することで前記エアを冷却するものであり、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電時に、前記モータに要求される要求電力量に応じて、前記エアコンプレッサから吐出されるエアの要求圧力を設定し、設定した前記要求圧力で前記エアコンプレッサから吐出されるエアを、前記インタークーラで冷却するために必要な生成水の必要水量を算出し、算出した前記必要水量に対して、前記燃料電池スタックで生成される生成水の実水量が少ない場合には、前記実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、前記エアコンプレッサの吐出圧力を減少させたときに伴う、前記要求電力量に対して不足する不足電力量を算出し、前記冷却可能圧力で発電した前記燃料電池スタックの電力を前記モータに供給するとともに、前記不足電力量を前記バッテリから前記モータに供給することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack that generates power from air and fuel gas and supplies power to a motor, an air compressor that supplies air to the fuel cell stack, and the air. An intercooler arranged between the compressor and the fuel cell stack to cool the air supplied to the fuel cell stack, a battery for storing the power generated by the fuel cell stack, and a battery supplied to the fuel cell stack. A fuel cell system including at least a control unit that controls the amount of power generated by the fuel cell stack by controlling the pressure of the fuel gas and the discharge pressure of the air discharged by the air compressor. The intercooler is supplied with generated water generated during power generation of the fuel cell stack, and cools the air by transferring the heat of the air to the generated water through the wall portion of the intercooler. Yes, the control unit sets the required pressure of the air discharged from the air compressor according to the required power amount required for the motor at the time of power generation of the fuel cell stack, and the required pressure is the set required pressure. The required amount of generated water required to cool the air discharged from the air compressor by the intercooler is calculated, and the actual amount of generated water generated by the fuel cell stack is relative to the calculated required amount of water. When the amount is small, the amount of insufficient power that is insufficient with respect to the required power amount that accompanies the reduction of the discharge pressure of the air compressor to the coolable pressure that can be cooled by the actual amount of water is calculated, and the cooling is performed. It is characterized in that the power of the fuel cell stack generated at a possible pressure is supplied to the motor, and the insufficient power amount is supplied from the battery to the motor.
本発明の燃料電池システムによれば、発電時に燃料電池スタックから排出された生成水がインタークーラに供給され、エアコンプレッサで圧縮されて高温となったエアを、インタークーラで冷却することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the generated water discharged from the fuel cell stack during power generation is supplied to the intercooler, and the air compressed by the air compressor and heated to a high temperature can be cooled by the intercooler.
また、制御部は、燃料電池スタックの発電時に、モータに要求される要求電力量に応じて、エアコンプレッサから吐出されるエアの要求圧力を設定し、設定した要求圧力でエアコンプレッサから吐出されるエアを、インタークーラで冷却するために必要な生成水の必要水量を算出する。ここで、算出した必要水量に対して、燃料電池スタックで生成される生成水の実水量が少ない場合には、コンプレッサから吐出されるエアを冷却するに十分な水量が、インタークーラに供給されないと判断できる。したがって、実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、エアコンプレッサの吐出圧力を減少させるので、実水量に応じて最適な温度に、インタークーラでエアを冷却することができる。 Further, the control unit sets the required pressure of the air discharged from the air compressor according to the required electric energy required for the motor when the fuel cell stack generates electricity, and is discharged from the air compressor at the set required pressure. Calculate the required amount of generated water required to cool the air with the intercooler. Here, if the actual amount of generated water generated by the fuel cell stack is smaller than the calculated required amount of water, the intercooler must be supplied with a sufficient amount of water to cool the air discharged from the compressor. I can judge. Therefore, since the discharge pressure of the air compressor is reduced to a cooling pressure that can be cooled by the actual amount of water, the air can be cooled by the intercooler to the optimum temperature according to the actual amount of water.
このとき、実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、エアコンプレッサの吐出圧力を減少させると、燃料電池スタックが発電する電力量が減少してしまうため、モータに要求される要求電力量を、モータに供給することができない。したがって、本発明では、エアコンプレッサの吐出圧力を減少させたときに伴う、要求電力量に対して不足する不足電力量を算出し、不足電力量をバッテリからモータに出力する。このようにして、モータが要求する要求電力量に対して、燃料電池スタックの不足した不足電力量をバッテリで補うことができる。 At this time, if the discharge pressure of the air compressor is reduced to a coolable pressure that can be cooled by the actual amount of water, the amount of power generated by the fuel cell stack is reduced. Cannot be supplied to. Therefore, in the present invention, the insufficient power amount that is insufficient with respect to the required electric energy is calculated when the discharge pressure of the air compressor is reduced, and the insufficient electric energy is output from the battery to the motor. In this way, the insufficient power amount of the fuel cell stack can be supplemented by the battery with respect to the required power amount required by the motor.
このようにして、エアの吐出圧力の制限に伴い、インタークーラの冷却性能を確保しつつ、燃料電池システムからモータに電力を安定して供給することができる。 In this way, it is possible to stably supply electric power from the fuel cell system to the motor while ensuring the cooling performance of the intercooler due to the limitation of the air discharge pressure.
以下、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を概略的に示す模式図、図２は、図１の燃料電池システムで用いるインタークーラの概略構造を示す模式図、図３は、図１の燃料電池システムの動作を示すフロー図、図４は、図１の燃料電池システムにおけるエアコンプレッサから吐出されるエアの圧力と温度との関係を示すグラフである。 Hereinafter, an embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view schematically showing a system configuration of a fuel cell system according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic view showing a schematic structure of an intercooler used in the fuel cell system of FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram. FIG. 4 is a flow chart showing the operation of the fuel cell system of FIG. 1, and is a graph showing the relationship between the pressure and temperature of the air discharged from the air compressor in the fuel cell system of FIG.
図１において、燃料電池システム１は、例えば燃料電池車に搭載されて駆動用電源として用いられている。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス系２０と、酸化剤ガス系３０と、冷媒系４０と、制御部５０と、を少なくとも備えるものであり、固体高分子形燃料電池である。なお、燃料電池スタック１０としては、固体高分子形燃料電池に限らず、固体酸化物形燃料電池等、他種の燃料電池を採用してもよい。
In FIG. 1, the
燃料電池スタック１０は、単セルが複数積層されたスタック構造を有しており、水素ガスを含有する燃料ガス（以下「水素ガス」という）と、酸素を含有する酸化剤ガスの供給を受けて発電するものである。本実施形態では、燃料電池スタック１０は、エア(大気）と水素ガスが供給され、発電するものである。燃料電池スタック１０では、エアと水素ガスにより発電する際に、生成水が生成されて排出される。
The
燃料電池スタック１０を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスとして水素ガスが流れる流路（アノード側流路）が形成され、カソード側に酸化剤ガスとしてエアが流れる流路（カソード側流路）が形成されている。燃料電池スタック１０の内部には、スタック内部を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。
In each single cell constituting the
燃料ガス系２０は、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する経路であり、水素ガスタンク２１と、水素ガス供給流路２２と、水素ガス排出流路２３と、水素ガス循環流路２４と、可変調圧弁２５と、インジェクタ２６と、気液分離器２７と、を少なくとも備えている。なお、水素ガス供給流路２２には、図示していないが水素ガスポンプ等が設置されている。水素ガスタンク２１は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵タンクである。
The
水素ガスタンク２１に貯蔵された水素ガスは、可変調圧弁２５によって減圧されて、インジェクタ２６を介して、燃料電池スタック１０のセル内の水素ガス流路に接続される水素ガス供給流路２２に供給される。
The hydrogen gas stored in the
水素ガス排出流路２３は、燃料電池スタック１０から排出される水素オフガスが流れる流路である。水素ガス循環流路２４は、水素ガス排出流路２３と、水素ガス供給流路２２におけるインジェクタ２６よりも下流側の部位と、に接続されており、気液分離器２７で水分が分離された水素オフガスを水素ガス供給流路２２に再循環させる。
The hydrogen gas
そのため、燃料電池システム１において、水素ガスは、発電により水素が消費されつつ、水素ガス排出流路２３、水素ガス循環流路２４、水素ガス供給流路２２の一部、および、燃料電池スタック１０内に形成される水素ガスの流路を、図示していない水素ガスポンプで循環させる。
Therefore, in the
水素ガス排出流路２３と水素ガス循環流路２４との接続部に配置された気液分離器２７は、水素オフガス中の水分と、ガス（水素および窒素等）とを分離する機能を有する。水素オフガス中の発電で消費されなかった水素は、気液分離器２７で分離され、水素ガスポンプにより水素ガス供給流路２２に循環される。気液分離器２７で分離された水分や不純物は、気液分離器２７に接続されたパージ弁２８ａを備える水素ガス放出流路２８から酸化ガス排出流路３２を通して外部に排出される。
The gas-
酸化剤ガス系３０は、酸素を含むエア（大気）を燃料電池スタック１０に供給する経路であり、酸化ガス供給流路３１と、酸化ガス排出流路３２と、バイパス流路３３と、を備えている。酸化ガス供給流路３１には、エアコンプレッサ３４と、インタークーラ３５と、湿度調節器３６と、を少なくとも備えている。エアコンプレッサ３４は、燃料電池スタック１０にエアを供給するものである。インタークーラ３５は、エアコンプレッサ３４と燃料電池スタック１０との間に配置され、燃料電池スタック１０に供給されるエアを冷却するものである。インタークーラ３５は、エアコンプレッサ３４で圧縮されて高温（１００℃を超える温度）となったエアを冷却する機能を有している。インタークーラ３５の詳細については後述する。
The
酸化ガス排出流路３２は、燃料電池スタック１０で消費されたエアオフガスを排出する経路であり、上流よりエアオフガス中の水分を回収するミストセパレータ３７Ａを備えており、その下流に酸化ガス供給流路３１に設置された湿度調節器３６が接続されている。エアオフガス中に含まれる水分は、燃料電池スタック１０の発電時に生成された生成水である。湿度調節器３６は、燃料電池スタック１０に入る側のエアと、燃料電池スタック１０から出る側のエアの湿度を調節するものである。ミストセパレータ３７Ａで回収された水分は、止水弁を介して酸化ガス排出流路３２の下流側に排出される。
The oxidation gas
湿度調節器３６の下流には、エキスパンダ３８と、ミストセパレータ３７Ｂとを備えている。エキスパンダ３８は、内部にタービンを備えており、エアオフガスが通過する際にタービンが回転し、この回転時の動力をエアコンプレッサ３４に供給して、エアの圧縮を補助する機能を有する。ミストセパレータ３７Ｂは、エキスパンダ３８を通過したエアオフガスの水分と、ミストセパレータ３７Ａで回収された水分と、気液分離器２７で分離された水分が酸化ガス排出流路３２を通して流入し、生成水として貯留するものである。
An
ミストセパレータ３７Ｂで貯留された生成水は、ミストセパレータ３７Ｂからインタークーラ３５に接続された配管３９を通して、インタークーラ３５に供給される。インタークーラ３５に供給された生成水は、その内部に貯留される。
The generated water stored in the
インタークーラ３５は、エアコンプレッサ３４の起動時には、インタークーラ３５の壁部を介して、エアコンプレッサ３４からのエアの熱（１００℃以上になったエアの熱）を生成水に伝達し、生成水の気化潜熱によりエアを冷却するものである。なお、配管３９には、ミストセパレータ３７Ｂに溜められた生成水をインタークーラ３５に供給するポンプ（図示せず）が設置されていてもよく、ミストセパレータ３７Ｂの下流端には、図示していないマフラーが設けられていてもよい。
When the
インタークーラ３５を通過したエアは、その下流に配置された湿度調節器３６により加湿され、燃料電池スタック１０に供給される。湿度調節器３６は、酸化ガス供給流路３１と酸化ガス排出流路３２とに跨って設置されており、酸化ガス排出流路３２に設置されたミストセパレータ３７Ａで貯留された燃料電池スタック１０の生成水の一部が流入される。
The air that has passed through the
インタークーラ３５は、図２の概略構造を示す模式図のように、加熱された高温のエアが通過する流路３５Ａと、エアの温度よりも低温である生成水が貯留される貯留部３５Ｂとが、インタークーラ３５の壁部３５ａを介して隔てられている構造である。流路３５Ａは金属板材で形成した多数のフィンが設けられ、フィンの間をエアコンプレッサ３４で圧縮され高温となったエアが通過するようになっている。本実施形態では、インタークーラ３５の壁部３５ａを介して、熱交換が行われることで高温のエアを冷却し、生成水は気化して蒸発し、蒸気となる。なお、貯留部３５Ｂには、生成水が流れ込んで貯留され、生成水が所定の貯留量以上なったときに、生成水は、貯留部３５Ｂから排出される。
The
冷媒系４０は、ラジエータ４１と、ラジエータ４１と燃料電池スタック１０内の冷媒流路とを循環させる冷媒流路４２と、図示していない冷媒ポンプと、を備えている。冷媒系４０は、冷媒流路４２を通して、冷媒を循環させ、ラジエータ４１で放熱させることで燃料電池スタック１０の内部を冷却する機能を有している。
The
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０で発電された電力を制御する制御部５０を備えている。制御部５０は、マイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、入出力ポートと、を有する。制御部５０は、モータ駆動部５１、バッテリ５２、負荷５３を制御するスイッチ５４に接続されている。そして、スイッチ５４は電流計５５を介して燃料電池スタック１０に接続されている。電流計５５は燃料電池スタック１０から出力される電流値を測定するものである。
The
また、制御部５０は、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力と、エアコンプレッサ３４から吐出するエアの吐出圧力とを制御することにより、燃料電池スタック１０の発電量を制御するものである。水素ガスの圧力は、制御部５０により燃料ガス系２０に設置された可変調圧弁２５を制御することで、制御される。エアコンプレッサ３４から吐出するエアの吐出圧力は、制御部５０によりエアコンプレッサ３４の出力を調整することで、制御される。
Further, the
モータ駆動部５１は、燃料電池スタック１０が発電した電力を用いて、図示していない燃料電池車のモータ９を駆動する機能を有する電気回路である。この燃料電池システム１では、モータ駆動部５１と並列に、バッテリ５２、負荷５３が接続されている。バッテリ５２は、燃料電池スタック１０から出力される電力よりもモータ駆動部５１で消費される電力が小さい場合に、燃料電池スタック１０で発電された余剰電力を蓄電する。また、バッテリ５２は電力が充分蓄電されている場合には、モータ駆動部５１に電力を供給する。負荷５３は、バッテリ５２が満充電されている状態において、まだ余剰電力がある場合に、この余剰電力を消費する。スイッチ５４は燃料電池スタック１０と、モータ駆動部５１と、バッテリ５２と、負荷５３との間における電力の供給を切り替える。
The
制御部５０は、後述する制御フローで説明するように、燃料電池スタック１０の発電時に、モータ９に要求される要求電力量に応じて、エアコンプレッサ３４から吐出されるエアの要求圧力を設定する。制御部５０は、設定した要求圧力でエアコンプレッサ３４から吐出されるエアを、インタークーラ３５で冷却するために必要な生成水の必要水量を算出する。この必要水量は、単位時間あたり、エアを所望の温度まで冷却するに必要な必要水量である。
As will be described in the control flow described later, the
さらに、制御部５０は、算出した必要水量と、燃料電池スタック１０で現在生成されている生成水の実水量（単位時間あたりに生成される水量）とを比較する。具体的には、制御部５０は、算出した必要水量に対して、燃料電池スタック１０で生成される生成水の実水量が少ない場合には、実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を減少させたときに伴う、要求電力量に対して不足する不足電力量を算出する。この算出結果に基づいて、制御部５０は、冷却可能圧力で発電した燃料電池スタック１０の電力をモータ９に供給するとともに、不足電力量をバッテリ５２からモータ９に供給する。
Further, the
一方、制御部５０は、算出した必要水量に対して、燃料電池スタック１０で生成される生成水の実水量が多いまたは同じである場合には、現状の吐出圧力のエアを、インタークーラ３５で十分可能である。したがって、制御部５０は、要求電力量に応じて、水素ガスの圧力と、エアの吐出圧力とを制御し、燃料電池システム１で要求電力量を発電する。
On the other hand, when the actual amount of generated water generated by the
前記の如く構成された本実施形態の燃料電池システム１の動作について、図３のフロー図を参照して以下に説明する。この動作説明においては、燃料電池システム１を搭載した燃料電池自動車の例について説明する。燃料電池スタック１０を起動し、燃料電池システム１を運転する（ステップＳ１）。すなわち、制御部５０は、水素ガスを供給する燃料ガス系２０の可変調圧弁２５を制御し、水素ガス供給流路２２を通して水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する。
The operation of the
また、制御部５０は、エアを供給する酸化剤ガス系３０のエアコンプレッサ３４の吐出圧力を制御し、酸化ガス供給流路３１を通してエアを燃料電池スタック１０に供給する。これにより、燃料電池スタック１０は、電解質膜(図示せず）を介して、アノード側の流路(図示せず）に水素ガスが流れ、カソード側の流路（図示せず）にエアが流れ、スタック内部で化学反応により発電する運転状態となり、生成水が生成される。
Further, the
反応後の水素オフガスは、水素ガス排出流路２３を通して気液分離器２７に入り、水分と気体に分離され、水分は水素ガス放出流路２８を通してミストセパレータ３７Ｂに入り、貯留される。気液分離器２７で分離された気体は水素ガス循環流路２４を通して水素ガス供給流路２２に合流され、インジェクタ２６により再び燃料電池スタック１０に供給され、循環する。
The hydrogen off gas after the reaction enters the gas-
反応後のエアオフガスは酸化ガス排出流路３２に入り、ミストセパレータ３７Ａで水分が回収され、湿度調節器３６で湿度が調節され、エキスパンダ３８を通して酸化ガス排出流路３２を通り、ミストセパレータ３７Ｂを通過して外部に排出される。エアオフガスがエキスパンダ３８を通過する際に、図示していないタービンが回転され、エアコンプレッサ３４の回転を補い、エアの圧縮のアシストを実施する。
The air-off gas after the reaction enters the oxidation gas
この化学反応において、ミストセパレータ３７Ａで回収された水分と、気液分離器２７で分離された水分は生成水として、酸化ガス排出流路３２を通してミストセパレータ３７Ｂに貯留され、配管３９を通してインタークーラ３５に供給される。インタークーラ３５に供給された生成水は、貯留部３５Ｂに貯留にされる。
In this chemical reaction, the water recovered by the
インタークーラ３５では、エアコンプレッサ３４で圧縮され高温となったエアは、供給された生成水により冷却される。すなわち、図２に示すように、流路３５Ａを、２００℃程度の高温のエアが通過し、貯留部３５Ｂを１００℃から１１０℃程度の生成水が通過すると、流路３５Ａのフィンにより界面の壁面が高温となり、貯留部３５Ｂでは生成水が気化して気泡が発生する。この気化潜熱により高温のエアは生成水により冷却される。
In the
燃料電池スタック１０に水素ガスとエアが供給され、発電状態となった運転状態では、エアコンプレッサ３４で吐出されるエアの圧力とエアの温度との関係は、図４に示すグラフのように、圧力が高くなると温度が高くなる。本実施形態の燃料電池システム１のエアコンプレッサ３４は、たとえば、エアの吐出圧力が１５０ｋＰＡ近傍で、コンプレッサの吐出したエアの温度は１００℃程度となる。
In the operating state in which hydrogen gas and air are supplied to the
そして、図４において、圧力が１５０ｋＰＡ以上のとき、エアの温度が１００℃以上になり、このとき、インタークーラ３５の貯留部３５Ｂの生成水は沸騰する。このように、生成水が沸騰して気化するときの気化潜熱により、２００℃程度の高温のエアは熱交換されて冷却される。
Then, in FIG. 4, when the pressure is 150 kPA or more, the temperature of the air becomes 100 ° C. or more, and at this time, the generated water in the storage portion 35B of the
図３に戻り、ステップＳ１で燃料電池スタック１０が起動され、発電している運転状態になると、制御部５０は、燃料電池スタック１０の運転状態での生成水の実水量（Ｂ）を計算する（ステップＳ２）。
Returning to FIG. 3, when the
一方、制御部５０は、燃料電池自動車のアクセル信号に基づいて、モータ９に要求される燃料電池スタック１０の要求電力量に合わせたエアコンプレッサ３４の要求圧力（ステップＳ３）を設定する。設定した要求圧力でエアコンプレッサ３４から吐出されるエアを、インタークーラ３５で冷却するために必要な生成水の必要水量（Ａ）を算出する（ステップＳ４）。
On the other hand, the
必要水量（Ａ）および実水量（Ｂ）の計算について、以下に説明する。
まず、図４に示すグラフに基づいて、エアコンプレッサの吐出圧力から吐出温度を推定し、エアコンプレッサに吸入されるエアの吸入量を計測し、次式（１）から放熱量Ｑを計算する。
Ｑ＝ｍｃΔＴ・・・（１）
ここで、（Ｑ＝放熱量、ｍ＝エアの吸入量、ｃ＝比熱、ΔＴ＝吐出温度−ＦＣスタック耐熱温度）である。
The calculation of the required water amount (A) and the actual water amount (B) will be described below.
First, based on the graph shown in FIG. 4, the discharge temperature is estimated from the discharge pressure of the air compressor, the suction amount of the air sucked into the air compressor is measured, and the heat dissipation amount Q is calculated from the following equation (1).
Q = mcΔT ... (1)
Here, (Q = heat dissipation amount, m = air intake amount, c = specific heat, ΔT = discharge temperature-FC stack heat resistant temperature).
ついで、求めた放熱量Ｑから、次式（２）より必要水量Ｗ（ｇ／秒）を算出する。
Ｗ＝放熱量Ｑ／２２４０（ｇ／秒）・・・（２）
ここで、２２４０は、水の潜熱（Ｊ／ｇ・Ｋ）である。
Then, the required amount of water W (g / sec) is calculated from the obtained heat dissipation amount Q from the following equation (2).
W = heat dissipation Q / 2240 (g / sec) ... (2)
Here, 2240 is the latent heat (J / g · K) of water.
燃料電池スタック１０から排出される生成水量を計算する。まず、燃料電池スタック１０内部で酸素と水素から生成される水量（ａ）を算出する。水量（ａ）は、燃料電池スタック１０の出力電流から算出できる。このうち、水蒸気として排出されてしまう水蒸気量（ｂ）を、以下の方法で算出する。
The amount of generated water discharged from the
この場合、制御部５０（ＥＣＵ）から、エア排圧値、冷却水温度、エア流量を取得する。気体の状態方程式より、燃料電池スタック１０のＦＣ入口、ＦＣ出口において、
Ｐ１・Ｖ＝ｎ１・ＲＴ・・・（３）、 Ｐ２・Ｖ＝ｎ２・ＲＴ・・・（４）となる。
ここで、Ｐ１＝ＦＣ入口の圧力、ｎ１＝ＦＣ入口のモル数、Ｐ２＝ＦＣ出口の圧力、ｎ２＝ＦＣ出口のモル数である。
In this case, the air exhaust pressure value, the cooling water temperature, and the air flow rate are acquired from the control unit 50 (ECU). From the gas state equation, at the FC inlet and FC outlet of the
P1 ・ V = n1 ・ RT ・ ・ ・ (3), P2 ・ V = n2 ・ RT ・ ・ ・ (4).
Here, P1 = pressure at the FC inlet, n1 = number of moles at the FC inlet, P2 = pressure at the FC outlet, n2 = number of moles at the FC outlet.
この式（３）、（４）を変形すると
Ｐ１／ｎ１＝Ｐ２／ｎ２＝ＲＴ／Ｖ・・・（５）となる。
式（５）より、（Ｐ１／ｎ１）＝（Ｐ２／ｎ２）となり、Ｐを排圧目標値とすると、
（Ｐ−Ｐ２）／Ｐ２＝ｎ１／ｎ２・・・（６）となる。
式（６）を変形すると、ｎ２＝Ｐ２／（Ｐ−Ｐ２）［ｍｏｌ］となり、
モル数ｎ１、ｎ２を体積流量ｑ１、ｑ２で表すと、
ｑ２＝Ｐ２／（Ｐ−Ｐ２）・ｑ１［ＮＬ／分］・・・（７）となる。
When the equations (3) and (4) are modified, P1 / n1 = P2 / n2 = RT / V ... (5).
From equation (5), (P1 / n1) = (P2 / n2), and assuming that P is the exhaust pressure target value,
(P-P2) / P2 = n1 / n2 ... (6).
When equation (6) is modified, n2 = P2 / (P-P2) [mol], and so on.
When the number of moles n1 and n2 is expressed by the volumetric flow rates q1 and q2,
q2 = P2 / (P-P2) · q1 [NL / min] ... (7).
式（７）において、体積流量ｑ２を、質量流量ｍ２に変換すると、
ｍ２＝ｑ２×１８／２２．４［ｇ／分］ （１８：水の分子量、２２．４：標準状態における気体１ｍｏｌの体積）であり、
よって、排気エアの水蒸気量（質量流量）ｍ２は、
ｍ２＝Ｐ２／（Ｐ−Ｐ２）×ｑ２×（１８／２２．４）［ｇ／分］・・・（８）となり、これが前記の水蒸気量（ｂ）に相当する。
式（８）において、Ｐ：排圧目標値（ＥＣＵ，ＲＡＭ値）、Ｐ２：ＦＣ出口の冷却水温度（ＥＣＵ，ＲＡＭ値）における飽和水蒸気圧、ｑ１：エア流量（ＥＣＵ，ＲＡＭ値）としている。
したがって、生成された実水量（Ｂ）は、前記水量（ａ）から前記式（８）で算出された（ｍ２）で示される水蒸気量（ｂ）を引いた値となる。
In the formula (7), when the volume flow rate q2 is converted into the mass flow rate m2,
m2 = q2 × 18 / 22.4 [g / min] (18: molecular weight of water, 22.4: volume of 1 mol of gas in the standard state).
Therefore, the amount of water vapor (mass flow rate) m2 of the exhaust air is
m2 = P2 / (P-P2) × q2 × (18 / 22.4) [g / min] ... (8), which corresponds to the amount of water vapor (b).
In the formula (8), P: exhaust pressure target value (ECU, RAM value), P2: saturated water vapor pressure at FC outlet cooling water temperature (ECU, RAM value), q1: air flow rate (ECU, RAM value). ..
Therefore, the actual amount of water (B) generated is the value obtained by subtracting the amount of water vapor (b) represented by (m2) calculated by the formula (8) from the amount of water (a).
ここで、図３に戻り、必要水量（Ａ）と実水量（Ｂ）とを比較し、必要水量（Ａ）＞実水量（Ｂ）か、を判断する（ステップＳ５）。ステップＳ５で、必要水量（Ａ）＞実水量（Ｂ）が、Ｎｏの場合は、実水量（Ｂ）が必要水量（Ａ）以上であり、要求圧力で燃料電池スタック１０から電力を出力することができるため、要求圧力で燃料電池スタック１０から電力から電力を出力し（ステップＳ６）、この動作を繰り返す。
Here, returning to FIG. 3, the required water amount (A) and the actual water amount (B) are compared, and it is determined whether the required water amount (A)> the actual water amount (B) (step S5). If the required amount of water (A)> the actual amount of water (B) is No in step S5, the actual amount of water (B) is equal to or greater than the required amount of water (A), and power is output from the
これに対して、ステップＳ５で、必要水量（Ａ）＞実水量（Ｂ）が、Ｙｅｓの場合は、必要水量（Ａ）に対して、実水量（Ｂ）が足りない状態になる。その場合は、まず、実水量（Ｂ）にて冷却可能な最大放熱量（冷却能力）を算出する（ステップＳ７）。ステップＳ７での最大放熱量の計算は、前記した式（１）で算出する。そして、実水量（Ｂ）で冷却可能な冷却可能圧力（冷却可能な最大圧力）を算出する。 On the other hand, in step S5, when the required water amount (A)> the actual water amount (B) is Yes, the actual water amount (B) is insufficient with respect to the required water amount (A). In that case, first, the maximum heat dissipation amount (cooling capacity) that can be cooled by the actual water amount (B) is calculated (step S7). The calculation of the maximum heat dissipation amount in step S7 is calculated by the above-mentioned equation (1). Then, the coolable pressure (maximum coolable pressure) that can be cooled is calculated based on the actual amount of water (B).
要求圧力と冷却可能圧力との差分を算出し（ステップＳ８）、要求電力量に対して不足する不足電力量を算出する（ステップＳ９）。この他にも、要求圧力により燃料電池スタック１０から出力される要求電力量と、ステップＳ７で求めた冷却可能圧力により燃料電池スタック１０から出力される電力との差分を不足電力量として算出してもよい（ステップＳ９）。このステップＳ８により、実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を減少させたときに伴う、要求電力量に対して不足する不足電力量を算出することができる。
The difference between the required pressure and the coolable pressure is calculated (step S8), and the insufficient power amount is calculated with respect to the required power amount (step S9). In addition to this, the difference between the required electric energy output from the
このあと、バッテリ５２の残容量（ＳＯＣ：State of charge）が規定値以上かを判断する（ステップＳ１０）。バッテリ５２の残容量が規定値以上（Ｙｅｓの場合）、冷却可能圧力となるエアコンプレッサの吐出圧力で燃料電池スタック１０を駆動して発電し、この発電した電力に対して不足分の電力（不足電力量）をバッテリ５２で補う（ステップＳ１１）。ステップＳ１０で、バッテリ５２の残容量が規定値未満（Ｎｏの場合）のときは、出力低下ランプを点灯して、ドライバに警告する（ステップＳ１２）。
After that, it is determined whether the remaining capacity (SOC: State of charge) of the
ただし、バッテリ５２の残容量が規定値未満で、出力低下ランプを点灯して、ドライバに警告した場合でも、エアコンプレッサの吐出温度が１００℃までは、インタークーラの動作は必要ない。したがって、たとえば１５０ｋＰＡの吐出圧力までは、燃料電池スタック１０による発電は可能であり、一般的な乗用車であれば、時速６０ｋｍ程度の走行が可能である。また、運転条件が変化し、実水量が足りるようになった場合は、制御部５０は出力低下ランプを消灯し、通常運転に切り替える。
However, even if the remaining capacity of the
前記したように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０を起動して発電する運転状態とし、運転状態の実水量（Ｂ）を計算する。また、アクセルに基づいて燃料電池スタック１０から出力される要求電力のためのエアコンプレッサの要求圧力での必要水量（Ａ）を計算する。
As described above, the
必要水量（Ａ）と実水量（Ｂ）とを比較し、実水量（Ｂ）の方が多いまたはこれらが同じときは、そのまま要求圧力で燃料電池スタック１０を運転して出力する。一方、必要水量（Ａ）と実水量（Ｂ）とを比較し、実水量（Ｂ）の方が少ないときには、エアコンプレッサ３４から吐出されるエアを冷却するに十分な実水量が、インタークーラ３５に供給されないと判断する。したがって、現状の実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を減少させ、実水量に応じて最適な温度に、インタークーラ３５でエアを冷却することができる。
The required amount of water (A) and the actual amount of water (B) are compared, and if the actual amount of water (B) is larger or the same, the
このとき、実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を減少させると、燃料電池スタック１０が発電する電力量が減少してしまう。このため、燃料電池システム１の通常運転を行うと、モータ９に要求される要求電力量を、モータ９に供給することができない。そこで、本実施形態では、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を減少させたときに伴う、要求電力量に対して不足する不足電力量を算出し、不足電力量をバッテリ５２からモータ９に出力する。このようにして、モータ９が要求する要求電力量に対して、燃料電池スタック１０の不足した不足電力量をバッテリで補うことができる。
At this time, if the discharge pressure of the
さらに、バッテリ５２の残容量が規定値以上か、を確認して、差分に相当する不足分の電力をバッテリ５２で補充するため、実水量が不足することなく、燃料電池スタック１０の出力を安定でき、燃料電池自動車の安定した走行が可能となる。
Further, since it is confirmed whether the remaining capacity of the
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の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された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various types are described within the scope of the claims as long as the spirit of the present invention is not deviated. It is possible to make design changes.
１：燃料電池システム、１０：燃料電池スタック、２０：燃料ガス系、２５：可変調圧弁、２６：インジェクタ、２７：気液分離器、３０：酸化剤ガス系、３４：エアコンプレッサ、３５：インタークーラ、３５Ａ：流路、３７Ａ，３７Ｂ：ミストセパレータ、４０；冷媒系、５０：制御部、５２：バッテリ 1: Fuel cell system, 10: Fuel cell stack, 20: Fuel gas system, 25: Modulatory pressure valve, 26: Injector, 27: Gas-liquid separator, 30: Oxidizing agent gas system, 34: Air compressor, 35: Inter Cooler, 35A: Flow path, 37A, 37B: Mist separator, 40; Fuel system, 50: Control unit, 52: Battery
Claims (1)
前記燃料電池スタックにエアを供給するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサと前記燃料電池スタックとの間に配置され前記燃料電池スタックに供給されるエアを冷却するインタークーラと、
前記燃料電池スタックで発電された電力を蓄電するバッテリと、
前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスの圧力と、前記エアコンプレッサが吐出するエアの吐出圧力と、を制御することにより、前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御部と、を少なくとも備える燃料電池システムであって、
前記インタークーラは、前記燃料電池スタックの発電時に生成される生成水が供給され、前記インタークーラの壁部を介して、前記エアの熱を前記生成水に伝達することで前記エアを冷却するものであり、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電時に、前記モータに要求される要求電力量に応じて、前記エアコンプレッサから吐出されるエアの要求圧力を設定し、
設定した前記要求圧力で前記エアコンプレッサから吐出されるエアを、前記インタークーラで冷却するために必要な生成水の必要水量を算出し、
算出した前記必要水量に対して、前記燃料電池スタックで生成される生成水の実水量が少ない場合には、
前記実水量で冷却可能な冷却可能圧力まで、前記エアコンプレッサの吐出圧力を減少させたときに伴う、前記要求電力量に対して不足する不足電力量を算出し、
前記冷却可能圧力で発電した前記燃料電池スタックの電力を前記モータに供給するとともに、前記不足電力量を前記バッテリから前記モータに供給することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack that generates electricity from air and fuel gas and supplies electricity to the motor,
An air compressor that supplies air to the fuel cell stack,
An intercooler arranged between the air compressor and the fuel cell stack to cool the air supplied to the fuel cell stack, and
A battery that stores the electric power generated by the fuel cell stack, and
A fuel including at least a control unit that controls the amount of power generated by the fuel cell stack by controlling the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack and the discharge pressure of the air discharged by the air compressor. It ’s a battery system,
The intercooler is supplied with generated water generated during power generation of the fuel cell stack, and cools the air by transferring the heat of the air to the generated water through the wall portion of the intercooler. And
The control unit sets the required pressure of the air discharged from the air compressor according to the required electric energy required for the motor when the fuel cell stack generates electricity.
The required amount of generated water required to cool the air discharged from the air compressor at the set required pressure with the intercooler is calculated.
When the actual amount of generated water generated by the fuel cell stack is smaller than the calculated required amount of water,
The amount of insufficient power that is insufficient with respect to the required amount of power that accompanies the reduction of the discharge pressure of the air compressor to the coolable pressure that can be cooled by the actual amount of water is calculated.
A fuel cell system characterized in that the electric power of the fuel cell stack generated at the coolable pressure is supplied to the motor, and the insufficient electric energy is supplied from the battery to the motor.
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