JP2006079891A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、システムの起動時に燃料電池に水素のみを供給して発生する電力を負荷で消費し、カソード極の酸素を消費させる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that consumes electric power generated by supplying only hydrogen to a fuel cell when the system is started up, and consumes oxygen at a cathode electrode.
燃料電池車両は、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、もしくはメタノール等の炭化水素系の燃料を改質し、水素貯蔵装置から供給された水素又は改質により得られた水素と酸素を含む大気とを燃料電池に送り込み反応させて発電を行い、燃料電池から取り出された電気エネルギで電気モータを動作させ、この電気モータで駆動輪を駆動して走行する車両である。 A fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a compressed hydrogen cylinder, a liquid hydrogen tank, a hydrogen storage alloy, etc., or a hydrocarbon-based fuel such as methanol is reformed, and hydrogen supplied from the hydrogen storage device or The hydrogen obtained by reforming and the atmosphere containing oxygen are sent and reacted to the fuel cell to generate electricity, and the electric motor is operated by the electric energy extracted from the fuel cell, and the driving wheel is driven by this electric motor. It is a traveling vehicle.
このように、燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気との反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池を起動する際に、水素と酸素が定常的に燃料電池に送り込まれてから燃料電池に負荷が接続されるまでの間は燃料電池は無負荷状態となる。これにより、燃料電池のセルは高電位に晒され、カソード極側の触媒の特性が低下することが従来より知られている。 Thus, when starting a fuel cell that generates power by chemically reacting a reaction gas of hydrogen of fuel gas and air of oxidant gas, the fuel cell is supplied after hydrogen and oxygen are constantly sent to the fuel cell. Until the load is connected to the fuel cell, the fuel cell is in a no-load state. As a result, it is conventionally known that the cells of the fuel cell are exposed to a high potential, and the characteristics of the catalyst on the cathode electrode side are degraded.
また、水素と酸素の流通と同時に燃料電池に負荷を接続するようにすれば、燃料電池のセルが高電位に晒されることは防止できる。一方、各セルで水素の流通距離が異なることにより各セルに水素が到達するまでの時間に差が生じ、水素が到達したセルと未だ到達していないセルとが生じる。このため、水素と酸素の流通と同時に燃料電池に負荷を接続
した場合に、水素が未だ到達していないセルでは、アノード極の腐食が発生することになる。
Further, if a load is connected to the fuel cell simultaneously with the flow of hydrogen and oxygen, it is possible to prevent the fuel cell from being exposed to a high potential. On the other hand, the difference in the flow time of hydrogen in each cell causes a difference in the time taken for hydrogen to reach each cell, resulting in cells that have reached hydrogen and cells that have not yet reached. For this reason, when a load is connected to the fuel cell simultaneously with the flow of hydrogen and oxygen, corrosion of the anode electrode occurs in a cell where hydrogen has not yet reached.
このような不具合に対して、以下に示す特許文献1に記載されている技術では、燃料電池に水素を供給して発生した電圧が上限値を越えた時に燃料電池に負荷を接続することで、燃料電池が無負荷状態で高電位とならないように制御し、水素が全セルに行き渡ったところで酸化剤の空気を供給するようにしている。これにより、燃料電池のセルに水素が到達していない状態で負荷電流が流れることは回避され、燃料極の腐食は防止される。また、燃料電池に空気を導入すると同時に負荷電流が流れるので、カソード極が無負荷状態の高電位に晒されることは回避される。
以上説明したように、文献1に記載された従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の停止中にアノード極に空気が混入することが考慮されていない。
As described above, in the conventional fuel cell system described in
燃料電池車両に搭載された燃料電池は、停止中に水素排出口に設置されたパージ弁を開放状態にしているのが一般的である。このため、燃料電池の停止中に、開放状態のパージ弁を介して燃料電池内に空気が入り込み、アノード極に残留する水素が徐々に空気と置き換わることになる。 In general, a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle has a purge valve installed at a hydrogen discharge port opened while the vehicle is stopped. For this reason, while the fuel cell is stopped, air enters the fuel cell via the purge valve in the open state, and hydrogen remaining in the anode electrode is gradually replaced with air.
これにより、燃料電池を起動する際に、同じ一定の圧力で水素を燃料電池に供給した場合であっても、アノード極の水素がどの程度空気に置換されているかによってアノード極に流れる水素の流量に違いが生じてしまう。アノード極に供給される水素の流量が予め設定された規定の値よりも多い場合には、燃料電池の電圧が急激に立ち上がる。このため、燃料電池に接続される負荷では、燃料電池で発生した電力を消費しきれずにセルが高電位に晒され、電池性能が劣化するという問題があった。 As a result, even when hydrogen is supplied to the fuel cell at the same constant pressure when starting the fuel cell, the flow rate of hydrogen flowing to the anode electrode depends on how much hydrogen in the anode electrode is replaced with air. Will make a difference. When the flow rate of hydrogen supplied to the anode electrode is larger than a predetermined value set in advance, the voltage of the fuel cell rises rapidly. For this reason, the load connected to the fuel cell has a problem that the electric power generated in the fuel cell cannot be consumed and the cell is exposed to a high potential and the battery performance deteriorates.
逆に、アノード極に供給される水素の流量が規定の値よりも少ない場合には、水素が各セルになかなか行き渡らず、水素が各セルに供給されるまでに時間がかかるおそれがあった。このため、燃料電池の起動時に水素のみを供給して発生した電力を燃料電池に接続された負荷に与える際に、水素が全セルに行き渡る前に燃料電池に接続された負荷を燃料電池から切り離してしまうおそれがあった。このため、水素が到達していないセルでアノード極が腐食し、電池性能が劣化するという問題があった。 On the other hand, when the flow rate of hydrogen supplied to the anode electrode is smaller than a specified value, it is difficult for hydrogen to reach each cell, and it may take time until hydrogen is supplied to each cell. For this reason, when supplying power generated by supplying only hydrogen when the fuel cell is started to a load connected to the fuel cell, the load connected to the fuel cell is disconnected from the fuel cell before hydrogen reaches all the cells. There was a risk of it. For this reason, there was a problem that the anode electrode corroded in the cell where hydrogen did not reach, and the battery performance deteriorated.
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの起動時にセルに導入される水素の流量を最適化し、電池性能の劣化を防止した燃料電池システムを提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that optimizes the flow rate of hydrogen introduced into a cell at the time of system startup and prevents deterioration of battery performance. It is to provide.
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を弁開度に基づいて調整制御する調整弁と、前記燃料電池に供給された燃料ガスを前記燃料電池外に排気する排気手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池内、ならびに燃料ガスが前記調整弁から前記燃料電池を介して前記排気手段に流通する流通路における燃料ガスの濃度を推定する推定手段と、前記推定手段で推定された燃料ガスの濃度に基づいて、前記調整弁を制御し、予め設定された所望の流量で燃料ガスを前記燃料電池に供給制御する制御手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention include a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, and a supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell. A fuel cell system comprising: an adjustment valve that performs adjustment control based on an opening; and an exhaust unit that exhausts fuel gas supplied to the fuel cell to the outside of the fuel cell. Estimating means for estimating the concentration of the fuel gas in the battery and in the flow passage through which the fuel gas flows from the regulating valve to the exhaust means via the fuel cell, and based on the fuel gas concentration estimated by the estimating means Control means for controlling the regulating valve and controlling supply of fuel gas to the fuel cell at a predetermined flow rate set in advance.
本発明によれば、システムの起動時発電前に、燃料電池ならびに燃料ガスの流通路における燃料ガスの濃度を推定し、推定された燃料ガスの濃度に基づいて燃料ガスを供給するようにしたので、所望の燃料ガスを燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池における急激な電圧上昇等が回避され、電池性能の劣化を防止することができる。 According to the present invention, the fuel gas concentration in the fuel cell and the fuel gas flow passage is estimated before power generation at the time of starting the system, and the fuel gas is supplied based on the estimated fuel gas concentration. The desired fuel gas can be supplied to the fuel cell. Thereby, a rapid voltage rise or the like in the fuel cell is avoided, and deterioration of the cell performance can be prevented.
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1のシステムは、燃料電池スタック101、コンプレッサ102、スロットル103、可変バルブ104、イジェクタ105、パージ弁106、電力取り出し装置107、循環流路108、水素圧力センサ109、ならびにコントローラ110を備えて構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
燃料電池スタック101は、カソード極101aに供給された酸化剤ガスの空気と、アノード極101bに供給された燃料ガスの水素とを化学反応させて発電を行い、発電によって得られた電力は、電力取り出し装置107によって取り出され、システムに接続された負荷に供給される。
The fuel cell stack 101 performs power generation by chemically reacting air of the oxidant gas supplied to the
コンプレッサ102は、燃料電池スタック101の空気供給側の流路に設けられ、空気を圧縮し、燃料電池スタック101のカソード極101aに供給される空気の流量を制御し、流量が制御された空気を燃料電池スタック101のカソード極101aに供給する。
The
スロットル103は、燃料電池スタック101の空気排気側の流路に設けられ、燃料電池スタック101から排出された空気の圧力を制御し、圧力制御された空気を外部に排気する。
The
可変バルブ104は、燃料電池スタック101の水素供給側の流路に設けられ、水素タンク(図示せず)に貯蔵された高圧の水素を調圧制御して、水素の流量を制御し、流量が制御された水素を燃料電池スタック101のアノード極101bに供給する。可変バルブ104は、燃料電池スタック101に供給される水素の流量を調整制御する調整弁として機能する
イジェクタ105は、可変バルブと104と燃料電池スタック101の水素入口との間に設けられ、燃料電池スタック101から排出された未使用の水素を再利用するために、燃料電池スタック101の水素出口とイジェクタ105とを連結する循環流路108を介して燃料電池スタック101の水素供給側へ未使用の水素を還流する。
The
パージ弁106は、開状態で燃料電池スタック101から排出された未使用の水素を燃料電池スタック101の外部に排気する一方、閉状態で燃料電池スタック101から排出された未使用の水素を循環流路108に導く。
The
電力取り出し装置107は、コントローラ110から与えられる指令に基づいて、燃料電池スタック101の発電により得られた電力を燃料電池スタック101から取り出して管理し、取り出した電力を燃料電池システムに接続された負荷に供給制御する。
The power take-out
水素圧力センサ109は、イジェクタ105と燃料電池スタック101の水素入口との間に設けられ、燃料電池スタック101のアノード極101bに供給される水素の圧力を検出し、検出した水素圧力をコントローラ110に与える。
The
コントローラ110は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ110は、水素圧力センサ109を含む本システムにおける各センサ(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、コンプレッサ102、スロットル103、可変バルブ104、パージ弁106、電力取り出し装置107を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する本システムの起動時の水素供給動作を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。このようなコントローラ110は、図2に示すように構成される。
The
図2において、コントローラ110は、水素濃度演算部201、可変バルブ制御部202、目標圧力演算部203、可変バルブ開度演算部204、目標取り出し電力演算部205、電力取り出し制御部206を備えて構成され、燃料電池スタック101ならびに水素流路の水素濃度を推定する推定手段、ならびに可変バルブ104の開度を調整制御して、燃料電池スタック101に供給される水素の流量を制御する制御手段として機能する。
2, the
水素濃度演算部201は、コントローラ110に燃料電池システムの起動が指令されると、可変バルブ制御部202に可変バルブ104の初期開度として所定開度Asを与える。水素濃度演算部201は、可変バルブ制御部202に所定開度Asを指令し、可変バルブ104の開度が所定開度Asに調整制御された後、水素圧力センサ109で検出された水素圧力を入力し、この水素圧力に基づいて燃料電池スタック101のアノード極101bならびに循環流路108の水素濃度を演算して推定し、得られた水素濃度を目標圧力演算部203に与える。
When the
可変バルブ制御部202は、水素濃度演算部201から与えられた所定開度Asと、可変バルブ開度演算部204から与えられた目標開度を入力し、この所定開度Asならびに目標開度に基づいて可変バルブ104の開度を調整制御する。すなわち、可変バルブ制御部202は、所定開度Asが入力されると、可変バルブ104をこの所定開度Asに調整制御し、その後目標開度が入力されると、可変バルブ104をこの目標開度に調整制御する。
The variable
目標圧力演算部203は、水素濃度演算部201で演算された水素濃度を入力し、この水素濃度に基づいて、燃料電池システムを起動する際に燃料電池スタック101を劣化させないようにするために燃料電池スタック101に供給する水素の水素流量Qを実現する目標水素圧力を演算する。ここで、システムの起動時に酸化剤の空気が燃料電池スタック101に供給されて発電が開始される前に、酸化剤の空気をカソード極101aに供給せずに水素のみをアノード極101bに供給した際に燃料電池スタック101を劣化させない水素流量Qは、実験や机上検討等により予め決定される。目標圧力演算部203は、演算で得られた目標水素圧力を可変バルブ開度演算部204に与える。
The target
可変バルブ開度演算部204は、水素圧力センサ109で検出された水素圧力と、目標圧力演算部203で演算された目標水素圧力を入力し、この水素圧力と目標水素圧力とに基づいて、検出された水素圧力を目標水素圧力にする可変バルブ104の目標開度を演算する。可変バルブ開度演算部204は、演算で得られた目標開度を可変バルブ制御部202に与える。
The variable valve opening
目標取り出し電力演算部205は、燃料電池スタック101から取り出す電力を演算し、演算で得られた目標取り出し電力は電力取り出し制御部206に与えられる。
The target extraction
電力取り出し制御部206は、目標取り出し電力演算部205から与えられた目標取り出し電力を入力し、この目標取り出し電力を燃料電池スタック101から取り出すべく指令を電力取り出し装置107に与える。
The power take-out
また、図2には図示していないが、コントローラ110は、パージ弁106の開閉を制御するパージ弁制御部、コンプレッサ102の作動を制御するコンプレッサ制御部、ならびにスロットル103の作動を制御するスロットル制御部を備えている。本システムの起動時発電前には、パージ弁制御部は、パージ弁106に開弁指令を与えてパージ弁を開放状態とし、コンプレッサ制御部は、コンプレッサ102に停止指令を与えてコンプレッサ102を停止させ、スロットル制御部は、スロットル103に停止指令を与えてスロットル103を停止させる。
Although not shown in FIG. 2, the
コントローラ110は、図3に示すフローチャートの手順にしたがって、システムの起動時発電前に燃料電池スタック101に供給される水素の供給量を水素流量Qとすべくシステムを制御している。なお、図3に示す処理は、所定の周期毎、例えば10[msec]毎に行われるものとする。
The
図3において、システムの起動が開始されると、先ずコントローラ110からの指令に基づいて、パージ弁106を開放し、コンプレッサ102ならびにスロットル103を停止し、可変バルブ104を所定開度Asに開放し、燃料電池スタック101のカソード極101aに空気を供給せず、所定開度Asの可変バルブ104を介して水素を燃料電池スタック101のアノード極101bに供給する(ステップS301)。なお、可変バルブ104の所定開度Asの決め方は後述する。
In FIG. 3, when the system is started, first, the
続いて、水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phをコントローラ110に読み込む(ステップS302)。その後、システムの起動開始からの時間が所定時間Tthを経過しているか否かを判別する(ステップS303)。判別の結果、起動開始からの時間が所定時間Tthを経過していない場合には、処理のルーチンを終了する一方、経過している場合には、水素濃度を演算する(ステップS304)。なお、所定時間Tthの決め方は後述する。
Subsequently, the hydrogen pressure Ph detected by the
水素濃度は、実験や机上検討等により予め求めた、可変バルブ104の開度を所定開度Asに設定し、燃料電池スタック101に水素を供給した後所定時間Tthが経過した時の水素圧力と水素濃度との図4に示すような特性に基づいて、ステップS302で検出した水素圧力Phを用いて水素濃度演算部201で演算する。水素濃度の演算が終了すると、実験や机上検討等により求めた、水素流量Qを実現するための水素濃度と水素圧力との図5に示すような特性に基づいて、目標圧力演算部203で水素濃度演算部201の演算で得られた水素濃度に対応した目標水素圧力を演算する。目標水素圧力の演算が終了すると、ステップS302で検出した水素圧力Phを目標水素圧力にすべく、可変バルブの開度と水素圧力との関係を示すマップ、テーブルもしくは演算式等に基づいて、検出された水素圧力Phと目標水素圧力を用いて可変バルブ開度演算部204で可変バルブ104の目標開度を演算する(ステップS305)。
The hydrogen concentration is determined in advance by experiments, desk studies, etc., and the hydrogen pressure when the predetermined time Tth elapses after the opening of the
続いて、演算で得られた可変バルブ104の目標開度を可変バルブ制御部202に与え、可変バルブ104の開度がこの目標開度となるように可変バルブ制御部202は可変バルブ104に指令を与えて開度を調整制御し、一連の処理ルーチンを終了する。
Subsequently, the target opening of the
次に、可変バルブ104の所定開度Asと、所定開度Asの可変バルブ104を介して水素を供給する所定時間Tthとの決め方について説明する。
Next, how to determine the predetermined opening As of the
図6は燃料電池システムが停止状態から可変バルブ104を所定開度Asに開いて水素を供給した時の水素圧力Phの変化を示した図である。図6において、燃料電池スタック101のアノード極101bと循環流路108(以後、両者を併せて水素流路と記述する)が空気で満たされている場合は、水素圧力は時間の経過と共に図6の(1)に示すような特性で変化するのに対して、水素流路が水素で満たされている場合には、同図の(2)に示すような特性で変化する。
FIG. 6 is a diagram showing a change in the hydrogen pressure Ph when the fuel cell system is in a stopped state and the
所定開度Asの可変バルブ104から流入する水素は、水素流路を満たしている気体を押し出し、燃料電池スタック101を通過して開放状態のパージ弁106から排出させる。排出される気体は、パージ弁106の絞り(開度)に応じて圧損が発生し、水素流路の圧力、つまり水素圧力Phが上昇する。このときに水素流路を満たしている気体が水素よりも重い空気を含む割合が多ければ多いほど、図6に示すように、水素圧力の上昇率が大きくなる一方、水素を含む割合が多ければ多いほど水素圧力の上昇率は小さくなるという特性がある。
The hydrogen flowing in from the
本発明は、このような特性を利用して、図6の所定時間Tthにおける図4に示すような水素圧力と水素濃度との関係を求め、水素流路の水素濃度を演算し、水素濃度から所望の水素流量Qを燃料電池スタック101に供給するための目標水素圧力を求めている。このように、水素流路の水素と空気の割合を考慮して水素流量を求めているので、燃料電池スタック101の劣化を引き起こすことのない所望の水素流量Qを確実に燃料電池スタック101に供給することが可能となる。 The present invention uses such characteristics to obtain the relationship between the hydrogen pressure and the hydrogen concentration as shown in FIG. 4 at the predetermined time Tth in FIG. 6, calculates the hydrogen concentration in the hydrogen flow path, and calculates the hydrogen concentration from the hydrogen concentration. A target hydrogen pressure for supplying a desired hydrogen flow rate Q to the fuel cell stack 101 is obtained. As described above, the hydrogen flow rate is obtained in consideration of the ratio of hydrogen to air in the hydrogen flow path, so that a desired hydrogen flow rate Q that does not cause deterioration of the fuel cell stack 101 is reliably supplied to the fuel cell stack 101. It becomes possible to do.
以上説明したことから、可変バルブ104の所定開度Asは、図6に示すように、水素流路を満たす気体の割合がどの程度であるのかが判別できるだけの圧力上昇差を生じるに十分で、かつなるべく小さい開度に設定する。一方、所定時間Tthは、長ければ長いほど水素濃度の演算精度を高めることができるが、あまり長いとアノード極101bの電解質膜に水素が到達してしまうことになる。したがって、可変バルブ104を所定開度Asに開いた時に、アノード極101bの電解質膜に水素が到達するまでの最大時間Tmaxを予め実験や机上検討等を行って求め、最大時間Tmax以内になるように所定時間Tthを設定する。
As described above, the predetermined opening degree As of the
なお、実施例1では、所定時間Tth経過後に水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phを用いて水素濃度を演算したが、水素圧力Phの微分値を求め、この微分値を用いて水素濃度を演算するようにしてもよい。
In the first embodiment, the hydrogen concentration is calculated using the hydrogen pressure Ph detected by the
以上説明したように、上記実施例1では、燃料電池スタック101のアノード極101bならびに循環流路108の水素流路の水素濃度を推定し、推定した水素濃度に基づいて、燃料電池スタック101に供給する水素の流量を決定しているので、システムの起動時に水素のみを供給して発生する電力を負荷で消費してカソード極101aの酸素を消費させる際に、予め設定した所望の水素流量Qを精度よく供給することが可能となる。これにより、燃料電池スタック101の電圧が急激に立ち上がってシステムに接続される負荷では消費しきれずにセルが高電位になったり、逆に水素が全セルに行き渡る前にシステムから負荷を切り離したりしまうことを回避することができ、電池性能の劣化を防止することができる。
As described above, in the first embodiment, the hydrogen concentration in the
また、水素流路の水素濃度を推定するために使用するアクチュエータやセンサは、すべてシステムの運転制御に必要となるものを利用しているので、水素濃度を推定するための特殊なデバイスを追加装備することなく実現することができる。これにより、構成の大型化、ならびに複雑化を回避することができる。 In addition, the actuators and sensors used to estimate the hydrogen concentration in the hydrogen flow path are all necessary for system operation control, so a special device for estimating the hydrogen concentration is additionally provided. It can be realized without doing. Thereby, the enlargement of a structure and complication can be avoided.
さらに、発電前に供給される水素は、そのまま発電に必要となるものであり、無駄なエネルギを浪費することなく、水素濃度の推定を行うことができる。 Furthermore, the hydrogen supplied before power generation is necessary for power generation as it is, and the hydrogen concentration can be estimated without wasting unnecessary energy.
次に、本発明の実施例2を説明する。この実施例2の特徴とするところは、先の第1の実施例1に比べて、可変バルブ104を所定開度Asに開いて水素を燃料電池スタック101に供給した後、水素圧力が所定の圧力以上になったときに水素濃度を演算して推定するようにしたことにあり、他は実施例1と同様である。したがって、実施例2のシステム構成は、図1と同様であり、コントローラ110の処理手順では、図7のフローチャートに示すように、図3に示す実施例1の処理手順に比べて、図1のステップS303,S304に代えてステップS703,S704を実行している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The feature of the second embodiment is that, compared to the first first embodiment, after the
図7において、図3に示すステップS301、S302の処理を実行した後、水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phが予め設定された所定の水素圧力Pthを超えているか否かを判別する(ステップS703)。判別の結果、水素圧力Phが水素圧力Pthを超えていない場合は、処理を終了する一方、越えている場合には、水素濃度を演算する(ステップS704)。なお、所定の水素圧力Pthは、図6の(2)で示す、水素流路が水素で満たされている場合であっても超える値で、かつ前述した最大時間Tmax以内に超えることのできる値を設定する。
In FIG. 7, after performing the processing of steps S301 and S302 shown in FIG. 3, it is determined whether or not the hydrogen pressure Ph detected by the
水素濃度は、実験や机上検討等により予め求めた、可変バルブ104の開度を所定開度Asに設定し、燃料電池スタック101に水素を供給した後の経過時間と水素濃度との図8に示すような特性に基づいて、可変バルブ104を所定開度Asに開いた後の予め設定された経過時間Tcを用いて水素濃度演算部201で演算する。その後は、先の実施例1と同様である。
The hydrogen concentration is obtained in advance by experiments, desk studies, and the like, and the opening time of the
このような実施例2においても、先の実施例1と同様の効果を得ることができる。 Also in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
次に、本発明の実施例3について説明する。この実施例3の特徴とするところは、システム起動時発電前に供給される水素の水素圧力Phが、予め設定された所定目標水素圧力Ps±制御誤差Per以内に収束した際の可変バルブ104の開度に基づいて水素濃度を演算するようにしたことにある。システムの基本的な構成は、先の実施例1と同様であるが、コントローラ110は、図9に示すように構成されている。
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described. A feature of the third embodiment is that the hydrogen pressure Ph of hydrogen supplied before power generation at the time of system startup converges within a predetermined target hydrogen pressure Ps ± control error Per when the
図9において、コントローラ110は、水素濃度演算部901、可変バルブ制御部902、目標圧力演算部903、可変バルブ開度演算部904、ならびに先の図2に示す同符号のものと同一の目標取り出し電力演算部205、電力取り出し制御部206を備えて構成されている。さらにコントローラ110は、図示していないが先の実施例1と同様のパージ弁制御部、コンプレッサ制御部ならびにスロットル制御部を備えている。
In FIG. 9, the
水素濃度演算部901は、コントローラ110に燃料電池システムの起動が指令されると、可変バルブ開度演算部904に予め設定された所定目標水素圧力Psを指令する。また、水素濃度演算部901は、水素圧力センサ109で検出された水素圧力と、可変バルブ開度演算部904で演算された可変バルブ104の目標開度を入力し、水素圧力が所定目標水素圧力Psに到達すると、その時の可変バルブ104の目標開度に基づいて、アノード極101bと循環流路108との水素流路の水素濃度を演算して推定する。得られた水素濃度は、目標圧力演算部903に与えられる。
When the
可変バルブ制御部902は、可変バルブ開度演算部904で演算された可変バルブ104の目標開度を入力し、可変バルブ104の開度が目標開度となるように調整制御する。
The variable
目標圧力演算部903は、水素濃度演算部901で演算された水素濃度を入力し、先の実施例1と同様の水素流量Qを実現する目標水素圧力を先の実施例1と同様にして演算し、演算した目標水素圧力を可変バルブ開度演算部904に与える。
The target
可変バルブ開度演算部904は、水素圧力センサ109で検出された水素圧力と、水素濃度演算部901から与えられた所定目標水素圧力Psと、目標圧力演算部903で演算された目標水素圧力とを入力し、先ず水素圧力が所定目標水素圧力Psとなる可変バルブ104の目標開度を先の実施例1と同様な手法で演算し、演算した目標開度を可変バルブ制御部902ならびに水素濃度演算部901に与える。また、可変バルブ開度演算部904は、水素濃度演算部901で水素濃度が演算された後、目標水素圧力が目標圧力演算部903から与えられると、水素圧力がこの目標水素圧力となる可変バルブ104の目標開度を演算し、演算した目標開度を可変バルブ制御部902ならびに水素濃度演算部901に与える。
The variable valve opening
コントローラ110は、図10に示すフローチャートの手順にしたがって、システムの起動時発電前に燃料電池スタック101に供給される水素の供給量を水素流量Qとすべくシステムを制御している。なお、図10に示す処理は、所定の周期毎、例えば10[msec]毎に行われるものとする。
The
図10において、システムの起動が開始されると、先ずコントローラ110からの指令に基づいて、パージ弁106を開放し、コンプレッサ102ならびにスロットル103を停止し、可変バルブ104を開弁し、燃料電池スタック101のカソード極101aに空気を供給せず、可変バルブ104を介して水素を燃料電池スタック101のアノード極101bに供給する(ステップS1001)。
In FIG. 10, when the system is started, first, based on a command from the
その後、水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phをコントローラ110に読み込む(ステップS1002)。続いて、検出された水素圧力Phが所定目標水素圧力Psとなる可変バルブ104の目標開度を可変バルブ開度演算部904で演算する(ステップS1003)。
Thereafter, the hydrogen pressure Ph detected by the
なお、所定目標水素圧力Psは、可変バルブ104の開度許容範囲を考慮し、アノード極101bと循環流路108との水素流路が空気で満ちている場合、もしくは水素で満ちている場合であっても実現可能な圧力で、かつ水素濃度の演算が終了する前にアノード極101bの電解質膜へ水素が到達しないような圧力に設定する。
The predetermined target hydrogen pressure Ps is determined when the hydrogen flow path between the
次に、可変バルブ104が目標開度に調整制御された後、水素圧力Phが所定目標水素圧力Ps±制御誤差Per以内に収まっているか否かを判別する(ステップS1004)。判別の結果、水素圧力Phが範囲内に収まっていない場合には、処理のルーチンを終了する一方、収まっている場合には、水素濃度演算部901で水素濃度を演算する(ステップS1005)。
Next, after the
なお、制御誤差Perは、予め実験や机上検討等によって、水素圧力が十分に目標値に収束したと判断できる値として設定される。 Note that the control error Per is set in advance as a value by which it can be determined that the hydrogen pressure has sufficiently converged to the target value through experiments, desk studies, or the like.
水素濃度は、予め実験や机上検討等により求められた、水素圧力Phにおける可変バルブ104の開度と水素濃度との図11に示すような特性に基づいて、可変バルブ開度演算部904で演算された可変バルブ104の開度を用いて演算する。水素濃度の演算が終了すると、以降の処理手順は先の実施例1と同様となり、演算された水素濃度に基づいて可変バルブ104の目標開度が演算されて、所望の水素流量Qが燃料電池スタック101のアノード極101bに供給される。
The hydrogen concentration is calculated by the variable valve opening
なお、この実施例3では、水素圧力Phが所定目標水素圧力Ps±制御誤差Perの範囲内に収まったときの可変バルブ104の開度を使用して水素濃度を演算したが、水素の供給を開始してからの可変バルブ104の開度の積分値を求め、この積分値に基づいて水素濃度を演算するようにしてもよい。また、水素圧力Phが所定目標水素圧力Ps±制御誤差Perの範囲内に収まるまでの時間を計測し、計測した時間を用いて水素濃度を演算するようにしてもよい。
In the third embodiment, the hydrogen concentration is calculated using the opening of the
このように、上記実施例3においても、先の実施例1と同様の効果を得ることができると共に、燃料電池スタック101が許容できる最大の圧力で水素を供給することができるので、先の実施例1ならびに実施例2に比べてより一層短い時間で水素濃度を演算して推定する処理を終了することができる。 As described above, also in the third embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and hydrogen can be supplied at the maximum pressure that the fuel cell stack 101 can tolerate. The process of calculating and estimating the hydrogen concentration in a shorter time than in Example 1 and Example 2 can be completed.
101…燃料電池スタック
101a…カソード極
101b…アノード極
102…コンプレッサ
103…スロットル
104…可変バルブ
105…イジェクタ
106…パージ弁
107…電力取り出し装置
108…循環流路
109…水素圧力センサ
110…コントローラ
201,901…水素濃度演算部
202,902…可変バルブ制御部
203,903…目標圧力演算部
204,904…可変バルブ開度演算部
205…目標取り出し電力演算部
206…電力取り出し制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ...
Claims (7)
前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を弁開度に基づいて調整制御する調整弁と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスを前記燃料電池外に排気する排気手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池内、ならびに燃料ガスが前記調整弁から前記燃料電池を介して前記排気手段に流通する流通路における燃料ガスの濃度を推定する推定手段と、
前記推定手段で推定された燃料ガスの濃度に基づいて、前記調整弁を制御し、予め設定された所望の流量で燃料ガスを前記燃料電池に供給制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
An adjustment valve for adjusting and controlling the amount of fuel gas supplied to the fuel cell based on the valve opening;
A fuel cell system comprising exhaust means for exhausting the fuel gas supplied to the fuel cell to the outside of the fuel cell;
Estimating means for estimating the concentration of the fuel gas in the fuel cell and in the flow path through which the fuel gas flows from the regulating valve to the exhaust means through the fuel cell at the time of starting the fuel cell system;
Control means for controlling the regulating valve based on the concentration of the fuel gas estimated by the estimating means and controlling the supply of the fuel gas to the fuel cell at a preset desired flow rate. Fuel cell system.
前記推定手段は、前記調整弁の開度と、前記圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力とに基づいて燃料ガスの濃度を推定する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Pressure detecting means provided in the flow passage for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the estimating means estimates the concentration of the fuel gas based on the opening of the regulating valve and the pressure of the fuel gas detected by the pressure detecting means.
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 The estimation means detects the concentration of the fuel gas based on the pressure of the fuel gas detected by the detection means after the adjustment valve is opened at a predetermined opening degree and a predetermined time has elapsed. The fuel cell system according to claim 2.
前記推定手段は、予め設定された所定の開度で前記調整弁を開いて所定時間経過した後に、前記検出手段で検出された燃料ガスの圧力が予め設定された所定値以上に達するまでの時間に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Pressure detecting means provided in the flow passage for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
The estimation means is a time until the pressure of the fuel gas detected by the detection means reaches a preset predetermined value or more after a predetermined time has elapsed after opening the regulating valve at a preset predetermined opening. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the concentration of the fuel gas is detected based on the above.
前記推定手段は、前記検出手段で検出され燃料ガスの圧力が所定の圧力に収束した際の前記調整弁の開度に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 Adjusting the opening of the adjusting valve to control the pressure of the fuel gas detected by the detecting means to a predetermined pressure set in advance;
The said estimation means detects the density | concentration of fuel gas based on the opening degree of the said adjustment valve when the pressure of fuel gas detected by the said detection means converges to predetermined pressure, The fuel gas density | concentration is detected. Fuel cell system.
前記調整弁の開度を調整して、前記検出手段で検出される燃料ガスの圧力を予め設定された所定の圧力に制御し、
前記推定手段は、前記検出手段で検出され燃料ガスの圧力が所定の圧力に収束するまでの時間に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Pressure detecting means provided in the flow passage for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Adjusting the opening of the adjusting valve to control the pressure of the fuel gas detected by the detecting means to a predetermined pressure set in advance;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the estimating means detects the concentration of the fuel gas based on the time taken by the detecting means until the pressure of the fuel gas converges to a predetermined pressure.
ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5及び6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The said estimation means estimates the density | concentration of fuel gas before oxidant gas is supplied to the said fuel cell at the time of starting of a fuel cell system, The fuel cell system is characterized by the above-mentioned. The fuel cell system according to any one of the above.
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