JP7056171B2 - 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ものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、燃料電池システムにおいて、アノードとカソードとを備える単セルを含む燃料電池と、アノードに水素ガスを供給する水素供給装置と、燃料電池の発電に使用されずにアノードから排出される水素を含むアノード排ガスを再びアノードに供給してアノード排ガスを循環させる循環ポンプとを備える（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, in a fuel cell system, a fuel cell including a single cell having an anode and a cathode, a hydrogen supply device for supplying hydrogen gas to the anode, and hydrogen discharged from the anode without being used for power generation of the fuel cell are included. A circulation pump for supplying the anode exhaust gas to the anode again and circulating the anode exhaust gas is provided (see, for example, Patent Document 1).
制御部は、所定の電流値において、循環ポンプを駆動させるために必要な電力に相当する水素量と、燃料電池のアノード側からカソード側へ通過する水素量との合計である総合水素損失量が最小となる循環ポンプの最適回転数に回転数が近づくように循環ポンプを駆動させる。 In the control unit, the total hydrogen loss amount, which is the total of the amount of hydrogen corresponding to the electric power required to drive the circulation pump and the amount of hydrogen passing from the anode side to the cathode side of the fuel cell at a predetermined current value, is calculated. Drive the circulation pump so that the rotation speed approaches the optimum rotation speed of the minimum circulation pump.
このことにより、燃費の悪化を避けるため、アノード内の水素分圧を上げる代わりに、循環ポンプを駆動してストイキ比を確保しつつ、アノードからカソードへ水素ガスが通過するクロスリークを抑制する。 As a result, in order to avoid deterioration of fuel efficiency, instead of increasing the partial pressure of hydrogen in the anode, the circulation pump is driven to secure the stoichiometric ratio and suppress the cross leak in which hydrogen gas passes from the anode to the cathode.
しかし、上記燃料電池システムでは、燃料電池の発電による生成水や窒素を排気弁から排出する際、大気が排気弁を通してアノード側に逆流しないように水素供給装置からアノードに水素を供給することによりアノード内のガス圧力を大気圧以上にする必要がある。この結果、アノード内の水素濃度が上昇する。 However, in the above fuel cell system, when the water or nitrogen generated by the power generation of the fuel cell is discharged from the anode valve, the anode is supplied with hydrogen from the hydrogen supply device to the anode so that the atmosphere does not flow back to the anode side through the exhaust valve. It is necessary to raise the gas pressure inside to above the atmospheric pressure. As a result, the hydrogen concentration in the anode increases.
また、高い発電量が要求される高負荷時は、アノードへの水素供給量が増大してアノード内のガス圧力が上がるため、その後発電要求が無くなった後もアノード内の水素濃度が高い状態が続く場合がある。 In addition, during a high load that requires a high amount of power generation, the amount of hydrogen supplied to the anode increases and the gas pressure inside the anode rises, so even after the demand for power generation disappears, the hydrogen concentration in the anode remains high. It may continue.
このように非発電状態で水素濃度が高くなると、アノード内の水素分圧も下げられず、水素ガスのクロスリークを抑制できない。 When the hydrogen concentration becomes high in the non-power generation state as described above, the partial pressure of hydrogen in the anode cannot be lowered, and the cross leak of hydrogen gas cannot be suppressed.
本発明は上記点に鑑みて、水素ガスのクロスリークを抑制するようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of suppressing a cross leak of hydrogen gas.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料極（１２）と酸素極（１１）とを備える単セル（１０ａ）を有する燃料電池（１０）と、
燃料極に水素ガスを供給する水素供給部（８０）と、
燃料電池の発電に使用されずに燃料極から排出される水素ガスを含む排ガスを水素供給部からの水素ガスに混合して燃料極に供給して排ガスを循環させる循環ポンプ（８２）と、
酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部（８４）と、
水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力を電気負荷（２０）に出力する第１電力出力部（３０）と、
水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力をバッテリ（５０）に充電させる第２電力出力部（４０）と、
燃料電池による発電が要求される場合には、燃料電池によって発電させ、この発電された電力を電気負荷に出力させるように第１電力出力部を制御する第１発電制御部（Ｓ１４０）と、
燃料極内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部（９１）と、
水素分圧検出部の検出値が閾値（Ｐｔｈ）よりも高いか否かを判定する第１水素分圧判定部（Ｓ１２０）と、
燃料電池による発電が要求されない場合には、水素分圧検出部の検出値が閾値よりも高いと第１水素分圧判定部が判定したとき、燃料電池によって発電させ、この発電された電力をバッテリに充電させるように第２電力出力部を制御する第２発電制御部（Ｓ１３０）と、を備える。
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, a fuel cell (10) having a single cell (10a) including a fuel electrode (12) and an oxygen electrode (11), and a fuel cell (10).
A hydrogen supply unit (80) that supplies hydrogen gas to the fuel electrode,
A circulation pump (82) that mixes exhaust gas containing hydrogen gas discharged from the fuel electrode without being used for power generation of the fuel cell with hydrogen gas from the hydrogen supply unit and supplies it to the fuel electrode to circulate the exhaust gas.
An oxidant supply unit (84) that supplies an oxidant to the oxygen electrode,
The first electric power output unit (30) that outputs the electric power generated by the fuel cell using hydrogen gas and the oxidant to the electric load (20), and
A second power output unit (40) that charges the battery (50) with the power generated by the fuel cell using hydrogen gas and an oxidant.
When power generation by a fuel cell is required, a first power generation control unit (S140) that controls the first power output unit so as to generate power by the fuel cell and output the generated power to an electric load.
A hydrogen partial pressure detector (91) that detects the partial pressure of hydrogen gas in the fuel electrode, and
A first hydrogen partial pressure determination unit (S120) for determining whether or not the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold value (Pth), and
When power generation by the fuel cell is not required, when the first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold value, the fuel cell generates power and the generated power is used as the battery. A second power generation control unit (S130) that controls a second power output unit so as to charge the battery is provided.
したがって、燃料電池の発電によって燃料極内の水素ガス濃度を下げることができるので、燃料極内の水素ガス分圧を下げることができる。よって、燃料極側から酸素極側へ水素ガスが通過するクロスリークを抑制するようにした燃料電池システムを提供することができる。 Therefore, since the hydrogen gas concentration in the fuel electrode can be lowered by the power generation of the fuel cell, the partial pressure of the hydrogen gas in the fuel electrode can be lowered. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system that suppresses a cross leak in which hydrogen gas passes from the fuel electrode side to the oxygen electrode side.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 The reference numerals in parentheses of each means described in this column and the scope of claims indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, the parts that are the same or equal to each other are designated by the same reference numerals in the drawings in order to simplify the description.
（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態について図に基づいて説明する。
(First Embodiment)
Hereinafter, the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用されて、車両に搭載された燃料電池１０の発電状態を制御するものである。
The fuel cell system of the present embodiment is applied to a fuel cell vehicle which is a kind of an electric vehicle, and controls the power generation state of the
燃料電池１０は、水素ガスを含む燃料ガスと酸素ガスを含む酸化剤ガス（本例では、空気）といった反応ガスの電気化学反応を利用して電気エネルギを出力するものである。本実施形態では、燃料電池１０としては、固体高分子型燃料電池が採用されている。
The
燃料電池１０は、発電により発生した直流電力をインバータ３０を介して主に車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷２０に供給する。
The
本実施形態の燃料電池１０は、最小単位となるセル１０ａが複数積層されたスタック構造になっており、複数のセル１０ａを電気的に直列接続した直列接続体として構成されている。
The
複数のセル１０ａは、図１に示すように、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に配置されているカソード（すなわち、酸素極）１３と、電解質膜１１の他方の面に配置されるアノード（すなわち、燃料極）１２とを有する膜電極接合体を備えている。なお、図１では、燃料電池１０として、一つの単セル１０ａが示されている。
As shown in FIG. 1, the plurality of
電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜であり、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。カソード１３およびアノード１２は、ガス拡散性と導電性とを有する電極であり、それぞれ、触媒電極層と、この触媒電極層に面したガス流路とを含んで構成されている。
The
触媒電極層は、電気化学反応を進行する触媒金属と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを含んでいる。触媒電極層は、例えば、白金担持カーボンと電解質膜１１と同じ又は類似の高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクの乾燥塗膜として形成される。ガス流路は、例えば、図示しないセパレータの溝部やエキスパンドメタルによって形成される。ここでは、カソード１３のガス流路をカソードガス流路１３ａとも呼び、アノード１２のガス流路をアノードガス流路１２ａとも呼ぶ。
The catalyst electrode layer contains a catalyst metal for advancing an electrochemical reaction and a polyelectrolyte having proton conductivity. The catalyst electrode layer is formed, for example, as a dry coating film of a catalyst ink in which platinum-supported carbon and a polyelectrolyte similar to or similar to that of the
複数のセル１０ａは、それぞれ、アノードガス流路１２ａに燃料ガスが供給され、かつカソードガス流路１３ａに酸化剤ガスとしての空気が供給されると、以下に示すように、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
When fuel gas is supplied to the anode
（アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－
（カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ
このように構成される燃料電池１０は、複数のセル１０ａのそれぞれの出力電圧を加算した電圧を出力電圧Ｖｎとして出力する。燃料電池１０には、インバータ３０を介して電気負荷２０が接続されている。本実施形態の複数のセル１０ａはそれぞれ冷却水によって冷却されるように構成されている。
(Anode side) H 2 → 2H + + 2e-
(Cathode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e- → H 2 O
The
インバータ３０は、制御部９０によって制御されて、燃料電池１０の出力電圧（或いは、コンバータ４０の出力電圧）に基づいて電気負荷２０に交流電流を流す第１電力出力部である。燃料電池１０には、コンバータ４０を介してバッテリ５０が接続されている。
The
本実施形態のバッテリ５０としては、リチウムイオン電池や鉛蓄電池などの二次電池やコンデンサが用いられる。
As the
燃料電池システムは、燃料供給配管６０、アノード排出管６１、排気排水管６２、空気供給管６３、およびカソード排気管６４を備える。
The fuel cell system includes a
燃料供給配管６０は、水素タンク７０からの水素ガスを複数のセル１０ａのそれぞれアノードガス流路１２ａに供給する。水素タンク７０の水素ガス出口と燃料電池１０の水素ガス入口１０ｂとの間には、水素供給部としてのインジェクション８０が配置されている。
The
インジェクション８０は、水素タンク７０の水素ガス出口と燃料電池１０の水素ガス入口１０ｂとの間の水素ガス流路を流れる水素ガス流量を調整する。燃料電池１０の水素ガス入口１０ｂは、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａの水素ガス入口に連通されている。
The
具体的には、インジェクション８０は、水素ガス流路を開閉する弁体と、弁体を駆動する電動アクチュエータとを備える。
Specifically, the
ここで、インジェクション８０によって水素ガス流量を閉じる期間を閉期間Ｔｃとし、インジェクション８０によって水素ガス流量を開ける期間を開期間Ｔｏとし、閉期間Ｔｃと開期間Ｔｏとを加算した期間Ｔｋ（＝Ｔｃ＋Ｔｏ）を一周期とする。開期間Ｔｏを開期間Ｔｏで除算した値をデユーティ比ｄｙ（＝Ｔｏ／Ｔｋ）とする。
Here, the period in which the hydrogen gas flow rate is closed by the
インジェクション８０のデユーティ比ｄｙを大きくすることにより、水素ガス流路を流れる水素ガス流量が多くなる。一方、インジェクション８０のデユーティ比ｄｙを小さくすることにより、水素ガス流路を流れる水素ガス流量が少なくなる。
By increasing the duty ratio dy of the
アノード排出管６１は、そのガス入口が燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃに接続されている。アノード排出管６１のガス出口が燃料供給配管６０のうちインジェクション８０の水素ガス出口と燃料電池１０の水素ガス入口との間の部位６０ａに接続されている。
The gas inlet of the
アノード排出管６１には、気液分離器８１および循環ポンプ８２が配置されている。気液分離器８１は、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃから排出されるアノード排ガスに含まれる窒素ガス、水と水素ガスとを分離し、この分離した水素ガスを燃料供給配管６０に誘導し、水、窒素ガスを排気排水管６２に誘導する。
A gas-
ここで、気液分離器８１によって分離された水素ガスは、燃料電池１０の発電に使用されずにアノード排出管６１から排出される水素ガス（以下、未使用水素ガスという）である。アノードガス出口１０ｃは、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａの出口に連通されている。
Here, the hydrogen gas separated by the gas-
排気排水管６２は、気液分離器８１によって誘導される水分、窒素ガス等を大気に排出する。排気排水管６２には、排気排水弁８３が設けられている。排気排水弁８３は、排気排水管６２を開閉する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとを備える。
The exhaust /
循環ポンプ８２は、気液分離器８１から誘導される水素ガスを水素タンク７０からの水素ガスに混合してアノードガス流路１２ａに供給して水素ガスを循環させる電動ポンプである。
The
つまり、循環ポンプ８２は、燃料電池１０の発電に使用されずにアノード排出管６１から流れる未使用水素ガスを含む排ガスを水素タンク７０からの水素ガスに混合してアノードガス流路１２ａに供給して排気ガスを循環させることになる。本実施形態の循環ポンプ８２は、気液分離器８１およびアノードガス流路１２ａの間で循環するガス流量を調整する。
That is, the
空気供給管６３は、エアコンプレッサ８４によって圧送される空気流を燃料電池１０の空気入口１０ｄに空気流（すなわち、酸素ガス）を供給する。燃料電池１０の空気入口１０ｄは、セル１０ａ毎のカソードガス流路の入口に連通されている。
The
エアコンプレッサ８４は、制御部９０によって制御されて、空気供給管６３を介して燃料電池１０の空気入口１０ｄに供給する空気量を調整する酸化剤供給部である。
The
カソード排気管６４は、燃料電池１０の空気出口１０ｅから排出される空気流を大気に排出する。燃料電池１０の空気出口は、燃料電池１０の空気出口１０ｅは、セル１０ａ毎のカソードガス流路１３ａの空気出口に連通されている。
The
次に、本実施形態の燃料電池システムの電気的構成について説明する。 Next, the electrical configuration of the fuel cell system of the present embodiment will be described.
燃料電池システムは、制御部９０を備える。制御部９０は、マイクロコンピュータやメモリ等から構成されて、予めメモリに記憶されたコンピュータプログラムにしたがって、発電制御処理を実行する。
The fuel cell system includes a
発電制御処理は、燃料電池１０の発電量を制御したり、燃料電池１０のセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内の水素ガス分圧を低減するための制御処理である。
The power generation control process is a control process for controlling the amount of power generated by the
制御部９０は、発電制御処理の実行に伴って、温度センサ９１ｂ、１１ａの検出信号、水素分圧検出部９１の検出信号、アクセルペダル位置センサ９２の検出信号等に基づいて、インバータ３０、コンバータ４０、排気排水弁８３、循環ポンプ８２、インジェクション８０、およびエアコンプレッサ８４を制御する。
The
水素分圧検出部９１は、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部である。本実施形態の水素分圧検出部９１は、燃料電池１０の排気ガス出口１０ｃ（すなわち、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ）から排出されるアノード排ガスのうち水素ガス分圧を検出する。
The hydrogen partial
温度センサ９１ｂは、燃料電池１０の排気ガス出口１０ｃから排出されるアノード排ガスの温度を検出する温度センサである。温度センサ１１ａは、燃料電池１０の温度を検出する温度センサである。温度センサ１１ａとして、例えば、燃料電池１０の冷却水の温度を検出する水温センサを用いてもよい。
The
アクセルペダル位置センサ９２は、運転者の足によって踏み込み操作されるアクセルペダルの位置（すなわち、アクセルペダルの踏み込み量）を検出する。
The accelerator
コンバータ４０は、制御部９０によって制御されて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧してバッテリ５０に出力したり、バッテリ５０の出力電圧を降圧してインバータ３０に出力する第２電力出力部である。
The
次に、本実施形態の燃料電池システムについて図２、図３、図４を参照して説明する。 Next, the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 4.
まず、制御部９０は、アクセルペダル位置センサ９２の検出信号に基づいて、循環ポンプ８２、インジェクション８０およびエアコンプレッサ８４を制御して、水素ガスをアノードガス流路１２ａに供給して、かつカソードガス流路１３ａに空気を供給させる。
First, the
運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、インジェクション８０のデユーティ比ｄｙを大きくして水素タンク７０から燃料電池１０に流れる水素ガス流量を多くする。
As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver increases, the duty ratio dy of the
運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、循環ポンプ８２の回転数を大きくして、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａと気液分離器８１との間において水素ガスの循環量を増大させる。
As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver increases, the rotation speed of the
一方、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、インジェクション８０のデユーティ比ｄｙを小さくして水素タンク７０から燃料電池１０に流れる水素ガス流量を少なくする。
On the other hand, the smaller the amount of depression of the accelerator pedal by the driver, the smaller the duty ratio dy of the
運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、循環ポンプ８２の回転数を小さくして、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａと気液分離器８１との間において水素ガスの循環量を減少させる。
As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver becomes smaller, the rotation speed of the
このため、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給される水素ガス量が増大する。アクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給される水素ガス量が減少させる。
Therefore, as the amount of depression of the accelerator pedal increases, the amount of hydrogen gas supplied to the anode
運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、エアコンプレッサ８４の回転数を大きくして、空気供給管６３に供給する空気量を増大させる。一方、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、エアコンプレッサ８４の回転数を大きくして、空気供給管６３に供給する空気量を減少させる。
As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver increases, the rotation speed of the
インバータ３０は、制御部９０によって、燃料電池１０の出力電圧Ｖａに基づいて交流電流を電気負荷２０に流す。
The
ここで、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、上述した水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応が促進されて燃料電池１０から大きな電気エネルギを出力される。
Here, as the amount of depression of the accelerator pedal by the driver increases, the electrochemical reaction between the hydrogen gas and the oxygen gas described above is promoted, and a large electric energy is output from the
これに伴い、燃料電池１０からインバータ３０を通して電気負荷２０に供給される交流電力が増大される。
Along with this, the AC power supplied from the
運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が小さくなるほど、上述した水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応が抑制されて燃料電池１０から出力される電気エネルギが小さくなる。これに伴い、燃料電池１０からインバータ３０を通して電気負荷２０に供給される交流電力が減少される。
As the amount of depression of the accelerator pedal by the driver becomes smaller, the electrochemical reaction between the hydrogen gas and the oxygen gas described above is suppressed, and the electric energy output from the
ここで、燃料電池１０の発電が継続されると、カソードガス流路１３ａ内の空気中の窒素ガスがアノードガス流路１２ａに移動するクロスリークが原因で、アノードガス流路１２ａ内の窒素ガスの濃度が増える。
Here, when the power generation of the
これに対して、本実施形態では、一定期間毎に、制御部９０は、排気排水弁８３を開弁させる。このため、アノード排出管６１を流れる窒素ガス、水等が気液分離器８１から排気排水管６２、および排気排水弁８３を通して大気に排出される。
On the other hand, in the present embodiment, the
この際、大気から空気が排気排水弁８３を通して排気排水管６２に逆流することを未然に防ぐために、インジェクション８０のデユーティ比ｄｙを大きくし、かつ循環ポンプ８２の回転数を大きくする。このため、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給される水素ガス量が増える。これにより、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内の水素ガス濃度が高くなる（図２参照）。
At this time, in order to prevent air from flowing back from the atmosphere to the
また、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量が大きくなる高負荷運転が実施されると、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内の水素濃度が過度的に高くなる（図３参照）。
Further, when a high load operation is carried out in which the amount of depression of the accelerator pedal by the driver is large, the hydrogen concentration in the anode
このように高負荷運転や窒素ガスの排出に伴ってセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内の水素ガス濃度が過度的に高くなると、アノードガス流路１２ａ内の水素ガス分圧が過度的に上昇する。これにより、アノードガス流路１２ａから水素ガスがカソードガス流路１３ａに移動するクロスリークが生じる恐れがある。
When the hydrogen gas concentration in the anode
これに対して、本実施形態では、制御部９０は、発電制御処理を実行してセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内の水素ガス濃度を低下させる。以下、制御部９０による発電制御処理の詳細について説明する。制御部９０は、図４のフローチャートにしたがって、発電制御処理を実行する。
On the other hand, in the present embodiment, the
まず、制御部９０は、ステップＳ１００において、水素タンク７０から燃料電池１０へ供給される水素ガス量が所定量となるようにインジェクション８０のデユーティ比ｄｙを制御する。
First, in step S100, the
これに加えて、ステップＳ１００では、制御部９０は、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａと気液分離器８１との間に循環されるガス循環量が所定量になるように、循環ポンプ８２の回転数を制御する。
In addition to this, in step S100, the
さらに、ステップＳ１００では、制御部９０は、セル１０ａ毎のカソードガス流路１３ａに供給される空気量が所定量になるようにエアコンプレッサ８４を制御する。
Further, in step S100, the
次に、制御部９０は、ステップＳ１１０において、運転者から燃料電池１０への発電要求が有るか否かについて判定する。
Next, in step S110, the
例えば、アクセルペダルが運転者によって踏み込まれなく、アクセルペダルの踏み込み量Ｆａが零であるときには（踏み込み量Ｆａ＝零）、運転者から燃料電池１０への発電要求が無いとして、ステップＳ１００においてＮＯと判定する。
For example, when the accelerator pedal is not depressed by the driver and the depression amount Fa of the accelerator pedal is zero (depression amount Fa = zero), it is assumed that there is no power generation request from the driver to the
次に、ステップＳ１２０において、第１水素分圧判定部として、水素分圧検出部９１により検出される水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈよりも大きいか否かを判定する。
Next, in step S120, as the first hydrogen partial pressure determination unit, it is determined whether or not the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial
このとき、水素分圧検出部９１により検出される水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈよりも大きいときには、制御部９０は、ステップＳ１２０でＹＥＳと判定する。
At this time, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial
これに伴い、制御部９０は、ステップＳ１３０において、第２発電制御部として、燃料電池１０により発電させて、この発電される電力をバッテリ５０に充電させる。
Along with this, in step S130, the
具体的には、インジェクション８０を制御して水素タンク７０の水素出口および燃料電池１０の水素入口の間の水素流路を閉じる。
Specifically, the
この際に、循環ポンプ８２の作動によって、気液分離器８１およびアノードガス流路１２ａの間で水素ガスが循環され、かつエアコンプレッサ８４の作動によって空気流が燃料電池１０の空気入口に供給される。
At this time, hydrogen gas is circulated between the gas-
このため、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応が促進されて燃料電池１０から電気エネルギが出力される。
Therefore, the electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen gas is promoted, and electric energy is output from the
この際に、コンバータ４０は、制御部９０によって制御されて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧してバッテリ５０に出力する。すなわち、コンバータ４０が燃料電池１０により発電された電気エネルギを吸い取ってバッテリ５０に出力する。このことにより、燃料電池１０による発電が促進されて、この発電された電力がバッテリ５０に充電されることになる。
At this time, the
その後、ステップＳ１１０に戻る。このため、制御部９０は、運転者から燃料電池１０への発電要求が有るか否かについて判定する。
After that, the process returns to step S110. Therefore, the
このため、運転者から燃料電池１０への発電要求が無く、かつ水素分圧検出部９１により検出される水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈよりも大きい状態が継続されると、制御部９０は、ステップＳ１１０のＮＯ判定、ステップＳ１２０のＹＥＳ判定、およびステップＳ１３０（ＦＣ発電・バッテリ充電）を繰り返す。
Therefore, if there is no power generation request from the driver to the
このことにより、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内の水素ガス濃度を低下させることができる。
This makes it possible to reduce the hydrogen gas concentration in the anode
その後、水素分圧検出部９１により検出される水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈよりも小さくなる。すなわち、非発電時において水素ガス分圧ＰＨ２が過度的に高い状態から定常時と同等になるまで燃料電池１０の発電が継続されてバッテリ５０に充電されることになる。これに伴い、制御部９０は、ステップＳ１２０でＮＯと判定する。
After that, the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial
ここで、水素ガス流路の容積をＶ［Ｌ］とし、温度をＴ［Ｋ］とし、気体定数をＲとし、定常時の水素ガス分圧ＰＨ２を水素ガス分圧ＰＨ２ｎｏｒｍ［ｋＰａ］とし、過渡的に上昇した水素ガス分圧ＰＨ２を水素分圧ＰＨ２ｔｒａｎｓ［ｋＰａ］とする。 Here, the volume of the hydrogen gas flow path is V [L], the temperature is T [K], the gas constant is R, and the hydrogen gas partial pressure PH 2 in the steady state is the hydrogen gas partial pressure PH 2 norm [kPa]. Let the transiently increased hydrogen gas partial pressure PH 2 be the hydrogen partial pressure PH 2 trans [kPa].
ステップＳ１３０において、Ｖ×（ＰＨ２ｔｒａｎｓ－ＰＨ２ｎｏｒｍ）／（Ｒ×Ｔ）×２４１．８３ｋＪのエネルギが発電に使用されることになる。本実施形態の水素ガス流路は、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａである。なお、「２４１．８３ｋＪ」は、水素低位発熱量「ｋＪ／ｍｏｌ」である。その後、ステップＳ１１０に戻る。
In step S130, energy of V × (PH 2 trans-PH 2 norm) / (R × T) × 241.83 kJ will be used for power generation. The hydrogen gas flow path of the present embodiment is an anode
このとき、アクセルペダルが運転者の足によって踏み込まれてアクセルペダルの踏み込み量Ｆａが零以上であるときには（踏み込み量Ｆａ＞零）、運転者から燃料電池１０への発電要求が有るとして、ステップＳ１００においてＹＥＳと判定する。
At this time, when the accelerator pedal is depressed by the driver's foot and the depression amount Fa of the accelerator pedal is zero or more (depression amount Fa> zero), it is assumed that the driver requests power generation to the
これに伴い、ステップＳ１４０において、第１発電制御部として、バッテリ５０の出力を燃料電池１０の出力よりも優先して電気負荷２０に与えるようにインバータ３０およびコンバータ４０を制御する。
Along with this, in step S140, as the first power generation control unit, the
具体的には、コンバータ４０は、制御部９０によって制御されて、バッテリ５０の出力電圧を所定出圧に降圧してインバータ３０に出力する。所定電圧は、予め決められた値であって、燃料電池１０の出力電圧よりも大きい電圧に設定される値である。
Specifically, the
これに加えて、インバータ３０は、制御部９０によって制御されて、コンバータ４０の出力電圧に基づいて交流電流を電気負荷２０に流す。このことにより、燃料電池１０の発電が抑制された状態で、バッテリ５０に充電された直流電力が交流電力に変換されて電気負荷２０に与えられることになる。
In addition to this, the
その後、コンバータ４０は、制御部９０によって制御されて、降圧作動を停止する。これに伴い、インバータ３０は、制御部９０によって制御されて、燃料電池１０の出力電圧に基づいて交流電流を電気負荷２０に流す。
After that, the
すなわち、インバータ３０が燃料電池１０により発電された電気エネルギを吸い取って電気負荷２０に出力する。このことにより、燃料電池１０による発電が促進されて、この発電された直流電力が交流電力に変換されて電気負荷２０に与えられることになる。このことにより、バッテリ５０の出力が燃料電池１０の出力よりも優先して電気負荷２０に出力される。
That is, the
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システムは、アノード１２とカソード１３とを備える複数の単セル１０ａを含む燃料電池１０と、水素タンク７０からのアノード１２に水素ガスを供給するインジェクション８０とを備える。
According to the present embodiment described above, the fuel cell system includes a
燃料電池システムは、燃料電池１０の発電に使用されずにアノード１２から排出される水素ガスを含む排ガスをインジェクション８０からの水素ガスに混合してアノード１２に供給して排ガスを循環させる循環ポンプ８２と、カソード１３に酸化剤としての空気流を供給するエアコンプレッサ８４とを備える。
The fuel cell system is a
燃料電池システムは、燃料電池１０で水素ガスと空気とによって発電された電力を交流電力に変換して電気負荷２０に出力するインバータ３０と、燃料電池１０で水素ガスと空気とによって発電された電力をバッテリ５０に充電させるコンバータ４０とを備える。
The fuel cell system includes an
燃料電池システムは、燃料電池１０による発電が要求される場合には、燃料電池１０で発電させてこの発電された電力を電気負荷２０に出力させるようにインバータ３０を制御するステップＳ１４０を備える。
When power generation by the
燃料電池システムは、燃料電池１０による発電が要求されない場合には、制御部９０は、アノード１２内の水素分圧が閾値Ｐｔｈ以上であるとステップＳ１２０で判定したとき、燃料電池１０で発電させてこの発電された電力をバッテリ５０に充電させるようにコンバータ４０を制御するステップＳ１３０を備える。
In the fuel cell system, when power generation by the
これにより、発電により速やかに水素ガス分圧を減らすことができる。このため、アノード１２側からカソード１３側へ水素ガスが移動するクロスリークを抑制することができる。
As a result, the partial pressure of hydrogen gas can be quickly reduced by power generation. Therefore, it is possible to suppress cross-leakage in which hydrogen gas moves from the
本実施形態では、燃料電池１０による発電が要求される場合には、燃料電池１０からの電力よりもバッテリ５０からの電力を優先して電気負荷２０に出力させるようにインバータ３０およびコンバータ４０を制御する。
In the present embodiment, when power generation by the
これにより、燃料電池１０による大電力の発電が要求される場合でも、燃料電池１０からの電力よりもバッテリ５０からの電力を優先して電気負荷２０に出力させるため、短期間に大量の水素ガスが消費されて水素ガスの欠乏が生じることを未然に抑えるとともに、本燃料電池システムの制御が成立するようにバッテリ５０の充放電の収支をあわせることができる。
As a result, even when a large amount of electric power is required to be generated by the
（第２実施形態）
本第２実施形態では、上記第１実施形態において、水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈよりも低いときには、必要に応じて、水素タンク７０からの水素ガスをアノード１２に供給する例について図５を参照して説明する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, FIG. 5 shows an example in which hydrogen gas from the
本実施形態と上記第１実施形態とは制御部９０による発電制御処理の一部が相違する。そこで、以下、本実施形態と上記第１実施形態とで発電制御処理の相違点について主に説明する。
A part of the power generation control process by the
本実施形態の制御部９０による発電制御処理には、図４に代わる図５のフローチャートが用いられる。図５のフローチャートは、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１５０、ステップＳ１６０、ステップＳ１７０、ステップＳ１８０が追加されたものである。図５のフローチャートにおいて、図４のフローチャートと同一符号は、同一ステップを示しているため、その説明を簡素化する。
For the power generation control process by the
以下、本実施形態の制御部９０による発電制御処理の詳細について説明する。
Hereinafter, the details of the power generation control process by the
制御部９０は、図５のフローチャートに従って、発電制御処理を実行する。
The
まず、制御部９０は、ステップＳ１００において、インジェクション８０、循環ポンプ８２、およびエアコンプレッサ８４を制御する。
First, the
次に、ステップＳ１００において、アクセルペダルが運転者によって踏み込まれなく、アクセルペダルの踏み込み量Ｆａが零であるときには、運転者から燃料電池１０への発電要求が無いとして、ＮＯと判定する。
Next, in step S100, when the accelerator pedal is not depressed by the driver and the depression amount Fa of the accelerator pedal is zero, it is determined as NO because there is no power generation request from the driver to the
次に、ステップＳ１２０において、水素分圧検出部９１により検出される水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈよりも大きいときには、制御部９０は、ステップＳ１２０でＹＥＳと判定する。
Next, in step S120, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 detected by the hydrogen partial
これに伴い、制御部９０は、ステップＳ１３０において、燃料電池１０により発電させてバッテリ５０に充電させる。
Along with this, in step S130, the
次に、ステップＳ１１０に戻り、運転者から燃料電池１０への発電要求が無く、かつ水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈよりも大きい状態が継続されると、制御部９０は、ステップＳ１１０のＮＯ判定、ステップＳ１２０のＹＥＳ判定、およびステップＳ１３０（ＦＣ発電・バッテリ充電）を繰り返す。
Next, returning to step S110, when there is no power generation request from the driver to the
その後、水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈ以下になると、制御部９０は、ステップＳ１２０でＮＯと判定する。
After that, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 becomes equal to or less than the threshold value Pth, the
次に、制御部９０は、ステップＳ１５０において、水素ガス分圧ＰＨ２が下限目標値ＰＬよりも大きいか否かを判定する。ここで、下限目標値ＰＬは、水素ガスの欠乏によりアノード１２の劣化を防ぐための水素ガス分圧の下限値である。下限目標値ＰＬは、閾値Ｐｔｈ（＞ＰＬ）よりも小さい値に設定されている。
Next, in step S150, the
このとき、水素ガス分圧ＰＨ２が下限目標値ＰＬよりも大きいときには、制御部９０は、ステップＳ１５０においてＹＥＳと判定する。
At this time, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 is larger than the lower limit target value PL, the
このことにより、ステップＳ１３０では、水素ガス分圧ＰＨ２と下限目標値ＰＬとの差分ΔＰ（＝ＰＨ２-ＰＬ）に相当する水素ガス量以下の水素ガス量を用いて発電されることになる。 As a result, in step S130, power is generated using a hydrogen gas amount equal to or less than the hydrogen gas amount corresponding to the difference ΔP (= PH 2 -PL) between the hydrogen gas partial pressure PH 2 and the lower limit target value PL. ..
次に、ステップＳ１６０において、制御部９０は、水素ガス分圧ＰＨ２に基づいてアノード１２からカソード１３に移動する水素ガス量（以下、クロスリーク量Ｑｃという）を求める。
Next, in step S160, the
具体的には、制御部９０は、水素ガス分圧ＰＨ２を所定期間に亘って測定して水素ガス分圧ＰＨ２の変化量ｄＰＨを求め、変化量ｄＰＨからクロスリーク量Ｑｃ（＝ｄＰＨ×Ｖ／１０１．３×２７３．１５／（２７３．１５＋Ｔｆｃ））を求める。
Specifically, the
ここで、Ｖは、アノードガス流路１２ａと循環ポンプ８２との間で水素ガスを循環させる閉回路の全容積であり、Ｔｆｃは、燃料電池１０の排気ガス出口１０ｃから排出されるアノード排ガスの温度である。Ｔｆｃは、温度センサ９１ｂによって検出される温度、または温度センサ１１ａによって検出される冷却水温度である。
Here, V is the total volume of the closed circuit for circulating hydrogen gas between the anode
次に、ステップＳ１７０において、制御部９０は、インジェクション８０を制御して水素タンク７０の水素出口および燃料電池１０の水素入口の間の水素流路を所定期間Ｔａに亘って開ける。
Next, in step S170, the
ここで、所定期間Ｔａは、クロスリーク量Ｑｃの水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給するのに必要な時間である。このため、クロスリーク量Ｑｃの水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給することができる。その後、ステップＳ１１０に戻る。
Here, the predetermined period Ta is the time required to supply the hydrogen gas having the cross leak amount Qc to the anode
また、制御部９０は、ステップＳ１５０において、水素ガス分圧ＰＨ２が下限目標値ＰＬ以下であるときには、ＮＯと判定する。
Further, in step S150, the
この場合、ステップＳ１８０において、制御部９０は、インジェクション８０を制御して水素タンク７０の水素出口および燃料電池１０の水素入口の間の水素流路を所定期間Ｔｂに亘って開ける。
In this case, in step S180, the
ここで、所定期間Ｔｂは、所定量Ｑ２の水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給するのに必要な時間である。このため、所定量Ｑ２の水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給することができる。所定量Ｑ２とは、所定量Ｑ２の水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給した際に、水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈ以下になる水素ガス量である。その後、ステップＳ１１０に戻る。
Here, the predetermined period Tb is the time required to supply the hydrogen gas of the predetermined amount Q2 to the anode
なお、ステップＳ１７０、ステップＳ１８０は、第１水素流量制御部を構成する。 In addition, step S170 and step S180 constitute a first hydrogen flow rate control unit.
以上説明した本実施形態によれば、制御部９０は、上記第１実施形態と同様に、燃料電池１０による発電が要求されない場合には、水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈ以上であると判定したとき、余剰の水素ガスを燃料電池１０で発電させてバッテリ５０に充電させるようにコンバータ４０を制御する。
According to the present embodiment described above, the
これにより、発電により速やかに水素ガス分圧を減らすことができるので、アノード１２とカソード１３との間の水素ガス圧力差により生じるクロスリークを低減することができる。
As a result, the hydrogen gas partial pressure can be quickly reduced by power generation, so that the cross leak caused by the hydrogen gas pressure difference between the
本実施形態では、制御部９０は、水素ガス分圧ＰＨ２が下限目標値ＰＬ以下であるときには、インジェクション８０を制御して所定量Ｑ２の水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給する。このため、水素ガスの欠乏による燃料電池１０（具体的には、アノード１２）の劣化を抑えつつ、アノード１２とカソード１３との間の水素ガス圧力差により生じるクロスリークを低減することができる。
In the present embodiment, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 is equal to or less than the lower limit target value PL, the
ここで、所定量Ｑ２とは、上述の如く、所定量Ｑ２の水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給した際に、水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈ以下になる水素ガス量である。このため、所定量Ｑ２の水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給しても、水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈ以下になるため、ステップ１８０の処理後に、ステップＳ１３０（ＦＣ発電・バッテリ充電）を実施することを避けることができる。
Here, the predetermined amount Q2 is, as described above, the amount of hydrogen gas at which the hydrogen gas partial pressure PH 2 becomes equal to or less than the threshold value Pth when the hydrogen gas of the predetermined amount Q2 is supplied to the anode
本実施形態では、水素ガス分圧ＰＨ２が閾値Ｐｔｈ以下であり、かつ水素ガス分圧ＰＨ２が下限目標値ＰＬよりも大きいときには、クロスリーク量Ｑｃの水素ガスをセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａに供給する。このため、水素ガス分圧の過度な上昇を抑えることで、アノード１２とカソード１３との間の水素ガス圧力差により生じるクロスリークを低減することができる。
In the present embodiment, when the hydrogen gas partial pressure PH 2 is equal to or less than the threshold value Pth and the hydrogen gas partial pressure PH 2 is larger than the lower limit target value PL, a hydrogen gas having a cross leak amount Qc is introduced into an anode gas flow for each
本実施形態では、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃ付近に水素分圧検出部９１を設けている。ここで、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃ付近は、燃料電池１０の水素ガス入口１０ｂ付近やアノードガス流路１２ａ内に比べて、水素ガス濃度（すなわち、水素ガス分圧）が低い。
In the present embodiment, the hydrogen partial
このため、循環ポンプ８２とセル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａとの間でガスが循環されるガス閉回路のうち、最も水素ガス濃度が低い箇所で水素ガス分圧ＰＨ２を検出することができる。
Therefore, in the gas closed circuit in which gas is circulated between the
このような水素ガス分圧ＰＨ２を用いて水素ガス分圧ＰＨ２が下限目標値ＰＬよりも大きいか否かをステップＳ１５０で判定する。このため、ステップＳ１５０の判定の信頼性を向上することができる。 Using such hydrogen gas partial pressure PH 2 , it is determined in step S150 whether or not the hydrogen gas partial pressure PH 2 is larger than the lower limit target value PL. Therefore, the reliability of the determination in step S150 can be improved.
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、水素タンク７０から燃料電池１０へ供給される水素ガス量を調整するためにインジェクション８０を用いた例について説明したが、これに代えて、流量調整弁８０Ａを用いる本第３実施形態について図６を参照して説明する。
(Third Embodiment)
In the first embodiment described above, an example in which the
流量調整弁８０Ａは、水素タンク７０の出口と燃料電池１０の水素ガス入口との間の水素ガス流路の開口面積を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとを備える。
The flow
本実施形態の流量調整弁８０Ａは、制御部９０によって制御されて、水素ガス流路の開口面積を調整する。このことにより、水素タンク７０の出口から燃料電池１０の水素ガス入口に流れる水素ガスの流量を調整することができる。
The flow
本実施形態の燃料電池システムのうち流量調整弁８０Ａ以外の他の構成は、上記第１実施形態の燃料電池システムと同様である。このため、燃料電池システムのうち流量調整弁８０Ａ以外の他の構成の説明を省略する。
The configuration of the fuel cell system of the present embodiment other than the
（第４実施形態）
本第４実施形態では、上記第１実施形態の水素分圧検出部９１の具体的の構成について図７を参照して説明する。
(Fourth Embodiment)
In the fourth embodiment, a specific configuration of the hydrogen partial
本実施形態の水素分圧検出部９１は、湿度センサ９１ａ、温度センサ９１ｂ、および圧力センサ９１ｃによって構成されている。
The hydrogen partial
湿度センサ９１ａは、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃから流れるアノード排ガスの湿度を求めるセンサである。温度センサ９１ｂは、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃから流れるアノード排ガスの温度を求めるセンサである。圧力センサ９１ｃは、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃから流れるアノード排ガス全圧を求めるセンサである。
The
制御部９０は、湿度センサ９１ａの検出値、および温度センサ９１ｂの検出値によって水蒸気の分圧を求め、アノード排ガス全圧から水蒸気分圧、および窒素ガス分圧を引いて
水素ガス分圧を求める。
The
ここで、アノード排ガスに含まれる窒素ガスは、カソードガス流路１３ａからアノードガス流路１２ａに移動した窒素ガスである。
Here, the nitrogen gas contained in the anode exhaust gas is the nitrogen gas that has moved from the cathode
ここで、アノード排ガスに含まれる窒素ガスの濃度は、カソードとアノードの窒素分圧差による窒素透過量ＮＴと、排気排水弁８３から大気に排出される窒素排気量ＮＨによって推定される。すなわち、アノード排ガス中の窒素ガス分圧は、カソードからアノードへ
透過される窒素透過量ＮＴと、排気排水弁から大気に放出する窒素排気量ＮＨによって推定される。
Here, the concentration of nitrogen gas contained in the anode exhaust gas is estimated by the nitrogen permeation amount NT due to the difference in nitrogen partial pressure between the cathode and the anode and the nitrogen exhaust amount NH discharged to the atmosphere from the
窒素透過量ＮＴは、燃料電池１０（具体的には、セル１０ａの電解質膜１１）の温度によって変化する。このため、窒素透過量ＮＴは、温度センサ１１ａの検出温度によって推定される。窒素排気量ＮＨは、排気排水弁８３が排気排水管６２を開けた開弁時間と排気排水管６２内の圧力とによって推定される。本実施形態では、排気排水管６２内の圧力としては、圧力センサ９１ｃによって検出されるアノード排ガス全圧が用いられる。
The nitrogen permeation amount NT changes depending on the temperature of the fuel cell 10 (specifically, the
このようにアノード排ガス中の窒素ガス分圧は、温度センサ１１ａの検出温度、排気排水弁８３の開弁時間、および圧力センサ９１ｃの検出圧力によって求められる。
As described above, the partial pressure of nitrogen gas in the anode exhaust gas is determined by the detection temperature of the
以上により、湿度センサ９１ａの検出値、温度センサ９１ｂの検出値、および圧力センサ９１ｃの検出値によって水素ガス分圧を求めることができる。
From the above, the hydrogen gas partial pressure can be obtained from the detection value of the
（第５実施形態）
上記第４実施形態では、湿度センサ９１ａ、温度センサ９１ｂ、および圧力センサ９１ｃによって水素分圧検出部９１を構成した例について説明したが、これに代えて、湿度センサ９１ａ、温度センサ９１ｂ、およびガス流路センサ９１ｄによって水素分圧検出部９１を構成した本第５実施形態について図８を参照して説明する。
(Fifth Embodiment)
In the fourth embodiment, an example in which the hydrogen partial
本実施形態では、ガス流路センサ９１ｄは、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃから流れるアノード排ガス流量を求めるもので、圧力センサ９１ｃの代わりに用いられる。すなわち、ガス流路センサ９１ｄの検出値は、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃから流れるアノード排ガス全圧を推定するために用いられる。
In the present embodiment, the gas
ここで、制御部９０は、上記第４実施形態と同様に、湿度センサ９１ａの検出値、および温度センサ９１ｂの検出値を用いて水蒸気の分圧を求める。
Here, the
以上により、湿度センサ９１ａの検出値、温度センサ９１ｂの検出値、および圧力センサ９１ｃの検出値によって水素ガス分圧を求めることができる。
From the above, the hydrogen gas partial pressure can be obtained from the detection value of the
（他の実施形態）
（１）上記第１～第４実施形態では、燃料電池１０のアノードガス出口１０ｃ付近に水素分圧検出部９１を設けた例について説明したが、これに代えて、アノードガス流路１２ａ内に水素分圧検出部９１を設けてもよく、或いは、燃料電池１０の水素ガス入口１０ｂ付近に水素分圧検出部９１を設けてもよい。
(Other embodiments)
(1) In the first to fourth embodiments, an example in which the hydrogen partial
（２）上記第１～第４実施形態では、水素分圧検出部の検出値としての水素ガス分圧ＰＨ２を用いてステップＳ１２０、Ｓ１５０の判定を実施した例について説明したが、これに代えて、次のようにしてもよい。 (2) In the first to fourth embodiments, an example in which the determination in steps S120 and S150 is performed using the hydrogen gas partial pressure PH 2 as the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit has been described, but instead of this, Then, it may be as follows.
すなわち、制御部９０は、セル１０ａ毎のアノードガス流路１２ａ内を流れるアノード排ガスの全圧を水素ガス分圧の推定値として推定する。制御部９０は、水素ガス分圧ＰＨ２に代わる、前記推定されるアノード排ガスの全圧を用いてステップＳ１２０、Ｓ１５０の判定を実施する。
That is, the
（３）上記第１～第４実施形態では、本発明の燃料電池システムを自動車に適用した例について説明したが、これに代えて、設置型の発電機に本発明の燃料電池システムを用いてもよい。 (3) In the first to fourth embodiments described above, an example in which the fuel cell system of the present invention is applied to an automobile has been described, but instead, the fuel cell system of the present invention is used for an stationary generator. May be good.
（４）なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。 (4) The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope of the claims. Further, the above embodiments are not unrelated to each other, and can be appropriately combined unless the combination is clearly impossible. Further, in each of the above embodiments, it goes without saying that the elements constituting the embodiment are not necessarily essential except when it is clearly stated that they are essential or when they are clearly considered to be essential in principle. stomach. Further, in each of the above embodiments, when numerical values such as the number, numerical values, quantities, and ranges of the constituent elements of the embodiment are mentioned, when it is clearly stated that they are particularly essential, and when it is clearly limited to a specific number in principle. It is not limited to the specific number except when it is done. Further, in each of the above embodiments, when the shape, positional relationship, etc. of the constituent elements are referred to, the shape, the shape, etc. It is not limited to the positional relationship.
（まとめ）
上記第１～第３実施形態、および他の実施形態の一部または全部に記載された第１の観点によれば、燃料電池システムにおいて、燃料極と酸素極とを備える単セルを有する燃料電池と、燃料極に水素ガスを供給する水素供給部と、燃料電池の発電に使用されずに燃料極から排出される水素ガスを含む排ガスを水素供給部からの水素ガスに混合して燃料極に供給して排ガスを循環させる循環ポンプと、酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力を電気負荷に出力する第１電力出力部と、水素ガスと酸化剤とを用いて燃料電池が発電した電力をバッテリに充電させる第２電力出力部と、燃料電池による発電が要求される場合には、燃料電池によって発電させ、この発電された電力を電気負荷に出力させるように第１電力出力部を制御する第１発電制御部と、燃料極内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部と、水素分圧検出部の検出値が閾値よりも高いか否かを判定する第１水素分圧判定部と、燃料電池による発電が要求されない場合には、水素分圧検出部の検出値が閾値よりも高いと第１水素分圧判定部が判定したとき、燃料電池によって発電させ、この発電された電力をバッテリに充電させるように第２電力出力部を制御する第２発電制御部と、を備える。
(summary)
According to the first aspect described in some or all of the first to third embodiments and some or all of the other embodiments, in a fuel cell system, a fuel cell having a single cell having a fuel electrode and an oxygen electrode. The hydrogen supply unit that supplies hydrogen gas to the fuel electrode and the exhaust gas containing hydrogen gas that is discharged from the fuel electrode without being used for power generation of the fuel cell are mixed with the hydrogen gas from the hydrogen supply unit and used as the fuel electrode. A circulation pump that supplies and circulates exhaust gas, an oxidant supply unit that supplies an oxidant to the oxygen electrode, and a first power output that outputs the power generated by the fuel cell to an electric load using hydrogen gas and the oxidant. A second power output unit that charges the battery with the power generated by the fuel cell using hydrogen gas and an oxidizing agent, and if power generation by the fuel cell is required, power is generated by the fuel cell, and this power generation is performed. A first power generation control unit that controls the first power output unit so as to output the generated electric power to an electric load, a hydrogen partial pressure detection unit that detects the hydrogen gas partial pressure in the fuel electrode, and a hydrogen partial pressure detection unit. The first hydrogen partial pressure determination unit that determines whether or not the detected value is higher than the threshold, and the first hydrogen if the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold when power generation by the fuel cell is not required. When the voltage division determination unit determines, it is provided with a second power generation control unit that generates electricity by a fuel cell and controls a second power output unit so that the generated power is charged to the battery.
第２の観点によれば、閾値よりも低い目標下限値と水素分圧検出部の検出値との差分に相当する電力量を上限電力量とし、第２発電制御部は、燃料電池で発電させる電力量が上限電力量以下になるように第２電力出力部を制御する。 According to the second viewpoint, the electric energy corresponding to the difference between the target lower limit value lower than the threshold value and the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is set as the upper limit electric energy , and the second power generation control unit generates electricity with a fuel cell. The second power output unit is controlled so that the amount of power is equal to or less than the upper limit of the amount of power.
これにより、燃料極内の水素ガス分圧が目標下限値より低くなることを抑制することができるので、水素ガスの欠乏により燃料電池の劣化を抑えることができる。 As a result, it is possible to prevent the partial pressure of hydrogen gas in the fuel electrode from becoming lower than the target lower limit value, and thus it is possible to suppress deterioration of the fuel cell due to the lack of hydrogen gas.
第３の観点によれば、目標下限値よりも水素分圧検出部の検出値が高い否かを判定する第２水素分圧判定部を備え、燃料電池による発電が要求されない場合に、水素分圧検出部の検出値が閾値未満であると第１水素分圧判定部が判定し、かつ目標下限値よりも水素分圧検出部の検出値が高いと第２水素分圧判定部が判定した場合には、水素分圧検出部の検出値における変化量を求め、この求められた変化量によって燃料極から酸素極へ通過する水素ガス量を算出し、この算出した水素ガス量と同等の水素ガス量を燃料極に供給させるように水素供給部を制御する第１水素流量制御部と、を備える。 According to the third viewpoint, it is provided with a second hydrogen partial pressure determination unit for determining whether or not the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the target lower limit value, and hydrogen content when power generation by the fuel cell is not required. The first hydrogen partial pressure determination unit determined that the detection value of the pressure detection unit was less than the threshold value, and the second hydrogen partial pressure determination unit determined that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit was higher than the target lower limit value. In this case, the amount of change in the detected value of the hydrogen partial pressure detector is obtained, and the amount of hydrogen gas passing from the fuel electrode to the oxygen electrode is calculated based on the obtained amount of change, and hydrogen equivalent to the calculated amount of hydrogen gas is calculated. A first hydrogen flow rate control unit that controls a hydrogen supply unit so as to supply a gas amount to a fuel electrode is provided.
これにより、酸素極から燃料極へのクロスリークの発生を抑えることができる。 As a result, it is possible to suppress the occurrence of cross leak from the oxygen electrode to the fuel electrode.
第４の観点によれば、燃料電池による発電が要求されない場合に、水素分圧検出部の検出値が目標下限値以下であると第２水素分圧判定部が判定した場合には、水素タンクから所定量の水素ガスを燃料極に供給させるように水素供給部を制御する第２水素流量制御部を備え、所定量は、水素タンクから所定量の水素ガスを燃料極に供給させたとき、燃料極の水素ガス分圧が閾値以下になる水素ガスの量である。 According to the fourth viewpoint, when the second hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is equal to or less than the target lower limit value when the power generation by the fuel cell is not required, the hydrogen tank. A second hydrogen flow control unit that controls the hydrogen supply unit to supply a predetermined amount of hydrogen gas to the fuel electrode is provided, and the predetermined amount is when a predetermined amount of hydrogen gas is supplied to the fuel electrode from the hydrogen tank. It is the amount of hydrogen gas at which the hydrogen gas partial pressure at the fuel electrode becomes equal to or less than the threshold value.
したがって、水素タンクからの水素ガスを燃料極に供給させても、第２発電制御部により発電を実施することを未然に防ぐことができる。 Therefore, even if the hydrogen gas from the hydrogen tank is supplied to the fuel electrode, it is possible to prevent the second power generation control unit from performing power generation.
第５の観点によれば、閾値および目標下限値は、水素ガスの欠乏が起因して燃料電池に劣化が生じる水素ガス分圧の基準値よりも大きくなるように設定されている。 According to the fifth aspect, the threshold value and the target lower limit value are set to be larger than the reference value of the hydrogen gas partial pressure at which the fuel cell is deteriorated due to the deficiency of hydrogen gas.
第６の観点によれば、第１発電制御部は、燃料電池からの電力よりもバッテリからの電力を優先して電気負荷に出力させるように第１電力出力部および第２電力出力部を制御する。 According to the sixth aspect, the first power generation control unit controls the first power output unit and the second power output unit so that the power from the battery is prioritized over the power from the fuel cell and is output to the electric load. do.
これにより、燃料電池による大電力の発電が要求される場合でも、燃料電池からの電力よりもバッテリからの電力を優先して電気負荷に出力させるため、短期間に大量の水素ガスが消費されて水素ガスの欠乏が生じることを未然に抑えるとともに、本燃料電池システムの制御が成立するようにバッテリの充放電の収支をあわせることができる。 As a result, even when a large amount of power is required to be generated by the fuel cell, the power from the battery is prioritized over the power from the fuel cell and output to the electric load, so that a large amount of hydrogen gas is consumed in a short period of time. It is possible to prevent the occurrence of hydrogen gas deficiency and to balance the charge and discharge of the battery so that the control of the fuel cell system is established.
第７の観点によれば、水素分圧検出部は、燃料極内のガスの全圧を検出する圧力センサの検出値に基づいて水素ガスの分圧を推定した推定値を検出値として求める。 According to the seventh aspect, the hydrogen partial pressure detection unit obtains an estimated value that estimates the partial pressure of hydrogen gas based on the detection value of the pressure sensor that detects the total pressure of the gas in the fuel electrode as the detection value.
１０ 燃料電池
１０ａ セル
１１ カソード
１２ アノード
８０ インジェクタ
８２ 循環ポンプ
２０ 電気負荷
３０ インバータ
４０ コンバータ
５０ バッテリ
９０ 制御部
10
Claims (7)
前記燃料極に水素ガスを供給する水素供給部（８０、８０Ａ）と、
前記燃料電池の発電に使用されずに前記燃料極から排出される水素ガスを含む排ガスを前記水素供給部からの水素ガスに混合して前記燃料極に供給して前記排ガスを循環させる循環ポンプ（８２）と、
前記酸素極に酸化剤を供給する酸化剤供給部（８４）と、
前記水素ガスと前記酸化剤とを用いて前記燃料電池が発電した電力を電気負荷（２０）に出力する第１電力出力部（３０）と、
前記水素ガスと前記酸化剤とを用いて前記燃料電池が発電した電力をバッテリ（５０）に充電させる第２電力出力部（４０）と、
前記燃料電池による発電が要求される場合には、前記燃料電池によって発電させ、この発電された電力を前記電気負荷に出力させるように前記第１電力出力部を制御する第１発電制御部（Ｓ１４０）と、
前記燃料極内の水素ガス分圧を検出する水素分圧検出部（９１）と、
前記水素分圧検出部の検出値が閾値（Ｐｔｈ）よりも高いか否かを判定する第１水素分圧判定部（Ｓ１２０）と、
前記燃料電池による発電が要求されない場合には、前記水素分圧検出部の検出値が前記閾値よりも高いと前記第１水素分圧判定部が判定したとき、前記燃料電池によって発電させ、この発電された電力を前記バッテリに充電させるように前記第２電力出力部を制御する第２発電制御部（Ｓ１３０）と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell (10) having a single cell (10a) with a fuel electrode (12) and an oxygen electrode (11).
A hydrogen supply unit (80, 80A) that supplies hydrogen gas to the fuel electrode, and
A circulation pump that circulates the exhaust gas by mixing the exhaust gas containing hydrogen gas discharged from the fuel electrode without being used for power generation of the fuel cell with the hydrogen gas from the hydrogen supply unit and supplying the exhaust gas to the fuel electrode. 82) and
An oxidant supply unit (84) that supplies an oxidant to the oxygen electrode,
A first power output unit (30) that outputs the power generated by the fuel cell to the electric load (20) using the hydrogen gas and the oxidant.
A second power output unit (40) for charging the battery (50) with the power generated by the fuel cell using the hydrogen gas and the oxidant.
When power generation by the fuel cell is required, the first power generation control unit (S140) controls the first power output unit so as to generate power by the fuel cell and output the generated power to the electric load. )When,
The hydrogen partial pressure detection unit (91) that detects the hydrogen gas partial pressure in the fuel electrode, and
A first hydrogen partial pressure determination unit (S120) for determining whether or not the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold value (Pth),
When power generation by the fuel cell is not required, when the first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the threshold value, the fuel cell generates power to generate electricity. A second power generation control unit (S130) that controls the second power output unit so as to charge the battery with the generated power.
A fuel cell system equipped with.
前記第２発電制御部は、前記燃料電池で発電させる電力量が前記上限電力量以下になるように前記第２電力出力部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。 The amount of power corresponding to the difference (ΔP) between the target lower limit value (PL) lower than the threshold value and the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is set as the upper limit power amount .
The fuel cell system according to claim 1, wherein the second power generation control unit controls the second power output unit so that the amount of power generated by the fuel cell is equal to or less than the upper limit power amount .
前記燃料電池による発電が要求されない場合に、前記水素分圧検出部の検出値が閾値未満であると前記第１水素分圧判定部が判定し、かつ前記目標下限値よりも前記水素分圧検出部の検出値が高いと前記第２水素分圧判定部が判定した場合には、前記水素分圧検出部の検出値における変化量を求め、この求められた変化量によって前記燃料極から前記酸素極へ通過する水素ガス量を算出し、この算出した水素ガス量と同等の水素ガス量を前記燃料極に供給させるように前記水素供給部を制御する第１水素流量制御部（Ｓ１７０、Ｓ１６０）と、
を備える請求項２に記載の燃料電池システム。 A second hydrogen partial pressure determination unit (S150) for determining whether or not the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the target lower limit value is provided.
When power generation by the fuel cell is not required, the first hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is less than the threshold value, and the hydrogen partial pressure detection unit is higher than the target lower limit value. When the second hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the unit is high, the amount of change in the detected value of the hydrogen partial pressure detection unit is obtained, and the oxygen from the fuel electrode is determined by the obtained change amount. The first hydrogen flow rate control unit (S170, S160) that calculates the amount of hydrogen gas passing through the pole and controls the hydrogen supply unit so that the amount of hydrogen gas equivalent to the calculated hydrogen gas amount is supplied to the fuel electrode. When,
2. The fuel cell system according to claim 2.
前記所定量は、前記水素タンクから所定量の水素ガスを前記燃料極に供給させたとき、前記燃料極の水素ガス分圧が前記閾値以下になる前記水素ガスの量である請求項３に記載の燃料電池システム。 When the second hydrogen partial pressure determination unit determines that the detection value of the hydrogen partial pressure detection unit is equal to or less than the target lower limit value when power generation by the fuel cell is not required, a predetermined amount is determined from the hydrogen tank. A second hydrogen flow rate control unit (S180) that controls the hydrogen supply unit so as to supply hydrogen gas to the fuel electrode is provided.
The predetermined amount is the amount of the hydrogen gas at which the hydrogen gas partial pressure of the fuel electrode becomes equal to or less than the threshold value when a predetermined amount of hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank to the fuel electrode. Fuel cell system.
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