JP2007220625A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】より確実に空気供給系の異常診断を行い得ることを課題とする。
【解決手段】システム制御装置30の目標空気流量演算部31により目標空気流量を演算し、操作量演算部32により、流量計10の検出値および目標空気流量に基づき、空気供給系の空気流量をフィードバック制御し、所定範囲設定部33では、フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、空気流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、フィードバック量の正常範囲外で且つフィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定して、異常判定部34により、フィードバック制御におけるフィードバック量が所定範囲外となるときには、空気供給異常と判定する。
【選択図】図1An object of the present invention is to perform an abnormality diagnosis of an air supply system more reliably.
A target air flow rate calculation unit 31 of a system control device 30 calculates a target air flow rate, and an operation amount calculation unit 32 calculates an air flow rate of an air supply system based on a detected value of the flow meter 10 and a target air flow rate. The feedback control is performed, and the predetermined range setting unit 33 sets the normal range of the feedback amount in the feedback control, and includes the normal range of the feedback amount, and the air flow rate is allowed to operate the fuel cell system normally. An allowable range of the feedback amount that is a range is set, an area outside the normal range of the feedback amount and within the allowable range of the feedback amount is set as a predetermined range, and the abnormality determination unit 34 determines the feedback amount in the feedback control within the predetermined range. When it is outside, it is determined that the air supply is abnormal.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は燃料電池システムに係り、特に、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持可能な燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system capable of more reliably diagnosing an abnormality in an air supply system using control parameters for air flow rate control and maintaining high reliability.
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。 The fuel cell system supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, supplies air as the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and causes the hydrogen and oxygen in the air to react electrochemically. To obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles, and research and development for practical use are being actively carried out.
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。 As a fuel cell used in a fuel cell system. For example, a solid polymer type fuel cell is known as being suitable for mounting in an automobile. A solid polymer type fuel cell is provided with a solid polymer membrane as an electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this solid polymer type fuel cell, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, a reaction occurs in which hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the fuel electrode, and oxygen and hydrogen in the air at the oxidant electrode. A reaction for generating water from ions and electrons is performed.
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池に空気を供給する空気供給系に故障が発生すると、発電に適切な流量および圧力で空気を燃料電池に供給することが困難となるため、故障判定を適切に行うことが燃料電池システムの信頼性を維持する上で重要である。従来の空気供給系の故障判定手法としては、例えば、特開2004−179072号公報に開示の「燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法」がある。 In such a fuel cell system, if a failure occurs in the air supply system that supplies air to the fuel cell, it becomes difficult to supply air to the fuel cell at a flow rate and pressure suitable for power generation. Proper implementation is important in maintaining the reliability of the fuel cell system. As a conventional air supply system failure determination method, for example, there is a “fuel cell device air supply system failure determination method” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-179072.
この従来例は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、コンプレッサの回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、エア供給システムの故障と判定する。具体的には、コンプレッサの回転数を、空気流量計により検出された流量に基づいて算出するか、或いは直接検出するとしている。
しかしながら、上述した特許文献1に開示された技術においては、故障判定に用いるコンプレッサの回転数を空気流量計等の計器の検出結果に基づいており、空気流量計等の計器が正常に動作しているという前提で、コンプレッサ回転数の指令値に対するフィードバック量(回転数と指令値の差分)に基づき、空気供給系(コンプレッサ、流路抵抗)の異常診断を行っている。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, the rotational speed of the compressor used for failure determination is based on the detection result of an instrument such as an air flow meter, and the instrument such as an air flow meter operates normally. Based on the assumption that the compressor is rotating, the abnormality diagnosis of the air supply system (compressor, flow path resistance) is performed based on the feedback amount (difference between the rotation speed and the command value) with respect to the command value of the compressor rotation speed.
したがって、空気流量計等の計器が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができないシステムでは、空気供給系の異常診断を行うことができない可能性あり、また、空気流量計等の計器が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うためには、異常/正常診断を行うための部品の追加が必要になるという事情があった。 Therefore, in a system that cannot accurately determine whether the instrument such as an air flow meter is normal or abnormal, there is a possibility that an abnormality diagnosis of the air supply system cannot be performed. In order to accurately determine whether the operation is normal or abnormal, there is a situation in which it is necessary to add a part for performing abnormality / normality diagnosis.
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、計器類が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができない場合でも、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and even when the operation determination of whether the instrument is normal or abnormal cannot be accurately performed, the control parameter of the air flow rate control is used more reliably. It is another object of the present invention to provide a fuel cell system capable of diagnosing air supply system abnormality and maintaining high reliability.
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、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、前記酸化剤ガス供給手段が供給する酸化剤ガス流量を検出する流量検出手段と、前記酸化剤ガスの目標流量を演算する酸化剤ガス目標流量演算手段と、前記流量検出手段の検出値および前記酸化剤ガスの目標流量に基づき、前記酸化剤ガス供給手段の酸化剤ガス流量をフィードバック制御する流量制御手段と、前記フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、前記酸化剤ガス流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、前記フィードバック量の正常範囲外で且つ前記フィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定する所定範囲設定手段と、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記所定範囲外となるとき、酸化剤ガス供給異常と判定する異常判定手段とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned object, the present invention provides a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell, and oxidant gas for the fuel cell. Oxidant gas supply means to supply; flow rate detection means for detecting a flow rate of oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means; oxidant gas target flow rate calculation means for calculating a target flow rate of the oxidant gas; Based on the detection value of the flow rate detection means and the target flow rate of the oxidant gas, a flow rate control means for feedback control of the oxidant gas flow rate of the oxidant gas supply means, and a normal range of the feedback amount in the feedback control, The normal amount range of the feedback amount is included, and the oxidant gas flow rate is allowed to operate the fuel cell system normally. A predetermined range setting means for setting an allowable range of the feedback amount as a range, and setting a region outside the normal range of the feedback amount and within the allowable range of the feedback amount as a predetermined range; and the feedback amount in the feedback control is the And an abnormality determining means for determining that the oxidant gas supply is abnormal when it is outside the predetermined range.
本発明に係る燃料電池システムでは、所定範囲設定手段によりフィードバック量の許容範囲を設定する上で、酸化剤ガス供給手段における操作量のフィードバック量に影響を与える部品性能の保証精度に応じて、所定範囲からフィードバック量の許容範囲までのマージンを可変設定可能であるので、異常判定手段による誤判定を抑制でき、結果として、計器類が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができない場合でも、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持可能である。 In the fuel cell system according to the present invention, when the allowable range of the feedback amount is set by the predetermined range setting unit, the predetermined amount is determined according to the guaranteed accuracy of the component performance that affects the feedback amount of the operation amount in the oxidant gas supply unit. Since the margin from the range to the allowable range of the feedback amount can be variably set, it is possible to suppress erroneous determination by the abnormality determination means, and as a result, it is not possible to accurately determine whether the instrument is normal or abnormal However, it is possible to more reliably diagnose the abnormality of the air supply system using the control parameters of the air flow rate control and maintain high reliability.
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図1に示すように、水素を含有する燃料ガス(例えば、水素ガス)および酸素を含有する酸化剤ガス(例えば、空気)が供給されて、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック3を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system of the present embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example. As shown in FIG. 1, a fuel gas containing hydrogen (for example, hydrogen gas) and an oxidizer containing oxygen A
また、水素供給系として、水素ガス供給装置1、圧力調整弁6、水素ガス供給流路7、ガス循環装置8、水素ガス循環流路9、圧力センサ23、温度センサ24、流量制御弁(パージ弁)11および水素ガス排出流路12を備え、空気供給系として、空気コンプレッサ2、アフタークーラ13、加湿器14、空気供給流路40、41、42、15、フィルタ14、空気排気流路16、18、圧力調整弁17、流量計(流量検出手段)10、圧力センサ26および温度センサ27を備えている。
Further, as a hydrogen supply system, a hydrogen gas supply device 1, a
またさらに、本実施例の燃料電池システムは、水素供給系および空気供給系、或いは図示しない冷却機構等の各種センサや、他の各種センサ(大気圧センサ28、外気温センサ29および電圧センサ(電圧検出手段)20等)からの検知信号に基づき、水素供給系および空気供給系、或いは冷却機構等の各構成要素の制御を行うシステム制御装置30を備えた構成である。
Furthermore, the fuel cell system of this embodiment includes various sensors such as a hydrogen supply system and an air supply system, or a cooling mechanism (not shown), and other various sensors (
燃料電池スタック3は、燃料ガスである水素ガスが供給されるアノード(燃料極)4と酸化剤ガスである空気が供給されるカソード(酸化剤極)5とが電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック3の各発電セルでは、アノード4に供給された水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード5にそれぞれ移動する。カソード5では、供給された空気中の酸素と電解質膜を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
In the
燃料電池スタック3の電解質膜としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。なお、電解質膜は、加湿器14により加湿された供給空気が供給されることにより湿潤状態に保され、効率的な発電を行うことができる。
As the electrolyte membrane of the
燃料電池スタック3で発電を行うには、燃料ガスである水素ガスや酸化剤ガスである空気をそれぞれ各発電セルのアノード4およびカソード5に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。
In order to generate power in the
まず水素供給系には、燃料電池スタック3へ供給する水素ガスを高圧状態で保持する水素ガス供給装置1と、水素ガス供給装置1から供給される水素ガスの圧力を調整する圧力調整弁6と、燃料電池スタック3から排出された水素ガスを水素ガス循環流路9に循環させるガス循環装置8と、燃料電池スタック3から排出された水素ガスを再び燃料電池スタック3へ供給するための水素ガス循環流路(燃料ガス循環路)9と、水素ガス循環流路9内の水素ガスを外部へ排出する流量制御弁(パージ弁)11と、流量制御弁11の下流に接続された水素ガス排出流路(燃料ガス排出流路)12と、を備えている。
First, the hydrogen supply system includes a hydrogen gas supply device 1 that holds the hydrogen gas supplied to the
水素ガス供給装置1から流出する水素ガスは、水素ガス供給流路7を流れて燃料電池スタック3のアノード4へ供給される。圧力調整弁6は、水素ガス供給流路7上に配置されており、水素ガス供給装置1から流出する高圧状態の水素ガスをアノード4内において適切な圧力(アノード運転圧力)および流量に調整する。また、圧力調整弁6よりも下流の水素ガス供給流路7上には、水素ガスの圧力(アノード運転圧力)を検出する圧力センサ23が配置されており、システム制御装置30が圧力センサ23の検出値をフィードバックして圧力調整弁6の動作を制御することで、燃料電池スタック3のアノード運転圧力が調整される。
The hydrogen gas flowing out from the hydrogen gas supply device 1 flows through the hydrogen gas supply channel 7 and is supplied to the
水素ガス循環流路9は、アノード4の水素ガス排出口と水素ガス供給流路7との間を接続し、ガス循環装置8は未反応のまま排出された水素ガスを、水素ガス循環流路9を介してアノード4へ再び循環させている。また、水素ガス排出流路12は水素ガス循環流路9から分岐して、流量制御弁11は該水素ガス排出流路12上に配置され、システム制御装置30により流量制御弁11の開度を調整することで、水素ガス排出流路12から排出される水素ガス(アノードオフガス)の排出流量が調整される。なお、水素ガス排出流路12から排出される水素ガス(アノードオフガス)は、空気排出流路18内にてカソードオフガスにより十分に希釈されて外部へ排出される。
The hydrogen
通常発電時には、カソード5内に存在する燃料電池スタック3の発電に寄与することのないガス(例えば、窒素)が、カソード5とアノード4の窒素分圧差に応じて、カソード5からアノード4へ電解質膜を介して透過してくる。ガス循環装置8の循環流量には、ガス循環装置8のガス循環性能、並びにアノード4の圧力損失と水素ガス循環流路9の圧力損失に基づいた限界値が存在する。そのため、燃料電池スタック3の発電に応じて要求される水素流量に基づいた水素ガス循環流路9に許容できる窒素濃度の限界値(上限許容窒素濃度)が存在する。つまり、水素ガス循環流路9の窒素濃度を上限許容窒素濃度以下に調整するため、カソード5からの透過窒素を外部へ排出する必要があるが、カソード5からの透過窒素は、アノードオフガスとともに水素ガス排出流路12から外部へ排出することができるために、パージ弁11の開度を調整することで水素ガス循環流路9の窒素濃度を調整できる。
During normal power generation, a gas (for example, nitrogen) that does not contribute to power generation of the
次に、空気供給系には、燃料電池スタック3へ空気を圧縮して供給する空気コンプレッサ2と、空気コンプレッサ2が吸入する空気の流量を検出する流量計10と、コンプレッサ2で圧送された空気を冷却するアフタークーラ13と、燃料電池スタック3から排出される空気(排空気)から燃料電池スタック3へ供給される空気(供給空気)へ水分を移動する加湿器14と、燃料電池スタック3から排出される空気の圧力を調整する圧力調整弁17と、を備える。
Next, the air supply system includes an
空気コンプレッサ2から吐出される空気は、空気供給流路15を流れて燃料電池スタック3のカソード5へ供給され、カソード5から排出される空気は、空気排出流路18を流れて装置外部へ排出される。空気コンプレッサ2から流出する空気は、アフタークーラ13により燃料電池スタック3での電気化学的反応に適した温度まで冷却される。カソード5から排出される空気は、一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスとなる。加湿器14は、カソードオフガスに含まれる水分を用いて燃料電池スタック3へ供給される空気を加湿する。加湿器14よりも下流の空気供給流路15上には、空気の圧力(カソード運転圧力)を検出する圧力センサ26が配置されており、システム制御装置30が圧力センサ23,26の検出値をフィードバックして、アノード運転圧力に応じて圧力調整弁17の動作を制御することで、燃料電池スタック3のカソード運転圧力が調整される。
The air discharged from the
システム制御装置30は、例えばCPUやROM、RAM、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されている。システム制御装置30は、水素供給系および空気供給系等の各種センサや、他の各種センサ(例えば、大気圧を検出する大気圧センサ28、外気温を検出する外気温センサ29、並びに、燃料電池スタック3における各燃料電池セル或いは燃料電池スタック3全体の電流値を検出するセンサや電圧値を検出する電圧センサ20等)から検出値を入力し、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
The
図1において、システム制御装置30は、目標空気流量演算部31、操作量演算部32、所定範囲設定部33および異常検出部34を備えているが、これらはCPU上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。
In FIG. 1, the
目標空気流量演算部31は、特許請求の範囲にいう酸化剤ガス目標流量演算手段に該当し、要求負荷(発電電流)に応じて空気(酸化剤ガス)の目標空気流量を演算する。
The target air flow
また、操作量演算部32は流量制御手段に該当し、流量計(流量検出手段)10の流量検出値および目標空気流量演算部31による目標空気流量に基づき、フィードバック制御により燃料電池スタック3へ目標空気流量を供給するべく、コンプレッサ2の操作量(フィードバック量)を演算する。
The manipulated
操作量演算部32は、図示しない体積流量演算部、コンプレッサ圧力比演算部およびマップを有して構成されている。ここで、体積流量演算部は、目標空気流量、大気圧センサ28の検出値、並びに外気温センサ29の検出値に基づき体積流量を演算する。また、コンプレッサ圧力比演算部は、目標空気流量、大気圧センサ28の検出値、外気温センサ29の検出値、並びに、空気供給系の圧力センサ26の検出値および温度センサ27の検出値に基づき、コンプレッサ2の上流圧力および下流圧力を推定し、コンプレッサ圧力比を演算する。
The manipulated
つまり、操作量演算部32では、体積流量演算部が算出した体積流量とコンプレッサ圧力比演算部が算出した圧力比とから、あらかじめ設定されているマップを参照して、コンプレッサ2から燃料電池スタック3へ目標空気流量を供給するためのコンプレッサ指令回転数を演算する。なお、システム制御装置30は、目標空気流量と、流量計10の検出値とに基づき、コンプレッサ2の回転数を操作量(フィードバック量)としてフィードバック制御する。
That is, the operation
また、所定範囲設定部33は、フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、空気流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、フィードバック量の正常範囲外で且つフィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定する。
The predetermined
なお、所定範囲設定部33は、所定範囲の上限値を、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの間の値として設定すると共に、所定範囲の下限値を、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの間の値として設定する。
The predetermined
また、所定範囲設定部33は、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック3の含水率低下で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以下となるよう設定し、空気の供給過大を防止できる第1の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの範囲を設定する。
In addition, the predetermined
またさらに、所定範囲設定部33は、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック3の発電に必要な酸化剤ガスの供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以上となるよう設定し、空気の供給不足を防止できる第2の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの範囲を設定する。所定範囲設定部33のより詳しい説明は、原理的説明に基づき後述する。
Further, the predetermined
さらに、異常検出部34は、フィードバック制御におけるフィードバック量が所定範囲外となるとき、空気供給異常と判定する。また、異常検出部34は、フィードバック制御におけるフィードバック量が第1の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えるとき、空気供給異常と判定する。また、異常検出部34は、フィードバック制御におけるフィードバック量が第2の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回るとき、空気供給異常と判定する。またさらに、空気供給異常と判定したとき、或いは、各部品について異常/正常を判断して異常を判断したときには、警報発生装置35を介して警報を発生する。
Furthermore, the abnormality detection unit 34 determines that the air supply is abnormal when the feedback amount in the feedback control is outside the predetermined range. Moreover, the abnormality detection part 34 determines with air supply abnormality, when the feedback amount in feedback control exceeds the flow excess diagnostic threshold set in the 1st predetermined range. Moreover, the abnormality detection part 34 determines with air supply abnormality, when the feedback amount in feedback control is less than the flow shortage diagnosis threshold set in the 2nd predetermined range. Furthermore, when it is determined that the air supply is abnormal, or when abnormality is determined by determining whether each component is abnormal / normal, an alarm is generated via the
次に、図2〜図5を参照して、所定範囲設定部33により設定される所定範囲、空気供給過大を防止できる第1の所定範囲、並びに空気供給不足を防止できる第2の所定範囲について詳細に説明する。ここで、図2は発電電流に対する空気流量の推移を説明する説明図であり、図3はシステム許容上限空気流量およびシステム下限空気流量による目標空気流量の成立範囲を説明する説明図であり、図4はコンプレッサ2のフィードバック量の正常範囲とフィードバック量の許容範囲を説明する説明図であり、図5は空気流量過大診断および空気流量不足診断における診断閾値の成立範囲を説明する説明図である。
Next, referring to FIGS. 2 to 5, the predetermined range set by the predetermined
まず、図2および図3を参照して、燃料電池システムを安全で且つ安定して運転可能な目標空気流量の選定について説明する。 First, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, selection of the target air flow rate at which the fuel cell system can be operated safely and stably will be described.
図2において、Qaは燃料電池スタック3の発電に必要な空気流量の要求負荷(発電電流)に対する推移である。したがって、空気流量Qa以上の空気流量とすれば、燃料電池スタック3への空気流量不足による出力低下を防止できる。
In FIG. 2, Qa is a transition of the air flow rate necessary for power generation of the
また、Qbは燃料電池スタック3の電解質膜の含水率を所定の要求値に保つことができる空気流量の要求負荷(発電電流)に対する推移である。したがって、空気流量Qb以下の空気流量とすれば、電解質の含水率を要求値以上に確保でき、電解質膜のドライアウトを防止できる。
Moreover, Qb is a transition with respect to the required load (generated current) of the air flow rate capable of keeping the moisture content of the electrolyte membrane of the
ここで、連続的に供給される反応ガスによって、燃料電池スタック3を構成するセルの電解質膜に含まれる水分が持ち去られると、燃料電池スタック3の出力を低下させる原因(電解質膜のドライアウト)となる。つまり、燃料電池システムにおいて高い出力を安定して得るには、電解質の含水率を要求値以上に保つ必要がある。なお、燃料電池システムの要求負荷に応じて、運転温度および運転圧力がわかる場合には、要求負荷に応じた生成水量と反応ガスにより持ち出される水分量とから、電解質の含水率を要求値に保つ空気流量を算出できる。本実施例では、電解質の含水率の要求値を実験値に基づき算出している。
Here, when moisture contained in the electrolyte membrane of the cells constituting the
また、Qcは、流量制御弁(パージ弁)11から排出されるパージガス中に含まれる水素をカソードオフガスで十分に希釈して外部へ排出することができる空気流量の要求負荷(発電電流)に対する推移である。したがって、空気流量Qc以上の空気流量とすれば、流量制御弁11から排出されるパージガス中に含まれる水素を、カソードオフガスで十分に希釈して外部へ排出することができる。
Further, Qc is a change with respect to a required load (generated current) of an air flow rate at which hydrogen contained in the purge gas discharged from the flow control valve (purge valve) 11 can be sufficiently diluted with the cathode off gas and discharged to the outside. It is. Therefore, if the air flow rate is equal to or higher than the air flow rate Qc, the hydrogen contained in the purge gas discharged from the
ここで、流量制御弁11から排出されるパージガスの流量は、流量制御弁11の開口面積が決まっている場合には、流量制御弁11の上下差圧およびガス温度から算出できる。すなわち、燃料電池システムの要求負荷に応じて運転温度および運転圧力がわかる場合には、パージガスの流量を算出できる。なお、本実施例では、パージガス中には窒素が含まれるが、安全を考慮して、パージガスは水素濃度100%と仮定し、水素濃度100%のパージガスを十分に希釈して外部へ排出できる空気流量として算出する。
Here, the flow rate of the purge gas discharged from the
したがって、燃料電池システムを安全に運転することができ、且つ高い出力を安定して得ることができる空気流量の成立範囲としては、電解質膜のドライアウトを防止できる空気流量Qb以下の空気流量であって、燃料電池スタック3の発電に必要な空気流量Qaと流量制御弁11からの排出水素を希釈できる空気流量Qcとのうちで、より大となる空気流量以上であることが条件となる。
Therefore, an air flow rate establishment range in which the fuel cell system can be safely operated and a high output can be stably obtained is an air flow rate equal to or lower than the air flow rate Qb that can prevent the electrolyte membrane from being dried out. Thus, the condition is that the air flow rate Qa required for power generation of the
つまり、図3に示すように、要求負荷(発電電流)に対する空気流量の特性において、電解質膜のドライアウトを防止できる空気流量Qbをシステム許容上限空気流量QUとし、電解質膜のドライアウトを防止できる空気流量Qb以下の空気流量であって、燃料電池スタック3の発電に必要な空気流量Qaと流量制御弁11からの排出水素を希釈できる空気流量Qcとのうちで、より大となる空気流量をシステム許容下限空気流量QLとする範囲(図中、斜線部分Qarea)内で、目標空気流量を選定する必要がある。なお、図3に示す例では、目標空気流量Qtを、発電電流に応じてシステム許容下限空気流量QLにマージンをもたせた空気流量として選定している。
That is, as shown in FIG. 3, in the air flow rate characteristics with respect to the required load (generated current), the air flow rate Qb that can prevent the electrolyte membrane dryout is set as the system allowable upper limit air flow rate QU, and the electrolyte membrane dryout can be prevented. The air flow rate that is equal to or lower than the air flow rate Qb and that is larger than the air flow rate Qa necessary for power generation of the
また、このようにして、所定範囲設定部33において所定範囲、第1の所定範囲および第2の所定範囲の設定に用いられる空気流量のシステム限界許容範囲が、システム許容上限空気流量QUおよびシステム許容下限空気流量QLにより設定される。
Further, in this way, the system limit allowable range of the air flow used for setting the predetermined range, the first predetermined range, and the second predetermined range in the predetermined
次に、図4を参照して、コンプレッサ2の操作量(回転数)、即ちフィードバック量の正常範囲および許容範囲について説明する。
Next, with reference to FIG. 4, the operation amount (rotation speed) of the
図4(a)は、フィードバック量の正常範囲を空気流量に対応させて示したものである。ここで、フィードバック量の正常範囲は、空気供給系の各部品が正常であるときのフィードバック量の範囲である。 FIG. 4A shows the normal range of the feedback amount corresponding to the air flow rate. Here, the normal range of the feedback amount is a range of the feedback amount when each component of the air supply system is normal.
本実施例の空気供給系は、コンプレッサ2、流量計10、アフタークーラ13、加湿器14、空気供給流路15、40、41、42から構成されている。フィードバック量の正常範囲は、流量計10の検出精度と、コンプレッサ2の吐出流量の性能保証範囲と、アフタークーラ13の圧力損失保証範囲と、加湿器14の圧力損失保証範囲と、空気供給流路15、40、41、42の圧力損失保証範囲と、操作量演算部32の演算精度と、に基づき算出される。なお、操作量演算部32の演算精度は、大気圧センサ28の検出精度、外気温センサ29の検出精度、圧力センサ26の検出精度、並びに温度センサ27の検出精度を含めた精度である。
The air supply system of the present embodiment includes a
したがって、フィードバック量の正常範囲は、図4(a)に示すように、これら部品ばらつきによって上方にドリフトした空気流量Q1に対応するフィードバック量から、部品ばらつきによって下方にドリフトした空気流量Q2に対応するフィードバック量までの範囲となる。 Therefore, as shown in FIG. 4A, the normal range of the feedback amount corresponds to the air flow rate Q2 drifted downward due to the component variation from the feedback amount corresponding to the air flow rate Q1 drifted upward due to the component variation. The range is up to the feedback amount.
他方図4(b)は、フィードバック量の許容範囲を空気流量に対応させて示したものである。フィードバック量がこの許容範囲内であれば、流量計10の検出精度が低下した場合でも、コンプレッサ2から供給する空気流量がシステム許容下限空気流量QL以下、或いは、システム許容上限空気流量QU以上になることはないように、フィードバック量の許容範囲を設定する。
On the other hand, FIG. 4B shows the allowable range of the feedback amount corresponding to the air flow rate. If the feedback amount is within this allowable range, even if the detection accuracy of the
つまり、フィードバック量の許容範囲は、流量計10の検出精度が低下した結果、流量計10の検出値が目標空気流量と一致しているにもかかわらず、コンプレッサ2から供給する空気流量がシステム許容上限空気流量QUまたはシステム許容下限空気流量QLと等しくなる場合に、流量計10の検出精度と、コンプレッサ2の吐出流量の性能保証範囲と、アフタークーラ13の圧力損失保証範囲と、加湿器14の圧力損失保証範囲と、空気供給流路15、40、41、42の圧力損失保証範囲と、操作量演算部32の演算精度と、に基づき算出される。
In other words, the allowable range of the feedback amount is that the flow rate of air supplied from the
すなわち、フィードバック量の許容範囲は、図4(b)に示すように、システム許容上限空気流量QUよりこれら部品ばらつきによって下方にドリフトした空気流量Q3に対応するフィードバック量から、システム許容下限空気流量QLより部品ばらつきによって上方にドリフトした空気流量Q4に対応するフィードバック量までの範囲となる。 That is, as shown in FIG. 4B, the allowable range of the feedback amount is determined based on the feedback amount corresponding to the air flow rate Q3 drifting downward from the system allowable upper limit air flow rate QU due to these component variations. This is a range up to the feedback amount corresponding to the air flow rate Q4 drifted upward due to more component variations.
このように、フィードバック量の許容範囲は、燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲に対応して設定され、異常検出部34は、コンプレッサ回転数のフィードバック量が許容範囲内であるか否かを監視して異常検出を行うことになる。 Thus, the allowable range of the feedback amount is set corresponding to the system limit allowable range of the air flow rate at which the fuel cell system can be normally operated, and the abnormality detection unit 34 determines that the feedback amount of the compressor rotation speed is within the allowable range. An abnormality is detected by monitoring whether or not there is.
具体的には、異常検出部34が空気供給異常と判定するフィードバック量の所定範囲として、所定範囲の上限値を、フィードバック量の正常範囲の上限値(Q1)とフィードバック量の許容範囲の上限値(Q3)との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値(Q3)までの間の値として設定すると共に、所定範囲の下限値を、フィードバック量の正常範囲の下限値(Q2)とフィードバック量の許容範囲の下限値(Q4)との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値(Q4)までの間の値として設定する。 Specifically, as the predetermined range of the feedback amount that the abnormality detection unit 34 determines as an air supply abnormality, the upper limit value of the predetermined range is set as the upper limit value (Q1) of the normal range of the feedback amount and the upper limit value of the allowable range of the feedback amount. (Q3) and the upper limit value (Q3) of the allowable range of the feedback amount, and the lower limit value of the predetermined range is set as the lower limit value (Q2) of the normal range of the feedback amount and the feedback It is set as a value between a value between the lower limit value (Q4) of the allowable range of the amount and a lower limit value (Q4) of the allowable range of the feedback amount.
また、本実施例では、空気流量過大診断および空気流量不足診断を行うために、それぞれ流量過大診断閾値および流量不足診断閾値を設定し、流量過大診断閾値を超えるか、或いは流量不足診断閾値を下回るとき、酸化剤ガス供給異常と判定するようにしており、これら流量過大診断閾値および流量不足診断閾値を選定するための範囲として、それぞれ第1の所定範囲および第2の所定範囲を設定している。 Further, in this embodiment, in order to perform an excessive air flow diagnosis and an insufficient air flow diagnosis, an excessive flow diagnosis threshold and an insufficient flow diagnosis threshold are set, respectively, exceeding the excessive flow diagnosis threshold or falling below the insufficient flow diagnosis threshold. When the oxidant gas supply abnormality is determined, the first predetermined range and the second predetermined range are set as ranges for selecting the excessive flow rate diagnosis threshold value and the insufficient flow rate diagnosis threshold value, respectively. .
次に、図5を参照して、第1の所定範囲および第2の所定範囲、空気流量過大診断における流量過大診断閾値。並びに空気流量不足診断における流量不足診断閾値の選定について説明する。 Next, referring to FIG. 5, the first predetermined range and the second predetermined range, the excessive flow diagnosis threshold in the excessive air flow diagnosis. In addition, selection of an insufficient flow rate diagnosis threshold in the insufficient air flow rate diagnosis will be described.
図5における領域Aは第1の所定範囲であり、空気流量過大診断の流量過大診断閾値を設定可能な領域である。すなわち、第1の所定範囲(領域A)は、フィードバック量の正常範囲の上限値(Q1)とフィードバック量の許容範囲の上限値(Q3)との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値(Q3)までの範囲として設定されるもので、ここでは、フィードバック量の正常範囲の上限値(Q1)からフィードバック量の許容範囲の上限値(Q3)までの範囲として設定されている。 A region A in FIG. 5 is a first predetermined range, and is a region in which an overflow diagnosis threshold for overflow diagnosis can be set. That is, the first predetermined range (region A) is an upper limit value of the allowable range of feedback amount from a value between the upper limit value (Q1) of the normal range of feedback amount and the upper limit value (Q3) of the allowable range of feedback amount. This is set as a range up to (Q3). Here, it is set as a range from the upper limit value (Q1) of the normal range of feedback amount to the upper limit value (Q3) of the allowable range of feedback amount.
また、領域Bは第2の所定範囲であり、空気流量不足診断の流量不足診断閾値を設定可能な領域である。すなわち、第2の所定範囲(領域B)は、フィードバック量の正常範囲の下限値(Q2)とフィードバック量の許容範囲の下限値(Q4)との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値(Q4)までの範囲として設定されるもので、ここでは、フィードバック量の正常範囲の下限値(Q2)からフィードバック量の許容範囲の下限値(Q4)までの範囲として設定されている。 Area B is the second predetermined range, and is an area in which an insufficient air flow diagnosis threshold for air flow insufficient diagnosis can be set. That is, the second predetermined range (region B) is a value between the lower limit value (Q2) of the normal range of feedback amount and the lower limit value (Q4) of the allowable range of feedback amount to the lower limit value of the allowable range of feedback amount. It is set as a range up to (Q4). Here, it is set as a range from the lower limit value (Q2) of the normal range of the feedback amount to the lower limit value (Q4) of the allowable range of the feedback amount.
第1の所定範囲(領域A)および第2の所定範囲(領域B)において、それぞれ流量過大診断閾値および流量不足診断閾値をフィードバック量の正常範囲により近い側で選定した場合、空気流量過大あるいは空気流量不足に対してより安全側で燃料電池システムを運転できる一方、異常検出部34による誤判定が生じやすくなる。したがって、空気流量過大または空気流量不足に対してより安全側で燃料電池システムを運転しながら、異常検出部34による誤判定を抑制するには、第1の所定範囲(領域A)および第2の所定範囲(領域B)の中央値に診断閾値を選定するのが望ましい。 In the first predetermined range (region A) and the second predetermined range (region B), when the excessive flow rate diagnosis threshold and the insufficient flow rate diagnosis threshold are selected closer to the normal range of the feedback amount, While it is possible to operate the fuel cell system on the safer side with respect to the insufficient flow rate, erroneous determination by the abnormality detection unit 34 is likely to occur. Therefore, in order to suppress erroneous determination by the abnormality detection unit 34 while operating the fuel cell system on the safer side with respect to excessive air flow or insufficient air flow, the first predetermined range (region A) and the second It is desirable to select a diagnostic threshold value as the median value of the predetermined range (region B).
さらに、コンプレッサ回転数のフィードバック量の許容範囲を算出する上で、フィードバック量に影響を与える各部品の性能保証精度を正確に見積もることができる場合、診断閾値からフィードバック量の許容範囲までのマージンを小さく見込めることができる。そのため、異常検出部34による誤判定を抑制するために、第1の所定範囲(領域A)および第2の所定範囲(領域B)の中央値から、よりフィードバック量の許容範囲の上限および下限側で、診断閾値を設定するほうが望ましい。本実施例では、要求負荷毎に、空気流量過大診断では流量過大診断閾値を第1の所定範囲(領域A)の中央値に、空気流量不足診断では流量不足診断閾値を第2の所定範囲(領域B)の中央値に選定している。 In addition, when calculating the allowable range of the feedback amount of the compressor speed, if the performance guarantee accuracy of each part that affects the feedback amount can be accurately estimated, the margin from the diagnostic threshold to the allowable range of the feedback amount is increased. Can be expected small. Therefore, in order to suppress erroneous determination by the abnormality detection unit 34, the upper limit and lower limit sides of the allowable range of the feedback amount are further determined from the median values of the first predetermined range (region A) and the second predetermined range (region B). Therefore, it is desirable to set a diagnostic threshold. In this embodiment, for each required load, the overflow diagnosis threshold is set to the median value of the first predetermined range (area A) in the overflow diagnosis, and the underflow diagnosis threshold is set to the second predetermined range (in the airflow shortage diagnosis). The median of region B) is selected.
次に、以上説明した構成および原理的説明を踏まえて、本実施例の燃料電池システムの異常判定部34により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順について、図6〜図8を参照して説明する。ここで、図6は本実施例の空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順を説明するフローチャートであり、図7は空気流量不足診断で用いる発電電流に応じた流量不足診断閾値のテーブルTAを説明する説明図であり、図8は空気流量過大診断で用いる発電電流に応じた流量過大診断閾値のテーブルTBを説明する説明図である。 Next, based on the above-described configuration and the principle description, refer to FIG. 6 to FIG. 8 for the procedure of the excess air flow diagnosis and the insufficient air flow diagnosis performed by the abnormality determination unit 34 of the fuel cell system of the present embodiment. To explain. Here, FIG. 6 is a flowchart for explaining the procedure of the air flow excess diagnosis and the air flow shortage diagnosis according to the present embodiment. FIG. 7 shows a table TA of the flow shortage diagnosis threshold value corresponding to the generated current used in the air flow shortage diagnosis. FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a table TB of excessive flow rate diagnosis threshold values corresponding to the generated current used in the excessive air flow rate diagnosis.
まず、操作量演算部32からコンプレッサ回転数のフィードバック量を読み込み(ステップS101)、燃料電池スタック3の発電電流を読み込み(ステップS102)、さらに、読み込んだ電流値に基づき、テーブルTAを参照して、空気流量不足診断に用いる流量不足診断閾値を読み込む(ステップS103)。ここで、テーブルTAは、要求負荷(発電電流)毎の流量不足診断閾値の数値表であり、上述したように第1の所定範囲(領域A)の中央値として設定され、図7に示すような特性を持つ。
First, the feedback amount of the compressor speed is read from the operation amount calculation unit 32 (step S101), the generated current of the
次に、ステップS102で読み込んだ発電電流から、テーブルTBを参照して、空気流量過大診断に用いる流量過大診断閾値を読み込む(ステップS104)。ここで、テーブルTBは、要求負荷(発電電流)毎の流量過大診断閾値の数値表であり、上述したように第2の所定範囲(領域B)の中央値として設定され、図8に示すような特性を持つ。 Next, referring to the table TB from the power generation current read in step S102, the flow excess diagnosis threshold used for the air flow excess diagnosis is read (step S104). Here, the table TB is a numerical table of flow excess diagnosis threshold values for each required load (generated current), and is set as the median value of the second predetermined range (region B) as described above, as shown in FIG. It has special characteristics.
次に、ステップS101で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップS103で読み込んだ流量不足診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る(空気供給不足)状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常(空気流量不足)か否かを判定する(ステップS105)。空気供給異常(空気流量不足)と判定されたときはステップS107に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以上のとき、或いは空気供給不足状態が所定時間継続していないときはステップS106に進む。 Next, the feedback amount of the compressor rotation speed read in step S101 is compared with the insufficient flow rate diagnosis threshold value read in step S103, and the state where the feedback amount is below the insufficient flow rate diagnosis threshold value (insufficient air supply) continues for a predetermined time. Whether the air supply is abnormal (insufficient air flow rate) or not is determined based on whether or not it has been performed (step S105). If it is determined that the air supply is abnormal (insufficient air flow rate), the process proceeds to step S107, and if the feedback amount is greater than or equal to the insufficient flow rate diagnosis threshold or if the insufficient air supply state has not continued for a predetermined time, the process proceeds to step S106.
つまり、ステップS101〜S105の処理は所定周期のサンプリング時間毎に行われ、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回ってからハードウェアタイマまたはソフトウェアタイマが計時する所定時間の間、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る(空気供給不足)状態が継続したか否かによって判断され、空気供給不足状態が所定時間継続した場合に空気供給異常(空気流量不足)と判定される。 That is, the processing of steps S101 to S105 is performed every sampling time of a predetermined cycle, and the feedback amount is diagnosed as insufficient for a predetermined amount of time measured by the hardware timer or software timer after the feedback amount falls below the insufficient flow rate diagnosis threshold. Judgment is made based on whether or not the state below the threshold value (air supply shortage) continues, and when the air supply shortage state continues for a predetermined time, it is determined that there is an air supply abnormality (air flow shortage).
次に、ステップS101で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップS104で読み込んだ流量過大診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る(空気供給過大)状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常(空気流量過大)か否かを判定する(ステップS106)。空気供給異常(空気流量過大)と判定されたときはステップS107に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以下のとき、或いは空気供給過大状態が所定時間継続していないときはステップS101に戻る。 Next, the feedback amount of the compressor rotation speed read in step S101 is compared with the excessive flow rate diagnosis threshold value read in step S104, and the state where the feedback amount exceeds the excessive flow rate diagnosis threshold value (excessive air supply) continues for a predetermined time. Whether or not the air supply is abnormal (the air flow rate is excessive) is determined based on whether or not it has been performed (step S106). When it is determined that the air supply is abnormal (excessive air flow rate), the process proceeds to step S107, and when the feedback amount is equal to or less than the insufficient flow rate diagnosis threshold or when the excessive air supply state has not continued for a predetermined time, the process returns to step S101.
つまり、ステップS101〜S106の処理は所定周期のサンプリング時間毎に行われ、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回ってからハードウェアタイマまたはソフトウェアタイマが計時する所定時間の間、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る(空気供給過大)状態が継続したか否かによって判断され、空気供給過大状態が所定時間継続した場合に空気供給異常(空気流量過大)と判定される。 In other words, the processing of steps S101 to S106 is performed every sampling time of a predetermined period, and the feedback amount is overflow diagnosis for a predetermined time measured by the hardware timer or software timer after the feedback amount exceeds the overflow diagnosis threshold. Judgment is made based on whether or not the state exceeding the threshold (excessive air supply) continues, and when the excessive air supply state continues for a predetermined time, it is determined that the air supply is abnormal (excessive air flow).
ステップS105で空気供給異常(空気流量不足)と判定された場合、或いはステップS106で空気供給異常(空気流量過大)と判定された場合には、警報発生装置35を介して警報情報を報知し(ステップS107)、システムを停止する(ステップS108)。ここで、警報情報の報知は、警報音の発生、警報メッセージの音声出力、警報メッセージの表示パネル上への表示、或いは表示パネル上の所定箇所の点滅表示など、種々のものが考えられる。 If it is determined in step S105 that the air supply is abnormal (insufficient air flow), or if it is determined in step S106 that the air supply is abnormal (excessive air flow), alarm information is notified via the alarm generator 35 ( Step S107), the system is stopped (Step S108). Here, various types of alarm information can be reported, such as generation of an alarm sound, sound output of an alarm message, display of an alarm message on a display panel, or blinking display of a predetermined location on the display panel.
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、水素ガス(燃料ガス)および空気(酸化剤ガス)の供給により発電を行う燃料電池スタック3と、水素ガスを供給する水素供給系(燃料ガス供給手段)と、空気を供給する空気供給系(酸化剤ガス供給手段)と、空気供給系が供給する空気流量を検出する流量計(流量検出手段)10と、を備える燃料電池システムにおいて、システム制御装置30の目標空気流量演算部31により目標空気流量を演算し、操作量演算部(流量制御手段)32により、流量計10の検出値および目標空気流量に基づき、空気供給系の空気流量をフィードバック制御するものとし、所定範囲設定部33では、フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、空気流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、フィードバック量の正常範囲外で且つフィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定して、異常判定部34により、フィードバック制御におけるフィードバック量が所定範囲外となるときには、空気供給異常と判定する。
As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the
具体的に、所定範囲設定33において、フィードバック量の正常範囲および許容範囲を、流量計10の正常時の検出精度、空気供給系の流量精度保証範囲(コンプレッサ2の吐出流量の性能保証範囲、アフタークーラ13の圧力損失保証範囲および加湿器14の圧力損失保証範囲)、空気を供給する流路の流路抵抗保証範囲(空気供給流路15、40、41、42の圧力損失保証範囲)、並びに、操作量演算部32の演算精度に基づいて設定するのが望ましく、所定範囲の上限値を、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの間の値として設定すると共に、所定範囲の下限値を、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの間の値として設定する。
Specifically, in the predetermined range setting 33, the normal range and allowable range of the feedback amount are set as follows: normal detection accuracy of the
このように、所定範囲設定33によりフィードバック量の許容範囲を設定する上で、空気供給系(コンプレッサ2)における操作量のフィードバック量に影響を与える部品性能の保証精度に応じて、所定範囲からフィードバック量の許容範囲まで(空気流量不足診断および空気流量過大診断の診断閾値からフィードバック量の許容範囲まで)のマージンを可変設定するようにすれば、異常判定部34による誤判定を抑制でき、結果として、計器類が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができない場合でも、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。 As described above, when setting the allowable range of the feedback amount by the predetermined range setting 33, the feedback from the predetermined range is performed according to the guaranteed accuracy of the component performance that affects the feedback amount of the operation amount in the air supply system (compressor 2). If the margin up to the allowable range (from the diagnosis threshold of the air flow shortage diagnosis and the excessive air flow rate diagnosis to the allowable range of the feedback amount) is variably set, erroneous determination by the abnormality determination unit 34 can be suppressed, and as a result Even when the operation of the instrument is normal or abnormal, it is possible to accurately diagnose the abnormality of the air supply system using the air flow control parameters and maintain high reliability. A battery system can be realized.
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定33において、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック3の含水率低下で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以下となるよう設定し、空気供給過大を防止できる第1の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの範囲を設定し、異常判定部34により、フィードバック制御におけるフィードバック量が第1の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えるとき、空気供給異常(空気流量過大)と判定する。これにより、燃料電池スタック3の含水率低下で起こる発電性能の低下が発生する前に、空気供給過大を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the predetermined range setting 33, the system limit allowable range of the air flow rate is set so as to be equal to or less than the air flow rate that can prevent a decrease in power generation performance caused by a decrease in the moisture content of the
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定33において、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック3の発電に必要な空気の供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以上となるよう設定し、空気供給不足を防止できる第2の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの範囲を設定し、異常判定部34により、フィードバック制御におけるフィードバック量が第2の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回るとき、空気供給異常(空気流量不足)と判定する。これにより、燃料電池スタック3の発電に必要な空気の供給不足で起こる燃料電池スタック3の発電性能の低下が発生する前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the predetermined range setting 33, the system limit allowable range of the air flow rate is set to an air flow rate that can prevent a decrease in power generation performance caused by insufficient supply of air necessary for power generation of the
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定33において、空気流量のシステム限界許容範囲を、水素ガス排出流路12から排出される水素ガスを空気排気流路18内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できる空気流量以上となるよう設定する。これにより、水素ガス排出流路12から排出される水素ガスを空気排気流路18内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できなくなる前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the predetermined range setting 33, the hydrogen gas discharged from the hydrogen
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定33において、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック3の発電に必要な空気の供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量と、水素ガス排出流路12から排出される水素ガスを空気排気流路18内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できる空気流量とのうち、より大となる空気流量以上となるよう設定する。これにより、燃料電池スタック3の発電に必要な空気の供給不足で起こる燃料電池スタック3の発電性能の低下が発生する前で、且つ、水素ガス排出流路12から排出される水素ガスを空気排気流路18内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できなくなる前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the predetermined range setting 33, the system limit allowable range of the air flow rate is set to an air flow rate that can prevent a decrease in power generation performance caused by insufficient supply of air necessary for power generation of the
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、異常判定部34により空気供給異常と判定したとき、当該燃料電池システムの運転を停止する。これにより、空気供給異常と判定された場合には、燃料電池システムを安全に停止できるので、燃料電池スタック3の発電性能の低下を防止できる。
Furthermore, in the fuel cell system of the present embodiment, when the abnormality determination unit 34 determines that the air supply is abnormal, the operation of the fuel cell system is stopped. Thus, when it is determined that the air supply is abnormal, the fuel cell system can be safely stopped, so that the power generation performance of the
次に、本発明の実施例2に係る燃料電池システムについて説明する。実施例2の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system according to Example 2 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 2 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、燃料電池スタック3を構成する各セルの電圧或いは総電圧の少なくとも一方を検出する電圧検出手段として、電圧センサ20は必須であり、異常検出部34において空気供給異常と判定したときには、電圧センサ20の検出値が燃料電池スタック3の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に当該燃料電池システムの運転を停止する点が実施例1とは異なる。
However, the
また、本実施例では、システム許容下限空気流量QL(図3参照)を、燃料電池スタック3の発電に必要な空気流量Qa(図2参照)のみに基づき設定している。これは、カソード5からアノード4へ電解質膜を透過してくる窒素が少ない場合には、流量制御弁(パージ弁)11から排出するパージガス流量が少なくなるため、燃料電池スタック3の発電に必要な空気流量Qaが、流量制御弁11からの排出水素を希釈できる空気流量Qcに対して常に十分に大きくなっているからである。
In this embodiment, the system allowable lower limit air flow rate QL (see FIG. 3) is set based only on the air flow rate Qa (see FIG. 2) necessary for power generation of the
次に、本実施例の燃料電池システムの異常判定部34により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順について、図9および図10を参照して説明する。ここで、図9は本実施例の空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順を説明するフローチャートであり、図10は燃料電池スタック3の電流に応じた基準セル電圧のテーブルTCを説明する説明図である。
Next, the procedure of the excess air flow diagnosis and the insufficient air flow diagnosis performed by the abnormality determination unit 34 of the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. Here, FIG. 9 is a flowchart for explaining the procedure of the air flow excess diagnosis and the air flow shortage diagnosis of the present embodiment, and FIG. 10 is an explanation for explaining a table TC of the reference cell voltage corresponding to the current of the
まず、操作量演算部32からコンプレッサ回転数のフィードバック量を読み込み(ステップS201)、燃料電池スタック3の発電電流を読み込み(ステップS202)、読み込んだ電流値に基づき、テーブルTAを参照して、空気流量不足診断に用いる流量不足診断閾値を読み込み(ステップS203)、さらに、読み込んだ電流値に基づき、テーブルTBを参照して、空気流量過大診断に用いる流量過大診断閾値を読み込む(ステップS204)。
First, the feedback amount of the compressor rotation speed is read from the operation amount calculation unit 32 (step S201), the generated current of the
次に、ステップS201で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップS203で読み込んだ流量不足診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る(空気供給不足)状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常(空気流量不足)か否かを判定する(ステップS205)。空気供給異常(空気流量不足)と判定されたときはステップS207に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以上のとき、或いは空気供給不足状態が所定時間継続していないときはステップS206に進む。 Next, the feedback amount of the compressor rotation speed read in step S201 is compared with the insufficient flow rate diagnosis threshold value read in step S203, and the feedback amount is below the insufficient flow rate diagnosis threshold value (insufficient air supply) for a predetermined time. Whether or not the air supply is abnormal (insufficient air flow rate) is determined based on whether or not it has been performed (step S205). When it is determined that the air supply is abnormal (air flow shortage), the process proceeds to step S207, and when the feedback amount is equal to or greater than the flow shortage diagnosis threshold or when the air supply shortage state does not continue for a predetermined time, the process proceeds to step S206.
次に、ステップS201で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップS204で読み込んだ流量過大診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る(空気供給過大)状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常(空気流量過大)か否かを判定する(ステップS206)。空気供給異常(空気流量過大)と判定されたときはステップS207に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以下のとき、或いは空気供給過大状態が所定時間継続していないときはステップS201に戻る。 Next, the feedback amount of the compressor rotation speed read in step S201 is compared with the excessive flow rate diagnosis threshold value read in step S204, and the state where the feedback amount exceeds the excessive flow rate diagnosis threshold value (excessive air supply) continues for a predetermined time. It is determined whether or not the air supply is abnormal (excessive air flow rate) depending on whether or not it has been performed (step S206). When it is determined that the air supply abnormality (excessive air flow rate) is determined, the process proceeds to step S207, and when the feedback amount is equal to or less than the insufficient flow rate diagnosis threshold or when the excessive air supply state has not continued for a predetermined time, the process returns to step S201.
ステップS205で空気供給異常(空気流量不足)と判定された場合、或いはステップS206で空気供給異常(空気流量過大)と判定された場合には、警報発生装置35を介して警報情報を報知する(ステップS207)。 If it is determined in step S205 that the air supply is abnormal (air flow is insufficient), or if it is determined in step S206 that the air supply is abnormal (excessive air flow), alarm information is notified via the alarm generator 35 ( Step S207).
次に、燃料電池スタック3の発電電流を読み込み(ステップS208)、テーブルTCを参照して、ステップS207で読み込んだ電流値に応じた燃料電池スタック3の基準セル電圧を読み込み(ステップS209)、さらに、燃料電池スタック3のセル電圧の最小値を読み込む(ステップS210)。ここで、テーブルTCは、発電電流毎の基準セル電圧の数値表であり、燃料電池スタック3の電流電圧特性に基づき算出され、図10に示すような特性を持つ。
Next, the generated current of the
次に、ステップ210で読み込んだセル電圧の最小値とステップ209で読み込んだ基準セル電圧とを比較して、燃料電池スタック3から要求負荷(発電電流)に応じて安定して電力を得ることが可能かどうかを判定する(ステップS211)。
Next, the minimum value of the cell voltage read in step 210 and the reference cell voltage read in
具体的には、セル電圧の最小値が基準セル電圧を下回る状態が所定時間継続した場合には、燃料電池スタック3から要求負荷(発電電流)に応じて安定して電力を得ることができないと判定し、ステップS212へ進んでシステムを停止する。他方、セル電圧の最小値が基準セル電圧以上であるか、或いはセル電圧の最小値が基準セル電圧を下回る状態が所定時間継続しない場合には、燃料電池スタック3から要求負荷に応じて安定して電力を得ることが可能であると判定し、ステップS201へ戻る。
Specifically, when the state where the minimum value of the cell voltage is lower than the reference cell voltage continues for a predetermined time, it is possible to stably obtain power from the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、異常検出部34において空気供給異常と判定したときには、電圧センサ20の検出値(セル電圧の最小値)が燃料電池スタック3の構成部品の劣化を防止できる所定電圧(基準セル電圧)を下回る場合に当該燃料電池システムの運転を停止する。
As described above, in the fuel cell system of this embodiment, when the abnormality detection unit 34 determines that the air supply is abnormal, the detection value of the voltage sensor 20 (the minimum value of the cell voltage) is the component of the
これにより、電圧センサ20の検出値(セル電圧の最小値)が所定電圧(基準セル電圧)を下回る場合に、燃料電池システムの運転を停止できるので、空気供給系(コンプレッサ2)から供給する空気の供給異常(空気流量過大あるいは空気流量不足)が起きた場合でも、燃料電池スタック3の発電電流に応じた最低セル電圧を監視することで、電圧センサ20の検出値(セル電圧の最小値)が所定電圧(基準セル電圧)を下回るまでは、燃料電池システムの運転を継続できる。
Thereby, when the detected value (minimum value of the cell voltage) of the
次に、本発明の実施例3に係る燃料電池システムについて説明する。実施例3の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system according to Example 3 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 3 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、燃料電池スタック3を構成する各セルの電圧或いは総電圧の少なくとも一方を検出する電圧検出手段として、電圧センサ20は必須であり、異常検出部34において空気供給異常(空気流量過大)と判定したときには、電圧センサ20の検出値が燃料電池スタック3の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に、当該燃料電池システムの運転を停止し、あるいは、異常検出部34において空気供給異常(空気流量不足)と判定したときには当該燃料電池システムの運転を停止する点が実施例1とは異なる。
However, the
次に、本実施例の燃料電池システムの異常判定部34により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順について説明する。本実施例での空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順は、図9のフローチャートにおいて、ステップS205で空気供給異常(空気流量不足)と判定した場合に、警報発生装置35を介して警報情報を報知後、当該燃料電池システムの運転を停止する点が実施例2とは異なる。そのため、説明図は省略する。 Next, the procedure of the excess air flow diagnosis and the insufficient air flow diagnosis performed by the abnormality determination unit 34 of the fuel cell system of the present embodiment will be described. The procedure of the air flow excess diagnosis and the air flow shortage diagnosis in the present embodiment is as follows. When the air supply abnormality (air flow shortage) is determined in step S205 in the flowchart of FIG. Is different from the second embodiment in that the operation of the fuel cell system is stopped. Therefore, illustration is omitted.
これにより、電圧センサ20の検出値(セル電圧の最小値)が所定電圧(基準セル電圧)を下回る場合に、燃料電池システムの運転を停止できるので、空気供給系(コンプレッサ2)から供給する空気の供給異常(空気流量過大)が起きた場合でも、燃料電池スタック3の発電電流に応じた最低セル電圧を監視することで、電圧センサ20の検出値(セル電圧の最小値)が所定電圧(基準セル電圧)を下回るまでは、燃料電池システムの運転を継続できる。さらに、水素ガス排出流路12から排出される水素ガスを空気排気流路18内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できなくなる前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
Thereby, when the detected value (minimum value of the cell voltage) of the
次に、本発明の実施例4に係る燃料電池システムについて説明する。実施例4の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system according to Example 4 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 4 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、異常検出部34において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第1の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えて空気供給異常(空気流量過大)と判定されたときには、目標空気流量演算部31は目標空気流量を減少させ、また、異常検出部34において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第2の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回って空気供給異常(空気流量不足)と判定されたときには、目標空気流量演算部31は空気供給異常(空気流量不足)を回避できるまで目標空気流量を増大させる点が実施例1とは異なる。
However, when the abnormality detection unit 34 determines that an air supply abnormality (excessive air flow rate) is detected when the feedback amount in the feedback control exceeds the excessive flow rate diagnosis threshold set within the first predetermined range, the target air flow
次に、本実施例の燃料電池システムの異常判定部34により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断と、診断後の目標空気流量演算部31の処理について、図11に示すフローチャートを参照して説明する。
Next, refer to the flowchart shown in FIG. 11 for the processing of the air flow excess diagnosis and air flow shortage diagnosis performed by the abnormality determination unit 34 of the fuel cell system of this embodiment and the target air flow
まず、操作量演算部32からコンプレッサ回転数のフィードバック量を読み込み(ステップS301)、燃料電池スタック3の発電電流を読み込み(ステップS302)、読み込んだ電流値に基づき、テーブルTAを参照して、空気流量不足診断に用いる流量不足診断閾値を読み込み(ステップS303)、さらに、読み込んだ電流値に基づき、テーブルTBを参照して、空気流量過大診断に用いる流量過大診断閾値を読み込む(ステップS304)。
First, the feedback amount of the compressor rotation speed is read from the operation amount calculation unit 32 (step S301), the generated current of the
次に、ステップS301で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップS303で読み込んだ流量不足診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る(空気供給不足)状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常(空気流量不足)か否かを判定する(ステップS305)。空気供給異常(空気流量不足)と判定されたときはステップS307に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以上のとき、或いは空気供給不足状態が所定時間継続していないときはステップS306に進む。 Next, the feedback amount of the compressor rotation speed read in step S301 is compared with the insufficient flow rate diagnosis threshold value read in step S303, and the state where the feedback amount falls below the insufficient flow rate diagnosis threshold value (insufficient air supply) continues for a predetermined time. It is determined whether or not the air supply is abnormal (insufficient air flow rate) based on whether or not it has been performed (step S305). When it is determined that the air supply is abnormal (air flow shortage), the process proceeds to step S307. When the feedback amount is equal to or greater than the flow shortage diagnosis threshold or when the air supply shortage state has not continued for a predetermined time, the process proceeds to step S306.
次に、ステップS301で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップS304で読み込んだ流量過大診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る(空気供給過大)状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常(空気流量過大)か否かを判定する(ステップS306)。空気供給異常(空気流量過大)と判定されたときはステップS309に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以下のとき、或いは空気供給過大状態が所定時間継続していないときはステップS301に戻る。 Next, the feedback amount of the compressor rotation speed read in step S301 is compared with the excessive flow rate diagnosis threshold value read in step S304, and the state where the feedback amount exceeds the excessive flow rate diagnosis threshold value (excessive air supply) continues for a predetermined time. Whether or not the air supply is abnormal (excessive air flow rate) is determined based on whether or not it has been performed (step S306). When it is determined that the air supply abnormality (excessive air flow rate) is determined, the process proceeds to step S309, and when the feedback amount is equal to or less than the insufficient flow rate diagnosis threshold or when the excessive air supply state has not continued for a predetermined time, the process returns to step S301.
ステップS305で空気供給異常(空気流量不足)と判定された場合には、警報発生装置35を介して警報情報を報知し(ステップS307)、目標空気流量演算部31により目標空気流量を前回の目標空気流量よりも増大させる(ステップS308)。このように、空気供給不足と判定された場合には、目標空気流量を所定割合だけ増大させることで、コンプレッサ2から供給する空気流量を増大させることができる。そして、空気供給異常(空気流量不足)を回避できるまで目標空気流量を増大させた後は、ステップS301へ戻る。
If it is determined in step S305 that the air supply is abnormal (air flow shortage), alarm information is notified via the alarm generator 35 (step S307), and the target air
他方、ステップS306で空気供給異常(空気流量過大)と判定された場合には、警報発生装置35を介して警報情報を報知し(ステップS309)、目標空気流量演算部31により目標空気流量を前回の目標空気流量よりも減少させる(ステップS310)。このように、空気供給過大と判定された場合には、目標空気流量を所定割合だけ減少させることで、コンプレッサ2から供給する空気流量を減少させることができる。そして、空気供給異常(空気流量過大)を回避できるまで目標空気流量を減少させた後は、ステップS301へ戻る。
On the other hand, when it is determined in step S306 that the air supply is abnormal (excessive air flow), alarm information is notified via the alarm generator 35 (step S309), and the target air flow
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、異常検出部34において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第1の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えて空気供給異常(空気流量過大)と判定されたときには、目標空気流量演算部31は目標空気流量を減少させ、また、異常検出部34において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第2の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回って空気供給異常(空気流量不足)と判定されたときには、目標空気流量演算部31は空気供給異常(空気流量不足)を回避できるまで目標空気流量を増大させる。
As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, the abnormality detection unit 34 causes the feedback amount in the feedback control to exceed the excessive flow rate diagnosis threshold set within the first predetermined range and the air supply abnormality (air flow rate) When it is determined that the air flow rate is excessive, the target air flow
このように、空気供給異常(空気流量過大あるいは空気流量不足)と判定されたときに、目標空気流量を変更することで、空気供給異常を回避できるので、燃料電池システムの停止させることなく運転を継続できる。 As described above, when it is determined that the air supply abnormality (excessive air flow rate or air flow rate is excessive), the air supply abnormality can be avoided by changing the target air flow rate, so that the fuel cell system can be operated without stopping. Can continue.
1 水素ガス供給装置
2 空気コンプレッサ
3 燃料電池スタック
4 アノード(燃料極)
5 カソード(酸化剤極)
6 圧力調整弁
7 水素ガス供給流路
8 ガス循環装置
9 水素ガス循環流路
10 流量計(流量検出手段)
11 流量制御弁(パージ弁)
12 水素ガス排出流路
13 アフタークーラ
14 加湿器
15,40,41,42 空気供給流路
16,18 空気排気流路
17 圧力調整弁
20 電圧センサ(電圧検出手段)
23,26 圧力センサ
24,27 温度センサ
30 システム制御装置
31 目標空気流量演算部(酸化剤ガス目標流量演算手段)
32 操作量演算部(流量制御手段)
33 所定範囲設定部
34 異常検出部
35 警報発生装置
1 Hydrogen
5 Cathode (oxidizer electrode)
6 Pressure regulating valve 7 Hydrogen gas
11 Flow control valve (purge valve)
DESCRIPTION OF
23, 26
32 Manipulation amount calculator (flow rate control means)
33 Predetermined range setting unit 34
Claims (13)
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
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、
前記酸化剤ガス供給手段が供給する酸化剤ガス流量を検出する流量検出手段と、
前記酸化剤ガスの目標流量を演算する酸化剤ガス目標流量演算手段と、
前記流量検出手段の検出値および前記酸化剤ガスの目標流量に基づき、前記酸化剤ガス供給手段の酸化剤ガス流量をフィードバック制御する流量制御手段と、
前記フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、前記酸化剤ガス流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、前記フィードバック量の正常範囲外で且つ前記フィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定する所定範囲設定手段と、
前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記所定範囲外となるとき、酸化剤ガス供給異常と判定する異常判定手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A flow rate detection means for detecting a flow rate of the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means;
Oxidant gas target flow rate calculation means for calculating a target flow rate of the oxidant gas;
A flow rate control unit that feedback-controls an oxidant gas flow rate of the oxidant gas supply unit based on a detection value of the flow rate detection unit and a target flow rate of the oxidant gas;
A feedback amount that sets a normal range of the feedback amount in the feedback control, includes the normal range of the feedback amount, and the oxidant gas flow rate becomes a system limit allowable range of the oxidant gas flow rate that allows the fuel cell system to normally operate. A predetermined range setting means for setting a region outside the normal range of the feedback amount and within the allowable range of the feedback amount as a predetermined range;
An abnormality determining means for determining an oxidant gas supply abnormality when a feedback amount in the feedback control is outside the predetermined range;
A fuel cell system comprising:
前記異常判定手段は、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第1の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えるとき、酸化剤ガス供給異常と判定することを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。 The predetermined range setting means sets the system limit allowable range of the oxidant gas flow rate to be equal to or less than an oxidant gas flow rate that can prevent a decrease in power generation performance caused by a decrease in the moisture content of the fuel cell, and the oxidant gas flow As a first predetermined range that can prevent an excessive supply, a range from a value between the upper limit value of the normal range of the feedback amount and the upper limit value of the allowable range of the feedback amount to the upper limit value of the allowable range of the feedback amount Set
The abnormality determination unit determines that an oxidant gas supply abnormality occurs when a feedback amount in the feedback control exceeds a flow excess diagnostic threshold set in the first predetermined range. Item 5. The fuel cell system according to any one of Item 4.
前記異常判定手段は、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第2の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回るとき、酸化剤ガス供給異常と判定することを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 The predetermined range setting means sets the system limit allowable range of the oxidant gas flow rate to be equal to or higher than the oxidant gas flow rate that can prevent a decrease in power generation performance caused by insufficient supply of the oxidant gas necessary for power generation of the fuel cell. As a second predetermined range that can be set and prevent insufficient supply of the oxidant gas, the feedback amount is allowed from a value between the lower limit value of the normal range of the feedback amount and the lower limit value of the allowable range of the feedback amount. Set the range up to the lower limit of the range,
The abnormality determination unit determines that an oxidant gas supply abnormality occurs when a feedback amount in the feedback control falls below a flow rate shortage diagnosis threshold set in the second predetermined range. 6. The fuel cell system according to any one of items 5.
前記燃料電池から排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出流路と、
前記燃料ガス排出流路と前記酸化剤ガス排出流路とをつなぐ連結流路と、
前記酸化剤ガス排出流路の出口を外部に開放する機構と、を有し、
前記所定範囲設定手段は、前記酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲を、前記燃料ガス排出流路から排出される燃料ガスを前記酸化剤ガス流路内で外部へ排出できる燃料ガス濃度まで低減できる酸化剤ガス流量以上となるよう設定することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 A fuel gas discharge passage through which the fuel gas flows;
An oxidant gas discharge passage through which an oxidant gas discharged from the fuel cell flows;
A connecting flow path connecting the fuel gas discharge flow path and the oxidant gas discharge flow path;
A mechanism for opening the outlet of the oxidant gas discharge channel to the outside,
The predetermined range setting means can reduce the system limit allowable range of the oxidant gas flow rate to a fuel gas concentration that allows the fuel gas discharged from the fuel gas discharge channel to be discharged to the outside in the oxidant gas channel. The fuel cell system according to claim 6, wherein the fuel cell system is set to be equal to or higher than an oxidant gas flow rate.
前記異常判定手段は、前記酸化剤ガスの供給異常と判定したとき、前記電圧検出手段の検出値が前記燃料電池の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に、当該燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Voltage detection means for detecting at least one of the voltage or total voltage of each cell constituting the fuel cell;
When the abnormality determination unit determines that the supply of the oxidant gas is abnormal, the operation of the fuel cell system is performed when the detection value of the voltage detection unit falls below a predetermined voltage that can prevent deterioration of the components of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel cell system is stopped.
前記異常判定手段において、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第1の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えて酸化剤ガス供給異常と判定したとき、前記電圧検出手段の検出値が前記燃料電池の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に、当該燃料電池システムの運転を停止し、あるいは、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第2の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回って酸化剤ガス供給異常と判定したとき、当該燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項7〜請求項8の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Voltage detection means for detecting at least one of the voltage or total voltage of each cell constituting the fuel cell;
When the abnormality determination means determines that an oxidant gas supply abnormality has occurred when the feedback amount in the feedback control exceeds the excessive flow rate diagnosis threshold set within the first predetermined range, the detection value of the voltage detection means is Insufficient flow rate diagnosis in which the operation of the fuel cell system is stopped or the feedback amount in the feedback control is set within the second predetermined range when the voltage falls below a predetermined voltage that can prevent deterioration of the components of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 7 to 8, wherein the operation of the fuel cell system is stopped when it is determined that the oxidant gas supply abnormality is below a threshold value.
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