JP2009252654A - Fuel cell system, estimation method of circulation flow rate, and operation method using the same - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out estimation of a circulation flow rate easily and accurately in a fuel cell system. <P>SOLUTION: In the fuel cell system 1 with an ejector 24 for converging circulation gas exhausted from a fuel cell 2 to new supply gas to the fuel cell 2, an ejector efficiency η to a supply flow rate Q<SB>1</SB>of the supply gas is calculated, and a pressure value P<SB>1</SB>of the supply gas is used as a value detected while driving of the fuel cell system 1 to estimate a circulation flow rate Q<SB>3</SB>of the circulation gas from the calculated ejector efficiency η. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、エゼクタを備えた燃料電池システムにおける循環流量の推定、及びこれを用いた燃料電池システムの運転方法に関するものである。   The present invention relates to estimation of a circulating flow rate in a fuel cell system provided with an ejector, and a method of operating a fuel cell system using the same.

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸素ガス（以下、総称して「反応ガス」という。）の供給を受けて発電する燃料電池を備える。燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化オフガス（以下、総称して「反応オフガス」という。）中には、燃料電池の発電に寄与しなかった反応ガスが含まれ得る。この未反応の反応ガスを発電に再利用すべく、燃料オフガスをエゼクタを用いて燃料電池に循環させる燃料電池システムがある。   The fuel cell system includes a fuel cell that generates electric power by receiving supply of fuel gas and oxygen gas (hereinafter collectively referred to as “reaction gas”). The fuel off-gas and oxidation off-gas (hereinafter collectively referred to as “reaction off-gas”) discharged from the fuel cell may contain reaction gas that has not contributed to power generation of the fuel cell. In order to reuse this unreacted reaction gas for power generation, there is a fuel cell system that circulates fuel off-gas to the fuel cell using an ejector.

特許文献１に記載の燃料電池システムは、流量可変式のエゼクタを利用して、燃料オフガスの循環を行う。このエゼクタは、ノズルから燃料ガスを噴射することにより、循環流路から燃料オフガス吸引し、それにより燃料ガスと燃料オフガスとを合流させて、燃料電池に供給する。   The fuel cell system described in Patent Document 1 circulates fuel off-gas using a variable flow rate ejector. The ejector injects the fuel gas from the nozzle to suck the fuel off gas from the circulation flow path, thereby joining the fuel gas and the fuel off gas and supplying the fuel cell to the fuel cell.

エゼクタの吸引原理は、ノズルからの燃料ガスの噴射によりノズルの周辺に負圧を発生させ、その負圧によって循環流路内の燃料オフガスを吸い込むというものである。特許文献１に記載の流量可変式のエゼクタは、燃料オフガス中の水素濃度を考慮してノズルの開度を可変することで、発生させる負圧の大きさを可変する。それによって、燃料ガスの供給流量及びエゼクタの出口圧のみならず、燃料オフガスの循環流量を可変するようにしている。
特開２００７−２３４３３３号公報 The suction principle of the ejector is to generate a negative pressure around the nozzle by injecting fuel gas from the nozzle, and to suck the fuel off-gas in the circulation channel by the negative pressure. The variable flow rate ejector described in Patent Document 1 changes the magnitude of the negative pressure to be generated by changing the opening of the nozzle in consideration of the hydrogen concentration in the fuel off-gas. Thereby, not only the supply flow rate of the fuel gas and the outlet pressure of the ejector but also the circulation flow rate of the fuel off gas is made variable.
JP 2007-234333 A

しかし、このエゼクタでは、供給流量に応じて成り行きの循環流量となる。仮に循環流量が不十分であると、燃料電池を劣化させるおそれがある。このため、燃料電池システム運転中の循環流量は、適切に把握することが望ましい。
もっとも、循環流量の把握のために、流量計を循環流路に単純に設けるのでは、部品点数が増加してしまう。また、流量計を設けたとしても、システム運転中の循環流量を精度良く把握することは難しい。これは、燃料オフガスには、燃料電池の生成水（液体）のほか、クロスリークした窒素ガスなども含まれているからである。 However, in this ejector, the desired circulation flow rate is obtained according to the supply flow rate. If the circulating flow rate is insufficient, the fuel cell may be deteriorated. For this reason, it is desirable to appropriately grasp the circulation flow rate during operation of the fuel cell system.
However, if a flow meter is simply provided in the circulation flow path for grasping the circulation flow rate, the number of parts increases. Even if a flow meter is provided, it is difficult to accurately grasp the circulating flow rate during system operation. This is because the fuel off gas contains not only water (liquid) produced by the fuel cell but also cross leaked nitrogen gas.

そこで、本発明は、循環流量を簡易に且つ精度良く推定できる燃料電池システム及びその循環流量の推定方法を提供することを目的とする。また、本発明は、燃料電池の耐久性を向上できる燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can easily and accurately estimate a circulating flow rate and a method for estimating the circulating flow rate. Another object of the present invention is to provide a method of operating a fuel cell system that can improve the durability of the fuel cell.

上記目的を達成するための本発明は、燃料電池への新たな供給ガスに燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタを備えた燃料電池システムにおける循環流量の推定方法であって、供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率を算出する算出工程と、検出された供給ガスの圧力値、又は、検出値から推定した前記供給ガスの圧力推定値を少なくとも用いて、算出工程により算出されたエゼクタ効率から循環ガスの循環流量を推定する推定工程と、を備えたものである。   In order to achieve the above object, the present invention provides a method for estimating a circulating flow rate in a fuel cell system including an ejector that joins a circulating gas discharged from a fuel cell to a new supply gas to the fuel cell. From the calculation step of calculating the ejector efficiency with respect to the supply flow rate of the gas, and from the ejector efficiency calculated by the calculation step using at least the pressure value of the detected supply gas or the estimated pressure value of the supply gas estimated from the detection value And an estimation step for estimating the circulation flow rate of the circulation gas.

本発明によれば、予め算出したエゼクタ効率に少なくとも供給ガスの圧力値の検出値又は圧力推定値を代入することで循環流量を推定できる。これにより、循環ガスのための流量計を設けなくて済むので、部品点数を増加させずに、燃料電池システム運転中の循環流量を簡易に推定できる。また、推定にエゼクタ効率を利用しているので、循環流量の推定精度を向上できる。   According to the present invention, the circulation flow rate can be estimated by substituting at least the detected value of the pressure value of the supply gas or the estimated pressure value into the ejector efficiency calculated in advance. Thereby, since it is not necessary to provide a flow meter for circulating gas, the circulating flow rate during operation of the fuel cell system can be easily estimated without increasing the number of parts. Moreover, since the ejector efficiency is used for estimation, the estimation accuracy of the circulation flow rate can be improved.

好ましくは、算出工程と推定工程とは、燃料電池システムの別々の運転時に実行されるものであり、算出工程は、少なくとも、供給ガスの供給流量、圧力及び温度と、循環ガスの循環流量、圧力及び温度と、供給ガスと循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、に基づいてエゼクタ効率を算出するとよい。   Preferably, the calculation step and the estimation step are executed during separate operations of the fuel cell system, and the calculation step includes at least the supply flow rate, pressure and temperature of the supply gas, and the circulation flow rate and pressure of the circulation gas. In addition, the ejector efficiency may be calculated based on the temperature and the pressure of the gas downstream of the confluence of the supply gas and the circulating gas.

こうすることで、予めエゼクタ効率を正確性良く算出しておくことができ、燃料電池システム運転中の循環流量の推定を簡易に且つ正確性良く行うことができる。より好ましくは、エゼクタ効率を算出する際には、システム運転中の循環ガスの組成も算出するとよい。   By doing so, the ejector efficiency can be calculated in advance with high accuracy, and the circulation flow rate during operation of the fuel cell system can be estimated easily and accurately. More preferably, when the ejector efficiency is calculated, the composition of the circulating gas during system operation is also calculated.

好ましくは、算出工程と推定工程とは、燃料電池システムの別々の運転時に実行されるものであり、推定工程は、供給ガスの圧力値の検出値又は圧力推定値に加えて、少なくとも、供給ガスの供給流量及び温度と、循環ガスの圧力及び温度と、供給ガスと循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、の各値を用いて、算出工程により算出されたエゼクタ効率から循環ガスの循環流量を推定するとよい。   Preferably, the calculation step and the estimation step are executed at the time of separate operation of the fuel cell system, and the estimation step includes at least the supply gas in addition to the detected value or the estimated pressure value of the supply gas pressure value. Circulate from the ejector efficiency calculated in the calculation process using the values of the supply flow rate and temperature of the gas, the pressure and temperature of the circulating gas, and the pressure of the gas downstream of the confluence of the supply gas and the circulating gas. It is good to estimate the circulation flow rate of gas.

こうすることで、循環流量の推定の精度を高めることができる。   By doing so, it is possible to improve the accuracy of estimation of the circulation flow rate.

ところで、循環ガスの組成が変化すると、上記推定方法による循環流量の推定の精度が低下する。   By the way, if the composition of the circulating gas is changed, the accuracy of the estimation of the circulating flow rate by the above estimation method is lowered.

したがって、本発明の循環流量の推定方法は、循環ガス中の不純物レベルに応じて、推定工程により推定された循環流量の推定値を補正することが好ましい。   Therefore, it is preferable that the estimation method of the circulating flow rate of the present invention corrects the estimated value of the circulating flow rate estimated by the estimation step according to the impurity level in the circulating gas.

これによれば、循環ガス中の不純物レベルに応じた循環流量を正確に予測することができる。   According to this, the circulation flow rate according to the impurity level in the circulation gas can be accurately predicted.

本発明の燃料電池システムの運転方法は、上記した本発明の循環流量の推定方法を用いたものであり、この推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合に、次の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを実行する。
（ａ）燃料電池の出力電流を制限する。
（ｂ）循環ガスを循環流路外に排出するパージ弁を開弁する。
（ｃ）供給ガスの圧力を上昇させる。 The operation method of the fuel cell system of the present invention uses the above-described method for estimating the circulation flow rate of the present invention, and the circulation flow rate estimated by this estimation method may be below or below the target circulation flow rate. Then, at least one of the following (a) to (c) is executed.
(A) Limit the output current of the fuel cell.
(B) The purge valve for discharging the circulating gas to the outside of the circulation channel is opened.
(C) Increase the pressure of the supply gas.

これにより、燃料電池に必要な燃料を確保でき、燃料電池の耐久性を向上できる。   Thereby, the fuel required for the fuel cell can be secured, and the durability of the fuel cell can be improved.

好ましくは、供給ガス及び循環ガスは、水素を含有する燃料ガスであるとよい。   Preferably, the supply gas and the circulation gas are fuel gas containing hydrogen.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池への新たな供給ガスに燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタと、を備えたものにおいて、さらに、供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率に関する情報を記憶した記憶装置と、少なくとも供給ガスの圧力又は圧力を推定するための値を検出する検出装置と、検出装置の検出結果を用いて、記憶装置に記憶されたエゼクタ効率から循環ガスの循環流量を推定する制御装置と、を備えたものである。   A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell and an ejector that joins a circulating gas discharged from the fuel cell to a new supply gas to the fuel cell, and further includes an ejector for the supply flow rate of the supply gas. A storage device that stores information on efficiency, a detection device that detects at least the pressure of the supply gas or a value for estimating the pressure, and a circulating gas from the ejector efficiency stored in the storage device using the detection result of the detection device And a control device for estimating the circulation flow rate of.

この場合、制御装置は、循環ガス中の不純物レベルに応じて、循環流量の推定値を補正することが好ましい。また、制御装置は、循環流量の推定値が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、推定値が目標循環流量を満たす場合とは燃料電池システムの運転を異ならせることが好ましい。   In this case, it is preferable that the control device corrects the estimated value of the circulation flow rate according to the impurity level in the circulation gas. In addition, when the estimated value of the circulating flow rate is likely to be below or below the target circulating flow rate, the control device preferably makes the operation of the fuel cell system different from the case where the estimated value satisfies the target circulating flow rate.

以上説明した本発明の燃料電池システム及びその循環流量の推定方法によれば、循環流量を簡易に且つ精度良く推定でき、本発明の燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池の耐久性を向上することができる。   According to the fuel cell system and the circulating flow estimation method of the present invention described above, the circulating flow rate can be estimated easily and accurately. According to the operating method of the fuel cell system of the present invention, the durability of the fuel cell is improved. Can be improved.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。   Hereinafter, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素ガス配管系３、燃料ガス配管系４、及び制御装置５を備える。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, an oxygen gas piping system 3, a fuel gas piping system 4, and a control device 5.

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２は、酸素ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。燃料電池２への酸素ガス及び燃料ガスの供給及び排出は、酸素ガス配管系３及び燃料ガス配管系４によりなされる。   The fuel cell 2 is made of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of cells are stacked. The fuel cell 2 generates electric power upon receiving supply of oxygen gas and fuel gas. Supply and discharge of oxygen gas and fuel gas to and from the fuel cell 2 are performed by an oxygen gas piping system 3 and a fuel gas piping system 4.

酸素ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。特に、燃料電池２から排出される酸素ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称されるものである。以下では、酸素ガスとして空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。   Oxygen gas and fuel gas are collectively referred to as reaction gas. In particular, oxygen gas and fuel gas discharged from the fuel cell 2 are referred to as oxygen off gas and fuel off gas, respectively, and these are collectively referred to as reaction off gas. Hereinafter, air will be described as an example of oxygen gas, and hydrogen gas will be described as an example of fuel gas.

酸素ガス配管系３は、加湿器１１、供給流路１２、排出流路１３、排気流路１４、及びコンプレッサ１５を有する。コンプレッサ１５は、供給流路１２の上流端に設けられる。コンプレッサ１５により取り込まれた大気中の空気（酸素ガス）が、供給流路１２を流れて加湿器１１に圧送され、加湿器１１により加湿されて燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される酸素オフガスは、排出流路１３を流れて加湿器１１に導入された後、排気流路１４を流れて外部に排出される。   The oxygen gas piping system 3 includes a humidifier 11, a supply flow path 12, a discharge flow path 13, an exhaust flow path 14, and a compressor 15. The compressor 15 is provided at the upstream end of the supply flow path 12. Air in the atmosphere (oxygen gas) taken in by the compressor 15 flows through the supply flow path 12, is pumped to the humidifier 11, is humidified by the humidifier 11, and is supplied to the fuel cell 2. The oxygen off-gas discharged from the fuel cell 2 flows through the discharge channel 13 and is introduced into the humidifier 11, and then flows through the exhaust channel 14 and is discharged to the outside.

燃料ガス配管系４は、水素タンク２１、供給流路２２、循環流路２３及びエゼクタ２４を有する。水素タンク２１は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した水素供給源である。なお、水素タンク２１に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を水素供給源として採用することもできる。また、水素タンク２１に代えて、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。   The fuel gas piping system 4 includes a hydrogen tank 21, a supply flow path 22, a circulation flow path 23, and an ejector 24. The hydrogen tank 21 is a hydrogen supply source that stores high-pressure (for example, 70 MPa) hydrogen gas. Instead of the hydrogen tank 21, a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state, and Can also be employed as a hydrogen source. Moreover, it may replace with the hydrogen tank 21 and may employ | adopt the tank which has a hydrogen storage alloy.

供給流路２２は、水素タンク２１内の水素ガスを燃料電池２に供給するための流路であり、エゼクタ２４を境に、主流流路２２ａ及び混合流路２２ｂで構成される。主流流路２２ａは、エゼクタ２４の上流側に位置しており、シャットバルブ３１及びレギュレータ３２が設けられる。シャットバルブ３１は、水素タンク２１の元弁として機能する。レギュレータ３２は、水素ガスを減圧する。混合流路２２ｂは、エゼクタ２４の下流側に位置しており、エゼクタ２４から排出された混合水素ガスを燃料電池２の水素ガス入口に導く。主流流路２２ａ及び混合流路２２ｂには、それぞれ圧力センサ５１，５２が設けられる。   The supply flow path 22 is a flow path for supplying the hydrogen gas in the hydrogen tank 21 to the fuel cell 2, and is composed of a main flow flow path 22a and a mixing flow path 22b with the ejector 24 as a boundary. The main flow path 22a is located on the upstream side of the ejector 24, and is provided with a shut valve 31 and a regulator 32. The shut valve 31 functions as a main valve of the hydrogen tank 21. The regulator 32 depressurizes the hydrogen gas. The mixing channel 22 b is located on the downstream side of the ejector 24, and guides the mixed hydrogen gas discharged from the ejector 24 to the hydrogen gas inlet of the fuel cell 2. Pressure sensors 51 and 52 are provided in the main flow channel 22a and the mixing channel 22b, respectively.

循環流路２３は、燃料電池２の水素ガス出口から排出された循環ガスを供給流路２２に戻す。循環流路２３、エゼクタ２４内の流路、混合流路２２ｂ及び燃料電池２内の燃料ガス流路を順番に連ねた系統によって、循環ガスを燃料電池２に循環供給する循環系３３が構成される。   The circulation channel 23 returns the circulation gas discharged from the hydrogen gas outlet of the fuel cell 2 to the supply channel 22. A circulation system 33 that circulates and supplies the circulation gas to the fuel cell 2 is configured by a system in which the circulation channel 23, the channel in the ejector 24, the mixing channel 22b, and the fuel gas channel in the fuel cell 2 are connected in order. The

ここで、以下の説明で用いる「供給ガス」、「循環ガス」及び「合流ガス」を次のように定義する。
「供給ガス」とは、主流流路２２ａを流れる水素ガスをいい、エゼクタ主流ガスとも称される。
「循環ガス」とは、循環流路２３を流れるガスをいい、エゼクタ吸引ガス又は副流ガスとも称される。循環ガスは、主として燃料電池２から排出された水素オフガスであるが、水素ガスに比べると微量の水蒸気及び窒素ガスを含む。水蒸気は、燃料電池２の発電反応によって生じた生成水が気化することで、循環ガス中に含まれる。窒素ガスは、燃料電池２の空気極からイオン交換膜を介して燃料極に透過、すなわちクロスリークすることで、循環ガス中に含まれる。
「合流ガス」は、供給ガスと循環ガスとがエゼクタ２４内で合流した後のガスであり、混合流路２２ａを流れるガスをいう。合流ガスは、エゼクタ出口ガス又は混合水素ガスとも称される。
以下の説明では、供給ガス、循環ガス及び合流ガスの各流量を供給流量、循環流量、合流流量と称する。 Here, “supply gas”, “circulation gas”, and “combined gas” used in the following description are defined as follows.
“Supply gas” refers to hydrogen gas flowing through the main flow path 22a, and is also referred to as ejector main flow gas.
“Circulating gas” refers to a gas flowing through the circulation channel 23 and is also referred to as an ejector suction gas or a side flow gas. The circulating gas is mainly hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2, but contains a trace amount of water vapor and nitrogen gas as compared with hydrogen gas. The water vapor is contained in the circulating gas as the generated water generated by the power generation reaction of the fuel cell 2 is vaporized. Nitrogen gas is contained in the circulating gas by permeating from the air electrode of the fuel cell 2 to the fuel electrode through the ion exchange membrane, that is, cross leaking.
The “merged gas” is a gas after the supply gas and the circulating gas merge in the ejector 24, and refers to a gas that flows through the mixing flow path 22a. The combined gas is also called ejector outlet gas or mixed hydrogen gas.
In the following description, the flow rates of the supply gas, the circulation gas, and the combined gas are referred to as the supply flow rate, the circulation flow rate, and the combined flow rate.

循環流路２３には、逆止弁３４及び気液分離器３５が介設される。逆止弁３４は、エゼクタ２４から気液分離器３５への流体の流れを阻止する。気液分離器３５は、水素オフガス中の液体（水分）と気体（主に水素オフガス）とを分離する。分離後の循環ガス中の気体は、逆止弁３４を通ってエゼクタ２４に吸引される。一方、分離後の水分は、気液分離器３５に一時的に貯留され、排気排水弁３６（パージ弁）の開弁により排出流路３７を通って外部に排出される。また、水分回収後の循環ガスの一部も、排気排水弁３６の開弁によって、排出流路３７を通って外部に排出される。これにより、燃料電池２に循環供給される水素ガスの水素濃度の低下を抑制できるようになっている。   A check valve 34 and a gas-liquid separator 35 are interposed in the circulation channel 23. The check valve 34 prevents the flow of fluid from the ejector 24 to the gas-liquid separator 35. The gas-liquid separator 35 separates liquid (water) and gas (mainly hydrogen offgas) in the hydrogen offgas. The gas in the circulating gas after separation is sucked into the ejector 24 through the check valve 34. On the other hand, the separated water is temporarily stored in the gas-liquid separator 35 and discharged to the outside through the discharge channel 37 by opening the exhaust / drain valve 36 (purge valve). In addition, part of the circulating gas after the moisture recovery is also discharged to the outside through the discharge channel 37 by opening the exhaust drain valve 36. Thereby, the fall of the hydrogen concentration of the hydrogen gas circulated and supplied to the fuel cell 2 can be suppressed.

エゼクタ２４は、供給流路２２と循環流路２３との接続部分に設けられる。エゼクタ２４は、供給ガスを噴射して循環ガスを吸引し、それにより供給ガスを循環ガスに合流させて、合流ガスを燃料電池２に供給する。エゼクタ２４は、燃料電池２への合流ガスの合流流量を可変可能に構成されている。このような流量可変式のエゼクタ２４の構造としては、周知の構造を適用することができる。例えば、エゼクタ２４は、供給ガスを噴射するノズルの開度をニードルの位置によって調整することで、供給ガスの噴射量（つまり、供給流量）及び循環流量を可変する。ニードルの位置は、例えば、バネなどを利用する機械式、循環ガスなどをパイロット圧として利用する圧力式、モータなどを利用する電気式の構造を用いることで調整することが可能である。   The ejector 24 is provided at a connection portion between the supply flow path 22 and the circulation flow path 23. The ejector 24 injects supply gas and sucks the circulation gas, thereby joining the supply gas to the circulation gas and supplying the combined gas to the fuel cell 2. The ejector 24 is configured to be able to vary the combined flow rate of the combined gas to the fuel cell 2. As the structure of the flow rate variable ejector 24, a known structure can be applied. For example, the ejector 24 adjusts the opening amount of the nozzle that injects the supply gas according to the position of the needle, thereby varying the supply gas injection amount (that is, the supply flow rate) and the circulation flow rate. The position of the needle can be adjusted by using, for example, a mechanical type using a spring or the like, a pressure type using a circulating gas as a pilot pressure, or an electric type using a motor.

制御装置５は、内部にＣＰＵ７１，ＲＯＭ７２，ＲＡＭ７３を備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵ７１は、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する循環流量の推定など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭ７２は、ＣＰＵ７１で処理する制御プログラムや制御データを記憶し、後述するエゼクタ効率に関する情報を記憶する。ＲＡＭ７３は、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置５は、圧力センサ５１，５２の検出情報のほか、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報を入力される。そして、これらの入力結果を受けて、制御装置５は、燃料電池システム１内の各種機器（コンプレッサ１５、シャットバルブ３１、排気排水弁３６など）に制御信号を出力し、燃料電池システム１の運転（以下、システム運転）を制御する。   The control device 5 is configured as a microcomputer including a CPU 71, a ROM 72, and a RAM 73 inside. The CPU 71 performs a desired calculation according to the control program, and performs various processes and controls such as estimation of a circulation flow rate described later. The ROM 72 stores control programs and control data processed by the CPU 71, and stores information related to ejector efficiency, which will be described later. The RAM 73 is mainly used as various work areas for control processing. In addition to the detection information of the pressure sensors 51 and 52, the control device 5 receives detection information of a sensor that detects the pressure, temperature, flow rate, and the like of the fluid flowing through each piping system. In response to these input results, the control device 5 outputs control signals to various devices (the compressor 15, the shut valve 31, the exhaust drain valve 36, etc.) in the fuel cell system 1, and operates the fuel cell system 1. (Hereinafter, system operation) is controlled.

図２及び図３を参照して、本実施形態に係る循環流量の推定方法及び燃料電池システム１の運転方法について説明する。   With reference to FIG.2 and FIG.3, the estimation method of the circulating flow rate which concerns on this embodiment, and the operating method of the fuel cell system 1 are demonstrated.

１．循環流量の推定方法
（１）エゼクタ効率に関するマップの取得
図２は、本推定方法において最初に行われる算出工程にて求められたマップであり、図３は、エゼクタ２４まわりのガスの状態モデルを示す図である。 1. Circulation flow estimation method (1) Acquisition of map relating to ejector efficiency FIG. 2 is a map obtained in a calculation step performed first in the present estimation method, and FIG. 3 shows a state model of gas around the ejector 24. FIG.

本推定方法では、先ず、供給流量Ｑ_１に対するエゼクタ効率ηを算出し、図２に示すマップを取得する。エゼクタ効率ηは、エゼクタ２４における断熱圧縮の仕事量による効率であり、次式（１）により算出される。 In this estimation method, first, it calculates the ejector efficiency η to the feed flow rate Q _1, to obtain a map shown in FIG. The ejector efficiency η is an efficiency due to the work of adiabatic compression in the ejector 24, and is calculated by the following equation (1).

・・・・（１）

(1)

ここで、式（１）及び図３で用いた記号は、以下のとおりであるが、基本的に、κは比熱比、ｑは質量流量、Ｒはモル定数、Ｔは温度、Ｐは圧力、ρは密度、Ｑは体積流量を表している。また、これらに付した添え字は、ガスの種類を表し、添え字の「１」が供給ガス、「３」が循環ガス、「７」が「合流ガス」を表している。   Here, the symbols used in the formula (1) and FIG. 3 are as follows. Basically, κ is a specific heat ratio, q is a mass flow rate, R is a molar constant, T is a temperature, P is a pressure, ρ represents density, and Q represents volume flow. The subscripts attached to these represent the type of gas, the subscript “1” represents the supply gas, “3” represents the circulating gas, and “7” represents the “joining gas”.

Ｑ_１：供給流量 （ＮＬ/ｍｉｎ）
Ｔ_１：供給ガス温度 （Ｋ）
Ｐ_１：供給ガス圧 （ｋＰａ・ａｂｓ）
κ_１：供給ガスの比熱比
ρ_１：供給ガスの密度 （ｇ/ｍｏｌ）
ｑ_１：供給ガスの質量流量 （ｋｇ/ｓ）
Ｑ_３：循環流量 （ＮＬ/ｍｉｎ）
Ｔ_３：循環ガス温度 （Ｋ）
Ｐ_３：循環ガス圧 （ｋＰａ・ａｂｓ）
κ_３：循環ガスの比熱比
ρ_３：循環ガスの密度 （ｇ/ｍｏｌ）
ｑ_３：循環ガスの質量流量 （ｋｇ/ｓ）
Ｑ_７：合流流量 （ＮＬ/ｍｉｎ）、Ｑ_７＝Ｑ_１＋Ｑ_３
Ｐ_７：合流ガス圧 （ｋＰａ・ａｂｓ） Q ₁ : Supply flow rate (NL / min)
T ₁ : Supply gas temperature (K)
P ₁ : Supply gas pressure (kPa · abs)
κ ₁ : Specific heat ratio of supply gas ρ ₁ : Supply gas density (g / mol)
q ₁ : Mass flow rate of supply gas (kg / s)
Q ₃ : Circulation flow rate (NL / min)
T ₃ : Circulating gas temperature (K)
P ₃ : Circulating gas pressure (kPa · abs)
κ ₃ : Specific heat ratio of circulating gas ρ ₃ : Density of circulating gas (g / mol)
q ₃ : Mass flow rate of circulating gas (kg / s)
Q ₇ : Combined flow rate (NL / min), Q ₇ = Q ₁ + Q ₃
P ₇ : Combined gas pressure (kPa · abs)

エゼクタ効率ηの算出は、各供給流量Ｑ_１における、供給ガスの圧力Ｐ_１及び温度Ｔ_１、循環ガスの質量流量ｑ_３、圧力Ｐ_３及び温度Ｔ_３、並びに、合流ガスの流量Ｑ_７及び圧力Ｐ_７について、例えば以下のように検出した値又は目標値を式（１）に代入することで行う。なお、κ_１＝κ_３、ρ_１＝ρ_３を前提条件とした。 Calculation of the ejector efficiency η is in the supply flow rate _{Q 1,} the pressure _{P 1} and the temperature _{T 1} of the feed gas, the mass of the circulating gas flow rate _{q 3,} the pressure _{P 3} and the temperature _{T 3,} and the flow rate _{Q 7} and combined gas For the pressure P ₇ , for example, a value or target value detected as follows is substituted into equation (1). Note that κ ₁ = κ ₃ and ρ ₁ = ρ ₃ were used as preconditions.

式（１）への供給流量ｑ_１の代入値としては、供給流量Ｑ_１の検出値又は目標値の単位を換算したものを用いる。供給流量Ｑ_１の検出値は、例えば、主流流路２２ａに設けた流量計から得られる。供給流量Ｑ_１の目標値は、負荷に応じて決定される制御上のデータであり、燃料電池２への水素ガスの目標供給流量である。供給ガス圧力Ｐ_１の代入値としては、例えば、圧力センサ５１の検出値を用いる。供給ガス温度Ｔ_１の代入値としては、エゼクタ２４の主流入口側（主流流路２２ａ）に設けた温度センサの検出値を用いるか、あるいは水素タンク２１に設けた温度センサの検出値（タンク内の水素ガス温度）で代用する。 As the substitution value of the supply flow rate q ₁ into the equation (1), a value obtained by converting the detected value or the target value unit of the supply flow rate Q ₁ is used. Detection values of the supply flow rate Q ₁ is, for example, obtained from a flow meter provided in the main flow passage 22a. The target value of the supply flow rate Q ₁ is control data determined according to the load, and is the target supply flow rate of hydrogen gas to the fuel cell 2. The value substituted into the feed gas pressure P _1, for example, using the detection value of the pressure sensor 51. The value substituted into the feed gas temperature T _1, the main flow inlet side or using the detection value of the temperature sensor provided in (main flow path 22a), or the detection value of the temperature sensor provided in the hydrogen tank 21 of the ejector 24 (the tank Of hydrogen gas).

また、供給流量ｑ_３の代入値としては、循環流量Ｑ_３の検出値の単位を換算したものを用いる。循環流量Ｑ_３の検出値は、例えば、循環流路２３に設けた流量計から得られる。なお、この流量計はエゼクタ効率ηの算出のために用いられるものであり、この算出後に燃料電池システム１から取り外される。循環ガス圧力Ｐ_３の代入値としては、例えば循環流路２３に設けた圧力センサの検出値を用いる。循環ガス温度Ｔ_３の代入値としては、循環流路２３に設けた温度センサの検出値を用いるか、燃料電池２の温度で代用する。合流ガス圧力Ｐ_７の代入値としては、圧力センサ５２の検出値を用いる。 As the value substituted into the supply flow rate q _3, use those obtained by converting the unit of the detection value of the circulating flow rate Q _3. The detected value of circulating flow rate Q ₃ are, for example, obtained from a flow meter provided in the circulation passage 23. This flow meter is used for calculating the ejector efficiency η, and is removed from the fuel cell system 1 after the calculation. As a substituted value of the circulating gas pressure P ₃ , for example, a detection value of a pressure sensor provided in the circulation flow path 23 is used. The substitution value of the circulating gas temperature T _3, or using the detection value of the temperature sensor provided in the circulation passage 23, to substitute at a temperature of the fuel cell 2. The value substituted into the combined gas pressure P _7, using the detection value of the pressure sensor 52.

以上のような代入により、各供給流量Ｑ_１における各エゼクタ効率ηを算出し、両者の関係を定めた図２のマップを制御装置５のＲＯＭ７２に記憶させる。もっとも、記憶装置として、ＲＯＭ７２に代えて、制御装置５とは別個の外部の記憶装置を用いてもよい。なお、エゼクタ効率ηの算出プロセスは、燃料電池システム１を移動体（例えば車両）などの実機に搭載する前になされる。 Through the above substitution, each ejector efficiency η at each supply flow rate Q ₁ is calculated, and the map of FIG. 2 defining the relationship between the two is stored in the ROM 72 of the control device 5. However, instead of the ROM 72, an external storage device separate from the control device 5 may be used as the storage device. The ejector efficiency η is calculated before the fuel cell system 1 is mounted on an actual machine such as a moving body (for example, a vehicle).

（２）システム運転中の循環流量Ｑ_３の推定
次に、本推定方法では、循環流量Ｑ_３を推定する工程を実行する。この推定は、システム運転中の検出値を用いて、エゼクタ効率ηからシステム運転中の循環流量Ｑ_３を推定するものであり、制御装置５のＣＰＵ７１によって実行される。 (2) Estimation Next the circulation flow rate Q ₃ in the system operation, in the present estimation method, performing the step of estimating the circulation flow rate Q _3. This estimate, using the detected value of the system operation is intended to estimate the circulation flow rate Q ₃ in the system operation from the ejector efficiency eta, it is executed by the CPU71 of the control device 5.

具体的には、先ず、現在の供給流量Ｑ_１におけるエゼクタ効率ηを図２のマップから求める。例えば、現在の供給流量Ｑ_１がＱ_１´であれば、エゼクタ効率ηはη´となる。次いで、供給ガスの圧力Ｐ_１及び温度Ｔ_１、循環ガスの圧力Ｐ_３及び温度Ｔ_３、並びに合流ガスの圧力Ｐ_７の各値について、例えば以下に示す検出値、推定値、目標値又は固定値を式（１）に代入することで、質量流量ｑ３を求め、その単位を換算することで循環流量Ｑ_３を求める。 Specifically, first, we obtain the ejector efficiency η in the current supply flow rate Q ₁ from the map of FIG. For example, if the current supply flow rate Q ₁ is Q ₁ ′, the ejector efficiency η is η ′. Next, for each value of the supply gas pressure P ₁ and temperature T ₁ , the circulating gas pressure P ₃ and temperature T ₃ , and the combined gas pressure P ₇ , for example, the following detected value, estimated value, target value, or fixed value by substituting the values in equation (1), determine the mass flow q3, determine the circulation flow rate Q ₃ by converting the unit.

式（１）への供給流量ｑ_１の代入値としては、上記したエゼクタ効率ηの算出工程と同様に、現在の供給流量Ｑ_１の検出値又は目標値の単位を換算したものを用いる。供給ガス圧力Ｐ_１の代入値としては、例えば、システム運転中における圧力センサ５１の検出値又は推定値を用いる。供給ガス圧力Ｐ_１の推定値、すなわち供給ガスの圧力推定値は、供給流量Ｑ_１の検出値から推定したものであってもよいし、あるいは、燃料電池２の検出した発電量から推定したものであってもよい。なお、燃料電池２の発電量から供給流量Ｑ_１を推定することができ、この推定した供給流量Ｑ_１から供給ガス圧力Ｐ_１を推定することができる。供給ガス温度Ｔ_１の代入値としては、エゼクタ２４の主流入口側の温度センサの検出値を用いるか、水素タンク２１内の水素ガス温度で代用する。あるいは、システム運転の状態に応じた供給ガス温度Ｔ_１を予め測定しておき（例えば、エゼクタ効率ηの算出工程で測定しておく。）、この測定値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。 The substitution value of the supply flow rate q ₁ into the formula (1), similarly to the step of calculating the ejector efficiency η as described above, use one obtained by converting the unit of the current detection value or the target value of the supply flow rate Q _1. The value substituted into the feed gas pressure P _1, for example, using the detection values or estimated values of the pressure sensor 51 during system operation. The estimated value of the supply gas pressure P ₁ , that is, the estimated value of the supply gas pressure may be estimated from the detected value of the supply flow rate Q ₁ , or estimated from the power generation amount detected by the fuel cell 2. It may be. Incidentally, it is possible to estimate the supply flow rate Q ₁ from the power generation amount of the fuel cell 2, it is possible to estimate the supply gas pressure P ₁ from the supply flow rate Q ₁ that this estimation. The value substituted into the feed gas temperature T _1, or using the detection value of the temperature sensor of the mainstream inlet side of the ejector 24, is replaced by hydrogen gas the temperature of the hydrogen tank 21. Alternatively, measured in advance feed gas temperatures T ₁ corresponding to the state of the system operation (e.g., previously measured in step calculation of the ejector efficiency eta.), May be used with this measurement, the fixed value It may be used.

また、循環ガス圧力Ｐ_３の代入値としては、例えば循環流路２３に設けた圧力センサの検出値を用いるか、供給ガス圧力Ｐ_１の検出値等から推定した推定値を用いる。循環ガス温度Ｔ_３の代入値としては、循環流路２３に設けた温度センサの検出値を用いるか、燃料電池２の温度で代用する。あるいは、システム運転の状態に応じた循環ガス温度を予め測定しておき、この測定値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。合流ガス圧力Ｐ_７の代入値としては、圧力センサ５２の検出値を用いればよいが、圧力センサ５２を設置しない場合には、供給ガス圧力Ｐ_１及び供給流量Ｑ_１より推定した値を用いる。あるいは、システム運転の状態に応じた合流ガス圧力Ｐ_７を予め測定しておき、この測定値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。 As the value substituted into the circulation gas pressure P _3, for example, or using the detection value of the pressure sensor provided in the circulation passage 23, using the estimated value estimated from the detected value or the like of the feed gas pressure P _1. The substitution value of the circulating gas temperature T _3, or using the detection value of the temperature sensor provided in the circulation passage 23, to substitute at a temperature of the fuel cell 2. Or the circulating gas temperature according to the state of system operation may be measured beforehand, and this measured value may be used and a fixed value may be used. As the substituted value of the combined gas pressure P ₇ , the detection value of the pressure sensor 52 may be used, but when the pressure sensor 52 is not installed, a value estimated from the supply gas pressure P ₁ and the supply flow rate Q ₁ is used. Alternatively, the combined gas pressure P ₇ corresponding to the state of the system operation is measured in advance, and this measured value may be used, or a fixed value may be used.

以上のような方法によれば、実機の燃料電池システム１に循環ガス用の流量計を搭載しなくとも、システム運転中の循環流量Ｑ_３を精度良く推定することができる。 According to the above method, without mounting the flowmeter for circulating gas in actual fuel cell system 1, the circulation flow rate Q ₃ during the system operation can be accurately estimated.

２．推定方法の改良例
続いて、推定方法の改良例について説明する。
図４は、改良例の推定方法に用いるエゼクタ２４まわりの状態モデルを示す。上記した図３に示す状態モデルと異なる点は、循環ガス中の不純物を考慮している点である。 2. Following improvement of the estimation method is described improvement of the estimation methods.
FIG. 4 shows a state model around the ejector 24 used in the improved estimation method. The difference from the state model shown in FIG. 3 described above is that the impurities in the circulating gas are taken into consideration.

循環ガスには、水素オフガスのほかに、水蒸気及び窒素ガスといった不純物が含まれ得る。上記した「１．循環流量の推定方法」では、循環ガスの組成が大きく変わった場合、循環流量Ｑ_３の推定の精度が悪くなる。そこで、本改良例では、式（２）を用いて、循環ガス中の不純物レベルに応じて、循環流量Ｑ_３の推定値を補正するようにしている。なお、その際、Ｔ_３´＝Ｔ_３、Ｐ_３´＝Ｐ_３、ｋ_３´＝ｋ_３を前提条件とした。 The circulating gas can contain impurities such as water vapor and nitrogen gas in addition to the hydrogen off-gas. In the above-mentioned “1. Circulation flow estimation method”, when the composition of the circulation gas changes significantly, the accuracy of the estimation of the circulation flow Q ₃ is deteriorated. Therefore, in this modified example, using Equation (2), depending on the level of impurities in the circulating gas, and corrects the estimated value of the circulating flow rate Q _3. At that time, T ₃ ′ = T ₃ , P ₃ ′ = P ₃ , and k ₃ ′ = k ₃ were used as preconditions.

・・・・（２）

(2)

ここで、式（２）におけるＱ_３´は、補正後の循環流量を示し、これには、水素オフガスだけでなく、窒素ガスや水蒸気といった不純物が含まれる。式（２）への循環流量Ｑ_３の代入値としては、上記した推定方法による推定値を用いる。循環ガスの密度ρ_３´の代入値としては、例えば、上記した「（１）エゼクタ効率に関するマップの取得」の際に、システム運転状態に応じたものを求めておき、それを用いるようにする。すなわち、エゼクタ効率ηを算出する際に、システム運転状態における循環ガスの組成（密度ρ_３´）を求めておき、現在のシステム運転状態に対応する循環ガスの密度ρ_３´を式（２）に代入する。 Here, Q ₃ ′ in the equation (2) indicates a corrected circulation flow rate, and this includes not only hydrogen off-gas but also impurities such as nitrogen gas and water vapor. The value substituted into the circulation flow rate Q ₃ of the formula (2), using the estimated value by estimating method described above. As the substitution value of the density ρ ₃ ′ of the circulating gas, for example, when “(1) obtaining a map relating to ejector efficiency” described above, a value corresponding to the system operation state is obtained and used. . That is, when the ejector efficiency η is calculated, the composition (density ρ ₃ ′) of the circulating gas in the system operating state is obtained, and the density ρ ₃ ′ of the circulating gas corresponding to the current system operating state is expressed by Equation (2). Assign to.

また、式（２）への循環ガスの密度ρ_３の代入値としては、測定又は推定した値を用いる。具体的には、燃料電池２の運転温度より循環ガス中の水蒸気の量を推定する。また、水蒸気以外のガス（主に窒素ガス）については、運転状態における燃料電池２のクロスリーク量を予め求めておくか、圧力や運転方法でその都度推定する。こうすることで求めた循環ガスの密度ρ_３（ガス組成）の値を式（２）に代入する。なお、センサを循環流路２３に設置し、循環ガスの質量を直接計測することで求めた密度ρ_３の値を用いてもよいし、あるいはガス分析計を循環流路２３に設置して、その検出結果を代入してもよい。 A measured or estimated value is used as the substitution value of the density ρ ₃ of the circulating gas into the equation (2). Specifically, the amount of water vapor in the circulating gas is estimated from the operating temperature of the fuel cell 2. For gases other than water vapor (mainly nitrogen gas), the amount of cross leak of the fuel cell 2 in the operating state is obtained in advance, or is estimated each time by the pressure and the operating method. The value of the density ρ ₃ (gas composition) of the circulating gas determined in this way is substituted into equation (2). Note that installing a sensor in the circulation flow path 23, installed may be used a value of the density [rho ₃ determined by measuring the mass of the circulating gas directly, or gas analyzer the circulation flow path 23, The detection result may be substituted.

以上のようにして、循環流量Ｑ_３を補正することで、循環流量を正確に推定でき、さらには循環ガス中の水素量も推定できる。したがって、燃料電池２の燃料循環量不足などに起因した燃料電池２の劣化や、ドラビリ悪化を抑制することができる。 As described above, the circulation flow rate Q ₃ by correcting the circulation flow rate can be accurately estimated, and further can also estimate the amount of hydrogen in the circulating gas. Therefore, it is possible to suppress deterioration of the fuel cell 2 and deterioration of drivability due to an insufficient fuel circulation amount of the fuel cell 2.

３．燃料電池システムの運転方法
続いて、図１を参照して、上記推定方法による循環流量Ｑ_３の推定値（補正前又は補正後の推定値をいい、以下、Ｑ_３´´と記載する。）を利用したシステム運転のいくつかの制御例について説明する。 3. Following the method of operating a fuel cell system, with reference to FIG. 1, the estimated value of the circulating flow rate Q ₃ of the above estimation method (called a pre-correction or estimation value after correction, hereinafter referred to as Q _3''.) Several control examples of system operation using the system will be described.

先ず、制御装置５は、システム運転中に、推定された循環流量Ｑ_３´´をその運転状態における目標循環流量Ｑ_ｔと比較する。その結果、循環流量Ｑ_３´´が目標循環流量Ｑ_ｔを下回る又は下回るおそれがある場合には、制御装置５は、当該推定値Ｑ_３´´が目標循環流量Ｑ_ｔを満たす場合とはシステム運転の態様を異ならせる。なお、目標循環流量Ｑ_ｔは、システム運転の各状態のものが予め求められており、その情報がＲＯＭ７２等の記憶装置に記憶されている。また、目標循環流量Ｑ_ｔを下回るおそれがある場合とは、例えば、負荷を増加させていく場合である。 First, the control device 5 compares the estimated circulation flow rate Q _{3 ″} with the target circulation flow rate Q _t in the operation state during system operation. As a result, when the circulation flow rate Q _{3 ″} may be less than or less than the target circulation flow rate Q _t , the control device 5 is different from the case where the estimated value Q _{3 ″} satisfies the target circulation flow rate Q _t. Different driving modes. Note that the target circulation flow rate Q _t is obtained in advance for each state of the system operation, and the information is stored in a storage device such as the ROM 72. Further, the case where there is a risk that below the target circulation flow rate Q _t is for example the case when we increase the load.

システム運転の態様を変更する例として、例えば、次の３つがある。
第１の例は、燃料電池２から取り出す電流（出力電流）の上限値にガードをかけるというものである。具体的には、循環流量Ｑ_３´´で放電可能な燃料電池２の出力電流へと制限する。こうすることで、燃料電池２における燃料不足が抑制され、燃料電池２の耐久性が向上する。 For example, there are the following three examples of changing the mode of system operation.
The first example is to guard the upper limit value of the current (output current) extracted from the fuel cell 2. Specifically, it is limited to the output current of the fuel cell 2 that can be discharged at the circulation flow rate Q _{3 ″} . By doing so, fuel shortage in the fuel cell 2 is suppressed, and the durability of the fuel cell 2 is improved.

第２の例は、排気排水弁３６を開弁するというものである。その際、循環流量Ｑ_３´´が目標循環流量Ｑ_ｔを満たす場合に比べて、循環ガスの外部への排出量が多くなるように、排気排水弁３６の開時間を長くするか、開度を大きくする。これにより、エゼクタ２４が噴射する供給流量Ｑ_１が増加し、燃料電池２への循環流量が増加する。その上で燃料電池２の出力電流を増加させるようにする。 In the second example, the exhaust / drain valve 36 is opened. At that time, the opening time of the exhaust drain valve 36 is increased or the opening degree is set so that the circulation gas Q _{3 ″} satisfies the target circulation flow rate Q _t so that the amount of circulation gas discharged to the outside increases. Increase This increases the supply flow rate Q ₁ of the ejector 24 ejects the circulation flow rate to the fuel cell 2 increases. Then, the output current of the fuel cell 2 is increased.

第３の例は、供給ガスの圧力Ｐ_１を上昇させるというものである。このための方法として、例えば、レギュレータ３２を電気駆動式のもので構成し、レギュレータ３２を制御することで、その二次圧を上昇させる方法がある。また、別の方法として、主流流路２２ａにインジェクタを設け、インジェクタをデューティ制御することで、インジェクタが噴射する供給ガスの圧力Ｐ_１を上昇させる方法がある。供給ガスの圧力Ｐ_１の上昇により、エゼクタ２４が噴射する供給流量Ｑ_１が増加し、燃料電池２への循環流量が増加する。そして、この増加後に燃料電池２の出力電流を増加させるようにする。 A third example is that increasing the pressure P ₁ of the feed gas. As a method for this purpose, for example, there is a method in which the regulator 32 is constituted by an electrically driven type and the secondary pressure is increased by controlling the regulator 32. As another method, an injector provided in the main flow passage 22a, by duty control of the injector, there is a method of increasing the pressure P ₁ of the feed gas injector injects. As the pressure P ₁ of the supply gas increases, the supply flow rate Q ₁ injected by the ejector 24 increases, and the circulation flow rate to the fuel cell 2 increases. Then, after this increase, the output current of the fuel cell 2 is increased.

以上のような第２の例及び第３の例によれば、ドラビリ悪化を抑制できると共に、燃料電池２における燃料不足の抑制と耐久性の向上とを図ることができる。   According to the second example and the third example as described above, it is possible to suppress the deterioration of the drivability, to suppress the shortage of fuel in the fuel cell 2 and to improve the durability.

＜変形例＞
エゼクタ２４を酸素ガス配管系３に配設してもよい。例えば、エゼクタ２４によって、コンプレッサ１５からの新たな酸素ガスに、排出流路１３の酸素オフガスを合流させ、この合流後の混合酸素ガスを燃料電池２に供給してもよい。その場合にも、上記した推定方法により酸素オフガスの循環流量を推定できると共に、その推定結果を用いた最適な酸化ガス供給制御を行うことができる。 <Modification>
The ejector 24 may be disposed in the oxygen gas piping system 3. For example, the ejector 24 may join the oxygen off-gas in the discharge passage 13 with new oxygen gas from the compressor 15 and supply the mixed oxygen gas after the joining to the fuel cell 2. In this case, the oxygen off-gas circulation flow rate can be estimated by the above-described estimation method, and optimum oxidant gas supply control using the estimation result can be performed.

上記した本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。   The above-described fuel cell system 1 of the present invention can be mounted on a train, an aircraft, a ship, a self-propelled robot, or other mobile body other than a two-wheel or four-wheel automobile. Further, the fuel cell system 1 can be used for stationary use and can be incorporated into a cogeneration system.

実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。It is a block diagram which shows the principal part of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムにおける循環流量の推定方法によって求められたマップであり、供給流量とエゼクタ効率との関係を示すものである。It is the map calculated | required by the estimation method of the circulating flow volume in the fuel cell system which concerns on embodiment, and shows the relationship between supply flow volume and ejector efficiency. 実施形態に係る燃料電池システムのエゼクタまわりのガスの状態モデルを示す図である。It is a figure which shows the state model of the gas around the ejector of the fuel cell system which concerns on embodiment. 改良例に係る燃料電池システムのエゼクタまわりのガスの状態モデルを示す図である。It is a figure which shows the state model of the gas around the ejector of the fuel cell system which concerns on the example of improvement.

符号の説明Explanation of symbols

１：燃料電池システム、２：燃料電池、２２：供給流路、２３：循環流路、２４：エゼクタ、３６：排気排水弁（パージ弁）   1: Fuel cell system, 2: Fuel cell, 22: Supply channel, 23: Circulation channel, 24: Ejector, 36: Exhaust drain valve (purge valve)

Claims (11)

燃料電池への新たな供給ガスに当該燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタを備えた燃料電池システムにおける循環流量の推定方法であって、
前記供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率を算出する算出工程と、
検出された前記供給ガスの圧力値、又は、検出値から推定した前記供給ガスの圧力推定値を少なくとも用いて、前記算出工程により算出されたエゼクタ効率から前記循環ガスの循環流量を推定する推定工程と、
を備えた、燃料電池システムにおける循環流量の推定方法。 A method for estimating a circulating flow rate in a fuel cell system including an ejector for joining a circulating gas discharged from the fuel cell to a new supply gas to the fuel cell,
A calculation step of calculating an ejector efficiency with respect to a supply flow rate of the supply gas;
An estimation step of estimating the circulation flow rate of the circulation gas from the ejector efficiency calculated by the calculation step using at least the detected pressure value of the supply gas or the estimated pressure value of the supply gas estimated from the detection value When,
A method for estimating a circulating flow rate in a fuel cell system. 前記算出工程と前記推定工程とは、前記燃料電池システムの別々の運転時に実行されるものであり、
前記算出工程は、少なくとも、
前記供給ガスの供給流量、圧力及び温度と、
前記循環ガスの循環流量、圧力及び温度と、
前記供給ガスと前記循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、に基づいて前記エゼクタ効率を算出する、請求項１に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法。 The calculation step and the estimation step are executed during separate operations of the fuel cell system,
The calculation step includes at least:
Supply flow rate, pressure and temperature of the supply gas;
The circulating flow rate, pressure and temperature of the circulating gas;
The method for estimating the circulating flow rate in the fuel cell system according to claim 1, wherein the ejector efficiency is calculated based on a gas pressure downstream of a confluence of the supply gas and the circulating gas. 前記算出工程と前記推定工程とは、前記燃料電池システムの別々の運転時に実行されるものであり、
前記推定工程は、前記供給ガスの圧力値の検出値又は圧力推定値に加えて、少なくとも、
前記供給ガスの供給流量及び温度と、
前記循環ガスの圧力及び温度と、
前記供給ガスと前記循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、の各値を用いて、前記算出工程により算出されたエゼクタ効率から前記循環ガスの循環流量を推定する、請求項１に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法。 The calculation step and the estimation step are executed during separate operations of the fuel cell system,
In addition to the detected value or estimated pressure value of the pressure value of the supply gas, the estimation step includes at least:
Supply flow rate and temperature of the supply gas;
The pressure and temperature of the circulating gas;
The circulation flow rate of the circulation gas is estimated from the ejector efficiency calculated by the calculation step using each value of the gas pressure downstream of the confluence of the supply gas and the circulation gas. A method for estimating a circulating flow rate in the fuel cell system according to claim 1. 前記循環ガス中の不純物レベルに応じて、前記推定工程により推定された循環流量の推定値を補正する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法。   The method for estimating a circulating flow rate in a fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein an estimated value of the circulating flow rate estimated in the estimating step is corrected according to an impurity level in the circulating gas. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法を用いた燃料電池システムの運転方法において、
当該推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、前記燃料電池の出力電流を制限する、燃料電池システムの運転方法。 In the operation method of the fuel cell system using the estimation method of the circulating flow rate in the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
A method of operating a fuel cell system, wherein the output current of the fuel cell is limited when the circulation flow rate estimated by the estimation method is likely to be less than or less than a target circulation flow rate. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法を用いた燃料電池システムの運転方法において、
当該推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、前記燃料電池から前記エゼクタまでの循環流路の外部へと前記循環ガスを排出するパージ弁を開弁する、燃料電池システムの運転方法。 In the operation method of the fuel cell system using the estimation method of the circulating flow rate in the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
When the circulation flow rate estimated by the estimation method is less than or less than the target circulation flow rate, the purge valve for discharging the circulation gas to the outside of the circulation flow path from the fuel cell to the ejector is opened. A method of operating the fuel cell system. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法を用いた燃料電池システムの運転方法において、
当該推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、前記供給ガスの圧力を上昇させる燃料電池システムの運転方法。 In the operation method of the fuel cell system using the estimation method of the circulating flow rate in the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
A method for operating a fuel cell system, wherein the supply gas pressure is increased when the circulation flow rate estimated by the estimation method is likely to be lower or lower than the target circulation flow rate. 前記供給ガス及び前記循環ガスは、水素を含有する燃料ガスである、請求項５ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。   The operation method of the fuel cell system according to any one of claims 5 to 7, wherein the supply gas and the circulation gas are fuel gas containing hydrogen. 燃料電池と、
前記燃料電池への新たな供給ガスに当該燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率に関する情報を記憶した記憶装置と、
少なくとも前記供給ガスの圧力又は当該圧力を推定するための値を検出する検出装置と、
前記検出装置の検出結果を用いて、前記記憶装置に記憶されたエゼクタ効率から前記循環ガスの循環流量を推定する制御装置と、を備えた燃料電池システム。 A fuel cell;
An ejector that joins a circulating gas discharged from the fuel cell to a new supply gas to the fuel cell, and a fuel cell system comprising:
A storage device storing information relating to the ejector efficiency with respect to the supply flow rate of the supply gas;
A detection device for detecting at least the pressure of the supply gas or a value for estimating the pressure;
A fuel cell system comprising: a control device that estimates a circulating flow rate of the circulating gas from an ejector efficiency stored in the storage device using a detection result of the detection device. 前記制御装置は、前記循環ガス中の不純物レベルに応じて、前記循環流量の推定値を補正する、請求項９に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 9, wherein the control device corrects the estimated value of the circulation flow rate according to an impurity level in the circulation gas. 前記制御装置は、前記循環流量の推定値が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、当該推定値が目標循環流量を満たす場合とは当該燃料電池システムの運転を異ならせる、請求項９又は１０に記載の燃料電池システム。   The control device makes the operation of the fuel cell system different from a case where the estimated value satisfies the target circulation flow rate when the estimated value of the circulation flow rate may fall below or below the target circulation flow rate. The fuel cell system according to 9 or 10.

Images