JP2009140658A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009140658A JP2009140658A JP2007313719A JP2007313719A JP2009140658A JP 2009140658 A JP2009140658 A JP 2009140658A JP 2007313719 A JP2007313719 A JP 2007313719A JP 2007313719 A JP2007313719 A JP 2007313719A JP 2009140658 A JP2009140658 A JP 2009140658A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- fuel cell
- valve
- injector
- supply
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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出弁を設け、この排出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, a discharge valve connected to the circulation flow path is provided with a discharge valve, and by opening and closing the discharge valve, the gas in the circulation flow path is discharged at regular intervals. A technique for purging (purge technique) has been proposed.
また、現在においては、排出弁(又はこれを含む流路)におけるガス漏れを検知するための技術が種々提案されている。例えば、近年においては、燃料電池への燃料ガス供給量と、燃料電池における燃料ガス消費量と、検知対象流路(排出弁を含む流路)内の燃料ガスの圧力変化と、に基づいてガス漏れ検知を行う技術が提案されている(特許文献1参照)。
ところで、燃料ガスの供給圧力を調整するための電磁式開閉弁を備える燃料電池システムにおいては、開閉弁の開閉動作に起因するノイズを低減させるために、低負荷運転時における開閉弁の駆動周期を通常運転時における駆動周期よりも長く設定する制御を実施する場合がある。このように開閉弁の駆動周期を長く設定すると、流路内における燃料ガスの圧力変化が大きくなるため、前記特許文献1に記載したような従来の技術を採用しても高精度なガス漏れ検知を実現させることが困難となる場合がある。 By the way, in a fuel cell system equipped with an electromagnetic on-off valve for adjusting the supply pressure of fuel gas, in order to reduce noise caused by the on-off operation of the on-off valve, the driving cycle of the on-off valve during low load operation is set. There is a case where control is set to be longer than the drive cycle during normal operation. If the drive cycle of the on-off valve is set to be long in this way, the change in the pressure of the fuel gas in the flow path becomes large. Therefore, even if the conventional technique as described in Patent Document 1 is adopted, highly accurate gas leak detection May be difficult to achieve.
また、前記した従来の技術を採用して高精度なガス漏れ検知を実現させようとすると、燃料電池の発電電流や流路内のガス圧力変化を常時監視する必要があり、制御がきわめて複雑になるという問題があった。 In addition, if the above-described conventional technology is used to achieve highly accurate gas leak detection, it is necessary to constantly monitor the power generation current of the fuel cell and the gas pressure change in the flow path, which makes the control extremely complicated. There was a problem of becoming.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給圧力を調整するための開閉弁と、システム内の不純物を外部に排出するための排出弁と、を備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な制御を採用しながら排出弁のガス漏れ検知精度を向上させ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 comprising an on-off valve for adjusting the supply pressure of fuel gas and a discharge valve for discharging impurities in the system to the outside An object of the present invention is to improve the accuracy of gas leak detection of the discharge valve while adopting relatively simple control.
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、燃料電池から排出される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出弁と、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ように所定の駆動周期で駆動制御される開閉弁と、を備える燃料電池システムにおいて、開閉弁の一駆動周期間における開閉弁下流側のガス状態に基づいて排出弁からのガス漏れを検知するガス漏れ検知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 comprises a fuel cell, a supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a gas discharged from the fuel cell. A discharge channel for flowing, a discharge valve for discharging the gas in the discharge channel to the outside, and a predetermined driving cycle so as to adjust the gas state on the upstream side of the supply channel and supply it to the downstream side A fuel cell system comprising a gas leakage detection means for detecting gas leakage from the discharge valve based on a gas state downstream of the on-off valve during one drive cycle of the on-off valve It is.
かかる構成を採用すると、開閉弁の一駆動周期間における開閉弁下流側のガス状態に基づいて、排出弁からのガス漏れを検知することができる。開閉弁の一駆動周期間においては、ガス漏れ検知のために必要なガス状態を精度良く検出(算出)することができるため、比較的簡易な制御でガス漏れ検知精度を高め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する。また、「開閉弁下流側のガス状態」には、開閉弁から燃料電池へのガス供給量、燃料電池におけるガス消費量、供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値等が含まれるものとする。 When such a configuration is adopted, it is possible to detect a gas leak from the discharge valve based on the gas state downstream of the opening / closing valve during one driving cycle of the opening / closing valve. Since the gas state necessary for gas leak detection can be detected (calculated) with high accuracy during one drive cycle of the on-off valve, the gas leak detection accuracy can be increased with relatively simple control. . The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, or the like. The “gas state downstream of the on-off valve” includes the amount of gas supplied from the on-off valve to the fuel cell, the amount of gas consumed in the fuel cell, the gas pressure value on the downstream side of the on-off valve of the supply channel, etc. To do.
前記燃料電池システムにおいて、駆動周期毎に駆動許可指令を送出して開閉弁を駆動制御する制御手段を備えるとともに、駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始するガス漏れ検知手段を採用することができる。 The fuel cell system includes a control unit that controls driving of the on-off valve by sending a drive permission command for each drive cycle, and employs a gas leak detection unit that starts gas leak detection from the time when the drive permission command is sent. can do.
また、前記燃料電池システムにおいて、一駆動周期間におけるガス供給量(開閉弁から燃料電池へのガス供給量)から、一駆動周期間におけるガス消費量(燃料電池におけるガス消費量)と、ガス圧力値(供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値)から算出される流路内のガス残存量と、を減算することによりガス漏れ量を算出し、算出したガス漏れ量が所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定するガス漏れ検知手段を採用することができる。 In the fuel cell system, the gas supply amount (gas supply amount from the on-off valve to the fuel cell) during one driving cycle, the gas consumption amount (gas consumption amount in the fuel cell) during one driving cycle, and the gas pressure The gas leakage amount is calculated by subtracting the gas remaining amount in the flow path calculated from the value (the gas pressure value downstream of the on-off valve of the supply flow path), and the calculated gas leakage amount reaches a predetermined threshold value. A gas leak detection means that determines that a gas leak has occurred when the value exceeds the limit can be employed.
また、前記燃料電池システムにおいて、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過した時点におけるガス圧力値(供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値)が所定圧力値に達しない場合に、ガス漏れが発生したものと判定するガス漏れ検知手段を採用することもできる。 Further, in the fuel cell system, when the gas pressure value (the gas pressure value on the downstream side of the on-off valve of the supply channel) does not reach the predetermined pressure value when the predetermined time has elapsed from the gas leak detection start time, It is also possible to employ a gas leak detection means that determines that the gas has occurred.
かかる構成を採用すると、開閉弁下流側におけるガス圧力値が、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過しても上昇しない(所定圧力値に達しない)場合に、排出弁からのガス漏れ量が開閉弁からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定することができる。 When this configuration is adopted, the gas leak amount from the discharge valve opens and closes when the gas pressure value on the downstream side of the on-off valve does not increase (not reach the predetermined pressure value) even after a predetermined time has elapsed since the start of gas leak detection. It is estimated that the amount of gas supplied from the valve is exceeded, and it can be determined that a gas leak has occurred.
また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを開閉弁として採用することができる。 In the fuel cell system, an injector can be employed as an on-off valve.
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高精度に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 with high accuracy.
本発明によれば、燃料ガスの供給圧力を調整するための開閉弁と、システム内の不純物を外部に排出するための排出弁と、を備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な制御を採用しながら排出弁のガス漏れ検知精度を向上させることが可能となる。 According to the present invention, a relatively simple control is employed in a fuel cell system including an on-off valve for adjusting the supply pressure of fuel gas and a discharge valve for discharging impurities in the system to the outside. However, it is possible to improve the gas leak detection accuracy of the discharge 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 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〜図3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、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、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、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、システムの電力を充放電する電力系6、システム全体を統括制御する制御部7等を備えている。
First, the structure of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidizing gas and fuel gas), and air as oxidizing gas to the fuel cell 2. Supplying oxidant
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 fuel cell 2 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The unit cell of the fuel cell 2 has a pair of separators having an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and further sandwiching the air electrode and the fuel electrode from both sides. have. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell 2 generates electric power by this gas supply. The fuel cell 2 is provided with a
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、高圧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により最終的に所定の低圧まで減圧されて、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及び温度を検出する圧力センサ29及び図示していない温度センサが設けられている。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、各種制御に用いられる。
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。
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。
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内のガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される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出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 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、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。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:B3)。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:B4)。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:B5)。
The
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。この際、制御部7は、駆動周期毎に駆動許可指令(開弁指令)を送出してインジェクタ28を駆動制御する。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。なお、駆動周期とは、図3(A)に示すように、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t0を意味する。本実施形態においては、システムの運転状態と駆動周期との関係を表す特定のマップを用いて、制御部7の演算周期毎に駆動周期を算出して更新することとしている。
Then, 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からのガスのパージ量(総排出量)Qを算出し(パージ量算出機能:B6)、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:B7)。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:B8)。
Further, the
また、制御部7は、インジェクタ28下流側のガス状態に基づいて、排気排水弁31からのガス漏れを検知する。具体的には、制御部7は、所定検出時間t内におけるインジェクタ28から燃料電池2への水素ガスの噴射総量(ガス供給量QINJ)から、所定検出時間t内における燃料電池2における水素ガスの消費総量(ガス消費量QFC)と、インジェクタ28の下流側における水素ガスの圧力値から算出される循環系流路内のガス残存量QΔPと、を減算することによりガス漏れ量QLを算出し、算出したガス漏れ量QLが所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定する(ガス漏れ検知機能:B9)。すなわち、制御部7は、本発明におけるガス漏れ検知手段としても機能する。
Further, the
ここで、所定検出時間t(s)内におけるガス供給量QINJ(NL/min)、ガス消費量QFC(NL/min)及びガス残存量QΔP(NL/min)は、各々、以下の式(A)〜式(C)により算出される。また、所定検出時間t(s)内におけるガス漏れ量QL(NL/min)は、式(D)により算出される。 Here, the gas supply amount Q INJ (NL / min), the gas consumption amount Q FC (NL / min), and the residual gas amount QΔ P (NL / min) within the predetermined detection time t (s) are as follows: It is calculated by formula (A) to formula (C). Further, the gas leakage amount Q L (NL / min) within the predetermined detection time t (s) is calculated by the equation (D).
式(A)において、Nはインジェクタ28の噴射回数を意味し、VINJ(NL/噴射)はインジェクタ28の各噴射時(各駆動周期)における噴射量を意味する。式(B)において、tC(s)は制御部7の制御周期(tC<t0)を意味し、VFC(NL/tC )は制御部7の各制御周期tC(s)における水素ガスの消費量を意味する。式(C)において、k(=1/101.3)は単位変換係数を意味し、V(L)は循環系流路の体積(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、から構成される流路の体積)を意味し、T(℃)は水素供給流路22のインジェクタ28下流側における水素ガスの温度を意味する。また、式(C)において、P1(kPa.abs)は所定検出時間tの開始時点において圧力センサ29で検出したインジェクタ28下流側における水素ガスの圧力値を意味し、P2(kPa.abs)は所定検出時間tの終了時点において圧力センサ29で検出したインジェクタ28下流側における水素ガスの圧力値を意味する。
In the formula (A), N means the number of injections of the
本実施形態における制御部7は、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始し、インジェクタ28の一駆動周期t0間において排気排水弁31からのガス漏れを検知する。具体的には、制御部7は、図3(A)〜(C)に示すように、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点(駆動周期t0の開始時点)から駆動周期t0の終了時点までガス供給量QINJ及びガス消費量QFCの算出を行う。また、制御部7は、図3(A)及び図3(D)に示すように、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点(駆動周期t0の開始時点)と、駆動周期t0の終了時点と、の双方においてインジェクタ28の下流側圧力P1、P2を検出し、これらの値を用いて循環系流路内のガス残存量QΔPの算出を行う。そして、駆動周期t0におけるガス漏れ量QLを算出してガス漏れ判定を行う。
The
図3(D)に示すように、駆動周期t0の開始時点及び終了時点におけるインジェクタ28の下流側圧力P1、P2は略同一の値となるため、これらの値を用いて式(C)に基づいて算出されるガス残存量QΔPの値は略零となる。従って、検出時間の開始時点及び終了時点におけるインジェクタ28の下流側圧力の偏差に起因したガス漏れ量QLの算出誤差を、極力抑えることができる。制御部7は、このようにインジェクタ28の一駆動周期t0間において排気排水弁31からのガス漏れを検知するため、ガス漏れ量QLを精確に算出することができ、ガス漏れ判定精度を向上させることができる。
As shown in FIG. 3D, since the downstream pressures P 1 and P 2 of the
また、制御部7は、ガス漏れ検知開始時点から所定時間(例えば数秒間)経過した時点におけるインジェクタ28の下流側の圧力値が所定圧力値に達しない場合には、排気排水弁31からのガス漏れ量がインジェクタ28からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定する。
In addition, when the pressure value on the downstream side of the
続いて、図4のフローチャートを用いて、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 flowchart of FIG.
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からのガス漏れを検知する。
During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the
まず、図4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を算出する(目標圧力値算出工程:S3)。
First, as shown in the flowchart of FIG. 4, 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、目標圧力値算出工程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)を算出し、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(噴射流量算出工程:S5)。そして、制御部7は、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(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、排気排水弁31からのガス漏れを検知する。制御部7は、ガス漏れ検知が可能か否かを判定する(漏れ検知許可判定工程:S7)。本実施形態においては、インジェクタ28の駆動許可指令が送出され、かつ、インジェクタ28の下流側における水素ガスの圧力値が所定の基準圧力値(例えば図3(D)におけるP0)を所定時間継続して下回った場合に、ガス漏れ検知が可能であると判定する。
The
制御部7は、漏れ検知許可判定工程S7においてガス漏れ検知が不能であると判定した場合には、それ以降の工程を経ることなく制御動作を終了する。一方、制御部7は、漏れ検知許可判定工程S7においてガス漏れ検知が可能であると判定した場合には、インジェクタ28の駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始し、インジェクタ28の一駆動周期t0間におけるガス漏れ量QL(ガス供給量QINJ、ガス消費量QFC、ガス残存量QΔP)を算出する(ガス漏れ量算出工程:S8)。そして、制御部7は、算出したガス漏れ量QLが所定の閾値を上回るか否か、又は、インジェクタ28の下流側圧力値が所定圧力値に達しない状態(圧力低下状態)がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続したか否か、を判定する(ガス漏れ判定工程:S9)。
When it is determined that the leak detection is not possible in the leak detection permission determination step S7, the
制御部7は、ガス漏れ判定工程S9において、ガス漏れ量QLが所定の閾値を上回る(又は圧力低下状態がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続する)ものと判定した場合には、排気排水弁31においてガス漏れが発生したものと判定して所定の処理を行い(ガス漏れ処理工程:S10)、制御動作を終了する。一方、制御部7は、ガス漏れ判定工程S9において、ガス漏れ量QLが所定の閾値以下であり、かつ、圧力低下状態がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続していないものと判定した場合には、排気排水弁31においてガス漏れは発生していないと判定し、そのまま制御動作を終了する。
When 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の一駆動周期間におけるインジェクタ28下流側のガス状態に基づいて、排気排水弁31からのガス漏れを検知することができる。インジェクタ28の一駆動周期間においては、ガス漏れ検知のために必要なガス状態を精度良く検出(算出)することができるため、比較的簡易な制御でガス漏れ検知精度を高めることが可能となる。
In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, it is possible to detect a gas leak from the exhaust /
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、インジェクタ28下流側におけるガス圧力値が、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過しても上昇しない(所定圧力値に達しない)場合に、排気排水弁31からのガス漏れ量がインジェクタ28からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定することができる。
Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, when the gas pressure value on the downstream side of the
なお、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。
In the above embodiment, an example in which 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や目標圧力値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や目標圧力値を設定してもよい。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。 Moreover, in the above embodiment, although the example which set the hydrogen consumption and the target pressure value based on the electric power generation current value of the fuel cell 2 was shown, the other physical quantity (fuel cell 2 which shows the driving | running state of the fuel cell 2 was shown. The generated voltage value, the generated power value, the temperature of the fuel cell 2, etc.) may be detected, and the hydrogen consumption amount or the target pressure value may be set according to the detected physical quantity. Further, whether the fuel cell 2 is in a stopped state, in an operating state at the time of startup, in an operating state immediately before entering an intermittent operation, in an operating state immediately after recovering from an intermittent operation, or in a normal operating state It is also possible for the control unit to determine whether or not there is an operating state, and to set a hydrogen consumption amount or the like according to these operating states.
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, an example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle has been shown. 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、ガス漏れ検知手段)、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(開閉弁)、31…排気排水弁(排出弁)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 7 ... Control part (control means, gas leak detection means), 21 ... Hydrogen supply source (fuel supply source), 22 ... Hydrogen supply flow path (supply flow path), 23 ... Circulating flow path (discharge flow path), 28... Injector (open / close valve), 31... Exhaust drain valve (discharge valve).
Claims (5)
前記開閉弁の一駆動周期間における前記開閉弁下流側のガス状態に基づいて前記排出弁からのガス漏れを検知するガス漏れ検知手段を備える、
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; a discharge channel for flowing gas discharged from the fuel cell; A fuel cell comprising: a discharge valve for discharging gas to the outside; and an on-off valve that is driven and controlled at a predetermined drive cycle so as to adjust the gas state upstream of the supply flow path and supply the gas downstream. In the system,
Gas leak detection means for detecting a gas leak from the discharge valve based on a gas state downstream of the on-off valve during one drive cycle of the on-off valve,
Fuel cell system.
前記ガス漏れ検知手段は、前記駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始するものである、
請求項1に記載の燃料電池システム。 A control means for driving and controlling the on-off valve by sending a drive permission command for each drive cycle;
The gas leak detection means starts gas leak detection from the time when the drive permission command is sent.
The fuel cell system according to claim 1.
前記ガス漏れ検知手段は、前記一駆動周期間における前記ガス供給量から、前記一駆動周期間における前記ガス消費量と、前記ガス圧力値から算出される流路内のガス残存量と、を減算することによりガス漏れ量を算出し、算出したガス漏れ量が所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定するものである、
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 The gas state downstream of the on-off valve includes a gas supply amount from the on-off valve to the fuel cell, a gas consumption amount in the fuel cell, and a gas pressure value on the downstream side of the on-off valve of the supply passage. Including
The gas leak detection means subtracts the gas consumption amount during the one driving cycle and the residual gas amount in the flow path calculated from the gas pressure value from the gas supply amount during the one driving cycle. Calculating the amount of gas leakage, and determining that a gas leakage has occurred when the calculated amount of gas leakage exceeds a predetermined threshold,
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The gas leak detection means determines that a gas leak has occurred when the gas pressure value at the time when a predetermined time has elapsed from the gas leak detection start time does not reach the predetermined pressure value.
The fuel cell system according to claim 3.
請求項1から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The on-off valve is an injector;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007313719A JP2009140658A (en) | 2007-12-04 | 2007-12-04 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007313719A JP2009140658A (en) | 2007-12-04 | 2007-12-04 | Fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009140658A true JP2009140658A (en) | 2009-06-25 |
Family
ID=40871095
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007313719A Pending JP2009140658A (en) | 2007-12-04 | 2007-12-04 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009140658A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013519984A (en) * | 2010-02-19 | 2013-05-30 | テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク | Method and system for purifying a gas stream for a solid oxide battery |
-
2007
- 2007-12-04 JP JP2007313719A patent/JP2009140658A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013519984A (en) * | 2010-02-19 | 2013-05-30 | テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク | Method and system for purifying a gas stream for a solid oxide battery |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5224082B2 (en) | Fuel cell system and drainage control method thereof | |
JP5446023B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4993293B2 (en) | Fuel cell system and moving body | |
JP4359856B2 (en) | Fuel cell system and moving body | |
JP2007305563A (en) | Fuel cell system, and method for estimating exhaust gas amount | |
JP4883360B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007165237A (en) | Fuel cell system and mobile body | |
JP2008053122A (en) | Fuel cell system and diagnostic method of opening/closing valve | |
JP2009123661A (en) | Fuel cell system | |
JP5229528B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5158558B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2008041329A (en) | Fuel cell system | |
JP2008130442A (en) | Fuel cell system | |
JP5070794B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5376390B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5013307B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5077636B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007317597A (en) | Fuel cell system and diagnostic method of closing valve | |
JP5109280B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5136874B2 (en) | Fuel cell system and exhaust valve abnormality determination method | |
JP2008084603A (en) | Fuel cell system and its purging method | |
JP5013171B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2009021025A (en) | Fuel cell system and mobile unit | |
JP4941641B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2008218034A (en) | Fuel cell system and method of controlling the same |