JP4325216B2 - 燃料電池プラントの制御装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池プラントの制御装置に関する。特にパッケージ収納型の燃料電池プラントにおいて、パッケージ内の換気流量の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池本体では、燃料極に水素等の燃料ガスを接触させると共に、酸化剤極に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、これにより生じる電気化学反応により電気エネルギを取り出す。このような燃料電池本体およびその周辺要素をパッケージに収容した燃料電池プラントが知られている。
【0003】
このような燃料電池プラントにおいては、パッケージ内部には燃料ガスが漏洩する可能性がある。そこで、パッケージに、雰囲気ガスを外部に排出して外気をパッケージ内に取り込む換気手段を備えたものがある。また、パッケージ内での燃料ガスの漏洩を検出する手段を備えたものが知られている。例えば、パッケージの排気部またはその近傍に配置した可燃性ガスを検出する可燃性ガス漏洩検出手段と、可燃性ガス漏洩検出手段からの可燃性ガス検知信号に基づいて、パッケージの換気風量を増加させる制御手段を備えたものが知られている(例えば、特許文献1、参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−31436号公報
【0005】
【発明が解決しようとしている問題点】
このような従来の技術においては、可燃性ガス漏洩検出手段が可燃性ガスの濃度が上がったことを検出して、初めて、パッケージの換気風量を増加している。そのため、可燃性ガスの濃度が上昇するのに対して、換気風量の増加が追いつかないという問題が発生する可能性がある。
【0006】
また、このような問題を避けるために、可燃性ガスが検出されていない場合でも換気風量を多めに設定すると、換気ファンの負荷が大きくなって消費電力が増大する、という問題が生じる。
【0007】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、パッケージ内の可燃性ガス濃度に応じて換気を行うことができる燃料電池プラントの制御装置を提供することを目的とする。
【0008】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料極に供給した燃料ガス及び酸化剤極に供給した酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を含む燃料電池システムを備える。また、前記燃料電池システムのうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段と、前記燃料電池に要求される電力を算出する要求電力算出手段と、を備える。さらに、前記要求電力算出手段で算出された要求電力に基づいて前記燃料電池システムから前記パッケージ手段内に排出される燃料ガスの流量を推定する燃料ガス排出流量推定手段と、前記燃料ガス排出流量推定手段で推定された燃料ガス流量に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段と、を備える。
【0009】
または、燃料極に供給した燃料ガス及び酸化剤極に供給した酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を含む燃料電池システムと、を備える。また、前記燃料電池システムのうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段と、を備える。さらに、前記燃料電池の出力電流または出力電圧または出力電力のいずれか一つに基づいて前記燃料電池システムから前記パッケージ手段内に排出される燃料ガスの流量を推定する燃料ガス排出流量推定手段と、前記燃料ガス排出流量推定手段で推定された燃料ガス流量に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段と、を備える。
【0010】
【作用及び効果】
要求電力算出手段で算出された要求電力に基づいて燃料電池システムからパッケージ手段内に排出される燃料ガスの流量を推定する燃料ガス排出流量推定手段と、前記燃料ガス排出流量推定手段で推定された燃料ガス流量に応じて換気手段を制御する換気制御手段と、を備える。これにより、パッケージ手段内の可燃性ガス濃度に応じて換気手段を制御することができるので、遅れることなく、パッケージ手段内の可燃性ガス濃度を抑制しつつ、過剰な換気により燃費が悪化するのを避けることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態に用いる燃料電池プラントについて説明する。ここでは、燃料電池システム1において生成した電力を車輌の駆動源として用いる場合について説明する。図1に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。
【0012】
燃料電池システム1として、発電を行う燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置3と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置4を備える。また、燃料ガスを貯蔵する燃料タンク5を備える。さらに、燃料タンク5からの燃料の供給を選択的に遮断する遮断弁5aを備える。
【0013】
燃料ガス供給装置3には、燃料タンク5から高圧状態の燃料ガス、例えば水素ガス等が送られる。水素ガスは、燃料ガス供給装置3において図示しない圧力制御弁等により設定された圧力まで減圧されてから、燃料電池スタック2に供給される。一方、酸化剤ガス供給装置4には、酸化剤、例えば図示しないブロア等により空気が導入され、流量調整が為されてから燃料電池スタック2に供給される。水素ガスおよび空気の供給流量は、後述するコントローラ10において燃料電池スタック2に要求される要求電力に応じて制御される。
【0014】
また、燃料電池スタック2、燃料ガス供給装置3、酸化剤ガス供給装置4を収納するパッケージ6を備える。燃料電池スタック2や燃料ガス供給装置3、酸化剤供給装置4または配管から可燃性ガス、例えば燃料ガスが漏洩した場合には、パッケージ6内の雰囲気ガスに燃料ガスが含まれる。そこで、パッケージ6内の燃料ガス濃度が所定濃度より高くならないように、パッケージ6内の雰囲気ガスを外部に排出する換気ファン7、および、外気をパッケージ6に取り入れる外気取入口8を備える。換気ファン7を回転させることで外気取入口8から外気をパッケージ6内に導入する。導入された外気は、パッケージ6内で燃料ガスと混合されてから換気ファン7を通って排出される。
【0015】
なお、換気ファン7を通って排出された雰囲気ガス内には水素ガスが含まれるため、換気ファン7の近傍、または、雰囲気ガスを外部に排出するまでの経路上に燃焼器等の水素処理装置を備えても良い。また、本実施形態では、換気ファン7側から排気する引出し型の換気構成としているが、外気取入口8の替わりに外気排出口を設けて、パッケージ6内の雰囲気ガスを外部に押し出す押し出し型の換気構成としてもよい。また、パッケージ6内に燃料ガス供給手段3や酸化剤ガス供給手段4を収納したが、配管に継ぎ目等がなく、水素ガスを漏洩する可能性がないと判断できる場合には、これらをパッケージ6の外側に配置してもよい。
【0016】
さらに、駆動モータ/インバータ30を備える。駆動モータ/インバータ30では、後述するコントローラ10からのモータトルク指令値に従って駆動トルクを発生する。駆動モータ/インバータ30には、リレー20を通って燃料電池システム1から給電される。駆動モータ/インバータ30において生じた機械エネルギを、図示しない出力軸を介してタイヤに伝えることにより燃料電池車輌の走行を行う。
【0017】
次に、このような燃料電池車輌の駆動装置の制御系について説明する。ここでは燃料電池車輌の制御装置としてコントローラ10を備える。
【0018】
図示しない車速センサからのパルス信号と、図示しない基準タイマと、から車速を求める車輌状態検出手段11を備える。また、ドライバのアクセルペダル操作量からアクセル開度を求める運転操作検出手段12を備える。
【0019】
また、その時々の車速、アクセル開度からモータトルク指令値を算出する目標出力算出部13を備える。目標出力算出部13には、車速とアクセル開度から図2に示すような2次元マップ等を用いて目標駆動力を算出する駆動力算出部と、目標駆動力と車輌質量・タイヤ半径・減速ギア比等のパラメータから目標モータトルクを算出するモータトルク指令値算出部を備える。ここで、図2のFは、駆動力、車輌質量、タイヤ半径、減速ギア比と、モータトルクとの関係を表す式である。また、駆動モータ/インバータ30を制御するモータ制御装置14を備える。モータ制御装置14では、目標出力算出部13で求めたモータトルク指令値に応じて駆動モータ/インバータ30を制御することで、ドライバの運転操作に追従した走行を行う。
【0020】
さらに、目標出力算出部13には、燃料電池スタック2の要求電力指令値を算出する要求電力算出部を備える。要求電力算出部では、例えば、駆動モータ/インバータ30における損失等を考慮して、モータトルク指令値を実現するために駆動モータ/インバータ30に供給する電力を算出する。これに、車輌や燃料電池システム1で消費される補機電力を加算したものを、燃料電池スタック2の要求電力指令値として出力する。
【0021】
また、燃料電池システム1を要求電力指令値に応じて制御する燃料電池システム制御手段15を備える。燃料電池システム制御手段15では、要求電力指令値に応じて電力を正常に取り出せるように、燃料電池システム1を制御する。ここでは、予め定められたロジックに従って燃料ガス供給装置3に備えるアクチュエータと、酸化剤ガス供給装置4に備えるアクチュエータと、を制御する。
【0022】
また、パッケージ6内の換気を制御する換気ファン制御手段16を備える。換気ファン制御手段16は、予め定められたロジックに従い、目標出力算出手段13で算出された要求電力指令値に基づいて、換気ファン7の目標回転速度を算出する。これにより、図示しない換気ファン7を駆動するモータ/モータドライブを制御する。
【0023】
次に、換気ファン制御手段16における換気ファン7の制御方法の詳細を、図3を用いて説明する。
【0024】
換気ファン制御手段16を、燃料ガス排出流量推定手段161、必要換気流量算出手段162、換気ファン回転速度指令値算出手段163から構成する。
【0025】
燃料ガス排出流量推定手段161には、予め実験等により、要求電力指令値と燃料電池システム1から漏洩または排出される燃料ガスの排出流量との関係を求めておき、図4に示すようなテーブルや、近似式として記憶しておく。なお、本実施形態では、燃料電池スタック2に供給された水素ガスはほぼ完全に消費される。つまり、燃料電池スタック2の燃料極から排出されるガスは、ほぼゼロとなる。または、燃料電池スタック2から燃料排ガスが排出される場合にも、図示しない配管等を通って水素処理装置等に供給されるものとする。よって、この燃料ガス排出流量は燃料電池システム1から漏洩した燃料ガス流量となる。図4に示すように、要求電力が大きく、燃料電池スタック2に供給される燃料ガス供給流量が大きいほど、燃料電池システム1から漏洩する燃料ガス流量が大きくなると推定できる。つまり、要求電力指令値が大きいほど燃料ガス排出流量も大きくなると推定できる。このように、目標出力算出手段13で求めた要求電力指令値を燃料ガス排出流量推定手段161に入力し、ここに記憶しておいた要求電力と燃料ガス排出流量の関係から、燃料ガス排出流量を推定する。
【0026】
必要換気流量算出手段162では、燃料ガス排出流量推定手段161で算出された燃料ガス排出流量推定値から、パッケージ6内の燃料ガス濃度を所定濃度以下とするのに必要な換気流量を算出する。ここでは、図5に示すような燃料ガス排出流量に対する必要換気流量を示すテーブルや近似式を予め記憶しておき、燃料ガス排出流量推定値を入力することにより必要換気流量を算出する。図5に示すように、燃料ガス排出流量に比例して換気流量は増大する。ここで、燃料ガス濃度の許容限界値としての所定濃度を、例えば、燃料ガスが水素ガスであれば4%以下とする。ここでは所定濃度を1%または2%等に予め設定しておく。このように、燃料ガス排出流量推定手段161で求めた燃料ガス排出流量推定値から、必要換気流量を算出する。
【0027】
次に、換気ファン回転速度指令値算出手段163では、必要換気流量算出手段162で算出した必要換気流量を実現するために必要な換気ファン7への指令値を算出する。例えば、図6に示すような換気流量と換気ファン7の回転速度との関係を予め実験等により求めておき、これを換気ファン回転速度指令値算出手段162に記憶しておくことで、換気ファン7への指令値を算出する。ここで、図6に示すように、必要換気流量が大きいほど、換気ファン7の回転速度が大きくなる。換気ファン回転速度指令値算出手段163で求めた換気ファン7への目標回転速度指令値に従って、図1内の図示しない換気ファン7用のモータ/モータドライブを制御する。
【0028】
このように燃料電池システム1への要求電力指令値に応じて換気流量を制御する。ここでは、要求電力指令値に応じて燃料ガス排出流量を推定する。パッケージ6内に排出される燃料ガスを所定濃度以下に維持するために必要な換気流量を算出し、これを実現するための換気ファン7への回転速度指令値を算出する。要求電力指令値に応じて換気流量を設定することで、ドライバの意図により燃料電池車輌に要求される駆動力が大きく変化しても、要求電力に応じて換気流量を変化させることができる。そのため、運転状況の変化に遅れることなく、常に燃料ガス濃度を予め設定した濃度以下に保つことができると同時に、過剰な換気を行うことにより無駄に補機消費電力を増大して燃費を悪化させるのを抑制することができる。
【0029】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【0030】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用いて発電を行う燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段3と、燃料電池スタック2に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段4を備える。また、燃料電池スタック2と、燃料ガス供給手段2と、酸化剤ガス供給手段3と、のうち少なくとも燃料電池スタック2を収納するパッケージ6と、パッケージ6内の換気を行う換気ファン7を備える。さらに、燃料電池スタック2に要求される電力を算出する目標出力算出部13と、目標出力算出部13で算出された要求電力に応じて換気ファン7を制御する換気ファン制御手段16と、を備える。これにより、燃料電池システム1の運転状態が大きく変化しても、遅れることなく、常に雰囲気ガス内の燃料ガス濃度を予め設定された所定濃度以下に保ちながら、過剰な換気により無駄に補機消費電力を増大させて燃費を悪化させるのを避けることができる。
【0031】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック2からの燃料排ガスをほぼゼロとしているが、燃料ガスが水素以外のガスを含む場合には、燃料スタック2から少量の水素を含んだ燃料排ガスをパッケージ6内に排出する構成としてもよい。このときも、要求電力指令値の増加に応じて燃料ガス排出流量も増加するので、上述した制御と同様の制御を行うことができる。
【0032】
次に、第2の実施形態について説明する。図7に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0033】
燃料電池車輌の駆動装置の構成を、第1の実施形態と同様とする。ただし、燃料電池スタック2の運転状態を検出するために、電流センサ21および電圧センサ22を備える。ここでは、駆動モータ/インバータ30と燃料電池システム1とを繋ぐ高電圧ラインに、燃料電池スタック2の出力検出手段として、電流センサ21、電圧センサ22を備える。電流センサ21は、燃料電池スタック2から駆動モータ/インバータ30に供給されるスタック電流を検出する。電圧センサ22は、燃料電池スタック2の電圧であるスタック電圧を検出する。ここでは、電流センサ21と電圧センサ22の両方を備えるが、どちらか一方のみを設置してもよい。
【0034】
次に、コントローラ10について説明する。燃料電池システム1および駆動モータ/インバータ30の制御を第1の実施形態と同様とする。以下、換気ファン7の制御方法の概略を説明する。
【0035】
換気ファン制御手段16では、予め定められたロジックに従って換気ファン7の目標回転速度指令値を算出する。ここでは、目標回転速度指令値を、電流センサ21により検出されたスタック電流、または、電圧センサ22により検出されたスタック電圧、または、電流センサ21および電圧センサ22の検出結果から算出したスタック出力のいずれか一つに応じて算出する。本実施形態では、電流センサ21と電圧センサ22を備え、スタック出力に応じて換気ファン7の目標回転速度指令値を算出する。算出した目標回転速度指令値に応じて、図示しない換気ファン7を駆動するモータ/モータドライブを制御する。
【0036】
次に、換気ファン制御手段16における換気ファン7の目標回転速度指令値の算出方法を図8に示す。換気ファン制御手段16を、燃料ガス排出流量推定手段164と、必要換気流量算出手段162と、換気ファン回転速度指令値算出手段163と、から構成する。
【0037】
燃料ガス排出流量推定手段164には、予め実験等により求めた図9に示すようなスタック出力に対する燃料ガス排出流量の関係を示すテーブル、または近似式を記憶しておく。電流センサ21、電圧センサ22の検出結果より算出したスタック出力から、その時点における燃料ガス排出流量を推定する。図9に示すように、スタック出力が大きい場合には、燃料電池スタック2で消費される燃料ガス消費流量が大きく、燃料電池スタック2に供給される燃料ガス供給流量も大きいと推定できる。そのため、燃料ガス排出流量も大きいと推定できる。つまり、スタック出力が大きい場合には、漏洩する燃料ガス流量が大きくなり、燃料ガス排出流量が大きいと推定される。
【0038】
ここでは、パラメータとしてスタック出力を用いたが、スタック電流やスタック電圧を用いる場合には、図10、図11に示すような関係を用いる。図10に示すように、スタック電流が大きい場合には、燃料スタック2で消費される燃料ガス消費流量も大きく、燃料ガス供給流量が大きいと推定される。そのため燃料ガス排出流量が大きいと推定される。また、図11に示すように、スタック電圧が大きい場合には、燃料電池スタック2から取り出す電力が小さく、燃料ガス消費流量は小さいと推定できる。よって燃料ガス供給流量も小さいと推定されるので、燃料ガス排出流量も小さいと推定される。
【0039】
このように、その時点の燃料ガス排出流量を推定したら、必要換気流量算出手段162において、パッケージ6内の雰囲気ガスの燃料ガス濃度が所定濃度以上とならないような必要換気流量を算出する。さらに換気ファン回転速度指令値算出手段163において、この必要換気流量を実現するための換気ファン7の目標回転速度指令値を算出する。
【0040】
このように、本実施形態では、燃料電池システム1の運転状態に応じてパッケージ6内の換気流量を制御する。ここでは、運転状態としてスタック出力、スタック電流、スタック圧力のいずれかに応じて燃料ガス排出流量を推定し、これから必要換気流量を算出して、パッケージ6内の換気を制御する。言い換えれば、燃料電池スタック2の燃料ガス消費流量を算出し、これに応じて燃料ガス排出流量を推定して換気流量を制御する。
【0041】
次に、本実施形態における効果について説明する。
【0042】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池スタック2と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段3と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段4を備える。また、少なくとも燃料電池スタック2を収納するパッケージ6と、パッケージ6内の換気を行う換気ファン77を備える。さらに、燃料電池スタック2の運転状態に応じて換気ファン7を制御する換気ファン制御手段16を備える。これにより、燃料電池スタック2の運転状態が大きく変化しても、これに応じて換気ファン7を制御することができる。ここでは、燃料電池スタックの運転状態の変化に応じて、時々刻々、燃料電池システム1からパッケージ6内に排出される燃料ガス排出流量を正確に推定することができる。この推定値に基づいて換気ファン7を制御するので、遅れることなく、常に燃料ガス濃度を予め設定された値以下に保ちながら、過剰な換気を行って無駄に補機消費電力を増大させて燃費を悪化させるのを避けることができる。また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分となるのを避けることができる。
【0043】
また、燃料電池スタック2の出力電流を検出する電流センサ21と、燃料電池スタック2の出力電圧を検出する電圧センサ22の少なくとも一方を備える。燃料電池スタック2の出力電流または出力電圧または出力電力のいずれか一つに応じて、換気ファン7への指令値を制御する。これにより、簡単な構成で燃料電池スタック2において消費される燃料ガス消費流量を推定することができる。予め実験等で求めた燃料ガス消費流量と燃料ガス排出流量との関係から、最適な換気流量となるように換気ファン7を制御することができる。また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になるのを避けることができる。
【0044】
なお、第1の実施形態と同様に、燃料スタック2から少量の水素を含んだ燃料排ガスがパッケージ6内に排出される構成としてもよい。このときも、燃料ガス消費流量の増加に応じて燃料ガス排出流量も増加するので、上述した制御と同様の制御を行うことができる。
【0045】
次に、第3の実施形態について説明する。図12に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0046】
燃料電池車輌の駆動装置の構成を、第1の実施形態と同様とする。ただし、電流センサ21や電圧センサ22の替わりに、燃料タンク5から燃料ガス供給装置3へ燃料ガスを供給するラインに燃料供給流量センサ23を備える。燃料供給流量センサ23は、燃料ガス供給装置3から燃料電池スタック2に燃料ガスを供給するラインに配置してもよい。つまり、燃料供給流量センサ23を、燃料電池スタック2に供給される燃料ガス供給流量を検出できる位置に配置する。
【0047】
次に、コントローラ10について説明する。燃料電池システム1および駆動モータ/インバータ30の制御方法は、第2の実施形態と同様とする。以下、換気ファン7の制御方法の概略を説明する。
【0048】
換気ファン制御手段16には、予め実験等により求めた燃料ガス供給流量に対する燃料ガス排出流量のテーブルや近似式を記憶させておく。ここで、燃料電池スタック2への燃料ガス供給流量が増大するに従って、燃料電池システム1から漏洩する燃料ガス排出流量も大きくなる。換気ファン制御手段16に燃料供給流量センサ23で検出した燃料ガス供給流量を入力し、これに基づいて燃料ガス排出流量を推定する。さらに燃料ガス排出流量から必要な換気流量を算出し、換気ファン7の目標回転速度指令値を算出する。この目標回転速度指令値に応じて、図示しない換気ファン7を駆動するモータ/モータドライブを制御する。
【0049】
このように、本実施形態では、燃料電池システム1の運転状態に応じてパッケージ6内の換気流量を制御する。ここでは、燃料ガス供給流量に応じて燃料ガス排出流量を推定し、これから必要換気流量を設定して換気ファン7の回転速度指令値を算出する。
【0050】
次に、本実施形態における効果を説明する。以下、第2の実施形態とは異なる効果について説明する。
【0051】
燃料電池スタック2に供給する燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量センサ23を備え、燃料ガス供給流量に応じて、換気ファン7への指令値を算出する。このように、燃料ガス供給流量から換気ファン7への指令値を算出することにより遅れることなく、常に燃料ガス濃度を予め設定された値以下に保ちながら、過剰な換気により無駄に補機消費電力を増大させることなく換気を行うことができる。ここでは、燃料電池システム1から漏洩する燃料ガスを含む燃料ガス供給流量から燃料ガス排出流量を推定するので、より正確に燃料ガス排出流量を推定することができる。また、また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になることも避けることが可能である。
【0052】
なお、第2の実施形態と同様に、燃料スタック2から少量の水素を含んだ燃料排ガスがパッケージ6内に排出される構成としてもよい。このときも、燃料ガス供給流量の増加に応じて燃料ガス排出流量も増加するので、上述した制御と同様の制御を行うことができる。
【0053】
次に、第4の実施形態について説明する。図13に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第3の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0054】
燃料電池車輌の駆動装置の構成を、第3の実施形態と同様とする。ただし、燃料供給流量センサ23の替わりに、燃料タンク5の圧力を検出する圧力センサ24を備える。圧力センサ24で検出した燃料タンク5の圧力の変化から、燃料電池スタック2に供給した燃料ガス供給流量を推定する。さらに、第3実施形態と同様に、燃料ガス供給流量に基づいて換気ファン7の目標回転速度を算出する。
【0055】
ここで、高圧タンク5内の水素質量と、タンク圧力との関係は、ファンデルワールスの式(1)から求めることができる。
【0056】
【式1】
ここで、Pはタンク内圧力、nはタンク内気体モル数、Rは気体定数、Tは気体の絶対温度、Vはタンク容積、a、bは気体により決まる定数である。
【0057】
この関係は、図14に示すように、二次式で近似可能である。この二次式の係数A、Bを、予め実験等により燃料タンク5の温度毎に求め、記憶しておく。次に、温度は急激には変化しないと仮定して、そのときの温度からマップ引きにより係数A、Bを決定する。ある制御周期での燃料タンク5内の燃料質量と次の制御周期での燃料タンク5内の燃料質量とを、それぞれの圧力から算出する。この質量変化から、その間に燃料タンク5から流出した燃料質量を算出する。これを単位時間あたりの燃料質量変化に換算することで、燃料タンク5からの燃料ガス供給流量を算出する。以下、第3の実施形態と同様に、燃料ガス供給流量から燃料ガス排出流量を算出し、さらに必要換気流量を算出し、これに従って換気ファン7の回転速度を制御する。
【0058】
このように、本実施形態では、燃料電池システム1の運転状態に応じてパッケージ6内の換気を制御する。ここでは、燃料タンク5内の圧力変化に応じて燃料電池スタック2に供給される燃料ガス供給流量を推定する。これに応じて必要換気流量を設定してパッケージ6内の換気流量を制御する。
【0059】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第3の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【0060】
燃料電池スタック2に供給する燃料を貯蔵する燃料タンク5と、燃料タンク5内の圧力を検出する圧力センサ24と、を備え、燃料タンク5内の圧力の時間変化に応じて、換気流量を設定する。これにより、燃料ガス供給流量を正確に算出することができる。さらに、燃料電池システム1から漏洩する燃料ガスを含む燃料ガス供給流量から燃料ガス排出流量を推定する。これにより、さらに正確に燃料ガス排出流量を推定することができる。
【0061】
なお、第3の実施形態と同様に、燃料スタック2から少量の水素を含んだ燃料排ガスがパッケージ6内に排出される構成としてもよい。
【0062】
次に、第5の実施形態について説明する。図15に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0063】
燃料電池スタック2において、発電に伴って空気極から燃料極側に窒素等が浸透することにより、燃料電池スタック2における発電効率が低下する場合がある。このようなときには、燃料電池スタック2の燃料極内の燃料ガスをパージすることにより、発電効率を維持する必要がある。
【0064】
そこで、本実施形態では、燃料電池システム1に燃料ガスの循環ライン40と、循環ライン40内で燃料ガスを循環させる循環ポンプ41、燃料極の燃料ガスを選択的にパッケージ6内にパージするパージ弁42を備える。循環ライン40を、燃料電池スタック2の燃料極の排出側と供給側とを連結するように構成する。循環ポンプ41により、燃料電池スタック2の図示しない燃料極出口から排出される残燃料を燃料電池スタック2の燃料極の入口に再投入する。また、パージ弁42により、空気極から燃料極側に浸透した窒素等の濃度が高い場合に、燃料極および循環ライン40内の燃料ガスを含む混合ガスをパッケージ6内に放出する。
【0065】
次に、コントローラ10について説明する。
【0066】
燃料電池システム制御手段15における、要求電力指令値に応じた燃料ガス供給手段3や酸化剤ガス供給手段4の制御は第1の実施形態と同様とする。ただし、これに加えて循環ポンプ41やパージ弁42の制御も行う。
【0067】
ここでは、燃料電池スタック2の要求電力に応じてパージ弁42の開閉を制御する。燃料電池スタック2への要求電力が大きい場合には、燃料ガスおよび空気の流量も増大し、空気極から燃料極に浸透する窒素の量も増大する。そこで、要求電力が大きいほど、パージ弁42の開度を大きく設定する。ここでは、パージ弁42を開いて燃料極内のガスをパージする頻度を多くして、燃料電池スタック2の発電効率を維持する。このように、本実施形態では、要求電力指令値に応じてパージ弁42の開閉を設定し、パージ弁駆動信号を出力することによりパージ弁42を駆動する。これにより、パージが不十分だったり、過剰なパージを生じたりするのを避けることができる。
【0068】
次に、燃料極でパージを行う際の換気ファン7の制御方法について説明する。
【0069】
換気ファン制御手段16には、予め実験等により求めた、パージ弁駆動信号とパージ流量との関係を示すテーブルや近似式を記憶しておく。換気ファン制御手段16において、燃料電池システム制御装置15からのパージ弁駆動信号検出したら、要求電力指令値により設定されたパージ弁駆動信号に応じてパージ流量を推定する。ここでは、パージ弁駆動信号が大きいほど、つまり、パージ弁42の開度要求が大きいほど、循環ライン40を含む燃料極系からパッケージ6内に排出される燃料ガスのパージ量が大きいと推定される。
【0070】
このパージ流量に、第1〜4の実施形態のいずれかで求めた燃料電池システム1からの燃料ガス漏洩流量(第1〜4の実施形態の燃料ガス排出流量に相当)を加算することにより、燃料ガス排出流量を算出する。燃料ガス排出流量から必要換気流量を算出し、必要換気流量に応じて算出した換気ファン7の目標回転速度に基づいて、図示しない換気ファン7を駆動するモータ/モータドライブを制御する。
【0071】
このように、本実施形態では、要求電力や実際の出力にかかわる物理量、すなわち燃料電池スタック2にかかわる運転状態に応じて換気流量を設定するのに加えて、パージにより排出された燃料ガスの流量に応じて換気流量の補正を行う。
【0072】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第1の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【0073】
燃料電池スタック2の燃料極側を、パッケージ6内にパージするか否かを選択するパージ弁42を備える。ここでは、燃料電池スタック2の燃料極から排出された燃料ガスを再び燃料極に循環させる循環ライン40と、循環ライン40内の燃料ガスをパッケージ6内に選択的にパージするパージ弁42を備える。さらに、パージ弁42の駆動信号を算出する燃料電池システム制御手段15を備える。燃料電池システム制御手段15において算出したパージ弁42の駆動信号に応じて、換気ファン7への指令値を補正する。これにより、パージにより放出される燃料ガスに対して換気流量を設定することができ、さらに適切に換気ファン7を制御することができる。その結果、遅れることなく、常に燃料ガス濃度を所定濃度以下に保ちながら、過剰な換気による燃費の悪化を避けることができる。また、燃料ガスの偏在により換気流量が不足するのを避けることができる。
【0074】
なお、本実施形態では、パージ弁42の駆動信号が出力されている場合に、パージ量に応じて換気流量を増大したが、パージ終了後にもパッケージ6内の燃料ガス濃度が十分に低減されるまで、パージ量に応じた換気流量の補正を継続することが好ましい。
【0075】
また、本実施形態では、パージ弁42の駆動信号を、パージ弁42が開かれる頻度を示す信号としたが、パージ弁42が開かれている時間の長さを示す信号としてもよい。この場合には、パージ弁42が開かれる時間が長いほど燃料ガスパージ流量は大きいと推定されるので、換気流量を大きく設定する。または、パージ弁42の開度が調整可能な場合には、要求電力に応じてパージ弁42の開度を調整してもよい。例えば、要求電力が大きい場合にはパージ弁42が大きく開くように制御する。この場合には、パージ弁42の駆動信号をパージ弁42の開度を示す信号とし、パージ弁42の開度が大きい場合に換気流量を大きく設定することで、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0076】
さらに、燃料極内に水詰まりが生じた場合にも、これを解消するためにパージが行われる。この場合にも、燃料ガスパージ流量に応じて換気流量を補正することで、パッケージ6内を所定濃度以下とすることができる。
【0077】
次に、第6の実施形態について説明する。図16に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0078】
燃料電池システム1を第2の実施形態と同様に構成する。ただし、燃料電池システム1の運転状態の検出手段としては、燃料電池スタック2から出力されるスタック電流を検出する電流センサ21と、燃料タンク5からの燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量センサ23を備える。
【0079】
また、コントローラ10において、燃料電池システム1および駆動モータ/インバータ30の制御方法を第2の実施形態と同様とする。以下、換気ファン制御手段16における換気ファン7の制御方法について、図17を用いて説明する。
【0080】
換気ファン制御手段16として、燃料ガス排出流量推定手段164と、必要換気流量算出手段162と、換気ファン回転速度指令値算出手段163と、を備える。さらに、スタック電流から燃料ガスの消費流量を推定する燃料ガス消費流量推定手段166を備える。
【0081】
電流センサ21で検出したスタック電流を燃料ガス消費流量推定手段166に入力する。燃料ガス消費流量推定手段166においては、入力されたスタック電流から、燃料電池スタック2で消費される燃料ガスの消費流量を推定する。ここで、スタック電流が大きいほど燃料ガス消費流量は大きくなる。この燃料ガスの消費流量推定値と燃料供給流量センサ23により検出した燃料ガスの供給流量を、燃料ガス排出流量推定手段164に入力する。燃料ガス排出流量推定手段164において、燃料ガス供給流量と燃料ガス消費流量推定値との差から、燃料ガス排出流量推定値を算出することができる。これにより、例えば、燃料ガス供給装置3から燃料電池スタック2に供給する配管の途中で燃料ガスが漏洩している場合等にも、漏洩分も加算して燃料ガス排出流量を設定することができる。
【0082】
次に、必要換気流量算出手段162では、燃料ガス排出流量推定手段164で算出された燃料ガス排出流量推定値から、燃料ガス濃度が予め定められた所定濃度以下となるような必要換気流量を算出する。換気ファン回転速度指令値算出手段163では、必要換気流量算出手段162において算出された必要換気流量を実現するために必要な換気ファン7への目標回転速度指令値を算出する。
【0083】
このように、本実施形態では、燃料電池スタック2の運転状態に応じてパッケージ6内の換気を制御する。ここでは燃料電池スタック2への燃料ガス供給流量と、スタック電流から推定した燃料ガス消費流量とから燃料ガス排出流量を推定する。この燃料ガス排出流量から必要換気流量を算出し、これに基づいて回転速度指令値を設定する。
【0084】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第2の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【0085】
燃料電池スタック2に供給する燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量センサ23と、燃料電池スタック2で消費する燃料ガス消費流量を推定する電流センサ21と、を備える。燃料ガス供給流量と燃料ガス消費流量に応じて、換気ファン7への指令値を算出する。これにより、燃料ガスの配管などに穴が開く等の制御装置が検出できない不具合が生じたとしても、推定される漏洩量に応じて換気ファン7を制御することができ、常にパッケージ6内の換気流量を適切に維持することができる。また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になるのを避けることができる。
【0086】
なお、燃料ガス消費流量を推定するパラメータとしてスタック電流を用いているが、スタック電圧、スタック出力から求めても良い。また、燃料ガス供給流量を検出するために燃料供給流量センサ23を備えたが、第3実施形態と同様に、圧力センサ24から燃料ガス供給流量を算出してもよい。
【0087】
また、第5の実施形態と同様に、循環ライン40を備えた燃料電池プラントに適用することもできる。このような場合には、燃料ガス供給流量と燃料ガス消費流量の差は、燃料ガス漏洩流量とパージ流量の和である燃料ガス排出流量となる。よって、この燃料ガス排出流量の応じて換気流量を調整することで、予期しないパージ弁の固着等が発生しても、その推定放出流量に応じて換気流量を適切に保つことができる。
【0088】
次に、第7の実施形態について説明する。図18に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0089】
燃料電池システム1の構成を第1の実施形態と同様とする。ただし、検出手段として、パッケージ6内に、換気流量を測定する換気流量センサ25を備える。ここでは、換気流量センサ25を、パッケージ6内の雰囲気ガスの出口部分となる換気ファン7近傍に備える。
【0090】
また、コントローラ10において、燃料電池システム1および駆動モータ/インバータ30の制御を第1の実施形態と同様とする。以下、換気ファン7の制御方法について図19を用いて説明する。
【0091】
換気ファン制御手段16を、燃料ガス排出流量推定手段161、必要換気流量算出手段162、換気流量補正手段165から構成する。目標出力算出手段13から要求電力指令値を燃料ガス排出流量推定手段161に入力し、第1の実施形態と同様に燃料ガス排出流量推定値を求める。また、必要換気流量算出手段162において、燃料ガス排出流量推定手段161で算出された燃料ガス排出流量推定値から、第1の実施形態と同様に必要換気流量を算出する。
【0092】
次に、換気流量補正手段165に、流量センサ25からの測定換気流量と、必要換気流量算出手段162で算出された必要換気流量と、を入力し、これらを比較することにより換気ファン7の目標回転速度指令値を補正するフィードバック制御を行う。例えば、測定換気流量と必要換気流量との差に応じて目標回転速度を補正し、これを繰り替えし行うことにより換気ファン7により必要換気流量分だけ換気を行う。このように補正した目標回転速度指令値に応じて、図示しない換気ファン7を駆動するモータ/モータドライブを制御する。
【0093】
このように、本実施形態では、必要換気流量と測定換気流量とを比較することにより、目標回転速度指令値を補正する。なお、ここでは、第1の実施形態において求めた必要換気流量と、測定換気流量とを比較することにより制御ファン7の補正を行っているが、第1〜6のいずれの実施形態において求めた必要換気流量を用いて換気ファン7の回転速度指令値を補正してもよい。
【0094】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第1の実施形態における効果と異なる効果のみを説明する。
【0095】
パッケージ6内に、換気流量を測定する換気流量センサ25を備え、換気流量センサ25により測定した換気流量に応じて、換気ファン7を制御する指令値を補正する。これにより、回転速度に対して換気ファン7により送られる換気流量が変化した場合にも、これを補正することができる。例えば、燃料電池プラントを車輌に搭載するような場合には、車輌が走行することで発生する走行風の影響等の外乱にかかわらず、パッケージ6内の換気流量をより正確に目標通りに調整することができる。さらに、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になるのを防ぐことができる。
【0096】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図2】アクセル開度と車速に対する駆動力を示した図である。
【図3】第1の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【図4】要求出力に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図5】燃料ガス排出流量に対する必要換気流量を示した図である。
【図6】換気流量に対する換気ファンの回転速度を示した図である。
【図7】第2の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図8】第2の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【図9】スタック出力に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図10】スタック電流に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図11】スタック電圧に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図12】第3の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図13】第4の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図14】燃料タンク内の圧力に対する燃料質量を示した図である。
【図15】第5の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図16】第6の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図17】第6の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【図18】第7の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図19】第7の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【符号の説明】
2 燃料電池スタック(燃料電池)
3 燃料ガス供給手段
4 酸化剤ガス供給手段
5 燃料タンク(燃料貯蔵手段)
6 パッケージ(パッケージ手段)
7 換気ファン(換気手段)
13 目標出力算出手段(要求電力制御手段)
15 燃料電池システム制御手段(パージ手段制御手)
16 換気ファン制御手段(換気制御手段)
21 電流センサ(電流検出手段)
22 電圧センサ(電圧検出手段)
23 燃料供給流量センサ(燃料供給流量検出手段)
24 圧力センサ(圧力検出手段)
25 換気流量センサ(換気流量測定手段)
40 循環ライン(燃料循環系)
42 パージ弁(パージ手段)
166 燃料ガス消費流量推定手段
Claims (2)
- 燃料極に供給した燃料ガス及び酸化剤極に供給した酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を含む燃料電池システムと、
前記燃料電池システムのうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、
前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段と、
前記燃料電池に要求される電力を算出する要求電力算出手段と、
前記要求電力算出手段で算出された要求電力に基づいて前記燃料電池システムから前記パッケージ手段内に排出される燃料ガスの流量を推定する燃料ガス排出流量推定手段と、
前記燃料ガス排出流量推定手段で推定された燃料ガス流量に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池プラントの制御装置。 - 燃料極に供給した燃料ガス及び酸化剤極に供給した酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を含む燃料電池システムと、
前記燃料電池システムのうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、
前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段と、
前記燃料電池の出力電流または出力電圧または出力電力のいずれか一つに基づいて前記燃料電池システムから前記パッケージ手段内に排出される燃料ガスの流量を推定する燃料ガス排出流量推定手段と、
前記燃料ガス排出流量推定手段で推定された燃料ガス流量に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池プラントの制御装置。
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