JP2016095622A - バルブ制御装置およびバルブ制御方法 - Google Patents

バルブ制御装置およびバルブ制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バルブの固体差によるバルブの開度のばらつき量に応じてバルブを制御する。
【解決手段】燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調整するバルブを制御するバルブ制御装置500は、バルブのバルブ有効断面積を推定する推定部522と;推定部によって推定されたバルブ有効断面積に基づいて補正した制御量で、バルブの開度を調整する開度調整部526とを備える。
【選択図】図4

Description

本発明は、バルブ制御装置およびバルブ制御方法に関する。
燃料電池に反応ガスを供給するガス供給システムは、燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調整するバルブと、そのバルブを制御するバルブ制御装置とを備える。特許文献1には、マップデータとして予め記録されているバルブ有効断面積を用いて、反応ガスの流量を制御することが記載されている。
特開2000−163134号公報
特許文献1のガス供給システムでは、バルブの固体差によるバルブの開度のばらつき量について考慮されていないため、燃料電池における反応ガスの圧力に過不足が発生する場合があるという課題があった。そのため、バルブの固体差によるバルブの開度のばらつき量に応じてバルブを制御可能な技術が望まれていた。
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、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調整するバルブを制御するバルブ制御装置が提供される。このバルブ制御装置は、前記バルブのバルブ有効断面積を推定する推定部と;前記推定部によって推定された前記バルブ有効断面積に基づいて補正した制御量で、前記バルブの開度を調整する開度調整部とを備える。この形態によれば、バルブの固体差によるバルブの開度のばらつき量に応じてバルブを制御できる。
(2)上記形態のバルブ制御装置において、前記バルブを流れる前記反応ガスの流量が比較的に低い値となり、かつ、前記バルブに接続される一次側流路と二次側流路との間の差圧が比較的に高い値となる条件で、前記燃料電池を運転する際に、前記推定部は、前記バルブ有効断面積を推定してもよい。この形態によれば、バルブ有効断面積の個体差の影響が比較的に大きくなる低流量かつ高差圧の条件においてバルブ有効断面積を推定することによって、バルブ有効断面積を推定する精度を向上させることができる。
(3)上記形態のバルブ制御装置において、更に、前記推定部によって推定された前記バルブ有効断面積に基づく情報を記憶する記憶部と;前記記憶部から前記情報が消去された場合、前記バルブに接続される一次側流路と二次側流路との間の差圧を通常運転より高い値に調整する消去時調整部とを備え、前記消去時調整部によって前記差圧が調整された状態において、前記推定部は、前記バルブ有効断面積を推定してもよい。この形態によれば、バルブ有効断面積の個体差の影響が比較的に大きくなる高差圧の条件においてバルブ有効断面積を推定することによって、通常運転からの離脱を抑制しながら、バルブ有効断面積を推定する精度を向上させることができる。
(4)上記形態のバルブ制御装置において、更に、前記バルブを流れる前記反応ガスの流量を示す情報を取得する流量取得部と;前記反応ガスの温度を示す情報を取得する温度取得部と;前記バルブに接続される一次側流路と二次側流路との間の差圧を示す情報を取得する差圧取得部と;前記二次側流路の圧力を示す情報を取得する圧力取得部とを備え、前記推定部は、前記流量、前記温度、前記差圧および前記圧力に基づいて、前記バルブ有効断面積を推定してもよい。この形態によれば、オリフィスの式に基づいてバルブ有効断面積を推定できる。
本発明は、バルブ制御装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、本願発明は、燃料電池システム、ガス供給装置、および、バルブ制御方法などの形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 バルブの開度と差圧との関係を示すグラフである。 バルブの開度とバルブ有効断面積との関係を示すグラフである。 バルブ制御装置の詳細構成を示す説明図である。 第2実施形態におけるバルブ制御装置の詳細構成を示す説明図である。
A.第1実施形態
図1は、燃料電池システム10の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池20を備え、電力を供給するために燃料電池20を運転する。本実施形態では、燃料電池システム10は、車両に搭載され、車両の走行に用いられる電力を供給する。
燃料電池20は、反応ガスの電気化学反応に基づいて発電する。本実施形態では、燃料電池20は、固体高分子型燃料電池である。本実施形態では、燃料電池20は、水素と酸素との電気化学反応に基づいて発電する。本実施形態では、燃料電池20には、水素ガスおよび空気が反応ガスとして供給される。
燃料電池20は、複数のセルを積層したスタック構造を有し、発電性能を維持するためにスタック内に一定の水分を保持する必要がある。本実施形態では、燃料電池システム10は、燃料電池20に供給される空気に加湿を実施しない無過湿システムであるため、スタックの温度が上昇する際には、発電負荷が比較的に低い場合であっても、燃料電池20に供給される空気の圧力を上昇させる必要がある。そのため、空気の流量が比較的に低い場合においても、燃料電池20に供給される空気の圧力を安定して調整することが求められる。
燃料電池システム10は、燃料電池20に空気を酸化ガスとして供給するガス供給装置30を備える。本実施形態では、ガス供給装置30は、大気中の空気を燃料電池20に供給する。ガス供給装置30は、ポンプ210と、バルブ260と、バルブ制御装置500とを備える。
ガス供給装置30のポンプ210は、取込流路305を通じて大気中から取り込んだ空気を燃料電池20へと圧送する。ポンプ210によって圧送された空気は、供給流路310を通じて燃料電池20の内部流路330に供給される。内部流路330を通過した空気は、排出流路350を通じて燃料電池20から排出される。
ガス供給装置30のバルブ260は、排出流路350と排気流路370との間に設けられ、燃料電池20に供給される空気の圧力を調整する。バルブ260に接続される排出流路350は、バルブ260に対して空気の流れの上流側に位置する一次側流路である。バルブ260に接続される排気流路370は、バルブ260に対して空気の流れの下流側に位置する二次側流路である。
本実施形態では、バルブ260は、電気信号に基づいて開度を調整可能に構成された電動バルブである。本実施形態では、バルブ260は、開度を感知するセンサを含めて各種センサを備えていないセンサレス仕様である。バルブ260を通過する空気の流量Qは、ポンプ210の仕事量に相関がある。
本実施形態では、燃料電池システム10には、各種センサとして、流量センサ412と、圧力センサ413と、温度センサ414と、大気圧センサ419とが設けられている。
燃料電池システム10の流量センサ412は、取込流路305を通過する空気の流量を感知する。流量センサ412によって感知される流量は、バルブ260を通過する空気の流量Qに相関がある。
燃料電池システム10の圧力センサ413は、供給流路310を通過する空気の圧力Ppを感知する。排出流路350における空気の圧力PUは、圧力センサ413によって感知される圧力Ppに相関がある。圧力PUは、内部流路330における圧力損失の推定値を圧力Ppから減算した圧力となる。
燃料電池システム10の大気圧センサ419は、大気圧Paを感知する。排気流路370における空気の圧力PLは、大気圧センサ419によって感知される圧力Paに相関がある。圧力PLは、排気流路370における圧力損失の推定値を圧力Paに加算した圧力となる。
燃料電池システム10の温度センサ414は、燃料電池20の内部温度を感知する。温度センサ414によって感知される内部温度は、バルブ260を通過する空気の温度Tに相関がある。
バルブ260のバルブ有効断面積Sは、オリフィスの式に基づく次の式(1)を用いて表される。
Figure 2016095622
Q:バルブ260を通過する空気の流量
A:流量係数
T:バルブ260を通過する空気の温度
PL:バルブ260を通過した後における空気の圧力
dP:バルブ260を通過する前後における空気の差圧(=PU−PL)
図2は、バルブ260の開度と差圧dPとの関係を示すグラフである。図2の横軸は、バルブ260の開度を示す。図2の縦軸は、差圧dPを示す。バルブ260の開度が比較的に小さい領域では、差圧dPの変化量が比較的に大きくなり、バルブ260の開度が比較的に大きい領域では、差圧dPの変化量が比較的に小さくなる。例えば、開度p2から開度p3に増加した差圧dPの変化量RS2は、開度p1から開度p2に増加した差圧dPの変化量RS1より小さく、開度p3から開度p4に増加した差圧dPの変化量RS3より大きい。
図3は、バルブ260の開度とバルブ有効断面積Sとの関係を示すグラフである。図3の横軸は、バルブ260の開度を示す。図3の縦軸は、バルブ有効断面積Sを示す。中央値Vcは、中央値品のバルブ260の開度に応じたバルブ有効断面積Sを示す。下限値Vsは、下限値品のバルブ260の開度に応じたバルブ有効断面積Sを示す。上限値Vbは、上限値品のバルブ260の開度に応じたバルブ有効断面積Sを示す。バルブ260の固体差によって、バルブ260の開度には、バルブ有効断面積Sが同じ状態であっても、ばらつきが発生する。例えば、バルブ有効断面積Snを実現する開度は、中央値品では開度pcであるのに対して、下限値品ではより小さい開度psであり、上限値品ではより大きい開度pbである。
図4は、バルブ制御装置500の詳細構成を示す説明図である。燃料電池20のバルブ制御装置500は、バルブ260を制御する。本実施形態では、バルブ制御装置500は、バルブ260を駆動する電気信号を出力することによってバルブ260の開度を調整する。バルブ制御装置500は、制御部510と、記憶部530と、記憶部540と、インタフェース550とを備える。
バルブ制御装置500の記憶部530は、制御部510によって取り扱われる種々の情報を記憶する。本実施形態では、記憶部530に記憶される情報は、製造時に予め記録された情報である。本実施形態では、記憶部530は、ROM(Read Only Memory)である。記憶部530には、中央値品のバルブ260の開度に応じたバルブ有効断面積Sを示す情報である基準値BLが予め記憶されている。本実施形態では、基準値BLは、図3に示した中央値Vcである。
バルブ制御装置500の記憶部540は、制御部510によって取り扱われる種々の情報を記憶する。本実施形態では、記憶部540に記憶される情報は、記憶部540に対する電源の供給が停止した場合に消去される。本実施形態では、記憶部540は、SRAM(Static Random Access Memory)である。記憶部540には、制御部510によって生成される情報として、バルブ260の固体差による開度のばらつきを示すばらつき量VRが記憶される。
バルブ制御装置500のインタフェース550は、燃料電池システム10における種々の機器と電気的に接続され、これらの機器と制御部510との間で情報をやり取りする。本実施形態では、インタフェース550は、バルブ260の他、ポンプ210、流量センサ412、圧力センサ413、温度センサ414および大気圧センサ419と接続されている。
バルブ制御装置500の制御部510は、バルブ260を制御するための種々の処理を実行する。本実施形態では、制御部510における各構成は、制御部510のCPU(Central Processing Unit)がコンピュータプログラムに基づいて動作することによってソフトウェア的に実現される。他の実施形態では、制御部510における少なくとも一部の構成は、制御部510の回路構成に基づいてハードウェア的に実現されてもよい。
制御部510は、第1の推定部522と、第2の推定部524と、開度調整部526とを備える。本実施形態では、制御部510は、更に、流量取得部512と、温度取得部514と、差圧取得部516と、圧力取得部518とを備える。
制御部510の流量取得部512は、バルブ260を通過する空気の流量Qを示す情報を取得する。本実施形態では、流量取得部512は、流量センサ412によって感知される流量を示す情報を、インタフェース550を介して取得し、この流量に基づいて流量Qを求めることによって、流量Qを示す情報を取得する。本実施形態では、流量取得部512は、燃料電池20の電流値に応じた酸素消費量と、燃料電池20の温度に応じた水蒸気量とを用いて、流量センサ412によって感知される流量を補正することによって、流量Qを求める。他の実施形態では、流量取得部512は、ポンプ210の仕事量を示す情報を、インタフェース550を介して取得し、ポンプ210の仕事量に基づいて流量Qを求めることによって、流量Qを示す情報を取得してもよい。他の実施形態では、流量取得部512は、バルブ260に設けられた流量センサから、流量Qを示す情報を取得してもよい。
制御部510の温度取得部514は、バルブ260を通過する空気の温度Tを示す情報を取得する。本実施形態では、温度取得部514は、インタフェース550を介して温度センサ414から燃料電池20の温度を示す情報を取得し、この温度に基づいて温度Tを求めることによって、温度Tを示す情報を取得する。他の実施形態では、温度取得部514は、バルブ260に設けられた温度センサから、温度Tを示す情報を取得してもよい。
制御部510の差圧取得部516は、バルブ260を通過する前後における空気の差圧dPを示す情報を取得する。本実施形態では、差圧取得部516は、インタフェース550を介して圧力センサ413から圧力Ppを示す情報を取得するとともに、インタフェース550を介して大気圧センサ419から大気圧Paを示す情報を取得し、これら圧力Ppおよび大気圧Paに基づいて差圧dPを求めることによって、差圧dPを示す情報を取得する。すなわち、差圧取得部516は、圧力Ppおよび大気圧Paに基づいて差圧dPを推定する。他の実施形態では、差圧取得部516は、バルブ260またはバルブ260の前後に設けられた差圧センサから、差圧dPを示す情報を取得してもよい。
制御部510の圧力取得部518は、バルブ260を通過した後における空気の圧力PLを示す情報を取得する。本実施形態では、圧力取得部518は、インタフェース550を介して圧力センサ419から大気圧Paを示す情報を取得し、この大気圧Paに基づいて圧力PLを求めることによって、圧力PLを示す情報を取得する。すなわち、圧力取得部518は、大気圧Paに基づいて圧力PLを推定する。他の実施形態では、圧力取得部518は、排気流路370に設けられた圧力センサから、圧力PLを示す情報を取得してもよい。
制御部510における第1の推定部522は、バルブ260のバルブ有効断面積Sを推定する。本実施形態では、流量Qが比較的に低い値となり、かつ、差圧dPが比較的に高い差圧となる条件で、前記燃料電池を運転する際に、第1の推定部522は、バルブ有効断面積Sを推定する。本実施形態では、第1の推定部522は、流量取得部512によって測定される流量Qと、温度取得部514によって測定される温度Tと、差圧取得部516によって測定される差圧dPと、圧力取得部518によって測定される圧力PLとに基づいて、バルブ有効断面積Sを推定する。
制御部510における第2の推定部524は、第1の推定部522によって推定されたバルブ有効断面積Sに基づいて、バルブ260の固体差による開度のばらつき量VRを推定する。本実施形態では、第2の推定部524は、記憶部530から基準値BLを参照し、ガス供給装置30に設けられているバルブ260の開度が中央値品の開度に対してずれている開度のステップ数を、ばらつき量VRとして推定する。本実施形態では、第2の推定部524は、バルブ260を全閉した状態を基準としてバルブ260の開度を判断する。本実施形態では、第2の推定部524は、ばらつき量VRを推定した後、その情報を記憶部540に格納する。
制御部510の開度調整部526は、第2の推定部524によって推定されたばらつき量VRに応じて補正した制御量で、バルブ260の開度を調整する。本実施形態では、開度調整部526は、記憶部540に記憶されているばらつき量VRを用いてバルブ260の制御量を補正する。
以上説明した第1実施形態によれば、バルブ有効断面積Sに基づいて推定したばらつき量VRでバルブ260の開度を調整するため、バルブ260の固体差による開度のばらつき量に応じてバルブ260を制御できる。
また、流量Qが比較的に低い値となり、かつ、差圧dPが比較的に高い値となる条件で燃料電池20を運転する際に、バルブ有効断面積Sを推定する。このように、バルブ有効断面積Sの個体差の影響が比較的に大きくなる低流量かつ高差圧の条件においてバルブ有効断面積Sを推定することによって、バルブ有効断面積Sを推定する精度を向上させることができる。
また、流量Q、温度T、差圧dPおよび圧力PLに基づいてバルブ有効断面積Sを推定することによって、オリフィスの式に基づいてバルブ有効断面積Sを推定できる。
B.第2実施形態
図5は、第2実施形態におけるバルブ制御装置500Bの詳細構成を示す説明図である。第2実施形態の燃料電池システム10は、第1実施形態のバルブ制御装置500に代えてバルブ制御装置500Bを備える点を除き、第1実施形態と同様である。第2実施形態のバルブ制御装置500Bは、制御部510が消去時調整部511Bを備える点、並びに、第1実施形態の第1の推定部522に代えて第1の推定部522Bを備える点を除き、第1実施形態のバルブ制御装置500と同様である。
バルブ制御装置500Bの消去時調整部511Bは、記憶部540からばらつき量VRが消去された場合、差圧dPを通常運転より高い値に調整する。本実施形態では、記憶部540からばらつき量VRが消去される状況は、例えば、バルブ制御装置500Bの電源である蓄電池を交換する際に記憶部540に供給される電力が途切れた場合(いわゆるバッテリクリア)である。本実施形態では、消去時調整部511Bは、インタフェース550を介してバルブ260に制御信号を出力することによって、差圧dPを通常運転より高い値に調整する。
バルブ制御装置500Bの第1の推定部522Bは、消去時調整部511Bによって差圧dPが調整された状態においてバルブ有効断面積Sを推定する点を除き、第1実施形態の第1の推定部522と同様である。本実施形態では、消去時調整部511Bによる差圧dPの調整に伴って流量Qが低下するのを待った後、第1の推定部522Bは、バルブ有効断面積Sを推定する。本実施形態の燃料電池システム10では、差圧dPを通常運転より積極的に増加させた場合であっても、燃料電池20において要求出力に応じることができるため、ドライバビリティに影響を与えない。しかしながら、流量Qを通常運転より積極的に低下させる場合、燃料電池20からの出力が要求出力を満たさなくなる可能性があり、ドライバビリティが低下する虞がある。
以上説明した第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、バルブ有効断面積Sに基づいて推定したばらつき量VRでバルブ260の開度を調整するため、バルブ260の固体差による開度のばらつき量に応じてバルブ260を制御できる。
また、記憶部540からばらつき量VRが消去された場合、差圧dPを通常運転より高い値に調整した状態において、バルブ有効断面積Sを推定する。このように、バルブ有効断面積Sの個体差の影響が比較的に大きくなる高差圧の条件においてバルブ有効断面積Sを推定することによって、通常運転からの離脱を抑制しながら、バルブ有効断面積Sを推定する精度を向上させることができる。
C.他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、本発明は、燃料電池20に供給される空気の圧力を調整するバルブの制御に限らず、他のガスの圧力を調整するバルブの制御に適用できる。
バルブ制御装置は、オリフィスの式を用いてバルブ260の開度に対する差圧dPの変化量を推定した上で、燃料電池20に供給される空気に関する目標の圧力と現在の圧力との偏差内に、開度に対する差圧dPの変化量が含まれる場合に、バルブ260の開度を調整してもよい。これによって、バルブ260の開度の調整に伴って燃料電池20に供給される空気の圧力が急上昇および急降下することを防止できる。
バルブ制御装置は、燃料電池20に供給される空気の圧力の応答性を流量Qに基づいて推定した上で、バルブ260の開度を調整するタイミングを決定してもよい。これによって、バルブ260の開度の調整に伴って燃料電池20に供給される空気の圧力が急上昇および急降下することを防止できる。
10…燃料電池システム
20…燃料電池
30…ガス供給装置
210…ポンプ
260…バルブ
305…取込流路
310…供給流路
330…内部流路
350…排出流路
370…排気流路
412…流量センサ
413…圧力センサ
414…温度センサ
419…大気圧センサ
500,500B…バルブ制御装置
510…制御部
511B…消去時調整部
512…流量取得部
514…温度取得部
516…差圧取得部
518…圧力取得部
522,522B…第1の推定部
524…第2の推定部
526…開度調整部
530…記憶部
540…記憶部
550…インタフェース

Claims (5)

  1. 燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調整するバルブを制御するバルブ制御装置であって、
    前記バルブのバルブ有効断面積を推定する推定部と、
    前記推定部によって推定された前記バルブ有効断面積に基づいて補正した制御量で、前記バルブの開度を調整する開度調整部と
    を備えるバルブ制御装置。
  2. 前記バルブを流れる前記反応ガスの流量が比較的に低い値となり、かつ、前記バルブに接続される一次側流路と二次側流路との間の差圧が比較的に高い値となる条件で、前記燃料電池を運転する際に、前記推定部は、前記バルブ有効断面積を推定する、請求項1に記載のバルブ制御装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載のバルブ制御装置であって、更に、
    前記推定部によって推定された前記バルブ有効断面積に基づく情報を記憶する記憶部と、
    前記記憶部から前記情報が消去された場合、前記バルブに接続される一次側流路と二次側流路との間の差圧を通常運転より高い値に調整する消去時調整部と
    を備え、
    前記消去時調整部によって前記差圧が調整された状態において、前記推定部は、前記バルブ有効断面積を推定する、バルブ制御装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のバルブ制御装置であって、更に、
    前記バルブを流れる前記反応ガスの流量を示す情報を取得する流量取得部と、
    前記反応ガスの温度を示す情報を取得する温度取得部と、
    前記バルブに接続される一次側流路と二次側流路との間の差圧を示す情報を取得する差圧取得部と、
    前記二次側流路の圧力を示す情報を取得する圧力取得部と
    を備え、
    前記推定部は、前記流量、前記温度、前記差圧および前記圧力に基づいて、前記バルブ有効断面積を推定する、バルブ制御装置。
  5. 燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調整するバルブを制御するバルブ制御方法であって、
    前記バルブのバルブ有効断面積を推定し、
    推定された前記バルブ有効断面積に基づいて補正した制御量で、前記バルブの開度を調整する、バルブ制御方法。
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