JP2006196402A - Control device for fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池から排出するアノードオフガス中の水素濃度を低下させる水素濃度低下手段の故障または性能低下時にも運転継続可能な燃料電池システムの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a fuel cell system capable of continuing operation even when a hydrogen concentration reducing means for reducing the hydrogen concentration in an anode off-gas discharged from a fuel cell fails or when the performance is reduced.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.
固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質は、湿潤状態でなければ良好な陽イオン伝導性を発揮しないものが多いために、燃料電池に供給する水素ガスまたは酸化剤ガス(以下、両者を併せて反応ガスと呼ぶ)は加湿されている。また、発電効率を高めるために燃料電池の出力電流から要求される反応ガスの質量流量より多くのガスを供給し、余剰の水素ガスは、水素循環経路によりアノード(水素極)入口へ循環させている。 Since many polymer electrolytes used in polymer electrolyte fuel cells do not exhibit good cation conductivity unless they are in a wet state, hydrogen gas or oxidant gas (hereinafter referred to as both) supplied to the fuel cell. The reaction gas is also called humidified. In addition, in order to increase power generation efficiency, more gas than the mass flow rate of the reaction gas required from the output current of the fuel cell is supplied, and surplus hydrogen gas is circulated to the anode (hydrogen electrode) inlet through the hydrogen circulation path. Yes.
このような燃料電池システムにおいて、カソード(空気極)からアノードへ電解質膜をリークした空気中の不活性ガス(窒素、アルゴン等)は、アノード循環経路内に蓄積して水素分圧を低下させ、発電効率を低下させる。また、化学工業の副生水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして利用する場合には、燃料ガス中の不純物が同様にアノード循環経路内に蓄積する。さらに、発電の電気化学反応により生じる生成水が液水となってガス通路に蓄積し、ガス流通やガス拡散を妨げ、発電効率の低下や発電停止に至ることがある。このような不純物ガスや液水をガス通路内から一掃するために、アノードから排出されるアノーオフガスを循環経路外へ放出するパージ弁が設けられている。 In such a fuel cell system, the inert gas (nitrogen, argon, etc.) in the air that leaks the electrolyte membrane from the cathode (air electrode) to the anode accumulates in the anode circulation path to reduce the hydrogen partial pressure, Reduce power generation efficiency. Further, when the by-product hydrogen gas of the chemical industry is used as the fuel gas of the fuel cell, impurities in the fuel gas are similarly accumulated in the anode circulation path. Furthermore, the generated water generated by the electrochemical reaction of power generation becomes liquid water and accumulates in the gas passage, obstructing gas distribution and gas diffusion, leading to a decrease in power generation efficiency and power generation stoppage. In order to sweep out such impurity gas and liquid water from the gas passage, a purge valve is provided for releasing the anode-off gas discharged from the anode out of the circulation path.
通常、パージ弁の下流には、排水素処理装置として、希釈装置や触媒燃焼装置が設けられる。希釈装置は、空気によりパージガス中の水素濃度を制限濃度未満に希釈して系外へ放出する。触媒燃焼装置は、白金触媒等によりパージガス中の水素を燃焼させて水蒸気として系外へ放出する(例えば、特許文献1)。
しかしながら、上記従来技術にあっては、排水素処理装置の故障または性能低下した場合については考慮されておらず、排出ガス中の水素濃度が制限値を超える可能性があり、排水素処理装置の故障または性能低下しただけで燃料電池の運転を停止せざるを得ないという問題点があった。 However, in the above-described conventional technology, no consideration is given to a case where the exhaust hydrogen treatment apparatus malfunctions or performance is deteriorated, and the hydrogen concentration in the exhaust gas may exceed the limit value. There was a problem that the operation of the fuel cell had to be stopped only by failure or performance degradation.
上記問題点を解決するために、本発明は、アノードに供給された水素とカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、該燃料電池のアノード出口から排出されるアノードオフガスをアノード入口に循環させるアノードオフガス循環手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、所望の出力電流に応じて前記水素供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段からのガス供給量を調節する反応ガス供給量調整手段と、前記アノードオフガスを前記循環の経路外へ排出するアノードオフガス排出手段と、該アノードオフガス排出手段が排出したアノードオフガス中の水素濃度を低下させる水素濃度低下手段と、前記燃料電池の出力電流を制限する出力制限手段と、前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知する故障検知手段とを備えた燃料電池システムの制御装置であって、前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記アノードオフガス排出手段からのアノードオフガス排出を制限するとともに、前記出力制限手段によって燃料電池の出力電流を制限することを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to an anode and an oxidant gas supplied to a cathode, and a hydrogen supply that supplies hydrogen to the fuel cell. Means, an anode offgas circulation means for circulating the anode offgas discharged from the anode outlet of the fuel cell to the anode inlet, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell, and a desired output current Reactive gas supply amount adjusting means for adjusting gas supply amounts from the hydrogen supply means and the oxidant gas supply means, anode offgas discharge means for discharging the anode offgas out of the circulation path, and anode offgas discharge Means for reducing the hydrogen concentration in the anode off-gas discharged by the means, and an output for limiting the output current of the fuel cell A fuel cell system control device comprising: a limiting means; and a failure detection means for detecting a failure or a performance drop of the hydrogen concentration lowering means, wherein the failure detection means detects a failure or a performance drop of the hydrogen concentration reduction means. When detected, the gist is to limit the discharge of the anode offgas from the anode offgas discharge means and to limit the output current of the fuel cell by the output restriction means.
本発明は、故障検知手段が水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、アノードオフガスの排出を停止ないしは放出量を制限することにより、規定濃度以上の水素ガスが放出されることを防止するとともに、燃料電池の出力電流を制限して燃料電池に劣化を与えることなく、発電を継続するものである。 According to the present invention, when the failure detection means detects a failure or performance degradation of the hydrogen concentration lowering means, hydrogen gas of a specified concentration or more is released by stopping the discharge of the anode off-gas or limiting the discharge amount. In addition, the power generation is continued without limiting the output current of the fuel cell and degrading the fuel cell.
水素濃度低下手段は、アノードオフガスを燃焼触媒により燃焼させて水素濃度を低下させてもよいし、空気によりアノードオフガスを希釈して水素濃度を低下させてもよい。 The hydrogen concentration lowering means may decrease the hydrogen concentration by burning the anode off gas with a combustion catalyst, or may decrease the hydrogen concentration by diluting the anode off gas with air.
本発明によれば、故障検知手段が水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合、アノードオフガスの排出を停止または排出量を制限するアノードオフガス排出の制限を行い、その状態で運転可能な出力まで燃料電池の出力電流を制限する構成となっているので、所定濃度以上の水素ガスを排出することなく、燃料電池の発電を継続することができる。燃料電池を電源とする車両であれば、水素濃度低下手段に故障が生じても、速度が制限されるが自走にて車庫やサービス工場等へ移動する(リンプホーム(limp home )走行と呼ばれる)ことができる。 According to the present invention, when the failure detection means detects a failure of the hydrogen concentration lowering means or a decrease in performance, the anode offgas discharge is stopped or the discharge amount is restricted, and the operation can be performed in that state. Since the output current of the fuel cell is limited to the output, it is possible to continue the power generation of the fuel cell without discharging hydrogen gas having a predetermined concentration or more. If the vehicle is powered by a fuel cell, the speed will be limited even if a failure occurs in the hydrogen concentration reduction means, but it will move to the garage, service factory, etc. by itself (referred to as limp home travel). )be able to.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例1を備えた車両用の燃料電池システムの概略構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system for a vehicle provided with a first embodiment of a control device for a fuel cell system according to the present invention.
図1において、燃料電池システム1は、アノード(燃料極、水素極)2a及びカソード(酸化剤極、空気極)2bを備えた固体高分子型の燃料電池2、酸化剤として空気をカソード2b供給する空気コンプレッサ3、カソード2bの空気圧力を制御する空気圧力制御弁4、燃料としての水素ガスを貯蔵する水素タンク5、水素タンク5からアノード2aに供給する水素圧力及び流量を制御する水素圧力制御弁6、アノード2aの出口から排出される未反応水素ガスを含むアノードオフガスをアノード2aの入口へ水素循環路8を介して圧送する水素循環ポンプ7、水素循環路8からアノードオフガスを系外へ排出させるパージ弁9、パージ弁9から排出されたガス中の水素濃度を低下させるアノードオフガス希釈装置10、アノードオフガス希釈装置10へ希釈用の空気を導入する希釈空気導入ファン11、冷却水経路12、熱交換器13、冷却水ポンプ14、圧力センサ15、16、温度センサ17、18、及びコントローラ19を備えて構成されている。
In FIG. 1, a
コントローラ19には、カソード2bの入口圧力を検出する圧力センサ15,アノード2aの入口圧力を検出する圧力センサ16、燃料電池2の冷却水入口の温度を検出する温度センサ18、燃料電池2の冷却水出口の温度を検出する温度センサ17が入力装置として接続されている。またコントローラ19には、空気コンプレッサ3、空気圧力制御弁4、水素圧力制御弁6、水素循環ポンプ7、パージ弁9、希釈空気導入ファン11、冷却水循環ポンプ14が出力装置として接続されている。
The
コントローラ19は、圧力センサ15で検出された圧力値に基づいて、空気圧力制御弁4の開度を制御して、カソード2bの圧力を負荷に応じた圧力に制御する。またコントローラ19は、圧力センサ16で検出された圧力値に基づいて、水素圧力制御弁6を制御して、アノード2aの圧力を負荷に応じた圧力に制御する。
The
パージ弁9は、燃料電池2のアノードの排気用配管上に設けられ、通常閉じられている。コントローラ19は、燃料電池2の起動からの発電電力量または発電時間が一定値に達した時、或いは、燃料電池2のセル電圧低下等の検知により燃料電池2の内部に水詰まりが生じたと判断したとき、パージ弁9を開放して、水素とともに水分および窒素等の不純物を排出する。
The purge valve 9 is provided on the exhaust piping of the anode of the
また、パージ弁9の上流には、アノードオフガスをアノード2aの入口へ循環させる水素循環路8の一端部が接続され、その他端部は、水素循環ポンプ7を経て水素圧力制御弁6の下流に接続されている。アノード2aの出口から排出されたアノードオフガスは、水素循環ポンプ7及び水素循環路8で構成されるアノードオフガス循環手段によりアノード2aの入口へ循環される。
Further, upstream of the purge valve 9 is connected to one end of a
冷却水経路12は、燃料電池2本体を冷却する冷却水が流れる流路であり、冷却水経路12には、熱交換器13が備えられているとともに、冷却水を流すための冷却水ポンプ14が備えられている。温度センサ17は、燃料電池2の冷却水出口の温度を検出し、この温度検出値は、冷却制御とともに、燃料電池の温度としても利用される。
The cooling water path 12 is a flow path through which cooling water for cooling the main body of the
アノードオフガス希釈装置10は、希釈空気導入ファン11より導入された空気と、パージ弁9より排出されたアノードオフガスとを混合し、水素濃度を規定濃度未満に低下させて外部へ放出する。
The anode off-
以下、実施例1における動作を図2の制御フローチャートを参照して説明する。 Hereinafter, the operation in the first embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG.
まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)10では、アノードオフガス希釈装置10が故障したかどうかが判定される。たとえば図1のシステムにおいては、希釈空気導入ファン11の実回転数が指示回転数に対して所定値以上下回った場合に故障と判断するなどの手法が考えられる。
First, in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 10, it is determined whether or not the anode off-
尚、水素濃度低下手段として触媒燃焼器を用いた場合、例えば、触媒燃焼器に設けた温度センサにより温度異常を検出したときに、触媒燃焼器の故障と判断することができる。 When a catalytic combustor is used as the hydrogen concentration reducing means, for example, when a temperature abnormality is detected by a temperature sensor provided in the catalytic combustor, it can be determined that the catalytic combustor is out of order.
S10でアノードオフガス希釈装置10が故障したと判定されると、S12に進み、パージ弁を閉じきりにする。
If it is determined in S10 that the anode off-
そしてS14に進み、燃料電池取り出し電流の上限値を、図4の制限電流Ib とする。制限電流Ib は、パージ弁を閉じきりとした場合の燃料電池の電流電圧特性が下限電圧となる電流値とする。 Then, the process proceeds to S14, and the upper limit value of the fuel cell take-out current is set to the limit current Ib in FIG. The limiting current Ib is a current value at which the current-voltage characteristic of the fuel cell becomes the lower limit voltage when the purge valve is fully closed.
一方、S10でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されない(正常時)場合、S16に進み、パージ弁9は通常制御される。たとえば図3のように燃料電池温度の上昇に伴い、膜電極接合体(MEA)の窒素ガス透過性が高まるので、単位時間当たりのパージ弁9の開時間は長くしてもよい。そしてS18に進み、燃料電池取り出し電流の上限値を、図4の最大電流Ia とする。 On the other hand, if it is not determined in S10 that the anode off-gas diluting device has failed (during normal operation), the process proceeds to S16 and the purge valve 9 is normally controlled. For example, as shown in FIG. 3, the nitrogen gas permeability of the membrane electrode assembly (MEA) increases as the fuel cell temperature rises, so the opening time of the purge valve 9 per unit time may be increased. Then, in S18, the upper limit value of the fuel cell take-out current is set to the maximum current Ia in FIG.
図3は、燃料電池温度に対する単位時間あたりのパージ弁開時間の一例を示したものであり、アノードオフガス希釈装置が正常な時は、燃料電池温度に対して比例的にパージ弁開時間を増加させる。 FIG. 3 shows an example of the purge valve opening time per unit time with respect to the fuel cell temperature. When the anode off-gas dilution device is normal, the purge valve opening time is increased in proportion to the fuel cell temperature. Let
図4は、パージ弁閉じきり時と正常時における、燃料電池の電流−電圧特性である。パージ弁閉じきり時において、一般的にリンプホーム走行に必要な時間(たとえば2時間)経過後の電流−電圧特性を特性Bで示す。この特性において、下限電圧を下回らない点を制限電流Ib とし、パージ弁閉じ切り時の燃料電池取り出し電流の上限電流とする。一方、パージ弁を正常に開閉できる時における電流−電圧特性を特性Aで示す。 FIG. 4 shows current-voltage characteristics of the fuel cell when the purge valve is fully closed and when it is normal. When the purge valve is fully closed, the current-voltage characteristic after the time required for limp home travel (for example, 2 hours) has elapsed is generally indicated by a characteristic B. In this characteristic, the point that does not fall below the lower limit voltage is defined as the limiting current Ib, and the upper limit current of the fuel cell extraction current when the purge valve is closed. On the other hand, a current-voltage characteristic when the purge valve can be normally opened and closed is indicated by a characteristic A.
以上説明した本実施例によれば、故障検知手段が水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合、アノードオフガスの排出を停止または排出量を制限するアノードオフガス排出の制限を行い、その状態で運転可能な出力まで燃料電池の出力電流を制限する構成となっているので、所定濃度以上の水素ガスを排出することなく、燃料電池の発電を継続することができるという効果がある。特に燃料電池を電源とする車両であれば、水素濃度低下手段に故障が生じても、速度が制限されるが自走にて車庫やサービス工場等へ移動するリンプホーム走行ができるという効果がある。 According to the present embodiment described above, when the failure detection means detects a failure of the hydrogen concentration lowering means or a performance drop, the anode offgas discharge is limited to stop the discharge of the anode offgas or limit the discharge amount. Since the configuration is such that the output current of the fuel cell is limited to an output that can be operated in the above manner, there is an effect that the power generation of the fuel cell can be continued without discharging hydrogen gas having a predetermined concentration or more. In particular, in the case of a vehicle using a fuel cell as a power source, even if a failure occurs in the hydrogen concentration lowering means, the speed is limited, but there is an effect that limp home traveling that moves to a garage or a service factory by self-propulsion can be performed. .
以下、実施例2の動作を図5の制御フローチャートを参照して説明する。実施例2の燃料電池システムの概略構成は、図1に示した実施例1と同様であるが、図示しない車両速度検出手段が設けられ、その検出信号がコントローラ19に接続されている。
The operation of the second embodiment will be described below with reference to the control flowchart of FIG. The schematic configuration of the fuel cell system of the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but vehicle speed detection means (not shown) is provided, and the detection signal is connected to the
水素濃度低下手段が故障した際に、実施例1では、パージ弁を閉じきりとしたが、本実施例では、車両の走行風をアノードオフガス希釈に利用し、車両速度に応じてパージ弁の開閉制御を行う点に特徴がある。 When the hydrogen concentration lowering means has failed, the purge valve is completely closed in the first embodiment. However, in this embodiment, the traveling wind of the vehicle is used for anode off-gas dilution, and the purge valve is opened and closed according to the vehicle speed. It is characterized in that it performs control.
図5において、まず、S20ではアノードオフガス希釈装置が故障したかどうかが判定される。たとえば図1のシステムにおいては、希釈空気導入ファン11の実回転数が指示回転数に対して所定値以上下回った場合に故障と判断するなどの手法が考えられる。
In FIG. 5, first, in S20, it is determined whether or not the anode off-gas dilution device has failed. For example, in the system of FIG. 1, a method may be considered in which a failure is determined when the actual rotational speed of the dilution
S20でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されると、S22に進み、図6のように車両速度に応じてパージ弁9の開時間(割合)を制御する。 If it is determined in S20 that the anode off-gas diluting device has failed, the process proceeds to S22, and the opening time (ratio) of the purge valve 9 is controlled according to the vehicle speed as shown in FIG.
次いで、S24に進み、パージ弁の開時間をもとに、現時点から所定時間前までのパージ弁の開時間の割合を演算する。S26では、S24で演算された現時点から所定時間前までのパージ弁の開時間の割合に応じて、燃料電池2からの取り出し電流の上限である制限電流Ib を演算する。
Next, in S24, the ratio of the purge valve opening time from the present time to a predetermined time before is calculated based on the purge valve opening time. In S26, the limit current Ib, which is the upper limit of the current taken out from the
一方、S20でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されない(正常)と、S28に進み、パージ弁は通常制御される。たとえば図3のように燃料電池温度の上昇に伴い、単位時間当たりのパージ弁開時間を長くしてもよい。次いでS30に進み、燃料電池取り出し電流の上限値を、図7の最大電流Ia とする。 On the other hand, if it is not determined in S20 that the anode off-gas diluting device has failed (normal), the process proceeds to S28 and the purge valve is normally controlled. For example, as shown in FIG. 3, the purge valve opening time per unit time may be increased as the fuel cell temperature rises. Next, in S30, the upper limit value of the fuel cell extraction current is set to the maximum current Ia in FIG.
図6は車両速度に対する単位時間あたりのパージ弁開時間の一例を示したものである。車両速度が第1速度までは、走行風が弱くアノードオフガスの希釈効果が低いので、パージ弁開時間は0(閉じきり)とする。車両速度が第1速度を超えると、車両速度の第1速度超過分に比例したパージ弁開時間とし、より多くのアノードオフガスを排出可能とする。更に車両速度が上昇して第2速度に達すると、十分なパージが行えるので、それ以上車両速度が上がってもパージ弁開時間を一定時間とする。第1速度、第2速度は、車両及び燃料電池システムの構造によって異なる値となるが、数値シミュレーションや空洞実験、実走行実験等により求めることができる。 FIG. 6 shows an example of the purge valve opening time per unit time with respect to the vehicle speed. Until the vehicle speed reaches the first speed, the running wind is weak and the anode off gas dilution effect is low, so the purge valve opening time is set to 0 (closed). When the vehicle speed exceeds the first speed, the purge valve is opened in proportion to the excess of the first speed of the vehicle speed, and more anode off-gas can be discharged. When the vehicle speed further increases and reaches the second speed, sufficient purge can be performed. Therefore, even if the vehicle speed further increases, the purge valve opening time is set to a fixed time. The first speed and the second speed have different values depending on the structure of the vehicle and the fuel cell system, but can be obtained by numerical simulation, cavity experiment, actual running experiment, or the like.
図7はパージ弁閉じきり時と正常時における、燃料電池の電流−電圧特性である。アノードオフガス希釈装置が正常時における電流−電圧特性を特性Aで示す。パージ弁閉じきり状態で、一般的なリンプホーム走行に必要な時間(たとえば2時間)経過後の電流−電圧特性を特性Bで示す。 FIG. 7 shows current-voltage characteristics of the fuel cell when the purge valve is fully closed and when it is normal. A current-voltage characteristic when the anode off-gas diluting device is normal is indicated by a characteristic A. A current-voltage characteristic after a time (for example, 2 hours) necessary for general limp home traveling in a state where the purge valve is completely closed is indicated by a characteristic B.
この特性Bにおいて、下限電圧の点を制限電流Ib2とする。一般的なリンプホーム走行に必要な時間(たとえば2時間)パージ弁が閉じきった場合の制限電流Ib2を基点として、そこから車両速度によるパージ弁の開時間割合(ここでは現時点から2時間前までのパージ弁開時間割合)が増えるに従って、制限電流をIb1(=Ia )まで増加させるような制限電流Ib (Ib2≦Ib ≦Ib1 )の演算を行い、この演算結果をS26における燃料電池からの取り出し電流の上限値とする。 In this characteristic B, the point of the lower limit voltage is defined as a limit current Ib2. Time required for general limp home travel (for example, 2 hours) Based on the limit current Ib2 when the purge valve is fully closed, the purge valve opening time ratio depending on the vehicle speed (from here to 2 hours before the current time) As the purge valve opening time ratio increases, the limit current Ib (Ib2≤Ib≤Ib1) is calculated so as to increase the limit current to Ib1 (= Ia), and the calculation result is taken out from the fuel cell in S26. The upper limit value of the current.
以上説明した本実施例によれば、車両に吹き込む走行風によってアノードオフガスを希釈できることを利用し、車速の増加に応じてアノードオフガスの排出量を増やす構成となっているので、アノード流路内の不活性ガス濃度を下げることができ、実施例1より高い出力で運転を継続することができるという効果がある。 According to the present embodiment described above, the anode off gas can be diluted by the traveling wind blown into the vehicle, and the discharge amount of the anode off gas is increased as the vehicle speed increases. The inert gas concentration can be lowered, and there is an effect that the operation can be continued at a higher output than in the first embodiment.
以下、実施例3を図8の制御フローチャートを参照して説明する。実施例3の燃料電池システムの概略構成は、図1に示した実施例1と同様であるが、実施例2と同様に、図示しない車両速度検出手段が設けられ、その検出信号がコントローラ19に接続されている。本実施例の特徴は、アノードオフガス希釈装置の故障時に、水素循環ポンプによるアノードオフガス循環量を通常時より増加させる点にある。
The third embodiment will be described below with reference to the control flowchart of FIG. The schematic configuration of the fuel cell system of the third embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1. However, as in the second embodiment, vehicle speed detection means (not shown) is provided, and the detection signal is sent to the
図8におけるS40〜S46、S50及びS52は、それぞれ図5に示した実施例2のS20〜S26、S28及びS30と同じなので説明を省略する。本実施例では、S48とS54が追加された処理ステップである。 S40 to S46, S50, and S52 in FIG. 8 are the same as S20 to S26, S28, and S30 of the second embodiment shown in FIG. In this embodiment, S48 and S54 are added processing steps.
図8のS48は、図1における水素循環ポンプ7を最大回転に制御する。一方、S54では、上記循環ポンプ回転数は、通常制御、言い換えれば、発電に必要なストイキ比(水素過剰率)を確保できる回転数とする。 8 controls the hydrogen circulation pump 7 in FIG. 1 to the maximum rotation. On the other hand, in S54, the circulation pump speed is set to a speed at which normal control, in other words, a stoichiometric ratio (hydrogen excess ratio) necessary for power generation can be secured.
図9はパージ弁閉じきり時での水素循環ポンプ回転数最大時におけるアノード流路内水素濃度分布と、パージ弁閉じきり時での水素循環ポンプ回転数通常制御時(パージ弁が通常制御されている時の同様の水素循環ポンプ回転数制御)におけるアノード流路内水素濃度分布である。アノードオフガス希釈装置の故障時には、一定の発電電力量毎或いは定期的なパージを行うことができないので、アノード流路内の窒素濃度が増加しやすくなる。 FIG. 9 shows the hydrogen concentration distribution in the anode passage when the hydrogen circulation pump rotation speed is maximum when the purge valve is closed, and the hydrogen circulation pump rotation speed normal control when the purge valve is closed (when the purge valve is normally controlled). This is a hydrogen concentration distribution in the anode flow path in the same hydrogen circulation pump rotation speed control). At the time of failure of the anode off-gas diluting device, it is impossible to purge every certain amount of generated power or periodically, so that the nitrogen concentration in the anode flow path tends to increase.
ここで、水素循環ポンプ回転数を通常制御としておくと、窒素濃度増加に伴うガス重量増加により、十分なアノードオフガスの循環が行えず、結果として図9に示すようにアノード流路内の水素濃度分布のばらつきが大きくなる。このため、パージのタイミングによっては水素濃度の高いアノードオフガスが排出される可能性があるので、アノードオフガスの排出量を少な目に制御する必要がある。 Here, when the rotation speed of the hydrogen circulation pump is normally controlled, sufficient anode off-gas circulation cannot be performed due to an increase in the gas weight accompanying an increase in the nitrogen concentration. As a result, as shown in FIG. The variation in distribution becomes large. For this reason, since the anode off gas having a high hydrogen concentration may be discharged depending on the purge timing, it is necessary to control the discharge amount of the anode off gas with a small amount.
しかし、水素循環ポンプの回転数を最大とすることで、アノード流路内の水素濃度分布のばらつきを小さくなり、アノードオフガスの排出に際して、希釈の余裕を少なくすることができるので、より多くのアノードオフガスを排出し、アノード循環経路中の不純物を効果的に排出することができる。尚、水素循環ポンプの回転数を最大とせずに、単に通常時より回転数を高めるだけでも相応の効果がある。 However, by maximizing the number of revolutions of the hydrogen circulation pump, variations in the hydrogen concentration distribution in the anode flow path can be reduced and the margin for dilution can be reduced when discharging the anode off-gas. The off-gas can be discharged, and impurities in the anode circulation path can be effectively discharged. It should be noted that a simple effect can be obtained by simply increasing the rotational speed of the hydrogen circulation pump without increasing the rotational speed.
本実施例によれば、車両に吹き込む走行風によってアノードオフガスを希釈できることを利用し、車速の増加に応じてアノードオフガスの排出量を増やすほか、アノードオフガスを循環させる水素循環ポンプなどの循環装置をより循環比が高くなる方向に操作する構成となっているので、アノード流路内の不活性ガス濃度分布を均一化することができる。その結果、アノードオフガスの排出に際して、希釈の余裕を少なくすることができるので、より多くのアノードオフガスを排出し、アノード及び水素循環路中の不活性ガス濃度を下げることができる。 According to the present embodiment, utilizing the fact that the anode off gas can be diluted by the driving wind blown into the vehicle, the anode off gas discharge amount is increased as the vehicle speed increases, and a circulation device such as a hydrogen circulation pump for circulating the anode off gas is provided. Since the operation is performed in a direction in which the circulation ratio becomes higher, the inert gas concentration distribution in the anode channel can be made uniform. As a result, since the margin for dilution can be reduced when discharging the anode off gas, more anode off gas can be discharged, and the inert gas concentration in the anode and the hydrogen circulation path can be lowered.
以下、実施例4を図10の制御フローチャートを参照して説明する。実施例4の燃料電池システムの概略構成は、図1に示した実施例1と同様であるが、実施例2と同様に、図示しない車両速度検出手段が設けられ、その検出信号がコントローラ19に接続されている。本実施例の特徴は、アノードオフガス希釈装置の故障時に、水素供給手段から燃料電池2のアノード2aに供給する水素圧力を通常時より高める点にある。
Hereinafter, the fourth embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. The schematic configuration of the fuel cell system of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1. However, as in the second embodiment, vehicle speed detection means (not shown) is provided, and the detection signal is sent to the
図10において、まず、S60ではアノードオフガス希釈装置が故障したかどうかが判定される。たとえば図1のシステムにおいては、希釈空気導入ファン11の実回転数が指示回転数に対して所定値以上下回った場合に故障と判断するなどの手法が考えられる。
In FIG. 10, first, in S60, it is determined whether or not the anode off-gas dilution device has failed. For example, in the system of FIG. 1, a method may be considered in which a failure is determined when the actual rotational speed of the dilution
S60でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されると、S62に進み、図11のように、燃料電池の取り出し電流によらずアノード2aのガス圧力が最大値となるように水素圧力制御弁6を制御する。尚、アノード2aのガス圧力を最大値とせず、単に通常時より高めるだけでも同じパージ時間中により多くの不純物を排出することができる。S62の次のステップのS64からS68までは、実施例2のS22〜S26と同様であるので、説明を省略する。
If it is determined in S60 that the anode off-gas diluting device has failed, the process proceeds to S62, and as shown in FIG. 11, the hydrogen pressure control valve 6 is set so that the gas pressure at the
一方、S60でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されない(正常)場合、S70に進み、アノード2aの圧力は燃料電池の取り出し電流に応じた通常の制御が行われる。S70の次のステップのS72以降は、実施例2のS28以降と同様なので説明を省略する。
On the other hand, if it is not determined in S60 that the anode off-gas diluting device has failed (normal), the process proceeds to S70, and the pressure of the
本実施例によれば、アノードオフガス希釈装置が故障した時に、アノード圧力を高めた結果、圧力を高めなかった時に比べ、同じパージ弁開時間でもより多くのアノードオフガスを排出することができ、パージ弁を閉じている間にアノードガス循環経路内に蓄積した不純物を効率よく排出することができる。 According to this embodiment, when the anode off-gas dilution device fails, the anode pressure is increased, so that more anode off-gas can be discharged even with the same purge valve opening time than when the pressure is not increased. Impurities accumulated in the anode gas circulation path while the valve is closed can be efficiently discharged.
1:燃料電池システム
2:燃料電池
2a:アノード
2b:カソード
3:空気コンプレッサ
4:空気圧力制御弁
5:水素タンク
6:水素圧力制御弁
7:水素循環ポンプ
8:水素循環路
9:パージ弁
10:アノードオフガス希釈装置
11:希釈空気導入ファン
12:冷却水経路
13:熱交換器
14:冷却水ポンプ
15,16:圧力センサ
17,18:温度センサ
19:コントローラ
1: Fuel cell system 2:
Claims (4)
該燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
該燃料電池のアノード出口から排出されるアノードオフガスをアノード入口に循環させるアノードオフガス循環手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
所望の出力電流に応じて前記水素供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段からのガス供給量を調節する反応ガス供給量調整手段と、
前記アノードオフガスを前記循環の経路外へ排出するアノードオフガス排出手段と、
該アノードオフガス排出手段が排出したアノードオフガス中の水素濃度を低下させる水素濃度低下手段と、
前記燃料電池の出力電流を制限する出力制限手段と、
前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知する故障検知手段とを備えた燃料電池システムの制御装置であって、
前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記アノードオフガス排出手段からのアノードオフガス排出を制限するとともに、前記出力制限手段によって燃料電池の出力電流を制限することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to the anode and an oxidant gas supplied to the cathode;
Hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell;
Anode offgas circulation means for circulating anode offgas discharged from the anode outlet of the fuel cell to the anode inlet;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A reaction gas supply amount adjusting means for adjusting a gas supply amount from the hydrogen supply means and the oxidant gas supply means according to a desired output current;
Anode off-gas discharge means for discharging the anode off-gas out of the circulation path;
Hydrogen concentration lowering means for lowering the hydrogen concentration in the anode offgas discharged by the anode offgas discharging means;
Output limiting means for limiting the output current of the fuel cell;
A control device for a fuel cell system comprising a failure detection means for detecting a failure of the hydrogen concentration reduction means or a performance drop,
When the failure detection means detects a failure or performance degradation of the hydrogen concentration reduction means, the anode offgas discharge from the anode offgas discharge means is restricted and the output current of the fuel cell is restricted by the output restriction means. A control apparatus for a fuel cell system.
前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記排出量決定手段の結果に基づいて、前記アノードオフガス排出手段からの排出量を制御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の制御装置。 Vehicle speed detection means for detecting the speed of the vehicle on which the fuel cell system is mounted, and discharge amount determination means for determining the discharge amount discharged by the anode off-gas discharge means according to the detected vehicle speed,
When the failure detection unit detects a failure or performance degradation of the hydrogen concentration reduction unit, the discharge amount from the anode off-gas discharge unit is controlled based on the result of the discharge amount determination unit. The fuel cell system control device according to claim 1.
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