JP5136874B2 - Fuel cell system and exhaust valve abnormality determination method - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及び排気弁の異常判定方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and an exhaust valve abnormality determination method.

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、循環流路に接続した排出流路に排気弁を設け、この排気弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガスを一定時間毎に排出する技術（パージ技術）が提案されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) has been proposed and put into practical use. Impurities such as nitrogen and carbon monoxide accumulate over time in the fuel cell of such a fuel cell system and in the circulation path of the fuel off gas with power generation. In order to discharge such impurities to the outside, an exhaust valve is provided in the exhaust flow path connected to the circulation flow path, and the exhaust valve is controlled to open and close to exhaust the gas in the circulation flow path at regular intervals. A technique for purging (purge technique) has been proposed.

現在においては、燃料電池システムの燃料供給流路（水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すため流路）におけるガス流量やガス圧力に基づいて、前記した排気弁の開閉異常を判定する技術が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
特開２００４−３１９３３２号公報 特開２００３−９２１２５号公報 At present, based on the gas flow rate and gas pressure in the fuel supply channel of the fuel cell system (the channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source such as a hydrogen tank to the fuel cell), the exhaust valve described above Have been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
JP 2004-319332 A JP 2003-92125 A

ところで、近年においては、燃料電池システムの燃料供給流路に、機械式可変レギュレータ等の可変ガス供給装置を設けることにより、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力をシステムの運転状態に応じて変化させる技術が提案されている。   By the way, in recent years, by providing a variable gas supply device such as a mechanical variable regulator in the fuel supply passage of the fuel cell system, the supply pressure of the fuel gas from the fuel supply source changes according to the operating state of the system. Techniques to make it have been proposed.

前記したような可変ガス供給装置を採用した場合には、燃料電池に供給される燃料ガスの状態量（圧力、流量、温度等）が逐次変化することとなる。従って、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて前記特許文献１や前記特許文献２に記載されたような技術を採用するだけでは、排気弁の開閉異常を精確に判定することが困難であった。   When the variable gas supply apparatus as described above is employed, the state quantities (pressure, flow rate, temperature, etc.) of the fuel gas supplied to the fuel cell are successively changed. Therefore, it is difficult to accurately determine whether the exhaust valve is open or closed simply by adopting the technology described in Patent Document 1 or Patent Document 2 in the fuel cell system including the variable gas supply device. It was.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁の開閉異常の誤判定を抑制することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to suppress erroneous determination of an abnormal opening / closing of an exhaust valve in a fuel cell system provided with a variable gas supply device.

前記目的を達成するため、本発明に係る第１の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムであって、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化を考慮して排気弁の開閉異常を判定する排気異常判定手段を備えるものである。   In order to achieve the above object, a first fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and the supply channel. A variable gas supply device that adjusts the gas state on the upstream side and supplies it to the downstream side, a discharge channel for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and a gas in the discharge channel for discharging to the outside And an exhaust abnormality determining means for determining whether the exhaust valve is open or closed in consideration of a change in the gas supply state from the variable gas supply device.

また、本発明に係る第２の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムであって、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、排気弁の開放指令時点から排気量算出手段で算出される排気量の変化に基づいて排気弁の開閉異常を判定する排気異常判定手段と、を備えるものである。   Further, the second fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a gas state upstream of the supply channel. A variable gas supply device that adjusts and supplies the gas to the downstream side, a discharge passage for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside, An exhaust amount calculation means for calculating an exhaust amount from the exhaust valve based on time integration of a change in the gas supply state from the variable gas supply device, and an exhaust gas from an exhaust valve opening command time Exhaust abnormality determination means for determining whether the exhaust valve is open or closed based on a change in the exhaust amount calculated by the amount calculation means.

また、本発明に係る排気弁の異常判定方法は、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムの排気弁の異常判定方法であって、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出工程と、排気弁の開放指令時点から排気量算出工程で算出される排気量の変化に基づいて排気弁の開閉異常を判定する排気異常判定工程と、を備えるものである。   Further, the exhaust valve abnormality determination method according to the present invention includes a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a gas state upstream of the supply channel. A variable gas supply device that adjusts and supplies the gas to the downstream side, a discharge passage for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside, An exhaust valve abnormality determination method for a fuel cell system comprising: an exhaust amount calculation step for calculating an exhaust amount from an exhaust valve based on time integration of a change in a gas supply state from a variable gas supply device; An exhaust abnormality determining step of determining whether the exhaust valve is open or closed based on a change in the exhaust amount calculated in the exhaust amount calculating step from the valve opening command time point.

かかる構成及び方法を採用すると、可変ガス供給装置からのガス供給状態が変化した場合においても、排気弁の開閉異常の誤判定を抑制することが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。また、「ガス供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味する。   Employing such a configuration and method makes it possible to suppress erroneous determination of an abnormal opening / closing of the exhaust valve even when the gas supply state from the variable gas supply device changes. The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc., and particularly includes at least one of a gas flow rate and a gas pressure. The “gas supply state” means the gas state of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell.

前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段を採用することができる。なお、「ガス補正供給流量」とは、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うために可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの流量を意味する。   In the fuel cell system, a pressure change corresponding flow rate converted from a change in the downstream pressure of the variable gas supply device, a time integrated value of a gas correction supply flow rate to compensate for a decrease in the downstream pressure of the variable gas supply device, By adding, it is possible to employ an exhaust amount calculation means for calculating the exhaust amount from the exhaust valve. The “gas correction supply flow rate” means the flow rate of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell in order to compensate for the decrease in the downstream pressure of the variable gas supply device.

また、前記燃料電池システムにおいて、排気弁の開放指令時点から排気量算出手段で算出される排気量が、所定の基準時間以内に所定の目標排気量に到達しない場合に、排気弁に異常が発生したものと判定する排気異常判定手段を採用することができる。   In the fuel cell system, an abnormality occurs in the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculation means from the exhaust valve opening command time point does not reach the predetermined target exhaust amount within a predetermined reference time. Exhaust abnormality determination means for determining that the above has been performed can be employed.

また、前記燃料電池システムにおいて、前記排気弁を第１の排気弁とし、排出流路内のガスを外部に排出するための第２の排気弁と、排気異常判定手段によって第１の排気弁に異常が発生したものと判定された場合に第２の排気弁を開閉制御する弁制御手段と、を備えることもできる。   In the fuel cell system, the exhaust valve is a first exhaust valve, the second exhaust valve for exhausting the gas in the exhaust passage to the outside, and the first exhaust valve by the exhaust abnormality determining means. Valve control means for controlling opening and closing of the second exhaust valve when it is determined that an abnormality has occurred can be provided.

かかる構成を採用すると、第１の排気弁に異常が発生した場合においても、第２の排気弁を用いてパージを実現させることが可能となる。   When such a configuration is adopted, purging can be realized using the second exhaust valve even when an abnormality occurs in the first exhaust valve.

また、前記燃料電池システムにおいて、第２の排気弁を、第１の排気弁よりも下流側に配置することができる。   Further, in the fuel cell system, the second exhaust valve can be arranged downstream of the first exhaust valve.

このようにすることにより、第１の排気弁が開故障した場合においても、第２の排気弁を用いてパージを実現させることが可能となる。   In this way, even when the first exhaust valve fails to open, purging can be realized using the second exhaust valve.

また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路に気液分離器を設け、この気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁を第１の排気弁とし、気液分離器よりも上流側に第２の排気弁を配置することもできる。   In the fuel cell system, a gas-liquid separator is provided in the discharge flow path, and an exhaust / drain valve that serves as both drainage and exhaust from the liquid reservoir of the gas-liquid separator is used as a first exhaust valve. A second exhaust valve can also be arranged upstream of the liquid separator.

かかる構成を採用すると、第１の排気弁としての排気排水弁が閉故障して、排気排水弁の下流側へのガスの流通が阻害されるような場合においても、排気排水弁の上流側に配置された第２の排気弁からのパージを実現させることが可能となる。   When such a configuration is adopted, even when the exhaust drain valve as the first exhaust valve closes and fails and the flow of gas to the downstream side of the exhaust drain valve is hindered, the upstream side of the exhaust drain valve Purge from the arranged second exhaust valve can be realized.

また、前記燃料電池システムにおいて、第２の排気弁の開閉制御中に、第１の排気弁が異常状態から正常状態に回復したか否かを判定する弁制御手段を採用することが好ましい。   In the fuel cell system, it is preferable to employ valve control means for determining whether or not the first exhaust valve has recovered from an abnormal state to a normal state during the opening / closing control of the second exhaust valve.

かかる構成を採用すると、第２の排気弁の開閉制御中に、第１の排気弁が異常状態から正常状態に回復したか否かを判定することができる。従って、例えば、排気と排水とを同時に行う排気排水弁を第１の排気弁として採用した場合には、正常状態に回復した第１の排気弁からの排気排水動作を速やかに実現させることができるので、排水が長時間滞ることを抑制することが可能となる。   When such a configuration is adopted, it is possible to determine whether or not the first exhaust valve has recovered from the abnormal state to the normal state during the opening / closing control of the second exhaust valve. Therefore, for example, when an exhaust / drain valve that performs exhaust and drain simultaneously is adopted as the first exhaust valve, the exhaust / drain operation from the first exhaust valve recovered to the normal state can be quickly realized. Therefore, it is possible to suppress the stagnation of drainage for a long time.

また、前記燃料電池システムにおいて、排気異常判定手段によって排気弁に異常が発生したものと判定された場合に、可変ガス供給装置からのガス供給を制限するガス供給制限手段を備えることもできる。   The fuel cell system may further include gas supply restriction means for restricting gas supply from the variable gas supply device when it is determined by the exhaust abnormality determination means that an abnormality has occurred in the exhaust valve.

かかる構成を採用すると、排気弁に異常が発生して排気が滞るような状況下において、燃料電池内の圧力が増大することを抑制することが可能となる。   When such a configuration is adopted, it is possible to suppress an increase in the pressure in the fuel cell under a situation where the exhaust valve becomes abnormal and the exhaust gas stagnates.

また、前記燃料電池システムにおいて、外気温を検出する外気温センサを備えることができる。かかる場合、外気温センサで検出した外気温が所定温度以下である環境下において排気弁に異常が発生したものと判定した場合に、凍結が発生したものと判定する排気異常判定手段を採用することができる。   The fuel cell system may further include an outside air temperature sensor that detects the outside air temperature. In such a case, when it is determined that an abnormality has occurred in the exhaust valve in an environment where the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, an exhaust abnormality determination unit that determines that freezing has occurred is adopted. Can do.

また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを可変ガス供給装置として採用することができる。   In the fuel cell system, an injector can be employed as the variable gas supply device.

インジェクタとは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。   An injector is an electromagnetically driven opening and closing that can adjust the gas state (gas flow rate and gas pressure) by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat It is a valve. The predetermined control unit drives the valve body of the injector to control the fuel gas injection timing and injection time, whereby the flow rate and pressure of the fuel gas can be controlled.

本発明によれば、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁の開閉異常の誤判定を抑制することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the fuel cell system provided with the variable gas supply apparatus, it becomes possible to suppress the erroneous determination of the opening / closing abnormality of the exhaust valve.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。   Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (moving body) will be described.

まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５、システムの電力を充放電する電力系６、システム全体を統括制御する制御部７、外気温を検出する図示していない外気温センサ、等を備えている。   First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidizing gas and fuel gas), and air as oxidizing gas to the fuel cell 2. Supplying oxidant gas piping system 3, fuel gas piping system 4 for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell 2, refrigerant piping system 5 for supplying the refrigerant to the fuel cell 2 and cooling the fuel cell 2, and system power Power system 6 for charging / discharging the battery, a control unit 7 for controlling the entire system, an outside air temperature sensor (not shown) for detecting the outside air temperature, and the like.

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。   The fuel cell 2 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The unit cell of the fuel cell 2 has a pair of separators having an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and further sandwiching the air electrode and the fuel electrode from both sides. have. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell 2 generates electric power by this gas supply. The fuel cell 2 is provided with a current sensor 2a for detecting a current during power generation.

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。   The oxidizing gas piping system 3 has an air supply passage 11 through which oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 flows, and an exhaust passage 12 through which oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 2 flows. The air supply flow path 11 is provided with a compressor 14 that takes in the oxidizing gas via the filter 13 and a humidifier 15 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 14. The oxidizing off-gas flowing through the exhaust passage 12 is subjected to moisture exchange by the humidifier 15 through the back pressure adjusting valve 16, and is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas. The compressor 14 takes in the oxidizing gas in the atmosphere by driving a motor (not shown).

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。   The fuel gas piping system 4 includes a hydrogen supply source 21, a hydrogen supply passage 22 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel cell 2 flows, and a hydrogen offgas (fuel offgas) discharged from the fuel cell 2. A circulation channel 23 for returning to the junction A1 of the hydrogen supply channel 22, a hydrogen pump 24 for pumping the hydrogen off-gas in the circulation channel 23 to the hydrogen supply channel 22, and a branch connection to the circulation channel 23 And an exhaust drainage channel 25.

水素供給源２１は、本発明における燃料供給源に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。   The hydrogen supply source 21 corresponds to the fuel supply source in the present invention, and is configured by, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy, and is configured to be able to store, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas. When a shut-off valve 26 described later is opened, hydrogen gas flows out from the hydrogen supply source 21 into the hydrogen supply flow path 22. The hydrogen gas is finally depressurized to about 200 kPa, for example, by a regulator 27 and an injector 28 described later, and supplied to the fuel cell 2. The hydrogen supply source 21 is composed of a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state. May be. In addition, a tank having a hydrogen storage alloy can be employed as the hydrogen supply source 21.

水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に係る情報は、後述するインジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。   The hydrogen supply flow path 22 is provided with a shutoff valve 26 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen supply source 21, a regulator 27 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 28. A pressure sensor 29 that detects the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 is provided on the downstream side of the injector 28 and upstream of the junction A1 between the hydrogen supply flow path 22 and the circulation flow path 23. It has been. Further, on the upstream side of the injector 28, a pressure sensor and a temperature sensor (not shown) for detecting the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 are provided. Information relating to the gas state (pressure, temperature) of the hydrogen gas detected by the pressure sensor 29 or the like is used for feedback control and purge control of an injector 28 described later.

レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ２８の上流側にレギュレータ２７を２個配置することにより、インジェクタ２８の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ２８の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ２８の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ２８の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ２８の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ２８の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ２８の応答性の低下を抑制することができる。レギュレータ２７は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。   The regulator 27 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure. In this embodiment, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure is employed as the regulator 27. The mechanical pressure reducing valve has a structure in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. Thus, a publicly known configuration for the secondary pressure can be employed. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the upstream pressure of the injector 28 can be effectively reduced by arranging two regulators 27 on the upstream side of the injector 28. For this reason, the design freedom of the mechanical structure (a valve body, a housing, a flow path, a drive device, etc.) of the injector 28 can be increased. In addition, since the upstream pressure of the injector 28 can be reduced, it is possible to prevent the valve body of the injector 28 from becoming difficult to move due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector 28. be able to. Therefore, it is possible to widen the adjustable pressure width of the downstream pressure of the injector 28 and to suppress a decrease in responsiveness of the injector 28. The regulator 27 adjusts the gas state (gas pressure) on the upstream side of the hydrogen supply flow path 22 and supplies it to the downstream side, and corresponds to the variable gas supply device in the present invention.

インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部７から出力される制御信号によってインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ２８は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。   The injector 28 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. The injector 28 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as hydrogen gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow direction) with respect to the nozzle body. And a valve body that is movably accommodated and opens and closes the injection hole. In the present embodiment, the valve body of the injector 28 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and the opening area of the injection hole is made two or more stages by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid. It can be switched. By controlling the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 by the control signal output from the control unit 7, the flow rate and pressure of the hydrogen gas are controlled with high accuracy. The injector 28 directly opens and closes the valve (valve body and valve seat) with an electromagnetic driving force, and has a high responsiveness because its driving cycle can be controlled to a highly responsive region.

インジェクタ２８は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ２８のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池２側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２８の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。インジェクタ２８は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。   Injector 28 changes downstream by changing at least one of the opening area (opening) and opening time of the valve provided in the gas flow path of injector 28 in order to supply the required gas flow rate downstream. The gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the side (fuel cell 2 side) is adjusted. Since the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve body of the injector 28 and the gas pressure supplied downstream of the injector 28 is reduced from the gas pressure upstream of the injector 28, the injector 28 is controlled by a pressure regulating valve (pressure reducing valve, regulator). ). Further, in the present embodiment, a variable pressure control valve capable of changing the pressure adjustment amount (pressure reduction amount) of the upstream gas pressure of the injector 28 so as to match the required pressure within a predetermined pressure range according to the gas requirement. Can also be interpreted. The injector 28 adjusts the gas state (gas flow rate, hydrogen molar concentration, gas pressure) on the upstream side of the hydrogen supply flow path 22 and supplies it to the downstream side, and corresponds to the variable gas supply device in the present invention.

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源２１を採用する場合には、各水素供給源２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ２８を配置するようにする。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the injector 28 is disposed upstream of the junction A <b> 1 between the hydrogen supply channel 22 and the circulation channel 23. Further, as shown by a broken line in FIG. 1, when a plurality of hydrogen supply sources 21 are employed as the fuel supply source, a portion where the hydrogen gas supplied from each hydrogen supply source 21 merges (hydrogen gas merge portion A2). In addition, the injector 28 is arranged on the downstream side.

循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。循環流路２３は本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁３１は本発明における第１の排気弁の一実施形態である。   An exhaust / drain channel 25 is connected to the circulation channel 23 via a gas / liquid separator 30 and an exhaust / drain valve 31. The gas-liquid separator 30 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 31 operates according to a command from the control unit 7 to discharge moisture collected by the gas-liquid separator 30 and hydrogen off-gas (fuel off-gas) containing impurities in the circulation channel 23 to the outside. (Purge). By opening the exhaust / drain valve 31, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation passage 23 decreases, and the hydrogen concentration in the hydrogen off-gas supplied in circulation increases. The circulation channel 23 is an embodiment of the discharge channel in the present invention, and the exhaust / drain valve 31 is an embodiment of the first exhaust valve in the present invention.

また、本実施形態においては、気液分離器３０の鉛直方向上方に予備排気弁３２及び予備排気流路３３を設けている。予備排気弁３２は、排気排水弁３１に異常（凍結等による閉故障）が発生した場合に制御部７からの指令によって作動することにより、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガスを予備排気流路３３を経由させて外部に排出（パージ）するものである。予備排気弁３２は、本発明における第２の排気弁の一実施形態である。   In the present embodiment, a preliminary exhaust valve 32 and a preliminary exhaust flow path 33 are provided above the gas-liquid separator 30 in the vertical direction. The preliminary exhaust valve 32 operates in response to a command from the control unit 7 when an abnormality (closed failure due to freezing) occurs in the exhaust drain valve 31, thereby preliminarily discharging hydrogen off-gas containing impurities in the circulation flow path 23. The liquid is discharged (purged) through the flow path 33 to the outside. The preliminary exhaust valve 32 is an embodiment of the second exhaust valve in the present invention.

排気排水弁３１及び排気排水流路２５（又は予備排気弁３２及び予備排気流路３３）を介して排出される水素オフガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。   Hydrogen off-gas discharged through the exhaust / drain valve 31 and the exhaust / drain passage 25 (or the preliminary exhaust valve 32 and the preliminary exhaust passage 33) is diluted by a diluter (not shown) and oxidized in the exhaust passage 12. It is designed to merge with off-gas. The hydrogen pump 24 circulates and supplies the hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown). The hydrogen gas circulation system is constituted by a downstream channel of the junction A1 of the hydrogen supply channel 22, a fuel gas channel formed in the separator of the fuel cell 2, and a circulation channel 23. Become.

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、を有している。冷却ポンプ４２は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。   The refrigerant piping system 5 includes a refrigerant channel 41 communicating with the cooling channel in the fuel cell 2, a cooling pump 42 provided in the refrigerant channel 41, and a radiator 43 that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 2. ,have. The cooling pump 42 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant channel 41 to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown).

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。   The power system 6 includes a high-voltage DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, a traction motor 64, various auxiliary machine inverters not shown, and the like. The high-voltage DC / DC converter 61 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 62 and outputs it to the traction inverter 63 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor 64. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 62. The charge / discharge of the battery 62 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 61. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 61.

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。   The battery 62 is configured such that battery cells are stacked and a constant high voltage is used as a terminal voltage, and surplus power can be charged or power can be supplementarily supplied under the control of a battery computer (not shown). The traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64. The traction motor 64 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a main power source of a vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted. The auxiliary inverter is an electric motor control unit that controls driving of each motor, converts a direct current into a three-phase alternating current, and supplies the three-phase alternating current to each motor. The auxiliary inverter is, for example, a pulse width modulation type PWM inverter, which converts the DC voltage output from the fuel cell 2 or the battery 62 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the control unit 7 and is generated by each motor. To control the rotational torque.

制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。   The control unit 7 detects an operation amount of an operation member (accelerator or the like) for acceleration provided in the vehicle, and receives control information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a load device such as the traction motor 64). To control the operation of various devices in the system. In addition to the traction motor 64, the load device is an auxiliary device necessary for operating the fuel cell 2 (for example, each motor of the compressor 14, the hydrogen pump 24, the cooling pump 42, etc.), and is involved in traveling of the vehicle. It is a collective term for power consumption devices including actuators used in various devices (transmissions, wheel control units, steering devices, suspension devices, etc.), air conditioners (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, and the like.

制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。   The control unit 7 is configured by a computer system (not shown). Such a computer system includes a CPU, a ROM, a RAM, an HDD, an input / output interface, a display, and the like. The CPU reads various control programs recorded in the ROM and executes a desired calculation, thereby performing a purge described later. Various processes and controls such as control are performed.

具体的には、制御部７は、図２に示すように、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２で消費される水素ガスの流量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御部７の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the control unit 7 determines the flow rate of hydrogen gas consumed by the fuel cell 2 (hereinafter referred to as “hydrogen consumption”) based on the generated current value of the fuel cell 2 detected by the current sensor 2a. (Referred to as “amount”) (fuel consumption calculation function: B1). In the present embodiment, the hydrogen consumption is calculated and updated every calculation cycle of the control unit 7 using a specific calculation expression representing the relationship between the generated current value and the hydrogen consumption.

また、制御部７は、燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）とともに、目標パージ量（排気排水弁３１からの水素オフガスの目標排出量）を算出する（目標パージ量算出機能：Ｂ３）。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部７の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。   The control unit 7 calculates a target pressure value at a downstream position of the injector 28 of hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 based on the generated current value of the fuel cell 2 (target pressure value calculation function: B2). Then, the target purge amount (target discharge amount of hydrogen off gas from the exhaust / drain valve 31) is calculated (target purge amount calculation function: B3). In the present embodiment, the target pressure value and the target purge amount are calculated for each calculation cycle of the control unit 7 using a specific map representing the relationship between the generated current value, the target pressure value, and the target purge amount.

また、制御部７は、算出した目標圧力値と、圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８の下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出する（圧力差算出機能：Ｂ４）。そして、制御部７は、算出した偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。また、制御部７は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ６）。そして、制御部７は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出し、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。   Further, the control unit 7 calculates a deviation between the calculated target pressure value and the pressure value (detected pressure value) at the downstream position of the injector 28 detected by the pressure sensor 29 (pressure difference calculation function: B4). And the control part 7 calculates the hydrogen gas flow volume (feedback correction flow volume) added to hydrogen consumption in order to reduce the calculated deviation (correction flow volume calculation function: B5). In the present embodiment, the feedback correction flow rate is calculated using a target tracking control law such as PI control. Further, the control unit 7 calculates the injection flow rate of the injector 28 by adding the hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate (injection flow rate calculation function: B6). Then, the control unit 7 calculates the injection time of the injector 28 based on the calculated injection flow rate and drive cycle, and outputs a control signal for realizing this injection time, whereby the gas injection time and gas of the injector 28 are output. The injection timing is controlled to adjust the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2.

また、制御部７は、前記したインジェクタ２８のフィードバック制御（インジェクタ２８の下流位置の検出圧力値を所定の目標圧力値に追従させるようなインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期の制御）を行うと同時に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、循環流路２３内の水分及び水素オフガスを排気排水弁３１から外部に排出する。   Further, the control unit 7 performs the feedback control of the injector 28 (control of the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 so that the detected pressure value at the downstream position of the injector 28 follows the predetermined target pressure value). At the same time, by controlling the opening / closing of the exhaust / drain valve 31, moisture and hydrogen off-gas in the circulation passage 23 are discharged from the exhaust / drain valve 31 to the outside.

この際、制御部７は、インジェクタ２８からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量）を算出し（パージ量算出機能：Ｂ７）、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する（パージ量偏差判定機能：Ｂ８）。そして、制御部７は、算出したパージ量が目標パージ量未満である場合には排気排水弁３１を開放し、算出したパージ量が目標パージ量以上である場合には排気排水弁３１を閉鎖する（パージ制御機能：Ｂ９）。   At this time, the control unit 7 calculates the total discharge amount (purge amount) of the hydrogen off-gas from the exhaust drain valve 31 based on the change in the gas supply state from the injector 28 (purge amount calculation function: B7) and calculates It is determined whether or not the purge amount is equal to or greater than a predetermined target purge amount (purge amount deviation determination function: B8). Then, the control unit 7 opens the exhaust / drain valve 31 when the calculated purge amount is less than the target purge amount, and closes the exhaust / drain valve 31 when the calculated purge amount is equal to or larger than the target purge amount. (Purge control function: B9).

ここで、制御部７のパージ量算出機能Ｂ７の詳細について説明する。インジェクタ２８のフィードバック制御により、インジェクタ２８の下流位置における圧力センサ２９の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁３１の開放により循環流路２３から水素オフガスが排出されると、検出圧力値が一時的に低下する。制御部７は、このような水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分に基づいて、圧力低下分に対応する水素オフガスの排出量（圧力変化対応流量）を算出する（圧力変化対応流量算出機能：Ｂ７ａ）。本実施形態においては、パージに起因する圧力低下分と、この圧力低下分に対応する水素ガスの排出量と、の関係を表す特定の演算式を用いて、圧力変化対応流量Ｑ1を算出している。また、制御部７は、水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量（ガス補正供給流量）を算出し（補正流量算出機能：Ｂ５）、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ2を算出する（補正流量積算機能：Ｂ７ｂ）。そして、制御部７は、圧力変化対応流量Ｑ1と、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ2と、を加算することにより、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を算出する（パージ量算出機能：Ｂ７）。すなわち、制御部７は、本発明における排気量算出手段として機能する。 Here, details of the purge amount calculation function B7 of the control unit 7 will be described. By the feedback control of the injector 28, the hydrogen off-gas is discharged from the circulation passage 23 by opening the exhaust / drain valve 31 in a state where the detected pressure value of the pressure sensor 29 at the downstream position of the injector 28 follows the target pressure value. As a result, the detected pressure value temporarily decreases. The control unit 7 calculates the pressure drop due to such hydrogen off-gas discharge (purge), and based on the calculated pressure drop, the hydrogen off-gas discharge (corresponding to the pressure change) corresponding to the pressure drop. (Flow rate) is calculated (pressure change corresponding flow rate calculation function: B7a). In the present embodiment, the pressure change-corresponding flow rate Q 1 is calculated using a specific arithmetic expression representing the relationship between the pressure drop caused by the purge and the hydrogen gas discharge amount corresponding to the pressure drop. ing. Further, the control unit 7 calculates a feedback correction flow rate (gas correction supply flow rate) for compensating for the pressure drop caused by the discharge (purging) of hydrogen off-gas (correction flow rate calculation function: B5). It calculates the time integration value Q 2 from the purge start time (correction flow rate integrating function: B7b). Then, the control unit 7 adds the pressure change-corresponding flow rate Q 1 and the time integrated value Q 2 from the start point of the purge of the feedback correction flow rate, so that the total amount of hydrogen off-gas discharged from the exhaust drain valve 31 ( The purge amount Q) is calculated (purge amount calculation function: B7). That is, the control unit 7 functions as an exhaust amount calculation unit in the present invention.

また、制御部７は、排気排水弁３１の開放指令時点から算出されるパージ量Ｑが、所定の基準時間以内に目標パージ量に到達しない場合に、排気排水弁３１に異常が発生したものと判定する。すなわち、制御部７は、排気排水弁３１の開放指令時点から算出されるパージ量Ｑの変化に基づいて（換言すればインジェクタ２８からのガス供給状態の変化を考慮して）、排気排水弁３１の開閉異常を判定するものであり、本発明における排気異常判定手段として機能する。また、制御部７は、排気排水弁３１に異常が発生したものと判定した場合に、インジェクタ２８からのガス供給を制限するようにインジェクタ２８を制御する。すなわち、制御部７は、本発明におけるガス供給制限手段としても機能する。   Further, the control unit 7 determines that an abnormality has occurred in the exhaust / drain valve 31 when the purge amount Q calculated from the opening command point of the exhaust / drain valve 31 does not reach the target purge amount within a predetermined reference time. judge. That is, the control unit 7 determines the exhaust drainage valve 31 based on the change in the purge amount Q calculated from the opening command point of the exhaust drainage valve 31 (in other words, considering the change in the gas supply state from the injector 28). The open / close abnormality of the exhaust gas is determined and functions as an exhaust abnormality determination means in the present invention. In addition, when it is determined that an abnormality has occurred in the exhaust / drain valve 31, the control unit 7 controls the injector 28 so as to limit the gas supply from the injector 28. That is, the control unit 7 also functions as a gas supply restriction unit in the present invention.

また、制御部７は、図示していない外気温センサで検出した外気温が所定温度（例えば０℃）以下であり、かつ、排気排水弁３１に異常が発生したものと判定した場合に、凍結による閉故障が排気排水弁３１に発生したものと判定し、予備排気弁３２の開閉制御を開始する。そして、制御部７は、予備排気弁３２の開閉制御中に、排気排水弁３１が異常状態から正常状態に回復したか否かを判定する。すなわち、制御部７は、本発明における弁制御手段としても機能するものである。   The control unit 7 freezes when it is determined that the outside air temperature detected by an outside air temperature sensor (not shown) is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, 0 ° C.) and an abnormality has occurred in the exhaust / drain valve 31. It is determined that a closed failure due to the above has occurred in the exhaust / drain valve 31, and the opening / closing control of the preliminary exhaust valve 32 is started. Then, the control unit 7 determines whether or not the exhaust / drain valve 31 has recovered from the abnormal state to the normal state during the opening / closing control of the preliminary exhaust valve 32. That is, the control unit 7 also functions as valve control means in the present invention.

続いて、図３〜図５のフローチャートと、図６〜図８のタイムチャートと、を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。   Next, an operation method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described using the flowcharts of FIGS. 3 to 5 and the time charts of FIGS. 6 to 8.

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素供給源２１から水素ガスが水素供給流路２２を介して燃料電池２の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路１１を介して燃料電池２の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池２から引き出すべき電力（要求電力）が制御部７で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池２内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時に、インジェクタ２８のフィードバック制御を実施するとともに、排気排水弁３１のパージ制御（循環流路２３の内部に滞留する水分や水素オフガスを外部に排出するための排気排水弁３１の開閉制御）を実施する。   During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel electrode of the fuel cell 2 through the hydrogen supply channel 22, and the air whose humidity has been adjusted is supplied to the air supply channel 11. Is supplied to the oxidation electrode of the fuel cell 2 through the electric power to generate electricity. At this time, electric power (required electric power) to be drawn from the fuel cell 2 is calculated by the control unit 7, and hydrogen gas and air in amounts corresponding to the amount of power generation are supplied into the fuel cell 2. In the present embodiment, during such a normal operation, feedback control of the injector 28 is performed, and purge control of the exhaust drain valve 31 (in order to discharge moisture or hydrogen off-gas staying in the circulation flow path 23 to the outside). Open / close control of the exhaust drain valve 31).

まず、図３のフローチャートに示すように、燃料電池システム１の制御部７は、電流センサ２ａを用いて燃料電池２の発電時における電流値を検出する（電流検出工程：Ｓ１）。次いで、制御部７は、検出した電流値に基づいて、燃料電池２における水素消費量を算出する（水素消費量算出工程：Ｓ２）とともに、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の下流位置における目標圧力値及び目標パージ量を算出する（目標値算出工程：Ｓ３）。   First, as shown in the flowchart of FIG. 3, the control unit 7 of the fuel cell system 1 detects a current value during power generation of the fuel cell 2 using the current sensor 2a (current detection step: S1). Next, the control unit 7 calculates the hydrogen consumption in the fuel cell 2 based on the detected current value (hydrogen consumption calculation step: S2), and downstream of the injector 28 for the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2. A target pressure value and a target purge amount at the position are calculated (target value calculation step: S3).

次いで、制御部７は、圧力センサ２９を用いて、インジェクタ２８の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ４）。次いで、制御部７は、目標値算出工程Ｓ３で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ４で検出した圧力値（検出圧力値）と、の偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出工程：Ｓ５）。次いで、制御部７は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出し、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出する。そして、制御部７は、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する（フィードバック制御工程：Ｓ６）。   Next, the control unit 7 detects the pressure value on the downstream side of the injector 28 using the pressure sensor 29 (pressure value detection step: S4). Next, the control unit 7 adds to the hydrogen consumption in order to reduce the deviation between the target pressure value calculated in the target value calculation step S3 and the pressure value (detected pressure value) detected in the pressure value detection step S4. The hydrogen gas flow rate (feedback correction flow rate) is calculated (correction flow rate calculation step: S5). Next, the control unit 7 calculates the injection flow rate of the injector 28 by adding the hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate, and calculates the injection time of the injector 28 based on the injection flow rate and the driving cycle. And the control part 7 controls the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 by outputting the control signal for implement | achieving this injection time, the flow volume of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2, and The pressure is adjusted (feedback control step: S6).

制御部７は、前記したフィードバック制御工程Ｓ６を実現させながら、パージ開始要求の有無を判定する（パージ要求判定工程：Ｓ７）。本実施形態においては、気液分離器３０の液溜部に溜まった水分量が所定の閾値を超える場合に、図示されていない液量センサが制御部７に対してパージ開始要求信号を出力するようになっている。制御部７は、パージ要求判定工程Ｓ７においてパージ開始要求無と判定した場合には、排気排水弁３１を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１９、図４参照）。   The control unit 7 determines whether or not there is a purge start request while realizing the feedback control step S6 (purge request determination step: S7). In the present embodiment, when the amount of water accumulated in the liquid reservoir of the gas-liquid separator 30 exceeds a predetermined threshold, a liquid amount sensor not shown outputs a purge start request signal to the controller 7. It is like that. When it is determined in the purge request determination step S7 that there is no purge start request, the control unit 7 closes the exhaust drain valve 31 (purge valve closing step: S19, see FIG. 4).

一方、制御部７は、パージ要求判定工程Ｓ７でパージ開始要求信号を受けてパージ開始要求有と判定し、かつ、インジェクタ２８からのガス噴射が既に開始されている場合には、排気排水弁３１を開放する（パージ弁開放工程：Ｓ８、図４参照）。図６は、排気排水弁３１に異常がない場合におけるパージ状態を示すタイムチャートである。排気排水弁３１に異常がない場合には、パージ弁開放工程Ｓ８において排気排水弁３１が開放されると、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、気液分離器３０に溜まった水分が排気排水流路２５へと排出され、水分の排出が終了するとほぼ同時に循環流路２３内の水素オフガスが排気排水流路２５へと排出されることとなる。   On the other hand, the control unit 7 receives the purge start request signal in the purge request determination step S7, determines that there is a purge start request, and if the gas injection from the injector 28 has already started, the exhaust drain valve 31 (Purge valve opening step: S8, see FIG. 4). FIG. 6 is a time chart showing a purge state when there is no abnormality in the exhaust / drain valve 31. If there is no abnormality in the exhaust / drain valve 31, when the exhaust / drain valve 31 is opened in the purge valve opening step S8, it accumulates in the gas-liquid separator 30 as shown in FIGS. 6 (A) to (C). The discharged water is discharged to the exhaust drainage flow path 25, and the hydrogen off-gas in the circulation flow path 23 is discharged to the exhaust drainage flow path 25 almost simultaneously with the completion of the drainage of the water.

また、図４のフローチャートに示すように、制御部７は、排気排水弁３１の開放と同時に、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を推定する（パージ量推定工程：Ｓ９）。ここで、図５のフローチャート及び図６のタイムチャートを用いて、パージ量推定工程Ｓ９について説明する。   As shown in the flowchart of FIG. 4, the controller 7 estimates the total discharge amount (purge amount Q) of hydrogen off-gas from the exhaust drain valve 31 simultaneously with the opening of the exhaust drain valve 31 (purge amount estimation step). : S9). Here, the purge amount estimation step S9 will be described with reference to the flowchart of FIG. 5 and the time chart of FIG.

まず、制御部７は、排気排水弁３１の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ２８の下流側の圧力低下分ΔＰ（水素基準圧から水素現在圧を減じて得た値：図６（Ｄ）参照）に基づいて、圧力低下分ΔＰに対応する流量としての圧力変化対応流量Ｑ1を算出する（圧力変化対応流量算出工程：Ｓ２０）。次いで、制御部７は、排気排水弁３１の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ２８の下流側の圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量を算出し、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ2（図６（Ｅ）参照）を算出する（補正流量積算工程：Ｓ２１）。続いて、制御部７は、圧力変化対応流量Ｑ1と、パージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Ｑ2と、を加算することにより、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を算出する（パージ量算出工程：Ｓ２２）。 First, the control unit 7 reduces the pressure drop ΔP (the value obtained by subtracting the current hydrogen pressure from the hydrogen reference pressure) on the downstream side of the injector 28 resulting from the discharge of the hydrogen off-gas by opening the exhaust / drain valve 31: FIG. 6 (D)), a pressure change corresponding flow rate Q 1 as a flow rate corresponding to the pressure drop ΔP is calculated (pressure change corresponding flow rate calculating step: S20). Next, the control unit 7 calculates a feedback correction flow rate to compensate for the pressure drop on the downstream side of the injector 28 resulting from the discharge of the hydrogen off-gas due to the opening of the exhaust drain valve 31, and purge of this feedback correction flow rate A time integration value Q 2 (see FIG. 6E) from the start time is calculated (corrected flow integration step: S21). Subsequently, the control unit 7 adds the flow rate corresponding to the pressure change Q 1 and the time integrated value Q 2 of the feedback correction flow rate from the purge start time, thereby obtaining the total discharge amount of the hydrogen off-gas from the exhaust drain valve 31. (Purge amount Q) is calculated (purge amount calculation step: S22).

パージ量推定工程Ｓ９においては、排気排水弁３１の開放に伴うインジェクタ２８の下流側の圧力低下分やフィードバック補正流量に基づいてパージ量Ｑを推定（算出）している。従って、排気排水弁３１の開放指令を送出しているにもかかわらず、排気排水弁３１が現実に開放されていない場合には、推定（算出）されるパージ量Ｑの値は増大しない。本実施形態においては、このようなパージ量推定工程Ｓ９の技術的特徴を利用して、後述する排気排水弁３１の異常判定を行っている。   In the purge amount estimation step S9, the purge amount Q is estimated (calculated) based on the pressure drop downstream of the injector 28 accompanying the opening of the exhaust / drain valve 31 and the feedback correction flow rate. Therefore, when the exhaust drain valve 31 is not actually opened despite the exhaust command of the exhaust drain valve 31 being sent, the estimated (calculated) purge amount Q does not increase. In the present embodiment, an abnormality determination of the exhaust / drain valve 31 described later is performed using the technical feature of the purge amount estimation step S9.

パージ量推定工程Ｓ９に次いで、図４のフローチャートに示すように、制御部７は、推定された水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）が目標パージ量Ｑ0以上であるかを判定する（パージ量判定工程：Ｓ１０）。そして、制御部７は、パージ量判定工程Ｓ１０において、推定したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ0以上であると判定した場合には、排気排水弁３１を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１９）。 Following the purge amount estimation step S9, as shown in the flowchart of FIG. 4, the control unit 7 determines whether or not the estimated total amount of hydrogen off-gas discharged (purge amount Q) is equal to or greater than the target purge amount Q 0 ( Purge amount determination step: S10). Then, the control unit 7, the purge amount determining step S10, when the estimated purge amount Q is equal to or target purge amount Q 0 or closes the water discharge valve 31 (purge valve closed Step: S19) .

一方、制御部７は、パージ量判定工程Ｓ１０において、推定したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ0未満であると判定した場合には、排気排水弁３１の開放指令時点からの経過時間ｔが所定の基準時間ｔ0（図７（Ａ）参照）を超えたか否かを判定する（タイムアウト判定工程：Ｓ１１）。次いで、制御部７は、タイムアウト判定工程Ｓ１１において、排気排水弁３１の開放指令時点からの経過時間ｔが所定の基準時間ｔ0を超えたものと判定した場合に、排気排水弁３１の開放指令の送出を停止して、外気温センサで検出した外気温Ｔが所定温度Ｔ0以下であるか否かを判定する（外気温判定工程：Ｓ１２）。 On the other hand, when the controller 7 determines in the purge amount determination step S10 that the estimated purge amount Q is less than the target purge amount Q 0 , the elapsed time t from the time point when the exhaust drain valve 31 is instructed to open is predetermined. It is determined whether or not a reference time t 0 (see FIG. 7A) has been exceeded (timeout determination step: S11). Next, when the control unit 7 determines in the time-out determination step S11 that the elapsed time t from the opening command time of the exhaust / drain valve 31 exceeds the predetermined reference time t 0 , the opening command of the exhaust / drain valve 31 is determined. Is stopped, and it is determined whether or not the outside air temperature T detected by the outside air temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature T 0 (outside air temperature judging step: S12).

そして、制御部７は、外気温判定工程Ｓ１２において、外気温Ｔが所定温度Ｔ0以下であると判定した場合に、凍結による閉故障が排気排水弁３１に発生したものと判定し、予備排気弁３２を開放するとともに、インジェクタ２８からのガス供給を制限するようにインジェクタ２８を制御する（予備排気弁開放工程：Ｓ１３）。図７は、排気排水弁３１に凍結による閉故障が発生した場合におけるパージ状態を示すタイムチャートである。予備排気弁開放工程Ｓ１３において、排気排水弁３１の代わりに予備排気弁３２が開放されると、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示されるように、予備排気弁３２の開放によるパージが実現されることとなる。 Then, when it is determined in the outside air temperature determination step S12 that the outside air temperature T is equal to or lower than the predetermined temperature T 0 , the control unit 7 determines that a closed failure due to freezing has occurred in the exhaust drain valve 31 and performs preliminary exhaust. While opening the valve 32, the injector 28 is controlled so as to limit the gas supply from the injector 28 (preliminary exhaust valve opening step: S13). FIG. 7 is a time chart showing a purge state when a closed failure occurs due to freezing in the exhaust / drain valve 31. In the preliminary exhaust valve opening step S13, when the preliminary exhaust valve 32 is opened instead of the exhaust drain valve 31, purging is realized by opening the preliminary exhaust valve 32 as shown in FIGS. 7B and 7C. Will be.

続いて、制御部７は、予備排気弁開放工程Ｓ１３による予備排気弁３２の開閉制御中に、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を再度推定する（パージ量再推定工程：Ｓ１４）。パージ量再推定工程Ｓ１４は、前記したパージ量推定工程Ｓ９と実質的に同一であるので、説明を省略する。次いで、制御部７は、パージ量再推定工程Ｓ１４で推定したパージ量Ｑが所定の基準時間ｔ0以内に目標パージ量Ｑ0以上になったか否かを再度判定する（パージ量再判定工程：Ｓ１５）。 Subsequently, the control unit 7 estimates again the total discharge amount (purge amount Q) of the hydrogen off-gas from the exhaust drain valve 31 during the opening / closing control of the preliminary exhaust valve 32 in the preliminary exhaust valve opening step S13 (refreshing the purge amount). Estimation step: S14). The purge amount re-estimation step S14 is substantially the same as the purge amount estimation step S9 described above, and a description thereof will be omitted. Next, the control unit 7 determines again whether or not the purge amount Q estimated in the purge amount re-estimation step S14 has become equal to or greater than the target purge amount Q 0 within the predetermined reference time t 0 (purge amount re-determination step: S15).

そして、制御部７は、パージ量再判定工程Ｓ１５において、再推定したパージ量Ｑが所定の基準時間ｔ0以内に目標パージ量Ｑ0以上になったものと判定した場合には、排気排水弁３１の凍結状態が解除されて排気排水弁３１によるパージが再開され、所要のパージが行われたものとして排気排水弁３１を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１９）。図８は、排気排水弁３１の凍結状態が解除されて、排気排水弁３１によるパージが再開された状態を示すタイムチャートである。排気排水弁３１が凍結状態にある場合には、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、予備排気弁３２の開放によるパージが実現され、排気排水弁３１の凍結状態が解除された場合には、図８（Ａ）、（Ｃ）に示すように、予備排気弁３２は閉鎖されたまま排気排水弁３１の開放によるパージが実現されることとなる。 When the control unit 7 determines in the purge amount re-determination step S15 that the re-estimated purge amount Q is equal to or greater than the target purge amount Q 0 within the predetermined reference time t 0 , the exhaust drainage valve The frozen state of 31 is released, the purge by the exhaust / drain valve 31 is resumed, and the exhaust / drain valve 31 is closed as the required purge has been performed (purge valve closing step: S19). FIG. 8 is a time chart showing a state in which the frozen state of the exhaust drain valve 31 is released and the purge by the exhaust drain valve 31 is resumed. When the exhaust drain valve 31 is in a frozen state, as shown in FIGS. 8B and 8C, purging by opening the preliminary exhaust valve 32 is realized, and the frozen state of the exhaust drain valve 31 is released. In this case, as shown in FIGS. 8A and 8C, purging is realized by opening the exhaust drain valve 31 while the preliminary exhaust valve 32 is closed.

一方、制御部７は、パージ量再判定工程Ｓ１５において、再推定したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ0未満であると判定した場合には、排気排水弁３１の凍結状態が依然として解除されていないものとして、予備排気弁３２からの水素オフガスの総排出量（予備パージ量Ｑ´）を推定する（予備パージ量推定工程：Ｓ１６）。予備パージ量推定工程Ｓ１６は、前記したパージ量推定工程Ｓ９と実質的に同一であるので、説明を省略する。 On the other hand, if the control unit 7 determines in the purge amount re-determination step S15 that the re-estimated purge amount Q is less than the target purge amount Q 0 , the frozen state of the exhaust drain valve 31 has not yet been released. As a thing, the total discharge amount (preliminary purge amount Q ′) of the hydrogen off-gas from the preliminary exhaust valve 32 is estimated (preliminary purge amount estimation step: S16). Since the preliminary purge amount estimation step S16 is substantially the same as the purge amount estimation step S9 described above, description thereof is omitted.

予備パージ量推定工程Ｓ１６に次いで、制御部７は、推定された予備パージ量Ｑ´が目標パージ量Ｑ0以上であるかを判定する（予備パージ量判定工程：Ｓ１７）。そして、制御部７は、予備パージ量判定工程Ｓ１７において、推定した予備パージ量Ｑ´が目標パージ量Ｑ0以上であると判定した場合には、予備排気弁３２を閉鎖する（予備排気弁閉鎖工程：Ｓ１８）。一方、制御部７は、予備パージ量判定工程Ｓ１７において、推定した予備パージ量Ｑ´が目標パージ量Ｑ0未満であると判定した場合には、パージ量再推定工程Ｓ１４以降の工程を続行する。 Following preliminary purge amount estimation step S16, the control unit 7, the estimated pre-purge amount Q'determines whether it is the target purge amount Q 0 or more (pre purge amount determination step: S17). Then, the control unit 7, in the preliminary purge amount determination step S17, if the pre-purge amount Q'estimated is equal to or target purge amount Q 0 or more, closing the preliminary exhaust valve 32 (the pre-evacuation valve closed Step: S18). On the other hand, when determining that the estimated preliminary purge amount Q ′ is less than the target purge amount Q 0 in the preliminary purge amount determination step S17, the control unit 7 continues the steps after the purge amount re-estimation step S14. .

以上の工程群により、排気排水弁３１の異常判定を行いながら燃料電池システム１を運転させることが可能となる。なお、本実施形態におけるパージ量推定工程Ｓ９は本発明における排気量算出工程に相当し、本実施形態におけるパージ量判定工程Ｓ１０及びタイムアウト判定Ｓ１１と、パージ量再判定工程Ｓ１４と、は本発明における排気異常判定工程に相当する。また、本実施形態における燃料電池システム１の運転方法は、本発明における排気弁の異常判定方法を含むものである。   With the above process group, it becomes possible to operate the fuel cell system 1 while making an abnormality determination of the exhaust / drain valve 31. The purge amount estimation step S9 in the present embodiment corresponds to the exhaust amount calculation step in the present invention, and the purge amount determination step S10 and the timeout determination S11 and the purge amount re-determination step S14 in the present embodiment are in the present invention. This corresponds to the exhaust abnormality determination step. Further, the operation method of the fuel cell system 1 in the present embodiment includes the exhaust valve abnormality determination method in the present invention.

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ２８からのガス供給状態が変化した場合においても、排気排水弁３１の開閉異常の誤判定を抑制することが可能となる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, even when the gas supply state from the injector 28 changes, it is possible to suppress erroneous determination of the opening / closing abnormality of the exhaust / drain valve 31.

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、排気排水弁３１（第１の排気弁）が凍結により閉故障して、排気排水弁３１の下流側へのガスの流通が阻害されるような場合においても、排気排水弁３１の上流側に配置された予備排気弁３２（第２の排気弁）からのパージを実現させることが可能となる。   Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the exhaust drain valve 31 (first exhaust valve) is closed due to freezing, and the gas flow to the downstream side of the exhaust drain valve 31 is obstructed. Even in such a case, purging from the preliminary exhaust valve 32 (second exhaust valve) arranged on the upstream side of the exhaust / drain valve 31 can be realized.

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、予備排気弁３２（第２の排気弁）の開閉制御中に、排気排水弁３１（第１の排気弁）が異常状態から正常状態に回復したか否かを判定することができる。従って、正常状態に回復した排気排水弁３１からの排気排水動作を速やかに実現させることができるので、排水が長時間滞ることを抑制することが可能となる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the exhaust / drain valve 31 (first exhaust valve) is changed from an abnormal state to a normal state during the opening / closing control of the preliminary exhaust valve 32 (second exhaust valve). It can be determined whether or not it has recovered. Therefore, since the exhaust / drain operation from the exhaust / drain valve 31 recovered to the normal state can be quickly realized, it is possible to suppress the drainage from being delayed for a long time.

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、排気排水弁３１に異常が発生した場合に、インジェクタ２８からのガス供給を制限することができる。従って、排気排水弁３１に異常が発生して排気が滞るような状況下において、燃料電池２内の圧力が増大することを抑制することが可能となる。   Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the gas supply from the injector 28 can be restricted when an abnormality occurs in the exhaust / drain valve 31. Accordingly, it is possible to suppress an increase in the pressure in the fuel cell 2 under a situation where the exhaust drain valve 31 is abnormal and the exhaust gas is stagnant.

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系４に循環流路２３を設けた例を示したが、例えば、図９に示すように、燃料電池２に排出流路３４を接続して循環流路２３を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、前記実施形態と同様に制御部７で排気排水弁３１の異常判定を行うことができる。   In the above embodiment, the example in which the circulation flow path 23 is provided in the hydrogen gas piping system 4 of the fuel cell system 1 has been shown. For example, as shown in FIG. It is also possible to eliminate the circulation channel 23 by connecting. Even when such a configuration (dead end method) is employed, the control unit 7 can determine whether the exhaust / drain valve 31 is abnormal as in the above embodiment.

また、以上の実施形態においては、排気排水弁３１（第１の排気弁）の閉故障に対処するために、予備排気弁３２（第２の排気弁）を排気排水弁３１よりも上流側に配置した例を示したが、排気排水弁３１の開故障に対処するために、予備排気弁を排気排水弁３１よりも下流側に配置することもできる。このようにすることにより、排気排水弁３１が開故障した場合においても、下流側の予備排気弁を用いてパージを実現させることが可能となる。   In the above embodiment, the auxiliary exhaust valve 32 (second exhaust valve) is disposed upstream of the exhaust drain valve 31 in order to cope with a closed failure of the exhaust drain valve 31 (first exhaust valve). Although an example of arrangement is shown, in order to cope with an open failure of the exhaust / drain valve 31, the preliminary exhaust valve can be arranged downstream of the exhaust / drain valve 31. In this way, even when the exhaust / drain valve 31 fails to open, purging can be realized using the downstream auxiliary exhaust valve.

また、以上の実施形態においては、パージ量再判定工程Ｓ１５において、パージ量判定工程Ｓ１０で採用する目標パージ量Ｑ0（排気排水弁３１の閉故障判定用のパージ量閾値）と同一の閾値を用いて、排気排水弁３１の凍結解除を判定した例を示したが、図８（Ｃ）に示すような排気排水弁３１の解凍判定専用のパージ量閾値（解凍判定用閾値）を別途設定してもよい。かかる場合には、再推定したパージ量Ｑが所定の基準時間ｔ0以内に解凍判定用閾値を超えた場合に、排気排水弁３１の凍結状態が解除されたものと判定することができる。 In the above embodiment, in the purge amount re-determination step S15, the same threshold value as the target purge amount Q 0 (the purge amount threshold value for determining whether the exhaust drainage valve 31 is closed) employed in the purge amount determination step S10 is set. In the above example, the exhaust drain valve 31 is determined to be released from freezing. A purge amount threshold (thaw determination threshold) dedicated to the exhaust drain valve 31 as shown in FIG. 8C is set separately. May be. In such a case, when the re-estimated purge amount Q exceeds the thawing determination threshold value within the predetermined reference time t 0 , it can be determined that the frozen state of the exhaust / drain valve 31 has been released.

また、以上の実施形態においては、循環流路２３に水素ポンプ２４を設けた例を示したが、水素ポンプ２４に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３１を循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器３０で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部７で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。   Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the hydrogen pump 24 in the circulation flow path 23 was shown, it replaces with the hydrogen pump 24 and an ejector may be employ | adopted. Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the exhaust_drain_valve 31 which implement | achieves both exhaust_gas | exhaustion and waste_water | drain in the circulation flow path 23 was shown, the water | moisture content collect | recovered with the gas-liquid separator 30 is discharged | emitted outside. A drain valve and an exhaust valve for discharging the gas in the circulation channel 23 to the outside can be provided separately, and the drain valve and the exhaust valve can be controlled separately by the control unit 7.

また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系４の水素供給流路２２のインジェクタ２８の下流位置に圧力センサ２９を配置し、この位置における圧力を調整する（所定の目標圧力値に近付ける）ようにインジェクタ２８の作動状態を設定した例を示したが、インジェクタ制御用の圧力センサの位置はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池２の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路２２上）や、燃料電池２の水素ガス出口近傍位置（循環流路２３上）や、水素ポンプ２４の出口近傍位置（循環流路２３上）にインジェクタ制御用の圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、圧力センサで検出した圧力値（検出圧力値）と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。   Further, in the above embodiment, the pressure sensor 29 is arranged at the downstream position of the injector 28 in the hydrogen supply flow path 22 of the hydrogen gas piping system 4 and the pressure at this position is adjusted (approaches a predetermined target pressure value). Although the example in which the operating state of the injector 28 is set as described above is shown, the position of the pressure sensor for controlling the injector is not limited to this. For example, the position near the hydrogen gas inlet of the fuel cell 2 (on the hydrogen supply channel 22), the position near the hydrogen gas outlet of the fuel cell 2 (on the circulation channel 23), or the position near the outlet of the hydrogen pump 24 (circulation channel) 23) may be provided with a pressure sensor for controlling the injector. In such a case, a map in which the target pressure value at each position of the pressure sensor is recorded is created in advance, and the target pressure value recorded in this map and the pressure value (detected pressure value) detected by the pressure sensor are Based on this, a feedback correction flow rate is calculated.

また、以上の実施形態においては、水素供給流路２２に遮断弁２６及びレギュレータ２７を設けた例を示したが、インジェクタ２８は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁２６やレギュレータ２７を設けなくてもよい。従って、インジェクタ２８を採用すると遮断弁２６やレギュレータ２７を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。   In the above embodiment, the example in which the shutoff valve 26 and the regulator 27 are provided in the hydrogen supply flow path 22 has been described. However, the injector 28 functions as a variable pressure control valve and shuts off the supply of hydrogen gas. Therefore, it is not always necessary to provide the shut-off valve 26 and the regulator 27. Therefore, when the injector 28 is employed, the shutoff valve 26 and the regulator 27 can be omitted, and the system can be reduced in size and cost.

また、以上の実施形態においては、燃料電池２の発電電流値に基づいて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定した例を示したが、燃料電池２の運転状態を示す他の物理量（燃料電池２の発電電圧値や発電電力値、燃料電池２の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定してもよい。また、燃料電池２が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態にあるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。   In the above embodiment, an example in which the hydrogen consumption amount, the target pressure value, and the target purge amount are set based on the generated current value of the fuel cell 2 has been described. However, other physical quantities indicating the operating state of the fuel cell 2 are shown. (The generated voltage value or generated power value of the fuel cell 2, the temperature of the fuel cell 2, etc.) may be detected, and the hydrogen consumption, target pressure value and target purge amount may be set according to the detected physical quantity. Further, whether the fuel cell 2 is in a stopped state, in an operating state at the time of startup, in an operating state immediately before entering an intermittent operation, in an operating state immediately after recovering from an intermittent operation, or in a normal operating state It is also possible for the control unit to determine whether or not there is an operating state, and to set a hydrogen consumption amount or the like according to these operating states.

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。   In each of the above embodiments, the fuel cell system according to the present invention is mounted on the fuel cell vehicle. However, the present invention is applied to various mobile bodies (robots, ships, airplanes, etc.) other than the fuel cell vehicle. Such a fuel cell system can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図１に示した燃料電池システムの制御部の制御態様を説明するための制御ブロック図である。It is a control block diagram for demonstrating the control aspect of the control part of the fuel cell system shown in FIG. 図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。2 is a flowchart for explaining an operation method of the fuel cell system shown in FIG. 1. 同上。Same as above. 図１に示した燃料電池システムの運転方法におけるパージ量推定工程を説明するためのフローチャートである。2 is a flowchart for explaining a purge amount estimation step in the operation method of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図１に示した燃料電池システムの排気排水弁に異常がない場合におけるパージ状態を示すタイムチャートであり、（Ａ）は排気排水弁の開閉指令を、（Ｂ）は排気排水弁からの排水量を、（Ｃ）は排気排水弁からの排気量（パージ量）を、（Ｄ）はパージに起因したインジェクタ下流側圧力の低下を、（Ｅ）はインジェクタ下流側圧力の低下分を補うためのフィードバック補正流量を、各々示すものである。2 is a time chart showing a purge state when there is no abnormality in the exhaust drain valve of the fuel cell system shown in FIG. 1, (A) is an exhaust drain valve opening / closing command, and (B) is an amount of drain from the exhaust drain valve. , (C) shows the exhaust amount (purge amount) from the exhaust drain valve, (D) shows the decrease in the injector downstream pressure caused by the purge, and (E) shows the feedback to compensate for the injector downstream pressure decrease. Each of the corrected flow rates is shown. 図１に示した燃料電池システムの排気排水弁に異常（閉故障）が発生した場合におけるパージ状態を示すタイムチャートであり、（Ａ）は排気排水弁の開閉指令を、（Ｂ）は予備排気弁の開閉指令を、（Ｃ）は予備排気弁からの排気量（パージ量）を、各々示すものである。2 is a time chart showing a purge state when an abnormality (closed failure) has occurred in the exhaust drain valve of the fuel cell system shown in FIG. 1, (A) is an exhaust drain valve open / close command, and (B) is preliminary exhaust. The valve opening / closing command is shown, and (C) shows the exhaust amount (purge amount) from the preliminary exhaust valve. 図１に示した燃料電池システムの排気排水弁が異常状態から正常状態に回復する過程を示すタイムチャートであり、（Ａ）は排気排水弁の開閉指令を、（Ｂ）は予備排気弁の開閉指令を、（Ｃ）は正常状態に戻った排気排水弁からの排気量（パージ量）を、各々示すものである。2 is a time chart showing a process in which the exhaust drain valve of the fuel cell system shown in FIG. 1 recovers from an abnormal state to a normal state, where (A) is an exhaust drain valve open / close command, and (B) is a preliminary exhaust valve open / close command. (C) indicates the exhaust amount (purge amount) from the exhaust / drain valve that has returned to the normal state. 図１に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the fuel cell system shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（排気量算出手段、排気異常判定手段、弁制御手段、ガス供給制御手段）、２１…水素供給源（燃料供給源）、２２…水素供給流路（供給流路）、２３…循環流路（排出流路）、２８…インジェクタ（可変ガス供給装置）、２９…圧力センサ、３０…気液分離器、３１…排気排水弁（第１の排気弁）、３２…予備排気弁（第２の排気弁）、３４…排出流路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 7 ... Control part (Emission | emission amount calculation means, exhaust abnormality determination means, valve control means, gas supply control means), 21 ... Hydrogen supply source (fuel supply source), 22 ... Hydrogen Supply flow path (supply flow path), 23 ... Circulation flow path (discharge flow path), 28 ... Injector (variable gas supply device), 29 ... Pressure sensor, 30 ... Gas-liquid separator, 31 ... Exhaust drain valve (first ), 32... Preliminary exhaust valve (second exhaust valve), 34...

Claims (8)

燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、前記供給流路に設けられて前記インジェクタの下流側における燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムであって、
前記圧力センサで検出した前記インジェクタの下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、前記インジェクタの下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、前記排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、
前記排気弁の開放指令時点から前記排気量算出手段で算出される排気量が、所定の基準時間以内に所定の目標排気量に到達しない場合に、前記排気弁に異常が発生したものと判定する排気異常判定手段と、を備える、
燃料電池システム。 A fuel cell, a supply flow path for supplying a fuel gas to the fuel cell which is supplied from a fuel supply source, and an injector supplies to the downstream side by adjusting the upstream side of the gas state in the supply passage, wherein A pressure sensor that is provided in the supply flow path and detects the pressure of the fuel gas downstream of the injector; a discharge flow path for flowing a fuel off-gas discharged from the fuel cell; and a gas in the discharge flow path. An exhaust valve for discharging to the outside, and a fuel cell system comprising:
Adding a pressure change corresponding flow rate converted from a change in downstream pressure of the injector detected by the pressure sensor and a time integrated value of a gas correction supply flow rate to compensate for a decrease in downstream pressure of the injector. Accordingly, an exhaust amount calculating means for calculating the amount of exhaust from the exhaust valve,
It is determined that an abnormality has occurred in the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculating means from the time when the exhaust valve is instructed to open does not reach a predetermined target exhaust amount within a predetermined reference time. Exhaust abnormality determining means,
Fuel cell system. 前記排気弁は、第１の排気弁であり、
前記排出流路内のガスを外部に排出するための第２の排気弁と、
前記排気異常判定手段によって前記第１の排気弁に異常が発生したものと判定された場合に前記第２の排気弁を開閉制御する弁制御手段と、を備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。 The exhaust valve is a first exhaust valve;
A second exhaust valve for discharging the gas in the discharge flow path to the outside;
Valve control means for controlling the opening and closing of the second exhaust valve when it is determined by the exhaust abnormality determination means that an abnormality has occurred in the first exhaust valve;
The fuel cell system according to claim 1 . 前記第２の排気弁は、前記第１の排気弁よりも下流側に配置されるものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。 The second exhaust valve is disposed downstream of the first exhaust valve.
The fuel cell system according to claim 2 . 前記排出流路に設けられた気液分離器を備え、
前記第１の排気弁は、前記気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁であり、
前記第２の排気弁は、前記排気排水弁よりも上流側に配置されるものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。 Comprising a gas-liquid separator provided in the discharge flow path;
The first exhaust valve is an exhaust / drain valve that serves as both drainage and exhaust from the liquid reservoir of the gas-liquid separator,
The second exhaust valve is arranged upstream of the exhaust drain valve.
The fuel cell system according to claim 2 . 前記弁制御手段は、前記第２の排気弁の開閉制御中に、前記第１の排気弁が異常状態から正常状態に回復したか否かを判定するものである、
請求項２から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The valve control means determines whether or not the first exhaust valve has recovered from an abnormal state to a normal state during the opening / closing control of the second exhaust valve.
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4 . 前記排気異常判定手段によって前記排気弁に異常が発生したものと判定された場合に、前記可変ガス供給装置からのガス供給を制限するガス供給制限手段を備える、
請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。 A gas supply restriction means for restricting gas supply from the variable gas supply device when it is determined by the exhaust abnormality determination means that an abnormality has occurred in the exhaust valve;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5 . 外気温を検出する外気温センサを備え、
前記排気異常判定手段は、前記外気温センサで検出した外気温が所定温度以下である環境下において前記排気弁に異常が発生したものと判定した場合に、凍結が発生したものと判定するものである、
請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池システム。 It has an outside air temperature sensor that detects outside air temperature,
The exhaust abnormality determining means determines that freezing has occurred when it is determined that an abnormality has occurred in the exhaust valve in an environment where the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature. is there,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 . 燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、前記供給流路に設けられて前記インジェクタの下流側における燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムの前記排気弁の異常判定方法であって、
前記圧力センサで検出した前記インジェクタの下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、前記インジェクタの下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、前記排気弁からの排気量を算出する排気量算出工程と、
前記排気弁の開放指令時点から前記排気量算出工程で算出される排気量が、所定の基準時間以内に所定の目標排気量に到達しない場合に、前記排気弁に異常が発生したものと判定する排気異常判定工程と、を備える、
排気弁の異常判定方法。 A fuel cell, a supply flow path for supplying a fuel gas to the fuel cell which is supplied from a fuel supply source, and an injector supplies to the downstream side by adjusting the upstream side of the gas state in the supply passage, wherein A pressure sensor that is provided in the supply flow path and detects the pressure of the fuel gas downstream of the injector; a discharge flow path for flowing a fuel off-gas discharged from the fuel cell; and a gas in the discharge flow path. An exhaust valve for exhausting to the outside, an abnormality determination method for the exhaust valve of a fuel cell system comprising:
Adding a pressure change corresponding flow rate converted from a change in downstream pressure of the injector detected by the pressure sensor and a time integrated value of a gas correction supply flow rate to compensate for a decrease in downstream pressure of the injector. Accordingly, the exhaust gas amount calculation step of calculating the amount of exhaust from the exhaust valve,
It is determined that an abnormality has occurred in the exhaust valve when the exhaust amount calculated in the exhaust amount calculation step from the time when the exhaust valve is instructed to open does not reach a predetermined target exhaust amount within a predetermined reference time. An exhaust abnormality determination step,
Exhaust valve abnormality judgment method.
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