JP2004178990A - 燃料電池システムの酸化剤流量制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】システムの運転状態が変動する過渡状態であっても、燃料電池の信頼性を維持することができる燃料電池システムの酸化剤流量制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池１と、これに酸化剤を供給するコンプレッサ３と、前記酸化剤の流路上で前記燃料電池１の下流に配置され、前記燃料電池ｑの酸化剤圧力を調整する背圧弁１１と、前記燃料と酸化剤との差圧を調整する差圧調整器５と、これらを制御する制御装置７とを備えた燃料電池システムに適用され、付与される電流指令値から前記制御装置７により酸化剤圧力指令値と酸化剤流量指令値とを算出し、算出された前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の上限値として定められた第１の流量と、前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の下限値として定められた第２の流量とを前記酸化剤流量指令値と比較して、前記酸化剤流量指令値を第１流量以上第２流量以下に補正する。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池１と、これに酸化剤を供給するコンプレッサ３と、前記酸化剤の流路上で前記燃料電池１の下流に配置され、前記燃料電池ｑの酸化剤圧力を調整する背圧弁１１と、前記燃料と酸化剤との差圧を調整する差圧調整器５と、これらを制御する制御装置７とを備えた燃料電池システムに適用され、付与される電流指令値から前記制御装置７により酸化剤圧力指令値と酸化剤流量指令値とを算出し、算出された前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の上限値として定められた第１の流量と、前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の下限値として定められた第２の流量とを前記酸化剤流量指令値と比較して、前記酸化剤流量指令値を第１流量以上第２流量以下に補正する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムの酸化剤流量制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この種の燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、燃料電池の両電極（アノード及びカソード）の差圧を制御可能に構成され、カソードに流入するガス流量や、出力電流に基づいて、差圧を制御するものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２４９４２１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池システムの運転状態が変動する過渡状態において、燃料電池に供給するエアの状態が高流量低圧力、低流量高圧力となるように要求されると、コンプレッサに過度な負担がかかるとともに差圧の制御が困難になって燃料電池の電解質膜に負担がかかり、燃料電池の信頼性を維持する上で好ましくないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、システムの運転状態が変動する過渡状態であっても、燃料電池の信頼性を維持することができる燃料電池システムの酸化剤流量制御方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に酸化剤を供給するコンプレッサ（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ３）と、前記酸化剤の流路上で前記燃料電池の下流に配置され、前記燃料電池の酸化剤圧力を調整する背圧弁（例えば、実施の形態における背圧弁１１）と、前記燃料と酸化剤との差圧を調整する差圧調整器（例えば、実施の形態におけるレギュレータ５）と、これらを制御する制御装置（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ７）とを備えた燃料電池システムに適用され、付与される電流指令値から前記制御装置により酸化剤圧力指令値と酸化剤流量指令値とを算出し、算出された前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の上限値として定められた第１の流量と、前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の下限値として定められた第２の流量とを前記酸化剤流量指令値と比較して、前記酸化剤流量指令値を第１流量以上第２流量以下に補正することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、燃料電池システムの運転状態が変動して、前記燃料電池に供給される酸化剤に要求される圧力や流量が変動する場合であっても、前記酸化剤の流量を、コンプレッサで対応可能な流量（第１流量以上第２流量以下）に補正するため、コンプレッサに過度な負担がかかることなく、その機能を維持して運転を行うことができ、さらに、燃料電池の電極間の差圧を適正な範囲に制御できるため燃料電池の電解質膜に対する保護を高めることができ、燃料電池の信頼性を維持することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
【００１０】
前記燃料電池１には、高圧水素供給システム２が水素ガス供給流路１２を介して接続されている。前記高圧水素供給システム２は、水素タンク等の水素供給源を備え、該水素供給源から前記水素ガス供給流路１２を介して燃料電池１のアノードに水素ガスを供給する。
【００１１】
また、前記燃料電池１には、エアコンプレッサ３がエア供給流路１３を介して接続されている。前記エアコンプレッサ３は、前記エア供給流路７を介して燃料電池１のカソードにエア（酸化剤ガス）を供給する。
【００１２】
前記燃料電池１は、アノードに燃料として水素ガスを供給され、カソードに酸化剤としてエア（酸素を含む空気）を供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１３】
前記エアは発電に供された後、燃料電池１のカソードから、燃料電池１の下流に配置されたエア排出流路１６にエアオフガスとして排出される。前記エア排出流路１６上には背圧弁１１が設けられ、該背圧弁１１により前記燃料電池１のエア圧力を調整する。
【００１４】
なお、燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池１のアノードから水素オフガス循環流路（図示せず）に排出され、再び燃料電池１のアノードに供給されるようになっている。
【００１５】
前記燃料電池１には、冷却システム４が冷却水流路１５を介して接続されている。前記冷却システム４は、冷却媒体である冷却水を循環させるためのポンプ等を備え、前記冷却水流路９を介して燃料電池１のセル間に冷却水を供給する。このように冷却水を燃料電池１に循環させることで、発電時の発熱による燃料電池１の温度上昇を抑制して、燃料電池１を適正な温度で運転させることができる。
【００１６】
また、前記水素ガス供給流路１２には、遮断弁１０、圧力制御弁１４が設けられている。前記遮断弁１０を制御することにより、水素の流量が制御される。また、前記圧力制御弁５は、エア供給流路１３から分岐した信号圧流路１４に接続され、カソードに供給されるエアとの差圧が適正なものとなるように、アノードに供給される水素の圧力を制御する。
【００１７】
また、エア供給流路１３には、流量センサ８と圧力センサ９が設けられ、これらのセンサ８、９により、燃料電池１のカソードに供給されるエアの流量や圧力を検出する。
また、前記燃料電池１は、電線１７を介して負荷６に接続され、燃料電池１での発電電力が負荷６に供給される。
【００１８】
本実施の形態における燃料電池システムは、制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７を備えている。このＥＣＵ７は、各センサ８、９での検出値（流量ＱＡ、圧力ＰＡ）、負荷６の状態、アクセル開度ＡＰ等に基づいて、各機器３、４、６、１０、１１の制御を行う。
【００１９】
このように構成された燃料電池システムにおけるエア流量制御について、図２を用いて説明する。
図２は図１に示した燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１２で、前記アクセル開度ＡＰや負荷６の状態から要求される電流指令値に基づいて、燃料電池１に供給するエアの圧力指令値と流量指令値を算出する。ステップＳ１４で、エア圧力指令値に対応する上限エア流量をテーブル１にて検索する（図４参照）。
【００２０】
そして、ステップＳ１６で、エア流量指令値が、前記上限エア流量よりも大きいかどうかを判定する。判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１８に進み、上限エア流量をエア流量指令値に補正して、一連の処理を終了する。すなわち、図４に示したように、エア流量指令値ＱＲＥＱ１が、その圧力指令値に対応する上限エア流量ＱＨよりも大きい場合には、エア流量指令値ＱＲＥＱ１を上限エア流量ＱＨに補正する。
【００２１】
図３はエア圧力とエア流量の関係を示すグラフである。同図において、ゾーンＡ〜Ｃは、コンプレッサ３での実現可能領域、高流量低圧力、低流量高圧力の領域にそれぞれ対応する。
上述したように、エア流量指令値が、前記上限エア流量よりも大きい場合には、高流量低圧力領域Ｂに対応している。このような領域を実現しようとすると、前記圧力制御弁１１を全開にしても系の圧損により圧力が上昇してしまい、エアコンプレッサ３への負担が過大となってしまう。本実施の形態においては、上述したように、前記エア流量指令値を前記上限エア流量に補正することで、コンプレッサ３に過度な負担がかかることを防止している。
【００２２】
また、ステップＳ１６において判定結果がＮＯであればステップＳ２０に進む。ステップＳ２０で、エア圧力指令値に対応する下限エア流量をテーブル２にて検索する（図５参照）。そして、ステップＳ２２で、エア流量指令値が下限エア流量よりも低いかどうかを判定し、判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ２４に進み、判定結果がＮＯであれば一連の処理を終了する。すなわち、図５に示したように、エア流量指令値ＱＲＥＱ２が、その圧力指令値に対応する下限エア流量ＱＬよりも大きい場合には、エア流量指令値ＱＲＥＱ２を上限エア流量ＱＬに補正する。
【００２３】
このように、エア流量指令値が、前記下限エア流量よりも小さい場合には、低流量高圧力領域Ｃに対応している。このような領域を実現しようとすると、前記圧力制御弁１１を全閉にしても制御弁１１からエアが流出して圧力が低下してしまい、エアコンプレッサ３への負担が過大となってしまう。本実施の形態においては、上述したように、前記エア流量指令値を前記下限エア流量に補正することで、コンプレッサ３に過度な負担がかかることを防止している。さらに、燃料電池１の電極間の差圧を適正な範囲に制御できるため燃料電池１の電解質膜に対する保護を高めることができる。
【００２４】
なお、本発明における燃料電池システムは、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途、例えば燃料電池搭載のオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができるのはもちろんである。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、コンプレッサや燃料電池の電解質膜に過度な負担がかかることなく、その機能を維持して運転を行うことができ、燃料電池の信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムにおけるエア流量制御を示すフローチャートである。
【図３】エア圧力とエア流量の関係を示すグラフである。
【図４】図２に示したテーブル１である、上限エア流量とエア圧力指令値の関係を示すグラフである。
【図５】図２に示したテーブル２である、下限エア流量とエア圧力指令値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 水素タンク
３ エアコンプレッサ
４ 冷却システム
５ レギュレータ
７ ＥＣＵ
８ 流量センサ
９ 圧力センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムの酸化剤流量制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この種の燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、燃料電池の両電極（アノード及びカソード）の差圧を制御可能に構成され、カソードに流入するガス流量や、出力電流に基づいて、差圧を制御するものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２４９４２１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池システムの運転状態が変動する過渡状態において、燃料電池に供給するエアの状態が高流量低圧力、低流量高圧力となるように要求されると、コンプレッサに過度な負担がかかるとともに差圧の制御が困難になって燃料電池の電解質膜に負担がかかり、燃料電池の信頼性を維持する上で好ましくないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、システムの運転状態が変動する過渡状態であっても、燃料電池の信頼性を維持することができる燃料電池システムの酸化剤流量制御方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に酸化剤を供給するコンプレッサ（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ３）と、前記酸化剤の流路上で前記燃料電池の下流に配置され、前記燃料電池の酸化剤圧力を調整する背圧弁（例えば、実施の形態における背圧弁１１）と、前記燃料と酸化剤との差圧を調整する差圧調整器（例えば、実施の形態におけるレギュレータ５）と、これらを制御する制御装置（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ７）とを備えた燃料電池システムに適用され、付与される電流指令値から前記制御装置により酸化剤圧力指令値と酸化剤流量指令値とを算出し、算出された前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の上限値として定められた第１の流量と、前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の下限値として定められた第２の流量とを前記酸化剤流量指令値と比較して、前記酸化剤流量指令値を第１流量以上第２流量以下に補正することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、燃料電池システムの運転状態が変動して、前記燃料電池に供給される酸化剤に要求される圧力や流量が変動する場合であっても、前記酸化剤の流量を、コンプレッサで対応可能な流量（第１流量以上第２流量以下）に補正するため、コンプレッサに過度な負担がかかることなく、その機能を維持して運転を行うことができ、さらに、燃料電池の電極間の差圧を適正な範囲に制御できるため燃料電池の電解質膜に対する保護を高めることができ、燃料電池の信頼性を維持することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
【００１０】
前記燃料電池１には、高圧水素供給システム２が水素ガス供給流路１２を介して接続されている。前記高圧水素供給システム２は、水素タンク等の水素供給源を備え、該水素供給源から前記水素ガス供給流路１２を介して燃料電池１のアノードに水素ガスを供給する。
【００１１】
また、前記燃料電池１には、エアコンプレッサ３がエア供給流路１３を介して接続されている。前記エアコンプレッサ３は、前記エア供給流路７を介して燃料電池１のカソードにエア（酸化剤ガス）を供給する。
【００１２】
前記燃料電池１は、アノードに燃料として水素ガスを供給され、カソードに酸化剤としてエア（酸素を含む空気）を供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１３】
前記エアは発電に供された後、燃料電池１のカソードから、燃料電池１の下流に配置されたエア排出流路１６にエアオフガスとして排出される。前記エア排出流路１６上には背圧弁１１が設けられ、該背圧弁１１により前記燃料電池１のエア圧力を調整する。
【００１４】
なお、燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池１のアノードから水素オフガス循環流路（図示せず）に排出され、再び燃料電池１のアノードに供給されるようになっている。
【００１５】
前記燃料電池１には、冷却システム４が冷却水流路１５を介して接続されている。前記冷却システム４は、冷却媒体である冷却水を循環させるためのポンプ等を備え、前記冷却水流路９を介して燃料電池１のセル間に冷却水を供給する。このように冷却水を燃料電池１に循環させることで、発電時の発熱による燃料電池１の温度上昇を抑制して、燃料電池１を適正な温度で運転させることができる。
【００１６】
また、前記水素ガス供給流路１２には、遮断弁１０、圧力制御弁１４が設けられている。前記遮断弁１０を制御することにより、水素の流量が制御される。また、前記圧力制御弁５は、エア供給流路１３から分岐した信号圧流路１４に接続され、カソードに供給されるエアとの差圧が適正なものとなるように、アノードに供給される水素の圧力を制御する。
【００１７】
また、エア供給流路１３には、流量センサ８と圧力センサ９が設けられ、これらのセンサ８、９により、燃料電池１のカソードに供給されるエアの流量や圧力を検出する。
また、前記燃料電池１は、電線１７を介して負荷６に接続され、燃料電池１での発電電力が負荷６に供給される。
【００１８】
本実施の形態における燃料電池システムは、制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７を備えている。このＥＣＵ７は、各センサ８、９での検出値（流量ＱＡ、圧力ＰＡ）、負荷６の状態、アクセル開度ＡＰ等に基づいて、各機器３、４、６、１０、１１の制御を行う。
【００１９】
このように構成された燃料電池システムにおけるエア流量制御について、図２を用いて説明する。
図２は図１に示した燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１２で、前記アクセル開度ＡＰや負荷６の状態から要求される電流指令値に基づいて、燃料電池１に供給するエアの圧力指令値と流量指令値を算出する。ステップＳ１４で、エア圧力指令値に対応する上限エア流量をテーブル１にて検索する（図４参照）。
【００２０】
そして、ステップＳ１６で、エア流量指令値が、前記上限エア流量よりも大きいかどうかを判定する。判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１８に進み、上限エア流量をエア流量指令値に補正して、一連の処理を終了する。すなわち、図４に示したように、エア流量指令値ＱＲＥＱ１が、その圧力指令値に対応する上限エア流量ＱＨよりも大きい場合には、エア流量指令値ＱＲＥＱ１を上限エア流量ＱＨに補正する。
【００２１】
図３はエア圧力とエア流量の関係を示すグラフである。同図において、ゾーンＡ〜Ｃは、コンプレッサ３での実現可能領域、高流量低圧力、低流量高圧力の領域にそれぞれ対応する。
上述したように、エア流量指令値が、前記上限エア流量よりも大きい場合には、高流量低圧力領域Ｂに対応している。このような領域を実現しようとすると、前記圧力制御弁１１を全開にしても系の圧損により圧力が上昇してしまい、エアコンプレッサ３への負担が過大となってしまう。本実施の形態においては、上述したように、前記エア流量指令値を前記上限エア流量に補正することで、コンプレッサ３に過度な負担がかかることを防止している。
【００２２】
また、ステップＳ１６において判定結果がＮＯであればステップＳ２０に進む。ステップＳ２０で、エア圧力指令値に対応する下限エア流量をテーブル２にて検索する（図５参照）。そして、ステップＳ２２で、エア流量指令値が下限エア流量よりも低いかどうかを判定し、判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ２４に進み、判定結果がＮＯであれば一連の処理を終了する。すなわち、図５に示したように、エア流量指令値ＱＲＥＱ２が、その圧力指令値に対応する下限エア流量ＱＬよりも大きい場合には、エア流量指令値ＱＲＥＱ２を上限エア流量ＱＬに補正する。
【００２３】
このように、エア流量指令値が、前記下限エア流量よりも小さい場合には、低流量高圧力領域Ｃに対応している。このような領域を実現しようとすると、前記圧力制御弁１１を全閉にしても制御弁１１からエアが流出して圧力が低下してしまい、エアコンプレッサ３への負担が過大となってしまう。本実施の形態においては、上述したように、前記エア流量指令値を前記下限エア流量に補正することで、コンプレッサ３に過度な負担がかかることを防止している。さらに、燃料電池１の電極間の差圧を適正な範囲に制御できるため燃料電池１の電解質膜に対する保護を高めることができる。
【００２４】
なお、本発明における燃料電池システムは、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途、例えば燃料電池搭載のオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができるのはもちろんである。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、コンプレッサや燃料電池の電解質膜に過度な負担がかかることなく、その機能を維持して運転を行うことができ、燃料電池の信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムにおけるエア流量制御を示すフローチャートである。
【図３】エア圧力とエア流量の関係を示すグラフである。
【図４】図２に示したテーブル１である、上限エア流量とエア圧力指令値の関係を示すグラフである。
【図５】図２に示したテーブル２である、下限エア流量とエア圧力指令値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 水素タンク
３ エアコンプレッサ
４ 冷却システム
５ レギュレータ
７ ＥＣＵ
８ 流量センサ
９ 圧力センサ
Claims (1)
- 燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤を供給するコンプレッサと、
前記酸化剤の流路上で前記燃料電池の下流に配置され、前記燃料電池の酸化剤圧力を調整する背圧弁と、
前記燃料と酸化剤との差圧を調整する差圧調整器と、
これらを制御する制御装置とを備えた燃料電池システムに適用され、
付与される電流指令値から前記制御装置により酸化剤圧力指令値と酸化剤流量指令値とを算出し、
算出された前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の上限値として定められた第１の流量と、
前記酸化剤圧力指令値における酸化剤流量の下限値として定められた第２の流量とを前記酸化剤流量指令値と比較して、
前記酸化剤流量指令値を第１流量以上第２流量以下に補正することを特徴とする燃料電池システムの酸化剤流量制御方法。
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