[go: up one dir, main page]

JP2015076246A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2015076246A
JP2015076246A JP2013211318A JP2013211318A JP2015076246A JP 2015076246 A JP2015076246 A JP 2015076246A JP 2013211318 A JP2013211318 A JP 2013211318A JP 2013211318 A JP2013211318 A JP 2013211318A JP 2015076246 A JP2015076246 A JP 2015076246A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
pressure
pulsation
anode
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013211318A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
隼人 筑後
Hayato Chikugo
隼人 筑後
下井 亮一
Ryoichi Shimoi
亮一 下井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2013211318A priority Critical patent/JP2015076246A/en
Publication of JP2015076246A publication Critical patent/JP2015076246A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure the drainage of an anode gas passage in a fuel cell.SOLUTION: A fuel cell system for generating power by supplying anode gas and cathode gas to a fuel cell includes pulsation operation means for pulsating the pressure of anode gas supplied to a fuel cell, with a pulsation width and a step-up variation rate that are set upon drainage request of the fuel cell on the anode side, control means for limiting the pulsation width to small depending on the operation state of the fuel cell system, and correction means for correcting the step-up variation rate to increase when the pulsation width is limited to small by the limitation means.

Description

本発明は燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来の燃料電池システムとして、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施するものがある(特許文献1参照)。   As a conventional fuel cell system, there is one that performs a pulsation operation that pulsates the pressure of an anode gas (see Patent Document 1).

特開2005−243476号公報JP 2005-243476 A

脈動運転を実施する燃料電池システムにおいて、燃料電池内のアノードガス流路における排水性を確保するには、脈動運転時の脈動幅と、脈動運転時にアノードガスの圧力を昇圧させるときの昇圧変化率とを、適切に設定する必要がある。   In a fuel cell system that performs pulsation operation, in order to ensure drainability in the anode gas flow path in the fuel cell, the pulsation width during pulsation operation and the rate of change in pressure when increasing the pressure of the anode gas during pulsation operation Must be set appropriately.

そこで、現在開発中の燃料電池システムでは、脈動幅を、基本的に燃料電池の要求発電量に応じて設定していた。また、昇圧変化率を、この燃料電池の要求発電量に応じて設定された脈動幅でアノードガスを昇圧させたときに、生成水を排出するために必要なガス流速を確保できる変化率に設定していた。   Thus, in the fuel cell system currently under development, the pulsation width is basically set according to the required power generation amount of the fuel cell. Also, the rate of change in pressure increase is set to the rate of change that can secure the gas flow rate required to discharge the generated water when the anode gas is boosted with the pulsation width set according to the required power generation amount of this fuel cell. Was.

しかしながら、燃料電池システムの運転状態によっては、脈動幅が制限されて、燃料電池の要求発電量に応じて設定された脈動幅より狭くしなければならないことがある。   However, depending on the operating state of the fuel cell system, the pulsation width is limited, and it may be necessary to make the pulsation width smaller than the pulsation width set according to the required power generation amount of the fuel cell.

そうすると、脈動幅が制限されたにもかかわらず、燃料電池の要求発電量に応じて設定された脈動幅に応じた昇圧変化率でアノードガスを昇圧させていたのでは、十分な排水性を確保できなくなるおそれがある。   Then, even though the pulsation width is limited, sufficient drainage is ensured if the anode gas is boosted at the rate of change in pressure according to the pulsation width set according to the required power generation amount of the fuel cell. There is a risk that it will not be possible.

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの運転状態に応じて脈動幅が制限された場合であっても、燃料電池内のアノード側における排水性を確保することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such problems, and even if the pulsation width is limited according to the operating state of the fuel cell system, the drainage on the anode side in the fuel cell is improved. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be secured.

本発明のある態様によれば、燃料電池のアノード側の排水要求に応じて設定された脈動幅と昇圧変化率で、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転手段と、燃料電池システムの運転状態に応じて、脈動幅を小さく制限する制限手段と、制限手段によって脈動幅が小さく制限されたときは、昇圧変化率を増大補正する補正手段と、を備える燃料電池システムが提供される。   According to an aspect of the present invention, pulsation operation means for pulsating the pressure of anode gas supplied to a fuel cell with a pulsation width and a rate of change in pressure set according to a drainage demand on the anode side of the fuel cell, and a fuel cell A fuel cell system is provided that includes a limiting unit that limits the pulsation width to a small value according to the operating state of the system, and a correction unit that increases and corrects the rate of change in pressure increase when the pulsation width is limited by the limiting unit. The

この態様によれば、燃料電池のアノード側の排水要求に応じて設定された脈動幅が、燃料電池システムの運転状態に応じて小さく制限されたときは、昇圧変化率が増大補正されるので、制限された脈動幅に応じた適切な昇圧変化率でアノードガスの圧力を昇圧させることができる。したがって、燃料電池内のアノード側における排水性を確保することができる。   According to this aspect, when the pulsation width set according to the drainage demand on the anode side of the fuel cell is limited to be small according to the operation state of the fuel cell system, the rate of change in pressure increase is corrected. It is possible to increase the pressure of the anode gas at an appropriate rate of change in pressure according to the limited pulsation width. Therefore, drainage on the anode side in the fuel cell can be ensured.

本発明の一実施形態による燃料電池の概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図1の燃料電池のII−II断面図である。It is II-II sectional drawing of the fuel cell of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic view of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるアノード圧力制御部の詳細構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the anode pressure control part by one Embodiment of this invention. 水素分圧下限値演算部の詳細構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of a hydrogen partial pressure lower limit calculating part. 昇圧変化率演算部の詳細構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of a pressure | voltage rise change rate calculating part. 脈動制御部の詳細構成を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed structure of a pulsation control part. 本発明の一実施形態によるアノード圧力制御部の動作について説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining operation | movement of the anode pressure control part by one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

燃料電池は電解質膜をアノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス(燃料ガス)、カソード電極に酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。   In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.

アノード電極 : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード電極 : 4H+ +4e- +O2 →2H2O …(2)
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e + O 2 → 2H 2 O (2)

この(1)(2)の電極反応によって燃料電池は1ボルト程度の起電力を生じる。   The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).

図1及び図2は、本発明の一実施形態による燃料電池10の構成について説明する図である。図1は、燃料電池10の概略斜視図である。図2は、図1の燃料電池10のII−II断面図である。   1 and 2 are diagrams illustrating the configuration of a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic perspective view of the fuel cell 10. FIG. 2 is a II-II cross-sectional view of the fuel cell 10 of FIG.

燃料電池10は、MEA11の表裏両面に、アノードセパレータ12とカソードセパレータ13とが配置されて構成される。   The fuel cell 10 is configured by arranging an anode separator 12 and a cathode separator 13 on both front and back surfaces of the MEA 11.

MEA11は、電解質膜111と、アノード電極112と、カソード電極113と、を備える。MEA11は、電解質膜111の一方の面にアノード電極112を有し、他方の面にカソード電極113を有する。   The MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an anode electrode 112, and a cathode electrode 113. The MEA 11 has an anode electrode 112 on one surface of the electrolyte membrane 111 and a cathode electrode 113 on the other surface.

電解質膜111は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜111は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。   The electrolyte membrane 111 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.

アノード電極112は、触媒層112aとガス拡散層112bとを備える。触媒層112aは、電解質膜111と接する。触媒層112aは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層112bは、触媒層112aの外側(電解質膜111の反対側)に設けられ、アノードセパレータ12と接する。ガス拡散層112bは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。   The anode electrode 112 includes a catalyst layer 112a and a gas diffusion layer 112b. The catalyst layer 112a is in contact with the electrolyte membrane 111. The catalyst layer 112a is formed of carbon black particles carrying platinum or platinum. The gas diffusion layer 112b is provided outside the catalyst layer 112a (on the opposite side of the electrolyte membrane 111) and is in contact with the anode separator 12. The gas diffusion layer 112b is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers.

カソード電極113もアノード電極112と同様に、触媒層113aとガス拡散層113bとを備える。   Similarly to the anode electrode 112, the cathode electrode 113 includes a catalyst layer 113a and a gas diffusion layer 113b.

アノードセパレータ12は、ガス拡散層112bと接する。アノードセパレータ12は、アノード電極112にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路121を有する。   The anode separator 12 is in contact with the gas diffusion layer 112b. The anode separator 12 has a plurality of groove-shaped anode gas flow passages 121 for supplying anode gas to the anode electrode 112.

カソードセパレータ13は、ガス拡散層113bと接する。カソードセパレータ13は、カソード電極113にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路131を有する。   The cathode separator 13 is in contact with the gas diffusion layer 113b. The cathode separator 13 has a plurality of groove-like cathode gas flow paths 131 for supplying cathode gas to the cathode electrode 113.

アノードガス流路121を流れるアノードガスと、カソードガス流路131を流れるカソードガスとは、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。   The anode gas flowing through the anode gas flow path 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 131 flow in opposite directions in parallel to each other. You may make it flow in the same direction in parallel with each other.

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタック1として使用する。そして、燃料電池スタック1にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム100を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。   When such a fuel cell is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required. Therefore, the fuel cell is used as a fuel cell stack 1 in which several hundred fuel cells are stacked. Then, the fuel cell system 100 that supplies the anode gas and the cathode gas to the fuel cell stack 1 is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

図3は、本発明の第1実施形態による燃料電池システム100の概略図である。   FIG. 3 is a schematic diagram of the fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と、カソードガス給排装置2と、アノードガス給排装置3と、スタック冷却装置4と、電力系5と、コントローラ6と、を備える。   The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, a cathode gas supply / discharge device 2, an anode gas supply / discharge device 3, a stack cooling device 4, a power system 5, and a controller 6.

燃料電池スタック1は、複数枚の燃料電池10を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック1は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子1aと、カソード電極側出力端子1bと、を備える。   The fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of fuel cells 10 and receives power supplied from an anode gas and a cathode gas to generate electric power necessary for driving the vehicle. The fuel cell stack 1 includes an anode electrode side output terminal 1a and a cathode electrode side output terminal 1b as terminals for taking out electric power.

カソードガス給排装置2は、カソードガス供給通路21と、カソードガス排出通路22と、フィルタ23と、エアフローセンサ24と、カソードコンプレッサ25と、カソード圧力センサ26と、水分回収装置(Water Recovery Device;以下「WRD」という。)27と、カソード調圧弁28と、を備える。カソードガス給排装置2は、燃料電池スタック1にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック1から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。   The cathode gas supply / discharge device 2 includes a cathode gas supply passage 21, a cathode gas discharge passage 22, a filter 23, an airflow sensor 24, a cathode compressor 25, a cathode pressure sensor 26, and a water recovery device (Water Recovery Device; (Hereinafter referred to as “WRD”) 27 and a cathode pressure regulating valve 28. The cathode gas supply / discharge device 2 supplies the cathode gas to the fuel cell stack 1 and discharges the cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the outside air.

カソードガス供給通路21は、燃料電池スタック1に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路21は、一端がフィルタ23に接続され、他端が燃料電池スタック1のカソードガス入口孔に接続される。   The cathode gas supply passage 21 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows. The cathode gas supply passage 21 has one end connected to the filter 23 and the other end connected to the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.

カソードガス排出通路22は、燃料電池スタック1から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路22は、一端が燃料電池スタック1のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。   The cathode gas discharge passage 22 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows. One end of the cathode gas discharge passage 22 is connected to the cathode gas outlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is an open end. The cathode off gas is a mixed gas of the cathode gas and water vapor generated by the electrode reaction.

フィルタ23は、カソードガス供給通路21に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。   The filter 23 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 21.

エアフローセンサ24は、カソードコンプレッサ25よりも上流のカソードガス供給通路21に設けられる。エアフローセンサ24は、カソードコンプレッサ25に供給されて、最終的に燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの流量を検出する。   The air flow sensor 24 is provided in the cathode gas supply passage 21 upstream of the cathode compressor 25. The air flow sensor 24 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the cathode compressor 25 and finally supplied to the fuel cell stack 1.

カソードコンプレッサ25は、カソードガス供給通路21に設けられる。カソードコンプレッサ25は、フィルタ23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21に取り込み、燃料電池スタック1に供給する。   The cathode compressor 25 is provided in the cathode gas supply passage 21. The cathode compressor 25 takes air (outside air) as cathode gas through the filter 23 into the cathode gas supply passage 21 and supplies it to the fuel cell stack 1.

カソード圧力センサ26は、カソードコンプレッサ25とWRD27との間のカソードガス供給通路21に設けられる。カソード圧力センサ26は、WRD27のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ26の検出値を検出カソード圧という。   The cathode pressure sensor 26 is provided in the cathode gas supply passage 21 between the cathode compressor 25 and the WRD 27. The cathode pressure sensor 26 detects the pressure of the cathode gas in the vicinity of the cathode gas inlet of the WRD 27. Hereinafter, the detection value of the cathode pressure sensor 26 is referred to as a detected cathode pressure.

WRD27は、カソードガス供給通路21及びカソードガス排出通路22のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路22を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路21を流れるカソードガスを加湿する。   The WRD 27 is connected to each of the cathode gas supply passage 21 and the cathode gas discharge passage 22, collects moisture in the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 22, and cathode that flows through the cathode gas supply passage 21 with the collected moisture. Humidify the gas.

カソード調圧弁28は、WRD27よりも下流のカソードガス排出通路22に設けられる。カソード調圧弁28は、コントローラ6によって開閉制御されて、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。なお、カソード調圧弁28を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。   The cathode pressure regulating valve 28 is provided in the cathode gas discharge passage 22 downstream of the WRD 27. The cathode pressure regulating valve 28 is controlled to be opened and closed by the controller 6 and adjusts the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure. It should be noted that a restriction such as an orifice may be provided without providing the cathode pressure regulating valve 28.

アノードガス給排装置3は、燃料電池スタック1にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック1から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路22に排出する。アノードガス給排装置3は、高圧タンク31と、アノードガス供給通路32と、アノード調圧弁33と、アノード圧力センサ34と、アノードガス排出通路35と、バッファタンク36と、パージ通路37と、パージ弁38と、を備える。   The anode gas supply / discharge device 3 supplies anode gas to the fuel cell stack 1 and discharges anode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the cathode gas discharge passage 22. The anode gas supply / discharge device 3 includes a high pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, an anode pressure regulating valve 33, an anode pressure sensor 34, an anode gas discharge passage 35, a buffer tank 36, a purge passage 37, and a purge. And a valve 38.

高圧タンク31は、燃料電池スタック1に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。   The high pressure tank 31 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 in a high pressure state.

アノードガス供給通路32は、高圧タンク31から排出されるアノードガスを燃料電池スタック1に供給するための通路である。アノードガス供給通路32は、一端が高圧タンク31に接続され、他端が燃料電池スタック1のアノードガス入口孔に接続される。   The anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1. The anode gas supply passage 32 has one end connected to the high pressure tank 31 and the other end connected to the anode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.

アノード調圧弁33は、アノードガス供給通路32に設けられる。アノード調圧弁33は、コントローラ6によって開閉制御されて、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。   The anode pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32. The anode pressure regulating valve 33 is controlled to be opened and closed by the controller 6 and adjusts the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure.

アノード圧力センサ34は、アノード調圧弁33よりも下流のアノードガス供給通路32に設けられ、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力(以下「アノード圧力」という。)を検出する。以下では、このアノード圧力センサ34の検出値を「検出アノード圧力」という。   The anode pressure sensor 34 is provided in the anode gas supply passage 32 downstream from the anode pressure regulating valve 33 and detects the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “anode pressure”). Hereinafter, the detected value of the anode pressure sensor 34 is referred to as “detected anode pressure”.

アノードガス排出通路35は、一端が燃料電池スタック1のアノードガス出口孔に接続され、他端がバッファタンク36に接続される。アノードガス排出通路35には、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード電極側からアノード電極側へと透過してきた窒素や水分(生成水や水蒸気)などを含む不活性ガスと、の混合ガス(以下「アノードオフガス」という。)が排出される。   The anode gas discharge passage 35 has one end connected to the anode gas outlet hole of the fuel cell stack 1 and the other end connected to the buffer tank 36. In the anode gas discharge passage 35, surplus anode gas that has not been used in the electrode reaction, inert gas containing nitrogen or moisture (product water or water vapor) that has permeated from the cathode electrode side to the anode electrode side, and The mixed gas (hereinafter referred to as “anode off gas”) is discharged.

バッファタンク36は、アノードガス排出通路35を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36に溜められたアノードオフガスは、パージ弁38が開かれているときに、パージ通路37を通ってカソードガス排出通路22に排出される。   The buffer tank 36 temporarily stores the anode off gas that has flowed through the anode gas discharge passage 35. The anode off gas stored in the buffer tank 36 is discharged to the cathode gas discharge passage 22 through the purge passage 37 when the purge valve 38 is opened.

パージ通路37は、一端が第1アノードガス排出通路35に接続され、他端がカソードガス排出通路22に接続される。   The purge passage 37 has one end connected to the first anode gas discharge passage 35 and the other end connected to the cathode gas discharge passage 22.

パージ弁38は、パージ通路37に設けられる。パージ弁38は、コントローラ6によって開閉制御され、アノードガス排出通路35からカソードガス排出通路22に排出するアノードオフガスの流量を制御する。   The purge valve 38 is provided in the purge passage 37. The purge valve 38 is controlled to be opened and closed by the controller 6 and controls the flow rate of the anode off gas discharged from the anode gas discharge passage 35 to the cathode gas discharge passage 22.

アノードガス排出通路35を介してカソードガス排出通路22に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路22内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム100の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム100の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。   The anode off gas discharged to the cathode gas discharge passage 22 via the anode gas discharge passage 35 is mixed with the cathode off gas in the cathode gas discharge passage 22 and discharged to the outside of the fuel cell system 100. Since the anode off gas contains surplus hydrogen that has not been used for the electrode reaction, the hydrogen concentration in the exhaust gas is determined in advance by mixing with the cathode off gas and discharging it to the outside of the fuel cell system 100. It is made to become below the predetermined concentration.

スタック冷却装置4は、燃料電池スタック1を冷却し、燃料電池スタック1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4は、冷却水循環通路41と、ラジエータ42と、バイパス通路43と、三方弁44と、循環ポンプ45と、PTCヒータ46と、入口水温センサ47と、出口水温センサ48と、を備える。   The stack cooling device 4 is a device that cools the fuel cell stack 1 and maintains the fuel cell stack 1 at a temperature suitable for power generation. The stack cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a radiator 42, a bypass passage 43, a three-way valve 44, a circulation pump 45, a PTC heater 46, an inlet water temperature sensor 47, and an outlet water temperature sensor 48. .

冷却水循環通路41は、燃料電池スタック1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1の冷却水入口孔に接続され、他端が燃料電池スタック1の冷却水出口孔に接続される。   The cooling water circulation passage 41 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 1 circulates, and one end is connected to the cooling water inlet hole of the fuel cell stack 1 and the other end is the cooling water of the fuel cell stack 1. Connected to the outlet hole.

ラジエータ42は、冷却水循環通路41に設けられる。ラジエータ42は、燃料電池スタック1から排出された冷却水を冷却する。   The radiator 42 is provided in the cooling water circulation passage 41. The radiator 42 cools the cooling water discharged from the fuel cell stack 1.

バイパス通路43は、ラジエータ42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、一端が冷却水循環通路41に接続され、他端が三方弁44に接続される。   The bypass passage 43 has one end connected to the coolant circulation passage 41 and the other end connected to the three-way valve 44 so that the coolant can be circulated by bypassing the radiator 42.

三方弁44は、ラジエータ42よりも下流側の冷却水循環通路41に設けられる。三方弁44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、冷却水の温度が所定温度よりも高いときは、燃料電池スタック1から排出された冷却水が、ラジエータ42を介して再び燃料電池スタック1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、冷却水の温度が所定温度よりも低いときは、燃料電池スタック1から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ42を介さずにバイパス通路43を流れて再び燃料電池スタック1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-way valve 44 is provided in the cooling water circulation passage 41 on the downstream side of the radiator 42. The three-way valve 44 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, when the temperature of the cooling water is higher than a predetermined temperature, the cooling water is circulated so that the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 is supplied again to the fuel cell stack 1 via the radiator 42. Switch routes. On the other hand, when the temperature of the cooling water is lower than the predetermined temperature, the cooling water discharged from the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 flows through the bypass passage 43 without passing through the radiator 42 and is again fuel cell stack. The circulation path of the cooling water is switched so as to be supplied to 1.

循環ポンプ45は、三方弁44よりも下流側の冷却水循環通路41に設けられて、冷却水を循環させる。   The circulation pump 45 is provided in the cooling water circulation passage 41 on the downstream side of the three-way valve 44 and circulates the cooling water.

PTCヒータ46は、バイパス通路43に設けられる。PTCヒータ46は、燃料電池スタック1の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。   The PTC heater 46 is provided in the bypass passage 43. The PTC heater 46 is energized when the fuel cell stack 1 is warmed up to raise the temperature of the cooling water.

入口水温センサ47は、燃料電池スタック1の冷却水入口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。入口水温センサ47は、燃料電池スタック1に流入する冷却水の温度(以下「入口水温」という。)を検出する。   The inlet water temperature sensor 47 is provided in the cooling water circulation passage near the cooling water inlet hole of the fuel cell stack 1. The inlet water temperature sensor 47 detects the temperature of cooling water flowing into the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “inlet water temperature”).

出口水温センサ48は、燃料電池スタック1の冷却水出口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。出口水温センサ48は、燃料電池スタック1から排出された冷却水の温度(以下「出口水温」という。)を検出する。   The outlet water temperature sensor 48 is provided in the cooling water circulation passage in the vicinity of the cooling water outlet hole of the fuel cell stack 1. The outlet water temperature sensor 48 detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “outlet water temperature”).

電力系5は、電流センサ51と、電圧センサ52と、走行モータ53と、インバータ54と、バッテリ55と、DC/DCコンバータ56と、を備える。   The power system 5 includes a current sensor 51, a voltage sensor 52, a traveling motor 53, an inverter 54, a battery 55, and a DC / DC converter 56.

電流センサ51は、燃料電池スタック1から取り出される電流(以下「出力電流」という。)を検出する。   The current sensor 51 detects a current taken out from the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “output current”).

電圧センサ52は、アノード電極側出力端子1aとカソード電極側出力端子1bの間の端子間電圧(以下「出力電圧」という。)を検出する。また、燃料電池スタック1を構成する燃料電池10の1枚ごとの電圧を検出できるようにすると尚良い。さらに、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。   The voltage sensor 52 detects an inter-terminal voltage (hereinafter referred to as “output voltage”) between the anode electrode side output terminal 1a and the cathode electrode side output terminal 1b. Further, it is preferable that the voltage of each fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 1 can be detected. Further, the voltage may be detected every two or more sheets.

走行モータ53は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ53は、燃料電池スタック1及びバッテリ55から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。   The travel motor 53 is a three-phase AC synchronous motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor and a stator coil is wound around a stator. The travel motor 53 functions as an electric motor that is driven to rotate by receiving electric power supplied from the fuel cell stack 1 and the battery 55, and power generation that generates electromotive force at both ends of the stator coil during deceleration of the vehicle in which the rotor is rotated by external force. Function as a machine.

インバータ54は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ54の半導体スイッチは、コントローラ6によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ54は、走行モータ53を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック1の発電電力とバッテリ55の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ53に供給する。一方で、走行モータ53を発電機として機能させるときは、走行モータ53の回生電力(三相交流電力)を直流電力に変換してバッテリ55に供給する。   The inverter 54 includes a plurality of semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). The semiconductor switch of the inverter 54 is controlled to be opened / closed by the controller 6, whereby DC power is converted into AC power or AC power is converted into DC power. When the drive motor 53 functions as an electric motor, the inverter 54 converts the combined DC power of the power generated by the fuel cell stack 1 and the output power of the battery 55 into three-phase AC power and supplies the three-phase AC power to the drive motor 53. On the other hand, when the traveling motor 53 functions as a generator, the regenerative power (three-phase alternating current power) of the traveling motor 53 is converted into direct current power and supplied to the battery 55.

バッテリ55は、燃料電池スタック1の発電電力(出力電流×出力電圧)の余剰分及び走行モータ53の回生電力を充電する。バッテリ55に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ25などの補機類及び走行モータ53に供給される。   The battery 55 charges the surplus power generated by the fuel cell stack 1 (output current × output voltage) and the regenerative power of the traveling motor 53. The electric power charged in the battery 55 is supplied to auxiliary equipment such as the cathode compressor 25 and the traveling motor 53 as necessary.

DC/DCコンバータ56は、燃料電池スタック1の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。DC/DCコンバータ56によって燃料電池スタック1の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック1の出力電流、ひいては発電電力が制御される。   The DC / DC converter 56 is a bidirectional voltage converter that raises and lowers the output voltage of the fuel cell stack 1. By controlling the output voltage of the fuel cell stack 1 by the DC / DC converter 56, the output current of the fuel cell stack 1, and thus the generated power, is controlled.

コントローラ6は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。   The controller 6 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).

コントローラ6には、前述したエアフローセンサ24等の他にも、アクセルペダルの踏み込み量(以下「アクセル操作量」という。)を検出するアクセルストロークセンサ61や、外気温を検出する外気温センサ62などの燃料電池システム100の運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。   In addition to the airflow sensor 24 and the like described above, the controller 6 includes an accelerator stroke sensor 61 that detects the amount of depression of the accelerator pedal (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”), an outside air temperature sensor 62 that detects the outside air temperature, and the like. Signals from various sensors for detecting the operating state of the fuel cell system 100 are input.

コントローラ6は、燃料電池システム100の運転状態に基づいて、燃料電池スタック1の目標出力電流を算出する。具体的には、走行モータ53の要求電力やカソードコンプレッサ25等の補機類の要求電力、バッテリ55の充放電要求に基づいて、燃料電池スタック1の目標出力電流を算出する。   The controller 6 calculates the target output current of the fuel cell stack 1 based on the operating state of the fuel cell system 100. Specifically, the target output current of the fuel cell stack 1 is calculated based on the required power of the traveling motor 53, the required power of auxiliary equipment such as the cathode compressor 25, and the charge / discharge request of the battery 55.

そしてコントローラ6は、燃料電池スタック1の出力電流が目標出力電流となるように、DC/DCコンバータ56によって燃料電池スタック1の出力電圧を制御し、走行モータ53や補機類に必要な電力を供給する。またコントローラ6は、目標出力電流に応じて燃料電池スタック1に供給するカソードガスの流量及び圧力を制御する。具体的には、目標出力電流が高くなるほど、燃料電池スタック1に供給するカソードガスの流量及び圧力を大きくする。   Then, the controller 6 controls the output voltage of the fuel cell stack 1 by the DC / DC converter 56 so that the output current of the fuel cell stack 1 becomes the target output current, and supplies the electric power necessary for the traveling motor 53 and the auxiliary machinery. Supply. The controller 6 controls the flow rate and pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 according to the target output current. Specifically, as the target output current increases, the flow rate and pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 are increased.

また、コントローラ6は、燃料電池システムの100の起動時の外気温と、起動からの燃料電池システムの運転状態(例えば出口水温等)と、に基づいて、バッファタンク36内の温度(以下「バッファタンク温度」という。)を推定することで検出する。なお、バッファタンク36に直接温度センサを設けてバッファタンク温度を検出しても良い。   The controller 6 also determines the temperature in the buffer tank 36 (hereinafter referred to as “buffer”) based on the outside air temperature when the fuel cell system 100 is started and the operating state of the fuel cell system (for example, the outlet water temperature) after the start. It is detected by estimating the tank temperature. Note that a temperature sensor may be directly provided in the buffer tank 36 to detect the buffer tank temperature.

また、コントローラ6は、電解質膜111の湿潤度(含水率)が発電に適した湿潤度になるように、カソードコンプレッサ25や循環ポンプ45などを制御する。具体的には、電解質膜111の湿潤度と相関関係にある燃料電池スタック1の内部インピーダンス(HFR;High Frequency Resistance)を、例えば交流インピーダンス法等によって算出し、HFRが目標値となるように、カソードコンプレッサ25や循環ポンプ45などを制御する。   Further, the controller 6 controls the cathode compressor 25, the circulation pump 45, and the like so that the wetness (water content) of the electrolyte membrane 111 becomes a wetness suitable for power generation. Specifically, the internal impedance (HFR; High Frequency Resistance) of the fuel cell stack 1 correlated with the wetness of the electrolyte membrane 111 is calculated by, for example, the alternating current impedance method, and the HFR becomes a target value. The cathode compressor 25 and the circulation pump 45 are controlled.

また、コントローラ6は、燃料電池システム100の運転状態に基づいて、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック1の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力及び脈動下限圧力の範囲内でアノード圧力を周期的に昇降圧させて、アノード圧力を脈動させる。このような脈動運転を行うことで、アノード圧力の昇圧時にアノードガス流路121の液水をアノードガス排出通路35へ排出し、アノードガス流路121における排水性を確保している。   Further, the controller 6 performs a pulsating operation that periodically increases or decreases the anode pressure based on the operating state of the fuel cell system 100. In the pulsation operation, the anode pressure is periodically raised and lowered within the range of the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure set according to the target output current of the fuel cell stack 1 to pulsate the anode pressure. By performing such pulsation operation, the liquid water in the anode gas passage 121 is discharged to the anode gas discharge passage 35 when the anode pressure is increased, and the drainage property in the anode gas passage 121 is secured.

ここで、脈動運転によって排水性を確保するためには、脈動運転時の脈動幅とアノード圧力の昇圧変化率(昇圧速度)とを適切に設定する必要がある。   Here, in order to ensure drainage by pulsation operation, it is necessary to appropriately set the pulsation width and the anode pressure increase rate (pressure increase rate) during pulsation operation.

アノードガス流路121内の液水量は、燃料電池スタック1の目標出力電流が高くなるほど多くなる傾向にある。そのため、基本的に燃料電池スタック1の目標出力電流が高くなるほど脈動幅が大きくなるように設定していた。そして、アノード圧力の昇圧変化率を、目標出力電流に応じて設定した脈動幅でアノード圧力を昇圧させたときに、アノードガス流路121の液水を排出するために必要なガス流速を確保できる変化率に設定していた。   The amount of liquid water in the anode gas passage 121 tends to increase as the target output current of the fuel cell stack 1 increases. For this reason, the pulsation width is basically set to increase as the target output current of the fuel cell stack 1 increases. When the anode pressure is increased by the pulsation width set in accordance with the target output current, the gas flow rate necessary for discharging the liquid water in the anode gas channel 121 can be secured. The rate of change was set.

しかしながら、燃料電池システム100の運転状態によっては、種々の制限によって、目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力や脈動下限圧力までアノード圧力を上げることや下げることができない場合がある。つまり、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも、実際の脈動幅が小さく制限される場合がある。   However, depending on the operating state of the fuel cell system 100, the anode pressure may not be increased or decreased to the pulsation upper limit pressure or the pulsation lower limit pressure set according to the target output current due to various limitations. That is, the actual pulsation width may be limited to be smaller than the pulsation width set according to the target output current.

脈動幅が小さく制限されたにもかかわらず、アノード圧力の昇圧変化率を、目標出力電流に応じて設定した脈動幅で排水性を確保できる昇圧変化率のままに設定していては、排水性を確保できなくなるおそれがある。   Even if the pulsation width is limited to a small value, if the rate of change in pressure increase of the anode pressure is set to the rate of change in pressure that can ensure drainage with the pulsation width set according to the target output current, May not be secured.

そこで本実施形態では、脈動幅が、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも小さく制限されたときは、昇圧変化率を増大する方向に補正してアノード圧力の昇圧速度を速めることとした。これにより、脈動幅が小さく制限された場合であっても、アノードガス流路121の排水性を確保することした。   Therefore, in the present embodiment, when the pulsation width is limited to be smaller than the pulsation width set according to the target output current, the pressure increase rate is increased by correcting the pressure increase rate to increase. did. Thereby, even if it was a case where the pulsation width | variety was restrict | limited small, the drainage of the anode gas flow path 121 was ensured.

図4は、本実施形態によるアノード圧力制御部7の詳細構成を示すブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of the anode pressure control unit 7 according to the present embodiment.

アノード圧力制御部7は、脈動下限圧力演算部71と、脈動上限圧力演算部72と、昇圧変化率演算部73と、脈動制御部74と、を備える。   The anode pressure control unit 7 includes a pulsation lower limit pressure calculation unit 71, a pulsation upper limit pressure calculation unit 72, a pressure increase change rate calculation unit 73, and a pulsation control unit 74.

脈動下限圧力演算部71には、検出カソード圧力、大気圧、HFR、入口水温及び出口水温が入力される。脈動下限圧力演算部71は、これらの入力値に基づいて、脈動運転時における下限側のアノード圧力の目標値(以下「脈動下限圧力」という。)を算出する。以下、脈動下限圧力演算部71について詳しく説明する。   The detected cathode pressure, atmospheric pressure, HFR, inlet water temperature, and outlet water temperature are input to the pulsation lower limit pressure calculation unit 71. Based on these input values, the pulsation lower limit pressure calculation unit 71 calculates a target value (hereinafter referred to as “pulsation lower limit pressure”) of the anode pressure on the lower limit side during the pulsation operation. Hereinafter, the pulsation lower limit pressure calculation unit 71 will be described in detail.

脈動下限圧力演算部71は、水素分圧下限値演算部711と、脈動下限圧力設定部712と、を備える。   The pulsation lower limit pressure calculation unit 71 includes a hydrogen partial pressure lower limit value calculation unit 711 and a pulsation lower limit pressure setting unit 712.

水素分圧下限値演算部711は、アノードガス流路121内の水素分圧を確保するために必要なアノード圧力の下限値(以下「水素分圧下限値」という。)を演算する。   The hydrogen partial pressure lower limit calculation unit 711 calculates a lower limit value of the anode pressure (hereinafter referred to as “hydrogen partial pressure lower limit value”) necessary to ensure the hydrogen partial pressure in the anode gas flow path 121.

アノードガス流路121には、MEA11を介してカソードガス流路131から窒素や水分(液水や水蒸気)等の不純物が透過してくる。この不純物の透過量は、燃料電池スタック1の温度が高くなるほど多くなる。また、燃料電池スタック1の温度が高くなるほど飽和水蒸気量も多くなる。そのため、燃料電池スタック1の温度が高くなるほど、アノードガス流路121内における不純物ガスの分圧が相対的に高くなり、水素分圧が相対的に低くなってしまう。水素分圧が低くなりすぎると、アノード電極112の発電領域における水素濃度が低下してしまう。この状態で発電が継続されると、燃料電池10が劣化するおそれがある。   Impurities such as nitrogen and moisture (liquid water and water vapor) permeate into the anode gas channel 121 from the cathode gas channel 131 through the MEA 11. The amount of impurities permeated increases as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. Further, the saturated water vapor amount increases as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. Therefore, the higher the temperature of the fuel cell stack 1, the higher the partial pressure of the impurity gas in the anode gas channel 121 and the lower the hydrogen partial pressure. If the hydrogen partial pressure becomes too low, the hydrogen concentration in the power generation region of the anode electrode 112 will decrease. If power generation is continued in this state, the fuel cell 10 may be deteriorated.

そこで本実施形態では、アノードガス流路121内の水素分圧を確保するために必要なアノード圧力の下限値として、水素分圧下限値を演算し、水素分圧下限値よりもアノード圧力が低下しないようにしている。   Therefore, in this embodiment, the hydrogen partial pressure lower limit value is calculated as the lower limit value of the anode pressure necessary to ensure the hydrogen partial pressure in the anode gas flow path 121, and the anode pressure is lower than the hydrogen partial pressure lower limit value. I try not to.

図5は、水素分圧下限値演算部711の詳細構成を示すブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the hydrogen partial pressure lower limit value calculation unit 711.

水素分圧下限値演算部711は、基本下限値演算部7111と、補正係数演算部7112と、水素分圧下限値算出部7113と、を備える。   The hydrogen partial pressure lower limit value calculation unit 711 includes a basic lower limit value calculation unit 7111, a correction coefficient calculation unit 7112, and a hydrogen partial pressure lower limit value calculation unit 7113.

基本下限値演算部7111には、入口水温と出口水温とが入力される。基本下限値演算部7111は、図5に示したマップを参照し、入口水温と出口水温とに基づいて、基本下限値を演算する。図5のマップ示すように、基本下限値は、入口水温が高くなるほど、また出口水温が高くなるほど大きくなる。つまり、基本下限値は、燃料電池スタック1の温度が高くなるほど大きくなる。これは前述した通り、燃料電池スタック1の温度が高くなるほど、アノードガス流路121内の水素分圧が相対的に低下するためである。   The basic lower limit calculator 7111 receives the inlet water temperature and the outlet water temperature. The basic lower limit calculator 7111 calculates a basic lower limit based on the inlet water temperature and the outlet water temperature with reference to the map shown in FIG. As shown in the map of FIG. 5, the basic lower limit value increases as the inlet water temperature increases and the outlet water temperature increases. That is, the basic lower limit value increases as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. This is because, as described above, the hydrogen partial pressure in the anode gas flow path 121 relatively decreases as the temperature of the fuel cell stack 1 increases.

補正係数演算部7112には、HFRが入力される。補正係数演算部7112は、図5のテーブルを参照し、HFRに基づいて、補正係数を演算する。図5のテーブルに示すように、補正係数は、HFRが小さいときのほうが大きくなる。これは、HFRが小さいときほど、電解質膜111の含水率が高く、アノードガス121流路内の水分量が多いと考えられるからである。   HFR is input to the correction coefficient calculation unit 7112. The correction coefficient calculator 7112 calculates a correction coefficient based on the HFR with reference to the table of FIG. As shown in the table of FIG. 5, the correction coefficient becomes larger when the HFR is small. This is because it is considered that the smaller the HFR, the higher the moisture content of the electrolyte membrane 111 and the greater the amount of water in the anode gas 121 flow path.

水素分圧下限値算出部7113は、基本下限値に補正係数を掛けたゲージ水素分圧下限値に、大気圧を足して絶対圧に変換したものを、水素分圧下限値として算出する。   The hydrogen partial pressure lower limit calculation unit 7113 calculates a hydrogen hydrogen partial pressure lower limit value obtained by adding the atmospheric pressure to the gauge hydrogen partial pressure lower limit value obtained by multiplying the basic lower limit value by a correction coefficient and converting it to an absolute pressure.

再び図4に戻って脈動下限圧力演算部71の脈動下限圧力設定部712について説明する。   Returning to FIG. 4 again, the pulsation lower limit pressure setting unit 712 of the pulsation lower limit pressure calculation unit 71 will be described.

脈動下限圧力設定部712には、検出カソード圧力と、水素分圧下限値と、が入力される。脈動下限圧力設定部712は、これら2つの入力値のうち、大きい方を脈動下限圧力として設定する。脈動下限圧力設定部712は、通常は検出カソード圧力を脈動下限圧力として設定する。そして、燃料電池システム100の運転状態に応じて水素分圧下限値が増加し、検出カソード圧力よりも大きくなったときは、水素分圧下限値を脈動下限圧力として設定し、水素分圧を確保する。   The detected cathode pressure and the hydrogen partial pressure lower limit value are input to the pulsation lower limit pressure setting unit 712. The pulsation lower limit pressure setting unit 712 sets the larger one of these two input values as the pulsation lower limit pressure. The pulsation lower limit pressure setting unit 712 normally sets the detected cathode pressure as the pulsation lower limit pressure. When the hydrogen partial pressure lower limit increases in accordance with the operating state of the fuel cell system 100 and becomes larger than the detected cathode pressure, the hydrogen partial pressure lower limit is set as the pulsation lower limit pressure to ensure the hydrogen partial pressure. To do.

脈動上限圧力演算部72には、大気圧と、検出カソード圧力と、目標出力電流と、HFRと、が入力される。脈動上限圧力演算部72は、これらの入力値に基づいて、脈動運転時における上限側のアノード圧力の目標値(以下「脈動上限圧力」という。)を演算する。以下、脈動上限圧力演算部72について詳しく説明する。   Atmospheric pressure, detected cathode pressure, target output current, and HFR are input to the pulsation upper limit pressure calculation unit 72. The pulsation upper limit pressure calculation unit 72 calculates a target value of the anode pressure on the upper limit side during pulsation operation (hereinafter referred to as “pulsation upper limit pressure”) based on these input values. Hereinafter, the pulsation upper limit pressure calculation unit 72 will be described in detail.

脈動上限圧力演算部72は、システム上限値算出部721と、膜保護上限値算出部722と、脈動幅演算部723と、基本脈動上限圧力演算部724と、脈動上限圧力設定部725と、を備える。   The pulsation upper limit pressure calculation unit 72 includes a system upper limit value calculation unit 721, a membrane protection upper limit value calculation unit 722, a pulsation width calculation unit 723, a basic pulsation upper limit pressure calculation unit 724, and a pulsation upper limit pressure setting unit 725. Prepare.

システム上限値算出部721には、大気圧が入力される。システム上限値算出部721は、大気圧に所定のシステム耐圧を足したものを、燃料電池システム100の耐久性を確保するために必要なアノード圧力の上限値(以下「システム上限値」という。)として算出する。システム耐圧は、燃料電池スタック1やアノードガス供給通路32等の耐圧性能に応じて定まる所定値である。つまりシステム上限値は、燃料電池スタック1やアノードガス供給通路32等に耐圧性能を超える圧力がかからないようにするための、アノード圧力の上限側の制限値である。   The atmospheric pressure is input to the system upper limit value calculation unit 721. The system upper limit value calculation unit 721 is obtained by adding a predetermined system pressure resistance to the atmospheric pressure, and an upper limit value of the anode pressure necessary for ensuring the durability of the fuel cell system 100 (hereinafter referred to as “system upper limit value”). Calculate as The system pressure resistance is a predetermined value determined according to the pressure resistance performance of the fuel cell stack 1, the anode gas supply passage 32, and the like. That is, the system upper limit value is a limit value on the upper limit side of the anode pressure for preventing the pressure exceeding the pressure resistance performance from being applied to the fuel cell stack 1, the anode gas supply passage 32, and the like.

膜保護上限値算出部722には、検出カソード圧力が入力される。膜保護上限値算出部722は、検出カソード圧力に所定の許容膜間差圧を足したものを、電解質膜111の耐久性を確保するために必要なアノード圧力の上限値(以下「膜保護上限値」という。)として算出する。膜保護上限値は、燃料電池スタック1内におけるアノード側とカソード側との差圧が、電解質膜111を劣化させるような過大な値とならないようにするための、アノード圧力の上限側の制限値である。   The detected cathode pressure is input to the membrane protection upper limit calculation unit 722. The membrane protection upper limit value calculation unit 722 is obtained by adding a predetermined allowable transmembrane pressure to the detected cathode pressure to obtain an upper limit value of the anode pressure necessary for ensuring the durability of the electrolyte membrane 111 (hereinafter referred to as “membrane protection upper limit value”). Calculated as “value”). The membrane protection upper limit value is a limit value on the upper limit side of the anode pressure so that the differential pressure between the anode side and the cathode side in the fuel cell stack 1 does not become an excessive value that degrades the electrolyte membrane 111. It is.

脈動幅演算部723には、目標出力電流と、HFRと、が入力される。脈動幅演算部723は、図4に示したマップを参照し、目標出力電流とHFRとに基づいて、脈動幅を演算する。図4のマップに示すように、脈動幅は、目標出力電流が高くなるほど、また、HFRが小さくなるほど大きくなる。つまり、燃料電池スタック1内の水分量が多くなるほど、大きくなる。   The target output current and HFR are input to the pulsation width calculator 723. The pulsation width calculation unit 723 calculates the pulsation width based on the target output current and the HFR with reference to the map shown in FIG. As shown in the map of FIG. 4, the pulsation width increases as the target output current increases and as the HFR decreases. That is, the larger the amount of water in the fuel cell stack 1, the larger the amount.

基本脈動上限圧力演算部724には、脈動幅と、脈動下限圧力と、が入力される。基本脈動上限圧力演算部724は、脈動幅に脈動下限圧力を足したものを、基本脈動上限圧力として算出する。   The basic pulsation upper limit pressure calculation unit 724 receives the pulsation width and the pulsation lower limit pressure. The basic pulsation upper limit pressure calculation unit 724 calculates a value obtained by adding the pulsation lower limit pressure to the pulsation width as the basic pulsation upper limit pressure.

脈動上限圧力設定部725には、システム上限値、膜保護上限値及び基本脈動上限圧力が入力される。脈動上限圧力設定部725は、これら3つの入力値のうち、最も小さいものを脈動上限圧力として設定する。脈動上限圧力設定部725は、通常は基本脈動上限圧力を脈動上限圧力として設定する。そして、基本脈動上限圧力がシステム上限値又は膜保護上限値よりも大きくなったときは、システム上限値又は膜保護上限値を脈動上限圧力として設定する。   The pulsation upper limit pressure setting unit 725 receives the system upper limit value, the membrane protection upper limit value, and the basic pulsation upper limit pressure. The pulsation upper limit pressure setting unit 725 sets the smallest one of these three input values as the pulsation upper limit pressure. The pulsation upper limit pressure setting unit 725 normally sets the basic pulsation upper limit pressure as the pulsation upper limit pressure. When the basic pulsation upper limit pressure becomes larger than the system upper limit value or the membrane protection upper limit value, the system upper limit value or the membrane protection upper limit value is set as the pulsation upper limit pressure.

このように、システム上限値又は膜保護上限値が脈動上限圧力として設定されたときは、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも、実際の脈動幅が小さく制限されることになる。   As described above, when the system upper limit value or the membrane protection upper limit value is set as the pulsation upper limit pressure, the actual pulsation width is limited to be smaller than the pulsation width set according to the target output current.

昇圧変化率演算部73には、脈動上限圧力、脈動下限圧力、バッファタンク温度、入口水温及び出口水温が入力される。昇圧変化率演算部73は、これらの入力値に基づいて、脈動運転時にアノード圧力を昇圧させるときの昇圧変化率(昇圧速度)を演算する。以下、図6を参照して、昇圧変化率演算部73について詳しく説明する。   The pulsation upper limit pressure, the pulsation lower limit pressure, the buffer tank temperature, the inlet water temperature, and the outlet water temperature are input to the pressure increase change rate calculation unit 73. Based on these input values, the step-up change rate calculation unit 73 calculates a step-up change rate (step-up speed) when the anode pressure is increased during pulsation operation. Hereinafter, the step-up change rate calculation unit 73 will be described in detail with reference to FIG.

図6は、昇圧変化率演算部73の詳細構成を示すブロック図である。   FIG. 6 is a block diagram showing a detailed configuration of the step-up change rate calculation unit 73.

昇圧変化率演算部73は、基準昇圧変化率演算部731と、補正値演算部732と、温度補正係数演算部733と、昇圧変化率算出部734と、を備える。   The step-up change rate calculation unit 73 includes a reference step-up change rate calculation unit 731, a correction value calculation unit 732, a temperature correction coefficient calculation unit 733, and a step-up change rate calculation unit 734.

基準昇圧変化率演算部731には、脈動上限圧力が入力される。基準昇圧変化率演算部731では、まず所定の排水要求体積流量に所定の変換係数を掛けて、大気圧下においてアノードガスの供給流量を排水要求体積流量にするために必要な昇圧変化率を算出する。   The pulsation upper limit pressure is input to the reference boost change rate calculation unit 731. First, the reference pressure increase rate calculating unit 731 multiplies a predetermined drainage required volume flow rate by a predetermined conversion coefficient to calculate a pressure increase rate necessary for making the anode gas supply flow rate the drainage required volume flow rate under atmospheric pressure. To do.

排水要求体積流量は、目標出力電流に応じて設定される脈動幅で脈動運転を実施した場合において、アノードガス流路121の排水性確保に必要なガス流速を得るために燃料電池スタック1に最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量である。本実施形態で、この排水要求体積流量を、予め実験等によって定めた所定値としているが、目標出力電流が高くなるほど大きくなるようにしても良い。また変換係数も、予め実験等に予め定めた所定値としている。   When the pulsation operation is performed with the pulsation width set according to the target output current, the required drainage volume flow rate is the lowest in the fuel cell stack 1 in order to obtain the gas flow rate necessary for ensuring drainage of the anode gas passage 121. This is the supply flow rate of the anode gas that must be supplied in a limited amount. In the present embodiment, the required drainage volume flow rate is set to a predetermined value determined in advance through experiments or the like, but may be increased as the target output current increases. The conversion coefficient is also set to a predetermined value determined in advance in an experiment or the like.

この排水要求体積流量に変換係数を掛けて求まる昇圧変化率は、大気圧下において、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの流量が排水要求体積流量となるガス流速を得るための変化率である。ガス流速は、アノード圧力が高くなるほど低下するため、排水要求体積流量となるガス流速を得るためには、圧力が高くなるほど昇圧変化率も高くする必要がある。そのため、本実施形態では、排水要求体積流量に変換係数を掛けて求まる昇圧変化率に、脈動上限圧力を基準圧力(大気圧)で割った圧力補正係数を掛けたものを、基準昇圧変化率とする。   The rate of change in pressure obtained by multiplying the required drainage volume flow rate by a conversion coefficient is a change rate for obtaining a gas flow rate at which the flow rate of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 becomes the required drainage volume flow rate at atmospheric pressure. is there. Since the gas flow rate decreases as the anode pressure increases, in order to obtain a gas flow rate corresponding to the required drainage volume flow rate, it is necessary to increase the pressure increase rate as the pressure increases. For this reason, in this embodiment, the pressure increase rate obtained by multiplying the required drainage volume flow rate by the conversion coefficient is multiplied by the pressure correction coefficient obtained by dividing the pulsation upper limit pressure by the reference pressure (atmospheric pressure). To do.

補正値演算部732には、脈動上限圧力と、脈動下限圧力と、脈動幅と、が入力される。補正値演算部732は、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも、実際の脈動幅が小さく制限されることになったときに、基準昇圧変化率を増大させるための補正値(以下「昇圧変化率補正値」という。)を演算する。   The correction value calculation unit 732 receives the pulsation upper limit pressure, the pulsation lower limit pressure, and the pulsation width. The correction value calculation unit 732 is a correction value (hereinafter referred to as a correction value) for increasing the reference boosting change rate when the actual pulsation width is limited to be smaller than the pulsation width set according to the target output current. (Referred to as “step-up change rate correction value”).

そのために、補正値演算部732ではまず、脈動上限圧力から脈動下限圧力を引いて、脈動運転時の実際の脈動幅を算出する。そして、目標出力電流に応じて設定される脈動幅(=脈動幅演算部723で演算された脈動幅)から実際の脈動幅を引いて、脈動幅不足代を算出する。そして、図6のテーブルを参照し、この脈動幅不足代に基づいて、昇圧変化率補正値を算出する。図6のテーブルに示すように、脈動幅不足代が大きくなるほど、排水性が厳しくなるので、昇圧変化率補正値は大きくなる。   For this purpose, the correction value calculation unit 732 first calculates the actual pulsation width during pulsation operation by subtracting the pulsation lower limit pressure from the pulsation upper limit pressure. Then, the actual pulsation width is subtracted from the pulsation width (= the pulsation width calculated by the pulsation width calculation unit 723) set according to the target output current, thereby calculating the pulsation width shortage allowance. Then, with reference to the table of FIG. 6, a pressure increase rate correction value is calculated based on the pulsation width deficiency. As shown in the table of FIG. 6, as the pulsation width deficiency increases, drainage becomes more severe, and the pressure increase change rate correction value increases.

温度補正係数演算部733には、バッファタンク温度と、入口水温と、出口水温と、が入力される。脈動運転時の昇圧時には、アノードガス流路121に新しいアノードガスを供給し、アノードガス流路121内に残留するアノードオフガスをバッファタンク36に押し込むことになる。   The temperature correction coefficient calculator 733 receives the buffer tank temperature, the inlet water temperature, and the outlet water temperature. At the time of pressure increase during the pulsation operation, new anode gas is supplied to the anode gas passage 121 and the anode off gas remaining in the anode gas passage 121 is pushed into the buffer tank 36.

このとき、バッファタンク温度が高いほどバッファタンク36内のアノードオフガスの体積が増加するので、燃料電池スタック1の温度と比較してバッファタンク温度が高いときは、アノードガス流路121内に残留するアノードオフガスをバッファタンク36に押し込み難くなる。逆に、燃料電池スタック1の温度と比較してバッファタンク温度が低いときは、アノードガス流路121内に残留するアノードオフガスをバッファタンク36に押し込み易くなる。   At this time, the volume of the anode off gas in the buffer tank 36 increases as the buffer tank temperature increases. Therefore, when the buffer tank temperature is higher than the temperature of the fuel cell stack 1, it remains in the anode gas flow path 121. It becomes difficult to push the anode off gas into the buffer tank 36. Conversely, when the buffer tank temperature is lower than the temperature of the fuel cell stack 1, the anode off gas remaining in the anode gas flow path 121 is easily pushed into the buffer tank 36.

そのため、本実施形態では、バッファタンク温度を、平均水温算出部7331で算出した入口水温と出口水温との平均水温で除算した値(以下「温度比」という。)に予め実験等で定めた所定の定数を掛けたものを、温度補正係数として演算する。   Therefore, in this embodiment, the buffer tank temperature is a predetermined value determined in advance by experiments or the like to a value (hereinafter referred to as “temperature ratio”) obtained by dividing the buffer tank temperature by the average water temperature of the inlet water temperature and the outlet water temperature calculated by the average water temperature calculator 7331. Multiplying the constant is calculated as a temperature correction coefficient.

昇圧変化率算出部734には、基準昇圧変化率と、昇圧変化率補正値と、温度補正係数と、が入力される。昇圧変化率算出部734は、基準昇圧変化率に昇圧変化率補正値を足したものに、温度補正係数を掛けて、昇圧変化率を算出する。   The step-up change rate calculation unit 734 receives a reference step-up change rate, a step-up change rate correction value, and a temperature correction coefficient. The step-up change rate calculation unit 734 calculates the step-up change rate by multiplying the reference step-up change rate plus the step-up change rate correction value by the temperature correction coefficient.

再び図4に戻って脈動制御部74について説明する。   Returning to FIG. 4 again, the pulsation controller 74 will be described.

脈動制御部74には、検出アノード圧力と、脈動上限圧力と、脈動下限圧力と、昇圧変化率と、が入力される。脈動制御部74は、これらの入力値に基づいて、図7のフローチャートに従ってアノード調圧弁33を制御し、アノード圧力を脈動させる。   The detected anode pressure, the pulsation upper limit pressure, the pulsation lower limit pressure, and the pressure increase rate are input to the pulsation control unit 74. Based on these input values, the pulsation control unit 74 controls the anode pressure regulating valve 33 according to the flowchart of FIG. 7 to pulsate the anode pressure.

図7は、脈動制御部74の詳細構成を示すフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart showing a detailed configuration of the pulsation control unit 74.

ステップS1において、コントローラ6は、アノード圧力が脈動上限圧力以上か否かを判定する。コントローラ6は、アノード圧力が脈動上限圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップS2の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動上限圧力未満であれば、ステップS3の処理を行う。   In step S1, the controller 6 determines whether or not the anode pressure is equal to or higher than the pulsation upper limit pressure. If the anode pressure is equal to or higher than the pulsation upper limit pressure, the controller 6 performs the process of step S2 to reduce the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is less than the pulsation upper limit pressure, the process of step S3 is performed.

ステップS2において、コントローラ6は、目標アノード圧力を脈動下限圧力に設定する。   In step S2, the controller 6 sets the target anode pressure to the pulsation lower limit pressure.

ステップS3において、コントローラ6は、アノード圧力が脈動下限圧力以下か否かを判定する。コントローラ6は、アノード圧力が脈動下限圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップS4の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動下限圧力よりも高ければ、ステップS5の処理を行う。   In step S3, the controller 6 determines whether or not the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit pressure. If the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit pressure, the controller 6 performs the process of step S4 to increase the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is higher than the pulsation lower limit pressure, the process of step S5 is performed.

ステップS4において、コントローラ6は、目標アノード圧力を脈動上限圧力に設定する。   In step S4, the controller 6 sets the target anode pressure to the pulsation upper limit pressure.

ステップS5において、コントローラ6は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。   In step S5, the controller 6 sets the target anode pressure to the same target anode pressure as the previous time.

ステップS6において、コントローラ6は、脈動下限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動下限圧力となるように、アノード調圧弁33をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁33の開度は全閉となり、高圧タンク31から燃料電池スタック1へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック1内でのアノードガスの消費によって、アノード圧力が低下していく。   In step S6, when the pulsation lower limit pressure is set as the target anode pressure, the controller 6 feedback-controls the anode pressure regulating valve 33 so that the anode pressure becomes the pulsation lower limit pressure. As a result of this feedback control, the opening of the anode pressure regulating valve 33 is normally fully closed, and the supply of anode gas from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1 is stopped. As a result, the anode pressure decreases due to the consumption of the anode gas in the fuel cell stack 1 by power generation.

一方、コントローラ6は、脈動上限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が、設定した昇圧変化率で脈動上限圧力まで昇圧するように、アノード調圧弁33をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁33が所望の開度まで開かれて、高圧タンク31から燃料電池スタック1へアノードガスが供給され、設定された昇圧変化率でアノード圧力が上昇する。   On the other hand, when the pulsation upper limit pressure is set as the target anode pressure, the controller 6 feedback-controls the anode pressure regulating valve 33 so that the anode pressure is increased to the pulsation upper limit pressure at the set pressure increase rate. As a result of this feedback control, the anode pressure regulating valve 33 is opened to a desired opening degree, the anode gas is supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1, and the anode pressure rises at the set pressure increase rate.

図8は、本実施形態によるアノード圧力制御部7の動作について説明するタイムチャートである。   FIG. 8 is a time chart for explaining the operation of the anode pressure control unit 7 according to the present embodiment.

時刻t1で燃料電池システム100が起動されると、入口水温と出口水温の平均水温が暖機完了温度(例えば60℃)になる時刻t2まで暖機運転が実施される。   When the fuel cell system 100 is started at time t1, the warm-up operation is performed until time t2 when the average water temperature of the inlet water temperature and the outlet water temperature reaches the warm-up completion temperature (for example, 60 ° C.).

時刻t2で暖機運転が終了し、例えばアクセル操作量が増加して目標出力電流が増加すると、目標出力電流に応じて設定される脈動幅も増加する。そして、目標出力電流に応じて設定された脈動幅で脈動運転が実施される。   When the warm-up operation ends at time t2, for example, when the accelerator operation amount increases and the target output current increases, the pulsation width set according to the target output current also increases. Then, the pulsation operation is performed with the pulsation width set according to the target output current.

時刻t3で、目標出力電流の増加による燃料電池スタック1の発熱量に対し、ラジエータ42の冷却性能が不足して平均水温が増加すると、水素分圧下限値が増加する。これにより、水素分圧下限値が検出カソード圧力よりも大きくなり、脈動下限圧力が通常時(検出カソード圧力が脈動下限圧力として設定されているとき)よりも高くなる。   At time t3, when the cooling performance of the radiator 42 is insufficient and the average water temperature increases with respect to the heat generation amount of the fuel cell stack 1 due to the increase in the target output current, the hydrogen partial pressure lower limit value increases. Thereby, the hydrogen partial pressure lower limit value becomes larger than the detected cathode pressure, and the pulsation lower limit pressure becomes higher than normal (when the detected cathode pressure is set as the pulsation lower limit pressure).

脈動上限圧力が通常時よりも高くなった結果、脈動下限圧力に脈動幅を足した基本脈動上限圧力も高くなるが、システム上限値及び膜保護上限値よりもまだ小さいので、引き続き目標出力電流に応じて設定された脈動幅で脈動運転が実施される。   As a result of the pulsation upper limit pressure becoming higher than normal, the basic pulsation upper limit pressure, which is obtained by adding the pulsation width to the pulsation lower limit pressure, is also higher, but is still smaller than the system upper limit value and the membrane protection upper limit value. The pulsation operation is performed with the pulsation width set accordingly.

時刻t4で、脈動下限圧力に脈動幅を足した基本脈動上限圧力が膜保護上限値に達すると、膜保護上限値が脈動上限圧力として設定される。その結果、脈動幅が、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも小さく制限された状態で脈動運転が実施される。   At time t4, when the basic pulsation upper limit pressure obtained by adding the pulsation width to the pulsation lower limit pressure reaches the membrane protection upper limit value, the membrane protection upper limit value is set as the pulsation upper limit pressure. As a result, the pulsation operation is performed in a state where the pulsation width is limited to be smaller than the pulsation width set according to the target output current.

そのため、時刻t4以降は、昇圧変化率が脈動幅不足代に応じて増大補正される。そのため、脈動幅が小さく制限された場合であっても、アノードガス流路121の排水性を確保することができる。   Therefore, after time t4, the step-up change rate is increased and corrected according to the pulsation width shortage allowance. Therefore, even when the pulsation width is limited to be small, the drainage performance of the anode gas passage 121 can be ensured.

時刻t5で目標出力電流が低下すると、再び通常通り、目標出力電流に応じて設定された脈動幅で脈動運転が実施される。   When the target output current decreases at time t5, the pulsation operation is performed with the pulsation width set according to the target output current again as usual.

以上説明した本実施形態による燃料電池システム100は、アノードガス流路121の排水要求に応じて設定された脈動幅と昇圧変化率で、燃料電池スタック1に供給するアノードガスの圧力を脈動させ、燃料電池システム100の運転状態に応じて、脈動幅を小さく制限する。そして、脈動幅が小さく制限されたときは、昇圧変化率を増大補正することとした。   The fuel cell system 100 according to the present embodiment described above pulsates the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 with the pulsation width and the rate of change in pressure set according to the drainage demand of the anode gas flow path 121, The pulsation width is limited to be small according to the operating state of the fuel cell system 100. When the pulsation width is limited to a small value, the rate of change in pressure increase is corrected to increase.

このように、アノードガス流路121の排水要求に応じて設定された脈動幅が、燃料電池システム100の運転状態に応じて小さく制限されたときは、昇圧変化率が増大補正されるので、制限された脈動幅に応じた適切な昇圧変化率でアノードガスの圧力を昇圧させることができる。したがって、アノードガス流路121における排水性を確保することができる。   As described above, when the pulsation width set according to the drainage demand of the anode gas passage 121 is limited to be small according to the operating state of the fuel cell system 100, the pressure increase rate of change is increased and corrected. The pressure of the anode gas can be increased at an appropriate rate of increase in pressure corresponding to the pulsation width. Therefore, the drainage property in the anode gas channel 121 can be ensured.

そして本実施形態による燃料電池システム100は、アノードガス流路121の排水性確保に必要なガス流速を得るために燃料電池スタック1に最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量に基づいて昇圧変化率を設定する。   The fuel cell system 100 according to the present embodiment boosts the pressure based on the supply flow rate of the anode gas that must be supplied to the fuel cell stack 1 in order to obtain the gas flow rate necessary for ensuring the drainage of the anode gas flow path 121. Set the rate of change.

アノードガス流路121の排水性を確保するには、単純に昇圧変化率を高くすれば良いとも考えられる。しかしながら、昇圧変化率を高くすると、単位時間当たりの脈動回数が増える。単位時間当たりの脈動回数が増えると、アノード調圧弁33の開閉回数も増加するため、アノード調圧弁33の劣化が早くなる。また、アノード側とカソード側との間に差圧がつく回数も増加するため、電解質膜111の劣化も早くなる。   In order to ensure the drainage of the anode gas passage 121, it is considered that the rate of change in pressure increase may be simply increased. However, if the step-up change rate is increased, the number of pulsations per unit time increases. As the number of pulsations per unit time increases, the number of times the anode pressure regulating valve 33 is opened and closed also increases, so that the anode pressure regulating valve 33 is quickly deteriorated. In addition, since the number of times the differential pressure is applied between the anode side and the cathode side increases, the deterioration of the electrolyte membrane 111 is accelerated.

したがって、本実施形態のように、アノードガス流路121の排水性確保に必要なガス流速を得るために燃料電池スタック1に最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量に基づいて昇圧変化率を設定することで、昇圧変化率を最小限に抑えつつ、脈動幅が小さく制限された場合であっても、アノードガス流路121における排水性を確保することができる。そのため、アノード調圧弁33や電解質膜111の耐久性の悪化を抑制でき、ひいては燃料電池システム100の耐久性や信頼性を確保することができる。   Therefore, as in the present embodiment, the rate of change in pressure increase is based on the supply flow rate of the anode gas that must be supplied to the fuel cell stack 1 at a minimum in order to obtain the gas flow rate necessary for ensuring drainage of the anode gas flow path 121. By setting this, the drainage property in the anode gas channel 121 can be ensured even when the pulsation width is limited to a small value while minimizing the rate of change in pressure increase. Therefore, deterioration of durability of the anode pressure regulating valve 33 and the electrolyte membrane 111 can be suppressed, and as a result, durability and reliability of the fuel cell system 100 can be ensured.

また、本実施形態による燃料電池システム100は、脈動上限圧力と脈動下限圧力との差分、すなわち実際の脈動幅が、アノードガス流路121の排水要求に応じて設定された脈動幅よりも小さくなったときに、その差分(脈動幅不足代)に基づいて昇圧変化率を増大補正する。   Further, in the fuel cell system 100 according to the present embodiment, the difference between the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure, that is, the actual pulsation width becomes smaller than the pulsation width set according to the drainage request of the anode gas flow path 121. The increase rate of the pressure increase is corrected based on the difference (the pulsation width shortage allowance).

このように、アノードガス流路121の排水要求に応じて設定された脈動幅に対する不足分の脈動幅(脈動幅不足代)に基づいて昇圧変化率を補正することで、確実にアノードガス流路121における排水性を確保することができる。   In this way, the anode gas flow path is reliably corrected by correcting the pressure increase rate based on the short pulsation width (pulsation width shortage allowance) with respect to the pulsation width set according to the drainage demand of the anode gas flow path 121. The drainage at 121 can be secured.

また、本実施形態による燃料電池システム100は、脈動幅不足代(差分)に基づいて増大補正した昇圧変化率を、さらにバッファタンク温度と燃料電池スタック1の温度との温度比に応じて補正する。具体的には、バッファタンク温度が高くなるほど、また、燃料電池スタック1の温度が低くなるほど、昇圧変化率が大きくなるように補正する。   Further, the fuel cell system 100 according to the present embodiment further corrects the increase rate of pressure increase corrected based on the pulsation width shortage allowance (difference) according to the temperature ratio between the buffer tank temperature and the temperature of the fuel cell stack 1. . Specifically, correction is performed such that the higher the buffer tank temperature is, and the lower the temperature of the fuel cell stack 1 is, the higher the rate of change in pressure increase is.

バッファタンク温度が高いほどバッファタンク36内のアノードオフガスの体積が増加するので、燃料電池スタック1の温度と比較してバッファタンク温度が高いときは、アノードガス流路121内に残留するアノードオフガスをバッファタンク36に押し込み難くなる。逆に、燃料電池スタック1の温度と比較してバッファタンク温度が低いときは、アノードガス流路121内に残留するアノードオフガスをバッファタンク36に押し込み易くなる。   Since the volume of the anode off gas in the buffer tank 36 increases as the buffer tank temperature increases, when the buffer tank temperature is higher than the temperature of the fuel cell stack 1, the anode off gas remaining in the anode gas flow path 121 is reduced. It becomes difficult to push into the buffer tank 36. Conversely, when the buffer tank temperature is lower than the temperature of the fuel cell stack 1, the anode off gas remaining in the anode gas flow path 121 is easily pushed into the buffer tank 36.

したがって、本実施形態のように、バッファタンク温度と燃料電池スタック1の温度との温度比に応じて昇圧変化率をさらに補正することで、より確実にアノードガス流路121における排水性を確保することができる。   Therefore, as in this embodiment, by further correcting the rate of change in pressure increase according to the temperature ratio between the buffer tank temperature and the temperature of the fuel cell stack 1, the drainage performance in the anode gas flow path 121 can be more reliably ensured. be able to.

また、本実施形態による燃料電池システム100は、アノードガスの圧力が、燃料電池スタック1に供給されるカソードガスの圧力に電解質膜111を保護するための所定の許容膜間差圧を加えた膜保護上限値、及び、燃料電池システム100の耐圧保護を図るためのシステム上限値を超えないようにしている。   In the fuel cell system 100 according to the present embodiment, the anode gas pressure is a membrane obtained by adding a predetermined allowable transmembrane pressure for protecting the electrolyte membrane 111 to the cathode gas pressure supplied to the fuel cell stack 1. The protection upper limit value and the system upper limit value for protecting the pressure resistance of the fuel cell system 100 are not exceeded.

そのため、燃料電池システム100の耐久性を確保することができる。   Therefore, the durability of the fuel cell system 100 can be ensured.

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、燃料電池スタック1の目標出力電流に応じて脈動幅を変動させていたが、一定としても良い。   In the above embodiment, the pulsation width is varied according to the target output current of the fuel cell stack 1, but may be constant.

また、上記実施形態では、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンク36を設けていた。しかしながら、このようなバッファタンク36を設けずに、例えば、燃料電池スタック1の内部マニホールドをバッファタンク36の代わりの空間としても良い。ここでいう内部マニホールドとは、アノードガス流路121を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック1の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路35へと排出される。   Further, in the above embodiment, the buffer tank 36 is provided as a space for storing the anode off gas. However, without providing such a buffer tank 36, for example, the internal manifold of the fuel cell stack 1 may be used as a space instead of the buffer tank 36. The internal manifold here is a space inside the fuel cell stack 1 where the anode off-gas that has finished flowing through the anode gas flow path 121 is collected, and the anode off-gas is discharged to the anode gas discharge passage 35 through the manifold. .

1 燃料電池スタック(燃料電池)
6 コントローラ(脈動運転手段、補正手段、バッファ部の温度を推定する手段

36 バッファタンク(バッファ部)
47 入口水温センサ(燃料電池の温度を検出する手段)
48 出口水温センサ(燃料電池の温度を検出する手段)
100 燃料電池システム
111 電解質膜
1 Fuel cell stack (fuel cell)
6 Controller (Pulsation operation means, correction means, means for estimating the temperature of the buffer unit)
36 Buffer tank (buffer part)
47 Inlet water temperature sensor (means for detecting fuel cell temperature)
48 outlet water temperature sensor (means for detecting the temperature of the fuel cell)
100 Fuel Cell System 111 Electrolyte Membrane

Claims (6)

アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池のアノード側の排水要求に応じて設定された脈動幅と昇圧変化率で、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転手段と、
前記燃料電池システムの運転状態に応じて、前記脈動幅を小さく制限する制限手段と、
前記制限手段によって前記脈動幅が小さく制限されたときは、前記昇圧変化率を増大補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system for generating power by supplying anode gas and cathode gas to a fuel cell,
Pulsation operation means for pulsating the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell with a pulsation width and a rate of change in pressure set according to the drainage demand on the anode side of the fuel cell;
Limiting means for limiting the pulsation width small according to the operating state of the fuel cell system;
When the pulsation width is limited to be small by the limiting unit, a correcting unit that increases and corrects the step-up change rate;
A fuel cell system comprising:
前記脈動運転手段は、
前記燃料電池の負荷に基づいて、前記脈動幅を設定し、
前記燃料電池のアノード側の排水性確保に必要なガス流速を得るために前記燃料電池スタックに最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量に基づいて、前記昇圧変化率を設定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The pulsation driving means includes
Based on the load of the fuel cell, set the pulsation width,
Setting the rate of change in pressure increase based on the supply flow rate of the anode gas that must be supplied to the fuel cell stack in order to obtain the gas flow rate necessary for ensuring drainage on the anode side of the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1.
前記制限手段は、
前記燃料電池内の水素分圧を確保するためのアノードガスの圧力下限値と、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力と、の大きいほうを脈動下限圧力として設定し、
前記脈動幅と前記脈動下限圧力と基づいて算出される基本脈動上限圧力と、燃料電池システムの運転状態に応じて算出されるアノードガスの圧力上限値と、の小さいほうを脈動上限圧力として設定する手段であり、
前記補正手段は、
前記脈動上限圧力と前記脈動下限圧力との差分が前記脈動幅よりも小さくなったときに、その差分に基づいて前記昇圧変化率を増大補正する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
The limiting means is
The larger one of the pressure lower limit value of the anode gas for securing the hydrogen partial pressure in the fuel cell and the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell is set as the pulsation lower limit pressure,
The smaller one of the basic pulsation upper limit pressure calculated based on the pulsation width and the pulsation lower limit pressure and the anode gas pressure upper limit value calculated according to the operating state of the fuel cell system is set as the pulsation upper limit pressure. Means,
The correction means includes
When the difference between the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure becomes smaller than the pulsation width, the pressure increase rate of change is increased and corrected based on the difference.
The fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、
前記バッファ部の温度を検出するバッファ温度検出手段と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
を備え、
前記補正手段は、
前記差分に基づいて増大補正した前記昇圧変化率を、さらに前記バッファ部の温度と前記燃料電池の温度との温度比に応じて補正する、
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
A buffer unit for storing anode off-gas discharged from the fuel cell;
Buffer temperature detecting means for detecting the temperature of the buffer unit;
Fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
With
The correction means includes
The step-up change rate corrected to increase based on the difference is further corrected according to a temperature ratio between the temperature of the buffer unit and the temperature of the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 3.
前記補正手段は、
前記バッファ部の温度が高くなるほど、また、前記燃料電池の温度が低くなるほど、前記昇圧変化率が大きくなるように前記昇圧変化率を補正する、
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
The correction means includes
The step-up change rate is corrected so that the step-up change rate increases as the temperature of the buffer unit increases and the temperature of the fuel cell decreases.
The fuel cell system according to claim 4.
前記アノードガスの圧力上限値は、
前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力に前記燃料電池の電解質膜を保護するための所定値を加えた圧力と、前記燃料電池の耐圧保護を図るための所定圧力と、の小さいほうである、
ことを特徴とする請求項3から請求項5までのいずれか1つに記載の燃料電池システム。
The upper pressure limit of the anode gas is
A pressure obtained by adding a predetermined value for protecting the electrolyte membrane of the fuel cell to the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell and a predetermined pressure for protecting the pressure resistance of the fuel cell. ,
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 5, wherein
JP2013211318A 2013-10-08 2013-10-08 Fuel cell system Pending JP2015076246A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013211318A JP2015076246A (en) 2013-10-08 2013-10-08 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013211318A JP2015076246A (en) 2013-10-08 2013-10-08 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015076246A true JP2015076246A (en) 2015-04-20

Family

ID=53000950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013211318A Pending JP2015076246A (en) 2013-10-08 2013-10-08 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015076246A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022135483A (en) * 2021-03-05 2022-09-15 トヨタ自動車株式会社 fuel cell system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022135483A (en) * 2021-03-05 2022-09-15 トヨタ自動車株式会社 fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9806357B2 (en) Fuel cell system
US10854900B2 (en) Fuel cell system and control method for fuel cell system
US9853311B2 (en) Fuel cell system and fuel cell powered vehicle
WO2015114968A1 (en) Fuel cell system
JP5804205B2 (en) Fuel cell system
CN105609831A (en) Fuel cell system and operation control method of the same
JP5812118B2 (en) Fuel cell system
JP6287011B2 (en) Fuel cell system
JP2015125873A (en) Fuel cell system
US10164275B2 (en) Fuel cell system
JP2015125911A (en) Fuel cell system
JP2015076246A (en) Fuel cell system
WO2013137275A1 (en) Fuel cell system
JP5229523B2 (en) Fuel cell system
WO2014192649A1 (en) Fuel-cell system and method for controlling fuel-cell system
JP2015069909A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20161205