JP3840908B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池自動車など移動体への搭載に適した燃料電池システムの改良に関する。
【0002】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池システムにおいて燃料の消費を抑え、システムとしての効率を向上させるため、燃料電池から排出される未反応ガスを再度循環させる方式のものが種々提案されている。例えば、特開平6-231786号公報に開示されたものでは、未反応ガスの循環流量を単純に燃料電池の負荷のみに応じて変化させるのではなく、循環ガスの密度により補正し、循環用のブロアの過回転を防止するとともに常に安定した運転を行うようにしている。また、特開平7-240220号公報のものでは、燃料電池の負荷変動による循環部の圧力変動によって循環流量が変動しないように循環用圧縮機の入口に設置された圧力調整弁により圧縮機入口圧力調整を行い、安定した循環流量が得られるよう制御している。また、特開平9-213353号公報のものでは、未反応ガス循環用のポンプとしてエゼクタを用いた構成となっており、エゼクタを効率よく動作させるために循環部に流量調整弁を設置し、燃料電池の負荷に応じて循環流量を補正して、システムが効率よく動作するように制御している。このように、従来の燃料電池システムにおいてはアノード極排ガスを負荷に応じて循環させることでシステムとしての効率を高め、その制御方法を最適化することにより安定動作の実現を目指している。
【0003】
ところで、例えば固体高分子型燃料電池の場合、低負荷時には水の侵入によるガス流路の詰まり(以下「フラッディング」という。)を避けるために、中・高い負荷のストイキよりも大きなストイキ(その負荷によって消費されるガス量に対する供給ガス量の割合)でガス供給する必要がある。従来のものでは、初期値として低負荷時の循環量や排出量は設定できるが、運転中にフラッディングが発生した際の循環部に対する補正は考慮されていない。仮にフラッディングが発生した場合に供給ガス流量を変えずに負荷のみ下げる、あるいは負荷を変えずにガス供給流量のみ増やす等により対応した場合には、相対的に増加する未反応ガスを外部へ排出しなければならなくなることから余分な燃料ガスが消費され、システムの燃費を悪化させるという問題が生じる。
【0004】
また、固体高分子型燃料電池においては、その供給ガスが適度に加湿されている必要があり、さらに、燃料供給装置が炭化水素等の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを提供する改質器である場合には、その改質反応にも純水が必要となる。これらに用いる純水を燃料電池のカソード極排ガスから回収することでシステムとしての水利用の効率化を図れるが、低負荷時においては供給ガスも低圧力で運転される場合が多く、運転に必要な量の純水を確実に回収するためには所定の時間供給ガスの圧力を上げてやる水回収運転を行う必要があり、それに応じて循環量も変えないとフラッディングが発生しやすくなり、あるいはアノードとカソードとの間に圧力差が生じて効率が低下するという問題が生じる。
【0005】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池システムにおけるフラッディングの発生を防止すると共に、フラッディング防止対策として低負荷時に燃料ストイキを増加させることによる燃費悪化を抑制することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、アノード排ガスの一部を再度燃料電池のアノード極へ循環させる循環装置と、前記循環装置によるアノード循環流量を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムを構成する。さらに、前記制御装置を、燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷に基づいてアノード循環流量の基本値を設定する基本値設定手段と、カソード極からの水回収の実施状態を判定する水回収判定手段と、前記アノード循環流量の基本値を補正する補正手段と、ガス流路のフラッディングを検出するフラッディング検出手段とを備えたものとし、かつ前記制御装置は、燃料電池が低負荷運転される水回収実施時に前記基本値を高流量方向に補正すると共に、当該補正時にフラッディングが基準時間以上検出されなかったときに、アノード循環流量の基本値を減少方向に補正するように構成する。
【0007】
第2の発明は、前記第1の発明の制御装置を、燃料電池の運転温度を検出する温度検出装置を備え、前記運転温度が低いときほどアノード循環流量を高流量方向に補正するように構成する。
【0008】
第3の発明は、前記いずれかの発明の制御装置を、前記アノード循環流量補正後にフラッディング検出を行い、フラッディング発生を検出した時には前記基本値を高流量方向に補正するように構成する。
【0012】
第4の発明は、前記いずれかの発明において、循環装置と並列にブースタ回路を備え、フラッディング検出時には前記ブースタ回路によりアノード循環流量を増大させるように制御装置を構成した。
【0013】
第5の発明は、前記いずれかの発明の制御装置を、前記アノード循環流量の補正量を初めは低く設定し、フラッディングが検出される毎に所定の値ずつアノード循環流量を増大させ、常に循環流量を最小限とするように循環装置を制御するように構成する。
【0014】
【作用・効果】
前記第1の発明以下の各発明によれば、燃料電池の低負荷運転時に水回収運転状態が検出されるとアノード循環流量が高流量方向に補正され、燃料電池に供給される燃料ガスのストイキが上昇する。このため、水回収運転に伴い供給ガスの圧力が上がったとしてもフラッディングの発生を未然に抑制することができ、これにより燃料電池システムの動作が安定するとともに、アノード、カソード極の圧力バランスを常に均等に保つことができる。また、このようにしてアノード循環流量を高流量方向に補正した状態下で一定時間フラッディングが発生していないときには基本値の減少によりアノード循環流量が減じられるのでそれだけ循環装置の負担が軽減され、システムの効率が向上する。
【0015】
第2の発明によれば、燃料電池の運転温度が低いときにはアノード循環流量を増加補正するので、低温で発生しやすい加湿蒸気の燃料電池内部での結露によるフラッディングを発生前に抑制することができる。
【0016】
第3の発明によれば、フラッディングが発生したとしても、アノード循環流量の増加補正だけでフラッディングが解消されるので、無駄に燃料を消費することなく運転を継続できる。
【0019】
第4の発明によれば、ブースタにより急速に循環流量を増量できるので、フラッディングが発生したとしてもこれをより短時間で解消することができる。
【0020】
第5の発明によれば、アノード循環流量が常に下限値を目標に必要最小限となるように制御されるので、システムの消費電力を抑えて効率をより高めることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明による燃料電池システムの要部を示したものである。100は燃料電池(燃料電池スタック)、101は水素リッチな燃料ガスを燃料流路102を介して燃料電池100のアノード極側に供給する燃料供給装置、103は燃料電池100のアノード排ガス流路104からのアノード排ガスの一部を前記燃料流路102に循環させる循環流路、105は前記アノード排ガスの排出流量を制御する制御弁、106は循環流路103のアノード排ガスを燃料流路102に圧送する圧縮機である。図示しないが、燃料電池システムとしてはこれらの他に、燃料電池100に空気を供給する空気供給装置、燃料電池100を冷却するための冷却装置、燃料電池100の負荷や燃料電池100に供給される各流体の温度、圧力、流量を検知する検出装置、前記検出結果に基づいて制御弁105や圧縮機106を制御する制御装置などが備えられる。
【0022】
また、図中の記号αは燃料供給装置101から供給される水素ガスのストイキ、βは循環流量を含めた燃料電池100に実際に入る水素ストイキを意味している。よって循環流量はβ−α、循環以外に外部への排出される量はα−1である。
【0023】
この燃料電池システムの制御装置では、図2に示したように負荷に対するストイキの特性が満足されるように予め図3に示したように設定されたテーブルから循環ガス圧力値(基本値)を求め、この圧力値が達成されるように圧縮機106を駆動する。図4または図5に、アノード排ガスをすべて循環させた場合の前記各部流量(α,β,β−α)の関係の一例を示す。ただし図6は100%負荷での流量を1とした場合の前記各部流量の関係を表している。
【0024】
ただし、低負荷で水回収が開始されると、水回収時には供給ガスの圧力が高められるため、同じ質量流量を供給する場合には燃料電池内での流速が落ちることとなるのでフラッディングが発生しやすくなる。そこで、例えば水回収に係る制御系からの情報に基づいて水回収の開始を判定し、水回収時には循環流量を増量方向に補正する。これは、例えば図6に例示した特性で水素ストイキを増加させる補正にあたる。このとき、最初に循環部の圧縮機106によって循環流量β一αのみ増加させればよい。前記β−αの上限は循環流路103の容量と圧縮機106の能力により決まるので、それ以上のストイキにしたい場合には供給量αを増やす。また、燃料電池100から出てくる冷却媒体の温度が低い場合にも、圧力を上げた場合と同様に循環流量β−αを増加させる。これにより、供給ガスαに含まれる水蒸気が、水蒸気温度より低い燃料電池の流路内で結露することによるフラッディングの発生が抑制される。
【0025】
一方、制御装置は、図示しないフラッディング検出手段によりフラッディングを検出すると、圧縮機106によって、実際のストイキβが例えば10%増加するように循環流量β一αを増加させる。そして初期設定でストイキを増加させる必要のある低負荷域で運転されている場合に、全くフラッディングが検知されない場合、つまり安定して運転されている場合、所定時間経過する毎に、循環流量β一αを下限値(最小でゼロ)まで所定量ずつ減少させる。
【0026】
なお、前記フラッディング検出手段としては、例えば燃料電池100の各セル電圧を検出し、そのときの運転状態における平均セル電圧の80%以下となるセル電圧が存在した場合、フラッディング発生と判断し、循環流量β一αを増加させる。あるいは、フラッディング検出手段として、例えば燃料電池100の排出ガスの圧力を検出し、図7に示すように、前記排出ガスの圧力変動が所定の振幅以上または所定の周波数、例えば0.1〜数Hzであるときにフラッディング発生と判定する。
【0027】
図8は前記制御装置による処理内容例を時系列的に示したフローチャートである。この処理は、マイクロコンピュータ及びその周辺装置等からなる制御装置により、常時または割り込み処理により周期的に実行される。以下、順を追って説明する。
S201:
燃料電池の負荷を検出する。
S202:
負荷に応じて循環流量の基本値(初期値)を求める。これは、例えば既述した通り図2または図3に示したような特性に予め設定されたテーブルを参照して基準圧力を検索することで求められる。
S203:
水回収の有無を判定する。水回収の制御が行われていないときにはS216の処理に移る。
S204:
水回収時には前記基準圧力を増量方向に所定量だけ補正する。この補正処理は、前記S202で設定した値を操作して補正するほか、図6に示したように水回収時の制御値を負荷に応じて与えるように予め設定されたテーブルを検索することで実施するようにしてもよい。
S205:
フラッディングの発生を検出する。これは既述したように燃料電池スタックのセル電圧の変動や排出ガスの圧力変動状態から検出する。
S206:
前記検出結果に基づきフラッディングの有無を判定し、フラッディング発生時はS207に、非発生時はS208以降の処理に移る。
S207:
フラッディングが発生しているときには、前記S202またはS204で設定した循環流量を増量方向に例えば10%補正する。
S208:
流量補正後、基準時間が経過しているときはS209に、経過していないときにはS213以降の処理に移る。
S209〜S211:
基準時間が経過しているときには、前記S204で設定した循環流量を、前記基本値を下限として減少方向に補正する。
S212:
前記S207またはS209以降の処理で設定した循環流量が達成されるように圧縮機106に制御指令を発する。
S213:
燃料電池の負荷を検出する。
S214:
前記負荷に応じて循環流量の基本値を求める。
S215:
水回収運転が継続しているか判定を行い、水回収の制御が行われている場合には前記S205の処理に戻り、水回収の制御が終了している場合にはS216の処理に移る
S216:
前記S202もしくはS214で求めた基本値により循環流量が達成されるように圧縮機106に制御指令を発する。
【0028】
以上の処理の繰り返しにより、この燃料電池システムはフラッディングを起こさずに安定動作するぎりぎりのストイキで運転されることになり、圧縮機106等の駆動電力は必要最小限に抑制される。燃料供給装置が改質器である場合にも、改質器用の燃焼器へ供給する未反応の排気ガスも必要最低限にできるため、燃料消費が最小限に抑えられる。
【0029】
図9は本発明の第2の実施形態である。これは循環流路103と並列に、第2の圧縮機107と常閉の遮断弁108とを介装したブースタ回路109を形成し、フラッディング発生を検出したときには遮断弁108を開くと共に圧縮機107を駆動してアノード排ガスの循環流量を急速に増加させるようにしたものである。ブースタ回路109を設けたことにより、フラッディング発生をより速やかに解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池システムの第1の実施形態の要部概略構成図。
【図2】負荷と供給ガスのストイキ基本値との関係を示す特性線図。
【図3】負荷とガス圧力の基本値との関係を示す特性線図。
【図4】負荷に応じた各部流量の関係を示す第1の流量特性線図。
【図5】負荷に応じた各部流量の関係を示す第2の流量特性線図。
【図6】水回収運転時の負荷と目標ストイキ値の関係を示す特性線図。
【図7】フラッディング発生時の排出ガス圧力の変動状態の一例を表した説明図。
【図8】前記実施形態における制御装置の動作例を表す流れ図。
【図9】本発明による燃料電池システムの第2の実施形態の要部概略構成図。
【符号の説明】
100 燃料電池
101 燃料供給装置
102 燃料流路
103 循環流路
104 排ガス流路
105 制御弁
106 圧縮機
107 圧縮機
108 遮断弁
109 ブースタ回路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a fuel cell system suitable for mounting on a moving body such as a fuel cell vehicle.
[0002]
[Prior art and problems to be solved]
In order to suppress fuel consumption in a fuel cell system and improve the efficiency of the system, various types of systems that recirculate unreacted gas discharged from the fuel cell have been proposed. For example, in the one disclosed in JP-A-6-231786, the circulation flow rate of the unreacted gas is not simply changed according to only the load of the fuel cell, but is corrected by the density of the circulation gas, The blower is prevented from over-rotation and always operates stably. Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240220, the pressure at the compressor inlet is adjusted by a pressure regulating valve installed at the inlet of the circulation compressor so that the circulation flow rate does not fluctuate due to the pressure fluctuation of the circulation part due to the load fluctuation of the fuel cell. Adjustment is performed and control is performed to obtain a stable circulating flow rate. Moreover, in the thing of Unexamined-Japanese-Patent No. 9-213353, it has the structure which used the ejector as a pump for unreacted gas circulation, and in order to operate an ejector efficiently, the flow control valve was installed in the circulation part, and the fuel The circulation flow rate is corrected according to the battery load, and the system is controlled to operate efficiently. Thus, in the conventional fuel cell system, the anode electrode exhaust gas is circulated according to the load to increase the efficiency of the system, and the control method is optimized to achieve a stable operation.
[0003]
By the way, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, for example, in order to avoid clogging of the gas flow path due to water intrusion (hereinafter referred to as “flooding”) at low load, It is necessary to supply gas at a ratio of the amount of gas supplied to the amount of gas consumed by In the prior art, the circulation amount and discharge amount at low load can be set as initial values, but correction for the circulation part when flooding occurs during operation is not considered. If flooding occurs by reducing only the load without changing the supply gas flow rate or increasing only the gas supply flow rate without changing the load, the unreacted gas that increases relatively is discharged to the outside. The problem is that excess fuel gas is consumed because it has to be made and the fuel consumption of the system is deteriorated.
[0004]
In addition, in the polymer electrolyte fuel cell, the supply gas needs to be appropriately humidified, and further, the fuel supply device reforms the fuel such as hydrocarbon to provide a hydrogen-rich fuel gas. In the case of a quality device, pure water is also required for the reforming reaction. Recovering the pure water used for these from the cathode exhaust gas of the fuel cell can improve the efficiency of water use as a system, but the supply gas is often operated at a low pressure at low loads, which is necessary for operation. In order to reliably recover a large amount of pure water, it is necessary to perform a water recovery operation in which the pressure of the supply gas is raised for a predetermined time, and flooding is likely to occur unless the circulation amount is changed accordingly, or A problem arises in that efficiency is lowered due to a pressure difference between the anode and the cathode.
[0005]
The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and prevents the occurrence of flooding in the fuel cell system, and suppresses deterioration in fuel consumption caused by increasing fuel stoichiometry at low load as a flooding prevention measure. The purpose is that.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The first invention constitutes a fuel cell system including a circulation device that circulates part of the anode exhaust gas again to the anode electrode of the fuel cell, and a control device that controls the anode circulation flow rate by the circulation device. Further, the control device determines a load detection means for detecting a load of the fuel cell, a basic value setting means for setting a basic value of the anode circulation flow rate based on the load, and an implementation state of water recovery from the cathode electrode. Water recovery determination means, correction means for correcting the basic value of the anode circulation flow rate, and flooding detection means for detecting the flooding of the gas flow path, and the control device has a fuel cell with a low load. The basic value is corrected in the high flow rate direction when the water recovery operation is performed, and the basic value of the anode circulation flow rate is corrected in the decreasing direction when the flooding is not detected for the reference time or more during the correction. .
[0007]
In a second aspect of the invention, the control device of the first aspect of the invention is provided with a temperature detection device for detecting the operating temperature of the fuel cell, and the anode circulating flow rate is corrected in the higher flow rate direction as the operating temperature is lower. To do.
[0008]
In a third aspect of the invention, the control device according to any one of the aspects of the invention is configured to perform flooding detection after the anode circulation flow rate correction, and to correct the basic value in a high flow rate direction when the occurrence of flooding is detected .
[0012]
According to a fourth invention, in any one of the inventions described above, the booster circuit is provided in parallel with the circulation device, and the control device is configured to increase the anode circulation flow rate by the booster circuit when flooding is detected.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, the control device according to any one of the above aspects is configured such that the correction amount of the anode circulation flow rate is initially set to a low value, and the anode circulation flow rate is increased by a predetermined value every time flooding is detected. The circulator is controlled to minimize the flow rate.
[0014]
[Action / Effect]
According to each of the first and subsequent inventions, when the water recovery operation state is detected during low load operation of the fuel cell, the anode circulation flow rate is corrected in the high flow direction, and the stoichiometry of the fuel gas supplied to the fuel cell is corrected. Rises. For this reason, even if the pressure of the supply gas increases due to the water recovery operation, it is possible to suppress the occurrence of flooding , thereby stabilizing the operation of the fuel cell system and always maintaining the pressure balance between the anode and the cathode. Can be kept even. In addition, when the anode circulation flow rate is corrected in the high flow direction in this way and no flooding has occurred for a certain period of time, the anode circulation flow rate is reduced by reducing the basic value, so the burden on the circulation device is reduced accordingly, and the system Increases efficiency.
[0015]
According to the second invention, when the operating temperature of the fuel cell is low, the anode circulation flow rate is increased and corrected, so that flooding due to condensation of humidified steam that is likely to occur at low temperatures inside the fuel cell can be suppressed before it occurs. .
[0016]
According to the third invention, even if flooding occurs, the flooding is eliminated only by correcting the increase of the anode circulation flow rate, so that the operation can be continued without wastefully consuming fuel.
[0019]
According to the fourth aspect of the invention, the circulation flow rate can be increased rapidly by the booster, so that even if flooding occurs, this can be eliminated in a shorter time.
[0020]
According to the fifth aspect of the invention, the anode circulation flow rate is always controlled to be the minimum necessary for the lower limit value, so that the power consumption of the system can be suppressed and the efficiency can be further increased.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a main part of a fuel cell system according to the present invention. 100 is a fuel cell (fuel cell stack), 101 is a fuel supply device that supplies a hydrogen-rich fuel gas to the anode electrode side of the fuel cell 100 via the fuel channel 102, and 103 is an anode exhaust gas channel 104 of the fuel cell 100. A circulation flow path for circulating a part of the anode exhaust gas from the fuel flow path 102, 105 a control valve for controlling the discharge flow rate of the anode exhaust gas, and 106 pressure-feeding the anode exhaust gas of the circulation flow path 103 to the fuel flow path 102. This is a compressor. Although not shown, the fuel cell system is supplied to the fuel cell 100, an air supply device for supplying air to the fuel cell 100, a cooling device for cooling the fuel cell 100, the load of the fuel cell 100, and the fuel cell 100. A detection device that detects the temperature, pressure, and flow rate of each fluid, a control device that controls the control valve 105 and the compressor 106 based on the detection result, and the like are provided.
[0022]
Further, the symbol α in the figure means the stoichiometry of hydrogen gas supplied from the fuel supply device 101, and β means the hydrogen stoichiometry that actually enters the fuel cell 100 including the circulation flow rate. Therefore, the circulation flow rate is β-α, and the amount discharged outside the circulation is α-1.
[0023]
In this fuel cell system control device, the circulating gas pressure value (basic value) is obtained from a table set in advance as shown in FIG. 3 so that the stoichiometric characteristics with respect to the load are satisfied as shown in FIG. The compressor 106 is driven so that this pressure value is achieved. FIG. 4 or FIG. 5 shows an example of the relationship between the flow rates (α, β, β-α) when the anode exhaust gas is circulated. However, FIG. 6 shows the relationship between the flow rates of the respective parts when the flow rate at 100% load is 1.
[0024]
However, if water recovery is started at a low load, the pressure of the supply gas is increased at the time of water recovery, so that when the same mass flow rate is supplied, the flow rate in the fuel cell will decrease and flooding will occur. It becomes easy. Therefore, for example, the start of water recovery is determined based on information from a control system related to water recovery, and the circulation flow rate is corrected in the increasing direction during water recovery. This corresponds to correction for increasing the hydrogen stoichiometry with the characteristics illustrated in FIG. 6, for example. At this time, it is only necessary to first increase the circulation flow rate β 1 α by the compressor 106 of the circulation unit. Since the upper limit of β-α is determined by the capacity of the circulation flow path 103 and the capacity of the compressor 106, the supply amount α is increased in order to increase the stoichiometry. Even when the temperature of the cooling medium coming out of the fuel cell 100 is low, the circulation flow rate β-α is increased in the same manner as when the pressure is increased. As a result, the generation of flooding due to the condensation of the water vapor contained in the supply gas α in the flow path of the fuel cell lower than the water vapor temperature is suppressed.
[0025]
On the other hand, when the flooding is detected by a flooding detection unit (not shown), the control device causes the compressor 106 to increase the circulation flow rate β 1α so that the actual stoichiometric β increases by 10%, for example. When operating in a low load range where it is necessary to increase the stoichiometry in the initial setting, if no flooding is detected, that is, if the engine is operating stably, the circulation flow rate β is increased every time a predetermined time elapses. Reduce α by a predetermined amount to the lower limit (minimum zero).
[0026]
As the flooding detection means, for example, each cell voltage of the fuel cell 100 is detected, and when there is a cell voltage that is 80% or less of the average cell voltage in the operation state at that time, it is determined that flooding has occurred, Increase the flow rate β 1 α. Alternatively, as the flooding detection means, for example, the pressure of the exhaust gas of the fuel cell 100 is detected, and as shown in FIG. 7, the pressure fluctuation of the exhaust gas is not less than a predetermined amplitude or a predetermined frequency, for example, 0.1 to several Hz. Sometimes it is determined that flooding has occurred.
[0027]
FIG. 8 is a flowchart showing an example of processing contents by the control device in time series. This process is executed constantly or periodically by an interrupt process by a control device including a microcomputer and its peripheral devices. In the following, description will be given in order.
S201:
The load of the fuel cell is detected.
S202:
The basic value (initial value) of the circulation flow rate is obtained according to the load. This can be obtained, for example, by searching for a reference pressure with reference to a table set in advance as shown in FIG. 2 or FIG. 3 as described above.
S203:
Determine the presence or absence of water recovery. When water recovery control is not performed, the process proceeds to S216.
S204:
At the time of water recovery, the reference pressure is corrected by a predetermined amount in the increasing direction. In this correction process, the value set in S202 is corrected by operating, and a table set in advance so as to give a control value at the time of water recovery according to the load as shown in FIG. 6 is searched. You may make it implement.
S205:
Detect the occurrence of flooding. As described above, this is detected from the fluctuation of the cell voltage of the fuel cell stack or the pressure fluctuation state of the exhaust gas.
S206:
The presence / absence of flooding is determined based on the detection result. If flooding occurs, the process proceeds to S207, and if not, the process proceeds to S208 and subsequent steps.
S207:
When flooding occurs, the circulating flow rate set in S202 or S204 is corrected by 10%, for example, in the increasing direction.
S208:
After the flow rate correction, if the reference time has elapsed, the process proceeds to S209, and if not, the process proceeds to S213 and subsequent processes.
S209 to S211:
When the reference time has elapsed, the circulating flow rate set in S204 is corrected in the decreasing direction with the basic value as the lower limit.
S212:
A control command is issued to the compressor 106 so as to achieve the circulating flow rate set in the processing after S207 or S209.
S213:
The load of the fuel cell is detected.
S214:
A basic value of the circulation flow rate is obtained according to the load.
S215:
It is determined whether the water recovery operation is continued. If the water recovery control is performed, the process returns to the process of S205. If the water recovery control is completed, the process proceeds to S216. S216:
A control command is issued to the compressor 106 so that the circulating flow rate is achieved by the basic value obtained in S202 or S214.
[0028]
By repeating the above processing, the fuel cell system is operated at the last possible stoichiometric operation without causing flooding, and the driving power of the compressor 106 and the like is suppressed to a necessary minimum. Even when the fuel supply device is a reformer, unreacted exhaust gas to be supplied to the reformer combustor can be minimized, so that fuel consumption can be minimized.
[0029]
FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention. This forms a booster circuit 109 interposing a second compressor 107 and a normally closed shut-off valve 108 in parallel with the circulation flow path 103. When the occurrence of flooding is detected, the shut-off valve 108 is opened and the compressor 107 Is driven to rapidly increase the circulation flow rate of the anode exhaust gas. By providing the booster circuit 109, the occurrence of flooding can be eliminated more quickly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a load and a stoichiometric basic value of supply gas.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a load and a basic value of gas pressure.
FIG. 4 is a first flow rate characteristic diagram showing a relationship between flow rates of respective parts according to a load.
FIG. 5 is a second flow rate characteristic diagram showing the relationship between the flow rates of the respective parts according to the load.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a load and a target stoichiometric value during water recovery operation.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a variation state of exhaust gas pressure when flooding occurs.
FIG. 8 is a flowchart showing an operation example of the control device in the embodiment.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a main part of a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell 101 Fuel supply apparatus 102 Fuel flow path 103 Circulation flow path 104 Exhaust gas flow path 105 Control valve 106 Compressor 107 Compressor 108 Shut-off valve 109 Booster circuit

Claims (5)

アノード排ガスの一部を再度燃料電池のアノード極へ循環させる循環装置と、前記循環装置によるアノード循環流量を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷に基づいてアノード循環流量の基本値を設定する基本値設定手段と、カソード極からの水回収の実施状態を判定する水回収判定手段と、前記アノード循環流量の基本値を補正する補正手段と、ガス流路のフラッディングを検出するフラッディング検出手段とを備え
かつ前記制御装置は、燃料電池が低負荷運転される水回収実施時に前記基本値を高流量方向に補正すると共に、当該補正時にフラッディングが基準時間以上検出されなかったときに、アノード循環流量の基本値を減少方向に補正するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a circulation device for recirculating a part of the anode exhaust gas to the anode electrode of the fuel cell, and a control device for controlling the anode circulation flow rate by the circulation device,
The control device includes a load detection unit that detects a load of the fuel cell, a basic value setting unit that sets a basic value of an anode circulation flow rate based on the load, and a water that determines an implementation state of water recovery from the cathode electrode. A recovery determination unit, a correction unit that corrects the basic value of the anode circulation flow rate, and a flooding detection unit that detects flooding of the gas flow path ,
The control device corrects the basic value in the high flow rate direction when performing water recovery when the fuel cell is operated at a low load , and when the flooding is not detected for a reference time or more during the correction, the basic flow rate of the anode circulation flow is determined. A fuel cell system, wherein the value is corrected in a decreasing direction .
請求項1の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、燃料電池の運転温度を検出する温度検出装置を備え、前記運転温度が低いときほどアノード循環流量を高流量方向に補正する燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The said control apparatus is provided with the temperature detection apparatus which detects the operating temperature of a fuel cell, and is a fuel cell system which correct | amends an anode circulation flow rate to a high flow direction, so that the said operating temperature is low.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記アノード循環流量補正後にフラッディング検出を行い、フラッディング発生を検出した時には前記基本値を高流量方向に補正する燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The control device performs a flooding detection after correcting the anode circulation flow rate, and corrects the basic value in a high flow rate direction when the occurrence of flooding is detected .
請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
循環装置と並列にブースタ回路を備え、フラッディング検出時には前記ブースタ回路によりアノード循環流量を増大させるように制御装置を構成した燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 ,
A fuel cell system comprising a booster circuit in parallel with the circulation device, and a control device configured to increase the anode circulation flow rate by the booster circuit when flooding is detected.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記アノード循環流量の補正量を初めは低く設定し、フラッディングが検出される毎に所定の値ずつアノード循環流量を増大させ、常に循環流量を最小限とするように循環装置を制御する燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 ,
The control device initially sets the correction amount of the anode circulation flow rate low, increases the anode circulation flow rate by a predetermined value every time flooding is detected, and sets the circulation device to always minimize the circulation flow rate. Fuel cell system to control.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101416363B1 (en) * 2012-12-18 2014-07-08 현대자동차 주식회사 Full cell system and its operating method

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3815368B2 (en) * 2002-04-24 2006-08-30 日産自動車株式会社 Fuel cell system
JP4522097B2 (en) * 2003-04-16 2010-08-11 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell control method
JP4882198B2 (en) 2003-09-25 2012-02-22 日産自動車株式会社 Fuel cell system
JP4742564B2 (en) * 2004-11-05 2011-08-10 トヨタ自動車株式会社 FUEL CELL SYSTEM, ITS CONTROL DEVICE, CONTROL METHOD, AND COMPUTER PROGRAM
JP5119569B2 (en) * 2004-11-05 2013-01-16 株式会社Ihi Solid polymer fuel cell power generation method and apparatus
JP4940541B2 (en) * 2004-11-09 2012-05-30 日産自動車株式会社 Fuel cell system
FR2881577B1 (en) * 2005-02-01 2010-10-15 Renault Sas FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME
JP4877711B2 (en) 2005-08-04 2012-02-15 本田技研工業株式会社 Fuel cell system
JP2007048507A (en) * 2005-08-08 2007-02-22 Nippon Soken Inc Fuel cell system
JP5103783B2 (en) * 2006-04-28 2012-12-19 株式会社エクォス・リサーチ Fuel cell system and operation method thereof
JP5080793B2 (en) * 2006-12-05 2012-11-21 本田技研工業株式会社 Fuel cell system
JP5158407B2 (en) * 2007-04-18 2013-03-06 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and control method thereof
JP2008305702A (en) * 2007-06-08 2008-12-18 Toyota Motor Corp Fuel cell system
WO2010073383A1 (en) 2008-12-26 2010-07-01 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
WO2010073386A1 (en) 2008-12-26 2010-07-01 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP5310739B2 (en) * 2008-12-26 2013-10-09 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP5310738B2 (en) 2008-12-26 2013-10-09 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell moisture amount estimation device and fuel cell system
JP6809401B2 (en) * 2017-07-12 2021-01-06 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101416363B1 (en) * 2012-12-18 2014-07-08 현대자동차 주식회사 Full cell system and its operating method

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