JP2023132390A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの振動ノイズ低減方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンプレッサの振動が大きく変化する回数と、ノイズが大きく変化する回数とを低減することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム(10)の制御部(96)は、第1弁(56)を閉じるタイミングで第2弁(58)を開け、第1弁を閉じる前のコンプレッサ(68)の動作状態を、第2弁を開けた後も維持する。【選択図】図1
Description
本発明は、コンプレッサの振動とノイズを低下させる燃料電池システム及び燃料電池システムの振動ノイズ低減方法に関する。
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。
特許文献1には、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムが開示される。以下で、この燃料電池システムを、第1システムとも称する。第1システムにおいて、アノードガスは、アノード供給流路から燃料電池スタック内のアノード流路に供給される。アノードガスの主成分は水素である。第1システムにおいて、カソードガスは、カソード供給路から燃料電池スタック内のカソード流路に供給される。カソードガスはエア(酸素、窒素等)である。アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との反応によって、燃料電池スタックは発電する。アノード流路からは、アノードオフガス(水素、窒素、水分等)が排出される。アノードオフガスは、気液分離器に供給される。気液分離器は、アノードオフガスをガス成分(水素、窒素等)と液体成分(水)とに分離する。
気液分離器で分離されたアノードオフガスは、循環流路を介してアノード供給流路に供給され得る。又は、気液分離器で分離されたアノードオフガスは、水と共に、ドレイン流路及び希釈器を介して燃料電池システムの外部に排出され得る。
現在、新たな燃料電池システムが開発されている。以下で、現在開発されている燃料電池システムを、第2システムとも称する。第2システムにおいては、燃料電池スタック内が高湿度に維持される。このため、燃料電池スタック内には大量の水が発生する。第2システムにおいては、気液分離器に接続されるドレイン流路(第1ドレイン流路)とは別に、アノード流路に直結するドレイン流路(第2ドレイン流路)が設けられる。燃料電池スタック内に溜まった水は、アノードオフガスと共に、第2ドレイン流路及び希釈器を介して燃料電池システムの外部に排出され得る。
希釈器は、水及びアノードオフガスを外部に排出する場合に、エアで水素を希釈する。このため、燃料電池システムの制御装置は、水及びアノードオフガスの排出を開始する場合に、コンプレッサの回転速度を増速してエア供給量を増加させる。また、制御装置は、水及びアノードオフガスの排出を終了する場合に、コンプレッサの回転速度を減速してエア供給量を低下させる。
第2システムのように、複数のドレイン流路が設けられる場合、水及びアノードオフガスの合計の排出回数が増える。このため、制御装置は、コンプレッサの回転速度を頻繁に変える。コンプレッサの回転速度が増速する際に、振動とノイズは変化する。つまり、第2システムは、第1システムと比較して、コンプレッサの振動変化及びノイズ変化が増加するという課題がある。コンプレッサの振動変化及びノイズ変化が増加すると、ユーザが不快に感じる虞がある。
本発明は上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の第1の態様は、アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、前記アノード流路から排出される排出流体をガスと水とに分離する気液分離器と、前記気液分離器の前記水及び前記ガスを外部に排出する第1排出流路と、前記アノード流路の前記排出流体を外部に排出する第2排出流路と、前記第1排出流路を開閉する第1弁と、前記第2排出流路を開閉する第2弁と、外部に排出される前記排出流体及び前記ガスを希釈するためのエアを供給するコンプレッサと、前記第1弁と前記第2弁の各々の開閉を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、前記第1弁を閉じるタイミングで前記第2弁を開け、前記第1弁を閉じる前の前記コンプレッサの動作状態を、前記第2弁を開けた後も維持する。
本発明の第2の態様は、アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、前記アノード流路から排出される排出流体をガスと水とに分離する気液分離器と、前記気液分離器の前記水及び前記ガスを外部に排出する第1排出流路と、前記アノード流路の前記排出流体を外部に排出する第2排出流路と、前記第1排出流路を開閉する第1弁と、前記第2排出流路を開閉する第2弁と、外部に排出される前記排出流体及び前記ガスを希釈するためのエアを供給するコンプレッサと、前記第1弁と前記第2弁の各々の開閉を制御するコンピュータと、を備える燃料電池システムの振動ノイズ低減方法であって、前記コンピュータは、前記第1弁を閉じるタイミングで前記第2弁を開け、前記第1弁を閉じる前の前記コンプレッサの動作状態を、前記第2弁を開けた後も維持する。
本発明によれば、コンプレッサの振動が大きく変化する回数と、ノイズが大きく変化する回数とを低減することができる。
[1 燃料電池システム10の構成]
図1は、本発明に係る燃料電池システム10の概略構成図である。燃料電池システム10は、車両(燃料電池自動車)に搭載される。これとは別に、燃料電池システム10は、例えば、船舶、航空機、ロボット等にも搭載可能である。燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、水素タンク14と、アノードシステム16と、カソードシステム18と、冷却システム20とを有する。また、燃料電池システム10は、制御装置94を有する。燃料電池スタック12の出力(電力)は、モータ等の負荷(不図示)に供給される。
図1は、本発明に係る燃料電池システム10の概略構成図である。燃料電池システム10は、車両(燃料電池自動車)に搭載される。これとは別に、燃料電池システム10は、例えば、船舶、航空機、ロボット等にも搭載可能である。燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、水素タンク14と、アノードシステム16と、カソードシステム18と、冷却システム20とを有する。また、燃料電池システム10は、制御装置94を有する。燃料電池スタック12の出力(電力)は、モータ等の負荷(不図示)に供給される。
燃料電池スタック12は、一方向に積層された複数の発電セル22を有する。各々の発電セル22は、電解質膜・電極構造体24(単に電極構造体24ともいう)と、一組のセパレータ26、28とを有する。一組のセパレータ26、28は、電極構造体24を挟持する。
電極構造体24は、固体高分子電解質膜30(電解質膜30ともいう)と、アノード電極32と、カソード電極34とを有する。電解質膜30は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。アノード電極32とカソード電極34とは、電解質膜30を挟持する。アノード電極32とカソード電極34とは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層を有する。ガス拡散層の表面に多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層が形成される。多孔質カーボン粒子の表面には、白金合金が担持される。電極触媒層は、電解質膜30の両面に形成される。
セパレータ26の面のうち、電極構造体24に向けられる面には、アノード流路36が形成される。アノード流路36は、アノード入口17Aを介してアノード供給流路40に接続される。アノード流路36は、第1アノード出口17Bを介してアノード排出流路42に接続される。また、アノード流路36は、第2アノード出口17Cを介して第2ドレイン流路48に接続される。第2アノード出口17Cは、第1アノード出口17Bより低い位置にある。セパレータ28の面のうち、電極構造体24に向けられる面には、カソード流路38が形成される。カソード流路38は、カソード入口19Aを介してカソード供給流路62に接続される。カソード流路38は、カソード出口19Bを介してカソード排出流路64に接続される。
アノード電極32にはアノードガス(水素)が供給される。アノード電極32では、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンと電子とが発生する。水素イオンは、電解質膜30を透過してカソード電極34に移動する。電子は、燃料電池スタック12の負極端子(不図示)、モータ等の負荷、燃料電池スタック12の正極端子(不図示)、カソード電極34の順に移動する。カソード電極34では、触媒の作用によって水素イオン及び電子と、供給されたエアに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
アノードシステム16は、アノード電極32にアノードガスを供給するための各構成と、アノード電極32からアノードオフガスを排出するための各構成とを有する。アノードシステム16は、アノード供給流路40と、アノード排出流路42と、循環流路44と、第1ドレイン流路46(第1排出流路)と、第2ドレイン流路48(第2排出流路)とを有する。また、アノードシステム16は、インジェクタ50と、エジェクタ52と、気液分離器54と、第1ドレイン弁56(第1弁)と、第2ドレイン弁58(第2弁)とを有する。
アノード供給流路40は、水素タンク14の排出口とアノード入口17Aとを連通する。アノード供給流路40には、インジェクタ50とエジェクタ52とが設けられる。エジェクタ52は、インジェクタ50よりもアノード入口17Aの近くに配置される。
アノード排出流路42は、第1アノード出口17Bと気液分離器54の吸気口とを連通する。循環流路44は、気液分離器54の排気口とエジェクタ52とを連通する。第1ドレイン流路46は、気液分離器54の排水口と希釈器60の入口とを連通する。第1ドレイン流路46には、第1ドレイン弁56が設けられる。第2ドレイン流路48は、第2アノード出口17Cと、第1ドレイン流路46のうち第1ドレイン弁56よりも下流の部分とを連通する。第2ドレイン流路48には、第2ドレイン弁58が設けられる。
カソードシステム18は、カソード電極34にカソードガスを供給するための各構成と、カソード電極34からカソードオフガスを排出するための各構成とを有する。カソードシステム18は、カソード供給流路62と、カソード排出流路64と、バイパス流路66とを有する。また、カソードシステム18は、コンプレッサ68と、加湿器70と、第1封止弁74と、第2封止弁76と、バイパス弁78とを有する。
カソード供給流路62は、エアの吸気口(不図示)とカソード入口19Aとを連通する。カソード供給流路62には、コンプレッサ68と第1封止弁74と加湿器70の流路72Aとが設けられる。カソード供給流路62のうち、加湿器70よりも上流部分をカソード供給流路62Aとする。カソード供給流路62のうち、加湿器70よりも下流部分をカソード供給流路62Bとする。カソード供給流路62Aには、コンプレッサ68と第1封止弁74とが設けられる。第1封止弁74は、コンプレッサ68よりも加湿器70の近くに配置される。
カソード排出流路64は、カソード出口19Bと希釈器60の入口とを連通する。カソード排出流路64には、加湿器70の流路72Bと第2封止弁76とが設けられる。カソード排出流路64のうち、加湿器70よりも上流部分をカソード排出流路64Aとする。カソード供給流路62のうち、加湿器70よりも下流部分をカソード排出流路64Bとする。カソード排出流路64Bには、第2封止弁76が設けられる。
バイパス流路66は、カソード供給流路62Aとカソード排出流路64Bとを連通する。例えば、バイパス流路66は、カソード供給流路62Aのうちコンプレッサ68と第1封止弁74との間の部分と、カソード排出流路64Bのうち第2封止弁76よりも下流部分とを連通する。バイパス流路66には、バイパス弁78が設けられる。
アノードシステム16とカソードシステム18とは、接続流路80で接続される。接続流路80は、アノードシステム16の循環流路44とカソードシステム18のカソード供給流路62Bとを連通する。接続流路80には、ブリード弁82が設けられる。
冷却システム20は、燃料電池スタック12に冷媒を供給するための各構成と、燃料電池スタック12から冷媒を排出するための各構成とを有する。冷却システム20は、冷媒供給流路84と、冷媒排出流路86とを有する。また、冷却システム20は、冷媒ポンプ88と、ラジエータ90とを有する。
燃料電池スタック12の内部には、燃料電池スタック12を冷却するための冷媒流路(不図示)が形成される。冷媒供給流路84は、ラジエータ90の出口と冷媒流路の入口とを連通する。冷媒供給流路84には、冷媒ポンプ88が設けられる。冷媒排出流路86は、冷媒流路の出口とラジエータ90の入口とを連通する。
制御装置94は、コンピュータ(例えば車両のECU)である。制御装置94は、制御部96と記憶部98とを有する。制御部96は、処理回路を有する。処理回路は、CPU等のプロセッサであってもよい。処理回路は、ASIC、FPGA等の集積回路であってもよい。プロセッサは、記憶部98に記憶されるプログラムを実行することによって各種の処理を実行可能である。複数の処理のうちの少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって実行されてもよい。
制御部96は、燃料電池システム10の運転制御を行う。例えば、制御部96は、燃料電池システム10に設けられる各種センサから検出信号を受信する。制御部96は、各々の検出信号に基づいて、各弁、インジェクタ50、コンプレッサ68、冷媒ポンプ88等のそれぞれを制御するための制御信号を出力する。各弁、インジェクタ50、コンプレッサ68、冷媒ポンプ88等は、制御信号に応じて動作する。
記憶部98は、揮発性メモリと不揮発性メモリとを有する。揮発性メモリとしては、例えばRAM等が挙げられる。揮発性メモリは、プロセッサのワーキングメモリとして使用される。揮発性メモリは、処理又は演算に必要なデータ等を一時的に記憶する。不揮発性メモリとしては、例えばROM、フラッシュメモリ等が挙げられる。不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用される。不揮発性メモリは、プログラム、テーブル、マップ等を記憶する。記憶部98の少なくとも一部が、上述したようなプロセッサ、集積回路等に備えられてもよい。
[2 流体の流れ]
[2-1 アノードシステム16における流体の流れ]
インジェクタ50は、水素タンク14のアノードガス(水素)を、アノード供給流路40の下流に向けて噴射する。インジェクタ50から噴射されたアノードガスは、アノード供給流路40を流れてアノード流路36に供給される。アノードガスは、アノード流路36を流れて、アノードオフガスとして第1アノード出口17Bから排出される。アノードオフガスは、酸素と反応しなかった水素と、電解質膜30を透過したカソードガス中の窒素と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
[2-1 アノードシステム16における流体の流れ]
インジェクタ50は、水素タンク14のアノードガス(水素)を、アノード供給流路40の下流に向けて噴射する。インジェクタ50から噴射されたアノードガスは、アノード供給流路40を流れてアノード流路36に供給される。アノードガスは、アノード流路36を流れて、アノードオフガスとして第1アノード出口17Bから排出される。アノードオフガスは、酸素と反応しなかった水素と、電解質膜30を透過したカソードガス中の窒素と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
アノードオフガスは、アノード排出流路42を流れて気液分離器54に供給される。気液分離器54は、アノードオフガスをガス成分(アノードオフガス)と液体成分(水)とに分離する。気液分離器54から排出されるアノードオフガスは、循環流路44を流れてエジェクタ52に供給される。エジェクタ52において、アノードオフガスとインジェクタ50から噴射されるアノードガスとが合流する。
気液分離器54で分離された水は、気液分離器54の底部で一時的に貯留される。第1ドレイン弁56が開いた状態で、気液分離器54に貯留される水は、第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。気液分離器54の水がなくなった状態で第1ドレイン弁56が開くと、気液分離器54のアノードオフガスは、第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。
燃料電池スタック12の内部が高湿度である場合、アノード流路36の底部には水が貯留される。第2ドレイン弁58が開いた状態で、アノード流路36に貯留される水は、第2ドレイン流路48及び第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。アノード流路36の水がなくなった状態で第2ドレイン弁58が開くと、アノード流路36のアノードオフガスは、第2ドレイン流路48及び第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。
[2-2 カソードシステム18における流体の流れ]
コンプレッサ68は、車両の外部から吸入したカソードガス(エア)を、カソード供給流路62の下流に向けて吐出する。第1封止弁74が開いた状態で、コンプレッサ68から吐出されたカソードガスは、カソード供給流路62を流れてカソード流路38に供給される。カソードガスは、カソード流路38を流れて、カソードオフガスとしてカソード出口19Bから排出される。カソードオフガスは、エアに含まれる各成分と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
コンプレッサ68は、車両の外部から吸入したカソードガス(エア)を、カソード供給流路62の下流に向けて吐出する。第1封止弁74が開いた状態で、コンプレッサ68から吐出されたカソードガスは、カソード供給流路62を流れてカソード流路38に供給される。カソードガスは、カソード流路38を流れて、カソードオフガスとしてカソード出口19Bから排出される。カソードオフガスは、エアに含まれる各成分と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
第2封止弁76が開いた状態で、カソードオフガスは、カソード排出流路64を流れて希釈器60に排出される。カソードオフガスは、水分を含む。加湿器70において、カソードオフガスの水分は、カソードガスを加湿するために使用される。
バイパス弁78が開いた状態で、カソードガスは、バイパス流路66及びカソード排出流路64を流れて希釈器60に排出される。バイパス流路66は、燃料電池スタック12へのカソードガスの供給量を減少させる場合に使用される。
[2-3 接続流路80における流体の流れ]
ブリード弁82が開いた状態で、循環流路44を流れるアノードオフガスの一部は、接続流路80を流れてカソード供給流路62Bに供給される。但し、ブリード弁82が開けられるのは、アノード流路36の圧力がカソード流路38の圧力よりも高い場合に限られる。
ブリード弁82が開いた状態で、循環流路44を流れるアノードオフガスの一部は、接続流路80を流れてカソード供給流路62Bに供給される。但し、ブリード弁82が開けられるのは、アノード流路36の圧力がカソード流路38の圧力よりも高い場合に限られる。
接続流路80を流れてカソード供給流路62Bに供給されるアノードオフガス中の水素は、カソード電極34の触媒上で酸素と反応して消費される。このため、アノードシステム16から外部に排出される水素は減り、それに伴い、希釈器60において水素を希釈するために必要なエアも減る。従って、接続流路80によれば、希釈器60にエアを供給するコンプレッサ68の回転数を下げることができ、燃費が向上する。従って、燃料電池システム10は、エネルギーの効率化に寄与する。
[3 各弁の径とコンプレッサ68の回転速度との関係]
アノード流路36から希釈器60への排出経路として、第1ドレイン弁56を含む第1の経路(第1ドレイン流路46)がある。アノード流路36から希釈器60への排出経路として、第2ドレイン弁58を含む第2の経路(第2ドレイン流路48、第1ドレイン流路46)がある。アノード流路36から希釈器60への排出経路として、ブリード弁82を含む第3の経路(接続流路80、カソード供給流路62B、カソード流路38、カソード排出流路64)がある。
アノード流路36から希釈器60への排出経路として、第1ドレイン弁56を含む第1の経路(第1ドレイン流路46)がある。アノード流路36から希釈器60への排出経路として、第2ドレイン弁58を含む第2の経路(第2ドレイン流路48、第1ドレイン流路46)がある。アノード流路36から希釈器60への排出経路として、ブリード弁82を含む第3の経路(接続流路80、カソード供給流路62B、カソード流路38、カソード排出流路64)がある。
第1ドレイン弁56の内部の流路の径と、第2ドレイン弁58の内部の流路の径とは互いに同一である。このため、排出経路が第1の経路である場合に水素の希釈に必要なエア量と、排出経路が第2の経路である場合に水素の希釈に必要なエア量とは、略同一である。つまり、排出経路が第1の経路である場合のコンプレッサ68の回転速度と、排出経路が第2の経路である場合のコンプレッサ68の回転速度とは、略同一でよい。このため、開弁対象が第1ドレイン弁56から第2ドレイン弁58に切り替わる際に、コンプレッサ68の回転速度は略一定でよい。
一方、ブリード弁82の内部の流路の径は、第1ドレイン弁56の内部の流路の径及び第2ドレイン弁58の内部の流路の径より小径である。更に、第3の経路を流れるアノードオフガス中の水素の一部は、燃料電池スタック12で消費される。このため、排出経路が第3の経路である場合に水素の希釈に必要なエア量は、排出経路が第1の経路又は第2の経路である場合に水素の希釈に必要なエア量より少なくてよい。
[4 制御部96が実行する各処理]
制御部96は、燃料電池スタック12による発電中に、第1ドレイン弁制御処理(図2)と、第2ドレイン弁制御処理(図3)と、コンプレッサ制御処理(図4)とを並行して行う。
制御部96は、燃料電池スタック12による発電中に、第1ドレイン弁制御処理(図2)と、第2ドレイン弁制御処理(図3)と、コンプレッサ制御処理(図4)とを並行して行う。
[4-1 第1ドレイン弁制御処理]
図2は、第1ドレイン弁制御処理のフローチャートである。制御部96は、燃料電池スタック12による発電中に、図2で示される第1ドレイン弁制御処理を繰り返し行う。
図2は、第1ドレイン弁制御処理のフローチャートである。制御部96は、燃料電池スタック12による発電中に、図2で示される第1ドレイン弁制御処理を繰り返し行う。
ステップS1において、制御部96は、第1ドレイン弁56の開弁要求があるか否かを判定する。制御部96は、例えば、定期的に第1ドレイン弁56の開閉を繰り返す。この場合、制御部96は、システム時間を監視し、第1ドレイン弁56の開弁期間と閉弁期間とを判定することができる。又は、制御部96は、発電量に基づいて気液分離器54の水量を推定し、推定値が所定量を超えるか否かで開弁期間と閉弁期間とを判定することもできる。制御部96は、第1ドレイン弁56の開弁すべき期間中に、開弁要求があると判定する。また、制御部96は、第1ドレイン弁56の閉弁すべき期間中に、開弁要求がないと判定する。開弁要求は、開弁期間中に維持される。開弁要求がある場合(ステップS1:YES)、処理はステップS2に移行する。一方、開弁要求がない場合(ステップS1:NO)、処理はステップS3に移行する。
ステップS1からステップS2に移行すると、制御部96は、第1ドレイン弁56を開弁状態にする。第1ドレイン弁56が既に開いている場合、制御部96は、第1ドレイン弁56の状態を維持する。一方、第1ドレイン弁56が閉じている場合、制御部96は、第1ドレイン弁56を開ける。気液分離器54の水とアノードオフガスの一部は、第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。
ステップS1からステップS3に移行すると、制御部96は、第1ドレイン弁56を閉弁状態にする。第1ドレイン弁56が既に閉じている場合、制御部96は、第1ドレイン弁56の状態を維持する。一方、第1ドレイン弁56が開いている場合、制御部96は、第1ドレイン弁56を閉じる。
[4-2 第2ドレイン弁制御処理]
図3は、第2ドレイン弁制御処理のフローチャートである。制御部96は、燃料電池スタック12による発電中に、図3で示される第2ドレイン弁制御処理を繰り返し行う。
図3は、第2ドレイン弁制御処理のフローチャートである。制御部96は、燃料電池スタック12による発電中に、図3で示される第2ドレイン弁制御処理を繰り返し行う。
ステップS11において、制御部96は、第2ドレイン弁58の開弁要求があるか否かを判定する。例えば、制御部96は、水の生成量が多い場合に、第2ドレイン弁58を一定期間開ける。水の生成量と燃料電池スタック12の発電量とは相関する。制御部96は、目標発電量が所定の発電量閾値を超えた時間を積算する。制御部96は、積算した時間値が所定の時間閾値を超えた場合に、開弁要求があると判定する。更に、第2ドレイン弁58を開けてから一定期間が経過した場合に、開弁要求がないと判定する。開弁要求は、一定期間維持される。開弁要求がある場合(ステップS11:YES)、処理はステップS12に移行する。一方、開弁要求がない場合(ステップS11:NO)、処理はステップS16に移行する。
ステップS11からステップS12に移行すると、制御部96は、ブリード弁82が現在閉弁状態か否かを判定する。ブリード弁82が閉弁状態である場合(ステップS12:YES)、処理はステップS13に移行する。一方、ブリード弁82が閉弁状態でない場合、即ちブリード弁82が開弁状態である場合(ステップS12:NO)、処理はステップS16に移行する。
ステップS12からステップS13に移行すると、制御部96は、直近の第1ドレイン弁制御処理において、第1ドレイン弁56を開弁状態から閉弁状態に切り替えたか否かを判定する。言い換えると、制御部96は、第1ドレイン弁56が開弁状態から閉弁状態に変化したか否かを判定する。第1ドレイン弁56が開弁状態から閉弁状態に変化した場合(ステップS13:YES)、処理はステップS15に移行する。この時点で、制御部96は、第1ドレイン弁56の閉弁タイミングを認識する。一方、第1ドレイン弁56が開弁状態から閉弁状態に変化していない場合(ステップS13:NO)、処理はステップS14に移行する。
ステップS13からステップS14に移行すると、制御部96は、第2ドレイン弁58が現在開弁状態か否かを判定する。ステップS13の処理は、第2ドレイン弁58の開弁要求中に、第2ドレイン弁58が開弁状態から閉弁状態に変化することを防止するために行われる。第2ドレイン弁58が開弁状態である場合(ステップS14:YES)、処理はステップS15に移行する。一方、第2ドレイン弁58が開弁状態でない場合、即ち第2ドレイン弁58が閉弁状態である場合(ステップS14:NO)、処理はステップS16に移行する。
ステップS13又はステップS14からステップS15に移行すると、制御部96は、第2ドレイン弁58を開弁状態にする。第2ドレイン弁58が既に開いている場合、制御部96は、第2ドレイン弁58の開弁状態を維持する。一方、第2ドレイン弁58が閉じている場合、制御部96は、第2ドレイン弁58を開ける。アノード流路36の水とアノードオフガスの一部は、第2ドレイン流路48及び第1ドレイン流路46を流れて希釈器60に排出される。
ステップS11、ステップS12又はステップS14からステップS16に移行すると、制御部96は、第2ドレイン弁58を閉弁状態にする。第2ドレイン弁58が既に閉じている場合、制御部96は、第2ドレイン弁58の閉弁状態を維持する。一方、第2ドレイン弁58が開いている場合、制御部96は、第2ドレイン弁58を閉じる。
[4-3 コンプレッサ制御処理]
図4は、コンプレッサ制御処理のフローチャートである。制御部96は、燃料電池システム10の動作中に、図4で示されるコンプレッサ制御処理を繰り返し行う。
図4は、コンプレッサ制御処理のフローチャートである。制御部96は、燃料電池システム10の動作中に、図4で示されるコンプレッサ制御処理を繰り返し行う。
ステップS21において、制御部96は、第1ドレイン弁56の開弁要求又は第2ドレイン弁58の開弁要求があるか否かを判定する。少なくとも一方の開弁要求がある場合(ステップS21:YES)、処理はステップS22に移行する。一方、各々の開弁要求がない場合(ステップS21:NO)、処理はステップS23に移行する。
ステップS21からステップS22に移行すると、制御部96は、コンプレッサ68の回転速度を低速状態(停止状態を含む)から高速状態に切り替える。コンプレッサ68の回転速度が既に高速状態である場合、制御部96は、コンプレッサ68の回転速度を維持する。一方、コンプレッサ68の回転速度が低速状態である場合、制御部96は、コンプレッサ68の回転速度を増加させる。これにより、コンプレッサ68からカソード供給流路62Aへのエアの吐出流量が増加する。よって、希釈器60に供給されるエアが増加する。なお、制御部96は、必要に応じてバイパス弁78を開き、エアの増加に伴う燃料電池スタック12の内部の乾燥を防止する。
ステップS21からステップS23に移行すると、制御部96は、コンプレッサ68の回転速度を高速状態から低速状態(停止状態を含む)に切り替える。コンプレッサ68の回転速度が既に低速状態である場合、制御部96は、コンプレッサ68の回転速度を維持する。一方、コンプレッサ68の回転速度が高速状態である場合、制御部96は、コンプレッサ68の回転速度を低下させる。
[5 各弁の開閉状態と希釈エア量との時間変化]
図5は、従来技術における各弁の開閉状態と、コンプレッサ68が吐出する希釈エア量と、第2ドレイン弁58の開弁要求の有無とのタイムチャートである。図6は、本実施形態における各弁の開閉状態と、コンプレッサ68が吐出する希釈エア量と、第2ドレイン弁58の開弁要求の有無とのタイムチャートである。
図5は、従来技術における各弁の開閉状態と、コンプレッサ68が吐出する希釈エア量と、第2ドレイン弁58の開弁要求の有無とのタイムチャートである。図6は、本実施形態における各弁の開閉状態と、コンプレッサ68が吐出する希釈エア量と、第2ドレイン弁58の開弁要求の有無とのタイムチャートである。
図5で示されるように、従来技術では、第1ドレイン弁56の開弁期間(t01~t02)と第2ドレイン弁58の開弁期間(t03~t04)とが離れている。希釈器60は、第1ドレイン弁56の開弁タイミング(t01)と、第2ドレイン弁58の開弁タイミング(t03)の各々で、大量のエアを必要とする。このため、制御部96は、第1ドレイン弁56の開弁タイミング(t01)と、第2ドレイン弁58の開弁タイミング(t03)の各々で、コンプレッサ68の回転速度を低速から高速に切り替える。また、制御部96は、第1ドレイン弁56の閉弁タイミング(t02)と、第2ドレイン弁58の閉弁タイミング(t04)の各々で、コンプレッサ68の回転速度を高速から低速に切り替える。
図6で示されるように、本実施形態では、第1ドレイン弁56の開弁期間(t11~t12)と第2ドレイン弁58の開弁期間(t12~t13)とが連続している。このため、制御部96は、第1ドレイン弁56の開弁タイミング(t11)で、コンプレッサ68の回転速度を低速から高速に切り替える。また、制御部96は、第2ドレイン弁58の閉弁タイミング(t13)で、コンプレッサ68の回転速度を高速から低速に切り替える。一方、制御部96は、第1ドレイン弁56の閉弁タイミング(t12)及び第2ドレイン弁58の開弁タイミング(t12)で、コンプレッサ68の回転速度を維持する。つまり、第1ドレイン弁56の閉弁タイミング(t12)及び第2ドレイン弁58の開弁タイミング(t12)で、コンプレッサ68の振動変化及びノイズ変化は発生しない。
図6で示されるように、制御部96は、第1ドレイン弁56と第2ドレイン弁58とブリード弁82のうちの2つ以上の弁を同時に開けない。2つ以上の弁が開けられると、水素の希釈により多くのエアが必要となる。この場合、コンプレッサ68は、高速で回転する必要がある。すると、コンプレッサ68の振動、ノイズ及び消費電力が大きくなる。このため、ユーザが不快に感じる虞がある。更に、燃費が悪化する。このため、制御部96は、1つの弁を開けている場合に他の弁を開けない。
[6 実施形態から得られる発明]
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
本発明の第1態様は、アノード流路(36)のアノードガスとカソード流路(38)のカソードガスとにより発電する燃料電池スタック(12)と、前記アノード流路から排出される排出流体をガスと水とに分離する気液分離器(54)と、前記気液分離器の前記水及び前記ガスを外部に排出する第1排出流路(46)と、前記アノード流路の前記排出流体を外部に排出する第2排出流路(48)と、前記第1排出流路を開閉する第1弁(56)と、前記第2排出流路を開閉する第2弁(58)と、外部に排出される前記排出流体及び前記ガスを希釈するためのエアを供給するコンプレッサ(68)と、前記第1弁と前記第2弁の各々の開閉を制御する制御部(96)と、を備える燃料電池システム(10)である。前記制御部は、前記第1弁を閉じるタイミングで前記第2弁を開け、前記第1弁を閉じる前の前記コンプレッサの動作状態を、前記第2弁を開けた後も維持する。
第1態様においては、第1弁が閉じるタイミングで第2弁が開き、その間にコンプレッサは動作を継続する。このため、第1態様においては、第1弁を閉じるタイミングでコンプレッサの回転速度を大きく減速する必要がない。また、第1態様においては、第2弁を開けるタイミングでコンプレッサの回転速度を大きく増速する必要がない。従って、第1態様によれば、コンプレッサの振動が大きく変化する回数と、ノイズが大きく変化する回数とを低減することができる。
上記態様において、前記第1弁の内部の流路の径と、前記第2弁の内部の流路の径とは、互いに同一であってもよい。
上記構成によれば、開弁対象が第1弁から第2弁に切り替わる際に、コンプレッサの回転速度は略一定でよい。従って、開弁対象が第1弁から第2弁に切り替わる際に、コンプレッサの振動とノイズとは変化しない。
本発明の第2態様は、アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、前記アノード流路から排出される排出流体をガスと水とに分離する気液分離器と、前記気液分離器の前記水及び前記ガスを外部に排出する第1排出流路と、前記アノード流路の前記排出流体を外部に排出する第2排出流路と、前記第1排出流路を開閉する第1弁と、前記第2排出流路を開閉する第2弁と、外部に排出される前記排出流体及び前記ガスを希釈するためのエアを供給するコンプレッサと、前記第1弁と前記第2弁の各々の開閉を制御するコンピュータ(94)と、を備える燃料電池システムの振動ノイズ低減方法であって、前記コンピュータは、前記第1弁を閉じるタイミングで前記第2弁を開け、前記第1弁を閉じる前の前記コンプレッサの動作状態を、前記第2弁を開けた後も維持する。
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
36…アノード流路 38…カソード流路
46…第1ドレイン流路(第1排出流路)
48…第2ドレイン流路(第2排出流路)
54…気液分離器 56…第1ドレイン弁(第1弁)
58…第2ドレイン弁(第2弁) 68…コンプレッサ
94…制御装置(コンピュータ) 96…制御部
36…アノード流路 38…カソード流路
46…第1ドレイン流路(第1排出流路)
48…第2ドレイン流路(第2排出流路)
54…気液分離器 56…第1ドレイン弁(第1弁)
58…第2ドレイン弁(第2弁) 68…コンプレッサ
94…制御装置(コンピュータ) 96…制御部
Claims (3)
- アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、
前記アノード流路から排出される排出流体をガスと水とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器の前記水及び前記ガスを外部に排出する第1排出流路と、
前記アノード流路の前記排出流体を外部に排出する第2排出流路と、
前記第1排出流路を開閉する第1弁と、
前記第2排出流路を開閉する第2弁と、
外部に排出される前記排出流体及び前記ガスを希釈するためのエアを供給するコンプレッサと、
前記第1弁と前記第2弁の各々の開閉を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記第1弁を閉じるタイミングで前記第2弁を開け、前記第1弁を閉じる前の前記コンプレッサの動作状態を、前記第2弁を開けた後も維持する、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記第1弁の内部の流路の径と、前記第2弁の内部の流路の径とは、互いに同一である、燃料電池システム。 - アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、
前記アノード流路から排出される排出流体をガスと水とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器の前記水及び前記ガスを外部に排出する第1排出流路と、
前記アノード流路の前記排出流体を外部に排出する第2排出流路と、
前記第1排出流路を開閉する第1弁と、
前記第2排出流路を開閉する第2弁と、
外部に排出される前記排出流体及び前記ガスを希釈するためのエアを供給するコンプレッサと、
前記第1弁と前記第2弁の各々の開閉を制御するコンピュータと、
を備える燃料電池システムの振動ノイズ低減方法であって、
前記コンピュータは、
前記第1弁を閉じるタイミングで前記第2弁を開け、
前記第1弁を閉じる前の前記コンプレッサの動作状態を、前記第2弁を開けた後も維持する、燃料電池システムの振動ノイズ低減方法。
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