JP5773058B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムに関する。
JP2009−123550Aの燃料電池システムでは、燃料電池スタックへ供給する空気の流量が、発電に必要な目標流量になるようにカソードコンプレッサーを操作する。そしてカソードコンプレッサーが、発電に必要な空気量よりも多く空気を供給するときには(サージ回避のための空気量)、コンプレッサーは発電に必要な空気量よりも大きな流量を供給すると共に、スタックにとって不要な流量分はバイパス弁を使ってバイパス流路に供給している。
JP2009−123550Aでは、コンプレッサーはサージ回避のための流量を供給すると共に、バイパス弁の制御は、バイパス流路よりも下流のスタック入口側に設けられた空気流量センサーで燃料電池スタックに供給される空気量を検出し、そして、この流量がスタックの目標流量となるように制御弁の開度をフィードバックする。JP2009−123550Aの制御では、コンプレッサーの制御がオープン制御であるため、コンプレッサー流量が供給すべき流量よりも多くなることが懸念される。
このような場合でも、バイパス弁の開度が大きくなることでスタックに供給される流量をスタックの目標流量とすることができる。しかしながら、そもそもコンプレッサーの供給流量がサージ回避のための流量よりも多くなっている場合は、オープン制御ではこれを小さくすることができず、コンプレッサーの消費電力が増大してしまうことが懸念される。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、コンプレッサーの消費電力が無用に増大することを防止することができる燃料電池システムを提供することである。
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池スタックと、カソードガスを供給するカソードコンプレッサーと、前記燃料電池スタックに接続されて前記カソードガスが流れるカソード流路と、前記燃料電池スタックよりも上流のカソード流路から分岐して、燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、バイパス流路を流れるカソード流量を調整するバイパス弁と、前記燃料電池スタックに供給されるカソード流量を検出するスタック流量センサーと、前記カソードコンプレッサーに吸入されるカソード流量を検出するコンプレッサー流量センサーと、を備えた燃料電池システムである。そして、燃料電池の状態に応じてスタックに必要な流量を算出するスタック要求流量算出部と、上記要求とは異なる要求でコンプレッサーが流すべき流量を算出するコンプレッサー要求流量算出部とを備え、スタック要求流量よりもコンプレッサー要求流量が大きい場合は、前記コンプレッサー要求流量と、コンプレッサー流量センサーで検出されるコンプレッサー流量に基づいて前記カソードコンプレッサーを制御するとともに、前記スタック要求流量とスタック流量センサーで検出されるスタック流量に基づいて前記バイパス弁を制御する制御部をさらに含む。
本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
(第1実施形態)
図1は、本発明による燃料電池システムの主要部分(カソードガス系)を示す図である。
図1は、本発明による燃料電池システムの主要部分(カソードガス系)を示す図である。
燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、カソードコンプレッサー20と、バイパス弁30と、空気調圧弁40と、を含む。
燃料電池スタック10は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。
カソードコンプレッサー20は、空気を圧送する。カソードコンプレッサー20は、カソード流路51に設けられる。カソード流路51は、燃料電池スタック10に接続される。カソード流路51には、カソードコンプレッサー20が圧送した空気が流れる。
バイパス弁30は、バイパス流路52の途中に設けられる。バイパス流路52は、燃料電池スタック10よりも上流のカソード流路51から分岐して、燃料電池スタック10よりも下流のカソード流路51に合流する。バイパス流路52には、カソードコンプレッサー20が圧送した空気の一部(燃料電池スタック10が必要としない余剰の空気)が分岐して流れる。バイパス弁30は、バイパス流路52を流れるカソード流量を調整する。
空気調圧弁40は、燃料電池スタック10よりも下流であってバイパス流路52の合流部よりも上流のカソード流路51に設けられる。空気調圧弁40の開度が小さいほどカソード流路51の圧力が高くなる。空気調圧弁40の開度が大きいほどカソード流路51の圧力が低くなる。
カソードコンプレッサー20よりも上流のカソード流路51には、コンプレッサー流量センサー61が設けられる。このコンプレッサー流量センサー61は、カソードコンプレッサー20に吸入されるカソード流量(コンプレッサー吸入流量F1)を検出する。
バイパス流路52の分岐部よりも下流であって燃料電池スタック10よりも上流のカソード流路51には、圧力センサー62及びスタック流量センサー63が設けられる。圧力センサー62は、燃料電池スタック10の入口のカソード圧力(スタック入口圧力P)を検出する。スタック流量センサー63は、燃料電池スタック10に供給されるカソード流量(スタック供給流量F2)を検出する。
なお図示は省略されるが、燃料電池スタック10には、アノードガス(水素)も供給される。燃料電池スタック10は、カソードガス(酸素)及びアノードガス(水素)で発電反応を発生する。発電反応で消費されなかった廃ガス(水素オフガス)は、空気調圧弁40よりも下流のカソード流路51に混入され、カソードガスで希釈されて大気に排出される。
図2は、本発明による燃料電池システムの第1実施形態の制御部を示すブロック図である。
本発明による燃料電池システムの制御部70は、2入力2出力FB制御部71と、最大選択部72と、コンプレッサーFB制御部73と、バイパス弁FB制御部74と、を含む。
2入力2出力FB制御部71は、2入力(スタック供給流量F2及びスタック入口圧力P)が目標値(目標スタック供給流量及び目標スタック入口圧力)に収束するように、2出力(空気調圧弁指令値及びスタック要求目標コンプレッサー吸入流量)を決定する。具体的には、2入力2出力FB制御部71には、システムをモデル化した演算式が設定されており、この演算式に基づいて空気調圧弁指令値及びスタック要求目標コンプレッサー吸入流量を演算する。なおスタック要求目標コンプレッサー吸入流量が、請求項の「第2のコンプレッサー要求流量」に相当する。また目標スタック供給流量及び目標スタック入口圧力は、燃料電池スタックに要求される目標出力に基づいて設定されている。
最大選択部72は、スタック要求目標コンプレッサー吸入流量、サージ回避流量及び水素希釈流量のうち最大値を選択して、目標コンプレッサー吸入流量として設定する。サージ回避流量及び水素希釈流量について並びにこのようにする理由については図3A及び図3Bが参照されて説明される。
カソードコンプレッサー20は、ターボコンプレッサーである。ターボコンプレッサーには、図3Aに示されるような特性があり、サージが発生するおそれがある領域(サージ領域)では運転が禁止される。たとえば燃料電池スタックに要求される目標出力に基づいて設定される運転点がP11(コンプレッサー供給流量Q11,コンプレッサー前後圧力比r1)であった場合を考える。この運転点P11は、サージ領域に存在する。このような運転点P11でコンプレッサーを運転すると、サージが発生するおそれがある。そこでこのような場合は、燃料電池スタックに要求される目標出力に基づいて設定される空気量Q11よりも大きな空気量Q12で、コンプレッサーを運転することで、サージ領域から脱する必要がある。すなわちこの場合は、空気量Q12がコンプレッサーを運転するうえでの下限流量であり、この下限流量(コンプレッサー下限流量)がサージ回避流量である。コンプレッサーは、このコンプレッサー下限流量(サージ回避流量)よりも大きな流量で運転される必要がある。
また本発明による燃料電池システムでは、上述のように、発電で消費されなかった廃ガス(水素オフガス)は、カソードガスで希釈されて大気に排出される。希釈に必要な空気量は、図3Bのように示される。燃料電池スタックに要求される出力電流がI1であれば、発電に必要な空気量(燃料電池スタックに供給すべき空気量)は、Q21である。これに対して、燃料電池スタックに要求される出力電流がI1であるときに、水素を希釈するために必要な空気量は、Q22である。そこでこのような場合は、発電に必要な空気量Q21よりも大きな空気量Q22で、コンプレッサーを運転する必要がある。すなわちこの場合は、空気量Q22がコンプレッサーを運転するうえでの下限流量であり、この下限流量(コンプレッサー下限流量)が水素希釈流量である。コンプレッサーは、このコンプレッサー下限流量(水素希釈流量)よりも大きな流量で運転される必要がある。
このような理由によって、最大選択部72は、スタック要求目標コンプレッサー吸入流量、サージ回避流量及び水素希釈流量のうち最大値を選択して、目標コンプレッサー吸入流量として設定する。
なおΔQ1(=Q12−Q11)は、サージを回避するためには必要であるものの、燃料電池スタックの発電には余剰な空気量である。またΔQ2(=Q22−Q21)は、水素を希釈するためには必要であるものの、燃料電池スタックの発電には余剰な空気量である。このような余剰な空気を燃料電池スタックに供給しては、燃料電池スタックの運転性に悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、このような余剰な空気は、燃料電池スタックに供給することなく、バイパス流路52に流すのである。
再び図2に戻る。
コンプレッサーFB制御部73は、センサーで検出した流量(コンプレッサー吸入流量F1又はスタック供給流量F2)が目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。具体的には、目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に対するセンサー量の偏差に比例する成分や、目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に対するセンサー量の偏差を時間積算した成分(積分成分)に応じて、フィードバック制御(PI制御)して、コンプレッサー指令値を決定する。なおコンプレッサーFB制御部73は、燃料電池スタックに供給されるカソード流量が、上述のコンプレッサー下限流量よりも小さい場合には(すなわち余剰の空気をバイパスさせる必要がある場合には)、コンプレッサー吸入流量F1が目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。また燃料電池スタックに供給されるカソード流量が、上述のコンプレッサー下限流量よりも大きい場合には(すなわち余剰の空気がなくバイパスの必要がない場合には)、スタック供給流量F2が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。なおこの場合は、余剰の空気がなくバイパスさせないので、目標スタック供給流量は、目標コンプレッサー吸入流量に等しくなる。
バイパス弁FB制御部74は、スタック供給流量F2が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、バイパス弁指令値を決定する。具体的には、目標量(目標スタック供給流量)に対するスタック供給流量F2の偏差に比例する成分や、目標量(目標スタック供給流量)に対するスタック供給流量F2の偏差を時間積算した成分(積分成分)に応じて、フィードバック制御(PI制御)して、バイパス弁指令値を決定する。
図4は、第1実施形態の作用効果を説明する図である。
比較形態(特許文献1の方式)では、上述のように、バイパス弁やコンプレッサーの性能ばらつき(個体ばらつき)などによっては、バイパス流量が大きくなってしまい、それを補填するために、図4に破線で示されるように、コンプレッサーの供給流量が増量される。したがってコンプレッサーの消費電力が増大してしまう。
これに対して、本実施形態では、コンプレッサーFB制御部73は、余剰の空気をバイパスさせる必要がある場合には、コンプレッサー吸入流量F1が目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。そして、スタック供給流量F2が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、バイパス弁を制御する。このようにすれば、バイパス弁とコンプレッサーとによってスタック供給流量が操作されるという作用が得られる。コンプレッサーの供給流量が無用に過大にされることが防止され、それに合わせてバイパス弁が開かれるので、コンプレッサーの消費電力の無用な増大が防止される。
また余剰の空気がなくバイパスの必要がない場合には、スタック供給流量F2が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、コンプレッサー指令値が決定される。このようにすることで、バイパス弁にばらつきが生じても、スタック供給流量を目標量に制御できる。さらに、スタック供給流量が目標量に近づくとともに、コンプレッサーからの供給流量は下限値の制約を守ることができるという作用が得られる。そしてバイパス弁にばらつきが生じても、コンプレッサーの消費電力を増大させることがなく燃費が向上するという優れた効果が得られる。
(第2実施形態)
図5は、本発明による燃料電池システムの第2実施形態の制御部を示すブロック図である。
図5は、本発明による燃料電池システムの第2実施形態の制御部を示すブロック図である。
本実施形態では、所定の条件が成立したら、バイパス弁の開度を小さくするようにした。具体的な内容は、図5の制御ブロック図に沿って説明される。
本実施形態では、第1実施形態の制御ブロックに加えて、バイパス弁強制閉制御を実施するための制御ブロック75を含む。
バイパス弁強制閉制御ブロック75は、加算部751と、条件判定部752と、加算部753と、条件判定部754と、強制閉フラグ出力部755と、を含む。
加算部751は、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値を出力する。なおこのマージンは、必須ではなく、またマージンの大きさも、システム構成に使用している部品仕様や、センサー誤差、スタック要求コンプレッサー流量を求める部分の制御設計結果に応じて適宜設定すればよい。
条件判定部752は、目標スタック流量が、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値よりも大きいか否かを判定する。条件判定部752は、判定結果が肯であれば、出力1として1を出力する。条件判定部752は、判定結果が否であれば、出力1として0を出力する。
加算部753は、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値を出力する。なおこのマージンは、必須ではなく、またマージンの大きさも、システム構成に使用している部品仕様や、センサー誤差、スタック要求コンプレッサー流量を求める部分の制御設計結果に応じて適宜設定すればよい。
条件判定部754は、スタック要求コンプレッサー流量が、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値よりも大きいか否かを判定する。条件判定部754は、判定結果が肯であれば、出力2として1を出力する。条件判定部754は、判定結果が否であれば、出力2として0を出力する。
強制閉フラグ出力部755は、条件判定部752の出力1が1又は条件判定部754の出力2が1であれば、バイパス弁を強制的に閉じるように制御する。強制閉フラグ出力部755は、条件判定部752の出力1が0及び条件判定部754の出力2が0であれば、バイパス弁の強制的な閉制御を解除する。
図6は、発電電流が上がるときに得られる第2実施形態の作用効果を説明するタイミングチャートである。
なお図6では、特に、条件判定部752が出力1として1を出力する場合で説明する。また基本的には、図2に示された制御がサイクリックに実行されている。また図面の理解を容易にするために、各線は、重ならないようにずらされて示される。
時刻t11以前は、燃料電池スタックに要求される発電電流が小さく(図6(A))、発電電流を実現するために必要な空気流量q12も少ない(図6(C))。したがってコンプレッサーの流量も少なくてよいが、コンプレッサー下限流量を下回る運転はできない。そこでコンプレッサーは、コンプレッサー下限流量q11で運転する(図6(B))。そして、発電に余剰な流量q11−q12がバイパス流路に流される(図6(D))。
時刻t11で、燃料電池スタックに要求される発電電流が上昇し(図6(A))、それに合わせて、発電電流を実現するために必要な空気流量の目標量(目標スタック流量)が上昇しq13になって(図6(C))、コンプレッサー下限流量を上回る。これによって、条件判定部752が、出力1として1を出力することとなり、バイパス弁の強制閉フラグがオンになり(図6(E))、バイパス弁通過流量はバイパス弁閉動作が行われないときよりも短時間で減じられる。
時刻t11以降は、スタック供給流量が目標量に追従するように、コンプレッサー指令値がFB制御部で生成される。そのため、スタック供給流量と目標量との偏差が大きいとFB制御部の積分演算によって、時間ととともに目標コンプレッサー吸入空気流量が大きくなる(図6(B))。
時刻t12で、スタック供給流量が目標量に到達する。このため、バイパス弁、コンプレッサー操作量の変化が無くなり定常状態になる。
このとき、図5に示されるバイパス弁強制閉制御が実行されなければ、時刻t11でバイパス弁閉動作が実行されないため、実行される場合に比べて動作が遅くなる。また、時刻t12において、スタック供給流量が目標値に一致するため、コンプレッサー流量のFB制御器の操作量が変化しなくなる(図6(B)の破線)。そして、バイパス流量も大きい状態のままになる(図6(D)の破線)。このような状態では、コンプレッサーの消費電力も大きい(図6(F)の破線)。すなわちこのような状態では、コンプレッサーの供給流量が無用に過大にされて、コンプレッサーの消費電力の無用な増大されてしまうのである。
これに対して、本実施形態では、バイパス弁強制閉制御が実行されてバイパス流量が保持されてしまうことが回避され、バイパス流量が低下する(図6(D)の実線)。上述のように、基本的には、図2に示された制御がサイクリックに実行されている。バイパス流量が保持されてしまいそうな事態になっても、バイパス弁強制閉制御が実行されてバイパス流量が低下する。それは、スタック供給流量やスタック入口圧力に影響を及ばす。これがきっかけとなって、図2の制御ブロック図がサイクリックに実行されると、その後、バイパス弁の開度が小さくなって、バイパス流量が低下することとなる。この結果、コンプレッサー流量が、図6(B)に実線で示されるように、低下する。ゆえに、コンプレッサーの消費電力が下がり(図6(F)の実線)、時刻t13以降もコンプレッサーの消費電力が低い状態になり、コンプレッサーの消費電力の無用な増大が防止される。
なお、バイパス弁操作量0がバイパス弁を閉じ、バイパス流量を減じる操作であるとき、バイパス弁閉動作は、たとえば、バイパス弁の強制閉フラグがオンした場合に、バイパス弁操作量を演算するFB制御器の積分演算の前回値を1よりも小さい倍率を乗じて忘却する手法や、FB制御器に入る偏差のうちバイパス弁通過流量が減じられる偏差を所定の割合で増加させる、あるいは所定の偏差で固定する、所定の偏差以下になるように補正する、などがある。これをフローチャートで示すと図7A及び図7Bのようになる。
図8は、発電電流が下がるときに得られる第2実施形態の作用効果を説明するタイミングチャートである。
時刻t21以前は、燃料電池スタックに要求される発電電流が大きく(図8(A))、発電電流を実現するために必要な空気流量q22も大きく、コンプレッサー下限流量q21を上回っている(図8(B))。
時刻t21で、燃料電池スタックに要求される発電電流が減少し(図8(A))、それに合わせて、発電電流を実現するために必要な空気流量の目標量(目標スタック流量)が減少してq23になって、コンプレッサー下限流量を下回る(図8(B))。したがってコンプレッサーの流量も少なくてよいが、コンプレッサー下限流量を下回る運転はできない。そこでコンプレッサーは、コンプレッサー下限流量を目標コンプレッサー吸入流量として運転する(図8(B))。
コンプレッサー吸入流量(検出値)は、時刻t22で目標コンプレッサー吸入流量に一致する。なおカソードガスをバイパスさせる必要は無いので、バイパス流量はゼロであり(図8(C))、したがって、スタック供給流量(検出値)はコンプレッサー吸入流量(検出値)に一致している。
スタック供給流量が目標量に到達した後、図5に示されるバイパス弁強制閉制御が実行されることなく、図2の制御ブロック図がサイクリックに実行されていると、時刻t23以降、破線で示されるように、目標コンプレッサー吸入流量が一定に維持され、それによって、本来スタックに供給する必要がない余剰の流量がバイパスされる可能性がある。このような状態では、コンプレッサーの消費電力も大きい(図8(E)の破線)。すなわちこのような状態では、コンプレッサーの供給流量が無用に過大にされて、コンプレッサーの消費電力の無用な増大されてしまうのである。
これに対して、本実施形態では、バイパス弁強制閉制御が実行されてバイパス流量が必ずゼロに維持される。この結果、スタック供給流量が目標量に到達するように、目標コンプレッサー吸入流量が、図8(B)に示されるように、低下する。ゆえに、コンプレッサーの消費電力が下がる(図8(E)の実線)。
時刻t24でスタック供給流量が目標量に到達した後も、コンプレッサーの消費電力が低い状態になり、コンプレッサーの消費電力の無用な増大が防止される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
たとえば、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
本願は、2012年2月29日に日本国特許庁に出願された特願2012−43873、2012年3月1日に日本国特許庁に出願された特願2012−45739、2013年1月24日に日本国特許庁に出願された特願2013−11415に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
Claims (3)
- 燃料電池スタックと、
カソードガスを供給するカソードコンプレッサーと、
前記燃料電池スタックに接続されて前記カソードガスが流れるカソード流路と、
前記燃料電池スタックよりも上流のカソード流路から分岐して、燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、バイパス流路を流れるカソード流量を調整するバイパス弁と、
前記燃料電池スタックに供給されるカソード流量を検出するスタック流量センサーと、
前記カソードコンプレッサーに吸入されるカソード流量を検出するコンプレッサー流量センサーと、を備えた燃料電池システムであって、
燃料電池スタックの目標出力に応じて燃料電池スタックに必要なスタック要求流量を算出するスタック要求流量算出部と、
サージ回避又は水素オフガス希釈の要求でコンプレッサーが流すべき流量に基づいてコンプレッサー要求流量を算出するコンプレッサー要求流量算出部とを備え、
スタック要求流量よりもコンプレッサー要求流量が大きい場合は、前記コンプレッサー要求流量と前記コンプレッサー流量センサーで検出されるコンプレッサー流量とに基づいて前記カソードコンプレッサーを制御するとともに、前記スタック要求流量と前記スタック流量センサーで検出されるスタック流量とに基づいて前記バイパス弁を制御し、コンプレッサー要求流量よりもスタック要求流量が大きい場合は、前記スタック要求流量と前記スタック流量センサーで検出されるスタック流量とに基づいて前記カソードコンプレッサーを制御する制御部と、
を含む燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記スタック要求流量が前記コンプレッサー要求流量よりも大きくなったときは、前記バイパス弁を強制的に閉弁制御する、
燃料電池システム。 - 請求項1又は請求項2項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記コンプレッサー要求流量算出部は、前記スタック要求流量と実スタック流量との偏差に基いて算出された第2のコンプレッサー要求流量と、前記サージ回避又は水素オフガス希釈の要求に基づく流量とのうち、大きい流量を前記コンプレッサー要求流量として算出する、
燃料電池システム。
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