JP2020072011A - 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.
従来、カソードオフガスを駆動源とする回生器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には、回生器として機能するタービンを備えた燃料電池システムが開示されている。
Conventionally, a fuel cell system including a regenerator using cathode offgas as a driving source is known. For example,
ところで、燃料電池システムは、その稼働状況によっては、少量のカソードオフガスしか得られない場合がある。少量のカソードオフガスしか得られない場合に、回生器にカソードオフガスを供給しても回生の効果を得られないことが想定される。特許文献1では、少量のカソードオフガスしか得られない状況における回生器の駆動については考慮されておらず、回生効率が低い状態で回生器を駆動せざるを得ない場合があった。
By the way, a fuel cell system may be able to obtain a small amount of cathode offgas depending on its operating condition. When only a small amount of cathode offgas can be obtained, it is assumed that the effect of regeneration cannot be obtained even if the cathode offgas is supplied to the regenerator. In
そこで、本明細書開示の燃料電池システムは、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システムにおける回生効率を向上することを課題とする。 Therefore, it is an object of the fuel cell system disclosed in the present specification to efficiently utilize the energy of cathode offgas to improve the regeneration efficiency in the fuel cell system.
本明細書に開示された燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ圧縮器が配置された複数のカソードガス供給流路と、前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ前記圧縮器と共通する駆動シャフト上に設けられた回生器が配置されると共に、前記回生器へのカソードオフガスの流入を停止する封止弁が設けられた複数のカソードオフガス流路と、前記複数のカソードオフガス流路を前記回生器の上流側で接続する連通流路と、前記連通流路に設けられ、前記連通流路におけるカソードオフガスの流通状態を切り替える切替弁と、前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つの燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスの流量が予め定められた閾値よりも少ない場合に、前記切替弁を開弁すると共に、前記封止弁毎に開閉状態を制御して、少なくとも一つの前記回生器を停止させ、前記停止させた回生器以外の回生器へ前記複数の燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスを供給する制御部と、を備える。 The fuel cell system disclosed in the present specification is a fuel cell system including a plurality of fuel cell stacks, and a plurality of cathode gas supplies provided for each of the plurality of fuel cell stacks and each having a compressor arranged therein. A flow path and a regenerator provided for each of the plurality of fuel cell stacks, each of which is provided on a drive shaft common to the compressor, are arranged, and a seal for stopping the inflow of cathode offgas into the regenerator is arranged. A plurality of cathode offgas passages provided with stop valves, a communication passage connecting the plurality of cathode offgas passages on the upstream side of the regenerator, and a cathode in the communication passage provided in the communication passage. A switching valve for switching the off-gas flow state, and a flow rate of cathode off-gas discharged from at least one fuel cell stack of the plurality of fuel cell stacks. When it is less than a predetermined threshold value, the switching valve is opened, and the opening / closing state is controlled for each of the sealing valves to stop at least one regenerator, except for the stopped regenerator. And a controller that supplies the cathode offgas discharged from the plurality of fuel cell stacks to the regenerator.
本明細書開示の燃料電池システムによれば、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システムにおける回生効率を向上することができる。 According to the fuel cell system disclosed in the present specification, the energy of the cathode off gas can be efficiently used, and the regeneration efficiency in the fuel cell system can be improved.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, in the drawings, the dimensions, ratios, etc. of the respective parts may not be shown to be completely the same as the actual ones. In addition, details may be omitted in some drawings.
(第1実施形態)
A.燃料電池システムの全体構成
図1を参照すると、燃料電池システム1は、第1燃料電池系統100、第2燃料電池系統200及び制御部としてのECU(Electronic Control Unit)2を備える。
(First embodiment)
A. 1. Overall Configuration of Fuel Cell System Referring to FIG. 1, a
第1燃料電池系統100は、第1燃料電池スタック101を備える。第1燃料電池スタック101は、燃料電池セルを積層して形成されている。各燃料電池セルは、膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備えた膜電極接合体を有する。アノード極及びカソード極は一方ではDC/DCコンバータ及びインバータを介して、例えば、車両駆動用の電気モータに電気的に接続され、他方ではDC/DCコンバータを介して蓄電器に電気的に接続される。なお、図1において、膜電極接合体、DC/DCコンバータ、インバータ及び蓄電池等の図示は省略されている。
The first
第1燃料電池スタック101内には、アノード極にアノードガスを供給するアノードガス流路110と、カソード極にカソードガスを供給するカソードガス流路120と、第1燃料電池スタック101内に冷却水を供給するための冷却水流路130が形成されている。また、第1燃料電池スタック101には、第1燃料電池スタック101の電流値Iを測定する電流計140が接続されている。
In the first
アノードガス流路110の入口には、アノードガス供給流路111の一端が接続されている。アノードガス供給流路111の他端には、アノードガスである水素が貯留された水素タンク112が接続されている。アノードガス供給流路には、アノードガス流路110へ供給するアノードガス流量を調整するレギュレータ113が配置されている。アノードガス流路110の出口には、アノードガス流路110から排出されるアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路114が接続されている。
One end of the anode
カソードガス流路120の入口には、カソードガス供給流路121の一端が接続されている。カソードガス供給流路121の他端は、大気開放されており、カソードガス流路120に大気を取り込む。カソードガス供給流路121には、第1圧縮器122aが配置されている。第1圧縮器122aは、駆動シャフト122cを介して第1モータ122bによって駆動され、カソードガスをカソードガス流路へ圧送する。カソードガス流路120の出口には、カソードガス流路120から排出されるカソードオフガスが流れるカソードオフガス流路124が接続されている。カソードオフガス流路124には、第1回生器122dが配置されている。第1回生器122dは、タービンであり、第1圧縮器122aを駆動する駆動シャフト122c上に設けられている。これにより、第1圧縮器122aは、第1モータ122bと第1回生器122dの一方又は両方によって駆動される。第1回生器122dは、第1圧縮器122aの回転を補助する補助動力となる。カソードオフガス流路124の第1回生器122dの下流側には、第1封止弁125が設けられている。第1封止弁125を閉弁することで、第1回生器122dへのカソードオフガスの流入を止め、第1回生器122dを停止することができる。第1回生器122dには、その回転数を計測する回転数計123が設けられている。
One end of a cathode
冷却水流路130の入口には、冷却水供給流路131の一端が接続されている。冷却水供給流路131の他端は、第1冷却水チラー132に接続されている。冷却水流路130の出口には、冷却水排水流路133の一端が接続されている。冷却水排水流路133の他端は、第1冷却水チラー132に接続されている。冷却水は、冷却水流路130と第1冷却水チラー132との間を循環し、第1燃料電池スタック101を冷却する。
One end of a cooling
第2燃料電池系統200は、第1燃料電池系統100と同様の構成を有する。すなわち、第2燃料電池系統200は、第2燃料電池スタック201、アノードガス流路210、アノードガス供給流路211、水素タンク212、レギュレータ213、アノードオフガス流路214を備える。また、第2燃料電池系統200は、カソードガス流路220、カソードガス供給流路221、第2圧縮器222a、第2モータ222b、駆動シャフト222c、第2回生器222d、回転数計223、カソードオフガス流路224、第2封止弁225を備える。さらに、第2燃料電池系統200は、冷却水流路230、冷却水供給流路231、第2冷却水チラー232、冷却水排水流路233を備える。また、第2燃料電池スタック201には、第2燃料電池スタック201の電流値Iを測定する電流計240が接続されている。これらの構成要素は、第1燃料電池系統100において対応する構成要素と共通するので、その詳細な説明は省略する。
The second
このように、燃料電池システム1は、第1燃料電池系統100と第2燃料電池系統200を備えることで、複数の燃料電池スタック101,201、複数のカソードガス供給流路121,221、複数のカソードオフガス流路124,224を備える。燃料電池システム1は、第1燃料電池系統100に属するカソードオフガス流路124と第2燃料電池系統200に属するカソードオフガス流路224を接続する連通流路10を備えている。連通流路10は、カソードオフガス流路124の第1回生器122dの上流側と第2回生器222dの上流側とを接続している。連通流路10には、連通流路10におけるカソードオフガスの流通状態を切り替える切替弁11が設けられている。切替弁11が開弁されると、カソードオフガス流路124,224間でカソードオフガスの流通が可能となり、切替弁11が閉弁されると、カソードオフガス流路124,224間でカソードオフガスの流通が遮断される。
As described above, the
ECU2は、ハードウェア構成として、例えば、CPU(Central Processing Unit)を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等を有する記憶装置等からなるマイクロコンピュータを主に備える。ECU4は、機能的に、出力制御部3、カソードガス消費量算出部4、カソードオフガス流量算出部5、回生器作動制御部6、第1圧縮器コントロール部7及び第2圧縮器コントロール部8を有している。
The
出力制御部3は、アクセル開度センサ9、レギュレータ113,213と電気的に接続されている。出力制御部3は、第1圧縮器コントロール部7を介して第1圧縮器122aと電気的に接続され、また、第2圧縮器コントロール部8を介して第2圧縮器222aと電気的に接続されている。出力制御部3は、アクセル開度センサ9の信号に基づいて、燃料電池スタック101,201に対する要求出力を算出する。そして、出力制御部3は、算出した要求出力に基づいて第1燃料電池スタック101及び第2燃料電池スタック201に必要なアノードガス供給量が得られるようにレギュレータ113,213に制御信号を出力する。出力制御部3は、また、第1圧縮器コントロール部7と第2圧縮器コントロール部8に対し、要求出力に基づき第1燃料電池スタック101及び第2燃料電池スタック201に必要なカソードガス供給量Fin1,2が得られるように制御信号を出力する。第1圧縮器コントロール部7は、第1燃料電池スタック101に必要なカソードガス供給量Fin1が得られるように第1モータ122bの回転数を制御する。同様に、第2圧縮器コントロール部8は、第2燃料電池スタック201に必要なカソードガス供給量Fin2が得られるように第2モータ222bの回転数を制御する。
The
カソードガス消費量算出部4は、第1燃料電池スタック101におけるカソードガス消費量Fcon1と、第2燃料電池スタック201におけるカソードガス消費量Fcon2を算出する。カソードガス消費量Fcon1は第1燃料電池スタック101における実際の電流値Iを用い、例えば、下記の式1によって算出される。
式1 Fcon1=(n×I×22.4×60)/(4×96500×0.21)
ここで、定数「n」は、第1燃料電池スタック101が有する燃料電池セルの枚数、定数「22.4」は、エア量(モル)を体積(リットル)に換算するための係数、定数「60」は、分を秒に換算するための係数、定数「96500」はファラデー定数、定数「0.21」は空気中の酸素含有率である。電流値Iは、電流計140によって測定された値が用いられる。カソードガス消費量Fcon2も同様に算出することができる。
The cathode gas consumption
Here, the constant “n” is the number of fuel cells included in the first
カソードオフガス流量算出部5は、第1燃料電池スタック101から排出されるカソードオフガス流量Foff1と、第2燃料電池スタック201から排出されるカソードオフガス流量Foff2を算出する。カソードオフガス流量Foff1は、第1燃料電池スタック101に供給されたカソードガス供給量Fin1から第1燃料電池スタック101におけるカソードガス消費量Fcon1を差し引くことで算出される。カソードオフガス流量Foff2は、第2燃料電池スタック201に供給されたカソードガス供給量Fin2から第2燃料電池スタック201におけるカソードガス消費量Fcon2を差し引くことで算出される。
The cathode offgas flow
回生器作動制御部6は、回転数計123,223、第1封止弁125、第2封止弁225及び切替弁11と電気的に接続されている。回生器作動制御部6は、カソードオフガス流量算出部5によって算出されたカソードオフガス流量Foff1,Foff2に基づいて、第1回生器122dと第2回生器222dのいずれか一方を作動させるのか、両方を作動させるのかを判断する。そして、その判断結果に基づいて、第1封止弁125、第2封止弁225及び切替弁11をどのような状態とするのかを決定する。回転数計123,223の計測結果は、作動させる回生器を選定する際に考慮される。これらの制御の詳しい内容については、後に説明する。
The regenerator
ここで、図2及び図3を参照して、第1回生器122d及び第2回生器222dの特性について説明する。図2を参照すると、第1回生器122dは、カソードオフガス流量Foff1が増えるほど、回生効率が高くなる。すなわち、カソードオフガス流量Foff1が増えるほど、第1圧縮器122aの補助動力としての効率が向上する。しかしながら、例えば、図2におけるFoff1aのように、カソードオフガス流量Foff1が閾値Fevenよりも少ない場合、第1回生器122dの回生効率は、0%よりも低くなる。このため、第1回生器122dは、例えば、図2におけるFoff1bのように、カソードオフガス流量Foff1が閾値Fevenよりも多くなる領域で作動させることが望ましい。閾値Fevenは、第1回生器122dの回生効率がプラスとなる領域とマイナスとなる領域との分岐点となるカソードオフガス流量Foff1の値である。閾値Fevenは、回生器の仕様に基づいて定まる値である。
Here, the characteristics of the
なお、第2回生器222dは、第1回生器122dと同一物であり、同一の特性を有している。このため、例えば、図2におけるFoff2aのように、カソードオフガス流量Foff2が閾値Fevenよりも少ない場合、第2回生器222dの回生効率は、0%よりも低くなる。このため、第2回生器222dは、例えば、図2におけるFoff2bのように、カソードオフガス流量Foff2が閾値Fevenよりも多くなる領域で作動させることが望ましい。
The
そこで、本実施形態の燃料電池システム1は、図3に示すように、カソードオフガス流量Foff1とカソードオフガス流量Foff2を合流させ、いずれか一方の回生器を駆動し、他方の回生器を停止させる。例えば、燃料電池システム1は、カソードオフガス流量Foff1とカソードオフガス流量Foff2を合流させて第1回生器122dへ供給することで、第1回生器122dを駆動し、第2回生器222dを停止させる。これにより、第1回生器122dをカソードオフガス流量が閾値Fevenよりも多い領域で作動させることができ、回生効率を向上させることができる。なお、作動させる回生器は、第2回生器222dであってもよい。燃料電池システム1は、回生器の回生効率を高めるためにいずれの回生器を選択してもよいが、回生器のメンテナンス時期や交換時期を考慮して作動させる回生器を選定することが望ましい。作動させる回生器の選定については、後に説明する。
Therefore, in the
B.回生器作動制御
つぎに、図4及び図5を参照して、燃料電池システム1において行われる回生器作動制御の一例について説明する。回生器作動制御は、回生器作動制御部6によって行われる。図4を参照すると、回生器作動制御部6は、ステップS1において、第1燃料電池スタック101から排出されたカソードオフガス流量Foff1を取得する。カソードオフガス流量Foff1は、図5に示すフローチャートに基づいて算出される。ステップS21では、カソードガス供給量Fin1が算出される。カソードガス供給量Fin1は、出力制御部3が算出した要求出力に基づいて算出される。ステップS22では、カソードオフガス流量算出部5によってカソードガス消費量Fcon1が算出される。カソードガス消費量Fcon1は、例えば、上述の式1によって算出される。ステップS23では、カソードオフガス流量算出部5によってカソードオフガス流量Foff1が算出される。カソードオフガス流量Foff1は、カソードガス供給量Fin1からカソードガス消費量Fcon1を差し引くことで算出される。回生器作動制御部6は、算出されたカソードオフガス流量Foff1を取得する。
B. Regenerator Operation Control Next, an example of the regenerator operation control performed in the
再び図4に戻って、ステップS2では、回生器作動制御部6は、ステップS1で取得したカソードオフガス流量Foff1が予め定められた閾値Fevenよりも少ないか否かを判断する。ステップS2でNOと判断したときは、ステップS3へ進む。
Returning to FIG. 4 again, in step S2, the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS3において、第2燃料電池スタック201から排出されたカソードオフガス流量Foff2を取得する。カソードオフガス流量Foff2は、ステップS1におけるカソードオフガス流量Foff1と同様に取得される。ステップS3に引き続いて行われるステップS4では、回生器作動制御部6は、ステップS3で取得したカソードオフガス流量Foff2が予め定められた閾値Fevenよりも少ないか否かを判断する。
In step S3, the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS4でYESと判断したときは、ステップS5を実行する。なお、回生器作動制御部6は、ステップS2でYESと判定した場合にもステップS5を実行する。すなわち、第1燃料電池スタック101のカソードオフガス流量Foff1と第2燃料電池スタック201のカソードオフガス流量Foff2の少なくともいずれか一方が閾値Fevenよりも少ない場合には、ステップS5を実行する。
When the regenerator
ステップS5では、回生器作動制御部6は、カソードオフガス流量Foff1とカソードオフガス流量Foff2とを合算した値が閾値Feven以上であるか否かを判断する。ステップS5でYESと判断したときは、ステップS6へ進む。ステップS6では、回生器作動制御部6は、切替弁11を開弁する。これにより、連通流路10を通じて第1燃料電池系統100のカソードオフガス流路124と第2燃料電池系統200のカソードオフガス流路224とが連通状態とされる。
In step S5, the regenerator
ステップS6に引き続いて行われるステップS7では、回生器作動制御部6は、第1回生器122dの総回転数であるNturb1が、第2回生器222dの総回転数であるNturb2よりも多いか否かを判断する。ここで総回転数とは、第1回生器122dや第2回生器222dが新品の状態やオーバーホールされた状態からの積算された回転数である。積算された回転数は、回転数計123,223によって計測されている。ステップS7でNturb1とNturb2を比較しているのは、作動させる回生器を選定するためである。その際、使用頻度が低い回生器を選定し、使用頻度が低い回生器を優先的に稼働させることで第1回生器122dと第2回生器222dの使用頻度を近づけることができる。第1回生器122dと第2回生器222dの使用頻度を近づけ、平準化することで、第1回生器122dと第2回生器222dのメンテナンス時期や交換時期を一致させることができる。
In step S7 that is performed subsequent to step S6, the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS7でYESと判断したときは、ステップS8へ進み、第1封止弁125を閉弁する。ステップS7でYESと判断したときは、第1回生器122dの使用頻度が高い場合であるので、第1回生器122dを停止させるために第1封止弁125を閉弁する。これにより、第1燃料電池スタック101から排出されたカソードオフガス流量が連通流路10を通じて第2回生器222dへ流れ込む。この結果、第2回生器222dは、図3で示すように閾値Fevenよりも多いFoff1+Foff2で駆動され、回生効率が向上する。また、この際、使用頻度が高い第1回生器122dを停止させた状態で第2回生器222dを作動させるため、両者の使用頻度を平準化することができる。
If the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS8に引き続いて行われるステップS9において、それまでのNturb2の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第2回生器222dの回転数を加算し、加算された値を新たなNturb2として記録を更新する。ステップS9の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップS1からの処理を繰り返す。
The regenerator
一方、回生器作動制御部6は、ステップS7でNOと判断したときは、ステップS10へ進み、第2封止弁225を閉弁する。ステップS7でNOと判断したときは、第2回生器222dの使用頻度が高い場合であるので、第2回生器222dを停止させるために第2封止弁225を閉弁する。これにより、第2燃料電池スタック201から排出されたカソードオフガス流量が連通流路10を通じて第1回生器122dへ流れ込む。この結果、第1回生器122dは、図3で示すように閾値Fevenよりも多いFoff1+Foff2で駆動され、回生効率が向上する。また、第2回生器222dを停止させた状態で第1回生器122dを作動させるため、両者の使用頻度を平準化することができる。
On the other hand, when the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS10に引き続いて行われるステップS11において、それまでのNturb1の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第1回生器122dの回転数を加算し、加算された値を新たなNturb1として記録を更新する。ステップS11の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップS1からの処理を繰り返す。
In step S11, which is performed subsequent to step S10, the regenerator
つぎに、回生器作動制御部6がステップS4でNOと判断し、ステップS12へ進んだ場合について説明する。ステップS4でNOと判断された場合は、カソードオフガス流量Foff1とカソードオフガス流量Foff2のいずれもが閾値Fevenよりも多い場合である。この場合、第1回生器122dはFoff1のみによる駆動であっても、回生効率が0%よりも高い側で作動することができ、同様に、第2回生器222dはFoff2のみによる駆動であっても、回生効率が0%よりも高い側で作動することができる。このため、回生器作動制御部6は、ステップS12において、切替弁11を閉弁し、第1封止弁125と第2封止弁225をそれぞれ開弁する。これにより、第1回生器122dと第2回生器222dがそれぞれ作動する。
Next, the case where the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS12に引き続いて行われるステップS13において、それまでのNturb1の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第1回生器122dの回転数を加算し、加算された値を新たなNturb1として記録を更新する。また、回生器作動制御部6は、それまでのNturb2の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第2回生器222dの回転数を加算し、加算された値を新たなNturb2として記録を更新する。ステップS13の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップS1からの処理を繰り返す。
The regenerator
このように、本実施形態の燃料電池システム1は、第1燃料電池スタック101から排出されたカソードオフガス流量と第2燃料電池スタック201から排出されたカソードオフガス流量を合算して用いることができる。この結果、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システム1における回生効率を向上することができる。
As described above, the
なお、本実施形態では、回生器作動制御部6は、ステップS5でNOと判断した場合、すなわち、Foff1とFoff2を合算してもFevenをよりも少ない場合にもステップS12及びステップS13を行う。ステップS5を経由してステップS12を行う場合、第1回生器122dと第2回生器222dは、いずれも閾値Fevenよりも少ないカソードオフガス流量で駆動される。このように、ステップS5でNOと判断される場合には、第1回生器122dと第2回生器222dの双方が依然として少ないカソードオフガス流量で駆動された状態となっている。このような状態を改善する態様については、以下の第2実施形態において説明する。
In the present embodiment, the regenerator
(第2実施形態)
つぎに、図6を参照しつつ、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態の燃料電池システム1とハード構成は共通しており、回生器作動制御の一部が異なっている。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The second embodiment has the same hardware configuration as the
図6に示したフローチャートを図4に示したフローチャートと比較すると、図6に示したフローチャートでは、ステップS5が削除され、制御が簡略化されている。ステップS5の削除により、第2実施形態では、ステップS2又はステップS4でYESと判断された場合には、Foff1+Foff2が閾値Fevenよりも多いか少ないかに拘わらず、ステップS6〜ステップS11が行われる。 When the flowchart shown in FIG. 6 is compared with the flowchart shown in FIG. 4, step S5 is deleted in the flowchart shown in FIG. 6 and control is simplified. By deleting step S5, in the second embodiment, when YES is determined in step S2 or step S4, steps S6 to S11 are performed regardless of whether Foff1 + Foff2 is larger or smaller than the threshold Feven.
このため、第1実施形態のステップS5において、回生器作動制御部6がNOと判断したときのように、Foff1+Foff2が閾値Fevenよりも少ない場合も想定されるが、この場合であっても、選定された一つの回生器を駆動するカソードオフガス流量は増える。この結果、選定された一つの回生器をより回生効率が高い領域で作動させることができるようになる。
Therefore, in step S5 of the first embodiment, it may be assumed that Foff1 + Foff2 is smaller than the threshold Feven as in the case where the regenerator
(第3実施形態)
つぎに、図7から図9を参照して、第3実施形態の燃料電池システム51について説明する。第3実施形態の燃料電池システム51は、第1実施形態の燃料電池システム1の構成に加えて、第3燃料電池系統300を備えている。第3燃料電池系統300は、第1燃料電池系統100や第2燃料電池系統200と同様の構成を有する。すなわち、第3燃料電池系統300は、第3燃料電池スタック301、アノードガス流路310、アノードガス供給流路311、水素タンク312、レギュレータ313、アノードオフガス流路314を備える。また、第3燃料電池系統300は、カソードガス流路320、カソードガス供給流路321、第3圧縮器322a、第3モータ322b、駆動シャフト322c、第3回生器322d、回転数計323、カソードオフガス流路324、第3封止弁325を備える。さらに、第3燃料電池系統300は、冷却水流路330、冷却水供給流路331、第3冷却水チラー332、冷却水排水流路333を備える。また、第3燃料電池スタック301には、第3燃料電池スタック301の電流値Iを測定する電流計340が接続されている。また、これに伴って、ECU2内に第3圧縮器コントロール部52が設けられている。これらの構成要素は、第1燃料電池系統100、第2燃料電池系統200において対応する構成要素と共通するので、その詳細な説明は省略する。
(Third Embodiment)
Next, the
燃料電池システム51は、燃料電池システム1と同様に連通流路10を備える。但し、燃料電池システム51の連通流路10は、第1燃料電池系統100のカソードオフガス流路124、第2燃料電池系統200のカソードオフガス流路224、第3燃料電池系統300のカソードオフガス流路324を接続している。連通流路10には、カソードオフガス流路124とカソードオフガス流路224との間に切替弁11が設けられ、カソードオフガス流路224とカソードオフガス流路324との間に切替弁53が設けられている。切替弁53は、切替弁11と同様に回生器作動制御部6に電気的に接続されている。
Like the
図8を参照すると、ステップS1からステップS4は、第1実施形態と共通するので詳細な説明は省略する。回生器作動制御部6は、ステップS4でNOと判断したとき、ステップS31へ進む。
Referring to FIG. 8, steps S1 to S4 are common to the first embodiment, and thus detailed description thereof will be omitted. When the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS31において、第3燃料電池スタック301から排出されたカソードオフガス流量Foff3を取得する。カソードオフガス流量Foff3は、ステップS1におけるカソードオフガス流量Foff1と同様に取得される。ステップS31に引き続いて行われるステップS32では、回生器作動制御部6は、ステップS31で取得したカソードオフガス流量Foff3が予め定められた閾値Fevenよりも少ないか否かを判断する。
The regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS32でYESと判断したときは、ステップS33を実行する。なお、回生器作動制御部6は、ステップS2やステップS4でYESと判定した場合にもステップS33を実行する。すなわち、カソードオフガス流量Foff1、カソードオフガス流量Foff2及びカソードオフガス流量Foff3の少なくともいずれか一つが閾値Fevenよりも少ない場合には、ステップS33を実行する。
If the regenerator
ステップS33では、回生器作動制御部6は、Foff1、Foff2、Foff3を合算した値が閾値Feven以上であるか否かを判断する。ステップS33でYESと判断したときは、ステップS34へ進む。ステップS34では、回生器作動制御部6は、切替弁11及び切替弁53を開弁する。これにより、連通流路10を通じて第1燃料電池系統100のカソードオフガス流路124と、第2燃料電池系統200のカソードオフガス流路224と、第3燃料電池系統300のカソードオフガス流路324が連通状態とされる。
In step S33, the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS34に引き続いて行われるステップS35を行う。ステップS35では、回生器作動制御部6は、第1回生器122dの総回転数であるNturb1、第2回生器222dの総回転数であるNturb2、第3回生器322dの総回転数であるNturb3の大小関係を判定する。これにより、総回転数が最も少ない回生器を選定する。なお、Nturb3は、Nturb1やNturb2と同様に、第3回生器322dの総回転数であり、第3回生器322dが新品の状態やオーバーホールされた状態からの積算された回転数である。積算される回転数は、回転数計323によって計測されている。このように使用頻度が低い圧縮器を選定し、使用頻度が低い圧縮器を優先的に稼働させることで3つの圧縮器の使用頻度を近づけることができる。
The regenerator
燃料電池システム51は、回生器の回生効率を高めるためにいずれの回生器を選択してもよい。しかしながら、好ましくは、このように3つの圧縮器の使用頻度を近づけ、平準化することで、第1圧縮器122a、第2圧縮器222a及び第3圧縮器322aのメンテナンス時期や交換時期を一致させることが望ましい。
The
回生器作動制御部6は、ステップS35に引き続いて行うステップS36において、選定された回生器が属する系統以外の系統に属する封止弁を閉弁する。例えば、ステップS35で第1回生器122dが選定された場合、第1封止弁125は開弁され、第2燃料電池系統200に属する第2封止弁225と第3燃料電池系統300に属する第3封止弁325が閉弁される。選定された回生器に第1燃料電池スタック101、第2燃料電池スタック201及び第3燃料電池スタック301から排出されたカソードオフガス流量が流れ込む。この結果、選定された回生器は、図9で示すように閾値Fevenよりも多いFoff1+Foff2+Foff3で駆動され、回生効率が向上する。
In step S36 subsequent to step S35, the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS36に引き続いて行われるステップS37において、選択された回生器のそれまでのNturbの値に今回の回生器作動制御によって駆動された回生器の回転数を加算し、加算された値を新たなNturbとして記録を更新する。ステップS37の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップS1からの処理を繰り返す。
In step S37, which is performed subsequent to step S36, the regenerator
つぎに、回生器作動制御部6がステップS32でNOと判断し、ステップS38へ進んだ場合について説明する。ステップS32でNOと判断された場合は、カソードオフガス流量Foff1、カソードオフガス流量Foff2及びカソードオフガス流量Foff3のいずれもが閾値Fevenよりも多い場合である。この場合、第1回生器122dはFoff1のみによる駆動であっても、回生効率が0%よりも高い側で作動することができ、同様に、第2回生器222dはFoff2のみによる駆動であっても、回生効率が0%よりも高い側で作動することができる。また、第3回生器322dはFoff3のみによる駆動であっても、回生効率が0%よりも高い側で作動することができる。このため、回生器作動制御部6は、ステップS38において、切替弁11,53を閉弁し、第1封止弁125、第2封止弁225及び第3封止弁325をそれぞれ開弁する。これにより、第1回生器122d、第2回生器222d及び第3回生器322dがそれぞれ作動する。
Next, the case where the regenerator
回生器作動制御部6は、ステップS38に引き続いて行われるステップS39において、それまでのNturb1の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第1回生器122dの回転数を加算し、加算された値を新たなNturb1として記録を更新する。また、回生器作動制御部6は、それまでのNturb2の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第2回生器222dの回転数を加算し、加算された値を新たなNturb2として記録を更新する。さらに、回生器作動制御部6は、それまでのNturb3の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第3回生器322dの回転数を加算し、加算された値を新たなNturb3として記録を更新する。ステップS39の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップS1からの処理を繰り返す。
In step S39, which is performed subsequent to step S38, the regenerator
なお、3つの燃料電池系統を備えた場合であっても、第2実施形態のように、ステップS33を削除し、制御を簡略化してもよい。 Even when three fuel cell systems are provided, step S33 may be deleted and control may be simplified as in the second embodiment.
第3実施形態であっても、第1実施形態や第2実施形態と同様に、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システム1における回生効率を向上することができる。
Even in the third embodiment, as in the first and second embodiments, the energy of the cathode offgas can be efficiently used and the regeneration efficiency in the
なお、このように、3つの燃料電池系統を備えた場合であっても、実施形態1や実施形態2と同様の制御を行うことができる。燃料電池系統の数は、これらに限定されず、4つ以上であってもよい。 Even if the three fuel cell systems are provided in this way, the same control as in the first and second embodiments can be performed. The number of fuel cell systems is not limited to these, and may be four or more.
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。 The above embodiments are merely examples for carrying out the present invention, the present invention is not limited thereto, and various modifications of these examples are within the scope of the present invention. It is obvious from the above description that various other embodiments are possible within the scope.
1、51 燃料電池システム
2 ECU
3 出力制御部
10 連通流路
11 切替弁
101 第1燃料電池スタック
122a 第1圧縮器
122d 第1回生器
124 カソードオフガス流路
125 第1封止弁
200 第2燃料電池系統
201 第2燃料電池スタック
222a 第2圧縮器
222d 第2回生器
224 カソードオフガス流路
225 第2封止弁
300 第3燃料電池系統
301 第3燃料電池スタック
322a 第3圧縮器
322d 第3回生器
324 カソードオフガス流路
325 第3封止弁
1,51
3
Claims (1)
前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ圧縮器が配置された複数のカソードガス供給流路と、
前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ前記圧縮器と共通する駆動シャフト上に設けられた回生器が配置されると共に、前記回生器へのカソードオフガスの流入を停止する封止弁が設けられた複数のカソードオフガス流路と、
前記複数のカソードオフガス流路を前記回生器の上流側で接続する連通流路と、
前記連通流路に設けられ、前記連通流路におけるカソードオフガスの流通状態を切り替える切替弁と、
前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つの燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスの流量が予め定められた閾値よりも少ない場合に、前記切替弁を開弁すると共に、前記封止弁毎に開閉状態を制御して、少なくとも一つの前記回生器を停止させ、前記停止させた回生器以外の回生器へ前記複数の燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスを供給する制御部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a plurality of fuel cell stacks,
A plurality of cathode gas supply channels provided for each of the plurality of fuel cell stacks, each having a compressor disposed therein,
A regenerator, which is provided for each of the plurality of fuel cell stacks, is provided on a drive shaft common to the compressor, and a sealing valve that stops the flow of cathode offgas into the regenerator is provided. A plurality of cathode off-gas passages,
A communication flow path connecting the plurality of cathode off-gas flow paths on the upstream side of the regenerator,
A switching valve that is provided in the communication channel and switches the flow state of the cathode offgas in the communication channel,
When the flow rate of the cathode offgas discharged from at least one fuel cell stack of the plurality of fuel cell stacks is less than a predetermined threshold value, the switching valve is opened and the sealing valve is opened / closed. A control unit that controls at least one of the regenerators and supplies cathode offgas discharged from the plurality of fuel cell stacks to the regenerators other than the stopped regenerator,
Fuel cell system equipped with.
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