JP4647236B2 - 燃料電池の反応ガス供給装置 - Google Patents
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Description
ところで、燃料電池で発電をさせる際に、アノード極とカソード極との圧力の差分(極間差圧)を一定以内の範囲に保持する必要がある。そこで、燃料電池のカソード入口圧力を基準圧として印加し、燃料電池のアノード供給圧力を調整するレギュレータを有するシステムがある。例えば、特許文献1には、アノード極に印加する圧力をレギュレータを介して自動的に調整可能とするために、カソード極に印加する圧力を制御装置で制御する技術が提案されている(特許文献1参照)。
本発明は、様々な運転状態に対応可能とし、要求出力に対する応答性を高めることができる燃料電池の反応ガス供給装置を提供することを目的とする。
また、前記検出されたアノード極の圧力が前記アノード極目標圧力と略一致するように、前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することにより、燃料電池のアノード極に供給するガスの圧力を目標値に調整(一致)させることができる。
この発明によれば、前記オリフィスを圧力調整器の上流側であって、前記レギュレータとの分岐よりも上流側に設けることで、前記圧力調整器からのエアの排出量に対して、前記圧力調整器に流入してくるエア量を抑制することで、前記エア流路の経路の長さに関わらず、圧力調整の安定化を図ることができ、さらに、前記エア量の変動に対する前記圧力調整器の応答性を高めることができる。
この発明によれば、前記弁体が前記流通孔の閉方向に縮径してなる形状であるため、前記弁体を前記流通孔の閉方向に移動させて前記流通孔を閉塞させる際の発生音を低減することができ、また、前記弁体を前記流通孔の開方向または閉方向に移動させることにより、前記弁体と前記流通孔との間隔を一義的に設定することができるため、圧力調整を一義的に調整することができ、圧力調整を高い精度で行うことができる。
また、前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することができる。
請求項2に係る発明によれば、大気圧が変動した場合であっても前記出口圧を所定値に調整することができるとともに、前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することができる。
請求項3に係る発明によれば、エゼクタを介して循環する水素の量を適正な量に調整することができるとともに、前記エゼクタの切換えられた径に応じて前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することができる。
請求項4に係る発明によれば、前記圧力調整器からのエアの排出量に対して、前記圧力調整器に流入してくるエア量を抑制することで、前記エア流路の経路の長さに関わらず、圧力調整の安定化を図ることができ、さらに、前記エア量の変動に対する前記圧力調整器の応答性を高めることができる。
請求項5に係る発明によれば、前記弁体を前記流通孔の閉方向に移動させて前記流通孔を閉塞させる際の発生音を低減することができ、圧力調整を高い精度で行うことができる。
図1は、この発明の一実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置の構成を示すブロック図である。燃料電池1は、固体高分子電解質膜の両側にアノード極とカソード極が設けられ各電極の外側に反応ガスを供給するためのガス通路が設けられてなるセルを多数積層して構成されている。
この燃料電池1は、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスとしての空気が供給されて発電を行う。
レギュレータ5のボディ21の内部空間は調圧ダイヤフラム22a、22b(22)によって上下に仕切られていて、ダイヤフラム22aよりも上側の空間は信号圧室23になっていて、ダイヤフラム22bよりも下側の空間は水素ガス通路24になっている。信号圧室23は空気導入孔25を備えた密閉空間になっていて、コンプレッサ2で加圧された空気が空気信号導入路15を介して空気導入孔25から信号圧室23に導入される。
また、ボディ21には、弁体27が配置されている側の水素ガス通路24aに連通する水素ガス入口31と、弁体27が配置されていない側の水素ガス通路24bに連通する水素ガス出口32が設けられていて、水素ガス入口31、水素ガス出口32は水素供給管13に接続されている。
そして、ECU10は、図示しないバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧センサ38、大気圧センサ37、アノード入口圧センサ42、カソード入口圧センサ43、レギュレータ圧力センサ35に接続され、これらのセンサの検出値に基づいて、エアインジェクタ36の開度を調整するようにしている。
まず、ステップS12で、アイドルストップ要求があるかどうか、換言すれば、車両がアイドル状態で発電要求がない時にコンプレッサ2の停止要求があるかどうかを判定し、判定結果がYESの場合はステップS14に進み、判定結果がNOの場合はステップS16に進む。
ステップS14では、水素圧力基準値PHBSをアイドルストップ専用値PHSTPに設定して、ステップS18に進む。このように、アイドルストップ時には水素圧力基準値PHSTPを特別な値に持ち替える。
ステップS20では、目標アノード圧ベース値PHBSと冷却水圧力値PWとの差が、ΔP2以下になるように目標アノード圧ベース値PHBSを制限して(リミットをかけて)、その値を目標アノード圧PHTARに設定する。
これらステップS18、S20の処理を行うことにより、燃料電池1の固体高分子電解質膜を極間差圧の変動から保護している。
本実施の形態においては、運転状態(発電状態)に応じて、エゼクタ6のノズル(図示せず)の径を切り換える。すなわち、発電電流が大きくなるにつれて、径の大きなノズルに切り換える。上述したマップ1は、多段に切り換わるエゼクタ6の径のうちの一つの径に対するマップであり、エゼクタ6のそれぞれの径に対応するマップを有している。このようにすることで、エゼクタ6の径が切り換わって、それに応じてアノード圧の圧損が変わっても、この圧損の変動を加味した適正な制御を行うことができる。
レギュレータ5は、大気圧POを基準に出口圧を所定値に調整する機能を有する調整弁であるが、燃料電池1のアノード入口圧力の目標値は、絶対圧で設定される。
よって、大気圧の変動を加味した目標圧力PREGTARを変更することで、大気圧が低下しても、前記レギュレータ5に印加される調整圧を適正に調整することにより、アノード極の入口圧(絶対圧)を目標値に調整することができる。
このように、フィードバック制御を行うことにより、検出されたアノード入口圧PHが目標アノード圧PHTARと略一致するように、レギュレータ5に印加される調整圧を適正に調整することができる。
ステップS38では、基本値TIBSに補正係数KTIPOをかけて、その値に補正値TIPHを加算して、フィードフォワード基本値TICMDTMPとする。
これにより、フィードバック制御量の基本値TIBSを大気圧に応じた適正な値にすることができる。
そして、ステップS40で、TICMDTMPに無効時間TIVを加算して、インジェクタ指令値TICMDを算出する。
このようにすることで、レギュレータ5に対する基準圧を適正な値に調整することが可能となり、要求出力に対する応答性を高めることができる。
この電磁弁50aは、図12に示すように、所定間隔でON、OFF制御される。このON、OFF制御のデューティー比は、ECU10により燃料電池1上流側のアノード極圧や信号圧、または両者の圧を監視することで制御される。これにより、電磁弁50aの開弁時間が設定される。このようにすると、簡易な制御構成で、信号圧をコントロールすることが可能となる。
2 コンプレッサ
5 レギュレータ
6 エゼクタ
10 ECU
30 水素タンク
35 レギュレータ圧力センサ
36 エアインジェクタ(圧力調整器)
37 大気圧センサ
39 エア流路
42 アノード入口圧センサ
43 カソード入口圧センサ
50(50a、50b) 電磁弁(圧力調整器)
Claims (5)
- 燃料電池のカソード極に加圧されたエアを供給するコンプレッサと、
燃料電池のアノード極に水素を供給する水素供給手段と、
燃料電池の運転状態に応じて前記コンプレッサを制御してカソード極の圧力を調整する制御装置と、
前記カソード極のエア圧力を基準圧として印加され、このエア圧力に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータとを有する燃料電池の反応ガス供給装置において、
前記レギュレータに印加するエア圧力のエア流路からエアを排出することにより、前記レギュレータに印加される基準圧を調整可能な圧力調整器を設け、
前記圧力調整器開度のフィードバック制御量は、前記燃料電池の目標発電量に応じて定まるアノード極目標圧力と、検出されたアノード極の圧力とに応じて算出されることを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。 - 前記レギュレータは、前記大気圧を基準として、印加される調整圧に対する出口圧を所定値に調整するものであり、
前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量は、大気圧に応じて算出されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。 - 前記水素供給手段は、前記アノード極から排出される水素をエゼクタを介して再度アノード極に供給させる循環流路を備え、
前記エゼクタは、水素供給流路の径が多段に切り換わるものであり、
前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量は、前記エゼクタの前記水素供給流路の径に応じて、算出されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。 - 前記エア流路には、前記圧力調整器の上流側であって、前記レギュレータとの分岐よりも上流側にオリフィスを設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
- 前記圧力調整器は、前記レギュレータに供給するエアを排出する流通孔を開閉可能な弁体を備え、
該弁体は、前記流通孔の閉方向に縮径してなる形状であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
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