JP2020095903A - 流体濃度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】流体充填系の濃度を適切に推定可能な流体濃度検出装置を提供する。【解決手段】流体濃度検出装置51は、燃料電池システム1における流体中の水素濃度CH2を検出するものであって、第1圧力センサ551と、第2圧力センサ561と、制御部60と、を備える。第1圧力センサ551は、燃料電池10の燃料入口151側における第1流体圧力P1を検出する。第2圧力センサ561は、燃料電池10の燃料出口152側における第2流体圧力P2を検出する。制御部60は、第1流体圧力P1および第2流体圧力P2に基づき、燃料電池10における水素の濃度を演算する濃度演算部61を有する。これにより、燃料電池10における水素濃度CH2を適切に検出することができる。【選択図】 図1
Description
本発明は、流体濃度検出装置に関する。
従来、燃料電池システムの循環系を流れる流体に含まれる各成分の濃度を検出する流体密度検出装置が知られている。例えば特許文献1では、パージラインに設けられたパージ弁の開閉により生じる流体の圧力変動に基づいて流体の密度を算出する。
特許文献1では、燃料電池スタック(以下、「FCスタック」とする。)の下流側の流体密度はわかる。しかしながら、FCスタック内には濃度分布があり、特許文献1の技術では、FCスタック内の濃度を推定することは困難である。本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、流体充填系における検出対象要素の濃度を適切に検出可能な流体濃度検出装置を提供することにある。
本発明の流体濃度検出装置は、流体システム(1〜3)における流体中の検出対象要素の濃度を検出するものである。流体システムは、流体充填系(10)と、供給流路(32、36)と、排出流路(41)と、を備える。流体充填系は、流体中の検出対象濃度が変化しうる系である。供給流路は、流体充填系に流体を供給する。排出流路は、流体充填系から流体が排出される。
流体濃度検出装置は、入口側物性検出部(551、552)と、出口側物性検出部(561〜565)と、制御部(60)と、を備える。入口側物性検出部は、流体充填系の流体入口(151)側における流体の物性値である入口側物性値を検出する。出口側物性検出部は、流体充填系の流体出口(152)側における流体の物性値である出口側物性値を検出する。
制御部は、入口側物性値および出口側物性値に基づき、流体充填系における検出対象要素の濃度を演算する。これにより、流体充填系の検出対象要素の濃度を適切に検出することができる。
(第1実施形態)
以下、本発明による流体濃度検出装置を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
以下、本発明による流体濃度検出装置を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第1実施形態による流体濃度検出装置を図1〜図6に示す。図1に示すように、本実施形態の流体濃度検出装置51は、図示しない車両に搭載される燃料電池システム1に適用される。燃料電池システム1は、燃料電池10、空気供給部20、燃料供給部30、および、流体濃度検出装置51等を備える。
燃料電池10は、例えば固体高分子電解質型のものであって、基本単位となる複数のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、電解質膜11、電解質膜11の一方の面に配置されるカソード12、および、電解質膜11の他方の面に配置されるアノード13を有する膜電極接合体(MEA)を含む。燃料電池10は、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである空気中の酸素の化学反応により、電気エネルギを発生させる。本実施形態では、燃料電池10にて発生した電気エネルギは、車両の走行用モータの駆動等に用いられる。燃料電池10には、空気供給部20を経由して空気が供給され、燃料供給部30を経由して水素が供給される。水素および酸素は、反応ガスと称される。また、化学反応を終えたオフガスは、燃料電池10から排出される。
空気供給部20は、空気供給流路21および酸素オフガス排出流路27を有する。空気供給流路21は、一端が外部に開放されており、他端が燃料電池10のカソード流路14に接続される。空気供給流路21には、コンプレッサ22、供給バルブ23、エアフロメータ24、および、空気供給流路側圧力センサ25が設けられる。コンプレッサ22は、図示しないエアフィルタを介して取り込まれた空気を圧縮して燃料電池10のカソード12に供給する。供給バルブ23は、コンプレッサ22から所定値以上の圧力の高圧空気が供給されたときに開くように構成されている。エアフロメータ24は、コンプレッサ22が取り込む空気の量を検出する。空気供給流路側圧力センサ25は、コンプレッサ22と供給バルブ23との間に設けられ、空気供給流路21からカソード12に供給される空気の圧力を検出する。
酸素オフガス排出流路27は、一端が外部に開放されており、他端が燃料電池10のカソード流路14に接続される。酸素オフガス排出流路27は、化学反応を終えた空気である酸素オフガスを外部に排出する。酸素オフガス排出流路27には、排出バルブ28が設けられ、排出バルブ28の開度を調整することで、カソード12の背圧である酸素オフガス排出流路27の圧力が調整される。
燃料供給部30は、燃料タンク31、第1供給流路32、インジェクタ35、第2供給流路36、循環部40、および、パージ流路47を有する。燃料タンク31には、高圧の燃料ガスである水素ガスが貯留される。第1供給流路32は、一端が燃料タンク31に接続され、他端がインジェクタ35に接続され、燃料タンク31中の燃料ガスをインジェクタ35に供給する。第1供給流路32には、シャットバルブ33およびレギュレータ34が設けられる。シャットバルブ33が開弁すると、燃料タンク31中の燃料ガスが第1供給流路32に供給される。レギュレータ34は、第1供給流路32の燃料ガスを調圧する。
インジェクタ35は、第1供給流路32を経由して供給された燃料ガスを第2供給流路36に噴射する。以下適宜、インジェクタ35から燃料ガスが噴射されている状態を「インジェクタオン」、噴射されていない状態を「インジェクタオフ」とする。すなわち、インジェクタ35は「オンオフ弁」と捉えることができる。図中等適宜、インジェクタ「INJ」と記載する。第2供給流路36は、一端がインジェクタ35に接続され、他端が燃料電池10のアノード流路15に接続される。
循環部40は、排出流路41、気液分離部42、および、循環流路43を有する。排出流路41は、一端が燃料電池10のアノード流路15に接続され、他端が気液分離部42に接続され、燃料電池10から排出される未反応の水素を含む燃料オフガスを気液分離部42に導く。気液分離部42は、燃料オフガスを液体と気体に分離する。分離された液体は、主に燃料電池10での化学反応により生じた水であり、パージ弁48を開とすることで、パージ流路47を経由して外部に排出される。気液分離部42にて分離された気体は、循環流路43に供給される。循環流路43は、一端が気液分離部42に接続され、他端が第2供給流路36に接続される。循環流路43と第2供給流路36とは、合流部44にて合流する。循環流路43には循環ポンプ45が設けられ、循環ポンプ45の駆動力により、気液分離部42にて分離された気体が、第2供給流路36に供給される。
流体濃度検出装置51は、第1圧力センサ551、第2圧力センサ561、および、制御部60等を備える。第1圧力センサ551は、アノード流路15の燃料入口151に設けられ、燃料ガスの第1流体圧力P1を検出する。第2圧力センサ561は、アノード流路15の燃料出口152に設けられ、燃料ガスの第2流体圧力P2を検出する。アノード流路15内において、流体中の水素濃度には濃度分布があり、燃料出口152側ほど薄くなる。本実施形態では、第1圧力センサ551は、燃料入口151の圧力を検出すべく、燃料入口151にできるだけ近い位置に設けることが望ましいが、検出圧力が燃料入口151の圧力であると見なせる程度、燃料入口151から離間していてもよい。同様に、第2圧力センサ561は、燃料出口152の圧力を検出すべく、燃料出口152にできるだけ近い位置に設けることが望ましいが、検出圧力が燃料出口152の圧力であると見なせる程度、燃料出口152から離間していてもよい。本実施形態では、第1圧力センサ551と第2圧力センサ561との間の距離をセンサ間距離Lとする。
制御部60は、マイコン等を主体として構成され、内部にはいずれも図示しないCPU、ROM、RAM、I/O、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部60における各処理は、ROM等の実体的なメモリ装置(すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体)に予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
制御部60は、濃度演算部61、および、インジェクタ制御部65等を有する。濃度演算部61は、第1圧力センサ551により検出された第1流体圧力P1、および、第2圧力センサ561により検出された第2流体圧力P2を取得し、第1流体圧力P1および第2流体圧力P2に基づいて、燃料電池10内の水素濃度CH2を演算する。インジェクタ制御部65は、インジェクタ35の駆動を制御する。インジェクタ制御部65を別の制御部に設け、インジェクタ35の駆動信号等の各種情報を取得するように構成してもよい。
図2は、インジェクタ35による燃料噴射を行ったときの流体圧力P1、P2を示しており、共通時間軸を横軸とし、上段にインジェクタ駆動、下段に圧力を示す。また、第1流体圧力P1を実線、第2流体圧力P2を一点鎖線で示す。図3および図4も同様とする。
図2に示すように、時刻t1にて、インジェクタ35から燃料が噴射されると、噴射脈動により、流体圧力P1、P2が変化する。具体的には、時刻t2にて第1流体圧力P1が上昇開始し、時刻t3にて第2流体圧力P2が上昇開始する。濃度演算部61は、第1流体圧力P1の変化開始と第2流体圧力P2の変化開始との時間差Δt、および、センサ間距離Lを用い、式(1)にて、圧力伝播速度vを演算する。また、圧力伝播速度vは、状態方程式より、式(2)のように表すことができる。式中のRは気体定数、Tは温度、γは比熱比、Mは1モルあたりの質量である。
式(1)、(2)より、水素濃度CH2を推定することができる(式(3)参照)。式中のCH2Oは、流体中の水蒸気濃度である。水蒸気濃度CH2Oは、図示しない温度センサの検出値を用い、燃料電池10のスタック温度を露点として推定する。また、露点計の検出値を用いてもよいし、水蒸気濃度CH2Oとして所定値を用いてもよい。式(3)は、流体が水蒸気、窒素、水素の3成分系とみなして水素濃度CH2を演算している。水蒸気濃度CH2Oを露点から推定するとともに、水素H2と窒素N2の分子量差が十分に大きいため、精度よく水素濃度CH2を推定可能である。式中のR、γ、Mが上述の通りであって、γN2が窒素の比熱比、γH2Oが水の比熱比、γH2が水素の比熱比、MN2が窒素1モルあたりの質量、MH2Oが水1モルあたりの質量、MH2が水素1モルあたりの質量を意味する。
図3では、(a)が水素濃度CH2=0%のときの圧力を示し、(b)が水素濃度CH2=100%のときの圧力を示す。図3(a)および図3(b)に示すように、水素濃度CH2が高いほど、時間差Δtが小さくなる。
ここで、第1流体圧力P1の微分値を第1圧力微分値dP1、第2流体圧力P2の微分値を第2圧力微分値dP2とする。図4では、(a)が水素濃度CH2=0%のときの圧力微分値dP1、dP2を示し、(b)が水素濃度CH2=100%のときの圧力微分値dP1、dP2を示す。時間差Δtは、図4(a)および図4(b)に示すように、圧力微分値dP1、dP2を用いて演算してもよい。以下、時間差Δtを圧力微分値dP1、dP2から求めるものとして説明する。
本実施形態の濃度演算処理を図5のフローチャートに基づいて説明する。この処理は制御部60にてインジェクタ35がオンされたとき等に実施される。以下、ステップS101の「ステップ」を省略し、単に記号「S」と記す。他のステップも同様である。
S101では、濃度演算部61は、水蒸気分圧PH2Oを演算する。水蒸気分圧PH2Oは、燃料電池10のスタック温度、または、露点計の検出値に基づいて演算される。なお、水素濃度演算に用いる水蒸気濃度CH2Oを所定値とする場合、当該ステップは省略してもよい。
S102では、濃度演算部61は、流体圧力P1、P2を、圧力センサ551、561からサンプリングする。本実施形態では、圧力センサ551、561の検出値は、AD変換後、ローパスフィルタ等にてフィルタ処理がなされる。濃度演算部61は、フィルタ処理された検出値を用い、圧力微分値dP1、dP2を演算する。
S103では、濃度演算部61は、圧力上昇の時間差Δtを演算する。時間差演算処理を図6のサブフローに基づいて説明する。S131では、制御部60は、第1圧力微分値dP1の最大値を保持するMAXホールド処理を行う。以下、第1圧力微分値dP1の最大値を、第1圧力微分最大値dP1_MAXとする。
S132では、濃度演算部61は、第1圧力微分最大値dP1_MAXの更新が継続されているか否かを判断する。第1圧力微分最大値dP1_MAXの更新が継続されていると判断された場合(S132:YES)、S138へ移行し、計時カウンタのカウント値Nをリセットして本ルーチンを終了し、図5中のS104へ移行する。第1圧力微分最大値dP1_MAXの更新が継続されていないと判断された場合(S132:NO)、S133へ移行し、計時カウンタのカウント値Nをカウントアップする。
S134では、濃度演算部61は、第2圧力微分値dP2の最大値を保持するMAXホールド処理を行う。以下、第2圧力微分値dP2の最大値を、第2圧力微分最大値dP2_MAXとする。
S135では、濃度演算部61は、第2圧力微分最大値dP2_MAXの更新が継続されているか否かを判断する。第2圧力微分最大値dP2_MAXの更新が継続されていると判断された場合(S135:YES)、本ルーチンを終了し、図5中のS104へ移行する。第2圧力微分最大値dP2_MAXの更新が継続されていないと判断された場合(S135:NO)、S136へ移行し、計時カウンタのカウントを停止する。
S137では、濃度演算部61は、インジェクタオンから判定時間t_thが経過したか否かを判断する。判定時間t_thは、ノイズ等による誤検出を防ぐべく、インジェクタ35からの燃料噴射により生じる脈動が圧力センサ551、561に到達するのに要する時間に応じて設定される。インジェクタオンから判定時間t_thが経過していないと判断された場合(S137:NO)、S138へ移行し、計時カウンタのカウント値Nをリセットして本ルーチンを終了し、図5中のS104へ移行する。。インジェクタオンから判定時間t_thが経過したと判断された場合(S137:YES)、S139へ移行し、時間差Δtを演算する。時間差Δtは、計時カウンタのカウント値Nに1カウントの時間を乗じることで、演算される。
図5に戻り、S104では、時間差Δtの演算が完了したか否かを判断する。時間差Δtが演算されていないと判断された場合(S104:NO)、S102に戻る。時間差Δtの演算が完了したと判断された場合(S104:YES)、S105へ移行する。S105では、濃度演算部61は、伝播速度vを演算する(式(1)参照)。S106では、濃度演算部61は、圧力伝播速度vと水蒸気分圧PH2Oより、水素濃度CH2を演算する(式(3)参照)。
参考例として、パージ流路47の圧力センサにて水素濃度を演算する場合、燃料電池10から排出された流体中の水素濃度は推定可能であるが、燃料電池10中の水素濃度CH2を推定することはできない。また、パージ弁48を開閉しないと、水素濃度CH2を演算することができない。また、水素循環系の圧力が低い場合、圧力変動が小さく、精度よく水素濃度CH2を推定することができない。
本実施形態では、インジェクタ35の圧力脈動を利用し、アノード流路15の上流側に設けられる第1圧力センサ551、および、アノード流路15の下流側に設けられる第2圧力センサ561の検出値に基づき、水素濃度CH2を演算する。アノード流路15の上流側の値である第1流体圧力P1および下流側の値である第2流体圧力P2を用いて圧力伝播速度vを演算するので、燃料電池10内の水素濃度CH2を適切に推定することができる。
また、インジェクタ35の上流側である第1供給流路32の圧力は、第2供給流路36の圧力より十分に大きいため、燃料噴射により生じる圧力変動が大きい。これにより、水素濃度CH2を高精度の推定することができる。
インジェクタ35の駆動周波数は、パージ弁48の駆動周波数よりも大きいため、単位時間あたりの計測回数を多くすることができる。また、インジェクタ35は、デューティを固定すれば、駆動周波数を変えても必要水素量を吐出可能であるため、駆動周波数を高くすることで、容易に計測回数を多くすることができる。参考例として水素濃度検出のためにパージ弁48の開弁回数を多くすると、循環により利用可能な水素までを排出してしまい、燃費が悪くなる虞がある。本実施形態では、水素濃度検出に際し、パージ弁の開閉が不要であるので、燃費悪化を防ぐことができる。
以上説明したように、本実施形態の流体濃度検出装置51は、燃料電池システム1における流体中の水素濃度を検出するものである。燃料電池システム1は、流体中の水素濃度が変化しうる系である燃料電池10と、燃料電池10に流体を供給する供給流路32、36と、燃料電池10から流体が排出される排出流路41と、を備える。
流体濃度検出装置51は、第1圧力センサ551と、第2圧力センサ561と、制御部60と、を備える。第1圧力センサ551は、燃料電池10の燃料入口151側における第1流体圧力P1を検出する。第2圧力センサ561は、燃料電池10の燃料出口152側における第2流体圧力P2を検出する。
制御部60は、第1流体圧力P1および第2流体圧力P2に基づき、燃料電池10における水素の濃度を演算する濃度演算部61を有する。本実施形態では、燃料電池10の燃料入口151側、および、燃料出口152側にそれぞれ圧力センサ551、561を設け、2つの圧力センサ551、561の検出値を用いることで、燃料電池10内、詳細にはアノード流路15の水素濃度CH2を適切に検出することができる。
流体濃度検出装置51は、燃料電池10の入口側に供給される燃料の流量を調整する流量調整部を有する。本実施形態の流量調整部は、インジェクタ35である。濃度演算部61は、インジェクタ35の駆動による第1流体圧力P1の変化タイミングと、第2流体圧力P2の変化タイミングとの時間差に基づき、水素濃度CH2を演算する。燃料電池10の入口側は、例えばパージ流路47等と比較して高圧であるので、流量調整部の駆動による圧力変動が大きい。特に、インジェクタ35は、駆動周波数を可変することができ、駆動による圧力変動が比較的大きいため、水素濃度CH2を精度よく検出することができる。
本実施形態では、第1圧力センサ551は、燃料電池10の内部に設けられる。また、第2圧力センサ561は、燃料電池10の内部に設けられる。これにより、燃料電池10内部の水素濃度CH2をより精度よく検出することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態を図7に示す。第2実施形態〜第4実施形態では、圧力センサの位置が上記実施形態と異なる。水素濃度CH2の演算等は上記実施形態と同様であるので、説明を省略する。後述の実施形態についても同様である。
第2実施形態を図7に示す。第2実施形態〜第4実施形態では、圧力センサの位置が上記実施形態と異なる。水素濃度CH2の演算等は上記実施形態と同様であるので、説明を省略する。後述の実施形態についても同様である。
流体濃度検出装置52において、第1圧力センサ552は、第2供給流路36に設けられる。詳細には、第1圧力センサ552は、合流部44と燃料入口151との間に設けられる。第1圧力センサ552は、検出精度の面から、燃料入口151に可及的近い箇所に設けられることが望ましい。
第2圧力センサ562は、排出流路41に設けられる。換言すると、第2圧力センサ562は、燃料出口152と気液分離部42との間に設けられる。第2圧力センサ562は、検出精度の面から、燃料出口152に可及的近い箇所に設けられることが望ましい。
本実施形態の圧力センサ552、562は、燃料電池10に対して外付けされているので、燃料電池10側の構成の変更が不要であり、容易に設置することができ、圧力センサ552、562の設置の自由度が高い。
燃料電池システム1は、循環部40を備える。循環部40は、排出流路41、排出流路41と接続される気液分離部42、および、気液分離部42と第2供給流路36とを接続する循環流路43を有する。第1圧力センサ552は、燃料電池10の外部であって、第2供給流路36と循環流路43とが合流する合流部44と、燃料電池10との間に設けられる。
また、第2圧力センサ562は、燃料電池10の外部であって、燃料電池10と気液分離部42との間に設けられる。圧力センサ552、562を、燃料電池10の外部に設けることで、燃料電池10側の構成の変更が不要であって、設置の自由度が高まる。また、燃料入口151または燃料出口152と略同濃度の箇所の圧力を検出することで、精度よく燃料電池10内の水素濃度CH2を検出することができる。また上記実施形態と同様の効果を奏する。
(第3実施形態)
第3実施形態を図8に示す。流体濃度検出装置53では、第1圧力センサ552は、第2実施形態と同様、合流部44と燃料電池10の燃料入口151との間に設けられる。なお、第1圧力センサ552は、第1実施形態のように、燃料電池10の内部に設けてもよい。後述の実施形態についても同様である。
第3実施形態を図8に示す。流体濃度検出装置53では、第1圧力センサ552は、第2実施形態と同様、合流部44と燃料電池10の燃料入口151との間に設けられる。なお、第1圧力センサ552は、第1実施形態のように、燃料電池10の内部に設けてもよい。後述の実施形態についても同様である。
第2圧力センサ563は、循環流路43に設けられる。詳細には、第2圧力センサ563は、気液分離部42と循環ポンプ45との間に設けられる。本実施形態では、パージ弁48が閉じているときの第2流体圧力P2を用いて水素濃度CH2を演算可能である。
第2圧力センサ563は、気液分離部42と第2供給流路36とを接続する循環流路43に設けられる。これにより、第2圧力センサ563の設置自由度が高まる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(第4実施形態)
第4実施形態を図9に示す。流体濃度検出装置54では、第1圧力センサ552は、第2実施形態と同様、合流部44と燃料電池10の燃料入口151との間に設けられる。第2圧力センサ564は、パージ流路47の気液分離部42とパージ弁48との間に設けられる。
第4実施形態を図9に示す。流体濃度検出装置54では、第1圧力センサ552は、第2実施形態と同様、合流部44と燃料電池10の燃料入口151との間に設けられる。第2圧力センサ564は、パージ流路47の気液分離部42とパージ弁48との間に設けられる。
燃料電池システム1は、排出流路41と接続される気液分離部42と、気液分離部42にて分離された液体を排出するパージ流路47と、を備える。第2圧力センサ564は、パージ流路47に設けられるパージ弁48と、気液分離部42との間に設けられる。これにより、第2圧力センサ564の設置自由度が高まる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(第5実施形態)
第5実施形態を図10に示す。流体濃度検出装置55では、第1圧力センサ552は、第2実施形態と同様、合流部44と燃料電池10の燃料入口151との間に設けられる。第2圧力センサ565は、パージ流路47のパージ弁48の下流側に設けられる。本実施形態では、第4実施形態と同様、パージ弁48が開弁しており、かつ、排水が完了しているときの第2流体圧力P2を用いて水素濃度CH2を演算可能である。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
第5実施形態を図10に示す。流体濃度検出装置55では、第1圧力センサ552は、第2実施形態と同様、合流部44と燃料電池10の燃料入口151との間に設けられる。第2圧力センサ565は、パージ流路47のパージ弁48の下流側に設けられる。本実施形態では、第4実施形態と同様、パージ弁48が開弁しており、かつ、排水が完了しているときの第2流体圧力P2を用いて水素濃度CH2を演算可能である。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(第6実施形態)
第6実施形態を図11に示す。本実施形態の燃料電池システム2は、燃料電池10、空気供給部20、燃料供給部300、および、流体濃度検出装置51等を備える。本実施形態の燃料供給部300では、循環部40に替えて、排出部400が設けられている。排出部400は、排出流路41、気液分離部42、パージ流路47およびパージ弁48を有する。すなわち本実施形態では、循環流路43および循環ポンプ45が省略されており、燃料電池10のアノード流路15から流出した流体を第2供給流路36側に戻さないデッドエンド構成となっている。
第6実施形態を図11に示す。本実施形態の燃料電池システム2は、燃料電池10、空気供給部20、燃料供給部300、および、流体濃度検出装置51等を備える。本実施形態の燃料供給部300では、循環部40に替えて、排出部400が設けられている。排出部400は、排出流路41、気液分離部42、パージ流路47およびパージ弁48を有する。すなわち本実施形態では、循環流路43および循環ポンプ45が省略されており、燃料電池10のアノード流路15から流出した流体を第2供給流路36側に戻さないデッドエンド構成となっている。
本実施形態のようなデッドエンド構成であっても、上記実施形態と同様に水素濃度CH2を演算可能である。なお、図11では、第1実施形態の流体濃度検出装置51が設けられる例を示したが、これに替えて、第2実施形態〜第5実施形態の流体濃度検出装置52、54、55を設けてもよい。このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(第7実施形態)
第7実施形態を図12に示す。本実施形態の燃料電池システム3は、燃料電池10、空気供給部20、燃料供給部301、および、流体濃度検出装置53等を備える。燃料供給部301は、循環部40に替えて、循環部401が設けられている。循環部401では、循環部40の循環ポンプ45に替えて、エジェクタ46が設けられる。エジェクタ46は、インジェクタ35からの燃料噴射により生じる負圧により循環流路43内の流体を吸引する。インジェクタ35から噴射された燃料と、循環流路43からの循環流体とは、エジェクタ46内部で混合され、混合された流体が燃料電池10の燃料入口151側に供給される。
第7実施形態を図12に示す。本実施形態の燃料電池システム3は、燃料電池10、空気供給部20、燃料供給部301、および、流体濃度検出装置53等を備える。燃料供給部301は、循環部40に替えて、循環部401が設けられている。循環部401では、循環部40の循環ポンプ45に替えて、エジェクタ46が設けられる。エジェクタ46は、インジェクタ35からの燃料噴射により生じる負圧により循環流路43内の流体を吸引する。インジェクタ35から噴射された燃料と、循環流路43からの循環流体とは、エジェクタ46内部で混合され、混合された流体が燃料電池10の燃料入口151側に供給される。
本実施形態のようなエジェクタ構成であっても、上記実施形態と同様に水素濃度CH2を演算可能である。図12では、第3実施形態と同様の流体濃度検出装置53を例示している。この場合、図12中に一点鎖線EMで示すように、エジェクタ46、第1圧力センサ552および第2圧力センサ563を、一体にモジュール化してもよい。また、エジェクタ46と、圧力センサとを別体に設ける場合、上記実施形態の流体濃度検出装置51〜55にて例示したいずれの箇所に圧力センサを設けてもよい。このように構成しても上記実施形態と同様の効果を奏する。
第1実施形態〜第7実施形態において、燃料電池システム1〜3が「流体システム」、燃料電池10が「流体充填系」、第1供給流路32および第2供給流路36が「供給流路」、第1圧力センサ551、552が「入口側物性検出部」、第2圧力センサ561〜566が「出口側物性検出部」、燃料入口151が「流体入口」、燃料出口152が「流体出口」、インジェクタ35が「流量調整部」に対応する。また、水素が「検出対象要素」、第1流体圧力P1が「入口側物性値」、第2流体圧力P2が「出口側物性値」に対応する。
ここで、「流体入口側」には、燃料電池10内における燃料入口151と見なせる範囲、および、燃料電池10外であって燃料入口151の上流側を含む。燃料入口151の上流側とは、燃料タンク31から燃料入口151に至る経路を含む。
「流体出口側」には、燃料電池10内における燃料出口152と見なせる範囲、および、燃料電池10外であって燃料出口152の下流側を含む。燃料出口152の下流側とは、燃料出口152から気液分離部42を経由して合流部44に至る経路、および、パージ流路47を含む。
(他の実施形態)
上記実施形態では、インジェクタをオンにしたときの圧力上昇タイミングに基づいて水素濃度を演算する。他の実施形態では、インジェクタをオフにしたときの圧力低下タイミングに基づいて水素濃度を演算してもよい。また、上記実施形態の流量調整部はインジェクタである。他の実施形態では、流量調整部は、インジェクタ以外のオンオフ弁や、ダイヤフラム弁等であってもよい。また、流量調整部に限らず、パージ弁や流路配管内の圧力変動を起こす機能を有するものを設けてもよい。
上記実施形態では、インジェクタをオンにしたときの圧力上昇タイミングに基づいて水素濃度を演算する。他の実施形態では、インジェクタをオフにしたときの圧力低下タイミングに基づいて水素濃度を演算してもよい。また、上記実施形態の流量調整部はインジェクタである。他の実施形態では、流量調整部は、インジェクタ以外のオンオフ弁や、ダイヤフラム弁等であってもよい。また、流量調整部に限らず、パージ弁や流路配管内の圧力変動を起こす機能を有するものを設けてもよい。
上記実施形態では、入口側物性検出部および出口側物性検出部は、圧力センサである。他の実施形態では、入口側物性検出部および出口側物性検出部は、流速計や温度センサ等、検出対象要素の濃度に応じて変化する物性値を検出するものであれば、どのようなものであってもよい。特に、インジェクタの噴射脈動による圧力伝播時間と相間するパラメータを検出可能なものが好ましい。すなわち、物性値は、圧力以外の物理量であってもよい。
上記実施形態では、流体充填系は燃料電池であり、流体システムは燃料電池システムである。燃料電池システムのシステム構成は、上記実施形態とは異なっていてもよい。他の実施形態では、流体充填系は、流体充填系を流体が流通することで流体中の検出対象要素の濃度が変化しうる燃料電池以外の装置であってよく、流体システムは、燃料電池システム以外のものであってもよい。また、上記実施形態の検出対象要素は、水素である。他の実施形態では、検出対象要素は、水素以外のものであってもよい。
本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
1、2、3・・・燃料電池システム(流体システム)
10・・・燃料電池(流体充填系)
32、36・・・供給流路 35・・・インジェクタ(流量調整部)
40、401・・・循環部
41・・・排出流路 42・・・気液分離部
43・・・循環流路 44・・・合流部
47・・・パージ流路 48・・・パージ弁
551、552・・・第1圧力センサ(入口側物性検出部)
561〜565・・・第2圧力センサ(出口側物性検出部)
60・・・制御部 61・・・濃度演算部
10・・・燃料電池(流体充填系)
32、36・・・供給流路 35・・・インジェクタ(流量調整部)
40、401・・・循環部
41・・・排出流路 42・・・気液分離部
43・・・循環流路 44・・・合流部
47・・・パージ流路 48・・・パージ弁
551、552・・・第1圧力センサ(入口側物性検出部)
561〜565・・・第2圧力センサ(出口側物性検出部)
60・・・制御部 61・・・濃度演算部
Claims (12)
- 流体中の検出対象要素の濃度が変化しうる系である流体充填系(10)と、
前記流体充填系に流体を供給する供給流路(32、36)と、
前記流体充填系から流体が排出される排出流路(41)と、
を備える流体システム(1〜3)における流体中の前記検出対象要素の濃度を検出するものであって、
前記流体充填系の流体入口(151)側における流体の物性値である入口側物性値を検出する入口側物性検出部(551、552)と、
前記流体充填系の流体出口側(152)における流体の物性値である出口側物性値を検出する出口側物性検出部(561〜565)と、
前記入口側物性値および前記出口側物性値に基づき、前記流体充填系における前記検出対象要素の濃度を演算する濃度演算部(61)を有する制御部(60)と、
を備える流体濃度検出装置。 - 前記流体充填系の入口側に供給される流体の流量を調整する流量調整部(35)を備え、
前記濃度演算部は、前記流量調整部の駆動による前記入口側物性値の変化タイミングと、前記出口側物性値の変化タイミングとの時間差に基づき、前記検出対象要素の濃度を演算する請求項1に記載の流体濃度検出装置。 - 前記流量調整部は、前記供給流路に設けられるインジェクタ(35)である請求項2に記載の流体濃度検出装置。
- 前記流体充填系は、燃料電池であり、
前記検出対象要素は、水素である請求項1〜3のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。 - 前記入口側物性検出部(551)は、前記流体充填系の内部に設けられる請求項1〜4のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
- 前記流体システムは、前記排出流路、前記排出流路と接続される気液分離部(42)、および、前記気液分離部と前記供給流路とを接続する循環流路(43)を有する循環部(40、401)を備え、
前記入口側物性検出部(552)は、前記供給流路と前記循環流路とが合流する合流部(44)と、前記流体充填系との間に設けられる請求項1〜4のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。 - 前記出口側物性検出部(561)は、前記流体充填系の内部に設けられる請求項1〜6のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
- 前記出口側物性検出部(562〜565)は、前記流体充填系の外部に設けられる請求項1〜6のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
- 前記流体システムは、前記排出流路と接続される気液分離部(42)を備え、
前記出口側物性検出部(562)は、前記流体充填系と前記気液分離部との間に設けられる請求項8に記載の流体濃度検出装置。 - 前記流体システムは、前記排出流路と接続される気液分離部(42)を備え、
前記出口側物性検出部(563)は、前記気液分離部と前記供給流路とを接続する循環流路(43)に設けられる請求項8に記載の流体濃度検出装置。 - 前記流体システムは、前記排出流路を接続される気液分離部(42)と、前記気液分離部にて分離された液体を排出するパージ流路(47)と、を備え、
前記出口側物性検出部(564)は、前記パージ流路に設けられるパージ弁(48)と、前記気液分離部との間に設けられる請求項8に記載の流体濃度検出装置。 - 前記入口側物性検出部および前記出口側物性検出部は、流体の圧力を検出する圧力センサである請求項1〜11のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102021112763A1 (de) | 2021-05-18 | 2022-11-24 | Audi Aktiengesellschaft | Verfahren zum Ermitteln der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf, Brennstoffzellenvorrichtung |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004095300A (ja) * | 2002-08-30 | 2004-03-25 | Denso Corp | 燃料電池システム |
JP2007035450A (ja) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
JP2012004032A (ja) * | 2010-06-18 | 2012-01-05 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
-
2018
- 2018-12-14 JP JP2018234412A patent/JP2020095903A/ja active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004095300A (ja) * | 2002-08-30 | 2004-03-25 | Denso Corp | 燃料電池システム |
JP2007035450A (ja) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
JP2012004032A (ja) * | 2010-06-18 | 2012-01-05 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021112763A1 (de) | 2021-05-18 | 2022-11-24 | Audi Aktiengesellschaft | Verfahren zum Ermitteln der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf, Brennstoffzellenvorrichtung |
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