JP6124619B2 - Gas flow control device and gas flow control method - Google Patents

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Description

本発明は、アノードガス(例えば水素などの燃料ガス)とカソードガス(例えば空気、酸素などの酸化剤ガス)との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池の発電性能や耐久性などの評価試験を行う燃料電池評価試験システムに好適に採用され、発電時に燃料電池から排出される未反応のガスを循環させて再利用する際のガスの流量を制御することができるガス流量制御装置及びガス流量制御方法に関する。   The present invention evaluates the power generation performance and durability of a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an anode gas (for example, a fuel gas such as hydrogen) and a cathode gas (for example, an oxidant gas such as air or oxygen). A gas flow rate control device and a gas that are suitably employed in a fuel cell evaluation test system for performing a test and that can control the flow rate of gas when the unreacted gas discharged from the fuel cell during power generation is circulated and reused The present invention relates to a flow rate control method.

燃料電池は、補充可能な負極活物質と正極活物質とを常温又は高温環境で供給し反応させることで継続的に電力を取り出せる発電装置であって、熱機関を用いる通常の発電システムとは異なり、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換途上で熱エネルギーや運動エネルギーという形態を経由しない。しかも、燃料電池は、熱機関特有のカルノー効率に依存しないことからも発電効率が高く、システム規模の大小にあまり影響されず騒音や振動も少ない。このため、例えばノートパソコンや携帯電話などの携帯端末機器、自動車や鉄道、民生用・産業用コジェネレーション発電所など多様な用途に用いられるエネルギー源として期待されている。   A fuel cell is a power generation device that can continuously extract electric power by supplying and reacting a replenishable negative electrode active material and a positive electrode active material in a normal temperature or high temperature environment, and differs from a normal power generation system using a heat engine. In the course of conversion from chemical energy to electrical energy, it does not go through the form of heat energy or kinetic energy. Moreover, since the fuel cell does not depend on the Carnot efficiency specific to the heat engine, the power generation efficiency is high, and the noise and vibration are small without being greatly affected by the size of the system. For this reason, it is expected as an energy source used in various applications such as portable terminal devices such as notebook computers and mobile phones, automobiles, railways, and consumer / industrial cogeneration power plants.

そして、上記のように多様な用途のエネルギー源として利用可能な燃料電池を開発するにあたっては、例えば下記特許文献1などに開示される評価試験装置を用いて燃料電池の性能試験や耐久試験を実施し、燃料電池の総合的な評価を行っている。   In developing a fuel cell that can be used as an energy source for various applications as described above, for example, a performance test and a durability test of the fuel cell are performed using an evaluation test apparatus disclosed in Patent Document 1 below. And comprehensive evaluation of fuel cells.

特開2005−166601号公報(特許第4511162号公報)JP 2005-166601 A (Patent No. 4511162)

ところで、燃料電池をエネルギー源とする燃料電池車では、スタック構成される燃料電池から排出される未反応のアノードガス(例えば水素などの燃料ガス)を排気させずに循環して再利用している。また、燃料電池は、供給されるアノードガスの流量が同じであってもスタック数、膜/電極接合体(MEA)の構造、セパレータの構造、材料など燃料電池の構成によって圧力損失が異なる。さらに、単体の燃料電池を運転している時には、例えば水による流路の閉塞や膜の膨潤などにより内部の圧力損失が変動し、この圧力損失の変動に伴って発電時の燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の圧力差、いわゆる差圧も変動する。このため、未反応のアノードガスの循環に伴う燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の差圧を制御し、その結果としてアノードガスをユーザが所望する性能評価条件の流量に調整して燃料電池の性能試験を行える評価試験装置の提供が望まれていた。   By the way, in a fuel cell vehicle using a fuel cell as an energy source, an unreacted anode gas (for example, a fuel gas such as hydrogen) discharged from a fuel cell configured in a stack is circulated and reused without being exhausted. . In addition, even if the flow rate of the supplied anode gas is the same, the pressure loss varies depending on the fuel cell configuration such as the number of stacks, the structure of the membrane / electrode assembly (MEA), the structure of the separator, and the material. In addition, when operating a single fuel cell, the internal pressure loss fluctuates due to, for example, blockage of the flow path with water or swelling of the membrane, and the inlet pressure of the fuel cell during power generation varies with this fluctuation in pressure loss. The pressure difference between the outlet and the outlet pressure, the so-called differential pressure, also varies. For this reason, the differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the fuel cell accompanying the circulation of the unreacted anode gas is controlled, and as a result, the anode gas is adjusted to the flow rate of the performance evaluation condition desired by the user. It has been desired to provide an evaluation test apparatus that can perform a battery performance test.

しかしながら、従来の燃料電池の評価試験装置では、未反応のアノードガスを循環することなく全て排気していたので、未反応のアノードガスの循環に伴う燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の差圧を制御してアノードガスをユーザが所望する流量に調整することができず、試験室レベルで実車運転を模擬しながら燃料電池の評価試験が行えなかった。   However, in the conventional fuel cell evaluation and test apparatus, all of the unreacted anode gas is exhausted without being circulated, so the fuel cell inlet pressure and the outlet pressure between the unreacted anode gas circulate. The anode gas could not be adjusted to the flow rate desired by the user by controlling the differential pressure, and the fuel cell evaluation test could not be performed while simulating actual vehicle operation at the test room level.

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、未反応のガスの循環に伴う燃料電池へのガスの流量制御が可能なガス流量制御装置及びガス流量制御方法を提供することを目的とするものである。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and provides a gas flow rate control device and a gas flow rate control method capable of controlling the flow rate of gas to the fuel cell accompanying the circulation of unreacted gas. It is the purpose.

上記した目的を達成するため、請求項1記載のガス流量制御装置は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池のガス流量制御装置において、
前記燃料電池にガスを供給するための燃料ガス供給装置を有し、
前記燃料電池の出口から入口に向かって帰還するループ状の循環流路が前記燃料ガス供給装置に接続され、
前記燃料電池の入口に近い位置からループ内減圧弁、昇圧ポンプが順に配置して設けられており、
前記循環流路における前記燃料電池の入口圧力と出口圧力との圧力差による差圧を計測する差圧計と、
前記ループ内減圧弁と前記燃料電池の入口との間の水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成の濃度を計測する計測器と、
前記燃料電池の発電時に、予め設定される性能評価条件の目標設定流量と前記計測器による計測結果に基づいて目標設定差圧を演算し、前記差圧計が計測する差圧が、前記演算した目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御する制御部とを備えたことを特徴とする
In order to achieve the above object, a gas flow rate control device according to claim 1 is a fuel cell that controls the flow rate of a gas supplied to a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas. In the gas flow control device,
A fuel gas supply device for supplying gas to the fuel cell;
A loop-shaped circulation flow path returning from the outlet of the fuel cell toward the inlet is connected to the fuel gas supply device,
A pressure reducing valve in the loop and a pressure increasing pump are arranged in order from a position close to the inlet of the fuel cell,
A differential pressure gauge for measuring a differential pressure due to a pressure difference between an inlet pressure and an outlet pressure of the fuel cell in the circulation channel;
A measuring instrument for measuring the concentration of each gas composition of moisture, pressure, temperature, and gas components between the pressure reducing valve in the loop and the inlet of the fuel cell;
At the time of power generation of the fuel cell, a target set differential pressure is calculated based on a target set flow rate under performance evaluation conditions set in advance and a measurement result by the measuring instrument, and the differential pressure measured by the differential pressure gauge is calculated as the calculated target. And a controller for controlling opening and closing of the in-loop pressure reducing valve so as to approach the set differential pressure .

請求項記載のガス流量制御装置は、請求項1のガス流量制御装置において、
前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測する圧力計と、
前記圧力計が計測した圧力に応じて前記制御部により開閉制御される供給側減圧弁とを備えたことを特徴とする。
The gas flow rate control device according to claim 2 is the gas flow rate control device according to claim 1 ,
A pressure gauge that measures the pressure of the gas sucked into the booster pump through the circulation channel;
And a supply-side pressure reducing valve that is controlled to be opened and closed by the control unit according to the pressure measured by the pressure gauge.

請求項記載のガス流量制御方法は、請求項のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
前記昇圧ポンプの運転開始後に、前記差圧計により計測した差圧と前記演算した目標設定差圧とを比較し、前記差圧計により計測した差圧が前記目標設定差圧に達していないときに、前記差圧計により計測される差圧が前記目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御するステップを含むことを特徴とする。
Gas flow rate control method according to claim 3 wherein, there is provided a gas flow rate control method using the gas flow control device according to claim 1,
After starting the operation of the booster pump, the differential pressure measured by the differential pressure gauge is compared with the calculated target set differential pressure, and when the differential pressure measured by the differential pressure gauge does not reach the target set differential pressure, The method includes a step of controlling opening and closing of the pressure reducing valve in the loop so that the differential pressure measured by the differential pressure gauge approaches the target set differential pressure.

請求項記載のガス流量制御方法は、請求項のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測するステップと、
前記計測された圧力が予め設定される最小設定圧力以下のときに、前記供給側減圧弁の開閉を制御するステップとを含むことを特徴とする。
A gas flow rate control method according to claim 4 is a gas flow rate control method using the gas flow rate control device according to claim 2 ,
Measuring the pressure of the gas sucked into the booster pump through the circulation channel;
And controlling the opening and closing of the supply side pressure reducing valve when the measured pressure is equal to or lower than a preset minimum set pressure.

本発明によれば、燃料電池に供給されるガス流量をユーザが所望する燃料電池の性能評価条件の流量に調整することができる。これにより、未反応のガスを排気させずに循環して再利用する燃料電池車の実装レベルでの燃料電池の評価試験を行うことができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas flow volume supplied to a fuel cell can be adjusted to the flow volume of the performance evaluation conditions of the fuel cell which a user desires. Thereby, the evaluation test of the fuel cell can be performed at the mounting level of the fuel cell vehicle that circulates and reuses the unreacted gas without exhausting it.

本発明に係るガス流量制御装置の第1実施の形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows 1st Embodiment of the gas flow control apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るガス流量制御装置の第1実施の形態における処理内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing content in 1st Embodiment of the gas flow control apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るガス流量制御装置の第2実施の形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows 2nd Embodiment of the gas flow control apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るガス流量制御装置の第3実施の形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows 3rd Embodiment of the gas flow control apparatus which concerns on this invention.

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。また、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者などによりなされる実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれる。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the present invention is not limited by this embodiment, and all other forms, examples, operation techniques, and the like that can be implemented by those skilled in the art based on this form are included in the scope of the present invention. .

本発明に係るガス流量制御装置は、アノードガス(例えば水素などの燃料ガス)とカソードガス(例えば空気、酸素などの酸化剤ガス)との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池の発電性能や耐久性などの評価試験を行う燃料電池評価試験システムに好適に採用される。   The gas flow rate control device according to the present invention is a power generation performance of a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between an anode gas (for example, a fuel gas such as hydrogen) and a cathode gas (for example, an oxidant gas such as air or oxygen). And a fuel cell evaluation test system for performing an evaluation test such as durability and durability.

そして、本発明に係るガス流量制御装置では、特に、発電時に燃料電池から排出される未反応のガス(アノードガスやカソードガス)を循環させて再利用する際のガス流量を燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の差圧制御により調整する機能を有している。   In the gas flow rate control device according to the present invention, in particular, the gas flow rate when the unreacted gas (anode gas or cathode gas) discharged from the fuel cell during power generation is circulated and reused is determined as the inlet pressure of the fuel cell. And a function of adjusting by differential pressure control between the outlet pressure and the outlet pressure.

本発明において、評価試験対象物としての燃料電池は、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC)、バイオ燃料電池等からなる。   In the present invention, the fuel cell as an evaluation test object is, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), or a solid oxide fuel cell. (SOFC), alkaline electrolyte fuel cell (AFC), biofuel cell and the like.

燃料電池2は、図1、図3及び図4に示すように、アノード(燃料極)2aとカソード(空気極)2bとを有し、アノード2aにアノードガスが供給され、カソード2bにカソードガスが供給されることにより、アノードガスとカソードガスとが電気化学反応を起こして発電を行う。尚、アノード2aに供給されるアノードガスとしては、例えば水素ガス、メタンガス、プロパンガス等があるが、ここでは水素ガスをアノードガスとした場合を例にとって説明する。   As shown in FIGS. 1, 3 and 4, the fuel cell 2 has an anode (fuel electrode) 2a and a cathode (air electrode) 2b. An anode gas is supplied to the anode 2a and a cathode gas is supplied to the cathode 2b. Is supplied, the anode gas and the cathode gas cause an electrochemical reaction to generate electric power. The anode gas supplied to the anode 2a includes, for example, hydrogen gas, methane gas, propane gas, and the like. Here, a case where hydrogen gas is used as the anode gas will be described as an example.

図1は本発明に係るガス流量制御装置の第1実施の形態の概略構成を示している。図1に示すように、第1実施の形態のガス流量制御装置1(1A)は、不図示のガス貯留タンクから供給側減圧弁3を介して燃料電池2に水素ガスを供給するためのガス供給装置3Aを備えている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a first embodiment of a gas flow rate control apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the gas flow control device 1 (1A) of the first embodiment is a gas for supplying hydrogen gas to a fuel cell 2 from a gas storage tank (not shown) via a supply-side pressure reducing valve 3. A supply device 3A is provided.

供給側減圧弁3は、不図示のガス貯留タンクと配管接続され、燃料電池2の発電に必要な水素ガス(アイドリング状態の水素ガス、燃料電池2の発電による消費分の水素ガスを含む)を必要に応じて供給するための入口3aを有している。また、供給側減圧弁3は、出口3b側の圧力が調整できる弁であり、後述する操作部12から操作入力される目標設定圧力と圧力計10による圧力との比較結果に応じて制御部13により開閉(開度)が制御される。これにより、供給側減圧弁3は、ガス供給装置3Aから入口3aに供給される高圧の水素ガスを減圧し、出口3b側を一定の設定圧力に保持している。   The supply-side pressure reducing valve 3 is connected to a gas storage tank (not shown) by piping, and includes hydrogen gas necessary for power generation of the fuel cell 2 (including hydrogen gas in an idling state and hydrogen gas consumed by the power generation of the fuel cell 2). It has the inlet 3a for supplying as needed. The supply-side pressure reducing valve 3 is a valve that can adjust the pressure on the outlet 3b side, and the control unit 13 according to a comparison result between a target set pressure input from the operation unit 12 described later and the pressure by the pressure gauge 10. The opening / closing (opening degree) is controlled by. Thereby, the supply side pressure reducing valve 3 depressurizes the high-pressure hydrogen gas supplied from the gas supply device 3A to the inlet 3a, and maintains the outlet 3b side at a constant set pressure.

供給側減圧弁3の出口3b側には、燃料電池2から排出される未反応の水素ガスを再利用するための循環流路4が形成されている。循環流路4は、図1に黒の太線(循環方向:点線矢印)で示すように、燃料電池2のアノード2aの出口2a2から入口2a1に向かって帰還するように閉ループを形成しており、合流部4Aを介して供給側減圧弁3の出口3bと接続されている。   A circulation passage 4 for reusing unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell 2 is formed on the outlet 3 b side of the supply side pressure reducing valve 3. The circulation channel 4 forms a closed loop so as to return from the outlet 2a2 of the anode 2a of the fuel cell 2 toward the inlet 2a1, as indicated by a thick black line (circulation direction: dotted arrow) in FIG. It is connected to the outlet 3b of the supply side pressure reducing valve 3 via the junction 4A.

そして、循環流路4における燃料電池2のアノード2aの入口2a1側には、入口2a1に近い位置から流量計5、ループ内減圧弁6、バッファタンク7、昇圧ポンプ8が順に配置して設けられている。また、循環流路4における燃料電池2のアノード2aの出口2a2には背圧弁9の入口9aが接続され、背圧弁9の出口9bと昇圧ポンプ8の入口8aとの間には圧力計10が接続されている。さらに、ガス流量制御装置1Aは、燃料電池2のアノード2aの入口圧力と出口圧力との間の差圧を計測する差圧計11と、操作パネルからなる操作部12と、各弁(供給側減圧弁3、ループ内減圧弁6、背圧弁9)の開閉(開度)を制御する制御部13を備えている。   A flow meter 5, an in-loop pressure reducing valve 6, a buffer tank 7, and a booster pump 8 are arranged in this order from the position near the inlet 2 a 1 on the side of the inlet 2 a 1 of the anode 2 a of the fuel cell 2 in the circulation channel 4. ing. An inlet 9a of the back pressure valve 9 is connected to the outlet 2a2 of the anode 2a of the fuel cell 2 in the circulation channel 4, and a pressure gauge 10 is connected between the outlet 9b of the back pressure valve 9 and the inlet 8a of the booster pump 8. It is connected. Further, the gas flow control device 1A includes a differential pressure gauge 11 that measures a differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the anode 2a of the fuel cell 2, an operation unit 12 that includes an operation panel, and each valve (supply side pressure reduction). The control part 13 which controls opening and closing (opening degree) of the valve 3, the pressure reducing valve 6 in a loop, and the back pressure valve 9) is provided.

尚、循環流路4は、昇圧ポンプ8の出口8bとループ内減圧弁6の入口6aとの間を接続して形成されるガス昇圧流路4aと、ループ内減圧弁6の出口6bと背圧弁9の入口9aとの間を接続して形成されるガス供給流路4bと、背圧弁9の出口9bと昇圧ポンプ8の入口8aとの間を接続して形成されるガス帰還流路4cとからなる。また、各流路間の圧力関係は、ガス昇圧流路4aの圧力が最も高く、ガス昇圧流路4a→ガス供給流路4b→ガス帰還流路4cの順に圧力が低くなっている。   The circulation flow path 4 includes a gas pressure increase flow path 4a formed by connecting between the outlet 8b of the pressure increase pump 8 and the inlet 6a of the in-loop pressure reduction valve 6, and the outlet 6b of the pressure reduction valve 6 in the loop. A gas supply flow path 4b formed by connecting between the inlet 9a of the pressure valve 9 and a gas return flow path 4c formed by connecting between the outlet 9b of the back pressure valve 9 and the inlet 8a of the booster pump 8. It consists of. Moreover, the pressure relationship between each flow path has the highest pressure of the gas pressure | voltage rise flow path 4a, and pressure is low in order of the gas pressure | voltage rise flow path 4a-> gas supply flow path 4b-> gas return flow path 4c.

流量計5は、循環流路4における燃料電池2のアノード2aの入口2a1とループ内減圧弁6の出口6bとの間に設けられている。流量計5は、ガス供給流路4b、すなわちループ内減圧弁6から燃料電池2に供給される水素ガスの流量を計測し、計測した水素ガスの流量を計測結果として制御部13に出力している。   The flow meter 5 is provided between the inlet 2 a 1 of the anode 2 a of the fuel cell 2 and the outlet 6 b of the in-loop pressure reducing valve 6 in the circulation channel 4. The flow meter 5 measures the flow rate of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 from the gas supply flow path 4b, that is, the pressure reducing valve 6 in the loop, and outputs the measured flow rate of the hydrogen gas to the control unit 13 as a measurement result. Yes.

ループ内減圧弁6は、循環流路4における流量計5とバッファタンク7の出口7bとの間に接続され、燃料電池2のアノード2aの入口2a1の圧力を決めるものである。ループ内減圧弁6は、制御部13によって開閉(開度)が制御され、昇圧ポンプ8で昇圧された水素ガスを減圧してガス供給流路4bの圧力を一定の設定圧力に保持している。これにより、燃料電池2のアノード2aの入口2a1には、ユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量(目標設定流量)の水素ガスが燃料電池2の内圧に関わらず一定の設定圧力で供給される。   The in-loop pressure reducing valve 6 is connected between the flow meter 5 in the circulation flow path 4 and the outlet 7b of the buffer tank 7, and determines the pressure at the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2. The opening / closing (opening degree) of the pressure reducing valve 6 in the loop is controlled by the control unit 13, and the pressure of the hydrogen gas boosted by the booster pump 8 is reduced to keep the pressure of the gas supply passage 4 b at a constant set pressure. . As a result, the hydrogen gas at the flow rate (target set flow rate) of the fuel cell 2 performance evaluation condition desired by the user is kept at a constant set pressure at the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2 regardless of the internal pressure of the fuel cell 2. Supplied.

バッファタンク7は、循環流路4におけるループ内減圧弁6の入口6aと昇圧ポンプ8の出口8bとの間に接続されている。バッファタンク7は、昇圧ポンプ8により昇圧されたガス昇圧流路4a内の水素ガスを一時的に溜め込んでいる。   The buffer tank 7 is connected between the inlet 6 a of the in-loop pressure reducing valve 6 and the outlet 8 b of the booster pump 8 in the circulation flow path 4. The buffer tank 7 temporarily stores the hydrogen gas in the gas pressure increasing flow path 4 a that has been pressurized by the pressure increasing pump 8.

尚、バッファタンク7は、必要不可欠な構成ではなく、例えばダイヤフラム式昇圧ポンプなどのように、脈動を生じる昇圧ポンプ8が採用された場合に設けられるものであり、低減したい脈動の度合いに応じて容積が決まる。   Note that the buffer tank 7 is not an indispensable configuration, and is provided when a booster pump 8 that generates pulsation, such as a diaphragm booster pump, is employed, depending on the degree of pulsation to be reduced. The volume is determined.

昇圧ポンプ8は、循環流路4におけるバッファタンク7の入口7aと背圧弁9の出口9bとの間に接続されている。昇圧ポンプ8は、供給側減圧弁3からの水素ガスや背圧弁9からの循環経路4を介して循環される未反応の水素ガスを吸引し、ガス昇圧流路4aにおける水素ガスの圧力を燃料電池2に供給できる圧力まで昇圧させている。   The booster pump 8 is connected between the inlet 7 a of the buffer tank 7 and the outlet 9 b of the back pressure valve 9 in the circulation channel 4. The booster pump 8 sucks the hydrogen gas from the supply-side pressure reducing valve 3 and the unreacted hydrogen gas circulated through the circulation path 4 from the back pressure valve 9, and uses the pressure of the hydrogen gas in the gas pressure increasing flow path 4a as fuel. The pressure is increased to a pressure that can be supplied to the battery 2.

背圧弁9は、循環流路4における燃料電池2のアノード2aの出口2a2と昇圧ポンプ8の入口8aとの間に接続されている。背圧弁9は、ガス供給流路4bの圧力を決めるものであり、ガス供給流路4bの圧力が目標設定圧力になるように、制御部13により開閉(開度)が制御される。   The back pressure valve 9 is connected between the outlet 2 a 2 of the anode 2 a of the fuel cell 2 and the inlet 8 a of the booster pump 8 in the circulation channel 4. The back pressure valve 9 determines the pressure of the gas supply flow path 4b, and its opening / closing (opening) is controlled by the control unit 13 so that the pressure of the gas supply flow path 4b becomes the target set pressure.

圧力計10は、背圧弁9の出口9bと昇圧ポンプ8の入口8aとの間のガス帰還流路4cに設けられている。圧力計10は、背圧弁9の出口9bから排気されてガス帰還流路4cを流れる水素ガスの圧力を計測し、計測した圧力を計測結果として制御部13に出力している。   The pressure gauge 10 is provided in the gas return flow path 4 c between the outlet 9 b of the back pressure valve 9 and the inlet 8 a of the booster pump 8. The pressure gauge 10 measures the pressure of the hydrogen gas exhausted from the outlet 9b of the back pressure valve 9 and flows through the gas return flow path 4c, and outputs the measured pressure to the control unit 13 as a measurement result.

差圧計11は、燃料電池2のアノード2aの入口圧力と出口圧力との間の水素ガスの圧力差を計測している。すなわち、差圧計11は、発電時に燃料電池2の内部での水による流路の閉塞や膜の膨潤などによって圧力損失が変動し、この圧力損失の変動に伴って変動する水素ガスの差圧を計測し、計測した差圧を計測結果として制御部13に出力している。   The differential pressure gauge 11 measures the pressure difference of hydrogen gas between the inlet pressure and the outlet pressure of the anode 2 a of the fuel cell 2. That is, the differential pressure gauge 11 changes the pressure loss due to the blockage of the flow path by the water inside the fuel cell 2 or the swelling of the membrane during power generation, and the differential pressure of the hydrogen gas that fluctuates with the fluctuation of the pressure loss. The measured differential pressure is output to the control unit 13 as a measurement result.

尚、図示はしないが、差圧計11に代えて、燃料電池2の入口圧力を計測する入口側圧力計と、燃料電池2の出口圧力を計測する出口側圧力計をそれぞれ設け、入口側圧力計が計測する圧力と出口側圧力計が計測する圧力との差圧を計測結果として制御部13に出力することもできる。   Although not shown, instead of the differential pressure gauge 11, an inlet side pressure gauge for measuring the inlet pressure of the fuel cell 2 and an outlet side pressure gauge for measuring the outlet pressure of the fuel cell 2 are provided, respectively. The pressure difference between the pressure measured by the outlet pressure gauge and the pressure measured by the outlet side pressure gauge can be output to the control unit 13 as a measurement result.

操作部12は、例えばボタン、キー、スイッチ、表示器などを含む操作パネルから構成されている。操作部12は、ユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の水素ガスの目標設定流量や目標設定圧力、燃料電池2の発電に必要な最小流量に基づく最小設定圧力などの初期条件を操作入力して設定している。   The operation unit 12 includes an operation panel including buttons, keys, switches, indicators, and the like, for example. The operation unit 12 is used to input the initial conditions such as the target set flow rate and target set pressure of hydrogen gas and the minimum set pressure based on the minimum flow rate required for power generation of the fuel cell 2 in the performance evaluation conditions of the fuel cell 2 desired by the user. And set it.

制御部13は、流量制御装置1を統括制御するCPUやROM,RAM等のマイクロコンピューター等で構成される。制御部13は、操作部12から操作入力される目標設定流量と流量計5が計測した流量との比較結果に基づき、ガス供給流路4bの流量が目標設定流量になるようにループ内減圧弁6の開閉(開度)を制御している。また、制御部13は、操作部12から操作入力される目標設定圧力と差圧計11が計測した差圧との比較結果に基づき、燃料電池2の入口圧力(ガス供給流路4bの圧力)が目標設定圧力になるように背圧弁9の開閉(開度)を制御している。さらに、制御部13は、操作部12から操作入力される最小設定圧力と圧力計10が計測した圧力との比較結果に基づき、ガス帰還流路4cの圧力が最小設定圧力以上になるように供給側減圧弁3の開閉(開度)を制御している。   The control unit 13 is configured by a microcomputer such as a CPU, a ROM, and a RAM that collectively control the flow control device 1. Based on the comparison result between the target set flow rate input from the operation unit 12 and the flow rate measured by the flow meter 5, the control unit 13 controls the pressure reducing valve in the loop so that the flow rate of the gas supply channel 4b becomes the target set flow rate. 6 is controlled. Further, the control unit 13 determines the inlet pressure of the fuel cell 2 (the pressure of the gas supply channel 4b) based on the comparison result between the target set pressure input by the operation unit 12 and the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11. The opening / closing (opening degree) of the back pressure valve 9 is controlled so as to reach the target set pressure. Furthermore, the control unit 13 supplies the gas return flow path 4c so that the pressure in the gas feedback channel 4c is equal to or higher than the minimum set pressure based on the comparison result between the minimum set pressure input by the operation unit 12 and the pressure measured by the pressure gauge 10. The opening / closing (opening degree) of the side pressure reducing valve 3 is controlled.

次に、上記のように構成される第1実施形態のガス流量制御装置1の動作について説明する。ここでは、燃料電池2の発電性能を試験する際に、燃料電池2のアノード2aの入口圧力と出口圧力との間の差圧制御により循環流路4を循環する水素ガスの流量を制御する場合を例にとって図2を参照しながら説明する。   Next, operation | movement of the gas flow control apparatus 1 of 1st Embodiment comprised as mentioned above is demonstrated. Here, when testing the power generation performance of the fuel cell 2, the flow rate of the hydrogen gas circulating in the circulation channel 4 is controlled by controlling the differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the anode 2 a of the fuel cell 2. Will be described with reference to FIG.

まず、操作部12の操作入力により燃料電池2の入口2a1に供給される水素ガスの目標設定流量、目標設定圧力、最小設定圧力を含む初期条件の設定を行う(ST1)。この設定を終えた後、昇圧ポンプ8をONして運転を開始する(ST2)。昇圧ポンプ8の運転が開始されると、昇圧ポンプ8により吸引される水素ガスは、ガス供給流路4bの圧力が燃料電池2に供給できる圧力まで昇圧され、バッファタンク7からループ内減圧弁6を介して燃料電池2のアノード2aの入口2a1に供給される。   First, initial conditions including a target set flow rate, a target set pressure, and a minimum set pressure of hydrogen gas supplied to the inlet 2a1 of the fuel cell 2 by an operation input of the operation unit 12 are set (ST1). After completing this setting, the booster pump 8 is turned on to start operation (ST2). When the operation of the booster pump 8 is started, the hydrogen gas sucked by the booster pump 8 is increased to a pressure at which the pressure of the gas supply flow path 4b can be supplied to the fuel cell 2, and the pressure reducing valve 6 in the loop is supplied from the buffer tank 7. To the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2.

そして、燃料電池2のアノード2aの入口2a1に水素ガスが供給され、燃料電池2のカソード2bの入口2b1に酸素ガスが供給されると、水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生して発電する。燃料電池2の発電時には、燃料電池2のアノード2aの入口2a1に供給される水素ガスの流量がユーザが所望する性能評価条件の流量(目標設定流量)に近づくように、以下に示す処理(1)〜(3)が並行して実行される。   When hydrogen gas is supplied to the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2 and oxygen gas is supplied to the inlet 2b1 of the cathode 2b of the fuel cell 2, electric energy is generated by an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen gas. Generate and generate electricity. During power generation of the fuel cell 2, the following processing (1) is performed so that the flow rate of hydrogen gas supplied to the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2 approaches the flow rate (target set flow rate) of the performance evaluation condition desired by the user. ) To (3) are executed in parallel.

尚、燃料電池2が発電した際の未反応の水素ガスは、循環流路4(ガス帰還流路4c→ガス供給流路4b→ガス昇圧流路4a)を循環して昇圧ポンプ8により昇圧され、バッファタンク7からループ内減圧弁6を介して再び燃料電池2のアノード2aの入口2a1に供給される。   The unreacted hydrogen gas generated by the fuel cell 2 is circulated through the circulation channel 4 (the gas return channel 4c → the gas supply channel 4b → the gas boost channel 4a) and boosted by the booster pump 8. Then, it is supplied again from the buffer tank 7 to the inlet 2 a 1 of the anode 2 a of the fuel cell 2 through the in-loop pressure reducing valve 6.

処理(1)
制御部13は、操作部12から操作入力される目標設定流量と流量計5の計測による流量とを比較し、流量計5の計測による流量が目標設定流量になったか否かを判別する(ST3)。制御部13は、流量計5の計測による流量が目標設定流量になっていないと判断すると(ST3−No)、流量計5の計測による流量が目標設定流量になるまでループ内減圧弁6を「開/閉」制御する(ST4)。そして、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFであるか否かを判別する(ST5)。これに対し、流量計5の計測による流量が目標設定流量になったと判断すると(ST3−Yes)、昇圧ポンプ8がOFFであるか否かを判別する(ST5)。そして、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFであると判断すると(ST5−Yes)、処理(1)を終了する。これに対し、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFでないと判断すると(ST5−No)、ST3の判別処理に戻る。
Processing (1)
The control unit 13 compares the target set flow rate input from the operation unit 12 with the flow rate measured by the flow meter 5, and determines whether or not the flow rate measured by the flow meter 5 has reached the target set flow rate (ST3). ). When the control unit 13 determines that the flow rate measured by the flow meter 5 is not the target set flow rate (ST3-No), the controller 13 turns the pressure reducing valve 6 in the loop until the flow rate measured by the flow meter 5 reaches the target set flow rate. “Open / close” is controlled (ST4). And the control part 13 discriminate | determines whether the pressure | voltage rise pump 8 is OFF (ST5). On the other hand, if it is determined that the flow rate measured by the flow meter 5 has reached the target set flow rate (ST3-Yes), it is determined whether the booster pump 8 is OFF (ST5). And if the control part 13 judges that the pressure | voltage rise pump 8 is OFF (ST5-Yes), a process (1) will be complete | finished. On the other hand, if the control part 13 judges that the pressure | voltage rise pump 8 is not OFF (ST5-No), it will return to the discrimination | determination process of ST3.

処理(2)
制御部13は、操作部12から操作入力される目標設定圧力と差圧計11の計測による差圧とを比較し、差圧計11の計測による差圧が目標設定圧力になったか否かを判別する(ST6)。制御部13は、差圧計11の計測による差圧が目標設定圧力になっていないと判断すると(ST6−No)、差圧計11の計測による差圧が目標設定圧力になるまで背圧弁9を「開/閉」制御する(ST7)。そして、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFであるか否かを判別する(ST8)。これに対し、制御部13は、差圧計11の計測による差圧が目標設定圧力になったと判断すると(ST6−Yes)、昇圧ポンプ8がOFFであるか否かを判別する(ST8)。そして、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFであると判断すると(ST8−Yes)、処理(2)を終了する。これに対し、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFでないと判断すると(ST8−No)、ST6の判別処理に戻る。
Processing (2)
The control unit 13 compares the target set pressure input from the operation unit 12 with the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11, and determines whether or not the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11 has reached the target set pressure. (ST6). When the control unit 13 determines that the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11 is not the target set pressure (ST6-No), the control unit 13 changes the back pressure valve 9 until the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11 reaches the target set pressure. “Open / close” is controlled (ST7). And the control part 13 discriminate | determines whether the pressure | voltage rise pump 8 is OFF (ST8). In contrast, when the control unit 13 determines that the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11 has reached the target set pressure (ST6-Yes), the control unit 13 determines whether the booster pump 8 is OFF (ST8). And if the control part 13 judges that the pressure | voltage rise pump 8 is OFF (ST8-Yes), a process (2) will be complete | finished. On the other hand, if the control part 13 judges that the pressure | voltage rise pump 8 is not OFF (ST8-No), it will return to the determination process of ST6.

処理(3)
制御部13は、圧力計10の計測による圧力と操作部12から操作入力される最小設定圧力とを比較し、圧力計10の計測による圧力が最小設定圧力以下であるか否かを判別する(ST9)。制御部13は、圧力計10の計測による圧力が最小設定圧力以下であると判断すると(ST9−Yes)、不足する水素ガスをガス供給装置3Aから供給するべく、圧力計10の計測による圧力が最小設定圧力以上になるまで供給側減圧弁3を「開/閉」制御する(ST10)。そして、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFであるか否かを判別する(ST11)。これに対し、制御部13は、圧力計10の計測による圧力が最小設定圧力以下でないと判断すると(ST9−No)、昇圧ポンプ8がOFFであるか否かを判別する(ST11)。そして、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFであると判断すると(ST11−Yes)、処理(3)を終了する。これに対し、制御部13は、昇圧ポンプ8がOFFでないと判断すると(ST11−No)、ST9の判別処理に戻る。
Processing (3)
The control unit 13 compares the pressure measured by the pressure gauge 10 with the minimum set pressure input from the operation unit 12, and determines whether or not the pressure measured by the pressure gauge 10 is equal to or lower than the minimum set pressure ( ST9). When the control unit 13 determines that the pressure measured by the pressure gauge 10 is equal to or lower than the minimum set pressure (ST9-Yes), the pressure measured by the pressure gauge 10 is set to supply the insufficient hydrogen gas from the gas supply device 3A. The supply-side pressure reducing valve 3 is controlled to “open / close” until the pressure reaches the minimum set pressure (ST10). And the control part 13 discriminate | determines whether the pressure | voltage rise pump 8 is OFF (ST11). On the other hand, when determining that the pressure measured by the pressure gauge 10 is not equal to or lower than the minimum set pressure (ST9-No), the control unit 13 determines whether or not the booster pump 8 is OFF (ST11). And if the control part 13 judges that the pressure | voltage rise pump 8 is OFF (ST11-Yes), a process (3) will be complete | finished. On the other hand, if the control part 13 judges that the pressure | voltage rise pump 8 is not OFF (ST11-No), it will return to the determination process of ST9.

そして、上記処理(1)〜(3)により燃料電池2のアノード2aの入口2a1に供給される水素ガスの流量が性能評価条件の流量(目標設定流量)に制御されると、燃料電池2の発電性能を試験する。そして、ユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量(目標設定流量)や圧力(目標設定圧力)を所定ステップで可変設定し、供給側減圧弁3、ループ内減圧弁6、背圧弁9の開閉により、燃料電池2のアノード2aの入口2a1に供給される水素ガスの流量を調整し、性能評価条件の流量毎の燃料電池2の発電性能を試験する。   When the flow rate of the hydrogen gas supplied to the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2 is controlled to the flow rate (target set flow rate) of the performance evaluation condition by the above processes (1) to (3), Test power generation performance. Then, the flow rate (target set flow rate) and pressure (target set pressure) of the performance evaluation conditions of the fuel cell 2 desired by the user are variably set in predetermined steps, and the supply side pressure reducing valve 3, the in-loop pressure reducing valve 6, and the back pressure valve 9 are set. The flow rate of the hydrogen gas supplied to the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2 is adjusted by opening and closing, and the power generation performance of the fuel cell 2 for each flow rate in the performance evaluation condition is tested.

このように、図1の第1実施形態のガス流量制御装置1Aでは、流量計5、圧力計10、差圧計11を設け、これらの計測結果に基づき、図2のフローチャートの手順に従って供給側減圧弁3、ループ内減圧弁6、背圧弁9をそれぞれ開/閉制御し、燃料電池2に供給されるガス流量を目標設定流量に調整している。   As described above, in the gas flow rate control device 1A of the first embodiment of FIG. 1, the flow meter 5, the pressure gauge 10, and the differential pressure gauge 11 are provided, and the supply side pressure reduction is performed according to the procedure of the flowchart of FIG. The valve 3, the in-loop pressure reducing valve 6, and the back pressure valve 9 are each controlled to be opened / closed, and the gas flow rate supplied to the fuel cell 2 is adjusted to the target set flow rate.

ところで、図1のガス流量制御装置1Aでは、ユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量(目標設定流量)を得るため、流量計5と差圧計11の両方を循環流路4に配置して接続した構成としているが、流量計5のみ、又は差圧計11のみを循環流路4に配置して接続する構成としても良い。以下、これらの構成について図3及び図4を参照しながら説明する。   By the way, in the gas flow rate control device 1A of FIG. 1, both the flow meter 5 and the differential pressure gauge 11 are arranged in the circulation flow path 4 in order to obtain the flow rate (target set flow rate) of the performance evaluation condition of the fuel cell 2 desired by the user. However, only the flow meter 5 or only the differential pressure gauge 11 may be arranged and connected to the circulation flow path 4. Hereinafter, these configurations will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

図3は第2実施形態のガス流量制御装置1(1B)の概略構成を示している。尚、図3において、図1のガス流量制御装置1Aと同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略している。   FIG. 3 shows a schematic configuration of the gas flow control device 1 (1B) of the second embodiment. In FIG. 3, the same components as those in the gas flow rate control apparatus 1A in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図3のガス流量制御装置1Bは、図1のガス流量制御装置1Aから背圧弁9と差圧計11を省いた構成であり、循環流路4を含む配管内が真空でないことを条件として、図2のフローチャートにおける処理(1)〜(3)のうち、処理(1)と処理(3)を並行して実行している。すなわち、図3のガス流量制御装置1Bでは、流量計5の計測結果に基づく処理(1)によりループ内減圧弁6を制御し、燃料電池2の入口2a1から供給される水素ガスの流量が目標設定流量に近づくように調整している。これにより、差圧計11が無くてもループ内減圧弁6の開閉により燃料電池2の入口圧力と出口圧力の差圧制御を行い、水素ガスの流量をユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量に制御することができる。   The gas flow control device 1B of FIG. 3 has a configuration in which the back pressure valve 9 and the differential pressure gauge 11 are omitted from the gas flow control device 1A of FIG. 1, on the condition that the piping including the circulation flow path 4 is not vacuum. Among the processes (1) to (3) in the flowchart of FIG. 2, the process (1) and the process (3) are executed in parallel. That is, in the gas flow control device 1B of FIG. 3, the in-loop pressure reducing valve 6 is controlled by the process (1) based on the measurement result of the flow meter 5, and the flow rate of the hydrogen gas supplied from the inlet 2a1 of the fuel cell 2 is the target. It is adjusted to approach the set flow rate. Thereby, even if there is no differential pressure gauge 11, the differential pressure control between the inlet pressure and the outlet pressure of the fuel cell 2 is performed by opening and closing the pressure reducing valve 6 in the loop, and the performance evaluation condition of the fuel cell 2 that the user desires the flow rate of hydrogen gas The flow rate can be controlled.

次に、図4は第3実施形態のガス流量制御装置1(1C)の概略構成を示している。尚、図4において、図1のガス流量制御装置1Aと同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略している。   Next, FIG. 4 shows a schematic configuration of the gas flow rate control device 1 (1C) of the third embodiment. In FIG. 4, the same components as those in the gas flow control device 1 </ b> A in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図4のガス流量制御装置1Cは、図1のガス流量制御装置1Aから流量計5を省いた構成であり、ループ内減圧弁6の出口6bと燃料電池2のアノード2aの入口2a1との間のガス供給流路4bの状態をモニタする計測器14が設けられた構成である。   The gas flow control device 1C in FIG. 4 has a configuration in which the flow meter 5 is omitted from the gas flow control device 1A in FIG. 1, and is located between the outlet 6b of the in-loop pressure reducing valve 6 and the inlet 2a1 of the anode 2a of the fuel cell 2. The measuring instrument 14 for monitoring the state of the gas supply flow path 4b is provided.

計測器14は、例えば露点計、圧力計、温度計、ガス分析計、ガス濃度計を備えている。露点計は、燃料電池2のアノード2aの入口2a1側におけるガス供給流路4b内の水分を計測している。圧力計は、燃料電池2のアノード2aの入口2a1側におけるガス供給流路4b内の圧力を計測している。温度計は、燃料電池2のアノード2aの入口2a1側におけるガス供給流路4b内の温度を計測している。ガス分析計は、燃料電池2のアノード2aの入口2a1側におけるガス供給流路4b内を流れるガス成分のガス組成を分析している。ガス濃度計は、燃料電池2のアノード2aの入口2a1側におけるガス供給流路4b内のガス成分の各ガス組成毎の濃度を計測している。これら計測された水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成毎の濃度は、モニタ情報として制御部13に入力される。尚、ガス供給流路4bを流れるガス成分のガス組成が予め判っていれば、ガス分析計の構成を省くことができる。   The measuring instrument 14 includes, for example, a dew point meter, a pressure gauge, a thermometer, a gas analyzer, and a gas concentration meter. The dew point meter measures the moisture in the gas supply channel 4 b on the inlet 2 a 1 side of the anode 2 a of the fuel cell 2. The pressure gauge measures the pressure in the gas supply channel 4 b on the inlet 2 a 1 side of the anode 2 a of the fuel cell 2. The thermometer measures the temperature in the gas supply channel 4 b on the inlet 2 a 1 side of the anode 2 a of the fuel cell 2. The gas analyzer analyzes the gas composition of the gas component flowing in the gas supply channel 4 b on the inlet 2 a 1 side of the anode 2 a of the fuel cell 2. The gas concentration meter measures the concentration of each gas composition in the gas supply channel 4b on the inlet 2a1 side of the anode 2a of the fuel cell 2 for each gas composition. The measured concentrations of moisture, pressure, temperature, and gas components for each gas composition are input to the control unit 13 as monitor information. If the gas composition of the gas component flowing through the gas supply channel 4b is known in advance, the configuration of the gas analyzer can be omitted.

図4のガス流量制御装置1Cにおいて、制御部13は、操作部12から操作入力される水素ガスの目標設定流量と、計測器14の計測によって得られるモニタ情報(水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成毎の濃度)に基づいて目標設定差圧を演算している。そして、制御部13は、差圧計11が計測した差圧と、演算により得られる目標設定差圧とを比較し、差圧計11の計測による差圧が目標設定差圧となるように、ループ内減圧弁6を開閉制御する。これにより、流量計5が無くてもループ内減圧弁6の開閉により燃料電池2の入口圧力と出口圧力の差圧制御を行い、水素ガスの流量をユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量に制御することができる。   In the gas flow rate control device 1C of FIG. 4, the control unit 13 includes a target set flow rate of hydrogen gas input from the operation unit 12 and monitor information (moisture, pressure, temperature, gas component) obtained by measurement by the measuring instrument 14. The target set differential pressure is calculated based on the concentration of each gas composition. Then, the control unit 13 compares the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11 with the target set differential pressure obtained by calculation, so that the differential pressure measured by the differential pressure gauge 11 becomes the target set differential pressure. The pressure reducing valve 6 is controlled to open and close. Thus, even if there is no flow meter 5, the differential pressure control between the inlet pressure and the outlet pressure of the fuel cell 2 is performed by opening and closing the pressure reducing valve 6 in the loop, and the performance evaluation condition of the fuel cell 2 that the user desires the flow rate of hydrogen gas The flow rate can be controlled.

尚、図4のガス流量制御装置1Cでは、差圧計11の計測結果に基づいて図2のフローチャートにおける処理(2)を実行して背圧弁9の開閉を制御する構成であるが、背圧弁9を省き、処理(2)を実行しない構成としても良い。   The gas flow control device 1C in FIG. 4 is configured to control the opening and closing of the back pressure valve 9 by executing the process (2) in the flowchart in FIG. 2 based on the measurement result of the differential pressure gauge 11, but the back pressure valve 9 May be omitted, and the process (2) may not be executed.

ところで、図1の流量計5と差圧計11の両方を循環流路4に設けたガス流量制御装置1Aにおいて、制御部13は、燃料電池2の発電時に、流量計5又は差圧計11からの計測結果を選択的に取り込み、燃料電池2に供給される水素ガスの流量が、ユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量(目標設定流量)に近づくように、流量計5又は差圧計11の計測結果に応じて供給側減圧弁3やループ内減圧弁6の開閉(開度)を制御しても良い。   By the way, in the gas flow rate control device 1A in which both the flow meter 5 and the differential pressure gauge 11 of FIG. 1 are provided in the circulation flow path 4, the control unit 13 is supplied from the flow meter 5 or the differential pressure gauge 11 during power generation of the fuel cell 2. A flow meter 5 or a differential pressure gauge is used so that the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 selectively captures the measurement result and approaches the flow rate (target set flow rate) of the performance evaluation condition of the fuel cell 2 desired by the user. The opening / closing (opening degree) of the supply-side pressure reducing valve 3 and the in-loop pressure reducing valve 6 may be controlled in accordance with the measurement result 11.

また、上述した各実施形態のガス流量制御装置1A,1B,1Cでは、燃料電池2のアノード2aの出口2a2から入口2a1に向かって帰還するループ状の循環流路4を形成した構成について説明したが、この構成をカソード2bに採用することもできる。すなわち、燃料電池2のカソード2bの出口2b2から入口2b1に向かって帰還するループ状の循環流路4を形成し、アノード2a側と同様の構成をカソード2b側にも採用することができる。   In the gas flow control devices 1A, 1B, and 1C of the above-described embodiments, the configuration in which the loop-shaped circulation flow path 4 that returns from the outlet 2a2 of the anode 2a of the fuel cell 2 toward the inlet 2a1 is formed has been described. However, this configuration can also be adopted for the cathode 2b. That is, the loop-shaped circulation flow path 4 that returns from the outlet 2b2 of the cathode 2b of the fuel cell 2 toward the inlet 2b1 can be formed, and the same configuration as that of the anode 2a can be employed on the cathode 2b side.

このように、本発明のガス流量制御装置1では、燃料電池2の発電時に、燃料電池2のアノード2aに供給される水素ガスの流量が、ユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量(目標設定流量)に近づくように供給側減圧弁3、ループ内減圧弁6、背圧弁9の開閉(開度)を必要に応じて適宜制御している。これにより、発電時に燃料電池2から排気された未反応の水素ガス(燃料ガス)を循環流路4を介して燃料電池2に再度供給する際の水素ガスの流量を調整して性能評価条件の流量(目標設定流量)にすることができる。その結果、未反応の水素ガス(燃料ガス)を排気させずに循環して再利用する燃料電池車の実装レベルでの燃料電池の評価試験を行うことができる。具体的には、ユーザが所望する燃料電池2の性能評価条件の流量(目標設定流量)を所定ステップで可変し、燃料電池車に実装される燃料電池2の発電性能を性能評価条件の流量毎に計測し、最も発電性能を引き出せる燃料ガスの流量を把握することができる。また、流量制御装置1に各種燃料電池をセットして試験を行うことにより、燃料電池の種類に応じた性能評価条件の流量毎の発電性能を把握することもできる。   As described above, in the gas flow rate control device 1 of the present invention, the flow rate of the hydrogen gas supplied to the anode 2a of the fuel cell 2 during power generation of the fuel cell 2 is the flow rate of the fuel cell 2 performance evaluation condition desired by the user. The opening / closing (opening) of the supply-side pressure reducing valve 3, the in-loop pressure reducing valve 6, and the back pressure valve 9 is appropriately controlled as necessary so as to approach (target set flow rate). Thereby, the flow rate of the hydrogen gas when the unreacted hydrogen gas (fuel gas) exhausted from the fuel cell 2 at the time of power generation is supplied again to the fuel cell 2 through the circulation channel 4 is adjusted to satisfy the performance evaluation condition. The flow rate (target set flow rate) can be set. As a result, it is possible to perform a fuel cell evaluation test at the mounting level of a fuel cell vehicle that circulates and reuses unreacted hydrogen gas (fuel gas) without exhausting it. Specifically, the flow rate (target set flow rate) of the performance evaluation condition of the fuel cell 2 desired by the user is varied in predetermined steps, and the power generation performance of the fuel cell 2 mounted on the fuel cell vehicle is changed for each flow rate of the performance evaluation condition. It is possible to measure the flow rate of the fuel gas that can maximize the power generation performance. In addition, by setting various fuel cells in the flow control device 1 and performing a test, it is possible to grasp the power generation performance for each flow rate under performance evaluation conditions according to the type of fuel cell.

また、循環流路4における昇圧ポンプ8とループ内減圧弁6との間にバッファタンク7を配置接続すれば、例えばダイヤフラム式昇圧ポンプなどの昇圧ポンプ8を採用した場合の脈動を低減してガスの流れを安定させることができる。   Further, if the buffer tank 7 is disposed and connected between the booster pump 8 and the in-loop pressure reducing valve 6 in the circulation flow path 4, the pulsation in the case where the booster pump 8 such as a diaphragm type booster pump is employed can be reduced. Can stabilize the flow.

1(1A,1B,1C) ガス流量制御装置
2 燃料電池
3 供給側減圧弁
3A ガス供給装置
4 循環流路
4a ガス昇圧流路
4b ガス供給流路
4c ガス帰還流路
5 流量計
6 ループ内減圧弁
7 バッファタンク
8 昇圧ポンプ
9 背圧弁
10 圧力計
11 差圧計
12 操作部
13 制御部
14 計測器
1 (1A, 1B, 1C) Gas flow control device 2 Fuel cell 3 Supply side pressure reducing valve 3A Gas supply device 4 Circulation flow path 4a Gas pressure increase flow path 4b Gas supply flow path 4c Gas feedback flow path 5 Flow meter 6 Pressure reduction in loop Valve 7 Buffer tank 8 Booster pump 9 Back pressure valve 10 Pressure gauge 11 Differential pressure gauge 12 Operation part 13 Control part 14 Measuring instrument

Claims (4)

アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池のガス流量制御装置において、In a fuel cell gas flow rate control device for controlling the flow rate of a gas supplied to a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas,
前記燃料電池にガスを供給するための燃料ガス供給装置を有し、A fuel gas supply device for supplying gas to the fuel cell;
前記燃料電池の出口から入口に向かって帰還するループ状の循環流路が前記燃料ガス供給装置に接続され、A loop-shaped circulation flow path returning from the outlet of the fuel cell toward the inlet is connected to the fuel gas supply device,
前記燃料電池の入口に近い位置からループ内減圧弁、昇圧ポンプが順に配置して設けられており、A pressure reducing valve in the loop and a pressure increasing pump are arranged in order from a position close to the inlet of the fuel cell,
前記循環流路における前記燃料電池の入口圧力と出口圧力との圧力差による差圧を計測する差圧計と、A differential pressure gauge for measuring a differential pressure due to a pressure difference between an inlet pressure and an outlet pressure of the fuel cell in the circulation channel;
前記ループ内減圧弁と前記燃料電池の入口との間の水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成の濃度を計測する計測器と、A measuring instrument for measuring the concentration of each gas composition of moisture, pressure, temperature, and gas components between the pressure reducing valve in the loop and the inlet of the fuel cell;
前記燃料電池の発電時に、予め設定される性能評価条件の目標設定流量と前記計測器による計測結果に基づいて目標設定差圧を演算し、前記差圧計が計測する差圧が、前記演算した目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御する制御部とを備えたことを特徴とするガス流量制御装置。At the time of power generation of the fuel cell, a target set differential pressure is calculated based on a target set flow rate under performance evaluation conditions set in advance and a measurement result by the measuring instrument, and the differential pressure measured by the differential pressure gauge is calculated as the calculated target. A gas flow rate control apparatus comprising: a control unit that controls opening and closing of the pressure reducing valve in the loop so as to approach a set differential pressure.
前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測する圧力計と、A pressure gauge that measures the pressure of the gas sucked into the booster pump through the circulation channel;
前記圧力計が計測した圧力に応じて前記制御部により開閉制御される供給側減圧弁とを備えたことを特徴とする請求項1記載のガス流量制御装置。The gas flow rate control device according to claim 1, further comprising a supply-side pressure reducing valve that is controlled to be opened and closed by the control unit in accordance with the pressure measured by the pressure gauge.
請求項1のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、A gas flow rate control method using the gas flow rate control device according to claim 1,
前記昇圧ポンプの運転開始後に、前記差圧計により計測した差圧と前記演算した目標設定差圧とを比較し、前記差圧計により計測した差圧が前記目標設定差圧に達していないときに、前記差圧計により計測される差圧が前記目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御するステップを含むことを特徴とするガス流量制御方法。After starting the operation of the booster pump, the differential pressure measured by the differential pressure gauge is compared with the calculated target set differential pressure, and when the differential pressure measured by the differential pressure gauge does not reach the target set differential pressure, A gas flow rate control method comprising the step of controlling opening and closing of the pressure reducing valve in the loop so that a differential pressure measured by the differential pressure gauge approaches the target set differential pressure.
請求項2のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、A gas flow rate control method using the gas flow rate control device according to claim 2,
前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測するステップと、Measuring the pressure of the gas sucked into the booster pump through the circulation channel;
前記計測された圧力が予め設定される最小設定圧力以下のときに、前記供給側減圧弁の開閉を制御するステップとを含むことを特徴とするガス流量制御方法。Controlling the opening and closing of the supply-side pressure reducing valve when the measured pressure is equal to or lower than a preset minimum set pressure.
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JP4938224B2 (en) * 2004-03-10 2012-05-23 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
US7709121B2 (en) * 2004-08-25 2010-05-04 Ford Motor Company Method and apparatus for recirculating unused fuel in fuel cells
JP4940541B2 (en) * 2004-11-09 2012-05-30 日産自動車株式会社 Fuel cell system
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