JP4100533B2 - 燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置 - Google Patents

燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水素燃焼器の燃焼温度が所定値内に入っているかを監視し、排水素燃焼器の温度異常を早期に検知し、適切な処置を講じることができる燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池車においては、メタノールと水、あるいはメタノールと水及び空気から水素を改質器で生成し、この水素と空気から電力をスタックで発電していた。
【0003】
このような燃料電池車では、スタックから排出された排水素を排水素燃焼器で燃焼させ、排水素燃焼器の排気熱を使って蒸発器に供給されるメタノールと水を蒸発させていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この排水素燃焼器の燃焼温度は、スタックからの排水素量によって決まるが、従来の燃料電池車では、排水素燃焼器は温度制御がなされていなかった。このため、燃料電池システムに異常が発生した場合には、排水素燃焼器の燃焼温度の異常低下や異常上昇を招くことが考えられる。
【0005】
そこで、排水素燃焼器に燃焼温度の異常が発生した場合に、排水素燃焼器の燃焼温度を所定温度に制御することが望まれていた。
【0006】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、上記課題を解決するため、メタノールと水及び空気から水素を改質器で生成し、この水素と空気から電力を燃料電池で発生し、この燃料電池で消費されなかった排水素を排水素燃焼器で燃焼させる燃料電池システムを搭載する燃料電池車において、改質器に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの流量と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演算する水素発生量演算手段と、燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素消費量を演算する水素消費量演算手段と、この水素発生量から水素消費量を引いて排水素量を演算する排水素量演算手段と、この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃焼推定温度を演算する燃焼推定温度演算手段と、排水素燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算する温度差演算手段と、この温度差が第1の所定値を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断する異常判断手段と、この異常判断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変更する運転制御手段とを備えたことを要旨とする。
【0008】
請求項2記載の発明は、上記課題を解決するため、前記運転制御手段は、前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することを要旨とする。
【0009】
請求項3記載の発明は、上記課題を解決するため、前記運転制御手段は、前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、前記温度差が前記第1の所定値より大きい第2の所定値を超えたときには、前記リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することを要旨とする。
【0010】
請求項4記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記水素消費量演算手段は、前記演算結果の水素消費量を前記燃料電池の温度を用いて補正することを要旨とする。
【0011】
【発明の効果】
請求項1記載の本発明によれば、改質器に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの流量と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演算し、燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素消費量を演算し、この水素発生量から水素消費量を引いて排水素量を演算し、この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃焼推定温度を演算し、排水素燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算する。ここで、この温度差が第1の所定値を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断し、この異常判断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変更することで、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【0012】
また、請求項2記載の本発明によれば、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することで、予め設定した所定値までは出力を下げて運転を継続することができる。この結果、異常検知後に直ちに車両の運転を停止しないで済み、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【0013】
また、請求項3記載の本発明によれば、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、温度差が第1の所定値より大きい第2の所定値を超えたときには、リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することで、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を異常程度に応じて順次変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【0014】
また、請求項4記載の本発明によれば、燃料電池の温度を検出しておき、演算結果の水素消費量を燃料電池の温度を用いて補正することで、精度よく燃料電池の水素消費量を推定することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0016】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置が適応可能な燃料電池システムの構成を示す図である。
【0017】
この燃料電池システムは、図1に示すように、改質器11、スタック13、排水素燃焼器15、熱交換器17と蒸発器19及びコントロールユニット21を備えていおり、原燃料としてメタノールを使用している。
【0018】
図1において、メタノール31と水33は、供給装置(図示せず)から開閉弁35,37を介して蒸発器19に供給され、蒸発状態で改質器11に流入する。改質器11には、開閉弁39を介して空気41が供給される場合もあり、メタノールと水、あるいはメタノールと水及び空気が反応して水素43を生成してスタック13に流入する。スタック13には、開閉弁45を介して空気47が供給され、水素と酸素が反応して発電される。スタック13から排出された排水素49と排空気51は、排水素燃焼器15で燃焼される。排水素燃焼器15から排出された排気53は、熱交換器17を通って外気へ排出される。熱交換器17では排気53から得た熱を利用して蒸発器19の温度を上げ、蒸発器19でメタノール31と水33を蒸発させる。
【0019】
改質器11の反応温度は、温度センサ61で検出される。スタック13で発電された電力は、電流計63と電圧計65でそれぞれ電流と電圧が検出され、さらに、バッテリやモータ(図示せず)に供給される。スタック13の温度は、温度センサ67で検出される。排水素燃焼器15の温度は、温度センサ69で検出される。排水素燃焼器5の周辺での外気温度は、外気温センサ71で検出される。メタノール31の流入量は、流量計73で計測される。水33の流入量は、流量計75で計測される。空気41の流入量は、流量計77で計測される。これらのセンサで計測された値は、コントロールユニット21に送られる。
【0020】
コントロールユニット21では、運転者によるアクセル操作に応じて、バッテリ(図示せず)とスタック13との電力配分に応じた出力指令に従ってメタノール31と水33及び空気41,47の供給量を制御する。
【0021】
次に、図2を参照して、コントロールユニット21の排水素燃焼器15に関する基本的な動作内容を説明する。なお、図2に示す各部は、排水素燃焼器15の排気温を推定するためにコントロールユニット21が実行するソフトウエアモジュールである。
【0022】
改質器水素発生量演算部81では、流量計73で計測されるメタノール量と、流量計75で計測される水流量と、流量計77で計測される空気量と、温度センサ61で検出される改質器での反応温度に基づいて、改質器11で発生される水素発生量を計算する。なお、改質器11では空気を使わない場合もある。
【0023】
また、スタック水素消費量演算部83では、電流計63と電圧計65で計測される出力電圧Vと出力電流Iに基づいてスタック13での水素消費量を計算する。このようにして求めた改質器の水素発生量からスタック13の水素消費量を引くことで排水素燃焼器水素入力量を演算する。そして、排水素燃焼器温度計算部85では、この排水素燃焼器水素入力量に基づいて、排水素燃焼器15の燃焼熱を算出する。
【0024】
ここで、図3は、排水素燃焼器15の周辺での外気温Taから燃焼部Tcまでの熱等価回路である。
【0025】
同図において、燃焼器の温度Tcは、燃焼部から外気までの熱抵抗θ(℃/W)と、排水素燃焼器水素入力量から求められる燃焼熱P(W)と、排水素燃焼器15の周辺での外気温Taに基づいて、
【数1】
Tc=P・θ+Ta (1)
となる。
【0026】
次に、図4に示すフローチャートを参照して、排水素燃焼器15の動作異常を判断するための処理について説明する。
【0027】
まず、ステップS10では、上述した(1)式の演算を行い排水素燃焼器5の温度Tcを推定する。そして、ステップS20では、温度センサ69により排水素燃焼器5の排気温度Teを検出する。そして、ステップS30では、排気温度検出値Teと推定値Tcの温度差の絶対値を取り、この値が所定値T1内に入っているかを判定する。
【0028】
【数2】
|Tc−Te|<T1 (2)
所定値T1内に入っている場合には、システムは正常運転中であるので、ステップS10に戻り、監視処理を繰り返す。
【0029】
一方、所定値T1内に入っていない場合には、ステップS40に進み、システム異常であると判断する。なお、運転席前方に設けられたインストルメントパネル内の表示器に予めシステム異常を表すLEDを備えておき、システム異常であると判断した場合にはこのLEDを点灯してシステムが異常状態にあることを運転者に報知するようにしてもよい。
【0030】
なお、ステップS30において、排気温度検出値Teと推定値Tcの差が規定値に入っているかを判定することで、改質器11の水素生成、スタック13の電力消費、排水素燃焼器15の燃焼、さらに、これらに関係するセンサ及びアクチュエータが正常に動作していることを確認することになる。
【0031】
このように、この温度差が所定値T1を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断することで、排水素燃焼器に加わえて改質器、燃料電池、温度センサのいずれかの異常をも検知することができるため、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【0032】
そして、ステップS50では、さらに広い範囲の所定値T2内に入っているか判定する。この範囲内に入っている場合には、リンプホーム制御に移行する。リンプホーム制御は、予め設定した所定値まで出力を下げて運転を可能とする制御方法であり、システムに異常を検知した後に、直ちにシステムの運転を停止せずに低出力状態で走行を継続するので、車両の信頼性を向上することができる。
【0033】
このように、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することで、予め設定した所定値までは出力を下げて運転を継続することができる。この結果、異常検知後に直ちに車両の運転を停止しないで済み、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【0034】
一方、この範囲内から外れている場合には、システム停止制御に移行する。システム停止制御は、今まで車両に供給していた電力を停止するので、車両の安全を確保するために、まず、システムを停止することを運転者に警告し、次に、蒸発器19へのメタノール31と水33の供給を停止し、さらに、改質器11への空気41の供給を停止する。この結果、スタック13での発電出力が徐々に減衰していき停止する。
【0035】
このように、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、温度差が第1の所定値より大きい第2の所定値を超えたときには、リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することで、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を異常程度に応じて順次変更できるようになり、排水素燃焼器に加わえて改質器、燃料電池、温度センサのいずれかが破損の可能性がある場合にのみ運転を停止するので、リンプホーム制御時でも燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【0036】
なお、上述した例では、ステップS30及びS50において排気温度検出値Teと推定値Tcの差の絶対値を取ったり、図5に示すように、その値が数直線上のどの位置にあるかで排水素燃焼器15の運転状態を判断したが、図6に示すように、符号付きで正負の規定値を変えて判断するようにしてもよい。
【0037】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、図1に示す第1の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能であり、その説明を省略する。
【0038】
図7に示す各部は、排水素燃焼器15の排気温を推定するためにコントロールユニット21が実行するソフトウエアモジュールであり、図2に示すスタック水素消費量演算部83をスタック水素消費量演算部93に変更したことを特徴としている。
【0039】
一般に、スタック13から出力可能な出力電流I及び出力電圧Vは、スタック温度Tに応じて、図8に示すスタック水素消費マップのように変動する。
【0040】
そこで、スタック水素消費量演算部93には、スタック13の出力電流Iと出力電圧V及びスタック温度Tに対応する水素消費量を予め実験的に求めておき、図8に示すように、スタック水素消費マップとしてコントロールユニット21の内部ROMに記憶してある。
【0041】
ここで、コントロールユニット21による排水素燃焼器15の燃焼熱の算出動作を説明する。
【0042】
スタック水素消費量演算部3では、電流計63と電圧計65で計測される出力電圧Vと出力電流I及びスタック温度Tに基づいて、図8に示すスタック水素消費マップを参照して、スタック13での水素消費量を求める。
【0043】
そして、上述したように、改質器水素発生量演算部81で求めた改質器の水素発生量からスタック13の水素消費量を引くことで排水素燃焼器水素入力量を演算する。そして、排水素燃焼器温度計算部85では、この排水素燃焼器水素入力量に基づいて、排水素燃焼器15の燃焼熱を算出する。
【0044】
このように、水素消費量をスタック13の温度Tを用いて補正することで、精度よく燃料電池の水素消費量を推定することができる。この結果、システム起動時から定常運転に移行する場合でも、排水素燃焼器に異常が発生したことを確実に判断でき、燃料電池車の運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置が適応可能な燃料電池システムの構成を示す図である。
【図2】排水素燃焼器の排気温を推定するためにコントロールユニット21が実行するソフトウエアモジュールである。
【図3】排水素燃焼器の周辺の外気温Taから燃焼部Tcまでの熱等価回路である。
【図4】排水素燃焼器の動作異常を判断するためのフローチャートである。
【図5】排水素燃焼器の運転状態を表す温度範囲の絶対値を示す数直線である。
【図6】排水素燃焼器の運転状態を表す温度範囲を示す数直線である。
【図7】排水素燃焼器の排気温を推定するためにコントロールユニット21が実行するソフトウエアモジュールである。
【図8】スタック水素消費マップを示す図である。
【符号の説明】
11 改質器
13 スタック
15 排水素燃焼器
17 熱交換器
19 蒸発器
21 コントロールユニット
31 メタノール31
33 水
35,37,45 開閉弁
41,47 空気
43 水素
49 排水素
51 排空気
53 素燃焼器
61,67,69 温度センサ
63 電流計
65 電圧計
71 外気温センサ
73,75,77 流量計

Claims (4)

  1. メタノールと水及び空気から水素を改質器で生成し、この水素と空気から電力を燃料電池で発生し、この燃料電池で消費されなかった排水素を排水素燃焼器で燃焼させる燃料電池システムを搭載する燃料電池車において、
    改質器に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの流量と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演算する水素発生量演算手段と、
    燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素消費量を演算する水素消費量演算手段と、
    この水素発生量から水素消費量を引いて排水素量を演算する排水素量演算手段と、
    この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃焼推定温度を演算する燃焼推定温度演算手段と、
    排水素燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算する温度差演算手段と、
    この温度差が第1の所定値を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断する異常判断手段と、
    この異常判断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変更する運転制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
  2. 前記運転制御手段は、
    前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することを特徴とする請求項1記載の燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
  3. 前記運転制御手段は、
    前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、前記温度差が前記第1の所定値より大きい第2の所定値を超えたときには、前記リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することを特徴とする請求項2記載の燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
  4. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
    前記水素消費量演算手段は、
    前記演算結果の水素消費量を前記燃料電池の温度を用いて補正することを特徴とする請求項1記載の燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
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