JP5229528B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池自動車などに搭載されている燃料電池は、アノードに供給される水素を含む燃料ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化ガスを用いて電力を発生する。燃料電池から排出される水素オフガスは、酸素オフガスと混合・希釈され、水素濃度が低減された状態で車外へ排出される。しかしながら、発電効率が低い状態で燃料電池を運転している場合には、アノードから水素が排出されるだけでなく、カソードからも水素(主にポンピング水素)が排出され、規制範囲を超えた水素がシステム外部に排出されてしまう虞がある。 A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like generates electric power using a fuel gas containing hydrogen supplied to an anode and an oxidizing gas containing oxygen supplied to a cathode. Hydrogen off-gas discharged from the fuel cell is mixed and diluted with oxygen off-gas and discharged outside the vehicle in a state where the hydrogen concentration is reduced. However, when the fuel cell is operated with low power generation efficiency, not only hydrogen is discharged from the anode, but hydrogen (mainly pumping hydrogen) is discharged from the cathode, and the hydrogen exceeds the regulation range. May be discharged outside the system.
かかる問題を解消するべく、燃料電池のカソードに供給する酸化ガスの一部を、バイパス弁を用いることにより燃料電池をバイパスさせ、該酸化ガスの一部をカソードオフガス流路へ導くことで、カソードから排出される水素(主にポンピング水素)の濃度を希釈する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to solve such a problem, a part of the oxidizing gas supplied to the cathode of the fuel cell is bypassed by using a bypass valve, and a part of the oxidizing gas is guided to the cathode off-gas flow path. A method of diluting the concentration of hydrogen (mainly pumping hydrogen) discharged from the water has been proposed (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、バイパス弁が故障した場合や凍結などによって開固着するなど、バイパス弁に異常が生じた場合には、多量の酸化ガスがカソードオフガス流路へ流れてしまい、燃料電池に供給すべき酸化ガスが不足し、セル電圧低下が発生するなどして最悪の場合にはシステムを停止せざるを得ない場合があった。 However, if the bypass valve malfunctions, or if the bypass valve malfunctions, such as when it is stuck open due to freezing, a large amount of oxidizing gas flows to the cathode offgas flow path, and the oxidizing gas to be supplied to the fuel cell In the worst case, the system may have to be stopped due to the shortage of cell voltage and cell voltage drop.
本発明は以上説明した事情を鑑みてされたものであり、バイパス弁に異常などが生じることにより、多量の反応ガスがリークした場合であっても、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and it is possible to suppress the occurrence of a cell voltage drop or the like even when a large amount of reaction gas leaks due to an abnormality in the bypass valve. An object is to provide a possible fuel cell system.
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に前記燃料電池のカソードに供給される酸素を含む酸化ガスを供給するガス供給源と、前記燃料電池から排出されるオフガスを排出するための排出通路と、前記ガス供給源から供給される酸化ガスの一部を、前記燃料電池をバイパスして前記排出通路へ導くバイパス装置と、前記バイパス装置に異常が生じたか否かを検知する検知手段と、前記検知手段によって前記バイパス装置の異常が検知された場合には、バイパスされる前記酸化ガスのガス量を推定する推定手段と、前記推定手段によって推定されたガス量に応じて前記ガス供給源から前記燃料電池に供給される酸化ガスのガス量を調整する調整手段とを具備することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a fuel cell system according to the present invention includes a gas supply source that supplies an oxidizing gas containing oxygen supplied to a cathode of the fuel cell to the fuel cell, and an off-gas discharged from the fuel cell. A discharge passage for discharging gas , a bypass device that bypasses the fuel cell to a part of the oxidizing gas supplied from the gas supply source, and whether or not an abnormality has occurred in the bypass device When the abnormality of the bypass device is detected by the detection means, the estimation means for estimating the amount of the oxidizing gas to be bypassed, and the gas amount estimated by the estimation means And adjusting means for adjusting the amount of oxidizing gas supplied from the gas supply source to the fuel cell.
かかる構成によれば、酸化ガスの一部を、燃料電池をバイパスして排出通路へ導くバイパス装置に異常(例えば、開故障など)が生じた場合には、バイパスされる前記酸化ガスのガス量を推定し、推定したガス量に応じてガス供給源から燃料電池に供給される反応ガスのガス量を調整する。このため、多量の酸化ガスがバイパス(リーク)した場合であっても、発電に必要な酸化ガスを燃料電池に供給することができ、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能となる。 According to this configuration, when an abnormality (for example, an open failure) occurs in a bypass device that bypasses the fuel cell and leads part of the oxidizing gas to the discharge passage, the amount of the oxidizing gas that is bypassed And the gas amount of the reaction gas supplied from the gas supply source to the fuel cell is adjusted according to the estimated gas amount. For this reason, even when a large amount of oxidizing gas is bypassed (leaked), the oxidizing gas necessary for power generation can be supplied to the fuel cell, and the occurrence of cell voltage drop or the like can be suppressed.
ここで、上記構成にあっては、前記バイパス装置は、バイパス通路と、バイパスされる前記酸化ガスの一部の流量を制御するバイパス弁とを備え、前記検知手段は、前記バイパス弁に開故障が生じたか否かを検知する態様が好ましい。 Here, in the above-described configuration, the bypass device includes a bypass passage and a bypass valve that controls a flow rate of a part of the oxidant gas to be bypassed, and the detection unit has an open failure in the bypass valve. A mode in which it is detected whether or not has occurred is preferable.
また、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記バイパス弁の通過前後における前記酸化ガスの差圧を検知するとともに、該酸化ガスの温度を検知し、検知した前記酸化ガスの差圧と温度に基づいて前記ガス量を推定する態様がさらに好ましい。 Further, in the above constitution, the estimating means is configured to detect the differential pressure of the oxidizing gas before and after passage of the bypass valve, senses the temperature of the oxidizing gas, and the differential pressure of the oxidizing gas has been detected A mode in which the gas amount is estimated based on temperature is further preferable.
さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池の温度と要求電流に基づいて該燃料電池に要求される酸化ガスのガス量を導出する導出手段をさらに備え、前記調整手段は、前記推定手段によって推定されたガス量と前記導出手段によって導出されたガス量とに基づいて前記ガス供給源から前記燃料電池に供給される酸化ガスのガス量を調整する態様が好ましい。 Further, in the above configuration, the apparatus further includes a derivation unit that derives a gas amount of the oxidizing gas required for the fuel cell based on the temperature and the required current of the fuel cell, and the adjustment unit includes the estimation unit. It is preferable that the gas amount of the oxidizing gas supplied from the gas supply source to the fuel cell is adjusted based on the estimated gas amount and the gas amount derived by the deriving unit.
以上説明したように、本発明によれば、バイパス弁に異常などが生じることにより、多量の反応ガスがリークした場合であっても、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of a cell voltage drop or the like even when a large amount of reaction gas leaks due to an abnormality in the bypass valve.
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
A.本実施形態
図1は本実施形態に係る燃料電池システム100の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車(FCHV)、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源にも適用可能である。
A. 1. Embodiment FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a
燃料電池システム100は、燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。
燃料ガス循環供給系は燃料ガス供給源30、燃料ガス供給路21、燃料電池40、燃料ガス循環路22、及びアノードオフガス流路23を含んで構成され、酸化ガス供給系はエアコンプレッサ60、酸化ガス供給路11、及びカソードオフガス流路12を含んで構成されている。
The
The fuel gas circulation supply system includes a fuel
燃料電池40は、供給される反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)から電力を発生する手段であり、MEA(膜/電極接合体)などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
The
燃料ガス供給源30は、燃料電池40へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路21は、燃料ガス供給源30から放出される燃料ガスを燃料電池40のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブH1、水素供給バルブH2、FC入口バルブH3などの弁が配設されている。タンクバルブH1、水素供給バルブH2、FC入口バルブH3は、各ガス流路21〜23又は燃料電池20へ燃料ガスを供給(または遮断)するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
The fuel
燃料ガス循環路22は、未反応燃料ガスを燃料電池40へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてFC出口バルブH4、水素ポンプ50、逆止弁51が各々配設されている。燃料電池40から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ50によって適度に加圧され、燃料ガス供給路21へ導かれる。なお、燃料ガス供給路21から燃料ガス循環路22への燃料ガスの逆流は、逆止弁51によって抑制される。
The fuel
アノードオフガス流路23は、燃料電池40から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブH5が配設されている。
The anode off gas passage 23 is a gas passage for exhausting the anode off gas containing the hydrogen off gas discharged from the
エアコンプレッサ(ガス供給源)60は、エアフィルタ(図示略)を介して外気から取り込んだ酸素(酸化ガス)を燃料電池40のカソード極に供給する。燃料電池40のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池40の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる(詳細は後述)。このカソードオフガスは、燃料電池40の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
The air compressor (gas supply source) 60 supplies oxygen (oxidizing gas) taken from outside air to the cathode electrode of the
加湿モジュール70は、酸化ガス供給路11を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路12を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池40に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池40に供給される酸化ガスの背圧は、制御装置160による制御のもと、カソードオフガス流路12のカソード出口付近に配設された圧力調整弁A1によって調圧される。また、エアコンプレッサ60から加湿モジュール70に至る酸化ガス供給路11には、供給される酸化ガスの圧力を検知する圧力センサP1と、この酸化ガスの温度を検知する温度センサT1が設けられている。
The
ここで、エアコンプレッサ60から加湿モジュール70に至る酸化ガス供給路11と、加湿モジュール70から希釈器80に至るカソードオフガス流路12との間は、バイパス弁B1によって接続されている。バイパス弁(バイパス装置)B1及びバイパス通路(バイパス装置)31は、酸化ガス供給路11を流れる酸化ガスの一部を燃料電池40をバイパスしてカソードオフガス流路(排出通路)12へ導く手段であり、制御装置(調整手段)160によってバイパスされる酸化ガス(以下、バイパスエア)のガス量が調整される。バイパス通路31には、バイパス弁B1を通過する前のバイパスエアの圧力(1次圧)を検出する圧力センサP2と、バイパス弁B1を通過した後のバイパスエアの圧力(2次圧)を検出する圧力センサP3が設けられている。さらに、バイパス弁B1の近傍には、制御装置(検知手段)160による制御のもと、バイパス弁B1の弁体位置を検知する弁体位置検知センサ(検知手段)180が設けられている。
Here, the oxidizing gas supply path 11 from the air compressor 60 to the
希釈器80は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲など)に収まるように希釈する。この希釈器80にはカソードオフガス流路12の下流及びアノードオフガス流路23の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、バイパスエアを混合希釈してシステム外に排気する。
The
燃料電池40で発電された直流電力の一部はDC/DCコンバータ130によって昇降圧され、バッテリ140に充電される。
バッテリ140は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池(例えばニッケル水素バッテリなど)により構成されている。もちろん、バッテリ140に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。
Part of the DC power generated by the
The
トラクションインバータ110及び補機インバータ120は、パルス幅変調方式のPWMインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池40またはバッテリ140から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータM3及び補機モータM4へ供給する。
トラクションモータM3は車輪150L、150Rを駆動するためのモータであり、補機モータM4は各種補機類を駆動するためのモータである。なお、補機モータM4は水素循環ポンプ50を駆動するモータM1やエアコンプレッサ60を駆動するモータM2等を総称している。
The
The traction motor M3 is a motor for driving the
制御装置160は、CPU、ROM、RAMなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサS1、バッテリ140の充電状態SOC(State Of Charge)を検出するSOCセンサS2、トラクションモータM3の回転数を検知するT/Cモータ回転数検知センサS3、燃料電池40の出力電圧を検出する電圧センサS4、出力電流を検出する電流センサS5のほか、温度センサT1、T2、圧力センサP1、P2、P3などから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ110、120の出力パルス幅などを制御する。
The
また、制御装置160は、低温始動時など燃料電池40を暖機する必要がある場合には、メモリ170に格納されている各マップmp1〜mp5等を利用して発電効率の低い運転を行う。
In addition, when it is necessary to warm up the
図2は、燃料電池の出力電流(FC電流)と出力電圧(FC電圧)との関係を示す図であり、発電効率の高い運転(通常運転)を行った場合を実線で示し、酸化ガス量を絞ることによって発電効率の低い運転(低効率運転)を行った場合を点線で示す。なお、横軸はFC電流、縦軸はFC電圧をあらわしている。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the output current (FC current) and the output voltage (FC voltage) of the fuel cell, and shows a case where an operation with high power generation efficiency (normal operation) is performed, indicated by a solid line. A case where an operation with low power generation efficiency (low efficiency operation) is performed by narrowing down is shown by a dotted line. The horizontal axis represents the FC current, and the vertical axis represents the FC voltage.
通常、燃料電池40を運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を1.0以上(理論値)に設定した状態で燃料電池40を運転する(図2の実線部分参照)。ここで、エアストイキ比とは、FC電流を発電させるのに必要な理論エア供給量に対する実際のエア供給量の過剰率をいう。
Normally, when operating the
これに対し、燃料電池40を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池40の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を1.0付近(理論値)に設定した状態で燃料電池40を運転する(図2の点線部分参照)。エアストイキ比を低く設定して運転すると、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分(すなわち熱損失分)が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる一方、該カソードにはポンピング水素が発生する。
On the other hand, when the
図3は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、図3Aは通常運転時の電池反応を示す図、図3Bは低効率運転時の電池反応を示す図である。
各セル4は、電解質膜4aと、この電解質膜4aを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素(H2)を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素(O2)を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式(A)の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜4aを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
FIG. 3 is a diagram for explaining the generation mechanism of pumping hydrogen, FIG. 3A is a diagram showing a battery reaction during normal operation, and FIG. 3B is a diagram showing a battery reaction during low-efficiency operation.
Each
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には(エアストイキ比≧1.0)、下記式(B)が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される(図3A参照)。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には(エアストイキ比<1.0)、不足する酸化ガス量に応じて下記式(C)が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される(図3B参照)。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード: H2 →2H+ + 2e- ・・・(A)
カソード: 2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O ・・・(B)
カソード: 2H+ + 2e- → H2 ・・・(C)
Here, when the supply of the oxidizing gas to the cathode is sufficient (air stoichiometric ratio ≧ 1.0), the following formula (B) proceeds to generate water from oxygen, hydrogen ions, and electrons (see FIG. 3A). ). On the other hand, when the supply of oxidizing gas to the cathode is insufficient (air stoichiometric ratio <1.0), the following formula (C) proceeds according to the amount of oxidizing gas that is insufficient, and hydrogen ions and electrons are recombined. Thus, hydrogen is generated (see FIG. 3B). The produced hydrogen is discharged from the cathode together with the oxygen off gas. Note that hydrogen generated at the cathode by recombination of dissociated hydrogen ions and electrons, that is, the anode gas generated at the cathode is called pumping hydrogen.
Anode: H 2 → 2H + + 2e − (A)
Cathode: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (B)
Cathode: 2H + + 2e − → H 2 (C)
このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態ではカソードオフガスにポンピング水素が含まれるため、カソードオフガスに含まれるポンピング水素量に応じてバイパス弁B1の弁開度等を調整する。このようにバイパスエアの流量を調整することで、発電に必要な酸化ガスを燃料電池40のカソード極に供給しつつ、排気水素濃度を適正範囲に収まるように希釈することが可能となる。
Thus, since the pumping hydrogen is contained in the cathode off gas when the supply of the oxidizing gas to the cathode is insufficient, the valve opening degree of the bypass valve B1 is adjusted in accordance with the amount of pumping hydrogen contained in the cathode off gas. By adjusting the flow rate of the bypass air in this manner, it is possible to dilute the exhaust hydrogen concentration so as to be within an appropriate range while supplying the oxidizing gas necessary for power generation to the cathode electrode of the
しかしながら、低温環境下でバイパス弁B1を常に開いていると、弁体が凍結固着などして開故障の原因となる。このような開故障が生ずると、エアコンプレッサ60から供給される酸化ガスが多量にバイパスされ、発電に必要な酸化ガスが燃料電池40に供給されず(別言すれば、酸化ガス欠乏状態が生じ)、セル電圧が落ちるなどの問題が生じてしまう。 However, if the bypass valve B1 is always open in a low temperature environment, the valve body freezes and becomes a cause of an open failure. When such an open failure occurs, a large amount of the oxidizing gas supplied from the air compressor 60 is bypassed, and the oxidizing gas necessary for power generation is not supplied to the fuel cell 40 (in other words, an oxidizing gas deficient state occurs. ), And the cell voltage drops.
そこで、本実施形態では、上記の如くバイパス弁B1に開故障などの異常が生じた場合でも、発電に必要な酸化ガス(FC要求エア)が燃料電池40に供給されるように、エアコンプレッサから供給する酸化ガス(送気エア)のガス量を調整する。以下、システム始動時における燃料電池システム100の動作について説明する。
Therefore, in the present embodiment, even if an abnormality such as an open failure occurs in the bypass valve B1 as described above, the air compressor is used so that the oxidizing gas (FC required air) necessary for power generation is supplied to the
図4は、システム始動時における燃料電池システム100の動作を示すフローチャートである。
制御装置140は、例えば車両の運転手によるイグニッションスイッチのON操作等によって、燃料電池システム100の運転開始指令を受け取ると(ステップS100)、バイパス弁B1に開故障などの異常が生じているか否かを判断する(ステップS200)。詳述すると、制御装置(検知手段)140は、バイパス弁B1の弁開度を変更する制御を行ったにもかかわらず、弁体位置検知センサ(検知手段)180によって検知される弁体位置が変化しない場合には、バイパス弁B1に開故障などの異常が生じていると判断し(ステップS200;YES)、フェールセーフ処理を実行する(ステップS300)。
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the
When the
一方、制御装置140は、バイパス弁B1の弁開度を変更する制御に応じて弁体位置が変化している場合には、バイパス弁B1に開故障などの異常が生じていないと判断し(ステップS200;NO)、正常始動処理を実行する(ステップS400)。
On the other hand, when the valve body position is changed according to the control for changing the valve opening degree of the bypass valve B1, the
<フェールセーフ処理>
図5は、フェールセーフ処理を示すフローチャートである。
制御装置(推定手段)140は、バイパス弁B1に開故障などの異常が生じている場合には、流量係数α、差圧ΔP(Pa)、絞りの直径d(m)、流体の密度γ(kg/m3)、を利用してバイパスエア流量QBPを推定する(ステップS310)。なお、流量係数α、絞りの直径dは弁固有の値であり、密度γは温度、圧力の関数として導出される。
<Fail-safe treatment>
FIG. 5 is a flowchart showing the fail-safe process.
When an abnormality such as an open failure has occurred in the bypass valve B1, the control device (estimating means) 140 has a flow coefficient α, a differential pressure ΔP (Pa), a throttle diameter d (m), and a fluid density γ ( kg / m3), the bypass air flow rate QBP is estimated (step S310). The flow coefficient α and the diameter d of the throttle are values inherent to the valve, and the density γ is derived as a function of temperature and pressure.
バイパスエア流量QBPは温度、圧力の関数として導出することができる。具体的には、制御装置(推定手段)140は、圧力センサP2、P3によって検出されるバイパスエアの1次圧、2次圧から差圧ΔPを導出するとともに、温度センサT1によって検出される酸化ガスの温度を求める。制御装置140は、これらの値を利用してバイパスエア流量QBPを導出する。
The bypass air flow rate QBP can be derived as a function of temperature and pressure. Specifically, the control device (estimating means) 140 derives the differential pressure ΔP from the primary pressure and the secondary pressure of the bypass air detected by the pressure sensors P2 and P3, and the oxidation detected by the temperature sensor T1. Find the gas temperature. The
制御装置(導出手段)140は、上記の如くバイパスエア流量QBPを推定すると、I;要求電流(A)、F;ファラデー定数、Ncell;FCスタックセル数、S;エアストイキ比を利用してFC要求エアの流量(FC要求エア流量)QFCを導出する(ステップS320)。なお、ファラデー定数F、FCスタックセル数Ncellは一定値であり、エアストイキ比Sは要求電流、FC温度の関数として導出される。 When the control device (derivation means) 140 estimates the bypass air flow rate QBP as described above, I: required current (A), F: Faraday constant, Ncell: number of FC stack cells, S: FC request using air stoichiometric ratio An air flow rate (FC required air flow rate) QFC is derived (step S320). The Faraday constant F and the FC stack cell number Ncell are constant values, and the air stoichiometric ratio S is derived as a function of the required current and FC temperature.
FC要求エア流量QFCは要求電流I、FC温度の関数として導出することができる。具体的には、制御装置140は、図示せぬマップを利用して発電電力に応じた要求電流Iを導出するとともに、温度センサT2によって検出されるFC温度を求める。制御装置140は、これらの値を利用してFC要求エア流量QFCを導出する。
The FC required air flow rate QFC can be derived as a function of the required current I and the FC temperature. Specifically, the
制御装置140は、推定したバイパスエア流量QBPに、導出したFC要求エア流量QFCを加算(すなわち上乗せ)することで、送気エアの流量(送気エア流量)QAIRを導出する(ステップS330;下記式(3)参照)。
QAIR=QBP+QFC
QAIR = QBP + QFC
制御装置(調整手段)140は、導出した送気エア流量QAIRが得られるように、エアコンプレッサ60の動作を制御し(ステップS340)、処理を終了する。 The control device (adjusting means) 140 controls the operation of the air compressor 60 so as to obtain the derived air supply air flow rate Q AIR (step S340), and ends the process.
<正常始動処理>
図6は、正常始動処理を示すフローチャートである。
制御装置140は、温度センサT2によって検出されるFC温度がメモリ(図示略)に設定されている基準温度を下回っているか否かを判断する(ステップS410)。ここで、基準温度は、システム始動時に低効率運転を実施すべきか否かを判断するための基準温度(例えば0℃)である。なお、基準温度は、製造出荷時などに予め設定しても良いが、ボタン操作などによって適宜設定・変更可能としても良い。
<Normal start processing>
FIG. 6 is a flowchart showing normal start processing.
The
制御装置140は、検出されるFC温度が基準温度を超えていることを検知すると、通常運転を開始し(ステップS420)、処理を終了する。
When detecting that the detected FC temperature exceeds the reference temperature, the
一方、制御装置140は、検出されるFC温度が基準温度を下回っていることを検知すると、低効率運転を開始すべく、目標とする低効率運転動作点(It、Vt)を決定した後(図2参照)、メモリ170に格納されている低効率ストイキ比マップmp1を参照する。低効率運転ストイキ比マップmp1は、FC電流指令値ItとFC電圧指令値Vtからエアストイキ比を決定するものであり、実験などによって求めた値をベースに作成される。制御装置140は、決定したFC電流It、FC電圧Vt、低効率運転ストイキ比マップmp1を利用して該運転動作点におけるエアストイキ比Raを決定する(ステップS430)。
On the other hand, after detecting that the detected FC temperature is lower than the reference temperature, the
制御装置140は、エアストイキ比Raを決定すると、メモリ170に格納されているポンピング水素量マップmp2及びパージ水素量マップmp3を参照する。ポンピング水素量マップmp2は、FC電流指令値Itと、決定したエアストイキ比Raと、温度センサS6によって検出される燃料電池40の温度からポンピング水素の発生量(ポンピング水素量)を推定するものであり、実験などにより求めた値をベースに作成される。また、パージ水素量マップmp3は、FC電流から水素オフガスを含むアノードオフガスの排出量(パージ水素量)を推定するためのマップである。
When determining the air stoichiometric ratio Ra, the
制御装置140は、決定したFC電流指令値It、エアストイキ比Ra、燃料電池40の温度、ポンピング水素量マップmp2を利用してポンピング水素量Ap1を推定する一方、決定したFC電流指令値It、パージ水素量マップmp3を利用してパージ水素量Ap2を推定し、目標とする低効率動作点(It、Vt)における総排気水素量Atを求める(ステップS440;下記式(4)参照)。
At=Ap1+Ap2 ・・・(4)
The
At = Ap1 + Ap2 (4)
制御装置140は、総排気水素量Atを求めると、排気水素濃度を基準値以下にするのに必要なFC必要エア流量、エア掃気量指令値、バイパスエア流量を導出する(ステップS450)。具体的には、まず、下記式(5)を利用して燃料電池40に必要なエア流量(FC必要エア流量)Anを求める。
An=It*{400*22.4*60/(4*96485)}*100/21 ・・・(5)
When determining the total exhaust hydrogen amount At, the
An = It * {400 * 22.4 * 60 / (4 * 96485)} * 100/21 (5)
次に、制御装置140は、下記式(6)を利用して燃料電池40で消費されるエア流量(FC消費エア流量)Acを求めるとともに、下記式(7)を利用して排気水素濃度を基準値以下に希釈するのに必要なエア流量(総エア流量)Adを求める。
Ac=It*400*22.4*60/(4*96485) ・・・(6)
Ad=(At*100/Dt)+Ac ・・・(7)
Dt;排気水素の目標濃度(%)
Next, the
Ac = It * 400 * 22.4 * 60 / (4 * 96485) (6)
Ad = (At * 100 / Dt) + Ac (7)
Dt: exhaust hydrogen target concentration (%)
さらに、制御装置140は、FC必要エア流量Anにバイパス最低エア流量Ablを加算した値と総エア流量Adとを比較し、大きい方をエアコンプレッサ60のエア送気量指令値Aspとして設定する(下記式(8)参照)。そして、設定したエア送気量指令値AspとFC必要エア流量Anを下記式(9)に代入することで、バイパスエア流量Abpを求める。なお、バイパス最低エア流量Ablは、低効率運転時にバイパスライン31に流すべきエア流量の最小値をあらわす。
Asp=MAX{(An+Abl),(Ad)} ・・・(8)
Abp=Asp−An ・・・(9)
Further, the
Asp = MAX {(An + Abl), (Ad)} (8)
Abp = Asp-An (9)
制御装置140は、FC必要エア流量An、バイパスエア流量Abpを求めると、エア調圧弁開度マップmp4及びバイパス弁開度マップmp5を参照する。エア調圧弁開度マップmp4は、FC必要エア流量Anとバイパスエア流量Abpからエア調圧弁A1の弁開度を決定するためのマップであり、バイパス弁開度マップmp5は、FC必要エア流量Anとバイパスエア流量Abpからバイパス弁B1の弁開度を決定するためのマップである。
When determining the FC required air flow rate An and the bypass air flow rate Abp, the
制御装置140は、FC必要エア流量An、バイパスエア流量Abp、エア調圧弁開度マップmp4、バイパス弁開度マップmp5を利用してエア調圧弁A1の弁開度及びバイパス弁B1の弁開度を調整する(ステップS460)。このとき、エア調圧弁A1の弁開度は、電流計S5によって検出されるFC電流の測定値と目標値の偏差から生成するPID補正項にて補正を行う。
The
さらに、制御装置140は、設定したエア送気量指令値Asに従ってエアコンプレッサ60の駆動を制御すると(ステップS470)、ステップS480に進み、低効率運転を終了すべきか否か(すなわち燃料電池40の暖気運転を終了すべきか否か)を判断する。ここで、燃料電池40の温度が予め設定された基準温度以上であれば低効率運転を終了する一方、基準温度を下回っていればステップS430に戻り、上述した処理を継続する。もちろん、これに限ることなく、発熱量や低効率運転の運転時間などに基づいて低効率運転を終了すべきか否かを判断しても良い。
Further, when the
以上説明したように、本実施形態によれば、バイパス弁B1に開故障などの異常が生じた場合には、フェールセーフ処理を実行し、発電に必要な酸化ガスが燃料電池40に供給されるように、エアコンプレッサ60から供給する酸化ガスのガス量を調整する。これにより、多量の酸化ガスがリークした場合であっても、発電に必要な酸化ガスが燃料電池に供給されるため、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, when an abnormality such as an open failure occurs in the bypass valve B1, fail-safe processing is executed, and oxidizing gas necessary for power generation is supplied to the
B.変形例
(1)上述した本実施形態では、凍結固着によってバイパス弁B1が開故障する場合を例に説明したが、例えば断線や弁体の変形などによってバイパス弁B1に異常(開故障や閉故障)が生じた場合も同様に適用可能である。さらに、バイパス弁B1の異常のみならず、燃料電池40の内部で酸化ガスがリークしたり、酸化ガス供給路11の配管が外れる等して酸化ガスがリークする場合にも同様に適用可能である。
B. Modified Example (1) In the above-described embodiment, the case where the bypass valve B1 has an open failure due to freezing and fixing has been described as an example. However, the bypass valve B1 is abnormal (open failure or closed failure) due to disconnection or deformation of the valve body, for example. ) Occurs in the same manner. Further, not only the abnormality of the bypass valve B1, but also the case where the oxidizing gas leaks inside the
(2)また、上述した本実施形態では、低効率運転の一態様としてカソードに供給する酸化ガスが不足した状態で燃料電池を発電させる場合について説明したが、これに代えて(あるいはこれに加えて)アノードに供給する燃料ガスが不足した状態で燃料電池を発電させても良い。 (2) In the above-described embodiment, as an aspect of the low-efficiency operation, the case where the fuel cell is caused to generate power in a state where the oxidizing gas supplied to the cathode is insufficient has been described. The fuel cell may generate power in a state where the fuel gas supplied to the anode is insufficient.
(3)また、本実施形態では、ガス供給路を流れる希釈用ガス(酸化ガス)の一部を燃料電池をバイパスして排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減したが、例えば希釈用ガス供給手段を別途設け、このガス供給手段から希釈用ガスを排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減しても良い。 (3) In the present embodiment, the exhaust hydrogen concentration is reduced by bypassing the fuel cell and guiding the part of the dilution gas (oxidizing gas) flowing through the gas supply path to the discharge passage. A supply means may be provided separately, and the exhaust gas concentration may be reduced by introducing dilution gas from the gas supply means to the discharge passage.
(4)また、本実施形態では、システム起動時に低効率運転を行う場合を例示したが、例えばシステム要求電力が所定値以下になった場合やシステム停止指示があった場合に低効率運転を行っても良い。 (4) In this embodiment, the case of performing the low efficiency operation at the time of starting the system is exemplified. However, for example, the low efficiency operation is performed when the system required power becomes a predetermined value or less or when there is a system stop instruction. May be.
(5)また、本実施形態では、圧力センサP2、P3によって検出されるバイパスエアの1次圧、2次圧から差圧ΔPを導出したが、圧力センサP3によって検出されるバイパスエアの圧力を大気圧とみなして(つまり大気圧で代用して)、圧力センサP3を省略しても良い。さらに、圧力センサP1、P2によって検出されるそれぞれの圧力を等しいとみなして、いずれか一方の圧力センサ(例えば圧力センサP2)のみを利用しても良い。 (5) In this embodiment, the differential pressure ΔP is derived from the primary pressure and the secondary pressure of the bypass air detected by the pressure sensors P2 and P3. However, the pressure of the bypass air detected by the pressure sensor P3 is calculated. The pressure sensor P3 may be omitted assuming that it is atmospheric pressure (that is, substituting with atmospheric pressure). Furthermore, it is also possible to consider that the respective pressures detected by the pressure sensors P1 and P2 are equal and use only one of the pressure sensors (for example, the pressure sensor P2).
30・・・燃料ガス供給源、40・・・燃料電池、50・・・水素循環ポンプ、60・・・エアコンプレッサ、70・・・加湿モジュール、80・・・希釈器、110・・・トラクションインバータ、120・・・補機インバータ、130・・・DC/DCコンバータ、140・・・バッテリ、150L、150R・・・車輪、160・・・制御装置、180・・・弁体位置検知センサ、H1・・・タンクバルブ、H2・・・水素供給バルブ、H3・・・FC入口バルブ、H4・・・FC出口バルブ、H5・・・パージバルブ、51・・・逆止弁、A1・・・圧力調整弁、B1・・・バイパスバルブ、11・・・酸化ガス供給路、12・・・カソードオフガス流路、S1・・・アクセルペダルセンサ、S2・・・SOCセンサ、S3・・・T/Cモータ回転数検出センサ、S4・・・電圧センサ、S5・・・電流センサ、T1,T2・・・温度センサ、P1,P2,P3・・・圧力センサ、mp1・・・低効率運転ストイキ比マップ、mp2・・・ポンピング水素量マップ、mp3・・・パージ水素量マップ、mp4・・・エア調圧弁開度マップ、mp5・・・バイパス弁開度マップ、100・・・燃料電池システム。 30 ... Fuel gas supply source, 40 ... Fuel cell, 50 ... Hydrogen circulation pump, 60 ... Air compressor, 70 ... Humidification module, 80 ... Diluter, 110 ... Traction Inverter, 120 ... Auxiliary machine inverter, 130 ... DC / DC converter, 140 ... Battery, 150L, 150R ... Wheel, 160 ... Control device, 180 ... Valve body position detection sensor, H1 ... tank valve, H2 ... hydrogen supply valve, H3 ... FC inlet valve, H4 ... FC outlet valve, H5 ... purge valve, 51 ... check valve, A1 ... pressure Regulating valve, B1 ... Bypass valve, 11 ... Oxidizing gas supply passage, 12 ... Cathode off gas passage, S1 ... Accelerator pedal sensor, S2 ... SOC sensor, S3 ... T C motor rotation speed detection sensor, S4 ... voltage sensor, S5 ... current sensor, T1, T2 ... temperature sensor, P1, P2, P3 ... pressure sensor, mp1 ... low efficiency operation stoichiometric ratio Map, mp2 ... pumping hydrogen amount map, mp3 ... purge hydrogen amount map, mp4 ... air pressure regulating valve opening map, mp5 ... bypass valve opening map, 100 ... fuel cell system.
Claims (4)
前記燃料電池から排出されるオフガスを排出するための排出通路と、
前記ガス供給源から供給される酸化ガスの一部を、前記燃料電池をバイパスして前記排
出通路へ導くバイパス装置と、
前記バイパス装置に異常が生じたか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段によって前記バイパス装置の異常が検知された場合には、バイパスされる
前記酸化ガスのガス量を推定する推定手段と、
前記推定手段によって推定されたガス量に応じて前記ガス供給源から前記燃料電池に供
給される酸化ガスのガス量を調整する調整手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。 A gas supply source for supplying an oxidizing gas containing oxygen to the fuel cell;
A discharge passage for discharging off-gas discharged from the fuel cell;
A bypass device that bypasses the fuel cell and guides part of the oxidizing gas supplied from the gas supply source to the discharge passage;
Detecting means for detecting whether or not an abnormality has occurred in the bypass device;
When an abnormality of the bypass device is detected by the detection means, an estimation means for estimating a gas amount of the oxidizing gas to be bypassed;
A fuel cell system comprising: adjusting means for adjusting the amount of oxidizing gas supplied from the gas supply source to the fuel cell in accordance with the gas amount estimated by the estimating means.
御するバイパス弁とを備え、
前記検知手段は、前記バイパス弁に開故障が生じたか否かを検知することを特徴とする
請求項1に記載の燃料電池システム。 The bypass device includes a bypass passage and a bypass valve that controls a flow rate of a part of the oxidizing gas to be bypassed,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the detection unit detects whether an open failure has occurred in the bypass valve.
ともに、該酸化ガスの温度を検知し、検知した前記酸化ガスの差圧と温度に基づいて前記
ガス量を推定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 It said estimating means is configured to detect the differential pressure of the oxidizing gas before and after passage of the bypass valve, senses the temperature of the oxidizing gas, estimate the gas amount based on the differential pressure and the temperature of the oxidation gas detected The fuel cell system according to claim 2, wherein:
導出する導出手段をさらに備え、
前記調整手段は、前記推定手段によって推定されたガス量と前記導出手段によって導出
されたガス量とに基づいて前記ガス供給源から前記燃料電池に供給される酸化ガスのガス
量を調整することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 A deriving means for deriving the amount of oxidizing gas required for the fuel cell based on the temperature and the required current of the fuel cell;
The adjusting means adjusts the gas amount of the oxidizing gas supplied from the gas supply source to the fuel cell based on the gas amount estimated by the estimating means and the gas amount derived by the deriving means. The fuel cell system according to claim 3, wherein
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