JP2009140746A - Fuel cell system, and control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
従来より、燃料極に燃料ガス(例えば、水素)が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス(例えば、空気)が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。 Conventionally, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas (for example, air) is supplied to the oxidant electrode, and these gases are reacted electrochemically to generate power. There is known a fuel cell system including a fuel cell for performing the above.
例えば、特許文献1には、燃料電池の劣化抑制の観点から、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の酸化剤極における酸素を消費させて、水素および不活性ガス(例えば、窒素)に置換する停止処理を行う手法が開示されている。
ところで、特許文献1に開示された手法によれば、停止期間に、酸化剤極に存在する燃料ガスが、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路に拡散してしまう可能性がある。酸化剤ガス流路には、酸化剤ガスの流量を検出すべく、流路内に設けられた検出素子に通電することにより動作する流量検出手段が設けられているが、システムの起動時に、拡散した水素が検出手段の周囲に高濃度で存在している可能性がある。
By the way, according to the technique disclosed in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化剤ガス流路に拡散した水素が、酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段の周囲に存在するといった事態を抑制することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to suppress a situation in which hydrogen diffused in the oxidant gas flow path exists around the flow rate detection means for detecting the flow rate of the oxidant gas. There is.
かかる課題を解決するために、本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス流路は、互いに独立した第1の流路部および第2の流路部を含み、これらの流路部が合流した後に燃料電池に通じている。この空気流路には、第1の流路部および第2の流路部のいずれか一方を遮断可能な遮断手段が設けられている。また、遮断手段よりも上流側であって第1の流路部には、通電状態においてこの流路部(第1の流路部)を流れる酸化剤ガスの流量を検出する第1の流量検出手段が設けられており、また、遮断手段よりも上流側であって第2の流路部には、通電状態においてこの流路(第2の流路部)を流れる酸化剤ガスの流量を検出する第2の流量検出手段が設けられている。 In order to solve this problem, in the fuel cell system of the present invention, the oxidant gas flow path includes a first flow path section and a second flow path section independent from each other, and these flow path sections merge. Later, it leads to a fuel cell. The air flow path is provided with a blocking means capable of blocking either the first flow path portion or the second flow path portion. Further, a first flow rate detection that detects the flow rate of the oxidant gas that flows through the flow path portion (first flow path portion) in an energized state in the first flow path portion upstream of the blocking means. Means are provided, and the flow rate of the oxidant gas flowing through the flow path (second flow path portion) in the energized state is detected in the second flow path portion upstream of the blocking means. Second flow rate detecting means is provided.
本発明によれば、遮断手段によって、第1および第2の流路部を選択的に遮断することができる。そのため、停止期間中に、燃料電池側から燃料ガスが拡散してきた場合であっても、遮断された側の流路部にある流量検出手段へと到達する燃料ガス量が抑制される。これにより、流量検出手段の周囲に燃料ガスが高濃度で存在してしまうといった事態を抑制することができる。また、システムの起動時に、その周囲の高濃度の燃料ガスが存在している状態で、流量検出手段が通電されるといった事態を抑制することができる。よって、起動時の安全性を高めることができる。 According to the present invention, the first and second flow path portions can be selectively blocked by the blocking means. Therefore, even when the fuel gas has diffused from the fuel cell side during the stop period, the amount of fuel gas that reaches the flow rate detecting means in the flow path portion on the blocked side is suppressed. As a result, it is possible to suppress a situation in which the fuel gas exists at a high concentration around the flow rate detection means. Further, it is possible to suppress a situation in which the flow rate detecting means is energized in the state where the high-concentration fuel gas is present at the time of starting the system. Therefore, the safety at the time of starting can be improved.
図1は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。 FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle that is a moving body, and the vehicle is driven by electric power supplied from the fuel cell system.
燃料電池システムは、燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セルを積層して構成されている。個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜の両面に触媒(例えば、白金)層を設け、この触媒層を介して燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成される。燃料電池スタック1は、個々の燃料電池セルにおいて、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
The fuel cell system includes a
燃料電池システムは、燃料電池スタック1に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック1に空気を供給するための空気系とをさらに有している。
The fuel cell system further includes a hydrogen system for supplying hydrogen to the
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク10(例えば、高圧水素ボンベ)に貯蔵されており、この燃料タンク10から水素供給流路L1を介して燃料電池スタック1に供給される。具体的には、燃料タンク10の下流には燃料タンク元バルブ(図示せず)が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク10からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ(図示せず)によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ11によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック1に供給される。燃料電池スタック1に供給される水素圧力は、水素調圧バルブ11の開度を制御することによって調整することができる。
In the hydrogen system, hydrogen, which is a fuel gas, is stored in a fuel tank 10 (for example, a high-pressure hydrogen cylinder), and is supplied from the
燃料極からの排出ガス(未使用の水素を含むガス)は、燃料電池スタック1から水素循環流路L2に排出される。この水素循環流路L2は、他方の端部が水素調圧バルブ11よりも下流側の水素供給流路L1に接続されており、水素循環流路L2には、例えば、水素循環ポンプ12といったガス循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ12を駆動することにより、燃料極からの排出ガスが、水素循環流路L2を介して燃料電池スタック1へと循環させられる。
Exhaust gas from the fuel electrode (gas containing unused hydrogen) is discharged from the
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路L2内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック1からの出力が低下するといった不都合が生じるため、燃料極を含む水素循環流路L2内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路L2には、循環ガスを外部に排出するパージ流路L3が設けられている。パージ流路L3には、パージバルブ13が設けられており、このパージバルブ13の開き量を調整することにより、パージ流路L3を介して外部に排出される窒素量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路L2内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。また、パージ流路L3には、水素燃焼器14が設けられており、この水素燃焼器14により、ガス中に含まれる水素が燃焼処理される。
By the way, in the case of using air as the oxidant gas, since impurities in the air permeate from the oxidant electrode to the fuel electrode, the impurities in the hydrogen circulation passage L2 including the fuel electrode increase and the hydrogen partial pressure decreases. Tend to. Here, the impurity is a non-fuel gas component other than hydrogen which is a fuel gas, and a typical example is nitrogen. If the amount of nitrogen is excessively increased, the output from the
空気系において、酸化剤ガスである空気は、吸気モジュール20を介して大気がコンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)30によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路L4を介して燃料電池スタック1に供給される。酸化剤極からの排出ガス(酸素が消費された空気)は、空気排出流路L5を介して外部に排出される。空気排出流路L5には、燃料電池スタック1へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ31が設けられている。
In the air system, the air, which is an oxidant gas, is pressurized when the atmosphere is taken in by the compressor (oxidant gas supply means) 30 via the
図2は、吸気モジュール20の構成を模式的に示す説明図である。吸気モジュール20は、吸気ダクト21と、レゾネータ22と、フィルタ23と、分流ユニット24と、サイレンサ25とを主体に構成されており、これらの個々の要素により空気供給流路L4を介して燃料電池スタック1に通じる空気流路が構成されている。吸気ダクト21から取り込まれた外気(空気)は、レゾネータ22が取り付けられた導管を経由してフィルタ23へと導かれる。フィルタ23の後段には分流ユニット24、サイレンサ25が順次設けられており、フィルタ23を通過した空気は、分流ユニット24およびサイレンサ25を通過し、サイレンサ25に接続する空気供給流路L4へと導入される。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the
吸気ダクト21は、空気をフィルタ23へと導くダクト(導管)である。レゾネータ22は、所定の空間を有する箱体で構成されており、この空間を共鳴空間として利用して吸気音の低減を図る機能を担っている。フィルタ23は、空気中の比較的粗いダストを捕捉するダストフィルタと、空気中の化学物質(NOxやSOx等)を除去するケミカルフィルタとで構成されており、これらのフィルタがケース内に収容されている。導入された空気は、ダストや燃料電池の触媒を劣化させるガスがフィルタによって浄化される。分流ユニット24は、通過する空気を分流して流す機能を担っており、その詳細については後述する。サイレンサ25は、グラスウール等の吸音材または吸音構造により吸気騒音を吸収する。
The
図3は、分流ユニット24の構成を上方より示す模式図である。分流ユニット24は、円筒形状の本体部によって空気流路の一部が構成されており、その本体部の内部中央位置には、空気の流れ方向(流路の軸方向)に延在する板状の分割板24aが配置されている。この分割板24aによって本体部の流路が2つの並列空間に分割され、互いに独立した2つの流路部(第1および第2の流路部)A,Bが構成される。第1および第2の流路部A,Bには、後述するように、当該流路を流れる流量センサ41,42が設けられている。なお、本実施形態では、分割板24aは、分流ユニット24のみならず、その上流側に位置するフィルタ23内の流路も分割するように構成されている。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the
分割板24aの終端(下流側の端部)おいて、第1および第2の流路部A,Bとが合流しており、当該終端には、本体部の断面形状と対応した半円形の弁体を備える開閉バルブ(遮断手段)24bが配置されている。この開閉バルブ24bは、図示しないアクチュエータを駆動させて弁体を動作させることにより、第1の流路部Aまたは第2の流路部Bの開口面積を調整する機能を担っており、これにより、第1の流路部Aおよび第2の流路部Bのいずれか一方を遮断することができる。また、分流ユニット24の下流側には、具体的には、開閉バルブ24bよりも下流側には、開閉バルブ24bの下流において発生する乱流を抑制する乱流抑制手段としての乱流抑制装置24cが設けられている。
At the end (downstream end) of the dividing
図4は、開閉バルブ24bの動作を模式的に示す説明図である。開閉バルブ24bの弁体を第1の流路部A側へと動作させた場合、弁体は第1の流路部Aの流れに直行する位置まで可動する(第1の最大可動位置)。この場合、弁体によって第1の流路部Aが遮断(閉塞)され(同図(a)参照)、第2の流路部Bのみが開放された状態となり、第2の流路部Bにのみ空気が流れる。一方、開閉バルブ24bの弁体を第2の流路部B側へと動作させた場合、弁体は第2の流路部Bの流れに直行する位置まで可動する(第2の最大可動位置)。この場合、弁体によって第2の流路部Bが遮断(閉塞)され(同図(b)参照)、第1の流路部Aのみが開放された状態となり、第1の流路部Aにのみ空気が流れる。
FIG. 4 is an explanatory view schematically showing the operation of the on-off
これに対して、開閉バルブ24bの弁体を中立位置、すなわち、分割板24aと平行な状態へと動作させた場合、第1および第2の流路部A,Bがそれぞれ開放される(同図(a)参照)。この場合は、第1および第2の流路部A,Bにそれぞれ空気が流れる。また、開閉バルブ24bの弁体を第1の最大可動位置から中立位置の間で動作させた場合には、弁体によって第1の流路部Aの開口面積が部分的に遮断される。これにより、当該第1の流路部Aの流れを部分的に規制することができる。同様に、開閉バルブ24bの弁体を第2の最大可動位置から中立位置の間で動作させた場合には、弁体によって第2の流路部Bの開口面積が部分的に遮断され、これにより、第2の流路部Bの流れを部分的に規制することができる。
On the other hand, when the valve body of the on-off
再び図1を参照するに、燃料電池スタック1には、電力取出装置2が接続されている。この電力取出装置2は、後述する制御部40によって制御され、燃料電池スタック1において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ3などに供給する。
Referring again to FIG. 1, a power extraction device 2 is connected to the
制御部40は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック1の運転状態を制御する。制御部40としては、CPU、ROM、RAM、I/Oインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部40は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ(図示せず)に出力し、水素調圧バルブ11、水素循環ポンプ12、パージバルブ13、コンプレッサ30、空気調圧バルブ31、電力取出装置2といった種々の要素を制御する。
The
制御部40には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。第1の流量センサ(第1の流量検出手段)41は、図3に示すように、分流ユニット24における一方の流路である第1の流路部Aに設けられており、この流路部Aを流れる空気の流量を検出する。第2の流量センサ(第2の流量検出手段)42は、図3に示すように、分流ユニット24における他方の流路である第2の流路部Bに設けられており、この流路部Bを流れる空気の流量を検出する。個々の流量センサ41,42としては、発熱抵抗式の流量センサを用いることができる。この発熱抵抗式の流量センサは、通過空気の温度を検出する感温抵抗体に対し、発熱抵抗体の温度を所定温度高くなるように発熱抵抗体に流れる電流を制御して、この発熱抵抗体に流れる電流から空気流量を検出する。
Sensor signals from various sensors and the like are input to the
本実施形態との関係において、制御部40は、システムの運転状況に応じて、分流ユニット24における開閉バルブ24bの動作状態を制御するとともに、第1の流量センサ41および第2の流量センサ42の通電状態を制御する。
In relation to the present embodiment, the
図5は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、車両のイグニッションスイッチのオン信号の入力とともに呼び出され、制御部40によって実行される起動から停止までの一連の処理手順を示すものである。なお、この処理を行う前提において、すなわち、システム停止中において、開閉バルブ24bは、第1の最大可動位置に制御されており、弁体によって第1の流路部Aが遮断(閉塞)されている。
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. The process shown in this flowchart is called together with the input of an on signal of the ignition switch of the vehicle, and shows a series of processing procedures from start to stop executed by the
まず、ステップ1(S1)において、開閉バルブ24bのポジション制御が行われる。具体的には、制御部40は、開閉バルブ24bを第2の最大可動位置へと制御する。これにより、第1の流路部Aが開放されるともに、第2の流路部Bが遮断される。
First, in step 1 (S1), the position control of the on-off
ステップ2(S2)において、反応ガス、すなわち、水素および酸素の供給が開始される。これとともに、制御部40は、コンプレッサ30の回転数の上昇を開始する。そして、ステップ3(S3)において、第1の流量センサ41が通電される。
In Step 2 (S2), supply of the reaction gas, that is, hydrogen and oxygen is started. At the same time, the
ステップ3に続くステップ4(S4)において、上昇したコンプレッサ30の回転数が、後述する第1回転数判定値Rth1に到達したか否かが判断される。コンプレッサ30の回転数は、センサ等を用いて実際に検出してもよいが、コンプレッサ30に対する回転数指令値を参照することでもよい。このステップ4において肯定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第1回転数判定値Rth1に到達した場合には、ステップ5(S5)に進む。一方、ステップ4において否定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第1回転数判定値Rth1に到達していない場合には、所定の時間後にステップ4の処理を再度実行する。
In step 4 (S4) following step 3, it is determined whether or not the increased rotational speed of the
ステップ5において、開閉バルブ24bのポジション制御が行われる。具体的には、制御部40は、コンプレッサ30の回転数をモニタリングしつつ、第2回転数判定値Rth2へと到達するタイミングにおいて開閉バルブ24bの弁体が中立位置へと復帰するように、現在の回転数と第2回転数判定値Rth2との差に応じて、第2の最大可動位から中立位置までの間における開閉バルブ24bの弁体の位置を制御する。ここで、第2回転数判定値Rth2は、上述した第1回転数判定値Rth2よりも大きな値に設定されており、その詳細については後述する。
In step 5, position control of the opening /
ステップ6(S6)において、上昇したコンプレッサ30の回転数が、第2回転数判定値Rth2に到達したか否かが判断される。このステップ6において肯定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第2回転数判定値Rth2に到達した場合には、ステップ7(S7)に進む。一方、ステップ6において否定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第2回転数判定値Rth2に到達していない場合には、所定の時間後にステップ5の処理を再度実行する。
In step 6 (S6), it is determined whether or not the increased rotational speed of the
ステップ7(S7)において、第2の流量センサ42を通電するか否かが判断される。制御部40は、第1の流量センサ41の検出結果に基づいて、第2の流路部Bを開放したタイミングから第2の流路部Bを流れた空気の流量を推定し、この推定結果に基づいて、第2の流量センサ42の通電を許可するか否かを判定する。具体的には、制御部40は、第2の流路部Bおよびこの第2の流路部Bよりも上流側の流路を含む容積に対応する量の空気が流れた場合に、第2の流量センサ42への通電許可を判定する。なお、本実施形態では、第1の流路部Aと第2の流路部Bとに関する流路形状および断面積が対応しているため、第1の流量センサ41の検出値から、第2の流路部Bを流れる空気流量を一義的に推定することができる。ただし、第1の流路部Aと第2の流路部Bとに関する流路形状および断面積が相違する場合であっても、単位時間辺りの流量比を予め取得しておくことにより、第1の流量センサ41の検出値から、第2の流路部Bを流れる空気流量を特定することができる。
In step 7 (S7), it is determined whether or not the
このステップ7において肯定判定された場合には、第2の流量センサ42を通電した後に、ステップ8(S8)に進む。一方、ステップ7において否定判定された場合には、所定の時間後にステップ7の処理を再度実行する。
If an affirmative determination is made in
ステップ8では、コンプレッサ30の回転数が低下して、第2回転数判定値Rth2に到達したか否かが判断される。このステップ8において肯定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第2回転数判定値Rth2に到達した場合には、ステップ9(S9)に進む。一方、ステップ8において否定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第2回転数判定値Rth2に到達していない場合には、所定の時間後にステップ8の処理を再度実行する。
In step 8, it is determined whether or not the rotational speed of the
ステップ9において、開閉バルブ24bのポジション制御が行われる。具体的には、制御部40は、コンプレッサ30の回転数をモニタリングしつつ、第1回転数判定値Rth1へと到達するタイミングにおいて開閉バルブ24bの弁体が第2の最大稼働位置へと動作するように、現在の回転数と第1回転数判定値Rth1との差に応じて、中立位置から第2の最大可動位までの間における開閉バルブ24bの弁体の位置を制御する。
In step 9, position control of the opening /
ステップ10では、コンプレッサ30の回転数が低下して、第1回転数判定値Rth1に到達したか否かが判断される。このステップ10において肯定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第1回転数判定値Rth1に到達した場合には、ステップ11(S11)に進む。一方、ステップ10において否定判定された場合、すなわち、コンプレッサ30の回転数が第1回転数判定値Rth1に到達していない場合には、所定の時間後にステップ9の処理を再度実行する。
In
ステップ11において、システム停止するか否かが判断される。この判断により、システムを完全に停止するようなシーンであるのか、それとも、燃料電池スタック1の発電を一時的に停止するアイドルストップのようなシーンであるのかが判断される。このステップ11において肯定判定された場合、すなわち、システムを停止するシーンである場合には、ステップ12(S12)に進む。一方、ステップ11において否定判定された場合、すなわち、システムを停止するシーンではない場合には、ステップ3の処理に戻る。
In
ステップ12において、開閉バルブ24bのポジション制御が行われる。具体的には、制御部40は、開閉バルブ24bを第1の最大可動位置へと制御する。これにより、第2の流路部Bが開放されるともに、第1の流路部Aが遮断される。
In
ステップ13において、システム停止の処理として、反応ガス、すなわち、水素および酸素の供給を停止する、また、第1および第2の流量センサ41,42の通電をオフする等の処理が実施される。
In
図6は、第1および第2回転数判定値Rth1,Rth2の説明図である。同図において、線L1は、開閉バルブ24bを中立位置に制御した状態における、コンプレッサ30の回転数と騒音レベルとの対応関係を示す。線L1から分かるように、開閉バルブ24bを中立位置に制御した場合、騒音レベルは、コンプレッサ30の回転数の増加とともに増加すると、一時的なピークを迎えた後に減少し、その後再度増加するような傾向を有している。一方、線L2は、開閉バルブ24bを最大可動位置に制御した状態(一方の流路(例えば、第1の流路部A)を遮断した状態)における、コンプレッサ30の回転数と騒音レベルとの対応関係を示す。線L2から分かるように、開閉バルブ24bを最大可動位置に制御した場合、騒音レベルは、コンプレッサ30の回転数の増加とともに単調増加する。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the first and second rotation speed determination values Rth1 and Rth2. In the figure, a line L1 indicates the correspondence between the rotation speed of the
また、開閉バルブ24bを中立位置に制御した場合と、開閉バルブ24bを最大可動位置に制御した場合とでは、所定の回転数を基準として、騒音レベルの大小関係が逆転する関係となる。具体的には、騒音レベルは、回転数が第1回転数判定値Rth1よりも小さいケースでは、開閉バルブ24bを中立位置に制御した方が開閉バルブ24bを最大可動位置に制御するよりも相対的に大きくなる。一方、騒音レベルは、回転数が第2回転数判定値Rth1よりも大きいケースでは、開閉バルブ24bを中立位置に制御した方が開閉バルブ24bを最大可動位置に制御するよりも相対的に小さくなる。
Further, when the open /
ここで、第1回転数判定値Rth1は、コンプレッサ30の回転数を増加させた場合に、それぞれの騒音レベルが対応した、すなわち、ほぼ同一の値とみなせる程度のタイミングでの回転数である。これにより、コンプレッサ30の回転数上昇時に、第2の流路部Bを開閉バルブ24bで閉じている状態の騒音レベルが、開閉バルブ24bを中立の状態にしている状態の騒音レベル以下の状態で、開閉バルブ24bを中立の位置に切り替えることができる。そのため、騒音レベルの低い状態を維持しながらコンプレッサ30の回転数を上げることができる。また、第2回転数判定値Rth2は、コンプレッサ30の回転数を低下させた場合に、それぞれの騒音レベルが対応した、すなわち、ほぼ同一の値とみなせる程度のタイミングでの回転数である。これにより、コンプレッサ30の回転数下げる際に、開閉バルブ24bを中立の位置にしている状態の騒音レベルが、第2の流路部Bを開閉バルブ24bで閉じている状態の騒音レベル以下の状態で、開閉バルブ24bを閉じることができる。これにより、騒音レベルの低い状態を維持しながらコンプレッサ30の回転数を下げることができる。
Here, the first rotational speed determination value Rth1 is a rotational speed at a timing at which each noise level corresponds when the rotational speed of the
このように本実施形態の燃料電池システムは、吸気モジュール20における空気流路は、互いに独立した第1の流路部Aおよび第2の流路部Bを含み、これらの流路部が合流した後に燃料電池スタック1に通じている。この空気流路には、第1の流路部Aおよび第2の流路部Bのいずれか一方を遮断可能な開閉バルブ24bが設けられている。また、開閉バルブ24bよりも上流側であって第1の流路部Aには、通電状態においてこの流路(第1の流路部A)を流れる空気の流量を検出する第1の流量センサ41が設けられており、また、開閉バルブ24bよりも上流側であって第2の流路部Bには、通電状態においてこの流路(第2の流路部B)を流れる空気の流量を検出する第2の流量センサ42が設けられている。
Thus, in the fuel cell system of the present embodiment, the air flow path in the
かかる構成によれば、開閉バルブ24bによって、第1および第2の流路部A,Bを選択的に遮断することができる。そのため、停止期間中に、燃料電池スタック1側から水素が拡散してきた場合であっても、遮断された側の流路部A,Bにある第1または第2の流量センサ41,42へと到達する水素量が抑制される。これにより、第1の流量センサ41の周囲に水素が高濃度で存在してしまうといった事態を抑制することができる。これにより、システムの起動時に、その周囲の高濃度の水素が存在している状態で、流量センサ41,42が通電されるといった事態を抑制することができる。よって、起動時の安全性を高めることができる。特に、本実施形態にかかる構成は、燃料電池の劣化抑制の観点から、システムの停止時に、酸化剤極の酸素を水素および不活性ガス(例えば、窒素)に置換する停止処理を行うシステムに最適である。
According to such a configuration, the first and second flow path portions A and B can be selectively blocked by the opening /
また、本実施形態において、第1の流路部Aおよび第2の流路部Bは、吸気モジュール20の空気流路(具体的には、分流ユニット24)を、その軸方向に延在する板状の分割板24aによって2つの並列空間に分割することにより構成されている。また、開閉バルブ24bは、分割板24aの終端に配置されており、弁体を動作させることにより、第1の流路部Aまたは第2の流路部Bの開口面積を調整する。かかる構成によれば、上述した効果を簡素な構成で実現することができる。
In the present embodiment, the first flow path part A and the second flow path part B extend the air flow path (specifically, the flow dividing unit 24) of the
また、本実施形態において、吸気モジュール20の空気流路(具体的には、分流ユニット24)には、開閉バルブ24bの下流において発生する乱流を抑制する乱流抑制装置24cが設けられている。かかる構成によれば、開閉バルブ24bの弁体を最大可動位置から中立位置へと動作させる際に生じる乱流を抑制することができる。これにより、吸気モジュール20による騒音を低減することができる。
In the present embodiment, the air flow path (specifically, the flow dividing unit 24) of the
また、本実施形態において、制御部40は、開閉バルブ24bを制御するとともに、第1および第2の流量センサ41,42の通電状態を制御する。この制御部40は、システムの停止時に、第1の流路部Aを遮断する。そして、制御部40は、システムの起動時に、第2の流路部Bを遮断して第1の流路部Aを開放する第1処理を行うとともに、第1の流量センサ41のみを通電する。
In the present embodiment, the
かかる構成によれば、停止期間中に、燃料電池スタック1側から水素が拡散してきた場合であっても、第1の流量センサ41周囲の雰囲気には水素が進入しないので、第1の流量センサ41の周囲に水素が高濃度で存在するといった事態を抑制することができる。これにより、システムの起動時に、その周囲の高濃度の水素が存在している状態で、第1の流量センサ41が通電されるといった事態を抑制することができる。これにより、起動時の安全性を高めることができる。
According to such a configuration, even if hydrogen diffuses from the
また、本実施形態は、駆動量(回転数)に応じた量の空気を供給するコンプレッサ30をさらに有している。制御部40は、システムの起動後、コンプレッサ30の回転数が、予め設定される第1の回転数判定値(第1の駆動量判定値)Rth1に到達するまで、第1処理を継続して行う。コンプレッサ30が間欠的に空気を吸い込むことにより、コンプレッサ30上流では脈動現象に起因する騒音が発生する。特に、コンプレッサ30が低回転で圧力脈動の半波長が、吸気モジュール20内の流路長さの整数分の1になりやすい状況では、共鳴が発生しやすく、低周波騒音が発生する。そのため、コンプレッサ30の上流に設置される吸気モジュール20では、低周波騒音が発生する。この点、本実施形態によれば、吸気モジュール20から発生する騒音の一部を遮断することができるので、吸気騒音を低減することができる。
In addition, the present embodiment further includes a
また、本実施形態において、制御部40は、コンプレッサ30の回転数が、第1の回転数判定値Rth1よりも大きな値に設定される第2の回転数判定値(第2の駆動量判定値)Rth2よりも大きい場合には、開閉バルブ24bを中立位置へと制御して、第1の流路部Aと同様に、第2の流路部Bを開放する。一般に、空気の流速が早い、すなわち、コンプレッサ30の回転数が高い場合は、乱流が発生しやすい。開閉バルブ24bの弁体によって流路の開口を制限しているような状態で、流体が開閉バルブ24bを早い流速で通過する場合は、巻き込み効果も起因して、乱流がさらに発生しやすい状態になる。乱流が発生した場合、空気の圧力乱れに起因し、騒音が発生する。この点、本実施形態によれば、低回転域では、第2の流路部Bを遮断することにより、共鳴に起因する騒音を低減し、高回転域では、開閉バルブ24bを中立位置へと制御して、乱流に起因する騒音を低減させることができる。また、第2の流路部Bを開放することにより、吸気部分の圧力損失を低減することができので、コンプレッサ30の消費電力で低減することができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態において、制御部40は、第1の流量センサ41の検出結果に基づいて、第2の流路部Bを開放したタイミングを基準として第2の流路部Bを流れた空気の流量を推定し、この推定結果に基づいて、第2の流量センサ42の通電許可を判定する。かかる構成によれば、第2の流路部Bが開放されてから、所定の流量が流れるまで通電しないように第2の流量センサ42を制御することができる。このため、第2の流路部Bおよびその上流側の流路内の水素を掃気した状態で、第2の流量センサ42を通電することができる。これにより、システムの起動時に、その周囲の高濃度の水素が存在している状態で、第1の流量センサ41が通電されるといった事態を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態において、制御部40は、第2の流路部Bおよび第2の流路部Bよりも上流側の酸化剤ガス流路を含む容積に対応する量の酸化剤ガスが流れた場合に、第2の流量検出手段への通電許可を判定する。かかる構成によれば、第2の流路部Bおよびその上流側の流路内の水素を掃気するに適切な流量を判定することができるので、起動時間の短縮を図ることができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態において、制御部40は、コンプレッサ30の回転数が増加傾向である場合、その回転数が、第1の回転数判定値Rth1に到達した後に第2の流路部Bの遮断解除を開始して、第2の回転数判定値Rth2に到達するタイミングにおいて第2の流路部Bの開放を完了する。または、制御部40は、コンプレッサ30の回転数が低下傾向にある場合には、その回転数が、第2の回転数判定値Rth2に到達した後に第2の流路部Bの遮断を開始して、第1の回転数判定値Rth1に到達するタイミングにおいて第2の流路部Bの遮断を完了する。
In the present embodiment, when the rotational speed of the
かかる構成によれば、第2の流路部Bを閉塞した状態の騒音レベルと開閉バルブ24bを中立位置にした状態の騒音レベルとが同等な状態において、開閉バルブ24bを切り替えることができる。そのため、騒音レベルを悪化させることなく、開閉バルブ24bの切替を行うことができる。
According to this configuration, the open /
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。 Although the fuel cell system and the control method thereof according to the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention.
1 燃料電池スタック
2 電力取出装置
3 電動モータ
10 燃料タンク
11 水素調圧バルブ
12 水素循環ポンプ
13 パージバルブ
14 水素燃焼器
20 吸気モジュール
21 吸気ダクト
22 レゾネータ
23 フィルタ
24 分流ユニット
24a 分割板
24b 図開閉バルブ
24b 開閉バルブ
24c 乱流抑制装置
25 サイレンサ
30 コンプレッサ
31 空気調圧バルブ
40 制御部
41 第1の流量センサ
42 第2の流量センサ
DESCRIPTION OF
Claims (14)
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
互いに独立した第1の流路部および第2の流路部を含み、前記第1の流路部と前記第2の流路部とが合流した後に前記燃料電池に通じており、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記第1の流路部および前記第2の流路部のいずれか一方を遮断可能な遮断手段と、
前記遮断手段よりも上流側であって前記第1の流路部に設けられており、通電状態において当該流路を流れる酸化剤ガスの流量を検出する第1の流量検出手段と、
前記遮断手段よりも上流側であって前記第2の流路部に設けられており、通電状態において当該流路を流れる酸化剤ガスの流量を検出する第2の流量検出手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas supplied to the fuel electrode and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode; and
A first flow path section and a second flow path section that are independent from each other, the first flow path section and the second flow path section are joined together and communicated with the fuel cell; An oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the electrode;
A blocking means capable of blocking any one of the first channel portion and the second channel portion;
A first flow rate detection means that is provided upstream of the blocking means and provided in the first flow path portion, and that detects a flow rate of the oxidant gas flowing through the flow path in an energized state;
And a second flow rate detection means that is provided upstream of the blocking means and provided in the second flow path portion, and that detects the flow rate of the oxidant gas flowing through the flow path in the energized state. A fuel cell system.
前記遮断手段は、前記分割板の終端に配置されており、流路の断面形状に対応した半円状の弁体を動作させることにより、前記第1の流路部または前記第2の流路部の開口面積を調整する開閉バルブで構成されることを特徴とする請求項1に記載された燃料電池システム。 The first flow path section and the second flow path section are configured by dividing the oxidant gas flow path into two parallel spaces by a plate-shaped dividing plate extending in the axial direction,
The blocking means is disposed at the end of the dividing plate, and operates the semicircular valve body corresponding to the cross-sectional shape of the flow path to thereby operate the first flow path section or the second flow path. The fuel cell system according to claim 1, comprising an open / close valve that adjusts an opening area of the portion.
前記制御手段は、システムの起動後、前記酸化剤ガス供給手段の駆動量が、予め設定される第1の駆動量判定値に到達するまで、前記第1処理を継続して行うことを特徴とする請求項6に記載された燃料電池システム。 Provided in the oxidant gas flow path, further comprising an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas in an amount corresponding to the drive amount;
The control unit continuously performs the first process after the system is started until the driving amount of the oxidant gas supply unit reaches a preset first driving amount determination value. The fuel cell system according to claim 6.
互いに独立した第1の流路部および第2の流路部を含み、前記第1の流路部と前記第2の流路部とが合流した後に前記燃料電池に通じており、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するステップと、
前記第1の流路部および前記第2の流路部のいずれか一方を遮断手段により遮断するステップと、
前記遮断手段よりも上流側に設けられる第1の流量検出手段により、前記第1の流路部を流れる酸化剤ガスの流量を検出するステップと、
前記遮断手段よりも上流側に設けられる第2の流量検出手段により、前記第2の流路部を流れる酸化剤ガスの流量を検出するステップと
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In a control method of a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas supplied to a fuel electrode and an oxidant gas supplied to an oxidant electrode,
A first flow path section and a second flow path section that are independent from each other, the first flow path section and the second flow path section are joined together and communicated with the fuel cell; Supplying an oxidant gas to the electrode;
Blocking any one of the first flow path part and the second flow path part by a blocking means;
Detecting a flow rate of the oxidant gas flowing through the first flow path portion by a first flow rate detection unit provided upstream of the blocking unit;
And a step of detecting the flow rate of the oxidant gas flowing through the second flow path section by a second flow rate detection means provided upstream of the blocking means. .
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