JP5234485B2 - 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.

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には、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の燃料供給流路が設けられている。そして、この燃料供給流路には、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が設けられるのが一般的である。   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. Such a fuel cell system is provided with a fuel supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source such as a hydrogen tank to the fuel cell. The fuel supply channel is generally provided with a pressure regulating valve (regulator) that reduces the supply pressure of the fuel gas from the fuel supply source to a certain value.

また、現在においては、燃料ガスの供給状態（供給量・供給圧力等）を変化させる開閉弁を燃料供給流路に設けることにより、システムの運転状態に応じて燃料ガスの供給状態を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３０２５６３号公報 In addition, at present, a technology for changing the fuel gas supply state according to the operating state of the system by providing an open / close valve in the fuel supply flow path to change the fuel gas supply state (supply amount, supply pressure, etc.). Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2005-302563 A

ところで、近年においては、燃料供給流路の開閉弁下流側における圧力変化分（例えば所定時間内における圧力の増分）を検出し、この圧力変化分に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出し、このガス噴射量等に基づいて開閉弁の開閉動作を制御する技術の開発が進められている。   Incidentally, in recent years, a change in pressure on the downstream side of the on-off valve in the fuel supply passage (for example, an increase in pressure within a predetermined time) is detected, and a gas injection amount from the on-off valve is calculated based on this pressure change. The development of a technique for controlling the opening / closing operation of the opening / closing valve based on the gas injection amount or the like is underway.

しかし、燃料電池の運転時間が長くなったり、燃料電池を構成する電解質膜の温度が上昇したりすると、燃料供給流路を経由して燃料電池のアノード側へと供給された燃料ガスがカソード側へと透過する現象（クロスリーク）が発生する場合がある。このようなクロスリークが発生すると、燃料供給流路の開閉弁下流側における圧力変化分がクロスリーク分だけ低減してしまうため、圧力変化分に基づくガス噴射量の算出精度が低下し、この結果、開閉弁の制御精度が低下してしまうという問題があった。   However, if the operating time of the fuel cell becomes long or the temperature of the electrolyte membrane constituting the fuel cell rises, the fuel gas supplied to the anode side of the fuel cell via the fuel supply channel will be There is a case in which a phenomenon (cross leak) that permeates into the screen occurs. When such a cross leak occurs, the pressure change on the downstream side of the on-off valve in the fuel supply flow path is reduced by the cross leak, and the calculation accuracy of the gas injection amount based on the pressure change is reduced. There is a problem that the control accuracy of the on-off valve is lowered.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料供給流路に設けられた開閉弁の下流側における圧力変化分に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出して開閉弁を制御する燃料電池システムにおいて、クロスリークの影響を抑制してガス噴射量の算出精度を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and controls the on-off valve by calculating the gas injection amount from the on-off valve based on the pressure change on the downstream side of the on-off valve provided in the fuel supply passage. An object of the present invention is to improve the calculation accuracy of the gas injection amount by suppressing the influence of the cross leak in the fuel cell system.

前記目的を達成するため、本発明に係る第一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燃料ガス供給流路と、この燃料ガス供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、この開閉弁からのガス噴射量を算出する噴射量算出手段と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための燃料オフガス排出流路と、燃料電池へと供給される酸化ガスを流すための酸化ガス供給流路と、燃料電池から排出される酸化オフガスを流すための酸化オフガス排出流路と、を備える燃料電池システムであって、燃料オフガス排出流路に設けられたアノード側遮断弁と、酸化ガス供給流路に設けられた第一のカソード側遮断弁と、酸化オフガス排出流路に設けられた第二のカソード側遮断弁と、を備え、噴射量算出手段は、アノード側遮断弁を閉鎖するとともに、第一及び第二のカソード側遮断弁を閉鎖し、開閉弁下流側の燃料ガス供給流路内におけるガス圧力の増分と、第一及び第二のカソード側遮断弁の間に形成される閉空間内におけるガス圧力の増分と、に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出するものである。   In order to achieve the above object, a first fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a fuel gas supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and the fuel gas. An on-off valve that adjusts the gas state on the upstream side of the supply flow path and supplies it to the downstream side, an injection amount calculating means for calculating a gas injection amount from the on-off valve, and a fuel off-gas discharged from the fuel cell A fuel comprising: a fuel off-gas discharge channel, an oxidizing gas supply channel for flowing an oxidizing gas supplied to the fuel cell, and an oxidizing off-gas discharge channel for flowing an oxidizing off-gas discharged from the fuel cell A battery system comprising an anode-side shut-off valve provided in a fuel off-gas discharge channel, a first cathode-side shut-off valve provided in an oxidizing gas supply channel, and a second provided in an oxidizing off-gas discharge channel Mosquito And the injection amount calculation means closes the anode side shutoff valve and closes the first and second cathode side shutoff valves, and in the fuel gas supply flow path downstream of the on-off valve. The gas injection amount from the on-off valve is calculated based on the increase in the gas pressure at and the increase in the gas pressure in the closed space formed between the first and second cathode side shut-off valves.

かかる構成を採用すると、アノード側流路内のガス圧力の増分に係る情報だけでなく、カソード側流路内のガス圧力の増分に係る情報に基づいて、開閉弁からのガス噴射量を算出することができる。従って、クロスリークの発生により燃料ガスが燃料電池のアノード側からカソード側に透過しカソード側流路内のガス圧力が増大した場合においても、開閉弁からのガス噴射量を精度良く算出することができる。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。   When such a configuration is adopted, the gas injection amount from the on-off valve is calculated based on not only the information related to the increase in the gas pressure in the anode side flow path but also the information related to the increase in the gas pressure in the cathode side flow path. be able to. Accordingly, even when the fuel gas permeates from the anode side to the cathode side of the fuel cell due to the occurrence of the cross leak and the gas pressure in the cathode side flow path increases, the gas injection amount from the on-off valve can be accurately calculated. it can. 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.

また、本発明に係る第二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燃料ガス供給流路と、この燃料ガス供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、この開閉弁からのガス噴射量を算出する噴射量算出手段と、燃料電池へと供給される酸化ガスを流すための酸化ガス供給流路と、を備える燃料電池システムであって、噴射量算出手段は、燃料ガス供給流路におけるガス圧力と酸化ガス流路におけるガス圧力とを一致させた状態で、開閉弁下流側における燃料ガス供給流路内のガス圧力の増分に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出するものである。   A second fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a fuel gas supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and an upstream of the fuel gas supply channel. An on-off valve that adjusts the gas state on the side and supplies it to the downstream side, an injection amount calculating means for calculating a gas injection amount from the on-off valve, and an oxidizing gas supply for flowing an oxidizing gas supplied to the fuel cell A fuel gas system on the downstream side of the on-off valve in a state in which the gas pressure in the fuel gas supply channel and the gas pressure in the oxidant gas channel are matched. The gas injection amount from the on-off valve is calculated based on the increment of the gas pressure in the supply flow path.

かかる構成を採用すると、アノード側流路におけるガス圧力とカソード側流路におけるガス圧力とを一致させることにより、クロスリークの影響を抑制することができる。従って、アノード側流路内のガス圧力の増分に係る情報に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出する際の算出精度を高めることができる。   By adopting such a configuration, it is possible to suppress the influence of cross leak by matching the gas pressure in the anode side flow path with the gas pressure in the cathode side flow path. Therefore, it is possible to increase the calculation accuracy when calculating the gas injection amount from the on-off valve based on the information related to the increase in the gas pressure in the anode side flow path.

前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための燃料オフガス排出流路と、燃料電池から排出される酸化オフガスを流すための酸化オフガス排出流路と、を設けるとともに、燃料オフガス排出流路にアノード側遮断弁を、酸化ガス供給流路に第一のカソード側遮断弁を、酸化オフガス排出流路に第二のカソード側遮断弁を、各々設けることができる。そして、各遮断弁に開故障が発生した場合に、燃料ガス供給流路におけるガス圧力と酸化ガス流路におけるガス圧力とを一致させた状態で、開閉弁下流側における燃料ガス供給流路内のガス圧力の増分に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出する噴射量算出手段を採用することができる。   The fuel cell system includes a fuel off-gas discharge passage for flowing a fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an oxidation off-gas discharge passage for flowing an oxidation off-gas discharged from the fuel cell. An anode-side shut-off valve can be provided in the exhaust passage, a first cathode-side shut-off valve can be provided in the oxidizing gas supply passage, and a second cathode-side shut-off valve can be provided in the oxidizing off-gas exhaust passage. When an open failure occurs in each shut-off valve, the gas pressure in the fuel gas supply channel and the gas pressure in the oxidant gas channel are made to coincide with each other in the fuel gas supply channel on the downstream side of the on-off valve. An injection amount calculating means for calculating the gas injection amount from the on-off valve based on the increase in gas pressure can be employed.

かかる構成を採用すると、各遮断弁に開故障が発生した場合においても、アノード側流路におけるガス圧力とカソード側流路におけるガス圧力とを一致させて、クロスリークの影響を抑制することができる。従って、アノード側流路内のガス圧力の増分に係る情報に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出する際の算出精度を高めることができる。   By adopting such a configuration, even when an open failure occurs in each shut-off valve, the gas pressure in the anode-side flow path and the gas pressure in the cathode-side flow path can be matched to suppress the influence of cross leak. . Therefore, it is possible to increase the calculation accuracy when calculating the gas injection amount from the on-off valve based on the information related to the increase in the gas pressure in the anode side flow path.

また、前記燃料電池システムにおいて、開閉弁としてインジェクタを採用することができる。   In the fuel cell system, an injector can be employed as the on-off valve.

本発明によれば、燃料供給流路に設けられた開閉弁の下流側における圧力変化分に基づいて開閉弁からのガス噴射量を算出して開閉弁を制御する燃料電池システムにおいて、クロスリークの影響を抑制してガス噴射量の算出精度を向上させることが可能となる。   According to the present invention, in the fuel cell system for controlling the on-off valve by calculating the gas injection amount from the on-off valve based on the pressure change on the downstream side of the on-off valve provided in the fuel supply flow path, It is possible to suppress the influence and improve the calculation accuracy of the gas injection amount.

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。   Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図１〜図４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１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４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. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 10 that generates electric power upon receiving a supply of reaction gas (oxidation gas and fuel gas), and the fuel cell 10 has an oxidant gas. An oxidizing gas piping system 2 for supplying the air, a hydrogen gas piping system 3 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 10, a control device 4 for integrated control of the entire system, and the like.

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。   The fuel cell 10 has a stack structure in which a required number of unit cells that generate power upon receiving a reaction gas are stacked. The electric power generated by the fuel cell 10 is supplied to a PCU (Power Control Unit) 11. The PCU 11 includes an inverter, a DC-DC converter, and the like that are disposed between the fuel cell 10 and the traction motor 12. Further, the fuel cell 10 is provided with a current sensor 13 for detecting a current during power generation.

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給するための酸化ガス供給流路としての空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く酸化オフガス排出流路としての空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４と、コンプレッサ２４から燃料電池１０へと供給される酸化ガスを遮断する第一のカソード側遮断弁２５と、圧力センサ２６と、が設けられている。また、空気排出流路２２には、燃料電池１０から排出される酸化オフガスを遮断する第二のカソード側遮断弁２７が設けられている。圧力センサ２６は、第一のカソード側遮断弁２５と第二のカソード側遮断弁２７との間に形成されるカソード側閉空間の圧力を検出する。   The oxidizing gas piping system 2 includes an air supply passage 21 as an oxidizing gas supply passage for supplying the oxidizing gas (air) humidified by the humidifier 20 to the fuel cell 10, and the oxidation exhausted from the fuel cell 10. An air discharge flow path 22 as an oxidation off gas discharge flow path for guiding off gas to the humidifier 20 and an exhaust flow path 23 for guiding the oxidation off gas from the humidifier 21 to the outside are provided. A compressor 24 that takes in the oxidizing gas in the atmosphere and pumps it into the humidifier 20 and the first cathode-side cutoff valve 25 that shuts off the oxidizing gas supplied from the compressor 24 to the fuel cell 10. And a pressure sensor 26 are provided. The air discharge passage 22 is provided with a second cathode side shut-off valve 27 that shuts off the oxidizing off gas discharged from the fuel cell 10. The pressure sensor 26 detects the pressure in the cathode side closed space formed between the first cathode side cutoff valve 25 and the second cathode side cutoff valve 27.

水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料ガス供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための燃料オフガス排出流路としての循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、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、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。   The hydrogen gas piping system 3 includes a hydrogen tank 30 as a fuel supply source storing high-pressure hydrogen gas, and a hydrogen supply channel as a fuel gas supply channel for supplying the hydrogen gas in the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10. 31 and a circulation passage 32 as a fuel off-gas discharge passage for returning the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10 to the hydrogen supply passage 31. Instead of the hydrogen tank 30, a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state, and Can also be employed as a fuel supply source. A tank having a hydrogen storage alloy may be employed as a fuel supply source.

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。   The hydrogen supply flow path 31 is provided with a shutoff valve 33 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30, a regulator 34 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 35. A primary pressure sensor 41 and a temperature sensor 42 that detect the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 31 are provided on the upstream side of the injector 35. A secondary side pressure sensor that detects the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply channel 31 is located downstream of the injector 35 and upstream of the junction A1 between the hydrogen supply channel 31 and the circulation channel 32. 43 is provided.

レギュレータ３４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３４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３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５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３５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３５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３５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３５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３５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３５の応答性の低下を抑制することができる。   The regulator 34 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure. In the present embodiment, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure is employed as the regulator 34. 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 35 can be effectively reduced by arranging two regulators 34 on the upstream side of the injector 35. 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 35 can be increased. In addition, since the upstream pressure of the injector 35 can be reduced, it is possible to prevent the valve body of the injector 35 from becoming difficult to move due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector 35. be able to. Accordingly, it is possible to widen the adjustable pressure width of the downstream pressure of the injector 35 and to suppress a decrease in responsiveness of the injector 35.

インジェクタ３５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３５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。インジェクタ３５の弁体は例えば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。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５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３５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 35 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 35 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. The valve body of the injector 35 is driven by a solenoid, for example, and the opening area of the injection hole can be switched between two stages or multiple stages by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid. The gas injection time and gas injection timing of the injector 35 are controlled by a control signal output from the control device 4, whereby the flow rate and pressure of hydrogen gas are controlled with high accuracy. The injector 35 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.

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３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５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タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０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３５を配置するようにする。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the injector 35 is disposed on the upstream side of the junction A <b> 1 between the hydrogen supply flow path 31 and the circulation flow path 32. Further, as shown by a broken line in FIG. 1, when a plurality of hydrogen tanks 30 are employed as the fuel supply source, the hydrogen gas supplied from each hydrogen tank 30 joins more than the part (hydrogen gas joining part A2). The injector 35 is arranged on the downstream side.

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６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３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。また、循環流路３２には、燃料電池１０から排出される水素オフガスの流通を遮断するオフガス遮断弁４４が設けられている。オフガス遮断弁４４は、本発明におけるアノード側遮断弁として機能する。   A discharge flow path 38 is connected to the circulation flow path 32 via a gas-liquid separator 36 and an exhaust drain valve 37. The gas-liquid separator 36 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 37 operates according to a command from the control device 4 to discharge (purge) the moisture collected by the gas-liquid separator 36 and the hydrogen off-gas containing impurities in the circulation flow path 32 to the outside. Is. In addition, the circulation channel 32 is provided with a hydrogen pump 39 that pressurizes the hydrogen off gas in the circulation channel 32 and sends it to the hydrogen supply channel 31 side. The hydrogen off-gas discharged through the exhaust / drain valve 37 and the discharge passage 38 is diluted by the diluter 40 and merges with the oxidizing off-gas in the exhaust passage 23. In addition, the circulation channel 32 is provided with an off-gas cutoff valve 44 that blocks the flow of hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10. The off-gas cutoff valve 44 functions as an anode side cutoff valve in the present invention.

制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（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１２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１２のほかに、燃料電池１０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２４や水素ポンプ３９のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、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 device 4 detects an operation amount of an acceleration operation member (accelerator or the like) provided in the vehicle, 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 12), Control the operation of various devices in the system. In addition to the traction motor 12, the load device is an auxiliary device (for example, a motor for the compressor 24 and the hydrogen pump 39) necessary for operating the fuel cell 10, and various devices (shifts) that are involved in the traveling of the vehicle. Machine, wheel control device, steering device, suspension device, etc.) and power consumption devices including an occupant space air conditioner (air conditioner), lighting, audio, and the like.

制御装置４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が読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。   The control device 4 is configured by a computer system (not shown). Such a computer system includes a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, and the like, and various control operations are realized by the CPU reading and executing various control programs recorded in the ROM. It is like that.

具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（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、燃料電池１０の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、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the control device 4 is consumed by the fuel cell 10 based on the operating state of the fuel cell 10 (current value during power generation of the fuel cell 10 detected by the current sensor 13). The amount of hydrogen gas (hereinafter referred to as “hydrogen consumption”) is calculated (fuel consumption calculation function: B1). In the present embodiment, the hydrogen consumption is calculated and updated for each calculation cycle of the control device 4 using a specific calculation formula representing the relationship between the current value of the fuel cell 10 and the hydrogen consumption.

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置における目標圧力値を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 determines the target pressure value of hydrogen gas (to the fuel cell 10) at the downstream position of the injector 35 based on the operating state of the fuel cell 10 (current value at the time of power generation of the fuel cell 10 detected by the current sensor 13). Target gas supply pressure) (target pressure value calculation function: B2). In the present embodiment, the target at the position where the secondary pressure sensor 43 is arranged for each calculation cycle of the control device 4 using a specific map representing the relationship between the current value of the fuel cell 10 and the target pressure value. The pressure value is calculated and updated.

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出した圧力値（検出圧力値）と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と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である。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、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 calculates a feedback correction flow rate based on a deviation between the calculated target pressure value and the pressure value (detected pressure value) detected by the secondary pressure sensor 43 (feedback correction flow rate calculation function: B3). The feedback correction flow rate is a hydrogen gas flow rate that is added to the hydrogen consumption in order to reduce the deviation between the target pressure value and the detected pressure value. In the present embodiment, the feedback correction flow rate is calculated and updated every calculation cycle of the control device 4 using a target tracking control law such as PI control.

また、制御装置４は、特定のマップを用いて、フィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。本実施形態においては、インジェクタ３５の開弁時間（τ）と、フィードフォワード補正流量（Ｑ）との関係を表す特定のマップ（Ｑ−τ特性マップ）を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。   Moreover, the control apparatus 4 calculates a feedforward correction | amendment flow volume using a specific map (feedforward correction | amendment flow volume calculation function: B4). In the present embodiment, a specific map (Q-τ characteristic map) representing the relationship between the valve opening time (τ) of the injector 35 and the feedforward correction flow rate (Q) is used for each calculation cycle of the control device 4. The feedforward correction flow rate is calculated and updated.

なお、図３に示すように、インジェクタ３５の特性変化（劣化、個体差、電圧変動等）やインジェクタ３５上流側の水素ガスの温度変化等に起因して、初期のＱ−τ特性マップを用いて算出されるフィードフォワード補正流量Ｑ（理論値）と、実際にインジェクタ３５から噴射される水素ガス流量Ｑ´（実際値）と、の間にずれが生じる場合がある。このため、制御装置４は、このような理論値と実際値とのずれ量ΔＱ（＝Ｑ´−Ｑ）を学習し、この学習結果を用いて初期のＱ−τ特性マップを補正している。   As shown in FIG. 3, the initial Q-τ characteristic map is used due to characteristic changes (deterioration, individual differences, voltage fluctuations, etc.) of the injector 35 and temperature changes of the hydrogen gas upstream of the injector 35. There may be a deviation between the feedforward corrected flow rate Q (theoretical value) calculated in this way and the hydrogen gas flow rate Q ′ (actual value) actually injected from the injector 35. For this reason, the control device 4 learns such a deviation amount ΔQ (= Q′−Q) between the theoretical value and the actual value, and corrects the initial Q-τ characteristic map using the learning result. .

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 determines the static flow rate upstream of the injector 35 based on the gas state upstream of the injector 35 (hydrogen gas pressure detected by the primary pressure sensor 41 and hydrogen gas temperature detected by the temperature sensor 42). (Static flow rate calculation function: B5). In the present embodiment, the static flow rate is calculated for each calculation cycle of the control device 4 using a specific calculation formula representing the relationship between the pressure and temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35 and the static flow rate. We are going to update.

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 calculates the invalid injection time of the injector 35 based on the gas state upstream of the injector 35 (pressure and temperature of hydrogen gas) and the applied voltage (invalid injection time calculation function: B6). Here, the invalid injection time means the time required from when the injector 35 receives a control signal from the control device 4 until the actual injection is started. In the present embodiment, the invalid injection time is calculated for each calculation cycle of the control device 4 using a specific map representing the relationship between the pressure and temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35, the applied voltage, and the invalid injection time. I am going to update it.

また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。   Further, the control device 4 calculates the injection flow rate of the injector 35 by adding the hydrogen consumption amount, the feedback correction flow rate, and the feedforward correction flow rate (injection flow rate calculation function: B7). Then, the control device 4 calculates the basic injection time of the injector 35 by multiplying the value obtained by dividing the injection flow rate of the injector 35 by the static flow rate by the drive cycle of the injector 35, and the basic injection time and the invalid injection time. Are added to calculate the total injection time of the injector 35 (total injection time calculation function: B8). Here, the drive cycle means a stepped (on / off) waveform cycle representing the open / close state of the injection hole of the injector 35.

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総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３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。   And the control apparatus 4 controls the gas injection time and gas injection timing of the injector 35 by outputting the control signal for implement | achieving the total injection time of the injector 35 computed through the above procedure, and fuel cell The flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to 10 are adjusted.

ところで、フィードフォワード補正流量の算出に用いられるＱ−τ特性マップを補正する際には、ある開弁時間（例えばτ1）における理論値Ｑと実際値Ｑ´とのずれ量ΔＱを学習する必要があるが、従来はこのようなずれ量ΔＱを学習する際に、実際値Ｑ´を以下の式（１）により算出していた。
Ｑ´＝ｋ×Ｔ×Ｖアノード×ΔＰ …（１）
但し、前記式（１）において、ｋ（＝１／１０１．３）は単位変換係数を、Ｔはインジェクタ３５の駆動周期を、Ｖアノードはインジェクタ３５下流側におけるアノード側の閉空間容積（インジェクタ３５とオフガス遮断弁４４との間に形成される閉空間の容積）を、ΔＰはインジェクタ３５下流側における圧力増加分を、各々意味する。 By the way, when correcting the Q-τ characteristic map used for calculating the feedforward correction flow rate, it is necessary to learn the deviation amount ΔQ between the theoretical value Q and the actual value Q ′ during a certain valve opening time (for example, τ 1 ). However, conventionally, when learning such a deviation amount ΔQ, the actual value Q ′ is calculated by the following equation (1).
Q ′ = k × T × V anode × ΔP (1)
In the equation (1), k (= 1 / 101.3) is a unit conversion coefficient, T is a drive cycle of the injector 35, and V anode is a closed space volume on the anode side on the downstream side of the injector 35 (injector 35). ΔP means an increase in pressure on the downstream side of the injector 35.

ここで、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、燃料電池１０の運転時間が長くなったり、燃料電池１０を構成する電解質膜の温度が上昇したりすると、クロスリーク量（水素供給流路３１を経由して燃料電池１０のアノード側へと供給された水素ガスがカソード側へと透過する現象）が増大することが知られている。このようにクロスリーク量が増大すると、水素供給流路３１のインジェクタ３５下流側における圧力増加分ΔＰがクロスリーク分だけ低減するため、圧力増加分ΔＰに基づくガス噴射量Ｑ´の算出精度が低下する。すると、ずれ量ΔＱの学習及びＱ−τ特性マップの補正を正確に行うことができず、結果的に、インジェクタ３５の制御精度が低下してしまう。   Here, as shown in FIGS. 4A and 4B, if the operating time of the fuel cell 10 becomes longer or the temperature of the electrolyte membrane constituting the fuel cell 10 rises, the amount of cross leak (hydrogen supply) It is known that the phenomenon in which hydrogen gas supplied to the anode side of the fuel cell 10 via the flow path 31 permeates to the cathode side) increases. When the cross leak amount increases in this way, the pressure increase ΔP on the downstream side of the injector 35 in the hydrogen supply flow path 31 is reduced by the cross leak amount, so that the calculation accuracy of the gas injection amount Q ′ based on the pressure increase ΔP decreases. To do. As a result, the learning of the deviation amount ΔQ and the correction of the Q-τ characteristic map cannot be performed accurately, and as a result, the control accuracy of the injector 35 is lowered.

そこで、本実施形態においては、制御装置４が、Ｑ−τ特性マップ補正のためにずれ量ΔＱを学習する際に以下のような制御を行う。すなわち、まず、制御装置４は、オフガス遮断弁４４を閉鎖するとともに、第一のカソード側遮断弁２５及び第二のカソード側遮断弁２７を閉鎖してアノード側及びカソード側に閉空間を形成する。そして、制御装置４は、インジェクタ３５下流側における水素供給流路３１内のガス圧力増加分ΔＰと、第一のカソード遮断弁２５下流側における空気供給流路２１内のガス圧力増加分ΔＰ´と、に基づいて、実際値Ｑ´を算出する。   Therefore, in the present embodiment, the control device 4 performs the following control when learning the shift amount ΔQ for Q-τ characteristic map correction. That is, first, the control device 4 closes the off-gas cutoff valve 44 and closes the first cathode side cutoff valve 25 and the second cathode side cutoff valve 27 to form closed spaces on the anode side and the cathode side. . Then, the controller 4 increases the gas pressure increase ΔP in the hydrogen supply flow path 31 on the downstream side of the injector 35 and the gas pressure increase ΔP ′ in the air supply flow path 21 on the downstream side of the first cathode cutoff valve 25. Based on the above, the actual value Q ′ is calculated.

具体的には、制御装置４は、以下の式（２）により実際値Ｑ´を算出する。
Ｑ´＝ｋ×Ｔ×（Ｖカソード×ΔＰ´＋Ｖアノード×ΔＰ） …（２）
但し、前記式（２）において、Ｖカソードはカソード側の閉空間容積（第一のカソード側遮断弁２５と第二のカソード側遮断弁２７との間に形成される閉空間の容積）を意味する。また、その他の定数及び変数（ｋ、Ｔ、Ｖアノード及びΔＰ）は式（１）で定義したものと同一である。すなわち、制御装置４は、本発明における噴射量算出手段の一実施形態として機能する。 Specifically, the control device 4 calculates the actual value Q ′ by the following equation (2).
Q ′ = k × T × (V cathode × ΔP ′ + V anode × ΔP) (2)
However, in the formula (2), V cathode means the closed space volume on the cathode side (the volume of the closed space formed between the first cathode side cutoff valve 25 and the second cathode side cutoff valve 27). To do. The other constants and variables (k, T, V anode and ΔP) are the same as those defined by the equation (1). That is, the control device 4 functions as an embodiment of the injection amount calculation means in the present invention.

このように、本実施形態における制御装置４は、水素供給流路３１内のガス圧力の増加分ΔＰだけでなく、空気供給流路２１内のガス圧力の増加分ΔＰ´に基づいて実際値Ｑ´（インジェクタ３５からのガス噴射量）を算出するため、クロスリーク量が増大した場合においても、実際値Ｑ´を精度良く算出することができる。従って、理論値Ｑと実際値Ｑ´とのずれ量ΔＱを正確に学習することができ、この学習結果を用いて初期のＱ−τ特性マップを精度良く補正することができる。   As described above, the control device 4 according to the present embodiment uses the actual value Q based not only on the increase ΔP ′ of the gas pressure in the hydrogen supply channel 31 but also on the increase ΔP ′ of the gas pressure in the air supply channel 21. Since '(the amount of gas injected from the injector 35) is calculated, the actual value Q' can be accurately calculated even when the cross leak amount increases. Therefore, the deviation amount ΔQ between the theoretical value Q and the actual value Q ′ can be accurately learned, and the initial Q-τ characteristic map can be accurately corrected using the learning result.

次に、図５のフローチャートを用いて、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 flowchart of FIG.

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０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２１を介して燃料電池１０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１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４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１０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おいて燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。   During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 30 to the fuel electrode of the fuel cell 10 through the hydrogen supply channel 31, and the air that has been subjected to humidification adjustment passes through the air supply channel 21. Then, power is generated by being supplied to the oxidation electrode of the fuel cell 10. At this time, the power (required power) to be drawn from the fuel cell 10 is calculated by the control device 4, and hydrogen gas and air in an amount corresponding to the amount of power generation are supplied into the fuel cell 10. In the present embodiment, the pressure of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 during such normal operation is controlled with high accuracy.

すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置４は、電流センサ１３を用いて燃料電池１０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、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（水素消費量）を算出する（燃料消費量算出工程：Ｓ２）。   That is, first, the control device 4 of the fuel cell system 1 uses the current sensor 13 to detect a current value during power generation of the fuel cell 10 (current detection step: S1). Next, the control device 4 calculates the amount of hydrogen gas (hydrogen consumption) consumed by the fuel cell 10 based on the current value detected by the current sensor 13 (fuel consumption calculation step: S2).

次いで、制御装置４は、Ｑ―τ特性マップを用いて、フィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出工程：Ｓ３）。なお、本実施形態においては、燃料電池１０の運転終了時又は起動時に、Ｑ−τ特性マップを用いて算出されるフィードフォワード補正流量Ｑ（理論値）と、実際にインジェクタ３５から噴射される水素ガス流量Ｑ´（実際値）と、のずれ量ΔＱを学習し、この学習結果を用いてＱ−τ特性マップを定期的に補正している。マップ補正の具体的な方法については、図６のフローチャートを用いて後述することとする。   Next, the control device 4 calculates a feedforward corrected flow rate using the Q-τ characteristic map (feedforward corrected flow rate calculation step: S3). In the present embodiment, the feedforward corrected flow rate Q (theoretical value) calculated using the Q-τ characteristic map and the hydrogen actually injected from the injector 35 when the fuel cell 10 is operated or started. A deviation ΔQ from the gas flow rate Q ′ (actual value) is learned, and the Q-τ characteristic map is periodically corrected using the learning result. A specific map correction method will be described later with reference to the flowchart of FIG.

フィードフォワード補正流量算出工程Ｓ３に次いで、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、インジェクタ３５下流の所定位置における水素ガスの目標圧力値を算出する（目標圧力値算出工程：Ｓ４）。また、制御装置４は、二次側圧力センサ４３を用いてインジェクタ３５下流の所定位置における圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ５）。そして、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ４で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ５で検出した圧力値（検出圧力値）と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出工程：Ｓ６）。   Following the feedforward corrected flow rate calculation step S3, the control device 4 calculates a target pressure value of hydrogen gas at a predetermined position downstream of the injector 35 based on the current value detected by the current sensor 13 (target pressure value calculation step: S4). Moreover, the control apparatus 4 detects the pressure value in the predetermined position downstream of the injector 35 using the secondary side pressure sensor 43 (pressure value detection process: S5). Then, the control device 4 calculates the feedback correction flow rate based on the deviation between the target pressure value calculated in the target pressure value calculation step S4 and the pressure value (detected pressure value) detected in the pressure value detection step S5 ( Feedback correction flow rate calculation step: S6).

次いで、制御装置４は、燃料消費流量算出工程Ｓ２で算出した水素消費量と、フィードフォワード補正流量算出工程Ｓ３で算出したフィードフォワード補正流量と、フィードバック補正流量算出工程Ｓ６で算出したフィードバック補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出工程：Ｓ７）。   Next, the control device 4 calculates the hydrogen consumption calculated in the fuel consumption flow rate calculation step S2, the feedforward correction flow rate calculated in the feedforward correction flow rate calculation step S3, and the feedback correction flow rate calculated in the feedback correction flow rate calculation step S6. Are added to calculate the injection flow rate of the injector 35 (injection flow rate calculation step: S7).

次いで、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出工程：Ｓ８）。そして、制御装置４は、噴射流量算出工程Ｓ７で算出したインジェクタ３５の噴射流量を、静的流量算出工程Ｓ８で算出した静的流量で除した値に、インジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出する（基本噴射時間算出工程：Ｓ９）。   Next, the control device 4 detects the upstream of the injector 35 based on the pressure of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the primary pressure sensor 41 and the temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the temperature sensor 42. Is calculated (static flow rate calculation step: S8). Then, the control device 4 multiplies the value obtained by dividing the injection flow rate of the injector 35 calculated in the injection flow rate calculation step S7 by the static flow rate calculated in the static flow rate calculation step S8 by the drive cycle of the injector 35. The basic injection time of the injector 35 is calculated (basic injection time calculating step: S9).

次いで、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、印加電圧と、に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出工程：Ｓ１０）。そして、制御装置４は、基本噴射時間算出工程Ｓ９で算出したインジェクタ３５の基本噴射時間と、無効噴射時間算出工程Ｓ１０で算出した無効噴射時間と、を加算することにより、インジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出工程：Ｓ１１）。   Next, the control device 4 is based on the pressure of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the primary pressure sensor 41, the temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the temperature sensor 42, and the applied voltage. The invalid injection time of the injector 35 is calculated (invalid injection time calculating step: S10). Then, the control device 4 adds the basic injection time of the injector 35 calculated in the basic injection time calculation step S9 and the invalid injection time calculated in the invalid injection time calculation step S10, so that the total injection time of the injector 35 is increased. Is calculated (total injection time calculating step: S11).

その後、制御装置４は、総噴射時間算出工程Ｓ１１で算出したインジェクタ３５の総噴射時間に係る制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。   Thereafter, the control device 4 controls the gas injection time and the gas injection timing of the injector 35 by outputting a control signal related to the total injection time of the injector 35 calculated in the total injection time calculating step S11. The flow rate and pressure of hydrogen gas supplied to the are adjusted.

続いて、図６のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１のマップ補正方法について説明する。   Next, a map correction method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described using the flowchart of FIG.

本実施形態においては、燃料電池１０の運転終了時又は起動時に、以下の手順により、初期のＱ−τ特性マップを用いて算出されるフィードフォワード補正流量Ｑ（理論値）と、実際にインジェクタ３５から噴射される水素ガス流量Ｑ´（実際値）と、のずれ量ΔＱを学習し、この学習結果を用いてＱ−τ特性マップを補正する。   In the present embodiment, at the end of operation of the fuel cell 10 or at the start-up, the feedforward correction flow rate Q (theoretical value) calculated using the initial Q-τ characteristic map and the injector 35 are actually calculated according to the following procedure. The deviation amount ΔQ of the hydrogen gas flow rate Q ′ (actual value) injected from is learned, and the Q-τ characteristic map is corrected using the learning result.

まず、制御装置４は、循環流路３２に設けられたオフガス遮断弁４４を閉鎖するとともに、空気供給流路２１に設けられた第一のカソード側遮断弁２５及び空気排出流路２２に設けられた第二のカソード側遮断弁２７を閉鎖する（遮断弁閉鎖工程：Ｓ２１）。次いで、制御装置４は、アノード側の二次側圧力センサ４３を用いて、インジェクタ３５下流側における所定時間内のガス圧力増加分ΔＰを検出するとともに、カソード側の圧力センサ２６を用いて、第一のカソード側遮断弁２５下流側における所定時間内のガス圧力増加分ΔＰ´を検出する（圧力変化分検出工程：Ｓ２２）。   First, the control device 4 closes the off-gas cutoff valve 44 provided in the circulation channel 32 and is provided in the first cathode side cutoff valve 25 and the air discharge channel 22 provided in the air supply channel 21. The second cathode side shut-off valve 27 is closed (shut-off valve closing step: S21). Next, the control device 4 uses the anode-side secondary pressure sensor 43 to detect a gas pressure increase ΔP within a predetermined time on the downstream side of the injector 35 and uses the cathode-side pressure sensor 26 to detect the gas pressure increase ΔP. A gas pressure increase ΔP ′ within a predetermined time on the downstream side of the one cathode side shutoff valve 25 is detected (pressure change detection step: S22).

次いで、制御装置４は、圧力変化分検出工程Ｓ２２で検出したガス圧力増加分ΔＰ、ΔＰ´に基づいて、実際値Ｑ´（インジェクタ３５の実際の噴射量）を算出する（噴射量算出工程：Ｓ２３）。その後、制御装置４は、理論値Ｑと実際値Ｑ´とのずれ量ΔＱを学習し（学習工程：Ｓ２４）、この学習結果に基づいてＱ−τ特定マップを補正する（マップ補正工程：Ｓ２５）。マップ補正工程Ｓ２５は、ずれ量ΔＱの学習値が相当数蓄積された時点で実施してもよく、燃料電池１０の運転終了時や起動時に毎回実施してもよい。   Next, the control device 4 calculates an actual value Q ′ (actual injection amount of the injector 35) based on the gas pressure increases ΔP and ΔP ′ detected in the pressure change detection step S22 (injection amount calculation step: S23). Thereafter, the control device 4 learns the deviation amount ΔQ between the theoretical value Q and the actual value Q ′ (learning step: S24), and corrects the Q-τ specific map based on the learning result (map correction step: S25). ). The map correction step S25 may be performed when a considerable number of learned values of the deviation amount ΔQ are accumulated, or may be performed every time the operation of the fuel cell 10 is completed or started.

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、アノード側流路内のガス圧力の増加分ΔＰだけでなく、カソード側流路内のガス圧力の増加分ΔＰ´に基づいて、実際値Ｑ´（インジェクタ３５のガス噴射量）を算出することができる。従って、クロスリークの発生により水素ガスが燃料電池１０のアノード側からカソード側に透過し空気供給流路２１内のガス圧力が増大した場合においても、実際値Ｑ´を精度良く算出することができる。この結果、理論値Ｑと実際値Ｑ´とのずれ量ΔＱを正確に学習することができ、この学習結果を用いて初期のＱ−τ特性マップを精度良く補正することができ、適切なフィードフォワード補正流量を算出してインジェクタ３５の制御精度を向上させることが可能となる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the actual value Q is based on not only the increase ΔP in the gas pressure in the anode-side flow path but also the increase ΔP ′ in the gas pressure in the cathode-side flow path. '(The gas injection amount of the injector 35) can be calculated. Therefore, even when hydrogen gas permeates from the anode side to the cathode side of the fuel cell 10 due to the occurrence of cross leak and the gas pressure in the air supply passage 21 increases, the actual value Q ′ can be calculated with high accuracy. . As a result, the deviation amount ΔQ between the theoretical value Q and the actual value Q ′ can be accurately learned, and the initial Q-τ characteristic map can be accurately corrected using this learning result, and an appropriate feed can be obtained. It is possible to improve the control accuracy of the injector 35 by calculating the forward correction flow rate.

なお、以上の実施形態においては、クロスリークが発生することを前提とし、水素供給流路３１内のガス圧力増加分ΔＰと、空気供給流路２１内のガス圧力増加分ΔＰ´と、に基づいて、インジェクタ３５のガス噴射量を算出した例を示したが、クロスリークの発生を抑制した上でインジェクタ３５のガス噴射量を算出することもできる。   In the above embodiment, on the premise that cross leak occurs, it is based on the gas pressure increase ΔP in the hydrogen supply flow path 31 and the gas pressure increase ΔP ′ in the air supply flow path 21. In this example, the gas injection amount of the injector 35 is calculated. However, the gas injection amount of the injector 35 can be calculated after suppressing the occurrence of cross leak.

すなわち、制御装置４は、アノード側の二次側圧力センサ４３で検出される圧力値と、カソード側の圧力センサ２６で検出される圧力値と、を比較し、両者が一致した状態で、インジェクタ３５下流側における水素供給流路３１内のガス圧力増加分ΔＰに基づいてインジェクタ３５のガス噴射量を算出することもできる。このようにすると、水素供給流路３１におけるガス圧力と空気供給流路２１におけるガス圧力とを一致させることにより、クロスリークの影響を抑制することができるので、インジェクタ３５のガス噴射量の算出精度を高めることができる。このような手法は、オフガス遮断弁４４やカソード側遮断弁２５・２７が開故障した場合に有効である。また、これら遮断弁が設けられていないシステムにおいても有効である。   That is, the control device 4 compares the pressure value detected by the secondary pressure sensor 43 on the anode side with the pressure value detected by the pressure sensor 26 on the cathode side, The gas injection amount of the injector 35 can also be calculated based on the gas pressure increase ΔP in the hydrogen supply passage 31 on the downstream side. In this way, the gas pressure in the hydrogen supply flow path 31 and the gas pressure in the air supply flow path 21 can be matched to suppress the influence of cross leak, so the calculation accuracy of the gas injection amount of the injector 35 can be suppressed. Can be increased. Such a method is effective when the off-gas cutoff valve 44 and the cathode side cutoff valves 25 and 27 are open. It is also effective in a system in which these shutoff valves are not provided.

また、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３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図７に示すように、燃料電池２に排出流路３８を接続して循環流路３２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、制御装置４で前記実施形態と同様にアノード側のガス圧力増加分ΔＰとカソード側のガス圧力増加分ΔＰ´とに基づいてインジェクタ３５のガス噴射量を算出することにより、ずれ量学習時（Ｑ−τ特性マップ補正時）におけるクロスリークの影響を抑制することができる。   Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the circulation flow path 32 in the hydrogen gas piping system 3 of the fuel cell system 1 was shown, for example, as shown in FIG. And the circulation channel 32 can be eliminated. Even when such a configuration (dead end method) is adopted, the control device 4 controls the gas of the injector 35 on the basis of the gas pressure increase ΔP on the anode side and the gas pressure increase ΔP ′ on the cathode side as in the above embodiment. By calculating the injection amount, it is possible to suppress the influence of the cross leak during the deviation amount learning (when the Q-τ characteristic map is corrected).

また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９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３７を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２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、制御装置４で排気弁を制御することもできる。   Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the hydrogen pump 39 in the circulation flow path 32 was shown, it replaces with the hydrogen pump 39 and an ejector may be employ | adopted. Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the exhaust_flow_drain valve 37 which implement | achieves both exhaust_gas | exhaustion and waste_water | drain in the circulation flow path 32 was shown, the water | moisture content collect | recovered with the gas-liquid separator 36 is discharged | emitted outside. A drain valve and an exhaust valve for discharging the gas in the circulation flow path 32 to the outside can be provided separately, and the exhaust valve can be controlled by the control device 4.

また、以上の実施形態においては、水素供給流路３１に遮断弁３３及びレギュレータ３４を設けた例を示したが、インジェクタ３５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３３やレギュレータ３４を設けなくてもよい。従って、インジェクタ３５を採用すると遮断弁３３やレギュレータ３４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 33 and the regulator 34 are provided in the hydrogen supply flow path 31 has been described. However, the injector 35 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 33 and the regulator 34. Therefore, when the injector 35 is employed, the shut-off valve 33 and the regulator 34 can be omitted, so that 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１０の発電時の電流値を検出し、この電流値に基づいて目標圧力値や水素ガスの消費量を算出してインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定した例を示したが、燃料電池１０の運転状態を示す他の物理量（燃料電池１０の発電時の電圧値や電力値、燃料電池１０の温度等）を検出し、この検出した物理量に基づいて目標圧力値や水素ガスの消費量を算出することもできる。   Further, in the above embodiment, the current value at the time of power generation of the fuel cell 10 is detected, and the target pressure value and the consumption amount of hydrogen gas are calculated based on this current value, and the operating state (injection time) of the injector 35. However, other physical quantities indicating the operating state of the fuel cell 10 (voltage value and power value at the time of power generation of the fuel cell 10, temperature of the fuel cell 10, etc.) are detected, and the detected physical quantity is used as the detected physical quantity. Based on this, the target pressure value and the consumption amount of hydrogen gas can be calculated.

また、以上の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。   Moreover, in the above embodiment, although the example which mounted the fuel cell system which concerns on this invention in the fuel cell vehicle was shown, it concerns on this invention to various mobile bodies (a robot, a ship, an aircraft, etc.) other than a fuel cell vehicle. A fuel cell system can also be installed. 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装置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 apparatus of the fuel cell system shown in FIG. フィードフォワード補正流量の算出に用いられるＱ−τ特性マップを示す図である。It is a figure which shows the Q-tau characteristic map used for calculation of feedforward correction | amendment flow volume. （Ａ）は燃料電池の運転時間とクロスリーク量との関係を示す図であり、（Ｂ）は燃料電池の電解質膜の温度とクロスリーク量との関係を示す図である。(A) is a figure which shows the relationship between the operating time of a fuel cell, and the amount of cross leaks, (B) is a figure which shows the relationship between the temperature of the electrolyte membrane of a fuel cell, and the amount of cross leaks. 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. 図１に示した燃料電池システムのマップ補正方法を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining a map correction 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、４…制御装置（噴射量算出手段）、１０…燃料電池、２１…空気供給流路（酸化ガス供給流路）、２２…空気排出流路（酸化オフガス排出流路）、２４…コンプレッサ（酸化ガス供給源）、２５…第一のカソード側遮断弁、２７…第二のカソード側遮断弁、３０…水素タンク（燃料供給源）、３１…水素供給流路（燃料ガス供給流路）、３２…循環流路（燃料オフガス排出流路）、３５…インジェクタ（開閉弁）、４４…オフガス遮断弁（アノード側遮断弁）。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 4 ... Control apparatus (injection amount calculation means), 10 ... Fuel cell, 21 ... Air supply flow path (oxidation gas supply flow path), 22 ... Air discharge flow path (oxidation off gas discharge flow path), 24 ... Compressor (oxidizing gas supply source), 25 ... First cathode side cutoff valve, 27 ... Second cathode side cutoff valve, 30 ... Hydrogen tank (fuel supply source), 31 ... Hydrogen supply flow path (fuel gas supply) Flow path), 32 ... circulation flow path (fuel off-gas discharge flow path), 35 ... injector (open / close valve), 44 ... off-gas cutoff valve (anode side cutoff valve).

Claims (4)

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燃料ガス供給流路と、この燃料ガス供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、この開閉弁からのガス噴射量を算出する噴射量算出手段と、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燃料オフガス排出流路と、前記燃料電池へと供給される酸化ガスを流すための酸化ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを流すための酸化オフガス排出流路と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料オフガス排出流路に設けられたアノード側遮断弁と、
前記酸化ガス供給流路に設けられた第一のカソード側遮断弁と、
前記酸化オフガス排出流路に設けられた第二のカソード側遮断弁と、を備え、
前記噴射量算出手段は、前記アノード側遮断弁を閉鎖するとともに、前記第一及び第二のカソード側遮断弁を閉鎖し、前記開閉弁下流側の前記燃料ガス供給流路内におけるガス圧力の増分と、前記第一及び第二のカソード側遮断弁の間に形成される閉空間内におけるガス圧力の増分と、に基づいて前記開閉弁からのガス噴射量を算出するものである、
燃料電池システム。 A fuel cell, a fuel gas supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a gas state on the upstream side of the fuel gas supply channel is adjusted and supplied to the downstream side An on-off valve, an injection amount calculating means for calculating a gas injection amount from the on-off valve, a fuel off-gas discharge passage for flowing a fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an oxidation supplied to the fuel cell A fuel cell system comprising: an oxidizing gas supply channel for flowing gas; and an oxidizing off-gas discharge channel for flowing oxidizing off-gas discharged from the fuel cell,
An anode-side shut-off valve provided in the fuel off-gas discharge channel;
A first cathode side shut-off valve provided in the oxidizing gas supply flow path;
A second cathode side shut-off valve provided in the oxidation off gas discharge flow path,
The injection amount calculating means closes the anode-side shutoff valve, closes the first and second cathode-side shutoff valves, and increases the gas pressure in the fuel gas supply flow path downstream of the on-off valve And an increase in gas pressure in a closed space formed between the first and second cathode side shutoff valves, and a gas injection amount from the on-off valve is calculated.
Fuel cell system. 前記噴射量算出手段は、前記開閉弁の開弁時間とフィードフォワード補正流量との関係を表すマップに基づいて算出したフィードフォワード補正流量を用いて前記開閉弁からのガス噴射量を算出するものであって、前記開閉弁下流側の前記燃料ガス供給流路内におけるガス圧力の増分と、前記第一及び第二のカソード側遮断弁の間に形成される閉空間内におけるガス圧力の増分と、に基づいて前記マップを補正するものである、The injection amount calculation means calculates a gas injection amount from the on-off valve using a feed-forward correction flow rate calculated based on a map representing a relationship between a valve opening time of the on-off valve and a feed-forward correction flow rate. An increase in gas pressure in the fuel gas supply channel downstream of the on-off valve, and an increase in gas pressure in a closed space formed between the first and second cathode side shut-off valves, The map is corrected based on:
請求項１に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1. 前記噴射量算出手段は、前記開閉弁下流側の前記燃料ガス供給流路内におけるガス圧力の増分と、前記第一及び第二のカソード側遮断弁の間に形成される閉空間内におけるガス圧力の増分と、に基づいてフィードフォワード補正流量の実際値を算出し、この算出した実際値と、前記マップにおけるフィードフォワード補正流量の理論値と、のずれ量を学習し、この学習したずれ量に基づいて前記マップを補正するものである、The injection amount calculation means includes a gas pressure increment in the fuel gas supply flow path downstream of the on-off valve and a gas pressure in a closed space formed between the first and second cathode side shut-off valves. The actual value of the feed-forward correction flow rate is calculated based on the increment of the difference, and the deviation amount between the calculated actual value and the theoretical value of the feed-forward correction flow rate in the map is learned. Correcting the map based on
請求項２に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 2. 前記開閉弁は、インジェクタである、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The on-off valve is an injector;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
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