JP2016103466A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池から排出される燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、気液分離器に接続され気液分離器内の貯留水とともに燃料ガスを外部に排出する排出弁と、を備えた燃料電池システムが知られている。例えば特許文献1では、排出弁の開弁による燃料ガスの排気量を推定する技術が開示されている。ここで排出弁は、弁体により開閉される排出口を有したものがあり、排出口を介して貯留水及び燃料ガスが外部へと排出される。
A gas-liquid separator that separates and stores moisture from the fuel gas discharged from the fuel cell; and a discharge valve that is connected to the gas-liquid separator and discharges the fuel gas together with the stored water in the gas-liquid separator. A fuel cell system provided is known. For example,
燃料ガスの排気量を精度よく推定するためには、燃料ガスの単位時間当たりの排気流量を精度よく推定できることが望ましい。燃料ガスの流量を推定するために、例えば排出弁の開弁期間で排出弁の上流側と下流側との差圧に基づいて推定することが考えられる。例えば、予め実験などにより得られた差圧と排気流量との関係に基づいて、検出された差圧から排気流量を推定することが考えられる。 In order to accurately estimate the exhaust amount of the fuel gas, it is desirable that the exhaust gas flow rate per unit time of the fuel gas can be accurately estimated. In order to estimate the flow rate of the fuel gas, for example, it can be estimated based on the differential pressure between the upstream side and the downstream side of the discharge valve during the valve opening period. For example, it is conceivable to estimate the exhaust flow rate from the detected differential pressure based on the relationship between the differential pressure and the exhaust flow rate obtained in advance through experiments or the like.
しかしながら差圧のみに基づいて排気流量を推定すると推定精度が低下するおそれがある。例えば、排出弁の開弁によって貯留水が先に排出された後に燃料ガスが排出されるが、燃料ガスの排出中であっても燃料電池の発電による生成水が貯留水として気液分離器から排出弁の排出口を介して外部へと排出される場合がある。この場合には、排出口から貯留水と燃料ガスとが同時に排出されると考えられる。ここで、実質的に燃料ガスが流通する排出口の断面積の割合は、排出口の断面積のうち貯留水が占める割合を除いたものとなる。排出口の断面積のうち貯留水が占める割合は、貯留水の量により変動するため、実質的に燃料ガスが流通する排出口の断面積の割合も同様に変動する。このため、このように変動する燃料ガスが実質的に流通する排出口の断面積の割合を考慮せずに、差圧のみに基づいて排気流量を推定すると、その推定精度が低下するおそれがある。 However, if the exhaust flow rate is estimated based only on the differential pressure, the estimation accuracy may be reduced. For example, the fuel gas is discharged after the stored water is discharged first by opening the discharge valve, but even when the fuel gas is being discharged, the water generated by the power generation of the fuel cell is stored as the stored water from the gas-liquid separator. It may be discharged to the outside through the discharge port of the discharge valve. In this case, it is considered that the stored water and the fuel gas are simultaneously discharged from the discharge port. Here, the ratio of the cross-sectional area of the discharge port through which the fuel gas substantially circulates is obtained by excluding the ratio of the stored water in the cross-sectional area of the discharge port. Since the ratio of the stored water in the cross-sectional area of the discharge port varies depending on the amount of stored water, the ratio of the cross-sectional area of the discharge port through which the fuel gas substantially circulates similarly. For this reason, if the exhaust gas flow rate is estimated based only on the differential pressure without considering the ratio of the cross-sectional area of the exhaust port through which the fuel gas that fluctuates in this way substantially, there is a risk that the estimation accuracy may be reduced. .
そこで、燃料ガスの排気流量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which a decrease in estimation accuracy of the exhaust flow rate of fuel gas is suppressed.
上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、前記排出流路に設けられた排出弁と、前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出弁よりも上流側の前記排出流路内の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、前記制御部は、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合と、に基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システムによって達成できる。 The object is to provide a fuel cell, a fuel supply source for supplying fuel gas to the fuel cell, a supply flow path for flowing the fuel gas supplied from the fuel supply source to the fuel cell, and an exhaust from the fuel cell. A circulation passage for flowing the fuel gas to the supply passage; a gas-liquid separator disposed on the circulation passage for separating and storing moisture from the fuel gas; and the gas-liquid separator connected to the gas-liquid separator. A discharge flow path for discharging the stored water in the liquid separator and the fuel gas to the outside, a discharge valve provided in the discharge flow path, the supply flow path, the circulation flow path, the gas-liquid separator, or A differential pressure detection unit that detects a differential pressure between a pressure in the discharge flow channel upstream of the discharge valve and a pressure downstream of the discharge valve; and the discharge by opening the discharge valve A controller for estimating the flow rate of the fuel gas, and the discharge valve A discharge port through which water and fuel gas flow, and a valve body that opens and closes the discharge port, and the control unit includes the differential pressure while the valve body opens the discharge port, and the valve A fuel gas flow rate is estimated based on a ratio of the fuel gas to a cross-sectional area of the discharge port while a body opens the discharge port, excluding a ratio of the stored water to the fuel gas, Can be achieved by battery system.
前記制御部は、前記燃料電池の負荷電流値に基づいて前記貯留水が占める割合を推定する、構成であってもよい。 The control unit may be configured to estimate a ratio of the stored water based on a load current value of the fuel cell.
前記制御部は、前記燃料ガスの組成に基づいて前記流量を推定する、構成であってもよい。 The control unit may be configured to estimate the flow rate based on the composition of the fuel gas.
上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第1の排出流路と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第2の排出流路と、前記第2の排出流路に設けられた排出弁と、前記供給流路、前記第1の排出流路、前記気液分離器、又は前記第2の排出流路内の前記排出弁の上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、前記制御部は、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合と、に基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システムによっても達成できる。 The object is to provide a fuel cell, a fuel supply source for supplying fuel gas to the fuel cell, a supply flow path for flowing the fuel gas supplied from the fuel supply source to the fuel cell, and an exhaust from the fuel cell. A gas-liquid separator that separates and stores water from the fuel gas, a first discharge passage that supplies the fuel gas discharged from the fuel cell to the gas-liquid separator, and the gas-liquid separator. A second discharge flow path for discharging the stored water and the fuel gas in the gas-liquid separator to the outside, a discharge valve provided in the second discharge flow path, the supply flow path, A difference for detecting a differential pressure between a pressure upstream of the discharge valve in the first discharge flow path, the gas-liquid separator, or the second discharge flow path and a pressure downstream of the discharge valve. A pressure detector and a control for estimating a flow rate of the fuel gas discharged by opening the discharge valve. An anode non-circulation type fuel cell system that does not return the fuel gas discharged from the fuel cell to the supply flow path, wherein the discharge valve is configured to discharge the stored water and the fuel gas. An outlet and a valve body that opens and closes the discharge port, and the control unit opens the discharge port with the differential pressure while the valve body opens the discharge port. This can also be achieved by a fuel cell system that estimates the flow rate of the fuel gas on the basis of the ratio of the fuel gas to the cross-sectional area of the discharge port excluding the ratio of the stored water.
燃料ガスの排気流量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供できる。 It is possible to provide a fuel cell system in which a decrease in estimation accuracy of the exhaust flow rate of the fuel gas is suppressed.
以下、図面を参照して本実施例の燃料電池システム1(以下、システムと称する)について説明する。システム1は、例えば車両に搭載される車両用のシステムに適用することができる。ただし、他の用途のシステムへ適用してもよい。図1は、システム1の概略構成図である。システム1は、電力供給手段として燃料電池2を備えている。燃料電池2は、固体高分子電解質膜等の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで挟まれて構成され(図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している)、アノードへの水素を含む燃料ガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。
Hereinafter, a fuel cell system 1 (hereinafter referred to as a system) of this embodiment will be described with reference to the drawings. The
タンク3は、燃料電池2へ燃料ガスを供給する燃料供給源である。供給流路4は、燃料電池2のアノード入口に接続され、タンク3から供給された燃料ガスを燃料電池2に流す。供給流路4には調圧バルブ6が配置されており、タンク3から供給される燃料ガスは調圧バルブ6で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池2に供給される。また、供給流路4における調圧バルブ6の下流側にはインジェクタ10が配置されている。インジェクタ10は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ10や調圧バルブ6は、ECU(Electronic Control Unit)20によって制御される。
The
燃料電池2のアノード出口には燃料電池2から排出された燃料ガス(燃料オフガス)を供給流路4に流す循環流路8が接続されている。具体的には、循環流路8の下流端は供給流路4に接続されている。また、循環流路8には、燃料電池2から排出された燃料ガスを加圧して供給流路4へ送るための循環ポンプ9が設置されている。これにより、本燃料電池システムでは、燃料電池2の運転時には燃料ガスは供給流路4と循環流路8を通って循環する。
Connected to the anode outlet of the
循環流路8の途中には気液分離器12が配置され、燃料ガスから水分を分離し、分離した水を貯留する貯留槽12aを有している。システム1では、燃料電池2の発電によって生成された水がカソード側から電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。アノード側に移動した水は燃料ガスとともに循環流路8に排出され、気液分離器12において回収される。
A gas-
気液分離器12の貯留槽12aの底部には、気液分離器12内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する排出流路14が接続されている。排出流路14の下流端は外気に晒されている。排出流路14には排出弁16が配置されている。排出弁16は通常は閉じており、ECU20によって必要に応じて開かれる。排出弁16としては、例えばシャットオフバルブである。貯留槽12aから貯留水があふれる前に排出弁16が開いて排水することにより、液水が循環流路8、供給流路4を介して燃料電池2に供給されることを防止できる。
A discharge channel 14 that discharges the stored water and fuel gas in the gas-
供給流路4には、インジェクタ10よりも下流側に供給流路4内の圧力を検出する圧力センサ21が設けられている。圧力センサ21は主に燃料電池2に供給される燃料ガスの圧力を検出する。循環流路8には、気液分離器12よりも上流側に循環流路8内の圧力を検出する圧力センサ22が設けられている。圧力センサ22は、主に燃料電池2から排出される燃料ガスの圧力を検出し、排出弁16よりも上流側の圧力を検出できる。排出流路14には、排出弁16よりも下流側の排出流路14内の圧力を検出する圧力センサ23が設けられ、排出弁16よりも下流側の圧力を検出できる。圧力センサ23の検出値は略大気圧を示す。圧力センサ21〜23は、ECU20の入力側に接続されている。
The supply flow path 4 is provided with a
燃料電池2には負荷装置30が接続されている。負荷装置30は、燃料電池2の電気的特性を測定するための装置であり、例えば、電気化学系汎用ポテンシオガルバノスタットを含んで構成することができる。負荷装置30は、配線によって燃料電池2のアノード側セパレータとカソード側セパレータに電気的に接続されている。負荷装置30は、燃料電池2の発電時に燃料電池2を流れる負荷電流と、燃料電池2の負荷電圧(セル電圧)を測定できる。ECU20は、負荷装置30からの出力信号により燃料電池2の負荷電流値を検出する。
A
燃料電池2には、燃料電池2を冷却するための冷媒を循環させる経路が接続されており、この経路上にラジエータ40が設けられている。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。ラジエータ40の出口側の経路には冷媒の温度を検出するための温度センサ24が設けられている。温度センサ24は、ECU20の入力側に接続されている。
A path for circulating a refrigerant for cooling the
ECU20は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。ECU20は、システム1の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。また、ECU20は、詳しくは後述する燃料ガスの排気量を推定する制御を実行する制御部の一例である。
The
尚、燃料電池2のカソード入口には酸化ガスを供給するための通路が接続され、カソード出口には酸化オフガスを排出するための通路が接続されているが、図1では省略している。
A passage for supplying oxidizing gas is connected to the cathode inlet of the
上述したように排出弁16を開弁することにより気液分離器12内の貯留水を外部へと排出できる。この際に、貯留水と共に燃料ガスの一部が外部へと排出される。ここで、排出弁16から排出される燃料ガスの実際の排気量が目標排気量となるように制御することが求められる。実際の排気量が目標排気量に対して多すぎると、燃料ガスを無駄に消費することになり燃費が悪化する恐れがあるからである。逆に実際の排気量が目標排気量に対して少なすぎると、例えば実際の排気量がゼロであると、貯留水を完全に排出できていない恐れがあるからである。また、排気量が少ないと、クロスオーバーによりカソード側からアノード側へと移動した窒素により燃料ガス中の窒素濃度が上昇して燃費に悪影響を与えるおそれもあるからである。そこで、本システム1では、排出弁16の開弁中に排出される燃料ガスの排気量を後述する方法により推定し、推定した排気量が目標排気量に至った場合に排出弁16を閉じる。
As described above, the stored water in the gas-
次に、排出弁16の作動による圧力の変化等を説明する。図2は、排出弁16の作動と、循環流路8内の圧力と排出弁16よりも下流側の排出流路14内の圧力との差圧の変化とを示したタイミングチャートである。尚、図2は、インジェクタ10からの燃料ガスの供給が継続して行われており、圧力センサ21により検出される供給流路4内の圧力が目標圧力となるようにインジェクタ10がフィードバック制御されている場合を示す。循環流路8内の圧力と排出弁16よりも下流側の排出流路14内の圧力との差圧(以下、単に差圧と称する)は、圧力センサ22、23からの出力値に基づいて検出される。図2では、時点t0で排出弁16が閉じており、時点t1で排出弁16が開き、時点t1〜t2間で気液分離器12内の貯留水の排出が完了し、時点t2〜t3間で燃料ガスが排出される。尚、説明の便宜上、貯留水の排出中での差圧を差圧ΔPaと称し、燃料ガスの排出中での差圧を差圧ΔPbと称する。
Next, changes in pressure due to the operation of the
図2に示すように、排出弁16が開いた直後では差圧ΔPaはすぐには変化せず、排出弁16の開弁から暫くして差圧ΔPbが低下する。排出弁16が開く前から排水が完了する時点t0〜t2間では、実際には僅かに循環流路8内の圧力は低下するが無視できる程度の低下量であり、差圧ΔPaは略変化しない。尚、時点t1〜t2間で差圧ΔPaが略変化しない理由は、時点t1〜t2間では貯留水の排水は行われているが燃料ガスの排気は行われていないためである。
As shown in FIG. 2, immediately after the
排水が完了して気液分離器12及び排出流路14が大気に連通すると、排出流路14を通って燃料ガスが排気されていく。これにより、時点t2〜t3間で差圧ΔPbは低下する。燃料ガスが排気されることにより、循環流路8と連通している供給流路4内の圧力も低下するからである。また、後述する推定方法によって推定された排気量が目標排気量に到達したと判断された場合には、排出弁16は閉じられる。
When the drainage is completed and the gas-
図3は、ECU20により実行される排出弁16の開閉制御のフローチャートである。ECU20は、システム1が運転中か否を判定する(ステップS1)。貯留水の排水処理はシステムの運転中に実施するからである。システム1の運転中の場合にはECU20はステップS1以降の処理が実行され、システム1の運転中ではない場合には、本制御は終了する。
FIG. 3 is a flowchart of the opening / closing control of the
次にECU20は、排出弁16の開弁条件が成立したか否かを判定する(ステップS2)。排出弁16の開弁条件とは、例えば、前回の排出弁16の開弁から経過時間が所定時間に達した場合等であるがこれに限定されない。開弁条件が成立していない場合には、本制御は終了する。排出弁16の開弁条件が成立すると、ECU20は、排出弁16を開き(ステップS3)、排水が完了したか否かを判定する(ステップS4)。
Next, the
排水が完了したか否かの判定は、例えば以下のように行う。ECU20は、排出弁16が開く直前の気液分離器12内の貯留量を算出する。例えば、ECU20は、前回排水が行われてからの燃料電池2の発電量に応じて生成された生成水量を、燃料電池2の負荷電流等と生成水量とが対応付けされた関係式やマップ等を用いて、気液分離器12内の貯水量を算出する。燃料電池2の発電量は負荷電流から算出される。次に、ECU20は、循環流路8内の圧力と排出弁16の下流側の圧力との差圧ΔPaから、排出弁16が開弁してからの排水量を推定する。図4は、差圧ΔPaと排水流量との関係を規定したマップである。ECU20は、このマップに基づいて、差圧ΔPaに対応した排水流量を算出して、排出弁16が開いた時点t1から現在時点までの時間積分を算出して、排水量を推定する。尚、図4のマップは予め実験などに基づいて規定され、ECU20のROMに記録されている。図4のマップは、差圧ΔPaが大きいほど、即ち、排出弁16の下流側の圧力に対して循環流路8内の圧力が大きいほど、単位時間当たりの排水量が多いことを示している。差圧ΔPaが大きいほど、外部への排水が促進されるからである。次にECU20は、推定された排水量が算出された貯水量以上となったか否かを判定する。推定された排水量が算出された貯留水以上となった場合には、ECU20は、排水が完了したと判定される。推定された排水量が算出された貯留水未満の場合には、ECU20は排水が完了していないと判定して、推定された排水量が貯水量以上となるまで排水量の推定を継続する。尚、排水の完了判定は上記方法に限定されず、例えば差圧の低下率が所定値以上になった場合には排気が開始されたとして、排水が完了したものと判定してもよい。
The determination whether or not the drainage is completed is performed as follows, for example. The
排水が完了したと判定されると、ECU20は、差圧ΔPbから排出弁16の開弁による燃料ガスの排気量を推定する(ステップS5)。ECU20は、推定された排気量が目標排気量以上となったか否かを判定し(ステップS6)、推定された排気量が目標排気量以上となるまで排気量の推定を継続する。推定された排気量が目標排気量以上となった場合には、ECU20は排出弁16を閉じて(ステップS7)、本制御を終了する。以上の制御により、気液分離器12内の貯留水は排水され、燃料ガスも所望の量だけ排気される。
If it is determined that the drainage is completed, the
次に、燃料ガスの排気流量の推定方法について具体的に説明する。以下の式は排気流量を推定するための式である。
次に、基準流量Qr、基準差圧ΔPrについて説明する。図5は、基準流量Qrと基準差圧ΔPrとを説明するためのグラフである。実験により、所定の基準差圧ΔPrの場合の排気流量を測定すると、複数の異なる流量値が得られた。このように基準差圧ΔPrが一定であっても、実際の流量値にはバラつきが生じる。ここで、基準流量Qrは、差圧が所定の基準差圧ΔPrの場合に取り得た複数の流量値の中央値から、所定値を減算した値に設定されている。この理由は、実際の流量値にはバラつきが生じるため、基準流量Qrとして例えば中央値や平均値を採用して排気流量を推定すると、実際の流量よりも推定された流量が多くなる場合があり、実際の排気量は目標排気量には到達していないにもかかわらず、推定された排気量が目標排気量に到達してと判定されて排出弁16が閉じられる恐れがあるからである。この場合、目標排気量よりも実際の排気量が少なくなり、クロスオーバーにより燃料ガス中の窒素濃度が増大して燃料電池2の発電に悪影響を与える恐れがある。本実施例ではこのような流量のバラつきを考慮して、基準流量Qrが定められて排気流量Qが推定される。これにより、実際の排気量が推定された排気量よりも少なくなることが抑制され、流量の推定精度の低下が抑制されている。
Next, the reference flow rate Qr and the reference differential pressure ΔPr will be described. FIG. 5 is a graph for explaining the reference flow rate Qr and the reference differential pressure ΔPr. As a result of experiments, when the exhaust gas flow rate was measured for a predetermined reference differential pressure ΔPr, a plurality of different flow rate values were obtained. Thus, even if the reference differential pressure ΔPr is constant, the actual flow rate value varies. Here, the reference flow rate Qr is set to a value obtained by subtracting a predetermined value from the median value of a plurality of flow values obtained when the differential pressure is a predetermined reference differential pressure ΔPr. This is because the actual flow rate value varies, and if the exhaust flow rate is estimated using, for example, the median value or the average value as the reference flow rate Qr, the estimated flow rate may be larger than the actual flow rate. This is because, even though the actual exhaust amount has not reached the target exhaust amount, it is determined that the estimated exhaust amount has reached the target exhaust amount, and the
次に、補正係数Ktについて説明する。補正係数Ktは以下の式により算出される。
次に、補正係数Kgについて説明する。補正係数Kgは以下の式により算出される。
水素濃度D1、窒素濃度D2、水蒸気濃度D3はそれぞれ以下の式により算出される。
水素分圧P1は、例えば図6のマップに基づいて算出され、更に発電による水素消費量を考慮して算出される。図6は、燃料電池2への要求発電量と目標水素分圧との関係を規定したマップである。インジェクタ10による燃料ガス供給量は、このマップに基づいて制御される。尚、図6のマップは予め実験などに基づいて規定され、ECU20のROMに記録されている。
The hydrogen partial pressure P1 is calculated based on, for example, the map of FIG. 6, and is further calculated in consideration of the amount of hydrogen consumed by power generation. FIG. 6 is a map that defines the relationship between the required power generation amount to the
窒素分圧P2は、カソード側からアノード側へのクロスオーバーにより移動した窒素量に、タンク3内の燃料中の不純物割合から算出される窒素量を加算して、排出弁16の開放により排出される窒素量を減算して、前回算出された窒素分圧値を加算して得られた値に基づいて算出される。クロスオーバーにより移動した窒素量は、カソード側及びアノード側の窒素の分圧差に透過係数を乗算した値に基づいて算出する。尚、この分圧差を算出するためのアノード側の窒素分圧は、初期値として大気圧中の窒素分圧値である80KPaを使用する。初期値においては、クロスオーバーによりカソード側の窒素分圧と同じになるためである。また、タンク3内の燃料中の不純物割合から算出される窒素量は、タンク3から燃料電池2への水素供給流量にタンク3内の燃料中の不純物の割合を乗算した値に基づいて算出される。タンク3内の燃料ガス中の不純物の割合については、予めECU20のROMに記憶されている。排出弁16の開放により排出される窒素量は、排気中に式(1)により算出された流量に基づいて継続的に積算されている排気量に、前回算出された窒素分圧値を乗算して全圧で除算した値に基づいて算出される。
The nitrogen partial pressure P2 is discharged by opening the
水蒸気分圧P3は、冷媒の温度を燃料ガスの温度として用い、その温度に基づいて露点温度を算出し、露点温度に基づいて水蒸気分圧を算出する。具体的には、燃料ガスの温度が80度以下の場合、燃料ガス中の水蒸気は飽和状態にあるとみなしてその温度を露点温度とみなし、飽和蒸気圧曲線からその温度での飽和蒸気圧を水蒸気分圧とする。燃料ガスの温度が80度以上の場合、水蒸気は未飽和な状態であるとして、適合したマップに基づき露点温度を算出し、その露点温度に基づいてマップにより水蒸気分圧を設定する。 The water vapor partial pressure P3 uses the temperature of the refrigerant as the temperature of the fuel gas, calculates the dew point temperature based on the temperature, and calculates the water vapor partial pressure based on the dew point temperature. Specifically, when the temperature of the fuel gas is 80 degrees or less, the water vapor in the fuel gas is considered to be in a saturated state, the temperature is regarded as the dew point temperature, and the saturated vapor pressure at that temperature is determined from the saturated vapor pressure curve. Use water vapor partial pressure. When the temperature of the fuel gas is 80 ° C. or higher, it is assumed that the water vapor is in an unsaturated state, the dew point temperature is calculated based on the adapted map, and the water vapor partial pressure is set based on the dew point temperature.
以上のように燃料ガスの組成を考慮して流量を推定するので、流量の推定精度の低下が抑制されている。 As described above, since the flow rate is estimated in consideration of the composition of the fuel gas, a decrease in the estimation accuracy of the flow rate is suppressed.
次に、補正係数Kcについて説明するが、補正係数Kcを説明する前に排出弁16の構造について説明する。図7、図8は、排出弁16の断面図である。排出弁16は、電磁コイル113の操作力により弁体104の開閉を行なう直動式電磁弁である。電磁コイル113に通電されると鉄製のコア108が帯電し、これによりプランジャ112が図6の矢印の方向に摺動する。プランジャ112の先端には、弁体104が固定され、弁体104の先端にはシールゴム102が固定されている。フランジ部114は、排出流路14に接続された一次通路115、二次通路116が形成されている。一次通路115は、略水平方向に延び上流から下流にかけて内径が小さくなっている。図7では、一次通路115の下流端の排出口115aが弁体104により閉じられている。図8に示すように、電磁コイル113が通電されることによりプランジャ112が後退して弁体104が排出口115aを開く。これにより、一次通路115から二次通路116へ貯留水及び燃料ガスが流れる。
Next, the correction coefficient Kc will be described. The structure of the
図9、図10は、排水完了と判定された後の排出口115aの断面図である。図9に示すように、排水が完了後に燃料ガスが排出口115aから排出される。しかしながら、図10に示すように、排水完了と判定された後であっても、燃料電池2の発電に基づく生成水の発生が多い場合には、貯留水として排出口115aを流れ、燃料ガスも同時に排出口115aを流れる場合がある。例えば図9では排出口115aの断面積の100パーセントを燃料ガスが流れるのに対して、図10では排出口115aの断面積の70パーセントを燃料ガスが流れ断面積の30パーセントを貯留水が流れる。補正係数Kcは、このような排出口115aの断面積のうち貯留水が占める割合を除いた、燃料ガスが占める割合を示す係数である。
9 and 10 are cross-sectional views of the
図11は、補正係数Kcと燃料電池2の負荷電流値との関係を規定したマップである。補正係数Kcは0を超えて1以下の値をとり、負荷電流値が高いほど補正係数Kcは小さくなる。負荷電流値が高いほど燃料電池2の発電による生成水量が増えて気液分離器12内に流れ、排水完了の判定後にも貯留水として排出口115aの断面積を占める割合が大きくなり、実質的に燃料ガスが流通する排出口115aの断面積の割合が減少するからである。また、負荷電流値が小さいほど補正係数Kcは大きくなる。負荷電流値が小さいほど燃料電池2の発電による生成水量は少ないため、貯留水が排出口115aの断面積を占める割合が少なくなり、実質的に燃料ガスが流通する排出口115aの断面積の割合が増大するからである。尚、負荷電流値がゼロの場合には、補正係数Kcは1である。負荷電流値がゼロの場合には燃料電池2は発電しておらずに生成水の量もゼロと考えることができるからである。また、図11のマップは予め実験などに基づいて規定され、ECU20のROMに記録されている。
FIG. 11 is a map that defines the relationship between the correction coefficient Kc and the load current value of the
以上のように、排出口115aのうち燃料ガスが流通する実質的な断面積を考慮して流量を推定するため、流量の推定精度の低下が抑制されている。
As described above, since the flow rate is estimated in consideration of the substantial cross-sectional area through which the fuel gas flows in the
以上説明したように、流量のバラつきを考慮して設定された基準流量Qrや、燃料ガスの温度を考慮して設定された補正係数Kt、燃料ガスの組成を考慮して設定された補正係数Kg、燃料ガスが実質的に流通する排出口115aの断面積の割合を考慮して設定された補正係数Kcと、差圧ΔPbとに基づいて排気流量Qを推定する。これにより、排気流量Qの推定精度の低下が抑制されている。
As described above, the reference flow rate Qr set in consideration of the flow rate variation, the correction coefficient Kt set in consideration of the temperature of the fuel gas, and the correction coefficient Kg set in consideration of the composition of the fuel gas. The exhaust flow rate Q is estimated based on the correction coefficient Kc set in consideration of the ratio of the cross-sectional area of the
また、上記実施例では、循環流路8内の圧力を検出する圧力センサ22に基づいて差圧ΔPa、ΔPbを検出したがこれに限定されない。例えば、圧力センサ22の代わりに、供給流路4、気液分離器12、又は排出弁16よりも上流側の排出流路14内の圧力を検出する圧力センサの検出値を用いてもよい。
Moreover, in the said Example, although differential pressure (DELTA) Pa and (DELTA) Pb were detected based on the
また、排出弁16よりも下流側の排出流路14内の圧力を検出する圧力センサ23に基づいて差圧ΔPa、ΔPbを検出したがこれに限定されない。例えば、圧力センサ23の代わりに排出流路14以外の場所に設けられて大気圧を検出可能な位置に設けられた圧力センサを用いてもよい。排出弁16の開弁によって排気は大気へ排出されるため、このような圧力センサであっても排出弁16の下流側の圧力を検出していることになる。
Further, although the differential pressures ΔPa and ΔPb are detected based on the
図12は、変形例に係るシステム1aの概略構成図である。システム1aは、システム1と異なりアノード非循環型であり、循環流路8及び循環ポンプ9は設けられておらず、燃料電池2から排出された燃料ガスが再び供給流路4及び燃料電池2に戻されることはない。また、システム1aは、燃料電池2から排出された燃料ガスを気液分離器12に供給する第1の排出流路14aと、気液分離器12に接続され気液分離器12内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する第2の排出流路14bとを備えている。排出弁16は、第2の排出流路14bに配置されている。従って、燃料電池2から排出された燃料ガスは、排出弁16が開くことにより外部へと排出される。圧力センサ22は、第1の排出流路14aに設けられて第1の排出流路14a内の圧力を検出する。圧力センサ23は、第2の排出流路14bに設けられ、排出弁16よりも下流側での第2の排出流路14b内の圧力を検出する。このようなシステム1aにおいても、上述した方法により、排気流量Qの推定精度の低下が抑制される。尚、この場合においても、圧力センサ23の代わりに、大気圧を検出する圧力センサを用いてもよい。また、圧力センサ22の代わりに、供給流路4、気液分離器12、又は排出弁16よりも上流側の第2の排出流路14b内の圧力を検出する圧力センサの検出値を用いてもよい。
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
上述した燃料ガス中の水素濃度、窒素濃度、水蒸気濃度は、センサにより検出してもよい。 The above-described hydrogen concentration, nitrogen concentration, and water vapor concentration in the fuel gas may be detected by a sensor.
上記排出弁16の一次通路115は水平方向に延びているがこれに限定されない。例えば、一次通路115は、鉛直下方に延びたものであってもよいし、斜め下方に延びたものであってもよい。このような場合であっても、燃料電池2の発電による生成水が貯留水として燃料ガスの排気中に排気弁の排出口を流れること起こりえるからである。
The
1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 タンク(燃料供給源)
4 供給流路
8 循環流路
12 気液分離器
16 排出弁
20 ECU(制御部)
21、22、23 圧力センサ
1
4 Supply flow path 8
21, 22, 23 Pressure sensor
Claims (4)
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、
前記排出流路に設けられた排出弁と、
前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出弁よりも上流側の前記排出流路内の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、
前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、
前記制御部は、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合と、に基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システム。 A fuel cell;
A fuel supply source for supplying fuel gas to the fuel cell;
A supply flow path for flowing the fuel gas supplied from the fuel supply source to the fuel cell;
A circulation channel for flowing the fuel gas discharged from the fuel cell to the supply channel;
A gas-liquid separator disposed on the circulation flow path for separating and storing water from the fuel gas;
A discharge passage connected to the gas-liquid separator and discharging the stored water in the gas-liquid separator and the fuel gas to the outside;
A discharge valve provided in the discharge flow path;
Detects a differential pressure between the pressure in the discharge flow channel upstream of the supply flow channel, the circulation flow channel, the gas-liquid separator, or the discharge valve and the pressure downstream of the discharge valve. A differential pressure detector;
A controller that estimates the flow rate of the fuel gas discharged by opening the discharge valve,
The discharge valve includes a discharge port through which the stored water and fuel gas flow, and a valve body that opens and closes the discharge port.
The controller is configured such that the stored water out of the differential pressure while the valve body opens the discharge port and a cross-sectional area of the discharge port while the valve body opens the discharge port. A fuel cell system that estimates a flow rate of the fuel gas based on a ratio occupied by the fuel gas excluding a ratio occupied.
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第1の排出流路と、
前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第2の排出流路と、
前記第2の排出流路に設けられた排出弁と、
前記供給流路、前記第1の排出流路、前記気液分離器、又は前記第2の排出流路内の前記排出弁の上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、
前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、
前記制御部は、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合と、に基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システム。 A fuel cell;
A fuel supply source for supplying fuel gas to the fuel cell;
A supply flow path for flowing the fuel gas supplied from the fuel supply source to the fuel cell;
A gas-liquid separator that separates and stores moisture from the fuel gas discharged from the fuel cell;
A first discharge flow path for supplying the fuel gas discharged from the fuel cell to the gas-liquid separator;
A second discharge passage connected to the gas-liquid separator and discharging the stored water and the fuel gas in the gas-liquid separator to the outside;
A discharge valve provided in the second discharge flow path;
A pressure upstream of the discharge valve in the supply flow channel, the first discharge flow channel, the gas-liquid separator, or the second discharge flow channel, and a pressure downstream of the discharge valve. A differential pressure detector for detecting the differential pressure;
A controller that estimates the flow rate of the fuel gas discharged by opening the discharge valve,
An anode non-circulating fuel cell system that does not return the fuel gas discharged from the fuel cell to the supply flow path,
The discharge valve includes a discharge port through which the stored water and fuel gas flow, and a valve body that opens and closes the discharge port.
The controller is configured such that the stored water out of the differential pressure while the valve body opens the discharge port and a cross-sectional area of the discharge port while the valve body opens the discharge port. A fuel cell system that estimates a flow rate of the fuel gas based on a ratio occupied by the fuel gas excluding a ratio occupied.
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