JP2021099965A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、車両に搭載された実施例1に係る燃料電池システムの構成図である。図1を参照して、燃料電池システム100は、ECU(Electronic Control Unit)10、燃料電池スタック(以下、FCと称す)20、二次電池(以下、BATと称す)22、酸化剤ガス系30、燃料ガス系50、電力系70、及び冷却系80を含む。また、車両は、走行用のモータ90、変速機91、車輪92、及びアクセル開度センサ93を備えている。車両は、FC20及びBAT22を電力源としてモータ90を駆動させて走行する。
図2は、実施例1におけるエアクリーナーの分解斜視図である。図2を参照して、エアクリーナー34は、上側エアクリーナーケース44aと下側エアクリーナーケース44bとエアエレメント41とを含む。上側エアクリーナーケース44aと下側エアクリーナーケース44bとが結合されてエアクリーナーケース44が形成され、このエアクリーナーケース44の内部にエアエレメント41が配置される。また、エアクリーナーケース44の内部にはファン42と開閉弁43も配置される。酸化剤ガスとしての空気がエアクリーナーケース44の内部を流れてエアエレメント41を通過することで、空気に含まれる塵及び埃等の異物が取り除かれる。
図4(a)及び図4(b)は、開閉弁の開閉について説明する断面図である。図4(a)は、開閉弁43が開いた状態を示し、図4(b)は、開閉弁43が閉じた状態を示している。図1で説明したように、エアコンプレッサ35は、ファン42及び開閉弁43よりも空気48の流れに対して下流側に設けられている。このため、ファン42が停止し且つエアコンプレッサ35が駆動することで、図4(a)のように、エアコンプレッサ35による空気48の吸引によってエアクリーナーケース44内のファン42及び開閉弁43よりもエアコンプレッサ35側に位置する空間1の圧力がファン42及び開閉弁43よりもエアコンプレッサ35とは反対側に位置する空間2の圧力に対して低く(負圧)なる。これにより、開閉弁43には弁体43cが開く方向の力が生じて開閉弁43は開く。
図5は、実施例1におけるECUの間欠運転の制御の一例を示すフローチャートである。図5の制御は、FC20への要求電力が所定電力よりも大きくてFC20を発電させている発電運転中に開始される。発電運転においては、エアコンプレッサ35が駆動し且つファン42は停止している。また、間欠運転とは、FC20への要求電力が所定電力以下であってFC20の発電効率が低い低出力の場合に、BAT22の電力を用いることでFC20の発電を一時休止させる運転モードである。したがって、ここでの所定電力とは、FC20の発電効率に基づき決定された値であり、発電効率の悪化が抑制されるように定められた閾値である。
図6は、実施例1におけるECUの間欠運転の制御の一例を示すタイミングチャートである。図6には、FC20への要求電力、FC20の平均セル電圧、エアコンプレッサ35の駆動状態、及びファン42の駆動状態が示されている。図6を参照して、例えば運転者の操作によりアクセルペダルの開度が増大すると、FC20への要求電力が増大する。FC20への要求電力が所定電力Evよりも大きいときでは、ECU10からの指令によりエアコンプレッサ35は駆動し且つファン42は停止した状態となって発電運転が行われる。ファン42が停止し且つエアコンプレッサ35が駆動することで、図4(a)で説明したように、開閉弁43は開いた状態となる。開閉弁43が開くことで、エアコンプレッサ35は開閉弁43を介して空気を吸引することが可能となり、空気を吸引するにあたっての圧力損失が低く抑えられる。よって、FC20への空気の供給を効率良く行うことができる。エアコンプレッサ35によりFC20に供給される空気量はFC20への要求電力に応じた量であり、例えば200Nl/min〜5000Nl/minである。
図7(a)は、実施例1の変形例におけるエアクリーナーの断面図、図7(b)は、ファン及び開閉弁を空気の流れる方向から見た平面図である。なお、図7(a)及び図7(b)では、図の明瞭化のためにエアクリーナー34を簡略化して図示し、図7(b)では、開閉弁43が閉じた状態を図示し且つ図の明瞭化のために各部品にクロスハッチングを付している。図7(a)及び図7(b)を参照して、ファン42と開閉弁43の間にファン42及び開閉弁43が結合する連結壁49が設けられている。ファン42と開閉弁43は空気48の流れる方向で互いに前後して設けられている。図7(a)では、ファン42が開閉弁43よりも空気48の流れる方向で下流側に位置する場合を図示しているが、ファン42が開閉弁43よりも空気48の流れる方向で上流側に位置する場合でもよい。その他の構成は、実施例1の図3(a)及び図3(b)と同じであるため説明を省略する。
図9は、実施例3におけるECUの間欠運転の制御の一例を示すフローチャートである。図9の制御は、実施例1の図5と同じく、FC20への要求電力が所定電力よりも大きくてFC20を発電させている発電運転中に開始される。図9を参照して、ECU10は、実施例1の図5のステップS10、S12と同じステップS40、S42を実行する。ステップ42の後、ECU10は、開閉弁43に指令して開閉弁43を閉じる(ステップS44)。
図10は、実施例3におけるECUの間欠運転の制御の一例を示すタイミングチャートである。図10には、FC20への要求電力、FC20の平均セル電圧、エアコンプレッサ35の駆動状態、ファン42の駆動状態、及び開閉弁43の開閉状態が示されている。図10を参照して、FC20への要求電力が所定電力Evよりも大きいときでは、ECU10からの指令によりエアコンプレッサ35が駆動し、ファン42が停止し、且つ開閉弁43が開いた状態となって発電運転が行われる。
20 燃料電池スタック
21 単セル
30 酸化剤ガス系
31 ガス供給管
32 ガス排出管
33 バイパス管
34 エアクリーナー
35 エアコンプレッサ(第2吐出機)
36 インタークーラ
37 入口封止弁
38 調圧弁
39 バイパス弁
40 酸化剤ガス流路
41 エアエレメント
42 ファン(第1吐出機)
42a 枠体
42b 回転体
43 開閉弁
43a 枠体
43b 弁棒
43c 弁体
44 エアクリーナーケース
45 コンプレッサ本体
46 モータ
47 インバータ
48 空気
49 連結壁
50 燃料ガス系
70 電力系
75 電圧センサ(電圧検出器)
80 冷却系
100、200 燃料電池システム
Claims (12)
- 燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路の内部に設けられ、前記酸化剤ガスを吸引して前記燃料電池スタックに向けて前記酸化剤ガスを吐出する第1吐出機と、
前記酸化剤ガスの流れに交差する方向で前記第1吐出機に並んで前記酸化剤ガス流路の内部に設けられ、前記酸化剤ガス流路のうちの前記第1吐出機の横の流路を開閉する開閉弁と、
前記酸化剤ガスの流れに対して前記第1吐出機及び前記開閉弁よりも上流側又は下流側に設けられ、前記第1吐出機よりも吐出圧力が大きく、前記酸化剤ガス流路を介して前記酸化剤ガスを吸引し、前記酸化剤ガス流路を介して前記燃料電池スタックに向けて前記酸化剤ガスを吐出する第2吐出機と、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出器と、
前記第1吐出機及び前記第2吐出機を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックへの要求電力が所定電力よりも大きくて前記燃料電池スタックを発電させる発電運転において、前記開閉弁が開いた状態で前記第2吐出機を駆動させ、
前記制御部は、前記発電運転から前記要求電力が前記所定電力以下である間欠運転に切り替わったときに前記第2吐出機を停止させ、前記間欠運転において前記燃料電池スタックの電圧が第1所定電圧以下になったときに前記開閉弁が閉じた状態で前記第1吐出機を駆動させる、燃料電池システム。 - 前記開閉弁は、回転自在に支持された弁体を有し、前記発電運転において前記第2吐出機が駆動して前記酸化剤ガスを吸引又は吐出することで生じる力により開き、前記間欠運転において前記第1吐出機が駆動して前記酸化剤ガスを吸引及び吐出することで生じる力により閉じる、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記開閉弁は前記制御部からの指令により開閉し、
前記制御部は、前記発電運転から前記間欠運転に切り替わるときに前記第1吐出機を駆動させる前に前記開閉弁を閉じ且つ前記間欠運転から前記発電運転に切り替わるときに前記第2吐出機を駆動させる前に前記開閉弁を開くように前記開閉弁を制御する、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記発電運転において前記第1吐出機を停止させる、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記第1吐出機と前記開閉弁は前記酸化剤ガスの流れに対して直交する方向に並んで前記酸化剤ガス流路の内部に設けられている、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記第1吐出機は、第1枠体と、前記第1枠体の内側に位置して回転する回転体と、を含み、
前記開閉弁は、第2枠体と、前記第2枠体の内側に位置して回転自在に支持された弁体と、を含み、
前記第1枠体及び前記第2枠体は前記酸化剤ガス流路の内壁に接している、請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記第1枠体と前記第2枠体は互いに接している、請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記間欠運転において、前記燃料電池スタックの電圧が前記第1所定電圧以下の場合から前記第1所定電圧よりも大きい第2所定電圧以上になったときに前記開閉弁が閉じた状態で前記第1吐出機を停止させる、請求項1から7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記酸化剤ガス流路は、エアエレメントを内部に有するエアクリーナーケースを含んで形成され、
前記第1吐出機及び前記開閉弁はエアクリーナーケースの内部に設けられている、請求項1から8のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記第1吐出機及び前記開閉弁は、前記酸化剤ガスの流れに対して前記エアエレメントよりも下流側で前記エアクリーナーケースの内部に設けられている、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記第2吐出機は、前記酸化剤ガスの流れに対して前記エアエレメントよりも下流側に設けられている、請求項9または10に記載の燃料電池システム。
- 前記第1吐出機はファンであり、
前記第2吐出機はコンプレッサである、請求項1から11のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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