JP2017147038A - Pressure control method during output acceleration of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To rapidly increase, with simple control, a current value during output acceleration.SOLUTION: In a fuel cell system 10 to which a pressure control method during output acceleration according to the present invention is applied, the supply pressure of hydrogen gas supplied from a fuel gas supply device 14 and the supply pressure of air supplied from an oxidant gas supply device 16 are individually controlled. Further, according to the pressure control method, the pressure rise speed of the hydrogen gas is controlled to be greater than the pressure rise speed of the air when an output acceleration of the fuel cell system 10 is requested.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、及び前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply device that supplies the fuel gas, and a fuel cell system that includes the oxidant gas supply device that supplies the oxidant gas. The present invention relates to a pressure control method at the time of output acceleration.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、燃料電池スタックを構成し、前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムが、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に搭載されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface. It has. The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators to constitute a power generation cell (unit cell). Usually, a fuel cell stack is configured by stacking a predetermined number of power generation cells, and a fuel cell system incorporating the fuel cell stack is mounted on, for example, a fuel cell vehicle (fuel cell electric vehicle or the like). .

燃料電池システムは、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を備えている。燃料電池システムでは、一般的に、燃料電池スタック内のアノード流路側の圧力（以下、アノード圧力ともいう）が、カソード流路側の圧力（以下、カソード圧力ともいう）よりも高くなるように設定されている。そこで、燃料電池スタック内のアノード圧力とカソード圧力との膜間差圧（極間差圧）を適切に管理し、燃料電池の劣化を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。   The fuel cell system includes a fuel gas supply device that supplies fuel gas and an oxidant gas supply device that supplies oxidant gas. In a fuel cell system, in general, the pressure on the anode flow path side in the fuel cell stack (hereinafter also referred to as anode pressure) is set to be higher than the pressure on the cathode flow path side (hereinafter also referred to as cathode pressure). ing. Therefore, in order to appropriately manage the transmembrane differential pressure (interelectrode differential pressure) between the anode pressure and the cathode pressure in the fuel cell stack and suppress deterioration of the fuel cell, for example, it is disclosed in Patent Document 1. Fuel cell systems are known.

この燃料電池システムでは、燃料電池に供給される酸化剤ガス（カソードガス）の流量を調節するコンプレッサと、コンプレッサから吐出された酸化剤ガスを加湿する加湿器と、加湿器より上流に設けられて酸化剤ガスの圧力を検出する圧力検出手段を備えている。そして、加湿器の圧力損失が所定値となるコンプレッサの供給流量を上限流量として設定し、この上限流量を超えることがないようにコンプレッサの流量を制御することを特徴としている。このため、加湿器の圧力損失が所定値以上になるのを抑制でき、実際の圧力損失が設定した所定値よりも大きくなるのを抑制できる、としている。   In this fuel cell system, a compressor for adjusting the flow rate of the oxidant gas (cathode gas) supplied to the fuel cell, a humidifier for humidifying the oxidant gas discharged from the compressor, and an upstream of the humidifier are provided. Pressure detecting means for detecting the pressure of the oxidant gas is provided. The compressor supply flow rate at which the pressure loss of the humidifier becomes a predetermined value is set as the upper limit flow rate, and the compressor flow rate is controlled so as not to exceed the upper limit flow rate. For this reason, it can suppress that the pressure loss of a humidifier becomes more than predetermined value, and can suppress that an actual pressure loss becomes larger than the predetermined value which set.

特開２０１５−０７２７３５号公報JP, 2015-072735, A

上記の燃料電池システムにおいて、例えば、コンプレッサとしてターボ型コンプレッサが使用される場合がある。その際、酸化剤ガスの圧力と流量の調整を同時に行うことができない。従って、膜間差圧を保持するために、カソード圧力をアノード圧力の上昇に合わせて上げる必要があり、酸化剤ガスの流量を迅速に上昇させることができないおそれがある。これにより、燃料電池システムの出力加速時に、所望の電流を取り出すことができず、出力加速が良好に遂行されないという問題がある。   In the above fuel cell system, for example, a turbo compressor may be used as the compressor. At that time, the pressure and flow rate of the oxidant gas cannot be adjusted simultaneously. Therefore, in order to maintain the transmembrane pressure difference, it is necessary to increase the cathode pressure in accordance with the increase in the anode pressure, and there is a possibility that the flow rate of the oxidant gas cannot be increased rapidly. As a result, there is a problem that a desired current cannot be taken out when the output of the fuel cell system is accelerated, and the output acceleration is not performed well.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な制御で、出力加速時に電流値を迅速に上げることが可能な燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve this kind of problem, and to provide a pressure control method at the time of output acceleration of a fuel cell system capable of rapidly increasing a current value at the time of output acceleration by simple control. And

本発明に係る出力加速時における圧力制御方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスをアノード流路に供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスをカソード流路に供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えている。燃料電池は、アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスと、カソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により、発電する。   A fuel cell system to which a pressure control method during output acceleration according to the present invention is applied includes a fuel cell, a fuel gas supply device that supplies fuel gas to an anode flow path, and an oxidation that supplies oxidant gas to a cathode flow path. An agent gas supply device. The fuel cell generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode via the anode flow path and an oxidant gas supplied to the cathode electrode via the cathode flow path.

燃料電池システムでは、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力とが個別に制御されている。そして、この圧力制御方法は、燃料電池システムの出力加速要求がなされた際、燃料ガスの昇圧速度が酸化剤ガスの昇圧速度よりも速くなるように制御している。   In the fuel cell system, the fuel gas supply pressure and the oxidant gas supply pressure are individually controlled. In this pressure control method, when the output acceleration request of the fuel cell system is requested, the pressure increase speed of the fuel gas is controlled to be higher than the pressure increase speed of the oxidant gas.

また、酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガスをカソード流路に供給するエアポンプを備えることが好ましい。その際、この圧力制御方法は、エアポンプの回転数を、出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることにより、酸化剤ガスの供給量を増量させた後、前記酸化剤ガスの供給圧力を上昇させることが好ましい。   The oxidant gas supply device preferably includes an air pump that supplies the oxidant gas to the cathode channel. In this case, the pressure control method increases the supply amount of the oxidant gas by increasing the rotation speed of the air pump higher than the rotation speed in the normal operation when the output acceleration is requested, and then supplies the supply pressure of the oxidant gas. Is preferably increased.

さらに、この圧力制御方法では、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、規定圧力以上になった際、前記燃料ガスの供給圧力の上限値を制限することが好ましい。   Further, in this pressure control method, when the inter-electrode differential pressure between the fuel gas supply pressure and the oxidant gas supply pressure becomes a specified pressure or higher, the upper limit value of the fuel gas supply pressure may be limited. preferable.

さらにまた、本発明に係る圧力制御方法は、燃料電池システムの出力加速要求がなされた際、燃料ガスの供給圧力が酸化剤ガスの供給圧力よりも高くなるように、それぞれの供給圧力が昇圧されている。しかも、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、出力加速開始時よりも出力加速途上で大きくなるように制御している。   Furthermore, in the pressure control method according to the present invention, when the output acceleration request of the fuel cell system is made, each supply pressure is increased so that the supply pressure of the fuel gas becomes higher than the supply pressure of the oxidant gas. ing. In addition, the pressure difference between the supply pressure of the fuel gas and the supply pressure of the oxidant gas is controlled so as to be larger during the output acceleration than when the output acceleration is started.

本発明によれば、出力加速時に、燃料ガスの供給圧力が酸化剤ガスの供給圧力よりも迅速に昇圧されている。このため、燃料ガスのストイキを急速に上げることができ、所望の電流値まで素早く上げることが可能になる。   According to the present invention, at the time of output acceleration, the supply pressure of the fuel gas is increased more rapidly than the supply pressure of the oxidant gas. For this reason, the stoichiometry of the fuel gas can be increased rapidly, and it becomes possible to quickly increase to a desired current value.

また、本発明によれば、出力加速時に、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、出力加速開始時よりも出力加速途上で大きくなっている。従って、極間差圧の増大を許容して燃料ガスの供給圧力が昇圧されるため、所望の電流値まで素早く上げることができる。   Further, according to the present invention, during output acceleration, the pressure difference between the supply pressure of the fuel gas and the supply pressure of the oxidant gas is larger during the output acceleration than when the output acceleration is started. Therefore, since the supply pressure of the fuel gas is increased while allowing an increase in the differential pressure between the electrodes, it can be quickly increased to a desired current value.

本発明の実施形態に係る出力加速時における圧力制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system to which a pressure control method during output acceleration according to an embodiment of the present invention is applied. 前記圧力制御方法において、アノード圧力の昇圧状態及びカソード圧力の昇圧状態の説明図である。In the pressure control method, it is explanatory drawing of the pressure | voltage rise state of an anode pressure, and the pressure | voltage rise state of a cathode pressure. 前記圧力制御方法において、空気流量とＦＣ電流の説明図である。In the said pressure control method, it is explanatory drawing of an air flow rate and FC electric current. 前記圧力制御方法において、空気流量、カソード圧力、エアポンプの回転数及びＦＣ電流の説明図である。In the said pressure control method, it is explanatory drawing of an air flow rate, a cathode pressure, the rotation speed of an air pump, and FC electric current. 前記圧力制御方法において、前記アノード圧力の上限値を制限する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of restrict | limiting the upper limit of the said anode pressure in the said pressure control method.

図１に示すように、本発明の実施形態に係る出力加速時における圧力制御方法が適用される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 to which a pressure control method during output acceleration according to an embodiment of the present invention is applied is mounted on a fuel cell vehicle (not shown) such as a fuel cell electric vehicle, for example. The

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とが設けられる。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12. The fuel cell stack 12 is supplied with a fuel gas supply device 14 that supplies, for example, hydrogen gas, which is a fuel gas, an oxidant gas supply device 16 that supplies, for example, air, which is an oxidant gas, and a cooling medium. And a cooling medium supply device 18 is provided. The fuel cell system 10 further includes a battery 20 that is an energy storage device and a control unit 22 that is a system control device.

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。   In the fuel cell stack 12, a plurality of power generation cells 24 are stacked in the horizontal direction or the vertical direction. In the power generation cell 24, the electrolyte membrane / electrode structure 26 is sandwiched between the first separator 28 and the second separator 30. The first separator 28 and the second separator 30 are constituted by a metal separator or a carbon separator.

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。   The electrolyte membrane / electrode structure 26 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 32 that is a thin film of perfluorosulfonic acid containing moisture, and an anode electrode 34 and a cathode electrode 36 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 32. Is provided. As the solid polymer electrolyte membrane 32, an HC (hydrocarbon) electrolyte is used in addition to the fluorine electrolyte.

第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。   The first separator 28 is provided with a hydrogen gas passage (fuel gas passage) 38 for supplying hydrogen gas to the anode electrode 34 between the electrolyte membrane / electrode structure 26. The second separator 30 is provided with an air flow path 40 for supplying air to the cathode electrode 36 between the electrolyte membrane / electrode structure 26. Between the first separator 28 and the second separator 30 adjacent to each other, a cooling medium flow path 42 is provided for circulating the cooling medium.

燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。   The fuel cell stack 12 is provided with a hydrogen gas inlet 44a, a hydrogen gas outlet 44b, an air inlet 46a, an air outlet 46b, a cooling medium inlet 48a, and a cooling medium outlet 48b. The hydrogen gas inlet 44 a penetrates in the stacking direction of the power generation cells 24 and communicates with the supply side of the hydrogen gas flow path 38. The hydrogen gas outlet 44 b penetrates in the stacking direction of the power generation cells 24 and communicates with the discharge side of the hydrogen gas flow path 38. The hydrogen gas channel 38, the hydrogen gas inlet 44a, and the hydrogen gas outlet 44b constitute an anode channel.

空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。   The air inlet 46 a penetrates in the stacking direction of the power generation cells 24 and communicates with the supply side of the air flow path 40. The air outlet 46 b penetrates in the stacking direction of the power generation cells 24 and communicates with the discharge side of the air flow path 40. The air flow path 40, the air inlet 46a and the air outlet 46b constitute a cathode flow path.

冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。   The cooling medium inlet 48 a penetrates in the stacking direction of the power generation cells 24 and communicates with the supply side of the cooling medium flow path 42. The cooling medium outlet 48 b penetrates in the stacking direction of the power generation cells 24 and communicates with the discharge side of the cooling medium flow path 42.

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路（燃料ガス供給路）５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。   The fuel gas supply device 14 includes a hydrogen tank 50 that stores high-pressure hydrogen. The hydrogen tank 50 communicates with a hydrogen gas inlet 44 a of the fuel cell stack 12 via a hydrogen gas supply path (fuel gas supply path) 52. . The hydrogen gas supply path 52 supplies hydrogen gas to the fuel cell stack 12.

水素ガス供給路５２には、インジェクタ５４及びエゼクタ５６が直列に設けられるとともに、前記インジェクタ５４及び前記エゼクタ５６を跨いでバイパス供給路５８が接続される。バイパス供給路５８には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ６０が設けられる。ＢＰインジェクタ６０は、燃料電池スタック１２の始動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ５４は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。   In the hydrogen gas supply path 52, an injector 54 and an ejector 56 are provided in series, and a bypass supply path 58 is connected across the injector 54 and the ejector 56. The bypass supply path 58 is provided with a BP (bypass) injector 60. The BP injector 60 is a sub-injector used for supplying high-concentration hydrogen when the fuel cell stack 12 is started or when high load power generation is required, while the injector 54 is used during normal power generation. It is a main injector used mainly.

燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路（オフガス配管）６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。   A hydrogen gas discharge path (off-gas pipe) 62 communicates with the hydrogen gas outlet 44 b of the fuel cell stack 12. The hydrogen gas discharge path 62 leads out hydrogen exhaust gas, which is hydrogen gas at least partially used in the anode electrode 34, from the fuel cell stack 12. A gas-liquid separator 64 is connected to the hydrogen gas discharge path 62, and an ejector 56 is connected via a hydrogen circulation channel 66 that branches from the downstream side of the gas-liquid separator 64. A hydrogen pump 68 is provided in the hydrogen circulation channel 66. The hydrogen pump 68 circulates the hydrogen exhaust gas discharged to the hydrogen gas discharge passage 62 through the hydrogen circulation passage 66 to the hydrogen gas supply passage 52 particularly at the time of activation.

水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。   One end of the purge flow path 70 communicates with the downstream of the hydrogen gas discharge path 62, and a purge valve 72 is provided in the middle of the purge flow path 70. One end of a drainage channel 74 for discharging a fluid mainly containing a liquid component is connected to the bottom of the gas-liquid separator 64. A drain valve 76 is disposed along the drainage flow path 74.

燃料ガス供給装置１４は、アノード流路の水素ガス圧力を検出するために、例えば、水素ガス供給路５２に水素ガス入口４４ａの近傍に位置してアノード圧力センサ７７を設ける。アノード圧力センサ７７の検出信号は、制御部２２に送られる。   In order to detect the hydrogen gas pressure in the anode flow path, the fuel gas supply apparatus 14 is provided with an anode pressure sensor 77 located in the vicinity of the hydrogen gas inlet 44a in the hydrogen gas supply path 52, for example. A detection signal of the anode pressure sensor 77 is sent to the control unit 22.

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（例えば、ターボ型コンプレッサ）７８を備え、前記エアポンプ７８が空気供給路（酸化剤ガス供給路）８０に配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する。   The oxidant gas supply device 16 includes an air pump (for example, a turbo compressor) 78 that compresses and supplies air from the atmosphere, and the air pump 78 is disposed in an air supply path (oxidant gas supply path) 80. . The air supply path 80 supplies air to the fuel cell stack 12.

空気供給路８０は、エアポンプ７８の下流側に位置して供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４を配設するとともに、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する。空気供給路８０には、加湿器８４を跨いでバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、開閉弁８８が設けられる。   The air supply path 80 is located on the downstream side of the air pump 78 and is provided with a supply-side on-off valve (inlet sealing valve) 82 a and a humidifier 84 and communicates with the air inlet 46 a of the fuel cell stack 12. A bypass supply path 86 is connected to the air supply path 80 across the humidifier 84. An open / close valve 88 is provided in the bypass supply path 86.

燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路（酸化剤ガス排出路）９０が連通する。空気排出路９０には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器８４、排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続され、希釈部を構成する。   An air discharge path (oxidant gas discharge path) 90 communicates with the air outlet 46 b of the fuel cell stack 12. The air discharge path 90 is provided with a humidifier 84 that exchanges moisture and heat between supply air and discharge air, a discharge-side on-off valve (outlet sealing valve) 82b, and a back pressure valve 92. The air discharge path 90 discharges exhaust air, which is air that is at least partially used by the cathode electrode 36, from the fuel cell stack 12. Downstream of the air discharge path 90, the other end of the purge flow path 70 and the other end of the drain flow path 74 are connected to form a dilution section.

空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、バイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側及び排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環させる。   The air supply path 80 and the air discharge path 90 are located on both the upstream side of the supply side opening / closing valve 82a, the downstream side of the discharge side opening / closing valve 82b, and the downstream side of the back pressure valve 92. Communicate. The bypass flow path 94 is provided with a BP flow rate adjustment valve 96 that adjusts the flow rate of air flowing through the bypass flow path 94. An air circulation passage 98 is in communication with the air supply passage 80 and the air discharge passage 90 on the downstream side of the supply side opening / closing valve 82a and the upstream side of the discharge side opening / closing valve 82b. A circulation pump 100 is disposed in the air circulation channel 98. The circulation pump 100 circulates the exhaust air discharged to the air discharge passage 90 through the air circulation passage 98 to the air supply passage 80.

酸化剤ガス供給装置１６は、カソード流路の空気圧力を検出するために、例えば、空気供給路８０の任意の位置に、又は、空気排出路９０の任意の位置に、カソード圧力センサ１０１を設ける。カソード圧力センサ１０１の検出信号は、制御部２２に送られる。   In order to detect the air pressure in the cathode flow path, the oxidant gas supply device 16 is provided with the cathode pressure sensor 101 at an arbitrary position in the air supply path 80 or an arbitrary position in the air discharge path 90, for example. . A detection signal of the cathode pressure sensor 101 is sent to the control unit 22.

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。   The cooling medium supply device 18 includes a cooling medium supply path 102 connected to the cooling medium inlet 48 a of the fuel cell stack 12, and a water pump 104 is disposed in the middle of the cooling medium supply path 102. The cooling medium supply path 102 is connected to a radiator 106, and the radiator 106 is connected to a cooling medium discharge path 108 communicating with the cooling medium outlet 48b.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

燃料ガス供給装置１４では、水素タンク５０から水素ガス供給路５２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。水素ガスは、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。   In the fuel gas supply device 14, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 50 to the hydrogen gas supply path 52. This hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas inlet 44 a of the fuel cell stack 12 through the injector 54 and the ejector 56. The hydrogen gas is introduced into the hydrogen gas flow path 38 from the hydrogen gas inlet 44 a, and is supplied to the anode electrode 34 of the electrolyte membrane / electrode structure 26 by moving along the hydrogen gas flow path 38.

酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ７８の回転作用下に、空気供給路８０に空気が送られる。この空気は、加湿器８４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入され、前記空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。   In the oxidant gas supply device 16, air is sent to the air supply path 80 under the rotating action of the air pump 78. This air is humidified through the humidifier 84 and then supplied to the air inlet 46 a of the fuel cell stack 12. Air is introduced into the air flow path 40 from the air inlet 46 a, and is supplied to the cathode electrode 36 of the electrolyte membrane / electrode structure 26 by moving along the air flow path 40.

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Accordingly, in each electrolyte membrane / electrode structure 26, hydrogen gas supplied to the anode electrode 34 and oxygen in the air supplied to the cathode electrode 36 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。   In the cooling medium supply device 18, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the cooling medium supply path 102 to the cooling medium inlet 48 a of the fuel cell stack 12 under the action of the water pump 104. The cooling medium flows along the cooling medium flow path 42, cools the power generation cell 24, and then is discharged from the cooling medium outlet 48 b to the cooling medium discharge path 108.

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガス（水素排ガス）は、水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入され、エゼクタ５６の吸引作用下に水素ガス供給路５２に循環される。水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。   Next, the hydrogen gas (hydrogen exhaust gas) supplied to the anode electrode 34 and partially consumed is discharged from the hydrogen gas outlet 44 b to the hydrogen gas discharge path 62. The hydrogen exhaust gas is introduced from the hydrogen gas discharge path 62 to the hydrogen circulation path 66 and circulated to the hydrogen gas supply path 52 under the suction action of the ejector 56. The hydrogen exhaust gas discharged to the hydrogen gas discharge path 62 is discharged (purged) to the outside under the opening action of the purge valve 72 as necessary.

同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気は、空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。排出空気は、加湿器８４を通って空気供給路８０から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整された後、希釈部に排出される。なお、空気排出路９０に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環する。   Similarly, air that is supplied to the cathode electrode 36 and partially consumed is discharged from the air outlet 46 b to the air discharge path 90. The exhausted air is humidified with new air supplied from the air supply path 80 through the humidifier 84, adjusted to the set pressure of the back pressure valve 92, and then discharged to the dilution unit. In addition, the air discharged | emitted by the air exhaust path 90 circulates to the air supply path 80 through the air circulation flow path 98 under the effect | action of the circulation pump 100 as needed.

次いで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の出力加速時における圧力制御方法について、以下に説明する。   Next, a pressure control method during output acceleration of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described below.

エアポンプ７８は、通常、同一の回転数に維持されている際、空気供給圧力と空気流量とが反比例するとともに、前記エアポンプ７８の回転数が上昇されるのに比例して、前記空気供給圧力及び前記空気流量が大きくなる。   In general, when the air pump 78 is maintained at the same rotation speed, the air supply pressure and the air flow rate are inversely proportional, and the air supply pressure and the air flow rate are increased in proportion to the increase in the rotation speed of the air pump 78. The air flow rate increases.

燃料電池システム１０では、燃料ガス供給装置１４からアノード流路に供給される水素ガスの供給圧力（以下、アノード圧力ともいう）と、酸化剤ガス供給装置１６からカソード流路に供給される空気の供給圧力（以下、カソード圧力ともいう）とが、個別に制御されている。そこで、例えば、図示しないアクセルが踏み込まれて、燃料電池システム１０の出力加速要求がなされると、水素ガスの昇圧速度が空気の昇圧速度よりも速くなるように制御される。出力加速要求とは、例えば、燃料電池車両を加速させる要求であり、燃料電池スタック１２の出力（取り出される電流値）を急激に上げる場合等をいう。   In the fuel cell system 10, hydrogen gas supply pressure (hereinafter also referred to as anode pressure) supplied from the fuel gas supply device 14 to the anode flow channel and air supplied from the oxidant gas supply device 16 to the cathode flow channel are supplied. Supply pressure (hereinafter also referred to as cathode pressure) is individually controlled. Therefore, for example, when an accelerator (not shown) is depressed and an output acceleration request for the fuel cell system 10 is made, the pressure increase rate of the hydrogen gas is controlled to be higher than the pressure increase rate of the air. The output acceleration request is a request for accelerating the fuel cell vehicle, for example, when the output of the fuel cell stack 12 (current value to be taken out) is suddenly increased.

具体的には、図２に示すように、アノード圧力は、カソード圧力よりも高くなるように制御される。通常、アノード圧力の昇圧速度は、カソード圧力の昇圧速度と同一になるように制御されるのに対し（図２中、二点鎖線参照）、本実施形態では、アノード圧力の昇圧速度が、カソード圧力の昇圧速度よりも速くなるように制御される（図２中、実線参照）。換言すれば、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、出力加速開始時（極間差圧Ｐｓｔ）よりも出力加速途上（極間差圧Ｐｈａ）で大きくなるように制御される（Ｐｓｔ＜Ｐｈａ）。   Specifically, as shown in FIG. 2, the anode pressure is controlled to be higher than the cathode pressure. Normally, the pressure increase rate of the anode pressure is controlled to be the same as the pressure increase rate of the cathode pressure (refer to the two-dot chain line in FIG. 2), whereas in this embodiment, the pressure increase rate of the anode pressure is The pressure is controlled to be higher than the pressure increase rate (see the solid line in FIG. 2). In other words, the inter-electrode differential pressure between the anode pressure and the cathode pressure is controlled to be larger during the output acceleration (inter-electrode differential pressure Pha) than at the start of output acceleration (inter-electrode differential pressure Pst) (Pst <Pha).

アノード圧力は、ＦＣ電流に応じて昇圧されている。アノード圧力は、具体的には、インジェクタ５４の開度調整又はインジェクタ５４の開度調整により、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの圧力を上げることによって、昇圧される。その際、アノード圧力は、アノード圧力センサ７７により検出されており、制御部２２により前記アノード圧力が制御されている。   The anode pressure is increased according to the FC current. Specifically, the anode pressure is increased by increasing the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 12 by adjusting the opening of the injector 54 or adjusting the opening of the injector 54. At that time, the anode pressure is detected by the anode pressure sensor 77, and the anode pressure is controlled by the control unit 22.

カソード圧力は、エアポンプ７８の制御により昇圧されている。その際、カソード流路では、まず、エアポンプ７８の回転数を、出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることによって、通常運転時よりも空気の供給量が増量されている（図３参照）。   The cathode pressure is increased by the control of the air pump 78. At that time, in the cathode flow path, first, the air supply amount is increased compared with that in the normal operation by increasing the rotation speed of the air pump 78 higher than that in the normal operation when the output acceleration is requested (FIG. 3). reference).

次いで、図４に示すように、エアポンプ７８の回転作用下に、カソード圧力を上昇させている。空気流量は、エアポンプ７８の回転数に追随して調整され、燃料電池スタック１２の出力電流（以下、ＦＣ電流ともいう）は、前記空気流量の増加に伴って増加している。   Next, as shown in FIG. 4, the cathode pressure is increased under the rotational action of the air pump 78. The air flow rate is adjusted following the number of revolutions of the air pump 78, and the output current (hereinafter also referred to as FC current) of the fuel cell stack 12 increases as the air flow rate increases.

さらに、図５に示すように、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、規定圧力Ｐｍａｘ以上になった際、前記アノード圧力の上限値を制限している。すなわち、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、規定圧力Ｐｍａｘを下回るように、アノード圧力が制限されている。   Further, as shown in FIG. 5, when the inter-electrode differential pressure between the anode pressure and the cathode pressure becomes equal to or higher than a specified pressure Pmax, the upper limit value of the anode pressure is limited. That is, the anode pressure is limited so that the pressure difference between the anode pressure and the cathode pressure is lower than the specified pressure Pmax.

この場合、本実施形態では、図２に示すように、燃料電池システム１０の出力加速時に、アノード圧力がカソード圧力よりも迅速に昇圧されている。このため、燃料ガスのストイキを急速に上げることができ、所望のＦＣ電流（電流値）まで素早く上げることが可能になる（図２中、ＦＣ電流を示す二点鎖線から実線参照）。   In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the anode pressure is increased more rapidly than the cathode pressure when the output of the fuel cell system 10 is accelerated. For this reason, the stoichiometry of the fuel gas can be rapidly increased and can be quickly increased to a desired FC current (current value) (refer to the solid line from the two-dot chain line indicating the FC current in FIG. 2).

また、本実施形態では、燃料電池システム１０の出力加速時に、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、出力加速開始時（極間差圧Ｐｓｔ）よりも出力加速途上（極間差圧Ｐｈａ）で大きくなるように制御されている。従って、燃料電池スタック１２では、極間差圧の増大を許容してアノード圧力が昇圧されるため、所望の電流値まで素早く上げることができる。   Further, in the present embodiment, during the output acceleration of the fuel cell system 10, the interelectrode differential pressure between the anode pressure and the cathode pressure is more in the middle of the output acceleration (interelectrode differential pressure) than when the output acceleration is started (interelectrode differential pressure Pst). Pha) is controlled to increase. Therefore, in the fuel cell stack 12, the anode pressure is increased while allowing an increase in the differential pressure between the electrodes, so that it can be quickly increased to a desired current value.

さらに、図３及び図４に示すように、まず、エアポンプ７８の回転数を、出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることによって、通常運転時よりも空気の供給量を増量させている。次いで、エアポンプ７８の回転作用下に、カソード圧力を昇圧させている。   Further, as shown in FIGS. 3 and 4, first, by increasing the rotational speed of the air pump 78 higher than the rotational speed in the normal operation when the output acceleration is requested, the amount of air supply is increased compared with that in the normal operation. Yes. Next, the cathode pressure is increased under the rotational action of the air pump 78.

これにより、空気流量を迅速に確保することができ、アノード圧力の昇圧に合わせて電流値を上げても、空気のストイキが不足することを阻止することが可能になる。このため、所望の出力電流を早急に取り出すことができる。しかも、エアポンプ７８は、圧力を上げないため、回転数を抑えることが可能になり、消費電力の削減が容易に図られる。   As a result, the air flow rate can be secured quickly, and even if the current value is increased in accordance with the increase in the anode pressure, it is possible to prevent a shortage of air stoichiometry. For this reason, a desired output current can be taken out immediately. Moreover, since the air pump 78 does not increase the pressure, it is possible to suppress the number of rotations, and power consumption can be easily reduced.

さらにまた、図５に示すように、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、規定圧力Ｐｍａｘ以上になった際、前記アノード圧力の上限値が制限されている。従って、カソード圧力の減圧を避けて昇圧させることができ、例えば、背圧弁９２が急に閉じられることがなく、エアポンプ７８の制御性が低下することを確実に抑制することができる。しかも、低負荷発電時には、アノード圧力及びカソード圧力をできるだけ低く設定している。これにより、水素ガス及び空気の消費量を有効に削減することが可能になり、燃費の向上が容易に図られる。   Furthermore, as shown in FIG. 5, when the inter-electrode differential pressure between the anode pressure and the cathode pressure becomes equal to or higher than the specified pressure Pmax, the upper limit value of the anode pressure is limited. Therefore, it is possible to increase the pressure while avoiding the reduction of the cathode pressure. For example, the back pressure valve 92 is not suddenly closed, and the controllability of the air pump 78 can be reliably suppressed from decreasing. Moreover, the anode pressure and cathode pressure are set as low as possible during low load power generation. Thereby, it becomes possible to reduce the consumption of hydrogen gas and air effectively, and the fuel consumption can be easily improved.

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…制御部 ２４…発電セル
２６…電解質膜・電極構造体 ２８、３０…セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８…水素ガス流路
４０…空気流路 ５０…水素タンク
５２…水素ガス供給路 ７７、１０１…圧力センサ
７８…エアポンプ ８０…空気供給路
８２ａ…供給側開閉弁 ８２ｂ…排出側開閉弁
８４…加湿器 ８６、９４…バイパス流路
９０…空気排出路 ９２…背圧弁
９６…ＢＰ流量調整弁 ９８…空気循環流路
１００…循環ポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Fuel gas supply apparatus 16 ... Oxidant gas supply apparatus 18 ... Cooling medium supply apparatus 20 ... Battery 22 ... Control part 24 ... Power generation cell 26 ... Electrolyte membrane and electrode structure 28, DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Separator 32 ... Solid polymer electrolyte membrane 34 ... Anode electrode 36 ... Cathode electrode 38 ... Hydrogen gas flow path 40 ... Air flow path 50 ... Hydrogen tank 52 ... Hydrogen gas supply path 77, 101 ... Pressure sensor 78 ... Air pump 80 ... Air supply path 82a ... Supply side on / off valve 82b ... Discharge side on / off valve 84 ... Humidifier 86, 94 ... Bypass flow path 90 ... Air discharge path 92 ... Back pressure valve 96 ... BP flow control valve 98 ... Air circulation flow path 100 ... Circulation pump

Claims (4)

アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスとカソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを前記アノード流路に供給する燃料ガス供給装置と、
前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給装置と、
を備え、前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力とが個別に制御される燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法であって、
前記燃料電池システムの出力加速要求がなされた際、前記燃料ガスの昇圧速度が前記酸化剤ガスの昇圧速度よりも速くなるように制御することを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。 A fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode via the anode channel and an oxidant gas supplied to the cathode electrode via the cathode channel;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the anode channel;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the cathode channel;
A pressure control method at the time of output acceleration of a fuel cell system in which the supply pressure of the fuel gas and the supply pressure of the oxidant gas are individually controlled,
When the output acceleration request of the fuel cell system is made, the pressure control at the time of the output acceleration of the fuel cell system is controlled such that the pressure increase speed of the fuel gas is higher than the pressure increase speed of the oxidant gas Method. 請求項１記載の圧力制御方法であって、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給するエアポンプを備え、
前記エアポンプの回転数を、前記出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることにより、前記酸化剤ガスの供給量を増量させた後、該酸化剤ガスの供給圧力を上昇させることを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。 The pressure control method according to claim 1, wherein the oxidant gas supply device includes an air pump that supplies the oxidant gas to the cathode flow path.
The supply pressure of the oxidant gas is increased after increasing the supply amount of the oxidant gas by increasing the rotation number of the air pump higher than the rotation number in normal operation when the output acceleration is requested. A pressure control method during acceleration of output of the fuel cell system 請求項１又は２記載の圧力制御方法であって、前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、規定圧力以上になった際、前記燃料ガスの供給圧力の上限値を制限することを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。   3. The pressure control method according to claim 1, wherein a supply pressure of the fuel gas when an inter-electrode pressure difference between the supply pressure of the fuel gas and the supply pressure of the oxidant gas is equal to or higher than a specified pressure. A pressure control method for accelerating the output of a fuel cell system, wherein an upper limit value of the fuel cell system is limited. アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスとカソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを前記アノード流路に供給する燃料ガス供給装置と、
前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給装置と、
を備え、前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力とが個別に制御される燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法であって、
前記燃料電池システムの出力加速要求がなされた際、前記燃料ガスの供給圧力が前記酸化剤ガスの供給圧力よりも高くなるように、それぞれの供給圧力が昇圧されるとともに、
前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、出力加速開始時よりも出力加速途上で大きくなるように制御することを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。 A fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode via the anode channel and an oxidant gas supplied to the cathode electrode via the cathode channel;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the anode channel;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the cathode channel;
A pressure control method at the time of output acceleration of a fuel cell system in which the supply pressure of the fuel gas and the supply pressure of the oxidant gas are individually controlled,
When the output acceleration request of the fuel cell system is made, each supply pressure is increased so that the supply pressure of the fuel gas becomes higher than the supply pressure of the oxidant gas,
The output pressure of the fuel cell system is controlled such that an inter-electrode differential pressure between the supply pressure of the fuel gas and the supply pressure of the oxidant gas is larger in the course of output acceleration than at the start of output acceleration. Pressure control method.
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