JP2018006168A - Fuel cell system and method for controlling fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of further improving turbine efficiency, and a method for controlling the fuel cell system.SOLUTION: A fuel cell system comprises an operation state detecting unit which detects an operation state of a fuel cell, and an operation control device which controls a fuel supply device and an oxidant supply device by a signal from the operation state detecting unit. The fuel cell system further comprises a liquid water supply unit which supplies the liquid water discharged from a fuel cell to a combustor. The oxidant supply device comprises a compressor which supplies an oxidant to a cathode electrode of the fuel cell, a turbine which drives the compressor, and a combustor which generates a combustion gas which drives the turbine. The operation control device comprises a liquid water flow rate control unit which controls a combustor supply liquid water flow rate which is a flow rate of the liquid water supplied to the combustor on the basis of a liquid water flow rate control parameter containing any one of load of the fuel cell, target power of the compressor, target recovery power of the turbine, and a target inlet temperature of the turbine.SELECTED DRAWING: Figure 10

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.

特開2014−529873号公報JP 2014-529873 A

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.

図1は、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。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the first embodiment. 図2は、燃焼器の構成を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the combustor. 図3は、図2におけるX−X線概略矢視図である。FIG. 3 is a schematic view taken along line XX in FIG. 図4は、第1実施形態による燃料電池システムの全体的な制御の概要を説明するフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart illustrating an overview of overall control of the fuel cell system according to the first embodiment. 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。FIG. 6 is a flowchart showing a flow of calculation of the cooling system operation amount. 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。FIG. 7 is a flowchart showing a flow of calculation of the air system operation amount. 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。FIG. 8 is a flowchart showing a flow of calculation of the fuel system operation amount. 図9は、燃料電池システム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 fuel cell system. 図10は、第1実施形態によるコントローラ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 controller according to the first embodiment. 図11は、水素調圧弁開度の制御の概要を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing an outline of control of the hydrogen pressure regulating valve opening degree. 図12は、HFR制御の概要を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing an outline of HFR control. 図13は、第1実施形態による空気系制御全体の概要を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing an overview of the entire air system control according to the first embodiment. 図14は、第1実施形態による空気系制御部の詳細な機能を示すブロック図である。FIG. 14 is a block diagram illustrating detailed functions of the air system control unit according to the first embodiment. 図15は、タービン入口空気圧力の算出機能を示すブロック図である。FIG. 15 is a block diagram illustrating a function for calculating the turbine inlet air pressure. 図16は、タービン効率の算出機能を示すブロック図である。FIG. 16 is a block diagram showing a turbine efficiency calculation function. 図17は、目標モータ動力テーブルの概要を示している。FIG. 17 shows an outline of the target motor power table. 図18は、第1実施形態による循環ブロア制御部の機能を示すブロック図である。FIG. 18 is a block diagram illustrating functions of the circulation blower control unit according to the first embodiment. 図19は、タービン要求ブロア回転数マップを示す図である。FIG. 19 is a diagram showing a turbine request blower rotation speed map. 図20は、パージ弁制御部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. 図21は、本発明の第2実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 21 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. 図22は、第2実施形態によるコントローラの全体の機能の概要を示すブロック図である。FIG. 22 is a block diagram showing an overview of the overall functions of the controller according to the second embodiment. 図23は、第2実施形態による空気系制御部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 according to the second embodiment. 図24は、第2実施形態による循環ブロア制御部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 according to the second embodiment. 図25は、第3実施形態によるコントローラの全体の機能の概要を示すブロック図である。FIG. 25 is a block diagram showing an overview of the overall functions of the controller according to the third embodiment. 図26は、第3実施形態による空気系制御部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 according to the third embodiment. 図27は、第3実施形態による循環ブロア制御部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 according to the third embodiment. 図28は、第4実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 28 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the fourth embodiment. 図29は、第4実施形態によるコントローラの全体の機能の概要を示すブロック図である。FIG. 29 is a block diagram showing an overview of the overall functions of the controller according to the fourth embodiment. 図30は、第4実施形態による空気系制御部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 according to the fourth embodiment. 図31は、第4実施形態による循環ブロア制御部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 according to the fourth embodiment.

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 fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 10, a cathode supply / discharge mechanism 12, an anode supply mechanism 14, a turbocharger 16 having a compressor 64 and a turbine 62. A heating / cooling mechanism 17, an HFR measuring device 18, a load device 19, and a controller 20.

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 fuel cell stack 10 is a stacked battery in which a plurality of fuel cells are stacked. The fuel cell stack 10 receives the supply of the anode gas (hydrogen) from the anode supply mechanism 14 and the supply of the cathode gas (air) from the cathode supply / exhaust mechanism 12 to generate electric power necessary for traveling of the vehicle. This generated electric power is used by various auxiliary machines such as the compressor 64 and a driving motor for driving a wheel (not shown). An HFR measuring device 18 and a load device 19 are connected to the positive terminal and the negative terminal of the fuel cell stack 10.

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 / discharge mechanism 12 includes a cathode gas supply passage 22 and a cathode gas discharge passage 24.

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 gas supply passage 22 is a passage through which air supplied to the fuel cell stack 10 flows. One end of the cathode gas supply passage 22 is connected to the intake inlet of the compressor 64, and the other end is connected to the cathode inlet 10 a of the fuel cell stack 10.

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 gas discharge passage 24 is a passage through which cathode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 10 flows. One end of the cathode gas discharge passage 24 is connected to the cathode outlet 10 b of the fuel cell stack 10, and the other end is connected to the turbine 62. Although not shown in the figure, a configuration of a gas-liquid separator or the like for discharging moisture contained in the cathode gas discharge passage 24 to the outside of the fuel cell system 100 downstream of the combustor 32 in the cathode gas discharge passage 24. It may be provided.

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 gas supply passage 22 is provided with an air flow meter 26 and an air pressure sensor 28 in order from the upstream. The cathode gas discharge passage 24 is provided with a combustor 32 and a nozzle vane 34 in order from the upstream.

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 air flow meter 26 is provided at the intake inlet of the compressor 64 of the turbocharger 16 in the cathode gas supply passage 22. The air flow meter 26 detects the flow rate of air taken into the compressor 64 (hereinafter also simply referred to as “air flow rate”). A signal of the air flow rate detection value detected by the air flow meter 26 is input to the controller 20.

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 air pressure sensor 28 detects the pressure of the cathode gas supply passage 22 discharged from the compressor 64 (hereinafter also referred to as “air pressure”). A signal of the air pressure detection value detected by the air pressure sensor 28 is input to the controller 20.

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 gas supply passage 22, a bypass passage 36 connected between the fuel cell stack 10 in the cathode gas discharge passage 24 and the combustor 32 is connected between the compressor 64 and the air pressure sensor 28.

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 bypass passage 36 supplies a part of the air sucked into the cathode gas supply passage 22 by the compressor 64 to the cathode gas discharge passage 24 by bypassing the fuel cell stack 10. A bypass valve 38 is provided in the bypass passage 36.

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 bypass valve 38 adjusts the flow rate of air flowing through the bypass passage 36. The bypass valve 38 is controlled to be opened and closed by the controller 20. For example, when the air flow rate exceeds the air flow rate required for power generation by the fuel cell stack 10, the controller 20 increases the opening degree of the bypass valve 38. As a result, the bypass flow rate increases, and overdrying of the electrolyte membrane in the fuel cell stack 10 is prevented.

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 combustor 32 catalytically burns a mixed gas obtained by mixing hydrogen as a fuel and cathode exhaust gas with a mixer by a catalytic action of platinum or the like, and discharges a gas (combustion exhaust gas) remaining after combustion. Hydrogen is supplied to the combustor 32 from the high-pressure tank 40 of the anode supply mechanism 14. The combustor 32 is supplied with cathode exhaust gas obtained by mixing the cathode exhaust gas from the fuel cell stack 10 and the air from the bypass passage 36. Further, in the present embodiment, the combustor 32 is supplied with liquid water generated by power generation or the like in the fuel cell stack 10 via the purge passage 51. That is, in this embodiment, the purge passage 51 functions as a liquid water supply passage.

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 nozzle vane 34 adjusts the pressure of the combustion exhaust gas supplied to the turbine 62. The opening degree (nozzle lift amount) of the nozzle vane 34 is controlled by the controller 20. When the nozzle vane 34 is open, the cross-sectional area of the inlet channel to the turbine 62 increases, and the pressure loss of the combustion exhaust gas flowing into the turbine 62 from the cathode gas discharge passage 24 becomes relatively small. On the other hand, in the closed state of the nozzle vane 34, the cross-sectional area of the inlet channel to the turbine 62 is relatively reduced, and the pressure loss is increased. In other words, the air pressure can be lowered as the nozzle lift amount increases.

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 anode supply mechanism 14 will be described. The anode supply mechanism 14 in this embodiment includes a high-pressure tank 40, a stack hydrogen supply passage 41, a stack supply hydrogen pressure regulating valve 42, a hydrogen circulation passage 43, a water separator 44, a circulation blower 45, and an ejector 46. A circulating hydrogen pressure sensor 47, a combustor hydrogen supply passage 48, a combustor hydrogen amount adjustment valve 49, and a combustor supply hydrogen pressure detection sensor 50.

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-pressure tank 40 is a gas storage container that stores hydrogen supplied to the fuel cell stack 10 and the combustor 32 while maintaining the high-pressure state.

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 hydrogen supply passage 41 is a passage for supplying hydrogen discharged from the high-pressure tank 40 to the fuel cell stack 10. One end of the stack hydrogen supply passage 41 is connected to the high-pressure tank 40, and the other end is connected to the ejector 46.

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 hydrogen supply passage 41 is provided with a stack supply hydrogen pressure regulating valve 42. The stack supply hydrogen pressure regulating valve 42 is controlled to be opened and closed by the controller 20, and the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack 10 is adjusted.

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 hydrogen circulation passage 43 is connected to the stack hydrogen supply passage 41 via an ejector 46, and is a passage through which hydrogen is circulated through an anode passage in the fuel cell stack 10 (not shown) through an anode inlet 10c and an anode outlet 10d.

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 water separation device 44 is a device that separates moisture contained in the anode exhaust gas discharged from the anode outlet 10 d of the fuel cell stack 10 into the hydrogen circulation passage 43. That is, the water vapor discharged from the anode outlet 10d is liquefied into liquid water (drain) and separated from other components of the anode exhaust gas. As the water separation device 44, for example, a centrifugal filter or the like is used.

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 water separation device 44 is connected to a purge passage 51 that supplies a purge gas mainly composed of separated liquid water and nitrogen to the combustor 32. The purge passage 51 is provided with a purge valve 52 configured as an on / off switching valve. Therefore, by adjusting the duty ratio (valve opening time ratio) of the purge valve 52, the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 is adjusted along with the purge gas discharge flow rate from the hydrogen circulation passage 43. The duty ratio of the purge valve 52 is controlled by the controller 20. That is, in this embodiment, the purge valve 52 functions as a liquid water supply amount adjustment valve.

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 circulation blower 45 is provided between the water separation device 44 and the ejector 46 in the hydrogen circulation passage 43. The circulation blower 45 circulates hydrogen to the fuel cell stack 10 via the ejector 46.

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 ejector 46 is provided at the junction of the stack hydrogen supply passage 41 and the hydrogen circulation passage 43, and circulates the hydrogen in the hydrogen circulation passage 43 using the negative pressure when the supply hydrogen is accelerated and supplied by the nozzle. It is.

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 hydrogen pressure sensor 47 detects the pressure between the ejector 46 and the fuel cell stack 10 in the hydrogen circulation passage 43 (hereinafter also referred to as “circulating hydrogen pressure”). The circulating hydrogen pressure sensor 47 outputs a signal of the circulating hydrogen pressure detection value to the controller 20.

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 hydrogen supply passage 48 is a passage for supplying a part of hydrogen from the high-pressure tank 40 to the combustor 32. One end of the combustor hydrogen supply passage 48 is branched to communicate with the stack hydrogen supply passage 41, and the other end is connected to the combustor 32.

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 hydrogen supply passage 48 is provided with a combustor hydrogen amount adjusting valve 49 that arbitrarily adjusts the hydrogen supply amount to the combustor 32.

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 amount adjustment valve 49 is a valve that appropriately adjusts the hydrogen supply amount to the combustor 32. The opening degree of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 is adjusted by the controller 20. The combustor hydrogen amount adjustment valve 49 can be constituted by, for example, a proportional solenoid.

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 hydrogen supply passage 48 is provided with a combustor supply hydrogen pressure detection sensor 50 that detects the pressure of hydrogen upstream of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49. The combustor supply hydrogen pressure detection value signal from the combustor supply hydrogen pressure detection sensor 50 is input to the controller 20.

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 combustor 32 via the above-described combustor hydrogen supply passage 48 and a specific mode of supplying liquid water to the combustor 32 via the purge passage 51 will be described.

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 combustor 32, and FIG. 3 is a schematic view taken along the line XX in FIG. In FIG. 2, an arrow A indicates the direction (gas flow direction) in which the cathode exhaust gas flows. FIG. 3 also shows the temperature distribution in the cross section of the combustor 32.

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 combustor 32 is formed in a substantially cylindrical shape, and communicates with the cathode outlet 10 b of the fuel cell stack 10 via the cathode gas discharge passage 24 on one end side (inflow side) in the cathode exhaust gas flow direction A. Further, the other end side (outflow side) of the cathode exhaust gas flow direction A is connected to the turbine 62 via the cathode gas discharge passage 24.

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 combustor 32 includes, in order from the upstream in the cathode exhaust gas flow direction A, the cathode exhaust gas inlet 32a into which the cathode gas discharge passage 24 flows, the above-described combustor hydrogen supply passage 48, the mixer 54 that mixes the cathode exhaust gas and hydrogen, The above-described purge passage 51, the catalyst layer 56 for burning hydrogen and cathode exhaust gas, and the combustion exhaust gas outlet 32b for discharging the combustion exhaust gas heated by the combustion in the catalyst layer 56 to the cathode gas discharge passage 24 on the turbine 62 side, , Is arranged.

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 hydrogen supply passage 48 has a hydrogen supply port 48 a for supplying hydrogen from the high-pressure tank 40. The hydrogen supply passage 48 for the combustor is arranged so that the hydrogen supply port 48 a enters the combustor 32 in a state where the hydrogen supply port 48 a substantially coincides with the height of the central axis of the combustor 32.

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 mixer 54 mixes the cathode exhaust gas flowing in from the cathode exhaust gas inlet 32 a and the hydrogen supplied from the hydrogen supply port 48 a of the combustor hydrogen supply passage 48. The mixer 54 is configured as a so-called static mixer having a structure suitable for this mixing. Hereinafter, a gas obtained by mixing cathode exhaust gas and hydrogen is simply referred to as “mixed gas”.

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 purge passage 51 has a liquid water supply port 51 a for supplying liquid water from the water separation device 44 into the combustor 32. The purge passage 51 is disposed so as to enter the combustor 32 in a state where the liquid water supply port 51 a is located at a height slightly higher than the axial center axis L of the combustor 32. Further, the purge passage 51 is disposed upstream of the catalyst layer 56 downstream in the gas flow direction with respect to the hydrogen supply port 48 a that supplies hydrogen into the combustor 32.

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 water supply port 51 a is located above the maximum temperature line M in the horizontal direction of the combustor 32 and along the maximum temperature line N in the vertical direction. ing. That is, the liquid water supply port 51 a is located at the intersection of the maximum temperature line M and the maximum temperature line N and immediately above the maximum temperature point T where the temperature is highest in the temperature distribution of the cross section of the combustor 32.

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 catalyst layer 56 is configured by, for example, supporting a catalyst such as platinum on a support formed in a honeycomb shape with a zeolite-based material or the like. The catalyst layer 56 catalytically burns the mixed gas. That is, the catalyst layer 56 burns the hydrogen component and the oxygen component in the mixed gas, and the combustion exhaust gas that is a gas component (excessive oxygen, nitrogen, etc.) remaining without reacting is converted into a turbine through the combustion exhaust gas outlet 32b. Flow to 62.

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 catalyst layer 56 is in contact with liquid water supplied from the water separation device 44 via the liquid water supply port 51a. Thus, when liquid water contacts the catalyst layer 56, liquid water is vaporized with the combustion energy by the combustion of the hydrogen and oxygen, and converted into water vapor. The obtained water vapor flows into the cathode gas discharge passage 24 on the turbine 62 side together with the combustion exhaust gas. That is, in this embodiment, the combustion exhaust gas generated by combustion contains water vapor generated by vaporization of liquid water.

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 turbocharger 16 will be described. The turbocharger 16 includes an electric motor 60, a turbine 62, and a compressor 64.

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 electric motor 60 is connected to the compressor 64 on one side of the rotary drive shaft 66 and is connected to the turbine 62 on the other side of the rotary drive shaft 66. The electric motor 60 generates power by being driven by rotation by an external force and a function (power running mode) as an electric motor that rotates the compressor 64 by receiving power from a battery (not shown) and the fuel cell stack 10 and the like. It has a function (regeneration mode) as a generator for supplying power to the power source. The electric motor 60 includes a motor case (not shown), a stator that is fixed to the inner peripheral surface of the motor case, and a rotor that is rotatably disposed inside the stator. Can be attached to the unit.

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 electric motor 60 is provided with a motor rotation number sensor 72. The motor rotation speed sensor 72 detects the rotation speed of the electric motor 60. The electric motor rotation speed detection value signal detected by the motor rotation speed sensor 72 is input to the controller 20.

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 turbine 62 is rotationally driven by the combustion exhaust gas supplied from the combustor 32. The turbine 62 outputs this rotational driving force to the compressor 64 via the rotational driving shaft 66. That is, the compressor 64 can be rotated via the rotary drive shaft 66 by the recovered power from the turbine 62. Further, it is possible to assist the driving of the compressor 64 by the electric motor 60 by the recovered power of the turbine 62.

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 electric motor 60 can be regeneratively operated by recovering power beyond the work required for the compressor 64 from the turbine 62 and allowing the electric motor 60 to recover the surplus power. Further, the combustion exhaust gas after being used for driving the turbine 62 is discharged outside the fuel cell system 100 through the turbine exhaust passage 68 or used as waste heat in an arbitrary heat requesting portion in the fuel cell system 100. Is done.

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 compressor 64 is relatively large and the recovery power by the turbine 62 needs to be increased, the flow rate of the combustion exhaust gas flowing into the turbine 62 (hereinafter also referred to as “turbine inlet flow rate”). The compressor 64 can be suitably powered by increasing the temperature (hereinafter “turbine inlet temperature”) and pressure (hereinafter also referred to as “turbine inlet pressure”). Further, by adjusting the nozzle lift amount of the nozzle vane 34 described above, the recovery power by the turbine 62 can be adjusted by adjusting the pressure of the combustion exhaust gas supplied to the turbine 62.

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 compressor 64 is connected to the electric motor 60 and the turbine 62 via a rotary drive shaft 66. The compressor 64 is rotationally driven via the rotational drive shaft 66 by at least one of the electric motor 60 and the turbine 62, and sucks air into the fuel cell system 100 from the outside. The compressor 64 supplies the sucked air to the cathode electrode of the fuel cell stack 10 through the cathode gas supply passage 22.

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 / cooling mechanism 17 will be described. The heating / cooling mechanism 17 includes a cooling water circulation passage 80, a water temperature sensor 82, a cooling water circulation pump 84, a cooling water bypass passage 85, a radiator 86, and a three-way valve 88.

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 coolant circulation channel 80 is a passage through which coolant is circulated in communication with a coolant passage inside the fuel cell stack 10 (not shown) via the coolant inlet 10e and the coolant outlet 10f of the fuel cell stack 10. The cooling water circulating in the cooling water circulation channel 80 is supplied into the fuel cell stack 10 from the cooling water inlet 10e of the fuel cell stack 10 and flows in a direction discharged from the cooling water outlet 10f of the fuel cell stack 10.

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 water temperature sensor 82 is provided in the vicinity of the cooling water outlet 10 f of the fuel cell stack 10 in the cooling water circulation passage 80. The water temperature sensor 82 detects the temperature of cooling water discharged from the fuel cell stack 10 (hereinafter also referred to as “cooling water temperature”). A signal of the detected coolant temperature detected by the water temperature sensor 82 is input to the controller 20.

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 water circulation pump 84 circulates the cooling water in the cooling water circulation channel 80. The output of the cooling water circulation pump 84 is controlled by the controller 20.

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 water bypass passage 85 is a passage provided so that the cooling water bypasses the radiator 86. One end of the cooling water bypass passage 85 is connected between the cooling water circulation pump 84 and the radiator 86 in the cooling water circulation passage 80, and the other end is connected to one end of the three-way valve 88.

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 radiator 86 cools the cooling water temperature to a desired temperature by exchanging heat between the cooling water flowing through the cooling water circulation passage 80 and the outside air. The radiator 86 is provided downstream of the cooling water bypass passage 85 in the cooling water circulation passage 80. The radiator 86 cools the cooling water warmed inside the fuel cell stack 10 by a radiator fan 87. The radiator fan 87 is controlled by the controller 20.

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-way valve 88 is provided in a portion where the coolant bypass passage 85 joins in the coolant circulation passage 80 between the radiator 86 and the coolant inlet 10e of the fuel cell stack 10. The three-way valve 88 is a valve that adjusts the flow rate of cooling water flowing to the radiator 86 and the flow rate of cooling water that bypasses the radiator 86.

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-way valve 88 allows all the cooling water discharged from the cooling water outlet 10f of the fuel cell stack 10 to flow to the radiator 86 in the fully opened state. On the other hand, the three-way valve 88 flows all the cooling water discharged from the cooling water outlet 10 f of the fuel cell stack 10 in the fully closed state to the cooling water bypass passage 85 without passing through the radiator 86.

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 radiator 86 and the amount of cooling water bypassing the radiator 86 can be adjusted by appropriately adjusting the opening degree of the three-way valve 88 according to the cooling request of the fuel cell stack 10 and the like. The opening degree of the three-way valve 88 is controlled by the controller 20.

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 HFR measurement device 18 functions as a wet state acquisition device that acquires the wet state of the electrolyte membrane in the fuel cell stack 10. The HFR measuring device 18 is connected to the fuel cell stack 10 and measures the internal impedance of the fuel cell stack 10 correlated with the wet state of the electrolyte membrane.

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 fuel cell stack 10 is used as a parameter indicating the wet state of the electrolyte membrane.

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 HFR measurement device 18 supplies, for example, a high-frequency alternating current suitable for detecting the electrical resistance of the electrolyte membrane, and divides the amplitude of the output alternating voltage by the amplitude of the alternating current. Calculate internal impedance.

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 HFR measurement device 18 outputs the calculated HFR value to the controller 20 as an HFR measurement value.

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 load device 19 is driven by receiving the generated power supplied from the fuel cell stack 10. Examples of the load device 19 include various auxiliary machines such as a travel motor and an electric motor 60 that drive the vehicle.

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 load device 19 outputs electric power necessary for the operation to the controller 20 as required electric power for the fuel cell stack 10.

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 current sensor 91 and a voltage sensor 92 are disposed between the load device 19 and the fuel cell stack 10.

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 current sensor 91 is connected to a power supply line between the positive terminal of the fuel cell stack 10 and the positive terminal of the load device 19. The current sensor 91 detects a current output from the fuel cell stack 10 to the load device 19. Hereinafter, the current output from the fuel cell stack 10 to the load device 19 is also referred to as “stack current”. The current sensor 91 outputs a stack current detection value signal to the controller 20.

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 voltage sensor 92 is connected between the positive terminal and the negative terminal of the fuel cell stack 10. The voltage sensor 92 detects an inter-terminal voltage that is a voltage between the positive terminal and the negative terminal. Hereinafter, the terminal voltage of the fuel cell stack 10 is referred to as “stack voltage”. The voltage sensor 92 outputs a stack voltage detection value signal to the controller 20.

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 fuel cell system 100 configured as described above has a controller 20 that controls the system in an integrated manner.

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 controller 20 includes a microcomputer that includes a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).

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 fuel cell system 100 are input to the controller 20. Specifically, the controller 20 includes an HFR measuring device 18, an air flow meter 26, an air pressure sensor 28, a circulating hydrogen pressure sensor 47, a combustor supply hydrogen pressure detection sensor 50, a motor rotation speed sensor 72, a water temperature sensor 82, a current sensor. 91 and a signal from the voltage sensor 92 are input.

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 controller 20 receives a signal of required power corresponding to the load by the load device 19 connected to the fuel cell stack 10 from the operation control device of the load device 19. For example, when the detection signal indicating the amount of depression of the accelerator pedal detected by an accelerator pedal sensor (not shown) increases, the required power of the load device 19 increases, so the signal level of the power generation request signal input to the controller 20 increases. . Then, the controller 20 calculates a target stack current, which is a target value of the stack current, from the calculated required power based on a predetermined IV characteristic of the fuel cell stack 10 and the like.

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 controller 20 determines the nozzle lift amount of the nozzle vane 34, the opening degree of the bypass valve 38, the opening degree of the stack supply hydrogen pressure regulating valve 42, the output (rotation speed) of the circulation blower 45, the combustor hydrogen based on the above input signals and the like. The opening degree of the quantity adjusting valve 49, the duty ratio of the purge valve 52, the output (torque) of the electric motor 60, the rotational speed of the radiator fan 87, and the opening degree of the three-way valve 88 are controlled.

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 fuel cell system 100 according to the present embodiment.

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 controller 20 reads a request power signal from the load device 19.

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 controller 20 calculates a target stack current.

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 controller 20 estimates the power consumption of the auxiliary machine. Specifically, the controller 20 calculates an estimated value of the power consumption of the electric motor 60 from the detected value of the electric motor rotation speed by the motor rotation speed sensor 72 and the like. Further, the power consumption estimated value of the auxiliary machine may be a value obtained by adding the power consumption of other actuators such as the cooling water circulation pump 84 and the combustor hydrogen amount adjusting valve 49 or the estimated value thereof to the estimated power consumption of the electric motor 60. good.

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 controller 20 calculates the target stack power. Specifically, the target stack power is calculated by adding the estimated value of the auxiliary machine power consumption calculated in step S111 to the system required output as the running power based on the operation amount of the accelerator pedal, which is included by the load device 19. Is calculated.

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 controller 20 calculates the actual stack power. Specifically, the controller 20 calculates the actual stack power by multiplying the stack current detection value by the current sensor 91 and the stack voltage detection value by the voltage sensor 92.

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 controller 20 calculates a target stack current. Specifically, the controller 20 determines the target stack current so that the actual stack power calculated in step S113 approaches the target stack power calculated in step S112 while referring to the IV characteristics.

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 fuel cell stack 10, the controller 20 calculates the target value by which the HFR measurement value by the HFR measuring device 18 is calculated based on the target stack current. The wet control required target air flow rate is calculated so as to approach HFR.

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 controller 20 calculates the operation amount of each actuator. Specifically, based on the target HFR, the controller 20 calculates a target radiator fan speed that is a target value of the radiator fan speed and a target three-way valve opening that is a target value of the opening of the three-way valve 88.

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 controller 20 calculates a target air pressure that is a target value of the air pressure from the target stack current based on a predetermined table.

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 controller 20 calculates a target air flow rate that is a target value of the air flow rate from the target stack current in consideration of the wet control required target air flow rate based on a predetermined table.

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 controller 20 calculates the operation amount of each actuator. Specifically, the controller 20 sets the target air pressure calculated in step S131, the target air flow rate calculated in step S132, the air flow rate detection value by the air flow meter 26, the turbine inlet temperature previous value described later, and the air pressure by the air pressure sensor 28. Based on the pressure detection value, the command nozzle lift amount of the nozzle vane 34 and the command torque of the electric motor 60 are calculated.

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 controller 20 calculates a target turbine inlet temperature that is a target value of the temperature of the combustion exhaust gas (turbine inlet temperature) in the vicinity of the inlet of the turbine 62. Specifically, the controller 20 determines the command torque of the electric motor 60 calculated in step S133, the detected value of the electric motor rotation speed by the motor rotation speed sensor 72, the target stack current, the target air pressure calculated in step S131, and Based on the target air flow calculated in step S132, the target turbine inlet temperature is calculated.

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 controller 20 determines the target stack that is the target value of the opening of the stack supply hydrogen pressure regulating valve 42 based on the target stack current and the circulating hydrogen pressure detection value from the circulating hydrogen pressure sensor 47. The supply hydrogen pressure regulating valve opening is calculated.

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 controller 20 calculates a target circulating hydrogen pressure that is a target value of the circulating hydrogen pressure determined from the viewpoint of suitably controlling the hydrogen concentration in the hydrogen circulation passage 43 based on the target stack current. The controller 20 then opens the target stack supply hydrogen pressure regulating valve from the calculated target circulating hydrogen pressure and the circulating hydrogen pressure detection value using a predetermined feedback controller (hydrogen pressure control unit B101 in FIG. 11) such as a PI controller. Calculate the degree.

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 controller 20 calculates the target circulation blower rotation speed based on the target stack current, the detected coolant temperature value from the water temperature sensor 82, the target turbine inlet temperature calculated in step S134, and the target air flow rate. .

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 fuel cell stack 10 and the turbine inlet temperature. ) To achieve the target value of the circulating blower rotation speed.

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 controller 20 calculates a power generation request target blower rotational speed as a target value of the circulating blower rotational speed determined from the viewpoint of power generation from the target stack current and the coolant temperature detection value based on a predetermined map. Then, the controller 20 calculates a turbine required target blower rotational speed as a target value of the circulating blower rotational speed determined from the viewpoint of controlling the turbine inlet temperature, from the estimated turbine inlet temperature calculated based on the target turbine inlet temperature. Further, the controller 20 calculates a target circulation blower rotational speed based on the power generation required target blower rotational speed and the turbine required target blower rotational speed.

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 controller 20 calculates a target purge valve duty ratio from the target stack current and the coolant temperature detection value based on a predetermined map. The target purge valve duty ratio is determined from the viewpoint of suitably controlling the hydrogen concentration in the anode electrode of the fuel cell stack 10 while suitably controlling the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 ( This is the target value of the valve opening time ratio.

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 controller 20 controls the operation amount of the cooling system actuator calculated in step S122, the operation amount of the air system actuator calculated in step S133, and the fuel calculated in steps S141 to S144. The cooling system actuator, the air system actuator, and the fuel system actuator are controlled based on the operation amount of the system actuator.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, particularly when liquid water is supplied to the combustor 32 via the purge passage 51, the control of the liquid water supply flow rate is performed. The calculation of the main control target value will be described.

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 fuel cell system 100 according to the present embodiment.

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 controller 20 calculates a target stack supply hydrogen pressure regulating valve opening based on the target stack current and the circulating hydrogen pressure (see the hydrogen pressure control unit B101 in FIG. 10 and the like).

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 controller 20 determines the target air flow rate, the target turbine inlet based on the target stack current, the air pressure detection value, the air flow rate detection value, the motor rotation speed detection value, the wet control required target air flow rate, and the like. The temperature, the command nozzle lift amount, and the command electric motor torque are calculated (air system FB control unit B103 in FIG. 10).

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 controller 20 calculates the wet control required target air flow rate, the target radiator fan rotational speed, and the target three-way valve opening based on the target stack current and the HFR measurement value (wet control unit B102 in FIG. 10). ).

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 controller 20 calculates the target circulation blower rotation speed (circulation blower control unit B104 in FIG. 10).

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 controller 20 calculates a target purge valve opening based on the target stack current and the coolant temperature detection value.

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 controller 20 calculates a target combustion hydrogen supply valve opening based on the target air flow rate and the target turbine inlet temperature (combustor hydrogen amount control unit B106 in FIG. 10).

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 fuel cell system 100 according to the present embodiment will be described in detail with reference to the block diagrams shown in FIGS. The functions of the blocks shown in FIGS. 10 to 20 are realized by the controller 20.

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 controller 20 in the fuel cell system 100.

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 controller 20 includes a hydrogen pressure control unit B101, a wetting control unit B102, an air system FB control unit B103, a circulation blower control unit B104, a purge valve control unit B105, and a combustor hydrogen amount control unit. B106.

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 pressure regulating valve 42 based on the target stack current and the circulating hydrogen pressure detection value.

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 fuel cell stack 10 increases.

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 pressure regulating valve 42 so that the detected circulating hydrogen pressure value approaches the target circulating hydrogen pressure.

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 radiator fan 87 and the opening degree of the three-way valve 88.

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 fuel cell stack 10 in a higher state, and thus the HFR is reduced according to this requirement.

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 radiator fan 87 and the opening degree of the three-way valve 88.

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 radiator fan 87 based on the HFR deviation. That is, the FB control unit B1022 increases the rotational speed of the radiator fan 87 so that the cooling water temperature becomes lower in order to reduce the HFR (in order to control the electrolyte membrane to the wet side) as the HFR deviation becomes smaller. .

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-way valve 88 based on the HFR deviation. That is, the FB control unit B1022 increases the opening degree of the three-way valve 88 so that the cooling water temperature becomes lower in order to increase the HFR (to control the electrolyte membrane to the wet side) as the HFR deviation becomes smaller. .

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 fuel cell stack 10 in a higher load region. Therefore, since the HFR measurement value is larger than the target HFR and the operation of wetting the electrolyte membrane of the fuel cell stack 10 tends to be required, an increase in the rotational speed of the radiator fan 87 and the opening of the three-way valve 88 are likely to occur. Operations such as increasing the cooling water temperature are performed. Thereby, the amount of moisture discharged from the anode outlet 10d of the fuel cell stack 10 can be increased.

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 nozzle vane 34 and the torque of the electric motor 60 based on these values.

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 fuel cell stack 10 increases. Further, the target air pressure calculation unit B1031 outputs the calculated target air pressure to the air system control unit B1034.

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 fuel cell stack 10 and a request for dilution for diluting the anode exhaust gas. It can also be corrected to take a lower limit.

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 fuel cell stack 10. Therefore, in this map, the power generation request target air flow rate is set to a higher value as the target stack current increases, that is, as the load on the fuel cell stack 10 increases. Furthermore, the target air flow rate calculation unit B 1032 outputs the calculated power generation request target air flow rate to the max selection unit B 1033.

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 nozzle vane 34 and the torque of the electric motor 60.

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.

Figure 2018006168
ただし、
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]
samp: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。
Figure 2018006168
However,
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).

Figure 2018006168
ただし、
POt_e:推定タービン回収動力 [kW]
in:空気流量検出値[NL/min]
air:空気の式量[g/mol]
cpair:空気の定圧比熱[kJ/(g・K)]
sta:標準状態における体積(=22.414)[L]
ηcp:タービン効率
t_in_e:推定タービン入口温度[℃]
sta:標準状態における絶対温度(=273.15)[K]
t_in:タービン入口空気圧力[kPa_a]
t_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。
Figure 2018006168
However,
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 nozzle vane 34 and the electric motor 60.

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 rotation speed sensor 72 are input to the calculation unit B202. The calculation unit B202 calculates an estimated value of the turbine recovery torque (hereinafter also referred to as “estimated turbine recovery torque”) by dividing the detected value of the electric motor rotation speed from the estimated turbine recovery power PO t_e . Then, the calculation unit B202 outputs the calculated estimated turbine recovery torque to the subtraction unit 300.

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 nozzle vane 34 and outputs the calculated target compressor torque to the subtraction unit 300.

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 subtraction unit 300 outputs a value obtained by subtracting the estimated turbine recovery torque calculated by the calculation unit B202 from the target compressor torque calculated by the air system actuator control unit B203 to the electric motor 60 as the electric motor command torque.

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 compressor 64. That is, the target compressor power corresponds to a target value of the power of the electric motor 60 when the assistance by the turbine 62 is not considered.

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 electric motor 60.

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 compressor 64 in the low load region or the like is lower than the target motor power, the target turbine recovery power becomes negative, and the fuel supply to the combustor 32 is stopped.

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 electric motor 60 is reduced and compensated with the recovered power from the turbine 62, thereby reducing the power consumption of the electric motor 60. To do. For this reason, the target motor power is reduced. The target motor power calculation unit B205 calculates the target motor power from this table.

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 subtractor 302 subtracts the target motor power calculated by the target motor power calculator B205 from the target compressor power calculated by the calculator B204 to calculate the target turbine recovery power. The subtraction unit 302 outputs the target turbine recovery power to the recovery power / temperature conversion unit B206.

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 circulation blower 45 based on these values.

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 circulation blower 45 required from the viewpoint of appropriately maintaining the power generation amount of the fuel cell stack 10.

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 fuel cell stack 10 increases, and accordingly, the rotational speed of the circulation blower 45 is set to be further increased.

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 ejector 46 improves as the target stack current increases, so the output required for the circulation blower 45 decreases.

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 blower 45, the circulating blower 45 is controlled to the wet side (output increasing side) before the temperature of the combustor 32 rises, and the liquid water supplied to the combustor 32 is reduced. This can increase the occurrence of misfire and the like.

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 circulation blower 45 required from the viewpoint of controlling the turbine inlet temperature to the target turbine inlet temperature. That is, the turbine required target blower rotational speed is a target value of the rotational speed of the circulation blower 45 that is determined from the viewpoint of preventing temperature rise of the combustor 32 and misfire due to liquid water.

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 combustor 32, and the anode outlet 10d of the fuel cell stack 10 correlates with the flow rate of the liquid water. The turbine required target blower rotational speed is determined from the viewpoint of controlling the relative humidity RH.

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 combustor 32 is relatively low in the low-load region, and the combustion flow is reduced by minimizing the supply flow rate of liquid water to the combustor 32 without increasing the rotational speed of the circulation blower 45 as much as possible. This is to prevent the thermal reaction in the vessel 32 from being hindered by vaporization of liquid water.

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 circulation blower 45 is increased in order to increase the relative humidity RH of the anode outlet 10d in order to increase the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 as the load increases.

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 cathode outlet 10b of the fuel cell stack 10 becomes larger than the liquid water discharged from the anode outlet 10d.

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 circulation blower 45 is increased, and the water in the fuel cell stack 10 is guided to the anode side in the fuel cell stack 10. Like to do. Thereby, when the air flow rate increases, the relative humidity RH of the anode outlet 10d can be further increased.

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 anode outlet 10d is increased by increasing the ratio of the rotation speed (circulation hydrogen flow rate) of the circulation blower 45 in the hydrogen circulation passage 43 to the air flow rate supplied to the fuel cell stack 10. As a result, the flow rate of liquid water supplied to the combustor 32 can be increased.

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 circulation blower 45 so that the rotation speed of the circulation blower 45 approaches the target blower rotation speed.

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 valve 52 is calculated. Here, the target purge valve duty ratio is a target value of the duty ratio of the purge valve 52 determined from the viewpoint of suitably adjusting the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 through the purge passage 51.

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 fuel cell stack 10 is high, and water generated by power generation increases, so that the duty ratio of the purge valve 52 is controlled to increase in order to discharge through this moisture. Because. In the present embodiment, the target stack current values I1, I2, and I3 on the horizontal axis that are different for each coolant temperature indicated by the dotted line in the map shown in FIG. 20 correspond to “predetermined values”.

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 hydrogen circulation passage 43 is relatively high, so the amount of saturated water vapor in the gas in the hydrogen circulation passage 43 increases and more water vapor circulates in the hydrogen. It will be contained in the gas in the passage 43. Therefore, the duty ratio of the purge valve 52 is set in the increasing direction so as not to decrease the hydrogen concentration in the hydrogen circulation passage 43.

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 hydrogen circulation passage 43 at a certain level or more from the viewpoint of maintaining the power generation performance of the fuel cell stack 10.

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 purge valve 52 so that the duty ratio of the purge valve 52 approaches the calculated target purge valve duty ratio.

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 amount adjustment valve 49 based on the target air flow rate and the target turbine inlet temperature.

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 amount control valve 49. The target opening of the combustor hydrogen amount adjusting valve 49 is calculated from the target air flow rate. The combustor hydrogen amount control unit B106 performs feedback control of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 so that the opening degree of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 approaches the target opening degree.

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 fuel cell system 100 and the control method of the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention described above, the following operational effects are obtained.

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 fuel cell system 100 according to the present embodiment includes a fuel supply device (anode supply mechanism 14) for supplying hydrogen as fuel to an anode inlet 10c as an anode electrode of a fuel cell stack 10 as a fuel cell, and a fuel cell stack 10 An oxidant supply device (cathode supply / discharge mechanism 12) for supplying air as an oxidant to the cathode inlet 10a as a cathode electrode, and an HFR measurement device 18 as an operation state detection unit for detecting the operation state of the fuel cell stack 10, The air flow meter 26, the air pressure sensor 28, the circulating hydrogen pressure sensor 47, the combustor supply hydrogen pressure detection sensor 50, the motor rotation speed sensor 72, the water temperature sensor 82, the current sensor 91, and the voltage sensor 92, and the operation state detection unit The operation control device that controls the fuel supply device and the oxidant supply device according to the signal It includes a controller 20, a.

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 fuel cell system 100 includes a liquid water supply unit (a purge passage 51 and a purge valve 52) that supplies liquid water discharged from the fuel cell stack 10 to the combustor 32. The oxidant supply device includes a compressor 64 that supplies air to the cathode inlet 10a of the fuel cell stack 10, a turbine 62 that drives the compressor 64, and a combustor 32 that generates combustion gas that drives the turbine 62. .

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 controller 20 uses the load (target stack current) of the fuel cell stack 10, the target compressor power as the target power of the compressor 64, the target turbine recovery power that is the target recovery power of the turbine 62, and the target inlet temperature of the turbine 62. Based on a liquid water flow rate control parameter including a certain target turbine inlet temperature, a liquid water flow rate control unit (circulation blower control unit B104 and A purge valve control unit B105).

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 combustor 32 is vaporized by heat generated by the combustion of hydrogen and air in the combustor 32 and converted into water vapor. This water vapor is supplied to the turbine 62 and contributes to the recovery power of the turbine 62. Therefore, by controlling the liquid water flow rate supplied to the combustor 32 according to the liquid water flow rate control parameter,
The amount of liquid water supplied to the combustor 32 can be suitably controlled according to the load state of the fuel cell stack 10 correlated with the liquid water flow rate control parameter. Thereby, turbine efficiency can be improved.

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 turbine 62 is driven by steam obtained by vaporizing liquid water, the temperature of the gas supplied to the turbine 62 can be lowered, and desired power can be recovered while suppressing the influence of heat on system components. can do.

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 turbine 62 in this way, the required power can be obtained at a lower temperature than in the case where liquid water is not added, so that generation of nitrogen oxides and catalyst in the combustor 32 are achieved. Deterioration can also be suppressed.

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 electric motor 60 that drives the compressor 64 independently from the turbine 62 is further provided. More specifically, the fuel cell system 100 of the present embodiment drives the compressor 64 with the recovery power from the turbine 62 and the power generated by the electric motor 60.

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 fuel cell stack 10 in such a system in the combustor 32, the turbine recovery power can be increased as described above, so the power consumption of the electric motor 60 is reduced. Therefore, the size of the fuel cell stack 10 can be reduced.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the purge passage 51 and the purge valve 52 as the liquid water supply unit supply liquid water from the anode outlet 10d of the fuel cell stack 10 to the combustor 32 (see FIG. 1). ).

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 anode outlet 10d can be suitably controlled, and the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 can be suitably adjusted.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the liquid water supply unit includes a purge passage 51 as a liquid water supply passage for discharging liquid water from the anode outlet 10d of the fuel cell stack 10 to the combustor 32, and a purge passage. And a purge valve 52 as a liquid water supply amount adjusting valve provided in 51. Then, the purge valve control unit B105 as the liquid water amount control unit controls the flow rate of the liquid water by adjusting the duty ratio of the purge valve 52 which is the valve opening time ratio of the purge valve 52 (see FIG. 20).

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 combustor 32 can be realized by a simple method of adjusting the duty ratio of the purge valve 52. In particular, when a large amount of liquid water is required to be supplied to the combustor 32 such as when the load on the fuel cell stack 10 is large, it can be dealt with by increasing the duty ratio of the purge valve 52.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the liquid water supply passage is a purge passage 51 through which the purge gas discharged from the anode supply mechanism 14 (hydrogen circulation passage 43) of the fuel cell stack 10 flows. The control valve is a purge valve 52 provided in the purge passage 51.

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 combustor 32 can be realized by using a configuration necessary for discharging the purge gas to the outside in the anode supply mechanism 14 of the fuel cell system 100. That is, the liquid water supply amount to the combustor 32 can be controlled with a simpler configuration.

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 fuel cell system 100 according to the present embodiment, the purge valve control unit B105 supplies the combustor 32 to the combustor 32 when the target stack current as the liquid water flow rate control parameter becomes a high load region that is equal to or greater than the predetermined values I1, I2, and I3. Supply of liquid water is started (see FIG. 20). Here, “starting the supply of liquid water to the combustor 32” means that the supply is started from the viewpoint of using liquid water in the combustor 32, and the target stack current is a predetermined value. Even if it is less than the value, it is not excluded that a small amount of liquid water is supplied to the combustor 32.

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 combustor 32 is relatively high and the heat of vaporization is applied to the liquid water supplied into the combustor 32, the load of hydrogen and oxygen in the combustor 32 is small and has little influence on the combustion reaction. A region can be selected to supply liquid water to the combustor 32. Therefore, the energy of the water vapor evaporated from the liquid water can be given to the turbine 62 while suppressing misfire in the combustor 32.

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 turbine 62 is increased by increasing the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 as the load increases. Therefore, the energy of the steam supplied to the turbine 62 can be increased in accordance with the increase in load. Thereby, the recovery power by the turbine 62 can be increased in the high load region, and the assist force of the compressor 64 by the recovery power of the turbine 62 can be increased. Therefore, this contributes to a reduction in power consumption of the electric motor 60 that drives the compressor 64. As a result, it is possible to reduce the output request (required generated power) to the fuel cell stack 10, and the size of the fuel cell stack 10 can be reduced. Miniaturization can be achieved.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the purge valve control unit B105 controls the flow rate of the liquid water by adjusting the relative humidity RH of the anode outlet 10d of the fuel cell stack 10 (see FIG. 12).

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 combustor 32 can be suitably increased / decreased by adjusting the relative humidity RH of the anode outlet 10d.

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 combustor 32 can be increased by increasing the relative humidity RH of the anode outlet 10d, while the relative humidity RH of the anode outlet 10d is decreased to the combustor 32. The flow rate of the supplied liquid water can be reduced.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the wetting control unit B102 as the liquid water amount control unit adjusts the cooling water temperature of the fuel cell stack 10 (adjustment of the radiator fan rotation speed and the three-way valve opening degree). The relative humidity RH of the anode outlet 10d is controlled (see FIG. 12).

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 anode outlet 10d can be adjusted by a simple method of adjusting the cooling water temperature of the fuel cell stack 10, and as a result, the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 can be adjusted.

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 fuel cell stack 10 more (see target HFR calculation unit B1021 in FIG. 12). Here, by performing the operation of decreasing the cooling water temperature, the water content (saturated water vapor amount) of the air in the cathode electrode in the fuel cell stack 10 is decreased while the water content in the fuel cell stack is increased. The amount of water discharged from the cathode outlet 10b of the fuel cell stack 10 is reduced.

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 cathode outlet 10b of the fuel cell stack 10 is thus reduced, the amount of moisture in the fuel cell stack itself is increasing. The water discharged from the anode outlet 10d of the fuel cell stack 10 increases, and the relative humidity RH at the anode outlet 10d of the fuel cell stack 10 increases. As a result, the supply flow rate of liquid water to the combustor 32 can be increased. In addition, when decreasing the supply flow rate of the liquid water to the combustor 32, an operation for increasing the cooling water temperature is performed.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the wetness control unit B102 as the liquid water amount control unit adjusts the air flow rate (wet control request target air flow rate) supplied to the fuel cell stack 10 to adjust the anode outlet 10d. The relative humidity RH is controlled (see FIG. 12).

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 anode outlet 10d is adjusted by a simple method of adjusting the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 10, and as a result, the flow rate of liquid water supplied to the combustor 32 can be adjusted. it can.

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 cathode inlet 10a of the fuel cell stack 10 is decreased, the moisture in the fuel cell stack 10 is increased even though the moisture discharged from the cathode outlet 10b is relatively reduced. To do. Therefore, the moisture discharged from the anode outlet 10 d of the fuel cell stack 10 increases due to the increased moisture in the fuel cell stack 10. Therefore, the relative humidity RH at the anode outlet 10d increases, and the supply flow rate of liquid water to the combustor 32 can be increased.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment further includes a hydrogen circulation passage 43 as a fuel circulation passage for circulating the hydrogen supplied to the fuel cell stack 10. Then, the circulation blower control unit B104 as the liquid water flow rate control unit controls the relative humidity RH of the anode outlet 10d by adjusting the ratio of the hydrogen circulation flow rate to the air flow rate supplied to the fuel cell stack 10 (FIG. 18 turbine required target rotation speed calculation unit B1043).

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 fuel cell stack 10, the water discharged from the anode outlet 10d can be adjusted, and the liquid water supplied to the combustor 32 can be adjusted. The flow rate can be adjusted.

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 fuel cell stack 10, the moisture discharged from the anode outlet 10 d to the moisture discharged from the cathode outlet 10 b of the fuel cell stack 10 is increased. Since it can increase, the flow volume of the liquid water supplied to the combustor 32 can be increased.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the liquid water flow rate control unit includes a circulation blower control unit B104 as a fuel circulation flow rate control unit that controls the hydrogen circulation flow rate. Then, the circulation blower control unit B104 adjusts the ratio of the hydrogen circulation flow rate to the air flow rate supplied to the fuel cell stack 10 (turbine required target rotational speed calculation unit B1043 in FIG. 18).

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 fuel cell stack 10 is controlled by controlling the hydrogen circulation flow rate, and the liquid water flow rate discharged from the anode outlet 10d is reduced. Can be controlled. That is, even in such a scene, the flow rate of liquid water supplied to the combustor 32 can be suitably controlled.

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 ejector 46 and the diameter of the ejector nozzle, instead of or together with the rotational speed of the circulation blower 45. For example, as the hydrogen circulation flow rate required for the generated current is higher, the number of stages of the ejector 46 may be reduced, or the diameter of the ejector nozzle may be reduced.

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 fuel cell system 100, the circulation blower control unit B104 as the liquid water flow rate control unit controls the flow rate of the combustor supply liquid water when the estimated turbine inlet temperature, which is regarded as the temperature of the combustor 32, exceeds a predetermined value. Start (see FIG. 19). Here, “starting the supply of liquid water to the combustor 32” means starting supply from the viewpoint of using liquid water in the combustor 32, and the estimated turbine inlet temperature is Even if it is less than the predetermined value, it is not excluded that a small amount of liquid water is supplied to the combustor 32.

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 combustor 32 is started. Water will be supplied. Therefore, it is possible to prevent the combustion reaction of hydrogen and oxygen from being hindered by supplying liquid water with the temperature of the combustor 32 being low.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the purge passage 51 as the liquid water supply unit has a liquid water supply port 51 a inside the combustor 32. And this liquid water supply port 51a is arrange | positioned above the highest temperature point T inside the combustor 32 (refer FIG. 3).

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 purge passage 51 is supplied to the position of the maximum temperature point T inside the combustor 32 while dropping due to the influence of gravity. The uneven distribution can be reduced and the maximum temperature can be lowered. Thereby, generation | occurrence | production of a nitrogen oxide and partial catalyst deterioration inside the combustor 32 can be prevented, without reducing turbine recovery power.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment, the purge passage 51 as a liquid water supply unit has a liquid water supply port 51 a inside the combustor 32. And this liquid water supply port 51a is arrange | positioned downstream of the gas flow direction (arrow A direction of FIG. 3) with respect to the hydrogen supply port 48a as a fuel supply port which supplies hydrogen inside the combustor 32. FIG. .

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 hydrogen supply port 48a, so that heat can be efficiently applied to the liquid water. The liquid water can be quickly vaporized and converted into water vapor and supplied to the turbine 62. Moreover, by supplying liquid water to a relatively low temperature portion in the combustor 32, it is possible to suppress the combustion of the combustor 32 with the heat of vaporization of the liquid water and reduce the combustion efficiency.

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 fuel cell system 100 in which the compressor 64 that supplies the air as the oxidant to the cathode electrode (cathode inlet 10a) of the fuel cell stack 10 as the fuel cell is driven by the turbine 62. Is provided. In this control method, the load (target stack current) of the fuel cell stack 10, the target compressor power as the target power of the compressor 64, the target turbine recovery power that is the target recovery power of the turbine 62, and the target inlet temperature of the turbine 62 The liquid water flow rate control parameter including the target turbine inlet temperature is acquired, and the flow rate of the liquid water supplied to the combustor 32 that generates the combustion gas supplied to the turbine 62 is controlled based on the liquid water flow rate control parameter. .

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 combustor 32 according to the liquid water flow rate control parameter, the combustion is performed according to the load state of the fuel cell stack 10 correlated with the liquid water flow rate control parameter. The amount of liquid water supplied to the vessel 32 can be suitably controlled. Thereby, turbine efficiency can be improved.

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 amount adjusting valve 49 is fully closed and the combustor hydrogen amount adjusting valve 49 starts to be opened when the target turbine inlet temperature is equal to or higher than a predetermined value.

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 combustor 32 when the target turbine inlet temperature becomes a predetermined value or more. As a result, since the supply of liquid water to the combustor 32 is started after the temperature in the combustor 32 becomes sufficiently high, the temperature in the combustor 32 is increased by the heat of vaporization of the liquid water. It is possible to further suppress the reduction to an extent that hinders the combustion reaction of oxygen. As a result, the energy of water vapor evaporated from the liquid water can be applied to the turbine 62 while suppressing misfires in the combustor 32.

(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 combustor 32 is determined based on the detected value of the combustion exhaust gas temperature.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment.

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 combustor temperature sensor 94 is provided downstream of the combustor 32 in the cathode gas discharge passage 24. The combustor temperature sensor 94 detects the temperature of the combustion exhaust gas discharged from the combustor 32. The combustor temperature sensor 94 outputs a combustion exhaust gas temperature detection value signal to the controller 20.

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 controller 20 of this embodiment.

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 combustor 32 The supply of water will be started. Therefore, in the present embodiment, when the combustion exhaust gas temperature detection value by the combustor temperature sensor 94 becomes a predetermined value or more, the supply of liquid water to the combustor 32 is substantially started.

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 fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention described above has the following operational effects.

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 fuel cell system 100 according to the present embodiment includes a combustor temperature sensor 94 as a temperature sensor that detects the temperature of the combustor 32, and the circulation blower control unit B 104 as a liquid water flow rate control unit is a combustor temperature sensor 94. When the detected flue gas temperature detected value as the detected value is equal to or higher than a predetermined value, control of the combustor supply liquid water flow rate is started (turbine required target rotational speed calculation unit B1043 in FIG. 24).

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 combustor 32, that is, the timing of increasing the rotational speed of the circulation blower 45 can be more suitably determined based on the actual detected value of the exhaust gas temperature.

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 purge valve 52 when the detected value of the combustion exhaust gas temperature is less than a predetermined value, and the detected value of the combustion exhaust gas temperature becomes equal to or higher than the predetermined value. Control of the combustor supply liquid water flow rate may be started by starting to increase the purge valve 52.

(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 combustor 32 is determined based on the hydrogen supply time to the combustor 32.

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 amount adjustment valve 49 is configured as a valve that can be switched on and off, such as an intermittent drive injector.

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 controller 20 of the present embodiment.

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 controller 20 includes a hydrogen supply valve opening time calculation unit B107 in place of the configuration in which the previous target turbine inlet temperature in FIG. 10 in the first embodiment is input to the air system FB control unit B103. Yes.

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 amount adjustment valve 49 to the hydrogen supply valve opening time calculation unit B107. The valve opening state information is information indicating whether the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 is in an on state (open state) or an off state (closed state).

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 amount adjustment valve 49 based on the valve opening state information. Specifically, the hydrogen supply valve opening time calculation unit B107 calculates the total time (valve opening time) when the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 is in the ON state during a predetermined time period, and calculates the total time as time. The value divided by the period is set as the duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49. Therefore, this duty ratio substantially corresponds to the time during which hydrogen is supplied from the high-pressure tank 40 to the combustor 32 (hydrogen supply time).

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 amount adjustment valve 49 to the air system FB control unit B103 and the circulation blower control unit B104.

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 amount adjustment valve 49 is input to the circulation blower control unit B104 instead of the target turbine inlet temperature.

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 amount adjustment valve 49 calculated by the hydrogen supply valve opening time calculation unit B107 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 amount adjustment valve 49. Specifically, the turbine recovery power estimation unit B201 calculates from the duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 based on a predetermined map or the like indicating the relationship between the duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 and the estimated turbine recovery power. Calculate the estimated turbine recovery power. This map is set so that the estimated turbine recovery power increases as the duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 increases.

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 amount adjustment valve 49 is input to the turbine required target rotation speed calculation unit B1043. doing.

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 amount adjusting valve 49 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 duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49.

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 amount adjusting valve 49 is equal to or greater than a predetermined value, the turbine required target blower rotation speed starts increasing, and the supply of liquid water to the combustor 32 is started in earnest. Therefore, in the present embodiment, when the duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 corresponding to the hydrogen supply time to the combustor 32 becomes a predetermined value or more, the supply of liquid water to the combustor 32 is substantially started. The Rukoto.

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 fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention described above has the following operational effects.

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 combustor 32, becomes higher than a predetermined value, the circulation blower control unit B104 as the liquid water flow rate control unit Control of the combustor supply liquid water flow rate is started (turbine required target rotational speed calculation unit B1043 in FIG. 27).

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 amount adjustment valve 49, the timing for starting the supply of liquid water to the combustor 32, that is, the timing for increasing the rotational speed of the circulation blower 45 can be determined more suitably.

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 amount adjustment valve 49 is less than a predetermined value, the purge valve control unit B105 relatively lowers the duty ratio of the purge valve 52 and sets the duty ratio of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49. The control of the combustor supply liquid water flow rate may be started by starting the increase of the purge valve 52 when the ratio becomes a predetermined value or more.

(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 combustor 32 is determined based on the opening degree of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49.

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 amount adjustment valve 49, a valve whose opening degree can be adjusted, such as a proportional solenoid, is used.

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 fuel cell system 100 of the present embodiment.

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 amount adjusting valve 49 is provided with an opening degree sensor 49a for detecting the opening degree thereof. The opening sensor 49 a outputs a signal of a detected value of the opening of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 to the controller 20.

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 controller 20 of the present embodiment.

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 amount adjusting valve 49 detected by the opening degree sensor 49a is sent to the air system FB control unit B103 and the circulation blower control unit B104 (hereinafter, “ (Also referred to as “combustor hydrogen supply valve opening detection value”).

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 combustor 32 is started. Therefore, in this embodiment, when the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening corresponding to the amount of fuel supplied to the combustor 32 becomes a predetermined value or more, the supply of liquid water to the combustor 32 is substantially started. It will be.

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 fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention described above has the following operational effects.

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 fuel cell system 100 according to the present embodiment includes a combustor hydrogen amount adjusting valve 49 that adjusts the amount of fuel supplied to the combustor 32. Then, the circulation blower control unit B104 as the liquid water flow rate control unit, when the opening degree of the combustor hydrogen amount adjustment valve 49 (combustor hydrogen supply valve opening degree detection value) is equal to or greater than a predetermined value, Is started (turbine required target rotational speed calculation unit B1043 in FIG. 31).

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 combustor 32, the timing for starting the supply of liquid water to the combustor 32, that is, the timing for increasing the rotational speed of the circulation blower 45. Can be more suitably determined.

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 amount adjustment valve 49 that determines the timing for starting control of the combustor supply liquid water flow rate includes not only the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening but also the integrated value thereof. May be included.

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 combustor 32 is estimated from the detected value of the combustor hydrogen supply valve opening and the integrated value thereof, and the estimated temperature of the combustor and the target air flow rate are used as a map of the turbine required target rotational speed calculation unit B1043 in FIG. Based on this, the turbine required target blower rotational speed may be calculated.

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 purge valve 52 so that the combustor hydrogen supply valve opening degree detection value is The control of the combustor supply liquid water flow rate may be started by starting the increase of the purge valve 52 when the predetermined value or more is reached.

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 anode outlet 10d is supplied to the combustor 32, but the liquid water from the cathode outlet 10b may be supplied to the combustor 32. However, from the viewpoint of suitably controlling the liquid water flow rate to the combustor 32, it is preferable to supply liquid water from the anode outlet 10d to the combustor 32.

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 combustor 32 through the purge passage 51. However, a purge gas containing hydrogen and a predetermined concentration together with liquid water may be supplied to the combustor 32 through the purge passage 51. Thereby, the hydrogen in the anode exhaust gas can be used for combustion in the combustor 32. In particular, in this case, even if the hydrogen concentration contained in the purge gas is relatively high, the hydrogen in the purge gas can be consumed by the combustion by the combustor 32. Therefore, the hydrogen concentration of the purge gas (or the mixed gas of the purge gas and the cathode exhaust gas) when finally discharged to the outside can be reduced.

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 anode outlet 10d to the combustor 32 and a path for supplying anode exhaust gas may be configured separately.

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 anode outlet 10d to the combustor 32 through the same path, supply of liquid water and anode exhaust gas to the combustor 32 and control of the supply flow rate can be controlled by a single purge passage. 51 and the purge valve 52, the system configuration is simplified.

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 “compressor 64” in each of the above embodiments fulfills the function of supplying air to the cathode electrode of the fuel cell stack 10 via the cathode gas supply passage 22. Therefore, if such a function can be achieved, the “compressor 64” can be appropriately used in addition to the “compressor” (compressor having an effective discharge pressure of 200 kPa or more) recognized in a general sense. It can also replace with other compressors and blowers, such as a blower.

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 “turbine 62” in each of the above embodiments is connected to the fuel cell stack 10 via the cathode gas discharge passage 24. More specifically, the cathode exhaust gas from the fuel cell stack 10 is burned together with hydrogen in the combustor 32 provided in the cathode gas discharge passage 24, and the generated combustion gas is supplied to the turbine 62. However, the present invention is not limited to this. For example, the turbine 62 may be configured in a separate system from the cathode gas discharge passage 24. For example, a supply system that supplies gas from an arbitrary gas supply source to the turbine 62 and a mechanism that adjusts the supply flow rate and temperature of the gas to the turbine 62 may be provided separately.

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 SYMBOLS 10 Fuel cell stack 10a Cathode inlet 10b Cathode outlet 10c Anode inlet 10d Anode outlet 10e Cooling water inlet 10f Cooling water outlet 12 Cathode supply / discharge mechanism 14 Anode supply mechanism 16 Turbo supercharger 17 Heating / cooling mechanism 18 HFR measuring device 20 Controller 22 Cathode gas supply passage 24 Cathode gas discharge passage 26 Air flow meter 28 Air pressure sensor 32 Combustor 32a Cathode exhaust gas inflow passage 32b Combustion exhaust gas outflow passage 34 Nozzle vane 40 High pressure tank 41 Stack hydrogen supply passage 42 Stack supply hydrogen pressure regulating valve 43 Hydrogen circulation Passage 44 Water separator 45 Circulating blower 46 Ejector 47 Circulating hydrogen pressure sensor 48 Hydrogen supply passage for combustor 48a Hydrogen supply port 49 Combustor hydrogen amount control valve 50 Combustor supply hydrogen pressure Output sensor 51 Purge passage 51a Liquid water supply port 52 Purge valve 60 Electric motor 62 Turbine 64 Compressor 66 Rotation drive shaft 72 Motor rotation speed sensor 80 Cooling water circulation passage 82 Water temperature sensor 84 Cooling water circulation pump 86 Radiator 87 Radiator fan 88 Three-way valve 91 Current sensor 92 Voltage sensor 94 Combustor temperature sensor 100 Fuel cell system

Claims (19)

燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、
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.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1又は2に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項3に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項4に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1〜5の何れか1項に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項6に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1〜7の何れか1項に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項8に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項8又は9に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項8〜10の何れか1項に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項11に記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1〜12の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
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.
請求項13に記載の燃料電池システムにおいて、
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.
請求項13又は14に記載の燃料電池システムにおいて、
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.
請求項13〜15の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
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.
請求項1〜16の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
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.
請求項1〜17の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
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.
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をタービンで駆動する燃料電池システムの制御方法であって、
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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023185596A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 永安行科技股份有限公司 Fuel cell stack control system and control method
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