JP2011146139A - Fuel battery system and method for operating fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス供給源から燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas from a gas supply source.
燃料電池を運転する燃料電池システムは、燃料電池における燃料ガスの圧力を調整するためにインジェクタを備える。燃料電池システムのインジェクタは、ガス供給源から燃料電池へと燃料ガスを流す流路に設けられ、ガス供給源側から流れる燃料ガスを燃料電池側に噴射するガス噴射装置である。燃料電池システムは、このインジェクタによる噴射を制御することによって、燃料電池における燃料ガスの圧力を調整することが可能である。インジェクタの噴射特性には個体差や経時変化に起因してバラツキが生じるため、このバラツキをインジェクタの制御に反映させる必要がある。 A fuel cell system for operating a fuel cell includes an injector for adjusting the pressure of fuel gas in the fuel cell. An injector of a fuel cell system is a gas injection device that is provided in a flow path for flowing fuel gas from a gas supply source to a fuel cell and injects fuel gas flowing from the gas supply source side to the fuel cell side. The fuel cell system can adjust the pressure of the fuel gas in the fuel cell by controlling the injection by the injector. Injector injection characteristics vary due to individual differences and changes over time, and it is necessary to reflect these variations in the control of the injector.
従来、発電中の燃料電池における燃料ガスの圧力を調整する際に、目標圧力と測定圧力とのズレ量に基づいてインジェクタの噴射特性のバラツキを学習し、その学習結果をインジェクタの制御に反映させる技術が提案されていた(例えば、次の特許文献1,2)。 Conventionally, when adjusting the pressure of fuel gas in a fuel cell during power generation, the variation in the injection characteristics of the injector is learned based on the amount of deviation between the target pressure and the measured pressure, and the learning result is reflected in the control of the injector. Techniques have been proposed (for example, the following patent documents 1 and 2).
しかしながら、発電中の燃料電池における燃料ガスの消費量は、一定ではなく状況に応じて変動し、燃料ガスの目標圧力と測定圧力とのズレ量に影響を与えるため、このようなズレ量に基づく学習ではインジェクタの噴射特性のバラツキをインジェクタの制御に十分に反映させることができないという問題があった。 However, the amount of fuel gas consumed in a fuel cell during power generation is not constant and varies depending on the situation, and affects the amount of deviation between the target pressure of fuel gas and the measured pressure. In the learning, there is a problem that the variation in the injection characteristics of the injector cannot be sufficiently reflected in the control of the injector.
本発明は、上記した課題を踏まえ、インジェクタの噴射特性のバラツキをインジェクタの制御に十分に反映させることができる技術を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a technique that can sufficiently reflect the variation in the injection characteristics of the injector in the control of the injector.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1] 適用例1の燃料電池システムは、ガス供給源から燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、前記ガス供給源から前記燃料電池へと燃料ガスを流す流路に設けられ、前記ガス供給源側から流れる燃料ガスを前記燃料電池側に噴射するインジェクタと、前記燃料電池による発電を実施する際、前記インジェクタの噴射特性を示す基準特性値を補正値で補正した学習特性値を用いて、前記インジェクタによって噴射される燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を調整する調圧制御部と、前記燃料電池による発電を停止した状態で、前記インジェクタに連続的な噴射を指示することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を上昇させる昇圧指示部と、前記昇圧指示部の指示による前記燃料電池における燃料ガスの圧力変化量、および前記昇圧指示部の指示による前記インジェクタの噴射時間に基づいて、前記補正値を算出する補正算出部とを備えることを特徴とする。適用例1の燃料電池システムによれば、燃料電池の停止中におけるインジェクタの噴射による燃料ガスの圧力変化量およびその噴射時間に基づいて補正値を算出するため、燃料ガスの消費による影響を排除することができる。その結果、インジェクタの噴射特性のバラツキをインジェクタの制御に十分に反映させることができる。 Application Example 1 A fuel cell system according to Application Example 1 is a fuel cell system that operates a fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas from a gas supply source, and fuel is supplied from the gas supply source to the fuel cell. An injector for injecting fuel gas flowing from the gas supply source side to the fuel cell side, and a reference characteristic value indicating an injection characteristic of the injector when performing power generation by the fuel cell; Using the learning characteristic value corrected by the correction value, the pressure control unit for adjusting the pressure of the fuel gas in the fuel cell by controlling the flow rate of the fuel gas injected by the injector, and the power generation by the fuel cell Command to increase the pressure of the fuel gas in the fuel cell by instructing the injector to perform continuous injection And a correction calculation unit that calculates the correction value based on the pressure change amount of the fuel gas in the fuel cell according to the instruction from the boost command unit and the injection time of the injector according to the command from the boost command unit. It is characterized by. According to the fuel cell system of Application Example 1, since the correction value is calculated based on the pressure change amount of the fuel gas due to the injection of the injector and the injection time while the fuel cell is stopped, the influence due to the consumption of the fuel gas is eliminated. be able to. As a result, the variation in the injection characteristics of the injector can be sufficiently reflected in the control of the injector.
[適用例2] 適用例1の燃料電池システムにおいて、前記昇圧指示部は、前記燃料電池による発電を停止した状態で、前記調圧制御部によって発電中に制御される一回の噴射よりも長い時間の連続的な噴射を前記インジェクタに指示することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を上昇させても良い。適用例2の燃料電池システムによれば、インジェクタの噴射による燃料ガスの圧力変化量を発電中よりも大きく変化させて、計測誤差や燃料ガスの脈動などの影響を相対的に小さくすることができる。 Application Example 2 In the fuel cell system according to Application Example 1, the boost instruction unit is longer than one injection controlled during power generation by the pressure regulation control unit in a state where power generation by the fuel cell is stopped. The fuel gas pressure in the fuel cell may be increased by instructing the injector to continuously inject time. According to the fuel cell system of Application Example 2, the amount of change in the pressure of the fuel gas caused by the injector injection can be changed more than during power generation, so that the influence of measurement errors, fuel gas pulsation, and the like can be made relatively small. .
[適用例3] 適用例1または適用例2の燃料電池システムにおいて、前記昇圧指示部は、前記燃料電池による発電を停止した状態であると共に、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を発電中の圧力よりも低下させた状態で、前記インジェクタに連続的な噴射を指示することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を上昇させても良い。適用例3の燃料電池システムによれば、インジェクタの噴射による燃料ガスの圧力変化量を発電中よりも大きく変化させて、計測誤差や燃料ガスの脈動などの影響を相対的に小さくすることができる。 Application Example 3 In the fuel cell system according to Application Example 1 or Application Example 2, the pressure increase instruction unit is in a state in which power generation by the fuel cell is stopped, and the pressure of the fuel gas in the fuel cell is a pressure during power generation. The pressure of the fuel gas in the fuel cell may be increased by instructing the injector to perform continuous injection in a state where the fuel gas is lowered. According to the fuel cell system of Application Example 3, the amount of change in the pressure of the fuel gas due to the injection of the injector can be changed more greatly than during power generation, and the influence of measurement errors, fuel gas pulsation, and the like can be made relatively small. .
[適用例4] 適用例1ないし適用例3のいずれかの燃料電池システムにおいて、前記昇圧指示部は、前記インジェクタに連続的な噴射を指示することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を発電中の圧力よりも上昇させても良い。適用例4の燃料電池システムによれば、インジェクタの噴射による燃料ガスの圧力変化量を発電中よりも大きく変化させて、計測誤差や燃料ガスの脈動などの影響を相対的に小さくすることができる。 Application Example 4 In the fuel cell system according to any one of Application Example 1 to Application Example 3, the pressure increase instruction unit generates the pressure of the fuel gas in the fuel cell by instructing the injector to perform continuous injection. You may raise rather than the inside pressure. According to the fuel cell system of Application Example 4, the amount of change in the pressure of the fuel gas caused by the injection of the injector can be changed more greatly than during power generation, and the influence of measurement errors, fuel gas pulsation, and the like can be relatively reduced. .
[適用例5] 適用例5の方法は、ガス供給源から燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を運転する方法であって、前記ガス供給源から前記燃料電池へと燃料ガスを流す流路に、前記ガス供給源側から流れる燃料ガスを前記燃料電池側に噴射するインジェクタを設け、前記燃料電池による発電を実施する際、前記インジェクタの噴射特性を示す基準特性値を補正値で補正した学習特性値を用いて、前記インジェクタによって噴射される燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を調整し、前記燃料電池による発電を停止した状態で、前記インジェクタに連続的な噴射を指示することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を上昇させ、前記噴射の指示による前記燃料電池における燃料ガスの圧力変化量、および前記噴射の指示による前記インジェクタの噴射時間に基づいて、前記補正値を算出することを特徴とする。適用例5の方法によれば、燃料電池の停止中におけるインジェクタの噴射による燃料ガスの圧力変化量およびその噴射時間に基づいて補正値を算出するため、燃料ガスの消費による影響を排除することができる。その結果、インジェクタの噴射特性のバラツキをインジェクタの制御に十分に反映させることができる。 Application Example 5 The method of Application Example 5 is a method of operating a fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas from a gas supply source, and the flow of fuel gas from the gas supply source to the fuel cell An injector for injecting fuel gas flowing from the gas supply source side to the fuel cell side is provided on the road, and when performing power generation by the fuel cell, the reference characteristic value indicating the injection characteristic of the injector is corrected with a correction value By controlling the flow rate of the fuel gas injected by the injector using the learning characteristic value, the pressure of the fuel gas in the fuel cell is adjusted, and the power generation by the fuel cell is stopped and the fuel cell is continuously connected to the injector. By instructing effective injection, the pressure of the fuel gas in the fuel cell is increased, and the fuel gas in the fuel cell is instructed by the injection instruction. Force variation, and on the basis of the injection time of the injector according to the instructions of the injection, and calculates the correction value. According to the method of Application Example 5, since the correction value is calculated based on the pressure change amount of the fuel gas due to the injection of the injector and the injection time during the stop of the fuel cell, it is possible to eliminate the influence due to the consumption of the fuel gas. it can. As a result, the variation in the injection characteristics of the injector can be sufficiently reflected in the control of the injector.
本発明の形態は、燃料電池システムや燃料電池の運転方法に限るものではなく、例えば、燃料電池を備える車両、燃料電池を運転するプログラムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。 The form of the present invention is not limited to the fuel cell system and the fuel cell operation method, and can be applied to various forms such as a vehicle equipped with a fuel cell and a program for operating the fuel cell. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention.
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。 In order to further clarify the configuration and operation of the present invention described above, a fuel cell system to which the present invention is applied will be described below.
A.第1実施例:
図1は、燃料電池システム10の構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池20を備え、電力負荷部70に電力を供給するために燃料電池20を運転する。燃料電池システム10は、燃料電池20の他、燃料ガス給排部30と、酸化ガス給排部50と、分配部60と、二次電池80と、制御装置90とを備える。本実施例では、燃料電池システム10は、車輪を駆動するモータを電力負荷部70として備える車両に搭載されるシステムであるが、他の実施形態として、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the
燃料電池システム10の燃料電池20は、反応ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池20は、燃料ガスから直接的に電気エネルギを取り出す基本構造を構成する複数の単セル21を備え、これら複数の単セル21は電気的に直列に積層されている。本実施例では、燃料電池20に供給される反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池20に供給された燃料ガスは、酸素との電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池20から排出される。本実施例では、燃料電池20に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであるが、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。本実施例では、燃料電池システム10は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式のシステムであり、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池20に供給された酸化ガスは、水素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池20から排出される。本実施例では、燃料電池20に用いられる酸化ガスは、大気中から取り込まれた空気である。
The
燃料電池システム10の燃料ガス給排部30は、燃料電池20に燃料ガスを供給すると共に、燃料電池20から排出されるアノードオフガスを処理する。燃料ガス給排部30は、燃料ガス供給源302と、アノード供給路310と、アノード排出路320と、アノード循環路330とを備える。
The fuel gas supply /
燃料ガス給排部30の燃料ガス供給源302は、本実施例では、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素を供給する装置である。他の実施形態において、燃料ガス供給源302は、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素を供給する装置であっても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素を供給する装置であっても良い。
In this embodiment, the fuel
燃料ガス給排部30のアノード供給路310は、燃料ガス供給源302から燃料電池20に燃料ガスを流す流路を形成する。アノード供給路310には、燃料ガス供給源302側から流れる燃料ガスを燃料電池20側に噴射するインジェクタ314が設けられている。燃料電池システム10は、インジェクタ314による噴射を制御することによって、燃料電池20のアノードに蓄積されている燃料ガスの圧力であるアノード圧力Pfを調整することが可能である。本実施例では、インジェクタ314は、制御装置90に電気的に接続され、制御装置90からの制御信号に基づいて、電磁駆動力で弁体を移動させて弁座に形成された噴射孔を開閉し、この噴射孔から燃料ガスを噴射するガス噴射装置である。
The
図2は、インジェクタ314の噴射特性を示す説明図である。図2では、横軸にインジェクタ314の噴射時間Tを示し、縦軸に燃料ガスの流量Qを示すことによって、インジェクタ314の設計上の噴射特性を表す。図2に示すように、インジェクタ314の噴射開始から燃料ガスの流量Qが増加しない無効噴射時間Tiを経た後、燃料ガスの流量Qは噴射時間Tに比例して増加する。燃料ガスの流量Qと噴射時間Tとの関係は、次の関係式1で表される。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the injection characteristics of the
Q=Fs・(T−Ti) …(1) Q = Fs · (T−Ti) (1)
「Fs」は、インジェクタ314の設計上の噴射特性を示す基準特性値である。インジェクタ314の噴射特性には個体差や経時変化に起因して基準特性値Fsに対してバラツキが生じるため、本実施例では、燃料電池20による発電を停止した状態でインジェクタ314の噴射特性のバラツキを学習して、その学習結果がインジェクタ314の制御に反映される。インジェクタ314の制御についての詳細は後述する。
“Fs” is a reference characteristic value indicating a design injection characteristic of the
図1の説明に戻り、アノード供給路310におけるインジェクタ314よりも燃料ガス供給源302側には、燃料ガス供給源302側における燃料ガスの圧力である一次圧力を検知する圧力センサ312が設けられている。アノード供給路310におけるインジェクタ314よりも燃料電池20側には、燃料電池20側における燃料ガスの圧力を検知する圧力センサ316が設けられている。圧力センサ312,316の各々は、制御装置90に電気的に接続され、検知した燃料ガスの圧力を示す電気信号を制御装置90に出力する。
Returning to the description of FIG. 1, a
燃料ガス給排部30のアノード排出路320は、燃料電池20から排出されるアノードオフガスを流す流路を形成する。アノード排出路320には、アノード排出バルブ322が設けられ、アノード排出バルブ322は、制御装置90に電気的に接続され、制御装置90からの制御信号に基づいて、燃料電池20から排出されるアノードオフガスの排出量を調整する。
The
燃料ガス給排部30のアノード循環路330は、アノード排出路320からアノード供給路310へとアノードオフガスを流す流路を形成する。アノード循環路330には、アノード排出路320側から順に、循環入口バルブ332と、循環ポンプ334と、循環出口バルブ336とが設けられている。アノード循環路330の循環入口バルブ332および循環出口バルブ336は、制御装置90に電気的に接続され、制御装置90からの制御信号に基づいて、アノード排出路320からアノード供給路310へと循環するアノードオフガスの循環量を調整する。アノード循環路330の循環ポンプ334は、制御装置90に電気的に接続され、制御装置90からの制御信号に基づいて、アノード排出路320からアノード供給路310へとアノードオフガスを送出する。
The
燃料電池システム10の酸化ガス給排部50は、燃料電池20に酸化ガスを供給すると共に、燃料電池20から排出されるカソードオフガスを処理する。酸化ガス給排部50は、酸化ガス供給源502と、カソード供給路510と、カソード排出路520とを備える。酸化ガス給排部50の酸化ガス供給源502は、制御装置90の制御信号に基づいて、酸化ガスである空気を燃料電池20に供給する。本実施例では、酸化ガス供給源502は、ポンプで大気中から取り込んだ空気を供給する装置である。酸化ガス給排部50のカソード供給路510は、酸化ガス供給源502から燃料電池20に酸化ガスを流す流路を形成し、酸化ガス給排部50のカソード排出路520は、燃料電池20から排出されるカソードオフガスを流す流路を形成する。カソード排出路520には、カソード排出バルブ522が設けられ、カソード排出バルブ522は、制御装置90に電気的に接続され、制御装置90からの制御信号に基づいて、燃料電池20から排出されるカソードオフガスの排出量を調整する。
The oxidizing gas supply /
燃料電池システム10の分配部60は、燃料電池20で発電された電力を、制御装置90からの制御信号に基づいて電力負荷部70および二次電池80に分配する。燃料電池システム10の二次電池80は、燃料電池20で発電された電力や、電力負荷部70で回生された電力を蓄え、二次電池80に蓄えられた電力は、必要に応じて電力負荷部70に供給される。本実施例では、二次電池80は、リチウムイオン蓄電池であるが、他の実施形態において、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池など他の二次電池であっても良い。
The
燃料電池システム10の制御装置90は、燃料ガス給排部30、酸化ガス給排部50、分配部60、二次電池80の各々に電気的に接続され、燃料電池システム10の各部を制御する。制御装置90は、燃料電池20を運転する制御を行う運転制御部910と、各種のデータを記憶する記憶部920と、燃料電池システム10の各部との間を電気的に接続するインタフェース930とを備える。
The
制御装置90の運転制御部910は、調圧制御部912と、昇圧指示部914と、補正算出部916とを備える。本実施例では、運転制御部910が備える各部の機能は、運転制御部910が備えるセントラルプロセッシングユニット(Central Processing Unit、CPU)がプログラムに基づいて動作することによって実現されるが、他の実施形態において、運転制御部910の少なくとも一部の機能は、運転制御部910が備える電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
The
運転制御部910の調圧制御部912は、燃料電池20による発電を実施する際、インジェクタ314で噴射される燃料ガスの流量をインジェクタ314の基準特性値Fsに応じて制御することによって、燃料電池20における燃料ガスの圧力を調整する。本実施例では、基準特性値Fsは、インジェクタ314が時間あたりに燃料ガスを噴射する流量の設計値である。本実施例では、制御装置90の記憶部920には、基準特性値Fsを示す基準特性データ922が予め記憶されている。調圧制御部912の動作についての詳細は後述する。
The pressure adjustment control unit 912 of the
運転制御部910の昇圧指示部914は、燃料電池20による発電を停止した状態で、インジェクタ314に連続的な噴射を指示することによって、燃料電池20のアノード圧力Pfを上昇させる。運転制御部910の補正算出部916は、昇圧指示部914の指示によるアノード圧力Pfの圧力変化量、および昇圧指示部914の指示によるインジェクタ314の噴射時間に基づいて補正値Rmを算出する。補正算出部916によって算出される補正値Rmは、インジェクタ314の個体差や経時変化に起因する基準特性値Fsに対する噴射特性のバラツキを補正する値であり、調圧制御部912によるアノード圧力Pfの圧力調整に利用される。本実施例では、制御装置90の記憶部920には、補正値Rmを示す補正データ924が記憶部920に保存され、補正算出部916によって補正値Rmが算出される毎に、補正データ924が示す補正値Rmは更新される。本実施例では、補正値Rmは、基準特性値Fsに対する実際の噴射特性の倍率を示す値である。昇圧指示部914および補正算出部916の動作についての詳細は後述する。
The pressure increase instruction unit 914 of the
図3は、制御装置90の運転制御部910が実行する調圧制御処理(ステップS100)を示すフローチャートである。調圧制御処理(ステップS100)は、燃料電池システム10を操作するユーザから要求される要求電流を燃料電池20から出力させるために燃料電池20のアノード圧力Pfを調整する処理であり、運転制御部910が調圧制御部912として動作することによって実現される。本実施例では、運転制御部910は、インジェクタ314よりも燃料電池20側のアノード供給路310における燃料ガスの圧力、すなわち、圧力センサ316が設けられたアノード供給路310における燃料ガスの圧力を、燃料電池20のアノード圧力Pfとみなして調圧制御処理(ステップS100)を実行する。本実施例では、運転制御部910は、燃料電池20による発電の始動時から実行中にわたって調圧制御処理(ステップS100)を定期的に実行するが、他の実施形態において、所定の条件を満たす場合に調圧制御処理(ステップS100)を実行しても良い。
FIG. 3 is a flowchart showing the pressure adjustment control process (step S100) executed by the
調圧制御処理(ステップS100)を開始すると、制御装置90の運転制御部910は、インジェクタ314が燃料ガスの噴射を実施中であるか否かを判断する(ステップS105)。インジェクタ314が燃料ガスの噴射を実施中である場合(ステップS105:「NO」)、運転制御部910は、調圧制御処理(ステップS100)を終了する。
When the pressure adjustment control process (step S100) is started, the
インジェクタ314が燃料ガスの噴射を実施中でない場合(ステップS105:「YES」)、運転制御部910は、目標圧力設定処理(ステップS110)を実行する。目標圧力設定処理(ステップS110)において、運転制御部910は、現状の燃料電池20から出力されている出力電流と、燃料電池システム10を操作するユーザから要求される要求電流との関係から、要求電流の実現に必要とされるアノード圧力である目標圧力Ptを設定する。
When the
目標圧力設定処理(ステップS110)の後、運転制御部910は、記憶部920に記憶されている基準特性データ922および補正データ924を読み出す(ステップS120)。前述したように、基準特性データ922は、インジェクタ314が時間あたりに燃料ガスを噴射する流量の設計値である基準特性値Fsを示し、補正データ924は、インジェクタ314の個体差や経時変化に起因する基準特性値Fsに対する噴射特性のバラツキを補正する補正値Rmを示す。
After the target pressure setting process (step S110), the
記憶部920から基準特性データ922および補正データ924を読み出した後(ステップS120)、運転制御部910は、これら基準特性データ922および補正データ924の各々に示される基準特性値Fsおよび補正値Rmに基づいて、実施噴射時間Teを設定する(ステップS130)。この実施噴射時間Teは、現在のアノード圧力Pfである現在圧Poの状態から、目標圧力設定処理(ステップS110)で設定された目標圧力Ptを実現するために、インジェクタ314で燃料ガスを噴射させる時間であり、次の関係式2で表される。
After reading the reference
Te=Ti+[(Pt−Po)/{Fs+(Rm−1)・Fs}] …(2) Te = Ti + [(Pt−Po) / {Fs + (Rm−1) · Fs}] (2)
実施噴射時間Teを設定した後(ステップS130)、運転制御部910は、インジェクタ314に制御信号を出力することによって、実施噴射時間Teで連続的な噴射をインジェクタ314に指示する(ステップS140)。インジェクタ314は、運転制御部910から指示を受けると、実施噴射時間Teの間、燃料ガス供給源302側から燃料電池20側へと燃料ガスを連続的に噴射する。インジェクタ314に噴射を指示した後(ステップS130)、運転制御部910は、調圧制御部(ステップS100)を終了する。
After setting the effective injection time Te (step S130), the
図4は、制御装置90の運転制御部910が実行する噴射学習処理(ステップS200)を示すフローチャートである。噴射学習処理(ステップS200)は、インジェクタ314の基準特性値Fsを補正する補正値Rmを学習する処理である。本実施例では、運転制御部910は、インジェクタ314よりも燃料電池20側のアノード供給路310における燃料ガスの圧力、すなわち、圧力センサ316が設けられたアノード供給路310における燃料ガスの圧力を、燃料電池20のアノード圧力Pfとみなして噴射学習処理(ステップS200)を実行する。本実施例では、運転制御部910は、噴射学習処理(ステップS200)を定期的に実行するが、他の実施形態において、所定の条件を満たす場合に噴射学習処理(ステップS200)を実行しても良い。
FIG. 4 is a flowchart showing the injection learning process (step S200) executed by the
図5は、噴射学習処理(ステップS200)におけるアノード圧力Pfの時間変化を示す説明図である。図5では、横軸に経過時間を示し、縦軸にアノード圧力Pfを示すことによって、噴射学習処理(ステップS200)におけるアノード圧力Pfの時間変化の一例を表す。図5にハッチングが施された部分は、燃料電池20による発電中に維持されるアノード圧力Pfの範囲を示し、その下限値は下限発電圧力PsLであり、その上限値は上限発電圧力PsHである。下限発電圧力PsLは、安全率を考慮したアノード圧力Pfの下限圧力Pminよりも大きく、上限発電圧力PsHは、安全率を考慮したアノード圧力Pfの上限圧力Pmaxよりも十分に小さい。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the change over time of the anode pressure Pf in the injection learning process (step S200). In FIG. 5, the elapsed time is shown on the horizontal axis, and the anode pressure Pf is shown on the vertical axis, so that an example of the time change of the anode pressure Pf in the injection learning process (step S200) is shown. The hatched portion in FIG. 5 indicates the range of the anode pressure Pf maintained during power generation by the
図4に示すように、噴射学習処理(ステップS200)を開始すると、制御装置90の運転制御部910は、燃料電池20の発電を停止可能であるか否かを判断する(ステップS205)。燃料電池20の発電を停止できない場合(ステップS205:「NO」)、運転制御部910は、噴射学習処理(ステップS200)を終了する。
As shown in FIG. 4, when the injection learning process (step S200) is started, the
燃料電池20の発電を停止可能である場合(ステップS205:「YES」、図5のタイミングt1)、運転制御部910は、アノード減圧処理(ステップS210)を実行する。本実施例では、アノード減圧処理(ステップS210)において、運転制御部910は、アノード圧力Pfを下限圧力Pminよりも大きく下限発電圧力PsLよりも小さい値に低下させるが、他の実施形態において、下限発電圧力PsL以上であっても良い。本実施例では、運転制御部910は、アノード減圧処理(ステップS210)として、燃料電池20に対する燃料ガスの供給を停止した状態で、二次電池80を充電しながら燃料電池20による発電を実施し、燃料電池20に蓄積されている燃料ガスを消費することによって、アノード圧力Pfを低下させる。他の実施形態において、運転制御部910は、アノード減圧処理(ステップS210)として、アノード排出路320のアノード排出バルブ322を開放することによって、アノード圧力Pfを低下させても良い。また、噴射学習処理(ステップS200)の開始時から既にアノード圧力Pfが下限発電圧力PsLよりも低下している場合、運転制御部910は、アノード減圧処理(ステップS210)を省略しても良い。
When the power generation of the
アノード減圧処理(ステップS210)によってアノード圧力Pfが下限発電圧力PsLよりも低下した場合(ステップS218:「YES」、図5のタイミングt2)、運転制御部910は、発電停止処理(ステップS220)を実行する。発電停止処理(ステップS220)において、運転制御部910は、燃料電池20による発電を停止させる。
When the anode pressure Pf is lower than the lower limit power generation pressure PsL by the anode pressure reduction process (step S210) (step S218: “YES”, timing t2 in FIG. 5), the
発電停止処理(ステップS220)の後、運転制御部910は、圧力センサ316から出力される出力信号に基づくアノード圧力Pfを学習開始圧力Pf1として測定する(ステップS230)。
After the power generation stop process (step S220), the
学習開始圧力Pf1を測定した後(ステップS230)、運転制御部910は、補正値Rmを学習するためにインジェクタ314による連続的な噴射を実施する時間である学習噴射時間TLを設定する(ステップS240)。本実施例では、噴射学習処理(ステップS200)における学習噴射時間TLは、調圧制御処理(ステップS110)における実施噴射時間Teよりも長い期間であるが、他の実施形態において、同程度の期間であっても良い。本実施例では、調圧制御処理(ステップS110)における実施噴射時間Teは5〜40ms(ミリ秒)程度に設定され、これに対して、噴射学習処理(ステップS200)における学習噴射時間TLは400msに設定される。他の実施形態において、学習噴射時間TLは、400msよりも長くても短くても良い。
After measuring the learning start pressure Pf1 (step S230), the
学習噴射時間TLを設定した後(ステップS240)、運転制御部910は、昇圧指示部914として動作することによって昇圧指示処理(ステップS250)を実行する(図5のタイミングt3)。昇圧指示処理(ステップS250)において、運転制御部910は、インジェクタ314に制御信号を出力することによって、学習噴射時間TLで連続的な噴射をインジェクタ314に指示する。インジェクタ314は、運転制御部910から指示を受けると、学習噴射時間TLの間、燃料ガス供給源302側から燃料電池20側へと燃料ガスを連続的に噴射する。
After setting the learning injection time TL (step S240), the
昇圧指示処理(ステップS250)に基づくインジェクタ314による学習噴射時間TLの噴射が完了した後(ステップS258:「YES」、図5のタイミングt4)、運転制御部910は、圧力センサ316から出力される出力信号に基づくアノード圧力Pfを学習終了圧力Pf2として測定する(ステップS260)。
After the injection of the learning injection time TL by the
学習終了圧力Pf2を測定した後(ステップS260)、運転制御部910は、補正算出部916として動作することによって補正算出処理(ステップS270)を実行する。補正算出処理(ステップS270)において、運転制御部910は、次の関係式3,4に基づいて、基準特性値Fsに対する噴射特性のバラツキを補正する補正値Rmを算出する(ステップS270)。
After measuring the learning end pressure Pf <b> 2 (step S <b> 260), the
Rm=FL/Fs …(3)
FL=(Pf2−Pf1)/TL …(4)
Rm = FL / Fs (3)
FL = (Pf2-Pf1) / TL (4)
「FL」は、今回の噴射学習処理(ステップS200)で判明したインジェクタ314の実際の噴射特性を示す学習特性値である。関係式4における(Pf2−Pf1)は、昇圧指示処理(ステップS250)に基づくアノード圧力Pfの圧力変化量ΔPfを示す。
“FL” is a learning characteristic value indicating the actual injection characteristic of the
関係式3から分かるように、基準特性値Fsに補正値Rmを掛け合わせた値は、実際の噴射特性値(学習特性値FL)を示す。調圧制御処理(ステップS100)における関係式2は、学習特性値FLを用いて次の関係式5に変換することができる。 As can be seen from the relational expression 3, the value obtained by multiplying the reference characteristic value Fs by the correction value Rm indicates the actual injection characteristic value (learning characteristic value FL). Relational expression 2 in the pressure adjustment control process (step S100) can be converted into the following relational expression 5 using the learning characteristic value FL.
Te=Ti+(Pt/FL) …(5) Te = Ti + (Pt / FL) (5)
関係式5から分かるように、調圧制御処理(ステップS100)において、運転制御部910は、基準特性値Fsを補正値Rmで補正した学習特性値FLを用いて実施噴射時間Teを設定していることになる。
As can be seen from the relational expression 5, in the pressure adjustment control process (step S100), the
補正値Rmは、その値が1以上である場合、インジェクタ314の実際の噴射特性値が基準特性値Fs以上であることを示し、その値が1よりも小さい場合、インジェクタ314の実際の噴射特性値が基準特性値Fsよりも小さいことを示す。
When the correction value Rm is 1 or more, the correction value Rm indicates that the actual injection characteristic value of the
例えば、基準特性値Fsが「0.500kPa/ms(キロパスカル/ミリ秒)」であるインジェクタ314に対して、「150kPa(キロパスカル)」の学習開始圧力Pf1から「400ms」の学習噴射時間TLで昇圧指示処理(ステップS250)を実施した結果、学習終了圧力Pf2が「340kPa」であった場合、関係式4から学習特性値FLは「0.475kPa/ms」となり、関係式3から補正値Rmは「0.95」となる。このことは、インジェクタ314の実際の噴射特性値は、基準特性値Fsよりも小さいことを意味する。
For example, for an
補正算出処理(ステップS270)の後、運転制御部910は、補正算出処理(ステップS270)で算出された補正値Rmを補正データ924として記憶部920に保存する(ステップS280)。本実施例では、運転制御部910は、補正値Rmを記憶部920に保存する際に、新たに算出された補正値Rmで補正データ924を更新するが、他の実施形態において、従前の補正値Rmと新たな補正値Rmとの平均値で補正データ924を更新しても良い。また、他の実施形態において、一回の噴射学習処理(ステップS200)毎に補正値Rmを更新するのではなく、複数回の噴射学習処理(ステップS200)を実施した後に、これらの処理で得られた結果を補正値Rmとして更新しても良いし、一回または複数回の噴射学習処理(ステップS200)を実施した後に、所定の更新タイミングで補正値Rmを更新しても良い。補正値Rmを保存した後(ステップS280)、運転制御部910は、噴射学習処理(ステップS200)を終了する。
After the correction calculation process (step S270), the
以上説明した燃料電池システム10によれば、燃料電池20の停止中におけるインジェクタ314の噴射による燃料ガスの圧力変化量ΔPfおよびその学習噴射時間TLに基づいて補正値Rmを算出するため(ステップS270)、燃料ガスの消費による影響を排除することができる。その結果、インジェクタ314の噴射特性のバラツキをインジェクタ314の制御に十分に反映させることができる(ステップS100)。
According to the
また、燃料電池20による発電を停止した状態で、調圧制御処理(ステップS100)によって発電中に制御される一回の噴射よりも長い時間の連続的な噴射をインジェクタ314に指示することによって燃料電池20のアノード圧力Pfを上昇させるため(ステップS220,S240,S250)、インジェクタ314の噴射による燃料ガスの圧力変化量ΔPfを発電中よりも大きく変化させて、計測誤差や燃料ガスの脈動などの影響を相対的に小さくすることができる。
Further, in a state where power generation by the
また、燃料電池20による発電を停止した状態であると共に、燃料電池20のアノード圧力Pfを発電中の下限発電圧力PsLよりも低下させた状態で、インジェクタ314に連続的な噴射を指示することによって燃料電池20のアノード圧力Pfを上昇させるため(ステップS210,S220,S250)、インジェクタ314の噴射による燃料ガスの圧力変化量ΔPfを発電中よりも大きく変化させて、計測誤差や燃料ガスの脈動などの影響を相対的に小さくすることができる。
Further, by instructing the
また、インジェクタ314に連続的な噴射を指示することによって、燃料電池20のアノード圧力Pfを上限発電圧力PsHよりも上昇させるため(ステップS220,S240,S250)、インジェクタ314の噴射による燃料ガスの圧力変化量ΔPfを発電中よりも大きく変化させて、計測誤差や燃料ガスの脈動などの影響を相対的に小さくすることができる。
In addition, by instructing the
B.第2実施例:
第2実施例における燃料電池システム10は、インジェクタ314の噴射特性を学習する際に、学習噴射時間TLを予め設定してインジェクタ314に噴射を指示するのではなく、学習終了圧力Pf2を予め設定してインジェクタ314に噴射を指示する点を除き、第1実施例と同様である。
B. Second embodiment:
When the
図6は、第2実施例における制御装置90の運転制御部910が実行する噴射学習処理(ステップS300)を示すフローチャートである。第2実施例の運転制御部910は、第1実施例の噴射学習処理(ステップS200)に代えて、図6の噴射学習処理(ステップS300)を実行する。噴射学習処理(ステップS300)における処理開始からの工程は、第1実施例の噴射学習処理(ステップS200)における処理開始から学習開始圧力Pf1の測定までの工程(ステップS205〜S230)と同様である。
FIG. 6 is a flowchart showing an injection learning process (step S300) executed by the
第2実施例における運転制御部910は、学習開始圧力Pf1を測定した後(ステップS230)、補正値Rmを学習するためにインジェクタ314による連続的な噴射を実施してアノード圧力Pfを上昇させる学習終了圧力Pf2を設定する(ステップS340)。本実施例では、噴射学習処理(ステップS300)における学習終了圧力Pf2は、上限発電圧力PsHよりも大きく上限圧力Pmaxよりも小さい値であるが、他の実施形態において、上限発電圧力PsH以下であっても良い。
The
学習終了圧力Pf2を設定した後(ステップS340)、運転制御部910は、昇圧指示部914として動作することによって昇圧指示処理(ステップS350)を実行する(図5のタイミングt3)。昇圧指示処理(ステップS350)において、運転制御部910は、インジェクタ314に制御信号を出力することによって、アノード圧力Pfが学習終了圧力Pf2になるまで、インジェクタ314に連続的な噴射を指示する。インジェクタ314は、運転制御部910から指示を受けると、アノード圧力Pfが学習終了圧力Pf2になるまで、燃料ガス供給源302側から燃料電池20側へと燃料ガスを連続的に噴射する。
After the learning end pressure Pf2 is set (step S340), the
昇圧指示処理(ステップS350)に基づくインジェクタ314による学習終了圧力Pf2までの噴射が完了した後(ステップS358:「YES」、図5のタイミングt4)、運転制御部910は、学習噴射時間TLを確認する(ステップS360)。第2実施例における学習噴射時間TLは、昇圧指示処理(ステップS350)においてアノード圧力Pfが学習開始圧力Pf1から学習終了圧力Pf2になるまでインジェクタ314が燃料ガスを連続的に噴射した経過時間である。
After the injection up to the learning end pressure Pf2 by the
第2実施例の噴射学習処理(ステップS300)では、学習噴射時間TLの確認(ステップS360)に続く工程は、第1実施例の噴射学習処理(ステップS200)における補正値Rmの算出から処理終了までの工程(ステップS270〜S280)と同様である。 In the injection learning process (step S300) of the second embodiment, the process following the confirmation of the learning injection time TL (step S360) ends from the calculation of the correction value Rm in the injection learning process (step S200) of the first embodiment. This is the same as the above steps (steps S270 to S280).
以上説明した第2実施例の燃料電池システム10によれば、第1実施例と同様に、燃料電池20の停止中におけるインジェクタ314の噴射による燃料ガスの圧力変化量ΔPfおよびその学習噴射時間TLに基づいて補正値Rmを算出するため(ステップS270)、燃料ガスの消費による影響を排除することができる。その結果、インジェクタ314の噴射特性のバラツキをインジェクタ314の制御に十分に反映させることができる(ステップS100)。
According to the
C.他の実施形態:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。
C. Other embodiments:
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, Of course, it can implement with various forms within the range which does not deviate from the meaning of this invention. is there. For example, in the present embodiment, a so-called circulation type fuel cell has been described. However, in another embodiment, the present invention may be applied to a so-called dead end type fuel cell that uses up the fuel gas once supplied to the fuel cell. good.
また、インジェクタ314よりも燃料ガス供給源302側の燃料ガスの圧力である一次圧力を圧力センサ312で検知し、この一次圧力を考慮して補正値Rmを算出しても良い。また、インジェクタ314の無効噴射時間Tiのバラツキを考慮して補正値Rmを算出しても良い。また、基準特性値Fsおよび補正値Rmを用いて関係式2から実施噴射時間Teを算出するのではなく、学習特性値FLを直接的に用いて関係式5から実施噴射時間Teを算出しても良い。
Alternatively, the primary pressure, which is the pressure of the fuel gas closer to the fuel
10…燃料電池システム
20…燃料電池
21…単セル
30…燃料ガス給排部
50…酸化ガス給排部
60…分配部
70…電力負荷部
80…二次電池
90…制御装置
302…燃料ガス供給源
310…アノード供給路
312…圧力センサ
314…インジェクタ
316…圧力センサ
320…アノード排出路
322…アノード排出バルブ
330…アノード循環路
332…循環入口バルブ
334…循環ポンプ
336…循環出口バルブ
502…酸化ガス供給源
510…カソード供給路
520…カソード排出路
522…カソード排出バルブ
910…運転制御部
912…調圧制御部
914…昇圧指示部
916…補正算出部
920…記憶部
922…基準特性データ
924…補正データ
930…インタフェース
Fs…基準特性値
FL…学習特性値
Rm…補正値
T…噴射時間
Ti…無効噴射時間
Te…実施噴射時間
TL…学習噴射時間
Q…流量
Pf…アノード圧力
Pt…目標圧力
Pmax…上限圧力
Pmin…下限圧力
PsH…上限発電圧力
PsL…下限発電圧力
Pf1…学習開始圧力
Pf2…学習終了圧力
ΔPf…圧力変化量
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ガス供給源から前記燃料電池へと燃料ガスを流す流路に設けられ、前記ガス供給源側から流れる燃料ガスを前記燃料電池側に噴射するインジェクタと、
前記燃料電池による発電を実施する際、前記インジェクタの噴射特性を示す基準特性値を補正値で補正した学習特性値を用いて、前記インジェクタによって噴射される燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を調整する調圧制御部と、
前記燃料電池による発電を停止した状態で、前記インジェクタに連続的な噴射を指示することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を上昇させる昇圧指示部と、
前記昇圧指示部の指示による前記燃料電池における燃料ガスの圧力変化量、および前記昇圧指示部の指示による前記インジェクタの噴射時間に基づいて、前記補正値を算出する補正算出部と
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system that operates a fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas from a gas supply source,
An injector that is provided in a flow path for flowing fuel gas from the gas supply source to the fuel cell, and injects the fuel gas flowing from the gas supply source side to the fuel cell side;
When performing power generation by the fuel cell, by using a learning characteristic value obtained by correcting a reference characteristic value indicating an injection characteristic of the injector with a correction value, the flow rate of the fuel gas injected by the injector is controlled. A pressure control unit for adjusting the pressure of the fuel gas in the fuel cell;
In a state where power generation by the fuel cell is stopped, a pressure increase instructing unit that increases the pressure of fuel gas in the fuel cell by instructing continuous injection to the injector;
A fuel cell system comprising: a correction calculation unit that calculates the correction value based on a pressure change amount of the fuel gas in the fuel cell according to an instruction from the boost command unit and an injection time of the injector according to a command from the boost command unit .
前記ガス供給源から前記燃料電池へと燃料ガスを流す流路に、前記ガス供給源側から流れる燃料ガスを前記燃料電池側に噴射するインジェクタを設け、
前記燃料電池による発電を実施する際、前記インジェクタの噴射特性を示す基準特性値を補正値で補正した学習特性値を用いて、前記インジェクタによって噴射される燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を調整し、
前記燃料電池による発電を停止した状態で、前記インジェクタに連続的な噴射を指示することによって、前記燃料電池における燃料ガスの圧力を上昇させ、
前記噴射の指示による前記燃料電池における燃料ガスの圧力変化量、および前記噴射の指示による前記インジェクタの噴射時間に基づいて、前記補正値を算出する、方法。 A method of operating a fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas from a gas supply source,
An injector for injecting fuel gas flowing from the gas supply source side to the fuel cell side in a flow path for flowing fuel gas from the gas supply source to the fuel cell;
When performing power generation by the fuel cell, by using a learning characteristic value obtained by correcting a reference characteristic value indicating an injection characteristic of the injector with a correction value, the flow rate of the fuel gas injected by the injector is controlled. Adjust the fuel gas pressure in the fuel cell,
In a state where power generation by the fuel cell is stopped, by instructing the injector to perform continuous injection, the pressure of the fuel gas in the fuel cell is increased,
A method of calculating the correction value based on a pressure change amount of fuel gas in the fuel cell according to the injection instruction and an injection time of the injector according to the injection instruction.
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