JP5555282B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料供給路にインジェクタなどの開閉弁を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including an on-off valve such as an injector in a fuel supply path.
特許文献1には、燃料供給路に設けられたインジェクタをフィードバック制御することで燃料電池のアノード流路に供給される流量および圧力を調整することが記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、起動時にインジェクタをフィードバック制御すると、直ちにアノード圧力が目標圧力に到達してしまい、途中で水素の供給が停止し、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるという問題があった。
However, in the fuel cell system described in
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、起動時に燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the fuel cell from being exposed to a high potential state for a long time during startup.
本発明は、アノードに燃料ガスを供給するアノード流路およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路を有する燃料電池と、前記アノード流路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入流路と、前記アノード流路から燃料オフガスを導出する燃料オフガス導出流路と、前記燃料オフガス導出流路の燃料オフガスを前記燃料ガス導入流路に戻して循環させる接続路と、前記燃料ガス導入流路と前記接続路との合流点に配置されるエゼクタと、前記燃料ガス導入流路の前記エゼクタの上流に設けられ、前記アノード流路に燃料ガスを調圧して供給する第1インジェクタと、前記第1インジェクタをフィードバック制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、前記アノード流路内の酸化剤ガスの比率が高いほど燃料ガスの連続噴射時間を長く設定する燃料ガス連続噴射時間算出手段と、前記アノード流路内の酸化剤ガスの比率が高いほど燃料ガスの噴射量を多く設定する燃料ガス噴射量算出手段と、前記燃料ガスの連続噴射時間および前記燃料ガスの噴射量に基づいて前記第1インジェクタの時間当たりの噴射量を算出するインジェクタ噴射量算出手段と、前記燃料電池の起動時に、前記第1インジェクタのフィードバック制御を禁止し、前記時間当たりの噴射量に応じて決定される当該第1インジェクタの駆動周期における開弁時間に基づいて、当該第1インジェクタを駆動するインジェクタ固定駆動手段と、を備えることを特徴とする。 The present invention includes a fuel cell having an anode flow path for supplying fuel gas to the anode and a cathode flow path for supplying oxidant gas to the cathode, a fuel gas introduction flow path for introducing fuel gas into the anode flow path, A fuel off-gas outlet channel for deriving the fuel off-gas from the anode channel, a connection path for circulating the fuel off-gas in the fuel off-gas outlet channel back to the fuel gas inlet channel, and the fuel gas inlet channel and the connection An ejector disposed at a junction with a passage; a first injector provided upstream of the ejector in the fuel gas introduction channel ; and supplying fuel gas to the anode channel by regulating pressure; and the first injector a fuel cell system comprising a control unit, the performing feedback control, the control unit, the fuel gas the higher the proportion of the oxidizing agent gas in the anode channel Fuel gas continuous injection time calculating means for setting a long continuous injection time, fuel gas injection amount calculating means for setting a larger fuel gas injection amount as the ratio of the oxidant gas in the anode flow path is higher, and the fuel gas Injector injection amount calculating means for calculating an injection amount per hour of the first injector based on the continuous injection time and the fuel gas injection amount, and prohibiting feedback control of the first injector when the fuel cell is started and, based on the valve opening time in the driving cycle of the first injector is determined in accordance with the injection amount per the time, characterized by comprising an injector fixed driving means for driving the first injector, the.
これによれば、燃料電池の起動時にはフィードバック制御を行わずに駆動周期に対する開弁時間を固定してインジェクタから燃料ガスをアノード流路に供給するので、例えば、アノード流路が酸化剤ガスで置換されてアノード流路とカソード流路に酸化剤ガスが存在している状態で起動する場合、アノード流路内で酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が促進され、燃料電池が高電位となる状態が継続するのを防止できる。
つまり、駆動周期(インターバル)に対する開弁時間(Ti値)を固定してインジェクタを駆動することにより、アノード流路に供給される燃料ガスの圧力(アノード圧力)を目標とする圧力まで、途中で燃料ガスの供給が停止することなく供給することが可能になる。これにより、アノード流路に燃料ガスを連続的に供給することが可能になり、アノード流路において燃料ガスと酸化剤ガスとの混合が促進されなくなるのを防止できるので、燃料電池が高電位状態に維持されるのを防止できる。
According to this, since the fuel gas is supplied from the injector to the anode flow path by fixing the valve opening time with respect to the driving cycle without performing feedback control when starting the fuel cell, for example, the anode flow path is replaced with the oxidant gas. When starting with the oxidant gas present in the anode flow path and the cathode flow path, the mixing of the oxidant gas and the fuel gas is promoted in the anode flow path, and the fuel cell is at a high potential. Can be prevented from continuing.
That is, by fixing the valve opening time (Ti value) with respect to the driving cycle (interval) and driving the injector, the pressure of the fuel gas (anode pressure) supplied to the anode flow path is reached halfway to the target pressure. It becomes possible to supply the fuel gas without stopping. As a result, it becomes possible to continuously supply the fuel gas to the anode channel, and it is possible to prevent the mixing of the fuel gas and the oxidant gas from being promoted in the anode channel, so that the fuel cell is in a high potential state. Can be prevented from being maintained.
また、前記燃料オフガス導出流路の前記接続路との分岐点よりも下流側に設けられるパージ弁を備え、前記制御部は、前記アノード流路の圧力が目標圧力に到達するまで前記パージ弁の閉弁状態を維持することを特徴とする。 In addition, a purge valve provided downstream of a branch point of the fuel off-gas outlet flow path with the connection path is provided, and the controller controls the purge valve until the pressure of the anode flow path reaches a target pressure. The valve closing state is maintained.
また、前記第1インジェクタおよび前記エゼクタをバイパスする第2インジェクタを備え、制御部は、前記燃料電池の起動時において、前記第2インジェクタの駆動周期における開弁時間に上限値を設定することを特徴とする。 The first injector and a second injector that bypasses the ejector are provided, and the control unit sets an upper limit value for a valve opening time in a drive cycle of the second injector when the fuel cell is started. And
また、前記燃料電池の起動前の停止時間が所定時間以上であるか否かを判定する停止時間判定手段を備え、前記インジェクタ固定駆動手段は、前記停止時間判定手段により前記停止時間が所定時間以上であると判定された場合に前記駆動周期に対する開弁時間を固定して前記第1インジェクタを駆動することを特徴とする。 The fuel cell further includes stop time determination means for determining whether or not the stop time before the start of the fuel cell is equal to or longer than a predetermined time, and the injector fixed drive means includes the stop time determined by the stop time determination means. When it is determined that the first injector is driven, the valve opening time with respect to the driving cycle is fixed.
これによれば、停止時間が所定時間以上の場合にはアノード流路が酸化剤ガスで置換された状態となり、アノード流路とカソード流路のそれぞれに酸化剤ガスが存在している状態での起動と判定される。このような状態であると判定されたときに、駆動周期に対する開弁時間を固定してインジェクタを駆動するので、不必要(無駄)に燃料ガスを供給してしまうことを防止できる。 According to this, when the stop time is equal to or longer than the predetermined time, the anode flow path is replaced with the oxidant gas, and the oxidant gas exists in each of the anode flow path and the cathode flow path. It is determined to be activated. When it is determined to be in such a state, the injector is driven with the valve opening time with respect to the drive cycle fixed, so that it is possible to prevent unnecessary (unnecessary) supply of fuel gas.
また、前記インジェクタ固定駆動手段により前記第1インジェクタを駆動する際の燃料ガスの連続供給時間を算出する連続供給時間算出手段を備え、前記連続供給時間算出手段は、前記停止時間が長いほど前記連続供給時間を長くすることを特徴とする。 Further, the apparatus includes a continuous supply time calculating means for calculating a continuous supply time of the fuel gas when the first injector is driven by the injector fixed drive means, and the continuous supply time calculating means increases the continuous time as the stop time is longer. It is characterized by extending the supply time.
これによれば、連続供給時間算出手段は、アノード流路に存在する酸化剤ガスの比率に応じて連続供給時間(アノード流路に供給する燃料ガスの目標圧力)を可変にするので、インジェクタの駆動時間を不必要(無駄)に長くする必要がなくなる。 According to this, since the continuous supply time calculating means makes the continuous supply time (target pressure of the fuel gas supplied to the anode flow path) variable according to the ratio of the oxidant gas existing in the anode flow path, There is no need to unnecessarily increase the driving time.
また、前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池のアノード側とカソード側の極間差圧を検出する極間差圧検出手段と、前記燃料電池の起動時であって、前記インジェクタ固定駆動手段による前記第1インジェクタの駆動中に前記極間差圧が閾値以上になった場合、前記酸化剤ガス供給手段の駆動量を調整して前記極間差圧が前記閾値未満となるように調整する起動時差圧調整手段と、を備えることを特徴とする。 An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode flow path; an electrode differential pressure detection means for detecting an electrode differential pressure between the anode side and the cathode side of the fuel cell; and activation of the fuel cell When the inter-electrode differential pressure becomes equal to or greater than a threshold value during driving of the first injector by the injector fixed driving means, the driving amount of the oxidant gas supply means is adjusted to adjust the inter-electrode differential pressure And a starting differential pressure adjusting means that adjusts so that is less than the threshold value.
これによれば、極間差圧が過大とならないようにできるので、燃料電池が破損するのを防止できる。 According to this, since the inter-electrode differential pressure can be prevented from becoming excessive, it is possible to prevent the fuel cell from being damaged.
本発明によれば、起動時に燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能な燃料電池システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can prevent that a fuel cell is exposed to a high potential state for a long time at the time of starting can be provided.
本発明の一実施形態について、図1〜図8を参照して説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1は、例えば、図示しない燃料電池車(車両、移動体)に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車などである。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。または、家庭用や業務用の定置式のものに適用してもよい。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック10、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系、燃料電池スタック10の発電を制御する電力制御系、これらを電子制御するECU60(Electronic Control Unit、電子制御装置)などを備えている。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池スタック10は、複数の固体高分子型の単セル11が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル11が電気的に直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜などからなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノードおよびカソード(電極)とを備えている。
The
アノードおよびカソードは、カーボンペーパなどの導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノードおよびカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Ptなど)と、を含んでいる。 The anode and the cathode include a porous body having conductivity such as carbon paper, and a catalyst (Pt or the like) that is supported on the porous body and causes an electrode reaction in the anode and the cathode.
各セパレータには、各MEAの全面に水素または空気を供給するための溝や、全単セル11に水素または空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝および貫通孔がアノード流路12(燃料ガス流路)、カソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。
Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA and a through hole for supplying or discharging hydrogen or air to or from all the
そして、アノード流路12を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路13を介して各カソードに空気が供給されると、各単セル11で電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10とモータ41などの外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
When hydrogen is supplied to each anode via the
セル電圧モニタ15は、燃料電池スタック10を構成する複数の単セル11毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。
The
モニタ本体は、所定周期で全ての単セル11をスキャニングし、各単セル11のセル電圧を検出し、平均セル電圧、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体(セル電圧モニタ15)は、平均セル電圧、最低セル電圧をECU60に出力するようになっている。
The monitor body scans all the
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給源)、常閉型の遮断弁22、第1インジェクタ23A(燃料ガス調圧供給手段:図1,図4,図6,図7ではINJAと表記)、第2インジェクタ23B(燃料ガス調圧供給手段:図1,図4,図6,図7ではINJBPと表記)、エゼクタ24、逆止弁25、パージ弁26、水素ポンプ27、圧力センサ28(極間差圧検出手段)、温度センサ29などを備えている。
The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas supply source), a normally closed shut-off
なお、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、例えば、同種のもの(同一性能を有するもの)を使用してもよく、または第1インジェクタ23Aが第2インジェクタ23Bよりも大流量の水素を噴射できるものを使用してもよく、または第2インジェクタ23Bが第1インジェクタ23Aよりも大流量の水素を噴射できるものを使用してもよく、適宜変更することができる。
The
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、第1インジェクタ23A、配管23a、エゼクタ24、配管24aを介して、アノード流路12の入口12aに接続されている。配管22aは、配管22b、第2インジェクタ23B、配管23bを介して、配管24aに接続されている。そして、遮断弁22が開いた状態で、第1インジェクタ23Aおよび/または第2インジェクタ23Bが水素を噴射すると、水素タンク21の水素が配管21aなどを通って、アノード流路12に供給されるようになっている。
The
なお、配管22bの接続点よりも上流の配管22aには、水素の圧力を下げる図示しない減圧弁(レギュレータ)が設けられている。この減圧弁は、カソード系の圧力をパイロット圧として作動するものであってもよく、またはカソード系とは独立して電気的に制御されるものであってもよい。
A pressure reducing valve (regulator) (not shown) for reducing the hydrogen pressure is provided in the
ここで、アノード流路12の入口12aに接続され、アノード流路12に供給される水素が通流する燃料ガス導入流路は、配管21aと、配管22aと、配管23aと、配管24aと、配管22bと、配管23bと、を備えて構成されている。そして、エゼクタ24は、前記燃料ガス導入流路と、後記する配管25b(接続路)との接続点に設けられている。
Here, the fuel gas introduction flow path through which the hydrogen supplied to the
また、第1インジェクタ23Aは、前記接続点(エゼクタ24)よりも上流の前記燃料ガス導入流路に設けられている。さらに、第1インジェクタ23Aよりも上流の前記燃料ガス導入流路と、エゼクタ24よりも下流の前記燃料ガス導入流路とを接続し、水素タンク21からの水素が第1インジェクタ23Aおよびエゼクタ24をバイパスするバイパス流路は、配管22bと配管23bとを備えて構成されている。そして、第2インジェクタ23Bは、前記バイパス流路に設けられている。
The
水素タンク21は、水素が高圧で封入されるタンクである。
遮断弁22は、例えば、電磁作動式のものであり、ECU60からの指令にしたがって、開閉するようになっている。
The
The shut-off
第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、ECU60により電子制御されることで、通常時に水素を間欠的(断続的)に噴射するものであり、起動時に必要に応じて水素を短時間連続的(本実施形態では第1インジェクタ23Aのみ)に噴射するものである。
The
なお、第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23B、遮断弁22、水素ポンプ27、後記するエアポンプ31および背圧弁33は、燃料電池スタック10および/または後記するバッテリ44を電源としている。
The
第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、ハウジング、ソレノイド、プランジャ、圧縮コイルばね、ノズルなど公知の部品を組み合わせて構成されている。第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bは、ECU60によって電子制御されるものであるので、ECU60からの指令(開指令/閉指令)に対する応答性が良く、制御性が良好である。
The
エゼクタ24は、水素(第1インジェクタ23Aからの水素)を噴射することで負圧を発生させるノズル24bと、水素と前記負圧で吸引された配管25aおよび配管25bのアノードオフガス(燃料オフガス)を混合し、配管24a(アノード流路12)に向けて供給するディフューザ24cと、を備えている。
The
アノード流路12の出口12bは、配管26a、配管25a、逆止弁25、配管25bを介して、エゼクタ24の吸気口に接続されている。そして、アノード流路12から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス(燃料オフガス)が、エゼクタ24(燃料ガス導入流路)に戻されるようになっている。
The
なお、逆止弁25は、アノードオフガスの逆流を防止する弁である。また、配管26aには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器(図示しない)が設けられている。
The
配管26aは、パージ弁26、配管26bを介して、後記する希釈器34に接続されている。パージ弁26は、燃料電池スタック10の発電時に、循環流路(アノード流路12、配管26a,25a,25b,24a)を循環するアノードオフガスに含まれる不純物(水蒸気、窒素など)を排出(パージ)する場合や、システム起動時にアノード流路12を水素に置換する場合、ECU60によって開かれる。なお、本実施形態では、配管26a,26bが燃料オフガス導出流路に相当する。
The
水素ポンプ27は、アノード流路12の出口12bから排出されたアノードオフガス(燃料オフガス)をアノード流路12の入口12aに戻して循環させる循環装置であり、ECU60からの指令により制御される。
The
また、水素ポンプ27の導入口は、配管27aを介して配管26aに接続され、配管27aが配管26aの配管25aとの接続点よりも上流側に接続されている。また、水素ポンプ27の導出口は、配管27bを介して配管24aに接続され、配管27bが配管24aの配管23bとの接続点よりも下流側に接続されている。
The introduction port of the
圧力センサ28は、アノード流路12の入口12aの近傍の配管24aに取り付けられている。また、圧力センサ28は、配管24a内のアノード圧力Pa(アノード流路12の圧力と略等しい)を検出し、ECU60に出力するようになっている。
The
温度センサ29は、アノード流路12の出口12bの近傍の配管26aに取り付けられている。また、温度センサ29は、燃料電池スタック10の温度を検出し、ECU60に出力するようになっている。なお、燃料電池スタック10の温度を検出できる位置であれば、本実施形態に限定されるものではなく、カソード流路13の出口側の配管32bであってもよく、燃料電池スタック10を冷却する冷却系の冷媒出口側の配管(図示せず)であってもよく、または燃料電池スタック10を直接に検出するものであってもよい。
The
カソード系は、エアポンプ31(酸化剤ガス供給手段)、加湿器32、背圧弁33、希釈器34、圧力センサ35(極間差圧検出手段)などを備えている。
The cathode system includes an air pump 31 (oxidant gas supply means), a
エアポンプ31の吐出口は、配管31a、加湿器32、配管32aを介してカソード流路13の入口に接続されている。また、エアポンプ31は、モータ(不図示)で駆動されるものであり、ECU60の指令にしたがって作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路13に向けて供給するようになっている。
The discharge port of the
カソード流路13の出口は、配管32b、加湿器32、配管33a、背圧弁33、配管33bを介して、希釈器34に接続されている。カソード流路13からのカソードオフガス(酸化剤オフガス)は、希釈器34に向けて排出されるようになっている。
The outlet of the
加湿器32は、水分が透過可能な中空糸膜(図示せず)を備え、この中空糸膜を介して、エアポンプ31からの新規空気と、カソード流路13の出口からの多湿なカソードオフガスとの間で水分交換させ、新規空気を加湿するものである。
The
背圧弁33は、常開型のバタフライ弁などで構成され、ECU60の指令にしたがって、その背圧(カソード流路13の圧力)を制御するようになっている。ちなみに、アノードとカソードの極間差圧が大きくなり過ぎないように、背圧弁33の開度を調整することで、カソード圧力Pcを上昇/低下させることができる。
The back pressure valve 33 is configured by a normally open butterfly valve or the like, and controls the back pressure (pressure in the cathode flow path 13) in accordance with a command from the
希釈器34は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス(希釈用ガス)で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管34aを介して、車外に排出されるようになっている。
The
圧力センサ35は、カソード流路13の入口近傍の配管32aに取り付けられている。また、圧力センサ35は、配管32a内のカソード圧力Pc(カソード流路13の圧力と略等しい)を検出し、ECU60に出力するようになっている。
The
電力制御系は、モータ41、PDU42(Power Drive Unit)、電力制御器43、バッテリ44、コンタクタ45などを備えている。モータ41は、PDU42、電力制御器43、コンタクタ45を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されており、バッテリ44は、電力制御器43に接続されている。すなわち、モータ41とバッテリ44とは、電力制御器43(燃料電池スタック10)に対して並列で接続されている。
The power control system includes a
モータ41は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。
The
PDU42は、ECU60の指令にしたがって、電力制御器43からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ41に供給するインバータである。
The
電力制御器43は、ECU60の指令にしたがって、燃料電池スタック10の出力(発電電力、電流値、電圧値)を制御する機能と、バッテリ44の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器43は、DC−DCチョッパ回路などの各種電子回路を備えて構成される。
The
バッテリ44は、電力を充電/放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池を複数組み合わせてなる組電池で構成されている。 The battery 44 is a power storage device that charges / discharges electric power, and includes, for example, an assembled battery formed by combining a plurality of lithium ion type cells.
コンタクタ45は、燃料電池スタック10と電力制御器43との間に配設され、燃料電池スタック10と外部負荷(モータ41、バッテリ44など)との接続/遮断を行う開閉器を備えて構成され、ECU60によって開閉される。
The
IG51は、燃料電池システム1(燃料電池車)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、IG51はECU60と接続されており、ECU60はIG51のON信号(システム起動信号)、OFF信号(システム停止信号)を検知するようになっている。
The
タイマ52は、IG51のOFF信号を検知してからON信号を検知するまでの燃料電池スタック10の停止時間(燃料電池スタック10の起動前の停止時間)を計測するものであり、計測した停止時間をECU60に出力するようになっている。
The
ECU60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(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムにしたがって、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
The
また、ECU60は、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23BをPWM(Pulse Width Modulation)制御する機能を備えている。すなわち、ECU60は、インターバル(駆動周期、開弁開始から次の開弁開始までの間隔)に対する第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bに出力する開指令(開弁時間[Ti値]、ONデューティ)の比率を可変にすることで、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bからの水素の噴射量(流量)と、アノード流路12に供給される水素の流量(総流量)を制御する機能を備えている。
The
次に、燃料電池システム1の動作について、図2ないし図8を参照して説明する。まず、燃料電池スタック10の通常発電時の動作(フィードバック制御ありの動作)について図2および図3を参照して説明し、そして、燃料電池スタック10の起動時の動作(フィードバック制御なしの動作)について図4ないし図8を参照して説明する。
Next, the operation of the
図2に示すように、ECU60は、ステップS101において、圧力センサ28によってアノード流路12の圧力(アノード圧力)Paを検出する。
As shown in FIG. 2, the
そして、ステップS102に進み、ECU60は、水素噴射量QIと水素噴射量QFBをそれぞれ算出する。なお、水素噴射量QIは、燃料電池スタック10の発電電流に基づいて算出される。つまり、水素噴射量QIは、発電電流の検出時において燃料電池スタック10で単位時間当たりに消費されている水素の量に相当する。水素噴射量QFBは、ステップS101で検出したアノード圧力Paと目標とするアノード圧力との差に基づいて算出される。なお、目標とするアノード圧力>検出したアノード圧力の場合、QFB>0である。
In step S102, the
そして、ステップS103に進み、ECU60は、水素噴射量QIに水素噴射量QFBを加算して、目標とする水素噴射量Qを算出する。
In step S103, the
そして、ステップS104に進み、ECU60は、図3に示すマップに基づいて第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23BのTi値(開弁時間)を算出する。図3に示すように、第1インジェクタ23A(INJA)は、水素噴射量Qが増加するにつれてTi値が高くなるように設定され、水素噴射量QがQsのとき全開となる。また、第2インジェクタ23B(INJBP)は、水素噴射量QがQsを超えたときに作動し、水素噴射量Qが増加するにつれてTi値が高くなるように設定される。
In step S104, the
例えば、水素噴射量Qが、水素噴射量Qs以下であるQ100の場合には、第1インジェクタ23Aのみを作動させて、第1インジェクタ23AのTi値(開弁時間)をTi100に設定する。また、水素噴射量Qが水素噴射量Qsを超えるQ200の場合には、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bの双方を作動させて、第1インジェクタ23AのTi値(全開)をTi201に設定し、第2インジェクタ23BのTi値をTi202に設定する。つまり、第1インジェクタ23Aのみでは水素噴射量が不足する場合には、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bの双方を作動させて、必要な水素噴射量を確保する。
For example, when the hydrogen injection amount Q is Q100 which is equal to or less than the hydrogen injection amount Qs, only the
そして、ステップS105に進み、ECU60は、第1インジェクタ23Aのみを開弁時間Ti100で作動させ、または第1インジェクタ23Aを開弁時間Ti201で作動させるとともに第2インジェクタ23Bを開弁時間Ti202で作動させて、燃料電池スタック10に水素を投入する。なお、第1インジェクタ23Aのみを用いるか、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bとを用いるかは、前記したように、算出された目標となる水素噴射量Qに基づいて決定される。
In step S105, the
一方、燃料電池スタック10の起動時においては、図4に示すように、ECU60は、IG51のON信号の検知(燃料電池スタック10の起動)後、ステップS201において、燃料電池スタック10の停止時間を計測して、停止時間が所定時間以上であるか否かを判定する(停止時間判定手段)。なお、停止時間は、IG51のOFF信号を検知してからON信号を検知するまでの時間(燃料電池スタック10の発電停止時間に略等しい)である。なお、停止時間は、タイマ52により計測される。
On the other hand, when the
なお、停止時間が所定時間以上である場合とは、アノード流路12とカソード流路13に空気がそれぞれ存在している状態であり、燃料電池スタック10を起動してアノード流路12の入口12aから水素を供給したときに、アノード流路12の入口12a側と出口12b側とで、水素の濃度差が生じて、燃料電池スタック10が高電位となる状態をいう。なお、アノード流路12の空気は、例えば、発電停止中にカソード流路13の空気が電解質膜を透過してきたものである。燃料電池スタック10が高電位となるメカニズムについては後記する。
Note that the case where the stop time is equal to or longer than the predetermined time is a state in which air exists in each of the
ステップS201において、ECU60は、停止時間が所定時間以上であると判定した場合には(Yes)、ステップS202に進み、停止時間が所定時間未満であると判定した場合には(No)、ステップS212に進む。なお、ステップS202に進むことで、フィードバック制御が禁止される。
In step S201, when the
ステップS202において、ECU60は、アノード圧力Pa、カソード圧力Pcおよびアノード出口温度Taをそれぞれ取得する。なお、アノード圧力Pa、カソード圧力Pc、アノード出口温度Taは、それぞれ、圧力センサ28、圧力センサ35、温度センサ29によって検出される。
In step S202, the
そして、ステップS203に進み、ECU60は、水素噴射量Qおよび水素連続噴射時間(連続供給時間)Tを算出する。
In step S203, the
なお、水素噴射量Qは、以下の式(A)および式(B)に基づいて算出される。
(A)・・・Pb=Pc+Pdp
(B)・・・Q=(Pb−Pa)×Va/(R×(Ta+273.15))
Pb :アノード圧力上限値
Pdp:極間差圧の上限値
Va :アノード流路の体積(固定値)
R :ガス定数
The hydrogen injection amount Q is calculated based on the following equations (A) and (B).
(A) ... Pb = Pc + Pdp
(B) ... Q = (Pb−Pa) × Va / (R × (Ta + 273.15))
Pb: Anode pressure upper limit
Pdp: Upper limit of the inter-electrode differential pressure
Va: Volume of anode channel (fixed value)
R: Gas constant
また、水素連続噴射時間Tは、図5に示すマップに基づいて算出される(連続供給時間算出手段)。すなわち、図5のマップでは、停止時間が長くなるにつれて水素連続噴射時間Tが長くなるように設定される。これは、停止時間が長くなるにつれてアノード流路12内の空気の比率が高くなるので、換言するとカソード流路13から電解質膜を介してアノード流路12に透過する空気の総量が多くなるので、水素連続噴射時間Tを長くして、アノード流路12内の空気と水素との混合を促進する必要があるからである。なお、図5のマップは、事前の試験などにより求められる。
Further, the hydrogen continuous injection time T is calculated based on the map shown in FIG. 5 (continuous supply time calculating means). That is, in the map of FIG. 5, the hydrogen continuous injection time T is set longer as the stop time becomes longer. This is because the ratio of the air in the
そして、ステップS204に進み、ECU60は、ステップS203で算出した水素噴射量Qと水素連続噴射時間Tに基づいて、時間当たりの水素噴射量(Q/T)を算出する。
In step S204, the
そして、ステップS205に進み、ECU60は、図6のマップに基づいて第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23Bの水素噴射の分配量を算出する。図6に示すように、第1インジェクタ23A(INJA)は、時間当たりの水素噴射量Q/Tが増加するにつれて水素噴射量が多くなるように設定され、時間当たりの水素噴射量Q/TがQtのときに全開となる。また、第2インジェクタ23B(INJBP)は、時間当たりの水素噴射量Q/TがQtを超えたときに作動し、時間当たりの水素噴射量Q/Tが増加するにつれて水素噴射量が高くなるように設定される。
In step S205, the
すなわち、時間当たりの水素噴射量(Q/T)が、Qt以下のQ1の場合には、第1インジェクタ23Aのみを作動させて、第1インジェクタ23Aを水素噴射量Q11に設定する。また、時間当たりの水素噴射量(Q/T)がQtを超えるQ2の場合には、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bの双方を作動させて、第1インジェクタ23Aを水素噴射量Q22(全開)に設定し、第2インジェクタ23Bを水素噴射量Q21に設定する。このように、算出された時間当たりの水素噴射量Q/Tに基づいて、第1インジェクタ23Aのみを作動させるか、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bの双方を作動させるかを決定する。
That is, when the hydrogen injection amount (Q / T) per hour is Q1 equal to or less than Qt, only the
そして、ステップS206に進み、ECU60は、遮断弁22を開弁するとともに、エアポンプ31を所定回転速度以上の(通常発電時よりも高い)回転速度で駆動させる。ここで、空気の供給量を増加させるのは、後記するステップS213において、パージ弁26を開弁したときにアノード流路12から排出されるアノードオフガスに含まれる水素を希釈するためである。
In step S206, the
そして、ステップS207に進み、ECU60は、水素ポンプ27を始動させるとともに第1インジェクタ23A(第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23B)から水素を投入する。なお、本実施形態におけるステップS202,S203,S204,S205,S207は、インジェクタ固定駆動手段が実行する処理に相当する。
In step S207, the
そして、ステップS208に進み、ECU60は、燃料電池スタック10の極間差圧が閾値以上であるか否かを判定する。なお、極間差圧は、圧力センサ28によって検出されるアノード圧力Paから、圧力センサ35によって検出されるカソード圧力Pcを減算した値である。また、閾値は、極間差圧の上限値Pdpに相当する。
In step S208, the
ステップS208において、ECU60は、極間差圧が閾値以上であると判定した場合には(Yes)、ステップS209に進み、極間差圧が閾値以上でないと判定した場合には(No)、ステップS211に進む。
In step S208, if the
ステップS209において、ECU60は、エアポンプ31を制御する。すなわち、第1インジェクタ23A(第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23B)から水素を投入することによりアノード圧力Paが高まるので、極間差圧が閾値以上である場合には、エアポンプ31のモータの回転速度(駆動量)を高めて、アノード圧力Paとカソード圧力Pcとの間での圧力差(極間差圧)が拡大し過ぎないように調整する。
In step S209, the
そして、ステップS210に進み、ECU60は、エアポンプ31でカソード圧力Pcを調整した後、極間差圧が閾値未満であるか否かを判定し、極間差圧が閾値未満であると判定した場合には(Yes)、ステップS211に進み、極間差圧が閾値未満でないと判定した場合には(No)、ステップS209に戻る。
When the
なお、本実施形態におけるステップS208,S209,S210は、起動時差圧調整手段が実行する処理に相当する。 In addition, step S208, S209, S210 in this embodiment is corresponded to the process which a differential pressure | voltage adjustment means at the time of starting performs.
ステップS211において、ECU60は、圧力センサ28で検知されたアノード圧力Paが所定値以上であるか否かを判定する。なお、所定値は、アノード流路12の入口12a側と出口12b側との間での水素の濃度差を解消するのに必要な圧力(目標圧力)に設定される。また、所定値は、事前の試験などに基づいて決定される。なお、圧力に限定されるものではなく、経過時間に基づいて設定してもよい。
In step S211, the
ステップS211において、ECU60は、アノード圧力Paが所定値以上ではないと判定した場合には(No)、ステップS208の処理に戻り、アノード圧力Paが所定値以上であると判定した場合には(Yes)、ステップS213に進む。
In step S211, when the
ステップS213において、ECU60は、パージ弁26を開閉制御する。なお、パージ弁26を第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23Bの作動開始よりも遅らせて開閉制御を開始するのは、アノード圧力Paを早期に高めて、アノード流路12の入口12a側と出口12b側の水素の濃度差を早期に解消するためである。また、ここでパージ弁26を開弁したとしても、エアポンプ31の作動圧が通常発電時よりも高められているので、高濃度の水素が車外に排出されることはない。
In step S213, the
なお、ステップS213では図示していないが、ECU60は、第1インジェクタ23Aを全開状態から、パージ弁26の開動作に応じた開弁制御に切り替えるとともに、第2インジェクタ23Bを閉弁する。つまり、ECU60は、パージ弁26を開弁して排出された水素量分だけ、第1インジェクタ23Aから供給するように開閉制御(Ti値を制御、Ti値<インターバル)して、アノード圧力Paが一定状態を維持するように制御する。
Although not shown in step S213, the
そして、ステップS214に進み、ECU60は、起動が完了したか否かを判定する。起動が完了した場合とは、パージ弁26を開弁(開閉)してから所定量のガスがパージ(排出)されたと判定された場合である。所定量のガスがパージされたか否かは、例えば、パージ弁26の開弁時間などに基づいて判定することができる。
Then, the process proceeds to step S214, and the
ステップS214において、ECU60は、起動が完了していないと判定した場合には(No)、ステップS208に戻り、起動が完了したと判定した場合には(Yes)、ステップS215に進む。
In step S214, the
ステップS215において、ECU60は、コンタクタ45をONにして(燃料電池スタック10と外部負荷とを接続して)、燃料電池スタック10からの発電電流の取り出しを開始する。なお、エアポンプ31の回転速度が通常発電に必要な回転速度よりも高い場合には、通常の回転速度まで低下させる。また、燃料電池スタック10から取り出した発電電流は、モータ41、エアポンプ31などの外部負荷に供給される。また、ECU60は、第1インジェクタ23Aについて、燃料電池スタック10から取り出す発電電流の大きさに応じて開閉制御(Ti値を制御)する。
In step S215, the
また、ステップS201において、ECU60は、停止時間が所定時間未満であると判定した場合には(No)、ステップS212に進み、遮断弁22を開くとともにエアポンプ31をON(通常起動時の回転速度)にし、さらに第1インジェクタ23A(第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23B)から水素を投入する。その後、ECU60は、ステップS213ないしS215の処理を実行する。なお、この場合には(S201でNo)、第1インジェクタ23A(第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23B)についてフィードバック制御する。
In step S201, if the
次に、アノード流路12の入口12a側と出口12b側との水素の濃度差によって燃料電池スタック10の高電位状態が継続するメカニズムについて図9を参照して説明する。
図9に示すように、燃料電池スタック10のアノード流路12とカソード流路13のそれぞれに空気が存在している状態(停止時間が所定時間以上)で起動する場合、アノード流路12の入口12aから水素が投入されると、水素の投入初期においては、アノード流路12の入口12a側の水素濃度が高くなり、アノード流路12の出口12b側の水素濃度が低くなり、入口12a側と出口12b側とで大きな濃度差が発生する。
Next, the mechanism by which the high potential state of the
As shown in FIG. 9, when starting in a state where air exists in each of the
これにより、図9の(1)式に示すように、アノード流路12の入口12a側では、水素から電子が分離し、水素イオンが電解質膜を介してカソード流路13の入口側に透過するとともに、電子がアノード流路12の出口12b側に移動する。このとき、アノード流路12の入口12a側の電位は、DHE(Dynamic Hydrogen Electrode)に対して0ボルトとなる。
As a result, as shown in the equation (1) in FIG. 9, electrons are separated from hydrogen on the
また、図9の(2)式に示すように、カソード流路13の入口側では、水素イオンおよび電子が、入口側の空気中の酸素と反応して水が生成される。このとき、カソード流路13の入口側では、DHEに対して約1ボルトの電位が発生する。
Further, as shown in the equation (2) in FIG. 9, on the inlet side of the
また、図9の(3)式に示すように、アノード流路12の出口12b側では、カソード流路13の出口側から電解質膜を透過した水素イオンと、アノード流路12の入口12aから受け取った電子と、アノード流路12の出口12b側の酸素とが反応して水が生成される。このとき、アノード流路12の出口12b側では、DHEに対して約1ボルトの電位が発生する。
9, on the
また、図9の(4)式に示すように、カソード流路13の出口側では、カソード(電極)に使用されている触媒(白金)から電子が乖離して白金イオンが生成される。また、図9の(5)式に示すように、カソード(電極)に含まれる炭素が、アノード流路12の出口12b側から電解質膜を透過した生成水またはカソード流路13の入口側からの生成水と反応して、二酸化炭素と水素イオンが生成され、このときの電子がカソード流路13の入口側に移動する。
Further, as shown in the equation (4) in FIG. 9, on the outlet side of the
このように、燃料電池スタック10の入口側において1ボルトの電位差が生じるので、燃料電池スタック10の出口側においても1ボルトの電位差が生じるように、カソード流路13の出口側では、2ボルトの電位が発生する。これにより、燃料電池スタック10が高電位状態となる。このとき、(4)式に示す反応(触媒を腐食させる反応)および(5)式に示す反応が長く継続すること、換言すると、アノード流路12の入口12a側と出口12b側とで水素の濃度差が生じる状態が長く続くことにより、燃料電池スタック10が高電位となる状態が続き、燃料電池スタック10を劣化させる原因となる。このような知見により、アノード流路12の入口12a側と出口12b側との水素の濃度差をいかに早く解消できるかが重要となる。
As described above, a potential difference of 1 volt is generated on the inlet side of the
また、図7に示すタイムチャートを参照して説明する。なお、以下では、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bの双方を作動させる場合を例に挙げて説明する。また、ここでは、第2インジェクタ23Bが第1インジェクタ23Aよりも大流量の水素を噴射できる性能を有するものとして説明する。
The description will be given with reference to the time chart shown in FIG. In the following, a case where both the
時刻t1において、IG51の起動信号(燃料電池スタック10の起動)を検知した場合、停止時間が所定時間以上であると判定されると(S201、Yes)、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの制御においてフィードバック制御を禁止する処理に移行し、まず遮断弁22を開弁するとともにエアポンプ31(所定回転速度以上)を駆動する(S206)。
When the activation signal of IG51 (activation of the fuel cell stack 10) is detected at time t1, if it is determined that the stop time is equal to or longer than the predetermined time (S201, Yes), the
そして、時刻t1から所定時間T1経過後の時刻t2において、第1インジェクタ23A(INJA)を連続開弁し(全開し)、第2インジェクタ23B(INJBP)を断続開弁する。このときインターバル(駆動周期)に対する開弁時間(Ti値、開弁率)を固定した状態で第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bを制御して水素を噴射する。つまり、第1インジェクタ23Aは、Ti値をインターバルと一致させることで連続開弁(全開)となる。また、第2インジェクタ23Bは、Ti値をインターバルよりも短くすることで断続開弁となる。これにより、アノード圧力Paが徐々に上昇し、燃料電池スタック10の電圧(FC電圧)が上昇する。
The
また、時刻t2において、水素ポンプ27を始動することで、アノード流路12と、配管26a,27a,27b,24aとで構成される循環流路においてガスの流れが形成されるので、アノード流路12内において空気と水素との混合を促進できる。なお、水素ポンプ27を、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bを作動させる時刻t2よりも前の時刻t1において始動させるようにしてもよい。これにより、第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23Bからの水素供給よりも前に、循環流路に前もってガスの流れを生じさせることができるので、空気と水素との混合をより促進できる。
Further, by starting the
そして、アノード圧力Paが所定値(目標圧力)に達する時刻t3において、パージ弁26の開閉制御を開始する(S211でYes、S213)。また、時刻t3において、第1インジェクタ23AのTi値を制御して、パージ弁26の開弁により車外に排出されるパージ量(水素量)に応じて第1インジェクタ23Aを断続開弁し、第2インジェクタ23Bを閉弁(Ti値=0)する。なお、パージ弁26を第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの開弁から遅れて開閉制御したとしても、エアポンプ31の回転速度が通常起動時よりも高く設定されているので、燃料電池車から高濃度(所定濃度)の水素が排出されることはない。
Then, at time t3 when the anode pressure Pa reaches a predetermined value (target pressure), the opening / closing control of the
そして、パージ弁26を開閉してから所定時間が経過した時刻t4において、起動が完了したと判定されると(S214、Yes)、コンタクタ45がONにされ、燃料電池スタック10から発電電流を取り出す通常発電に移行する(S215)。
When it is determined that the start-up is completed at a time t4 when a predetermined time has elapsed since the
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム1では、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bの制御において、燃料電池スタック10の起動時にはフィードバック制御(図2参照)を行わず(フィードバック制御を禁止し)、インターバル(駆動周期)に対するTi値(開弁時間)を固定した状態で水素を噴射する。したがって、発電停止中にアノード流路12が空気で置換されてアノード流路12とカソード流路13にそれぞれ空気が存在している状態で燃料電池スタック10を起動する場合、アノード流路12内において空気と水素との混合が促進され、燃料電池スタック10が高電位となる状態が継続するのを防止できる。これにより、燃料電池スタック10が劣化するのを抑制することができる。
As described above, in the
ところで、図8(b)の比較例に示すように、フィードバック制御によりインジェクタ(第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23B)を制御する場合には、燃料電池スタック10の起動時に算出された目標のアノード圧力に対して、インターバル(駆動周期)に対する開弁時間をTi10(開弁時間)としてインジェクタを駆動すると(例えば、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bをそれぞれ全開に近い状態で開弁すると)、目標のアノード圧力に直ちに到達してしまい、インジェクタからの水素の供給が停止する。そして、水素の供給停止後、インジェクタの作動が再開して(インターバルに対してTi11)、水素が目標のアノード圧力となるまで供給される。このように、水素の供給が開始されて、途中で水素の供給が停止すると(水素の供給が断続的になると)、図9で説明したように、アノード流路12の入口12a側に水素が存在し、カソード流路13の入口側に酸素が存在した状態において、アノード流路12において空気と水素の混合が促進されなくなり、アノード流路12の出口12b側とカソード流路13の出口側にそれぞれ空気が存在する時間が長く続くことになり、燃料電池スタック10が長時間高電位状態に曝されることになる。
By the way, as shown in the comparative example of FIG. 8B, when the injectors (
そこで、本実施形態では、図8(a)に示すように、燃料電池スタック10の起動時において、フィードバック制御を禁止して、インターバル(駆動周期)に対する開弁時間を固定した状態でインジェクタ(第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23B)を制御することで、目標となるアノード圧力(目標圧力)までインジェクタを途中で停止させることなく連続的に動作させることができるので、アノード流路12内において水素と空気の混合が促進され、燃料電池スタック10が長時間高電位状態に曝されることを防止することが可能になる。なお、図8(a)は、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bを区別することなく、インターバルに対してTi値を固定した状態を示すイメージ図である。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8A, when the
すなわち、本実施形態では、第1インジェクタ23Aを全開で固定にするとともに(図7のINJ Aの時刻t2〜t3参照)、第2インジェクタ23Bを開閉で固定し(図7のINJ BPの時刻t2〜t3参照)、第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23Bから水素を供給する。その後、アノード圧力Paが目標圧力に達したときに、第1インジェクタ23Aを全開(固定)から開閉制御に切換えて(図7のINJAの時刻t3以降参照)、パージで排出される分だけの水素を供給し、第2インジェクタ23Bについては全閉とする(図7のINJBPの時刻t3以降参照)。
That is, in this embodiment, the
なお、図7の時刻t2〜t3における第2インジェクタ23Bの開度(Ti値)については、目標圧力に応じて設定されるものであり、アノード圧力が早くに上がりすぎない開度とする。ちなみに、アノード圧力が早くに上がり過ぎると、水素の供給が断続的になり、空気と水素の混合が促進されなくなるからである。よって、第2インジェクタ23BのTi値に上限値を設定することで、アノード圧力が早くに上がるのを防止でき、水素を連続的に供給することができ、空気と水素との混合を促進できる。
In addition, about the opening degree (Ti value) of the
また、図8(a)に示すように、アノード圧力Paを所定時間で所定値(目標圧力)まで上げる傾きについては、事前の試験等に基づいて決定する。ただし、燃料電池スタック10の劣化や耐久性の観点から、燃料電池スタック10が長時間高電位状態に曝されない値(目標圧力、所定時間)に設定する。
Further, as shown in FIG. 8A, the slope for increasing the anode pressure Pa to a predetermined value (target pressure) in a predetermined time is determined based on a preliminary test or the like. However, from the viewpoint of deterioration and durability of the
また、本実施形態は、停止時間が所定時間以上であると判定された場合、つまりアノード流路12とカソード流路13にそれぞれ空気が存在している状態で燃料電池スタック10を起動させる場合にのみ、第1インジェクタ23A(第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23B)を固定値(インターバルに対するTi値を固定)にて駆動させる構成を備えている。これによれば、インターバルに対する開弁時間を固定して水素を供給する必要がない場合にまで水素を連続的に供給するのを防止して、不必要(過剰)に水素を供給してしまうことを防止できる。
Further, in the present embodiment, when it is determined that the stop time is equal to or longer than the predetermined time, that is, when the
また、本実施形態は、停止時間が長いほど水素連続噴射時間(連続供給時間)を長くする構成を備えている(図4のS203、図5参照)。これによれば、アノード流路12の空気の比率によって水素連続噴射時間(目標圧力)を可変にするので、第1インジェクタ23Aや第2インジェクタ23Bを不必要(無駄)に駆動時間を長くする必要がなくなり、消費電力の削減を図ることが可能になる。
Moreover, this embodiment is equipped with the structure which lengthens hydrogen continuous injection time (continuous supply time), so that stop time is long (refer S203 of FIG. 4, FIG. 5). According to this, since the hydrogen continuous injection time (target pressure) is made variable according to the ratio of air in the
また、本実施形態は、燃料電池スタック10の起動時に第1インジェクタ23A(第1インジェクタ23Aおよび第2インジェクタ23B)の駆動中に閾値以上になった場合、エアポンプ31の回転速度(駆動量)を調整して極間差圧が閾値未満となるように調整する構成を備えている。これによれば、極間差圧が過大とならないようにできるので、燃料電池スタック10が破損するのを防止できる。
Further, in the present embodiment, when the
本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。例えば、本実施形態では、燃料電池スタック10の起動時にフィードバック制御を禁止する条件として、停止時間が所定時間以上であると判定された場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば燃料電池スタック10の凍結防止のため、発電停止中にアノード流路12を空気(酸化剤ガス)で掃気したか否かを考慮して判定してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in the present embodiment, the case where the stop time is determined to be equal to or longer than the predetermined time is described as an example of the condition for prohibiting the feedback control when the
すなわち、図示省略しているが、配管31aと配管24aとを接続するアノード掃気導入配管と、このアノード掃気導入配管を遮断する掃気導入弁と、を備え、発電停止中に掃気導入弁およびパージ弁26を開弁して、アノード掃気導入配管を介してエアポンプ31からの空気をアノード流路12などを含む流路に導入して掃気した場合においても、アノード流路12が空気で置換された状態となる。よって、このようにアノード流路12が掃気された場合においても、燃料電池スタック10の起動時にインターバルに対する開弁時間を固定して(フィードバック制御を禁止して)インジェクタ(第1インジェクタ23A、第2インジェクタ23B)を駆動する処理を実行するようにしてもよい。
In other words, although not shown in the drawings, an scavenging introduction pipe that connects the
また、本実施形態では、第1インジェクタ23Aと第2インジェクタ23Bとを備えた場合を例に挙げて説明したが、単一のインジェクタ(例えば、第1インジェクタ23A)を備えた燃料電池システムであってもよく、または、第2インジェクタ23Bを一定時間且つ一定流量流せるバルブに置き替えてもよい。
In the present embodiment, the case where the
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
12 アノード流路
13 カソード流路
23A 第1インジェクタ(インジェクタ)
23B 第2インジェクタ(インジェクタ)
28 圧力センサ(極間差圧検出手段)
31 エアポンプ(酸化剤ガス供給手段)
35 圧力センサ(極間差圧検出手段)
60 ECU(制御部、インジェクタ固定駆動手段、停止時間判定手段、連続供給時間算出手段、起動時差圧調整手段)
1
12
23B Second injector (injector)
28 Pressure sensor (Differential pressure detection means)
31 Air pump (oxidant gas supply means)
35 Pressure sensor (Differential pressure detection means)
60 ECU (control unit, injector fixed driving means, stop time determining means, continuous supply time calculating means, starting differential pressure adjusting means)
Claims (6)
前記アノード流路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入流路と、
前記アノード流路から燃料オフガスを導出する燃料オフガス導出流路と、
前記燃料オフガス導出流路の燃料オフガスを前記燃料ガス導入流路に戻して循環させる接続路と、
前記燃料ガス導入流路と前記接続路との合流点に配置されるエゼクタと、
前記燃料ガス導入流路の前記エゼクタの上流に設けられ、前記アノード流路に燃料ガスを調圧して供給する第1インジェクタと、
前記第1インジェクタをフィードバック制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記アノード流路内の酸化剤ガスの比率が高いほど燃料ガスの連続噴射時間を長く設定する燃料ガス連続噴射時間算出手段と、
前記アノード流路内の酸化剤ガスの比率が高いほど燃料ガスの噴射量を多く設定する燃料ガス噴射量算出手段と、
前記燃料ガスの連続噴射時間および前記燃料ガスの噴射量に基づいて前記第1インジェクタの時間当たりの噴射量を算出するインジェクタ噴射量算出手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記第1インジェクタのフィードバック制御を禁止し、前記時間当たりの噴射量に応じて決定される当該第1インジェクタの駆動周期における開弁時間に基づいて、当該第1インジェクタを駆動するインジェクタ固定駆動手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an anode channel for supplying fuel gas to the anode and a cathode channel for supplying oxidant gas to the cathode;
A fuel gas introduction channel for introducing fuel gas into the anode channel;
A fuel off-gas outlet channel for extracting fuel off-gas from the anode channel;
A connection path for circulating the fuel off-gas from the fuel off-gas outlet path back to the fuel gas introduction path;
An ejector disposed at a junction of the fuel gas introduction channel and the connection channel;
A first injector that is provided upstream of the ejector in the fuel gas introduction flow path and regulates and supplies fuel gas to the anode flow path;
A fuel cell system comprising a control unit that performs feedback control of the first injector,
The controller is
A fuel gas continuous injection time calculating means for setting the fuel gas continuous injection time longer as the ratio of the oxidant gas in the anode flow path is higher;
A fuel gas injection amount calculating means for setting a larger fuel gas injection amount as the ratio of the oxidant gas in the anode flow path is higher;
Injector injection amount calculation means for calculating an injection amount per hour of the first injector based on the continuous injection time of the fuel gas and the injection amount of the fuel gas;
When the fuel cell is started, feedback control of the first injector is prohibited, and the first injector is controlled based on a valve opening time in the driving cycle of the first injector determined according to the injection amount per time. An injector fixed drive means for driving the fuel cell system.
前記制御部は、前記アノード流路の圧力が目標圧力に到達するまで前記パージ弁の閉弁状態を維持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。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit maintains the closed state of the purge valve until the pressure of the anode channel reaches a target pressure. 3.
制御部は、前記燃料電池の起動時において、前記第2インジェクタの駆動周期における開弁時間に上限値を設定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit sets an upper limit value for a valve opening time in a driving cycle of the second injector when the fuel cell is started. 4.
前記インジェクタ固定駆動手段は、前記停止時間判定手段により前記停止時間が所定時間以上であると判定された場合に前記駆動周期に対する開弁時間を固定して前記第1インジェクタを駆動することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A stop time determining means for determining whether or not a stop time before the fuel cell is started is a predetermined time or more;
The injector fixed drive means drives the first injector while fixing a valve opening time with respect to the drive cycle when the stop time is determined by the stop time determination means to be a predetermined time or more. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 .
前記連続供給時間算出手段は、前記停止時間が長いほど前記連続供給時間を長くすることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 A continuous supply time calculating means for calculating a continuous supply time of the fuel gas when driving the first injector by the injector fixed drive means;
5. The fuel cell system according to claim 4 , wherein the continuous supply time calculation means lengthens the continuous supply time as the stop time is longer.
前記燃料電池のアノード側とカソード側の極間差圧を検出する極間差圧検出手段と、
前記燃料電池の起動時であって、前記インジェクタ固定駆動手段による前記第1インジェクタの駆動中に前記極間差圧が閾値以上になった場合、前記酸化剤ガス供給手段の駆動量を調整して前記極間差圧が前記閾値未満となるように調整する起動時差圧調整手段と、を備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode channel;
An inter-electrode differential pressure detecting means for detecting an inter-electrode differential pressure between the anode side and the cathode side of the fuel cell;
When the fuel cell is started up and the differential pressure between the electrodes becomes a threshold value or more during driving of the first injector by the injector fixed driving means, the driving amount of the oxidant gas supply means is adjusted. 6. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a startup differential pressure adjusting unit configured to adjust the inter-electrode differential pressure to be less than the threshold value.
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