JP2018006168A - Fuel cell system and method for controlling fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
特許文献1には、電動ターボ過給器と、電動ターボ過給器のタービンに燃焼排ガスを供給する触媒燃焼器を備えた燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、燃料電池からのアノード排ガスがパージ導管を介して発電等で生成された液水とともに排出する。 Patent Document 1 describes a fuel cell system including an electric turbocharger and a catalytic combustor that supplies combustion exhaust gas to a turbine of the electric turbocharger. In this fuel cell system, anode exhaust gas from the fuel cell is discharged together with liquid water generated by power generation or the like via a purge conduit.
特許文献1の燃料電池システムでは、アノード排ガスをパージ導管を介して触媒燃焼器に送っているに過ぎず、タービンへの液水の供給制御を行なっていないため、必ずしも十分にタービン効率を向上させることができなかった。 In the fuel cell system of Patent Document 1, the anode exhaust gas is merely sent to the catalytic combustor via the purge conduit, and the supply of liquid water to the turbine is not controlled. Therefore, the turbine efficiency is always sufficiently improved. I couldn't.
本発明のある態様によれば、燃料電池から排出される液水を燃焼器に供給する液水供給部を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池の負荷、コンプレッサの目標動力、タービンの目標回収動力、及びタービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つを含む液水流量制御パラメータに基づいて、燃焼器に供給される液水の流量を制御する液水流量制御部を備える。 According to an aspect of the present invention, a fuel cell system including a liquid water supply unit that supplies liquid water discharged from a fuel cell to a combustor is provided. The fuel cell system uses a liquid water flow rate control parameter including at least one of a fuel cell load, a compressor target power, a turbine target recovery power, and a turbine target inlet temperature. A liquid water flow rate control unit that controls the flow rate of the supplied liquid water is provided.
この燃料電池システムは、燃料電池から排出される液水を燃焼器に供給する液水供給部をさらに有する。そして、運転制御装置は、燃料電池の負荷、コンプレッサの目標動力、タービンの目標回収動力、及びタービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つに基づいて、燃焼器に供給される液水の流量である燃焼器供給液水流量を制御する液水流量制御部を備える。 The fuel cell system further includes a liquid water supply unit that supplies liquid water discharged from the fuel cell to the combustor. The operation control device is configured to provide liquid water to be supplied to the combustor based on at least one of the load of the fuel cell, the target power of the compressor, the target recovery power of the turbine, and the target inlet temperature of the turbine. A liquid water flow rate control unit that controls the flow rate of the combustor supply liquid water that is a flow rate is provided.
本発明のある態様によれば、燃焼器に供給する液水を燃料電池の運転状態に応じて適切に供給することができ、タービン効率を向上させることができる。 According to an aspect of the present invention, liquid water to be supplied to the combustor can be appropriately supplied according to the operating state of the fuel cell, and turbine efficiency can be improved.
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
図示のように、本発明の第1実施形態における燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、カソード給排機構12と、アノード供給機構14と、コンプレッサ64及びタービン62を有するターボ過給器16と、加熱/冷却機構17と、HFR測定装置18と、負荷装置19と、コントローラ20と、を有している。
As shown, the
燃料電池スタック10は、複数の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック10は、アノード供給機構14からのアノードガス(水素)の供給及びカソード給排機構12からのカソードガス(空気)の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、コンプレッサ64等の各種の補機類や、図示しない車輪駆動用の走行モータで使用される。また、燃料電池スタック10の正極端子及び負極端子には、HFR測定装置18と負荷装置19が接続されている。
The
カソード給排機構12は、カソードガス供給通路22と、カソードガス排出通路24と、を備えている。
The cathode supply /
カソードガス供給通路22は、燃料電池スタック10に供給される空気が流れる通路である。カソードガス供給通路22の一端はコンプレッサ64の吸気入口に接続され、他端は燃料電池スタック10のカソード入口10aに接続される。
The cathode
カソードガス排出通路24は、燃料電池スタック10から排出されるカソード排ガスが流れる通路である。カソードガス排出通路24の一端は燃料電池スタック10のカソード出口10bに接続され、他端はタービン62に接続されている。なお、図示はしないが、カソードガス排出通路24における燃焼器32の下流に、カソードガス排出通路24内に含まれる水分を燃料電池システム100の外部に排出するための気液分離装置等の構成を設けても良い。
The cathode
そして、カソードガス供給通路22には、上流から順に、エアフローメータ26と、空気圧力センサ28が設けられている。また、カソードガス排出通路24には、上流から順に、燃焼器32と、ノズルベーン34と、が設けられている。
The cathode
エアフローメータ26は、カソードガス供給通路22において、ターボ過給器16のコンプレッサ64の吸気入口に設けられている。エアフローメータ26は、コンプレッサ64に吸入される空気の流量(以下では単に「空気流量」とも記載する)を検出する。エアフローメータ26で検出された空気流量検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
The
空気圧力センサ28は、コンプレッサ64から吐出されたカソードガス供給通路22の圧力(以下では「空気圧力」とも記載する)を検出する。空気圧力センサ28で検出された空気圧力検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
The
また、カソードガス供給通路22において、コンプレッサ64と空気圧力センサ28の間には、カソードガス排出通路24の燃料電池スタック10と燃焼器32の間に接続されるバイパス通路36が接続されている。
In the cathode
バイパス通路36は、コンプレッサ64によりカソードガス供給通路22に吸入される空気の一部を、燃料電池スタック10をバイパスさせてカソードガス排出通路24へ供給する。バイパス通路36には、バイパス弁38が設けられている。
The
バイパス弁38は、バイパス通路36を流れる空気の流量を調節する。バイパス弁38は、コントローラ20によって開閉制御される。例えば、空気流量が燃料電池スタック10により発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、コントローラ20はバイパス弁38の開度を増加させる。これにより、バイパス流量が増加して、燃料電池スタック10内の電解質膜の過乾燥が防止される。
The
燃焼器32は、燃料としての水素とカソード排ガスをミキサで混合してなる混合ガスを白金等による触媒作用で触媒燃焼させ、燃焼後に残ったガス(燃焼排ガス)を排出する。この燃焼器32には、アノード供給機構14の高圧タンク40から水素が供給される。また、燃焼器32には、燃料電池スタック10からのカソード排ガス及びバイパス通路36からの空気が混合されてなるカソード排ガスが供給される。さらに、本実施形態では、燃焼器32には、パージ通路51を介して燃料電池スタック10内において発電等で生成した液水が供給される。すなわち、本実施形態ではパージ通路51が液水供給通路として機能する。
The
ノズルベーン34は、タービン62に供給する燃焼排ガスの圧力を調節する。ノズルベーン34の開度(ノズルリフト量)は、コントローラ20により制御される。ノズルベーン34は、開放状態でタービン62への入口流路の断面積が増加し、カソードガス排出通路24からタービン62に流入する燃焼排ガスの圧力損失が相対的に小さくなる。一方、ノズルベーン34の閉塞状態では、タービン62への入口流路の断面積が相対的に減少し、圧力損失が大きくなる。すなわち、ノズルリフト量が増大するほど、空気圧力が低い状態で運転することができる。
The
次に、アノード供給機構14について説明する。本実施形態におけるアノード供給機構14は、高圧タンク40と、スタック水素供給通路41と、スタック供給水素調圧弁42と、水素循環通路43と、水分離装置44と、循環ブロア45と、エゼクタ46と、循環水素圧力センサ47と、燃焼器用水素供給通路48と、燃焼器水素量調節弁49と、燃焼器供給水素圧力検出センサ50と、を備えている。
Next, the
高圧タンク40は、燃料電池スタック10及び燃焼器32に供給する水素を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。
The high-
スタック水素供給通路41は、高圧タンク40から排出される水素を燃料電池スタック10に供給する通路である。スタック水素供給通路41の一端は高圧タンク40に接続され、他端はエゼクタ46に接続される。
The stack
また、スタック水素供給通路41には、スタック供給水素調圧弁42が設けられている。スタック供給水素調圧弁42は、コントローラ20により開閉制御され、燃料電池スタック10へ供給される水素の圧力が調節される。
The stack
水素循環通路43は、スタック水素供給通路41にエゼクタ46を介して接続され、図示しない燃料電池スタック10内のアノード通路にアノード入口10c及びアノード出口10dで連通して水素を循環させる通路である。
The
水分離装置44は、燃料電池スタック10のアノード出口10dから水素循環通路43内に排出されたアノード排ガスに含まれる水分を分離する装置である。すなわち、アノード出口10dから排出された水蒸気を液化して液水(ドレン)とし、アノード排ガスの他の成分から分離する。水分離装置44としては、例えば遠心式フィルタ等が用いられる。
The
さらに、本実施形態において、水分離装置44には、分離した液水及び窒素を主成分とするパージガスを燃焼器32へ供給するパージ通路51が接続されている。パージ通路51には、オン・オフ切替弁として構成されたパージ弁52が設けられている。したがって、パージ弁52のデューティー比(開弁時間割合)を調節することで、水素循環通路43からのパージガスの排出流量とともに、燃焼器32へ供給する液水の流量が調節される。パージ弁52のデューティー比は、コントローラ20により制御される。すなわち、本実施形態において、パージ弁52は、液水供給量調節弁として機能する。
Further, in the present embodiment, the
循環ブロア45は、水素循環通路43内で水分離装置44とエゼクタ46の間に設けられる。循環ブロア45は、エゼクタ46を介して水素を燃料電池スタック10に循環させる。
The
エゼクタ46は、スタック水素供給通路41と水素循環通路43の合流部に設けられ、供給水素をノズルで増速して供給した際の負圧を用いて水素循環通路43内の水素を循環させる装置である。
The
循環水素圧力センサ47は、水素循環通路43内におけるエゼクタ46と燃料電池スタック10の間の圧力(以下、「循環水素圧力」とも記載する)を検出する。循環水素圧力センサ47は、循環水素圧力検出値の信号をコントローラ20に出力する。
The circulating
燃焼器用水素供給通路48は、高圧タンク40からの水素の一部を燃焼器32に供給する通路である。燃焼器用水素供給通路48は、その一端がスタック水素供給通路41に連通して分岐しており、他端が燃焼器32に連結されている。
The combustor
また、燃焼器用水素供給通路48には、燃焼器32への水素供給量を任意に調節する燃焼器水素量調節弁49が設けられている。
The combustor
燃焼器水素量調節弁49は、燃焼器32への水素供給量を適宜調節する弁である。燃焼器水素量調節弁49の開度は、コントローラ20により調節される。燃焼器水素量調節弁49は、例えば、比例ソレノイド等で構成することができる。
The combustor hydrogen
また、燃焼器用水素供給通路48には、燃焼器水素量調節弁49の上流の水素の圧力を検出する燃焼器供給水素圧力検出センサ50が設けられている。燃焼器供給水素圧力検出センサ50による燃焼器供給水素圧力検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
The combustor
次に、上述の燃焼器用水素供給通路48を介した燃焼器32への水素供給の具体的態様、及びパージ通路51を介した燃焼器32への液水の供給の具体的態様について説明する。
Next, a specific mode of supplying hydrogen to the
図2は、燃焼器32の構成を説明する図であり、図3は、図2におけるX−X線概略矢視図である。なお、図2において、矢印Aは、カソード排ガスが流れる方向(ガス流方向)を現している。また、図3においては、燃焼器32の横断面における温度分布も示している。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the
燃焼器32は、略円筒形状に形成されており、カソード排ガス流方向Aの一端側(流入側)において、カソードガス排出通路24を介して燃料電池スタック10のカソード出口10bに連通している。また、カソード排ガス流方向Aの他端側(流出側)において、カソードガス排出通路24を介してタービン62に接続している。
The
燃焼器32は、カソード排ガス流方向Aの上流から順に、カソードガス排出通路24が流入するカソード排ガス流入口32aと、上述した燃焼器用水素供給通路48と、カソード排ガスと水素を混合するミキサ54と、上述したパージ通路51と、水素とカソード排ガスを燃焼させる触媒層56と、触媒層56における燃焼で加熱された燃焼排ガスをタービン62側のカソードガス排出通路24に排出する燃焼排ガス流出口32bと、が配置されている。
The
燃焼器用水素供給通路48は、高圧タンク40からの水素を供給する水素供給口48aを有している。燃焼器用水素供給通路48は、水素供給口48aが燃焼器32の中心軸の高さと略一致した状態で燃焼器32内に進入するように配置されている。
The combustor
ミキサ54は、カソード排ガス流入口32aから流入するカソード排ガスと、燃焼器用水素供給通路48の水素供給口48aから供給された水素を混合する。ミキサ54は、この混合に適した構造を有するいわゆるスタティックミキサとして構成されている。以下では、カソード排ガスと水素を混合して得られたガスを単に「混合ガス」と記載する。
The
パージ通路51は、水分離装置44からの液水を燃焼器32内に供給する液水供給口51aを有する。パージ通路51は、液水供給口51aが燃焼器32の軸方向中心軸Lよりも若干高い高さに位置した状態で燃焼器32内に進入するように配置されている。また、パージ通路51は、燃焼器32内部に水素を供給する水素供給口48aに対してガス流方向下流で触媒層56の上流に配置されている。
The
さらに、図3に示されているように、液水供給口51aは、燃焼器32の横方向の最高温度線Mよりも上方であって、鉛直方向の最高温度線N上に沿って位置している。すなわち、液水供給口51aは、最高温度線Mと最高温度線Nの交点であって燃焼器32の横断面の温度分布において最も温度が高い最高温度点Tの直上位置に位置している。
Further, as shown in FIG. 3, the liquid
触媒層56は、例えば、ゼオライト系材料等でハニカム状に形成された担体に、白金等の触媒を担持させることにより構成される。触媒層56は、上記混合ガスを触媒燃焼させる。すなわち、触媒層56は、混合ガス中における水素成分と酸素成分を燃焼させ、反応せずに残ったガス成分(余剰の酸素や窒素等)である燃焼排ガスを燃焼排ガス流出口32bを介してタービン62に流す。
The
さらに、本実施形態において、触媒層56には、水分離装置44から液水供給口51aを介して供給された液水が接触する。このように触媒層56に液水が接触することで、上記水素と酸素の燃焼による燃焼エネルギーで液水が気化して水蒸気に変換される。得られた水蒸気は、燃焼排ガスとともにタービン62側のカソードガス排出通路24に流れる。すなわち、本実施形態では、燃焼により生じた燃焼排ガスには、液水の気化で生成した水蒸気が含まれることとなる。
Further, in the present embodiment, the
次に、ターボ過給器16について説明する。ターボ過給器16は、電動モータ60と、タービン62と、コンプレッサ64と、を備えている。
Next, the
電動モータ60は、回転駆動軸66の一方側でコンプレッサ64に接続されるとともに、回転駆動軸66の他方側でタービン62に接続される。電動モータ60は、図示しないバッテリ、及び燃料電池スタック10等から電力の供給を受けてコンプレッサ64を回転駆動する電動機としての機能(力行モード)、及び外力によって回転駆動されることで発電し、バッテリ等に電力を供給する発電機としての機能(回生モード)を有する。また、電動モータ60は、図示しないモータケースと、モータケースの内周面に固定されるステータと、ステータの内側に回転可能に配置されるロータと、を有し、ロータは上記回転駆動軸66に一体に取り付けられる。
The
さらに、電動モータ60には、モータ回転数センサ72が設けられている。モータ回転数センサ72は、電動モータ60の回転数を検出する。モータ回転数センサ72で検出された電動モータ回転数検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
Further, the
タービン62は、燃焼器32から供給される燃焼排ガスによって回転駆動される。そして、タービン62は、この回転駆動力を、回転駆動軸66を介してコンプレッサ64に出力する。すなわち、タービン62からの回収動力で回転駆動軸66を介してコンプレッサ64を回転させることができる。また、タービン62の回収動力によって、電動モータ60によるコンプレッサ64の駆動をアシストすることも可能である。
The
さらに、コンプレッサ64に必要な仕事以上の動力をタービン62から回収させ、その余剰動力を電動モータ60に回収させることで、電動モータ60の回生運転を行うことができる。また、タービン62の駆動に使用された後の燃焼排ガスは、タービン排気通路68を介して燃料電池システム100外へ排出されるか、燃料電池システム100内の任意の熱要求部において廃熱として利用される。
Furthermore, the
また、コンプレッサ64の動力要求が比較的大きく、タービン62による回収動力を増加させる必要がある場合などには、タービン62へ流入する燃焼排ガスの流量(以下では、「タービン入口流量」とも記載する)、温度(以下では、「タービン入口温度」)、及び圧力(以下では、「タービン入口圧力」とも記載する)を増加させてコンプレッサ64へ好適に動力を供給することができる。また、上述したノズルベーン34のノズルリフト量の調節により、タービン62へ供給される燃焼排ガスの圧力を調節することでタービン62による回収動力を調節することができる。
Further, when the power requirement of the
コンプレッサ64は、電動モータ60及びタービン62と回転駆動軸66を介して接続されている。コンプレッサ64は、電動モータ60及びタービン62の少なくとも何れか一方により回転駆動軸66を介して回転駆動され、外部から燃料電池システム100内に空気を吸入する。そして、コンプレッサ64は、吸入した空気をカソードガス供給通路22を介して燃料電池スタック10カソード極に供給する。
The
次に、加熱/冷却機構17について説明する。加熱/冷却機構17は、冷却水循環流路80と、水温センサ82と、冷却水循環ポンプ84と、冷却水バイパス通路85と、ラジエータ86と、三方弁88と、を有している。
Next, the heating /
冷却水循環流路80は、燃料電池スタック10の冷却水入口10eと冷却水出口10fを介して図示しない燃料電池スタック10内部の冷却水通路と連通して冷却水を循環させる通路である。冷却水循環流路80を循環する冷却水は、燃料電池スタック10の冷却水入口10eから燃料電池スタック10内に供給されるとともに、燃料電池スタック10の冷却水出口10fから排出される方向に流れる。
The
また、水温センサ82は、冷却水循環流路80において燃料電池スタック10の冷却水出口10fの近傍に設けられている。水温センサ82は、燃料電池スタック10から排出される冷却水の温度(以下では、「冷却水温度」とも記載する)を検出する。水温センサ82で検出された冷却水温度検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
The
冷却水循環ポンプ84は、冷却水循環流路80で冷却水を循環させる。なお、冷却水循環ポンプ84の出力は、コントローラ20により制御される。
The cooling
冷却水バイパス通路85は、冷却水がラジエータ86をバイパスするように設けられた通路である。冷却水バイパス通路85の一端は、冷却水循環流路80において冷却水循環ポンプ84とラジエータ86との間で接続され、他端は、三方弁88の一端に接続される。
The cooling
ラジエータ86は、冷却水循環流路80を流れる冷却水と外気との間で熱交換を行うことで、冷却水温度を所望の温度に冷却する。ラジエータ86は、冷却水循環流路80において冷却水バイパス通路85よりも下流に設けられる。ラジエータ86は、燃料電池スタック10の内部で温められた冷却水をラジエータファン87によって冷却する。ラジエータファン87は、コントローラ20により制御される。
The
三方弁88は、ラジエータ86と燃料電池スタック10の冷却水入口10eとの間の冷却水循環流路80において冷却水バイパス通路85が合流する部分に設けられる。三方弁88は、ラジエータ86に流す冷却水の流量とラジエータ86をバイパスする冷却水の流量を調節する弁である。
The three-
三方弁88は、全開状態で燃料電池スタック10の冷却水出口10fから排出された冷却水を全てラジエータ86に流す。一方、三方弁88は、全閉状態で燃料電池スタック10の冷却水出口10fから排出された冷却水を全て、ラジエータ86を介すことなく冷却水バイパス通路85に流す。
The three-
したがって、燃料電池スタック10の冷却要求などに応じて三方弁88の開度を適宜調節することで、ラジエータ86に流す冷却水量とラジエータ86をバイパスする冷却水量を調節することができる。三方弁88の開度は、コントローラ20により制御される。
Therefore, the amount of cooling water flowing to the
HFR測定装置18は、燃料電池スタック10内の電解質膜の湿潤状態を取得する湿潤状態取得装置として機能する。HFR測定装置18は、燃料電池スタック10に接続され、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック10の内部インピーダンスを測定する。
The
一般に、電解質膜の含水量(水分)が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスは大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスは小さくなる。このため、本実施形態では、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック10の内部インピーダンスが用いられる。
Generally, the lower the water content (moisture) of the electrolyte membrane, that is, the dryr the electrolyte membrane, the greater the internal impedance. On the other hand, the higher the moisture content of the electrolyte membrane, that is, the wetter the electrolyte membrane, the smaller the internal impedance. For this reason, in this embodiment, the internal impedance of the
そして、HFR測定装置18は、例えば、電解質膜の電気抵抗を検出するのに適した高周波数の交流電流を供給し、出力される交流電圧の振幅を当該交流電流の振幅で除することにより、内部インピーダンスを算出する。
The
以下では、この高周波数の交流電圧及び交流電流に基づいて算出される内部インピーダンスをHFR(High Frequency Resistance)とも記載する。HFR測定装置18は、算出したHFR値をHFR測定値としてコントローラ20に出力する。
Hereinafter, the internal impedance calculated based on the high-frequency AC voltage and AC current is also referred to as HFR (High Frequency Resistance). The
負荷装置19は、燃料電池スタック10から供給される発電電力を受けて駆動する。負荷装置19としては、例えば、車両を駆動する走行モータや電動モータ60等の各種補機類などが挙げられる。
The
なお、負荷装置19は、その作動に必要な電力を、燃料電池スタック10に対する要求電力としてコントローラ20に出力する。
The
負荷装置19と燃料電池スタック10との間には、電流センサ91と電圧センサ92とが配置される。
A
電流センサ91は、燃料電池スタック10の正極端子と負荷装置19の正極端子との間の電源線に接続される。電流センサ91は、燃料電池スタック10から負荷装置19に出力される電流を検出する。以下では、燃料電池スタック10から負荷装置19に出力される電流のことを「スタック電流」とも記載する。電流センサ91は、スタック電流検出値の信号をコントローラ20に出力する。
The
電圧センサ92は、燃料電池スタック10の正極端子と負極端子との間に接続される。電圧センサ92は、正極端子と負極端子との間の電圧である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック10の端子間電圧のことを「スタック電圧」という。電圧センサ92は、スタック電圧検出値の信号をコントローラ20に出力する。
The
さらに、上述のように構成される燃料電池システム100は、当該システムを統括的に制御するコントローラ20を有している。
Further, the
コントローラ20は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。
The
コントローラ20には、燃料電池システム100の各種センサや測定装置からの信号が入力される。具体的に、コントローラ20には、HFR測定装置18、エアフローメータ26、空気圧力センサ28、循環水素圧力センサ47、燃焼器供給水素圧力検出センサ50、モータ回転数センサ72、水温センサ82、電流センサ91、及び電圧センサ92からの信号が入力される。
Signals from various sensors and measurement devices of the
さらに、コントローラ20には、燃料電池スタック10に接続された負荷装置19による負荷に応じた要求電力の信号が、負荷装置19の運転制御装置から入力される。例えば、図示しないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの踏込み量を示す検出信号が大きくなると、負荷装置19の要求電力は大きくなるため、コントローラ20に入力される発電要求信号の信号レベルは高くなる。そして、コントローラ20は、予め定められている燃料電池スタック10のIV特性等に基づいて、算出した要求電力からスタック電流の目標値である目標スタック電流を算出する。
Further, the
コントローラ20は、上記各入力信号等に基づいて、ノズルベーン34のノズルリフト量、バイパス弁38の開度、スタック供給水素調圧弁42の開度、循環ブロア45の出力(回転数)、燃焼器水素量調節弁49の開度、パージ弁52のデューティー比、電動モータ60の出力(トルク)、ラジエータファン87の回転数、及び三方弁88の開度を制御する。
The
図4は、本実施形態にかかる燃料電池システム100の全体的な制御の概要を示すフローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing an outline of overall control of the
図示のように、ステップS100において、コントローラ20は、負荷装置19による要求電力の信号を読み込む。
As illustrated, in step S <b> 100, the
ステップS110において、コントローラ20は目標スタック電流を演算する。
In step S110, the
図5は、目標スタック電流の演算の流れを示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing a flow of calculation of the target stack current.
図示のように、ステップS111において、コントローラ20は補機の消費電力を推定する。具体的には、コントローラ20は、モータ回転数センサ72による電動モータ回転数検出値等から電動モータ60の消費電力の推定値を算出する。また、冷却水循環ポンプ84や燃焼器水素量調節弁49等の他のアクチュエータの消費電力又はその推定値を電動モータ60の消費電力の推定値に加算した値を補機の消費電力推定値としても良い。
As illustrated, in step S111, the
ステップS112において、コントローラ20は、目標スタック電力を演算する。具体的には、負荷装置19により含まれる、上述のアクセルペダルの操作量に基づく走行用電力としてのシステム要求出力に、ステップS111で算出した補機消費電力の推定値を加算して目標スタック電力を演算する。
In step S112, the
ステップS113において、コントローラ20は、実スタック電力を演算する。具体的には、コントローラ20は、電流センサ91によるスタック電流検出値と電圧センサ92によるスタック電圧検出値を乗じて実スタック電力を演算する。
In step S113, the
ステップS114において、コントローラ20は、目標スタック電流を演算する。具体的には、コントローラ20は、IV特性を参照しつつ、ステップS113で演算した実スタック電力が、ステップS112で演算した目標スタック電力に近づくように、目標スタック電流を定める。
In step S114, the
図4に戻り、ステップS110で目標スタック電流が演算されると、ステップS120の冷却系操作量の演算、ステップS130の空気系操作量の演算、及びステップS140の燃料系操作量演算が行われる。 Returning to FIG. 4, when the target stack current is calculated in step S110, the calculation of the cooling system operation amount in step S120, the calculation of the air system operation amount in step S130, and the calculation of the fuel system operation amount in step S140 are performed.
図6は、冷却系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。なお、本フローチャートの処理は、後述する図10の湿潤制御部B102等の処理に相当する。 FIG. 6 is a flowchart showing a flow of calculation of the cooling system operation amount. In addition, the process of this flowchart is corresponded to the process of wet control part B102 etc. of FIG.
図示のように、ステップS121において、コントローラ20は、燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤状態を好適に制御する観点から、HFR測定装置18によるHFR測定値が目標スタック電流に基づいて算出される目標HFRに近づくように、湿潤制御要求目標空気流量を演算する。
As shown in the figure, in step S121, from the viewpoint of suitably controlling the wet state of the electrolyte membrane of the
ステップS122において、コントローラ20は、各アクチュエータの操作量を演算する。具体的に、コントローラ20は、目標HFRに基づいて、ラジエータファン回転数の目標値である目標ラジエータファン回転数、及び三方弁88の開度の目標値である目標三方弁開度を算出する。
In step S122, the
図7は、空気系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。なお、本フローチャートの処理は、後述する図13等で説明する処理に相当する。 FIG. 7 is a flowchart showing a flow of calculation of the air system operation amount. Note that the processing in this flowchart corresponds to the processing described with reference to FIG.
図示のように、ステップS131において、コントローラ20は、予め定められたテーブルに基づいて、目標スタック電流から、空気圧力の目標値である目標空気圧力を算出する。
As illustrated, in step S131, the
ステップS132において、コントローラ20は、予め定められたテーブルに基づき、上記湿潤制御要求目標空気流量を考慮して、目標スタック電流から空気流量の目標値である目標空気流量を算出する。
In step S132, the
ステップS133において、コントローラ20は、各アクチュエータの操作量を演算する。具体的に、コントローラ20は、ステップS131で算出した目標空気圧力、ステップS132で算出した目標空気流量、エアフローメータ26による空気流量検出値、後述するタービン入口温度前回値、及び空気圧力センサ28による空気圧力検出値に基づいて、ノズルベーン34の指令ノズルリフト量、及び電動モータ60の指令トルクを算出する。
In step S133, the
ステップS134において、コントローラ20は、タービン62の入口付近における燃焼排ガスの温度(タービン入口温度)の目標値である目標タービン入口温度を演算する。具体的に、コントローラ20は、上記ステップS133で算出された電動モータ60の指令トルク、モータ回転数センサ72による電動モータ回転数検出値、目標スタック電流、ステップS131で演算された目標空気圧力、及びステップS132で演算された目標空気流量に基づいて、目標タービン入口温度を演算する。
In step S <b> 134, the
図8は、燃料系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。なお、本フローチャートの処理は、後述する図11、図18、及び図20等で説明する処理に相当する。 FIG. 8 is a flowchart showing a flow of calculation of the fuel system operation amount. Note that the processing in this flowchart corresponds to the processing described with reference to FIGS. 11, 18, and 20 described later.
図示のように、ステップS141において、コントローラ20は、目標スタック電流、及び循環水素圧力センサ47からの循環水素圧力検出値に基づいて、スタック供給水素調圧弁42の開度の目標値である目標スタック供給水素調圧弁開度を演算する。
As illustrated, in step S <b> 141, the
具体的に、コントローラ20は、目標スタック電流に基づいて、水素循環通路43内の水素濃度を好適に制御する観点等から定まる循環水素圧力の目標値である目標循環水素圧力を演算する。そして、コントローラ20は、演算した目標循環水素圧力及び循環水素圧力検出値から、PI制御器等の所定のフィードバック制御器(図11の水素圧力制御部B101)を用いて目標スタック供給水素調圧弁開度を演算する。
Specifically, the
ステップS142において、コントローラ20は、目標スタック電流、水温センサ82からの冷却水温度検出値、ステップS134で演算された目標タービン入口温度、及び目標空気流量に基づいて、目標循環ブロア回転数を演算する。
In step S142, the
なお、目標循環ブロア回転数は、燃料電池スタック10の発電及びタービン入口温度を好適に制御する観点から、所望の水素循環通路43内の水素の流量(以下では、「循環水素流量」とも記載する)を実現する循環ブロア回転数の目標値である。
The target circulation blower rotational speed is also described as a desired hydrogen flow rate in the hydrogen circulation passage 43 (hereinafter referred to as “circulation hydrogen flow rate”) from the viewpoint of suitably controlling the power generation of the
具体的に、コントローラ20は、所定のマップに基づいて、目標スタック電流及び冷却水温度検出値から、発電の観点から定まる循環ブロア回転数の目標値としての発電要求目標ブロア回転数を演算する。そして、コントローラ20は、目標タービン入口温度に基づいて演算される推定タービン入口温度から、タービン入口温度の制御の観点から定まる循環ブロア回転数の目標値としてのタービン要求目標ブロア回転数を演算する。さらに、コントローラ20は、これら発電要求目標ブロア回転数とタービン要求目標ブロア回転数に基づいて、目標循環ブロア回転数を演算する。
Specifically, the
ステップS143において、コントローラ20は、所定のマップに基づいて、目標スタック電流と冷却水温度検出値から目標パージ弁デューティー比を演算する。目標パージ弁デューティー比は、燃焼器32に供給される液水流量を好適に制御しつつ、燃料電池スタック10のアノード極内の水素濃度を好適に制御する観点から定まるパージ弁52のデューティー比(開弁時間割合)の目標値である。
In step S143, the
図4に戻り、ステップS150において、コントローラ20は、上記ステップS122で演算した冷却系アクチュエータの操作量、上記ステップS133において演算した空気系アクチュエータの操作量、及び上記ステップS141〜ステップS144で演算した燃料系アクチュエータの操作量に基づいて、冷却系アクチュエータ、空気系アクチュエータ、及び燃料系アクチュエータをそれぞれ制御する。
Returning to FIG. 4, in step S150, the
次に、本実施形態の燃料電池システム100にかかる図4〜図8で説明した制御において、特に、パージ通路51を介して燃焼器32へ液水を供給するにあたり、その液水供給流量の制御にかかる主要な制御目標値の演算について説明する。
Next, in the control described with reference to FIGS. 4 to 8 according to the
図9は、本実施形態にかかる燃料電池システム100の制御において、主要な制御目標値の演算について説明するフローチャートである。
FIG. 9 is a flowchart for explaining calculation of main control target values in the control of the
先ず、ステップS210において、コントローラ20は、目標スタック電流と循環水素圧力に基づいて、目標スタック供給水素調圧弁開度を演算する(図10等の水素圧力制御部B101参照)。
First, in step S210, the
次に、ステップS220において、コントローラ20は、目標スタック電流、空気圧力検出値、空気流量検出値、モータ回転数検出値、及び湿潤制御要求目標空気流量等に基づいて、目標空気流量、目標タービン入口温度、指令ノズルリフト量、及び指令電動モータトルクを演算する(図10の空気系FB制御部B103)。
Next, in step S220, the
ステップS230において、コントローラ20は、目標スタック電流、及びHFR測定値に基づいて、湿潤制御要求目標空気流量、目標ラジエータファン回転数、及び目標三方弁開度を演算する(図10の湿潤制御部B102)。
In step S230, the
ステップS240において、コントローラ20は、目標循環ブロア回転数を演算する(図10の循環ブロア制御部B104)。
In step S240, the
ステップS250において、コントローラ20は、目標スタック電流及び冷却水温度検出値に基づいて、目標パージ弁開度を演算する。
In step S250, the
ステップS260において、コントローラ20は、目標空気流量及び目標タービン入口温度に基づいて、目標燃焼水素供給弁開度を演算する(図10の燃焼器水素量制御部B106)。
In step S260, the
次に、本実施形態における燃料電池システム100における各種制御について、図10〜図20に示すブロック図を参照して詳細に説明する。なお、図10〜図20に示す各ブロックの機能は、コントローラ20により実現される。
Next, various controls in the
図10は、燃料電池システム100におけるコントローラ20の全体の機能の概要を示すブロック図である。
FIG. 10 is a block diagram showing an overview of the overall functions of the
図示のように、コントローラ20は、水素圧力制御部B101と、湿潤制御部B102と、空気系FB制御部B103と、循環ブロア制御部B104と、パージ弁制御部B105と、燃焼器水素量制御部B106と、を有する。
As illustrated, the
水素圧力制御部B101には、目標スタック電流と循環水素圧力検出値が入力される。水素圧力制御部B101は、目標スタック電流と循環水素圧力検出値に基づいて、スタック供給水素調圧弁42の開度を制御する。
The target stack current and the circulating hydrogen pressure detection value are input to the hydrogen pressure control unit B101. The hydrogen pressure control unit B101 controls the opening degree of the stack supply hydrogen
図11は、水素圧力制御部B101の機能を説明するブロック図である。図示のように、水素圧力制御部B101は、目標循環水素圧力算出部B1011と、スタック供給水素調圧弁FB制御部B1012と、を有する。 FIG. 11 is a block diagram illustrating the function of the hydrogen pressure control unit B101. As illustrated, the hydrogen pressure control unit B101 includes a target circulation hydrogen pressure calculation unit B1011 and a stack supply hydrogen pressure regulating valve FB control unit B1012.
目標循環水素圧力算出部B1011には、目標スタック電流が入力される。目標循環水素圧力算出部B1011は、予め定められた目標スタック電流と目標循環水素圧力の関係を示すマップに基づき、目標スタック電流から目標循環水素圧力を算出する。このマップでは、目標スタック電流が増加するにつれて目標循環水素圧力が増加する。これにより、燃料電池スタック10に要求される負荷が増大するにつれて、目標循環水素圧力が高い値に設定されることとなる。
A target stack current is input to the target circulating hydrogen pressure calculation unit B1011. The target circulating hydrogen pressure calculation unit B1011 calculates the target circulating hydrogen pressure from the target stack current based on a map that shows a predetermined relationship between the target stack current and the target circulating hydrogen pressure. In this map, the target circulating hydrogen pressure increases as the target stack current increases. As a result, the target circulating hydrogen pressure is set to a higher value as the load required for the
スタック供給水素調圧弁FB制御部B1012には、目標循環水素圧力と循環水素圧力検出値が入力される。スタック供給水素調圧弁FB制御部B1012は、循環水素圧力検出値が目標循環水素圧力に近づくように、スタック供給水素調圧弁42の開度をフィードバック制御する。
The target circulating hydrogen pressure and the circulating hydrogen pressure detection value are input to the stack supply hydrogen pressure regulating valve FB control unit B1012. The stack supply hydrogen pressure regulating valve FB control unit B1012 feedback-controls the opening degree of the stack supply hydrogen
図10に戻り、湿潤制御部B102には、目標スタック電流とHFR測定値が入力される。湿潤制御部B102は、目標スタック電流とHFR測定値に基づいて、湿潤制御要求目標空気流量を算出するとともに、ラジエータファン87の回転数及び三方弁88の開度を制御する。
Returning to FIG. 10, the target stack current and the measured HFR value are input to the wetting control unit B102. The wetting control unit B102 calculates the wetting control request target air flow rate based on the target stack current and the HFR measurement value, and controls the rotational speed of the
図12は、湿潤制御部B102の機能を示すブロック図である。図示のように、湿潤制御部B102は、目標HFR算出部B1021と、FB制御部B1022と、を有している。 FIG. 12 is a block diagram illustrating functions of the wetness control unit B102. As illustrated, the wetting control unit B102 includes a target HFR calculation unit B1021 and an FB control unit B1022.
目標HFR算出部B1021には、目標スタック電流が入力される。目標HFR算出部B1021は、予め定められた目標スタック電流と目標HFRの関係を示したマップに基づいて目標スタック電流から目標HFRを算出する。なお、このマップでは、目標スタック電流が比較的低い値をとる低負荷領域から中負荷領域の間においては、HFR値を一定値に保つべく目標HFRが一定値とされている。一方で、高負荷領域においては、目標スタック電流が増加するほど、目標HFRが低くなるように設定される。これは、高負荷領域においては燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤度をより高い状態に維持することが要求されるため、この要求に応じてHFRを低下させるためである。
The target stack current is input to the target HFR calculation unit B1021. The target HFR calculating unit B1021 calculates the target HFR from the target stack current based on a map that shows a predetermined relationship between the target stack current and the target HFR. In this map, the target HFR is set to a constant value in order to keep the HFR value constant between the low load region and the medium load region where the target stack current takes a relatively low value. On the other hand, in the high load region, the target HFR is set to be lower as the target stack current increases. This is because in a high load region, it is required to maintain the wetness of the electrolyte membrane of the
FB制御部B1022には、目標HFRからHFR測定値を減算した値(以下、HFR偏差と記載する)が入力される。FB制御部B1022は、入力されたHFR偏差がゼロになるように、湿潤制御要求目標流量を算出するとともに、ラジエータファン87の回転数と三方弁88の開度を制御する。
A value obtained by subtracting the HFR measurement value from the target HFR (hereinafter referred to as an HFR deviation) is input to the FB control unit B1022. The FB control unit B1022 calculates the wet control request target flow rate so that the input HFR deviation becomes zero, and controls the rotation speed of the
FB制御部B1022は、予め定められたHFR偏差と湿潤制御目標空気流量の関係を示すマップに基づいて、HFR偏差から湿潤制御目標空気流量を算出する。具体的に、FB制御部B1022は、HFR偏差が小さくなるほど、HFR値を減少させるべく(電解質膜をより湿潤側に制御すべく)、湿潤制御目標空気流量をより低い値に算出する。 The FB control unit B1022 calculates the wet control target air flow rate from the HFR deviation based on a map that shows a predetermined relationship between the HFR deviation and the wet control target air flow rate. Specifically, the FB control unit B1022 calculates the wet control target air flow rate to a lower value in order to decrease the HFR value (to control the electrolyte membrane to the wet side) as the HFR deviation decreases.
また、FB制御部B1022は、HFR偏差に基づいて、ラジエータファン87の回転数を制御する。すなわち、FB制御部B1022は、HFR偏差が小さくなるほど、HFRを減少させるべく(電解質膜をより湿潤側に制御すべく)、冷却水温度がより低くなるようにラジエータファン87の回転数を増加させる。
Further, the FB control unit B1022 controls the rotation speed of the
さらに、FB制御部B1022は、HFR偏差に基づいて、三方弁88の開度を制御する。すなわち、FB制御部B1022は、HFR偏差が小さくなるほど、HFRを増加させるべく(電解質膜をより湿潤側に制御すべく)、冷却水温度がより低くなるように三方弁88の開度を増加させる。
Further, the FB control unit B1022 controls the opening degree of the three-
既に述べたように、本実施形態における湿潤制御部B102では、高負荷領域においては燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤度をより高い状態に維持するべく目標HFR値が減少している。したがって、主としてHFR測定値が目標HFRよりも大きくなり、燃料電池スタック10の電解質膜を湿潤させる操作が要求される傾向にあるので、ラジエータファン87の回転数の増加や三方弁88の開度の増加等の冷却水温度を減少させる操作が行われる。これにより、燃料電池スタック10のアノード出口10dから排出される水分量を増加させることができる。
As already described, in the wetness control unit B102 in the present embodiment, the target HFR value is decreased in order to maintain the wetness of the electrolyte membrane of the
図10に戻り、空気系FB制御部B103には、空気圧力検出値、空気流量検出値、電動モータ回転数検出値、及び後述する目標タービン入口温度前回値が入力される。 Returning to FIG. 10, the air system FB control unit B <b> 103 receives an air pressure detection value, an air flow rate detection value, an electric motor rotation speed detection value, and a target turbine inlet temperature previous value described later.
空気系FB制御部B103は、これら値に基づいて、目標空気流量、及び目標タービン入口温度を算出する。空気系FB制御部B103は、これら値に基づいて、ノズルベーン34のノズルリフト量及び電動モータ60のトルクを制御する。
The air system FB control unit B103 calculates a target air flow rate and a target turbine inlet temperature based on these values. The air system FB control unit B103 controls the nozzle lift amount of the
図13は、空気系FB制御部B103における空気系制御全体の概要を示すブロック図である。図示のように、空気系FB制御部B103は、目標空気圧力演算部B1031と、目標空気流量演算部B1032と、マックスセレクト部B1033と、空気系制御部B1034と、ミニマムセレクト部B1035と、を有している。 FIG. 13 is a block diagram showing an overview of the entire air system control in the air system FB control unit B103. As illustrated, the air system FB control unit B103 includes a target air pressure calculation unit B1031, a target air flow rate calculation unit B1032, a maximum selection unit B1033, an air system control unit B1034, and a minimum selection unit B1035. doing.
目標空気圧力演算部B1031には、目標スタック電流が入力される。目標空気圧力演算部B1031は、予め定められた目標スタック電流と目標空気圧力の関係を示すマップに基づいて、目標スタック電流から目標空気圧力を演算する。このマップでは、目標スタック電流が増加するほど、すなわち燃料電池スタック10に対する負荷が増加するほど、目標空気圧力が高い値となるように設定される。さらに、目標空気圧力演算部B1031は、演算した目標空気圧力を空気系制御部B1034に出力する。
The target stack current is input to the target air pressure calculation unit B1031. The target air pressure calculation unit B1031 calculates a target air pressure from the target stack current based on a map indicating a predetermined relationship between the target stack current and the target air pressure. In this map, the target air pressure is set to a higher value as the target stack current increases, that is, as the load on the
なお、空気系制御部B1034に出力される目標空気圧力を、燃料電池スタック10内における電解質膜の湿潤要求やアノード排ガスを希釈するための希釈要求などのシステム内の種々の要求に応じて上限値や下限値をとるように補正することもできる。
The target air pressure output to the air system control unit B 1034 is set to an upper limit value according to various requirements in the system such as a request for wetting the electrolyte membrane in the
目標空気流量演算部B1032には、目標スタック電流が入力される。目標空気流量演算部B1032は、予め定められた目標スタック電流と目標空気流量の関係を示すマップに基づいて、目標スタック電流から発電要求目標空気流量を演算する。発電要求目標空気流量は、燃料電池スタック10の発電量に応じて要求される空気流量を満たす観点から定まる空気流量の目標値である。したがって、このマップでは、目標スタック電流が増加するほど、すなわち燃料電池スタック10に対する負荷が増加するほど、発電要求目標空気流量が高い値となるように設定される。さらに、目標空気流量演算部B1032は、演算した発電要求目標空気流量をマックスセレクト部B1033に出力する。
A target stack current is input to the target air flow rate calculation unit B1032. The target air flow rate calculation unit B 1032 calculates a power generation request target air flow rate from the target stack current based on a map indicating a relationship between a predetermined target stack current and a target air flow rate. The power generation request target air flow rate is a target value of the air flow rate determined from the viewpoint of satisfying the air flow rate required according to the power generation amount of the
マックスセレクト部B1033には、発電要求目標空気流量と、湿潤制御要求空気流量と、が入力される。マックスセレクト部B1033は、発電要求目標空気流量と湿潤制御要求空気流量の大きい方を、最終的な目標空気流量として空気系制御部B1034に出力する。 The power generation request target air flow rate and the wet control request air flow rate are input to the Max Select unit B1033. The maximum select unit B1033 outputs the larger one of the power generation request target air flow rate and the wet control request air flow rate to the air system control unit B1034 as the final target air flow rate.
空気系制御部B1034には、目標スタック電流、目標空気圧力、目標空気流量、空気流量検出値、タービン入口温度前回値、電動モータ回転数検出値、及び空気圧力検出値が入力される。 A target stack current, a target air pressure, a target air flow rate, an air flow rate detection value, a turbine inlet temperature previous value, an electric motor rotation speed detection value, and an air pressure detection value are input to the air system control unit B 1034.
空気系制御部B1034は、これら入力された値に基づいて、目標タービン入口温度を演算するとともに、空気系制御部B1034は、ノズルベーン34の開度、及び電動モータ60のトルクを制御する。
The air system control unit B 1034 calculates the target turbine inlet temperature based on these input values, and the air system control unit B 1034 controls the opening degree of the
図14は、空気系制御部B1034の詳細な機能を示すブロック図である。図示のように、空気系制御部B1034は、タービン回収動力推定部B201と、演算部B202と、空気系アクチュエータ制御部B203と、演算部B204と、目標モータ動力演算部B205と、回収動力/温度変換部B206と、を有している。 FIG. 14 is a block diagram illustrating detailed functions of the air system control unit B 1034. As illustrated, the air system control unit B 1034 includes a turbine recovery power estimation unit B201, a calculation unit B202, an air system actuator control unit B203, a calculation unit B204, a target motor power calculation unit B205, and a recovery power / temperature. Conversion unit B206.
図示のように、タービン回収動力推定部B201には、空気圧力検出値、空気流量検出値、及び目標タービン入口温度前回値が入力される。タービン回収動力推定部B201は、これら値及び図示しない記憶部に記憶されたタービン入口温度前回値からタービン回収動力の推定値(以下では、「推定タービン回収動力」とも記載する)を算出する。 As shown in the figure, the detected air pressure value, the detected air flow rate, and the previous target turbine inlet temperature are input to the turbine recovery power estimation unit B201. The turbine recovery power estimation unit B201 calculates an estimated value of turbine recovery power (hereinafter also referred to as “estimated turbine recovery power”) from these values and the previous value of the turbine inlet temperature stored in a storage unit (not shown).
具体的に、先ず、タービン回収動力推定部B201は、以下に示す離散系における一時遅れの近似式(1)を用いてタービン入口温度の推定値である推定タービン入口温度Tt_in_eを求める。 Specifically, first, the turbine recovery power estimation unit B201 obtains an estimated turbine inlet temperature Tt_in_e that is an estimated value of the turbine inlet temperature using an approximate expression (1) of a temporary delay in the discrete system shown below.
Tt_in_e(n−1):タービン入口温度前回値[℃]
Tt_in_t:目標タービン入口温度前回値[℃]
ts:時定数[sec]
tsamp:制御演算周期[sec]
である。なお、時定数tsは、実験等により予め定められる。
Tt_in_e (n-1): Turbine inlet temperature previous value [° C]
Tt_in_t : Target turbine inlet temperature previous value [° C]
ts: Time constant [sec]
t samp : Control calculation cycle [sec]
It is. The time constant ts is determined in advance by experiments or the like.
そして、タービン回収動力推定部B201は、推定タービン入口温度Tt_in_eからタービン回収動力の推定値である推定タービン回収動力を算出する。具体的に、タービン回収動力推定部B201は、以下の式(2)に基づいて推定タービン回収動力POt_eを算出する。 Then, the turbine recovery power estimation unit B201 calculates an estimated turbine recovery power that is an estimated value of the turbine recovery power from the estimated turbine inlet temperature Tt_in_e . Specifically, the turbine recovery power estimation unit B201 calculates an estimated turbine recovery power PO t_e based on the following equation (2).
POt_e:推定タービン回収動力 [kW]
Qin:空気流量検出値[NL/min]
Mair:空気の式量[g/mol]
cpair:空気の定圧比熱[kJ/(g・K)]
Vsta:標準状態における体積(=22.414)[L]
ηcp:タービン効率
Tt_in_e:推定タービン入口温度[℃]
Tsta:標準状態における絶対温度(=273.15)[K]
Pt_in:タービン入口空気圧力[kPa_a]
Pt_out:タービン出口空気圧力[kPa_a]
γ:比熱比
60:秒分間の単位変換係数
1000:m3とL(リットル)の単位変換係数
である。
PO t_e : Estimated turbine recovery power [kW]
Q in : Air flow rate detection value [NL / min]
M air : Formula amount of air [g / mol]
cp air : constant-pressure specific heat of air [kJ / (g · K)]
V sta : Volume in standard state (= 22.414) [L]
η cp : turbine efficiency T t_in_e : estimated turbine inlet temperature [° C]
T sta : Absolute temperature in the standard state (= 273.15) [K]
P t_in : Turbine inlet air pressure [kPa_a]
P t_out : Turbine outlet air pressure [kPa_a]
γ: Specific heat ratio 60: Unit conversion coefficient per second 1000: Unit conversion coefficient of m 3 and L (liter).
タービン入口空気圧力Pt_inは、空気圧力検出値及び空気流量検出値に基づいて算出される。 The turbine inlet air pressure Pt_in is calculated based on the detected air pressure value and the detected air flow rate.
図15は、タービン入口空気圧力Pt_inの算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部B201は、タービン入口空気圧力Pt_inの演算を行う機能として、図に示す圧損演算ブロックB301と、演算部B302と、を有している。 FIG. 15 is a block diagram illustrating a calculation function of the turbine inlet air pressure Pt_in . The turbine recovery power estimation unit B201 has a pressure loss calculation block B301 and a calculation unit B302 shown in the drawing as functions for calculating the turbine inlet air pressure Pt_in .
圧損演算ブロックB301には、空気流量検出値が入力される。圧損演算ブロックB301は、空気流量と圧損ΔPの関係を示す圧損テーブルを有している。圧損演算ブロックB301は、この圧損テーブルに基づいて、入力された空気流量検出値から圧損ΔPを演算し、演算部B302に出力する。 An air flow rate detection value is input to the pressure loss calculation block B301. The pressure loss calculation block B301 has a pressure loss table indicating the relationship between the air flow rate and the pressure loss ΔP. Based on the pressure loss table, the pressure loss calculation block B301 calculates a pressure loss ΔP from the input air flow rate detection value, and outputs the pressure loss ΔP to the calculation unit B302.
演算部B302には、空気圧力検出値と圧損ΔPが入力される。演算部B302は、空気圧力検出値から圧損ΔPを減算した値をタービン入口空気圧力Pt_inとして出力する。 The air pressure detection value and the pressure loss ΔP are input to the calculation unit B302. The calculation unit B302 outputs a value obtained by subtracting the pressure loss ΔP from the detected air pressure value as the turbine inlet air pressure Pt_in .
タービン出口空気圧力Pt_outとしては、例えば大気圧(≒101[kpa])を用いる。外気の圧力が変動する場合には、図示しない大気圧センサにより検出された圧力検出値をタービン出口空気圧力Pt_outとしても良い。 For example, atmospheric pressure ( ≈101 [kpa]) is used as the turbine outlet air pressure Pt_out . When the outside air pressure fluctuates, the detected pressure value detected by an atmospheric pressure sensor (not shown) may be used as the turbine outlet air pressure Pt_out .
タービン効率ηcpは、タービン入口空気圧力Pt_in及びタービン出口空気圧力Pt_outに基づいて算出される。 The turbine efficiency η cp is calculated based on the turbine inlet air pressure Pt_in and the turbine outlet air pressure Pt_out .
図16は、タービン効率ηcpの算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部B201は、タービン効率ηcpの算出を行う機能として、図に示す演算部B401と、タービン効率演算ブロックB402と、を有している。 FIG. 16 is a block diagram illustrating a function of calculating the turbine efficiency η cp . Turbine recovered power estimation unit B201 is a function for calculating the turbine efficiency eta cp, has a computing unit B401 shown, the turbine efficiency calculation block B 402, the.
演算部B401には、タービン入口空気圧力Pt_in及びタービン出口空気圧力Pt_outが入力される。演算部B401は、空気圧力比Pt_in/Pt_outを演算し、タービン効率演算ブロックB402を出力する。 The turbine inlet air pressure Pt_in and the turbine outlet air pressure Pt_out are input to the calculation unit B401 . The calculation unit B401 calculates the air pressure ratio Pt_in / Pt_out and outputs a turbine efficiency calculation block B402 .
タービン効率演算ブロックB402には、空気圧力比Pt_in/Pt_outが入力される。タービン効率演算ブロックB402は、空気圧力比Pt_in/Pt_outとタービン効率ηcpの関係を示すタービン効率マップを有している。タービン効率演算ブロックB402は、このタービン効率マップに基づいて、入力された空気圧力比Pt_in/Pt_outからタービン効率ηcpを演算する。 The turbine pressure calculation block B402 receives the air pressure ratio Pt_in / Pt_out . Turbine efficiency calculating block B402 includes a turbine efficiency map showing the relationship between air pressure ratio Pt _in / Pt _out and turbine efficiency eta cp. The turbine efficiency calculation block B402 calculates the turbine efficiency η cp from the input air pressure ratio Pt_in / Pt_out based on the turbine efficiency map.
図14に戻り、タービン回収動力推定部B201は、算出した推定タービン回収動力POt_eを演算部B202に出力する。このような推定タービン回収動力POt_eを用いることで、図13に示すように空気流量検出値や電動モータ回転数等の検出値から定まる目標タービン入口温度をそのまま用いるのではなく、タービン入口温度前回値が考慮された推定タービン入口温度が用いられることとなるので、ノズルベーン34や電動モータ60にかかる制御の応答遅れを抑制することができる。
Returning to FIG. 14, the turbine recovery power estimation unit B201 outputs the calculated estimated turbine recovery power PO t_e to the calculation unit B202. By using the estimated turbine recovery power PO t_e as described above, the target turbine inlet temperature determined from the detected values of the air flow rate and the electric motor rotation number as shown in FIG. Since the estimated turbine inlet temperature in consideration of the value is used, it is possible to suppress a delay in control response to the
演算部B202には、推定タービン回収動力POt_eと、モータ回転数センサ72からの電動モータ回転数検出値が入力される。演算部B202は、推定タービン回収動力POt_eから電動モータ回転数検出値を除してタービン回収トルクの推定値(以下では、「推定タービン回収トルク」とも記載する)を算出する。そして、演算部B202は、算出した推定タービン回収トルクを減算部300に出力する。
The estimated turbine recovery power PO t_e and the electric motor rotation speed detection value from the motor
空気系アクチュエータ制御部B203には、目標空気圧力、目標空気流量、空気圧力検出値、及び空気流量検出値が入力される。空気系アクチュエータ制御部B203は、入力された空気圧力検出値及び空気流量検出値が、それぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に近づくように、指令ノズルリフト量及び目標コンプレッサトルクを算出する。 A target air pressure, a target air flow rate, an air pressure detection value, and an air flow rate detection value are input to the air system actuator control unit B203. The air system actuator controller B203 calculates the command nozzle lift amount and the target compressor torque so that the input air pressure detection value and the air flow rate detection value approach the target air pressure and the target air flow rate, respectively.
また、空気系アクチュエータ制御部B203は、算出した指令ノズルリフト量をノズルベーン34に出力するとともに、算出した目標コンプレッサトルクを減算部300に出力する。
In addition, the air actuator control unit B203 outputs the calculated command nozzle lift amount to the
減算部300は、空気系アクチュエータ制御部B203で算出された目標コンプレッサトルクから演算部B202で算出された推定タービン回収トルクを減算した値を電動モータ指令トルクとして、電動モータ60に出力する。
The
演算部B204には、空気系アクチュエータ制御部B203で算出された目標コンプレッサトルク、及び電動モータ回転数検出値が入力される。演算部B204は、目標コンプレッサトルクに電動モータ回転数検出値を乗じて、コンプレッサ64の動力の目標値である目標コンプレッサ動力を算出する。すなわち、目標コンプレッサ動力は、タービン62によるアシストを考慮しない場合の電動モータ60の動力の目標値に相当する。
The calculation unit B204 receives the target compressor torque and the electric motor rotation speed detection value calculated by the air actuator control unit B203. The calculation unit B204 multiplies the target compressor torque by the electric motor rotation speed detection value to calculate a target compressor power that is a target value of the power of the
目標モータ動力演算部B205には、目標スタック電流が入力される。目標モータ動力演算部B205は、目標スタック電流と電動モータ60に要求される出力である目標モータ動力の関係を示した目標モータ動力テーブルに基づき、目標モータ動力を算出する。
A target stack current is input to the target motor power calculation unit B205. The target motor power calculation unit B205 calculates the target motor power based on the target motor power table indicating the relationship between the target stack current and the target motor power that is an output required for the
図17は、目標モータ動力テーブルの概要を示している。図に示すマップでは、本実施形態では、目標スタック電流が増加してI0に到達するまで、すなわち負荷が一定値に上昇するまでは目標モータ動力が一定値となるように設定されている。これにより、低負荷領域等のコンプレッサ64への要求動力が目標モータ動力より低い場合には、目標タービン回収動力がマイナスとなり、燃焼器32への燃料供給が停止されることとなる。
FIG. 17 shows an outline of the target motor power table. In the map shown in the figure, in this embodiment, the target motor power is set to a constant value until the target stack current increases and reaches I0, that is, until the load increases to a constant value. Thereby, when the required power to the
また、本実施形態では、目標スタック電流がI0に達した以降においては、電動モータ60で生成する動力を減少させてタービン62からの回収動力で補うことで、当該電動モータ60の消費電力を低減する。このため目標モータ動力を減少させている。目標モータ動力演算部B205は、このテーブルから目標モータ動力を算出する。
In the present embodiment, after the target stack current reaches I0, the power generated by the
図14に戻り、目標モータ動力演算部B205は、算出した目標モータ動力を出力する。 Returning to FIG. 14, the target motor power calculation unit B205 outputs the calculated target motor power.
減算部302は、演算部B204で算出された目標コンプレッサ動力から目標モータ動力演算部B205で算出された目標モータ動力を減算して目標タービン回収動力を算出する。減算部302は、目標タービン回収動力を回収動力/温度変換部B206に出力する。
The
回収動力/温度変換部B206には、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量が入力される。 The target turbine recovery power, the target air pressure, and the target air flow rate are input to the recovery power / temperature conversion unit B206.
回収動力/温度変換部B206は、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量に基づいて、目標タービン入口温度を算出する。具体的に、回収動力/温度変換部B206は、タービン回収動力推定部B201で用いた式(2)を用いて、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量から目標タービン入口温度を算出する。 The recovery power / temperature conversion unit B206 calculates the target turbine inlet temperature based on the target turbine recovery power, the target air pressure, and the target air flow rate. Specifically, the recovery power / temperature conversion unit B206 calculates the target turbine inlet temperature from the target turbine recovery power, the target air pressure, and the target air flow rate using the equation (2) used in the turbine recovery power estimation unit B201. To do.
すなわち、式(2)のPOt_eに目標タービン回収動力を代入し、Qinに目標空気流量を代入する。そして、図15に示したタービン入口空気圧力Pt_inの算出ロジックにおいて、「空気圧力検出値」及び「空気流量検出値」をそれぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に置き換えて、当該算出ロジックにしたがいタービン入口空気圧力Pt_inを算出する。また、タービン出口空気圧力Pt_outとしては大気圧を用いる。 That is, the target turbine recovery power is substituted for PO t_e in the equation (2), and the target air flow rate is substituted for Q in . Then, in the calculation logic of the turbine inlet air pressure P t_in shown in FIG. 15, the “air pressure detection value” and the “air flow rate detection value” are respectively replaced with the target air pressure and the target air flow rate, and the calculation logic is followed. A turbine inlet air pressure P t_in is calculated. Further, atmospheric pressure is used as the turbine outlet air pressure P t_out .
このようにして得られた各値を式(2)に適用すれば、式(2)のTt_in_eを求めることができるので、これを目標タービン入口温度とすることができる。 If each value obtained in this way is applied to Equation (2), T t_in_e in Equation (2) can be obtained, and this can be used as the target turbine inlet temperature.
回収動力/温度変換部B206は、算出した目標タービン入口温度をミニマムセレクト部B1035に出力する。 The recovery power / temperature conversion unit B206 outputs the calculated target turbine inlet temperature to the minimum selection unit B1035.
図13に戻り、ミニマムセレクト部B1035には、空気系制御部B1034から出力される目標タービン入口温度、及び許容上限温度が入力される。ここで、許容上限温度とは、部品の耐熱温度を考慮して定められるタービン入口温度の上限温度である。 Returning to FIG. 13, the target turbine inlet temperature and the allowable upper limit temperature output from the air system control unit B 1034 are input to the minimum selection unit B 1035. Here, the allowable upper limit temperature is the upper limit temperature of the turbine inlet temperature determined in consideration of the heat-resistant temperature of parts.
ミニマムセレクト部B1035は、目標タービン入口温度と許容上限温度の内の小さい方の値を、実際の目標タービン入口温度として循環ブロア制御部B104及び燃焼器水素量制御部B106に出力する。以下では、この「実際の目標タービン入口温度」を単に「目標タービン入口温度」と記載する。 The minimum select unit B1035 outputs the smaller value of the target turbine inlet temperature and the allowable upper limit temperature to the circulation blower control unit B104 and the combustor hydrogen amount control unit B106 as the actual target turbine inlet temperature. Hereinafter, this “actual target turbine inlet temperature” is simply referred to as “target turbine inlet temperature”.
図10に戻り、循環ブロア制御部B104には、目標スタック電流、冷却水温度検出値、目標タービン入口温度、及び目標空気流量が入力される。循環ブロア制御部B104は、これら値に基づいて循環ブロア45の出力を制御する。
Returning to FIG. 10, the target stack current, the detected coolant temperature, the target turbine inlet temperature, and the target air flow rate are input to the circulation blower control unit B104. The circulation blower control unit B104 controls the output of the
図18は、循環ブロア制御部B104の機能を示すブロック図である。循環ブロア制御部B104は、発電要求目標回転数算出部B1041と、一次遅れフィルタB1042と、タービン要求目標回転数算出部B1043と、マックスセレクト部B1044と、を有している。 FIG. 18 is a block diagram illustrating functions of the circulation blower control unit B104. The circulation blower control unit B104 includes a power generation request target rotational speed calculation unit B1041, a first-order lag filter B1042, a turbine required target rotational speed calculation unit B1043, and a max selection unit B1044.
発電要求目標回転数算出部B1041には、目標スタック電流、及び冷却水温度が入力される。発電要求目標回転数算出部B1041は、目標スタック電流、冷却水温度、及び発電要求目標ブロア回転数の関係を示す所定のマップに基づいて、目標スタック電流と冷却水温度から、発電要求目標ブロア回転数を算出する。ここで、発電要求目標ブロア回転数は、燃料電池スタック10の発電量を適切に保つ観点から必要とされる循環ブロア45の回転数の目標値である。
The target stack current and the coolant temperature are input to the power generation request target rotation speed calculation unit B1041. The power generation request target rotation speed calculation unit B1041 generates the power generation request target blower rotation from the target stack current and the cooling water temperature based on a predetermined map indicating the relationship between the target stack current, the cooling water temperature, and the power generation request target blower rotation speed. Calculate the number. Here, the power generation request target blower rotational speed is a target value of the rotational speed of the
図18に示す発電要求ブロア回転数マップでは、目標スタック電流が相対的に低い領域(低負荷領域から中負荷領域)では、目標スタック電流が増加するほど発電要求目標ブロア回転数が増加する。また、冷却水温度が増加するほど発電要求目標ブロア回転数が増加する。すなわち、目標スタック電流や冷却水温度が増加する場合には、燃料電池スタック10への負荷が大きくなるので、これに合わせて循環ブロア45の回転数をより増加させるように設定する。
In the power generation request blower rotation speed map shown in FIG. 18, in the region where the target stack current is relatively low (from the low load region to the medium load region), the power generation request target blower rotation number increases as the target stack current increases. Further, the power generation request target blower speed increases as the coolant temperature increases. That is, when the target stack current or the cooling water temperature increases, the load on the
また、目標スタック電流が相対的に高い領域(高負荷領域)では、目標スタック電流が増加するほど発電要求目標ブロア回転数が低下する。これは、高負荷領域では、エゼクタ46の出力が目標スタック電流の増加に応じて向上するため、循環ブロア45に要求される出力が低下するためである。
In a region where the target stack current is relatively high (high load region), the power generation request target blower speed decreases as the target stack current increases. This is because, in the high load region, the output of the
発電要求目標回転数算出部B1041は、算出した発電要求目標ブロア回転数をマックスセレクト部B1044に出力する。 The power generation request target rotation speed calculation unit B1041 outputs the calculated power generation request target rotation speed to the Max selection unit B1044.
一次遅れフィルタB1042には、目標タービン入口温度が入力される。一次遅れフィルタB1042は、この目標タービン入口温度及びタービン入口温度前回値から上記式(1)に基づいて推定タービン入口温度を算出する。そして、一次遅れフィルタB1042は、推定タービン入口温度をタービン要求目標回転数算出部B1043に出力する。 The target turbine inlet temperature is input to the first-order lag filter B1042. The first-order lag filter B1042 calculates the estimated turbine inlet temperature from the target turbine inlet temperature and the previous value of the turbine inlet temperature based on the above equation (1). Then, the first-order lag filter B1042 outputs the estimated turbine inlet temperature to the turbine required target rotational speed calculation unit B1043.
これにより、図13に示すように空気流量検出値や電動モータ回転数等の検出値から定まる目標タービン入口温度をそのまま用いるのではなく、タービン入口温度前回値が考慮された推定タービン入口温度が循環ブロア45の回転数の制御に用いられることとなるので、燃焼器32の温度が上昇する前に循環ブロア45が湿潤側(出力増加側)に制御され、燃焼器32に供給される液水が増加して失火等の発生を防止することができる。
Thus, as shown in FIG. 13, the target turbine inlet temperature determined from the detected values of the air flow rate and the electric motor rotation number is not used as it is, but the estimated turbine inlet temperature considering the previous value of the turbine inlet temperature is circulated. Since it is used for controlling the rotational speed of the
タービン要求目標回転数算出部B1043には、推定タービン入口温度、及び目標空気流量が入力される。タービン要求目標回転数算出部B1043は、推定タービン入口温度、目標空気流量、及びタービン要求目標ブロア回転数の関係を示す所定のマップに基づいて、推定タービン入口温度と冷却水温度から、タービン要求目標ブロア回転数を算出する。 The estimated turbine inlet temperature and the target air flow rate are input to the turbine required target rotation speed calculation unit B1043. The turbine required target speed calculation unit B1043 calculates the turbine required target from the estimated turbine inlet temperature and the cooling water temperature based on a predetermined map indicating the relationship between the estimated turbine inlet temperature, the target air flow rate, and the turbine required target blower speed. Calculate the blower speed.
タービン要求目標ブロア回転数は、タービン入口温度を目標タービン入口温度に制御する観点から必要とされる循環ブロア45の回転数の目標値である。すなわち、タービン要求目標ブロア回転数は、燃焼器32の温度上昇や液水による失火を防止する観点から定められる、循環ブロア45の回転数の目標値である。
The turbine required target blower rotational speed is a target value of the rotational speed of the
特に、本実施形態では、タービン要求目標回転数算出部B1043は、燃焼器32に供給される液水の流量を調節するために、この液水の流量に相関する燃料電池スタック10のアノード出口10dの相対湿度RHを制御する観点からタービン要求目標ブロア回転数を決定する。
In particular, in the present embodiment, the turbine required target rotational speed calculation unit B1043 adjusts the flow rate of the liquid water supplied to the
図19は、タービン要求目標ブロア回転数マップの一例を示している。図示のように、タービン要求目標ブロア回転数マップでは、推定タービン入口温度が所定値T1以下の低負荷領域では、推定タービン入口温度や目標空気流量の大小にかかわらず、タービン要求目標ブロア回転数の変化が小さい。 FIG. 19 shows an example of a turbine required target blower rotational speed map. As shown in the figure, in the turbine required target blower rotational speed map, in the low load region where the estimated turbine inlet temperature is equal to or less than a predetermined value T1, the turbine required target blower rotational speed is not affected regardless of the estimated turbine inlet temperature and the target air flow rate. Small change.
これは、低負荷領域では燃焼器32内の温度が比較的低いので、循環ブロア45の回転数を極力増加させないようにして燃焼器32への液水の供給流量を極力少なくすることで、燃焼器32内の熱反応が液水の気化で妨げられないようにするためである。
This is because the temperature in the
一方で、推定タービン入口温度が目標空気流量に応じて所定値T1又はT2以上となる高負荷領域においては、推定タービン入口温度が増加するほど、タービン要求目標ブロア回転数が増加する。これは、負荷が増加するほど、燃焼器32に供給される液水の流量を増加させるべく、アノード出口10dの相対湿度RHを増加させるために循環ブロア45の回転数を向上させることによる。
On the other hand, in the high load region where the estimated turbine inlet temperature is equal to or higher than the predetermined value T1 or T2 according to the target air flow rate, the turbine required target blower rotational speed increases as the estimated turbine inlet temperature increases. This is because the rotational speed of the
また、タービン要求目標ブロア回転数マップでは、高負荷領域において、目標空気流量が増加するほど、タービン要求目標ブロア回転数が増加するように設定されている。ここで、空気流量が増加すると、燃料電池スタック10のカソード出口10bから排出される液水がアノード出口10dから排出される液水に比べて大きくなる。
In the turbine required target blower rotational speed map, the turbine required target blower rotational speed is set so as to increase as the target air flow rate increases in the high load region. Here, when the air flow rate increases, the liquid water discharged from the
したがって、この傾向を妨げるために、高負荷領域では、空気流量が増加する場合において、循環ブロア45の回転数を増加させ、燃料電池スタック10内の水分を燃料電池スタック10内のアノード側に誘導するようにしている。これにより、空気流量が増加する場合において、アノード出口10dの相対湿度RHをより増加させることができる。
Therefore, in order to prevent this tendency, in the high load region, when the air flow rate increases, the rotational speed of the
すなわち、本実施形態では、燃料電池スタック10に供給される空気流量に対する、水素循環通路43内における循環ブロア45の回転数(循環水素流量)の比率を増加させることで、アノード出口10dの相対湿度RHを増加させ、結果として燃焼器32へ供給される液水流量を増加させることができる。
That is, in the present embodiment, the relative humidity of the
図18に戻り、タービン要求目標回転数算出部B1043は、タービン要求目標ブロア回転数をマックスセレクト部B1044に出力する。 Returning to FIG. 18, the turbine required target rotational speed calculation unit B1043 outputs the turbine required target blower rotational speed to the maximum selection unit B1044.
マックスセレクト部B1044には、発電要求目標ブロア回転数、及びタービン要求目標ブロア回転数が入力される。マックスセレクト部B1044は、発電要求目標ブロア回転数、及びタービン要求目標ブロア回転数のうちの大きい方を目標ブロア回転数として算出する。 The power generation request target blower rotation speed and the turbine request target blower rotation speed are input to the maximum selection unit B1044. The maximum selector B1044 calculates the larger one of the power generation request target blower rotation speed and the turbine request target blower rotation speed as the target blower rotation speed.
そして、図10に戻り、循環ブロア制御部B104は、循環ブロア45の回転数が目標ブロア回転数に近づくように、循環ブロア45の出力を制御する。
Then, returning to FIG. 10, the circulation blower control unit B104 controls the output of the
パージ弁制御部B105には、冷却水温度及び目標スタック電流が入力される。パージ弁制御部B105は、冷却水温度検出値及び目標スタック電流に基づいてパージ弁のデューティー比を制御する。 The purge valve controller B105 receives the coolant temperature and the target stack current. The purge valve control unit B105 controls the duty ratio of the purge valve based on the detected coolant temperature value and the target stack current.
図20は、パージ弁制御部B105の機能を説明する図である。 FIG. 20 is a diagram illustrating the function of the purge valve control unit B105.
図示のように、パージ弁制御部B105は、冷却水温度検出値、目標スタック電流、及びパージ弁のデューティー比の関係を示すパージ弁デューティー比マップに基づいて、目標スタック電流及び冷却水温度からパージ弁52の目標パージ弁デューティー比を算出する。ここで、目標パージ弁デューティー比は、パージ通路51を介して燃焼器32に供給される液水流量を好適に調節する観点から定められるパージ弁52のデューティー比の目標値である。
As shown in the figure, the purge valve control unit B105 purges from the target stack current and the cooling water temperature based on the purge valve duty ratio map indicating the relationship between the detected coolant temperature value, the target stack current, and the duty ratio of the purge valve. The target purge valve duty ratio of the
図に示すパージ弁デューティー比マップを参照すると、目標スタック電流が冷却水温度に応じた所定値(図20のI1、I2、I3)以上の領域(高負荷領域)においては、目標スタック電流が増加するほど、目標パージ弁デューティー比が大きくなる。これは、目標スタック電流が大きい場合には、燃料電池スタック10の負荷が高く、発電による生成水が増えるため、この水分を介して排出すべく、パージ弁52のデューティー比を増加方向に制御するためである。なお、本実施形態では、図20に示すマップにおいて点線で示した冷却水温度ごとに異なる横軸の目標スタック電流の値I1、I2、I3がそれぞれ「所定値」に該当する。
Referring to the purge valve duty ratio map shown in the figure, the target stack current increases in a region (high load region) where the target stack current is equal to or greater than a predetermined value (I1, I2, I3 in FIG. 20) according to the coolant temperature. The target purge valve duty ratio increases as the operation is performed. This is because when the target stack current is large, the load of the
また、目標スタック電流が相対的に大きい領域において冷却水温度検出値が増加するほど、目標パージ弁デューティー比が大きくなる。冷却水温度検出値が相対的に高い場合には、水素循環通路43内の温度が相対的に高くなるため、水素循環通路43内のガスの飽和水蒸気量が増加し、より多く水蒸気が水素循環通路43内のガスに含まれることとなる。したがって、水素循環通路43内の水素濃度を低下させないために、パージ弁52のデューティー比を増加方向に設定する。
In addition, the target purge valve duty ratio increases as the coolant temperature detection value increases in a region where the target stack current is relatively large. When the detected value of the cooling water temperature is relatively high, the temperature in the
一方で、中負荷領域においても、冷却水温度検出値が増加するほど、目標パージ弁デューティー比が大きくなる。これは、燃料電池スタック10の発電性能を維持する観点から、水素循環通路43内における水素濃度を一定以上に保つためである。
On the other hand, also in the middle load region, the target purge valve duty ratio increases as the coolant temperature detection value increases. This is to maintain the hydrogen concentration in the
そして、パージ弁制御部B105は、パージ弁52のデューティー比が、算出された目標パージ弁デューティー比に近づくようにパージ弁52を制御する。
Then, the purge valve control unit B105 controls the
図10に戻り、燃焼器水素量制御部B106には、目標空気流量、及び目標タービン入口温度が入力される。燃焼器水素量制御部B106は、目標空気流量、及び目標タービン入口温度に基づいて、燃焼器水素量調節弁49の開度を制御する。
Returning to FIG. 10, the target air flow rate and the target turbine inlet temperature are input to the combustor hydrogen amount control unit B106. The combustor hydrogen amount control unit B106 controls the opening degree of the combustor hydrogen
例えば、燃焼器水素量制御部B106は、予め定められた目標タービン入口温度、目標空気流量、及び燃焼器水素量調節弁49の開度の関係を規定したマップに基づいて、目標タービン入口温度及び目標空気流量から燃焼器水素量調節弁49の目標開度を算出する。そして、燃焼器水素量制御部B106は、燃焼器水素量調節弁49の開度が当該目標開度に近づくように、燃焼器水素量調節弁49をフィードバック制御する。
For example, the combustor hydrogen amount control unit B106 determines a target turbine inlet temperature and a target turbine inlet temperature based on a map that defines a relationship between a predetermined target turbine inlet temperature, a target air flow rate, and an opening degree of the combustor hydrogen
以上説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池システム100及び燃料電池システム100の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
According to the
本実施形態による燃料電池システム100は、燃料電池としての燃料電池スタック10のアノード極としてのアノード入口10cに燃料としての水素を供給する燃料供給装置(アノード供給機構14)と、燃料電池スタック10のカソード極としてのカソード入口10aに酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給装置(カソード給排機構12)と、燃料電池スタック10の運転状態を検出する運転状態検出部としてのHFR測定装置18、エアフローメータ26、空気圧力センサ28、循環水素圧力センサ47、燃焼器供給水素圧力検出センサ50、モータ回転数センサ72、水温センサ82、電流センサ91、及び電圧センサ92と、運転状態検出部からの信号により燃料供給装置及び酸化剤供給装置を制御する運転制御装置としてのコントローラ20と、を備える。
The
さらに、燃料電池システム100は、燃料電池スタック10から排出される液水を燃焼器32に供給する液水供給部(パージ通路51及びパージ弁52)と、を有する。また、上記酸化剤供給装置は、燃料電池スタック10のカソード入口10aに空気を供給するコンプレッサ64と、該コンプレッサ64を駆動するタービン62と、タービン62を駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器32と、を備える。
Further, the
そして、コントローラ20は、燃料電池スタック10の負荷(目標スタック電流)、コンプレッサ64の目標動力としての目標コンプレッサ動力、タービン62の目標回収動力である目標タービン回収動力、及びタービン62の目標入口温度である目標タービン入口温度を含む液水流量制御パラメータに基づいて、燃焼器32に供給される液水の流量である燃焼器供給液水流量を制御する液水流量制御部(循環ブロア制御部B104及びパージ弁制御部B105)を備える。
Then, the
ここで、燃焼器32に供給された液水は、当該燃焼器32内において水素と空気の燃焼により生じる熱で気化して水蒸気に変換される。そして、この水蒸気がタービン62に供給されることとなり、タービン62の回収動力に寄与することとなる。したがって、上記液水流量制御パラメータに応じて、燃焼器32に供給される液水流量を制御することで、
この液水流量制御パラメータに相関する燃料電池スタック10の負荷状態等に応じて、燃焼器32に供給される液水量を好適に制御することができる。これにより、タービン効率を高めることができる。
Here, the liquid water supplied to the
The amount of liquid water supplied to the
特に、液水を気化した水蒸気でタービン62を駆動するので、タービン62に供給されるガスをより低温にすることができ、システム構成部品への熱の影響を抑制しつつ、所望の動力を回収することができる。
In particular, since the
さらに、このようにタービン62の回収動力を得るにあたり、液水を投入しない場合と比較して、より低温で必要な動力を得ることができるため、窒素酸化物の発生や燃焼器32内の触媒劣化も抑制することができる。
Furthermore, in obtaining the recovery power of the
なお、本実施形態では、タービン62から独立してコンプレッサ64を駆動する電動モータ60をさらに有する。より詳細には、本実施形態の燃料電池システム100は、タービン62からの回収動力と電動モータ60で生成される動力でコンプレッサ64を駆動する。
In the present embodiment, an
したがって、このようなシステムで燃料電池スタック10から排出される液水を燃焼器32において利用することで、上述のようにタービン回収動力を増加させることができるので、電動モータ60の消費電力を削減することができ、燃料電池スタック10のサイズの小型化を図ることができる。
Therefore, by using the liquid water discharged from the
また、本実施形態の燃料電池システム100では、液水供給部としてのパージ通路51及びパージ弁52は、燃料電池スタック10のアノード出口10dからの液水を燃焼器32に供給する(図1参照)。
In the
これにより、アノード出口10dから排出する液水の流量を好適に制御して、燃焼器32に供給する液水流量を好適に調節することができる。
Thereby, the flow rate of the liquid water discharged from the
また、本実施形態の燃料電池システム100において、液水供給部は、燃料電池スタック10のアノード出口10dからの液水を燃焼器32に排出する液水供給通路としてのパージ通路51と、パージ通路51に設けられた液水供給量調節弁としてのパージ弁52と、を有する。そして、液水量制御部としてのパージ弁制御部B105は、パージ弁52の開弁時間割合であるパージ弁52のデューティー比を調節することで液水の流量を制御する(図20参照)。
In the
これにより、燃焼器32への液水の供給流量の制御を、パージ弁52のデューティー比を調節するという簡易な手法で実現することができる。特に、燃料電池スタック10の負荷が大きい場合等の燃焼器32により多くの液水を供給することが要求される場合には、パージ弁52のデューティー比を高くすることで対応することができる。
Thereby, control of the supply flow rate of the liquid water to the
特に、本実施形態の燃料電池システム100において、液水供給通路が、燃料電池スタック10のアノード供給機構14(水素循環通路43)から排出されるパージガスを流すパージ通路51であり、液水供給量調節弁は、パージ通路51に設けられるパージ弁52である。
In particular, in the
したがって、燃料電池システム100のアノード供給機構14においてパージガスを外部に排出するために必要な構成を用いて、燃焼器32への液水供給量を制御する構成を実現することができる。すなわち、より簡易な構成で燃焼器32への液水供給量の制御が可能となる。
Therefore, a configuration for controlling the amount of liquid water supplied to the
また、本実施形態による燃料電池システム100では、パージ弁制御部B105は、液水流量制御パラメータとしての目標スタック電流が所定値I1、I2、I3以上の高負荷領域となると、燃焼器32への液水の供給を開始する(図20参照)。なお、ここで言う「燃焼器32への液水の供給を開始する」とは、燃焼器32で液水を利用する観点から供給が開始されることを意味しており、目標スタック電流が所定値未満においても少量の液水が燃焼器32に供給されることを排除するものではない。
Further, in the
これにより、燃焼器32内の温度が比較的高く、燃焼器32内に供給された液水に気化熱を与えても、燃焼器32内における水素と酸素の燃焼反応への影響が小さい高負荷領域を選択して、燃焼器32への液水の供給を実行することができる。したがって、燃焼器32内の失火等を抑制しつつも、液水から気化した水蒸気のエネルギーをタービン62に与えることができる。
Thus, even if the temperature in the
さらに、本実施形態では、パージ弁制御部B105は、目標スタック電流が所定値I1、I2、I3以上であって指令電動モータトルク、目標タービン回収動力、及び目標タービン入口温度が増加するほど、燃焼器供給液水流量を増加させる(図20参照)。 Furthermore, in the present embodiment, the purge valve control unit B105 performs the combustion as the target stack current is equal to or greater than the predetermined values I1, I2, and I3 and the command electric motor torque, the target turbine recovery power, and the target turbine inlet temperature increase. The vessel supply liquid water flow rate is increased (see FIG. 20).
これにより、高負荷領域においては負荷が増加するにつれて燃焼器32に供給される液水の流量を増加させることで、タービン62へ供給される水蒸気の流量も増加する。したがって、負荷の増加に合わせてタービン62へ供給される水蒸気のエネルギーを増加させることができる。これにより、高負荷領域においてタービン62による回収動力を増加させることができ、タービン62の回収動力によるコンプレッサ64のアシスト力を増大させることができる。したがって、コンプレッサ64を駆動する電動モータ60の消費電力の低減に資することとなるので、結果として燃料電池スタック10に出力要求(要求発電電力)を減少させることができ、燃料電池スタック10のサイズの小型化を図ることができる。
Thereby, in the high load region, the flow rate of the water vapor supplied to the
さらに、本実施形態の燃料電池システム100において、パージ弁制御部B105は、燃料電池スタック10のアノード出口10dの相対湿度RHを調節することで液水の流量を制御する(図12参照)。
Further, in the
これにより、アノード出口10dの相対湿度RHを調節することで、燃焼器32への供給する液水の流量を好適に増減させることができる。
Thereby, the flow volume of the liquid water supplied to the
特に、アノード出口10dの相対湿度RHを増加させることにより燃焼器32へ供給される液水の流量を増加させることができる一方で、アノード出口10dの相対湿度RHを減少させることで燃焼器32へ供給される液水の流量を減少させることができる。
In particular, the flow rate of liquid water supplied to the
また、本実施形態の燃料電池システム100では、液水量制御部としての湿潤制御部B102は、燃料電池スタック10の冷却水温度を調節(ラジエータファン回転数及び三方弁開度の調節)することでアノード出口10dの相対湿度RHを制御する(図12参照)。
In the
これにより、燃料電池スタック10の冷却水温度を調節するという簡易な方法でアノード出口10dの相対湿度RHを調節し、結果として燃焼器32に供給される液水の流量を調節することができる。
Thereby, the relative humidity RH of the
特に、本実施形態では高負荷領域においては、燃料電池スタック10の電解質膜をより湿潤させるべく目標HFRが低下する(図12の目標HFR算出部B1021参照)。ここで、冷却水温度を減少させる操作を行うことで、燃料電池スタック内の水分量を増加させつつも、燃料電池スタック10におけるカソード極内の空気の水分含有量(飽和水蒸気量)を低下させることができ、燃料電池スタック10のカソード出口10bから排出される水分量が減少する。
In particular, in the present embodiment, in the high load region, the target HFR decreases to wet the electrolyte membrane of the
一方で、このように燃料電池スタック10のカソード出口10bから排出される水分量が減少しているにもかかわらず、燃料電池スタック内の水分量自体は増加しているので、その増加分により、燃料電池スタック10のアノード出口10dから排出される水分が増加し、燃料電池スタック10のアノード出口10dの相対湿度RHが増加することとなる。その結果、燃焼器32への液水の供給流量を増加させることができる。なお、燃焼器32への液水の供給流量を減少させる場合には、逆に冷却水温度を増加する操作が行われる。
On the other hand, although the amount of moisture discharged from the
さらに、本実施形態の燃料電池システム100において、液水量制御部としての湿潤制御部B102は、燃料電池スタック10に供給される空気流量(湿潤制御要求目標空気流量)を調節することでアノード出口10dの相対湿度RHを制御する(図12参照)。
Furthermore, in the
これにより、燃料電池スタック10に供給される空気流量を調節するという簡易な方法でアノード出口10dの相対湿度RHを調節し、結果として燃焼器32に供給される液水の流量を調節することができる。
Thereby, the relative humidity RH of the
特に、燃料電池スタック10のカソード入口10aに供給される空気流量を減少させると、カソード出口10bから排出される水分が相対的に少なくなるにもかかわらず、燃料電池スタック10内の水分がより増加する。したがって、増加した燃料電池スタック10内の水分により、燃料電池スタック10のアノード出口10dから排出される水分が増加する。したがって、アノード出口10dの相対湿度RHが増加することとなり、燃焼器32への液水の供給流量を増加させることができる。
In particular, when the flow rate of air supplied to the
さらに、本実施形態の燃料電池システム100においては、燃料電池スタック10に供給する水素を循環させる燃料循環通路としての水素循環通路43をさらに有する。そして、液水流量制御部としての循環ブロア制御部B104は、燃料電池スタック10に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を調節することでアノード出口10dの相対湿度RHを制御する(図18のタービン要求目標回転数算出部B1043)。
Further, the
すなわち、燃料電池スタック10に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を変化させることにより、アノード出口10dから排出される水分を調節することができ、燃焼器32へ供給される液水の流量を調節することができる。
That is, by changing the ratio of the hydrogen circulation flow rate to the air flow rate supplied to the
特に、燃料電池スタック10に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を増加させることで、燃料電池スタック10のカソード出口10bから排出される水分に対してアノード出口10dから排出される水分を増やすことができるので、燃焼器32へ供給される液水の流量を増加させることができる。
In particular, by increasing the ratio of the hydrogen circulation flow rate to the air flow rate supplied to the
特に、本実施形態の燃料電池システム100において、液水流量制御部は、水素の循環流量を制御する燃料循環流量制御部としての循環ブロア制御部B104を有する。そして、循環ブロア制御部B104は、燃料電池スタック10に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を調節する(図18のタービン要求目標回転数算出部B1043)。
In particular, in the
これにより、冷却水温度や空気流量を変更できないシーンにおいても、水素循環流量を制御することで燃料電池スタック10内の電解質膜の湿潤状態を制御し、アノード出口10dから排出される液水流量を制御することができる。すなわち、このようなシーンにおいても、燃焼器32に供給する液水流量を好適に制御することができる。
Thereby, even in a scene where the cooling water temperature and the air flow rate cannot be changed, the wet state of the electrolyte membrane in the
なお、水素循環流量は、循環ブロア45の回転数に代えて、又はこれとともに、エゼクタ46の段数、及びエゼクタノズルの径の少なくとも何れか一つに基づいて制御するようにしても良い。例えば、発電電流に対して要求される水素循環流量が高いほど、エゼクタ46の段数を小さくしたり、エゼクタノズルの径を小さくしたりするようにしても良い。
The hydrogen circulation flow rate may be controlled based on at least one of the number of stages of the
また、燃料電池システム100において、液水流量制御部としての循環ブロア制御部B104は、燃焼器32の温度とみなされる推定タービン入口温度が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する(図19参照)。なお、ここで言う「燃焼器32への液水の供給を開始する」とは、燃焼器32で液水を利用する観点からの供給の開始することを意味しており、推定タービン入口温度が所定値未満においても少量の液水が燃焼器32に供給されることを排除するものではない。
In the
これにより、推定タービン入口温度が所定値以上となった場合に、燃焼器32へ液水の供給流量の制御を開始するので、燃焼器32の温度が十分に高くなってから燃焼器32に液水が供給されることとなる。したがって、燃焼器32の温度が低い状態で液水が供給されることにより、水素と酸素の燃焼反応が妨げられることを防止することができる。
Accordingly, when the estimated turbine inlet temperature becomes equal to or higher than a predetermined value, the control of the liquid water supply flow rate to the
さらに、本実施形態の燃料電池システム100では、液水供給部としてのパージ通路51は、燃焼器32の内部に液水供給口51aを有する。そして、この液水供給口51aは、燃焼器32の内部の最高温度点Tの上方に配置される(図3参照)。
Further, in the
これにより、パージ通路51から排出される液水は重力の影響で落下しつつ、燃焼器32の内部の最高温度点Tの位置に丁度供給されることとなるので、燃焼器32の内部の温度分布の偏りを軽減でき、最高温度を下げることができる。これにより、タービン回収動力を低下させることなく、窒素酸化物の発生や燃焼器32の内部の部分的な触媒劣化を防止することができる。
As a result, the liquid water discharged from the
また、本実施形態の燃料電池システム100では、液水供給部としてのパージ通路51は、燃焼器32の内部に液水供給口51aを有する。そして、この液水供給口51aは、燃焼器32の内部に水素を供給する燃料供給口としての水素供給口48aに対して、ガス流方向(図3の矢印A方向)の下流に配置される。
Further, in the
これにより、水素供給口48aから供給された水素によって水素濃度が相対的に高く燃焼温度が高くなり易い部分に液水が供給されることとなるので、液水に効率的に熱を与えることができ、液水を速やかに気化させて水蒸気に変換し、タービン62へ供給することができる。また、液水が燃焼器32内で比較的低温の部分に供給されることによって、液水の気化熱で燃焼器32内を冷却し、燃焼の効率を低下させることを抑制することができる。
As a result, the liquid water is supplied to the portion where the hydrogen concentration is relatively high and the combustion temperature tends to be high due to the hydrogen supplied from the
以上説明したように本実施形態では、燃料電池としての燃料電池スタック10のカソード極(カソード入口10a)に酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ64をタービン62で駆動する燃料電池システム100の制御方法が提供される。そして、この制御方法では、燃料電池スタック10の負荷(目標スタック電流)、コンプレッサ64の目標動力としての目標コンプレッサ動力、タービン62の目標回収動力である目標タービン回収動力、及びタービン62の目標入口温度である目標タービン入口温度を含む液水流量制御パラメータ取得し、この液水流量制御パラメータに基づいて、タービン62に供給する燃焼ガスを生成する燃焼器32に供給される液水の流量を制御する。
As described above, in this embodiment, the control method of the
これにより、液水流量制御パラメータに応じて、燃焼器32に供給される液水流量を制御することで、この液水流量制御パラメータに相関する燃料電池スタック10の負荷状態等に応じて、燃焼器32に供給される液水量を好適に制御することができる。これにより、タービン効率を高めることができる。
Thus, by controlling the liquid water flow rate supplied to the
なお、以上説明した上記実施形態の制御について、燃焼器水素量制御部B106は、目標タービン入口温度が所定値以上であるかどうかを判定し、目標タービン入口温度が所定値未満であれば燃焼器水素量調節弁49を全閉とし、目標タービン入口温度が所定値以上である場合に燃焼器水素量調節弁49の開放を始めるようにすることが好ましい。
In the control of the embodiment described above, the combustor hydrogen amount control unit B106 determines whether the target turbine inlet temperature is equal to or higher than a predetermined value. If the target turbine inlet temperature is lower than the predetermined value, the combustor It is preferable that the hydrogen
すなわち、燃焼器水素量制御部B106は、目標タービン入口温度が所定値以上となると、燃焼器32への液水の供給を開始するように構成されることが好ましい。これにより、燃焼器32内の温度が十分に高温となってから燃焼器32への液水の供給が開始されることとなるので、液水の気化熱で燃焼器32内の温度が、水素と酸素の燃焼反応を妨げる程度に低下してしまうことをより抑制することができる。結果として、燃焼器32内の失火等を抑制しつつも、液水から気化した水蒸気のエネルギーをタービン62に与えることができる。
That is, the combustor hydrogen amount control unit B106 is preferably configured to start supplying liquid water to the
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。特に、本実施形態においては、燃焼排ガス温度の検出値に基づいて燃焼器32への液水の供給の開始タイミングを決定する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element similar to 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted. In particular, in this embodiment, the start timing of the supply of liquid water to the
図21は、本実施形態の燃料電池システム100の概略構成図である。
FIG. 21 is a schematic configuration diagram of the
図示のように、本実施形態では、カソードガス排出通路24において、燃焼器32の下流に燃焼器温度センサ94が設けられている。燃焼器温度センサ94は、燃焼器32から排出される燃焼排ガスの温度を検出する。燃焼器温度センサ94は、燃焼排ガス温度検出値の信号をコントローラ20に出力する。
As illustrated, in this embodiment, a
図22は、本実施形態のコントローラ20の全体の機能を示すブロック図である。
FIG. 22 is a block diagram showing the overall functions of the
図示のように、本実施形態では、第1実施形態における図10の目標タービン入口温度前回値を空気系FB制御部B103に入力する構成に代えて、燃焼排ガス温度検出値が空気系FB制御部B103に入力される。 As illustrated, in the present embodiment, instead of the configuration in which the previous value of the target turbine inlet temperature in FIG. 10 in the first embodiment is input to the air system FB control unit B103, the combustion exhaust gas temperature detection value is the air system FB control unit. Input to B103.
また、循環ブロア制御部B104には、目標タービン入口温度に代えて燃焼排ガス温度検出値が入力される。 Further, the combustion exhaust gas temperature detection value is input to the circulation blower control unit B104 instead of the target turbine inlet temperature.
図23は、本実施形態による空気系制御部B1034の詳細な機能を示すブロック図である。 FIG. 23 is a block diagram illustrating detailed functions of the air system control unit B 1034 according to the present embodiment.
図示のように、本実施形態では、タービン回収動力推定部B201には、空気流量検出値、空気圧力検出値、及び燃焼排ガス温度検出値が入力される。 As illustrated, in the present embodiment, the detected air flow rate value, the detected air pressure value, and the detected exhaust gas temperature value are input to the turbine recovery power estimation unit B201.
タービン回収動力推定部B201は、空気流量検出値、空気圧力検出値、及び燃焼排ガス温度検出値から、第1実施形態において説明した式(2)を用いて、推定タービン回収動力を算出する。すなわち、第1実施形態における「推定タービン入口温度Tt_in_e」を燃焼排ガス温度検出値に代えて式(2)を用いて推定タービン回収動力を算出することとなる。 The turbine recovery power estimation unit B201 calculates the estimated turbine recovery power from the air flow rate detection value, the air pressure detection value, and the combustion exhaust gas temperature detection value using the equation (2) described in the first embodiment. That is, the estimated turbine recovery power is calculated using the formula (2) in place of the “estimated turbine inlet temperature T t_in_e ” in the first embodiment instead of the detected value of the combustion exhaust gas temperature.
図24は、本実施形態の循環ブロア制御部B104の機能を示すブロック図である。 FIG. 24 is a block diagram illustrating functions of the circulation blower control unit B104 according to the present embodiment.
図示のように、本実施形態では、第1実施形態における循環ブロア制御部B104の一次遅れフィルタB1042を設けず、燃焼排ガス温度検出値をタービン要求目標回転数算出部B1043に入力している。 As illustrated, in the present embodiment, the first-order lag filter B1042 of the circulation blower control unit B104 in the first embodiment is not provided, and the detected value of the combustion exhaust gas temperature is input to the turbine required target rotation speed calculation unit B1043.
したがって、タービン要求目標回転数算出部B1043が燃焼排ガス温度検出値と目標空気流量に基づいてタービン要求目標ブロア回転数を算出する。すなわち、循環ブロア制御部B104は、燃焼排ガス温度検出値に基づいて循環ブロア回転数を制御することとなる。 Therefore, the turbine required target rotational speed calculation unit B1043 calculates the turbine required target blower rotational speed based on the detected value of the combustion exhaust gas temperature and the target air flow rate. That is, the circulation blower control unit B104 controls the rotation speed of the circulation blower based on the detected value of the combustion exhaust gas temperature.
特に、図24のタービン要求目標回転数算出部B1043のマップからわかるように、燃焼排ガス温度検出値が所定値以上となる領域でタービン要求目標ブロア回転数が上昇を始め、燃焼器32への液水の供給が開始されることとなる。したがって、本実施形態では、燃焼器温度センサ94による焼排ガス温度検出値が所定値以上となると、実質的に燃焼器32への液水の供給が開始されることとなる。
In particular, as can be seen from the map of the turbine required target rotational speed calculation unit B1043 in FIG. 24, the turbine required target blower rotational speed starts to increase in a region where the detected value of the combustion exhaust gas temperature exceeds a predetermined value, and the liquid to the
以上説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池システム100によれば、以下の作用効果を奏する。
The
本実施形態による燃料電池システム100は、燃焼器32の温度を検出する温度センサとしての燃焼器温度センサ94を備え、液水流量制御部としての循環ブロア制御部B104は、燃焼器温度センサ94で検出される検出値としての焼排ガス温度検出値が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する(図24のタービン要求目標回転数算出部B1043)。
The
これにより、実際の焼排ガス温度検出値に基づいて、燃焼器32へ液水の供給開始のタイミング、すなわち循環ブロア45の回転数を増加させるタイミングをより好適に定めることができる。
Thereby, the timing of starting the supply of liquid water to the
なお、例えば、パージ弁制御部B105が、燃焼排ガス温度検出値が所定値未満の場合にパージ弁52のデューティー比を相対的に低くし、燃焼排ガス温度検出値が所定値以上となった場合にパージ弁52の増加を始めるようにすることで、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。
For example, when the purge valve control unit B105 relatively lowers the duty ratio of the
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。特に、本実施形態においては、燃焼器32への水素供給時間に基づいて燃焼器32への液水の供給の開始タイミングを決定する。
(Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element similar to 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted. In particular, in this embodiment, the start timing of liquid water supply to the
なお、本実施形態では、燃焼器水素量調節弁49が、間欠駆動インジェクタ等のオン・オフ切替可能な弁で構成される。
In the present embodiment, the combustor hydrogen
図25は、本実施形態のコントローラ20の全体の機能を示すブロック図である。
FIG. 25 is a block diagram showing the overall functions of the
図示のように、コントローラ20は、第1実施形態における図10の目標タービン入口温度前回値を空気系FB制御部B103に入力する構成に代えて、水素供給弁開放時間算出部B107を有している。
As illustrated, the
水素供給弁開放時間算出部B107には、燃焼器水素量調節弁49から開弁状態情報が入力される。開弁状態情報とは、燃焼器水素量調節弁49がオン状態(開放状態)であるかオフ状態(閉塞状態)であるかを示す情報である。
Opening state information is input from the combustor hydrogen
水素供給弁開放時間算出部B107は、上記開弁状態情報に基づいて、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比(開弁時間割合)を算出する。具体的に水素供給弁開放時間算出部B107は、所定時間周期の間に燃焼器水素量調節弁49がオン状態となった時間の総和(開弁時間)を演算し、この時間の総和を時間周期で除した値を燃焼器水素量調節弁49のデューティー比とする。したがって、このデューティー比は、実質的に、高圧タンク40から燃焼器32へ水素が供給されている時間(水素供給時間)に相当することとなる。
The hydrogen supply valve opening time calculation unit B107 calculates the duty ratio (valve opening time ratio) of the combustor hydrogen
水素供給弁開放時間算出部B107は、算出した燃焼器水素量調節弁49のデューティー比を、空気系FB制御部B103と循環ブロア制御部B104に出力する。
The hydrogen supply valve opening time calculation unit B107 outputs the calculated duty ratio of the combustor hydrogen
すなわち、循環ブロア制御部B104には、目標タービン入口温度に代えて燃焼器水素量調節弁49のデューティー比が入力される。
That is, the duty ratio of the combustor hydrogen
図26は、本実施形態による空気系制御部B1034の詳細な機能を示すブロック図である。 FIG. 26 is a block diagram illustrating detailed functions of the air system control unit B 1034 according to the present embodiment.
図示のように、本実施形態では、タービン回収動力推定部B201に、水素供給弁開放時間算出部B107で算出された燃焼器水素量調節弁49のデューティー比が入力される。
As illustrated, in this embodiment, the duty ratio of the combustor hydrogen
タービン回収動力推定部B201は、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比に基づいて推定タービン回収動力を算出する。具体的に、タービン回収動力推定部B201は、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比と推定タービン回収動力の関係を示す所定のマップ等に基づいて、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比から推定タービン回収動力を算出する。このマップは、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比が増加すればするほど、推定タービン回収動力が増加するように設定されている。
The turbine recovery power estimation unit B201 calculates the estimated turbine recovery power based on the duty ratio of the combustor hydrogen
図27は、本実施形態の循環ブロア制御部B104の機能を示すブロック図である。 FIG. 27 is a block diagram illustrating functions of the circulation blower control unit B104 of the present embodiment.
図示のように、本実施形態では、第1実施形態における循環ブロア制御部B104の一次遅れフィルタB1042を設けず、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比をタービン要求目標回転数算出部B1043に入力している。
As illustrated, in the present embodiment, the primary delay filter B1042 in the circulation blower control unit B104 in the first embodiment is not provided, and the duty ratio of the combustor hydrogen
したがって、タービン要求目標回転数算出部B1043が燃焼器水素量調節弁49のデューティー比と目標空気流量に基づいてタービン要求目標ブロア回転数を算出する。すなわち、循環ブロア制御部B104は、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比に基づいて循環ブロア回転数を制御することとなる。
Therefore, the turbine required target rotational speed calculation unit B1043 calculates the turbine required target blower rotational speed based on the duty ratio of the combustor hydrogen
特に、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比が所定値以上となる領域でタービン要求目標ブロア回転数は上昇を始め、本格的に燃焼器32への液水の供給が開始される。したがって、本実施形態では、燃焼器32への水素供給時間に相当する燃焼器水素量調節弁49のデューティー比が所定値以上となると、実質的に燃焼器32への液水の供給が開始されることとなる。
In particular, in the region where the duty ratio of the combustor hydrogen
以上説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池システム100によれば、以下の作用効果を奏する。
The
液水流量制御部としての循環ブロア制御部B104は、燃焼器32への燃料としての水素の供給時間である燃料供給時間(燃焼器水素量調節弁49のデューティー比)が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する(図27のタービン要求目標回転数算出部B1043)。
When the fuel supply time (duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49), which is the supply time of hydrogen as fuel to the
これにより、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比に基づいて、燃焼器32へ液水の供給開始のタイミング、すなわち循環ブロア45の回転数を増加させるタイミングをより好適に定めることができる。
Thereby, based on the duty ratio of the combustor hydrogen
なお、例えば、パージ弁制御部B105が、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比が所定値未満の場合にパージ弁52のデューティー比を相対的に低くし、燃焼器水素量調節弁49のデューティー比が所定値以上となった場合にパージ弁52の増加を始めるようにすることで、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。
For example, when the duty ratio of the combustor hydrogen
(第4実施形態)
以下、第4実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態においては、燃焼器水素量調節弁49の開度に基づいて燃焼器32への液水の供給の開始タイミングを決定する。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment will be described below. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element similar to 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted. In the present embodiment, the start timing of the supply of liquid water to the
本実施形態では、燃焼器水素量調節弁49としては、比例ソレノイド等の開度調整可能な弁を用いる。
In this embodiment, as the combustor hydrogen
図28は、本実施形態の燃料電池システム100の概略構成図である。
FIG. 28 is a schematic configuration diagram of the
図示のように、本実施形態では、燃焼器水素量調節弁49に、その開度の検出する開度センサ49aが設けられている。この開度センサ49aは、燃焼器水素量調節弁49の開度の検出値の信号をコントローラ20に出力する。
As shown in the figure, in this embodiment, the combustor hydrogen
図29は、本実施形態のコントローラ20の全体の機能を示すブロック図である。
FIG. 29 is a block diagram showing the overall functions of the
図示のように、本実施形態では、空気系FB制御部B103及び循環ブロア制御部B104に、開度センサ49aで検出される燃焼器水素量調節弁49の開度の検出値(以下では、「燃焼器水素供給弁開度検出値」とも記載する)が入力される。
As shown in the figure, in this embodiment, the detected value of the opening degree of the combustor hydrogen
図30は、本実施形態による空気系制御部B1034の詳細な機能を示すブロック図である。 FIG. 30 is a block diagram illustrating detailed functions of the air system control unit B 1034 according to the present embodiment.
図示のように、本実施形態では、タービン回収動力推定部B201に、燃焼器水素供給弁開度検出値が入力される。 As illustrated, in this embodiment, the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening is input to the turbine recovery power estimation unit B201.
タービン回収動力推定部B201は、燃焼器水素供給弁開度検出値に基づいて推定タービン回収動力を算出する。具体的に、タービン回収動力推定部B201は、燃焼器水素供給弁開度検出値と推定タービン回収動力の関係を示す所定のマップ等に基づいて、燃焼器水素供給弁開度検出値から推定タービン回収動力を算出する。 The turbine recovery power estimation unit B201 calculates an estimated turbine recovery power based on the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening. Specifically, the turbine recovery power estimation unit B201 calculates the estimated turbine from the combustor hydrogen supply valve opening detection value based on a predetermined map indicating the relationship between the combustor hydrogen supply valve opening detection value and the estimated turbine recovery power. The recovery power is calculated.
図31は、本実施形態の循環ブロア制御部B104の機能を示すブロック図である。 FIG. 31 is a block diagram illustrating functions of the circulation blower control unit B104 of the present embodiment.
図示のように、本実施形態では、第1実施形態における循環ブロア制御部B104の一次遅れフィルタB1042を設けず、燃焼器水素供給弁開度検出値をタービン要求目標回転数算出部B1043に入力している。 As illustrated, in this embodiment, the primary lag filter B1042 of the circulation blower control unit B104 in the first embodiment is not provided, and the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening is input to the turbine required target rotation speed calculation unit B1043. ing.
したがって、タービン要求目標回転数算出部B1043が燃焼器水素供給弁開度検出値と目標空気流量に基づいてタービン要求目標ブロア回転数を算出する。すなわち、循環ブロア制御部B104は、燃焼器水素供給弁開度検出値に基づいて循環ブロア回転数を制御することとなる。 Therefore, the turbine required target rotational speed calculation unit B1043 calculates the turbine required target blower rotational speed based on the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening and the target air flow rate. That is, the circulation blower control unit B104 controls the rotation speed of the circulation blower based on the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening.
特に、燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値以上となる領域でタービン要求目標ブロア回転数が上昇を始め、燃焼器32への液水の供給が開始される。したがって、本実施形態では、燃焼器32への燃料供給量に相当する燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値以上となると、実質的に燃焼器32への液水の供給が開始されることとなる。
In particular, in the region where the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening is greater than or equal to a predetermined value, the turbine required target blower rotational speed starts increasing, and the supply of liquid water to the
以上説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池システム100によれば、以下の作用効果を奏する。
The
本実施形態による燃料電池システム100は、燃焼器32への燃料の供給量を調節する燃焼器水素量調節弁49を備える。そして、液水流量制御部としての循環ブロア制御部B104は、燃焼器水素量調節弁49の開度(燃焼器水素供給弁開度検出値)が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する(図31のタービン要求目標回転数算出部B1043)。
The
これにより、燃焼器32への燃料供給量に相当する燃焼器水素供給弁開度検出値に基づいて、燃焼器32へ液水の供給開始のタイミング、すなわち循環ブロア45の回転数を増加させるタイミングをより好適に定めることができる。
Thereby, based on the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening corresponding to the amount of fuel supplied to the
なお、燃焼器水素供給弁開度検出値に代えて、又は燃焼器水素供給弁開度検出値とともに、この燃焼器水素供給弁開度の積算値に基づいて、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。 In addition, instead of the combustor hydrogen supply valve opening detection value, or together with the combustor hydrogen supply valve opening detection value, the combustor supply liquid water flow rate control is based on the integrated value of the combustor hydrogen supply valve opening. May be started.
すなわち、本実施形態において、燃焼器供給液水流量の制御を開始するタイミングを決定する燃焼器水素量調節弁49の開度には、燃焼器水素供給弁開度検出値だけでなくその積算値が含まれていても良い。
That is, in this embodiment, the opening of the combustor hydrogen
さらに、燃焼器水素供給弁開度検出値及びその積算値から燃焼器32の温度を推定し、推定した燃焼器の温度及び目標空気流量から図24におけるタービン要求目標回転数算出部B1043のマップに基づき、タービン要求目標ブロア回転数を算出するようにしても良い。
Further, the temperature of the
また、例えば、パージ弁制御部B105が、燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値未満の場合にパージ弁52のデューティー比を相対的に低くし、燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値以上となった場合にパージ弁52の増加を始めるようにすることで、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。
Further, for example, when the combustor hydrogen supply valve opening degree detection value is less than a predetermined value, the purge valve control unit B105 relatively lowers the duty ratio of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
例えば、上記各実施形態では、アノード出口10dからの液水を燃焼器32に供給するようにしているが、カソード出口10bからの液水を燃焼器32に供給するようにしても良い。しかしながら、燃焼器32への液水流量を好適に制御する観点などから、アノード出口10dからの液水を燃焼器32に供給することが好ましい。
For example, in each of the above embodiments, the liquid water from the
さらに、上記各実施形態では、パージ通路51を介して液水及び窒素を主成分とするパージガスを燃焼器32に供給する例を説明している。しかしながら、パージ通路51を介して液水とともに水素が所定濃度含まれたパージガスを燃焼器32に供給するようにしても良い。これにより、燃焼器32においてアノード排ガス中の水素を燃焼に用いることができる。特に、この場合、パージガスに含まれる水素濃度が比較的高くとも、燃焼器32による燃焼でパージガス中の水素を消費することができる。したがって、最終的に外部に排出される際のパージガス(又はパージガスとカソード排ガスの混合ガス)の水素濃度を低減することができる。
Further, in each of the above embodiments, an example has been described in which purge gas mainly containing liquid water and nitrogen is supplied to the
さらに、燃焼器32にアノード出口10dからの液水を供給する経路と、アノード排ガスを供給する経路を別に構成しても良い。
Further, a path for supplying liquid water from the
しかしながら、燃焼器32にアノード出口10dからの液水とアノード排ガスを同一の経路で供給することで、液水及びアノード排ガスの燃焼器32への供給及びその供給流量の制御を単一のパージ通路51とパージ弁52で行うことができるので、システム構成が簡素化される。
However, by supplying liquid water and anode exhaust gas from the
また、上記各実施形態における「コンプレッサ64」は、カソードガス供給通路22を介して燃料電池スタック10のカソード極に空気を供給する機能を果たしている。したがって、このような機能を果たすことができるならば、「コンプレッサ64」は、一般的な意味で認識されている「コンプレッサ」(有効吐出し圧力が200kPa以上の圧縮機)以外にも、適宜、ブロワ等の他の圧縮機や送風機に代えることもできる。
Further, the “
さらに、上記各実施形態における「タービン62」は、燃料電池スタック10にカソードガス排出通路24を介して接続されている。より具体的には、カソードガス排出通路24に設けられた燃焼器32で燃料電池スタック10からのカソード排ガスを水素とともに燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービン62に供給するようにしている。しかしながら、これに限られず、例えば、タービン62をカソードガス排出通路24とは別系統に構成するようにしても良い。例えば、任意のガス供給源からのガスをタービン62へ供給する供給系統、及びタービン62へのガスの供給流量及び温度を調節する機構を別途設けるようにしても良い。
Furthermore, the “
また、上記各実施形態は任意に組み合わせ可能である。 Further, the above embodiments can be arbitrarily combined.
10 燃料電池スタック
10a カソード入口
10b カソード出口
10c アノード入口
10d アノード出口
10e 冷却水入口
10f 冷却水出口
12 カソード給排機構
14 アノード供給機構
16 ターボ過給器
17 加熱/冷却機構
18 HFR測定装置
20 コントローラ
22 カソードガス供給通路
24 カソードガス排出通路
26 エアフローメータ
28 空気圧力センサ
32 燃焼器
32a カソード排ガス流入流路
32b 燃焼排ガス流出流路
34 ノズルベーン
40 高圧タンク
41 スタック水素供給通路
42 スタック供給水素調圧弁
43 水素循環通路
44 水分離装置
45 循環ブロア
46 エゼクタ
47 循環水素圧力センサ
48 燃焼器用水素供給通路
48a 水素供給口
49 燃焼器水素量調節弁
50 燃焼器供給水素圧力検出センサ
51 パージ通路
51a 液水供給口
52 パージ弁
60 電動モータ
62 タービン
64 コンプレッサ
66 回転駆動軸
72 モータ回転数センサ
80 冷却水循環流路
82 水温センサ
84 冷却水循環ポンプ
86 ラジエータ
87 ラジエータファン
88 三方弁
91 電流センサ
92 電圧センサ
94 燃焼器温度センサ
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記運転状態検出部からの信号により前記燃料供給装置及び前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出される液水を前記燃焼器に供給する液水供給部をさらに有し、
前記酸化剤供給装置は、
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサと、該コンプレッサを駆動するタービンと、前記タービンを駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器と、を備え、
前記運転制御装置は、
前記燃料電池の負荷、前記コンプレッサの目標動力、前記タービンの目標回収動力、及び前記タービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つを含む液水流量制御パラメータに基づいて、前記燃焼器に供給される液水の流量である燃焼器供給液水流量を制御する液水流量制御部を備える、
燃料電池システム。 A fuel supply device for supplying fuel to the anode electrode of the fuel cell;
An oxidant supply device for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell;
An operation state detection unit for detecting an operation state of the fuel cell;
An operation control device that controls the fuel supply device and the oxidant supply device according to a signal from the operation state detection unit, and a fuel cell system comprising:
A liquid water supply unit that supplies liquid water discharged from the fuel cell to the combustor;
The oxidant supply device includes:
A compressor that supplies an oxidant to the cathode of the fuel cell, a turbine that drives the compressor, and a combustor that generates combustion gas that drives the turbine,
The operation control device includes:
Supply to the combustor based on a liquid water flow rate control parameter including at least one of the load of the fuel cell, the target power of the compressor, the target recovery power of the turbine, and the target inlet temperature of the turbine A liquid water flow rate control unit for controlling the flow rate of the combustor supply liquid water,
Fuel cell system.
前記タービンから独立して前記コンプレッサを駆動する電動モータをさらに有する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
An electric motor that drives the compressor independently of the turbine;
Fuel cell system.
前記液水供給部は、前記燃料電池のアノード出口からの液水を前記燃焼器に供給する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The liquid water supply unit supplies liquid water from an anode outlet of the fuel cell to the combustor.
Fuel cell system.
前記液水供給部は、前記燃料電池のアノード出口からの液水を前記燃焼器に排出する液水供給通路と、前記液水供給通路に設けられた液水供給量調節弁と、を有し、
前記液水流量制御部は、前記液水供給量調節弁の開弁時間割合を調節することで前記燃焼器供給液水流量を制御する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3,
The liquid water supply unit includes a liquid water supply passage for discharging liquid water from the anode outlet of the fuel cell to the combustor, and a liquid water supply amount adjustment valve provided in the liquid water supply passage. ,
The liquid water flow rate controller controls the combustor supply liquid water flow rate by adjusting a valve opening time ratio of the liquid water supply amount adjustment valve;
Fuel cell system.
前記液水供給通路は、前記燃料電池のアノード供給機構から排出されるパージガスを流すパージ通路であり、
前記液水供給量調節弁は、前記パージ通路に設けられるパージ弁である、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
The liquid water supply passage is a purge passage through which purge gas discharged from the anode supply mechanism of the fuel cell flows.
The liquid water supply amount adjustment valve is a purge valve provided in the purge passage.
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、前記液水流量制御パラメータが所定値以上となると、前記燃焼器への液水の供給を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The liquid water flow rate control unit starts supplying liquid water to the combustor when the liquid water flow rate control parameter is equal to or greater than a predetermined value.
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、前記液水流量制御パラメータが前記所定値以上の場合であって前記液水流量制御パラメータが増加するほど、前記燃焼器供給液水流量を増加させる、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6,
The liquid water flow rate control unit increases the combustor supply liquid water flow rate as the liquid water flow rate control parameter increases when the liquid water flow rate control parameter is equal to or greater than the predetermined value.
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、前記燃料電池のアノード出口の相対湿度を調節することで前記燃焼器供給液水流量を制御する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The liquid water flow rate controller controls the combustor supply liquid water flow rate by adjusting the relative humidity at the anode outlet of the fuel cell.
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を調節することで前記アノード出口の相対湿度を調節する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 8, wherein
The liquid water flow rate controller adjusts the relative humidity of the anode outlet by adjusting the temperature of cooling water for cooling the fuel cell.
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、前記燃料電池に供給される空気流量を調節することで前記アノード出口の相対湿度を調節する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 8 or 9, wherein
The liquid water flow rate controller adjusts the relative humidity of the anode outlet by adjusting the flow rate of air supplied to the fuel cell;
Fuel cell system.
前記燃料電池に供給する燃料を循環させる燃料循環通路をさらに有し、
前記液水流量制御部は、前記燃料電池に供給される空気流量に対する燃料の循環流量の比率を調節することで前記アノード出口の相対湿度を制御する、
燃料電池システム。 It is a fuel cell system given in any 1 paragraph of Claims 8-10,
A fuel circulation passage for circulating fuel supplied to the fuel cell;
The liquid water flow rate controller controls the relative humidity of the anode outlet by adjusting the ratio of the circulating flow rate of fuel to the air flow rate supplied to the fuel cell;
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、
循環ブロアの回転数、エゼクタの段数、及びエゼクタノズルの径の少なくとも何れか一つに基づいて、前記燃料電池に供給される空気流量に対する燃料の循環流量の比率を調節する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 11, wherein
The liquid water flow rate control unit is
Adjusting the ratio of the fuel circulation flow rate to the air flow rate supplied to the fuel cell based on at least one of the rotation speed of the circulation blower, the number of ejector stages, and the diameter of the ejector nozzle;
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、前記燃焼器の温度が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 12,
The liquid water flow rate control unit starts controlling the combustor supply liquid water flow rate when the temperature of the combustor becomes a predetermined value or more.
Fuel cell system.
前記燃焼器の温度を検出する温度センサを備え、
前記液水流量制御部は、前記温度センサで検出される検出値が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 13, wherein
A temperature sensor for detecting the temperature of the combustor;
The liquid water flow rate control unit starts controlling the combustor supply liquid water flow rate when a detection value detected by the temperature sensor is equal to or greater than a predetermined value.
Fuel cell system.
前記液水流量制御部は、前記燃焼器への燃料の供給時間である燃料供給時間が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 13 or 14,
The liquid water flow rate control unit starts control of the combustor supply liquid water flow rate when a fuel supply time, which is a fuel supply time to the combustor, is equal to or greater than a predetermined value.
Fuel cell system.
前記燃焼器への燃料の供給量を調節する燃焼器水素量調節弁を備え、
前記液水流量制御部は、前記燃焼器水素量調節弁の開度が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 13 to 15, wherein
A combustor hydrogen amount control valve for adjusting the amount of fuel supplied to the combustor;
The liquid water flow rate control unit starts control of the combustor supply liquid water flow rate when the opening of the combustor hydrogen amount adjustment valve is equal to or greater than a predetermined value.
Fuel cell system.
前記液水供給部は、前記燃焼器の内部に液水供給口を有し、
前記液水供給口は、前記燃焼器の内部の最高温度点の上方に配置される、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 16,
The liquid water supply unit has a liquid water supply port inside the combustor,
The liquid water supply port is disposed above a maximum temperature point inside the combustor.
Fuel cell system.
前記液水供給部は、前記燃焼器の内部に液水供給口を有し、
前記液水供給口は、前記燃焼器の内部に燃料を供給する燃料供給口に対してガス流方向の下流に配置される、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 17,
The liquid water supply unit has a liquid water supply port inside the combustor,
The liquid water supply port is disposed downstream in the gas flow direction with respect to a fuel supply port that supplies fuel into the combustor.
Fuel cell system.
前記燃料電池の負荷、前記コンプレッサの目標動力、前記タービンの目標回収動力、及び前記タービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つを含む液水流量制御パラメータを取得し、
前記液水流量制御パラメータに基づいて、前記タービンに供給する燃焼ガスを生成する燃焼器に供給される液水の流量を制御する、
燃料電池システムの制御方法。 A control method of a fuel cell system in which a compressor for supplying an oxidant to a cathode electrode of a fuel cell is driven by a turbine,
Obtaining a liquid water flow rate control parameter including at least one of a load of the fuel cell, a target power of the compressor, a target recovery power of the turbine, and a target inlet temperature of the turbine;
Based on the liquid water flow rate control parameter, the flow rate of liquid water supplied to a combustor that generates combustion gas to be supplied to the turbine is controlled.
Control method of fuel cell system.
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