JP4731804B2 - Discharge method of fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムの排出方法に関するものである。 The present invention relates to a method for discharging a fuel cell system.
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤ガス(例えば酸素を含む空気)を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この種の燃料電池では、発電に伴ってカソード側で水が生成され、この生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも浸入する。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入する。アノード側におけるこれら水分や窒素等の不純物は、燃料電池の発電を不安定にする虞がある。
A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like includes an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas (eg, hydrogen gas) is supplied to the anode, and an oxidant gas (eg, oxygen is supplied to the cathode). There is a type in which chemical energy related to the oxidation-reduction reaction of these gases is directly extracted as electric energy.
In this type of fuel cell, water is generated on the cathode side with power generation, and a part of the generated water permeates the solid polymer electrolyte membrane and enters the anode side. In addition, a small amount of nitrogen in the air supplied to the cathode permeates the solid polymer electrolyte membrane to the anode side and enters the hydrogen gas. These impurities such as moisture and nitrogen on the anode side may make power generation of the fuel cell unstable.
特に、燃料の利用率を上げるために燃料電池から排出される未反応の水素をリサイクルさせて新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する循環型の燃料電池システムでは、アノード側の前記不純物濃度が徐々に高まる傾向にある。
そこで、この種の燃料電池では、定期的にあるいは燃料電池の発電状況に応じて、水素循環流路から前記不純物を含む水素ガスを排出し、水素ガス中の不純物濃度を低減させている(例えば、特許文献1参照)。従来、不純物を含む水素ガスの排出は、燃料電池の発電状態にかかわらず排出弁の開弁保持時間を一定時間に制御することで行っている。
Therefore, in this type of fuel cell, the hydrogen gas containing the impurities is discharged from the hydrogen circulation flow path periodically or according to the power generation status of the fuel cell to reduce the impurity concentration in the hydrogen gas (for example, , See Patent Document 1). Conventionally, the discharge of hydrogen gas containing impurities is performed by controlling the open valve holding time of the discharge valve to a fixed time regardless of the power generation state of the fuel cell.
しかしながら、このように燃料電池の発電状態にかかわらず排出弁の開弁保持時間を一定時間に制御すると、燃料電池の温度や圧力などの発電状態の変化により、排出される水素ガス量がばらつき、種々の不具合が生じる。
例えば、不純物を含む水素ガスの排出が不十分だと、燃料電池の発電の安定性を十分に回復することができない。一方、不純物を含む水素ガスの排出が過剰だと、見かけ上の水素消費量が多くなって発電効率の悪化を招く。また、水素循環流路から排出された水素ガスをカソードから排出されるカソードオフガスで希釈するシステムを備えている場合には、希釈後の水素濃度を安定させるのが難しくなる。
However, if the valve opening retention time of the discharge valve is controlled to a fixed time regardless of the power generation state of the fuel cell in this way, the amount of hydrogen gas discharged varies due to changes in the power generation state such as the temperature and pressure of the fuel cell, Various problems occur.
For example, if the discharge of hydrogen gas containing impurities is insufficient, the power generation stability of the fuel cell cannot be sufficiently recovered. On the other hand, if the discharge of hydrogen gas containing impurities is excessive, the apparent amount of hydrogen consumption increases and power generation efficiency deteriorates. In addition, when a system for diluting the hydrogen gas discharged from the hydrogen circulation flow path with the cathode off-gas discharged from the cathode is provided, it is difficult to stabilize the diluted hydrogen concentration.
そこで、この発明は、発電状態が変化しても、不純物を含むアノードオフガスを過不足なく排出することができる燃料電池システムの排出方法を提供するものである。 Therefore, the present invention provides a method for discharging a fuel cell system that can discharge an anode off-gas containing impurities without excess or deficiency even when the power generation state changes.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、アノード(例えば、後述する実施例におけるアノード3)に燃料ガス(例えば、後述する実施例における水素ガス)が供給されカソード(例えば、後述する実施例におけるカソード4)に酸化剤ガス(例えば、後述する実施例における空気)が供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池1)と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環流路(例えば、後述する実施例における燃料ガス循環流路20)と、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出可能にする排出弁(例えば、後述する実施例における排出弁21)とを備えた燃料電池システムの排出方法であって、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記燃料ガス循環流路から排出すべきアノードオフガスの要求排出量(例えば、後述する実施例における要求排出量VREQ)を算出し、前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて単位時間当たりのアノードオフガス放出量(例えば、後述する実施例における排出量ベース値DVPGBS)を算出し、このアノードオフガス放出量の積算値が前記要求排出量と同じになるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法である。
このように構成することにより、燃料電池の発電状態の変化により燃料ガス循環流路内の圧力が変化しても、単位時間当たりのアノードオフガス放出量を正確に算出することができ、正確にアノードオフガス放出量を積算することができる。その結果、前記排出弁から実際に排出されるアノードオフガスの量を、発電状態に応じて算出された要求排出量と同じにすることができるので、不純物の排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができる。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is directed to a cathode (for example, described later) by supplying a fuel gas (for example, hydrogen gas in an embodiment to be described later) to an anode (for example, an anode 3 in an embodiment to be described later). A fuel cell (for example, a fuel cell 1 in an embodiment to be described later) that is supplied with an oxidant gas (for example, air in an embodiment to be described later) to the cathode 4) in the embodiment, and an anode of the fuel cell A fuel gas circulation passage (for example, a fuel
With this configuration , even when the pressure in the fuel gas circulation channel changes due to a change in the power generation state of the fuel cell, the anode offgas discharge amount per unit time can be accurately calculated, and the anode can be accurately The off-gas emission amount can be integrated. As a result, the amount of anode off-gas actually discharged from the discharge valve can be made the same as the required amount of discharge calculated according to the power generation state, so that the amount of anode off-gas required for impurity discharge can be reduced. Excess or deficiency does not occur, in other words, the discharge amount of anode off gas containing impurities can be optimized.
請求項2に係る発明は、アノード(例えば、後述する実施例におけるアノード3)に燃料ガス(例えば、後述する実施例における水素ガス)が供給されカソード(例えば、後述する実施例におけるカソード4)に酸化剤ガス(例えば、後述する実施例における空気)が供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池1)と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環流路(例えば、後述する実施例における燃料ガス循環流路20)と、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出可能にする排出弁(例えば、後述する実施例における排出弁21)とを備えた燃料電池システムの排出方法であって、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記排出弁を開いておくべき排出時間(例えば、後述する実施例における基本排出時間TMONBS)を算出し、さらに、前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて該圧力差が大きいほど前記排出時間が短くなるように補正し、補正した排出時間(例えば、後述する実施例における要求排出時間TMONREQ)の間だけ開かれるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法である。
このように構成することにより、燃料電池の運転状態に応じて排出時間を適正に設定することができる。
The invention according to
With this configuration, Ru can be set appropriately to the discharge time in accordance with the operating state of the fuel cell.
請求項1に係る発明によれば、燃料電池の発電状態の変化により燃料ガス循環流路内の圧力が変化しても、単位時間当たりのアノードオフガス放出量を正確に算出することができ、正確にアノードオフガス放出量を積算することができ、その結果、排出弁から実際に排出されるアノードオフガスの量を、発電状態に応じて算出された要求排出量と同じにすることができるので、不純物の排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができ、その結果、燃料電池の良好な発電状態を維持することができ、発電効率の向上を図ることができる。 According to the first aspect of the present invention, even when the pressure in the fuel gas circulation flow path changes due to a change in the power generation state of the fuel cell, the anode off-gas discharge amount per unit time can be accurately calculated. As a result, the amount of anode off-gas actually discharged from the discharge valve can be made the same as the required emission calculated according to the power generation state. The amount of anode off-gas required for exhaust gas does not become excessive or deficient, in other words, the amount of anode off-gas containing impurities can be optimized, and as a result, the fuel cell can maintain a good power generation state. It is possible to improve the power generation efficiency.
請求項2に係る発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて排出時間を適正に設定することができるので、不純物の排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。
According to the invention of
以下、この発明に係る燃料電池システムの排出方法の実施例を図1から図9の図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system discharging method according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
初めに、この発明に係る燃料電池システムの排出方法の実施例1を図1から図4の図面を参照して説明する。
図1は燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池1は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜2をアノード3とカソード4とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものであり(図1では単セルのみを示す)、アノード3の反応ガス流路5に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード4の反応ガス流路6に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード3で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜2を通過してカソード4まで移動して、カソード4で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜2を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
First, a first embodiment of a fuel cell system discharging method according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle.
The fuel cell 1 is configured by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a solid
空気はスーパーチャージャー(S/C)などのコンプレッサ7により所定圧力に加圧され、空気供給流路8を通って燃料電池1のカソード4の反応ガス流路6に供給される。燃料電池1に供給された空気は発電に供された後、燃料電池1からカソード側の生成水と共に空気排出流路9に排出され、圧力制御弁10を介して希釈装置11に導入される。以下、燃料電池1に供給される空気を供給空気、燃料電池1から排出される空気を排出空気として区別する。空気供給流路8においてコンプレッサ7よりも上流には、燃料電池1に供給される空気の重量流量(以下、空気流量と略す)QAを検出する空気流量検出センサ12が設けられている。空気供給流路8においてコンプレッサ7よりも下流には、カソード4の反応ガス流路6に流入する直前の供給空気の圧力(以下、カソード入口圧と称す)PAを検出するカソード入口圧センサ13が設けられている。空気排出流路9において圧力制御弁10よりも上流には、カソード4の反応ガス流路6から排出された直後の排出空気の温度(以下、カソード出口温度と称す)TAOを検出する空気温センサ14が設けられている。
The air is pressurized to a predetermined pressure by a compressor 7 such as a supercharger (S / C) and supplied to the
一方、水素タンク15から供給される水素ガスは水素ガス供給流路17を流通し、その途中でレギュレータ16によって所定圧力に減圧され、流量制御弁27により所定流量に制御され、エゼクタ19を通って燃料電池1のアノード3の反応ガス流路5に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路18を通ってエゼクタ19に吸引され、水素タンク15から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池1のアノード3に供給される。すなわち、燃料電池1から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路18、およびエゼクタ19よりも下流の水素ガス供給流路17を通って、燃料電池1を循環する。なお、この実施例において、エゼクタ19よりも下流の水素ガス供給流路17とアノードオフガス流路18は燃料ガス循環流路20を構成する。
On the other hand, the hydrogen gas supplied from the
エゼクタ19よりも下流の水素ガス供給流路17には、アノード3の反応ガス流路5に流入する直前の水素ガスの圧力(以下、アノード入口圧と称す)PHを検出するアノード入口圧センサ23と、該水素ガスの温度(以下、アノード入口温度と称す)THを検出するアノード入口温センサ24が設けられている。つまり、この実施例1では、アノード入口圧センサ23によって燃料ガス循環流路20内の圧力を検出する。
アノードオフガス流路18からは、排出弁21を備えたアノードオフガス排出流路22が分岐しており、アノードオフガス排出流路22は希釈装置11に接続されている。この希釈装置11において、アノードオフガス排出流路22から排出されたアノードオフガスが、空気排出流路9から排出された排出空気によって希釈処理されて排出される。
An anode
An anode
燃料電池1の発電で得られた電力は車両駆動用モータなどの負荷に供給されるが、そのときの発電電流IFCが電流計25によって検出される。
燃料電池1は電子制御ユニット(以下、ECUと略す)30により制御され、そのため、ECU30には、空気流量検出センサ12、カソード入口圧センサ13、空気温センサ14、アノード入口圧センサ23、アノード入口温センサ24、電流計25、大気圧センサ26からの信号が入力され、コンプレッサ7の回転数、流量制御弁27および圧力制御弁10の開度、排出弁21の開閉などの制御が行われる。
The electric power obtained by the power generation of the fuel cell 1 is supplied to a load such as a vehicle driving motor, and the generated current IFC at that time is detected by the
The fuel cell 1 is controlled by an electronic control unit (hereinafter abbreviated as “ECU”) 30. Therefore, the
このように構成された燃料電池システムにおいては、連続運転をしていると、前述したように燃料ガス循環流路20を流通する水素ガス中の不純物(水分や窒素など)の濃度が高まってきて燃料電池1の発電が不安定になる場合がある。
そこで、この燃料電池システムでは、一定時間連続運転する毎に、および、燃料電池1の発電状況に応じて、排出弁21を開き、不純物を含むアノードオフガスを燃料ガス循環流路20からアノードオフガス排出流路22を介して希釈装置11に排出することにより(以下、この処理を不純物排出処理と称す)、燃料電池1のアノード3を流通する水素ガス中の不純物濃度を所定値以下となるように管理し、燃料電池1の発電を安定した状態に保持している。
In the fuel cell system configured as described above, when continuously operating, the concentration of impurities (such as moisture and nitrogen) in the hydrogen gas flowing through the fuel
Therefore, in this fuel cell system, every time the fuel cell system is operated continuously for a certain time and according to the power generation status of the fuel cell 1, the
そして、この実施例における燃料電池システムでは、前記不純物排出処理を実行する際に、燃料電池1の発電状態に応じて燃料ガス循環流路20から排出すべきアノードオフガスの排出量(以下、要求排出量という)を算出し、実際に排出弁21から排出されるアノードオフガスの量が前記要求排出量と同じになるように排出弁21の開閉を制御することにより、燃料電池1の発電状態が変化したときにも不純物排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じないようにして排出量の最適化を図り、これにより、燃料電池1の良好な発電状態の維持と、発電効率の向上と、希釈装置11による希釈処理の安定化を図っている。
In the fuel cell system according to this embodiment, the amount of anode off-gas to be discharged from the fuel
次に、実施例1における不純物排出処理制御について、図2のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップS101において、不純物排出要求があるか否かを判定する。この実施例1では、燃料電池1の発電運転を一定時間連続した時、および、燃料電池1のセル電圧のうち一番低いセル電圧が予め設定された下限電圧を下回った時に、不純物排出要求ありと判定される。
Next, impurity discharge processing control in Embodiment 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, in step S101, it is determined whether there is an impurity discharge request. In the first embodiment, when the power generation operation of the fuel cell 1 is continued for a certain time, and when the lowest cell voltage among the cell voltages of the fuel cell 1 falls below a preset lower limit voltage, there is an impurity discharge request. It is determined.
ステップS101における判定結果が「NO」(不純物排出要求なし)である場合は、ステップS101に戻る。
ステップS101における判定結果が「YES」(不純物排出要求あり)である場合は、ステップS102に進み、現在の発電状態に応じた要求排出量VREQを算出する。ここで、要求排出量VREQは、例えば、燃料電池1の発電電流IFCやアノード入口温度THに基づいて算出することができる。この実施例では、発電電流IFCが大きいほど要求排出量VREQを大きくし、アノード入口温度THが低いほど要求排出量VREQを大きくする。
If the determination result in step S101 is “NO” (no impurity discharge request), the process returns to step S101.
If the determination result in step S101 is “YES” (impurity emission requested), the process proceeds to step S102, and the required emission amount VREQ corresponding to the current power generation state is calculated. Here, the required emission amount VREQ can be calculated based on, for example, the generated current IFC of the fuel cell 1 or the anode inlet temperature TH. In this embodiment, the required emission amount VREQ is increased as the generated current IFC is increased, and the required emission amount VREQ is increased as the anode inlet temperature TH is lower.
ステップS102で要求排出量VREQを算出した後、ステップS103に進み、排出弁21を開く。
次に、ステップS104に進み、排出弁21の下流のアノードオフガス排出流路22内のガス圧力(以下、排出弁出口圧と称す)POUTとして、大気圧センサ26により検出された大気圧POを設定する。これは、排出弁出口圧POUTが大気圧POとほぼ同一とみなせる場合であり、同一と見なせない場合には、例えば排出弁21の下流のアノードオフガス排出流路22に圧力センサを設けて直接に排出弁出口圧POUTを検出したり、後述する実施例2で説明するように(ステップS203〜S205)圧力制御弁10の下流の排出空気圧力を推定し、この排出空気圧力を排出弁出口圧POUTとみなすなどの方法で、排出弁出口圧POUTを求めるのが好ましい。
After calculating the required discharge amount VREQ in step S102, the process proceeds to step S103, and the
Next, proceeding to step S104, the atmospheric pressure PO detected by the
次に、ステップS105に進み、図3に示す排出量ベース値マップを参照して、アノード入口圧センサ23により検出されたアノード入口圧PHと、排出弁出口圧POUTに基づいて、排出量ベース値(単位時間当たりのアノードオフガス放出量)DVPGBSを算出する。ここで、排出量ベース値DVPGBSとは、この不純物排出処理ルーチンにおけるステップS104〜S109の一連の処理を実行する制御周期を単位時間とした単位時間当たりに排出される排出量のベース値である。
排出量ベース値マップは、排出弁21の上流と下流の差圧が大きいほど排出弁21を流通するガス流量が大きくなることから、アノード入口圧PHが大きいほど排出量ベース値DVPGBSが増大し、排出弁出口圧POUTが小さいほど排出量ベース値DVPGBSが増大するように設定する。
Next, the process proceeds to step S105, and the discharge amount base value is determined based on the anode inlet pressure PH detected by the anode
In the discharge amount base value map, the larger the differential pressure upstream and downstream of the
次に、ステップS106に進み、図4に示す温度補正係数テーブルを参照して、アノード入口温センサ24により検出されたアノード入口温度THに基づいて、温度補正係数KTHを算出する。温度補正係数テーブルは、アノード入口温度THが高いほど温度補正係数KTHが小さくなるように設定されている。
In step S106, the temperature correction coefficient KTH is calculated based on the anode inlet temperature TH detected by the anode
次に、ステップS107に進み、ステップS105で算出した排出量ベース値DVPGBSに、ステップS106で算出した温度補正係数KTHを乗じて温度補正を行い、補正後排出量ベース値DVPGを算出する(DVPG=DVPGBS × KTH)。
次に、ステップS108に進み、積算排出量VPGを算出する。積算排出量VPGの算出方法は、ステップS104〜S109の一連の処理を前回実行したときに算出した積算排出量(すなわち、積算排出量の前回値VPGn−1)に、今回ステップS107の処理を実行して算出した補正後排出量ベース値DVPGを加算して得た値を、積算排出量の今回値VPGnとする(VPGn = VPGn−1 + DVPG)。なお、積算排出量VPGの初期値は0である。
Next, the process proceeds to step S107, where the temperature correction is performed by multiplying the discharge amount base value DVPGBS calculated in step S105 by the temperature correction coefficient KTH calculated in step S106, and the corrected discharge amount base value DVPG is calculated (DVPG = DVPGBS x KTH).
Next, the process proceeds to step S108, and the integrated discharge amount VPG is calculated. In the method of calculating the integrated discharge amount VPG, the process of step S107 is performed on the integrated discharge amount (that is, the previous value VPG n-1 of the integrated discharge amount) calculated when the series of processes of steps S104 to S109 was executed last time. The value obtained by adding the corrected discharge amount base value DVPG calculated and executed is set as the current value VPG n of the integrated discharge amount (VPG n = VPG n-1 + DVPG). Note that the initial value of the integrated discharge amount VPG is zero.
次に、ステップS109に進み、ステップS108で算出された積算排出量VPGがステップS102で算出した要求排出量VREQよりも小さいか否かを判定する。
ステップS109における判定結果が「YES」(VREQ>VPG)である場合は、積算排出量VPGが未だ要求排出量VREQに達していないので、ステップS104に戻って、ステップS104〜S109の一連の処理を再度実行し、排出弁21からのアノードオフガスの排出を続行する。
一方、ステップS109における判定結果が「NO」(VREQ≦VPG)である場合は、積算排出量VPGが要求排出量VREQに達したので、ステップS110に進み、排出弁21を閉じて、不純物排出処理を終了する。
Next, the process proceeds to step S109, and it is determined whether or not the integrated discharge amount VPG calculated in step S108 is smaller than the required discharge amount VREQ calculated in step S102.
If the determination result in step S109 is “YES” (VREQ> VPG), since the integrated discharge amount VPG has not yet reached the required discharge amount VREQ, the process returns to step S104, and a series of processing of steps S104 to S109 is performed. The process is executed again, and the discharge of the anode off gas from the
On the other hand, if the determination result in step S109 is “NO” (VREQ ≦ VPG), since the accumulated discharge amount VPG has reached the required discharge amount VREQ, the process proceeds to step S110, the
この実施例1の不純物排出処理制御によれば、不純物排出要求があったときに、まず、燃料電池1の発電状態に応じた要求排出量VREQを算出し、実際に排出弁21から排出されるアノードオフガスの積算量が要求排出量VREQと同じになるように排出弁21の開閉を制御しているので、不純物排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができる。
According to the impurity discharge processing control of the first embodiment, when there is an impurity discharge request, first, the required discharge amount VREQ corresponding to the power generation state of the fuel cell 1 is calculated and actually discharged from the
特に、この実施例1においては、アノード入口圧センサ23により検出されたアノード入口圧PH(すなわち、燃料ガス循環流路20内の圧力)と排出弁出口圧POUT(すなわち、排出弁21の下流の圧力)との差圧に基づいて、制御周期を単位時間とする単位時間当たりの排出量ベース値DVPGBSを算出しているので、燃料電池1の発電状態が変化しても正確に積算排出量VPGを算出することができ、排出量の最適化を実効あるものにすることができる。
In particular, in the first embodiment, the anode inlet pressure PH (that is, the pressure in the fuel gas circulation passage 20) detected by the anode
その結果、燃料電池1の発電の安定性を十分に回復させることができるだけでなく、発電に供されず不純物と共に排出される水素ガスの量を必要最小限に抑えることができるので、発電効率が向上する。さらに、希釈装置11への水素ガスの流入量が最適化されるので、希釈後の水素濃度を安定させることができる。
As a result, not only can the stability of power generation of the fuel cell 1 be sufficiently restored, but also the amount of hydrogen gas that is not used for power generation and discharged together with impurities can be minimized. improves. Furthermore, since the amount of hydrogen gas flowing into the diluting
なお、この実施例1においては、アノード入口温度THに基づく排出量の温度補正を排出量ベース値DVPGBSに対して行っているが、これに代えて、要求排出量VREQに対してアノード入口温度THに基づく温度補正を行ってもよい。 In the first embodiment, the temperature correction of the discharge amount based on the anode inlet temperature TH is performed on the discharge amount base value DVPGBS, but instead, the anode inlet temperature TH with respect to the required discharge amount VREQ. You may perform temperature correction based on.
次に、この発明に係る燃料電池システムの排出方法の実施例2を図5から図9の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システムの構成は実施例1と同じであるので説明は省略する。
実施例1では、実際に排出弁21から排出されるアノードオフガスの積算排出量VPGを算出し、この積算排出量VPGが要求排出量VREQと同じになるように排出弁21の開閉を制御したが、実施例2では、要求排出量VREQに対応する排出時間を算出し、排出弁21を開弁してからの経過時間が前記排出時間に達した時に排出弁21を閉弁することにより、不純物を含むアノードオフガスの排出量の最適化を図っている。
Next, a second embodiment of the discharge method of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS. Note that the configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
In the first embodiment, the integrated discharge amount VPG of the anode off-gas actually discharged from the
次に、実施例2における不純物排出処理制御について、図5のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップS201において、不純物排出要求があるか否かを判定する。不純物排出要求があるか否かの判定は実施例1の場合と同じである。すなわち、燃料電池1の発電運転を一定時間連続した時、および、燃料電池1のセル電圧のうち一番低いセル電圧が予め設定された下限電圧を下回った時に、不純物排出要求ありと判定される。
Next, impurity discharge processing control in the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, in step S201, it is determined whether there is an impurity discharge request. The determination as to whether or not there is an impurity discharge request is the same as in the first embodiment. That is, when the power generation operation of the fuel cell 1 is continued for a certain period of time, and when the lowest cell voltage among the cell voltages of the fuel cell 1 falls below a preset lower limit voltage, it is determined that there is an impurity discharge request. .
ステップS201における判定結果が「NO」(不純物排出要求なし)である場合は、ステップS201に戻る。
ステップS201における判定結果が「YES」(不純物排出要求あり)である場合は、ステップS202に進み、現在の発電状態に応じた基本排出時間TMONBSを算出する。この基本排出時間TMONBSは実施例1における要求排出量VREQに対応するものであり、燃料電池1の発電電流IFCやアノード入口温度THに基づいて算出することができる。この実施例では、発電電流IFCが大きいほど基本排出時間TMONBSを長くし、アノード入口温度THが低いほど基本排出時間TMONBSを長くする。
If the determination result in step S201 is “NO” (no impurity discharge request), the process returns to step S201.
When the determination result in step S201 is “YES” (impurity discharge request is present), the process proceeds to step S202, and the basic discharge time TMONBS corresponding to the current power generation state is calculated. This basic discharge time TMONBS corresponds to the required discharge amount VREQ in the first embodiment, and can be calculated based on the power generation current IFC of the fuel cell 1 and the anode inlet temperature TH. In this embodiment, the basic discharge time TMONBS is increased as the generated current IFC is increased, and the basic discharge time TMONBS is increased as the anode inlet temperature TH is decreased.
次に、ステップS203に進む。ステップS203〜S205の一連の処理は、排出弁21の下流の排出弁出口圧POUTを算出するための処理である。したがって、実施例1のように排出弁出口圧POUTを大気圧POで近似できる場合には、ステップS203〜S205の処理を、実施例1におけるステップS104に対応するステップに置き換えることができる。また、排出弁21の下流のアノードオフガス排出流路22に圧力センサを設けて排出弁出口圧POUTを直接検出するようにした場合には、ステップS203〜S205の処理を、前記圧力センサで検出された圧力値を排出弁出口圧POUTとするステップに置き換えることができる。
Next, the process proceeds to step S203. A series of processes of steps S203 to S205 is a process for calculating the discharge valve outlet pressure POUT downstream of the
カソードから排出される排気空気と、排気弁21を通って希釈装置11に流入するアノードオフガスは、希釈装置11内において合流して等圧になることから、圧力制御弁10の下流の空気圧力と排気弁21の下流のアノードオフガス圧力はほぼ等圧とみなせる。そこで、この実施例2では、圧力制御弁10の下流の圧力を算出し、その圧力値を排気弁21の下流のアノードオフガス圧力(排出弁出口圧POUT)とみなすことにした。
The exhaust air discharged from the cathode and the anode off-gas flowing into the diluting
ステップS203においては、図6に示す排気圧損テーブルを参照して、空気流量検出センサ12で検出される空気流量QAに基づき、排気圧損DPOUTを算出する。ここで、排気圧損DPOUTは、希釈装置11における排出空気の圧力損失である。排気圧損テーブルは、空気流量QAが大きいほど排気圧損DPOUTが大きくなるように設定されている。
なお、この実施例2では、排気圧損DPOUTを算出するためのパラメータとして空気流量QAを用いているが、排気圧損DPOUTを算出するためのパラメータとしては、空気流量QA、発電電流IFC、目標発電量IREQのいずれか、あるいはこれらを適宜組み合わせてパラメータとすることができる。さらに、必要に応じて、カソード出口温度TAOあるいは燃料電池1の冷媒温度TWに基づいて補正してもよい。
In step S203, the exhaust pressure loss DPOUT is calculated based on the air flow rate QA detected by the air flow
In the second embodiment, the air flow rate QA is used as a parameter for calculating the exhaust pressure loss DPOUT. However, as the parameters for calculating the exhaust pressure loss DPOUT, the air flow rate QA, the generated current IFC, the target power generation amount Any of IREQ or a combination of these can be used as a parameter. Further, correction may be made based on the cathode outlet temperature TAO or the refrigerant temperature TW of the fuel cell 1 as necessary.
次に、ステップS204に進み、図7に示す圧損補正係数テーブルを参照して、空気温センサ14で検出したカソード出口温度TAOに基づき、圧損補正係数KTAOを算出する。圧損補正係数テーブルは、カソード出口温度TAOが高いほど圧損補正係数KTAOが大きくなるように設定されている。
次に、ステップS205に進み、大気圧センサ26で検出した大気圧POに、排気圧損DPOUTと圧損補正係数KTAOの積を加算することにより、排出弁出口圧POUTを算出する(POUT=DPOUT × KTAO + PO)。
In step S204, the pressure loss correction coefficient KTAO is calculated based on the cathode outlet temperature TAO detected by the
In step S205, the product of the exhaust pressure loss DPOUT and the pressure loss correction coefficient KTAO is added to the atmospheric pressure PO detected by the
次に、ステップS206に進み、排出弁21を開くとともに、排出タイマーのカウントを開始する。
次に、ステップS207に進み、図8に示す排出時間圧力補正係数マップを参照して、アノード入口圧センサ23により検出されたアノード入口圧PHと、排出弁出口圧POUTに基づいて、排出時間圧力補正係数KPONを算出する。
排出時間圧力補正係数マップは、排出弁21の上流と下流の差圧が大きいほど排出弁21を流通するガス流量が大きくなり排出時間が短くて済むことから、アノード入口圧PHが高いほど排出時間圧力補正係数KPONが小さくなり、排出弁出口圧POUTが低いほど排出時間圧力補正係数KPONが小さくなるように設定する。
In step S206, the
Next, the process proceeds to step S207, and the discharge time pressure is determined based on the anode inlet pressure PH detected by the anode
In the discharge time pressure correction coefficient map, the larger the pressure difference between the upstream and downstream of the
次に、ステップS208に進み、図9に示す排出時間温度補正係数テーブルを参照して、アノード入口温センサ24により検出されたアノード入口温度THに基づいて、排出時間温度補正係数KTONを算出する。排出時間温度補正係数テーブルは、アノード入口温度THが低いほど温度補正係数KTONが大きくなるように設定されている。
次に、ステップS209に進み、ステップS202で算出した基本排出時間TMONBSに、ステップS207で算出した排出時間圧力補正係数KPONとステップS208で算出した排出時間温度補正係数KTONを乗じて圧力補正および温度補正を行い、要求排出時間TMONREQを算出する(TMONREQ=TMONBS × KPON × KTON)。
Next, proceeding to step S208, the discharge time temperature correction coefficient KTON is calculated based on the anode inlet temperature TH detected by the anode
Next, the process proceeds to step S209, where the basic discharge time TMONBS calculated in step S202 is multiplied by the discharge time pressure correction coefficient KPON calculated in step S207 and the discharge time temperature correction coefficient KTON calculated in step S208 to perform pressure correction and temperature correction. And the required discharge time TMONREQ is calculated (TMONREQ = TMONBS × KPON × KTON).
次に、ステップS210に進み、排出弁21を開弁してから要求排出時間TMONREQが経過したか否かを判定する。すなわち、排出タイマーのカウント値が要求排出時間TMONREQに達したか否かを判定する。
ステップS210における判定結果が「NO」(時間経過していない)である場合は、ステップS210に戻り、排出弁21の開弁状態を保持して、排出弁21からのアノードオフガスの排出を続行する。
一方、ステップS210における判定結果が判定結果が「YES」(時間経過した)である場合は、ステップS211に進み、排出弁21を閉じ、排出タイマーをリセットして、不純物排出処理を終了する。
Next, the process proceeds to step S210, and it is determined whether or not the requested discharge time TMONREQ has elapsed since the
If the determination result in step S210 is “NO” (time has not elapsed), the process returns to step S210, the open state of the
On the other hand, if the determination result in step S210 is “YES” (time has elapsed), the process proceeds to step S211, the
この実施例2の不純物排出処理制御によれば、不純物排出要求があったときに、まず、燃料電池1の発電状態に応じて要求排出量VREQに対応する基本排出時間TMONBSを算出し、これに圧力補正および温度補正を行って要求排出時間TMONREQを算出し、この要求排出時間TMONREQの間だけ排出弁21が開いているように排出弁21の開閉を制御しているので、不純物排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができる。
According to the impurity discharge processing control of the second embodiment, when there is an impurity discharge request, first, the basic discharge time TMONBS corresponding to the required discharge amount VREQ is calculated according to the power generation state of the fuel cell 1, and The required discharge time TMONREQ is calculated by performing pressure correction and temperature correction, and the opening / closing of the
特に、この実施例2においては、アノード入口圧センサ23により検出されたアノード入口圧PH(すなわち、燃料ガス循環流路20内の圧力)と排出弁出口圧POUT(すなわち、排出弁21の下流の圧力)との差圧に基づいて、基本排出時間TMONBSを補正し要求排出時間TMONREQを算出しているので、燃料電池1の運転状態に応じて排出時間を適正に補正することができ、アノードオフガス排出量の最適化を実効あるものにすることができる。
In particular, in the second embodiment, the anode inlet pressure PH (that is, the pressure in the fuel gas circulation passage 20) detected by the anode
その結果、燃料電池1の発電の安定性を十分に回復させることができるだけでなく、発電に供されず不純物と共に排出される水素ガスの量を必要最小限に抑えることができるので、発電効率が向上する。さらに、希釈装置11への水素ガスの流入量が最適化されるので、希釈後の水素濃度を安定させることができる。
As a result, not only can the stability of power generation of the fuel cell 1 be sufficiently restored, but also the amount of hydrogen gas that is not used for power generation and discharged together with impurities can be minimized. improves. Furthermore, since the amount of hydrogen gas flowing into the diluting
なお、この実施例2においては、アノード入口温度THに基づいて基本排出時間TMONBSの温度補正を行っているが、これを行わなくてもこの発明は成立する。
この発明において、燃料電池の燃料ガスは、純粋な水素ガスに限るものではなく、炭化水素を含む燃料を改質して生成される水素リッチなガスであってもよい。
この発明における燃料電池システムは、前述した各実施例のように燃料電池車両に搭載されるものに限られず、定置式の燃料電池システムであってもよい。
In the second embodiment, the temperature correction of the basic discharge time TMONBS is performed based on the anode inlet temperature TH. However, the present invention can be realized without performing this correction.
In the present invention, the fuel gas of the fuel cell is not limited to pure hydrogen gas, and may be a hydrogen-rich gas generated by reforming a fuel containing hydrocarbons.
The fuel cell system according to the present invention is not limited to the one mounted on the fuel cell vehicle as in the above-described embodiments, and may be a stationary fuel cell system.
1 燃料電池
3 アノード
4 カソード
20 燃料ガス循環流路
21 排出弁
1 Fuel Cell 3
Claims (2)
前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記燃料ガス循環流路から排出すべきアノードオフガスの要求排出量を算出し、
前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて単位時間当たりのアノードオフガス放出量を算出し、
このアノードオフガス放出量の積算値が前記要求排出量と同じになるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法。 A fuel cell in which fuel gas is supplied to the anode and oxidant gas is supplied to the cathode to generate power; a fuel gas circulation channel for supplying anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell to the anode again; A discharge method of a fuel cell system comprising a discharge valve that enables discharge of anode off gas from the fuel gas circulation flow path,
Calculating a required discharge amount of the anode off gas to be discharged from the fuel gas circulation flow path according to a power generation state of the fuel cell when there is a request to discharge the anode off gas from the fuel gas circulation flow path;
Based on the pressure difference between the pressure in the fuel gas circulation flow path and the pressure downstream of the exhaust valve, the anode off-gas discharge amount per unit time is calculated,
An exhaust method for a fuel cell system, wherein opening and closing of the exhaust valve is controlled so that an integrated value of the anode off-gas discharge amount is the same as the required exhaust amount.
前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記排出弁を開いておくべき排出時間を算出し、さらに、前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて該圧力差が大きいほど前記排出時間が短くなるように補正し、補正した排出時間の間だけ開かれるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法。When there is a request to discharge the anode off-gas from the fuel gas circulation flow path, a discharge time for opening the discharge valve according to the power generation state of the fuel cell is calculated, and further, the fuel gas circulation flow path Based on the pressure difference between the internal pressure and the pressure downstream of the discharge valve, the discharge time is corrected to be shorter as the pressure difference is larger, and the discharge valve is opened only during the corrected discharge time. A method for discharging a fuel cell system, wherein opening and closing is controlled.
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