JP5302565B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5302565B2 JP5302565B2 JP2008102082A JP2008102082A JP5302565B2 JP 5302565 B2 JP5302565 B2 JP 5302565B2 JP 2008102082 A JP2008102082 A JP 2008102082A JP 2008102082 A JP2008102082 A JP 2008102082A JP 5302565 B2 JP5302565 B2 JP 5302565B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel gas
- sectional area
- pressure
- current value
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
また、前記噴射口調整手段は、前記噴射断面積を、前記最大噴射断面積である噴射断面積大と、前記噴射断面積大よりも小さい噴射断面積小との2段階で調整し、前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値以上の場合に前記噴射断面積大に調整し、前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第1所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大に調整し、前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第1所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整することが好ましい。
さらに、前記噴射口調整手段は、前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満であって現在の前記噴射断面積が前記噴射断面積大の場合に、前記第1所定圧力差ではなく、前記第1所定圧力差よりも小さい圧力差である第2所定圧力差に基づいて調整し、前記圧力差が前記第2所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大で維持し、前記圧力差が前記第2所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整することが好ましい。
具体的には、圧力センサの検出した検出圧力が目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、検出圧力と目標圧力との圧力差が所定値(所定圧力差)以上である場合、噴射口調整手段は、ノズルの噴射口における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池へ供給される燃料ガスの流量が多くなる。
具体的には、圧力センサの検出した検出圧力が目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、検出圧力と目標圧力との圧力差が所定値(所定圧力差)以上である場合、噴射口調整手段は、ノズルの噴射口における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池へ供給される燃料ガスの流量が多くなる。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池110と、燃料電池110のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、燃料電池110のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、燃料電池110の出力端子(図示しない)に接続され、燃料電池110の発電電力を消費する電力消費系と、IG(イグニッション)151と、アクセルペダル152と、これらを電子制御するECU(Electronic Control Unit、電子制御装置)160と、を備えている。そして、運転者によるアクセルペダル152の踏み込む量に応じて燃料電池110が発電し、この発電電力によって走行モータ141が駆動することで、燃料電池自動車が走行するようになっている。
燃料電池(燃料電池スタック)110は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟み2枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
カソードセパレータには、各MEAのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔(内部マニホールドと称される)や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路112(酸化剤ガス流路)として機能している。
2H2→4H++4e− ・・・(1)
O2+4H++4e−→2H2O ・・・(2)
アノード系は、水素タンク(燃料ガス供給手段)121と、遮断弁122と、減圧弁123と、エゼクタ10と、圧力センサ124と、パージ弁125と、を備えている。
水素タンク121は、配管121a、遮断弁122、配管122a、減圧弁123、配管123a、エゼクタ10、配管10aを順に介して、アノード流路111の入口に接続されている。そして、遮断弁122がECU160によって開かれると、水素が配管121a等を介してアノード流路111に供給されるようになっている。また、水素を所定圧力に減圧する減圧弁123には、カソード流路112に向かう空気の圧力が信号圧(パイロット圧)として入力され、前記空気の圧力と、アノード流路111における水素の圧力とが等しくなるように制御する構成となっている。なお、後記する排気弁134によって、前記信号圧は制御されている。
パージ弁125は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このようにパージ弁125が閉じている場合、アノード流路111から排出された未反応の水素を含むアノードオフガス(排出燃料ガス)が、配管125cを介して、エゼクタ10に戻され、再び、燃料電池110に供給、つまり、水素が循環するようになっている。
一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が増加した場合、つまり、循環する水素に同伴する不純物が増加した場合、ECU160によってパージ弁125は開かれ、アノードオフガスが、配管125bを介して、希釈器(図示しない)に排出されるようになっている。
次に、エゼクタ10について詳細に説明する。
エゼクタ10は、パージ弁125が閉じている状態において、水素タンク121からの水素を後記するノズル30で噴射することで負圧を発生させ、配管125c経由のアノードオフガスを吸引し、水素タンク121からの水素とアノードオフガスとを混合する機器である。
図1に戻って説明を続ける。
カソード系は、コンプレッサ131と、背圧弁132と、オリフィス133と、排気弁134と、を備えている。
コンプレッサ131は、配管131aを介して、カソード流路112の入口に接続されている。そして、ECU160の指令に従ってコンプレッサ131が作動すると、酸素を含む空気が、カソード流路112に供給されるようになっている。なお、配管131aには加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池110に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
このようなコンプレッサ131は、燃料電池110及び/又は燃料電池110の発電電力を充放電する高圧バッテリ(図示しない)を電源として作動する。
背圧弁132は、バタフライ弁等であり、アクセルペダル152の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ECU160により、その開度が制御されるようになっている。
排気弁134は、空気を排出する空気排出弁であり、通常は閉じられており、これによってコンプレッサ131からの空気は、配管131b等を介して、減圧弁123に流れるようになっている。
一方、減圧弁123に流れる空気の量が多すぎる(空気の圧力が高すぎる)場合には、ECU160によって排気弁134は開かれ、空気が、配管134aを介して、外部に排出されるようになっている。
このように、排気弁134の開閉によって、減圧弁123に流れる空気の信号圧(パイロット圧)は制御されており、これにより、アノード流路111における水素の圧力が制御されるようになっている。
電力消費系は、燃料電池自動車を走行させる電動式の走行モータ141と、VCU(Voltage Control Unit)142と、出力検出器143と、を備えており、走行モータ141は、図示しないインバータ、VCU142、出力検出器143を順に介して燃料電池110の出力端子(図示しない)に接続されている。
VCU142は、ECU160の指令に従って燃料電池110の発電電力(出力)を制御するユニットであり、DC−DCチョッパ等を備えている。すなわち、ECU160が発電要求に対応してVCU142を適宜に制御すれば、この発電要求に応じて燃料電池110から電流が取り出され、燃料電池110が発電するようになっている。
IG151は、燃料電池自動車及び燃料電池システム1の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG151はECU160と接続されており、ECU160はIG151のON/OFF信号を検知するようになっている。
ECU160は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されている。
そして、ECU160は、IG151のON信号を検知すると、遮断弁122を開き、コンプレッサ131を作動させ、背圧弁132の開度及びVCU142を適宜に制御して燃料電池110の発電を開始するように構成されている。
次に、燃料電池システム1の動作について、図4を主に参照しながら説明する。
現在の発電電流値が、この所定値以上である場合(S102・Yes)、ECU160の処理はステップS103に進む。一方、現在の発電電流値が、この所定値よりも小さい場合(S102・No)、ECU160の処理はステップS104に進む。
その後、ECU160の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
現在のノズル30の噴射口32における噴射断面積が小さい(噴射口32:小)である場合(S107・Yes)、ECU160の処理はステップS108に進む。一方、現在のノズル30の噴射口32における噴射断面積が大きい(噴射口32:大)である場合(S107・No)、ECU160の処理はステップS109に進む。
圧力差が、この第1所定値以上である場合(S108・Yes)、ECU160の処理はステップS103に進む。一方、圧力差が、この所定値よりも小さい場合(S108・No)、ECU160の処理はステップS110に進む。
圧力差が、この第2所定値以上である場合(S109・Yes)、ECU160の処理はリターンを介して、スタートに戻る。一方、圧力差が、この所定値よりも小さい場合(S109・No)、ECU160の処理はステップS110に進む。
その後、ECU160の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
このような燃料電池システム1の構成としたので、次のような作用効果が得られる。
目標圧力と、圧力センサ124により検出される検出圧力との圧力差に基づいて、ノズル30の噴射口32における噴射断面積を切り替える構成としたので、例えば、燃料電池自動車の起動時や加速時等において、噴射断面積の大きなノズル30が選択される。
具体的には、目標圧力と、圧力センサ124により検出される検出圧力との圧力差が所定値以上である場合、噴射口調整手段は、ノズル30の噴射口32における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池110へ供給される水素の流量が多くなる、つまり、水素タンク121からの水素の供給が促進される。
図7を参照して、加速を例に、燃料電池システム1の一動作例を説明する。
アクセルペダル152が踏み込まれると、その踏み込み量(アクセル開度)、つまり、燃料電池110に対して指令された指令発電電流値が大きくなる。
しかし、現在の発電電流値(S101)が所定値よりも小さい場合、ノズル30の噴射口32の噴射断面積は大きくならない(S102・No)。
そして、アクセルペダル152が踏み込まれると、コンプレッサ131は増速作動し、背圧弁132は閉じる方向に制御され、カソード流路112に向かう空気の圧力が信号圧(パイロット圧)として入力される、エゼクタ10の上流側の圧力は、指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力と同じ値を示す。
しかし、エゼクタ10の下流側の圧力は、エゼクタ10自身の存在により、エゼクタ10の上流側の圧力とは異なり、指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力と同じ値になるのに時間がかかってしまう(比較例)。
このように発電電流値が小さいときでも噴射断面積を大きくすることによって、エゼクタ10の下流側の圧力をできるだけ早く目標圧力まで上昇させることができるようになる(実施例)。
このように、3段階で水素の噴射断面積を変化させることによって、水素タンク121からの水素の噴射流量を3段階で適切に制御することができ、その結果として、燃料電池110への水素の流量を適切に制御することができる。
例えば、高速走行中でさらに加速する場合で、圧力センサ124により検出される検出圧力が高いときには、ECU160によって、所定値が大きくなるようにする。これによって、ノズル30の噴射口32の噴射断面積が大きくなりにくくなり、燃料電池110への水素の流量が多くなりすぎず、その結果として、燃料電池110における圧力のオーバーシュート(行き過ぎ)を抑えることができる。
例えば、アノードオフガス中の水分等の不純物を取り除くために、未反応の水素を含むアノードオフガスを、気液分離器(図示しない)を介して、エゼクタ10に戻して、アノード流路111に再供給する燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
10 エゼクタ
30 ノズル
32 噴射口
40 ニードル(噴射口調整手段)
71 ソレノイド(噴射口調整手段)
72 圧縮コイルバネ(噴射口調整手段)
110 燃料電池
121 水素タンク(燃料ガス供給手段)
121a、122a、123a、10a 配管(燃料ガス供給流路)
124 圧力センサ
125c 配管(循環流路)
160 ECU(噴射口調整手段)
Claims (4)
- 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、
前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路と、
燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記循環流路からの排出燃料ガスとを混合するエゼクタと、
前記燃料電池の現在の発電電流値に基づいて前記ノズルの噴射口における噴射断面積を段階的に調整する噴射口調整手段と、
燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、
を備え、
前記噴射口調整手段は、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値以上の場合に最大噴射断面積に調整し、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満の場合に前記最大噴射断面積よりも小さい噴射断面積に調整し、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満の場合において、前記圧力センサの検出した検出圧力が前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、当該検出圧力と当該目標圧力との圧力差が前記燃料ガス不足のおそれがある第1所定圧力差以上のとき、前記小さい噴射断面積でなく、前記小さい噴射断面積よりも大きい噴射断面積に調整する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記噴射口調整手段は、
前記噴射断面積を、前記最大噴射断面積である噴射断面積大と、前記噴射断面積大よりも小さい噴射断面積小との2段階で調整し、
前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値以上の場合に前記噴射断面積大に調整し、
前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第1所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大に調整し、
前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第1所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記噴射口調整手段は、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満であって現在の前記噴射断面積が前記噴射断面積大の場合に、前記第1所定圧力差ではなく、前記第1所定圧力差よりも小さい圧力差である第2所定圧力差に基づいて調整し、
前記圧力差が前記第2所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大で維持し、
前記圧力差が前記第2所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 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、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路と、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記循環流路からの排出燃料ガスとを混合するエゼクタと、前記燃料電池の現在の発電電流値に基づいて前記ノズルの噴射口における噴射断面積を段階的に調整する噴射口調整手段と、燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記噴射口調整手段が前記現在の発電電流値が最大噴射断面積よりも小さい噴射断面積に調整すべき所定発電電流値未満であるか否かを判定する発電電流値判定ステップと、
前記発電電流値判定ステップにおいて前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値以上であると判定された場合に、最大噴射断面積に調整するステップと、
前記発電電流値判定ステップにおいて前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満であると判定された場合に、前記目標圧力算出手段が目標圧力を算出し、前記圧力センサが燃料ガスの圧力を検出するステップと、
前記噴射口調整手段が、前記圧力センサの検出した検出圧力が前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、当該検出圧力と当該目標圧力との圧力差が前記燃料ガス不足のおそれがある第1所定圧力差以上のとき、前記小さい噴射断面積でなく、前記小さい噴射断面積よりも大きい噴射断面積に調整するステップと、を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008102082A JP5302565B2 (ja) | 2008-04-10 | 2008-04-10 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008102082A JP5302565B2 (ja) | 2008-04-10 | 2008-04-10 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009252660A JP2009252660A (ja) | 2009-10-29 |
JP2009252660A5 JP2009252660A5 (ja) | 2011-01-13 |
JP5302565B2 true JP5302565B2 (ja) | 2013-10-02 |
Family
ID=41313158
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008102082A Expired - Fee Related JP5302565B2 (ja) | 2008-04-10 | 2008-04-10 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5302565B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4148014B2 (ja) * | 2002-07-10 | 2008-09-10 | 株式会社デンソー | 燃料電池システム |
JP2007234333A (ja) * | 2006-02-28 | 2007-09-13 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
-
2008
- 2008-04-10 JP JP2008102082A patent/JP5302565B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009252660A (ja) | 2009-10-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5613146B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP4751463B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5476408B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US20070287044A1 (en) | Exhaust emissions control of hydrogen throughout fuel cell stack operation | |
WO2008092545A1 (en) | Gas supply arrangement in a fuel cell apparatus | |
JP2008269841A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2011129377A (ja) | 燃料電池システム | |
JP5113634B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2014107062A (ja) | 燃料電池システム | |
JPWO2013129453A1 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 | |
JP4732407B2 (ja) | 燃料電池システムの発電停止方法 | |
JP4028363B2 (ja) | 燃料電池システムの発電停止方法 | |
JP5231847B2 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
JP5596744B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5384140B2 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 | |
US9570764B2 (en) | Fuel cell system and method of operating fuel cell system | |
JP5302565B2 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 | |
JP5097016B2 (ja) | 燃料電池システム及び遮断弁の開閉状態判定方法 | |
JP5384154B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2008153071A (ja) | 燃料電池システム | |
JP5319160B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5302568B2 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
JP4956481B2 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 | |
JP6227497B2 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 | |
JP5161650B2 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101119 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101119 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20121031 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121120 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130117 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130611 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130621 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5302565 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |