JP2007305563A - Fuel cell system, and method for estimating exhaust gas amount - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及び排気量推定方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a displacement estimation method.
従来より、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、循環流路に接続した排出流路に排気弁を設け、この排気弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガスを一定時間毎に排出する技術(パージ技術)が提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) has been proposed and put into practical use. Impurities such as nitrogen and carbon monoxide accumulate over time in the fuel cell of such a fuel cell system and in the circulation path of the fuel off gas with power generation. In order to discharge such impurities to the outside, an exhaust valve is provided in the exhaust flow path connected to the circulation flow path, and the exhaust valve is controlled to open and close to exhaust the gas in the circulation flow path at regular intervals. A technique for purging (purge technique) has been proposed.
また、現在においては、排気弁を通過するガスの流量が所定値を超えた場合に排気弁を閉じるように制御する技術(特許文献1参照。)や、燃料電池の発電状態に応じて排出時間を設定することにより、発電状態に対応する要求排出量と同量の排気を実現させる技術(特許文献2参照。)が提案されている。
ところで、燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。そして、近年においては、この燃料供給流路に機械式可変レギュレータ等の可変ガス供給装置を設けることにより、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力をシステムの運転状態に応じて変化させる技術が提案されている。 By the way, the fuel cell system is provided with a fuel supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source such as a hydrogen tank to the fuel cell. In recent years, a technology has been proposed in which a variable gas supply device such as a mechanical variable regulator is provided in the fuel supply flow path to change the supply pressure of the fuel gas from the fuel supply source in accordance with the operating state of the system. Has been.
前記したような可変ガス供給装置を設けた場合には、燃料電池に供給される燃料ガスの状態量(圧力、流量、温度等)が逐次変化することとなる。従って、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて前記特許文献1や前記特許文献2に記載されたような技術を採用するだけでは、排気弁からの排気量(パージ量)の安定化を実現させることが困難であった。
When the variable gas supply device as described above is provided, the state quantities (pressure, flow rate, temperature, etc.) of the fuel gas supplied to the fuel cell change sequentially. Therefore, in a fuel cell system provided with a variable gas supply device, stabilization of the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve is realized only by adopting the technique described in
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量(パージ量)の安定化を図ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to stabilize the exhaust amount (purge amount) from an exhaust valve in a fuel cell system including a variable gas supply device.
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して排気弁の開閉状態を制御する排気制御手段を備えるものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and an upstream side of the supply channel. A variable gas supply device that adjusts the gas state and supplies it to the downstream side, a discharge passage for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside And an exhaust control means for controlling the open / close state of the exhaust valve in response to a change in the gas supply state from the variable gas supply device.
かかる構成を採用すると、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して、排気弁の開閉状態の制御(排気弁の開閉時間の変更・補正等)を実現させることができる。従って、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量(パージ量)を安定させることが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。また、「ガス供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味する。 By adopting such a configuration, it is possible to realize control of the open / close state of the exhaust valve (change / correction of the open / close time of the exhaust valve, etc.) in response to a change in the gas supply state from the variable gas supply device. Therefore, in the fuel cell system including the variable gas supply device, the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve can be stabilized. The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc., and particularly includes at least one of a gas flow rate and a gas pressure. The “gas supply state” means the gas state of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell.
前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化及び流量変化の少なくとも一方に基づいて、排気弁の開閉状態を変更する排気制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, an exhaust control means for changing an open / close state of the exhaust valve based on at least one of a pressure change and a flow rate change of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell can be employed. .
また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路に気液分離器を設け、この気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁を排気弁として採用することもできる。 In the fuel cell system, a gas / liquid separator may be provided in the discharge channel, and an exhaust / drain valve that serves as both drainage and exhaust from the liquid reservoir of the gas / liquid separator may be employed as the exhaust valve. .
また、前記燃料電池システムにおいて、排気弁の開放時点からの排気量を算出する排気量算出手段を備えてもよい。かかる場合には、排気量算出手段により算出された排気量が所定の目標排気量(例えば燃料電池の発電状態に基づいて設定される値)に到達したときに排気弁を閉鎖する排気制御手段を採用することができる。 The fuel cell system may further include an exhaust amount calculating means for calculating an exhaust amount from when the exhaust valve is opened. In such a case, the exhaust control means for closing the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculating means reaches a predetermined target exhaust amount (for example, a value set based on the power generation state of the fuel cell). Can be adopted.
また、前記燃料電池システムにおいて、排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて排気弁の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気弁を閉鎖する排気制御手段を採用することもできる。 Further, in the fuel cell system, an exhaust valve closing delay amount is calculated based on a difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the exhaust valve, and the exhaust gas is exhausted ahead of time based on the calculated closing delay amount. An exhaust control means for closing the valve may be employed.
かかる構成を採用すると、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化等に起因して排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差が大きくなり、排気弁の閉じ遅れが想定されるような場合においても、その閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気弁を閉鎖することができる。従って、排気弁の閉じ遅れを抑制することができる。なお、「閉じ遅れ量」とは、所定の基準状態(例えば、排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差が比較的小さい一定の状態)における排気弁閉鎖時と、非基準状態における排気弁閉鎖時と、の差である閉じ遅れ時間や、この閉じ遅れ時間に対応して発生する超過排気量(目標排気量を超過する排気量)等の閉じ遅れに係る物理量を意味する。 When such a configuration is adopted, the difference between the upstream side pressure and the downstream side pressure of the exhaust valve increases due to a change in the pressure of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell, etc. Even in such a case, the exhaust valve can be closed in advance in time based on the closing delay amount. Accordingly, the exhaust valve closing delay can be suppressed. Note that the “closing delay amount” refers to exhaust gas in a predetermined reference state (for example, a constant state in which a difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the exhaust valve is relatively small) and in a non-reference state. It means a physical quantity related to the closing delay, such as a closing delay time that is a difference between the closing time of the valve and an excess exhaust amount (exhaust amount exceeding the target exhaust amount) generated in correspondence with the closing delay time.
また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路から排気弁を介して排出されたガスを希釈するための希釈ガスを供給する希釈ガス供給手段と、排気量算出手段による排気量算出が正常に行われているか否かを判定する異常検出手段と、を備えることができる。かかる場合において、異常検出手段で排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定した場合に、希釈ガス供給手段からの希釈ガスの供給量に応じて排気弁の開弁時間を制限する排気制御手段を採用することができる。 Further, in the fuel cell system, the exhaust gas amount is normally calculated by the dilution gas supply means for supplying the dilution gas for diluting the gas discharged from the discharge passage through the exhaust valve, and the exhaust amount calculation means. An abnormality detecting means for determining whether or not there is an abnormality. In such a case, when the abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed, the exhaust valve opening time according to the supply amount of the dilution gas from the dilution gas supply means It is possible to employ an exhaust control means for limiting the above.
かかる構成を採用すると、排気量算出手段による排気量算出が正常に行われない状況下においても、排気弁の開放状態が長期間持続することを抑制することができる。従って、排気弁から高濃度の燃料ガスが排出されることを抑制することが可能となる。 By adopting such a configuration, it is possible to prevent the exhaust valve from being kept open for a long time even in a situation where the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculating means is not normally performed. Therefore, it is possible to suppress the high concentration fuel gas from being discharged from the exhaust valve.
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして供給する希釈ガス供給手段を採用することができる。 Further, in the fuel cell system, a dilution gas supply means for supplying an oxidizing off gas discharged from the fuel cell as a dilution gas can be employed.
かかる構成を採用すると、燃料電池から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして有効利用することができる。 When such a configuration is employed, the oxidizing off gas discharged from the fuel cell can be effectively used as the dilution gas.
また、前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、可変ガス供給装置の異常を検出した場合に排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定する異常検出手段と、を採用することができる。 Further, in the fuel cell system, an exhaust amount calculating means for calculating an exhaust amount from the exhaust valve based on a gas supply state from the variable gas supplying device, and an exhaust amount calculating means when an abnormality of the variable gas supplying device is detected. It is possible to employ an abnormality detection means that determines that the exhaust amount calculation based on is not normally performed.
また、前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを備えることができる。かかる場合において、可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、センサの異常を検出した場合に排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定する異常検出手段と、を採用することができる。 The fuel cell system may further include a sensor that detects a gas supply state from the variable gas supply device. In such a case, the exhaust amount calculation means for calculating the exhaust amount from the exhaust valve based on the gas supply state from the variable gas supply device, and the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means when the sensor abnormality is detected are normally calculated. It is possible to employ an abnormality detection means that determines that it has not been performed.
また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを可変ガス供給装置として採用することができる。 In the fuel cell system, an injector can be employed as the variable gas supply device.
インジェクタとは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態(ガス流量やガス圧力)を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。 An injector is an electromagnetically driven opening and closing that can adjust the gas state (gas flow rate and gas pressure) by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat It is a valve. The predetermined control unit drives the valve body of the injector to control the fuel gas injection timing and injection time, whereby the flow rate and pressure of the fuel gas can be controlled.
また、本発明に係る排気量推定方法は、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムの排気量推定方法であって、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて排気弁からの排気量を算出する算出工程を含むものである。 Further, the exhaust amount estimation method according to the present invention adjusts a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a gas state upstream of the supply channel. And a variable gas supply device that supplies the gas to the downstream side, a discharge passage for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside. A method for estimating an exhaust amount of a fuel cell system includes a calculation step of calculating an exhaust amount from an exhaust valve based on time integration of a change in a gas supply state from a variable gas supply device.
かかる方法を採用すると、排出流路内のガスを外部に排出している間(パージ動作中)に、可変ガス供給装置からのガス供給状態が変化した場合においても、その変化分(例えば、可変ガス供給装置の下流側における圧力低下分や、この圧力低下分を補うための可変ガス供給装置による補正流量)に基づいて排気弁からの排気量(パージ量)を正確に推定(算出)することが可能となる。従って、この推定した排気量を所定の目標排気量に近付けるように排気弁の開閉動作を制御すると、その制御精度が向上するため、排気量の安定化を実現させることが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。また、「ガス供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味する。 When such a method is adopted, even when the gas supply state from the variable gas supply device changes while the gas in the discharge channel is being discharged to the outside (during the purge operation), the change (for example, variable) Accurately estimate (calculate) the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve based on the pressure drop on the downstream side of the gas supply device and the correction flow rate by the variable gas supply device to compensate for this pressure drop) Is possible. Therefore, if the opening / closing operation of the exhaust valve is controlled so that the estimated exhaust amount approaches the predetermined target exhaust amount, the control accuracy is improved, so that stabilization of the exhaust amount can be realized. The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc., and particularly includes at least one of a gas flow rate and a gas pressure. The “gas supply state” means the gas state of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell.
前記排気量推定方法において、算出工程では、可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、排気弁からの排気量を算出することができる。なお、「ガス補正供給流量」とは、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うために可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの流量を意味する。 In the exhaust amount estimation method, in the calculation step, a pressure change corresponding flow rate converted from a change in the downstream pressure of the variable gas supply device and a gas correction supply flow rate for compensating for a decrease in the downstream pressure of the variable gas supply device are calculated. By adding the time integration value, the exhaust amount from the exhaust valve can be calculated. The “gas correction supply flow rate” means the flow rate of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell in order to compensate for the decrease in the downstream pressure of the variable gas supply device.
また、前記排気量推定方法において、可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを設け、算出工程では、センサで検出されたガス供給状態と、所定の目標供給状態と、の偏差が所定の閾値を超えた時点から、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算を開始することが好ましい。 In the exhaust amount estimation method, a sensor for detecting a gas supply state from the variable gas supply device is provided, and in the calculation step, a deviation between the gas supply state detected by the sensor and a predetermined target supply state is predetermined. It is preferable to start the time integration for the change in the gas supply state from the variable gas supply device from the time when the threshold value is exceeded.
このようにすることにより、可変ガス供給装置からのガス供給状態の微小な変化(例えば排水時における微小な圧力変化)に起因する排気量の算出誤差を抑制することができる。なお、「目標供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態の目標値(例えば、排気直前における燃料ガスの圧力値等)を意味する。 By doing so, it is possible to suppress an exhaust amount calculation error caused by a minute change in the gas supply state from the variable gas supply device (for example, a minute pressure change during drainage). The “target supply state” means a target value of the gas state of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell (for example, the pressure value of the fuel gas immediately before exhaust).
また、前記排気量推定方法において、算出工程は、燃料電池の発電時における燃料ガスの消費量の変化分に基づいて排気弁からの排気量を補正する発電補正工程や、燃料電池から排出される燃料オフガスの温度に基づいて排気弁からの排気量を補正する温度補正工程や、燃料電池システムの燃料ガス流路におけるガス漏れ量(例えば燃料電池内の燃料ガス流路から電解質膜を介して酸化ガス流路へと透過する燃料ガスのクロスリーク量)に基づいて排気弁からの排気量を補正する漏れ補正工程を含むことが好ましい。 In the exhaust amount estimation method, the calculation step is a power generation correction step of correcting the exhaust amount from the exhaust valve based on a change in the consumption amount of the fuel gas during power generation of the fuel cell, or the fuel cell is discharged from the fuel cell. A temperature correction process that corrects the exhaust amount from the exhaust valve based on the temperature of the fuel off-gas, or a gas leak amount in the fuel gas passage of the fuel cell system (for example, oxidation from the fuel gas passage in the fuel cell through the electrolyte membrane It is preferable to include a leakage correction step of correcting the exhaust amount from the exhaust valve based on the fuel gas cross leak amount permeating into the gas flow path.
本発明によれば、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量(パージ量)の安定化を実現させることが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the fuel cell system provided with the variable gas supply apparatus, it becomes possible to realize stabilization of the exhaust amount (purge amount) from the exhaust valve.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両(移動体)の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
Hereinafter, a
まず、図1及び図2を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1は、図1に示すように、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて電力を発生する燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給して燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システムの電力を充放電する電力系6と、システム全体を統括制御する制御部7と、を備えている。
First, the configuration of the
燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池2の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2には、発電中の電流を検出する電流センサ2aが取り付けられている。
The
酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路12と、を有している。空気供給流路11には、フィルタ13を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ14と、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられている。排気流路12を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、後述する希釈器34において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し(図1の「B」参照)、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ14は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
The oxidizing
燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる水素供給流路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を水素供給流路22の合流点A1に戻すための循環流路23と、循環流路23内の水素オフガスを水素供給流路22に圧送する水素ポンプ24と、循環流路23に分岐接続された排気排水流路25と、を有している。
The fuel
水素供給源21は、本発明における燃料供給源に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁26を開くと、水素供給源21から水素供給流路22に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ27やインジェクタ28により最終的に例えば200kPa程度まで減圧されて、燃料電池2に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源21を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源21として採用することもできる。
The
水素供給流路22には、水素供給源21からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁26と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ27と、インジェクタ28と、が設けられている。また、インジェクタ28の下流側であって水素供給流路22と循環流路23との合流部A1の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ29が設けられている。また、インジェクタ28の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ29等で検出された水素ガスのガス状態(圧力、温度)に係る情報は、後述するインジェクタ28のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。
The hydrogen
レギュレータ27は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ27として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図1に示すように、インジェクタ28の上流側にレギュレータ27を2個配置することにより、インジェクタ28の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ28の機械的構造(弁体、筺体、流路、駆動装置等)の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ28の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ28の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ28の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ28の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ28の応答性の低下を抑制することができる。レギュレータ27は、水素供給流路22の上流側のガス状態(ガス圧力)を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。
The
インジェクタ28は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ28は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ28の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を2段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部7から出力される制御信号によってインジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ28は、弁(弁体及び弁座)を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
The
インジェクタ28は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ28のガス流路に設けられた弁体の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側(燃料電池2側)に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。なお、インジェクタ28の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ28下流に供給されるガス圧力がインジェクタ28上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ28を調圧弁(減圧弁、レギュレータ)と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ28の上流ガス圧の調圧量(減圧量)を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。インジェクタ28は、水素供給流路22の上流側のガス状態(ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力)を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。
なお、本実施形態においては、図1に示すように、水素供給流路22と循環流路23との合流部A1より上流側にインジェクタ28を配置している。また、図1に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源21を採用する場合には、各水素供給源21から供給される水素ガスが合流する部分(水素ガス合流部A2)よりも下流側にインジェクタ28を配置するようにする。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
循環流路23には、気液分離器30及び排気排水弁31を介して、排気排水流路25が接続されている。気液分離器30は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁31は、制御部7からの指令によって作動することにより、気液分離器30で回収した水分と、循環流路23内の不純物を含む水素オフガス(燃料オフガス)と、を外部に排出(パージ)するものである。排気排水弁31の開放により、循環流路23内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁31の上流位置(循環流路23上)及び下流位置(排気排水流路25上)には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ32及び下流側圧力センサ33が設けられている。これら圧力センサで検出された水素オフガスの圧力に係る情報は、後述するパージ制御に用いられる。循環流路23は本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁31は本発明における排気弁の一実施形態である。
An exhaust /
排気排水弁31及び排気排水流路25を介して排出される水素オフガスは、希釈器34において排気流路12内の酸化オフガス(空気)と合流して希釈されるようになっている。排気流路12内の酸化オフガスは、本発明における希釈ガスの一例である。また、排気流路12は、排気排水弁31を介して排出された水素オフガスを希釈するための希釈ガス(酸化オフガス)を供給するものであり、本発明における希釈ガス供給手段の一実施形態に相当する。水素ポンプ24は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池2に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路22の合流点A1の下流側流路と、燃料電池2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路23と、によって構成されることとなる。
The hydrogen off-gas discharged through the exhaust /
冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路に連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、燃料電池2から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ44と、を有している。冷却ポンプ42は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。温度センサ44で検出された冷媒の温度(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)は、後述するパージ制御に用いられる。
The
電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2又はトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。
The
バッテリ62は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部7からの制御指令に従って燃料電池2又はバッテリ62から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。
The
制御部7は、車両に設けられた加速用の操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えばトラクションモータ64等の負荷装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ64のほかに、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ14、水素ポンプ24、冷却ポンプ42の各モータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
The
制御部7は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPUが読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。
The
具体的には、制御部7は、図2に示すように、電流センサ2aで検出した燃料電池2の発電電流値に基づいて、燃料電池2で消費される水素ガスの流量(以下「水素消費量」という)を算出する(燃料消費量算出機能:B1)。本実施形態においては、発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御部7の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
また、制御部7は、燃料電池2の発電電流値に基づいて、燃料電池2に供給される水素ガスのインジェクタ28の下流位置における目標圧力値を算出する(目標圧力値算出機能:B2)とともに、目標パージ量(排気排水弁31からの水素オフガスの目標排出量)を算出する(目標パージ量算出機能:B3)。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部7の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。
The
また、制御部7は、算出した目標圧力値と、圧力センサ29で検出したインジェクタ28の下流位置の圧力値(検出圧力値)と、の偏差を算出する(圧力差算出機能:B4)。そして、制御部7は、算出した偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量(フィードバック補正流量)を算出する(補正流量算出機能:B5)。本実施形態においては、PI制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。また、制御部7は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ28の噴射流量を算出する(噴射流量算出機能:B6)。そして、制御部7は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ28の噴射時間を算出し、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池2に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。
Further, the
また、制御部7は、前記したインジェクタ28のフィードバック制御(インジェクタ28の下流位置の検出圧力値を所定の目標圧力値に追従させるようなインジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期の制御)を行うと同時に、排気排水弁31の開閉制御を行うことにより、循環流路23内の水分及び水素オフガスを排気排水弁31から外部に排出する。
Further, the
この際、制御部7は、インジェクタ28からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量)を算出し(パージ量算出機能:B7)、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する(パージ量偏差判定機能:B8)。そして、制御部7は、算出したパージ量が目標パージ量未満である場合には排気排水弁31を開放し、算出したパージ量が目標パージ量以上である場合には排気排水弁31を閉鎖する(パージ制御機能:B9)。すなわち、制御部7は、本発明における排気制御手段及び排気量算出手段として機能する。
At this time, the
なお、制御部7は、圧力センサ32で検出された排気排水弁31の上流側圧力と、圧力センサ33で検出された排気排水弁31の下流側圧力と、の差に基づいて排気排水弁31の閉じ遅れ量を算出する(閉じ遅れ量算出機能:B9a)。そして、制御部7は、算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気排水弁31を閉鎖する。本実施形態においては、閉じ遅れ量として、排気排水弁31の閉じ遅れ時間と、この閉じ遅れ時間に対応する超過排気量(目標パージ量を超過する排気量)と、を採用している。
The
ここで、制御部7のパージ量算出機能B7についてさらに詳細に説明する。
Here, the purge amount calculation function B7 of the
インジェクタ28のフィードバック制御により、インジェクタ28の下流位置における圧力センサ29の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁31の開放により循環流路23から水素オフガスが排出されると、検出圧力値が一時的に低下する。制御部7は、このような水素オフガスの排出(パージ)に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分と、温度センサ44で検出された冷媒の温度と、に基づいて、圧力低下分に対応する水素オフガスの排出量(圧力変化対応流量)を算出する(圧力変化対応流量算出機能:B7a)。本実施形態においては、以下の式を用いて、圧力変化対応流量「Q1」を算出している。
By the feedback control of the
前記式において、「ΔP」は、インジェクタ28の下流位置におけるパージ直前の水素ガスの圧力値(水素基準圧)からパージ後の水素ガスの圧力値(水素現在圧)を減じて得た圧力低下分を意味している。また、「Pa」は標準大気圧を、「V」は水素系体積を、「T」は温度センサ44で検出された冷媒の温度(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)を、各々意味している。
In the above equation, “ΔP” is the pressure drop obtained by subtracting the hydrogen gas pressure value (hydrogen current pressure) after purging from the hydrogen gas pressure value (hydrogen reference pressure) just before purging at the downstream position of the
また、制御部7は、水素オフガスの排出(パージ)に起因する圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量(ガス補正供給流量)を算出し(補正流量算出機能:B5)、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Q2を算出する(補正流量積算機能:B7b)。本実施形態においては、圧力センサ29に所定の不感帯を設けておき、圧力センサ29で検出される水素現在圧(ガス供給状態)と水素基準圧(目標供給状態)との偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合に、制御部7がフィードバック補正流量の時間積算を開始するようにしている。このようにすることにより、排水時における微小な圧力変動の影響を抑制することが可能となる。
Further, the
さらに、制御部7は、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Q3を算出する(水素消費量変化分積算機能:B7c)とともに、インジェクタ28の下流位置における水素ガスの圧力値(圧力センサ29での検出圧力値)に基づいて、クロスリーク量Q4(燃料電池2内部の燃料ガス流路から電解質膜を介して酸化ガス流路へと透過する水素ガスの量)を算出する(クロスリーク量算出機能:B7d)。本実施形態においては、インジェクタ28の下流位置における水素ガスの圧力値とクロスリーク量との関係を表す特定のマップを用いて、クロスリーク量Q4を算出している。
Further, the
そして、制御部7は、圧力変化対応流量Q1と、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Q2と、を加算した値(Q1+Q2)から、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Q3とクロスリーク量Q4とを減じることにより、排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量Q)を算出する(パージ量算出機能:B7)。
Then, the
また、制御部7は、パージ量Qの算出が正常に行われているか否かを判定し、パージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定した場合に、排気流路12を介して供給される酸化オフガス(希釈ガス)の供給量に応じて、排気排水弁31の開弁時間を制限する。すなわち、制御部7は、本発明における異常検出手段としても機能する。パージ量Qの算出の異常判定は、種々の方法を採用することができる。例えば、インジェクタ28に断線や短絡等の何らかの異常が発生した場合や、インジェクタ28の下流側に配置された圧力センサ29が故障した場合には、前記した圧力変化対応流量Q1等を正確に算出することができなくなるため、パージ量Qの算出が正常に行われなくなる。このため、インジェクタ28及び圧力センサ29の少なくとも何れか一方の異常を検出した場合に、パージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定することができる。
Further, the
続いて、図3及び図4のフローチャートと、図5〜図7のタイムチャートと、図8のマップと、を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法について説明する。
Subsequently, the operation method of the
燃料電池システム1の通常運転時においては、水素供給源21から水素ガスが水素供給流路22を介して燃料電池2の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路11を介して燃料電池2の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池2から引き出すべき電力(要求電力)が制御部7で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池2内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時に、インジェクタ28のフィードバック制御を実施するとともに、排気排水弁31のパージ制御(循環流路23の内部に滞留する水分や水素オフガスを外部に排出するための排気排水弁31の開閉制御)を実施する。
During normal operation of the
まず、図3のフローチャートに示すように、燃料電池システム1の制御部7は、電流センサ2aを用いて燃料電池2の発電時における電流値を算出する(電流検出工程:S1)。次いで、制御部7は、検出した電流値に基づいて、燃料電池2における水素消費量を算出する(水素消費量算出工程:S2)とともに、燃料電池2に供給される水素ガスのインジェクタ28の下流位置における目標圧力値及び目標パージ量を算出する(目標値算出工程:S3)。
First, as shown in the flowchart of FIG. 3, the
次いで、制御部7は、圧力センサ29を用いて、インジェクタ28の下流側の圧力値を検出する(圧力値検出工程:S4)。次いで、制御部7は、目標値算出工程S3で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程S4で検出した圧力値(検出圧力値)と、の偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量(フィードバック補正流量)を算出する(補正流量算出工程:S5)。次いで、制御部7は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ28の噴射流量を算出し、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ28の噴射時間を算出する。そして、制御部7は、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ28のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池2に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する(フィードバック制御工程:S6)。
Next, the
制御部7は、前記したフィードバック制御工程S6を実現させながら、パージ開始要求の有無を判定する(パージ要求判定工程:S7)。本実施形態においては、気液分離器30の液溜部に溜まった水分量が所定の閾値を超える場合に、図示されていない液量センサが制御部7に対してパージ開始要求信号を出力するようになっている。制御部7は、パージ要求判定工程S7においてパージ開始要求無と判定した場合には、排気排水弁31を閉鎖する(パージ弁閉鎖工程:S11)。一方、制御部7は、パージ要求判定工程S7でパージ開始要求信号を受けてパージ開始要求有と判定し、かつ、インジェクタ28からのガス噴射が既に開始されている場合には、排気排水弁31を開放する(パージ弁開放工程:S8)。図5(A)〜図5(C)に示されるように、パージ弁開放工程S8において排気排水弁31が開放されることにより、気液分離器30に溜まった水分が排気排水流路25へと排出され、水分の排出が終了するとほぼ同時に循環流路23内の水素オフガスが排気排水流路25へと排出されることとなる。
The
また、制御部7は、排気排水弁31の開放と同時に、排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量Q)を推定する(パージ量推定工程:S9)。パージ量推定工程S9については、図4のフローチャート等を用いて後に詳述する。次いで、制御部7は、パージ量推定工程S9で推定された水素オフガスの総排出量(パージ量Q)が、目標値算出工程S3で算出された目標パージ量Q0以上であるかを判定する(パージ量判定工程:S10)。そして、制御部7は、推定したパージ量Qが目標パージ量Q0未満である場合には、引き続きパージ量推定工程S9及びパージ量判定工程S10を続行する一方、推定したパージ量Qが目標パージ量Q0以上である場合には、排気排水弁31を閉鎖する(パージ弁閉鎖工程:S11)。
The
パージ弁閉鎖工程S11において、制御部7は、圧力センサ32で検出された排気排水弁31の上流側圧力と、圧力センサ33で検出された排気排水弁31の下流側圧力と、の差に基づいて排気排水弁31の閉じ遅れ量(図6(B)に示した閉じ遅れ時間Δt及び図6(C)に示した閉じ遅れ時間Δtに対応する超過パージ量ΔQ)を算出する。そして、制御部7は、図6(D)に示すように、算出した閉じ遅れ時間Δtだけ時間的に先行して排気排水弁31を閉鎖する。この結果、実際のパージ量を超過パージ量ΔQの分だけ低減させて、図6(E)に示すように実際のパージ量Qを目標パージ量Q0に一致させることが可能となる。
In the purge valve closing step S <b> 11, the
ここで、図4のフローチャート等を用いて、パージ量推定工程S9について説明する。 Here, the purge amount estimation step S9 will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、制御部7は、排気排水弁31の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ28の下流側の圧力低下分ΔP(水素基準圧から水素現在圧を減じて得た値:図5(D)参照)と、温度センサ44で検出された冷媒の温度Tと、に基づいて、圧力低下分ΔPに対応する流量としての圧力変化対応流量Q1を算出する(圧力変化対応流量算出工程:S20)。圧力変化対応流量算出工程S20においては、温度センサ44で検出された冷媒の温度T(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)に基づいて圧力変化対応流量を算出しているため、水素オフガスの温度変化に基づいてパージ量を補正することが可能となる。
First, the
次いで、制御部7は、排気排水弁31の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ28の下流側の圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量を算出し、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Q2(図5(E)参照)を算出する(補正流量積算工程:S21)。補正流量積算工程S21においては、図7(A)に示すように圧力センサ29に不感帯を設けておき、圧力センサ29で検出される水素現在圧(ガス供給状態)と水素基準圧(目標供給状態)との偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合に、図7(B)に示すようにフィードバック補正流量の時間積算値Q2の算出を開始するようにしている。なお、図7の破線は、制御部7の制御タイミングを示している。
Next, the
また、制御部7は、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Q3を算出する(水素消費量変化分積算工程:S22)。例えば、図5(F)に示すようにパージ開始時点からパージ終了時点まで燃料電池2における発電電流値が増加するような場合を想定すると、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Q2(図5(G)の右上り斜線領域)は、電流増加分に対応する水素消費量変化分の時間積算値Q3(図5(G)の右上り斜線と右下り斜線の交差領域)に圧力低下分補正流量値が加算された値となる。このため、パージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Q2をパージ量の算出にそのまま用いると、電流増加分に対応する値Q3の分だけ誤差が生じる。このため、本実施形態においては、電流増加分に対応する水素消費量変化分の時間積算値Q3を算出してパージ量を補正することとしている。また、制御部7は、クロスリーク量Q4を算出する(クロスリーク量算出工程:S23)。
The
続いて、制御部7は、圧力変化対応流量Q1とパージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Q2とを加算した値から、パージ開始時点からの燃料電池2における水素消費量変化分の時間積算値Q3とクロスリーク量Q4とを減算することにより、排気排水弁31からの水素オフガスの総排出量(パージ量Q)を算出する(パージ量算出工程:S24)。以上の工程群からなるパージ量推定工程S9は本発明における排気量推定方法に相当し、パージ量算出工程S24は本発明における算出工程に相当する。また、圧力変化対応流量算出工程S20及びパージ量算出工程S24は、本発明における温度補正工程に相当し、水素消費量積算工程S22及びパージ量算出工程S24は、本発明における発電補正工程に相当し、クロスリーク量算出工程S23及びパージ量算出工程S24は本発明における漏れ補正工程に相当する。
Subsequently, the
なお、制御部7は、例えばインジェクタ28や圧力センサ29の異常を検出することによりパージ量推定工程S9においてパージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定した場合には、排気排水弁31の開弁時間を制限する。この際、制御部7は、燃料電池2の発電電流値、コンプレッサ14の回転数、背圧調整弁16の開度等に基づいて、排気流路12を介して希釈器34へと供給される酸化オフガス(希釈ガス)の供給量を算出し、この供給量に応じて排気排水弁31の開弁時間を制限する。
If the
図8(A)のマップに基づけば、希釈ガスである酸化オフガスの供給量が比較的少量(q1)である場合には、希釈器34で希釈され排出されるガスの水素濃度(排出水素濃度)は比較的高く(D1)なることが推定される。このため、制御部7は、図8(B)のマップに示すように、酸化オフガスの供給量が比較的少量(q1)である場合には、排気排水弁31の最大開弁時間を比較的短く(T1)設定する。これにより、排出水素濃度の上昇を抑制することが可能となる。一方、図8(A)のマップに基づけば、酸化オフガスの供給量が比較的多量(q2)である場合には、排出水素濃度は比較的低く(D2)なることが推定されるため、制御部7は、図8(B)のマップに示すように、排気排水弁31の最大開弁時間を比較的長く(T2)設定することとしている。
Based on the map of FIG. 8A, when the supply amount of the oxidizing off-gas as a dilution gas is relatively small (q 1 ), the hydrogen concentration of the gas diluted and discharged by the diluter 34 (exhaust hydrogen) It is estimated that (concentration) is relatively high (D 1 ). Therefore, as shown in the map of FIG. 8B, the
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、インジェクタ28(可変ガス供給装置)からのガス供給状態の変化に対応して、排気排水弁31の開閉状態の制御を実現させることができるので、排気排水弁31からの水素オフガスの排気量(パージ量)を安定させることが可能となる。
In the
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、排気排水弁31の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて排気排水弁31の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気排水弁31を閉鎖することができる。従って、インジェクタ28から燃料電池2へと供給される水素ガスの圧力変化等に起因して排気排水弁31の上流側圧力と下流側圧力との差が大きくなり、排気排水弁31の閉じ遅れが想定されるような場合においても、その閉じ遅れを抑制することができる。
In the
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、パージ量Qの算出が正常に行われていないものと判定した場合に、酸化オフガス(希釈ガス)の供給量に応じて排気排水弁31の開弁時間を制限することができる。従って、パージ量Qの算出が正常に行われない状況下においても、排気排水弁31の開放状態が長期間持続することを抑制することができるので、排気排水弁31から高濃度の水素ガスが排出されることを抑制することが可能となる。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1においては、燃料電池2から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして有効利用することができるので、希釈ガスを新たに生成する必要がない。
Further, in the
また、以上説明した実施形態に係るパージ量推定工程S9を採用すると、循環流路23内の水素オフガスを排出している間(パージ動作中)に、インジェクタ28からのガス供給状態が変化した場合においても、その変化分(インジェクタ28の下流側における圧力低下分や、この圧力低下分を補うためのインジェクタ28による補正流量)に基づいて排気排水弁31からのパージ量を正確に推定(算出)することが可能となる。従って、この推定したパージ量を所定の目標パージ量に近付けるように排気排水弁31の開閉動作を制御するとその制御精度が向上するため、パージ量の安定化を実現させることが可能となる。
Further, when the purge amount estimation step S9 according to the embodiment described above is employed, the gas supply state from the
また、以上説明した実施形態に係るパージ量推定工程S9においては、圧力センサ29で検出される水素現在圧と水素基準圧との偏差が所定の閾値を超える場合に、フィードバック補正流量の時間積算値の算出を開始するため、インジェクタ28からのガス供給状態の微小な変化(例えば排水時等における微小な圧力変化)に起因するパージ量の算出誤差を抑制することができる。
Further, in the purge amount estimation step S9 according to the embodiment described above, when the deviation between the hydrogen current pressure detected by the
なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム1の水素ガス配管系4に循環流路23を設けた例を示したが、例えば、図9に示すように、燃料電池2に排出流路35を接続して循環流路23を廃止することもできる。かかる構成(デッドエンド方式)を採用した場合においても、制御部7で前記実施形態と同様に、インジェクタ28からのガス供給状態の変化に対応して排気排水弁31の開閉状態を制御することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
In the above embodiment, the example in which the
また、以上の実施形態においては、燃料電池2から排気流路12を経由して希釈器34へと供給される酸化オフガス(空気)を希釈ガスとして採用し、排気流路12を希釈ガス供給手段として機能させた例を示したが、希釈ガスの種類や希釈ガス供給手段の構成はこれに限られるものではない。
Further, in the above embodiment, the oxidizing off gas (air) supplied from the
また、以上の実施形態においては、循環流路23に水素ポンプ24を設けた例を示したが、水素ポンプ24に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁31を循環流路23に設けた例を示したが、気液分離器30で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路23内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部7で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。
Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the
また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系4の水素供給流路22のインジェクタ28の下流位置に圧力センサ29を配置し、この位置における圧力を調整する(所定の目標圧力値に近付ける)ようにインジェクタ28の作動状態を設定した例を示したが、インジェクタ制御用の圧力センサの位置はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池2の水素ガス入口近傍位置(水素供給流路22上)や、燃料電池2の水素ガス出口近傍位置(循環流路23上)や、水素ポンプ24の出口近傍位置(循環流路23上)にインジェクタ制御用の圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、圧力センサで検出した圧力値(検出圧力値)と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。
Further, in the above embodiment, the
また、以上の実施形態においては、水素供給流路22に遮断弁26及びレギュレータ27を設けた例を示したが、インジェクタ28は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁26やレギュレータ27を設けなくてもよい。従って、インジェクタ28を採用すると遮断弁26やレギュレータ27を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。
In the above embodiment, the example in which the
また、以上の実施形態においては、燃料電池2の発電電流値に基づいて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定した例を示したが、燃料電池2の運転状態を示す他の物理量(燃料電池2の発電電圧値や発電電力値、燃料電池2の温度等)を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定してもよい。また、燃料電池2が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態あるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。
In the above embodiment, an example in which the hydrogen consumption amount, the target pressure value, and the target purge amount are set based on the generated current value of the
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。 Further, in each of the above embodiments, the example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on the fuel cell vehicle has been shown. However, the present invention is applied to various moving bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. Such a fuel cell system can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
1…燃料電池システム、2…燃料電池、7…制御部(排気制御手段、排気量算出手段、異常検出手段)、12…排気流路(希釈ガス供給手段)、21…水素供給源(燃料供給源)、22…水素供給流路(供給流路)、23…循環流路(排出流路)、28…インジェクタ(可変ガス供給装置)、29…圧力センサ、30…気液分離器、31…排気排水弁(排気弁)、35…排出流路。
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して前記排気弁の開閉状態を制御する排気制御手段を備える燃料電池システム。 A fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a variable gas supply device that adjusts the gas state on the upstream side of the supply channel and supplies it to the downstream side And a fuel cell system comprising: a discharge passage for flowing a fuel off gas discharged from the fuel cell; and an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside.
A fuel cell system comprising exhaust control means for controlling an open / close state of the exhaust valve in response to a change in a gas supply state from the variable gas supply device.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The exhaust control means changes an open / close state of the exhaust valve based on at least one of a pressure change and a flow rate change of the fuel gas supplied from the variable gas supply device to the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 1.
前記排気弁は、前記気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁である、
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 Comprising a gas-liquid separator provided in the discharge flow path;
The exhaust valve is an exhaust / drain valve that serves as both drainage and exhaust from the liquid reservoir of the gas-liquid separator.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記排気制御手段は、前記排気量算出手段で算出した排気量が所定の目標排気量に到達したときに前記排気弁を閉鎖するものである、
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 An exhaust amount calculating means for calculating an exhaust amount from the opening time of the exhaust valve;
The exhaust control means closes the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculating means reaches a predetermined target exhaust amount.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の燃料電池システム。 The exhaust control unit closes the exhaust valve when the exhaust amount calculated by the exhaust amount calculating unit reaches a target exhaust amount set based on a power generation state of the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 4.
請求項4に記載の燃料電池システム。 The exhaust control means calculates a closing delay amount of the exhaust valve based on a difference between an upstream pressure and a downstream pressure of the exhaust valve, and precedes in time based on the calculated closing delay amount. Which closes the exhaust valve,
The fuel cell system according to claim 4.
前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われているか否かを判定する異常検出手段と、を備え、
前記排気制御手段は、前記異常検出手段で前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定した場合に、前記希釈ガス供給手段からの希釈ガスの供給量に応じて前記排気弁の開弁時間を制限するものである、
請求項4から6の何れか一項に記載の燃料電池システム。 Dilution gas supply means for supplying a dilution gas for diluting the gas discharged from the discharge passage through the exhaust valve;
An abnormality detecting means for determining whether or not the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculating means is normally performed,
The exhaust control means, when the abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed, the exhaust control means according to the supply amount of the dilution gas from the dilution gas supply means It limits the opening time of the exhaust valve,
The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6.
請求項7に記載の燃料電池システム。 The dilution gas supply means supplies oxidation off-gas discharged from the fuel cell as the dilution gas.
The fuel cell system according to claim 7.
前記異常検出手段は、前記可変ガス供給装置の異常を検出した場合に前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定するものである、
請求項7又は8に記載の燃料電池システム。 The exhaust amount calculation means calculates an exhaust amount from the exhaust valve based on a gas supply state from the variable gas supply device,
The abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed when an abnormality of the variable gas supply device is detected.
The fuel cell system according to claim 7 or 8.
前記排気量算出手段は、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて前記排気弁からの排気量を算出するものであり、
前記異常検出手段は、前記センサの異常を検出した場合に前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定するものである、
請求項7又は8に記載の燃料電池システム。 A sensor for detecting a gas supply state from the variable gas supply device;
The exhaust amount calculation means calculates an exhaust amount from the exhaust valve based on a gas supply state from the variable gas supply device,
The abnormality detection means determines that the exhaust amount calculation by the exhaust amount calculation means is not normally performed when an abnormality of the sensor is detected.
The fuel cell system according to claim 7 or 8.
請求項1から10の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The variable gas supply device is an injector.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10.
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて前記排気弁からの排気量を算出する算出工程を含む排気量推定方法。 A fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a variable gas supply device that adjusts the gas state on the upstream side of the supply channel and supplies it to the downstream side And an exhaust valve for exhausting the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and an exhaust valve for exhausting the gas in the exhaust channel to the outside. And
An exhaust amount estimation method including a calculation step of calculating an exhaust amount from the exhaust valve based on time integration of a change in a gas supply state from the variable gas supply device.
前記算出工程では、前記センサで検出されたガス供給状態と、所定の目標供給状態との偏差が所定の閾値を超えた時点から、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算を開始する請求項12に記載の排気量推定方法。 A sensor for detecting a gas supply state from the variable gas supply device;
In the calculating step, the time integration for the change in the gas supply state from the variable gas supply device from the time when the deviation between the gas supply state detected by the sensor and the predetermined target supply state exceeds a predetermined threshold value. The exhaust amount estimation method according to claim 12, which starts the operation.
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