JP2008041329A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
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。また、前記した可変ガス供給装置を採用する場合に、燃料供給流路におけるガス状態に係る物理量(ガス圧力、ガス流量、ガス温度等)を検出し、この検出値に基づいて可変ガス供給装置からのガス供給動作や排気弁からのガス排出動作を制御する技術も提案されている。 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. Further, when the variable gas supply device described above is adopted, a physical quantity (gas pressure, gas flow rate, gas temperature, etc.) related to the gas state in the fuel supply flow path is detected, and the variable gas supply device is detected based on the detected value. A technique for controlling the gas supply operation and the gas discharge operation from the exhaust valve has also been proposed.
しかし、前記した可変ガス供給装置を採用する場合には、燃料電池に供給される燃料ガスの状態(圧力、流量、温度等)が逐次変化して、燃料供給流路に脈動が生じてしまう。このため、燃料供給流路におけるガス状態の検出値が不安定となり、それゆえ、この検出値に基づいて制御される可変ガス供給装置からのガス供給動作や排気弁からのガス排出動作が不安定となるという問題があった。このような問題は、前記特許文献1や前記特許文献2に記載された技術を採用するだけでは解決されないものである。
However, when the above-described variable gas supply device is employed, the state (pressure, flow rate, temperature, etc.) of the fuel gas supplied to the fuel cell changes sequentially, and pulsation occurs in the fuel supply flow path. For this reason, the detection value of the gas state in the fuel supply flow path becomes unstable, and therefore the gas supply operation from the variable gas supply device controlled based on this detection value and the gas discharge operation from the exhaust valve are unstable. There was a problem of becoming. Such a problem cannot be solved only by adopting the techniques described in Patent Document 1 and
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、可変ガス供給装置及び排気弁を備えた燃料電池システムにおいて、燃料供給流路における脈動の影響を抑制して、ガス供給動作及びガス排出動作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 in a fuel cell system provided with a variable gas supply device and an exhaust valve, the influence of pulsation in a fuel supply flow path is suppressed, and a gas supply operation and a gas discharge operation are performed. The purpose is to stabilize.
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、供給流路におけるガス状態を検出するガス状態センサと、このガス状態センサによる検出値に基づいて可変ガス供給装置及び排気弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、可変ガス供給装置からのガス供給を開始する時点又はガス供給を停止する時点における検出値に基づいて、可変ガス供給装置及び排気弁を制御するものである。 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 A fuel cell system comprising: a gas state sensor that detects a gas state in the supply flow path; and a control unit that controls the variable gas supply device and the exhaust valve based on a detection value by the gas state sensor. The means controls the variable gas supply device and the exhaust valve based on the detected value at the time when the gas supply from the variable gas supply device is started or when the gas supply is stopped.
かかる構成を採用すると、ガス状態センサによるガス状態の検出のタイミングを、可変ガス供給装置からのガス供給を開始する時点又はガス供給を停止する時点に限定するため、可変ガス供給装置制御及び排気弁制御に用いられるガス状態検出値の変動を抑制することができる。すなわち、可変ガス供給装置から供給されるガスの脈動の影響を抑制することができるので、可変ガス供給装置によるガス供給動作と、排気弁からのガス排出動作と、の双方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。 If such a configuration is adopted, the timing of detecting the gas state by the gas state sensor is limited to the time when the gas supply from the variable gas supply device is started or the time when the gas supply is stopped. Variations in the gas state detection value used for control can be suppressed. That is, since the influence of the pulsation of the gas supplied from the variable gas supply device can be suppressed, it is possible to stabilize both the gas supply operation by the variable gas supply device and the gas discharge operation from the exhaust valve. It becomes. 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.
前記燃料電池システムにおいて、ガス状態センサによる検出値を補正し、この補正後の値に基づいて可変ガス供給装置及び排気弁を制御する制御手段を採用することが好ましい。 In the fuel cell system, it is preferable to employ control means for correcting the detection value by the gas state sensor and controlling the variable gas supply device and the exhaust valve based on the corrected value.
かかる構成を採用すると、ガス状態センサによる検出値を補正して得た適正な値に基づいて可変ガス供給装置及び排気弁を制御するので、可変ガス供給装置によるガス供給動作及び排気弁からのガス排出動作を一層安定させることが可能となる。 When such a configuration is adopted, the variable gas supply device and the exhaust valve are controlled based on an appropriate value obtained by correcting the detection value by the gas state sensor, so that the gas supply operation by the variable gas supply device and the gas from the exhaust valve are controlled. The discharging operation can be further stabilized.
また、前記燃料電池システムにおいて、ガス状態センサによる検出値に対して、燃料電池の発電状態又は燃料供給源から供給される燃料ガスの濃度に基づいて設定される補正値を加減することにより、前記補正後の値を得る制御手段や、ガス状態センサによる検出値の検出時より所定時間遅れて検出されることが想定される仮想検出値を、燃料電池の発電状態又は燃料供給源から供給される燃料ガスの濃度に基づいて算出し、この算出した仮想検出値を前記補正後の値とする制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, the correction value set based on the power generation state of the fuel cell or the concentration of the fuel gas supplied from the fuel supply source is added to or subtracted from the detection value by the gas state sensor. A virtual detection value that is assumed to be detected after a predetermined time delay from the time of detection of the detection value by the gas state sensor or the control means for obtaining the corrected value is supplied from the power generation state of the fuel cell or the fuel supply source. Control means that calculates based on the concentration of fuel gas and uses the calculated virtual detection value as the corrected value can be employed.
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とともに、このインジェクタの開弁時間に基づいてガス状態センサでの検出値を補正する制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, an injector can be used as a variable gas supply device, and a control unit that corrects the detection value of the gas state sensor based on the valve opening time of the injector can be used.
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(開弁時間)を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を精度良く制御することが可能となる。 An injector is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust a gas state by driving a valve body directly with an electromagnetic driving force at a predetermined driving cycle and separating it from a valve seat. The predetermined control unit drives the valve body of the injector to control the fuel gas injection timing and injection time (valve opening time), whereby the flow rate and pressure of the fuel gas can be accurately controlled.
また、前記燃料電池システムにおいて、ガス状態センサによる検出値に対して、インジェクタの開弁時間に基づいて設定される補正値を加減することにより、前記補正後の値を得る制御手段や、ガス状態センサによる検出値の検出時より所定時間遅れて検出されることが想定される仮想検出値を、インジェクタの開弁時間に基づいて算出し、この算出した仮想検出値を前記補正後の値とする制御手段を採用することができる。 Further, in the fuel cell system, a control means for obtaining the corrected value by adding or subtracting a correction value set based on the valve opening time of the injector to the detection value by the gas state sensor, A virtual detection value that is assumed to be detected after a predetermined time from the detection of the detection value by the sensor is calculated based on the valve opening time of the injector, and the calculated virtual detection value is used as the corrected value. Control means can be employed.
本発明によれば、可変ガス供給装置及び排気弁を備えた燃料電池システムにおいて、燃料供給流路における脈動の影響を抑制して、ガス供給動作及びガス排出動作の安定化を実現させることが可能となる。 According to the present invention, in a fuel cell system including a variable gas supply device and an exhaust valve, it is possible to suppress the influence of pulsation in the fuel supply flow path and realize stabilization of the gas supply operation and the gas discharge operation. It becomes.
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 fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (moving body) will be described.
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 fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a
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、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ガス状態センサとしての圧力センサ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)及び開弁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。
The
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。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、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路12内の酸化オフガスと合流するようになっている。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、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。
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、インジェクタ28の開弁時点(ガス供給を開始する時点)における下流位置の圧力値(開弁時圧力値)を圧力センサ29で検出し、この開弁時圧力値に特定の補正圧力値ΔP1(図5(B)参照)を加えることにより、開弁時圧力値に補正処理を施す(検出値補正機能:B4)。本実施形態においては、燃料電池2の発電電流値と補正圧力値ΔP1との関係を表す特定のマップを用いて、補正圧力値ΔP1を算出している。このように制御部7で開弁時圧力値を補正することにより、燃料電池システム1の循環系における水素ガスの平均圧力値を推定(算出)することができ、この推定(算出)した循環系平均圧力値(補正後の値)を用いてインジェクタ28及び排気排水弁31を制御することができる。すなわち、制御部7は、本発明における制御手段として機能するものである。
Further, the
また、制御部7は、算出した目標圧力値と、開弁時圧力値に補正処理を施すことにより推定(算出)された循環系平均圧力値と、の偏差を算出する(圧力差算出機能:B5)。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)の値を算出する(補正流量算出機能:B6)。
Further, the
また、制御部7は、インジェクタ28の上流のガス状態(水素ガスの圧力及び温度)に基づいてインジェクタ28の上流の静的流量を算出する(静的流量算出機能:B7)。本実施形態においては、インジェクタ28の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御部7の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。
Further, the
また、制御部7は、インジェクタ28の上流のガス状態(水素ガスの圧力及び温度)及び印加電圧に基づいてインジェクタ28の無効噴射時間を算出する(無効噴射時間算出機能:B8)。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ28が制御部7から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ28の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御部7の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。
Further, the
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の噴射流量を算出し(噴射流量算出機能:B9)、インジェクタ28の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ28の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ28の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ28の総噴射時間を算出する(総噴射時間算出機能:B10)。そして、制御部7は、算出したインジェクタ28の総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。ここで、駆動周期とは、インジェクタ28の噴射孔の開閉状態を表す段状(オン・オフ)波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御部7により駆動周期を一定の値に設定している。
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(循環系平均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。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Q)を算出し(パージ量算出機能:B11)、算出したパージ量Qが所定の目標パージ量Q0以上であるか否かを判定する(パージ量偏差判定機能:B12)。そして、制御部7は、算出したパージ量Qが目標パージ量Q0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(パージ制御機能:B13)。
Further, the
ここで、制御部7のパージ量算出機能B11の詳細について説明する。インジェクタ28のフィードバック制御により、循環系平均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、循環系平均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:B11a)。本実施形態においては、パージに起因する圧力低下分と、この圧力低下分に対応する水素ガスの排出量と、の関係を表す特定の演算式を用いて、圧力変化対応流量Q1を算出している。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:B6)、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:B11b)。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(パージ量算出機能:B11)。
Here, the details of the purge amount calculation function B11 of the
続いて、図3及び図4のフローチャートと、図5及び図6のタイムチャートと、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。 Next, an operation method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described using the flowcharts of FIGS. 3 and 4 and the time charts of FIGS. 5 and 6.
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 fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from 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検出する(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、図5に示すように、圧力センサ29を用いてインジェクタ28の開弁時点における下流位置の圧力値(開弁時圧力値)を検出する(圧力値検出工程:S4)。次いで、制御部7は、圧力値検出工程S4で検出した開弁時圧力値に特定の補正圧力値ΔP1を加えることにより、開弁時圧力値に補正処理を施して循環系平均圧力値を推定(算出)する(検出値補正処理工程:S5)。
Next, as shown in FIG. 5, the
続いて、制御部7は、目標値算出工程S3で算出した目標圧力値と、検出値補正処理工程S5で推定(算出)した循環系平均圧力値と、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:S6)。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:S7)。
Subsequently, the
制御部7は、前記したフィードバック制御工程S9を実現させながら、パージ開始要求の有無を判定する(パージ判定工程:S8)。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、パージ判定工程S8で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:S12)。一方、制御部7は、パージ判定工程S8で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:S9)。図6(A)〜(C)に示されるように、パージ弁開放工程S9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、図3のフローチャートに示すように、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:S10)。ここで、図4のフローチャート及び図6のタイムチャートを用いて、パージ量推定工程S10について説明する。
As shown in the flowchart of FIG. 3, the
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循環系平均圧力値の低下分ΔP(図6(D)参照)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)。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循環系平均圧力値の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6(E)参照)を算出する(補正流量積算工程:S21)。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:S22)。
First, the
パージ量推定工程S10を経た後、制御部7は、推定し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:S11)。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S10及びパージ量判定工程S11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:S12)。
After a purge amount estimation step S10, 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、圧力センサ29によるガス圧力の検出のタイミングを、インジェクタ28の開弁時点(ガス供給を開始する時点)に限定するため、インジェクタ28の制御及び排気排水弁31の制御に用いられるガス圧力値の変動を抑制することができる。すなわち、インジェクタ28から供給されるガスの脈動の影響を抑制することができるので、インジェクタ28によるガス供給動作と、排気排水弁31からのガス排出動作と、の双方を安定させることが可能となる。
In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the timing of the gas pressure detection by 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、圧力センサ29による検出値(開弁時圧力値)を補正することによって得た適正な値(循環系平均圧力値)に基づいて、インジェクタ28及び排気排水弁31を制御するので、インジェクタ28によるガス供給動作及び排気排水弁31からのガス排出動作を一層安定させることが可能となる。
Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, based on an appropriate value (circulation system average pressure value) obtained by correcting the detection value (valve opening pressure value) 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7に示すように、燃料電池2に排出流路32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、前記実施形態と同様に、インジェクタ28の開弁時点におけるガス圧力値(開弁時圧力値)を検出し、この開弁時圧力値を補正して循環系平均圧力値を推定(算出)し、この循環系平均圧力値に基づいてインジェクタ28及び排気排水弁31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の発電電流値に基づいて、開弁時圧力値を補正するための補正圧力値ΔP1を設定した例を示したが、他の物理量(例えば、水素供給源21から供給される水素ガスの濃度、インジェクタ28の開弁時間、燃料電池2の電力値・発電電圧値等)に基づいて補正圧力値ΔP1を設定することもできる。
Moreover, in the above embodiment, based on the generated current value of the
また、以上の実施形態においては、インジェクタ28の開弁時点におけるガス圧力値(開弁時圧力値)を検出し、この開弁時圧力値を補正した例を示したが、図5に示すように、インジェクタ28の閉弁時点(ガス供給を停止する時点)におけるガス圧力値(閉弁時圧力値)を検出し、この閉弁時圧力値に補正処理を施すことにより循環系平均圧力値を得ることもできる。
In the above embodiment, the gas pressure value at the time of opening of the injector 28 (pressure value at the time of valve opening) is detected and the pressure value at the time of valve opening is corrected, but as shown in FIG. In addition, the gas pressure value (pressure value when the valve is closed) at the time when the
閉弁時圧力値に補正処理を施す際には、図5(B)に示すように、閉弁時圧力値から特定の補正圧力値ΔP2を減じる方法を採用することができる。補正圧力値ΔP2は、燃料電池2の発電状態を表す物理量(例えば発電電流値)と補正圧力値ΔP2との関係を表す特定のマップを用いて算出することができる。また、水素供給源21から供給される水素ガスの濃度やインジェクタ28の開弁時間に基づいて補正圧力値ΔP2を設定してもよい。
When the correction process is performed on the valve closing pressure value, as shown in FIG. 5B, a method of subtracting a specific correction pressure value ΔP 2 from the valve closing pressure value can be employed. The corrected pressure value ΔP 2 can be calculated using a specific map that represents the relationship between a physical quantity (for example, generated current value) representing the power generation state of the
また、図5(B)に示すように、閉弁時検出値の検出時より所定時間(TDLY)遅れて検出されることが想定される仮想検出値を算出し、この仮想検出値を循環系平均圧力値(補正後の値)として採用することもできる。仮想検出値を算出する際に使用される遅れ時間TDLYは、燃料電池2の発電状態を表す物理量(例えば発電電流値)と遅れ時間TDLYとの関係を表す特定のマップを用いて算出することができる。また、水素供給源21から供給される水素ガスの濃度やインジェクタ28の開弁時間に基づいて遅れ時間TDLYを設定してもよい。
Further, as shown in FIG. 5B, a virtual detection value that is assumed to be detected after a predetermined time (T DLY ) is detected from the time of detection of the valve closing detection value, and this virtual detection value is circulated. It can also be adopted as the system average pressure value (value after correction). The delay time T DLY used when calculating the virtual detection value is calculated using a specific map representing the relationship between the physical quantity (for example, the generated current value) representing the power generation state of 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、この位置における検出値を補正して得た循環系平均圧力値を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を補正して得た循環系平均圧力値と、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 circulation system average pressure value obtained by arranging 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にあるか、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、以上の実施形態においては、ガス状態センサとして、水素供給流路22におけるガス圧力を検出する圧力センサを採用した例を示したが、水素供給流路22におけるガス流量やガス温度を検出する流量センサや温度センサ等をガス状態センサとして採用することもできる。かかる場合には、流量センサや温度センサにより検出されたインジェクタ28開弁時点におけるガス流量やガス温度を補正して循環系平均ガス流量や循環系平均ガス温度を推定(算出)し、これら循環系平均ガス流量や循環系平均ガス温度(補正後の値)に基づいてインジェクタ28及び排気排水弁31を制御することができる。
Moreover, in the above embodiment, although the example which employ | adopted the pressure sensor which detects the gas pressure in the hydrogen
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(制御手段)、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(ガス状態センサ)、31…排気排水弁(排気弁)、32…排出流路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 7 ... Control part (control means), 21 ... Hydrogen supply source (fuel supply source), 22 ... Hydrogen supply flow path (supply flow path), 23 ... Circulation flow path (discharge) 28) Injector (variable gas supply device), 29 ... Pressure sensor (gas state sensor), 31 ... Exhaust drain valve (exhaust valve), 32 ... Discharge channel.
Claims (7)
前記制御手段は、前記可変ガス供給装置からのガス供給を開始する時点又はガス供給を停止する時点における前記検出値に基づいて、前記可変ガス供給装置及び前記排気弁を制御するものである、
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 A discharge passage for flowing the fuel off-gas discharged from the fuel cell, an exhaust valve for discharging the gas in the discharge passage to the outside, and a gas state for detecting a gas state in the supply passage A fuel cell system comprising: a sensor; and a control means for controlling the variable gas supply device and the exhaust valve based on a value detected by the gas state sensor,
The control means controls the variable gas supply device and the exhaust valve based on the detection value at the time when gas supply from the variable gas supply device is started or when gas supply is stopped.
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The control means corrects the detection value by the gas state sensor, and controls the variable gas supply device and the exhaust valve based on the corrected value.
The fuel cell system according to claim 1.
請求項2に記載の燃料電池システム。 The control means adds or subtracts a correction value set based on a power generation state of the fuel cell or a concentration of fuel gas supplied from the fuel supply source with respect to a detection value by the gas state sensor, thereby To obtain the corrected value,
The fuel cell system according to claim 2.
請求項2に記載の燃料電池システム。 The control means uses a fuel gas supplied from the power generation state of the fuel cell or the fuel supply source as a virtual detection value assumed to be detected after a predetermined time delay from the detection of the detection value by the gas state sensor. The calculated virtual detection value is used as the corrected value.
The fuel cell system according to claim 2.
前記制御手段は、前記インジェクタの開弁時間に基づいて、前記ガス状態センサでの検出値を補正するものである、
請求項2に記載の燃料電池システム。 The variable gas supply device is an injector,
The control means corrects a detection value of the gas state sensor based on a valve opening time of the injector.
The fuel cell system according to claim 2.
請求項5に記載の燃料電池システム。 The control means obtains the corrected value by adding or subtracting a correction value set based on the valve opening time of the injector to the detection value by the gas state sensor.
The fuel cell system according to claim 5.
請求項5に記載の燃料電池システム。
The control means calculates a virtual detection value that is assumed to be detected with a delay of a predetermined time from the detection value of the detection value by the gas state sensor based on the valve opening time of the injector, and the calculated virtual detection The value is the value after the correction,
The fuel cell system according to claim 5.
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