JP5983395B2 - 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.
燃料電池で発電を行うと、燃料電池のアノード内に不純物が発生する。そこで、水素濃度を維持するためにアノード内の不純物を水素と共にパージすることでその濃度を維持している。 When power is generated by the fuel cell, impurities are generated in the anode of the fuel cell. Therefore, in order to maintain the hydrogen concentration, the concentration is maintained by purging impurities in the anode together with hydrogen.
一方で不純物をパージする場合は、排出されるガスの水素濃度が十分に低くなるようにカソードガスで希釈することが知られている。 On the other hand, when purging impurities, it is known to dilute with cathode gas so that the hydrogen concentration of the exhausted gas is sufficiently low.
特許文献1の燃料電池システムでは不純物を排出するためのパージ弁を2つ備え、所定の周期で両弁の開閉を繰り返している。一方の弁は開弁周期の開始から開弁し、他方のパージ弁は開弁周期の終わりを合わせるように開弁する。なお、2つのパージ弁の開弁時間は、アノード内の不純物(窒素と水)の量に比例して長くなる。
The fuel cell system of
上記のパージ方法では、両弁の開閉周期を定めているために2つのパージ弁の開弁時間が長くなると、両弁が同時に開くようになり、このときは、片弁ずつ開弁した場合に比べて排出される水素の量は略2倍になる。そのため、カソード側は、片弁のみ開弁する時よりも多くのカソードガスを流すことで、水素濃度を所定濃度以下とすることが必要になる。 In the above purging method, since the opening / closing cycle of both valves is determined, if the opening time of the two purge valves becomes longer, both valves will be opened simultaneously. In comparison, the amount of hydrogen discharged is approximately doubled. Therefore, on the cathode side, it is necessary to set the hydrogen concentration below a predetermined concentration by flowing more cathode gas than when only one valve is opened.
この希釈を行うためにコンプレッサによるカソードガスの流量を増量するのだが、燃料電池システムの状態によっては2つのパージ弁を同時に開弁する時に必要なカソードガスの流量をコンプレッサが流せない場合がある。たとえば、WRD(Water Recovery Device)の耐熱保護のために、コンプレッサの流量が制限された場合である。 In order to perform this dilution, the flow rate of the cathode gas by the compressor is increased. However, depending on the state of the fuel cell system, the compressor may not be able to flow the necessary flow rate of the cathode gas when the two purge valves are opened simultaneously. For example, this is a case where the flow rate of the compressor is limited for heat resistance protection of a WRD (Water Recovery Device).
この場合、パージによって不純物と共に排出されるガスの水素濃度を所定濃度以下とすることができない可能性がある。本発明では、このような状況においても、パージによって不純物と共に排出されるガスの水素濃度の増大を抑制できる装置を提供することを目的とする。 In this case, there is a possibility that the hydrogen concentration of the gas discharged together with the impurities by the purge cannot be made lower than the predetermined concentration. An object of the present invention is to provide an apparatus capable of suppressing an increase in the hydrogen concentration of a gas discharged together with impurities by purging even in such a situation.
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、カソードガス供給通路を介してカソードガスを燃料電池スタックへ供給するためのカソードガス供給機と、カソードガス供給通路、若しくはカソードオフガス排出通路に合流すると共に、燃料電池スタックのアノードオフガスが流れる2つのアノードオフガス排出通路と、一方のアノードオフガス排出通路に設けられ、アノードオフガスを外部に排出する第1のパージ弁と、他方のアノードオフガス排出通路に設けられ、アノードオフガスを外部に排出する第2のパージ弁と、燃料電池システムの状態に基づいて決定される第1のパージ弁の開弁時間に基づいて、第1のパージ弁の開弁と閉弁とを制御する第1パージ弁制御手段と、燃料電池システムの状態に基づいて決定される第2のパージ弁の開弁時間に基づいて、第2のパージ弁の開弁と閉弁とを制御する第2パージ弁制御手段と、両パージ弁が同時に開弁する状況では、同時に開弁しないときに比してカソードガス供給機によるカソードガス流量を増量するカソード流量制御手段と、カソードガス流量がカソードガス流量制限値よりも大きい場合にはカソードガス流量を制限するカソードガス流量制限手段と、を備える。第1パージ弁制御手段及び第2パージ弁制御手段は、カソードガス流量制限手段によってカソードガス流量が制限された場合に、少なくとも第1パージ弁、第2パージ弁のいずれか一方の開弁時間を制限する。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention is a fuel cell system having a fuel cell stack, a cathode gas supply device for supplying cathode gas to the fuel cell stack via a cathode gas supply passage, and a cathode gas A first purge that joins the supply passage or the cathode off-gas discharge passage and is provided in two anode off-gas discharge passages through which the anode off-gas of the fuel cell stack flows and one of the anode off-gas discharge passages and discharges the anode off-gas to the outside A valve, a second purge valve that is provided in the other anode offgas discharge passage and discharges the anode offgas to the outside, and a valve opening time of the first purge valve that is determined based on the state of the fuel cell system A first purge valve control means for controlling the opening and closing of the first purge valve; A second purge valve control means for controlling the opening and closing of the second purge valve based on the opening time of the second purge valve determined based on the state of the system; In the situation where the valve is opened, the cathode flow rate control means for increasing the cathode gas flow rate by the cathode gas supply device compared to when the valve is not opened at the same time, and the cathode gas flow rate when the cathode gas flow rate is larger than the cathode gas flow rate limit value. A cathode gas flow rate limiting means for limiting. The first purge valve control means and the second purge valve control means provide at least the opening time of either the first purge valve or the second purge valve when the cathode gas flow rate is restricted by the cathode gas flow rate restriction means. Restrict.
この態様によると、第1パージ弁及び第2パージ弁を同時開弁する場合に、カソードガス流量が制限された場合に、少なくとも第1パージ弁、第2パージ弁のいずれか一方の開弁時間を制限することで、燃料電池スタックのアノードから不純物と共に排出されるガスの水素濃度が増大することを抑制することができる。 According to this aspect, when the first purge valve and the second purge valve are simultaneously opened, when the cathode gas flow rate is limited, at least one of the first purge valve and the second purge valve is opened. By limiting this, it is possible to suppress an increase in the hydrogen concentration of the gas discharged together with impurities from the anode of the fuel cell stack.
本発明の実施形態の構成を図1を用いて説明する。図1はアノードガス非循環型の燃料電池システム1の概略構成図である。
The configuration of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating
燃料電池システム1は、燃料電池スタック2と、カソードガス給排装置3と、アノードガス給排装置4と、スタック冷却装置6と、コントローラ7と、を備える。
The
燃料電池スタック2は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、水素及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力(例えばモータを駆動するために必要な電力)を発電する。
The
カソードガス給排装置3は、カソードガス供給通路31と、フィルタ32と、空気コンプレッサ33と、エアフローセンサ34と、カソードガス排出通路35と、バイパス通路36と、流量制御弁37と、圧力センサ38と、空気圧力制御弁39とを備える。
The cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode
カソードガス供給通路31は、燃料電池スタック2のカソード側に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路31は、一端がフィルタ32に接続され、他端が燃料電池スタック2のカソードガス入口孔21に接続される。なお、カソードガス供給通路31に、カソードガスを加湿するためのWRDを設けてもよい。
The cathode
フィルタ32は、カソードガス供給通路31に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
The
空気コンプレッサ33は、カソードガス供給通路31に設けられる。空気コンプレッサ33は、フィルタ32を介してカソードガスとしての空気(外気)をカソードガス供給通路31に取り込み、燃料電池スタック2に供給する。
The
エアフローセンサ34は、空気コンプレッサ33よりも上流のカソードガス供給通路31に設けられる。エアフローセンサ34は、カソードガス供給通路31を流れるカソードガスの流量を検出する。
The
カソードガス排出通路35は、燃料電池スタック2から排出されるカソードオフガス、及びバイパス通路36を介してカソードガス供給通路31から供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス排出通路35は、一端が燃料電池スタック2のカソードガス出口孔22に接続され、他端が開口端となっている。
The cathode
バイパス通路36は、燃料電池スタック2をバイパスしてカソードガス供給通路31とカソードガス排出通路35とを接続する。バイパス通路36は、カソードガス供給通路31から燃料電池スタック2をバイパスしてカソードガスをカソードガス排出通路35に供給可能である。
The
流量制御弁37は、バイパス通路36に設けられる。流量制御弁37は連続的または段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ7によって制御される。流量制御弁37を開くことで、燃料電池スタック2で必要なカソードガスの流量が少ない場合でも、後述するアノードオフガスを希釈するために必要なカソードガスを、バイパス通路36を介してカソードガス排出通路35に供給することができる。
The
圧力センサ38は、バイパス通路36が接続する箇所よりも下流側(燃料電池スタック2側)のカソードガス供給通路31に設けられる。圧力センサ38は、燃料電池スタック2に供給されるカソードガス供給通路31の圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ38で検出した圧力を、燃料電池スタック2のカソード系全体の圧力として代用する。
The
空気圧力制御弁39は、カソードガス排出通路35の、バイパス通路36の合流部より上流に設けられる。空気圧力制御弁39は連続的または段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ7によって制御され、空気圧力制御弁39の開度を小さくすることで、燃料電池スタック2のカソード圧を上昇させることができる。
The air
アノードガス給排装置4は、高圧タンク41と、アノードガス供給通路42と、調圧弁43と、圧力センサ44と、第1アノードガス排出通路45と、第2アノードガス排出通路46と、第1パージ通路47と、第2パージ通路48と、第1パージ弁49と、第2パージ弁50と、バッファタンク51と、を備える。
The anode gas supply / discharge device 4 includes a
高圧タンク41は、燃料電池スタック2に供給する水素を高圧状態に保って貯蔵する。
The
アノードガス供給通路42は、高圧タンク41から排出された水素を燃料電池スタック2のアノード側に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク41に接続され、他端部が燃料電池スタック2のアノードガス入口孔23に接続される。
The anode
調圧弁43は、アノードガス供給通路42に設けられる。調圧弁43は、高圧タンク41から排出された水素を所望の圧力に調節して燃料電池スタック2に供給する。調圧弁43は、連続的または段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ7によって制御される。
The
圧力センサ44は、調圧弁43よりも下流のアノードガス供給通路42に設けられる。圧力センサ44は、調圧弁43よりも下流のアノードガス供給通路42の圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ44で検出した圧力を、バッファタンク51を含む燃料電池スタック2のアノード系全体の圧力として代用する。
The
第1アノードガス排出通路45は、一端部が燃料電池スタック2の第1アノードガス出口孔24に接続され、他端部がバッファタンク51に接続される。第1アノードガス排出通路45には、燃料電池スタック2の電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノード側へと透過してきたカソードガス(窒素など)や水蒸気などの不活性ガスとの混合ガス(以下「アノードオフガス」という。)や燃料電池スタック2の電極反応によって発生する生成水(以下、「液水」という。)が排出される。
The first anode
第2アノードガス排出通路46は、一端部が燃料電池スタック2の第2アノードガス出口孔25に接続され、他端部がバッファタンク51に接続される。第2アノードガス排出通路46には、アノードオフガスや液水が排出される。
The second anode
第1パージ通路47は、一端部が第1アノードガス排出通路45に接続され、他端部が空気圧力制御弁39下流のカソードガス排出通路35に接続される。
The
第2パージ通路48は、一端部が第2アノードガス排出通路46に接続され、他端部が空気圧力制御弁39下流のカソードガス排出通路35に接続される。
The
第1パージ弁49は、第1パージ通路47に設けられる。第1パージ弁49は、開度を全開または全閉に調節することが可能な電磁弁であり、コントローラ7によって制御される。
The
第2パージ弁50は、第2パージ通路48に設けられる。第2パージ弁50は、開度を全開または全閉に調節することが可能な電磁弁であり、コントローラ7によって制御される。
The
第1パージ弁49及び第2パージ弁50を開閉することで、バッファタンク51からパージ通路47、48を介して外気へ排出されるアノードオフガス、液水の量を調節し、バッファタンク51内の水素濃度を所望の濃度に調整すると同時に、アノード内に液水が蓄積することを防止する。バッファタンク51内の水素濃度が低すぎると、バッファタンク51内の水素を用いて燃料電池スタック2で発電する際に電極反応に使用される水素が不足するので、発電不良が生じると共に、燃料電池が劣化するおそれがある。一方で、バッファタンク51内の水素濃度が高すぎると、パージ通路47、48を介してアノードオフガス中の不活性ガスと共に外気へ排出される水素の量が多くなるので、燃費が悪化する。従って、バッファタンク51内の水素濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に制御される。また、アノード内の液水量が多くなると、アノードにおけるMEAへの水素の供給が阻害されて燃料電池スタック2で発電不良が生じるおそれがある。従って、アノード内の液水を適宜排出する。
By opening and closing the
バッファタンク51は、第1アノードガス排出通路45及び第2アノードガス排出通路46を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク51に溜められたアノードオフガスは、第1パージ弁49または第2パージ弁50が開かれたときに、第1パージ通路47または第2パージ通路48を通ってカソードガス排出通路35に排出される。その結果、アノードオフガスとカソードオフガス及びカソードガスとの混合ガス(以下「外気排出ガス」という。)がカソードガス排出通路35の開口端から外気へ排出される。このように、アノードオフガスをカソードオフガス及びカソードガスに混合させた上で外気に排出することで、外気排出ガス中の水素濃度が所定の可燃濃度未満になるようにしている。バッファタンク51のアノードオフガスは、調圧弁43から供給される水素の圧力が小さくなると、燃料電池スタック2に流れ、アノードオフガス中の水素が燃料電池スタック2の電極反応に使用される。なお、以下においては外気排出ガスを形成するカソードオフガス及びカソードガスを単にカソードオフガスとして説明する。
The
スタック冷却装置6は、燃料電池スタック2を冷却し、燃料電池スタック2を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置6は、冷却水循環通路61と、ラジエータ62と、バイパス通路63と、三方弁64と、循環ポンプ65と、電気ヒータ66と、第1水温センサ69と、第2水温センサ80と、ラジエータファン81と、を備える。
The stack cooling device 6 is a device that cools the
冷却水循環通路61は、燃料電池スタック2を冷却するための冷却水が循環する通路であって、一端が燃料電池スタック2の冷却水入口孔26に接続され、他端が燃料電池スタック2の冷却水出口孔27に接続される。
The cooling
ラジエータ62は、冷却水循環通路61に設けられる。ラジエータ62は、燃料電池スタック2から排出され、ラジエータ62の内部を流れる冷却水と、ラジエータファン81などによってラジエータ62の外部を流れる空気と間で熱交換を行い、冷却水を冷却する。
The
ラジエータファン81は、コントローラ7によって回転速度が制御され、ラジエータ62の外部を流れる空気流量を調整する。
The rotation speed of the
バイパス通路63は、ラジエータ62をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が燃料電池スタック2の冷却水出口孔27とラジエータ62との間の冷却水循環通路61に接続され、他端が三方弁64に接続される。
One end of the
三方弁64は、ラジエータ62と燃料電池スタック2の冷却水入口孔26との間の下流側の冷却水循環通路61に設けられる。三方弁64は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック2から排出された冷却水が、ラジエータ62を介して再び燃料電池スタック2に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック2から排出された冷却水が、ラジエータ62を介さずにバイパス通路63を流れて再び燃料電池スタック2に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
The three-
循環ポンプ65は、三方弁64よりも下流側の冷却水循環通路61に設けられて、冷却水を循環させる。
The
電気ヒータ66は、バイパス通路63に設けられる。電気ヒータ66は、燃料電池スタック2の暖機時などに通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
The
第1水温センサ69は、燃料電池スタック2の冷却水出口孔27の近傍の冷却水循環通路61に設けられる。第1水温センサ69は、燃料電池スタック2から排出された冷却水の温度を検出する。
The first
第2水温センサ80は、燃料電池スタック2の冷却水入口孔26の近傍の冷却水循環通路61に設けられる。第2水温センサ80は、燃料電池スタック2に供給される冷却水の温度を検出する。
The second
コントローラ7は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。
The
コントローラ7には、前述したエアフローセンサ34や圧力センサ44および38、第1水温センサ69、第2水温センサ80、第3水温センサ71の他にも、燃料電池スタック2の出力電流を検出する電流センサ72や燃料電池スタック2の出力電圧を検出する電圧センサ73、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ74、大気圧を検出する大気圧センサ75などの燃料電池システム1の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。
In addition to the
コントローラ7は、これらの入力信号に基づいて図示しない外部負荷などの要求負荷に応じて外部負荷などと燃料電池スタック2との間に設けた図示しないインバータを制御することで燃料電池スタック2の発電電力を制御する。また、コントローラ7は、これらの入力信号に基づいて調圧弁43を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行う。また、コントローラ7は、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を開閉してバッファタンク51から外部へ排出するアノードオフガスの流量を調節し、燃料電池スタック2のアノード内への窒素および液水の蓄積を防止する。
Based on these input signals, the
第1パージ弁49及び第2パージ弁50の開閉は、図2に示すように所定周期で実行される。第1パージ弁49は開時間が設定されると所定周期の始めから開き始めるように制御され、第2パージ弁50は開時間が設定されると所定周期の終わりに開き終わるように制御される。第1パージ弁49の開時間または第2パージ弁50の開時間が長くなると、第1パージ弁49及び第2パージ弁50が同時に開く同時開弁が生じる。
The opening and closing of the
次に本実施形態における第1パージ弁49及び第2パージ弁50を制御するパージ弁制御部100について図3の制御ブロック図を用いて説明する。以下において説明する制御は、コントローラ7によって実行される。
Next, the purge
パージ弁制御部100は、液水排出要求DUTY設定部110と、透過ガス排出要求DUTY設定部120と、同時開弁要求判定部130と、同時開弁禁止フラグ設定部140と、パージ弁制限DUTY設定部150と、アノード不純物ガス蓄積量設定部160とから構成される。
The purge
液水排出要求DUTY設定部110について図4の制御ブロック図を用いて説明する。
The liquid water discharge request
液水排出要求DUTY設定部110は、アノード液水量算出部111と、偏差算出部112と、液水排出量算出部113と、液水排出要求DUTY算出部114とから構成される。
The liquid water discharge request
アノード液水量算出部111は、予め設定したマップから要求電流とHFR(High Frequency Resistance)とに基づいてアノード液水量を算出する。HFRは、公知の交流インピーダンス法によって算出される。燃料電池スタック2の内部抵抗は、燃料電池スタック2の電解質膜の湿潤状態によって変化することが知られている。そのため、燃料電池スタック2のHFRを検知することで、燃料電池スタック2の電解質膜の湿潤状態を間接的に検知することができる。HFRが大きくなると電解質膜が乾燥していることを意味する。HFRは、例えば本出願人が出願した特開2012−054153号公報に記載された方法などを用いて算出される。アノード液水量は、要求電流が大きくなるほど多くなり、HFRが小さく、電解質膜が湿っているほど多くなる。
The anolyte water
偏差算出部112は、目標アノード圧と大気圧との偏差を算出する。なお、目標アノード圧は、要求電流などに応じて算出される。
The
液水排出量算出部113は、予め設定したテーブルから偏差算出部112によって算出した偏差に基づいて液水排出可能量を算出する。液水排出可能量は、偏差が大きくなるほど多くなる。
The liquid water discharge
液水排出要求DUTY算出部114は、アノード液水量を液水排出量で除算することで液水排出要求DUTYを算出する。
The liquid water discharge request
このように、液水排出要求DUTY設定部110は、燃料電池システム1の状態に基づいて液水排出要求DUTYを設定する。
Thus, the liquid water discharge request
透過ガス排出要求DUTY設定部120について、図5の制御ブロック図を用いて説明する。
The permeated gas discharge request
透過ガス排出要求DUTY設定部120は、カソードガス透過量算出部121と、アノード不純物ガス排出可能量算出部122と、透過ガス排出要求DUTY算出部123と、透過ガス排出要求DUTY補正部124と、第1パージ弁DUTY選択部125とから構成される。
The permeated gas discharge request
カソードガス透過量算出部121は、予め設定したマップから、圧力センサ38によって検出したカソード圧と、燃料電池温度とに基づいてカソード側からアノード側へ透過するカソードガス透過量を算出する。燃料電池温度は、第1水温センサ69によって検出した温度と、第2水温センサ80によって検出した温度との平均値である。カソードガス透過量は、カソード圧が高くなるほど多くなり、燃料電池温度が高いほど多くなる。カソードガス透過量は、単位時間あたりにカソード側からアノード側へ透過するカソードガスの透過量である。
The cathode gas permeation
アノード不純物ガス排出可能量算出部122は、予め設定したマップから、目標アノード圧と、大気圧センサ75によって検出した大気圧とに基づいてアノード不純物ガス排出可能量を算出する。アノード不純物ガス排出可能量は、目標アノード圧が高いほど多くなり、大気圧が低いほど多くなる。アノード不純物オフガス排出可能量は、単位時間あたりにアノードから排出可能なアノード不純物ガスの排出量である。
The anode impurity gas dischargeable
透過ガス排出要求DUTY算出部123は、カソードガス透過量をアノード不純物ガス排出可能量で除算することで、透過ガス排出要求DUTYを算出する。
The permeate gas discharge request
透過ガス排出要求DUTY補正部124は、詳しく後述するアノード不純物ガス蓄積量がゼロではない場合には、透過ガス排出要求DUTYに所定のDUTYを加算して透過ガス排出要求補正DUTYを算出する。所定のDUTYは、予め設定されたDUTYであり、たとえば2を設定する。アノードにアノード不純物ガスが蓄積されている場合には、透過ガス排出要求DUTY123によって算出されたDUTYに所定のDUTYを加算し、第1パージ弁49の開弁時間を長くすることで、アノードに蓄積されたアノード不純物ガスを外部に排出する。また、透過ガス排出要求DUTY補正部124は、アノード不純物ガス蓄積量がゼロの場合には、透過ガス排出要求DUTYを透過ガス排出要求補正DUTYとして算出する。なお、所定のDUTYをアノード不純物ガス蓄積量に応じて設定してもよく、この場合には、アノード不純物ガス蓄積量が多くなるほど所定のDUTYは大きくなる。
The permeate gas discharge request
第1パージ弁DUTY選択部125は、透過ガス排出要求補正DUTYと、液水排出要求DUTYとを比較し、大きい方のDUTYを第1パージ弁DUTYとして選択する。ここで、透過ガス排出要求補正DUTYと液水排出要求DUTYとを比較するのは、例えば車両の傾き具合により液水が第1パージ弁49、第2パージ弁50のどちらから排出されるか不明であるためである。本実施形態では、液水を排出するためのDUTYである液水排出要求DUTYが、アノードへ透過したカソードガスを排出するためのDUTYである透過ガス排出要求補正DUTYよりも大きい場合には、第1パージ弁DUTY選択部125は、液水を確実に排出するために第1パージ弁DUTYとして液水排出要求DUTYを選択する。なお、透過ガス排出要求補正DUTYが液水排出要求DUTYよりも大きい場合には、液水が第1パージ弁49側にある場合でもアノードオフガスを排出するために第1パージ弁49を透過ガス排出要求補正DUTYに基づいて開くと、液水排出量算出部113によって算出された液水排出量の液水はアノードオフガスと共に第1パージ弁49から排出される。
The first purge valve
このように、透過ガス排出要求DUTY設定部120は、燃料電池システム1の状態に基づいて第1パージ弁DUTYを設定する。
As described above, the permeate gas discharge request
同時開弁要求判定部130について図6の制御ブロック図を用いて説明する。
The simultaneous valve opening
同時開弁要求判定部130は、合計DUTY算出部131と、同時開弁判定フラグ選択部132とから構成される。
The simultaneous valve opening
合計DUTY算出部131は、第1パージ弁DUTYと液水排出要求DUTYとを加算して合計DUTYを算出する。本実施形態では、第1パージ弁49と第2パージ弁50との開閉が繰り返される所定周期は、合計DUTYが1である場合に対応している。すなわち、合計DUTYが1の場合には、所定周期の間に第1パージ弁49が閉じると同時に第2パージ弁50が開く。また、合計DUTYが1よりも大きい場合には、第1パージ弁DUTYと液水排出要求DUTYとに基づいて第1パージ弁49及び第2パージ弁50を開閉すると、所定周期の間に第1パージ弁49及び第2パージ弁50が同時に開く同時開弁が生じる。
The total
同時開弁判定フラグ選択部132は、合計DUTYが1よりも大きい場合には、第1パージ弁DUTYと液水排出要求DUTYとに基づいて第1パージ弁49及び第2パージ弁50を開閉すると、同時開弁が生じるので、同時開弁判定フラグとして「1」を選択する。一方、同時開弁判定フラグ選択部132は、合計DUTYが1よりも小さい場合には、第1パージ弁DUTYと液水排出要求DUTYとに基づいて第1パージ弁49及び第2パージ弁50を開閉しても、所定周期の間に同時開弁が生じないので、同時開弁判定フラグとして「0」を選択する。
When the total DUTY is greater than 1, the simultaneous valve opening determination
同時開弁禁止フラグ設定部140について図7の制御ブロック図を用いて説明する。
The simultaneous valve opening prohibition
同時開弁禁止フラグ設定部140は、発電要求カソードガス流量算出部141と、希釈カソードガス流量算出部142と、希釈係数選択部143と、最終希釈カソードガス流量算出部144と、要求カソードガス流量選択部145と、カソードガス流量制限部146と、目標カソードガス流量選択部147と、目標空気コンプレッサ流量選択部148と、同時開弁禁止フラグ選択部149とから構成される。
The simultaneous valve opening prohibition
発電要求カソードガス流量算出部141は、予め設定したマップから要求電流に基づいて発電要求カソードガス流量を算出する。要求電流が大きくなるほど、発電要求カソードガス流量は増加する。発電要求カソードガス流量は、燃料電池スタック2による電極反応で必要なカソードガス流量である。
The power generation required cathode gas flow
希釈カソードガス流量算出部142は、予め設定したマップから、圧力センサ44によって検出したアノード圧と、大気圧センサ75によって検出した大気圧とに基づいて第1パージ弁49及び第2パージ弁50を開いたときに排出されるアノードオフガスを希釈するために必要な希釈カソードガス流量を算出する。なお、希釈カソードガス流量は、第1パージ弁49及び第2パージ弁50が同時開弁しない場合の希釈カソードガス流量である。希釈カソードガス流量は、アノード圧が高いほど多くなり、大気圧が低いほど多くなる。
The diluted cathode gas flow
希釈係数選択部143は、同時開弁判定フラグに基づいて希釈係数を選択する。同時開弁判定フラグは、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がある場合に「1」となり、同時開弁する必要がない場合に「0」となる。希釈係数選択部143は、同時開弁判定フラグが「0」の場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がないので希釈係数として「1」を選択し、同時開弁判定フラグが「1」の場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要があるので希釈係数として「2」を選択する。
The dilution
最終希釈カソードガス流量算出部144は、希釈カソードガス流量と希釈係数とを乗算して最終希釈カソードガス流量を算出する。同時開弁判定フラグが「1」の場合、つまり第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がある場合には、希釈係数が「2」となっており、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がある場合の最終希釈カソードガス流量は、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がない場合の最終希釈カソードガス流量の2倍の流量となる。
The final diluted cathode gas flow
要求カソードガス流量選択部145は、発電要求カソードガス流量と、最終希釈カソードガス流量とを比較して、多い方の流量を要求カソードガス流量として選択する。
The required cathode gas flow
カソードガス流量制限部146は、予め設定したマップから空気コンプレッサ33の制限状態に基づいてカソードガス制限流量を算出する。空気コンプレッサ33は、例えば、吸気したカソードガスの温度が高い場合には、空気コンプレッサ33自身の耐熱性や、空気コンプレッサ33よりも下流側の部品などの耐熱性のために流量が制限される場合がある。そのため、カソードガス流量制限部146は、空気コンプレッサ33が供給することが可能なカソードガス制限流量を空気コンプレッサ33の制限状態から算出する。空気コンプレッサ33の制限状態とは、例えばカソードガスの温度、空気コンプレッサ33の温度などによって求められ、例えばカソードガスの温度が高いほど大きくなる。空気コンプレッサ33の制限状態が大きくなるとカソードガス制限流量は小さくなる。
The cathode gas flow
目標カソードガス流量選択部147は、要求カソードガス流量と、カソードガス制限流量とを比較し、少ない方の流量を目標カソードガス流量として選択する。目標カソードガス流量選択部147は、要求カソードガス流量がカソードガス制限流量よりも多い場合には、カソードガス流量を制限するためにカソードガス制限流量を目標カソードガス流量として選択する。例えば、同時開弁判定フラグが「1」であり、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がある場合であっても、要求カソードガス流量がカソードガス制限流量よりも多い場合には、目標カソードガス流量選択部147は、空気コンプレッサ33の制限状態に合わせてカソードガス流量を制限するためにカソードガス制限流量を目標カソードガス流量として選択する。
The target cathode gas flow
目標空気コンプレッサ流量選択部148は、目標カソードガス流量と、希釈カソードガス流量とを比較して、多い方の流量を目標空気コンプレッサ流量として選択する。目標カソードガス流量選択部147によってカソードガス制限流量が目標カソードガス流量として選択された場合でも、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁せずに第1パージ弁49または第2パージ弁50から排出されたアノードオフガス中の水素濃度が所定の可燃濃度未満となるようにカソードオフガスによってアノードオフガスを希釈しなければならない。そのため、目標カソードガス流量が希釈カソードガス流量よりも少ない場合には、目標空気コンプレッサ流量選択部148は、希釈カソードガス流量を目標空気コンプレッサ流量として選択する。なお、目標空気コンプレッサ流量選択部148によって選択された目標空気コンプレッサ流量に基づいて空気コンプレッサ33が制御される。
The target air compressor flow
同時開弁禁止フラグ選択部149は、目標空気コンプレッサ流量と、最終希釈カソードガス流量とを比較する。目標空気コンプレッサ流量が最終希釈カソードガス流量よりも少ない場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を行うと第1パージ弁49及び第2パージ弁50から排出されるアノードオフガスをカソードオフガスによって十分に希釈することができないおそれがあるので、同時開弁禁止フラグ選択部149は第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を禁止するために同時開弁禁止フラグとして「1」を選択する。一方、目標空気コンプレッサ流量が最終希釈カソードガス流量以上である場合には、カソードオフガスによってアノードオフガスを十分に希釈することができるので、同時開弁禁止フラグ選択部149は同時開弁禁止フラグとして「0」を選択する。なお、同時開弁判定フラグが「0」であり、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がない場合には最終希釈カソードガス流量と希釈カソードガス流量とが等しく、目標空気コンプレッサ流量選択部148において目標空気コンプレッサ流量は希釈カソードガス流量以上の流量となる。そのため、最終希釈カソードガス流量と目標空気コンプレッサ流量とを比較した場合には、目標空気コンプレッサ流量が最終希釈カソードガス流量よりも少なくなることはない。つまり、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がない場合には、同時開弁禁止フラグが「1」になることはない。
The simultaneous valve opening prohibition
パージ弁制限DUTY設定部150について図8の制御ブロック図を用いて説明する。
The purge valve restriction
パージ弁制限DUTY設定部150は、同時開弁禁止実行フラグ選択部151と、最終第1パージ弁DUTY設定部152と、最終第2パージ弁DUTY設定部153と、加算部154と、同時開弁実行フラグ選択部155とから構成される。
The purge valve restriction
同時開弁禁止実行フラグ選択部151は、同時開弁判定フラグと、同時開弁禁止フラグとに基づいて同時開弁禁止実行フラグを選択する。同時開弁禁止実行フラグ選択部151は、同時開弁判定フラグが「1」であり、かつ同時開弁禁止フラグが「1」の場合に、同時開弁禁止実行フラグとして「1」を選択し、これ以外の場合には、同時開弁禁止実行フラグとして「0」を選択する。
The simultaneous valve opening prohibition execution
最終第1パージ弁DUTY設定部152は、同時開弁禁止実行フラグに基づいて最終第1パージ弁DUTYを設定する。最終第1パージ弁DUTY設定部152は、同時開弁禁止実行フラグが「1」の場合には最終第1パージ弁DUTYを0.5に設定する。最終第1パージ弁DUTY設定部152は、同時開弁禁止実行フラグが「0」の場合には第1パージ弁DUTYを最終第1パージ弁DUTYとして設定する。 The final first purge valve DUTY setting unit 152 sets the final first purge valve DUTY based on the simultaneous valve opening prohibition execution flag. The final first purge valve DUTY setting unit 152 sets the final first purge valve DUTY to 0.5 when the simultaneous valve opening prohibition execution flag is “1”. The final first purge valve DUTY setting unit 152 sets the first purge valve DUTY as the final first purge valve DUTY when the simultaneous valve opening prohibition execution flag is “0”.
最終第2パージ弁DUTY設定部153は、同時開弁禁止フラグに基づいて最終第2パージ弁DUTYを設定する。最終第2パージ弁DUTY設定部153は、同時開弁禁止実行フラグが「1」の場合には最終第2パージ弁DUTYを0.5に設定する。最終第2パージ弁DUTY設定部153は、同時開弁禁止実行フラグが「0」の場合には液水排出要求DUTYを最終第2パージ弁DUTYとして設定する。
The final second purge valve
このようにパージ弁制限DUTY設定部150は、同時開弁禁止実行フラグが「1」の場合には、最終第1パージ弁DUTY及び最終第2パージ弁DUTYを0.5とし、第1パージ弁49及び第2パージ弁50が同時開弁することを禁止する。
In this way, when the simultaneous valve opening prohibition execution flag is “1”, the purge valve restriction
最終第1パージ弁DUTY設定部152によって算出した最終第1パージ弁DUTY、及び最終第2パージ弁DUTY設定部153によって算出した最終第2パージ弁DUTYに基づいて第1パージ弁49、第2パージ弁50が開閉し、アノードオフガス及び液水をアノードから外部へ排出する。
Based on the final first purge valve DUTY calculated by the final first purge valve DUTY setting unit 152 and the final second purge valve DUTY calculated by the final second purge valve
加算部154は、最終第1パージ弁DUTYと最終第2パージ弁DUTYとを加算し、最終合計DUTYを算出する。
The adding
同時開弁実行フラグ選択部155は、最終合計DUTYに基づいて同時開弁実行フラグを選択する。同時開弁実行フラグ選択部155は、最終合計DUTYが1よりも大きい場合には第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁するので、同時開弁実行フラグとして「1」を選択する。また、同時開弁実行フラグ選択部155は、最終合計DUTYが1以下の場合には第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁しないので、同時開弁実行フラグとして「0」を選択する。
The simultaneous valve opening execution
アノード不純物ガス蓄積量設定部160について図9の制御ブロック図を用いて説明する。
The anode impurity gas accumulation
アノード不純物ガス蓄積量設定部160は、合計DUTY算出部161と、超過DUTY算出部162と、不足DUTY設定部163と、アノード不純物ガス排出不足量算出部164と、アノード不純物ガス増加量設定部165と、過剰DUTY算出部166と、アノード不純物ガス過剰排出量算出部167と、アノード不純物ガス余剰排出量設定部168と、アノード不純物ガス増減量算出部169と、アノード不純物ガス蓄積量算出部170とから構成される。
The anode impurity gas accumulation
合計DUTY算出部161は、第1パージ弁DUTYと液水排出要求DUTYとを加算して合計DUTYを算出する。
The total
超過DUTY算出部162は、合計DUTY算出部161によって算出した合計DUTYから1を減算してパージ未実行DUTYを算出する。パージ未実行DUTYは、合計DUTYから同時開弁が禁止された際に実現可能な合計DUTYである1を減算した値であり、同時開弁が禁止された際に不足するDUTYである。パージ未実行DUTYは、合計DUTYが1よりも大きい場合、つまり第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がある場合に正の値となり、合計DUTYが1以下の場合、つまり第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する必要がない場合にゼロ、または負の値となる。
The excess
不足DUTY設定部163は、超過DUTYが正の値であるかどうか判定し、不足DUTYを設定する。不足DUTY設定部163は、パージ未実行DUTYが正の値である場合には、パージ未実行DUTYを不足DUTYとして設定する。また、不足DUTY設定部163は、パージ未実行DUTYがゼロ以下である場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁しなくてもアノード内のアノードオフガスを十分に排出することができるので、不足DUTYをゼロに設定する。
The deficiency
アノード不純物ガス排出不足量算出部164は、不足DUTYとアノード不純物ガス排出可能量算出部122によって算出したアノード不純物ガス排出可能量とを乗算し、アノード不純物ガス排出不足量を算出する。アノード不純物ガス排出不足量は、不足DUTYがゼロの場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁しなくてもアノード不純物ガスを十分に排出できるので、ゼロとなる。
The anode impurity gas discharge insufficient amount calculation unit 164 multiplies the shortage DUTY by the anode impurity gas dischargeable amount calculated by the anode impurity gas dischargeable
アノード不純物ガス増加量設定部165は、同時開弁禁止実行フラグに応じてアノードにおけるアノード不純物ガス増加量を設定する。同時開弁禁止実行フラグが「0」の場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁は禁止されない。そのため、不足DUTYがゼロではない場合でも、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁することでアノード不純物ガスがアノードから十分に排出されるので、アノードでアノード不純物ガスは増加しない。従って、アノード不純物ガス増加量設定部165は、アノード不純物ガス増加量をゼロとする。一方、同時開弁禁止実行フラグが「1」の場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁が禁止される。そのため、不足DUTYがゼロではない場合には、アノード不純物ガスがアノードから十分に排出されず、アノードでアノード不純物ガスが増加する。従って、アノード不純物ガス増加量設定部165は、アノード不純物ガス排出不足量をアノード不純物ガス増加量として設定する。また、アノード不純物ガス排出不足量がゼロの場合には、アノード不純物ガス増加量設定部165はアノード不純物ガス増加量をゼロとする。
The anode impurity gas increase
過剰DUTY算出部166は、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁した場合のDUTYである2から、合計DUTYを減算して過剰DUTYを算出する。
The excess
アノード不純物ガス過剰排出量算出部167は、過剰DUTYとアノード不純物ガス排出可能量とを乗算し、アノード不純物ガス過剰排出量を算出する。アノード不純物ガス過剰排出量は、第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁した場合に、アノードから排出される過剰のアノード不純物ガス量である。
The anode impurity gas excessive discharge
アノード不純物ガス余剰排出量設定部168は、同時開弁実行フラグに応じてアノードにおけるアノード不純物ガス減少量を設定する。同時開弁実行フラグが「0」の場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁が行われないので、アノードから余剰のアノード不純物ガスが排出されない。そのため、アノード不純物ガス余剰減少量設定部168は、アノード不純物ガス余剰減少量をゼロとする。一方、同時開弁実行フラグが「1」の場合には、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁が行われるので、アノードに蓄積されたアノード不純物ガスが排出される。そのため、アノード不純物ガス余剰排出量設定部168は、アノード不純物ガス排出過剰量をアノード不純物ガス余剰減少量として設定する。
The anode impurity gas surplus discharge
アノード不純物ガス増減量算出部169は、アノード不純物ガス増加量からアノード不純物ガス余剰減少量を減算し、アノード不純物ガス増減量を算出する。
The anode impurity gas increase / decrease
アノード不純物ガス蓄積量算出部170は、アノード不純物ガス増減量を現在記憶しているアノード不純物ガス蓄積量に加算し、アノード不純物ガス蓄積量を更新する。更新されたアノード不純物ガス蓄積量は記憶され、次回の演算に使用される。
The anode impurity gas accumulation
以上のように第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を禁止すると、その分だけバッファタンク51内の不活性ガスが増加し、水素濃度が低くなり、発電効率が低下するおそれがある。そこで、本実施形態では、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を禁止した場合に、バッファタンク51内の不活性ガスの一種である水蒸気の影響を小さくするように、燃料電池スタック2の温度を低くする。これにより、バッファタンク51に含まれる水蒸気を少なくし、また第1パージ弁49、または第2パージ弁50から排出される不純物ガス量を多くすることで、アノードオフガス中の水素濃度を高くし、発電効率の低下を抑止する。
As described above, if the simultaneous opening of the
次に燃料電池スタック2を冷却するための冷却制御部180について図10の制御ブロック図を用いて説明する。以下において説明する制御は、コントローラ7によって実行される。
Next, the cooling
冷却制御部180は、目標燃料電池温度算出部181と、冷却系回転速度算出部182と、循環ポンプ回転速度算出部183と、目標循環ポンプ回転速度選択部184と、ラジエータファン回転速度算出部185と、目標ラジエータファン回転速度選択部186とから構成される。
The cooling
目標燃料電池温度算出部181は、要求電流と、HFRとに基づいて燃料電池スタック2の目標温度を算出する。目標温度は、要求電流に対して所望するHFRとなる燃料電池スタック2の温度である。
The target fuel cell
冷却系回転速度算出部182は、燃料電池温度と目標温度との偏差に基づいて、PI制御器を解して、燃料電池の水温が高いほど循環ポンプおよびラジエータファンの回転数が上昇するように制御する。燃料電池温度は、上記したように、第1水温センサ69によって検出した冷却水温度と、第2水温センサ80によって検出した冷却水温度との平均値である。
The cooling system rotation
循環ポンプ回転速度算出部183は、アノード不純物ガス蓄積量と、第2水温センサ80によって検出した冷却水温とに基づいて予め設定したマップから第2循環ポンプ回転速度を算出する。第2循環ポンプ回転速度は、アノード不純物ガス蓄積量が大きいほど高くなり、冷却水温が高いほど高くなる。
The circulation pump rotation
目標循環ポンプ回転速度選択部184は、第1循環ポンプ回転速度と第2循環ポンプ回転速度とを比較し、高い方の回転速度を目標循環ポンプ回転速度として選択する。
The target circulation pump rotation
ラジエータファン回転速度算出部185は、第1パージ弁49及び第2パージ弁50のアノード不純物ガス蓄積量と、第2水温センサ80によって検出した冷却水温とに基づいて予め設定したマップから第2ラジエータファン回転速度を算出する。第2ラジエータファン回転速度は、アノード不純物ガス蓄積量が大きいほど高くなり、冷却水温が高いほど高くなる。
The radiator fan rotation
目標ラジエータファン回転速度選択部186は、第1ラジエータファン回転速度と第2ラジエータファン回転速度とを比較し、高い方の回転速度を目標ラジエータファン回転速度として選択する。
The target radiator fan rotation
このようにして設定された目標循環ポンプ回転速度、目標ラジエータファン回転速度に基づいて、循環ポンプ65及びラジエータファン81が制御される。第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁が禁止された場合でも、循環ポンプ65の回転速度及びラジエータファン81の回転速度を高くすることで、燃料電池スタック2を循環する冷却水の流量を大きくし、燃料電池スタック2を循環する冷却水の温度を低くし、燃料電池スタック2の温度を低くする。これにより、アノードオフガス中に含まれる水蒸気を少なくし、また第1パージ弁49及び第2パージ弁50から排出される不活性ガスを多くすることで、バッファタンク51内の水素濃度を高くし、発電効率の低下を抑止することができる。
The
本発明の実施形態の効果について説明する。 The effect of the embodiment of the present invention will be described.
第1パージ弁49及び第2パージ弁50を同時開弁する場合に、アノードオフガスに含まれる水素量に対して、空気コンプレッサ33によって供給可能なカソードオフガスの流量が制限されると、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈することができなくなるおそれがある。
When the
そこで、本実施形態では、このような場合に、少なくとも第1パージ弁49、第2パージ弁50のいずれか一方の開弁時間を制限することで第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を禁止し、外気に排出されるアノードオフガスの流量を少なくし、外気に排出される外気排出ガスの水素濃度が高くなることを抑制する。
Therefore, in this embodiment, in such a case, the opening time of at least one of the
第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を禁止すると、本来、排出したいアノードオフガスに含まれる不活性ガス、特に窒素を希望通りに排出することが困難となる。
If the simultaneous opening of the
そこで、本実施形態では、このような場合に、循環ポンプ65における循環ポンプ回転速度を高くし、ラジエータファン81におけるラジエータファン回転速度を高くすることで、燃料電池スタック2の温度を低くする。アノードオフガスの不活性ガスには水蒸気が含まれているので、燃料電池スタック2の温度を低くすることで飽和水蒸気圧が低くなる。これにより、アノードオフガス中に気体として存在していた水蒸気が少なくなり、アノードオフガスに占める窒素の割合が高くなる。従って、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁が禁止された場合でも、燃料電池スタック2の温度を低くしてアノードオフガス中の水蒸気を減らした分、窒素を多く排出することができ、バッファタンク51内の水素濃度を高くすることができ、燃料電池スタック2の発電効率が低下することを抑制することができる。
Therefore, in this embodiment, in such a case, the temperature of the
また、燃料電池スタック2のアノードから水を排出する必要があるが、水が水蒸気として存在している場合には水蒸気を排出するために十分なパージガス流量が必要となる。そこで、本実施形態では、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁が禁止されている場合には、燃料電池スタック2の温度を低くし、飽和水蒸気を下げることで、水蒸気を液化し、第1パージ弁49または第2パージ弁50を用いてパージするアノードオフガスの流量が制限された状況でも、アノードオフガス中の窒素ガスをできる限り排出することができる。
Further, water needs to be discharged from the anode of the
第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を禁止することで、アノードオフガスに含まれる窒素ガスが蓄積され、アノードオフガス中の窒素ガスの割合が高くなるおそれがある。この状態が長く継続されると、燃料電池スタック2の触媒を劣化させるおそれがある。
By prohibiting the simultaneous opening of the
本実施形態では、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を禁止した場合には、同時開弁が禁止されたことでアノードに蓄積されたアノード不純物ガスを積算しておき、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁禁止が解除された後は、積算されたアノード不純物ガス量に基づいて少なくとも第1パージ弁49、第2パージ弁50の開閉を制御するので、アノードに蓄積された水素濃度が低いアノード不純物ガスを排出することができ、燃料電池スタック2の触媒の劣化を抑制することができる。
In this embodiment, when the simultaneous opening of the
燃料電池スタック2のアノード側における不純物である水は燃料電池スタック2の負荷が大きくなると増加する。そのため、増加する水を燃料電池スタック2のアノードから排出することが重要である。
Water that is an impurity on the anode side of the
本実施形態では、燃料電池スタック2の負荷に基づき決定される液水排出要求DUTYに基づいて、第2パージ弁50の開閉を制御することで、燃料電池スタック2で発生する水を排出し、燃料電池スタック2のアノードにおけるフラッディングを抑制することができる。
In the present embodiment, by controlling the opening and closing of the
燃料電池スタック2の不純物としてカソードからアノードに透過する窒素は燃料電池スタック2のカソード側の圧力が高くなると増加する。
Nitrogen that permeates from the cathode to the anode as an impurity of the
本実施形態では、カソードの圧力に基づき決定される透過カス排出要求DUTYに基づいて、第1パージ弁49の開閉を制御することで、アノードオフガスの水素濃度が低くなることを抑制し、燃料電池スタック2の発電効率の低下を抑制することができる。
In the present embodiment, by controlling the opening and closing of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
上記実施形態では、アノード不純物ガス蓄積量がゼロではない場合には、透過ガス排出要求DUTY設定部120の透過ガス排出要求DUTY補正部124において透過ガス排出要求DUTYを補正したが、これに限られることはなく、第1パージ弁49、第2パージ弁50の少なくとも一方の弁のDUTYを増加させる補正を行えばよい。これにより、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁が禁止された場合には、同時開弁の禁止が解除された後に同時開弁を実行し、アノードに蓄積されたアノード不純物ガスを外部へ排出することができる。
In the above embodiment, when the amount of accumulated anode impurity gas is not zero, the permeate gas discharge request
上記実施形態では、透過ガス排出要求DUTY算出部123においてカソードガス透過量をアノード不純物ガス排出可能量で除算することで透過ガス排出要求DUTYを算出し、液水排出要求DUTY算出部114においてアノード液水量を液水排出量で除算することで第2パージ弁DUTYを算出したが、除算した各値に基づいて透過ガス排出要求DUTY及び液水排出要求DUTYを算出してもよい。
In the above embodiment, the permeate gas discharge request
上記実施形態では、第1パージ弁49及び第2パージ弁50の同時開弁を制限する場合に、最終第1パージ弁DUTY及び最終第2パージ弁DUTYを制限したが、いずれか一方のDUTYを制限してもよい。
In the above embodiment, when the simultaneous opening of the
上記実施形態では、第1パージ通路47、第2パージ通路48はカソードガス排出通路35に合流しているが、流量制御弁37よりも下流側のバイパス通路36に合流してもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、アノード不純物ガス蓄積量に基づいて第2循環ポンプ回転速度及び第2ラジエータファン回転速度を算出したが、いずれか一方のみを算出し、循環ポンプ65またはラジエータファン81のいずれか一方のみの回転速度を増加させることで、燃料電池スタック2の温度を下げてもよい。
In the above embodiment, the second circulation pump rotation speed and the second radiator fan rotation speed are calculated based on the accumulated amount of anode impurity gas, but only one of them is calculated and either the
2 燃料電池スタック
6 スタック冷却装置(冷却手段)
7 コントローラ(第1パージ弁制御手段、第2パージ弁制御手段、カソードガス流量制御手段、カソードガス流量制限手段、制御手段、積算手段)
33 空気コンプレッサ(カソード供給機)
47 第1パージ通路(アノードオフガス排出通路)
48 第2パージ通路(アノードオフガス排出通路)
49 第1パージ弁
50 第2パージ弁
2 Fuel cell stack 6 Stack cooling device (cooling means)
7 Controller (first purge valve control means, second purge valve control means, cathode gas flow rate control means, cathode gas flow rate limiting means, control means, integrating means)
33 Air compressor (cathode feeder)
47 First purge passage (anode off-gas discharge passage)
48 Second purge passage (anode off-gas discharge passage)
49
Claims (5)
カソードガス供給通路を介してカソードガスを燃料電池スタックへ供給するためのカソードガス供給機と、
前記カソードガス供給通路、若しくはカソードオフガス排出通路に合流すると共に、前記燃料電池スタックのアノードオフガスが流れる2つのアノードオフガス排出通路と、
一方の前記アノードオフガス排出通路に設けられ、前記アノードオフガスを外部に排出する第1パージ弁と、
他方の前記アノードオフガス排出通路に設けられ、前記アノードオフガスを外部に排出する第2パージ弁と、
前記燃料電池システムの状態に基づいて決定される前記第1パージ弁の開弁時間に基づいて、前記第1パージ弁の開弁と閉弁とを制御する第1パージ弁制御手段と、
前記燃料電池システムの状態に基づいて決定される前記第2パージ弁の開弁時間に基づいて、前記第2パージ弁の開弁と閉弁とを制御する第2パージ弁制御手段と、
両パージ弁が同時に開弁する状況では、同時に開弁しないときに比してカソードガス供給機によるカソードガス流量を増量するカソードガス流量制御手段と、
前記カソードガス流量がカソードガス流量制限値よりも大きい場合には前記カソードガス流量を制限するカソードガス流量制限手段と、を備え、
前記第1パージ弁制御手段及び前記第2パージ弁制御手段は、前記カソードガス流量制限手段によって前記カソードガス流量が制限された場合に、少なくとも前記第1パージ弁、前記第2パージ弁のいずれか一方の開弁時間を制限することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system having a fuel cell stack,
A cathode gas supply machine for supplying cathode gas to the fuel cell stack via the cathode gas supply passage;
Two anode offgas discharge passages that merge with the cathode gas supply passage or the cathode offgas discharge passage and through which the anode offgas of the fuel cell stack flows;
A first purge valve provided in one of the anode off gas discharge passages and discharging the anode off gas to the outside;
A second purge valve that is provided in the other anode offgas discharge passage and discharges the anode offgas to the outside;
First purge valve control means for controlling the opening and closing of the first purge valve based on the opening time of the first purge valve determined based on the state of the fuel cell system;
Second purge valve control means for controlling the opening and closing of the second purge valve based on the opening time of the second purge valve determined based on the state of the fuel cell system;
In the situation where both purge valves are opened at the same time, a cathode gas flow rate control means for increasing the cathode gas flow rate by the cathode gas supply device as compared to when not opening at the same time;
A cathode gas flow rate limiting means for limiting the cathode gas flow rate when the cathode gas flow rate is larger than a cathode gas flow rate limit value,
The first purge valve control means and the second purge valve control means are at least one of the first purge valve and the second purge valve when the cathode gas flow rate is restricted by the cathode gas flow rate restriction means. A fuel cell system that limits one valve opening time.
前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記燃料電池スタックの目標温度に基づいて冷却手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記カソードガス流量制御手段によって前記カソードガス流量が制限された場合に、前記燃料電池スタックの温度が下がるように、前記冷却手段の操作量を補正することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
Cooling means for cooling the fuel cell stack;
Control means for controlling the cooling means based on the target temperature of the fuel cell stack,
The control unit corrects the operation amount of the cooling unit so that the temperature of the fuel cell stack is lowered when the cathode gas flow rate is limited by the cathode gas flow rate control unit. system.
少なくとも前記第1パージ弁、前記第2パージ弁のいずれか一方の開弁時間が制限された場合に、制限無し時に排出すべきアノードオフガス流量に対して、制限することで排出できなかったアノードオフガス流量を積算する積算手段を備え、
前記第1パージ弁制御手段及び前記第2パージ弁制御手段は、前記制限が解除された場合には、前記積算した前記アノードオフガス流量に基づいて少なくとも前記第1パージ弁、前記第2パージ弁のいずれか一方の開弁と閉弁とを制御することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The anode off gas that could not be discharged by limiting the anode off gas flow rate to be discharged when there is no limit when the opening time of at least one of the first purge valve and the second purge valve is limited It has a means for integrating the flow rate,
When the restriction is released, the first purge valve control means and the second purge valve control means are configured to control at least the first purge valve and the second purge valve based on the integrated anode offgas flow rate. A fuel cell system that controls either one of valve opening and valve closing.
前記第2パージ弁制御手段は、前記燃料電池スタックの負荷に基づき決定される前記第2パージ弁の開弁時間に基づいて前記第2パージ弁の開弁と閉弁とを制御することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The second purge valve control means controls opening and closing of the second purge valve based on a valve opening time of the second purge valve determined based on a load of the fuel cell stack. A fuel cell system.
前記第1パージ弁制御手段は、前記燃料電池スタックの前記カソードの圧力に基づき決定される前記第1パージ弁の開弁時間に基づいて前記第1パージ弁の開弁と閉弁とを制御することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The first purge valve control means controls opening and closing of the first purge valve based on a valve opening time of the first purge valve determined based on a pressure of the cathode of the fuel cell stack. A fuel cell system.
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