JP4561048B2

JP4561048B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4561048B2
Application number: JP2003156959A
Authority: JP
Inventors: 敬介鈴木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP2004362825A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載され、当該燃料電池車両の駆動トルクを発生させるために燃料電池を発電させるときに、燃料ガスとなる水素ガス等を循環させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池の燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給すると共に、空気極に酸化剤ガスとしての空気を供給し、所定の電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。
【０００３】
このような燃料電池を用いた燃料電池システムにおいては、通常、下記の特許文献１に記載されているように、燃料電池から排出される反応ガスを循環させることが行われている。
【０００４】
この特許文献１には、燃料電池の発電に用いた燃料ガスのうち、残存した燃料ガスを循環させて再利用する燃料電池システムが開示されている。この特許文献１では、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスとが供給されて発電を行う燃料電池スタックと、アノードにアノードガスを供給する流路の途中に設けられた動力不要のイジェクタと、アノードから排出されるアノード排ガスをイジェクタに導入する循環流路と、この循環流路に設けられる循環ポンプとを備えた燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
そして、この特許文献１には、燃料電池から取り出す電力を低くして発電させるアイドル運転時等には、燃料電池スタックから排出される未使用ガスも少なくなりイジェクタでの循環効果が低くなるので、排出される未使用ガスの流量を流量計で検出し、この流量が少なくてイジェクタでの循環効果が低い場合には循環ポンプを動作させることが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３５２８２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、排出される未使用ガスの流量が少ない場合に循環ポンプを動作させるので、アイドル運転時等の低負荷での運転時にのみ循環ポンプが動作することになる。
【０００８】
したがって、この燃料電池システムにおいては、運転負荷に応じて圧力制御する場合には、運転負荷が高負荷から中負荷等に急減した場合のように、燃料電池スタックに供給する燃料ガス圧力を急低下させる場合には、イジェクタに供給する燃料ガス量がゼロとなり、イジェクタによる燃料ガスの循環が不可能となる場合がある。
【０００９】
しかしながら、この燃料電池システムにおいては、このようなイジェクタでの循環が不可能となる場合であっても、未使用ガスの流量のみによって循環ポンプを動作させているので循環ポンプが動作せず、その後に、未使用ガスを全く循環させることができなくなるという問題があった。
【００１０】
また、この燃料電池システムにおいては、排出される未使用ガスの流量で循環ポンプを制御するので、循環ポンプを動作させると、排出される未使用ガスの流量が即座に増加することになる。
【００１１】
したがって、この燃料電池システムにおいては、制御の応答性を上げようとすると、循環ポンプの動作を開始した後に即座に循環ポンプを停止させることになり、循環ポンプ制御のハンチングを起こすおそれがある。
【００１２】
ここで、このようなハンチングは、循環ポンプを所定時間だけ動作させるといった制御を行うことによって防止することができるが、この場合、循環ポンプを無駄に駆動させる必要性が増加し、エネルギのロスが多くなるという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、全運転領域において燃料ガスの循環流量を確保することができると共に、制御のハンチングを防止し、且つ燃料ガスの循環に際して無駄なポンプ駆動を抑制することができる燃料電池システムを提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、燃料電池に接続された燃料ガス供給経路を有し、燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池の燃料ガス出口と燃料ガス供給経路とを接続する循環経路と、燃料ガス供給経路から燃料電池に供給する燃料ガスと、循環経路を介して送られる燃料ガスとを混合して燃料電池の燃料ガス入口に還流させるイジェクタと、イジェクタの上流側の燃料ガス供給経路に設けられ、制御手段の制御に従って開閉されて燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を制御する調圧弁とを備える。また、この燃料電池システムでは、循環経路にイジェクタと並列して設けられた循環ポンプと、循環経路の循環ポンプへの分岐点よりも上流に設けられて燃料電池内部のガスを燃料電池の外部へと排出する排出弁とを更に備え、燃料電池の燃料ガス出口からのガスを循環経路によってイジェクタに供給して燃料電池に還流すると共に、循環ポンプによって燃料電池の燃料ガス出口からのガスを燃料電池に還流することが可能な構成となっている。
【００１５】
このような燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、排出弁が閉塞されている場合に燃料電池の目標電流値がイジェクタ循環下限電流値よりも小さいと判断すると循環ポンプを駆動するように制御する制御手段により、循環ポンプを駆動して、循環ポンプによって燃料電池の燃料ガス出口からのガスを燃料電池に還流する。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス供給経路からイジェクタへの燃料ガスの供給量が所定供給量以下であると判定した期間に、循環ポンプを駆動して、循環ポンプによって燃料電池の燃料ガス出口からのガスを燃料電池に還流するようにしたので、全運転領域において燃料ガスの循環量を確保することができる。また、本発明に係る燃料電池システムによれば、イジェクタへの燃料ガスの供給量に基づいて循環ポンプを制御するので、制御のハンチングを防止し、且つ無駄なポンプ駆動も抑制することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させるための補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムについて説明するものである。
【００１９】
［第１実施形態］
まず、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００２０】
［燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、当該燃料電池システムの主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極と燃料ガスが供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ^＋）が高分子電解質膜を通過して空気極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ_２Ｏ）を生成することによって行われる。この燃料電池スタック１によって発電されて得られた電流（電力）は、後述する駆動ユニット３６を含む車両を構成する外部システムへと供給される。
【００２１】
また、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御する制御手段であるコントローラ２を備える。このコントローラ２は、例えば図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷に対して電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、後述する各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池制御プログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実行して各部へと指令を送ることにより、駆動ユニット３６を含む各種アクチュエータを駆動制御する。
【００２２】
より具体的には、コントローラ２は、図２に示すような機能構成を有する。すなわち、コントローラ２は、目標発電量相当パラメータ演算部１１により、燃料電池スタック１に要求される目標発電量相当のパラメータを演算すると共に、運転状態検出部１２により、各種センサからのセンサ信号に基づいて燃料電池スタック１の運転状態を検出する。そして、コントローラ２では、ガス目標動作点演算部１３により、目標発電量相当パラメータ演算部１１の出力に基づいて燃料電池スタック１のガスの目標動作点を演算し、ガス動作点制御部１４により、運転状態検出部１２及びガス目標動作点演算部１３の出力に基づいてガスの動作点の制御を行う。これにより、コントローラ２では、循環ポンプ制御部１５により、目標発電量相当パラメータ演算部１１、運転状態検出部１２、ガス目標動作点演算部１３、及びガス動作点制御部１４の出力に基づいて循環ポンプ３２の制御を行う。
【００２３】
このようなコントローラ２は、燃料電池スタック１から取り出して駆動ユニット３６に供給する出力（電流値）が指令されると、燃料電池スタック１による目標発電量に基づいて決定される燃料ガス及び酸化剤ガスに関する目標値と、実際に実現されている空気圧力及び空気流量、並びに水素圧力及び水素流量とに応じて、燃料電池システムを構成する各部を制御することになる。
【００２４】
さらに、燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池スタック１に酸素を含む空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素供給系、空気及び水素ガスを加湿するための純水循環系を備える。
【００２５】
空気供給系は、空気供給経路Ｌ１にコンプレッサ２１、加湿器２２が設けられて燃料電池スタック１に空気を供給すると共に、燃料電池スタック１の空気排出側に空気供給制御弁２３が設けられて構成されている。また、この空気供給系は、燃料電池スタック１に供給する空気流量を検出する空気流量センサ２４、燃料電池スタック１に供給している空気圧力を検出する空気圧力センサ２５が空気供給経路Ｌ１に設けられている。
【００２６】
このような空気供給系は、燃料電池スタック１を発電させるに際して、コントローラ２の制御信号に応じて、コンプレッサ２１により外気を取り込み、加湿器２２を介して空気を供給し、燃料電池スタック１から排出された空気を空気供給制御弁２３を介して外気に排出する。このとき、コントローラ２では、空気流量センサ２４のセンサ信号を読み込んでコンプレッサ２１の回転数を制御することにより空気流量を調整すると共に、空気圧力センサ２５のセンサ信号を読み込んで図示しないアクチュエータを制御することにより空気供給制御弁２３の開度を制御して空気圧力を調整する。
【００２７】
水素供給系は、水素供給経路Ｌ２に高圧水素貯蔵タンク２６、水素調圧弁２７、イジェクタ２８、加湿器２２が設けられて燃料電池スタック１に水素ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１の水素ガス排出側にパージ弁２９が設けられて構成されている。また、この水素供給系は、燃料電池スタック１に供給する水素流量を検出する水素流量センサ３０、燃料電池スタック１に供給している水素圧力を検出する水素圧力センサ３１が、イジェクタ２８の燃料電池スタック１側の水素供給経路Ｌ２に設けられている。
【００２８】
このような水素供給系は、燃料電池スタック１を発電させるに際して、コントローラ２の制御信号に応じて、図示しないアクチュエータを制御することにより水素調圧弁２７を開状態にして、高圧水素貯蔵タンク２６に高圧状態で貯蔵されている水素ガスをイジェクタ２８及び加湿器２２を介して燃料電池スタック１に供給する。このとき、コントローラ２では、水素流量センサ３０及び水素圧力センサ３１のセンサ信号を読み込んで、水素調圧弁２７の開度を制御することにより水素流量及び水素圧力を調整する。また、コントローラ２は、必要に応じてパージ弁２９のアクチュエータを制御して、燃料電池スタック１内のガスを排出させる。
【００２９】
更に、この水素供給系は、燃料電池スタック１の水素排出側とパージ弁２９との間の水素供給経路Ｌ２と、イジェクタ２８とを接続する水素循環経路Ｌ３を備える。これにより、水素供給系では、水素調圧弁２７から燃料電池スタック１に供給する水素ガスによって水素循環経路Ｌ３の水素ガスをイジェクタ２８によって取り込み、高圧水素貯蔵タンク２６からの水素ガスと燃料電池スタック１から排出された水素ガスとを混合して燃料電池スタック１に供給する。
【００３０】
更に、この水素供給系は、水素循環経路Ｌ３から分岐してイジェクタ２８から燃料電池スタック１側の水素供給経路Ｌ２に接続された分岐経路Ｌ４を備える。この分岐経路Ｌ４には、水素循環経路Ｌ３内のガスを取り込んで水素供給経路Ｌ２に供給するための循環ポンプ３２が、水素循環経路Ｌ３の水素ガスを取り込むイジェクタ２８と並列関係となるように設けられている。この循環ポンプ３２は、コントローラ２からの制御信号により駆動され、水素循環経路Ｌ３のガスを取り込んで空気供給経路Ｌ１に吐出することにより、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを燃料電池スタック１に供給する。
【００３１】
純水循環系は、純水循環経路Ｌ５に、純水ポンプ３３及び加湿器２２が設けられて構成されている。この純水循環系は、燃料電池スタック１を発電させるに際して、コントローラ２の制御信号に応じて純水ポンプ３３が駆動されることにより、純水循環経路Ｌ５に純水を循環させる。これにより、純水循環系は、加湿器２２を通過する空気及び水素ガスを加湿させて、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜を加湿させる。
【００３２】
更に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の電力供給ラインに、燃料電池スタック１から取り出す電圧を検出する電圧センサ３４、燃料電池スタック１から取り出す電流を検出する電流センサ３５、燃料電池スタック１からの電力により駆動する駆動ユニット３６が設けられている。
【００３３】
このような燃料電池システムにおいて、コントローラ２は、空気流量センサ２４及び空気圧力センサ２５によって検出された検出値が、そのときの燃料電池スタック１による目標発電量に基づいて決定される所定の目標値となるように、コンプレッサ２１の駆動量、空気供給制御弁１５の開度、純水ポンプ３３の駆動量等を制御することになる。
【００３４】
また、コントローラ２は、水素流量センサ３０及び水素圧力センサ３１によって検出された検出値が、そのときの燃料電池スタック１による目標発電量に基づいて決定される所定の目標値となるように、水素調圧弁２７の開度や純水ポンプ３３の駆動量等を制御することになる。
【００３５】
更に、コントローラ２は、電圧センサ３４及び電流センサ３５によって検出された検出値に基づいて、燃料電池スタック１の出力を制御し、駆動ユニット３６に供給する電力を決定する。
【００３６】
［燃料電池システムの動作］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、コントローラ２による水素供給制御処理の処理内容について説明する。
【００３７】
ここで、燃料電池スタック１から取り出す負荷（電流）に対するイジェクタ２８による循環率の特性例を図３に示す。通常、イジェクタ２８による循環率の特性は、燃料電池スタック１の出力電流が所定値以下である極低負荷領域から急激に循環率が増加し、目標循環率まで到達するものとなる。このように、電流が所定値以下である極低負荷領域では、イジェクタ２８のみを用いて所望の循環率を実現することが困難となる。したがって、燃料電池システムにおいては、イジェクタ２８を用いて循環率を確保するのが困難である運転領域において、循環ポンプ３２を用いる制御をコントローラ２によって行う。
【００３８】
これに対し、燃料電池システムにおいては、より低負荷までイジェクタ２８を用いた循環を実現しようとして当該イジェクタ２８を低流量に対応したものにした場合には、低負荷から高負荷までの広いレンジの水素流量を流すことが不可能であるので、使用流量域の異なる複数のイジェクタ２８を設け、これら複数のイジェクタ２８を領域に応じて使い分けるといったように、複雑な制御が必要となってしまう。
【００３９】
したがって、燃料電池システムにおいては、極低負荷領域と以下に示すような運転状態との両方の運転状態において循環ポンプ３２を駆動し、水素ガスの循環を実現する。
【００４０】
また、燃料電池システムにおいては、水素ガス流量を変更する過渡時には、燃料電池スタック１の出力電流が極低負荷領域よりも高い領域であっても、イジェクタ２８に供給される水素流量が低下して循環率が低下することがあり、この場合であってもコントローラ２により循環ポンプ３２を用いる制御を行う。
【００４１】
具体的には、燃料電池システムにおいては、コントローラ２の制御により、図４に示す一連の処理を経ることにより、水素の適切な循環を実現する。この図４に示す一連の処理は、例えば燃料電池システムが起動しているときにおいて、１０ｍｓといった所定時間毎に実行される。
【００４２】
まず、コントローラ２は、ステップＳ１において、先に図２に示した目標発電量相当パラメータ演算部１１によって、燃料電池スタック１の発電量の目標とする目標発電量ＴＰＯＷＥＲを演算する。
【００４３】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ２において、目標発電量相当パラメータ演算部１１によって、ステップＳ１にて求めた目標発電量ＴＰＯＷＥＲの発電量を発電させるときに、燃料電池スタック１の出力電流の目標とする目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴを演算する。
【００４４】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ３において、ガス目標動作点演算部１３によって、ステップＳ２にて求めた目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴを燃料電池スタック１から出力するときに必要な空気圧力及び水素ガス圧力を目標ガス圧力ＴＰＲとして求める演算をする。このとき、ガス目標動作点演算部１３は、負荷に対する目標ガス圧力を示す例えば図５に示すようなテーブルデータを用いて目標ガス圧力ＴＰＲを演算する。なお、この演算に用いるテーブルデータは、負荷（目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴ）が大きくなるのにともない目標ガス圧力が非線形的に増加するデータであり、目標ガス圧力が常に大気圧よりも大きい値とされるデータである。
【００４５】
そして、コントローラ２は、ステップＳ４において、運転状態検出部１２によって、水素圧力センサ３１からのセンサ信号を読み込み、燃料電池スタック１に供給している水素ガスの実圧力ＰＲを検出する。
【００４６】
また、コントローラ２は、ステップＳ５において、運転状態検出部１２によって、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水の温度を検出する図示しないセンサからの信号を読み込み、冷却水温度ＴＦＣを検出する。
【００４７】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ６において、ステップＳ３にて求めた目標ガス圧力ＴＰＲ及びステップＳ４にて検出した水素の実圧力ＰＲに基づいて、ガス動作点演算部５４によって、燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力を目標ガス圧力ＴＰＲとするように水素調圧弁２７の開度を調整して水素の圧力制御を実行する。なお、このステップＳ６では、水素ガス圧力のみならず、空気圧力も空気供給制御弁２３の開度及びコンプレッサ２１の回転数を制御して目標ガス圧力ＴＰＲとすることが望ましい。
【００４８】
そして、コントローラ２は、ステップＳ７において、パージ弁２９による水素ガスのパージを実行するパージ実行判断処理を行う。
【００４９】
具体的には、コントローラ２は、このパージ実行判断処理として、図６に示す一連の処理を行う。なお、この図６に示す処理において、パージ弁２９の開閉状態を表すパージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨは、パージ弁２９が閉塞されている状態を“１”で表し、パージ弁２９が開放されている状態を“０”で表すものとする。
【００５０】
まず、コントローラ２は、パージ実行判断処理を行う際には、ステップＳ１１において、運転状態検出部１２によって電圧センサ３４からのセンサ信号を読み込むことにより燃料電池スタック１のセル電圧ＣＶを検出し、ステップＳ１２において、燃料電池スタック１における水素極内の窒素蓄積量Ｎ２の推定演算を行う。ここで、コントローラ２は、燃料電池スタック１における水素極と空気極との差圧が大きくなるほど窒素蓄積量Ｎ２を大きくし、また、パージ弁２９を閉塞してからの経過時間が長くなるほど窒素蓄積量Ｎ２を大きくする。
【００５１】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ１３において、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が「１」か否かを判断することにより、現在パージが行われていないか否かを判断する。
【００５２】
ここで、コントローラ２は、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”である、すなわち、パージ弁２９が閉塞されておりパージ中でないと判断した場合には、ステップＳ１４へと処理を移行して、最低セル電圧ｍｉｎ（ＣＶ）が、予め設定しておいた所定の下限値ＣＶＬＩＭＩＴよりも小さいか否かを判断する。
【００５３】
そして、コントローラ２は、最低セル電圧ｍｉｎ（ＣＶ）が所定の下限値ＣＶＬＩＭＩＴよりも小さいと判断した場合には、ステップＳ１５へと処理を移行し、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値を「０」に設定する。すなわち、コントローラ２は、パージ弁２９を開放する制御信号を出力して、一連のパージ実行判断処理を終了する。
【００５４】
一方、コントローラ２は、ステップＳ１４にて最低セル電圧ｍｉｎ（ＣＶ）が所定の下限値ＣＶＬＩＭＩＴよりも小さくないと判断した場合には、ステップＳ１６へと処理を移行して、ステップＳ１２にて演算した窒素蓄積量Ｎ２が、予め設定した所定の上限値Ｎ２ＬＩＭＩＴよりも大きいか否かを判断する。
【００５５】
ここで、コントローラ２は、窒素蓄積量Ｎ２が所定の上限値Ｎ２ＬＩＭＩＴよりも大きいと判断した場合には、ステップＳ１５へと処理を移行し、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値を「０」に設定して、すなわち、パージ弁２９を開放するように指令し、一連のパージ実行判断処理を終了する一方で、水素極の窒素蓄積量Ｎ２が所定の上限値Ｎ２ＬＩＭＩＴよりも大きくないと判断した場合には、そのままパージ弁２９を開放することなく、一連のパージ実行判断処理を終了する。
【００５６】
また、コントローラ２は、ステップＳ１３にてパージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”でない、すなわち、パージ弁２９が開放されておりパージ中であると判断した場合には、ステップＳ１７へと処理を移行し、例えばパージ弁２９の開放時刻からの所定時間経過や、セル電圧の回復といったパージ弁２９を閉塞させる条件が成立しているか否かを判断する。
【００５７】
ここで、コントローラ２は、パージ弁２９を閉塞させる条件が成立していると判断した場合には、ステップＳ１８において、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値を“１”と設定し、パージ弁２９を閉塞する制御をして、一連のパージ実行判断処理を終了する。一方、コントローラ２は、パージ弁２９を閉塞させる条件が成立していないと判断した場合には、パージ弁２９を開放したまま、一連のパージ実行判断処理を終了する。
【００５８】
コントローラ２は、このような一連のパージ実行判断処理を終了すると、図４中のステップＳ８へと処理を移行する。すなわち、コントローラ２は、ステップＳ８において、先に図２に示した循環ポンプ制御部５５によって循環ポンプ３２の駆動指令値を演算する。
【００５９】
具体的には、コントローラ２は、この循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理として、図７に示す一連の処理を行う。
【００６０】
まず、コントローラ２は、循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を行う際には、同図に示すように、ステップＳ２１において、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”である、すなわち、パージ弁２９が閉塞されておりパージ中でないか否かを判断する。
【００６１】
ここで、コントローラ２は、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”であると判断した場合には、ステップＳ２２へと処理を移行して、イジェクタ２８による水素ガスの循環が成立していることを判定するための燃料電池スタック１の出力電流の下限値であるイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮを演算する。
【００６２】
なお、このイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮは、図４中のステップＳ５にて検出した燃料電池スタック１の冷却水温度ＴＦＣや、図６中のステップＳ１２にて求めた燃料電池スタック１における水素極の窒素蓄積量Ｎ２からコントローラ２により求める。すなわち、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の冷却水温度が高い場合には循環ガス中の水蒸気分圧が大きくなり、燃料電池スタック１から排出される循環ガス中の水素ガスに対する水蒸気割合が増加するので、イジェクタ２８による水素ガスの循環効率が低下する。そのため、コントローラ２は、冷却水温度ＴＦＣが高い程、イジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮを大きくするように、当該イジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮの演算を行う。また、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１における水素極の窒素蓄積量Ｎが多い場合には、やはりイジェクタ２８による水素ガスの循環効率が低下する。そのため、コントローラ２は、窒素蓄積量Ｎ２が大きくなる程、イジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮを大きくするように、当該イジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮの演算を行う。
【００６３】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ２３において、図４中ステップＳ２にて求めた目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴがイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも小さいか否かを判断する。
【００６４】
ここで、コントローラ２は、目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴがイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも小さいと判断した場合には、ステップＳ２４において、循環ポンプ３２を駆動させ、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。一方、コントローラ２は、目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴがイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも小さくないと判断した場合には、ステップＳ２５へと処理を移行する。
【００６５】
コントローラ２は、ステップＳ２５において、運転状態検出部１２によって水素調圧弁２７の開度を示す指令値を読み込み、ステップＳ２６において、水素調圧弁２７の開度を示す指令値が全閉相当であるか否かを判断する。
【００６６】
そして、コントローラ２は、水素調圧弁２７の開度を示す指令値が全閉相当であると判断した場合には、ステップＳ２４へと処理を移行し、循環ポンプ３２を駆動させて、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。一方、コントローラ２は、水素調圧弁２７の開度を示す指令値が全閉相当でないと判断した場合には、ステップＳ２７へと処理を移行し、循環ポンプ３２を非駆動として、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【００６７】
また、コントローラ２は、ステップＳ２１にてパージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”でないと判断した場合には、パージ弁２９が開放されている状態であるので、ステップＳ２８へと処理を移行し、循環ポンプ３２を非駆動として、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【００６８】
つぎに、本発明を適用した燃料電池システムに対する比較例の動作を図８を参照して説明すると共に、図４，図６及び図７に示す処理を行った場合の燃料電池システムの動作を図９を参照して説明する。ここで、比較例に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックによる発電量が所定値以下である場合のみ循環ポンプを駆動し、中負荷時には循環ポンプを駆動しないようにした場合において、中負荷から出力が低下したときの動作を示している。
【００６９】
この場合、時刻Ｔ１で燃料電池スタックによる目標発電量が急激に減少した際には（図８（ａ）、図９（ａ））、目標水素圧力も急激に減少する（図８（ｂ）、図９（ｂ））。しかしながら、水素供給系は循環系で構成されているので、実水素圧力は、低下した後の燃料電池スタックの出力、すなわち、取り出し電流に応じて、徐々に低下する（図８（ｂ）、図９（ｂ））。したがって、この状態では、高圧水素貯蔵タンク２６側の上流から水素を供給する必要がないので、水素調圧弁２７は全閉状態となり（図８（ｃ）、図９（ｃ））、その結果、高圧水素貯蔵タンク２６からイジェクタ２８への水素流量もゼロとなる（図８（ｄ）、図９（ｄ））。
【００７０】
これにより、イジェクタ２８による循環量もゼロとなってしまうので（図８（ｅ）、図９（ｅ））、その結果、実水素圧力が低下する時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の期間では、水素のストイキ比（供給流量／消費流量）が目標値を下回ってしまう状態となる（図８（ｇ））。
【００７１】
これに対して、本発明を適用した燃料電池システムにおいては、図９に示すように、燃料電池スタック１による発電量が所定値以上であっても、水素調圧弁２７が全閉若しくは極低開度とされることによって水素流量がゼロ若しくは極低流量とされる期間には循環ポンプ３２を駆動する（図９（ｆ））。これにより、燃料電池システムにおいては、水素のストイキ比がほぼ目標値となるように制御することができる（図９（ｇ））。
【００７２】
このように、燃料電池システムにおいては、コントローラ２の制御のもとに、イジェクタ２８への水素供給量が所定値よりも小さい期間に、循環ポンプ３２を駆動するように制御することにより、イジェクタ２８とあわせた水素の適切な循環を実現することができる。
【００７３】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、水素調圧弁２７の開度が全閉相当であって高圧水素貯蔵タンク２６からイジェクタ２８への水素の供給量が所定値以下である期間も、当該イジェクタ２８と並列に設けられた循環ポンプ３２を駆動することにより、イジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴが大きく燃料電池スタック１による発電量が所定値以上であっても、循環ポンプ３２を駆動することになる。そのため、この燃料電池システムによれば、全運転領域において水素ガスの循環量を確保することができる。また、この燃料電池システムにおいては、高圧水素貯蔵タンク２６からイジェクタ２８への水素供給量に基づいて循環ポンプ３２を制御するので、循環ポンプ３２制御のハンチングを防止し、且つ無駄なポンプ駆動も抑制することができる。
【００７４】
また、この燃料電池システムにおいては、水素調圧弁２７の開度が全閉相当である期間に循環ポンプ３２を駆動することにより、燃料電池スタック１による発電量が所定値以上であっても、容易に水素ガスの循環量を確保することができる。
【００７５】
さらに、この燃料電池システムにおいては、目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴがイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも小さく、燃料電池スタック１から取り出す出力の目標値が所定値よりも小さい期間には循環ポンプ３２を駆動するように、コントローラ２によって制御することにより、何らかのトラブルによって高圧水素貯蔵タンク２６からイジェクタ２８に供給する水素ガス流量の推定を行うことができなくなった場合であっても、最低限の水素ガスの循環量を確保することができる。
【００７６】
ここで、この燃料電池システムにおいては、冷却水温度が高くなるのにともない値が大きくなるように、下限電流値の演算を行うので、燃料電池スタック１の温度が高くて当該燃料電池スタック１から排出されるガス中に水蒸気が多く、イジェクタ２８による水素ガスの循環が困難な運転状態であっても、循環ポンプ３２を駆動して確実に水素ガスの循環を実現することが可能となる。
【００７７】
また、この燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１における水素極と空気極との差圧が大きくなるほど、また、パージ弁２９を閉塞してからの経過時間が長くなるほど値が大きくなるように、下限電流値の演算を行う。これにより、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１から排出されるガス中に蓄積した窒素量が多く、イジェクタ２８による水素ガスの循環が困難な運転状態であっても、循環ポンプ３２を駆動して確実に水素ガスの循環を実現することが可能となる。
【００７８】
さらにまた、この燃料電池システムにおいては、パージ弁２９を開放している期間に循環ポンプ３２を非駆動として停止させることにより、燃料電池スタック１の内部での水素ガス流量が十分に確保できている場合には、循環ポンプ３２を停止して余計な電力を消費することを防止することができる。
【００７９】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、この第２実施形態の説明では、上述の実施形態と同様の部分については同一の符号を付することによってその詳細な説明を省略する。
【００８０】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１による発電量が所定値以下である場合、或いは、所定値以上の場合であっても、燃料電池スタック１に供給する水素ガス流量を示す同一の演算値に基づいて、循環ポンプ３２の駆動を制御するものである。
【００８１】
［燃料電池システムの動作］
第２実施形態に係る燃料電池システムにおいては、循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理として、図７に示した一連の処理に代えて、図１０に示す一連の処理を行う。
【００８２】
すなわち、コントローラ２は、同図に示すように、ステップＳ３１において、ージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”である、すなわち、パージ弁２９が閉塞されておりパージ中でないか否かを判断する。ここで、コントローラ２は、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”であると判断した場合には、ステップＳ３２へと処理を移行し、ステップＳ２２と同様にイジェクタ循環下限水素流量ＱＨ２ＥＪＭＩＮを演算する。
【００８３】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ３３において、高圧水素貯蔵タンク２６と水素調圧弁２７との間の水素供給経路Ｌ２に設けられた図示しない水素圧力センサからのセンサ信号から、水素調圧弁２７上流の水素圧力ＰＨ２Ｍを読み込み、ステップＳ３４において、運転状態検出部１２によって水素調圧弁２７の開度を示す指令値を読み込み、さらにステップＳ３５において、運転状態検出部１２によって水素圧力センサ３１からのセンサ信号を読み込み、水素の実圧力ＰＲＨ２を検出する。
【００８４】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ３６において、ステップＳ３３にて検出した水素調圧弁２７上流の水素圧力ＰＨ２Ｍと、ステップＳ３４にて検出した水素調圧弁２７の指令値と、ステップＳ３５にて検出した水素の実圧力ＰＲＨ２とに基づいて、高圧水素貯蔵タンク２６からイジェクタ２８に供給している水素流量ＱＨ２を演算する。
【００８５】
そして、コントローラ２は、ステップＳ３７において、ステップＳ３６にて求めた水素流量ＱＨ２がステップＳ３２にて求めたイジェクタ循環下限水素流量ＱＨ２ＥＪＭＩＮよりも小さいか否かを判断する。ここで、コントローラ２は、水素流量ＱＨ２がイジェクタ循環下限水素流量ＱＨ２ＥＪＭＩＮよりも小さいと判断した場合には、ステップＳ３８へと処理を移行し、循環ポンプ３２を駆動させ、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【００８６】
一方、コントローラ２は、水素流量ＱＨ２がイジェクタ循環下限水素流量ＱＨ２ＥＪＭＩＮよりも小さくないと判断した場合には、ステップＳ３９へと処理を移行して、循環ポンプ３２を非駆動に制御して、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【００８７】
また、コントローラ２は、ステップＳ３１にてパージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”でないと判断した場合には、パージ弁２９が開放されている状態であるので、ステップＳ４０へと処理を移行し、循環ポンプ３２を非駆動とし、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【００８８】
燃料電池システムにおいては、コントローラ２の制御のもとに、このような一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を行うことによって循環ポンプ３２を制御する。燃料電池システムにおいては、この第２実施形態として示した制御を行う場合であっても、先に図９に示したように循環ポンプ３２を駆動することとなり、燃料電池スタック１の運転状態に拘わらず水素のストイキ比がほぼ目標値となるように制御することができ、イジェクタ２８とあわせた水素の適切な循環を実現することができる。
【００８９】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、少なくとも水素調圧弁２７の開度と水素の実圧力とに基づいて演算した高圧水素貯蔵タンク２６からイジェクタ２８に供給している水素流量を、燃料電池スタック１に供給する水素ガス流量を示す同一の演算値として使用し、当該水素流量がイジェクタ循環下限水素流量ＱＨ２ＥＪＭＩＮとして設定した所定流量よりも小さい期間に循環ポンプ３２を駆動するので、イジェクタ２８による水素循環が困難な運転状態を的確に把握した上で循環ポンプ３２を駆動することが可能となり、無駄なポンプ駆動を抑制することができ、少ない消費電力で効率よく水素の循環量を確保する
ことができる。
【００９０】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、この第３実施形態の説明では、上述の実施形態と同様の部分については同一の符号を付することによってその詳細な説明を省略するものとする。
【００９１】
この第３実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１による発電量が所定値以上である場合には、燃料電池スタック１に供給する水素ガスの目標圧力と、水素ガスの実圧力との関係に基づいて、循環ポンプ３２の駆動を制御するものである。
【００９２】
［燃料電池システムの動作］
第３実施形態に係る燃料電池システムにおいては、循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理として、図７又は図１０に示した一連の処理に代えて、図１１に示す一連の処理を行う。
【００９３】
すなわち、コントローラ２は、同図に示すように、ステップＳ５１において、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”であるか否か、すなわち、パージ弁２９が閉塞されておりパージ中でないか否かを判断する。ここで、コントローラ２は、パージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”であると判断した場合には、ステップＳ５２へと処理を移行して、イジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮを演算する。
【００９４】
続いて、コントローラ２は、ステップＳ５３において、図４中ステップＳ２にて求めた目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴがイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも小さいか否かを判断する。
【００９５】
ここで、コントローラ２は、目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴがイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも小さいと判断した場合には、ステップＳ５４において、循環ポンプ３２を駆動させ、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。一方コントローラ２は、目標電流値ＴＣＵＲＲＥＮＴがイジェクタ循環下限電流値ＣＥＪＭＩＮよりも小さくないと判断した場合には、ステップＳ５５へと処理を移行する。
【００９６】
コントローラ２は、ステップＳ５５において、図４中ステップＳ３にて求めた目標ガス圧力ＴＰＲを読み込み、ステップＳ５６において、運転状態検出部１２によって水素圧力センサ３１からのセンサ信号を読み込み、水素の実圧力ＰＲＨ２を検出する。
【００９７】
そして、コントローラ２は、ステップＳ５７において、ステップＳ５６にて検出した水素ガスの実圧力ＰＲＨ２と、ステップＳ５５にて読み込んだ目標ガス圧力ＴＰＲとの差分（ＰＲＨ２−ＴＰＲ）が、所定値αよりも大きいか否かを判断する。
【００９８】
ここで、コントローラ２は、差分（ＰＲＨ２−ＴＰＲ）が所定値αよりも大きいと判断した場合には、ステップＳ５４へと処理を移行し、循環ポンプ３２を駆動させ、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【００９９】
一方、コントローラ２は、差分（ＰＲＨ２−ＴＰＲ）が所定値αよりも大きくないと判断した場合には、ステップＳ５８へと処理を移行し、循環ポンプ３２を非駆動とするように指令し、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【０１００】
また、コントローラ２は、ステップＳ５１にてパージ弁開閉フラグｆＰＵＲＧＥＨの値が“１”でないと判断した場合には、パージ弁２９が開放されている状態であるので、ステップＳ５９へと処理を移行し、循環ポンプ３２を非駆動とし、一連の循環ポンプ３２の駆動指令値演算処理を終了する。
【０１０１】
このような燃料電池システムにおいては、先に図９に示したように、燃料電池スタック１による発電量が所定値以上であっても、水素の実圧力が目標圧力よりも所定圧力以上大きい期間には循環ポンプ３２を駆動することにより、燃料電池スタック１の運転状態に拘わらず水素のストイキ比をほぼ目標値とするように制御することができ、水素の適切な循環を実現することができる。
【０１０２】
［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１から取り出す出力の目標値が所定値よりも小さくない場合には、水素ガスの実圧力と目標ガス圧力との差分が所定圧力よりも大きい期間に循環ポンプ３２を駆動することにより、実際にイジェクタ２８に供給する水素ガス流量を求めることなく循環ポンプ３２の制御が可能となるので、簡便な制御で水素の循環量を確保することができる。
【０１０３】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【０１０４】
例えば、上述の実施形態では、コントローラ２による制御内容として、循環ポンプ３２の駆動又は非駆動の別までしか述べていないが、この循環ポンプ３２の駆動内容としては、水素流量や目標ガス圧力と水素の実圧力との偏差の大きさに基づいて求める可変流量となるように、当該循環ポンプ３２を駆動するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムが備えるコントローラが有する制御系の機能を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタックから取り出す電流に対するイジェクタによる循環率の特性例を説明するための図である。
【図４】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、循環ポンプを制御して水素の適切な循環を実現する際の一連の処理を示すフローチャートである。
【図５】目標ガス圧力を演算する際に用いるデータ例を示す図であって、負荷に対する目標ガス圧力の特性例を説明するための図である。
【図６】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、図４に示すパージ実行判断処理を行う際の一連の処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、図４に示す循環ポンプの駆動指令値演算処理を行う際の一連の処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムに対する比較例における中負荷での出力低下の動作を示すタイミングチャートであって、（ａ）は燃料電池スタックによる発電量、（ｂ）は水素圧力、（ｃ）は水素調圧弁の開度、（ｄ）は水素流量、（ｅ）はイジェクタによる循環量、（ｆ）は循環ポンプによる流量、（ｇ）は水素のストイキ比の時系列変化を示す図である。
【図９】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するためのタイミングチャートであって、（ａ）は燃料電池スタックによる発電量、（ｂ）は水素圧力、（ｃ）は水素調圧弁の開度、（ｄ）は水素流量、（ｅ）はイジェクタによる循環量、（ｆ）は循環ポンプによる流量、（ｇ）は水素のストイキ比の時系列変化を示す図である。
【図１０】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、図４に示す循環ポンプの駆動指令値演算処理を行う際の一連の処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、図４に示す循環ポンプの駆動指令値演算処理を行う際の一連の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２コントローラ
１１目標発電量相当パラメータ演算部
１２運転状態検出部
１３ガス目標動作点演算部
１４ガス動作点制御部
１５循環ポンプ制御部
２１コンプレッサ
２２加湿器
２３空気供給制御弁
２４空気流量センサ
２５空気圧力センサ
２６高圧水素貯蔵タンク
２７水素調圧弁
２８イジェクタ
２９パージ弁
３０水素流量センサ
３１水素圧力センサ
３２循環ポンプ
３３純水ポンプ
３４電圧センサ
３５電流センサ
３６駆動ユニット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that is mounted on, for example, a fuel cell vehicle and circulates hydrogen gas or the like as a fuel gas when the fuel cell generates electric power to generate drive torque of the fuel cell vehicle.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a fuel gas containing a large amount of hydrogen is supplied to a fuel electrode (hydrogen electrode) of a fuel cell, and air as an oxidant gas is supplied to an air electrode, and these hydrogen and oxygen are supplied through a predetermined electrolyte membrane. 2. Description of the Related Art Fuel cell systems that generate generated power through electrochemical reaction are known.
[0003]
In a fuel cell system using such a fuel cell, the reaction gas discharged from the fuel cell is normally circulated as described in Patent Document 1 below.
[0004]
This Patent Document 1 discloses a fuel cell system that circulates and reuses the remaining fuel gas among the fuel gas used for power generation of the fuel cell. In Patent Document 1, a fuel cell stack that generates power by being supplied with an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, a power-free ejector provided in the middle of a flow path for supplying the anode gas to the anode, A fuel cell system including a circulation flow path for introducing anode exhaust gas discharged from an anode into an ejector and a circulation pump provided in the circulation flow path is disclosed.
[0005]
And in this patent document 1, since the unused gas discharged | emitted from a fuel cell stack also decreases at the time of the idle driving | running etc. which make electric power taken out low from a fuel cell, and the circulation effect in an ejector becomes low, It is disclosed that the flow rate of unused gas to be discharged is detected by a flow meter, and when the flow rate is small and the circulation effect in the ejector is low, the circulation pump is operated.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-352825 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, the circulation pump is operated when the flow rate of the unused gas to be discharged is small. Therefore, the circulation pump is only operated during low load operation such as idle operation. Will work.
[0008]
Therefore, in this fuel cell system, when pressure control is performed according to the operating load, the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack is suddenly reduced as when the operating load is suddenly reduced from a high load to a medium load, etc. In this case, the amount of fuel gas supplied to the ejector becomes zero, and the fuel gas may not be circulated by the ejector.
[0009]
However, in this fuel cell system, even if the circulation with such an ejector is impossible, the circulation pump is operated only by the flow rate of the unused gas, so that the circulation pump does not operate. In addition, there is a problem that it is impossible to circulate unused gas at all.
[0010]
Further, in this fuel cell system, since the circulation pump is controlled by the flow rate of the unused gas that is discharged, when the circulation pump is operated, the flow rate of the unused gas that is discharged immediately increases.
[0011]
Therefore, in this fuel cell system, if the control responsiveness is to be increased, the circulation pump is stopped immediately after the operation of the circulation pump is started, which may cause hunting of the circulation pump control.
[0012]
Here, such hunting can be prevented by performing control such that the circulation pump is operated for a predetermined time. However, in this case, the necessity of driving the circulation pump wastefully increases and energy loss is reduced. There was a problem of increasing.
[0013]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and it is possible to secure the circulation flow rate of the fuel gas in the entire operation region, prevent control hunting, and waste the fuel gas circulation. Provided is a fuel cell system that can suppress the pump drive.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas supply path that is connected to the fuel cell and supplies the fuel gas to the fuel cell. Means, a circulation path connecting the fuel gas outlet of the fuel cell and the fuel gas supply path, a fuel gas supplied from the fuel gas supply path to the fuel cell, and a fuel gas sent through the circulation path An ejector that recirculates to the fuel gas inlet of the fuel cell, and a pressure regulating valve that is provided in the fuel gas supply path upstream of the ejector and that is opened and closed according to control of the control means and controls the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell. . In this fuel cell system, the circulation pump provided in parallel with the ejector in the circulation path And a discharge valve provided upstream of the branch point of the circulation path to the circulation pump for discharging the gas inside the fuel cell to the outside of the fuel cell; The gas from the fuel gas outlet of the fuel cell is supplied to the ejector through the circulation path and returned to the fuel cell, and the gas from the fuel gas outlet of the fuel cell can be returned to the fuel cell by the circulation pump. It has become a structure.
[0015]
In order to solve the above problems, such a fuel cell system When it is determined that the target current value of the fuel cell is smaller than the ejector circulation lower limit current value when the discharge valve is closed, the control means for controlling to drive the circulation pump, The circulation pump is driven, and the gas from the fuel gas outlet of the fuel cell is returned to the fuel cell by the circulation pump.
[0016]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, the circulation pump is driven during the period when it is determined that the supply amount of the fuel gas from the fuel gas supply path to the ejector is equal to or less than the predetermined supply amount. Since the gas from the fuel gas outlet is returned to the fuel cell, the circulation amount of the fuel gas can be ensured in the entire operation region. Further, according to the fuel cell system of the present invention, the circulation pump is controlled based on the amount of fuel gas supplied to the ejector, so that control hunting can be prevented and unnecessary pump drive can be suppressed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
In this embodiment, for example, a driving torque for driving the vehicle is generated by supplying power to, for example, a driving motor mounted on a fuel cell vehicle and an auxiliary machine for generating power from the fuel cell stack. A fuel cell system to be operated will be described.
[0019]
[First Embodiment]
First, a fuel cell system according to a first embodiment to which the present invention is applied will be described.
[0020]
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment is a main power source of the fuel cell system, and includes a fuel gas containing a large amount of hydrogen for generating a power generation reaction and an oxidant gas containing oxygen. Are provided with a fuel cell stack 1 that generates electricity. This fuel cell stack 1 sandwiches a fuel cell structure having an air electrode supplied with an oxidant gas and a hydrogen electrode supplied with a fuel gas, with a separator, with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, It is configured by stacking a plurality of cell structures. That is, the power generation by the fuel cell stack 1 is performed by generating hydrogen ions (H ⁺ ) Passes through the polymer electrolyte membrane and reaches the air electrode, and this hydrogen ion combines with oxygen at the air electrode to form water (H ₂ By generating O). A current (electric power) obtained by generating power by the fuel cell stack 1 is supplied to an external system that constitutes a vehicle including a drive unit 36 described later.
[0021]
The fuel cell system also includes a controller 2 that is a control means for controlling the power generation reaction of the fuel cell stack 1 by controlling the operation of each part. The controller 2 stores a fuel cell control program describing a series of processing procedures for starting a fuel cell system and supplying power to a load in a storage unit such as a ROM (Read Only Memory) (not shown), for example. Various actuators including the drive unit 36 are driven and controlled by reading signals from various sensors described later, executing the fuel cell control program by a CPU (Central Processing Unit) (not shown), etc., and sending commands to each part.
[0022]
More specifically, the controller 2 has a functional configuration as shown in FIG. That is, the controller 2 calculates a parameter corresponding to the target power generation amount required for the fuel cell stack 1 by the target power generation amount equivalent parameter calculation unit 11, and based on sensor signals from various sensors by the operating state detection unit 12. The operating state of the fuel cell stack 1 is detected. In the controller 2, the gas target operating point calculator 13 calculates the target operating point of the gas in the fuel cell stack 1 based on the output of the target power generation amount equivalent parameter calculator 11, and the gas operating point controller 14 Based on the outputs of the operating state detector 12 and the gas target operating point calculator 13, the operating point of the gas is controlled. Thus, in the controller 2, the circulation pump control unit 15 circulates based on the outputs of the target power generation amount equivalent parameter calculation unit 11, the operation state detection unit 12, the gas target operation point calculation unit 13, and the gas operation point control unit 14. The pump 32 is controlled.
[0023]
When such an output (current value) that is taken out from the fuel cell stack 1 and supplied to the drive unit 36 is commanded, such a controller 2 determines the fuel gas and the oxidant determined based on the target power generation amount by the fuel cell stack 1. Each part constituting the fuel cell system is controlled in accordance with the target value relating to the gas, the actual air pressure and air flow rate, and the hydrogen pressure and hydrogen flow rate.
[0024]
Further, as shown in FIG. 1, the fuel cell system includes an air supply system that supplies air containing oxygen to the fuel cell stack 1, a hydrogen supply system that supplies hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 1, air and A pure water circulation system for humidifying hydrogen gas is provided.
[0025]
The air supply system includes a compressor 21 and a humidifier 22 provided in the air supply path L1 to supply air to the fuel cell stack 1, and an air supply control valve 23 provided on the air discharge side of the fuel cell stack 1. Has been. This air supply system is provided with an air flow sensor 24 for detecting the air flow rate supplied to the fuel cell stack 1 and an air pressure sensor 25 for detecting the air pressure supplied to the fuel cell stack 1 in the air supply path L1. It has been.
[0026]
Such an air supply system takes in the outside air by the compressor 21 according to the control signal of the controller 2 when generating power to the fuel cell stack 1, supplies the air through the humidifier 22, and discharges it from the fuel cell stack 1. The discharged air is discharged to the outside air through the air supply control valve 23. At this time, the controller 2 reads the sensor signal of the air flow rate sensor 24 and controls the rotation speed of the compressor 21 to adjust the air flow rate, and reads the sensor signal of the air pressure sensor 25 to control an actuator (not shown). Thus, the opening of the air supply control valve 23 is controlled to adjust the air pressure.
[0027]
The hydrogen supply system is provided with a high-pressure hydrogen storage tank 26, a hydrogen pressure regulating valve 27, an ejector 28, and a humidifier 22 in the hydrogen supply path L2 to supply hydrogen gas to the fuel cell stack 1, and to supply hydrogen gas from the fuel cell stack 1. A purge valve 29 is provided on the discharge side. The hydrogen supply system includes a hydrogen flow sensor 30 that detects the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 and a hydrogen pressure sensor 31 that detects the hydrogen pressure supplied to the fuel cell stack 1. A hydrogen supply path L2 on the stack 1 side is provided.
[0028]
Such a hydrogen supply system opens the hydrogen pressure regulating valve 27 by controlling an actuator (not shown) in accordance with a control signal from the controller 2 when generating power in the fuel cell stack 1, so that the high-pressure hydrogen storage tank 26 Hydrogen gas stored in a high pressure state is supplied to the fuel cell stack 1 via the ejector 28 and the humidifier 22. At this time, the controller 2 reads the sensor signals of the hydrogen flow sensor 30 and the hydrogen pressure sensor 31 and controls the opening of the hydrogen pressure regulating valve 27 to adjust the hydrogen flow rate and the hydrogen pressure. Further, the controller 2 controls the actuator of the purge valve 29 as necessary to discharge the gas in the fuel cell stack 1.
[0029]
The hydrogen supply system further includes a hydrogen supply path L2 between the hydrogen discharge side of the fuel cell stack 1 and the purge valve 29, and a hydrogen circulation path L3 that connects the ejector 28. Thus, in the hydrogen supply system, the hydrogen gas supplied from the hydrogen pressure regulating valve 27 to the fuel cell stack 1 is taken in by the ejector 28 and the hydrogen gas from the high-pressure hydrogen storage tank 26 and the fuel cell stack 1 The hydrogen gas discharged from the fuel is mixed and supplied to the fuel cell stack 1.
[0030]
Further, the hydrogen supply system includes a branch path L4 branched from the hydrogen circulation path L3 and connected from the ejector 28 to the hydrogen supply path L2 on the fuel cell stack 1 side. In this branch path L4, a circulation pump 32 for taking in the gas in the hydrogen circulation path L3 and supplying it to the hydrogen supply path L2 is provided in parallel with the ejector 28 for taking in the hydrogen gas in the hydrogen circulation path L3. It has been. The circulation pump 32 is driven by a control signal from the controller 2 and takes in the gas in the hydrogen circulation path L3 and discharges it to the air supply path L1, thereby discharging the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 1 to the fuel cell stack 1. To supply.
[0031]
The pure water circulation system is configured by providing a pure water pump 33 and a humidifier 22 in a pure water circulation path L5. This pure water circulation system circulates pure water in the pure water circulation path L5 by driving the pure water pump 33 according to the control signal of the controller 2 when generating power in the fuel cell stack 1. Accordingly, the pure water circulation system humidifies the air and hydrogen gas passing through the humidifier 22 and humidifies the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 1.
[0032]
Further, in this fuel cell system, a voltage sensor 34 for detecting a voltage taken out from the fuel cell stack 1, a current sensor 35 for detecting a current taken out from the fuel cell stack 1, and a fuel cell stack 1 on the power supply line of the fuel cell stack 1. A drive unit 36 that is driven by the electric power from is provided.
[0033]
In such a fuel cell system, the controller 2 uses a predetermined target value in which the detection values detected by the air flow sensor 24 and the air pressure sensor 25 are determined based on the target power generation amount by the fuel cell stack 1 at that time. Thus, the drive amount of the compressor 21, the opening degree of the air supply control valve 15, the drive amount of the pure water pump 33, and the like are controlled.
[0034]
In addition, the controller 2 determines that the detection value detected by the hydrogen flow sensor 30 and the hydrogen pressure sensor 31 is a predetermined target value determined based on the target power generation amount by the fuel cell stack 1 at that time. The opening degree of the pressure regulating valve 27, the driving amount of the pure water pump 33, and the like are controlled.
[0035]
Further, the controller 2 controls the output of the fuel cell stack 1 based on the detection values detected by the voltage sensor 34 and the current sensor 35 and determines the power supplied to the drive unit 36.
[0036]
[Operation of fuel cell system]
Next, the contents of the hydrogen supply control process performed by the controller 2 in the fuel cell system configured as described above will be described.
[0037]
Here, FIG. 3 shows a characteristic example of the circulation rate by the ejector 28 with respect to the load (current) taken out from the fuel cell stack 1. Normally, the characteristics of the circulation rate by the ejector 28 are such that the circulation rate suddenly increases from an extremely low load region where the output current of the fuel cell stack 1 is a predetermined value or less and reaches the target circulation rate. Thus, in an extremely low load region where the current is equal to or less than a predetermined value, it becomes difficult to achieve a desired circulation rate using only the ejector 28. Therefore, in the fuel cell system, control using the circulation pump 32 is performed by the controller 2 in an operation region where it is difficult to secure the circulation rate using the ejector 28.
[0038]
On the other hand, in the fuel cell system, when the ejector 28 is adapted to a low flow rate in order to realize circulation using the ejector 28 to a lower load, a wide range from a low load to a high load is obtained. Since it is impossible to flow the hydrogen flow rate, complicated control is required, such as providing a plurality of ejectors 28 having different use flow rate ranges and using the plurality of ejectors 28 depending on the region.
[0039]
Therefore, in the fuel cell system, the circulation pump 32 is driven in both the extremely low load region and the operation state as described below to realize the circulation of hydrogen gas.
[0040]
Further, in the fuel cell system, during a transition in which the hydrogen gas flow rate is changed, even if the output current of the fuel cell stack 1 is higher than the extremely low load region, the hydrogen flow rate supplied to the ejector 28 is reduced. Even in this case, the controller 2 performs control using the circulation pump 32.
[0041]
Specifically, in the fuel cell system, appropriate circulation of hydrogen is realized through a series of processes shown in FIG. 4 under the control of the controller 2. The series of processing shown in FIG. 4 is executed at predetermined time intervals of 10 ms, for example, when the fuel cell system is activated.
[0042]
First, in step S1, the controller 2 calculates the target power generation amount TPOWER that is the target of the power generation amount of the fuel cell stack 1 by the target power generation amount equivalent parameter calculation unit 11 shown in FIG.
[0043]
Subsequently, in step S2, the controller 2 uses the target power generation amount equivalent parameter calculation unit 11 to generate the power generation amount of the target power generation amount TPOWER obtained in step S1. The target current value TCURENT to be calculated is calculated.
[0044]
Subsequently, in step S3, the controller 2 sets the target air pressure and hydrogen gas pressure required when the target current value TCURENT obtained in step S2 is output from the fuel cell stack 1 by the gas target operating point calculation unit 13. The calculation for obtaining the gas pressure TPR is performed. At this time, the gas target operating point calculation unit 13 calculates the target gas pressure TPR using, for example, table data as shown in FIG. 5 indicating the target gas pressure with respect to the load. The table data used for this calculation is data in which the target gas pressure increases nonlinearly as the load (target current value TCURENT) increases, and the target gas pressure is always set to a value larger than atmospheric pressure. It is data.
[0045]
In step S <b> 4, the controller 2 reads the sensor signal from the hydrogen pressure sensor 31 by the operating state detection unit 12 and detects the actual pressure PR of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1.
[0046]
In step S5, the controller 2 reads a signal from a sensor (not shown) that detects the temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack 1 by the operating state detection unit 12, and detects the cooling water temperature TFC.
[0047]
Subsequently, in step S6, the controller 2 applies the fuel gas stack 1 to the fuel cell stack 1 by the gas operating point calculation unit 54 based on the target gas pressure TPR obtained in step S3 and the actual hydrogen pressure PR detected in step S4. Hydrogen pressure control is executed by adjusting the opening of the hydrogen pressure regulating valve 27 so that the hydrogen gas pressure to be supplied is the target gas pressure TPR. In step S6, it is desirable that not only the hydrogen gas pressure but also the air pressure be set to the target gas pressure TPR by controlling the opening degree of the air supply control valve 23 and the rotation speed of the compressor 21.
[0048]
In step S7, the controller 2 performs a purge execution determination process for purging the hydrogen gas by the purge valve 29.
[0049]
Specifically, the controller 2 performs a series of processes shown in FIG. 6 as the purge execution determination process. In the process shown in FIG. 6, the purge valve open / close flag fPURGEH indicating the open / close state of the purge valve 29 is represented by “1” when the purge valve 29 is closed, and the purge valve 29 is open. Is represented by “0”.
[0050]
First, when performing the purge execution determination process, the controller 2 detects the cell voltage CV of the fuel cell stack 1 by reading the sensor signal from the voltage sensor 34 by the operating state detection unit 12 in step S11. In S12, an estimation calculation of the nitrogen accumulation amount N2 in the hydrogen electrode in the fuel cell stack 1 is performed. Here, the controller 2 increases the nitrogen accumulation amount N2 as the differential pressure between the hydrogen electrode and the air electrode in the fuel cell stack 1 increases, and increases as the elapsed time from closing the purge valve 29 increases. Increase the amount N2.
[0051]
Subsequently, in step S13, the controller 2 determines whether or not the purge is currently being performed by determining whether or not the value of the purge valve opening / closing flag fPURGEH is “1”.
[0052]
Here, when the controller 2 determines that the value of the purge valve open / close flag fPURGEH is “1”, that is, the purge valve 29 is closed and not purged, the process proceeds to step S14. Then, it is determined whether or not the minimum cell voltage min (CV) is smaller than a predetermined lower limit value CVLIMIT set in advance.
[0053]
When the controller 2 determines that the minimum cell voltage min (CV) is smaller than the predetermined lower limit value CVLIMIT, the controller 2 proceeds to step S15 and sets the value of the purge valve open / close flag fPURGEH to “0”. Set. That is, the controller 2 outputs a control signal for opening the purge valve 29 and ends a series of purge execution determination processes.
[0054]
On the other hand, when the controller 2 determines in step S14 that the minimum cell voltage min (CV) is not smaller than the predetermined lower limit value CVLIMIT, the process proceeds to step S16 and is calculated in step S12. It is determined whether the nitrogen accumulation amount N2 is larger than a predetermined upper limit value N2LIMIT set in advance.
[0055]
If the controller 2 determines that the nitrogen accumulation amount N2 is larger than the predetermined upper limit value N2LIMIT, the controller 2 proceeds to step S15 and sets the value of the purge valve opening / closing flag fPURGEH to “0”. That is, when the purge valve 29 is instructed to be opened and the series of purge execution determination processes is completed, it is determined that the nitrogen accumulation amount N2 of the hydrogen electrode is not larger than the predetermined upper limit value N2LIMIT. The series of purge execution determination processes is terminated without opening the purge valve 29 as it is.
[0056]
If the controller 2 determines that the value of the purge valve opening / closing flag fPURGEH is not “1” in step S13, that is, the purge valve 29 is open and purging is being performed, the process proceeds to step S17. It is determined whether or not a condition for closing the purge valve 29 such as the passage of a predetermined time from the opening time of the purge valve 29 or the recovery of the cell voltage is satisfied.
[0057]
If the controller 2 determines that the condition for closing the purge valve 29 is satisfied, the controller 2 sets the value of the purge valve open / close flag fPURGEH to “1” in step S18 and closes the purge valve 29. And a series of purge execution determination processes are terminated. On the other hand, if the controller 2 determines that the condition for closing the purge valve 29 is not satisfied, the series of purge execution determination processing ends while the purge valve 29 remains open.
[0058]
When the controller 2 completes such a series of purge execution determination processes, the process proceeds to step S8 in FIG. That is, the controller 2 calculates the drive command value of the circulation pump 32 by the circulation pump control part 55 previously shown in FIG. 2 in step S8.
[0059]
Specifically, the controller 2 performs a series of processes shown in FIG. 7 as the drive command value calculation process for the circulation pump 32.
[0060]
First, when the controller 2 performs a drive command value calculation process for the circulation pump 32, as shown in the figure, in step S21, the value of the purge valve open / close flag fPURGEH is “1”, that is, the purge valve It is determined whether 29 is closed and not purged.
[0061]
Here, when the controller 2 determines that the value of the purge valve opening / closing flag fPURGEH is “1”, the process proceeds to step S22, and the hydrogen gas circulation by the ejector 28 is established. Is the lower limit value of the output current of the fuel cell stack 1 for determining Ejector circulation lower limit current value Calculate CEJMIN.
[0062]
In addition, this Ejector circulation lower limit current value CEJMIN is calculated by the controller 2 from the coolant temperature TFC of the fuel cell stack 1 detected in step S5 in FIG. 4 and the nitrogen accumulation amount N2 of the hydrogen electrode in the fuel cell stack 1 obtained in step S12 in FIG. Ask. That is, in the fuel cell system, when the cooling water temperature of the fuel cell stack 1 is high, the water vapor partial pressure in the circulating gas increases, and the ratio of water vapor to the hydrogen gas in the circulating gas discharged from the fuel cell stack 1 increases. Since it increases, the circulation efficiency of the hydrogen gas by the ejector 28 falls. Therefore, the controller 2 has a higher cooling water temperature TFC. Ejector circulation lower limit current value In order to increase CEJMIN, Ejector circulation lower limit current value CEJMIN is calculated. Further, in the fuel cell system, when the nitrogen accumulation amount N of the hydrogen electrode in the fuel cell stack 1 is large, the hydrogen gas circulation efficiency by the ejector 28 also decreases. Therefore, the controller 2 increases as the nitrogen accumulation amount N2 increases. Ejector circulation lower limit current value In order to increase CEJMIN, Ejector circulation lower limit current value CEJMIN is calculated.
[0063]
Subsequently, in step S23, the controller 2 determines that the target current value TCURRENT obtained in step S2 in FIG. Ejector circulation lower limit current value It is determined whether or not it is smaller than CEJMIN.
[0064]
Here, the controller 2 determines that the target current value TCURRENT is Ejector circulation lower limit current value If it is determined that the value is smaller than CEJMIN, the circulation pump 32 is driven in step S24, and the series of drive command value calculation processing for the circulation pump 32 is terminated. On the other hand, the controller 2 determines that the target current value TCURRENT is Ejector circulation lower limit current value If it is determined that it is not smaller than CEJMIN, the process proceeds to step S25.
[0065]
In step S25, the controller 2 reads a command value indicating the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 27 by the operating state detecting unit 12, and in step S26, whether the command value indicating the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 27 corresponds to full closing. Judge whether or not.
[0066]
When the controller 2 determines that the command value indicating the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 27 is equivalent to full closing, the controller 2 proceeds to step S24, drives the circulation pump 32, and performs a series of circulations. The drive command value calculation process for the pump 32 is terminated. On the other hand, if the controller 2 determines that the command value indicating the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 27 is not equivalent to full closing, the controller 2 proceeds to step S27, and the series of circulation pumps are made non-driven with the circulation pump 32 being non-driven. 32 drive command value calculation processing is completed.
[0067]
If the controller 2 determines that the value of the purge valve opening / closing flag fPURGEH is not "1" in step S21, the purge valve 29 is in an open state, so the process proceeds to step S28. Then, the circulation pump 32 is not driven, and the series of drive command value calculation processing for the circulation pump 32 is terminated.
[0068]
Next, the operation of the comparative example for the fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. 8, and the operation of the fuel cell system when the processing shown in FIGS. 4, 6, and 7 is performed will be described. This will be described with reference to FIG. Here, the fuel cell system according to the comparative example drives the circulation pump only when the power generation amount by the fuel cell stack is equal to or less than a predetermined value, and outputs from the medium load when the circulation pump is not driven at the time of medium load. Shows the operation when drops.
[0069]
In this case, when the target power generation amount by the fuel cell stack sharply decreases at time T1 (FIG. 8 (a), FIG. 9 (a)), the target hydrogen pressure also decreases rapidly (FIG. 8 (b), FIG. 9B). However, since the hydrogen supply system is composed of a circulation system, the actual hydrogen pressure gradually decreases in accordance with the output of the fuel cell stack after the decrease, that is, the extraction current (FIG. 8B). 9 (b)). Therefore, in this state, it is not necessary to supply hydrogen from the upstream side of the high-pressure hydrogen storage tank 26, so the hydrogen pressure regulating valve 27 is fully closed (FIG. 8 (c), FIG. 9 (c)). The hydrogen flow rate from the high-pressure hydrogen storage tank 26 to the ejector 28 is also zero (FIGS. 8D and 9D).
[0070]
As a result, the amount of circulation by the ejector 28 also becomes zero (FIGS. 8 (e) and 9 (e)). As a result, during the period from time T1 to time T2 when the actual hydrogen pressure decreases, The ratio (supply flow rate / consumption flow rate) falls below the target value (FIG. 8 (g)).
[0071]
On the other hand, in the fuel cell system to which the present invention is applied, as shown in FIG. 9, even if the power generation amount by the fuel cell stack 1 is equal to or greater than a predetermined value, the hydrogen pressure regulating valve 27 is fully closed or extremely low open. In this period, the circulation pump 32 is driven during a period in which the hydrogen flow rate is zero or extremely low (FIG. 9F). Thereby, in the fuel cell system, control can be performed so that the stoichiometric ratio of hydrogen becomes substantially the target value (FIG. 9G).
[0072]
As described above, in the fuel cell system, under the control of the controller 2, the ejector 28 is controlled by driving the circulation pump 32 during a period in which the hydrogen supply amount to the ejector 28 is smaller than a predetermined value. Together with this, it is possible to realize an appropriate circulation of hydrogen.
[0073]
[Effect of the first embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system of the first embodiment, the opening of the hydrogen pressure regulating valve 27 is equivalent to a fully closed state, and the amount of hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen storage tank 26 to the ejector 28 is high. By driving the circulation pump 32 provided in parallel with the ejector 28 during a period that is not more than the predetermined value, Ejector circulation lower limit current value Even if the target current value TCURRENT is larger than CEJMIN and the amount of power generated by the fuel cell stack 1 is equal to or greater than a predetermined value, the circulation pump 32 is driven. Therefore, according to this fuel cell system, the circulation amount of hydrogen gas can be ensured in the entire operation region. Further, in this fuel cell system, since the circulation pump 32 is controlled based on the amount of hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen storage tank 26 to the ejector 28, hunting of the circulation pump 32 control is prevented and unnecessary pump driving is also suppressed. can do.
[0074]
Further, in this fuel cell system, even if the amount of power generated by the fuel cell stack 1 is equal to or greater than a predetermined value, the circulation pump 32 is driven during a period in which the opening of the hydrogen pressure regulating valve 27 is fully closed. In addition, the circulation amount of hydrogen gas can be secured.
[0075]
Furthermore, in this fuel cell system, the target current value TCURENT is Ejector circulation lower limit current value By controlling by the controller 2 so that the circulation pump 32 is driven in a period smaller than CEJMIN and the target value of the output taken out from the fuel cell stack 1 is smaller than a predetermined value, the high pressure hydrogen storage tank 26 is caused by some trouble. Even when it is impossible to estimate the flow rate of the hydrogen gas supplied to the ejector 28, the minimum amount of hydrogen gas circulated can be secured.
[0076]
Here, in this fuel cell system, the lower limit current value is calculated so that the value increases as the coolant temperature increases, so that the temperature of the fuel cell stack 1 is high and the fuel cell stack 1 Even in an operation state in which the discharged gas contains a large amount of water vapor and it is difficult to circulate the hydrogen gas by the ejector 28, the circulation pump 32 can be driven to reliably realize the circulation of the hydrogen gas.
[0077]
In this fuel cell system, the value increases as the differential pressure between the hydrogen electrode and the air electrode in the fuel cell stack 1 increases, and as the elapsed time from closing the purge valve 29 increases. Calculate the lower limit current value. Thus, in the fuel cell system, the circulation pump 32 is driven even in an operation state in which the amount of nitrogen accumulated in the gas discharged from the fuel cell stack 1 is large and the hydrogen gas circulation by the ejector 28 is difficult. It becomes possible to realize the circulation of hydrogen gas with certainty.
[0078]
Furthermore, in this fuel cell system, the hydrogen gas flow rate inside the fuel cell stack 1 can be sufficiently secured by stopping the circulation pump 32 while the purge valve 29 is open without being driven. In this case, it is possible to prevent the extra power from being consumed by stopping the circulation pump 32.
[0079]
[Second Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment will be described. In the description of the second embodiment, the same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0080]
In the fuel cell system according to the second embodiment, the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1 is reduced even when the amount of power generated by the fuel cell stack 1 is not more than a predetermined value or not less than a predetermined value. The driving of the circulation pump 32 is controlled based on the same calculated value.
[0081]
[Operation of fuel cell system]
In the fuel cell system according to the second embodiment, as a drive command value calculation process for the circulation pump 32, a series of processes shown in FIG. 10 is performed instead of the series of processes shown in FIG.
[0082]
That is, as shown in the figure, the controller 2 determines in step S31 whether the value of the valve opening / closing flag fPURGEH is “1”, that is, whether the purge valve 29 is closed and not purging. To do. Here, when the controller 2 determines that the value of the purge valve opening / closing flag fPURGEH is “1”, the controller 2 proceeds to step S32, and similarly to step S22. Ejector circulation lower limit hydrogen flow rate QH2EJMIN is calculated.
[0083]
Subsequently, in step S33, the controller 2 detects the upstream of the hydrogen pressure regulating valve 27 from a sensor signal from a hydrogen pressure sensor (not shown) provided in the hydrogen supply path L2 between the high pressure hydrogen storage tank 26 and the hydrogen pressure regulating valve 27. The hydrogen pressure PH2M is read, a command value indicating the opening of the hydrogen pressure regulating valve 27 is read by the operating state detection unit 12 in step S34, and a sensor signal from the hydrogen pressure sensor 31 is read by the operating state detection unit 12 in step S35. Read and detect actual pressure PRH2 of hydrogen.
[0084]
Subsequently, in step S36, the controller 2 detects the hydrogen pressure PH2M upstream of the hydrogen pressure regulating valve 27 detected in step S33, the command value of the hydrogen pressure regulating valve 27 detected in step S34, and the hydrogen pressure detected in step S35. The hydrogen flow rate QH2 supplied from the high-pressure hydrogen storage tank 26 to the ejector 28 is calculated based on the actual pressure PRH2.
[0085]
In step S37, the controller 2 obtains the hydrogen flow rate QH2 obtained in step S36 in step S32. Ejector circulation lower limit hydrogen flow rate It is determined whether it is smaller than QH2EJMIN. Here, the controller 2 has a hydrogen flow rate QH2 of Ejector circulation lower limit hydrogen flow rate If it is determined that the value is smaller than QH2EJMIN, the process proceeds to step S38, the circulation pump 32 is driven, and a series of drive command value calculation processes for the circulation pump 32 are terminated.
[0086]
On the other hand, the controller 2 has a hydrogen flow rate QH2. Ejector circulation lower limit hydrogen flow rate If it is determined that it is not smaller than QH2EJMIN, the process proceeds to step S39, the circulation pump 32 is controlled to be non-driven, and the series of drive command value calculation processes for the circulation pump 32 is terminated.
[0087]
If the controller 2 determines that the value of the purge valve open / close flag fPURGEH is not “1” in step S31, the purge valve 29 is in an open state, so the process proceeds to step S40. Then, the circulation pump 32 is not driven, and the series of drive command value calculation processing for the circulation pump 32 is terminated.
[0088]
In the fuel cell system, the circulation pump 32 is controlled by performing such a series of drive command value calculation processes of the circulation pump 32 under the control of the controller 2. In the fuel cell system, even when the control shown as the second embodiment is performed, the circulation pump 32 is driven as shown in FIG. 9, and the fuel cell stack 1 is in an operation state. Therefore, it is possible to control the stoichiometric ratio of hydrogen so that it substantially becomes a target value, and it is possible to realize an appropriate circulation of hydrogen together with the ejector 28.
[0089]
[Effects of Second Embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system of the second embodiment, the high-pressure hydrogen storage tank 26 calculated based on at least the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 27 and the actual hydrogen pressure is supplied to the ejector 28. Is used as the same calculation value indicating the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1, and the flow rate of hydrogen is Ejector circulation lower limit hydrogen flow rate Since the circulation pump 32 is driven during a period smaller than the predetermined flow rate set as QH2EJMIN, it becomes possible to drive the circulation pump 32 after accurately grasping the operation state in which hydrogen circulation by the ejector 28 is difficult, and a wasteful pump Driving can be suppressed and hydrogen circulation is secured efficiently with low power consumption.
be able to.
[0090]
[Third Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a third embodiment will be described. In the description of the third embodiment, the same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0091]
In the fuel cell system according to the third embodiment, when the amount of power generated by the fuel cell stack 1 is greater than or equal to a predetermined value, the target pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1 and the actual pressure of the hydrogen gas are Based on the relationship, the drive of the circulation pump 32 is controlled.
[0092]
[Operation of fuel cell system]
In the fuel cell system according to the third embodiment, as a drive command value calculation process for the circulation pump 32, a series of processes shown in FIG. 11 is performed instead of the series of processes shown in FIG.
[0093]
That is, as shown in the figure, the controller 2 determines whether or not the value of the purge valve open / close flag fPURGEH is “1” in step S51, that is, whether or not the purge valve 29 is closed and not purged. Judging. Here, when the controller 2 determines that the value of the purge valve open / close flag fPURGEH is “1”, the process proceeds to step S52, Ejector circulation lower limit current value Calculate CEJMIN.
[0094]
Subsequently, in step S53, the controller 2 determines that the target current value TCURRENT obtained in step S2 in FIG. Ejector circulation lower limit current value It is determined whether or not it is smaller than CEJMIN.
[0095]
Here, the controller 2 determines that the target current value TCURRENT is Ejector circulation lower limit current value If it is determined that the value is smaller than CEJMIN, the circulation pump 32 is driven in step S54, and a series of drive command value calculation processing for the circulation pump 32 is terminated. On the other hand, the controller 2 determines that the target current value TCURENT is Ejector circulation lower limit current value If it is determined that it is not smaller than CEJMIN, the process proceeds to step S55.
[0096]
In step S55, the controller 2 reads the target gas pressure TPR obtained in step S3 in FIG. 4, and in step S56, reads the sensor signal from the hydrogen pressure sensor 31 by the operating state detection unit 12 to determine the actual hydrogen pressure PRH2. Is detected.
[0097]
In step S57, the controller 2 determines that the difference (PRH2−TPR) between the actual pressure PRH2 of hydrogen gas detected in step S56 and the target gas pressure TPR read in step S55 is greater than a predetermined value α. Determine whether or not.
[0098]
If the controller 2 determines that the difference (PRH2−TPR) is greater than the predetermined value α, the controller 2 proceeds to step S54 to drive the circulation pump 32 and drive the series of circulation pumps 32. The command value calculation process is terminated.
[0099]
On the other hand, if the controller 2 determines that the difference (PRH2−TPR) is not greater than the predetermined value α, the controller 2 proceeds to step S58 and instructs the circulation pump 32 not to be driven. The drive command value calculation process of the circulation pump 32 is terminated.
[0100]
If the controller 2 determines that the value of the purge valve opening / closing flag fPURGEH is not “1” in step S51, the purge valve 29 is in an open state, and the process proceeds to step S59. Then, the circulation pump 32 is not driven, and the series of drive command value calculation processing for the circulation pump 32 is terminated.
[0101]
In such a fuel cell system, as shown in FIG. 9, even if the amount of power generated by the fuel cell stack 1 is equal to or greater than a predetermined value, the actual hydrogen pressure is in a period greater than the target pressure by a predetermined pressure or more. By driving the circulation pump 32, it is possible to control the hydrogen stoichiometric ratio to be substantially the target value regardless of the operating state of the fuel cell stack 1, and to realize an appropriate circulation of hydrogen.
[0102]
[Effect of the third embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the third embodiment, when the target value of the output taken out from the fuel cell stack 1 is not smaller than the predetermined value, the actual pressure of the hydrogen gas and the target gas By driving the circulation pump 32 during a period when the difference from the pressure is larger than the predetermined pressure, the circulation pump 32 can be controlled without obtaining the flow rate of the hydrogen gas actually supplied to the ejector 28. A circulation amount of hydrogen can be secured.
[0103]
The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and even if it is a form other than this embodiment, as long as it does not depart from the technical idea of the present invention, it depends on the design and the like. Of course, various modifications are possible.
[0104]
For example, in the above-described embodiment, the control content by the controller 2 has been described only up to whether the circulation pump 32 is driven or not driven. However, the drive content of the circulation pump 32 includes the hydrogen flow rate, the target gas pressure, and the hydrogen. The circulation pump 32 may be driven so as to obtain a variable flow rate obtained based on the magnitude of deviation from the actual pressure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram illustrating functions of a control system included in a controller provided in the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram for explaining a characteristic example of a circulation rate by an ejector with respect to a current taken out from a fuel cell stack included in the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a flowchart showing a series of processes when an appropriate circulation of hydrogen is realized by controlling a circulation pump in the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 5 is a diagram showing an example of data used when calculating a target gas pressure, and is a diagram for explaining a characteristic example of a target gas pressure with respect to a load.
6 is a flowchart showing a series of processes when performing a purge execution determination process shown in FIG. 4 in the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied.
7 is a flowchart showing a series of processes when performing a drive command value calculation process for the circulation pump shown in FIG. 4 in the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a timing chart showing an output reduction operation at a medium load in a comparative example with respect to the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied, where (a) shows the amount of power generated by the fuel cell stack; b) hydrogen pressure, (c) hydrogen control valve opening, (d) hydrogen flow rate, (e) circulation amount by ejector, (f) flow rate by circulation pump, (g) hydrogen stoichiometric ratio It is a figure which shows a time-sequential change.
FIGS. 9A and 9B are timing charts for explaining the operation of the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied, where FIG. 9A is a power generation amount by the fuel cell stack, FIG. 9B is a hydrogen pressure, (c) is the opening of the hydrogen pressure regulating valve, (d) is the hydrogen flow rate, (e) is the circulation amount by the ejector, (f) is the flow rate by the circulation pump, and (g) is a diagram showing the time-series change in the stoichiometric ratio of hydrogen. It is.
10 is a flowchart showing a series of processes when performing a drive command value calculation process of the circulation pump shown in FIG. 4 in the fuel cell system according to the second embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 11 is a flowchart showing a series of processes when performing a drive command value calculation process for the circulation pump shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Controller
11 Target power generation equivalent parameter calculator
12 Operating state detector
13 Gas target operating point calculator
14 Gas operating point controller
15 Circulation pump controller
21 Compressor
22 Humidifier
23 Air supply control valve
24 Air flow sensor
25 Air pressure sensor
26 High pressure hydrogen storage tank
27 Hydrogen pressure regulating valve
28 Ejector
29 Purge valve
30 Hydrogen flow sensor
31 Hydrogen pressure sensor
32 Circulation pump
33 Pure water pump
34 Voltage sensor
35 Current sensor
36 Drive unit

Claims

A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A fuel gas supply path connected to the fuel cell, and a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
A circulation path connecting the fuel gas outlet of the fuel cell and the fuel gas supply path;
An ejector that mixes a fuel gas supplied from the fuel gas supply path to the fuel cell and a fuel gas sent via the circulation path and recirculates the fuel gas to a fuel gas inlet of the fuel cell;
A circulation pump provided in parallel with the ejector in the circulation path;
A pressure regulating valve that is provided in the fuel gas supply path upstream of the ejector, and that opens and closes to control the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Pressure detecting means for detecting the actual pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
A discharge valve provided upstream from a branch point to the circulation pump of the circulation path, and discharges gas inside the fuel cell to the outside of the fuel cell;
And a control means for controlling to drive the circulation pump when it is determined that the target current value of the fuel cell is smaller than the ejector circulation lower limit current value when the discharge valve is closed.

A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A fuel gas supply path connected to the fuel cell, and a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
A circulation path connecting the fuel gas outlet of the fuel cell and the fuel gas supply path;
An ejector that mixes a fuel gas supplied from the fuel gas supply path to the fuel cell and a fuel gas sent via the circulation path and recirculates the fuel gas to a fuel gas inlet of the fuel cell;
A circulation pump provided in parallel with the ejector in the circulation path;
A pressure regulating valve that is provided in the fuel gas supply path upstream of the ejector, and that opens and closes to control the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Pressure detecting means for detecting the actual pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
A discharge valve provided upstream of a branch point of the circulation path to the circulation pump, and discharges the gas inside the fuel cell to the outside of the fuel cell;
When the discharge valve is closed, it is determined that the target current value of the fuel cell is not smaller than the ejector circulation lower limit current value, and if the pressure regulating valve is determined to be fully closed, the circulation pump is driven. And a control means for controlling the fuel cell system.

A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A fuel gas supply path connected to the fuel cell, and a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
A circulation path connecting the fuel gas outlet of the fuel cell and the fuel gas supply path;
An ejector that mixes a fuel gas supplied from the fuel gas supply path to the fuel cell and a fuel gas sent via the circulation path and recirculates the fuel gas to a fuel gas inlet of the fuel cell;
A circulation pump provided in parallel with the ejector in the circulation path;
A pressure regulating valve that is provided in the fuel gas supply path upstream of the ejector, and that opens and closes to control the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Pressure detecting means for detecting the actual pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
A discharge valve provided upstream of a branch point of the circulation path to the circulation pump, and discharges the gas inside the fuel cell to the outside of the fuel cell;
When the discharge valve is closed, it is determined that the target current value of the fuel cell is not smaller than the ejector circulation lower limit current value, and further, the difference between the actual fuel gas pressure and the target gas pressure is determined to be larger than a predetermined value. Then, a control means for controlling to drive the circulation pump, a fuel cell system.

A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A fuel gas supply path connected to the fuel cell, and a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
A circulation path connecting the fuel gas outlet of the fuel cell and the fuel gas supply path;
An ejector that mixes a fuel gas supplied from the fuel gas supply path to the fuel cell and a fuel gas sent via the circulation path and recirculates the fuel gas to a fuel gas inlet of the fuel cell;
A circulation pump provided in parallel with the ejector in the circulation path;
A pressure regulating valve that is provided in the fuel gas supply path upstream of the ejector, and that opens and closes to control the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Pressure detecting means for detecting the actual pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
A discharge valve provided upstream of a branch point of the circulation path to the circulation pump, and discharges the gas inside the fuel cell to the outside of the fuel cell;
And a control means for controlling to drive the circulation pump when it is determined that a hydrogen flow rate supplied to the ejector is smaller than an ejector circulation lower limit hydrogen flow rate when the discharge valve is closed.