JP5001540B2 - Fuel cell system and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、パージ時に燃料電池内の燃料ガスを所定濃度に維持する燃料電池システムおよびその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that maintains a fuel gas in a fuel cell at a predetermined concentration during purging and an operation method thereof.
燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムでは、水素ガス(燃料ガス)の使用効率を高めるために、燃料電池のアノード極から排出される未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させることが行われている。しかし、この種の燃料電池システムでは、水素を循環させているうちに燃料電池のカソード極に供給される空気(酸化剤ガス)中の窒素や、水素と酸素の電気化学反応により生成された水が、電解質膜を介してアノード極に透過し、アノード極の水素濃度が低下することで燃料電池の発電性能が低下する。このため、発電中にパージバルブを開いてアノード極内の窒素を排出する処理が行われるが、このとき水素も一緒に排出されるので、この水素を希釈器で空気と混合させて希釈して水素濃度が所定濃度を超えないようにして大気中に排出している。例えば、特許文献1では、燃料電池をパージする際のパージ量(水素排出量)は、希釈器の出口の水素濃度に基づいて制限処理を行い、水素濃度が高い場合には、パージバルブを開弁する時間を短縮するなどしてパージ量を制限している。
しかし、従来の燃料電池システムでは、大気中に排出される水素濃度が所定濃度を超えないようにするために、発電電流に基づいてパージ量を算出することでパージバルブの開弁時間を制限していた。このように発電電流に基づいてパージ量を制限すると、発電電流の応答性が高いため、例えば、高負荷で発電中にパージが実行されている途中で低負荷に移行したときにパージ量が直ちに小さい値に持ち替えられて、不純物の排出が過剰に抑制されていた。その結果、燃料電池内の水素濃度の回復が充分に図れず、発電安定性が損なわれるという問題があった。 However, in the conventional fuel cell system, the purge valve opening time is limited by calculating the purge amount based on the generated current so that the hydrogen concentration discharged into the atmosphere does not exceed a predetermined concentration. It was. When the purge amount is limited based on the generated current in this way, the responsiveness of the generated current is high. For example, when the purge is executed during power generation with a high load, the purge amount is immediately By changing to a smaller value, the emission of impurities was excessively suppressed. As a result, there is a problem that the hydrogen concentration in the fuel cell cannot be sufficiently recovered and the power generation stability is impaired.
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、パージ中に発電電流が変動したとしても適切なパージ量でパージすることができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system that can be purged with an appropriate purge amount even if the generated current fluctuates during the purge, and an operating method thereof. .
本発明の燃料電池システムは、アノード極に供給される燃料ガスとカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノード極に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環配管と、前記燃料ガス循環配管と接続され、前記燃料電池のアノード極から排出された燃料オフガスが通流する燃料ガス排出配管と、前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給配管と、前記燃料電池のカソード極から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤ガス排出配管と、前記酸化剤ガス供給配管と接続され、前記燃料電池のカソード極に供給される前の前記酸化剤ガスが通流する希釈配管と、前記燃料ガス排出配管、前記希釈配管および前記酸化剤ガス排出配管と接続され、前記燃料ガス排出配管からの前記燃料オフガスを、前記希釈配管からの前記酸化剤ガスおよび前記酸化剤ガス排出配管からの前記酸化剤オフガスと混合して排出する希釈器と、前記燃料電池および前記希釈配管に供給される前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池に対するパージ量の上限値を算出するパージ可能量決定手段と、前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ量を算出するパージ要求量決定手段と、前記パージ可能量決定手段または前記パージ要求量決定手段が算出したパージ量に基づいてパージ処理を実行するパージ実行手段と、を備え、前記パージ可能量決定手段は、前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記酸化剤ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量検出手段が検出した前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段が検出した前記酸化剤ガスの温度に基づいてパージ可能量を算出するパージ可能量算出手段と、を備えることを特徴とするものである。
なお、後記する実施形態において、水素排出配管22が燃料ガス排出配管に相当し、空気供給配管31が酸化剤ガス供給配管に相当し、空気排出配管32が酸化剤ガス排出配管に相当し、アノードオフガスが燃料オフガスに相当し、カソードオフガスが酸化剤オフガスに相当する。
The fuel cell system of the present invention has a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode and an oxidant gas supplied to the cathode electrode, and circulates the fuel gas to the anode electrode of the fuel cell. A fuel gas circulation pipe, a fuel gas discharge pipe connected to the fuel gas circulation pipe and through which the fuel off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell flows, and an oxidant gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell Is connected to the oxidant gas supply pipe through which the oxygen gas flows, the oxidant gas discharge pipe through which the oxidant off-gas discharged from the cathode electrode of the fuel cell flows, and the oxidant gas supply pipe. The fuel pipe is connected to the dilution pipe through which the oxidant gas before being supplied to the electrode flows, the fuel gas discharge pipe, the dilution pipe and the oxidant gas discharge pipe. A diluter that mixes and discharges the fuel off-gas from the discharge pipe with the oxidant gas from the dilution pipe and the oxidant off-gas from the oxidant gas discharge pipe, and supplies to the fuel cell and the dilution pipe A purgeable amount determining means for calculating an upper limit value of the purge amount for the fuel cell based on the flow rate of the oxidant gas, and a purge request for calculating a purge amount necessary for maintaining the concentration of the fuel gas in the fuel cell An amount determining means; and a purge executing means for executing a purging process based on the purge amount calculated by the purgeable amount determining means or the purge request amount determining means , wherein the purgeable amount determining means comprises the oxidant A flow rate detecting means for detecting a flow rate of the gas; a temperature detecting means for detecting the temperature of the oxidant gas; and a flow of the oxidant gas detected by the flow rate detecting means. And it is characterized in that and a purge can amount calculating means for calculating a purge possible amount based on the temperature of the oxidant gas by the temperature detecting means has detected.
In the embodiment described later, the
本発明によれば、パージ量を酸化剤ガスの流量に基づいて制御することで、例えばパージ中に発電電流が低下したとしても、酸化剤ガスの流量の減少速度が発電電流の減少速度よりもゆるやかに変化するため、パージ量の上限値が急激に低下することがなくなり、パージ量の上限値を従来よりも高く設定することが可能になる。
また、流量検出手段によって酸化剤ガスの流量を正確に検出できるので、パージ可能量を適切に算出することが可能になる。
また、さらに温度を加味してパージ可能量を算出することで、パージ可能量を高精度に算出することが可能になる。
According to the present invention, by controlling the purge amount based on the flow rate of the oxidant gas, for example, even if the generated current decreases during the purge, the decrease rate of the flow rate of the oxidant gas is higher than the decrease rate of the generated current. Since it changes gradually, the upper limit value of the purge amount does not drop rapidly, and the upper limit value of the purge amount can be set higher than the conventional value.
Further, since the flow rate of the oxidant gas can be accurately detected by the flow rate detection means, the purgeable amount can be calculated appropriately.
Further, by calculating the purgeable amount in consideration of the temperature, the purgeable amount can be calculated with high accuracy.
この場合、前記流量検出手段は、前記酸化剤ガス供給配管と前記希釈配管との分岐より上流側の前記酸化剤ガスの流量を検出することが好ましい。 In this case, the flow rate detecting means preferably detects the flow rate of the oxidant gas upstream of the branch of the dilution pipe and the oxidant gas supply pipe.
本発明の燃料電池システムの運転方法は、アノード極に供給される燃料ガスとカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノード極に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環配管と、前記燃料ガス循環配管と接続され、前記燃料電池のアノード極から排出された燃料オフガスが通流する燃料ガス排出配管と、前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給配管と、前記燃料電池のカソード極から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤ガス排出配管と、前記酸化剤ガス供給配管と接続され、前記燃料電池のカソード極に供給される前の前記酸化剤ガスが通流する希釈配管と、前記燃料ガス排出配管、前記希釈配管および前記酸化剤ガス排出配管と接続され、前記燃料ガス排出配管からの前記燃料オフガスを、前記希釈配管からの前記酸化剤ガスおよび前記酸化剤ガス排出配管からの前記酸化剤オフガスと混合して排出する希釈器と、前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記酸化剤ガスの温度を検出する温度検出手段と、制御手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記制御手段は、前記燃料電池および前記希釈配管に供給される前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池におけるパージ量の上限値を算出し、この上限値に基づいてパージ処理を実行すること、または、前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ要求量を算出し、このパージ要求量に基づいてパージ処理を実行するステップと、前記流量検出手段が検出した前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段が検出した前記酸化剤ガスの温度に基づいてパージ可能量を算出するステップと、を含むことを特徴とするものである。 An operation method of a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electricity by a reaction between a fuel gas supplied to an anode electrode and an oxidant gas supplied to a cathode electrode, and a fuel gas to the anode electrode of the fuel cell. A fuel gas circulation pipe that circulates the fuel gas, a fuel gas discharge pipe that is connected to the fuel gas circulation pipe and through which the fuel off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell flows, and is supplied to the cathode electrode of the fuel cell An oxidant gas supply pipe through which an oxidant gas flows, an oxidant gas discharge pipe through which an oxidant off-gas discharged from the cathode of the fuel cell flows, and the oxidant gas supply pipe are connected to the fuel. The dilution pipe through which the oxidant gas before being supplied to the cathode electrode of the battery flows, and the fuel gas discharge pipe, the dilution pipe and the oxidant gas discharge pipe are connected, The fuel off-gas from the serial fuel gas discharge pipe, and a diluter for discharging mixed with the oxidant-off gas from the oxidant gas and the oxidizing gas discharge pipe from the dilution pipe, the flow rate of the oxidant gas a flow rate detecting means for detecting a temperature detecting means for detecting a temperature of the oxidant gas, and a control means and the operating method of the fuel cell system wherein the control means, the fuel cell and the dilution An upper limit value of the purge amount in the fuel cell is calculated based on the flow rate of the oxidant gas supplied to the pipe, and a purge process is executed based on the upper limit value, or the fuel gas in the fuel cell calculating the purge request amount required for concentration maintenance, performing a purge process based on the purge demand, the flow rate of the oxidant gas, wherein the flow rate detecting means detects Oyo It is characterized in that comprises the steps of: calculating a purge possible amount based on the temperature of the oxidant gas by the temperature detecting means has detected.
本発明によれば、パージ量を酸化剤ガスの流量に基づいて制御することで、パージ中に発電電流が低下したとしても、酸化剤ガスの流量の減少速度が発電電流の減少速度よりも遅いため、パージ量の上限値を従来よりも高く設定することが可能になる。
また、酸化剤ガスの流量を正確に検出できるので、パージ可能量を適切に算出することが可能になる。
また、さらに温度を加味してパージ可能量を算出することで、パージ可能量を高精度に算出することが可能になる。
According to the present invention, by controlling the purge amount based on the flow rate of the oxidant gas, even if the generated current decreases during the purge, the rate of decrease in the flow rate of the oxidant gas is slower than the rate of decrease in the generated current. For this reason, the upper limit value of the purge amount can be set higher than the conventional value.
Further, since the flow rate of the oxidant gas can be accurately detected, the purgeable amount can be calculated appropriately.
Further, by calculating the purgeable amount in consideration of the temperature, the purgeable amount can be calculated with high accuracy.
この場合、前記流量検出手段は、前記酸化剤ガス供給配管と前記希釈配管との分岐よりも上流側の前記酸化剤ガスの流量を検出することが好ましい。 In this case, the flow rate detecting means, it is preferable to detect the flow rate of the oxidant gas upstream of the branch of the dilution pipe and the oxidant gas supply pipe.
本発明の燃料電池システムおよびその運転方法によれば、パージ処理と発電電電流の変動のタイミングとが重なった場合でも、パージ量を過剰に制限せずに適切な量でパージすることが可能になる。 According to the fuel cell system and the operation method of the present invention, even when the purge process and the timing of fluctuation of the generated current overlap, it is possible to purge with an appropriate amount without limiting the purge amount excessively. Become.
図1は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図2はパージ処理を示すフローチャート、図3はパージ可能量を決定するためのマップ、図4はパージ要求量を決定するためのマップ、図5はパージ可能量の変化を示すタイムチャートである。なお、以下では、燃料電池電気自動車などの車両に搭載された燃料電池システムを例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などに搭載された燃料電池システムにも適用できる。 1 is an overall configuration diagram showing the fuel cell system of the present embodiment, FIG. 2 is a flowchart showing a purge process, FIG. 3 is a map for determining a purgeable amount, and FIG. 4 is a map for determining a purge request amount. FIG. 5 is a time chart showing changes in the purgeable amount. In the following, a fuel cell system mounted on a vehicle such as a fuel cell electric vehicle will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the fuel cell system mounted on a ship, an aircraft, etc. Applicable.
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池FC、アノード系20、カソード系30、希釈系40、ECU50などを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the
前記燃料電池FCは、一価の陽イオン交換型の高分子電解質膜(以下、「電解質膜」という)11の一面側をアノード極12、他面側をカソード極13で挟んで構成された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、この膜電極接合体の両面を挟む導電性のセパレータ(図示せず)とから成る単セルが、複数積層された構造となっている。なお、図1では、単セルの構成を図示しているが、実際にはこの単セルを直列に複数接続した構成となっている。この燃料電池FCのアノード極12に燃料ガスとしての水素が、カソード極13に酸化剤ガスとしての空気(酸素)がそれぞれ供給されることで、水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。発電によって取り出される発電電流の電流値は、電流センサ51によって検出される。
The fuel cell FC includes a monovalent cation exchange type polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) 11 having one surface side sandwiched between an
前記アノード系20は、燃料電池FCのアノード極12に水素を供給し且つアノード極12から水素を排出するものであり、水素供給配管21、水素排出配管22、高圧水素タンク23、遮断弁24、水素循環系25、パージバルブ28、温度センサ29などを備えて構成されている。
The
前記水素供給配管21は、その一端が燃料電池FCのアノード極12の入口側a1に接続され、他端が高圧水素タンク23と接続されている。水素排出配管22は、その一端がアノード極12の出口側a2に接続され、他端が希釈系40と接続されている。
One end of the
前記高圧水素タンク23は、高純度の水素を非常に高い圧力(例えば、35MPa≒350気圧)で充填可能な容器である。遮断弁24は、燃料電池FCへの水素の供給を遮断可能な弁であり、高圧水素タンク23の下流側に設けられている。なお、この遮断弁24は、高圧水素タンク23と一体に設けられたインタンク式のものであってもよい。
The high-
前記水素循環系25は、燃料電池FCのアノード極12の出口側a2から排出された水素を入口側a1に再び戻して循環させるものであり、エゼクタ26および水素循環配管(燃料ガス循環路)27により構成されている。エゼクタ26は、水素供給配管21に設けられ、水素循環配管27は、その一端がエゼクタ26に接続され、他端が水素排出配管22のパージバルブ28の上流側に接続されている。
The
前記パージバルブ28は、水素排出配管22の流路を遮断可能な弁であり、後記するECU50によって開閉動作が制御される。
The
前記温度センサ29は、パージバルブ28を通って排出されたアノードオフガスの温度を検出するものであり、水素排出配管22に設けられている。
The
なお、図示していないが、前記アノード系20には、高圧水素タンク23から放出された高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
Although not shown, the
前記カソード系30は、燃料電池FCのカソード極13に空気を供給し且つカソード極13から空気を排出するものであり、空気供給配管31、空気排出配管32、エアコンプレッサ33、温度センサ34、流量センサ35などで構成されている。
The
前記空気供給配管31は、その一端が燃料電池FCのカソード極13の入口側c1に接続され、他端がエアコンプレッサ33に接続されている。空気排出配管32は、その一端がカソード極13の出口側c2に接続され、他端が希釈系40に接続されている。
One end of the
前記エアコンプレッサ33は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、圧縮した空気(外気)を、空気供給配管31を介して燃料電池FCに供給するものである。なお、空気供給配管31には、燃料電池FCのカソード極13に供給する空気を加湿するための加湿器(図示せず)、空気排出配管32には、カソード系30の圧力を制御するためのエア背圧弁(図示せず)などが設けられている。
The
前記温度センサ34は、空気供給配管31に設けられ、エアコンプレッサ33から供給される空気(エア)の温度を検出するものである。流量センサ35は、空気供給配管31に設けられ、エアコンプレッサ33から供給される空気の流量(エア流量)を検出するものである。
The
前記希釈系40は、希釈配管41、希釈器42などで構成されている。希釈配管41は、その一端が空気供給配管31の加湿器(図示せず)の上流側に接続され、他端が希釈器42に接続されている。希釈器42は、アノード極12から排出された水素を所定値以下の水素濃度に希釈して大気中に排出するものであり、水素排出配管22を介して排出されたアノードオフガス(水素+窒素+水など)と希釈配管41を介して排出された乾燥空気とを混合し、この混合された混合ガスを、空気排出配管32を介して排出されたカソードオフガスとさらに混合して大気中に排出するように構成されている。
The
なお、図示していないが、この燃料電池システム1には、燃料電池FCが発電に伴って発生した熱を大気中に放出する冷却系が設けられている。この冷却系は、冷却媒体循環配管、ラジエタ、循環ポンプなどで構成されている。
Although not shown, the
前記ECU50は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、空気(エア)の流量情報に基づいてパージ可能量(パージ量の上限値)を算出するパージ可能量算出手段、水素濃度の維持に必要なパージ量(パージ要求量)を算出するパージ要求量決定手段、およびパージ処理を実行するためのパージ実行手段を備えている。
The
パージ可能量は、図3に示すマップと流量センサ35から入力されるエア流量情報に基づいて決定される。また、図3のマップでは、一点鎖線で示すように、温度センサ34から入力されるエアの温度(T2)情報に基づいて、パージ可能量を補正することができる。このように、温度センサ34からの温度(T2)情報を利用することにより、パージ可能量を高精度に制御することが可能になる。
The purgeable amount is determined based on the map shown in FIG. 3 and the air flow rate information input from the
パージ要求量は、図4に示すマップと電流センサ51から入力される発電電流情報に基づいて決定される。また、図4のマップでは、一点鎖線で示すように、温度センサ29から入力されるアノードオフガス(水素+窒素+水など)の温度(T1)情報に基づいて、パージ要求量を補正することができる。このように、温度センサ29からの温度(T1)情報を利用することによりパージ要求量を高精度に制御することが可能になる。
The purge request amount is determined based on the map shown in FIG. 4 and the generated current information input from the
また、ECU50は、遮断弁24、パージバルブ28、温度センサ29,34、エアコンプレッサ33、流量センサ35、電流センサ51と電気的に接続され、遮断弁24およびパージバルブ28の開閉動作、エアコンプレッサ33のモータの回転数(回転速度)を制御し、温度センサ29,34からの温度情報、流量センサ35からのエア流量情報、電流センサ51からの発電電流情報をそれぞれ取得する。
The
次に、本実施形態の燃料電池システム1の運転動作について図2ないし図5を中心に参照しながら説明する。
運転者が車両のイグニッションスイッチをオンにすると、ECU50は、遮断弁24を開弁するとともに、エアコンプレッサ33を駆動する。これにより、高圧水素タンク23内の水素が水素供給配管21を介して燃料電池FCのアノード極12に供給され、エアコンプレッサ33の駆動により、空気供給配管31を介して、加湿器(図示せず)によって加湿された空気が燃料電池FCのカソード極13に供給される。これにより、燃料電池FC内において水素と加湿空気中の酸素とが電気化学反応することにより発電が行われ、走行モータ(図示せず)などの負荷に電力(発電電流)が供給される。
Next, the operation of the
When the driver turns on the ignition switch of the vehicle, the
ところで、このようにして燃料電池FCの発電が継続されると、アノード系20では水素を循環利用していることから、カソード極13の空気中に含まれる窒素、カソード極13で生成された水などの不純物が、電解質膜11を介してアノード極12に透過し、アノード極12内の水素濃度が低下する。その結果、燃料電池FCの発電性能が低下する。このため、パージバルブ28を必要に応じて開弁して、アノード極12の不純物を排出するとともに、高圧水素タンク23から新たに水素をアノード極12に送り込むことで、アノード極12内の水素濃度を所望の濃度に維持するようにしている。
By the way, when the power generation of the fuel cell FC is continued in this way, the
以下、燃料電池FCのパージ処理について説明する。図2に示すように、まず、ECU50は、ステップS1(パージ可能量算出手段)で、図3に示すパージ可能量を求めるマップに基づいて、流量センサ35から得られるエア流量と温度センサ34から得られる温度T2とからパージ量を算出し、これをパージ可能量とする。そして、ECU50は、ステップS2で、パージバルブ28が開弁しているか否かを判断し、パージバルブ28が開弁していない場合には(No)、ステップS8に進み、パージ要求量を0(ゼロ)とする。
Hereinafter, the purge process of the fuel cell FC will be described. As shown in FIG. 2, first, the
また、ECU50は、ステップS2で、パージバルブ28が開弁していると判断した場合には(Yes)、ステップS3(パージ要求量決定手段)で、図4に示すパージ要求量を求めるマップに基づいて、電流センサ51から得られる電流情報(電流値A)と温度センサ29から得られる温度T1とからパージ量を算出し、これをパージ要求量とする。
If the
そして、ECU50は、ステップS4において、パージ要求量がパージ可能量より多いか否かを判断し、パージ要求量がパージ可能量より多いと判断した場合には(Yes)、ステップS5で、パージ要求量をパージ可能量に置き換え、ステップS6で、パージ実行量がパージ可能量に達したか否かを判断する。また、ECU50が、ステップS4で、パージ要求量がパージ可能量以下であると判断した場合には(No)、パージ要求量をパージ可能量に置き換えずにそのままステップS6に進み、パージ実行量がパージ要求量に達したか否かを判断する。つまり、ステップS4においてパージ要求量がパージ可能量以下の場合には(No)、ステップS3で算出されたパージ要求量を超えない量のパージ量が設定される。ステップS6では、パージ実行量がパージ可能量に至るまで、または、パージ実行量がパージ要求量に至るまでこの処理を繰り返し、パージ実行量がパージ可能量に至った場合、または、パージ実行量がパージ要求量に至った場合には、ステップS7でパージバルブ28を閉弁する。
In step S4, the
さらに、本実施形態の燃料電池システム1の動作について、図5のタイムチャートを参照し、比較例と対比しながら詳述する。なお、図5の比較例(従来の制御)は、発電電流に基づいてパージ量を制御した場合である。
Furthermore, the operation of the
まず、パージ中に発電電流が変化しない場合について説明する。時刻t1〜t2においては、発電電流は一定であるので、エア流量によって設定されたパージ可能量(実施例)と、発電電流によって設定されたパージ可能量(比較例)は、どちらも同じとなり、パージ実行量が発電電流に基づいて設定されたパージ要求量となる。すなわち、パージバルブ28がいずれも同じ時間開弁して、パージ実行量がパージ可能量に至った時点でパージバルブ28を閉じてパージ処理を終了することで、パージ要求量と同じ量のアノードオフガスが排出されることとなる。
First, a case where the generated current does not change during the purge will be described. Since the generated current is constant at times t1 to t2, the purgeable amount set by the air flow rate (Example) and the purgeable amount set by the generated current (Comparative Example) are both the same. The purge execution amount becomes the purge request amount set based on the generated current. That is, the
一方、図5の時刻t3〜t6では、パージ開始のタイミングと同時に発電電流が低下した場合であり、実施例では、パージ可能量がエア流量に基づいて制限され、比較例では、パージ可能量が発電電流に基づいて制限される。このように、パージ可能量をエア流量に基づいて制限することで、パージ可能量が発電電流の低下(傾き大)に比べてゆっくりと低下(傾き小)するので、パージ可能量(パージ量の上限値)を、発電電流に基づいて制限する場合と比べてより高く設定することが可能になる。すなわち、実施例では、パージバルブ28の開弁時間がTm1(時刻t3〜t5)となり、比較例では、パージバルブ28の開弁時間がTm3(時刻t3〜t4)となるので、実施例では、比較例よりも差分Δ1だけ長い時間、パージバルブ28を開弁させておくことができる。したがって、実施例では、パージ実行量を、パージ要求量により近づけることが可能になり、その結果、パージ量が過剰に制限されるといった不都合を解消することができる。
On the other hand, at times t3 to t6 in FIG. 5, the generated current decreases simultaneously with the purge start timing. In the embodiment, the purgeable amount is limited based on the air flow rate, and in the comparative example, the purgeable amount is Limited based on generated current. In this way, by limiting the purgeable amount based on the air flow rate, the purgeable amount decreases slowly (small slope) compared to the decrease in generated current (large slope). It is possible to set the upper limit value higher than when limiting based on the generated current. That is, in the embodiment, the opening time of the
また、図5の時刻t7〜t10では、パージ開始後しばらく経過してからのパージ中に発電電流が低下した場合であり、前記と同様に、パージバルブ28の開弁時間がTm2(時刻t7〜t9)となり、比較例では、パージバルブ28の開弁時間がTm4(時刻t7〜t8)となるので、実施例では、比較例よりも差分Δ2だけ長い時間、パージバルブ28を開弁させることが可能になる。したがって、この場合もパージ実行量を、パージ要求量により近づけることが可能になり、パージ量が過剰に制限されるのを防止できるようになる。
Further, at time t7 to t10 in FIG. 5, the generated current is reduced during the purge after a while after the purge is started, and the opening time of the
また、前記とは逆に、パージ中に発電電流が低負荷から高負荷に変動する場合にも、エア流量に基づいてパージ可能量を算出することにより、直ちに少量のパージ量から多量のパージ量に持ち替えられることがないので、パージ処理が過剰に行われる(パージバルブ28が長い時間開弁する)のを防止できる。
Contrary to the above, even when the generated current fluctuates from low load to high load during purging, the purgeable amount is calculated based on the air flow rate, so that a small purge amount can be quickly increased to a large purge amount. Therefore, it is possible to prevent the purge process from being performed excessively (the
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、温度センサ29,34をどちらか一方の温度センサに統一して制御を行ってもよい。また、前記した各マップは、一例であり、マップに替えて関数やテーブルを用いてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the
1 燃料電池システム
26 エゼクタ
27 水素循環配管(燃料ガス循環流路)
28 パージバルブ
34 温度センサ(温度検出手段)
35 流量センサ(流量検出手段)
41 希釈配管(希釈手段)
42 希釈器(希釈手段)
50 ECU
FC 燃料電池
1
28
35 Flow rate sensor (flow rate detection means)
41 Dilution piping (dilution means)
42 Diluter (dilution means)
50 ECU
FC fuel cell
Claims (4)
前記燃料電池のアノード極に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環配管と、
前記燃料ガス循環配管と接続され、前記燃料電池のアノード極から排出された燃料オフガスが通流する燃料ガス排出配管と、
前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給配管と、
前記燃料電池のカソード極から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤ガス排出配管と、
前記酸化剤ガス供給配管と接続され、前記燃料電池のカソード極に供給される前の前記酸化剤ガスが通流する希釈配管と、
前記燃料ガス排出配管、前記希釈配管および前記酸化剤ガス排出配管と接続され、前記燃料ガス排出配管からの前記燃料オフガスを、前記希釈配管からの前記酸化剤ガスおよび前記酸化剤ガス排出配管からの前記酸化剤オフガスと混合して排出する希釈器と、
前記燃料電池および前記希釈配管に供給される前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池に対するパージ量の上限値を算出するパージ可能量決定手段と、
前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ量を算出するパージ要求量決定手段と、
前記パージ可能量決定手段または前記パージ要求量決定手段が算出したパージ量に基づいてパージ処理を実行するパージ実行手段と、を備え、
前記パージ可能量決定手段は、
前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記酸化剤ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量検出手段が検出した前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段が検出した前記酸化剤ガスの温度に基づいてパージ可能量を算出するパージ可能量算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by a reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode and an oxidant gas supplied to the cathode electrode;
Fuel gas circulation piping for circulating fuel gas to the anode of the fuel cell;
A fuel gas discharge pipe connected to the fuel gas circulation pipe and through which the fuel off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell flows;
An oxidant gas supply pipe through which an oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell flows;
An oxidant gas discharge pipe through which an oxidant off-gas discharged from the cathode of the fuel cell flows;
A dilution pipe that is connected to the oxidant gas supply pipe and through which the oxidant gas flows before being supplied to the cathode of the fuel cell;
Connected to the fuel gas discharge pipe, the dilution pipe and the oxidant gas discharge pipe, the fuel off-gas from the fuel gas discharge pipe is supplied from the oxidant gas and the oxidant gas discharge pipe from the dilution pipe. A diluter for mixing and discharging with the oxidant off-gas;
A purgeable amount determining means for calculating an upper limit value of a purge amount for the fuel cell based on a flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell and the dilution pipe;
A purge request amount determining means for calculating a purge amount necessary for maintaining the concentration of the fuel gas in the fuel cell;
Purge execution means for executing a purge process based on the purge amount calculated by the purgeable amount determination means or the purge request amount determination means ,
The purgeable amount determining means includes
Flow rate detection means for detecting the flow rate of the oxidant gas;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the oxidant gas;
And a purgeable amount calculating means for calculating a purgeable amount based on the flow rate of the oxidant gas detected by the flow rate detection means and the temperature of the oxidant gas detected by the temperature detection means. Fuel cell system.
前記制御手段は、
前記燃料電池および前記希釈配管に供給される前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池におけるパージ量の上限値を算出し、この上限値に基づいてパージ処理を実行すること、または、前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ要求量を算出し、このパージ要求量に基づいてパージ処理を実行するステップと、
前記流量検出手段が検出した前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段が検出した前記酸化剤ガスの温度に基づいてパージ可能量を算出するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A fuel cell that generates electric power by a reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode and an oxidant gas supplied to the cathode electrode; a fuel gas circulation pipe that circulates the fuel gas to the anode electrode of the fuel cell; and the fuel A fuel gas discharge pipe connected to a gas circulation pipe through which fuel off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell flows, and an oxidant gas supply through which an oxidant gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell flows A pipe, an oxidant gas discharge pipe through which an oxidant off-gas discharged from the cathode electrode of the fuel cell flows, and the oxidant gas supply pipe, and before being supplied to the cathode electrode of the fuel cell The dilution pipe through which the oxidant gas flows, the fuel gas discharge pipe, the dilution pipe, and the oxidant gas discharge pipe are connected, and the fuel off from the fuel gas discharge pipe is connected. A scan, the diluter for discharging mixed with the oxidant-off gas from the oxidant gas and the oxidizing gas discharge pipe from the dilution pipe, and the flow rate detecting means for detecting the flow rate of the oxidant gas, wherein A temperature detecting means for detecting the temperature of the oxidant gas, and a control means.
Wherein,
An upper limit value of a purge amount in the fuel cell is calculated based on the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell and the dilution pipe, and a purge process is executed based on the upper limit value, or the fuel Calculating a required purge amount necessary for maintaining the concentration of the fuel gas in the battery, and performing a purge process based on the purge required amount ;
And calculating a purgeable amount based on the flow rate of the oxidant gas detected by the flow rate detection means and the temperature of the oxidant gas detected by the temperature detection means . how to drive.
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