JP4701664B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、車両に搭載され、図1に示すように、電解質膜11aを挟持するように配設されたカソード(酸素極)11b及びアノード(水素極)11cを有する燃料電池11を備える。そして、燃料電池11は、カソード11b及びアノード11cにそれぞれ空気及び水素の供給を受けて発電する。
〔アノード〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔カソード〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素系として、水素タンク12、水素タンク元弁13、減圧弁14、及び水素供給弁15を備え、水素タンク12内の高圧水素は、減圧弁14にて所定圧力まで機械的に減圧された後、水素供給弁15にて所望の圧力まで低下されて、アノード11cに供給される。また、アノード11cで未使用の水素は、水素循環経路16、エゼクタ17、及び水素循環ポンプ18を介して再びアノード11cへ循環される。水素循環経路16、エゼクタ17、及び水素循環ポンプ18を設けたことにより、アノード11cで未使用の水素ガスを再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。
上記燃料電池システムの空気系は、空気を圧縮するコンプレッサ21を備え、コンプレッサ21により圧縮された空気をカソード11bへ供給する。そして、カソード11bでは、空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。また、カソード11bで未使用の空気は、空気調圧弁22により圧力調整されてマフラー23を介して系外へ排出される。
上記燃料電池システムの冷却系は、冷却水流路11eに冷却水を圧送する冷却水ポンプ31と、冷却水流路11eから排出された冷却水をラジエータ32を経由して冷却水ポンプ31に戻るラジエータ側流路33とラジエータ32を迂回して冷却水ポンプ31に戻るバイパス流路34との間で分流する三方弁35とを備える。また、ラジエータ32は、内部を流れる冷却水を冷却するためのラジエータファン36を備える。この冷却系は、三方弁35の開度を制御してラジエータ側流路33及びバイパス流路34を流れる冷却水の流量を調整することにより、燃料電池11を所望の運転温度に制御する。
上記燃料電池システムの制御系は、コンプレッサ21の空気吸入口付近における外気温度を検出する外気温センサ41と、燃料電池システム周部の大気圧を検出する大気圧センサ42と、カソード11b及びアノード11cに供給される空気及び水素の圧力を検出する圧力センサ43a,43cと、コンプレッサ21の回転数を検出する回転数センサ44と、コンプレッサ21からカソード11bに供給される空気の流量を検出する流量センサ45とを備える。また、この制御系は、冷却水流路11eの入口側及び出口側の冷却水温度を検出する温度センサ46a,46bと、カソード11bから排出される空気の温度を検出する温度センサ46cと、燃料電池11の出力電圧を検出する電圧センサ47と、車両を駆動するモータ(図示せず)の動力として利用する燃料電池11の発電電力を取り出すパワーマネージャー48と、各種センサの検出結果に従って起動,発電,及び停止する際の燃料電池システムの動作を制御するコントローラ49とを備える。
圧力制御処理は、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、始めに、相対値計算部51が、カソード11bの入口側における空気の目標圧力と、大気圧センサ42により検出された燃料電池システム周部の大気圧との相対値(又は、差分や比)を算出し、算出された相対値を空気調圧弁開度計算部52に入力する。
11b:カソード(酸素極)
11c:アノード(水素極)
21:コンプレッサ
22:空気調圧弁
41:外気温センサ
42:大気圧センサ
43a,43c:圧力センサ
44:回転数センサ
45:流量センサ
46a,46b,46c:温度センサ
49:コントローラ
51:相対値計算部
52:空気調圧弁開度計算部
53:開度補正量計算部
54:空気調圧弁指令補正演算部
61:基準状態運転変換部
Claims (11)
- 燃料極及び酸化剤極に燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、酸化剤ガス供給路を介して前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス排出路に設けられ、前記酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御手段とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システム周部の大気圧を検出する大気圧検出手段と、
前記大気圧検出手段により検出された大気圧と前記酸化剤極に供給する酸化剤ガスの目標圧力の相対値と、前記酸化剤極に供給する酸化剤ガス量を表す物理量とを用いて、前記圧力制御手段の操作量を演算する圧力制御演算手段と、
前記酸化剤ガス排出路から排出される酸化剤ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記大気圧検出手段及び前記温度検出手段により検出された燃料電池システム周部の大気圧と酸化剤ガスの温度の少なくとも一方を用いて、前記圧力制御演算手段により演算された操作量を補正し、補正された操作量に従って前記圧力制御手段を制御する補正演算手段と
を備えることを特徴と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、
前記補正演算手段は、前記大気圧検出手段により検出された大気圧が所定の基準大気圧より低い場合、前記圧力制御手段における圧損が小さくなるように前記圧力制御演算手段により演算された操作量を補正することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記補正演算手段は、前記大気圧検出手段により検出された大気圧が所定の基準大気圧より高い場合、前記圧力制御手段における圧損が大きくなるように前記圧力制御演算手段により演算された操作量を補正することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項3のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記補正演算手段は、前記温度検出手段により検出された酸化剤ガスの温度が所定の基準温度より高い場合、前記圧力制御手段における圧損が小さくなるように前記圧力制御演算手段により演算された操作量を補正することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項4のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記補正演算手段は、前記温度検出手段により検出された酸化剤ガスの温度が所定の基準温度より低い場合、前記圧力制御手段における圧損が大きくなるように前記圧力制御演算手段により演算された操作量を補正することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池システム周部の大気圧と温度に応じて、前記酸化剤ガス供給手段の稼働状態を変更する酸化剤ガス安定供給手段と、
前記大気圧検出手段及び前記温度検出手段により検出された燃料電池システム周部の大気圧と酸化剤ガスの温度の少なくとも一方を用いて、前記酸化剤安定供給手段により変更された稼働状態を表す値を、所定の基準環境下における稼働状態を表す値に変換する変換手段とを備え、
前記圧力制御演算手段は、前記変換手段により変換された稼働状態を表す値を用いて前記圧力制御手段の操作量を演算すること
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項6に記載の燃料電池システムであって、
前記変換手段は、燃料電池システム周部の大気圧が前記所定の基準環境において想定されている大気圧より低い場合、及び/又は燃料電池システム周部の温度が所定の基準環境において想定されている温度より高い場合、前記酸化剤供給手段の稼働状態を示す値を減少させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項6又は請求項7に記載の燃料電池システムであって、
前記変換手段は、燃料電池システム周部の大気圧が前記所定の基準環境において想定されている大気圧より高い場合、及び/又は燃料電池システム周部の温度が所定の基準環境において想定されている温度より低い場合、前記酸化剤供給手段の稼働状態を示す値を増加させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記物理量は、前記酸化剤ガス供給手段の稼働状態を表す値であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記物理量は、前記酸化剤ガス供給路内における酸化剤ガスの流量であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記物理量は、酸化剤ガスの供給遅れを考慮した酸化剤ガスの目標供給量であることを特徴とする燃料電池システム。
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