JP5392592B2 - Fuel cell system and impurity concentration estimation method - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及び不純物濃度推定方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and an impurity concentration estimation 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、発電に伴って窒素ガス等の不純物が経時的に蓄積することが知られている。現在においては、燃料電池の運転状態を安定化させる目的で、循環流路に接続した排出流路にパージ弁を設け、パージ弁の開閉制御を行って不純物を外部に排出する(パージを行う)燃料電池システムが提案されている。   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 put into practical use. It is known that impurities such as nitrogen gas 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. At present, for the purpose of stabilizing the operation state of the fuel cell, a purge valve is provided in the discharge channel connected to the circulation channel, and the purge valve is controlled to open and close to discharge impurities (purge). Fuel cell systems have been proposed.

また、現在においては、パージ時期やパージ時間の的確な制御を実現させること等を目的として、燃料ガス系内における不純物濃度を推定するための技術が種々提案されている。例えば、パージ前の燃料ガス系内における窒素量と、パージ時に排出される窒素量と、の差分を残留窒素量と推定し、この残留窒素量に基づいて、燃料ガス系内における窒素濃度を推定する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−327596号公報
At present, various techniques for estimating the impurity concentration in the fuel gas system have been proposed for the purpose of realizing accurate control of the purge timing and purge time. For example, the difference between the amount of nitrogen in the fuel gas system before purging and the amount of nitrogen discharged during purging is estimated as the residual nitrogen amount, and the nitrogen concentration in the fuel gas system is estimated based on this residual nitrogen amount The technique which performs is proposed (for example, refer patent document 1).
JP 2005-327596 A

ところで、近年においては、燃料供給源から燃料電池へと供給される燃料ガスの可変調圧を行う可変調圧弁(インジェクタ等)を採用した燃料電池システムの開発が進められている。このように燃料ガス系の可変調圧を行う燃料電池システムにおいては、可変調圧によりパージ時の排出窒素量が変化してしまうため、前記した特許文献1に記載したような従来の不純物濃度推定方法を採用すると、不純物濃度を精確に推定することが困難となっていた。   By the way, in recent years, development of a fuel cell system employing a modulatable pressure valve (injector or the like) that performs a modulatable pressure of fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell has been advanced. Thus, in the fuel cell system that performs a modulatable pressure of the fuel gas system, the amount of exhausted nitrogen at the time of purging changes due to the modulatable pressure, so that the conventional impurity concentration estimation as described in Patent Document 1 described above is performed. When the method is employed, it has been difficult to accurately estimate the impurity concentration.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガス系の可変調圧を行う燃料電池システムにおいて、不純物濃度の精確な推定を実現させること目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to achieve accurate estimation of impurity concentration in a fuel cell system that performs a modulatable pressure of a fuel gas system.

前記目的を達成するため、本発明に係る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を有する燃料ガス系と、燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、可変調圧弁から燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値及びパージ弁から排出されるガスの排出量指令値に基づいて可変調圧弁及びパージ弁の開閉動作を制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、制御手段は、排出量指令値に基づいてパージ弁からのガス排出後における燃料ガス系内のガス残留率を算出し、このガス残留率に基づいて燃料ガス系内の不純物分圧を算出し、この不純物分圧を圧力指令値で除することにより、燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出するものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a fuel gas system having a fuel gas supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a fuel. A controllable pressure valve for controlling the controllable pressure of the fuel gas flowing through the gas supply channel, a purge valve for discharging the gas from the fuel gas system, and a pressure command value for the fuel gas supplied from the controllable pressure valve to the fuel cell And a control means for controlling the opening / closing operation of the modulatable pressure valve and the purge valve based on the discharge amount command value of the gas discharged from the purge valve, wherein the control means has a discharge amount command value The gas residual rate in the fuel gas system after the gas is discharged from the purge valve is calculated based on the gas residual rate, the impurity partial pressure in the fuel gas system is calculated based on the gas residual rate, and the impurity partial pressure is calculated as a pressure command value. To divide by Ri, and calculates the estimated impurity concentration in the fuel gas system.

また、本発明に係る不純物濃度推定方法は、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燃料ガス供給流路を有する燃料ガス系と、燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、を備えた燃料電池システムの不純物濃度推定方法であって、パージ弁から排出されるガスの排出量指令値に基づいて、パージ弁からのガス排出後における燃料ガス系内のガス残留率を算出する第一の工程と、第一の工程で算出したガス残留率に基づいて、燃料ガス系内の不純物分圧を算出する第二の工程と、第二の工程で算出した不純物分圧を、可変調圧弁から燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値で除することにより、燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出する第三の工程と、を備えるものである。   Further, the impurity concentration estimation method according to the present invention includes a fuel cell, a fuel gas system having a fuel gas supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a fuel gas supply channel. A method for estimating the impurity concentration of a fuel cell system, comprising: a modulatable pressure valve that performs a modulatable pressure of fuel gas flowing through the gas; and a purge valve for exhausting gas from the fuel gas system. Based on the gas discharge command value, the first step of calculating the gas residual rate in the fuel gas system after gas discharge from the purge valve, and the gas residual rate calculated in the first step, By dividing the impurity partial pressure calculated in the second step and the second step of calculating the impurity partial pressure in the fuel gas system by the pressure command value of the fuel gas supplied to the fuel cell from the adjustable pressure valve Estimated impurity concentration in the fuel gas system A third step of calculating the one in which comprises a.

かかる構成及び方法を採用すると、燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの可変調圧を行う燃料電池システムにおいても、燃料ガスの調圧値に関する情報(圧力指令値)やパージ量に関する情報(排出量指令値)に基づいて、燃料ガス系内の不純物濃度を精確に推定することができる。   By adopting such a configuration and method, even in a fuel cell system that performs a variable pressure of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path, information on the pressure adjustment value of the fuel gas (pressure command value) and information on the purge amount (discharge) Based on the quantity command value), the impurity concentration in the fuel gas system can be accurately estimated.

前記燃料電池システムにおいて、可変調圧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 adopted as the adjustable pressure valve.

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精度良く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 accurately controlled.

本発明によれば、燃料ガス系の可変調圧を行う燃料電池システムにおいて、不純物濃度の精確な推定を実現させることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to achieve accurate estimation of impurity concentration in a fuel cell system that performs a modulatable pressure of a fuel gas system.

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 will be described.

まず、図1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。   First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

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を備え、燃料電池2に、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給しかつ燃料電池2から酸化オフガスを排出するための酸化ガス系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給しかつ燃料オフガスとしての水素オフガスを水素ガスとともに燃料電池2に循環させる燃料ガス系4と、が接続されている。燃料ガス系4は、水素オフガスを燃料ガス系4から排出可能な排気排水弁29を有し、排気排水弁29から排出される水素オフガスが希釈部5において酸化ガス系3から排出される酸化オフガス(空気)と混合されて外部に排出可能となっている。そして、システム全体が制御部6により統括制御されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 that generates power by receiving supply of reaction gas (oxidation gas and fuel gas). Gas to the fuel cell 2 and the oxidizing gas system 3 for discharging the oxidizing off gas from the fuel cell 2, hydrogen gas as the fuel gas to the fuel cell 2 and hydrogen off gas as the fuel off gas to hydrogen gas In addition, a fuel gas system 4 to be circulated to the fuel cell 2 is connected. The fuel gas system 4 has an exhaust drain valve 29 that can discharge hydrogen off gas from the fuel gas system 4, and the hydrogen off gas discharged from the exhaust drain valve 29 is discharged from the oxidizing gas system 3 in the dilution section 5. It can be discharged to the outside after being mixed with (air). The entire system is centrally controlled by the control unit 6.

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(セル)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(セル)は、固体高分子電解質膜の一方の面に空気極(カソード)を有し、他方の面に燃料極(アノード)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。アノード側のセパレータの流路に燃料ガスが供給されるとともに、カソード側のセパレータの流路に酸化ガスが供給されることで、燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2には、その運転温度を検出する温度センサ2aが設けられている。温度センサ2aで検出された燃料電池2の運転温度に係る情報は、制御部6に伝送されて、水素循環系の制御に用いられる。   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 (cells) are stacked. The unit cell (cell) of the fuel cell 2 has an air electrode (cathode) on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, a fuel electrode (anode) on the other surface, and further includes an air electrode and a fuel electrode. A pair of separators are provided so as to be sandwiched from both sides. The fuel cell 2 generates electric power by supplying the fuel gas to the flow path of the separator on the anode side and the oxidizing gas to the flow path of the separator on the cathode side. The fuel cell 2 is provided with a temperature sensor 2a that detects its operating temperature. Information on the operating temperature of the fuel cell 2 detected by the temperature sensor 2a is transmitted to the control unit 6 and used for control of the hydrogen circulation system.

酸化ガス系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は、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、を備えている。排気流路12は、背圧調整弁16を備えるとともに加湿器15に接続されており、排気流路12を流れる酸化オフガスが、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、希釈部5に移送される。   The oxidizing gas 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 includes a compressor 14 that takes in the oxidizing gas, and a humidifier 15 that humidifies the oxidizing gas pumped by the compressor 14. The exhaust passage 12 includes a back pressure adjustment valve 16 and is connected to the humidifier 15, and the oxidizing off gas flowing through the exhaust passage 12 passes through the back pressure adjustment valve 16 and is used for moisture exchange in the humidifier 15. After that, it is transferred to the dilution unit 5.

燃料ガス系4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21と、水素タンク21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22と、燃料電池2から排出された水素オフガスを水素供給流路22に戻すための循環流路23と、を備えている。なお、水素タンク21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 fuel gas system 4 includes a hydrogen tank 21 as a fuel supply source storing high-pressure hydrogen gas, and a hydrogen supply flow path 22 as a fuel gas supply flow path for supplying the hydrogen gas in the hydrogen tank 21 to the fuel cell 10. And a circulation flow path 23 for returning the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2 to the hydrogen supply flow path 22. Instead of the hydrogen tank 21, a reformer that generates 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22には、水素タンク21からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁24と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ25と、インジェクタ26と、が設けられている。また、インジェクタ26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27が設けられている。圧力センサ27で検出された水素ガスの圧力に係る情報は、制御部6に伝送されて、水素循環系の制御に用いられる。   The hydrogen supply flow path 22 is provided with a shutoff valve 24 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 21, a regulator 25 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 26. A pressure sensor 27 that detects the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 is provided on the downstream side of the injector 26 and upstream of the junction between the hydrogen supply flow path 22 and the circulation flow path 23. ing. Information on the pressure of the hydrogen gas detected by the pressure sensor 27 is transmitted to the control unit 6 and used for controlling the hydrogen circulation system.

レギュレータ25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25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。   The regulator 25 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 25. 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.

インジェクタ26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。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との合流部より上流側にインジェクタ26を配置している。インジェクタ26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、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26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6から出力される制御信号によってインジェクタ26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26は、弁(弁座及び弁体)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 26 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and the 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. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, an injector 26 is disposed on the upstream side of the junction between the hydrogen supply flow path 22 and the circulation flow path 23. The injector 26 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 slidably accommodated and opens and closes the injection hole. In the present embodiment, the valve body of the injector 26 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 26 by the control signal output from the control unit 6, the flow rate and pressure of the hydrogen gas are controlled with high accuracy. The injector 26 directly opens and closes the valve (the valve seat and the valve body) 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26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26のガス流路に設けられた弁の開口面積(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26の弁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26下流に供給されるガス圧力がインジェクタ26上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ26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26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しても機能する。   The injector 26 changes the opening area (opening) and / or the opening time of a valve provided in the gas flow path of the injector 26 in order to supply the required gas flow rate downstream thereof. The gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the (fuel cell 2 side) is adjusted. Since the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve of the injector 26 and the gas pressure supplied downstream of the injector 26 is reduced from the gas pressure upstream of the injector 26, the injector 26 is regulated by a pressure regulating valve (pressure reducing valve, regulator). Can also be interpreted. 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 26 so as to match the required pressure within a predetermined pressure range according to the gas requirement. Also works.

循環流路23には、気液分離器28及び排気排水弁29を介して、排出流路30が接続されている。気液分離器28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29は、制御部6からの指令によって作動することにより、気液分離器28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)するものであり、本発明におけるパージ弁の一実施形態として機能する。かかるパージを実行することにより、不純物分圧及び不純物濃度が低下し、燃料電池2に供給される水素ガスの濃度が上昇する。不純物分圧とは、例えば、水素タンク21から供給される水素ガス中に含まれる窒素ガス、酸化ガス系3から固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス系4に供給される窒素ガス、燃料電池2の発電により生じた水蒸気、等の水素ガス以外の気体の分圧の総和である。また、循環流路23には、循環流路23内の水素オフガスを加圧して水素供給流路22側へ送り出す循環ポンプ31が設けられている。なお、排気排水弁29及び排出流路30を介して排出される水素オフガスは、希釈器5で排気流路12内の酸化オフガスと合流して希釈されるようになっている。   A discharge channel 30 is connected to the circulation channel 23 via a gas-liquid separator 28 and an exhaust drain valve 29. The gas-liquid separator 28 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 29 operates according to a command from the control unit 6, and discharges moisture collected by the gas-liquid separator 28 and hydrogen off-gas (fuel off-gas) including impurities in the circulation channel 23 to the outside. (Purge) functions as one embodiment of the purge valve in the present invention. By performing such purging, the impurity partial pressure and the impurity concentration are reduced, and the concentration of hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 is increased. The impurity partial pressure is, for example, nitrogen gas contained in hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 21, nitrogen gas supplied from the oxidizing gas system 3 through the solid polymer electrolyte membrane to the fuel gas system 4, fuel It is the sum of partial pressures of gases other than hydrogen gas such as water vapor generated by power generation of the battery 2. In addition, the circulation channel 23 is provided with a circulation pump 31 that pressurizes the hydrogen off-gas in the circulation channel 23 and sends it to the hydrogen supply channel 22 side. The hydrogen off-gas discharged through the exhaust drain valve 29 and the discharge passage 30 is diluted by the diluter 5 by joining with the oxidizing off-gas in the exhaust passage 12.

制御部6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のモータや循環ポンプ31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 6 detects an operation amount of an acceleration operation member (accelerator or the like) 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 a traction motor). Control the operation of various devices in the system. In addition to the traction motor, the load device is an auxiliary device required for operating the fuel cell 2 (for example, a motor of the compressor 14 or a motor of the circulation pump 31), various devices ( It is a collective term for power consumption devices including actuators used in transmissions, wheel control units, steering devices, suspension devices, etc., air conditioners (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, and the like.

制御部6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 6 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6は、負荷(負荷装置からの要求発電量)に応じて、インジェクタ26から燃料電池2へと供給される水素ガスの圧力指令値(水素調圧値)と、排気排水弁29から排出されるガスの排出量指令値(パージ量)と、循環流路23から水素供給流路22へと送られるガスの流量の指令値(循環量)と、を所定のマップ(図6)に基づいて設定する。そして、制御部6は、設定した各制御パラメータ(水素調圧値、パージ量及び循環量)に基づいて、インジェクタ26、排気排水弁29及び循環ポンプ31の動作を制御する。   Specifically, the control unit 6 determines the pressure command value (hydrogen pressure regulation value) of the hydrogen gas supplied from the injector 26 to the fuel cell 2 according to the load (required power generation amount from the load device), and the exhaust gas. An emission amount command value (purge amount) of the gas discharged from the drain valve 29 and a command value (circulation amount) of the flow rate of the gas sent from the circulation flow path 23 to the hydrogen supply flow path 22 are set in a predetermined map ( Set based on FIG. And the control part 6 controls operation | movement of the injector 26, the exhaust drain valve 29, and the circulation pump 31 based on each set control parameter (hydrogen pressure regulation value, purge amount, and circulation amount).

また、制御部6は、設定したパージ量に基づいて、パージ後(排気排水弁29からのガス排出後)における燃料ガス系4内のガス残留率を算出し、このガス残留率に基づいて燃料ガス系4内の不純物分圧を算出する。そして、制御部6は、この不純物分圧を、設定した水素調圧値で除することにより、燃料ガス系4内の推定不純物濃度を算出する。すなわち、制御部6は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。   Further, the control unit 6 calculates the gas residual rate in the fuel gas system 4 after purging (after exhausting the gas from the exhaust drain valve 29) based on the set purge amount, and based on this gas residual rate, calculates the fuel residual rate. The impurity partial pressure in the gas system 4 is calculated. Then, the control unit 6 calculates the estimated impurity concentration in the fuel gas system 4 by dividing the impurity partial pressure by the set hydrogen pressure adjustment value. That is, the control unit 6 functions as an embodiment of the control means in the present invention.

ここで、図2〜図8を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム1の制御パラメータの設定に用いられるマップ(図6)の設計方法について説明する。   Here, the design method of the map (FIG. 6) used for the setting of the control parameter of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

<常温:低負荷領域における設計>
最初に、燃料電池2の運転温度が常温Tの場合の代表的な低負荷領域(燃料電池2への要求発電電流値A)における設計を行う。低負荷領域においては、図2のフローチャートに示すように、まず水素ストイキ比Rを設定する(ストイキ比設定工程:S1)。ここで、水素ストイキ比とは、供給水素ガス量と消費水素ガス量との比(供給水素ガス量を消費水素ガス量で除した値)である。ストイキ比設定工程S1で水素ストイキ比Rを設定した後、パージの際に排出される水素ガスの濃度が所定の環境基準値未満になるように、パージ量Eを設定する(パージ量設定工程:S2)。
<Room temperature: Design in low load range>
First, the operating temperature of the fuel cell 2 is the design of a typical low-load region when the ambient temperature T 1 (the required power generation current value A L of the fuel cell 2). In the low load region, as shown in the flowchart of FIG. 2, first, the hydrogen stoichiometric ratio RS is set (stoichiometric ratio setting step: S1). Here, the hydrogen stoichiometric ratio is a ratio between the amount of supplied hydrogen gas and the amount of consumed hydrogen gas (a value obtained by dividing the amount of supplied hydrogen gas by the amount of consumed hydrogen gas). After setting the hydrogen stoichiometric ratio R S in the stoichiometric ratio setting step S1, the purge amount EL is set so that the concentration of the hydrogen gas discharged during the purge is less than a predetermined environmental reference value (purge amount setting). Step: S2).

次いで、パージ量設定工程S2で設定したパージ量Eにおいて、水素損失が最小となるような水素調圧値を設定する(水素調圧値設定工程:S3)。ここで、水素損失とは、クロスリーク損失(水素透過係数とアノード側水素分圧とセル枚数と電極面積とを乗じた値)と、水素排出損失(排気排水弁29からのガス排出量に燃料電池2の出口における水素濃度を乗じた値)と、循環ポンプ動力損失(循環ポンプ31の動力に基づいて推定される理論水素消費量)と、を加算した値である。低負荷領域においては、水素圧力(水素供給流路22内における水素ガスの供給圧力)と水素損失との関係は、図3のグラフに示すように略線形となる。このため、図3のグラフにおける水素圧力の最小値Pを水素調圧値として設定する。 Then, the purge amount E L set in the purge amount setting step S2, the hydrogen loss is to set the hydrogen pressure regulation value that minimizes (hydrogen pressure regulation value setting step: S3). Here, the hydrogen loss is a cross leak loss (a value obtained by multiplying a hydrogen permeation coefficient, an anode-side hydrogen partial pressure, the number of cells, and an electrode area) and a hydrogen discharge loss (a gas discharge amount from the exhaust drain valve 29 to a fuel). The value obtained by multiplying the hydrogen concentration at the outlet of the battery 2) and the circulation pump power loss (theoretical hydrogen consumption estimated based on the power of the circulation pump 31). In the low load region, the relationship between the hydrogen pressure (hydrogen gas supply pressure in the hydrogen supply flow path 22) and the hydrogen loss is substantially linear as shown in the graph of FIG. Therefore, setting the minimum value P L of the hydrogen pressure in the graph of FIG. 3 as the hydrogen pressure regulation value.

次いで、ストイキ比設定工程S1で設定した水素ストイキ比Rと、パージ量設定工程S2で設定したパージ量Eと、水素調圧値設定工程S3で設定した水素調圧値Pと、に基づいて、循環量Cを設定する(循環量設定工程:S4)。なお、水素ストイキ比、パージ量、水素調圧値及び循環量の各パラメータは、燃料電池システム1の水素循環系の運転条件に関するパラメータであり、何れか3つのパラメータが決定されると、残り1つのパラメータが自動的に決定されるような関係にあるものとする。 Next, the hydrogen stoichiometric ratio R S set in the stoichiometric ratio setting step S1, the purge amount E L set in the purge amount setting step S2, and the hydrogen pressure adjustment value P L set in the hydrogen pressure adjustment value setting step S3. Based on this, the circulation amount CL is set (circulation amount setting step: S4). Each parameter of the hydrogen stoichiometric ratio, purge amount, hydrogen pressure adjustment value, and circulation amount is a parameter relating to operating conditions of the hydrogen circulation system of the fuel cell system 1, and when any three parameters are determined, the remaining 1 It is assumed that two parameters are automatically determined.

次いで、ストイキ比設定工程S1〜循環量設定工程S4で設定した各パラメータに基づいて運転した場合における燃料電池2の出口の不純物分圧PNHを算出する(不純物分圧算出工程:S5)。不純物分圧は、主として窒素ガス分圧と水蒸気分圧とに基づいて算出することができる。窒素ガス分圧は、主に水素タンク21から供給される水素ガス中に含まれる窒素分と、カソード側からアノード側へ透過する窒素分と、から算出することができ、水蒸気分圧は、燃料電池2の温度における飽和水蒸気圧により算出することができる。 Next, an impurity partial pressure P NH at the outlet of the fuel cell 2 when operating based on the parameters set in the stoichiometric ratio setting step S1 to the circulation amount setting step S4 is calculated (impurity partial pressure calculation step: S5). The impurity partial pressure can be calculated mainly based on the nitrogen gas partial pressure and the water vapor partial pressure. The nitrogen gas partial pressure can be calculated mainly from the nitrogen content contained in the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 21 and the nitrogen content that permeates from the cathode side to the anode side. It can be calculated from the saturated water vapor pressure at the temperature of the battery 2.

以上の手順により、常温時の代表的な低負荷領域(燃料電池2への要求発電電流値A)における設計が終了する。パージ量設定工程S2で設定したパージ量Eは図6(A)のマップに、水素調圧値設定工程S3で設定した水素調圧値Pは図6(B)のマップに、循環量設定工程S4で設定した循環量Cは図6(C)のマップに、各々プロットされることとなる。 With the above procedure, the design in a typical low load region (required power generation current value A L to the fuel cell 2) at normal temperature is completed. Purge amount set in the purge amount setting step S2 E L in the map of FIG. 6 (A), hydrogen pressure regulation value P L set in the hydrogen pressure regulation value setting step S3, the map of FIG. 6 (B), the circulation amount circulation amount C L set in setting step S4, the map of FIG. 6 (C), the so that the respective plotted.

<常温:中負荷領域〜高負荷領域における設計>
次に、代表的な低負荷領域を超える負荷領域、すなわち、燃料電池2への要求発電電流値が中負荷領域に相当する値AM1、AM2、…を経て高負荷領域に相当する値Aにいたるまでの負荷領域における設計を行う。これらの負荷領域(中負荷領域〜高負荷領域)においては、図4のフローチャートに示すように、まず、低負荷領域における不純物分圧算出工程S5で設定した不純物分圧PNHを維持するように、パージ量EM1、EM2、…、Eを設定する(パージ量設定工程:S11)。
<Normal temperature: Design in medium load range to high load range>
Next, a load region exceeding a typical low load region, that is, a value A corresponding to a high load region through values A M1 , A M2 ,... Design in the load region up to H. In these load regions (medium load region to high load region), as shown in the flowchart of FIG. 4, first, the impurity partial pressure P NH set in the impurity partial pressure calculation step S5 in the low load region is maintained. , Purge amounts E M1 , E M2 ,..., E H are set (purge amount setting step: S11).

次いで、パージ量設定工程S11で設定したパージ量EM1、EM2、…、Eにおいて、水素損失が最小となるような水素調圧値を設定する(水素調圧値設定工程:S12)。中負荷領域〜高負荷領域においては、水素圧力と水素損失との関係は、図5(A)〜(G)のグラフに示すように略線形ないし非線形となる。このため、図5(A)〜(G)のグラフにおいて水素損失が最小となる水素圧力(PM1、PM2、…、P)を水素調圧値として設定する。次いで、パージ量設定工程S11で設定したパージ量EM1、EM2、…、Eと、水素調圧値設定工程S12で設定した水素調圧値PM1、PM2、…、Pと、(さらにストイキ比設定工程S1で設定した水素ストイキ比Rと、)に基づいて、循環量CM1、CM2、…、Cを設定する(循環量設定工程:S13)。 Next, a hydrogen pressure adjustment value that minimizes hydrogen loss is set at the purge amounts E M1 , E M2 ,..., E H set in the purge amount setting step S11 (hydrogen pressure adjustment value setting step: S12). In the medium load region to the high load region, the relationship between the hydrogen pressure and the hydrogen loss is substantially linear or non-linear as shown in the graphs of FIGS. For this reason, in the graphs of FIGS. 5A to 5G , the hydrogen pressure (P M1 , P M2 ,..., P H ) that minimizes the hydrogen loss is set as the hydrogen pressure adjustment value. Next, the purge amounts E M1 , E M2 ,..., E H set in the purge amount setting step S11, and the hydrogen pressure adjustment values P M1 , P M2 ,..., P H set in the hydrogen pressure value setting step S12, Based on (and the hydrogen stoichiometric ratio R S set in the stoichiometric ratio setting step S1), circulation amounts C M1 , C M2 ,..., C H are set (circulation amount setting step: S13).

以上の手順により、常温時の中負荷領域〜高負荷領域における設計が終了する。パージ量設定工程S11で設定したパージ量EM1、EM2、…、Eは図6(A)のマップに、水素調圧値設定工程S3で設定した水素調圧値PM1、PM2、…、Pは図6(B)のマップに、循環量設定工程S4で設定した循環量CM1、CM2、…、Cは図6(C)のマップに、各々プロットされ、これにより、全負荷領域におけるマップの設計が完了することとなる。なお、全負荷領域における不純物分圧PNHは、図7のグラフに示すように一定とされている。 With the above procedure, the design in the medium load region to the high load region at normal temperature is completed. The purge amounts E M1 , E M2 ,..., E H set in the purge amount setting step S11 are shown in the map of FIG. 6A in the hydrogen pressure adjustment values P M1 , P M2 , .., P H are plotted on the map of FIG. 6B, and circulation amounts C M1 , C M2 ,..., C H set in the circulation amount setting step S4 are plotted on the map of FIG. Thus, the design of the map in the entire load area is completed. The impurity partial pressure P NH in the full load region is constant as shown in the graph of FIG.

<高温:全負荷領域における設計>
続いて、燃料電池2の運転温度が常温Tより高い温度Tになった場合における設計を行う。かかる高温時においては、まず、常温時の代表的な低負荷領域(燃料電池2への要求発電電流値A)において設定した各パラメータ(水素調圧値P、パージ量E、循環量C)に基づいて運転した場合における燃料電池2の出口の不純物分圧PNH´を算出する(不純物分圧算出工程:S21)。高温時の不純物分圧算出工程S21で算出される不純物分圧PNH´は、燃料電池2の運転温度が上昇している分だけ水蒸気分圧が増大しているため、常温時の不純物分圧算出工程S5で算出される不純物分圧PNHよりも高くなる。
<High temperature: Design in full load range>
Subsequently, design is performed when the operating temperature of the fuel cell 2 reaches a temperature T 2 higher than the normal temperature T 1 . At such a high temperature, first, parameters (hydrogen pressure adjustment value P L , purge amount E L , circulation amount) set in a typical low load region (required power generation current value A L to the fuel cell 2) at normal temperature. The impurity partial pressure P NH ′ at the outlet of the fuel cell 2 when operated based on C L ) is calculated (impurity partial pressure calculating step: S21). The impurity partial pressure P NH ′ calculated in the high-temperature impurity partial pressure calculation step S21 is such that the partial pressure of water vapor is increased by the amount by which the operating temperature of the fuel cell 2 is increased. higher than the impurity partial pressure P NH calculated in calculation step S5.

次いで、不純物分圧算出工程S21で設定した不純物分圧PNH´を維持するように、パージ量EM1´、EM2´、…、E´を設定する(パージ量設定工程:S22)。この後、パージ量設定工程S22で設定したパージ量EM1´、EM2´、…、E´と、水素調圧値PM1、PM2、…、Pと、(さらにストイキ比設定工程S1で設定した水素ストイキ比Rと、)に基づいて、循環量CM1´、CM2´、…、C´を設定する(循環量設定工程:S23)。なお、本実施形態においては、設計の簡素化のため、高温時においても常温時の水素調圧値PM1、PM2、…、Pを採用している。 Next, purge amounts E M1 ′, E M2 ′,..., E H ′ are set so as to maintain the impurity partial pressure P NH ′ set in the impurity partial pressure calculation step S21 (purge amount setting step: S22). Thereafter, the purge amount E M1 set in the purge amount setting step S22 ', E M2', ... , and E H ', the hydrogen pressure regulation value P M1, P M2, ..., and P H, (more stoichiometric ratio setting step Based on the hydrogen stoichiometric ratio R S set in S1, the circulation amounts C M1 ′, C M2 ′,..., C H ′ are set (circulation amount setting step: S23). In this embodiment, in order to simplify the design, hydrogen pressure values P M1 , P M2 ,..., P H at normal temperature are employed even at high temperatures.

以上の手順により、高温時の全負荷領域における設計が終了する。パージ量設定工程S22で設定したパージ量EM1´、EM2´、…、E´を図6(A)のマップにプロットすると、高温時Tにおけるパージ量(破線)は、常温時Tにおけるパージ量(実線)よりも増大していることがわかる。 With the above procedure, the design in the entire load region at high temperature is completed. Purge amount E M1 set in the purge amount setting step S22 ', E M2', ... , is plotted E H 'in the map of FIG. 6 (A), the purge amount at high temperature T 2 (broken line), normal temperature T It can be seen that the purge amount at 1 is increased (solid line).

次に、図9及び図10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の制御方法について説明する。   Next, a control method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described using the flowcharts of FIGS. 9 and 10.

まず、燃料電池システム1の制御部6は、図9に示すように、車両に設けられたアクセルセンサ等からの信号を受けて、燃料電池2への負荷(要求発電電流値)を算出する(負荷算出工程:S31)。また、制御部6は、温度センサ2aを用いて、燃料電池2の運転温度を検出する(温度検出工程:S32)。   First, as shown in FIG. 9, the control unit 6 of the fuel cell system 1 receives a signal from an accelerator sensor or the like provided in the vehicle and calculates a load (required power generation current value) to the fuel cell 2 ( Load calculation step: S31). Moreover, the control part 6 detects the operating temperature of the fuel cell 2 using the temperature sensor 2a (temperature detection process: S32).

次いで、制御部6は、負荷算出工程S31で算出した負荷と、温度検出工程S32で検出した温度と、図6のマップと、に基づいて、水素調圧値と、パージ量と、循環量と、を設定する(制御パラメータ設定工程:S33)。例えば、算出した負荷がAであり、検出した温度がTである場合には、図6(A)〜(C)に示すように、水素調圧値はP、パージ量はE、循環量はCに各々設定される。また、算出した負荷がAであり、検出した温度がTである場合には、図6(A)に示すように、パージ量はE´に設定される。 Next, the control unit 6 determines the hydrogen pressure adjustment value, the purge amount, the circulation amount based on the load calculated in the load calculation step S31, the temperature detected in the temperature detection step S32, and the map of FIG. Are set (control parameter setting step: S33). For example, a calculated load is A M, when the detected temperature is T 1, as shown in FIG. 6 (A) ~ (C) , hydrogen pressure regulation value is P M, the purge amount E M The circulation amount is set to CM , respectively. When the calculated load is A M and the detected temperature is T 2 , the purge amount is set to E M ′ as shown in FIG.

次いで、制御部6は、制御パラメータ設定工程S33で設定した水素調圧値やパージ量に基づいて、燃料ガス系4内における不純物濃度を推定する(不純物濃度推定工程:S34)。不純物濃度推定工程S34で推定された不純物濃度に係る情報は、次の工程(循環制御工程S35)におけるインジェクタ26、排気排水弁29及び循環ポンプ31の制御に反映される。   Next, the controller 6 estimates the impurity concentration in the fuel gas system 4 based on the hydrogen pressure value and purge amount set in the control parameter setting step S33 (impurity concentration estimation step: S34). Information relating to the impurity concentration estimated in the impurity concentration estimation step S34 is reflected in the control of the injector 26, the exhaust / drain valve 29, and the circulation pump 31 in the next step (circulation control step S35).

ここで、図10のフローチャートを用いて、不純物濃度推定工程S34の詳細について説明する。   Here, the details of the impurity concentration estimation step S34 will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、制御部6は、制御パラメータ設定工程S33で設定したパージ量(排出量指令値)を、燃料ガス系4の全容積で除することにより、パージ率Rを算出し(パージ率算出工程:S41)、さらに、このパージ率Rを1から減じることにより、パージ後における燃料ガス系4内のガス残留率Rを算出する(残留率算出工程:S42)。残留率算出工程S42は、本発明における第一の工程に相当するものである。 First, the control unit 6, the purge amount set by the control parameter setting step S33 (the discharge amount command value), divided by the total volume of the fuel gas system 4 calculates the purge rate R P (purge ratio calculating step : S41), further, by reducing the purge rate R P 1, to calculate the gas residual ratio R R of the fuel gas system 4 after the purge (residual percentage calculation step: S42). The residual ratio calculating step S42 corresponds to the first step in the present invention.

次いで、制御部6は、残留率算出工程S42で算出したガス残留率Rに、前回の制御ループにおける不純物分圧PNHn-1を乗じることにより、今回の制御ループにおける不純物分圧PNHnを算出する(不純物分圧算出工程:S43)。そして、制御部6は、不純物分圧算出工程S43で算出した不純物分圧PNHnを、制御パラメータ設定工程S33で設定した水素調圧値(圧力指令値)で除することにより、燃料ガス系4内の推定不純物濃度を算出する(推定不純物濃度算出工程:S44)。不純物分圧算出工程S43及び推定不純物濃度算出工程S44は、各々、本発明における第二及び第三の工程に相当するものである。以上の工程群を経て、不純物濃度推定工程S34を終了する。 Then, the control unit 6, the gas residual ratio R R calculated in residual percentage calculation step S42, by multiplying the impurity partial pressure P NHn-1 in the previous control loop, the impurity partial pressure P NHn in the present control loop Calculate (impurity partial pressure calculation step: S43). Then, the controller 6 divides the impurity partial pressure P NHn calculated in the impurity partial pressure calculation step S43 by the hydrogen pressure value (pressure command value) set in the control parameter setting step S33, so that the fuel gas system 4 The estimated impurity concentration is calculated (estimated impurity concentration calculation step: S44). The impurity partial pressure calculation step S43 and the estimated impurity concentration calculation step S44 correspond to the second and third steps in the present invention, respectively. After the above process group, the impurity concentration estimation process S34 is completed.

このような不純物濃度推定工程S34に続いて、制御部6は、制御パラメータ設定工程S33で設定した各制御パラメータに基づいて、インジェクタ26、排気排水弁29及び循環ポンプ31の動作を制御する(循環制御工程:S35)。循環制御工程S35において、制御部6は、圧力センサ27で検出した水素ガスの圧力値と、水素調圧値(制御パラメータ)と、の偏差を算出し、この偏差を低減させるようにインジェクタ26のフィードバック制御を行う。また、循環制御工程S35において、制御部6は、排気排水弁29を開放した時点からのガス排出量を算出し、この算出したガス排出量がパージ量(制御パラメータ)に到達した時点で、排気排水弁29を閉鎖する。また、循環制御工程S35において、制御部6は、循環ポンプ31から水素供給流路22に送られるガスの流量が循環量(制御パラメータ)になるように、循環ポンプ31の回転数を設定する。   Subsequent to the impurity concentration estimation step S34, the controller 6 controls the operations of the injector 26, the exhaust drain valve 29, and the circulation pump 31 based on the control parameters set in the control parameter setting step S33 (circulation). Control step: S35). In the circulation control step S35, the control unit 6 calculates the deviation between the pressure value of the hydrogen gas detected by the pressure sensor 27 and the hydrogen pressure adjustment value (control parameter), so that the injector 26 reduces the deviation. Perform feedback control. In the circulation control step S35, the control unit 6 calculates the gas discharge amount from the time when the exhaust drain valve 29 is opened, and when the calculated gas discharge amount reaches the purge amount (control parameter), the exhaust gas is discharged. The drain valve 29 is closed. In the circulation control step S35, the control unit 6 sets the rotation speed of the circulation pump 31 so that the flow rate of the gas sent from the circulation pump 31 to the hydrogen supply passage 22 becomes the circulation amount (control parameter).

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26を用いて水素供給流路22を流通する水素ガスの可変調圧制御を行いながら、水素調圧値やパージ量に基づいて燃料ガス系4内の不純物濃度を精確に推定することができる。従って、不純物濃度に係る精確な推定情報を利用して、的確なパージ制御を実現させることが可能となる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the fuel gas is controlled based on the hydrogen pressure adjustment value and the purge amount while performing the variable pressure control of the hydrogen gas flowing through the hydrogen supply flow path 22 using the injector 26. The impurity concentration in the system 4 can be accurately estimated. Therefore, accurate purge control can be realized using accurate estimation information related to the impurity concentration.

なお、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29をパージ弁として循環流路23に設けた例を示したが、気液分離器28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(パージ弁)と、を別々に設け、制御部6で排気弁を制御することもできる。   In the above embodiment, an example in which the exhaust drain valve 29 for realizing both exhaust and drainage is provided in the circulation flow path 23 as a purge valve is shown. However, moisture recovered by the gas-liquid separator 28 is externally supplied. It is also possible to separately provide a drain valve for discharging the gas and an exhaust valve (purge valve) for discharging the gas in the circulation channel 23 to the outside, and the control unit 6 can control the exhaust valve.

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に示す燃料電池システムのマップの設計方法(常温:低負荷領域)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 design method (normal temperature: low load region) of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池システムのマップの設計方法(常温:低負荷領域)を説明するためのグラフである。2 is a graph for explaining a map design method (normal temperature: low load region) of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池システムのマップの設計方法(常温:中〜高負荷領域)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 map design method (normal temperature: medium to high load region) of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池システムのマップの設計方法(常温:中〜高負荷領域)を説明するためのグラフである。2 is a graph for explaining a map design method (normal temperature: medium to high load region) of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池システムの制御パラメータの設定に用いられるマップであり、(A)は負荷とパージ量との関係を示すマップ、(B)は負荷と水素調圧値との関係を示すマップ、(C)は負荷と循環量との関係を示すマップである。FIG. 2 is a map used for setting control parameters of the fuel cell system shown in FIG. 1, (A) is a map showing the relationship between load and purge amount, and (B) is a map showing the relationship between load and hydrogen pressure regulation value. (C) is a map showing the relationship between the load and the circulation rate. 図1に示す燃料電池システムの全負荷領域における不純物分圧を示すグラフである。2 is a graph showing an impurity partial pressure in a full load region of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池システムのマップの設計方法(高温:全負荷領域)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 map design method (high temperature: full load region) of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池システムの制御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 a control method of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池システムの不純物濃度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 an impurity concentration estimation step of the fuel cell system shown in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム、2…燃料電池、4…燃料ガス系、6…制御部(制御手段)、21…水素タンク(燃料供給源)、22…水素供給流路(燃料ガス供給流路)、26…インジェクタ(可変調圧弁)、29…排気排水弁(パージ弁)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 4 ... Fuel gas system, 6 ... Control part (control means), 21 ... Hydrogen tank (fuel supply source), 22 ... Hydrogen supply flow path (fuel gas supply flow path), 26: Injector (modulable pressure valve), 29: Exhaust drain valve (purge valve).

Claims (3)

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を有する燃料ガス系と、前記燃料ガス供給流路を流通するガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、前記燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、前記可変調圧弁から前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値及び前記パージ弁から排出されるガスの排出量指令値に基づいて前記可変調圧弁及び前記パージ弁の開閉動作を制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、要求発電電流値と前記圧力指令値との関係及び要求発電電流値と前記排出量指令値との関係を各々規定するマップを有し、要求発電電流値及び前記マップによって前記圧力指令値及び前記排出量指令値を設定し、前記排出量指令値を前記燃料ガス系の全容積で除することによりパージ率を算出し、このパージ率を1から減じることにより、前記パージ弁からのガス排出後における前記燃料ガス系内のガス残留率を算出し、このガス残留率に基づいて前記燃料ガス系内の不純物分圧を算出し、この不純物分圧を前記圧力指令値で除することにより、前記燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出するものであり、
前記マップは、前記燃料電池の運転温度が第1の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が第1の値である常温・低負荷領域、前記燃料電池の運転温度が前記第1の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第1の値を超える常温・中高負荷領域、及び、前記燃料電池の運転温度が前記第1の温度より高い第2の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第1の値以上である高温・全負荷領域、の各々において設計されたものである、
燃料電池システム。
A fuel cell, a fuel gas system having a fuel gas supply channel for flowing a fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a modulatable pressure of the gas flowing through the fuel gas supply channel A controllable pressure valve, a purge valve for discharging gas from the fuel gas system, a pressure command value of fuel gas supplied from the controllable pressure valve to the fuel cell, and a discharge amount of gas discharged from the purge valve A fuel cell system comprising: control means for controlling opening and closing operations of the modulatable pressure valve and the purge valve based on a command value;
The control means includes a map that defines a relationship between the required generated current value and the pressure command value and a relationship between the required generated current value and the emission command value, and the pressure is determined by the required generated current value and the map. A purge rate is calculated by setting a command value and the discharge amount command value, and dividing the discharge amount command value by the total volume of the fuel gas system. By subtracting this purge rate from 1, the purge valve A gas residual rate in the fuel gas system after the gas is discharged is calculated, an impurity partial pressure in the fuel gas system is calculated based on the gas residual rate, and the impurity partial pressure is divided by the pressure command value. by state, and are not for calculating the estimated impurity concentration in the fuel gas system,
The map includes a normal temperature / low load region where the operating temperature of the fuel cell is a first temperature and a required generated current value to the fuel cell is a first value, and the operating temperature of the fuel cell is the first temperature. A normal temperature / medium / high load region in which the required power generation current value to the fuel cell exceeds the first value, and the operating temperature of the fuel cell is a second temperature higher than the first temperature. The required power generation current value for the fuel cell is designed in each of a high temperature and full load region in which the first value or higher is greater than or equal to the first value.
Fuel cell system.
前記可変調圧弁は、インジェクタである、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the modulatable pressure valve is an injector. 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を有する燃料ガス系と、前記燃料ガス供給流路を流通するガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、前記燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、要求発電電流値と前記可変調圧弁から前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値との関係及び要求発電電流値と前記パージ弁から排出されるガスの排出量指令値との関係を各々規定するマップと、を備えた燃料電池システムの不純物濃度推定方法であって、
要求発電電流値及び前記マップによって前記圧力指令値及び前記排出量指令値を設定し、前記排出量指令値を前記燃料ガス系の全容積で除することによりパージ率を算出し、このパージ率を1から減じることにより、前記パージ弁からのガス排出後における前記燃料ガス系内のガス残留率を算出する第一の工程と、
前記第一の工程で算出したガス残留率に基づいて、前記燃料ガス系内の不純物分圧を算出する第二の工程と、
前記第二の工程で算出した不純物分圧を、前記圧力指令値で除することにより、前記燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出する第三の工程と、を備え
前記マップは、前記燃料電池の運転温度が第1の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が第1の値である常温・低負荷領域、前記燃料電池の運転温度が前記第1の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第1の値を超える常温・中高負荷領域、及び、前記燃料電池の運転温度が前記第1の温度より高い第2の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第1の値以上である高温・全負荷領域、の各々において設計されたものである、
不純物濃度推定方法。
A fuel cell, a fuel gas system having a fuel gas supply channel for flowing a fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a modulatable pressure of the gas flowing through the fuel gas supply channel The relationship between the controllable pressure valve, the purge valve for discharging the gas from the fuel gas system, the required power generation current value and the pressure command value of the fuel gas supplied from the controllable pressure valve to the fuel cell, and the required power generation current A map for defining a relationship between a value and an emission command value of a gas discharged from the purge valve, respectively, and an impurity concentration estimation method for a fuel cell system comprising:
The pressure command value and the discharge command value are set according to the required power generation current value and the map, and the purge rate is calculated by dividing the discharge command value by the total volume of the fuel gas system. A first step of calculating a gas residual ratio in the fuel gas system after gas discharge from the purge valve by subtracting from 1;
A second step of calculating an impurity partial pressure in the fuel gas system based on the gas residual ratio calculated in the first step;
A third step of calculating an estimated impurity concentration in the fuel gas system by dividing the impurity partial pressure calculated in the second step by the pressure command value ,
The map includes a normal temperature / low load region where the operating temperature of the fuel cell is a first temperature and a required generated current value to the fuel cell is a first value, and the operating temperature of the fuel cell is the first temperature. A normal temperature / medium / high load region in which the required power generation current value to the fuel cell exceeds the first value, and the operating temperature of the fuel cell is a second temperature higher than the first temperature. The required power generation current value for the fuel cell is designed in each of a high temperature and full load region in which the first value or higher is greater than or equal to the first value.
Impurity concentration estimation method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP7131463B2 (en) * 2019-04-02 2022-09-06 トヨタ自動車株式会社 fuel cell system

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3915681B2 (en) * 2002-12-03 2007-05-16 日産自動車株式会社 Fuel cell system
JP4752171B2 (en) * 2003-06-02 2011-08-17 日産自動車株式会社 Fuel cell system
JP4710246B2 (en) * 2004-05-14 2011-06-29 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP4887603B2 (en) * 2004-05-14 2012-02-29 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2007012532A (en) * 2005-07-01 2007-01-18 Nissan Motor Co Ltd Control device of fuel cell system
JP4933781B2 (en) * 2006-01-17 2012-05-16 本田技研工業株式会社 Fuel cell system and control method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020212963A1 (en) 2020-10-14 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method of determination and fuel cell system for bad gas detection

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