JP2004192942A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エゼクタ切り替え時の吸引効率の変化を抑制するとともに、切替時の制御ハンチングを回避する。
【解決手段】コントローラ２１は、要求電力Ｐｄに応じて、要求水素流量Ｑを算出し、この要求水素流量Ｑが小流量域用のエゼクタＡ−７と大流量域用のエゼクタＢ−９との切替付近の時に、一時的に要求水素流量を固定して、過不足する発電電力を２次電池１５の充放電電力とするように、コンバータ１３を制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、アノードオフガスと新たな水素とを混合して燃料電池に供給するエゼクタを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
このような車両用の燃料電池は、アイドリング時から高速走行時まで運転範囲が広く、燃料電池へ供給すべき水素流量が大幅に変化する。ところが、アノードオフガスと新たな水素ガスとを混合して燃料電池に供給する流体ポンプであるエゼクタは、ノズルから噴出される水素流量Ｑａに対するディフューザから流出する水素流量Ｑｔの比（Ｑｔ／Ｑａ）である吸引効率は、水素流量に対して一定ではなく、小口径のものほど低流量域で吸引効率が高く、大口径のものほど高流量域で吸引効率が高い傾向にある。
【０００４】
このため、従来の燃料電池車両では、例えば特許文献１に記載のような、大流量域と小流量域においてそれぞれ高い吸引効率を確保できる複数のエゼクタを組み合わせて、運転領域全域において高い吸引効率を実現するようなシステムが提案されている。
【０００５】
尚、燃料電池が定常状態である場合、ノズルから供給される水素流量Ｑａは、燃料電池で消費される水素流量に等しいので、上記吸引効率Ｑｔ／Ｑａは、燃料電池に対する水素過剰供給率（ストイキ比）に等しくなるので、吸引効率をストイキと慣用的に呼ぶことがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５６８７０号公報（第４ページ、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術にあっては、小流量域用エゼクタと高流量域用エゼクタの特性の一致点で切り替えるように制御していたため、切換点付近で頻繁に切り替えが発生するハンチング現象が生じるという問題点があった。
【０００８】
ハンチング防止のためにヒステリシスを与えると、水素流量が特性一致点から外れ、二つのエゼクタを切り替える際に、同一のノズル流量であっても吸引効率が異なるために、ディフューザから流出する水素流量の急激な変化が生じ、安定した発電ができないという問題点を生じる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、水素タンクからの水素を第１流体として噴出する一つのノズルと、そのノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって燃料電池から排出された未使用水素を第２流体として吸引し前記第１流体に合流させて燃料電池へ送出する一つのディフューザと、をそれぞれ組み合わせてなる複数のエゼクタと、前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つを選択切り替え可能に形成したエゼクタ切替手段と、少なくとも燃料電池から充電される２次電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、エゼクタ切り替え時に要求水素流量を一時固定し、この固定した水素流量に対応する燃料電池の発電電力が要求電力に達しない場合、不足電力を前記２次電池から補うことを要旨とする。
【００１０】
また本発明は、上記問題点を解決するため、水素タンクからの水素を第１流体として噴出する一つのノズルと、そのノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって燃料電池から排出された未使用水素を第２流体として吸引し前記第１流体に合流させて燃料電池へ送出する一つのディフューザと、をそれぞれ組み合わせてなる複数のエゼクタと、前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つを選択切り替え可能に形成したエゼクタ切替手段と、少なくとも燃料電池から充電される２次電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、エゼクタ切り替え時に要求水素流量を一時固定し、この固定した水素流量に対応する発電可能電力が要求電力を上回る場合、余剰電力で前記２次電池を充電することを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、エゼクタ切り替え時に水素流量が変化しないため、切り替え時にストイキの変化を小さくでき、安定した燃料電池の制御ができるという効果がある。
【００１２】
また、エゼクタ切替中に要求電力に対する発電電力の過不足が生じるが、不足電力を２次電池で補う一方、余剰電力で２次電池を充電することで、要求電力を満たしつつ安定した発電制御ができるという効果がある。
【００１３】
また、エゼクタ切替の前後で要求電力が変化しても制御ハンチングを防止できるという効果がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成を説明する概念図であり、燃料電池車両用等の広範囲の負荷変動に対応可能な燃料電池システムである。
【００１５】
図１において、燃料電池システム１は、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク３と、水素タンク３からの水素ガス圧力及び流量を調整するバルブ５と、小流量域用のエゼクタＡ−７と、大流量域用のエゼクタＢ−９と、燃料電池１１と、コンバータ１３と、２次電池１５と、コンバータ１３を介して燃料電池１１及び又は２次電池１５から電力供給を受ける負荷装置１７と、エゼクタＡ−７及びエゼクタＢ−９を切り替えるエゼクタ切替手段１９と、燃料電池システム全体を制御するとともにエゼクタ切替手段１９に制御信号を出力してエゼクタ切替を制御するコントローラ２１とを備えている。
【００１６】
尚、図１では、燃料電池１１に酸化剤として空気を供給する空気供給系、燃料電池１１の温度を制御する冷却系、及び燃料電池１１に供給する水素及び空気を加湿する純水系は、図示を省略している。
【００１７】
エゼクタＡ−７及びエゼクタＢ−９は、それぞれ、水素タンク３からの水素を第１流体として噴出する一つのノズルと、そのノズルの軸線方向に設けられ第１流体の噴射により発生する負圧によって燃料電池１１から排出された未使用水素を第２流体として吸引し第１流体に合流させて燃料電池１１へ送出する一つのディフューザとを備えている。
【００１８】
エゼクタ切替手段１９は、コントローラ２１からの制御信号により、エゼクタＡ−７とエゼクタＢ−９とを切り替える装置であり、エゼクタＡ−７、エゼクタＢ−８、及びエゼクタ切替手段１９は、一つの筐体に一体構造として構成されるのが好ましい。
【００１９】
コントローラ２１は、図示しない要求電力情報入力装置から要求電力に関する情報を入力し、この情報に基づいて、燃料電池１１に対する要求電力Ｐｄを算出し、要求電力に応じた水素流量となるようにバルブ５を制御する。燃料電池車両の場合、要求電力情報入力装置は、例えば、アクセルペダル開度検出器及び車速検出器となる。
【００２０】
また、コントローラ２１は、要求電力Ｐｄに応じて、要求水素流量Ｑを算出し、この要求水素流量Ｑが小流量域用のエゼクタＡ−７と大流量域用のエゼクタＢ−９との切替付近の時に、一時的に要求水素流量を固定して、過不足する発電電力を２次電池１５の充放電電力とするように、コンバータ１３を制御する。
【００２１】
図２は、エゼクタＡ−７、エゼクタＢ−９、及びエゼクタ切替手段１９の一体筐体による構成例を説明する断面図である。
【００２２】
図２に示すように、小流量域用のエゼクタＡ−７は、小口径のノズル４１と、小口径のディフューザ４３と、ディフューザ４３の出口に設けられた逆流防止用のリードバルブ４５とを備えている。
【００２３】
また、大流量域用のエゼクタＢ−９は、大口径のノズル５１と、大口径のディフューザ５３と、ディフューザ５３の出口に設けられた逆流防止用のリードバルブ５５とを備えている。
【００２４】
エゼクタ切替手段１９は、ノズル４１及びノズル５１の上流に設けられた切替室３１と、切替室３１の内部を左右に滑動可能な弁体３３と、弁体３３を左右に駆動する切替ロッド３５と、弁体３３と切替室３１との間を密閉するシールリング３７とを備えている。
【００２５】
切替ロッド３５は、例えば図示しないソレノイドに接続され、このソレノイドは、図１のコントローラ２１からの制御信号により切替ロッド３５を左右に駆動することができるようになっている。この切替ロッド３５の駆動により、弁体３３が切替室３１の内部を左右に移動して、バルブ５からの水素流路を選択的にノズル４１に連通させたり、ノズル５１に連通させたりすることにより、エゼクタＡ−７とエゼクタＢ−９とを切替可能となっている。
【００２６】
これらのエゼクタＡ−７と、エゼクタＢ−９の吸引効率（ストイキ）特性は、図３に示すようになっている。小流量域用のエゼクタＡと大流量域用エゼクタＢの特性の交点における水素流量Ｑ２において切り替えると、ストイキ変化がなく切り替えられる。
【００２７】
しかしながら、一つの切換点Ｑ２を設定するだけでは、Ｑ２付近で切替のハンチングが発生するため、本発明では、エゼクタＢからエゼクタＡへ切り替える流量をＱ１（Ｑ１＜Ｑ２）とし、エゼクタＡからエゼクタＢへ切り替える流量をＱ３（Ｑ２＜Ｑ３）とするとともに、切替中の水素流量を一定とし、過不足する燃料電池の発電電力を２次電池の充放電電力としている。これにより、ハンチングを発生することなく安定して燃料電池を制御することができる。
【００２８】
図４は、要求発電量が増加して、小流量域用のエゼクタＡから大流量域用のエゼクタＢに切り替えるときの制御タイムチャートである。このように要求発電量が時間とともに順次増加して、これに応じて水素供給量も増加させていった場合、要求水素流量が２つのエゼクタの特性の交点となる水素流量Ｑ２に到達したときから要求水素流量がＱ３に達するまでの期間、水素供給量を一定値Ｑ２に保持する。これと同時に、この間に要求発電量に対して不足している燃料電池の発電電力分を２次電池１５から放電させて供給する。
【００２９】
そして、この要求水素流量がＱ２からＱ３までの期間に、エゼクタ切替手段１９によりエゼクタＡ−７からエゼクタＢ−９へ切り替えることにより、エゼクタ特性の交点付近でハンチングを生じることなく、また負荷に供給する電力が不足することなくエゼクタを切り替えることができる。
【００３０】
これとは逆の動きとして、図５に示すように要求発電量が減少してきたときには、要求水素流量が２つのエゼクタ特性の交点Ｑ２に到達したときからＱ１に達するまでの期間は、水素供給量を一定値Ｑ２に保持し、この間、余剰となった電力は２次電池１５に充電され、エゼクタ切り替えが終了した時点で通常の要求発電量に比例した水素供給量に戻す制御を行う。
【００３１】
次に、図６の制御フローチャート及び図７、８の制御マップを用いて、コントローラ２１によるエゼクタ切替制御動作を説明する。図７は、要求電力Ｐｄと水素流量Ｑの関係を示すマップである。図８は、水素流量Ｑと燃料電池スタック発電量Ｐの関係を示すマップである。
【００３２】
図６において、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０にて、要求発電量Ｐｄを算出する。燃料電池車両の場合には、例えばアクセルペダル踏込量と車両速度から要求発電量Ｐｄを算出する方法が公知である。
次いで、Ｓ１２にて、要求発電量Ｐｄより要求水素流量Ｑを算出する。この水素量の算出には、図７に示すマップより算出する。
【００３３】
Ｓ１４にて、２値のフラグｆの値が１かどうかの判定を行う。このフラグｆ＝１とは、それまでエゼクタＡを使っていたことを示し、逆にフラグｆ＝２は、それまでエゼクタＢを使っていたことを示す。
【００３４】
Ｓ１４でフラグｆが１である場合、Ｓ１６に進み、要求水素流量Ｑが、Ｑ１＜Ｑ＜Ｑ２の範囲にあるか否かを判定する。この範囲にある場合、Ｓ１８に進み、図８のマップを参照して、要求水素流量Ｑからスタック発電量Ｐを算出して設定する。
次いで、Ｓ２０にて、エゼクタＡをＯＮにするとともに、エゼクタＢをＯＦＦにする制御信号を出力して、リターンする。
【００３５】
Ｓ１６にてＮｏと判定された場合には、Ｓ２２へと進み、要求水素流量Ｑが、Ｑ２＜Ｑ＜Ｑ３の範囲か否かを判定する。この条件を満たすとき、Ｓ２４へと進み、スタック発電量Ｐを一定値Ｐ０にセットし、Ｓ２０へ進む。
【００３６】
また、Ｓ２２にて条件を満たさなかった場合にはＳ２６へと進み、要求水素流量ＱがＱ３より大きいか否かの判定を行なう。ＱがＱ３より大きいと判定された場合には、Ｓ２８へと進み、スタック発電量Ｐを図８に示すマップより算出して設定するとともに、フラグｆを２にセットする。次いでＳ３０へ進み、エゼクタＡをＯＦＦとするとともに、エゼクタＢをＯＮとする制御信号を出力して、リターンする。
【００３７】
Ｓ２６にて条件を満たさなかった場合にはＳ３２へと進み、スタック発電量Ｐを図８に示すマップより算出して設定するとともに、フラグｆを１にセットする。次いでＳ３４へ進み、エゼクタＡをＯＮ、エゼクタＢをＯＦＦとする制御信号を出力して、リターンする。
【００３８】
一方、Ｓ１４にて条件を満たさなかった場合（ｆ＝２）には、Ｓ３６にて要求水素流量ＱがＱ１より小さいか否かの判定を行なう。Ｓ３６にて、ＱがＱ１より小さい場合にはＳ３８へと進み、スタック発電量Ｐを図８に示すマップより算出して設定するとともに、フラグｆを１にセットする。次いで、Ｓ４０へ進み、エゼクタＡをＯＮ、エゼクタＢをＯＦＦとする制御信号を出力して、リターンする。
【００３９】
またＳ３６にてＱがＱ１より小さくなければ、Ｓ４２へと進み、要求水素流量Ｑが、Ｑ１＜Ｑ＜Ｑ２の範囲にあるか否かを判定する。要求水素流量Ｑがこの範囲にあった場合には、Ｓ４４へと進み、スタック発電量Ｐを一定値Ｐ０にセットする。そして、Ｓ４６へと進み、エゼクタＡをＯＦＦ、エゼクタＢをＯＮにする制御信号を出力して、リターンする。
【００４０】
Ｓ４２にて要求水素流量Ｑが条件を満たさなかった場合には、Ｓ４８へと進み、図８よりスタック発電量Ｐを算出して設定し、次いでＳ４６へ進む。
【００４１】
上記フローと並行して、スタック発電量をＰ０にするスタック発電量保持制御を行っているときには、要求発電量に対して不足する分を２次電池１５からの放電により補い、コンバータ１３から負荷装置１７へ供給する電力は、要求発電量となる。
【００４２】
また、要求発電量Ｐｄに対してスタック発電量が過剰になる分は、燃料電池１１からコンバータ１３を介して２次電池１５へ充電する。
また、コントローラ２１は、２次電池１５の容量を検出し、容量が放電可能下限値に到達していたときには、ただちに放電制御を中止し、エゼクタをエゼクタＡ−７からエゼクタＢ−９へと切り替えて、スタック発電量保持制御を中断する。
【００４３】
逆に、２次電池１５の容量が充電可能上限値に到達していたときには、ただちに充電制御を中止し、エゼクタをエゼクタＢ−９からエゼクタＡ−７へと切り替えて、スタック発電量保持制御を中断する。
【００４４】
以上説明したように本実施形態によれば、エゼクタ切り替え時に水素流量が変化しないため、切り替え時にストイキ変化を小さくでき、その前後で要求電力が変化しても制御ハンチングを防止できるという効果がある。
【００４５】
また、エゼクタ切替時に、要求電力に対する発電電力の過不足分を２次電池の充放電でまかなうため、要求電力通りの電力を負荷装置に供給することができるという効果がある。
【００４６】
また、燃料電池車両に適用した場合、出力増加によるエゼクタ切り替え点近傍で、２次電池放電ができるため、十分なエネルギー回生量を２次電池へ充電することができるという効果がある。
【００４７】
さらに、燃料電池車両に適用した場合、出力低下によるエゼクタ切り替え点近傍で、２次電池充電が行われるため、その後高出力を必要とする加速要求時に燃料電池発電電力に加えて２次電池の放電電力でアシストが可能となるので、より加速性能が高い車両を提供することができるという効果がある。
【００４８】
尚、以上の実施形態では、複数のエゼクタとして、２つのエゼクタを備えた場合を説明したが、３以上のエゼクタの場合でも、流量域が互いに隣接するＮ個のエゼクタ同士のＮ−１個の吸引効率特性の交点それぞれについて、上記実施形態で説明した切り替え制御を行えばよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構成を説明する構成図である。
【図２】実施形態の燃料電池システムに用いられる複数エゼクタ及びエゼクタ切替手段を説明する模式断面図である。
【図３】複数エゼクタの吸引効率特性（ストイキ）を示す図である。
【図４】小流量域用エゼクタＡから大流量域用エゼクタＢへ切り替える際のタイムチャートである。
【図５】大流量域用エゼクタＢから小流量域用エゼクタＡへ切り替える際のタイムチャートである。
【図６】実施形態におけるコントローラの制御フローチャートである。
【図７】要求電力Ｐｄから水素流量Ｑを求めるマップの例である。
【図８】水素流量Ｑとスタック発電量Ｐとの関係を示すマップの例である。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
３…水素タンク
５…バルブ
７…エゼクタＡ
９…エゼクタＢ
１１…燃料電池
１３…コンバータ
１５…２次電池
１７…負荷装置
１９…エゼクタ切替手段
２１…コントローラ

Claims (5)

1. 水素タンクからの水素を第１流体として噴出する一つのノズルと、そのノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって燃料電池から排出された未使用水素を第２流体として吸引し前記第１流体に合流させて燃料電池へ送出する一つのディフューザと、をそれぞれ組み合わせてなる複数のエゼクタと、前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つを選択切り替え可能に形成したエゼクタ切替手段と、少なくとも燃料電池から充電される２次電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   エゼクタ切り替え時に要求水素流量を一時固定し、この固定した水素流量に対応する燃料電池の発電電力が要求電力に達しない場合、不足電力を前記２次電池から補うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 水素タンクからの水素を第１流体として噴出する一つのノズルと、そのノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって燃料電池から排出された未使用水素を第２流体として吸引し前記第１流体に合流させて燃料電池へ送出する一つのディフューザと、をそれぞれ組み合わせてなる複数のエゼクタと、前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つを選択切り替え可能に形成したエゼクタ切替手段と、少なくとも燃料電池から充電される２次電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   エゼクタ切り替え時に要求水素流量を一時固定し、この固定した水素流量に対応する発電可能電力が要求電力を上回る場合、余剰電力で前記２次電池を充電することを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記２次電池容量が切り替え用放電下限値に到達したとき、前記エゼクタの切り替えを行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記２次電池容量が切り替え用充電上限値に到達したとき、前記エゼクタの切り替えを行うことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
5. 要求発電量に応じて前記複数のエゼクタを切換え、切換判定の要求発電量にヒステリシスを設定し、
   ヒステリシス内では要求水素流量を固定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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