JP2016134375A - Fuel battery 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.
昨今、燃料電池自動車(FCV : Fuel Cell Vehicle)が登場するなど、燃料電池の開発が進んでいる。FCVに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。 Recently, the development of fuel cells is progressing, such as the introduction of fuel cell vehicles (FCVs). The fuel cell mounted on the FCV drives the motor by generating electricity by chemically reacting hydrogen of fuel and oxygen in the air.
燃料電池は、水素極であるアノード電極、酸素極であるカソード電極、及び両電極に挟まれた電解質膜などから構成される膜電極接合体(MEA : Membrane Electrode Assembly)を備える。アノード電極側の水素流路内の圧力とカソード電極側の酸素流路内の圧力は、燃料電池に要求される出力に応じて制御される。 The fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) composed of an anode electrode that is a hydrogen electrode, a cathode electrode that is an oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the electrodes. The pressure in the hydrogen flow path on the anode electrode side and the pressure in the oxygen flow path on the cathode electrode side are controlled according to the output required for the fuel cell.
燃料電池に関し、例えば特許文献1には、電解質膜の劣化を避けるために、水素流路内の圧力と酸素流路内の圧力の差(以下、「極間差圧」と表記)を低減する点が記載されている。また、例えば特許文献2には、燃料電池に要求される負荷の増加が予測された場合、負荷が増加する以前に、燃料ガス室に供給されるガス圧を増減させる点が記載されている。
Regarding the fuel cell, for example, in
電解質膜は、極間差圧により撓む。このため、燃料電池に要求される出力(以下、「要求出力」と表記)が急激に増加したとき、水素流路内または酸素流路内の圧力も急激に増加し、電解質膜には、撓みによる大きなストレスが生ずる。 The electrolyte membrane bends due to the differential pressure between the electrodes. For this reason, when the output required for the fuel cell (hereinafter referred to as “required output”) increases rapidly, the pressure in the hydrogen flow path or oxygen flow path also increases rapidly, and the electrolyte membrane is bent. A great stress is caused by.
したがって、電解質膜には、ストレスによる耐久性の低下という問題が存在する。これを回避するために、仮に圧力の増加速度を低下させても、燃料電池から要求出力が得られるまでの所要時間が増加するので、出力の応答性が低下してしまう。なお、このような問題は、FCVに用いられる燃料電池に限定されず、他の用途に用いられる燃料電池についても存在する。 Therefore, the electrolyte membrane has a problem of a decrease in durability due to stress. In order to avoid this, even if the pressure increase rate is reduced, the required time until the required output is obtained from the fuel cell is increased, so that the output responsiveness is lowered. Such a problem is not limited to the fuel cell used for FCV, but also exists for fuel cells used for other purposes.
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜の耐久性が改善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, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system in which the durability of the electrolyte membrane is improved without deteriorating output responsiveness.
本明細書に記載の燃料電池システムは、酸化ガスまたは燃料ガスが導入されることにより電流を出力する燃料電池と、前記燃料電池の状態に関する所定の条件が満たされた場合、前記燃料電池に要求される出力の増加を予測する出力予測部と、前記要求される出力の増加が前記出力予測部により予測されたとき、前記要求される出力が増加する前に、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力の増加制御を開始する圧力制御部とを備え、前記圧力制御部は、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力が、前記要求される出力の増加タイミングから所定時間内に前記要求される出力に応じた目標値に達するように前記要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、前記増加制御を開始する。 The fuel cell system described in this specification is required for the fuel cell that outputs a current by introducing an oxidant gas or a fuel gas and when the predetermined condition regarding the state of the fuel cell is satisfied. An output predicting unit for predicting an increase in output, and when the required increase in output is predicted by the output predicting unit, before the required output increases, the oxidizing gas or the fuel gas A pressure control unit for starting pressure increase control, wherein the pressure control unit sets the pressure of the oxidizing gas or the fuel gas to the required output within a predetermined time from the required output increase timing. The increase control is started at a lower increase speed than when the increase control is started after the required output increases so as to reach the corresponding target value.
本発明によれば、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜の耐久性を改善できる。 According to the present invention, the durability of the electrolyte membrane can be improved without deteriorating output responsiveness.
図1は、燃料電池システム1の一例を示す構成図である。燃料電池システム1は、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータMに電力を供給する。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a
燃料電池システム1は、制御装置10と、エアコンプレッサ11と、入口側空気圧センサ14と、出口側空気圧センサ13と、水素タンク16と、燃料ガス調圧弁17と、燃料ガス圧センサ19と、パージ弁22と、燃料電池23とを備える。燃料電池システム1は、さらに、インピーダンス計測部24と、電圧センサVと、温度センサTと、DC−DCコンバータ25と、DC−ACインバータ26と、再循環ポンプ29とを備える。
The
制御装置10は、燃料電池システム1の動作を制御する。制御装置10は、例えばCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサを有し、ROM(Read Only Memory)などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。制御装置10内のプロセッサは、プログラムを読み込むと、機能として、圧力制御部100及び出力予測部101が形成され、制御装置10内のメモリには、目標値情報102が格納される。圧力制御部100、出力予測部101、及び目標値情報102については後述する。なお、制御装置10は、プログラムで動作するものに限定されず、ハードウェアのみで動作するものであってもよい。
The
制御装置10は、各種の指令や制御処理に従って制御信号S1〜S3をエアコンプレッサ11、パージ弁22、及び燃料ガス調圧弁17にそれぞれ出力する。また、制御装置10には、入口側空気圧センサ14が計測した圧力Pa、出口側空気圧センサ13が計測した圧力Pa’、燃料ガス圧センサ19が計測した圧力Pb、温度センサTが計測した温度Tw、電圧センサVが検出した電圧値E、及びインピーダンス計測部24が計測したインピーダンス値Zが入力される。
The
制御装置10には、さらに、走行距離計測部40が計測した車両の走行距離DIS、車速センサ41が検出した車両の速度Vx、シフトレバーセンサ42が検出したシフトレバーの位置LP、ブレーキセンサ43が検出したブレーキの開度BK、及びアクセルセンサ44が検出したアクセルの開度ACが入力される。また、制御装置10には、目的地までの経路を車両の運転者に示すナビゲーション装置45から経路情報NVが入力される。
The
燃料電池23には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路18と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路21とが接続されている。燃料ガス供給路18には、水素タンク16、燃料ガス調圧弁17、及び燃料ガス圧センサ19が、この順に接続されている。
A fuel
水素タンク16は、水素ガス(H2)の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク16から燃料ガス調圧弁17及び燃料ガス圧センサ19を経由して燃料電池23のアノード側に導入される。
The
水素ガスは、燃料ガス調圧弁17を通過することで圧力が調整される。燃料ガス調圧弁17は、制御装置10からの制御信号S3に基づいて弁の開度を調整することで、燃料電池23に導入される水素ガスの圧力を調整する。
The pressure of the hydrogen gas is adjusted by passing through the fuel gas pressure regulating valve 17. The fuel gas pressure adjusting valve 17 adjusts the pressure of hydrogen gas introduced into the
燃料ガス圧センサ19は、燃料電池23に導入される水素ガスの圧力Pbを計測する。燃料ガス圧センサ19は、計測した圧力Pbを制御装置10に通知する。
The fuel
燃料電池23から排出された水素ガス(つまりオフガス)は、燃料ガス排出路21に導かれる。燃料ガス排出路21の途中には、パージ弁22が設けられている。
Hydrogen gas (that is, off-gas) discharged from the
パージ弁22は、制御装置10からの制御信号S2に従って開閉される。パージ弁22は、燃料電池23内から水素ガスを掃気する場合に開放される。
The
燃料ガス排出路21からは、再循環経路20が分岐している。分岐した再循環経路20は、燃料ガス供給路18に接続されている。再循環経路20には再循環ポンプ29が設けられており、再循環ポンプ29は、燃料ガス排出路21に排出された水素ガスを、再循環経路20を経由して燃料ガス供給路18に導く。再循環経路20から燃料ガス供給路18に導かれた水素ガスは、燃料ガス圧センサ19を経由して再び燃料電池23に導入される。
A
また、燃料電池23には、空気を供給するための空気供給路12と、発電に使用した空気を排出するための空気排出路15とが接続されている。空気供給路12には、エアコンプレッサ11及び入口側空気圧センサ14が接続されている。
The
エアコンプレッサ11は、例えば車両の外部から、酸素(O2)を含む空気を取り込んで燃料電池23に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。エアコンプレッサ11は、制御装置10からの制御信号S1に従って空気を燃料電池23のカソード側に導入する。このため、空気の圧力は、制御信号S1に基づいて制御される。
The
燃料電池23から排出された空気は、空気排出路15に導かれる。空気排出路15には、出口側空気圧センサ13が接続されている。
The air discharged from the
出口側空気圧センサ13は、燃料電池23から排出される空気の圧力Pa’を計測する。出口側空気圧センサ13は、計測した圧力Pa’を制御装置10に通知する。
The outlet side
燃料電池23は、複数の燃料電池セルの積層体(スタック)として構成される。燃料電池23は、燃料ガスである水素ガスが供給されるアノード電極(燃料極)と、空気が供給されるカソード電極(空気極)とを備える。水素及び酸素は、化学反応することにより水と電気を生成する。このように、燃料電池23は、水素及び酸素が導入されることにより発電し、車両を駆動するモータMに電流を出力する。
The
また、燃料電池23には、燃料電池23を冷却する冷却水(冷媒)を、図示しない冷却装置から供給するための冷却水供給路30と、燃料電池23内で冷却に使用された冷却水を排出するための冷却水排出路31とが接続されている。冷却水供給路30及び冷却水排出路31は、冷却水を循環させる循環経路を構成する。
Further, the
冷却水排出路31には、燃料電池23から排出された冷却水の温度Twを検出する温度センサTが設けられている。温度センサTは、検出した温度Twを制御装置10に通知する。
The cooling
電圧センサVは、燃料電池23のセルから出力された電圧値Eを計測する。電圧センサVは、計測した電圧値Eを制御装置10に通知する。
The voltage sensor V measures the voltage value E output from the cell of the
インピーダンス計測部24は、燃料電池23に電流を流しておき、電流値を変動させたときの電圧値との関係から、燃料電池23のインピーダンスZを計測する。インピーダンス計測部24は、計測したインピーダンスZを制御装置10に通知する。
The
DC−DCコンバータ25は、例えば昇降圧チョッパ回路を含み、燃料電池23の出力電圧を変換する。DC−DCコンバータ25は、昇降圧チョッパ回路内に設けられたFET(Field Effect Transistor)などの複数のスイッチング素子をオンオフ制御することにより電圧を変換する。DC−DCコンバータ25の出力電流は、DC−ACインバータ26に入力される。
The DC-
DC−ACインバータ26は、DC−DCコンバータ25の出力電流を直流から三相交流に変換する。DC−ACインバータ26は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)制御方式に基づいてスイッチング素子がオンオフ制御することで電流を変換する。DC−ACインバータ26の出力電流はモータMに出力される。
The DC-
次に、燃料電池23を構成する燃料電池セルについて説明する。図2は、燃料電池セルの断面図である。
Next, the fuel cell constituting the
燃料電池セル23aは、カソード側セパレータ30a、アノード側セパレータ30b、フレーム38、カソード側ガス拡散層(GDL: Gas Diffusion Layer)31a、アノード側ガス拡散層(GDL)31b、及びMEA35を備える。MEA35は、アノード電極33b、カソード電極33a、及びアノード電極33bとカソード電極33aに挟まれた電解質膜34を有する。
The
カソード側GDL31a、MEA35、及びアノード側GDL31bは、この順に積層され、カソード側及びアノード側セパレータ30a,30bに挟まれている。カソード側セパレータ30aには、空気が流れる流路Raが平行に形成されており、アノード側セパレータ30bには、水素ガスが流れる流路Rbが平行に形成されている。空気の流路Raは、空気供給路12及び空気排出路15に連通し、水素ガスの流路Rbは、燃料ガス供給路18及び燃料ガス排出路21に連通する。
The
GDL31a,31bは、例えば炭素繊維などで形成され、流路Ra,Rbから空気及び水素ガスをそれぞれ取り込んで、MEA35に対して均一に拡散させる。アノード側のGDL31bの端部は、フレーム38に達しているが、カソード側のGDL31aの端部は、フレーム38に達していない。すなわち、カソード側のGDL31aの幅は、アノード側のGDL31bの幅より短い。このため、MEA35の端部35aは、アノード側のGDL31bに当接し、カソード側のGDL31aに当接していないので、MEA35がカソード側及びアノード側セパレータ30a,30bに挟持されず、カソード側の流路Raに露出している。
The
MEA35では、カソード電極33aに空気中の酸素が供給され、及びアノード電極33bに水素が供給されることにより、水素及び酸素の化学反応が行われる。このとき、水素イオンは、電解質膜34を通過してアノード電極33b側からカソード電極33a側に移動する。このため、アノード電極33bでは、水素イオンが酸素イオンと結合することにより、水(H2O)が生成される。
In the
また、フレーム38は、例えば樹脂などの絶縁物により形成されており、カソード側GDL31a、MEA35、及びアノード側GDL31bを囲むように設けられている。フレーム38は、カソード側セパレータ30a及びアノード側セパレータ30bに挟まれており、積層方向においてMEA35及びGDL31a,31bと同じ高さ位置に設けられている。
The
アノード側の流路Rb内の圧力Pbとカソード側の流路Ra内の圧力Paは、燃料電池23に要求される出力に応じて制御される。このとき、水素ガスの圧力Pbは、空気の圧力Paより大きいため、電解質膜34は、極間差圧(Pb−Pa)により撓む。とりわけ、MEA35の端部35aは、アノード側のGDL31bに当接し、カソード側のGDL31aに当接していないので、MEA35がGDL31a,31bにより挟持されず、点線で示されるように、他部分より大きく撓んでしまう。
The pressure Pb in the anode-side flow path Rb and the pressure Pa in the cathode-side flow path Ra are controlled according to the output required for the
したがって、燃料電池23に要求される出力が急激に増加したとき、仮に流路Ra内または流路Rb内の圧力Pa,Pbも急激に増加すると、電解質膜34には、撓みによる大きなストレスが生ずるため、耐久性が低下してしまう。耐久性の低下の程度は、発電状態に応じて変動する燃料電池セル23aの湿度により影響される。すなわち、湿度が高いほど、電解質膜34の耐久性は低下しやすい。また、電解質膜34が経年劣化などの要因で厚みが減少している場合も、耐久性が低下しやすい。
Therefore, when the output required for the
そこで、実施例に係る燃料電池システム1は、燃料電池23に要求される出力の増加が予測されたとき、要求出力が増加する前に、低い増加速度で空気または水素ガスの圧力の増加制御を開始する。これにより、電解質膜34に生ずるストレスが低減されるため、電解質膜34の耐久性が改善される。以下に、圧力制御の詳細を述べる。
Therefore, the
再び図1を参照すると、制御装置10の圧力制御部100は、燃料電池23に要求される出力に応じて水素ガスの圧力Pbと空気の圧力Paを制御する。ここで、要求出力は、例えば、車両の速度Vx、シフトレバーの位置LP、ブレーキの開度BK、及びアクセルの開度ACなどから決定される。
Referring again to FIG. 1, the
より具体的には、圧力制御部100は、水素ガスの圧力Pbと空気の圧力Paを要求出力に応じた目標値となるように、エアコンプレッサ11及び燃料ガス調圧弁17の制御信号S1,S3を生成する。このとき、圧力制御部100は、目標値情報102を参照することにより圧力Pa,Pbの目標値を決定する。
More specifically, the
図3は、燃料電池23の出力電流に対する圧力Pa,Pbの目標値の関係を示すグラフである。図3において、横軸は、出力電流、つまり燃料電池23に要求される出力を示し、縦軸は、圧力Paの目標値Pa_rqと圧力Pbの目標値Pb_rqを示す。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the target values of the pressures Pa and Pb with respect to the output current of the
また、Imaxは、出力電流の最大値を示し、Pa0,Pb0は、出力電流の最大値Imaxの半分の値(Imax/2)の場合の圧力Pa,Pbの目標値を示す。また、I1〜I4は、設計で決定される電流値を示す。 Imax indicates the maximum value of the output current, and Pa0 and Pb0 indicate the target values of the pressures Pa and Pb when the value is half the maximum value Imax of the output current (Imax / 2). I1 to I4 indicate current values determined by design.
目標値Pa_rqは、出力電流がI2〜I4の範囲内であるとき、出力電流に比例し、出力電流がI2より小さいとき、またはI4より大きいとき、一定である。また、目標値Pb_rqは、出力電流がI1〜I3の範囲内であるとき、出力電流に比例し、出力電流がI1より小さいとき、またはI3より大きいとき、一定である。なお、I1〜I4は、I1<I2<I3<I4の関係を有する。 The target value Pa_rq is proportional to the output current when the output current is in the range of I2 to I4, and is constant when the output current is smaller than I2 or larger than I4. The target value Pb_rq is proportional to the output current when the output current is within the range of I1 to I3, and is constant when the output current is smaller than I1 or larger than I3. Note that I1 to I4 have a relationship of I1 <I2 <I3 <I4.
目標値情報102は、例えば、上記の出力電流と目標値Pa_rq,Pb_rqの関係がマッピングされたテーブルとして保持される。
The
また、図1に示された出力予測部101は、燃料電池23の状態に関する所定の条件が満たされた場合、燃料電池23に要求される出力の増加を予測する。燃料電池23の状態に関する所定の条件としては、後述するように、電解質膜34の厚みの条件及び湿度条件が挙げられるが、これに限定されない。また、要求出力の予測手段としては、例えば、車両の速度Vx、シフトレバーの位置LP、及びブレーキの開度BKに関する所定条件の成否を判定することが挙げられるが、これに限定されず、後述するように種々の方法が存在する。
Further, the
圧力制御部100は、要求出力の増加が出力予測部101により予測されたとき、要求出力が増加する前に、空気の圧力Paまたは水素ガスの圧力Pbの増加制御を開始する。このとき、圧力制御部100は、後述するように、空気の圧力Paまたは水素ガスの圧力Pbが、要求出力の増加タイミングから所定時間内に要求出力に応じた目標値Pa_rq,Pb_rqに達するように要求出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、増加制御を開始する。以下に、圧力制御部100及び出力予測部101の動作の詳細を述べる。
When an increase in the required output is predicted by the
図4は、燃料電池システム1の動作の一例を示すフローチャートである。本動作は、例えば一定の時間周期で実行される。
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the
まず、出力予測部101は、電解質膜34の厚み(以下、「膜厚」と表記)が減少した可能性の有無を判定する(ステップSt1)。本処理において、出力予測部101は、例えば、走行距離計測部40により計測された走行距離DISが所定の閾値を超えた場合、膜厚の減少の可能性が有ると判定することができる。また、出力予測部101は、走行距離DISに代えて、走行時間が所定の閾値を超えた場合に膜厚の減少の可能性が有ると判定してもよい。
First, the
さらに、出力予測部101は、燃料電池23の起動時または停止時の開回路電圧(OCV: Open Circuit Voltage)に基づいて、膜厚の減少の可能性の有無を判定することもできる。ここで、開回路電圧は、電圧センサVにより検出された電圧値Eから得られる。
Furthermore, the
より具体的には、出力予測部101は、起動時または停止時の開回路電圧が所定の電圧値より小さい場合、膜厚の減少の可能性が有ると判定することができる。あるいは、出力予測部101は、停止時の開回路電圧の降下速度に基づいて判定することも可能である。
More specifically, the
図5は、燃料電池23の停止時の開回路電圧の変化の一例を示すグラフである。図5において、横軸は、燃料電池23が停止してから経過した時刻を示し、縦軸は、開回路電圧(OCV)を示す。
FIG. 5 is a graph showing an example of changes in the open circuit voltage when the
開回路電圧は、膜厚が正常である場合、実線で示されるように緩やかに減少するが、膜厚が減少している場合、点線で示されるように急激に減少する。したがって、出力予測部101は、開回路電圧の減少速度を検出することにより、膜厚の減少の可能性の有無を判定できる。
When the film thickness is normal, the open circuit voltage gradually decreases as indicated by a solid line, but when the film thickness is decreased, the open circuit voltage decreases rapidly as indicated by a dotted line. Therefore, the
再び図4を参照すると、膜厚の減少の可能性が無い場合(ステップSt1のNo)、圧力制御部100は、燃料電池23の現在の運転状態を維持する(ステップSt5)。また、出力予測部101は、膜厚の減少の可能性が有る場合(ステップSt1のYes)、電解質膜34が高湿度の環境下にあるか否かを判定する(ステップSt2)。
Referring to FIG. 4 again, when there is no possibility of the film thickness decreasing (No in Step St1), the
本処理において、出力予測部101は、例えば、温度センサTにより検出された冷却水の温度Twが所定値より低い場合、電解質膜34が高湿度の環境下にあると判定することができる。また、出力予測部101は、インピーダンス計測部24により計測されたインピーダンスZが所定値より低い場合、電解質膜34が高湿度の環境下にあると判定することもできる。
In this process, the
また、カソード電極33aでは、上述したように、酸素と水素の化学反応により水が生成される。生成された水は、流路Raを流れる空気により燃料電池23の外部へ排出される。このため、流路Raの入口の圧力Paと流路Raの出口の圧力Pa’の差分(Pa−Pa’)が大きいほど、流路Raに残留する水の量は多いと推定できる。
In the
したがって、出力予測部101は、この差分(Pa−Pa’)が所定値より大きい場合、電解質膜34が高湿度の環境下にあると判定できる。なお、電解質膜34の湿度に関する判定手段は、上記の方法に限定されず、他のロジックに基づく方法を採用することもできる。
Therefore, the
再び図4を参照すると、電解質膜34が高湿度の環境下にはないと判定した場合(ステップSt2のNo)、圧力制御部100は、燃料電池23の現在の運転状態を維持する(ステップSt5)。また、出力予測部101は、電解質膜34が高湿度の環境下にあると判定した場合(ステップSt2のYes)、要求出力の増加の有無を予測する(ステップSt3)。
Referring to FIG. 4 again, when it is determined that the
このように、出力予測部101は、燃料電池23に関する条件、より詳しくは電解質膜34に関する条件(ステップSt1,St2参照)が満たされた場合、要求出力の増加を予測する。
As described above, the
出力予測部101は、例えば、車両の運転状態に基づいて要求出力の増加を予測できる。例を挙げると、車速センサ41により検出された速度Vxが所定値以下であり、シフトレバーセンサ42により検出されたシフトレバーの位置LPが「D」(ドライブ)であり、ブレーキセンサ43により検出されたブレーキの開度BKが0に変化した場合、次の運転操作では、車両が加速されることが予測される。
For example, the
したがって、出力予測部101は、速度Vx、シフトレバーの位置LP、及びブレーキの開度BKが上記の条件を満たす場合、要求出力が増加すると予測できる。また、出力予測部101は、ナビゲーション装置45から入力される経路情報NVから、要求出力の増加を予測してもよい。この場合、例えば、経路情報NVから、車両が、平坦な道から上り坂に差し掛かることが検出されたとき、次の運転操作では、車両が加速されることが予測されるため、要求出力の増加が予測される。
Therefore, the
さらに、出力予測部101は、高度道路交通システム(ITS: Intelligent Transport System)から得られる交通情報に基づいて要求出力の増加を予測してもよい。例えば、交通情報から、交通信号の色が赤から青に変化することが予め検出されたとき、次の運転操作では、車両が加速されることが予測されるため、要求出力の増加が予測される。また、交通情報から、前方の車両との車間距離(ミリ波レーダなどにより測定)が所定値以上になったことが検出されたとき、次の運転操作では、車両が加速されることが予測されるため、要求出力の増加が予測される。
Furthermore, the
このように、出力予測部101は、各種の方法を用いて、要求出力の増加を予測することができる。
As described above, the
再び図4を参照すると、要求出力の増加が予測されない場合(ステップSt3のNo)、圧力制御部100は、燃料電池23の現在の運転状態を維持する(ステップSt5)。また、要求出力の増加が予測された場合(ステップSt3のYes)、圧力制御部100は、要求出力が増加する前に、空気の圧力Paまたは水素ガスの圧力Pbの増加制御を開始する(ステップSt4)。このようにして、燃料電池システム1は動作する。
Referring to FIG. 4 again, when an increase in the required output is not predicted (No in Step St3), the
図6には、圧力Pa,Pbの増加制御の一例が示されている。図6において、横軸は、時刻を示し、縦軸は、空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbを示す。また、実線は、上記のステップSt4における圧力Pa,Pbの増加制御の一例を示し、破線は、比較例として、上記のステップSt5の運転状態における圧力Pa,Pbの増加制御の一例を示す。以下の説明では、まず、ステップSt4の圧力増加制御について述べ、次に、比較例の圧力増加制御内容について述べる。 FIG. 6 shows an example of increasing control of the pressures Pa and Pb. In FIG. 6, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates air and hydrogen gas pressures Pa and Pb. Further, the solid line shows an example of the increase control of the pressures Pa and Pb in step St4, and the broken line shows an example of the increase control of the pressures Pa and Pb in the operation state of step St5 as a comparative example. In the following description, first, the pressure increase control in step St4 will be described, and then the pressure increase control contents of the comparative example will be described.
T1は、出力予測部101から要求出力の増加の予測の通知を受けた時刻を示し、T2は、実際に要求出力が増加した時刻、つまり要求出力の増加タイミングを示す。T3は、空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbが、要求出力、つまり要求される出力電流に応じた目標値Pa_rq,Pb_rqに達する時刻を示す。なお、本例では、空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbの両方を制御する場合を挙げるが、空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbの一方を制御する場合でも、以下の内容と同様の効果が得られる。
T1 indicates the time when the notification of the increase in request output is received from the
圧力制御部100は、実線で示されるように、時刻T1において、空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbの増加制御を開始する。このとき、圧力制御部100は、目標値Pa_rq,Pb_rqを、例えば、図3に示されたPa0,Pb0として増加制御する。
As indicated by the solid line, the
また、圧力制御部100は、時刻T2から所定時間Δtの経過後(時刻T3=T2+Δt)に圧力Pa,Pbが目標値Pa_rq,Pb_rqに達するように、圧力Pa,Pbの増加速度を増加させる。ここで、増加速度とは、単位時間当たりの圧力PA,Pbの増加量を指す。なお、圧力制御部100は、時刻T2において、アクセルセンサ44により検出されたアクセルの開度ACに基づいて、実際に要求出力が増加したことを判断する。
Further, the
これにより、空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbは、時刻T3において、目標値Pa_rq,Pb_rqに達する。なお、圧力Pa,Pbの目標値Pa_rq,Pb_rqへの到達タイミングは、時刻T2から所定時間Δtが経過する前であってもよい。 Thereby, the pressures Pa and Pb of the air and hydrogen gas reach the target values Pa_rq and Pb_rq at time T3. Note that the arrival timing of the pressures Pa and Pb to the target values Pa_rq and Pb_rq may be before the predetermined time Δt has elapsed from the time T2.
一方、比較例(破線参照)において、圧力制御部100は、出力予測部101による要求出力の増加の予測を伴わずに圧力増加制御を行う。このため、圧力制御部100は、時刻T2において要求出力が増加したと判断すると、圧力Pa,Pbが、時刻T2から所定時間Δtの経過後に目標値Pa_rq,Pb_rqに達するように圧力Pa,Pbの空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbの増加制御を開始する。
On the other hand, in the comparative example (see the broken line), the
比較例でも、空気及び水素ガスの圧力Pa,Pbは、時刻T3において、目標値Pa_rq,Pb_rqに達する。しかし、比較例では、実際の要求出力の増加タイミングである時刻T2に圧力Pa,Pbの増加制御が開始されるため、圧力Pa,Pbを増加制御する時間が、多くとも所定時間Δtしかない。 Also in the comparative example, the pressures Pa and Pb of the air and hydrogen gas reach the target values Pa_rq and Pb_rq at time T3. However, in the comparative example, since the increase control of the pressures Pa and Pb is started at the time T2, which is the actual increase timing of the required output, the time for increasing the pressure Pa and Pb is only the predetermined time Δt at most.
これに対し、ステップSt4の圧力増加制御(実線参照)において、圧力制御部100は、要求出力の増加が出力予測部101により予測されたとき、つまり時刻T1(<T2)に圧力Pa,Pbの増加制御を開始するため、圧力Pa,Pbを増加制御する時間を、比較例より多く確保できる。このとき、圧力Pa,Pbを増加制御する時間は、時刻T1,T2の差分であるT2−T1と所定時間Δtの合計(T2−T1+Δt)となる。
On the other hand, in the pressure increase control (see the solid line) in step St4, the
このため、ステップSt4において、圧力制御部100は、時刻T1において、比較例における増加速度(符号La’,Lb’ が示す直線の傾きを参照)より低い増加速度(符号La1,Lb1が示す直線の傾きを参照)で、圧力Pa,Pbの増加制御を開始することができる。すなわち、圧力制御部100は、圧力Pa,Pbが、時刻T2から所定時間Δt内に要求出力に応じた目標値Pa_rq,Pb_rqに達するように要求出力の増加後に増加制御を開始する場合(つまり比較例)より低い増加速度で、増加制御を開始する。
For this reason, in step St4, the
また、ステップSt4において、圧力制御部100は、時刻T2以降も、比較例における増加速度より低い増加速度(符号La2,Lb2が示す直線の傾きを参照)で、圧力Pa,Pbの増加制御を行うことができる。すなわち、圧力制御部100は、要求出力の増加後も、圧力Pa,Pbが、時刻T2から所定時間Δt内に要求出力に応じた目標値Pa_rq,Pb_rqに達するように要求出力の増加後に増加制御を開始する場合(つまり比較例)より低い増加速度で、圧力Pa,Pbが目標値Pa_rq,Pb_rqに達するまで増加制御を継続する。
In Step St4, the
したがって、ステップSt4において、圧力制御部100は、燃料電池23に要求される出力が急激に増加する場合でも、流路Ra内または流路Rb内の圧力Pa,Pbを緩やかに増加させることができる。
Therefore, in step St4, the
ここで、出力予測部101は、電解質膜34の膜厚が減少したと判定した場合(ステップSt1のYes)、かつ、電解質膜34が高湿度の環境下にあると判定した場合(ステップSt2のYes)に要求出力の増加の予測処理(ステップSt3)を行う。つまり、出力予測部101は、燃料電池23の状態に関する上記の条件が満たされた場合、要求出力の増加を予測する。
Here, the
一方、出力予測部101は、燃料電池23の状態に関する上記の条件が満たされない場合(ステップSt1,St2のNo)、要求出力の増加の予測処理を行わない。この場合、圧力制御部100は、比較例として示された圧力増加制御を行う。
On the other hand, the
したがって、圧力制御部100は、電解質膜34が要求出力の増加の影響を受けやすい状態である場合だけ、要求出力の増加に先立って圧力Pa,Pbの増加制御を行う(ステップSt4)。つまり、圧力制御部100は、燃料電池23の状態に応じて、圧力Pa,Pbを緩やかに増加させることができる。このため、電解質膜34に生ずるストレスが抑制されることで、電解質膜34の耐久性が改善される。さらに、燃料電池システム1は、燃料電池23の出力及び燃費に対する背反が最小となるように動作することができる。
Therefore, the
また、圧力制御部100は、要求出力の増加が出力予測部101により予測されたとき、要求出力が増加する前に、圧力Pa,Pbの増加制御を開始するため、増加速度が比較例の場合より低くても、要求出力の増加タイミング(時刻T2)から所定時間Δt内で圧力Pa,Pbが目標値Pa_rq,Pb_rqに到達するように圧力Pa,Pbを制御できる。これにより、燃料電池23の出力の応答性が維持される。
Further, when the increase in the required output is predicted by the
このように、実施例の燃料電池システムは、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜34の耐久性を改善できる。
Thus, the fuel cell system of the embodiment can improve the durability of the
次に、図4のステップSt1〜St3の各判定処理を、より具体的にした場合の動作について説明する。図7は、この場合の燃料電池システム1の動作例を示すフローチャートである。なお、図7において、図4と共通する処理については同一の符号を付し、その説明を省略する。
Next, the operation when each determination process in steps St1 to St3 in FIG. 4 is made more specific will be described. FIG. 7 is a flowchart showing an operation example of the
まず、出力予測部101は、燃料電池23の起動時の開回路電圧(OCV)を所定の電圧値αと比較する(ステップSt1’)。これにより、電解質膜34の膜厚の減少の可能性の有無が判定される。なお、開回路電圧は、上述したように、電圧センサVにより検出された電圧値Eから得られる。また、所定の電圧値αは、例えば0.9(V)であるが、これに限定されない。
First, the
開回路電圧が所定の電圧値α以上である場合(ステップSt1’のNo)、圧力制御部100は、燃料電池23の現在の運転状態を維持する(ステップSt5)。また、開回路電圧が所定の電圧値αより小さい場合(ステップSt1’のYes)、出力予測部101は、温度センサTにより検出された冷却水の温度Twを所定値βと比較する(ステップSt2’)。これにより、電解質膜34が高湿度の環境下にあるか否かが判定される。なお、所定値βは、例えば50(℃)であるが、これに限定されない。
When the open circuit voltage is equal to or higher than the predetermined voltage value α (No in Step St1 ′), the
温度Twが所定値β以上である場合(ステップSt2’のNo)、圧力制御部100は、燃料電池23の現在の運転状態を維持する(ステップSt5)。また、出力予測部101は、温度Twが所定値βより小さい場合(ステップSt2’のYes)、車速センサ41により検出された速度Vx、シフトレバーセンサ42により検出されたシフトレバーの位置LP、及びブレーキセンサ43により検出されたブレーキの開度BKが所定の条件を満たすか否かを判定する(ステップSt3’)。
When the temperature Tw is equal to or higher than the predetermined value β (No in Step St2 ′), the
Vx<γ ・・・(1)
LP=「D」(ドライブ) ・・・(2)
BK=0 ・・・(3)
Vx <γ (1)
LP = “D” (drive) (2)
BK = 0 (3)
より具体的には、出力予測部101は、上記の式(1)〜(3)の成否を判定する。なお、式(1)の所定値γは、例えば5(km/h)であるが、これに限定されない。上記の式(1)〜(3)の全てが成立する場合、上述したように、次の運転操作では、車両が加速されることが予測される。
More specifically, the
上記の式(1)〜(3)の少なくとも1つが成立しない場合(ステップSt3’のNo)、圧力制御部100は、燃料電池23の現在の運転状態を維持する(ステップSt5)。また、上記の式(1)〜(3)の全てが成立する場合(ステップSt3’のYes)、つまり要求出力の増加が予測される場合、圧力制御部100は、上述したように、圧力増加制御を開始する(ステップSt4)。このようにして、燃料電池システム1は動作する。
When at least one of the above formulas (1) to (3) does not hold (No in step St3 '), the
これまで述べたように、実施例に係る燃料電池システム1は、燃料電池23と、出力予測部101と、圧力制御部100とを備える。燃料電池23は、空気または水素ガスが導入されることにより電流を出力する。出力予測部101は、燃料電池23の状態に関する所定の条件が満たされた場合、燃料電池23に要求される出力の増加を予測する。
As described above, the
圧力制御部100は、要求される出力の増加が出力予測部101により予測されたとき、要求される出力が増加する前に、空気または水素ガスの圧力Pa,Pbの増加制御を開始する。圧力制御部100は、空気または水素ガスの圧力Pa,Pbが、要求される出力の増加タイミングT2から所定時間Δt内に要求される出力に応じた目標値Pa_rq,Pb_rqに達するように、要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、増加制御を開始する。
When the required output increase is predicted by the
上記の構成によると、圧力制御部100は、要求される出力の増加が出力予測部101により予測されたとき、要求される出力が増加する前に圧力Pa,Pbの増加制御を開始する。このため、圧力制御部100は、要求される出力の増加後に圧力Pa,Pbの増加制御を開始する場合より、圧力Pa,Pbを増加制御する時間を多く確保できる。
According to the above configuration, when the required output increase is predicted by the
そして、圧力制御部100は、空気または水素ガスの圧力Pa,Pbが、要求される出力の増加タイミングT2から所定時間Δt内に要求される出力に応じた目標値Pa_rq,Pb_rqに達するように、要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、増加制御を開始する。したがって、圧力制御部100は、燃料電池23に要求される出力が急激に増加する場合でも、燃料電池23の状態に応じて、圧力Pa,Pbを緩やかに増加させることができる。このため、燃料電池23の電解質膜34に生ずるストレスが抑制されることで、電解質膜34の耐久性が改善される。
Then, the
また、圧力制御部100は、要求される出力の増加が出力予測部101により予測されたとき、要求出力が増加する前に、圧力Pa,Pbの増加制御を開始する。このため、圧力制御部100は、増加速度が低くても、要求される出力の増加タイミングから所定時間Δt内に圧力Pa,Pbが目標値Pa_rq,Pb_rqに到達するように圧力Pa,Pbを制御できる。これにより、燃料電池23の出力の応答性が維持される。
In addition, when the required output increase is predicted by the
よって、実施例の燃料電池システム1は、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜34の耐久性を改善できる。
Therefore, the
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 燃料電池システム
10 制御装置
11 エアコンプレッサ
17 燃料ガス調圧弁
23 燃料電池
34 電解質膜
100 圧力制御部
101 出力予測部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃料電池の状態に関する所定の条件が満たされた場合、前記燃料電池に要求される出力の増加を予測する出力予測部と、
前記要求される出力の増加が前記出力予測部により予測されたとき、前記要求される出力が増加する前に、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力の増加制御を開始する圧力制御部とを備え、
前記圧力制御部は、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力が、前記要求される出力の増加タイミングから所定時間内に前記要求される出力に応じた目標値に達するように前記要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、前記増加制御を開始する燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by introducing an oxidizing gas or a fuel gas; and
An output predicting unit that predicts an increase in output required for the fuel cell when a predetermined condition relating to the state of the fuel cell is satisfied;
A pressure control unit that starts an increase control of the pressure of the oxidizing gas or the fuel gas before the required output increases when the required output increase is predicted by the output prediction unit; ,
The pressure control unit is configured to output the required output so that the pressure of the oxidizing gas or the fuel gas reaches a target value corresponding to the required output within a predetermined time from the increase timing of the required output. A fuel cell system that starts the increase control at a lower increase speed than when the increase control is started after the increase.
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