JP2019145337A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム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、駆動用電源を供給するためのシステムとして、図示しない燃料電池車両に搭載されている。燃料電池システム10は、燃料電池車両の駆動モータおよびエアコンプレッサ50等の負荷に、電力を供給する。
図3は、要求動作点設定処理の手順を示すフローチャートである。要求動作点設定処理は、燃料電池車両の図示しないスタータースイッチが押されて燃料電池システム10が起動すると繰り返し実行される。
図5は、最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。最小圧力比更新処理は、要求動作点設定処理の実行時に、繰り返し実行される。
P=a×Qb ・・・(1)
上記式(1)において、Pは圧力比を、Qは流量を、aは第1のストールライン係数を、bは第2のストールライン係数を、それぞれ示している。第1のストールライン係数および第2のストールライン係数は、予め定められている。第2のストールライン係数は、1.0以上の任意の固定値である。
図7は、第2実施形態における最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。第2実施形態の燃料電池システム10は、最小圧力比更新処理において、第1実施形態の燃料電池システム10と異なる。第2実施形態における最小圧力比更新処理は、ステップS220およびステップS230に代えて、ステップS320およびステップS330が実行される点と、ステップS210がステップS320の後に実行される点と、ステップS240が省略される点と、ステップS250の具体的な処理内容とにおいて、第1実施形態の最小圧力比更新処理と異なる。装置構成を含めたその他の構成は第1実施形態と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。
a[t+1]=a[t]−k×(θo−θ) ・・・(2)
上記式(2)において、tは演算周期を、kは補正ゲインを、θoは調圧弁54の全開開度を、θは調圧弁54の現在開度を、それぞれ示している。すなわち、上記式(2)における「θo−θ」は、調圧弁54の制御偏差を表している。補正ゲインは、補正の程度を示す係数を意味し、1.0以下の任意の固定値として予め定められている。補正ゲインの数値が大きいほど、補正量が大きくなる。
図9は、第3実施形態における燃料電池システム10aの概略構成を示す説明図である。図10は、第3実施形態における最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。第3実施形態の燃料電池システム10aは、圧損モデルマップ99がさらに記憶されている点と、最小圧力比更新処理の手順とにおいて、第2実施形態の燃料電池システム10と異なる。第3実施形態における最小圧力比更新処理は、ステップS210、ステップS330、ステップS250およびステップS260に代えて、ステップS420、ステップS430、ステップS440およびステップS450が実行される点において、第2実施形態の最小圧力比更新処理と異なる。燃料電池システム10aのその他の構成は第2実施形態の燃料電池システム10と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。
(1)上記実施形態の要求動作点設定処理では、予め定められたコンプレッサマップ94を参照することにより、要求動作点を変更していたが、本発明はこれに限定されるものではない。コンプレッサマップ94の参照に代えて、燃料電池システム10、10aの運転中における各種センサの検出信号に基づいて、ストールラインL5を算出して特定してもよい。例えば、調圧弁54が全開のタイミングにおける圧力センサ63および流量センサ64の検出信号に基づいて、1つまたは複数の動作点を特定し、各動作点の流量と圧力比とをモデル式に当てはめることにより、ストールラインL5を特定してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。加えて、記憶装置91のROM92の容量を削減できる。また、エアコンプレッサ50等を構成する部品の製造誤差、外気温、外気圧および燃料電池20内の水分量に起因する圧損値の変動等に応じてストールラインL5を特定できるので、ストールラインL5の誤差を抑制できる。また、例えば、予め作成されたルックアップテーブル等を用いることにより、当初からストールラインL5上に要求動作点を設定してもよく、最小圧力比以上に要求動作点を設定してもよい。すなわち一般には、要求動作点の設定の際に、エアコンプレッサ50から吐出可能な空気の流量に対して実現可能な圧力比の最小値である最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、目標圧力比を目標流量に対応する最小圧力比以上に設定してもよい。また、例えば、制御部98は、燃料電池20の出力要求に加えて、低温時や水素希釈時に要求されるエアコンプレッサ50の回転数に応じてエアコンプレッサ50と調圧弁54との動作を制御してもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
20…燃料電池
22…アノード
24…カソード
30…酸化ガス給排系
32…酸化ガス供給流路
34…酸化ガス排出流路
36…バイパス流路
42…エアクリーナ
48…マフラー
50…エアコンプレッサ
54…調圧弁
56…バイパス弁
61…大気圧センサ
62…エアフローメータ
63…圧力センサ
64…流量センサ
65…カソード圧力センサ
70…燃料ガス給排系
71…水素タンク
72…燃料ガス供給流路
73…タンク圧力センサ
74…主止弁
75…アノード調圧弁
76…インジェクタ
77…アノード圧力センサ
82…燃料ガス排出流路
83…気液分離器
84…循環配管
85…水素ポンプ
86…排気排水弁
90、90a…制御ユニット
91、91a…記憶装置
92、92a…ROM
93…制御プログラム
94…コンプレッサマップ
95…RAM
96…偏差閾値テーブル
97…CPU
98…制御部
99…圧損モデルマップ
A、B…接続点
Ar1…動作可能領域
L1…等回転数ライン
L2…最大回転数ライン
L3…最大圧力比ライン
L4…サージライン
L5…ストールライン
L6…実ストールライン
L7…推定ストールライン
L8…最小圧力比ライン
P1…要求動作点
P2…要求動作点
P3…実動作点
P4…要求動作点
R1…燃料電池側経路
R2…バイパス側経路
R3…排気管側経路
Claims (8)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサと、
前記燃料電池内における前記酸化ガスの圧力を調節する調圧弁と、
少なくとも前記燃料電池への出力要求に応じて、前記ターボ式コンプレッサと前記調圧弁との動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの流量の目標値である目標流量と、前記ターボ式コンプレッサに吸入される前記酸化ガスの圧力に対する前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの圧力の比である圧力比の目標値である目標圧力比と、によって、前記ターボ式コンプレッサの要求動作点を設定し、
前記要求動作点の設定の際に、前記ターボ式コンプレッサから吐出可能な前記酸化ガスの流量に対して実現可能な圧力比の最小値である最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、前記目標圧力比を、前記目標流量に対応する前記最小圧力比以上に設定し、
前記ターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値が、前記既設定動作特性における前記最小圧力比と相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する場合、前記実際の動作特性における圧力比の最小値を用いて、前記既設定動作特性における前記最小圧力比を更新する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、更新された前記最小圧力比を用いて、前記要求動作点の前記目標圧力比を再設定する、
燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力比を特定するための圧力センサと、前記流量を特定するための流量センサとをさらに備え、
前記制御部は、前記圧力センサの測定結果と前記流量センサの測定結果とを用いて、前記ターボ式コンプレッサの実際の前記圧力比と実際の前記流量とを示す動作点である実動作点を特定し、
前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開であり、かつ、前記要求動作点と前記実動作点とが一致しない、との条件である、
燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開であり、かつ、前記要求動作点と前記実動作点とが予め定められた時間以上一致しない、との条件である、
燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力比を特定するための圧力センサと、前記流量を特定するための流量センサとをさらに備え、
前記制御部は、前記圧力センサの測定結果と前記流量センサの測定結果とを用いて、前記ターボ式コンプレッサの実際の前記圧力比と実際の前記流量とを示す動作点である実動作点を特定し、
前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開でなく、かつ、前記実動作点の前記圧力比が前記既設定動作特性における前記最小圧力比と一致する、との条件である、
燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ターボ式コンプレッサから前記燃料電池へと前記酸化ガスを供給する流路である酸化ガス供給流路と、
前記燃料電池から前記酸化ガスを排出する流路である酸化ガス排出流路と、
前記酸化ガス供給流路と前記酸化ガス排出流路とを連通させるバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉するバイパス弁と、
をさらに備え、
前記予め定められた条件は、前記バイパス弁の開度が変更された、との条件である、
燃料電池システム。 - 請求項6に記載の燃料電池システムにおいて、
前記予め定められた条件は、前記バイパス弁が全閉状態から開かれた、との条件である、
燃料電池システム。 - 燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサと、前記燃料電池内における前記酸化ガスの圧力を調節する調圧弁と、を有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの流量の目標値である目標流量と、前記ターボ式コンプレッサに吸入される前記酸化ガスの圧力に対する前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの圧力の比である圧力比の目標値である目標圧力比と、によって、前記ターボ式コンプレッサの要求動作点を設定する工程であって、前記ターボ式コンプレッサから吐出可能な前記酸化ガスの流量に対して実現可能な圧力比の最小値である最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、前記目標圧力比を、前記目標流量に対応する前記最小圧力比以上に設定する工程と、
前記ターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値が、前記既設定動作特性における前記最小圧力比と相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する場合、前記実際の動作特性における圧力比の最小値を用いて、前記既設定動作特性における前記最小圧力比を更新する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
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