JP6287010B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来の燃料電池システムとして、燃料電池に供給するカソードガスを加湿する加湿器を備えるものがある(特許文献1参照)。 Some conventional fuel cell systems include a humidifier that humidifies the cathode gas supplied to the fuel cell (see Patent Document 1).
現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池内のアノード側の圧力が、カソード側の圧力よりも高くなるように設定している。そのため、燃料電池内のアノード側とカソード側との膜電極接合体間の差圧(以下「膜間差圧」という。)を適切に管理しないと、膜電極接合体に想定外の応力が加わり、燃料電池を劣化させる要因となる。 In the fuel cell system currently under development, the pressure on the anode side in the fuel cell is set to be higher than the pressure on the cathode side. Therefore, unless the differential pressure between the membrane electrode assembly on the anode side and the cathode side in the fuel cell (hereinafter referred to as “transmembrane differential pressure”) is not properly managed, unexpected stress is applied to the membrane electrode assembly. It becomes a factor which degrades a fuel cell.
また、現在開発中の燃料電池システムでは、カソードガスの圧力を検出する圧力センサを、凍結防止のためにカソードガスの加湿器の上流に配置している。その関係上、燃料電池内のカソード側の圧力に関しては、加湿器の圧力損失を考慮して、圧力センサの検出値に基づき推定することを考えている。そして、センサ等によって検出した燃料電池内のアノード側の圧力検出値と、この燃料電池内のカソード側の圧力推定値と、の差圧(以下「推定差圧」という。)が所定の許容膜間差圧を超えたときは、アノードガスの圧力の上限を制限するなどして差圧を小さくする差圧過大防止制御を実施している。 In the fuel cell system currently under development, a pressure sensor for detecting the pressure of the cathode gas is disposed upstream of the cathode gas humidifier to prevent freezing. Therefore, it is considered that the pressure on the cathode side in the fuel cell is estimated based on the detection value of the pressure sensor in consideration of the pressure loss of the humidifier. The differential pressure (hereinafter referred to as “estimated differential pressure”) between the detected pressure value on the anode side in the fuel cell detected by a sensor or the like and the estimated pressure value on the cathode side in the fuel cell is a predetermined allowable membrane. When the differential pressure exceeds the differential pressure, control for preventing excessive differential pressure is performed to reduce the differential pressure by limiting the upper limit of the pressure of the anode gas.
ここで、加湿器の圧力損失を、考え得る最大値に設定しておけば、燃料電池内のカソード側の圧力推定値は実際値よりも低くなるので、推定差圧が実際の膜間差圧より大きくなることがない。そのため、推定差圧が許容膜間差圧を越えたときに差圧がそれ以上大きくならないように制限しておけば、実際の膜間差圧が許容膜間差圧を越えることもない。したがって、膜間差圧が過大になるのを抑制するという観点からは、加湿器の圧力損失を最大値に設定してカソード側の圧力推定値を算出することが最も安全と言える。 Here, if the pressure loss of the humidifier is set to the maximum possible value, the estimated pressure value on the cathode side in the fuel cell will be lower than the actual value, so the estimated differential pressure will be the actual transmembrane pressure difference. It won't get bigger. For this reason, if the estimated differential pressure exceeds the allowable transmembrane differential pressure, the actual transmembrane pressure does not exceed the allowable transmembrane pressure if it is restricted so that the differential pressure does not increase any more. Therefore, it can be said that it is safest to set the pressure loss of the humidifier to the maximum value and calculate the estimated pressure value on the cathode side from the viewpoint of suppressing the excessive transmembrane pressure difference.
しかしながら、加湿器の圧力損失を最大値に設定してしまうと、推定差圧が実際の膜間差圧よりも大きくなってしまうので、不要に差圧過大防止制御が実施され、出力の低下を招くおそれがある。 However, if the pressure loss of the humidifier is set to the maximum value, the estimated differential pressure becomes larger than the actual transmembrane pressure difference, so excessive pressure differential prevention control is performed unnecessarily, reducing output. There is a risk of inviting.
したがって、加湿器の圧力損失としては、できるだけ実際の圧力損失を考慮して、最大値よりも低い所定値に設定したいが、そうすると、コンプレッサの供給流量が増加して加湿器での圧力損失が増大したときに、実際の圧力損失が設定した所定値よりも大きくなるおそれがある。その結果、カソード側の圧力推定値が実際値よりも高くなってしまい、推定差圧が実際の膜間差圧よりも小さくなるおそれがある。そのため、実際の膜間差圧が許容膜間差圧を超えているにもかかわらず、差圧過大防止制御が実施されない場合があり、燃料電池を劣化させるおそれがある。 Therefore, the pressure loss of the humidifier should be set to a predetermined value lower than the maximum value in consideration of the actual pressure loss as much as possible. Then, the supply flow rate of the compressor increases and the pressure loss at the humidifier increases. When this is done, the actual pressure loss may be larger than the set predetermined value. As a result, the estimated pressure value on the cathode side becomes higher than the actual value, and the estimated differential pressure may be smaller than the actual transmembrane pressure difference. Therefore, even though the actual transmembrane differential pressure exceeds the allowable transmembrane differential pressure, the excessive differential pressure prevention control may not be performed, and the fuel cell may be deteriorated.
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、推定差圧に基づいて差圧過大防止制御を実施するものにおいて、実際の膜間差圧が許容膜間差圧を超えてしまうのを抑制することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and in the case where the differential pressure excess prevention control is performed based on the estimated differential pressure, the actual transmembrane pressure exceeds the allowable transmembrane pressure. It aims at suppressing it.
本発明のある態様による燃料電池システムは、燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、コンプレッサから吐出されたカソードガスを加湿する加湿器と、加湿器より上流に設けられてコンプレッサから吐出されたカソードガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、加湿器の圧力損失を所定値として圧力検出手段の検出値と所定値とに応じて燃料電池内のカソード側の圧力推定値を算出し、燃料電池内のアノード側の圧力検出値と圧力推定値との差圧が所定の許容膜間差圧を超えたときに、その差圧を小さくする。そして、燃料電池の要求に応じてコンプレッサの供給流量を設定し、加湿器の圧力損失が所定値となるコンプレッサの供給流量を上限流量として設定し、運転状態に応じて設定されたコンプレッサの供給流量と、上限流量と、の小さいほうに基づいて、コンプレッサを制御する。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a compressor that adjusts the flow rate of cathode gas supplied to a fuel cell, a humidifier that humidifies cathode gas discharged from the compressor, and a compressor provided upstream from the humidifier. Equipped with pressure detection means for detecting the pressure of the discharged cathode gas, the pressure loss of the humidifier is set to a predetermined value, and the estimated pressure value on the cathode side in the fuel cell is calculated according to the detected value of the pressure detection means and the predetermined value When the differential pressure between the detected pressure value on the anode side in the fuel cell and the estimated pressure value exceeds a predetermined allowable transmembrane pressure difference, the differential pressure is reduced. Then, the compressor supply flow rate is set according to the requirements of the fuel cell, the compressor supply flow rate at which the pressure loss of the humidifier becomes a predetermined value is set as the upper limit flow rate, and the compressor supply flow rate set according to the operating state The compressor is controlled based on the smaller of the upper limit flow rate and the upper limit flow rate.
この態様によれば、加湿器の圧力損失が所定値となるコンプレッサの供給流量を上限流量として設定し、この上限流量を超えることがないようにコンプレッサの流量を制御することにした。そのため、加湿器の圧力損失が所定値以上になるのを抑制でき、実際の圧力損失が設定した所定値よりも大きくなるのを抑制できる。 According to this aspect, the compressor supply flow rate at which the pressure loss of the humidifier becomes a predetermined value is set as the upper limit flow rate, and the compressor flow rate is controlled so as not to exceed the upper limit flow rate. Therefore, it can suppress that the pressure loss of a humidifier becomes more than predetermined value, and can suppress that an actual pressure loss becomes larger than the predetermined value which set.
したがって、燃料電池内のカソード側の圧力推定値が、実際値よりも高くなってしまうのを抑制できるので、燃料電池内のアノード側の圧力検出値とカソード側の圧力推定値との差圧が実際の膜間差圧よりも小さくなってしまうのを抑制できる。よって、燃料電池内のアノード側の圧力検出値とカソード側の圧力推定値との差圧が所定の許容膜間差圧を超えたときに、その差圧がそれ以上大きくならないように制限することで、実際の膜間差圧が許容膜間差圧を越えてしまうのを抑制できる。 Therefore, since the estimated pressure value on the cathode side in the fuel cell can be suppressed from becoming higher than the actual value, the differential pressure between the detected pressure value on the anode side in the fuel cell and the estimated pressure value on the cathode side can be reduced. It can suppress becoming smaller than an actual transmembrane differential pressure. Therefore, when the differential pressure between the detected pressure value on the anode side in the fuel cell and the estimated pressure value on the cathode side exceeds the predetermined allowable transmembrane pressure, limit the differential pressure so that it does not increase any more. Therefore, it is possible to suppress the actual transmembrane pressure difference from exceeding the allowable transmembrane pressure.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
燃料電池は電解質膜をアノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス(燃料ガス)、カソード電極に酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
(First embodiment)
In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
アノード電極 : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード電極 : 4H+ +4e- +O2 →2H2O …(2)
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
この(1)(2)の電極反応によって燃料電池は1ボルト程度の起電力を生じる。 The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。 When a fuel cell is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required. Therefore, the fuel cell is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.
図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システム100の概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a
燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と、カソードガス給排装置2と、アノードガス給排装置3と、コントローラ4と、を備える。
The
燃料電池スタック1は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。 The fuel cell stack 1 is formed by stacking several hundred fuel cells, and receives the supply of anode gas and cathode gas to generate electric power necessary for driving the vehicle.
カソードガス給排装置2は、燃料電池スタック1にカソードガス(空気)を供給するとともに、燃料電池スタック1から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置2は、カソードガス供給通路21と、カソードガス排出通路22と、フィルタ23と、カソードコンプレッサ24と、インタークーラ25と、水分回収装置(Water Recovery Device;以下「WRD」という。)26と、カソード調圧弁27と、バイパス通路28と、バイパス弁29と、第1エアフローセンサ41と、第2エアフローセンサ42と、カソード圧力センサ43と、温度センサ44と、を備える。
The cathode gas supply /
カソードガス供給通路21は、燃料電池スタック1に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路21は、一端がフィルタ23に接続され、他端が燃料電池スタック1のカソードガス入口孔に接続される。
The cathode
カソードガス排出通路22は、燃料電池スタック1から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路22は、一端が燃料電池スタック1のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、電極反応で使用されなかった酸素やカソードガス中に含まれる窒素、そして電極反応によって生じた水蒸気等の混合ガスである。
The cathode
フィルタ23は、カソードガス供給通路21に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
The
カソードコンプレッサ24は、カソードガス供給通路21に設けられる。カソードコンプレッサ24は、フィルタ23を介してカソードガスとしての空気をカソードガス供給通路21に取り込み、燃料電池スタック1に供給する。
The
インタークーラ25は、カソードコンプレッサ24よりも下流のカソードガス供給通路21に設けられる。インタークーラ25は、カソードコンプレッサ24から吐出されたカソードガスを冷却する。
The intercooler 25 is provided in the cathode
WRD26は、カソードガス供給通路21及びカソードガス排出通路22のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路22を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路21を流れるカソードガスを加湿する。
The WRD 26 is connected to each of the cathode
カソード調圧弁27は、WRD26よりも下流のカソードガス排出通路22に設けられる。カソード調圧弁27は、コントローラ4によって開閉制御されて、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
The cathode
バイパス通路28は、カソードコンプレッサ24から吐出されたカソードガスの一部を、必要に応じて燃料電池スタック1を経由させずに直接カソードガス排出通路22に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路28は、一端がカソードコンプレッサ24とインタークーラ25との間のカソードガス供給通路21に接続され、他端がカソード調圧弁27よりも下流のカソードガス排出通路22に接続される。
The
バイパス弁29は、バイパス通路28に設けられる。バイパス弁29は、コントローラ4によって開閉制御されて、バイパス通路28を流れるカソードガスの流量(以下「バイパス流量」という。)を調節する。
The
第1エアフローセンサ41は、カソードコンプレッサ24よりも上流のカソードガス供給通路21に設けられる。第1エアフローセンサ41は、カソードコンプレッサ24に供給されるカソードガスの流量(以下「コンプレッサ供給流量」という。)を検出する。以下では、この第1エアフローセンサ41の検出値を「検出コンプレッサ供給流量」という。
The first
第2エアフローセンサ42は、バイパス通路28との接続部より下流のカソードガス供給通路に設けられる。第2エアフローセンサ42は、カソードコンプレッサ24から吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの流量(以下「スタック供給流量」という。)を検出する。スタック供給流量は、コンプレッサ供給流量からバイパス流量を引いた流量である。以下では、この第2エアフローセンサ42の検出値を「検出スタック供給流量」という。
The second
カソード圧力センサ43は、WRD26のカソードガス入口側近傍のカソードガス供給通路21に設けられる。カソード圧力センサ43は、WRD26のカソードガス入口側近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ43の検出値を「検出カソード圧力」という。
The
温度センサ44は、インタークーラ25とWRD26との間のカソードガス供給通路21に設けられる。温度センサ44は、WRD26のカソードガス入口側の温度(以下「WRD入口温度」という。)を検出する。
The
アノードガス給排装置3は、燃料電池スタック1にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック1から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路22に排出する。アノードガス給排装置3は、高圧タンク31と、アノードガス供給通路32と、アノード調圧弁33と、アノードガス排出通路34と、パージ弁35と、アノード圧力センサ45と、を備える。
The anode gas supply /
高圧タンク31は、燃料電池スタック1に供給するアノードガス(水素)を高圧状態に保って貯蔵する。
The
アノードガス供給通路32は、高圧タンク31から排出されるアノードガスを燃料電池スタック1に供給するための通路である。アノードガス供給通路32は、一端が高圧タンク31に接続され、他端が燃料電池スタック1のアノードガス入口孔に接続される。
The anode
アノード調圧弁33は、アノードガス供給通路32に設けられる。アノード調圧弁33は、コントローラ4によって開閉制御されて、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
The anode
アノードガス排出通路34は、燃料電池スタック1から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路34は、一端が燃料電池スタック1のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路22に接続される。
The anode
アノードガス排出通路34を介してカソードガス排出通路22に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路22内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム100の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスが含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム100の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
The anode off gas discharged to the cathode
パージ弁35は、アノードガス排出通路34に設けられる。パージ弁35は、コントローラ4によって開閉制御され、アノードガス排出通路34からカソードガス排出通路22に排出するアノードオフガスの流量を調節する。
The
アノード圧力センサ45は、アノード調圧弁33よりも下流のアノードガス供給通路32に設けられ、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力(以下「アノード圧力」という。)を検出する。以下では、このアノード圧力センサ45の検出値を「検出アノード圧力」という。
The
コントローラ4は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。 The controller 4 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
コントローラ4には、前述した第1エアフローセンサ41等の他にも、燃料電池スタック1から取り出される電流(出力電流)を検出する電流センサ46や、燃料電池スタック1の出力電圧を検出する電圧センサ47、アクセルペダルの踏込み量(以下「アクセル操作量」という。)を検出するアクセルストロークセンサ48、バッテリ充電量を検出するSOCセンサ49などの各種センサからの信号が入力される。
In addition to the
コントローラ4は、これら各種センサからの信号に基づいて燃料電池システム100の運転状態を検出し、燃料電池スタック1に供給するアノードガス及びカソードガスの流量及び圧力を制御する。
The controller 4 detects the operating state of the
具体的には、燃料電池スタック1内のアノード側の圧力が、カソード側の圧力以上となるように、カソードコンプレッサ24やアノード調圧弁33等を制御している。そのため、膜間差圧が所定の許容膜間差圧を超えないように適切に管理しないと、膜電極接合体に想定外の応力が加わり、燃料電池スタック1を劣化させる要因となる。特に本実施形態では、燃料電池スタック1内のアノード側の排水性能等を確保するため、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を実施するので、昇圧時に膜間差圧が過大になりやすく、膜間差圧の適切な管理がより必要とされる。
Specifically, the
そのため、膜間差圧が所定の許容膜間差圧を超えた場合には、燃料電池スタック1内のアノード側の圧力の上限を制限するなどして膜間差圧を小さくする差圧過大防止制御を実施したい。 For this reason, when the transmembrane pressure difference exceeds a predetermined allowable transmembrane pressure difference, an excessive pressure difference is reduced by limiting the upper limit of the anode pressure in the fuel cell stack 1 to reduce the transmembrane pressure difference. I want to implement control.
ここで、燃料電池スタック1内のアノード側の圧力としては、燃料電池スタック1のアノードガス入口孔近傍のアノードガス供給通路に設けられたアノード圧力センサ45の検出値(検出アノード圧力)を用いることができる。
Here, the detected value (detected anode pressure) of the
一方で、カソード圧力センサ43を燃料電池スタック1のカソードガス入口孔近傍のカソードガス供給通路21に設けると、WRD26によって加湿されたカソードガス中の水分によってカソード圧力センサ43が凍結するおそれがある。そのため本実施形態では、カソード圧力センサ43をWRD26よりも上流のカソードガス供給通路21に設けている。したがって、燃料電池スタック1内のカソード側の圧力に関しては、WRD26の圧力損失を考慮して、カソード圧力センサ43の検出値(検出カソード圧力)に基づいて推定するのが望ましい。
On the other hand, when the
そして本実施形態では、検出アノード圧力と、この燃料電池スタック1内のカソード側の圧力推定値(以下「推定カソード圧力」という。)と、の差圧(以下「推定膜間差圧」という。)が所定の許容膜間差圧を超えたときに差圧過大防止制御を実施することを考えている。 In this embodiment, the pressure difference (hereinafter referred to as “estimated transmembrane pressure”) between the detected anode pressure and the estimated pressure value on the cathode side in the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “estimated cathode pressure”). ) Is considered to carry out the control for preventing the excessive pressure difference when the pressure exceeds a predetermined allowable transmembrane pressure difference.
ここで、カソードコンプレッサ24自体の部品保護のほか、システム全体の耐圧・耐熱保護等の観点から、コンプレッサ供給流量はカソードコンプレッサ24の最大定格流量よりも低い値に設定される。そのため、推定カソード圧力を算出するにあたって、例えばWRD26の圧力損失を、WRD26にカソードコンプレッサ24の最大定格流量を流したときの圧力損失値に設定しておけば、推定カソード圧力は必ず燃料電池スタック1内のカソード側の実際の圧力(以下「スタック内カソード圧力」という。)よりも低くなる。そのため、推定膜間差圧が実際の膜間差圧よりも大きくなることはない。したがって、推定膜間差圧が許容膜間差圧を超えたときに、膜間差圧がそれ以大きくならないようにすれば、実際の膜間差圧が許容膜間差圧を超えることはない。よって、膜間差圧が過大となるのを抑制するという観点からは、WRD26の圧力損失をカソードコンプレッサ24の最大定格流量に設定して推定カソード圧力を算出することが最も安全と言える。
Here, in addition to protecting the components of the
しかしながら、WRD26の圧力損失を、WRD26にカソードコンプレッサ24の最大定格流量を流したときの圧力損失値に設定して推定カソード圧力を算出すると、基本的に推定膜間差圧は実際の膜間差圧以上となる。そのため、特にWRD26の圧力損失が小さくなる低負荷域では、推定膜間差圧と実際の膜間差圧との誤差が大きくなって、不要に差圧過大防止制御が実施されるおそれがある。差圧過大防止制御が実施されて、例えばアノード側の圧力の上限が制限されると、排水性能の低下、ひいては出力の低下につながる。
However, when the estimated cathode pressure is calculated by setting the pressure loss of the
したがって、WRD26の圧力損失としては、燃料電池システム100の運転中に実際に取り得る範囲内の所定圧力損失値に設定したいが、そうすると、高負荷域でコンプレッサ供給流量が増加してWRD26の圧力損失が大きくなったときに、実際の圧力損失が設定した所定圧力損失値よりも大きくなるおそれがある。その結果、推定カソード圧力がスタック内カソード圧力よりも高くなってしまい、推定膜間差圧が実際の膜間差圧よりも小さくなるおそれがある。そうすると、実際の膜間差圧が許容膜間差圧を超えているにもかかわらず、差圧過大防止制御が実施されない場合があり、燃料電池スタック1を劣化させるおそれがある。
Therefore, the pressure loss of the
そこで本実施形態では、WRD26の圧力損失が予め設定した所定圧力損失値となるコンプレッサ供給流量を上限流量として設定し、この上限流量を超えることがないようにカソードコンプレッサ24を制御することとした。
Therefore, in this embodiment, the compressor supply flow rate at which the pressure loss of the
以下、この本実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御について説明する。 Hereinafter, the anode gas supply control and the cathode gas supply control according to this embodiment will be described.
図2は、アノードガス供給制御について説明するフローチャートである。コントローラ4は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。 FIG. 2 is a flowchart for explaining anode gas supply control. The controller 4 repeatedly executes this routine at a predetermined calculation cycle.
ステップS1において、コントローラ4は、燃料電池システム100の運転状態に基づいて、燃料電池スタック1の目標出力電流を算出する。具体的には、車両の駆動力を発生する駆動モータ(図示せず)及びカソードコンプレッサ24等の補機の要求電力や、バッテリの充放電要求に基づいて、燃料電池スタック1の目標出力電力を算出し、目標出力電力に基づいて、燃料電池スタック1のIV特性から目標出力電流を算出する。
In step S <b> 1, the controller 4 calculates the target output current of the fuel cell stack 1 based on the operating state of the
ステップS2において、コントローラ4は、図3のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて、脈動運転を実施する際のアノード圧力の脈動幅を算出する。図3のテーブルに示すように、脈動幅は、目標出力電流が低いときと比べて高いときのほうが大きくなる。これは、目標出力電流が高くなるほどカソード側からアノード側に透過してくる水分量が多くなるので、アノード圧力を高めて排水性能を確保する必要があるためである。 In Step S2, the controller 4 refers to the table of FIG. 3 and calculates the pulsation width of the anode pressure when performing the pulsation operation based on the target output current. As shown in the table of FIG. 3, the pulsation width is greater when the target output current is higher than when the target output current is low. This is because, as the target output current increases, the amount of water that permeates from the cathode side to the anode side increases, so it is necessary to increase the anode pressure to ensure drainage performance.
ステップS3において、コントローラ4は、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を設定する。具体的には、検出カソード圧力を脈動時下限目標圧力として設定し、脈動時下限目標圧力に脈動幅を加えた圧力を脈動時上限目標圧力として設定する。 In step S3, the controller 4 sets a pulsation upper limit target pressure and a pulsation lower limit target pressure. Specifically, the detected cathode pressure is set as the pulsation lower limit target pressure, and the pressure obtained by adding the pulsation width to the pulsation lower limit target pressure is set as the pulsation upper limit target pressure.
このように、本実施形態では燃料電池スタック1内のアノード側の圧力が、常にカソード側の圧力以上となるようにしている。これは、例えば脈動時下限目標圧力を検出アノード圧力よりも低い値に設定してしまうと、脈動時上限目標圧力が検出アノード圧力よりも高くなることがある。そのため、脈動運転を実施することによって、燃料電池スタック1内においてアノード側の圧力がカソード側の圧力よりも高くなる状態と低くなる状態とが周期的に訪れることになる。そうすると、アノード側とカソード側との圧力差によって膜電極接合体が周期的に波打つ等して膜電極接合体を劣化させるおそれがあるためである。 Thus, in this embodiment, the pressure on the anode side in the fuel cell stack 1 is always equal to or higher than the pressure on the cathode side. For example, if the pulsation lower limit target pressure is set to a value lower than the detected anode pressure, the pulsation upper limit target pressure may become higher than the detected anode pressure. Therefore, by performing the pulsation operation, a state in which the pressure on the anode side becomes higher than a pressure on the cathode side in the fuel cell stack 1 periodically appears. This is because the membrane / electrode assembly may be deteriorated due to the cyclic undulation of the membrane / electrode assembly due to a pressure difference between the anode side and the cathode side.
ステップS4において、コントローラ4は、推定カソード圧力を算出する。具体的には、コントローラ4は、検出カソード圧力から予め定めた所定圧力損失値を引いたものを推定カソード圧力として算出する。この所定圧力損失値は、燃料電池システム100の運転中に実際に取り得る範囲内の値に設定される。所定圧力損失値は、膜間差圧が許容膜間差圧を超えないようにするという安全の観点からは大きくしたほうが良いが、不要に差圧過大防止制御が実施されないようにするという出力低下防止の観点からは小さくしたほうが良い。そのため、これらのバランスを考えて適宜設定すれば良い。本実施形態では、燃料電池システム100の運転中に実際に取り得る範囲内の最大値(<最大定格流量時の圧力損失)に設定される。
In step S4, the controller 4 calculates an estimated cathode pressure. Specifically, the controller 4 calculates the estimated cathode pressure by subtracting a predetermined pressure loss value determined in advance from the detected cathode pressure. This predetermined pressure loss value is set to a value within a range that can actually be taken during operation of the
ステップS5において、コントローラ4は、推定膜間差圧を算出する。具体的には、コントローラ4は、検出アノード圧力から推定カソード圧力を引いたものを推定膜間差圧として算出する。 In step S5, the controller 4 calculates an estimated transmembrane pressure difference. Specifically, the controller 4 calculates the estimated transmembrane pressure difference obtained by subtracting the estimated cathode pressure from the detected anode pressure.
ステップS6において、コントローラ4は、推定膜間差圧が許容膜間差圧よりも大きいか否かを判定する。コントローラ4は、推定膜間差圧が許容膜間差圧以下であれば、ステップS8の処理を行い、そうでなければステップS7の処理を行う。 In step S6, the controller 4 determines whether or not the estimated transmembrane pressure is greater than the allowable transmembrane pressure. If the estimated transmembrane pressure is less than or equal to the allowable transmembrane pressure, the controller 4 performs the process of step S8, and otherwise performs the process of step S7.
ステップS7において、コントローラ4は、推定膜間差圧を許容膜間差圧以下にするための差圧過大防止制御を実施し、ステップS3で設定した脈動時上限目標圧力を低くする補正を施す。具体的には、ステップS3で設定した脈動時上限目標圧力から、推定膜間差圧と許容膜間差圧との差分を引いたものを、脈動時上限目標圧力として再設定する。なお、差圧過大防止制御の具体的な方法としてはこれに限らず、推定膜間差圧を許容膜間差圧以下となるようにカソード圧力を高くしても良いし、アノード圧力及びカソード圧力のそれぞれを制御しても良い。 In step S7, the controller 4 performs an excessive differential pressure prevention control for making the estimated transmembrane pressure equal to or lower than the allowable transmembrane pressure, and corrects to lower the pulsation upper limit target pressure set in step S3. Specifically, a value obtained by subtracting the difference between the estimated transmembrane pressure difference and the allowable transmembrane pressure difference from the pulsation upper limit target pressure set in step S3 is reset as the pulsation upper limit target pressure. In addition, the specific method of the excessive pressure difference prevention control is not limited to this, and the cathode pressure may be increased so that the estimated transmembrane pressure is equal to or lower than the allowable transmembrane pressure, or the anode pressure and the cathode pressure. Each of these may be controlled.
ステップS8において、コントローラ4は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも高いか否かを判定する。コントローラ4は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップS9の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時上限目標圧力未満であれば、ステップS10の処理を行う。 In step S8, the controller 4 determines whether or not the anode pressure is higher than the pulsation upper limit target pressure. If the anode pressure is equal to or higher than the pulsation upper limit target pressure, the controller 4 performs the process of step S9 to reduce the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is less than the pulsation upper limit target pressure, the process of step S10 is performed.
ステップS9において、コントローラ4は、目標アノード圧力を脈動時下限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時下限目標圧力となるように、アノード調圧弁33の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁33の開度は全閉となり、高圧タンク31から燃料電池スタック1へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック1内でのアノードガスの消費によって、アノード圧力が低下していく。
In step S9, the controller 4 sets the target anode pressure to the pulsation lower limit target pressure. Thereby, the opening degree of the anode
ステップS10において、コントローラ4は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下か否かを判定する。コントローラ4は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップS11の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時下限目標圧力よりも高ければ、ステップS12の処理を行う。 In Step S10, the controller 4 determines whether or not the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit target pressure. If the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit target pressure, the controller 4 performs the process of step S11 to increase the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is higher than the pulsation lower limit target pressure, the process of step S12 is performed.
ステップS11において、コントローラ4は、目標アノード圧力を脈動時上限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時上限目標圧力となるように、アノード調圧弁33の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁33が所望の開度まで開かれて、高圧タンク31から燃料電池スタック1へアノードガスが供給され、アノード圧力が上昇する。
In step S11, the controller 4 sets the target anode pressure to the pulsation upper limit target pressure. Thereby, the opening degree of the anode
ステップS12において、コントローラ4は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。 In step S12, the controller 4 sets the target anode pressure to the same target anode pressure as the previous time.
図4は、本実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram illustrating the cathode gas supply control according to this embodiment.
酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部101には、目標出力電流が入力される。酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部101は、目標出力電流に基づいて、酸素分圧確保要求スタック供給流量を算出する。この酸素分圧確保要求スタック供給流量は、燃料電池スタック1から目標出力電流を取り出したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量の目標値である。酸素分圧確保要求スタック供給流量は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが多くなる。
The target output current is input to the oxygen partial pressure securing request stack supply flow
湿潤度制御要求スタック供給流量算出部102には、例えば交流インピーダンス法によって算出された燃料電池スタック1のインピーダンスと、燃料電池スタック1の目標出力電流に応じて予め定められた目標インピーダンスと、が入力される。湿潤度制御要求スタック供給流量算出部102は、インピーダンスと目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを目標インピーダンスにするためのスタック供給流量の目標値を、湿潤度制御要求スタック供給流量として算出する。この湿潤度制御要求スタック供給流量は、換言すれば、電解質膜の湿潤度(含水率)を、燃料電池スタック1の目標出力電流に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なスタック供給流量である。
The wetness control request stack supply flow
最大値選択部103には、酸素分圧確保要求スタック供給流量と、湿潤度制御要求スタック供給流量と、が入力される。最大値選択部103は、これらの2つのうち、大きい方を選択して出力する。
The maximum
目標スタック供給流量算出部104には、最大値選択部103の出力値と、上限流量と、が入力される。目標スタック供給流量算出部104は、これら2つの入力値のうち、小さい方を目標スタック供給流量として算出する。なお、上限流量は、カソードガスの温度等の環境条件が最悪の条件でも、WRD26の圧力損失が予め設定した所定圧力損失値となる流量である。したがって、WRD26に供給するカソードガスの流量、つまりスタック供給流量が上限流量以下であれば、WRD26の圧力損失は必ず所定圧力損失値以下となる。
The target stack supply flow
このように、最大値選択部103の出力値及び上限流量のうち、小さい方を目標スタック供給流量として算出することで、目標スタック供給流量が上限流量よりも大きくなることがないので、WRD26の圧力損失を所定圧力損失以下に抑えることができる。したがって、推定膜間差圧が実際の膜間差圧よりも小さくなるのを抑制できる。
Thus, by calculating the smaller of the output value and the upper limit flow rate of the maximum
スタック要求コンプレッサ供給流量算出部105には、検出スタック供給流量及び目標スタック供給流量が入力される。スタック要求コンプレッサ供給流量算出部105は、検出スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、検出スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのコンプレッサ供給流量の目標値を、スタック要求コンプレッサ供給流量として算出する。なお、スタック要求コンプレッサ供給流量は、目標スタック供給流量算出部104において最大値選択部103の出力値が目標スタック供給流量として算出されているときは、酸素分圧確保要求や湿潤度制御要求などの燃料電池スタック1の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量となる。また、目標スタック供給流量算出部104において上限流量が目標スタック供給流量として算出されているときは、WRD26の圧力損失を所定圧力損失値以下にするために必要なコンプレッサ供給流量の上限値となる。
The detected stack supply flow rate and the target stack supply flow rate are input to the stack required compressor supply flow
目標コンプレッサ供給流量算出部106には、スタック要求コンプレッサ供給流量と、燃料電池スタック1の目標出力電流に応じて定められる希釈要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量は、これら2つの入力値のうち、大きい方を目標コンプレッサ供給流量として算出する。なお、希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池システム100の外部に排出される排出ガスの水素濃度を、所定濃度以下にするために必要なコンプレッサ供給流量である。本実施形態では、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが希釈要求コンプレッサ供給流量を多くしているが、目標出力電流にかかわらず一定値としても構わない。
The target compressor supply flow rate calculation unit 106 receives the stack request compressor supply flow rate and the dilution request compressor supply flow rate determined according to the target output current of the fuel cell stack 1. For the target compressor supply flow rate, the larger one of these two input values is calculated as the target compressor supply flow rate. The dilution demand compressor supply flow rate is a compressor supply flow rate necessary for setting the hydrogen concentration of the exhaust gas discharged outside the
カソードコンプレッサ制御部107には、コンプレッサ供給流量と、目標コンプレッサ供給流量と、が入力される。カソードコンプレッサ制御部107は、コンプレッサ供給流量と目標コンプレッサ供給流量との偏差に基づいてカソードコンプレッサ24に対するトルク指令値を算出し、このトルク指令値に応じてカソードコンプレッサ24を制御する。
The cathode
目標バイパス弁開度算出部108には、スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、が入力される。目標バイパス弁開度算出部108は、スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのバイパス弁29の開度を、目標バイパス弁開度として算出する。
The target bypass valve opening
なお、目標バイパス弁開度は、目標コンプレッサ供給流量算出部106において、スタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として算出されているときは、ゼロとなる。一方で、目標コンプレッサ供給流量算出部106において、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として算出されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量よりも多いカソードガスをカソードコンプレッサ24によって供給する必要があるので、燃料電池スタック1にとって不要な流量分(=希釈要求コンプレッサ供給流量−スタック要求コンプレッサ供給流量)をバイパス通路28に流す必要がある。そのため、目標バイパス弁開度はゼロよりも大きい値となる。
Note that the target bypass valve opening is zero when the target compressor supply flow rate calculation unit 106 calculates the stack required compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate. On the other hand, when the target compressor supply flow rate calculation unit 106 calculates the dilution request compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate, it is necessary to supply a cathode gas larger than the stack request compressor supply flow rate by the
バイパス弁制御部109には、目標バイパス開度が入力される。バイパス弁制御部109は、バイパス弁29の開度を目標バイパス弁開度に制御する。
A target bypass opening is input to the bypass
以上説明した本実施形態によれば、WRD26の圧力損失を、燃料電池システム100の運転中に実際に取り得る範囲内の所定圧力損失値に設定し、検出カソード圧力に基づいて燃料電池スタック1内のカソード側の圧力推定値(推定カソード圧力)を算出する。そして、検出アノード圧力と推定カソード圧力との差圧が所定の許容膜間差圧を超えたときに、その差圧が許容膜間差圧よりも大きくならないように差圧過大防止制御を実施する。
According to the present embodiment described above, the pressure loss of the
一方で、燃料電池スタック1の要求に応じて設定されたコンプレッサ供給流量と、WRD26の圧力損失が所定圧力損失値以下となるコンプレッサ供給流量の上限流量と、の小さいほうに基づいて、カソードコンプレッサ24を制御する。換言すれば、目標スタック供給流量算出部104において最大値選択部103の出力値が目標スタック供給流量として算出されたときのスタック要求コンプレッサ供給流量と、目標スタック供給流量算出部104において上限流量が目標スタック供給流量として算出されたときのスタック要求コンプレッサ供給流量と、の小さいほうに基づいて、カソードコンプレッサ24を制御する。
On the other hand, based on the smaller one of the compressor supply flow rate set according to the request of the fuel cell stack 1 and the upper limit flow rate of the compressor supply flow rate at which the pressure loss of the
このように、WRD26の圧力損失が所定圧力損失値以下となるコンプレッサ供給流量を上限流量として設定し、この上限流量を超えることがないようにカソードコンプレッサ24を制御することにした。そのため、WRD26の圧力損失が所定圧力損失値よりも大きくなるのを抑制でき、実際の圧力損失が設定した所定圧力損失値よりも大きくなるのを抑制できる。
As described above, the compressor supply flow rate at which the pressure loss of the
したがって、推定カソード圧力が、スタック内カソード圧力よりも高くなってしまうのを抑制できるので、検出アノード圧力と推定カソード圧力との差圧が実際の膜間差圧よりも小さくなってしまうのを抑制できる。よって、検出アノード圧力と推定カソード圧力との差圧が所定の許容膜間差圧を超えたときに、その差圧がそれ以上大きくならないように制限することで、実際の膜間差圧が許容膜間差圧を越えてしまうのを抑制できる。 Therefore, since the estimated cathode pressure can be prevented from becoming higher than the cathode pressure in the stack, the differential pressure between the detected anode pressure and the estimated cathode pressure is prevented from becoming smaller than the actual transmembrane pressure difference. it can. Therefore, when the differential pressure between the detected anode pressure and the estimated cathode pressure exceeds the predetermined allowable transmembrane pressure, the actual transmembrane pressure is allowed by limiting so that the differential pressure does not increase any more. Exceeding the transmembrane pressure difference can be suppressed.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本発明の第2実施形態は、バイパス弁全閉時に、第2エアフローセンサ42の検出値が第1エアフローセンサ41の検出値よりも大きくなっている場合は、上限流量を小さくする補正をする点で第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment of the present invention, when the detected value of the second
図5は、本実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。 FIG. 5 is a block diagram illustrating the cathode gas supply control according to this embodiment.
図5に示すように、本実施形態によるカソードガス供給制御は、上限流量算出部110を備える。上限流量算出部110の詳細については、図6のフローチャートを参照して説明する。
As shown in FIG. 5, the cathode gas supply control according to the present embodiment includes an upper limit flow
本実施形態のように、カソードコンプレッサ24から吐出されるカソードガスの一部を、燃料電池スタック1をバイパスさせて排出することが可能な燃料電池システム100は、コンプレッサ供給流量を検出する第1エアフローセンサ41と、スタック供給流量を検出する第2エアフローセンサ42と、の2つのエアフローセンサを備えている。
As in the present embodiment, the
そして、図5に示すように、カソードコンプレッサ24については、そのうちの一方の第1エアフローセンサ41の検出値(検出コンプレッサ供給流量)と目標コンプレッサ供給流量とに基づいて制御している。
As shown in FIG. 5, the
ここで、バイパス弁全閉時は、第1エアフローセンサ41及び第2エアフローセンサ42の検出値、つまり検出コンプレッサ供給流量と検出スタック供給流量とは同一となるはずであるが、例えばセンサの故障等によって検出コンプレッサ供給流量と検出スタック供給流量とにズレが生じる場合がある。
Here, when the bypass valve is fully closed, the detection values of the first
バイパス弁全閉時においてこのようなズレが生じ、検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量よりも大きくなってしまうと、目標スタック供給流量として上限流量が選択されたときに、以下のような問題点が生じる。 When such a deviation occurs when the bypass valve is fully closed and the detected stack supply flow rate becomes larger than the detected compressor supply flow rate, the following problems will occur when the upper limit flow rate is selected as the target stack supply flow rate: Occurs.
目標スタック供給流量として上限流量が選択された場合に、検出スタック供給流量が上限流量に一致したときは、バイパス弁全閉時であれば目標コンプレッサ供給流量も上限流量となる。このとき、検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量よりも大きくなっていると、検出コンプレッサ供給流量は上限流量よりも低い値となっている。 When the upper limit flow rate is selected as the target stack supply flow rate and the detected stack supply flow rate matches the upper limit flow rate, the target compressor supply flow rate also becomes the upper limit flow rate when the bypass valve is fully closed. At this time, if the detected stack supply flow rate is larger than the detected compressor supply flow rate, the detected compressor supply flow rate is lower than the upper limit flow rate.
そうすると、本実施形態ではカソードコンプレッサ24を検出コンプレッサ供給流量と目標コンプレッサ供給流量とに基づいて制御しているため、コンプレッサ供給流量を増量させてしまう。その結果、スタック供給流量が上限流量よりも多くなって、WRD26の圧力損失が所定圧力損失値よりも大きくなるおそれがある。
Then, in this embodiment, since the
そこで本実施形態では、バイパス弁全閉時に検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量よりも大きくなっているときは、上限流量が小さくなるように補正する。 Therefore, in this embodiment, when the detected stack supply flow rate is larger than the detected compressor supply flow rate when the bypass valve is fully closed, the upper limit flow rate is corrected to be small.
これにより、検出スタック供給流量が、補正した上限流量となるように目標コンプレッサ供給流量が算出されるので、目標コンプレッサ供給流量を下げることができる。そのため、検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量よりも大きくなっていたとしても、その低下させた目標コンプレッサ供給流量と検出コンプレッサ供給流量とに基づいてカソードコンプレッサ24を制御することができるので、コンプレッサ供給流量の増量を抑えることができる。以下、図6を参照してこの上限流量の補正方法を説明する。
Accordingly, the target compressor supply flow rate is calculated so that the detected stack supply flow rate becomes the corrected upper limit flow rate, and thus the target compressor supply flow rate can be lowered. Therefore, even if the detected stack supply flow rate is larger than the detected compressor supply flow rate, the
図6は、上限流量算出部110の詳細について説明するフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart illustrating the details of the upper limit flow
ステップS21において、コントローラ4は、バイパス弁29が全閉か否かを判定する。コントローラ4は、バイパス弁29が全閉であればステップS22の処理を行い、バイパス弁が開かれていればステップS23の処理を行う。
In step S21, the controller 4 determines whether or not the
ステップS22において、コントローラ4は、第2エアフローセンサ42の検出値(検出スタック供給流量)が、第1エアフローセンサ41の検出値(検出コンプレッサ供給流量)よりも大きいか否かを判定する。コントローラ4は、検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量よりも大きければステップS24の処理を行う。一方でコントローラ4は、検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量以下であればステップS23の処理を行う。
In step S <b> 22, the controller 4 determines whether or not the detected value (detected stack supply flow rate) of the second
ステップS23において、コントローラ4は、第1実施形態と同様に、WRD26の圧力損失が所定圧力損失値となるコンプレッサ供給流量を上限流量として設定する。以下では区別のために、この上限流量を「通常上限流量」という。
In step S23, similarly to the first embodiment, the controller 4 sets the compressor supply flow rate at which the pressure loss of the
ステップS24において、コントローラ4は、通常上限流量から検出スタック供給流量と検出コンプレッサ供給流量との差分を引いた流量を上限流量として設定する。以下では、この上限流量を「補正上限流量」という。 In step S24, the controller 4 sets a flow rate obtained by subtracting the difference between the detected stack supply flow rate and the detected compressor supply flow rate from the normal upper limit flow rate as the upper limit flow rate. Hereinafter, this upper limit flow rate is referred to as “correction upper limit flow rate”.
以上説明した本実施形態によれば、バイパス弁全閉時の第2エアフローセンサ42の検出値(検出スタック供給流量)が、第1エアフローセンサ41の検出値(検出コンプレッサ供給流量)よりも大きくなっている場合は、コンプレッサ供給流量を上限流量に制限するときに、予め設定された上限流量(通常上限流量)から検出スタック供給流量と検出コンプレッサ供給流量との差分を引いた補正上限流量と、第1エアフローセンサ41の検出値と、に基づいてカソードコンプレッサ24を制御することとした。
According to the present embodiment described above, the detected value (detected stack supply flow rate) of the second
つまり、検出スタック供給流量が補正上限流量となるように目標コンプレッサ供給流量を設定し、この目標コンプレッサ供給流量と検出コンプレッサ供給流量とに基づいて、カソードコンプレッサ24を制御することとした。
That is, the target compressor supply flow rate is set so that the detected stack supply flow rate becomes the correction upper limit flow rate, and the
これにより、コンプレッサ供給流量を検出する第1エアフローセンサ41と、スタック供給流量を検出する第2エアフローセンサ42と、の2つのエアフローセンサを備え、カソードコンプレッサ24を検出コンプレッサ供給流量と目標コンプレッサ供給流量とに基づいて制御する燃料電池システム100において、検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量よりも大きくなっていたとしても、スタック供給流量が通常上限流量よりも多くなるのを抑制でき、WRD26の圧力損失が所定圧力損失値よりも大きくなるのを抑制できる。
Thus, the first
なお、カソードコンプレッサ24を制御するにあたって、検出スタック供給流量が検出コンプレッサ供給流量よりも大きくなっていた場合に、制御に使用するセンサを第1エアフローセンサ41から第2エアフローセンサ42に切り替える等の措置も可能であるが、制御の信頼性の観点からはできるだけこのような使用するセンサを切り替えるといった措置を取りたくない。したがって、本実施形態によれば、このような措置を取ることなく、スタック供給流量が通常上限流量よりも多くなるのを抑制できるので、制御の信頼性も確保できる。
In controlling the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
例えば、上記第1実施形態では、目標スタック供給流量算出部104において、最大値選択部103の出力値と、上限流量とのうち、小さい方を選択して目標スタック供給流量としていた。しかしながら、このような方法に限らず、最大値選択部103の出力値と上限流量との大小を比較して、最大値選択部103の出力値が上限流量よりも大きいときは、最大値選択部103の出力値が上限流量となるような補正を施す形にしても良い。
For example, in the first embodiment, the target stack supply flow
1 燃料電池スタック(燃料電池)
4 コントローラ(圧力推定値算出手段、差圧過大防止手段、供給流量設定手段、上限流量設定手段、コンプレッサ制御手段)
24 カソードコンプレッサ(コンプレッサ)
26 加湿器(WRD)
29 バイパス弁
41 第1エアフローセンサ(第1流量センサ)
42 第2エアフローセンサ(第2流量センサ)
43 カソード圧力センサ(圧力検出手段)
100 燃料電池システム
1 Fuel cell stack (fuel cell)
4 Controller (pressure estimation value calculation means, differential pressure excess prevention means, supply flow rate setting means, upper limit flow rate setting means, compressor control means)
24 Cathode compressor (compressor)
26 Humidifier (WRD)
29
42 Second air flow sensor (second flow sensor)
43 Cathode pressure sensor (pressure detection means)
100 Fuel cell system
Claims (3)
前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、
前記コンプレッサから吐出されたカソードガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器より上流に設けられ、前記コンプレッサから吐出されたカソードガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記加湿器の圧力損失を所定値として、前記圧力検出手段の検出値と前記所定値とに基づいて前記燃料電池内のカソード側の圧力推定値を算出する圧力推定値算出手段と、
前記燃料電池内のアノード側の圧力検出値と、前記圧力推定値と、の差圧が所定の許容膜間差圧を超えたときに、その差圧を小さくする差圧過大防止手段と、
前記燃料電池の要求に応じて、前記コンプレッサの供給流量を設定する供給流量設定手段と、
前記加湿器の圧力損失が前記所定値となる前記コンプレッサの供給流量を上限流量として設定する上限流量設定手段と、
前記供給流量設定手段によって設定された前記コンプレッサの供給流量と、前記上限流量設定手段によって設定された前記上限流量と、の小さいほうに基づいて、前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system for generating electricity by supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell,
A compressor for adjusting the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell;
A humidifier for humidifying the cathode gas discharged from the compressor;
A pressure detecting means provided upstream of the humidifier and detecting the pressure of the cathode gas discharged from the compressor;
Pressure estimation value calculating means for calculating a pressure estimated value on the cathode side in the fuel cell based on the detected value of the pressure detecting means and the predetermined value, with the pressure loss of the humidifier as a predetermined value;
When the differential pressure between the detected pressure value on the anode side in the fuel cell and the estimated pressure value exceeds a predetermined allowable transmembrane differential pressure, a differential pressure excessive prevention means for reducing the differential pressure;
Supply flow rate setting means for setting the supply flow rate of the compressor according to the demand of the fuel cell;
Upper limit flow rate setting means for setting the supply flow rate of the compressor at which the pressure loss of the humidifier becomes the predetermined value as an upper limit flow rate;
Compressor control means for controlling the compressor based on the smaller one of the supply flow rate of the compressor set by the supply flow rate setting means and the upper limit flow rate set by the upper limit flow rate setting means;
A fuel cell system comprising:
前記バイパス通路よりも上流の前記カソードガス供給通路に設けられ、前記コンプレッサが供給するカソードガスの流量を検出する第1流量センサと、
前記バイパス通路と分岐した後の前記カソードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を検出する第2流量センサと、
前記バイパス通路に設けられて前記バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調節するバイパス弁と、
を備え、
前記コンプレッサ制御手段は、
前記バイパス弁全閉時の前記第2流量センサの検出値が前記第1流量センサの検出値よりも大きくなっている場合は、前記コンプレッサの流量を前記上限流量に制御するときに、前記上限流量を小さくする補正をした上で、その補正上限流量と前記第1流量センサの検出値とに基づいて前記コンプレッサを制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A cathode gas bypass type cathode gas supply system for discharging a part of the cathode gas discharged from the compressor provided in the cathode gas supply passage by bypassing the fuel cell through the bypass passage;
A first flow rate sensor that is provided in the cathode gas supply passage upstream of the bypass passage and detects the flow rate of the cathode gas supplied by the compressor;
A second flow sensor provided in the cathode gas supply passage after branching from the bypass passage and detecting the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell;
A bypass valve provided in the bypass passage for adjusting a flow rate of the cathode gas flowing through the bypass passage;
With
The compressor control means includes
When the detected value of the second flow rate sensor when the bypass valve is fully closed is larger than the detected value of the first flow rate sensor, the upper limit flow rate is controlled when the compressor flow rate is controlled to the upper limit flow rate. The compressor is controlled based on the correction upper limit flow rate and the detection value of the first flow rate sensor.
The fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The corrected upper limit flow rate is a flow rate obtained by subtracting the difference between the detection value of the second flow rate sensor and the detection value of the first flow rate sensor from the upper limit flow rate.
The fuel cell system according to claim 2.
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