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JP3829767B2 - Fuel cell control system - Google Patents

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JP3829767B2
JP3829767B2 JP2002197112A JP2002197112A JP3829767B2 JP 3829767 B2 JP3829767 B2 JP 3829767B2 JP 2002197112 A JP2002197112 A JP 2002197112A JP 2002197112 A JP2002197112 A JP 2002197112A JP 3829767 B2 JP3829767 B2 JP 3829767B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排燃料ガスを燃焼させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池制御システムに関し、特に、排燃料燃焼器での排燃料ガスの燃焼に必要とする量の酸化ガスを供給可能とした燃料電池制御システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から燃料電池の排燃料ガスを燃焼器で燃焼させる燃料電池制御システムとして、例えば、特開2001−023669号公報に記載されたものがある。
【0003】
これは、燃焼器の温度を制御するために、コンプレッサから常に余剰の空気を供給し、燃焼器の温度が低すぎる場合は酸化ガスとしての余剰空気を大気に放出し、燃焼器の温度が高い場合は大気に放出せずに燃焼器に供給するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、パージ時等における排燃料ガスの増加を見込んで常時は余剰となる量の空気を供給するものであるため、燃焼器の温度制御に不要な余剰空気が常時大気へ排出され、コンプレッサにより電力を消費し続けるという問題点があった。
【0005】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、大気への排出によることなく排燃料燃焼器が排燃料ガスの燃焼に必要とする量の酸化ガスを供給可能とした燃料電池制御システムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パージ手段によって排出される排燃料ガスと前記燃料電池スタックから排出される排酸化ガスとを反応させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池制御システムにおいて、燃料電池スタックの運転状態検出手段の出力から前記排燃料ガス流量を推定する排燃料ガス流量推定手段と、前記排燃料ガス流量推定手段の出力に基づき前記排燃料燃焼器に供給する排酸化ガス流量の目標値を設定する排酸化ガス目標流量設定手段とを備え、前記排酸化ガス目標流量に基づき前記酸化ガス流量を酸化ガス流量制御手段により制御することを特徴とする。
【0007】
【発明の効果】
したがって、本発明では、排燃料ガス流量推定手段により燃料電池スタックの運転状態検出手段の出力からパージ手段作動時の前記排燃料ガス流量を推定し、排酸化ガス目標流量設定手段により排燃料ガス推定流量に合わせて前記排燃料燃焼器に供給する排酸化ガス流量の目標値を設定し、酸化ガス流量制御手段により前記排酸化ガス目標流量となるよう前記酸化ガス流量を制御する。このため、排燃料燃焼器に供給する酸化ガスが不足することによる排燃料燃焼器の過度の温度上昇による熱劣化を防止でき、しかも、酸化ガス供給手段の消費エネルギを最小限にできる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池制御システムを各実施形態に基づいて説明する。
【0009】
(第1実施形態)
図1、2は、本発明を適用した第1の実施形態の燃料電池制御システムを示し、図1は燃料電池制御システムの概略構成図、図2はコントローラの構成図である。
【0010】
図1において、燃料電池制御システムは、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気の供給を受けて電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1へ水素ガスを供給し燃料電池スタック1よりの排水素ガスを還流させて再び燃料電池スタック1に供給する循環経路2と、前記循環経路1の水素ガスを排出するパージ手段3と、パージ時に排出される排水素ガスを燃焼させる排燃料燃焼器としての排水素燃焼器4と、燃料電池スタック1へ酸化ガスとしての空気を供給する空気(酸化ガス)供給手段5と、コントローラ6とを備える。
【0011】
前記循環経路2は、図示しない水素供給源から供給される燃料ガスとしての水素ガスを水素圧力制御弁7、エゼクタ8を介して燃料電池スタック1に供給し、燃料電池スタック1からの排水素ガスをエゼクタ8に還流させ、エゼクタ8で供給される水素ガスと混合して燃料電池スタック1に循環させて供給する。前記水素圧力制御弁7は、コントローラ6よりの指令に応じて燃料電池スタック1に供給する水素ガスの圧力を調整し、燃料電池スタック1の運転圧力を調整する。運転圧力は可変圧であり、燃料電池スタック1から取り出す発電出力が高いときには運転圧力を高め、発電出力が低いときは運転圧力を低めるよう作動させる。水素圧力制御弁7の制御は水素入口圧力センサ9で測定され、水素入口温度センサ10による燃料電池スタック1入口での水素の温度と共にコントローラ6にフィードバックされる。
【0012】
パージ手段3(以下、水素パージ弁3とする)は、燃料電池スタック1から排出される排水素ガスを通常はエゼクタ8に還流させ、燃料電池スタック1内に水溢れ(以下フラッディング)等が発生した場合や燃料電池スタック1の運転圧を低下させるときには、コントローラ6により水素パージ弁3を動作させて前記循環経路2および燃料電池スタック1に存在する水素ガスを排水素燃焼器4へ排出する。
【0013】
前記空気供給手段5は、コンプレッサ11により酸化ガスとなる空気を空気流量センサ12を経由して燃料電池スタック1へ供給する。コンプレッサ11はコントローラ6によりの目標回転数に応じて駆動され、その供給流量は空気流量センサ12で計量され、その計量値はコントローラ6に入力される。燃料電池スタック1から排空気通路13に排出された空気(以下、排空気)は、空気圧力制御弁14で通路が絞られ、その上流側の空気圧力が制御される。制御の目標値はそのときの水素ガスの圧力に応じた目標値としている。空気の圧力は燃料電池スタック1入口に配置した空気入口圧力センサ15で測定され、コントローラ6に入力される。空気圧力制御弁14を通過した空気は排水素燃焼器4を経由して大気中に放出される。
【0014】
前記排水素燃焼器4は、燃料電池スタック1内に水溢れ(フラッディング)等が発生した場合や燃料電池スタック1の運転圧を低下させるときに水素パージ弁3から排出される排水素ガスを、空気圧力制御弁14から供給される排空気により燃焼反応させて処理する。処理時の排水素燃焼器4の温度は燃焼器温度センサ16で測定され、コントローラ6に入力される。
【0015】
前記燃料電池スタック1の運転状態を検出するために、その出力電流および出力電圧は、電流センサ17および電圧センサ18により測定され、コントローラ6に入力される。
【0016】
図2において、コントローラ6は、図示しない燃料電池スタック出力指令部から入力される目標出力、水素入口温度、水素入口圧力、燃焼器温度の各信号の入力を受け、これらの信号に基づいて、水素圧力制御弁7、空気圧力制御弁14、水素パージ弁3、および、コンプレッサ11の目標回転数を制御する。
【0017】
コントローラ6は、目標出力により目標運転圧力を演算する目標運転圧力設定部21と、目標出力により第1空気目標流量を演算する第1空気目標流量設定部22と、パージ時空気目標流量を演算するパージ時空気目標流量設定部23と、第1空気目標流量とパージ時空気目標流量とのいずれかを選択する空気目標流量選択部24と、コンプレッサ目標回転数を演算する目標回転数設定部25と、から構成している。
【0018】
前記第1空気目標流量設定部22は、目標出力から図3に示す制御マップを参照して目標出力に対応する第1空気目標流量Qair1を算出して、空気目標流量選択部24に出力する。図3に示す制御マップは、目標出力となる燃料電池スタック出力を横軸とし、第1の目標空気流量Qair1を縦軸としたものであり、目標出力の増加に連れて第1の目標空気流量Qair1が増加するようにしている。
【0019】
前記目標運転圧力設定部21は、図4に示す制御マップにより目標出力から燃料電池スタック1の水素入口圧力の目標運転圧力を算出し、水素入口圧力が目標運転圧力となるよう水素圧力制御弁7を制御する。空気圧力制御弁14は、水素入口圧力に応じた空気圧力制御の目標値により制御される。
【0020】
前記パージ時空気目標流量設定部23は、パージ時の排燃料ガス流量推定手段としての排水素流量推定部26と、排水素流量に対応した空気量を演算する第2空気目標流量設定部27と、第2空気目標流量の空気系遅れを補正する空気系遅れ補正部28と、遅れ補正された第2空気目標流量をフィードバックされた燃焼器温度とに基づき補正して供給空気量を設定する第3空気目標流量設定部29とから構成している。排酸化ガス目標目標流量設定手段としては、前記パージ時空気目標流量設定部23から排水素流量推定部26を取去った各部分が相当している。
【0021】
前記パージ時空気目標流量設定部23の排水素流量推定部26は、以下に記載する手順によりパージ弁3より排水素燃焼器4に供給される排水素流量を推定する。
(1)水素パージ弁3を通過する全ガス流量を推定する。
(2)水素パージ弁3を通過するガスの水蒸気分圧を求める。
(3)水素パージ弁3を通過する全ガス中における水素流量を求める。
【0022】
先ず、(1)水素パージ弁3を通過する全ガス流量を推定する。全ガス流量Q1は下式(1−1)により、
Q1=A1×(2×ρc×(Pc−Pa))1/2 ・・・(1−1)
推定する。上記式中の記号は、
Q1:水素パージ弁3を通過する全ガス流量、
A1:水素パージ弁3の絞り開口面積、
ρc:水素循環通路2および燃料電池スタック1内にある水素ガスの密度、
Pc:水素循環通路2および燃料電池スタック1の内圧、
Pa:水素パージ弁3下流の圧力(ほぼ大気圧とみなせる)、
である。ただし、パージ弁3が閉じている場合には、全ガス流量Q1は零となる。
【0023】
次に、(2)水素パージ弁3を通過するガスの水蒸気分圧Ph20を求める。水蒸気分圧Ph20は、パージ弁3を通過するガスに含まれる水蒸気の分圧であり、温度変化に対する飽和蒸気圧の変化を示す飽和蒸気圧線図(Cox線図等)を用いて、水素入口温度センサ10で検出された温度に応じて求める。
【0024】
次いで、(3)水素パージ弁3を通過する全ガス中における水素流量Qhを推定する。水素流量Qhは、全ガス流量Q1から水蒸気分を差引くことで得ることができる。即ち、(1)で求めた全ガス流量Q1と、(2)で求めた水蒸気分圧Ph20と、水素入口圧力センサ9で検出された水素循環通路2の圧力と、から排水素流量推定値Qhを、下式(1−2)により、
Qh=Q1×(1−(Ph20/Pc)) ・・・(1−2)
算出する。この排水素流量推定値(Qh)はパージ弁3が閉じている通常運転時には、出力値が零となる。
【0025】
前記パージ時空気目標流量設定部23の第2空気目標流量設定部27は、排水素流量推定部26で得られた排水素流量Qhに対応した空気量を演算する。具体的には、入力された排水素流量推定値Qhに所望の係数Kiを乗じて第2空気目標流量Qair2を下記式(1−3)により、
Qair2=Qh×Ki ・・・(1−3)
算出する。係数Kiは、排水素燃焼器4の温度が所望値以下になるように設定すればよい。
【0026】
前記パージ時空気目標流量設定部23の空気系遅れ補正部28は、空気供給系統の遅れを考慮して第2空気目標流量Qair2の進み補償を行う。例えば、以下のような式(1−4)により、進み補償第2空気目標流量Q’air2
Q’air2=Qair2×(1+τ1×s)/(1+τ2×s) ・・・(1−4)
の演算を行う。なお、τ1、τ2は所望の定数であり、τ1>τ2の関係がある。
【0027】
前記パージ時空気目標流量設定部23の第3空気目標流量設定部29は、進み補償第2空気目標流量Q'air2と燃焼器温度センサ16の出力Trと所望の温度Ttの差とから第3空気目標流量Qair3を算出する。例えば、IP制御では、下記式(1−5)、および、式(1−6)により、
Qairfb=Kp(Tt−Tr)+Ki∫(Tt−Tr)dt ・・・(1−5)
Qair3=Q’air2−Qairfb ・・・(1−6)
第3空気目標流量Qair3を算出する。
【0028】
前記空気目標流量選択部24は、第1空気目標流量Qair1と第3空気目標流量(パージ時空気目標流量)Qair3とのいずれかを目標空気流量Qairとして選択する。選択基準としては、第1空気目標流量Qair1と第3空気目標流量Qair3とを比較し、数値の大きい方をセレクトハイして選択する。
【0029】
前記目標回転数設定部25は、入力される目標空気流量Qairを得るためのコンプレッサ11の目標回転数を求める。具体的には、目標空気流量Qairに対するコンプレッサ11の回転数を記憶した図5に示すマップに基づき、コンプレッサ11の目標回転数を求める。
【0030】
以上の構成になる燃料電池制御システムにおいては、パージ弁3が閉じている場合には、燃料電池スタック1は水素圧力制御弁7で設定された水素圧力と、水素圧力に対応した空気圧力制御弁14による空気圧力とによる運転圧力により発電作動する。
【0031】
燃料電池スタック1から排出された排水素は、パージ弁3を経由してエゼクタ8に戻され、供給された水素と混合して、燃料電池スタック1に供給される。燃料電池スタック1から排出された排空気は空気圧力制御弁14を経由して排水素燃焼器4に供給され、排水素燃焼器4から排出される。
【0032】
コントローラ6は、目標運転圧力設定部21で設定した運転圧力となるよう水素圧力制御弁7、空気圧力制御弁14を制御する。第1空気目標流量設定部22は第1空気目標流量Qair1を演算する。
【0033】
パージ時空気目標流量設定部23は、パージ弁3が閉じているため、排水素流量推定部26での排水素流量が零となり、第2空気目標流量Qair2、進み補正の第2空気目標流量Q’air2、第3空気目標流量Qair3は零となる。このため、空気目標流量選択部24は第1空気目標流量Qair1を選択し、目標回転数設定部25は第1空気目標流量Qair1に応じたコンプレッサ11の目標回転数を出力する。
【0034】
図6は、本発明を適用した場合の排水素流量H、排空気流量Aのシミュレーション結果であり、図7は、本発明を適用した場合の排水素燃焼器4の温度シミュレーション結果である。図6,7において、上記パージ弁3が閉じている状態が、時点t0から時点t1までに示されている。時点t0〜t1においては、パージ弁3から排水素燃焼器4に至る排水素ガスHは零であり、空気圧力制御弁14から排出される排空気Aのみが排水素燃焼器4に供給されている。
【0035】
燃料電池スタック1内に水溢れ(フラッディング)等の発生や燃料電池スタック1の運転圧力低下の必要が生じ、時点t1において、コントローラ6が水素パージ弁3を開作動させると、水素循環通路2および燃料電池スタック1に存在する水素ガスはパージ弁3を経由して排水素燃焼器4へ排出される。
【0036】
パージ時空気目標流量設定部23は、排水素流量推定部26で目標出力、水素入口温度、および、水素入口圧力に基づきパージ弁3より排出される排水素流量Qhを推定し、第2空気目標流量設定部27は第2空気目標流量Qair2を演算し、空気系遅れ補正部28は進み補正の第2空気目標流量Q’air2を演算する。更に、第3空気目標流量設定部29は燃焼器温度センサ16よりの温度信号による補正により第3空気目標流量Qair3を演算する。この第3空気目標流量Qair3は、空気系の作動遅れを見込んで進み補償された第2空気目標流量Q’air2に基づいているため、図6に示すように時点t1から流量が急激に立ち上がる排水素流量HQhに先行して、時点t1で第1空気目標流量Qair1を超え、空気目標流量選択部24で第3空気目標流量Qair3が選択され、第3空気目標流量Qair3に基づいてコンプレッサ11の目標回転数設定部25によりコンプレッサ目標回転数が設定される。
【0037】
このため、排水素流量H(Qh)の増量を見込んで、図6の時点t1において、増量した第3空気目標流量Qair3に基づくコンプレッサ目標回転数によりコンプレッサ11が駆動されて燃料電池スタック1に空気が供給され、増量した排空気Aが排水素燃焼器4に供給される。排水素燃焼器4での温度Tは、図7に示すように、時点t1において一時的に上昇する部分が存在するが、増量された排空気量Aが供給されることで急激な温度上昇が抑制され、排水素の増加と共に平衡温度までに上昇する。
【0038】
図6,7において、点線で示す線(A)、(T)は、空気系遅れ補正部での進み補償を行わない場合、即ち、コンプレッサ11の目標回転数への立ち上がりが遅れを持つ場合の排空気流量(図6の(A))と燃焼器温度(図7の(T))の変化を示すものである。図6に示すように、排空気流量(A)のように立ち上がりが遅れる場合には、図7に示すように、パージ直後に排水素燃焼器4が温度(T)のように過熱して好ましくない。
【0039】
なお、上記実施形態において、パージ時に供給する空気目標流量Qairに進み補償を持たせたものについて説明したが、図示しないが、供給する空気目標流量に進み補償を行うことに代えて、水素パージ弁3の動作を遅らせて排水素燃焼器4の急激な温度上昇を抑制するようにするものであってもよい。この場合には、水素パージ弁3を開く前に、先ずコンプレッサ11の回転数を上昇させ、排水素燃焼器4に空気を供給しておくようにする。
【0040】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【0041】
(ア)排燃料ガス流量推定手段としての排水素流量推定部26により燃料電池スタック1の運転状態検出手段としての水素入口圧力と水素入口温度からパージ弁3作動時の前記排燃料ガス(排水素ガス)流量を推定し、排酸化ガス目標流量設定手段としてのパージ時空気目標流量設定部23により排水素ガス推定流量に合わせて前記排燃料燃焼器としての排水素燃焼器4に供給する排酸化ガス(排空気)流量の目標値Qairを設定し、酸化ガス流量制御手段としてのコンプレッサ11の目標回転数設定部25により前記空気目標流量Qairとなるよう前記空気流量を制御する。このため、排水素燃焼器4に供給する空気が不足することによる排水素燃焼器4の過度の温度上昇を防止でき、しかも、酸化ガス供給手段としてのコンプレッサ11の消費エネルギを最小限にできる。
【0042】
(イ)排燃料ガス流量としての排水素ガス流量Qhは、燃料電池スタック1入口での水素ガスの温度と圧力に基づき推定するため、非常に安価に燃料電池制御システムを構成することができる。
【0043】
(ウ)排酸化ガス目標流量設定手段としてのパージ時空気目標流量設定手段23は前記酸化ガス供給手段としてのコンプレッサ11からの空気が前記排水素燃焼器4に到達するまでの遅れ時間を見込んで進み補償してコンプレッサ11を作動させるため、特にパージ直後に排水素燃焼器4が過熱することを防止できる。
【0044】
(エ)前記パージ手段4は前記酸化ガス供給手段としてのコンプレッサ11からの空気が前記排水素燃焼器4に到達するまでの遅れ時間を見込んだ遅れ時間後に動作させると、供給遅れが非常に大きい場合でも、排水素燃焼器4の過熱防止および排水素ガスの未燃焼成分の排出防止を容易に達成することができる。
【0045】
(オ)排水素燃焼器4の温度を燃焼器温度センサ16により測定し、その検出温度によりパージ時空気目標流量設定手段23は排水素燃焼器4に供給する空気流量を補正するため、何らかの要因により排水素ガス流量の推定値に偏差が生じた場合でも排水素燃焼器4の過熱を防止することができる。
【0046】
(第2実施形態)
図8〜10は、本発明を適用した第2の実施形態の燃料電池制御システムを示し、パージ弁3作動時に燃料電池スタック1をバイパスして空気を排水素燃焼器4に供給する一方、排水素が過剰な場合には排水素を排水素燃焼器4で燃焼させずに排出するようにしたものである。図8は燃料電池制御システムの概略構成図、図9,10はコントローラにより定時的に実行される制御の制御フローチャートである。
【0047】
図8において、パージ弁3作動時に燃料電池スタック1をバイパスして空気を排水素燃焼器4に供給するために、燃料電池スタック1および空気圧力制御弁14をバイパスする空気バイパス通路30と、空気バイパス通路30に配置されコントローラ6によって制御される空気バイパス弁31とが設けられる。また、排水素が過剰な場合には排水素を燃焼させずに排出するために、排水素燃焼器4の入口を大気に開放する排水素バイパス通路32と、排水素バイパス通路32に配置されコントローラ6によって制御される排水素バイパス弁33とが設けられる。その他の構成要素は第1の実施形態と同様であり、具体的な説明は省略する。
【0048】
先ず、前記空気バイパス弁31について説明する。空気バイパス弁31は、パージ弁3の作動中に定時的に図9に示す制御フローチャートにより制御される。以下、空気バイパス弁31の動作について図9により説明する。
【0049】
即ち、ステップ110では、第1実施形態で説明した空気目標流量Qairの算出を行う。
【0050】
ステップ120では、算出した空気目標流量Qairが空気バイパス弁31の開放流量Qt以上であるか否かを判定する。開放流量Qtは、例えば、燃料電池スタック1が最大負荷で発電しているときの空気流量の1.5倍程度に設定する。空気目標流量Qairが開放流量Qt以上である場合(空気目標流量Qair≧開放流量Qt)にはステップ130へ進む。未満の場合には(空気目標流量Qair<開放流量QT)はステップ140へ進む
ステップ130では、空気バイパス弁31に開弁指令を出力し、終了する。
【0051】
ステップ140では、空気バイパス弁31に閉弁指令を出力し、終了する。
【0052】
なお、パージ動作の最中に排水素燃焼器4での空燃比を制御しようとすると、燃料電池スタック1が最大負荷で発電しているような場合は、排水素燃焼器4に非常に大量の空気を供給する必要がある。このために、大量の空気を燃料電池スタック1に供給してもよいが、1)発電に寄与しない空気が大量に燃料電池スタック1を通過することにより、燃料電池スタック1が乾燥すること、2)燃料電池スタック1の圧力損失により燃料電池スタック1入口の空気圧力が過大になること、等の問題点が生じる可能性があるが、空気バイパス弁31と空気バイパス通路30を用いることで、上記問題も解消される。なお、空気バイパス弁31は、ON/OFF弁である場合について説明しているが、流量制御弁により連続的にバイパス空気量を制御するよう構成してもよい。
【0053】
次に、前記排水素バイパス弁について説明する。排水素燃焼器4の温度をモニタし、供給する空気流量を制御する場合において、何らかの原因、例えば、空気が供給できなくて排水素燃焼器4が加熱し、熱劣化が促進することも考えられる。前記排水素バイパス弁33は、このような排水素燃焼器4の温度が高すぎる場合に、開放して排水素バイパス通路32を介して排水素を大気へ放出して、排水素燃焼器4の過度の温度上昇を防止する。
【0054】
排水素バイパス弁33は、パージ弁3の作動中に定時的に図10に示す制御フローチャートにより制御される。以下、排水素バイパス弁33の動作について図10により説明する。
【0055】
即ち、ステップ210では、燃焼器温度センサ16の出力Trによる補正空気量Qairfbがその上限値Qtfb以上であるか否かを判断する。これにより、排水素燃焼器4の温度が補正範囲内にあるか否かが判断できる。補正空気量Qairfbが上限値Qtfb以上であれば、即ち、補正範囲を逸脱(補正空気量Qairfb≧上限値Qtfb)であれば、ステップ220へ進み、補正空気量Qairfb<上限値Qtfbであればステップ240へ進む。
【0056】
ステップ220では、燃焼器温度センサ16の信号Trがその上限値Ttcm以上であるか否かを判断する。温度Trが上限値Ttcmより高ければ、排水素燃焼器4に過度の温度上昇の可能性があり,ステップ230へ進み、排水素燃焼器4に溶損の可能性がない場合、即ち、排水素燃焼器4の温度Trがその上限値Ttcmよりも低ければステップ240へ進む。
【0057】
ステップ230では、排水素バイパス弁33を開弁し、ステップ240では排水素バイパス弁33を閉弁して、夫々制御演算を終了する。
【0058】
なお、排水素バイパス弁33は、ON/OFF弁である場合について説明しているが、流量制御弁により連続的にバイパス排水素量を制御するよう構成してもよい。
【0059】
本実施形態においては、第1実施形態による効果(ア)〜(オ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【0060】
(カ)空気バイパス弁31を備えた空気バイパス通路30により燃料電池スタック1をバイパスして排水素燃焼器4に空気が供給できるため、非常に大量の空気を排水素燃焼器4に供給しなければならない場合においても、燃料電池スタック1に過大な圧力が作用することを防止できる。しかも、空気の排水素燃焼器4への供給遅れを少なくでき、過渡時の空燃比の適正化や緊急冷却要の場合にも速やかに対応させることができる。
【0061】
(キ)排水素燃焼器4の温度による空気流量の補正量が補正範囲を超えた場合には排水素を燃焼させること無く排水素バイパス弁33により放出するために、何らかの要因により排水素燃焼器4に空気が供給できなくなった場合でも排水素燃焼器4の過熱を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す燃料電池制御システムの概略構成図。
【図2】同じくコントローラの概略構成図。
【図3】第1の空気目標流量算出マップ。
【図4】燃料電池スタック目標圧力マップ。
【図5】コンプレッサ目標回転数マップ。
【図6】排水素流量、排空気流量のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図7】排水素燃焼器温度のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図8】本発明の第2実施形態を示す車両用燃料電池制御システムの概略構成図。
【図9】空気バイパス弁の制御フローチャート。
【図10】排気バイパス弁の制御フローチャート。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 循環経路
3 パージ手段としての水素パージ弁
4 排燃料燃焼機としての排水素燃焼器
5 空気供給手段
6 コントローラ
7 水素圧力制御弁
8 エゼクタ
9 水素入口圧力センサ
10 水素入口温度センサ
11 コンプレッサ
12 空気流量センサ
14 空気圧力制御弁
16 燃焼器温度センサ
21 目標運転圧力設定部
22 第1空気目標流量設定部
23 パージ時空気目標流量設定部
24 空気目標流量選択部
25 目標回転数設定部
26 排水素流量設定部
27 第2空気目標流量設定部
28 空気系遅れ補正部
29 第3空気目標流量設定部
31 空気バイパス弁
33 排水素バイパス弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell control system including an exhaust fuel combustor that combusts exhaust fuel gas, and in particular, a fuel that can supply an amount of oxidizing gas required for combustion of exhaust fuel gas in the exhaust fuel combustor. The present invention relates to a battery control system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a fuel cell control system in which exhaust fuel gas of a fuel cell is burned by a combustor, for example, there is one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-023669.
[0003]
In order to control the temperature of the combustor, excess air is always supplied from the compressor, and when the temperature of the combustor is too low, surplus air as oxidizing gas is discharged to the atmosphere, and the temperature of the combustor is high. In this case, the gas is supplied to the combustor without being released into the atmosphere.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, an excess amount of air is always supplied in anticipation of an increase in exhaust fuel gas at the time of purging, etc., so excess air unnecessary for controlling the temperature of the combustor is always discharged to the atmosphere. However, there is a problem that power is continuously consumed by the compressor.
[0005]
Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a fuel cell control system in which an exhaust fuel combustor can supply an amount of oxidizing gas required for combustion of exhaust fuel gas without being discharged to the atmosphere. The purpose is to provide.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a fuel cell control system including an exhaust fuel combustor that reacts exhaust fuel gas discharged by a purge unit and exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell stack. The exhaust fuel gas flow rate estimating means for estimating the exhaust fuel gas flow rate from the output of the exhaust gas, and the exhaust oxidation for setting the target value of the flow rate of the exhaust oxidizing gas supplied to the exhaust fuel combustor based on the output of the exhaust fuel gas flow rate estimating means A gas target flow rate setting means, and the oxidizing gas flow rate control means controls the oxidizing gas flow rate based on the exhaust oxidizing gas target flow rate.
[0007]
【The invention's effect】
Therefore, in the present invention, the exhaust fuel gas flow rate estimation means estimates the exhaust fuel gas flow rate when the purge means is operated from the output of the operating state detection means of the fuel cell stack, and the exhaust oxidation gas target flow rate setting means estimates the exhaust fuel gas. A target value of the flow rate of exhaust oxidant gas supplied to the exhaust fuel combustor is set in accordance with the flow rate, and the oxidant gas flow rate is controlled by the oxidant gas flow rate control means so as to become the exhaust gas target flow rate. For this reason, it is possible to prevent thermal deterioration due to an excessive temperature rise of the exhaust fuel combustor due to a shortage of oxidizing gas supplied to the exhaust fuel combustor, and to minimize energy consumption of the oxidizing gas supply means.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the fuel cell control system of the present invention will be described based on each embodiment.
[0009]
(First embodiment)
1 and 2 show a fuel cell control system according to a first embodiment to which the present invention is applied. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the fuel cell control system, and FIG. 2 is a configuration diagram of a controller.
[0010]
In FIG. 1, a fuel cell control system receives a supply of hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant gas, generates a fuel cell stack 1 that generates electrical energy through an electrochemical reaction, and supplies hydrogen gas to the fuel cell stack 1. A circulation path 2 that supplies and recirculates the exhaust hydrogen gas from the fuel cell stack 1 and supplies it again to the fuel cell stack 1; a purge means 3 that exhausts the hydrogen gas in the circulation path 1; An exhaust hydrogen combustor 4 as an exhaust fuel combustor for combusting gas, an air (oxidizing gas) supply means 5 for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 1, and a controller 6 are provided.
[0011]
The circulation path 2 supplies hydrogen gas as a fuel gas supplied from a hydrogen supply source (not shown) to the fuel cell stack 1 via the hydrogen pressure control valve 7 and the ejector 8, and exhaust hydrogen gas from the fuel cell stack 1. Is recirculated to the ejector 8, mixed with the hydrogen gas supplied by the ejector 8, circulated and supplied to the fuel cell stack 1. The hydrogen pressure control valve 7 adjusts the operating pressure of the fuel cell stack 1 by adjusting the pressure of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1 in accordance with a command from the controller 6. The operating pressure is variable, and the operation pressure is increased when the power generation output taken out from the fuel cell stack 1 is high, and the operation pressure is decreased when the power generation output is low. The control of the hydrogen pressure control valve 7 is measured by the hydrogen inlet pressure sensor 9 and fed back to the controller 6 together with the hydrogen temperature at the fuel cell stack 1 inlet by the hydrogen inlet temperature sensor 10.
[0012]
The purge means 3 (hereinafter referred to as the hydrogen purge valve 3) normally returns the exhausted hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 1 to the ejector 8 to cause overflow of the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as flooding). In this case or when the operating pressure of the fuel cell stack 1 is lowered, the hydrogen purge valve 3 is operated by the controller 6 to discharge the hydrogen gas existing in the circulation path 2 and the fuel cell stack 1 to the exhaust hydrogen combustor 4.
[0013]
The air supply means 5 supplies air, which is an oxidizing gas, to the fuel cell stack 1 via the air flow rate sensor 12 by the compressor 11. The compressor 11 is driven according to the target rotational speed by the controller 6, the supply flow rate is measured by the air flow sensor 12, and the measured value is input to the controller 6. Air discharged from the fuel cell stack 1 to the exhaust air passage 13 (hereinafter referred to as exhaust air) is throttled by an air pressure control valve 14 to control the upstream air pressure. The control target value is a target value corresponding to the hydrogen gas pressure at that time. The air pressure is measured by an air inlet pressure sensor 15 disposed at the inlet of the fuel cell stack 1 and input to the controller 6. The air that has passed through the air pressure control valve 14 is released into the atmosphere via the exhaust hydrogen combustor 4.
[0014]
The exhaust hydrogen combustor 4 generates exhaust hydrogen gas discharged from the hydrogen purge valve 3 when water overflow (flooding) or the like occurs in the fuel cell stack 1 or when the operating pressure of the fuel cell stack 1 is reduced. The exhaust gas supplied from the air pressure control valve 14 is combusted and processed. The temperature of the exhaust hydrogen combustor 4 during processing is measured by the combustor temperature sensor 16 and input to the controller 6.
[0015]
In order to detect the operating state of the fuel cell stack 1, its output current and output voltage are measured by a current sensor 17 and a voltage sensor 18 and input to the controller 6.
[0016]
In FIG. 2, a controller 6 receives signals of a target output, a hydrogen inlet temperature, a hydrogen inlet pressure, and a combustor temperature that are input from a fuel cell stack output command unit (not shown), and based on these signals, The target rotational speed of the pressure control valve 7, the air pressure control valve 14, the hydrogen purge valve 3, and the compressor 11 is controlled.
[0017]
The controller 6 calculates a target operating pressure setting unit 21 that calculates a target operating pressure based on the target output, a first air target flow rate setting unit 22 that calculates a first air target flow rate based on the target output, and calculates a purge air target flow rate. A purge air target flow rate setting unit 23; an air target flow rate selection unit 24 that selects either the first air target flow rate or the purge air target flow rate; and a target rotation speed setting unit 25 that calculates a compressor target rotation speed; It consists of
[0018]
The first air target flow rate setting unit 22 calculates a first air target flow rate Qair1 corresponding to the target output with reference to the control map shown in FIG. 3 from the target output, and outputs it to the air target flow rate selection unit 24. The control map shown in FIG. 3 has the fuel cell stack output serving as the target output as the horizontal axis and the first target air flow rate Qair1 as the vertical axis, and the first target air flow rate increases as the target output increases. Qair1 is increased.
[0019]
The target operating pressure setting unit 21 calculates the target operating pressure of the hydrogen inlet pressure of the fuel cell stack 1 from the target output according to the control map shown in FIG. 4, and the hydrogen pressure control valve 7 so that the hydrogen inlet pressure becomes the target operating pressure. To control. The air pressure control valve 14 is controlled by a target value of air pressure control corresponding to the hydrogen inlet pressure.
[0020]
The purge air target flow rate setting unit 23 includes a waste hydrogen flow rate estimation unit 26 serving as an exhaust fuel gas flow rate estimation means during purge, a second air target flow rate setting unit 27 that calculates an air amount corresponding to the exhaust hydrogen flow rate, and The air system delay correction unit 28 that corrects the air system delay of the second air target flow rate, and the second air target flow rate that has been corrected for delay are corrected based on the fed-back combustor temperature to set the supply air amount. 3 air target flow rate setting unit 29. The exhaust oxidant gas target target flow rate setting means corresponds to each part obtained by removing the exhaust hydrogen flow rate estimation unit 26 from the purge air target flow rate setting unit 23.
[0021]
The exhaust hydrogen flow rate estimation unit 26 of the purge air target flow rate setting unit 23 estimates the exhaust hydrogen flow rate supplied from the purge valve 3 to the exhaust hydrogen combustor 4 according to the procedure described below.
(1) The total gas flow rate passing through the hydrogen purge valve 3 is estimated.
(2) The water vapor partial pressure of the gas passing through the hydrogen purge valve 3 is obtained.
(3) The hydrogen flow rate in all gases passing through the hydrogen purge valve 3 is obtained.
[0022]
First, (1) the total gas flow rate passing through the hydrogen purge valve 3 is estimated. The total gas flow rate Q1 is calculated by the following equation (1-1):
Q1 = A1 × (2 × ρc × (Pc−Pa)) 1/2 ... (1-1)
presume. The symbol in the above formula is
Q1: the total gas flow rate passing through the hydrogen purge valve 3,
A1: Aperture opening area of the hydrogen purge valve 3
ρc: density of hydrogen gas in the hydrogen circulation passage 2 and the fuel cell stack 1,
Pc: internal pressure of the hydrogen circulation passage 2 and the fuel cell stack 1,
Pa: Pressure downstream of the hydrogen purge valve 3 (can be regarded as almost atmospheric pressure),
It is. However, when the purge valve 3 is closed, the total gas flow rate Q1 is zero.
[0023]
Next, (2) the water vapor partial pressure Ph20 of the gas passing through the hydrogen purge valve 3 is obtained. The water vapor partial pressure Ph20 is a partial pressure of water vapor contained in the gas passing through the purge valve 3, and a hydrogen vapor inlet using a saturated vapor pressure diagram (Cox diagram or the like) showing a change in saturated vapor pressure with respect to a temperature change. It is determined according to the temperature detected by the temperature sensor 10.
[0024]
Next, (3) the hydrogen flow rate Qh in all gases passing through the hydrogen purge valve 3 is estimated. The hydrogen flow rate Qh can be obtained by subtracting the water vapor content from the total gas flow rate Q1. That is, the exhaust gas flow rate estimated value Qh from the total gas flow rate Q1 obtained in (1), the water vapor partial pressure Ph20 obtained in (2), and the pressure in the hydrogen circulation passage 2 detected by the hydrogen inlet pressure sensor 9. According to the following formula (1-2):
Qh = Q1 × (1- (Ph20 / Pc)) (1-2)
calculate. The estimated value (Qh) of the exhaust hydrogen flow rate is zero during normal operation when the purge valve 3 is closed.
[0025]
The second air target flow rate setting unit 27 of the purge air target flow rate setting unit 23 calculates an air amount corresponding to the exhaust hydrogen flow rate Qh obtained by the exhaust hydrogen flow rate estimation unit 26. Specifically, the input exhaust hydrogen flow rate estimated value Qh is multiplied by a desired coefficient Ki to obtain the second air target flow rate Qair2 by the following equation (1-3):
Qair2 = Qh × Ki (1-3)
calculate. The coefficient Ki may be set so that the temperature of the exhaust hydrogen combustor 4 becomes a desired value or less.
[0026]
The air system delay correction unit 28 of the purge air target flow rate setting unit 23 performs advance compensation of the second air target flow rate Qair2 in consideration of the delay of the air supply system. For example, the advance compensation second air target flow rate Q′air2 is expressed by the following equation (1-4).
Q′air2 = Qair2 × (1 + τ1 × s) / (1 + τ2 × s) (1-4)
Perform the operation. Note that τ1 and τ2 are desired constants and have a relationship of τ1> τ2.
[0027]
The third air target flow rate setting unit 29 of the purge air target flow rate setting unit 23 calculates the third from the advance compensation second air target flow rate Q′air2 and the difference between the output Tr of the combustor temperature sensor 16 and the desired temperature Tt. The air target flow rate Qair3 is calculated. For example, in IP control, the following formula (1-5) and formula (1-6):
Qairfb = Kp (Tt−Tr) + Ki∫ (Tt−Tr) dt (1-5)
Qair3 = Q'air2-Qairfb (1-6)
A third air target flow rate Qair3 is calculated.
[0028]
The air target flow rate selector 24 selects either the first air target flow rate Qair1 or the third air target flow rate (purge air target flow rate) Qair3 as the target air flow rate Qair. As a selection criterion, the first air target flow rate Qair1 and the third air target flow rate Qair3 are compared, and the higher value is selected and selected.
[0029]
The target rotational speed setting unit 25 obtains a target rotational speed of the compressor 11 for obtaining an input target air flow rate Qair. Specifically, the target rotational speed of the compressor 11 is obtained based on the map shown in FIG. 5 in which the rotational speed of the compressor 11 with respect to the target air flow rate Qair is stored.
[0030]
In the fuel cell control system configured as described above, when the purge valve 3 is closed, the fuel cell stack 1 includes the hydrogen pressure set by the hydrogen pressure control valve 7 and the air pressure control valve corresponding to the hydrogen pressure. The power generation operation is performed by the operation pressure due to the air pressure by 14.
[0031]
The exhausted hydrogen discharged from the fuel cell stack 1 is returned to the ejector 8 via the purge valve 3, mixed with the supplied hydrogen, and supplied to the fuel cell stack 1. Exhaust air discharged from the fuel cell stack 1 is supplied to the exhaust hydrogen combustor 4 via the air pressure control valve 14 and is exhausted from the exhaust hydrogen combustor 4.
[0032]
The controller 6 controls the hydrogen pressure control valve 7 and the air pressure control valve 14 so that the operating pressure set by the target operating pressure setting unit 21 is obtained. The first air target flow rate setting unit 22 calculates the first air target flow rate Qair1.
[0033]
Since the purge valve 3 is closed, the purge air target flow rate setting unit 23 has a zero exhaust hydrogen flow rate in the exhaust hydrogen flow rate estimation unit 26, the second air target flow rate Qair2, and the advance correction second air target flow rate Q. 'air2 and the third air target flow rate Qair3 are zero. For this reason, the air target flow rate selection unit 24 selects the first air target flow rate Qair1, and the target rotation speed setting unit 25 outputs the target rotation speed of the compressor 11 corresponding to the first air target flow rate Qair1.
[0034]
FIG. 6 is a simulation result of the exhaust hydrogen flow rate H and the exhaust air flow rate A when the present invention is applied, and FIG. 7 is a temperature simulation result of the exhaust hydrogen combustor 4 when the present invention is applied. 6 and 7, the state in which the purge valve 3 is closed is shown from time t0 to time t1. At time t0 to t1, the exhaust hydrogen gas H from the purge valve 3 to the exhaust hydrogen combustor 4 is zero, and only the exhaust air A exhausted from the air pressure control valve 14 is supplied to the exhaust hydrogen combustor 4. Yes.
[0035]
When the overflow of water (flooding) or the like in the fuel cell stack 1 occurs or the operating pressure of the fuel cell stack 1 needs to be reduced, and the controller 6 opens the hydrogen purge valve 3 at time t1, the hydrogen circulation passage 2 and Hydrogen gas present in the fuel cell stack 1 is discharged to the exhaust hydrogen combustor 4 via the purge valve 3.
[0036]
The purge air target flow rate setting unit 23 estimates the exhaust hydrogen flow rate Qh discharged from the purge valve 3 based on the target output, the hydrogen inlet temperature, and the hydrogen inlet pressure in the exhaust hydrogen flow rate estimation unit 26, and the second air target The flow rate setting unit 27 calculates the second air target flow rate Qair2, and the air system delay correction unit 28 calculates the second air target flow rate Q'air2 for advance correction. Further, the third air target flow rate setting unit 29 calculates the third air target flow rate Qair3 by correction based on the temperature signal from the combustor temperature sensor 16. Since the third air target flow rate Qair3 is based on the second air target flow rate Q'air2 which is compensated in view of the operation delay of the air system, as shown in FIG. 6, the waste water whose flow rate suddenly rises from time t1. Prior to the elementary flow rate HQh, the first air target flow rate Qair1 is exceeded at the time t1, the third air target flow rate Qair3 is selected by the air target flow rate selection unit 24, and the target of the compressor 11 is based on the third air target flow rate Qair3. The compressor target rotational speed is set by the rotational speed setting unit 25.
[0037]
Therefore, in anticipation of an increase in the exhaust hydrogen flow rate H (Qh), the compressor 11 is driven by the target compressor speed based on the increased third air target flow rate Qair3 at time t1 in FIG. And the increased amount of exhaust air A is supplied to the exhaust hydrogen combustor 4. As shown in FIG. 7, the temperature T in the exhaust hydrogen combustor 4 has a portion that temporarily rises at the time point t <b> 1, but a sudden temperature increase occurs due to the supply of the increased exhaust air amount A. Suppressed and rises to equilibrium temperature with increasing waste hydrogen.
[0038]
6 and 7, lines (A) and (T) indicated by dotted lines are obtained when the lead compensation in the air system delay correction unit is not performed, that is, when the rise of the compressor 11 to the target rotational speed has a delay. The change of exhaust air flow rate ((A) of FIG. 6) and combustor temperature ((T) of FIG. 7) is shown. As shown in FIG. 6, when the rise is delayed as in the exhaust air flow rate (A), the exhaust hydrogen combustor 4 is overheated as in the temperature (T) immediately after the purge as shown in FIG. Absent.
[0039]
In the above embodiment, the air target flow rate Qair supplied at the time of purging has been described with advance compensation. However, although not shown, instead of performing advance compensation to the supplied air target flow rate, a hydrogen purge valve 3 may be delayed so as to suppress a rapid temperature rise of the exhaust hydrogen combustor 4. In this case, before opening the hydrogen purge valve 3, first, the rotational speed of the compressor 11 is increased and air is supplied to the exhaust hydrogen combustor 4.
[0040]
In the present embodiment, the following effects can be achieved.
[0041]
(A) The exhaust hydrogen gas flow rate estimation unit 26 as the exhaust fuel gas flow rate estimation means calculates the exhaust fuel gas (exhaust hydrogen) when the purge valve 3 is operated from the hydrogen inlet pressure and the hydrogen inlet temperature as the operation state detection means of the fuel cell stack 1. The exhaust gas oxidation is supplied to the exhaust hydrogen combustor 4 serving as the exhaust fuel combustor in accordance with the estimated exhaust hydrogen gas flow rate by the purge air target flow rate setting unit 23 as the exhaust oxidizing gas target flow rate setting means. A target value Qair of the gas (exhaust air) flow rate is set, and the air flow rate is controlled by the target rotation number setting unit 25 of the compressor 11 as the oxidizing gas flow rate control means so as to become the air target flow rate Qair. For this reason, an excessive temperature rise of the exhaust hydrogen combustor 4 due to a shortage of air supplied to the exhaust hydrogen combustor 4 can be prevented, and energy consumption of the compressor 11 as the oxidizing gas supply means can be minimized.
[0042]
(A) Since the exhaust hydrogen gas flow rate Qh as the exhaust fuel gas flow rate is estimated based on the temperature and pressure of the hydrogen gas at the inlet of the fuel cell stack 1, the fuel cell control system can be configured very inexpensively.
[0043]
(C) The purge target air flow rate setting means 23 as the exhaust gas target flow rate setting means expects a delay time until the air from the compressor 11 as the oxidation gas supply means reaches the exhaust hydrogen combustor 4. Since the compressor 11 is operated with advance compensation, it is possible to prevent the exhaust hydrogen combustor 4 from being overheated immediately after purging.
[0044]
(D) When the purge means 4 is operated after a delay time in which the air from the compressor 11 as the oxidizing gas supply means arrives at the exhaust hydrogen combustor 4, the supply delay is very large. Even in this case, prevention of overheating of the exhaust hydrogen combustor 4 and prevention of discharge of unburned components of the exhaust hydrogen gas can be easily achieved.
[0045]
(E) The temperature of the exhaust hydrogen combustor 4 is measured by the combustor temperature sensor 16, and the purge target air flow rate setting means 23 corrects the air flow rate supplied to the exhaust hydrogen combustor 4 based on the detected temperature. Thus, even if a deviation occurs in the estimated value of the exhaust hydrogen gas flow rate, overheating of the exhaust hydrogen combustor 4 can be prevented.
[0046]
(Second Embodiment)
8 to 10 show a fuel cell control system according to a second embodiment to which the present invention is applied. When the purge valve 3 is operated, the fuel cell stack 1 is bypassed and air is supplied to the exhaust hydrogen combustor 4 while the waste water is discharged. When the element is excessive, the exhaust hydrogen is discharged without being burned by the exhaust hydrogen combustor 4. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the fuel cell control system, and FIGS. 9 and 10 are control flowcharts of control executed on a regular basis by the controller.
[0047]
In FIG. 8, in order to bypass the fuel cell stack 1 and supply air to the exhaust hydrogen combustor 4 when the purge valve 3 operates, an air bypass passage 30 that bypasses the fuel cell stack 1 and the air pressure control valve 14, and air An air bypass valve 31 disposed in the bypass passage 30 and controlled by the controller 6 is provided. In addition, in order to discharge the exhausted hydrogen without burning when the exhausted hydrogen is excessive, the controller is provided in the exhausted hydrogen bypass passage 32 that opens the inlet of the exhausted hydrogen combustor 4 to the atmosphere, and the exhausted hydrogen bypass passage 32. 6 is provided with an exhaust hydrogen bypass valve 33 controlled by 6. Other components are the same as those in the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0048]
First, the air bypass valve 31 will be described. The air bypass valve 31 is periodically controlled by the control flowchart shown in FIG. 9 while the purge valve 3 is operating. Hereinafter, the operation of the air bypass valve 31 will be described with reference to FIG.
[0049]
That is, in step 110, the air target flow rate Qair described in the first embodiment is calculated.
[0050]
In step 120, it is determined whether the calculated air target flow rate Qair is equal to or greater than the open flow rate Qt of the air bypass valve 31. The open flow rate Qt is set to, for example, about 1.5 times the air flow rate when the fuel cell stack 1 generates power at the maximum load. If the air target flow rate Qair is equal to or greater than the open flow rate Qt (air target flow rate Qair ≧ open flow rate Qt), the routine proceeds to step 130. If it is less than (target air flow rate Qair <open flow rate QT), the routine proceeds to step 140.
In step 130, a valve opening command is output to the air bypass valve 31, and the process ends.
[0051]
In step 140, a valve closing command is output to the air bypass valve 31, and the process ends.
[0052]
If an attempt is made to control the air-fuel ratio in the exhaust hydrogen combustor 4 during the purge operation, if the fuel cell stack 1 is generating power at the maximum load, the exhaust hydrogen combustor 4 has a very large amount. It is necessary to supply air. For this purpose, a large amount of air may be supplied to the fuel cell stack 1, but 1) a large amount of air that does not contribute to power generation passes through the fuel cell stack 1 to dry the fuel cell stack 1. ) There is a possibility that the air pressure at the inlet of the fuel cell stack 1 becomes excessive due to the pressure loss of the fuel cell stack 1. However, the use of the air bypass valve 31 and the air bypass passage 30 may cause the above problem. The problem is solved. In addition, although the case where the air bypass valve 31 is an ON / OFF valve has been described, the bypass air amount may be continuously controlled by a flow control valve.
[0053]
Next, the exhaust hydrogen bypass valve will be described. When the temperature of the exhaust hydrogen combustor 4 is monitored and the flow rate of air to be supplied is controlled, it is conceivable that some cause, for example, the air cannot be supplied and the exhaust hydrogen combustor 4 is heated to promote thermal deterioration. . When the temperature of the exhaust hydrogen combustor 4 is too high, the exhaust hydrogen bypass valve 33 opens and discharges exhaust hydrogen to the atmosphere via the exhaust hydrogen bypass passage 32, so that the exhaust hydrogen combustor 4 Prevent excessive temperature rise.
[0054]
The exhaust hydrogen bypass valve 33 is controlled periodically according to the control flowchart shown in FIG. 10 while the purge valve 3 is operating. Hereinafter, the operation of the exhaust hydrogen bypass valve 33 will be described with reference to FIG.
[0055]
That is, in step 210, it is determined whether or not the corrected air amount Qairfb based on the output Tr of the combustor temperature sensor 16 is equal to or greater than the upper limit value Qtfb. Thus, it can be determined whether or not the temperature of the exhaust hydrogen combustor 4 is within the correction range. If the corrected air amount Qairfb is equal to or greater than the upper limit value Qtfb, that is, if the corrected air amount deviates from the correction range (corrected air amount Qairfb ≧ upper limit value Qtfb), the process proceeds to step 220, and if the corrected air amount Qairfb <upper limit value Qtfb. Proceed to 240.
[0056]
In step 220, it is determined whether or not the signal Tr of the combustor temperature sensor 16 is equal to or higher than the upper limit value Ttcm. If the temperature Tr is higher than the upper limit value Ttcm, the exhaust hydrogen combustor 4 may excessively rise in temperature, and the process proceeds to step 230. If the temperature Tr of the combustor 4 is lower than the upper limit value Ttcm, the process proceeds to step 240.
[0057]
In step 230, the exhaust hydrogen bypass valve 33 is opened, and in step 240, the exhaust hydrogen bypass valve 33 is closed, and the control calculation ends.
[0058]
In addition, although the case where the exhaust hydrogen bypass valve 33 is an ON / OFF valve has been described, the bypass hydrogen discharge amount may be continuously controlled by a flow control valve.
[0059]
In the present embodiment, in addition to the effects (a) to (e) according to the first embodiment, the following effects can be achieved.
[0060]
(F) Since air can be supplied to the exhaust hydrogen combustor 4 by bypassing the fuel cell stack 1 by the air bypass passage 30 provided with the air bypass valve 31, a very large amount of air must be supplied to the exhaust hydrogen combustor 4. Even when it is necessary, it is possible to prevent an excessive pressure from acting on the fuel cell stack 1. In addition, the delay in supplying air to the exhaust hydrogen combustor 4 can be reduced, and it is possible to promptly cope with the optimization of the air-fuel ratio at the time of transition and the need for emergency cooling.
[0061]
(G) When the correction amount of the air flow rate due to the temperature of the exhaust hydrogen combustor 4 exceeds the correction range, the exhaust hydrogen is discharged by the exhaust hydrogen bypass valve 33 without being burned. Even when the air cannot be supplied to the exhaust gas 4, overheating of the exhaust hydrogen combustor 4 can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell control system showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the controller.
FIG. 3 is a first air target flow rate calculation map.
FIG. 4 is a fuel cell stack target pressure map.
FIG. 5 is a compressor target rotation speed map.
FIG. 6 is a graph showing simulation results of the exhaust hydrogen flow rate and the exhaust air flow rate.
FIG. 7 is a graph showing simulation results of exhaust hydrogen combustor temperature.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a vehicle fuel cell control system showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a control flowchart of the air bypass valve.
FIG. 10 is a control flowchart of the exhaust bypass valve.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Circulation route
3 Hydrogen purge valve as purge means
4 Exhaust hydrogen combustor as an exhaust fuel combustor
5 Air supply means
6 Controller
7 Hydrogen pressure control valve
8 Ejecta
9 Hydrogen inlet pressure sensor
10 Hydrogen inlet temperature sensor
11 Compressor
12 Air flow sensor
14 Air pressure control valve
16 Combustor temperature sensor
21 Target operating pressure setting section
22 First air target flow rate setting unit
23 Purge air target flow rate setting section
24 Air target flow rate selector
25 Target speed setting part
26 Exhaust hydrogen flow rate setting section
27 Second air target flow rate setting unit
28 Air system delay correction part
29 Third air target flow rate setting section
31 Air bypass valve
33 Exhaust hydrogen bypass valve

Claims (7)

燃料ガスと酸化ガスが供給されて電力を生成するセルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
燃料ガスを燃料電池スタックに循環供給する循環経路と、
酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガスの流量を制御する手段と、
前記燃料電池スタックの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記循環経路の燃料ガスを排出するパージ手段と、
前記パージ手段によって排出される排燃料ガスと前記燃料電池スタックから排出される排酸化ガスとを反応させる排燃料燃焼器と、からなる燃料電池制御システムにおいて、
前記運転状態検出手段の出力から前記排燃料ガス流量を推定する排燃料ガス流量推定手段と、
前記排燃料ガス流量推定手段の出力に基づき前記排燃料燃焼器に供給する排酸化ガス流量の目標値を設定する排酸化ガス目標流量設定手段と、を備え、
前記酸化ガス流量制御手段は前記排酸化ガス目標流量に基づき前記酸化ガス流量を制御することを特徴とする燃料電池制御システム。
A fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells that are supplied with fuel gas and oxidizing gas to generate electric power;
A circulation path for circulating fuel gas to the fuel cell stack;
Oxidizing gas supply means for supplying the oxidizing gas to the fuel cell;
Means for controlling the flow rate of the oxidizing gas;
An operation state detection means for detecting an operation state of the fuel cell stack;
Purge means for discharging fuel gas in the circulation path;
In a fuel cell control system comprising: an exhaust fuel combustor that reacts exhaust fuel gas exhausted by the purge means and exhaust oxidant gas exhausted from the fuel cell stack;
An exhaust fuel gas flow rate estimating means for estimating the exhaust fuel gas flow rate from the output of the operating state detecting means;
Exhaust gas target flow rate setting means for setting a target value of the exhaust gas flow rate supplied to the exhaust fuel combustor based on the output of the exhaust fuel gas flow rate estimation means,
The fuel cell control system, wherein the oxidant gas flow rate control means controls the oxidant gas flow rate based on the exhaust oxidant gas target flow rate.
前記循環経路は、前記燃料電池スタック入口近傍の燃料ガスの圧力を検出する手段と、前記燃料電池スタック入口近傍の燃料ガスの温度を検出する手段とを備え、
前記排燃料ガス流量推定手段は、前記燃料ガスの圧力検出手段と温度検出手段の検出信号により排燃料ガス流量を推定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池制御システム。
The circulation path includes means for detecting the pressure of the fuel gas in the vicinity of the fuel cell stack inlet, and means for detecting the temperature of the fuel gas in the vicinity of the fuel cell stack inlet,
2. The fuel cell control system according to claim 1, wherein the exhaust fuel gas flow rate estimation means estimates the exhaust fuel gas flow rate based on detection signals from the fuel gas pressure detection means and temperature detection means.
前記排酸化ガス目標流量設定手段は、前記酸化ガス供給手段からの酸化ガスが前記排燃料燃焼器に到達するまでの遅れ時間を見込んで前記酸化ガス供給手段を進み補償して作動させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池制御システム。The exhaust oxidant gas target flow rate setting means operates the oxidant gas supply means to compensate and operate in anticipation of a delay time until the oxidant gas from the oxidant gas supply means reaches the exhaust fuel combustor. The fuel cell control system according to claim 1 or 2. 前記パージ手段は、前記酸化ガス供給手段からの酸化ガスが前記排燃料燃焼器に到達するまでの遅れ時間を見込んだ遅れ時間後に動作することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池制御システム。3. The purge unit according to claim 1, wherein the purge unit operates after a delay time allowing for a delay time until the oxidizing gas from the oxidizing gas supply unit reaches the exhaust fuel combustor. Fuel cell control system. 前記酸化ガス供給手段は、排燃料燃焼器に酸化ガスを直接供給可能なバイパス通路を備え、
前記運転状態検出手段の出力に応じて前記バイパス通路を流れる酸化ガス流量を制御することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載の燃料電池制御システム。
The oxidizing gas supply means includes a bypass passage capable of directly supplying oxidizing gas to the exhaust fuel combustor,
The fuel cell control system according to any one of claims 1 to 4, wherein a flow rate of the oxidizing gas flowing through the bypass passage is controlled in accordance with an output of the operating state detection means.
前記排燃料燃焼器は、排燃料燃焼器の温度を測定する燃焼器温度検出手段を備え、
前記排酸化ガス目標流量設定手段は、燃焼器温度検出手段の出力に応じて前記排酸化ガス目標流量を補正することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一つに記載の燃料電池制御システム。
The exhaust fuel combustor includes combustor temperature detection means for measuring the temperature of the exhaust fuel combustor,
6. The fuel according to claim 1, wherein the exhaust oxidant gas target flow rate setting unit corrects the exhaust oxidant gas target flow rate according to an output of a combustor temperature detection unit. Battery control system.
前記排燃料燃焼器は、排燃料ガスを排燃料燃焼器を経由することなく放出可能であり、
前記燃焼器温度検出手段による前記排酸化ガス目標流量の補正量が補正範囲の上限値を超える場合には、前記排燃料燃焼器を経由することなく排燃料ガスを放出することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池制御システム。
The exhaust fuel combustor can discharge exhaust fuel gas without going through the exhaust fuel combustor,
The exhaust fuel gas is discharged without passing through the exhaust fuel combustor when the correction amount of the exhaust gas target flow rate by the combustor temperature detection means exceeds the upper limit value of the correction range. Item 7. The fuel cell control system according to Item 6.
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