JP2014056736A - Fuel cell system, method for controlling fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
燃料電池システムの水素供給デバイスとして、インジェクタを用いることが知られている。このインジェクタによれば、開弁時間、若しくは開弁時間と閉弁時間との合計時間である駆動周期を制御することで、水素の供給量を調整でき、燃料電池に供給される水素を適量とすることができる。 It is known to use an injector as a hydrogen supply device of a fuel cell system. According to this injector, the supply amount of hydrogen can be adjusted by controlling the drive period, which is the valve opening time or the total time of the valve opening time and the valve closing time. can do.
また、下記特許文献1によれば、燃料電池システムが低負荷運転時において、インジェクタの駆動周期が長くなるように制御し、インジェクタを定期的に開弁させる技術が開示されている。 Further, according to Patent Document 1 below, a technique is disclosed in which the fuel cell system is controlled so that the drive cycle of the injector becomes long and the injector is periodically opened during low load operation.
しかしながら、上記特許文献1に開示される技術によれば、インジェクタの閉弁中に燃料電池の要求発電電流が急激に増加する場合など、負荷変動によって不定期に発生する燃料ガス不足に対し、早急に燃料ガスを供給することができなかった。 However, according to the technique disclosed in Patent Document 1 described above, in response to a shortage of fuel gas that occurs irregularly due to load fluctuations, such as when the required power generation current of the fuel cell suddenly increases while the injector is closed, it is immediately The fuel gas could not be supplied.
これに対し、不定期に発生する燃料ガス不足に対して早急に燃料ガスを供給できるようにするため、インジェクタの閉弁中であっても、割り込み処理によりインジェクタが開弁できるように制御することが考えられる。
ただし、割り込み処理ができるように構成した場合に、インジェクタの制御アルゴリズムの複雑化を招き、高性能のマイコンが必要となるため、好ましくない。
On the other hand, in order to be able to supply fuel gas as soon as possible in the event of an inadequate fuel gas shortage, control should be performed so that the injector can be opened by interrupt processing even when the injector is closed. Can be considered.
However, it is not preferable that an interrupt process can be performed because the control algorithm of the injector is complicated and a high-performance microcomputer is required.
また、上記特許文献1に開示される技術によれば、インジェクタの駆動周期が長期化され、閉弁時間が長くなるため、生成水の排水性が悪化し、燃料電池の発電性能が悪化してしまう虞があった。 In addition, according to the technique disclosed in Patent Document 1, since the drive cycle of the injector is prolonged and the valve closing time becomes longer, the drainage of generated water is deteriorated, and the power generation performance of the fuel cell is deteriorated. There was a risk of it.
そこで、本発明は、前記する背景に鑑みて創案された発明であって、複雑な制御アルゴリズムを用いることなく、負荷変動に対して早急に燃料ガスを供給できるとともに、生成水の排水を促進できる燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention was devised in view of the above-described background, and can quickly supply fuel gas against load fluctuations without using a complicated control algorithm, and can promote drainage of generated water. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a method for controlling the fuel cell system.
前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給路上に配設され、開閉駆動により前記燃料ガスを調圧して供給する燃料ガス供給弁と、前記燃料ガス供給弁の開閉駆動を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、所定の演算周期毎に、前記燃料電池の負荷要求に応じた前記燃料ガス供給弁の駆動指令値を算出する駆動指令値算出部と、生成水の排水を促進させることができる駆動指令閾値に満たない駆動指令値を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された駆動指令値に、前記駆動指令値算出部により新たに算出された駆動指令値を加算する駆動指令値加算部と、前記駆動指令値加算部により算出された駆動指令加算値が前記駆動指令閾値以上であるか否かを判定する閾値判定部と、前記閾値判定部により、前記駆動指令加算値が前記駆動指令閾値に満たないと判定された場合に、前記記憶部に前記駆動指令加算値を蓄積する蓄積処理部と、前記閾値判定部により、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であると判定された場合に、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動する駆動制御部と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is disposed on a fuel cell that generates power by being supplied with a fuel gas and an oxidant gas, and a supply path that supplies the fuel gas to the fuel cell. A fuel cell system comprising: a fuel gas supply valve that regulates and supplies the fuel gas by opening and closing drive; and a control unit that controls opening and closing drive of the fuel gas supply valve, wherein the control unit includes a predetermined calculation A drive command value calculation unit that calculates a drive command value of the fuel gas supply valve according to a load request of the fuel cell for each cycle, and a drive command that does not satisfy a drive command threshold that can promote drainage of generated water A storage unit that stores a value, a drive command value addition unit that adds a drive command value newly calculated by the drive command value calculation unit to the drive command value stored in the storage unit, and the drive command value addition By part When the threshold value determination unit that determines whether or not the issued drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold value and the threshold value determination unit determines that the drive command addition value does not satisfy the drive command threshold value In addition, when the storage processing unit that accumulates the drive command addition value in the storage unit and the threshold value determination unit determine that the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold value, based on the drive command addition value And a drive controller for driving the fuel gas supply valve.
本発明によれば、閾値判定部により、駆動指令加算値が駆動指令閾値に満たないと判定された場合、言い換えれば、燃料電池の負荷要求に応じるように燃料ガス供給弁を駆動させたとしても、生成水の排水を促進させることができないと判定された場合に、蓄積処理部により駆動指令閾値が記憶部に蓄積されて、その演算周期において、燃料ガス供給弁が開弁しない。
一方で、閾値判定部により、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であると判定された場合、言い換えれば、燃料電池の負荷要求に応じるように燃料ガス供給弁を駆動させることで、生成水の排水を促進させることができると判定された場合に、駆動制御部が駆動指令加算値に基づいて燃料ガス供給弁を駆動させる。そのため、生成水の排水を促進できる量の燃料ガスが供給されて、生成水の排水の促進を図ることができる。
つまり、本発明によれば、燃料ガス供給量が少なく、排水効果が乏しいと考えられる場合には、燃料ガス供給を行わず、排水効果が得られる場合に燃料ガスを供給するので、排水性の悪化による発電性能の悪化を招くおそれがない。
また、本発明によれば、必ずしも演算周期毎に燃料ガスを供給しないので、燃料ガス供給弁を開閉させるか否かを判定する演算周期を比較的短期間に設定することができる。そして、演算周期を比較的短期間に設定した場合には、燃料ガス供給弁を駆動させて開閉させるか否かを判定する開閉判定処理を行う機会が増加する。そのため、燃料電池の負荷要求が急変動した場合であっても、比較的早期に、次回の開閉判定処理が行われて、早急に負荷変動に応じた燃焼ガスの供給を行うことができる。
以上より、本願発明によれば、不定期に発生する負荷変動に対応して、割り込み処理することなく早急に燃料ガスを供給できる。
According to the present invention, even when the threshold value determination unit determines that the drive command addition value is less than the drive command threshold value, in other words, even if the fuel gas supply valve is driven to meet the load request of the fuel cell. When it is determined that the drainage of the generated water cannot be promoted, the drive command threshold is accumulated in the storage unit by the accumulation processing unit, and the fuel gas supply valve does not open in the calculation cycle.
On the other hand, when the threshold value determination unit determines that the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold value, in other words, by driving the fuel gas supply valve to meet the load request of the fuel cell, When it is determined that drainage can be promoted, the drive control unit drives the fuel gas supply valve based on the drive command addition value. Therefore, an amount of fuel gas that can promote the drainage of the generated water is supplied, and the drainage of the generated water can be promoted.
That is, according to the present invention, when the fuel gas supply amount is small and the drainage effect is considered to be poor, the fuel gas is not supplied and the fuel gas is supplied when the drainage effect is obtained. There is no risk of power generation performance deterioration due to deterioration.
In addition, according to the present invention, since the fuel gas is not necessarily supplied every calculation cycle, the calculation cycle for determining whether to open or close the fuel gas supply valve can be set in a relatively short time. When the calculation cycle is set to a relatively short time, the opportunity for performing an open / close determination process for determining whether to open / close by driving the fuel gas supply valve increases. Therefore, even when the load request of the fuel cell suddenly fluctuates, the next open / close determination process is performed relatively early, and the combustion gas can be quickly supplied according to the load variation.
As described above, according to the present invention, fuel gas can be supplied promptly without interruption processing in response to load fluctuations that occur irregularly.
また、前記制御部は、前記燃料電池の発電が安定しているか否かを判定するとともに、発電が安定していないと判定した場合に開弁フラグを立てる発電安定性判定部と、前記開弁フラグを立っているか否かを判定する開弁フラグ判定部とを備え、前記駆動制御部は、前記開弁フラグ判定部により、前記開弁フラグが立っていると判定された場合に、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動することを特徴とするが好ましい。 The control unit determines whether or not power generation of the fuel cell is stable, and generates a valve opening flag when it is determined that power generation is not stable; A valve opening flag determining unit that determines whether or not the flag is set, and the drive control unit drives the drive when the valve opening flag determining unit determines that the valve opening flag is set. Preferably, the fuel gas supply valve is driven based on a command addition value.
前記する構成によれば、燃料電池の発電が安定していない場合に、発電安定性判定部により開弁フラグが立てられる。そして、開弁フラグ判定部により、開弁フラグが立っていると判定されて、駆動制御部が燃料ガス供給弁を駆動させて必ず開弁するようになっている。そのため、確実に燃焼ガスが供給されて、燃料電池の発電を安定させることができる。 According to the configuration described above, the valve opening flag is set by the power generation stability determination unit when the power generation of the fuel cell is not stable. The valve opening flag determining unit determines that the valve opening flag is set, and the drive control unit drives the fuel gas supply valve to always open the valve. Therefore, combustion gas is reliably supplied and the power generation of the fuel cell can be stabilized.
また、前記発電安定性判定部は、前記燃料電池の発電が安定しているか否かを判定する手段として、前記燃料電池の温度が、触媒活性が不十分温度である所定温度の範囲内にあるか否かを判定する温度判定手段を有し、前記温度判定手段は、前記所定温度の範囲内にある場合に、前記燃料電池の発電が安定していないと判定し、前記開弁フラグを立てることが好ましい。 Further, the power generation stability determination unit is a means for determining whether or not the power generation of the fuel cell is stable, and the temperature of the fuel cell is within a predetermined temperature range where the catalyst activity is insufficient. Temperature determination means for determining whether or not the temperature determination means determines that power generation of the fuel cell is not stable when the temperature is within the predetermined temperature range, and sets the valve opening flag. It is preferable.
前記する構成によれば、たとえば氷点下など、燃料電池が触媒不活性な温度状況にある場合に、温度判定手段により燃料電池の発電が安定していないと判定されて、開弁フラグが立てられる。そのため、確実に燃焼ガスを供給することで燃料電池の発電を継続し、温度上昇により触媒の活性化を促すことができ、安定して燃料電池の発電を継続できる。 According to the above-described configuration, when the fuel cell is in a catalyst inactive temperature state, for example, below freezing point, the temperature determination unit determines that the power generation of the fuel cell is not stable and sets the valve opening flag. Therefore, it is possible to continue the power generation of the fuel cell by reliably supplying the combustion gas, to promote the activation of the catalyst due to the temperature rise, and to continue the power generation of the fuel cell stably.
また、前記発電安定性判定部は、前記燃料電池の発電が安定しているか否かを判定する手段として、前記燃料電池内の燃料ガス濃度を把握する水素濃度判定手段を有し、
前記水素濃度判定手段は、前記水素濃度が所定濃度以下の場合、前記燃料電池の発電が安定していないと判定し、前記開弁フラグを立てることが好ましい。
In addition, the power generation stability determination unit has a hydrogen concentration determination means for grasping the fuel gas concentration in the fuel cell as a means for determining whether or not the power generation of the fuel cell is stable,
Preferably, the hydrogen concentration determination means determines that the power generation of the fuel cell is not stable when the hydrogen concentration is equal to or lower than a predetermined concentration, and sets the valve opening flag.
前記する構成によれば、水素濃度が所定濃度以下の場合に、水素濃度を把握する水素濃度判定手段により燃料電池の発電が安定していないと判定されて、開弁フラグが立てられる。そのため、確実に燃料ガスを供給して燃料ガスの濃度を高くすることができ、燃料電池による発電の安定化が図れる。 According to the above-described configuration, when the hydrogen concentration is equal to or lower than the predetermined concentration, the hydrogen concentration determination unit that grasps the hydrogen concentration determines that the power generation of the fuel cell is not stable, and the valve opening flag is set. Therefore, the fuel gas can be reliably supplied to increase the concentration of the fuel gas, and the power generation by the fuel cell can be stabilized.
また、前記制御部は、前記生成水の排水を促進させる必要があるか否かを判定するとともに、排水を促進させる必要がないと判定した場合に、前記開弁フラグを立てる排水促進性判定部を備えることが好ましい。 Further, the control unit determines whether or not it is necessary to promote drainage of the generated water, and determines that the valve opening flag is set when it is determined that it is not necessary to promote drainage. It is preferable to provide.
前記する構成によれば、排水を促進させる必要がないと判定された場合に、排水促進性判定部により開弁フラグが立てられて、燃料ガス供給弁が開弁するように処理される。
そのため、駆動指令加算値が次回の演算周期に持ち越しされることなく、その演算周期で燃料ガスが供給されて、一時的な水素不足を確実に回避できる。
According to the configuration described above, when it is determined that it is not necessary to promote drainage, the drainage promotion determination unit sets the valve opening flag and performs processing so that the fuel gas supply valve is opened.
Therefore, the drive command addition value is not carried over to the next calculation cycle, and the fuel gas is supplied at the calculation cycle, so that temporary shortage of hydrogen can be reliably avoided.
また、前記排水促進性判定部は、前記生成水の排水を促進させる必要があるか否かを判定する手段として、前記燃料電池が高負荷運転した場合に、前記高負荷運転が終わってから所定期間内であるか否かの判定を行う高負荷運転後判定手段を有し、前記高負荷運転後判定手段は、前記所定期間内であると判定した場合に、前記生成水の排水を促進させる必要がないとして、前記開弁フラグが立てることが好ましい。 Further, the drainage promotion determination unit is a means for determining whether or not it is necessary to promote the drainage of the generated water. When the fuel cell is operated at a high load, the drainage promotion determination unit is predetermined after the high load operation ends. It has a high-load operation determination means for determining whether or not it is within a period, and the post-high-load operation determination means promotes drainage of the generated water when it is determined that it is within the predetermined period. The valve opening flag is preferably set as not necessary.
前記する構成によれば、高負荷での運転から所定期間内、つまり、高負荷での運転により多くの燃料ガスが供給されて生成水が排水されて、供給路内に生成水が残留していない場合に、高負荷運転後判定手段により開弁フラグが立てられる。そのため、駆動指令加算値が次の演算周期に持ち越しされることなく、演算周期で燃料ガスが供給されて、一時的な水素不足を確実に回避できる。 According to the above-described configuration, a large amount of fuel gas is supplied and the generated water is drained within a predetermined period from the operation at a high load, that is, the operation at a high load, and the generated water remains in the supply path. If not, a valve opening flag is set by the determination means after high load operation. Therefore, the fuel gas is supplied in the calculation cycle without the drive command addition value being carried over to the next calculation cycle, and a temporary shortage of hydrogen can be reliably avoided.
また、前記制御部は、前記生成水の量を把握できる水分量把握部を備え、前記水分量把握部は、把握した水分量が多い場合に、前記駆動指令閾値を大きい値に変更することが好ましい。 In addition, the control unit includes a moisture amount grasping unit capable of grasping the amount of the generated water, and the moisture amount grasping unit may change the drive command threshold to a large value when the grasped moisture amount is large. preferable.
前記する構成によれば、生成水の水分量が多い場合に閾値が大きくなるため、インジェクタの開閉判定処理の機会が少なくなるものの、開弁処理された場合における燃料ガス供給弁の開弁時間をより長くすることができる。そのため、アノード系の流路内の圧力をより高めることができ、アノード系の流路内に残留する生成水を確実に排出させることができる。 According to the configuration described above, the threshold value increases when the amount of water in the generated water is large, so the opportunity for the opening / closing determination process of the injector is reduced, but the opening time of the fuel gas supply valve when the valve opening process is performed is reduced. Can be longer. Therefore, the pressure in the anode flow path can be further increased, and the generated water remaining in the anode flow path can be reliably discharged.
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給路上に配設され、開閉駆動により前記燃料ガスを調圧して供給する燃料ガス供給弁と、記憶部を有し、前記燃料ガス供給弁の開閉駆動を制御する制御部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御部は、所定の演算周期毎に、前記燃料電池の負荷要求に応じた前記燃料ガス供給弁の駆動指令値を算出する工程と、前記記憶部に記憶される生成水の排水を促進させることができる駆動指令閾値に満たない駆動指令値に、前記算出工程で算出された駆動指令値を加算する工程と、前記加算する工程により算出された駆動指令加算値が、駆動指令閾値以上であるか否かを判定する工程と、前記判定する工程により前記駆動指令加算値が前記駆動指令閾値に満たないと判定された場合に、前記記憶部に前記駆動指令加算値を蓄積する工程と、前記判定工程により駆動指令加算値が前記駆動指令閾値以上であると判定された場合に、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動させる工程と、を実行することを特徴とする。 The control method of the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, and a supply path that supplies the fuel gas to the fuel cell, and is operated by opening and closing. A control method of a fuel cell system, comprising: a fuel gas supply valve that regulates and supplies the fuel gas; and a control unit that includes a storage unit and controls opening and closing of the fuel gas supply valve, wherein the control The unit calculates a drive command value of the fuel gas supply valve according to a load request of the fuel cell for each predetermined calculation cycle, and promotes drainage of generated water stored in the storage unit. A step of adding the drive command value calculated in the calculation step to a drive command value less than a drive command threshold that can be performed, and whether or not the drive command addition value calculated in the adding step is equal to or greater than the drive command threshold Determine whether And a step of accumulating the drive command addition value in the storage unit when the drive command addition value is determined to be less than the drive command threshold value by the determination step, and a drive command addition by the determination step. And a step of driving the fuel gas supply valve based on the drive command addition value when it is determined that the value is equal to or greater than the drive command threshold value.
本願発明に係る制御方法によれば、演算周期毎に行われる開閉判定処理によって、不定期に発生する突然な燃料ガス不足に対応できるとともに、残留生成水の排水促進も図ることができる。そのため、割り込み処理が不要となり、制御アルゴリズムの簡易化を図れる。 According to the control method according to the present invention, the open / close determination process performed at each calculation cycle can cope with a sudden shortage of fuel gas that occurs irregularly and also promotes drainage of residual generated water. This eliminates the need for interrupt processing and simplifies the control algorithm.
また、前記制御部は、前記発電が安定していないと判定した場合に、開弁フラグを立てる発電安定性判定部と、前記生成水の排水を促進させる必要がないと判定した場合に、前記開弁フラグを立てる排水促進性判定部と、のいずれか一方又は両方を備え、前記加算する工程の後に、前記開弁フラグを立っているか否かを判定する工程と、前記開弁フラグを立っていると判定された場合に、前記駆動指令加算値が、駆動指令閾値以上であるか否かの判定する工程に移行することなく、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動させる工程と、を実行することを特徴とするが好ましい。 In addition, when the control unit determines that the power generation is not stable, the power generation stability determination unit that sets a valve opening flag, and when it is determined that there is no need to promote drainage of the generated water, One or both of a drainage promotion determination unit that sets a valve opening flag, a step of determining whether or not the valve opening flag is set after the adding step, and the valve opening flag is set If it is determined that the fuel command supply value is equal to or greater than the drive command threshold value, the fuel gas supply valve is driven based on the drive command addition value. Preferably, the step is performed.
前記する構成によれば、開弁フラグが立てられているか否かを判定する開弁フラグ判定部を有しているため、発電安定性観点から、又は、生成水の排水性の必要性の観点から、燃料ガス供給弁の開弁の可否を判定できる。
また、当該開弁フラグが立っているか否かを判定する工程が、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であるか否かを判定する工程よりも優先されている。そのため、開弁フラグを立っていると判定された場合に、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であるか否かを判定する工程を省略でき、開閉判定処理の簡便化を図れる。
According to the configuration described above, since it has the valve opening flag determination unit that determines whether or not the valve opening flag is set, from the viewpoint of power generation stability or from the viewpoint of the necessity of drainage of generated water From this, it is possible to determine whether or not the fuel gas supply valve can be opened.
Further, the step of determining whether or not the valve opening flag is set is prioritized over the step of determining whether or not the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold. Therefore, when it is determined that the valve opening flag is set, the step of determining whether or not the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold can be omitted, and simplification of the open / close determination process can be achieved.
以上、本発明によれば、複雑な制御アルゴリズムを用いることなく、負荷変動に対して早急に燃料ガスを供給できるとともに、生成水の排水を促進できる燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, there is provided a fuel cell system and a control method for the fuel cell system that can quickly supply fuel gas with respect to load fluctuations and promote drainage of generated water without using a complicated control algorithm. Can be provided.
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて、図面を適宜参照しながら説明する。実施形態に係る燃料電池システム1は、モータ100の駆動により走行する図示しない燃料電池車(車両、移動体)に搭載されている。なお、車両には、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等が含まれ、また、移動体には、例えば、船舶、航空機が含まれる。
Next, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. The fuel cell system 1 according to the embodiment is mounted on a fuel cell vehicle (vehicle, moving body) (not shown) that travels by driving a
図1に示すように、燃料電池システム1は、モータ100に電力を供給するために発電を行う燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2に水素(燃料ガス)を供給するアノード系3と、燃料電池スタック2に空気(酸化剤ガス)を供給するカソード系4と、アノード系3とカソード系4とを接続する掃気系5と、燃料電池スタック2を冷却する冷却系6と、制御部7と、アクセル開度センサ8とを主に備える。なお、燃料電池スタック2とは、特許請求の範囲に記載される「燃料電池」に相当する構成である。
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a
燃料電池スタック2は、水素ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電するセルを複数積層させてなるものである。また、燃料電池スタック2には、出力検出器2aとセル電圧モニタ2bとが設けられている。
出力検出器2aは、燃料電池スタック2からモータ100に供給される電力の電流値、電圧値を検出するものであり、検出した電流値、電圧値を制御部7に出力するようになっている。
また、セル電圧モニタ2bは、複数のセル毎のセル電圧を検出するものであり、検出したセル毎の電圧から平均セル電圧値、最低セル電圧値を算出するとともに、算出した平均セル電圧値、最低セル電圧値を制御部7に出力するようになっている。
The
The
The
アノード系3は、数十MPaの高圧の水素が充填された水素タンク10と、水素タンク10の水素を燃料電池スタック2のアノードに供給するための供給路11と、燃料電池スタック2のアノードから排出されるアノードオフガスを希釈器23に排出させる排出路12と、排出路12上のアノードオフガスを供給路11に循環させる循環路13とを備える。
The
また、アノード系3の供給路11上には、上流側(水素タンク10側)から順に、主止弁14と、インジェクタ15と、圧力計17とが設けられている。また、アノード系3の排出路12には、循環路13が接続する箇所よりも下流側(希釈器23側)に、パージ弁16が設けられている。
この主止弁14、及びインジェクタ15、並びパージ弁16は、電磁弁であって、制御部7の後記する駆動制御部37(図2参照)から駆動電流が流されることで駆動(開弁)するようになっている。
なお、インジェクタ15が、特許請求の範囲に記載される「燃料ガス供給弁」に相当する構成である。
A
The
The
圧力計17は、燃料電池スタック2のアノードに供給されるガスの圧力を測定するものであり、供給路11上であって循環路13の接続点よりも下流側(燃料電池スタック2側)に設けられて、供給路11の下流側の圧力を測定している。また、圧力計17は、測定した圧力を水素圧力情報として、制御部7に出力している。
The
カソード系4は、空気(酸化剤ガス)を圧縮するエアポンプ20と、エアポンプ20により圧縮された空気を燃料電池スタック2のカソードに供給する供給路21と、燃料電池スタック2のカソードからカソードオフガスを排出させる排出路22と、希釈器23と、希釈器23から排出されるオフガスの水素濃度を検出する水素センサ24とを備えている。
The
エアポンプ20は、外気(空気)を圧縮してカソード系4の供給路21に供給するものである。希釈器23は、アノード系3の排出路12から流入するアノードオフガスを、カソード系4の排出路22から流入するカソードオフガスにより希釈化させて外部に排出するためのものである。水素センサ24は、燃料電池システム1から排出される水素量を測定するため、希釈器23から排出されるオフガスに含まれる水素量を測定している。また、水素センサ24は、測定した水素濃度を排出水素量情報として制御部7に出力するようになっている。
The
冷却系6は、燃料電池スタック2に形成された冷媒流路に接続された冷媒流路6aと、燃料電池スタック2から流出した冷媒温度を測定するための温度センサ6bと、冷媒流路6a上に設けられて冷媒の熱交換を行うラジエータ6cと、冷媒を流通させるための図示しないポンプとを備える。また、温度センサ6bは、測定した冷媒温度を冷媒温度情報として制御部7に出力するようになっている。なお、温度センサ6bにより測定された冷媒温度は、燃料電池スタック2の温度と略等しいものとする。
The
掃気系5は、カソード系4の供給路21及びアノード系3の供給路11を接続する掃気路5aと、掃気路5aを開閉する掃気弁5bを備える。
そして、制御部7は、温度センサ7bから入力された冷媒温度情報から推定される温度が、燃料電池システム1のアノード系3に残留する生成水が凍結するおそれがある所定の温度値以下と判断された場合に、掃気弁5bを開弁させるとともに、エアポンプ20を駆動させることで、掃気路5aを介して圧縮された空気をアノード系3の流路に送り込み、アノード系3の流路に残留する生成水を排水する掃気処理が行われるようになっている。なお、掃気処理が行われた場合に、掃気情報が記憶部30(図2参照)に記憶される。
The
Then, the
アクセル開度センサ8は、図示しない燃料電池車に設けられたアクセルペダルの踏み込み量であるアクセル開度θを検出するセンサである。そして、アクセル開度センサ8は、検出したアクセル開度θを制御部7に出力するようになっている。
The
制御部7は、一定周期毎にインジェクタ15を開弁させるか否かを判定する開閉判定処理を行うとともに、その開閉判定処理の処理結果に基づいて、インジェクタ15の開閉駆動を制御するものである。なお、以下において、制御部7が開閉判定処理を行う一定周期を演算周期と呼ぶ。
The
また、制御部7は、図2に示すように、情報を記憶する記憶部30と、演算周期ごとに周期情報を生成するタイマ部31と、周期情報を受けてその周期における駆動指令値を算出する駆動指令値算出部32と、記憶部30に蓄積されて持ち越された駆動指令値である駆動指令蓄積値と駆動指令値とを加算して駆動指令加算値を算出する駆動指令値加算部33と、開弁フラグ判定部34と、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であるか否かを判定する閾値判定部35と、記憶部30に駆動指令加算値を蓄積する蓄積処理部36と、駆動指令加算値に基づいてインジェクタ15を駆動させる駆動制御部37と、燃料電池スタック2の発電安定性を有しているか否かの判定を行う発電安定性判定部38と、排水の促進が必要であるか否かの判定を行う排水促進性判定部39とを備える。
なお、詳細については後述するが、発電安定性判定部38が発電安定性を有していないと判定した場合と、排水促進性判定部39が排水の促進が必要でないと判定した場合に、開弁フラグを立てるようになっている。また、開弁フラグとは、制御部7による開閉判定処理が、インジェクタ15が開弁するという処理結果となるように導くためのものである。
Further, as shown in FIG. 2, the
Although details will be described later, it is opened when the power generation
記憶部30は、情報を記憶するためのものであって、燃料電池システム1の各構成から入力された情報のほかに、アクセル開度マップと、開弁時間マップと、駆動指令蓄積値と、駆動指令閾値とを予め記憶している。
The
アクセル開度マップとは、図3(a)に示すように、アクセル開度θから燃料電池スタック2に要求される発電力(以下、「目標発電力」という)を予測するものであり、試験等により予め求められたものである。
なお、アクセル開度θと燃料電池スタック2の目標発電力との関係は、図3(a)に示すように、アクセル開度θが大きい場合(踏み込み量が大きい場合)、モータ100の目標回転数が上昇するため、燃料電池スタック2の目標発電力も大きくなり、一方で、アクセル開度θが小さい場(踏み込み量が小さい場合)合、モータ100の目標回転数が減少するため、燃料電池スタック2の目標発電力が小さくなる、という相関関係にある。
As shown in FIG. 3 (a), the accelerator opening map predicts the power generation required for the
The relationship between the accelerator opening θ and the target power generation of the
開弁時間マップとは、図3(b)に示すように、燃料電池スタック2の発電力が目標発電力となるために必要な水素供給量を決定するためのものであり、各演算周期において、燃料電池スタック2が目標発電力となるために必要なインジェクタ15の開弁時間を導出できるようになっている。
なお、燃料電池スタック2の目標電力量とインジェクタ15の開弁時間との関係は、図3に示すように、燃料電池スタック2の目標電力量が大きい場合、水素供給量を多くするために、インジェクタ15の開弁時間が長くなり、一方で、燃料電池スタック2の目標電力量が小さい場合、水素供給量を少なくするために、インジェクタ15の開弁時間が短くなる、という相関関係にある。
As shown in FIG. 3B, the valve opening time map is used to determine the hydrogen supply amount necessary for the generated power of the
The relationship between the target power amount of the
また、駆動指令蓄積値とは、前回の演算周期の開閉判定処理において、インジェクタ15を開弁しないという処理結果となったために、記憶部30に蓄積されたインジェクタ15の開弁時間である。
The drive command accumulated value is the valve opening time of the
さらに、駆動指令閾値とは、閾値判定部35により用いられる値(図4の「S5」参照)であり、アノード系3の流路に残留する生成水の排水を促進させることができるインジェクタ15の開弁時間である。
Furthermore, the drive command threshold value is a value (see “S5” in FIG. 4) used by the
タイマ部31は、制御部7から出力される起動信号を受けて時間の計時を開始し、一定期間ごとに開閉判定処理の開始条件となる周期情報を生成するものである。
そして、タイマ部31は、一定期間ごとに生成した周期情報を駆動指令値算出部32に知らせるようになっている。これにより、制御部7の開閉判定処理が一定周期、つまり、演算周期毎に行われることとなる。
ここで、タイマ部31が計時する演算周期は、予め設定されるものであって、駆動指令閾値に相当する時間以上の時間が確保されている。
The
The
Here, the calculation cycle timed by the
つぎに説明する駆動指令値算出部32と駆動指令値加算部33と開弁フラグ判定部34と閾値判定部35と蓄積処理部36と駆動制御部37については、タイマ部31からの周期情報を受けて開閉判定処理で実行される構成であるため、図4を参照しながら、処理工程に沿って説明する。
For the drive command
図4に示すように、駆動指令値算出部32は、タイマ部31から周期情報を受けて(Start)、駆動指令値の算出を行うように構成されている(S1)。
ここで、駆動指令値とは、その演算周期において、燃料電池の負荷要求に対応した水素供給量を供給するためのインジェクタの開弁時間である。
なお、本実施形態において、駆動指令値算出部32の駆動指令値の算出処理は、まず、記憶部30に記憶されるアクセル開度マップ(図3(a)参照)に基づき、アクセル開度センサ8から入力されたアクセル開度θから燃料電池スタック2の目標発電力を算出する。
つぎに、開弁時間マップ(図3(b)参照)に基づき、導出された目標発電力からインジェクタ15の開弁時間を算出する。
As shown in FIG. 4, the drive command
Here, the drive command value is the valve opening time of the injector for supplying the hydrogen supply amount corresponding to the load demand of the fuel cell in the calculation cycle.
In the present embodiment, the calculation process of the drive command value by the drive command
Next, based on the valve opening time map (see FIG. 3B), the valve opening time of the
ここで、駆動指令値算出部32は、圧力計17から入力された水素圧力情報、又は、水素センサ24から入力された水素排出量情報から、インジェクタ15の開弁時間を補正するようになっている。
なお、水素圧力が高い場合と水素排出量が少ない場合に、開弁時間が短くなるように補正され、一方で、水素圧力が低い場合と水素排出量が多い場合に、開弁時間が長くなるように補正される。
以上の処理によってインジェクタ15の開弁時間、つまり、駆動指令値が算出される。なお、実施形態における駆動指令値算出部32は、上記する処理によりインジェクタ15の開弁時間を導出するが、本発明はこれに限定されるものでない。
そして、駆動指令値算出部32は、以上の処理により算出した駆動指令値を、駆動指令値加算部33に受け渡すように構成されている。
Here, the drive command
In addition, when the hydrogen pressure is high and when the hydrogen discharge amount is small, the valve opening time is corrected so as to be shortened. On the other hand, when the hydrogen pressure is low and when the hydrogen discharge amount is large, the valve opening time becomes long. It is corrected as follows.
With the above processing, the valve opening time of the
The drive command
図4に示すように、駆動指令値加算部33は、駆動指令値算出部32から駆動指令値を受け取った場合に、記憶部30に記憶される駆動指令蓄積値の読み込みを行い、駆動指令蓄積値と駆動指令値を加算することで、駆動指令加算値を算出するように構成されている(S2)。
これによって、今回の演算周期におけるインジェクタ15の開弁時間と、持ち越しされた前回の演算周期までに蓄積されたインジェクタ15の開弁時間との合計時間を求めることができる。そして、駆動指令値加算部33は、算出した駆動指令加算値を開弁フラグ判定部34に受け渡すように構成されている。
なお、駆動指令値算出部32により、記憶部30から駆動指令蓄積値を読み込んだ際に、記憶部30に記憶される駆動指令蓄積値を“0”として更新処理するように構成されている。
As shown in FIG. 4, when the drive command
Thus, the total time of the valve opening time of the
Note that, when the drive command accumulated value is read from the
図4に示すように、開弁フラグ判定部34は、駆動指令加算値を受け取った場合に、開弁フラグが立っているか否かについて判定するように構成されている(S3)。
また、開弁フラグ判定部34は、開弁フラグが立っていると判定した場合(「S3」の「Yes」の場合)、駆動指令加算値を駆動制御部37に受け渡すように構成されている。
As shown in FIG. 4, the valve opening
Further, the valve opening
駆動制御部37は、駆動指令加算値を受け取った場合に、インジェクタ15を開弁させるため、駆動指令加算値に対応して駆動電流を流し続けるように構成されている。
そのため、駆動制御部37は、開弁フラグ判定部34から駆動指令加算値を受け取った場合に、駆動指令加算値に対応するように駆動電流を流し続けて(S4)、この演算周期中における開閉判定処理を終了する(「End1」の場合)。
When the drive command addition value is received, the
Therefore, when the
一方で、開弁フラグ判定部34は、開弁フラグが立っていないと判定した場合(「S3」の「No」の場合)に、駆動指令加算値を閾値判定部35に受け渡すように構成されている。
On the other hand, the valve opening
図4に示すように、閾値判定部35は、受け渡された駆動指令加算値が記憶部30に記憶される駆動指令閾値以上であるかについて判定するように構成されている(S5)。
なお、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であると判定される場合とは、インジェクタ15の開弁時間がアノード系3の供給路11に残留する生成水の排水を促進させることができる場合を指す。
As illustrated in FIG. 4, the
The case where it is determined that the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold is a case where the valve opening time of the
ここで、閾値判定部35は、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であると判定した場合(「S5」の「Yes」の場合)、駆動指令加算値を駆動制御部37に受け渡すように構成されている。
そして、駆動指令加算値を受け取った駆動制御部37は、駆動指令加算値に対応するように駆動電流を流し続けて(S6)、この演算周期中における開閉判定処理を終了する(「End2」の場合)。
Here, when the threshold
Then, the
一方で、閾値判定部35は、駆動指令加算値が閾値以上でないと判定した場合「S5」の「No」の場合)、駆動指令加算値を蓄積処理部36に受け渡すように構成されている。
On the other hand, the threshold
蓄積処理部36は、駆動指令加算値を受け取った場合に、駆動指令加算値を次回の演算周期に持ち越すために、駆動指令加算値を駆動指令蓄積値として、記憶部30に蓄積(記憶)するように構成されている(S7)。
そして、記憶部30に駆動指令蓄積値が蓄積されて、この演算周期中の開閉判定処理を終了する(End3)。
When receiving the drive command addition value, the
Then, the drive command accumulated value is accumulated in the
図2に戻って、制御部7における各構成の説明を続ける。
図2に示すように、発電安定性判定部38は、燃料電池スタック2における発電が安定しているか否かを判定し、燃料電池スタック2における発電が安定していないと判定した場合に、開弁フラグを立てて、制御部7の開閉判定処理における処理結果をインジェクタ15が開弁するように導くためのものである。
また、発電安定性判定部38は、燃料電池スタック2における発電が安定しているか否かを判定するために、水素濃度判定手段50と温度判定手段51と高出力判定手段52とを有している。
Returning to FIG. 2, the description of each component in the
As shown in FIG. 2, the power generation
The power generation
温度判定手段51は、冷却系6の温度センサ6bから入力された冷媒温度に基づき、燃料電池スタック2の温度を推定するとともに、推定された燃料電池スタック2の温度が所定の触媒活性不十分温度の範囲内にあるか否かの判定を行うように構成されている。
また、温度判定手段51は、燃料電池スタック2の温度が所定の触媒活性不十分温度の範囲内であると判定した場合には、開弁フラグを立てる処理を行うように構成されている。
なお、ここでいう触媒活性不十分温度の範囲とは、たとえば、30℃〜40℃又は氷点下など、触媒が不活性な温度状況にあるために燃料電池スタック2による発電が安定しないと判断できる範囲である。
よって、温度判定手段51により、開弁フラグを立てられると、水素を供給して触媒の活性化を促すことでき、燃料電池による発電の安定化が図れる。
The temperature determination means 51 estimates the temperature of the
Further, the temperature determination means 51 is configured to perform a process for setting a valve opening flag when it is determined that the temperature of the
In addition, the range of the catalyst activity insufficient temperature here is a range in which the power generation by the
Therefore, when the valve opening flag is set by the temperature determination means 51, hydrogen can be supplied to promote activation of the catalyst, and power generation by the fuel cell can be stabilized.
水素濃度判定手段50は、セル電圧モニタ2bから入力される平均電圧値が所定値未満であるか否かの判定を行うことで、燃料電池スタック2の水素濃度が所定値未満であるか否かを判断するように構成されている。
また、水素濃度判定手段50は、セルの電圧値が所定値未満であると判定した場合に、燃料電池スタック2の水素濃度が所定値未満である判断してとして開弁フラグを立てる処理を行うように構成されている。
さらに、ここでいう所定値とは、セルに要求される通常の電圧範囲の下限値である。そして、セルの平均電圧値が所定値未満の場合には、通常の電圧値に比べて非常に低く、アノード系3内の水素の濃度が十分に高くなっていない、つまり、発電が安定していないと判断できる場合である。
よって、水素濃度判定手段50により、開弁フラグを立てられると、水素を供給して水素の濃度を高くすることでき、燃料電池による発電の安定化が図れる。
なお、水素濃度判定手段50は、セル電圧モニタ2bから入力される平均電圧値に基づいて、水素濃度が所定値未満であるか否かを判定しているが、本発明においてはこれに限定されない。
たとえば、供給路11の燃料電池スタック2の近傍に水素濃度センサ(不図示)を設けて、この水素濃度センサから測定される水素濃度に基づいて、水素濃度が所定値未満であるか否かを判定してもよい。または、セル電圧モニタ2bから入力される最低電圧値に基づいて、燃料電池スタック2の水素濃度が所定値未満であるか否かの判定を行うように構成してもよい。
The hydrogen concentration determination means 50 determines whether or not the hydrogen concentration of the
Further, when the hydrogen
Furthermore, the predetermined value here is a lower limit value of a normal voltage range required for the cell. When the average voltage value of the cell is less than a predetermined value, it is very low compared to the normal voltage value, and the concentration of hydrogen in the
Therefore, when the valve opening flag is set by the hydrogen concentration determination means 50, hydrogen can be supplied to increase the hydrogen concentration, and the power generation by the fuel cell can be stabilized.
The hydrogen concentration determination means 50 determines whether or not the hydrogen concentration is less than a predetermined value based on the average voltage value input from the
For example, a hydrogen concentration sensor (not shown) is provided in the vicinity of the
高出力判定手段52は、アクセル開度センサ8が検出したアクセル開度θに基づいて、モータ100に要求された加速が所定値以上であるか否かの判定を行い、モータ100が要求された加速が所定値以上であると判定した場合、開弁フラグを立てる処理を行うように構成されている。
なお、ここでいう所定値については、現状況の水素濃度から、要求される加速度でモータ100が駆動した場合に、水素が不足すると考えられる値である。
よって、高出力判定手段52によって、開弁フラグを立てられると、水素を供給して水素不足を回避でき、燃料電池による発電の安定化が図れる。
Based on the accelerator opening θ detected by the
The predetermined value here is a value that is considered to be insufficient for hydrogen when the
Therefore, when the valve opening flag is set by the high output determination means 52, hydrogen can be supplied to avoid the shortage of hydrogen, and the power generation by the fuel cell can be stabilized.
以上、発電安定性判定部38において、水素濃度判定手段50と温度判定手段51と高出力判定手段52とのいずれか一つ以上により、開弁フラグが立てられると、制御部7による開閉判定処理で、駆動指令加算値が次回の演算周期に持ち越されることなく、水素が供給される。そのため、確実に燃焼ガスを供給して、燃料電池の発電を安定させることができる。
なお、発電安定性判定部38の上記する各手段において、燃料電池スタック2における発電が安定していると判定した場合には、開弁フラグの取り
消し処理を行うように構成されている。
As described above, in the power generation
When each of the above-described means of the power generation
排水促進性判定部39は、排水の促進が必要であるか否かを判定し、排水の促進が必要でないと判定した場合に、開弁フラグを立てて、制御部7による開閉判定処理においてインジェクタ15が開弁するように導くためのものである。
また、排水促進性判定部39は、排水の促進が必要であるか否かを判定するために、高負荷運転後判定手段53と、掃気処理後判定手段54と、排水促進制御後判定手段55とを有している。
The drainage
Further, the drainage
高負荷運転後判定手段53は、出力検出器2aが検出した燃料電池スタック2の電流値及び電圧値に基づいて、燃料電池スタック2が高負荷運転した場合にその高負荷運転が終了してから所定期間内であるか否かの判定を行い、所定期間内であると判定した場合に、開弁フラグを立てる処理を行うように構成されている。
なお、所定期間内については、予め試験等によって導出される時間であって、高負荷運転により多くの水素が供給されて生成水が排水されるとともに、その排水された状態、つまり、アノード系3の流路に生成水が残留していないと判断できる期間である。
After the high load operation is completed, the determination means 53 after the high load operation ends the high load operation when the
Note that the predetermined period is a time derived in advance by a test or the like, and a large amount of hydrogen is supplied by high-load operation to drain the generated water, and the drained state, that is, the
掃気処理後判定手段54は、記憶部30に記憶される掃気情報に基づいて、掃気処理から所定期間内にあるか否かの判定を行い、掃気処理から所定期間内にあると判定した場合には、開弁フラグを立てる処理を行うように構成されている。
なお、所定期間内とは、掃気処理によってアノード系3の流路内に生成水が残留していないと考えられる期間である。
Based on the scavenging information stored in the
The term “within a predetermined period” refers to a period during which the generated water is considered not to remain in the flow path of the
排水促進制御後判定手段55は、記憶部30に記憶される指令値情報に基づいて、駆動指令加算値が閾値以上であると判定された場合(「End2」の場合)におけるインジェクタ15の開弁が所定回数継続しているか否かの判定を行い、所定回数継続していると判定した場合に、開弁フラグを立てる処理を行うように構成されている。
なお、ここでいう所定回数とは、残留生成水の排水を促進できるインジェクタ15の開弁が継続して行われているため、生成水が残留していないと考えられる回数である。
Based on the command value information stored in the
Here, the predetermined number of times is the number of times that the generated water is considered not to remain because the valve opening of the
以上、排水促進性判定部39において、高負荷運転後判定手段53と、掃気処理後判定手段54と、排水促進制御後判定手段55とのいずれか一つ以上により、開弁フラグが立てられると、制御部7による開閉判定処理で、駆動指令加算値が次回の駆動周期に持ち越されることなく、水素が供給されるため、一時的な水素不足が確実に回避でき、燃料電池スタック2による発電の安定化をさらに図ることができる。
なお、発電安定性判定部38の上記する各手段において、排水の促進が必要であると判定した場合には、開弁フラグの取り消し処理を行うように構成しても良い。
As described above, in the drainage
It should be noted that the above-described means of the power generation
つぎに、実施形態に係る燃料電池システム1の一動作例について、図5、図6を参照しながら説明する。
なお、タイマ部31により生成される周期情報において、制御部7の起動信号を受けて最初に生成された周期情報に対応する演算周期を第1演算周期T1と呼び、第1演算周期T1以降の演算周期については、順に第2演算周期T2、第3演算周期T3等と呼ぶものとする。また、タイマ部31が計時する演算周期は、20msecとし、記憶部30に記憶される駆動指令閾値を10msecとする。
Next, an operation example of the fuel cell system 1 according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
Note that in the period information generated by the
そして、駆動指令値算出部32によって算出された駆動指令値は、図5に示すように、第1演算周期T1では5msec、第2演算周期T2では3msec、第3演算周期T3では6msec、第4演算周期T4では12msec、第5演算周期T5では3msec、第6演算周期T6では8msecとする。
As shown in FIG. 5, the drive command value calculated by the drive command
さらに、第1演算周期T1〜第3演算周期T3、第5演算周期T5、第6演算周期T6において、開弁フラグは立っていないものとする。よって、第1演算周期T1〜第3演算周期T3、第5演算周期T5、第6演算周期T6の開閉判定処理において、開弁フラグ判定部34による処理についての説明を省略する。
Furthermore, it is assumed that the valve opening flag is not set in the first calculation cycle T 1 to the third calculation cycle T 3 , the fifth calculation cycle T 5 , and the sixth calculation cycle T 6 . Therefore, in the opening / closing determination processing of the first calculation cycle T 1 to the third calculation cycle T 3 , the fifth calculation cycle T 5 , and the sixth calculation cycle T 6 , description of the processing by the valve opening
まず、タイマ部31は、制御部7からの起動信号を受けて、インジェクタ15の第1演算周期T1の計時を開始するとともに、周期情報を駆動指令値算出部32に送ることで、第1演算周期T1の開閉判定処理が開始する。
First, the
図5に示すように、第1演算周期T1では、前の演算周期が存在しない。よって、駆動指令値加算部33によって記憶部30から読み込まれる駆動指令蓄積値が“0”となり、第1演算周期T1の駆動指令加算値が“5”となる。
そして、閾値判定部35により、駆動指令加算値“5”が駆動指令閾値“10”以上でないと判定されて、蓄積処理部36が駆動指令加算値“5”を駆動指令蓄積値として記憶部30に蓄積させて、開閉判定処理を終了する(図4の「End3」の場合)。そのため、図6で示すように、第1演算周期T1において、インジェクタ15が開弁しない。
As shown in FIG. 5, the first calculation cycle T 1, there is no previous calculation cycle. Therefore, the drive command accumulated value read from the
Then, the threshold
第2演算周期T2では、図5に示すように、第1演算周期T1で駆動指令加算値が持ち越されているので、駆動指令値加算部33によって読み込まれる駆動指令蓄積値が“5”であり、駆動指令加算値が“8”となる。
ただし、閾値判定部35により、駆動指令加算値“8”が駆動指令閾値“10”以上でないと判定され、蓄積処理部36が駆動指令加算値“8”を駆動指令蓄積値として記憶部30に蓄積して、第2演算周期T2の開閉判定処理を終了する(図4の「End3」の場合)。よって、図6で示すように、第2演算周期T2においても、インジェクタ15が開弁しない。
The second operation period T 2, as shown in FIG. 5, the drive command added value in the first calculation cycle T 1 is being carried over, the drive command stored value is read by the drive command
However, the threshold
第3演算周期T3では、図5に示すように、駆動指令蓄積値は“8”であり、加算後の駆動指令加算値が“14”となる。また、閾値判定部35により、駆動指令加算値“14”が駆動指令閾値“10”以上であると判定されて、駆動指令加算値“14”を駆動制御部37に受け渡す。そして、駆動制御部37が駆動指令加算値“14”に対応して駆動電流を流し続けて、第3演算周期T3の開閉判定処理が終了する(図4の「End2」の場合)。これにより、図6に示すように、インジェクタ15が“14msec”間開弁して、燃料電池スタック2に水素が供給される。
ここで、図6に示すように、第3演算周期T3の開閉判定処理が終了後に、水素濃度判定手段50により、セルの電圧値が所定値以上でないと判定されて、開弁フラグを立てたとする。
In the third calculation cycle T 3, as shown in FIG. 5, the drive command stored value is "8", the driving command additional value after the addition is "14". Further, the threshold
Here, as shown in FIG. 6, after opening determination processing of the third calculation cycle T 3 is completed, the hydrogen concentration determination means 50, the voltage value of the cell is determined not to be greater than a predetermined value, sets a valve opening flag Suppose.
第4演算周期T4では、図5に示すように、駆動指令蓄積値が“0”であり、駆動指令値算出部32によって算出された駆動指令加算値が“12”となる。そして、開弁フラグ判定部34により開弁フラグが立っていると判定されて、駆動指令加算値を駆動制御部37に受け渡される。
つぎに、駆動制御部37が駆動指令加算値“14”に対応して駆動電流を流し続けて、第4演算周期T4の開閉判定処理が終了する(図4の「End1」の場合)。これによって、図6に示すように、インジェクタ15が“12msec”間開弁する。
なお、第4演算周期T4中に、水素が供給されてセルの電圧が上昇したため、水素濃度判定手段50は、開弁フラグを取り消し処理したものとする。
In the fourth operation cycle T 4, as shown in FIG. 5, the drive command stored value is "0", the drive command addition value calculated by the drive command
Next, the
Incidentally, the fourth in the calculation cycle T 4, the hydrogen is supplied voltage of the cell rises, the hydrogen concentration determination means 50, it is assumed that the cancellation process valve opening flag.
第5演算周期T5では、図5に示すように、駆動指令蓄積値が“0”であり、駆動指令値算出部32によって算出された駆動指令加算値が“3”となる。
よって、駆動指令加算値“3”が閾値“10”以上でないため、蓄積処理部36により駆動指令加算値“3”を駆動指令蓄積値として記憶部30に蓄積されて、第5演算周期T5の開閉判定処理を終了する(図4の「End3」の場合)。
よって、図6で示すように、第5演算周期T5では、インジェクタ15が開弁しない。
In the fifth operation cycle T 5, as shown in FIG. 5, the drive command stored value is "0", the drive command addition value calculated by the drive command
Therefore, since the drive command addition value “3” is not equal to or greater than the threshold value “10”, the
Thus, as shown in Figure 6, the fifth operation cycle T 5, the
第6演算周期T6では、図5に示すように、駆動指令蓄積値が“3”であり、算出される駆動指令加算値が“11”となる。そして、閾値判定部35により、駆動指令加算値“11”が閾値“10”以上であると判定される。つぎに、閾値判定部35が駆動指令加算値“11”を駆動制御部37に受け渡す。
つぎに、駆動制御部37が駆動指令加算値“14”に対応して駆動電流を流し続けて、第6演算周期T6の開閉判定処理が終了する(図4の「End2」の場合)。そのため、図6に示すように、インジェクタ15が“11msec”間開弁する。
In the sixth calculation cycle T 6 , as shown in FIG. 5, the drive command accumulated value is “3”, and the calculated drive command added value is “11”. Then, the threshold
Next, a continuous flow of driving current
以上、実施形態に係る燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法によれば、インジェクタ15が開弁した第3演算周期T3、第6演算周期T6において、残留する生成水の排水を促進させることができる量の水素が供給される。よって、残留する生成水の排水の促進を図ることができ、排水性の悪化による発電性能の悪化を招くおそれがない。
As described above, according to the fuel cell system and the control method of the fuel cell system according to the embodiment, the drainage of the remaining generated water is promoted in the third calculation cycle T 3 and the sixth calculation cycle T 6 when the
また、実施形態によれば、上記第1演算周期T1、第2演算周期T2、第5演算周期T5においてインジェクタ15が閉弁しているように、演算周期毎にインジェクタ15が必ず開弁するように制御されていない。
そのため、燃料電池スタック2に供給される水素が過剰とならないため、従来技術のようにインジェクタ15の演算周期を長期間とする必要がなく、開閉判定処理の演算周期を比較的短期間に設定することができる。
Further, according to the embodiment, the
Therefore, since hydrogen supplied to the
さらに、実施形態によれば、演算周期が比較的短期間であるため、開閉判定処理を行う機会が増加する。そのため、インジェクタ15の閉弁時に急な負荷変動により水素不足が生じても、比較的早期に開閉判定処理が行われるため、早急に水素を供給できる。
Furthermore, according to the embodiment, since the calculation cycle is relatively short, the opportunity to perform the open / close determination process increases. Therefore, even if hydrogen shortage occurs due to sudden load fluctuations when the
特に、実施形態によれば、上記説明した第4演算周期T4のように、水素不足が生じた場合には、発電安定性判定部38、排水促進性判定部39により開弁フラグが立てられて、必ずインジェクタ15の開弁が行われる。そのため、確実に燃料電池スタック2に水素が供給されて、燃料電池の安定した発電を行うことができる。
In particular, according to the embodiment, when hydrogen shortage occurs as in the above-described fourth calculation cycle T 4 , the valve opening flag is set by the power generation
また、実施形態によれば、複雑な制御アルゴリズムである割り込み処理を必要としない。そのため、高性能のマイコンが必要とせず、燃料電池システム1の製造コスト上昇を回避できる。 Further, according to the embodiment, interrupt processing that is a complicated control algorithm is not required. Therefore, a high-performance microcomputer is not required, and an increase in manufacturing cost of the fuel cell system 1 can be avoided.
以上、実施形態に係る実施形態に係る燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。 The fuel cell system and the control method for the fuel cell system according to the embodiment have been described above, but the present invention is not limited to this.
実施形態においては、開弁時間マップから導出される駆動指令値は、演算周期中において必要と予想されるインジェクタ15の開弁時間であったが、本発明は、これに限定されるものでない。
たとえば、燃料電池スタック2が必要と予想される水素供給量を駆動指令値としてもよい。なお、この場合には、制御部7による開閉判定処理における処理対象の駆動指令値、駆動指令蓄積値、駆動指令加算値、駆動指令閾値は、水素供給量を意味するとともに、駆動制御部37は、駆動指令加算値に対応する水素供給量を供給できるように制御するように変形する必要がある。
In the embodiment, the drive command value derived from the valve opening time map is the valve opening time of the
For example, the hydrogen supply amount expected to be required by the
また、燃料電池システム1の制御部7が、アノード系3の流路に残留する生成水量を把握できる水分量把握部(不図示)を備えてもよい。
この水分量把握部は、パージ弁16の閉弁時間中において、出力検出器2aにより検出された電流値の積算値から燃料電池スタック2において発生した生成水量、つまり、アノード系3の流路に残留する生成水量を把握するように構成されている。
さらに、水分量把握部は、把握した生成水量が所定量よりも多いか否かの判定を行い、把握した生成水量が所定量よりも多いと判定した場合に、記憶部30に記憶される閾値をより大きい値に変更処理するように構成されている。
なお、ここでいう所定量とは、現時点で記憶部30に記憶される閾値、言い換えれば現時点で記憶されるインジェクタ15の開弁時間では、排水の促進が図れないと判断される水分量である。
In addition, the
This moisture amount grasping unit is arranged in the amount of generated water generated in the
Further, the moisture content grasping unit determines whether or not the grasped generated water amount is larger than the predetermined amount, and when it is determined that the grasped generated water amount is larger than the predetermined amount, the threshold value stored in the
Here, the predetermined amount is the amount of water that is determined to be unable to promote drainage with the threshold value stored in the
そのため、水分量把握部を備える燃料電池システムによれば、水分量把握部によって記憶部30に記憶される閾値が大きい値に変更処理された場合に、制御部7の開閉判定処理によりインジェクタ15が開弁処理される場合の開弁時間も長くなる。
そのため、変更前のインジェクタ15の開弁では、生成水の排水の促進を図れない水分量がアノード系3の流路に滞留していたとしても、変更後のインジェクタ15の開弁によれば、生成水の排水の促進を図ることができるようになる。
Therefore, according to the fuel cell system including the moisture amount grasping unit, when the threshold value stored in the
Therefore, even if the amount of moisture that cannot promote the drainage of the generated water remains in the flow path of the
1 燃料電池システム
2 燃料電池スタック(燃料電池)
7 制御部
11 供給路
15 インジェクタ(燃料ガス供給弁)
30 記憶部
31 タイマ部
32 駆動指令値算出部
33 駆動指令値加算部
34 開弁フラグ判定部
35 閾値判定部
36 蓄積処理部
37 駆動制御部
38 発電安定性判定部
39 排水促進性判定部
50 水素濃度判定手段
51 温度判定手段
52 高出力判定手段
53 高負荷運転後判定手段
54 掃気処理後判定手段
55 排水促進制御後判定手段
1
7
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給路上に配設され、開閉駆動により前記燃料ガスを調圧して供給する燃料ガス供給弁と、
前記燃料ガス供給弁の開閉駆動を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、
所定の演算周期毎に、前記燃料電池の負荷要求に応じた前記燃料ガス供給弁の駆動指令値を算出する駆動指令値算出部と、
生成水の排水を促進させることができる駆動指令閾値に満たない駆動指令値を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された駆動指令値に、前記駆動指令値算出部により新たに算出された駆動指令値を加算する駆動指令値加算部と、
前記駆動指令値加算部により算出された駆動指令加算値が前記駆動指令閾値以上であるか否かを判定する閾値判定部と、
前記閾値判定部により、前記駆動指令加算値が前記駆動指令閾値に満たないと判定された場合に、前記記憶部に前記駆動指令加算値を蓄積する蓄積処理部と、
前記閾値判定部により、駆動指令加算値が駆動指令閾値以上であると判定された場合に、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動する駆動制御部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate electricity;
A fuel gas supply valve disposed on a supply path for supplying the fuel gas to the fuel cell, and adjusting and supplying the fuel gas by opening and closing drive;
A controller that controls opening and closing of the fuel gas supply valve;
A fuel cell system comprising:
The controller is
A drive command value calculation unit that calculates a drive command value of the fuel gas supply valve in response to a load request of the fuel cell for each predetermined calculation cycle;
A storage unit that stores a drive command value that does not satisfy a drive command threshold value that can promote drainage of generated water;
A drive command value adding unit that adds the drive command value newly calculated by the drive command value calculating unit to the drive command value stored in the storage unit;
A threshold value determination unit for determining whether or not the drive command addition value calculated by the drive command value addition unit is equal to or greater than the drive command threshold value;
An accumulation processing unit that accumulates the drive command addition value in the storage unit when the threshold determination unit determines that the drive command addition value is less than the drive command threshold;
A drive control unit that drives the fuel gas supply valve based on the drive command addition value when the threshold value determination unit determines that the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold value;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池の発電が安定しているか否かを判定するとともに、発電が安定していないと判定した場合に開弁フラグを立てる発電安定性判定部と、
前記開弁フラグを立っているか否かを判定する開弁フラグ判定部と、を備え、
前記駆動制御部は、前記開弁フラグ判定部により、前記開弁フラグが立っていると判定された場合に、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The controller is
A power generation stability determination unit that determines whether or not power generation of the fuel cell is stable and sets a valve opening flag when it is determined that power generation is not stable;
A valve opening flag determination unit for determining whether or not the valve opening flag is set,
The drive control unit drives the fuel gas supply valve based on the drive command addition value when the valve opening flag determination unit determines that the valve opening flag is set. The fuel cell system according to claim 1.
前記温度判定手段は、前記所定温度の範囲内にある場合に、前記燃料電池の発電が安定していないと判定し、前記開弁フラグを立てることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The power generation stability determination unit is a means for determining whether or not the power generation of the fuel cell is stable. Whether or not the temperature of the fuel cell is within a predetermined temperature range where the catalyst activity is insufficient. Temperature determining means for determining whether
3. The fuel cell according to claim 2, wherein the temperature determination unit determines that the power generation of the fuel cell is not stable when the temperature is within the predetermined temperature range, and sets the valve opening flag. 4. system.
前記水素濃度判定手段は、前記水素濃度が所定濃度以下の場合、前記燃料電池の発電が安定していないと判定し、前記開弁フラグを立てることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の燃料電池システム。 The power generation stability determination unit includes a hydrogen concentration determination unit that grasps a fuel gas concentration in the fuel cell as a unit for determining whether power generation of the fuel cell is stable,
The hydrogen concentration determination means determines that the power generation of the fuel cell is not stable when the hydrogen concentration is equal to or lower than a predetermined concentration, and sets the valve opening flag. The fuel cell system described.
前記高負荷運転後判定手段は、前記所定期間内である場合、前記生成水の排水を促進させる必要がないと判定して、前記開弁フラグが立てることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 The drainage promotion determination unit is a means for determining whether or not it is necessary to promote drainage of the generated water, and when the fuel cell is operated at a high load, within a predetermined period after the high load operation ends. Having a determination means after high load operation for determining whether or not
The said high-load driving | running determination means determines that it is not necessary to accelerate | stimulate drainage of the said produced | generated water when it is in the said predetermined period, The said valve-opening flag is set. Fuel cell system.
前記水分量把握部は、把握した水分量が多い場合に、前記駆動指令閾値を大きい値に変更することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control unit includes a moisture amount grasping unit capable of grasping the amount of the generated water,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the moisture amount grasping unit changes the drive command threshold value to a larger value when the grasped moisture amount is large.
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給路上に配設され、開閉駆動により前記燃料ガスを調圧して供給する燃料ガス供給弁と、
記憶部を有し、前記燃料ガス供給弁の開閉駆動を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御部は、
所定の演算周期毎に、前記燃料電池の負荷要求に応じた前記燃料ガス供給弁の駆動指令値を算出する工程と、
前記記憶部に記憶される生成水の排水を促進させることができる駆動指令閾値に満たない駆動指令値に、前記算出工程で算出された駆動指令値を加算する工程と、
前記加算する工程により算出された駆動指令加算値が、駆動指令閾値以上であるか否かを判定する工程と、
前記判定する工程により前記駆動指令加算値が前記駆動指令閾値に満たないと判定された場合に、前記記憶部に前記駆動指令加算値を蓄積する工程と、
前記判定工程により駆動指令加算値が前記駆動指令閾値以上であると判定された場合に、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動させる工程と、を実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas; and
A fuel gas supply valve disposed on a supply path for supplying the fuel gas to the fuel cell, and adjusting and supplying the fuel gas by opening and closing drive;
A control unit that has a storage unit and controls opening and closing of the fuel gas supply valve;
A control method for a fuel cell system comprising:
The controller is
Calculating a drive command value of the fuel gas supply valve according to a load request of the fuel cell for each predetermined calculation cycle;
Adding the drive command value calculated in the calculation step to a drive command value that is less than a drive command threshold that can promote drainage of the generated water stored in the storage unit;
Determining whether the drive command addition value calculated by the adding step is equal to or greater than a drive command threshold;
A step of accumulating the drive command addition value in the storage unit when it is determined in the determination step that the drive command addition value is less than the drive command threshold;
Performing the step of driving the fuel gas supply valve based on the drive command addition value when it is determined in the determination step that the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold value. Control method of fuel cell system.
前記発電が安定していないと判定した場合に、開弁フラグを立てる発電安定性判定部と、
前記生成水の排水を促進させる必要がないと判定した場合に、前記開弁フラグを立てる排水促進性判定部と、
のいずれか一方又は両方を備え、
前記加算する工程の後に、前記開弁フラグを立っているか否かを判定する工程と、
前記開弁フラグを立っていると判定された場合に、前記駆動指令加算値が、駆動指令閾値以上であるか否かの判定する工程に移行することなく、前記駆動指令加算値に基づいて前記燃料ガス供給弁を駆動させる工程と、を実行することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システムの制御方法。 The controller is
A power generation stability determination unit that sets a valve opening flag when it is determined that the power generation is not stable;
When it is determined that it is not necessary to promote drainage of the generated water, a drainage promotion determination unit that sets the valve opening flag,
One or both of
Determining whether or not the valve opening flag is set after the adding step;
When it is determined that the valve opening flag is set, the process proceeds to the step of determining whether or not the drive command addition value is equal to or greater than the drive command threshold value, and based on the drive command addition value. The method for controlling the fuel cell system according to claim 8, wherein the step of driving the fuel gas supply valve is performed.
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