JP5104612B2 - ガス濃度推定装置及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
度を推定するガス濃度推定装置に関し、電解質膜の劣化度合を決定する決定手段と、燃料電池の運転停止時間を計測する計測手段と、燃料電池の運転停止時間と燃料極側の不純物濃度又は燃料ガス濃度との関係特性のうち上記決定手段により決定された電解質膜の劣化度合に応じた関係特性を選択し、この選択された関係特性に基づいて上記計測手段により計測された運転停止時間に対応する燃料極側の不純物濃度又は燃料ガス濃度を燃料電池ガス濃度として推定する濃度推定手段と、を備えるというものである。
図1は、実施例1における燃料電池システムのシステム構成例の1部を示すブロック図である。図1に示すように、実施例1における燃料電池システム1は、燃料電池10、圧力センサ12、圧力調整弁13、遮断弁14、燃料ガスタンク15、排気弁21、希釈器23、ECU(Electric Control Unit)25等を備える。以下、本発明に関連する燃料
電池システムの燃料極(アノード)側の構成のみ説明するものとし、それ以外の構成については説明を省略する。本発明は、この説明を省略した部分の構成を限定するものではない。
により構成される。ECU25は、メモリに格納された制御プログラムをCPUに実行させることにより上述の各機器の制御をそれぞれ行う。第1実施例におけるECU25は、燃料電池10のアノード側流路に滞留する水素ガス濃度を推定し、この推定された水素ガス濃度に応じて圧力調整弁13及び排気弁21の開閉状態を制御する。以降、アノード側流路に滞留する水素ガス濃度を滞留水素ガス濃度とも表記する。
の供給圧力を上昇させる。一方で、ECU25は、滞留水素ガス濃度が所定閾値RX(%)以上となる場合に、圧力センサ12で検出される水素ガスの供給圧力値が第2目標値P2になるように圧力調整弁13を制御することにより水素ガスの供給圧力を上昇させる。第1目標値P1には第2目標値P2よりも大きい値が設定される。すなわち、ECU25は、このような第1目標値P1及び第2目標値P2を用いることにより、滞留水素ガス濃度が低い即ち不純物ガス濃度が高い場合に起動直後の水素ガスの供給圧力上昇度が高くなるように制御する。
な、運転停止時間と燃料電池10のアノード側流路に滞留する水素ガス濃度との関係特性情報を予め作成して保持する。なお、不純物ガス濃度に応じた制御を行う場合には、予め不純物ガス濃度と運転停止時間との関係特性情報を保持するようにしてもよい。
停止時間を越えるか否かで圧力調整弁13及び排気弁21を制御することと等価である。
以下、実施例1における燃料電池システム1の動作例について図4を用いて説明する。図4は、実施例1における燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
経過時間を運転停止時間として計測している。
ECU25は、前者を取得した場合には、取得された滞留水素ガス濃度が閾値RXより低いか否かを判定する(S406)。ECU25は、後者を取得した場合には、(S402)で取得された運転停止時間が(S405)で取得された閾値RXに対応する運転停止時間よりも長いか否かを判定する(S406)。この判定は、アノード側流路に滞留する不純物ガス濃度が所定の閾値よりも高いか否かの判定と等価である。
図5は、実施例2における燃料電池システムのシステム構成例の1部を示すブロック図である。実施例2における燃料電池システム1は、実施例1の構成に加えて、水素センサ51を燃料電池10のアノードオフガス出口近辺のオフガス排出配管32に備える。以下、第1実施例と異なる構成としての水素センサ51とECU25の処理について説明する。
ECU25は、燃料電池システム1が起動されてから時間tまでの間の水素ガス濃度の
推移モデルを保持し、この推移モデルに水素センサ51から送られる水素ガス濃度、圧力センサ12から送られる水素ガス供給圧力、排気弁21の開度を当てはめることにより図6に示すようにして起動直後の滞留水素ガス濃度を遡って推定する。図6は、第2実施例における滞留水素ガス濃度の遡り推定処理の概念を示す図である。
後の滞留水素ガス濃度(H2(0)と表記)、水素ガス供給圧力(PH2(t)と表記)及
び排気弁21の開度(SV開度(t)と表記)を用いて以下の(式1)のように表すことができる。関数fは、燃料電池システム1が起動された後の水素ガス濃度の推移モデルを示す。
上記関係式のうちH2(k)は、水素センサ51が活性化されることにより検出され、水
素ガス供給圧力(PH2(t))は圧力センサ12により検出され、排気弁21の開度(SV開度(t))は排気弁21の制御時に取得可能である。これにより、上記方程式からH2(0)を導くことができる。
池10の実機に応じて予めシミュレーション等で決定されECU25により保持されればよい。
ECU25は、上述のように起動直後の滞留水素ガス濃度を算出すると、そのときに実施例1の手法で選択されていた濃度マップから推定される滞留水素ガス濃度とその算出値
との関係から修正率マップを図7に示すように決定する。図7は、実施例1の手法により推定される滞留水素ガス濃度と第2実施例における推移モデルから算出された滞留水素ガス濃度とに基づく修正率マップの例を示す図である。図7の例では、実施例1の手法により推定される滞留水素ガス濃度はR2(%)であり、第2実施例における推移モデルから算出された滞留水素ガス濃度はR2'(%)であり、このときの運転停止時間はT2(分
)である。
CU25は、運転停止時間0(分)の修正率を1(修正なし)としてこの点から時間T2における修正率(R2'/R2)の点を通る修正直線を修正マップとして生成する。この
修正マップは、この修正直線を示す関数として保持されてもよいし、所定のサンプル数を次元とする配列データとして保持されてもよい。
以下、実施例2における燃料電池システム1の動作例について図9及び10を用いて説明する。図9は、実施例2における燃料電池システムの動作例のうち修正マップの生成処理を示すフローチャートである。図10は、実施例2における燃料電池システムの動作例のうち濃度マップの補正処理を示すフローチャートである。なお、図10において、実施例1と同じ処理については同一符号を付している。
とにより今回の制御で利用された運転停止時間における修正率を得る。ECU25は、この修正率を用いて修正マップを生成し(S905)、この生成された修正マップを保持する(S906)。この修正マップは、次に燃料電池システム1が停止され再起動される際の制御で利用される。
上述の実施例1及び2では、アノードオフガスが循環されない循環レスシステムの例を示したが、アノードオフガスが循環されて再度燃料電池10へ供給される循環システムでも同様に適用可能である。
10 燃料電池
12 圧力センサ
13 圧力調整弁
14 遮断弁
15 燃料ガスタンク
21 排気弁
23 希釈器
25 ECU(Electric Control Unit)
51 水素センサ
Claims (6)
- 電解質膜、酸化剤極及び燃料極を含むセルを有する燃料電池の燃料極側のガス濃度を推定するガス濃度推定装置において、
前記電解質膜の劣化度合を決定する決定手段と、
前記燃料電池の運転停止時間を計測する計測手段と、
前記燃料電池の運転停止時間と前記燃料極側の不純物濃度又は燃料ガス濃度との関係特性のうち前記決定手段により決定された電解質膜の劣化度合に応じた関係特性を選択し、この選択された関係特性に基づいて前記計測手段により計測された運転停止時間に対応する前記燃料極側の不純物濃度又は燃料ガス濃度を燃料電池ガス濃度として推定する濃度推定手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度推定装置。 - 前記決定手段は、起動回数及び負荷運転履歴の少なくとも1方を含む前記燃料電池の運転履歴を取得し、該運転履歴に基づいて前記電解質膜の劣化度合を決定する、
ことを特徴とする請求項1に記載のガス濃度推定装置。 - 前記決定手段は、前記負荷運転履歴として、所定出力密度以上を出力している累積時間、該所定出力密度以上を出力するまでの単位時間当たりの変化幅が所定幅を超えた回数の少なくとも1方を利用する、
ことを特徴とする請求項2に記載のガス濃度推定装置。 - 前記濃度推定手段により推定される燃料電池ガス濃度は、前記燃料電池の起動直後における前記燃料極側の不純物濃度又は燃料ガス濃度ガス濃度である、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のガス濃度推定装置。 - 前記燃料電池の起動後所定時間経過後に検出器により検出された燃料極側のガス濃度情報を取得する第1情報取得手段と、
前記燃料電池の起動時から前記所定時間経過後までの間の燃料ガスの供給圧力及び排気バルブの開度を逐次取得する第2情報取得手段と、
前記第1情報取得手段及び第2情報取得手段により取得された各情報に基づいて前記燃料電池の起動直後のガス濃度を再推定する濃度再推定手段と、
を更に備え、
前記濃度推定手段は、
前回起動時に推定されたガス濃度と前記濃度再推定手段により再推定されたガス濃度との比較結果に基づいて、今回の起動直後のガス濃度を推定するために選択される前記関係特性を補正する、
ことを特徴とする請求項4に記載のガス濃度推定装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載のガス濃度推定装置と、
前記燃料電池と、
前記ガス濃度推定装置により推定された前記燃料電池の燃料極側のガス濃度に応じて、前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力及び前記燃料電池から送出されるガスの排出量の少なくとも1方を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システム。
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