JP6227497B2 - 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
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Description
ところで、下記特許文献1によれば、要求発電量が小さくなるにつれて、インジェクタの駆動周期を長く設定し(デューティ比は不変)、一周期あたりの噴射量を増加させる制御方法が提案されている。
一方で、要求発電量が小さい低負荷発電時では、通常発電時よりも燃料電池システム全体の作動音(例えば、コンプレッサの駆動音など)が小さくなり、インジェクタの作動音の方が大きくなってしまうおそれがある。
このため、低負荷発電時において、通常発電時に聞こえなかったインジェクタの作動音がユーザに聞こえてしまい、違和感を与える。
法は、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御手段は、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、前記制御手段は、要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、を有し、前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量であることを特徴とする。
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御手段は、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、前記制御手段は、要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、を有し、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第1減圧装置と、前記第1減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、前記開閉弁をバイパスして設けられた第2減圧装置と、を備え、前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁することを特徴とする。
なお、本実施形態では、モータにより駆動する燃料電池車(移動体)に燃料電池システムが搭載された例を挙げて説明するが、本発明は移動体に限らず、据え置き型などの固定設備に備え付けてもよく、特に限定されない。
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と、燃料電池スタック10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)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するECU70(Electronic Control Unit:電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11を積層することで構成されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、MEAを挟む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。
同様に、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11の積層方向に延びる貫通孔や単セル11の面方向に延びる溝が形成され、貫通孔及び溝が内部カソード流路13として機能している。
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
アノード系は、高圧タンク(燃料ガス貯蔵手段)20と、高圧タンク20から燃料電池スタック10のアノードに水素を供給する水素供給配管21(21a〜21e)と、アノードオフガスを循環させるアノードオフガス循環配管22aと、アノードオフガスを排出するアノードオフガス排出配管22b、22cと、水素供給配管21上に配設された圧力調整手段24、インジェクタ23及びエゼクタ25と、アノードオフガス排出配管22b上に配設されたパージ弁26と、を備えている。
本実施形態の圧力調整手段24は、高圧タンク20の下流側に配設される第1レギュレータ(第1減圧装置)24aと、第1レギュレータ24aとインジェクタ23との間に配設される切り替えバルブ(開閉弁)24bと、切り替えバルブ24bをバイパスするバイパス管24d上に配設された第2レギュレータ(第2減圧装置)24cと、を備えている。
また、第1レギュレータ24a及び第2レギュレータ24cには、2次側に流れる水素を所定圧の設定するためのハンドルが設けられている。
本実施形態では、第1レギュレータ24aの2次側の圧力が、例えば1MPaとなるように設定され、第2レギュレータ24cの2次側の圧力が、例えば0.5MPaとなるように設定されている。
一方で、切り替えバルブ24bが閉弁すると、第1レギュレータ24aにより1MPaに減圧された水素が第2レギュレータ24cを通過し、インジェクタ23には、第2レギュレータ24cにより0.5MPaに減圧された水素が供給される。
なお、切り替えバルブ24bの閉弁により、インジェクタ23に供給される圧力が低くなると、インジェクタ23のプランジャの打音や噴射音等も小さくなり、インジェクタ23の作動音が小さくなる(図2の「0.5MPa時」と「1MPa時」を参照)。
カソード系は、コンプレッサ30と、コンプレッサ30と燃料電池スタック10とを接続する空気供給配管31と、燃料電池スタック10からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出配管32と、を備えている。
電力消費系は、燃料電池スタック10の出力端子(不図示)に接続する電力制御器51を備えている。電力制御器51は、DC/DCチョッパ等の電子回路を備えており、ECU70からの指令に従って燃料電池スタック10を出電電力(出力電圧、出力電流)を制御するものである。
モータ52は、燃料電池車の駆動力を発生する電動機であり、電力制御器51の出力端子(不図示)に接続されている。
IG61は、燃料電池車(燃料電池システム1)の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。IG61は、ECU70と接続されており、ECU70は、IG61のON信号/OFF信号を検知するようになっている。
アクセル開度センサ62は、アクセル開度(アクセルの踏み込み量)を検出し、ECU70に出力するようになっている。
ECU70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、電子回路などを含んで構成されている。そして、ECU70は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
ECU70は、要求発電量に対応して燃料電池スタック10の発電を制御する発電制御機能を有している。
ECU70は、要求発電量に関し、アクセル開度センサ62に検出されるアクセル開度(アクセルの踏み込み量)に基づいて判断している。具体的に、アクセル開度が大きくなると、目標アノード圧力、目標カソード圧力が高くなり、目標アノードガス流量(目標水素流量)、目標カソードガス流量(目標空気流量)が多くなる関係になっている。
なお、要求発電量が大きくなるにつれて、燃料電池システム1全体の作動音が大きくなる、という関係にある(図2参照)。
この低負荷発電モードによれば、アイドリング時など、燃料電池スタック10の要求発電量が小さい場合に低負荷発電モードが選択され、インジェクタ23に供給される水素の圧力が0.5MPaとなり、インジェクタ23の作動音が小さくなる(図2参照)。
このような所定値によれば、インジェクタ23の作動音(供給される水素の圧力が1MPa時)よりも、燃料電池システム1の作動音の方が小さい場合に、低負荷発電モードが選択され、インジェクタ23の作動音が小さくなる。このため、インジェクタ23の作動音が運転者に聞こえないようになる。
一方で、燃料電池車両の走行中などの燃料電池スタック10の要求発電量が高い場合、通常発電モードが選択され、インジェクタ23に高圧(1MPa)の水素が供給される。このため、インジェクタ23は、要求発電量に対応した高圧で大量の水素をアノードに供給することができる。
なお、通常発電モード選択時において、燃料電池システム1の作動音は、供給される水素の圧力が1MPaで駆動するインジェクタ23の作動音よりも大きく、インジェクタ23の作動音は運転者に聞こえない。
次に、燃料電池システム1の動作を説明する。
具体的に、ステップS102で、ECU70は、切り替えバルブ24bに対して特に制御信号を出さない。この結果、切り替えバルブ24bの開弁が維持され、インジェクタ23に、第1レギュレータ24aにより1MPaに減圧された水素が供給される。
これにより、インジェクタ23は、高圧で大量の水素をアノードに供給し、コンプレッサ30は、駆動量を増大させて高圧で大量の空気をカソードに供給し、燃料電池スタック10の発電量が要求発電量となる。
具体的にステップS103において、ECU70は、切り替えバルブ24bに対して制御信号を発信して切り替えバルブ24bを閉弁させる。これにより、第1レギュレータ24aにより1MPaに減圧された水素が第2レギュレータ24cを通過し、0.5MPaに減圧された水素がインジェクタ23に供給される。
そして、インジェクタ23は、低圧で少量の水素をアノードに供給し、コンプレッサ30は、駆動量を低減させて低圧で少量の空気がカソードに供給する。
例えば、第2レギュレータ24cに関し、2次側の圧力が0.5MPaに設定されているが、本発明は、第1レギュレータ24aの2次側の圧力(1MPa)よりも低く減圧できればよい。
ただし、第2レギュレータ24cの2次側の圧力が低すぎると、インジェクタ23による水素供給が適切に実施されないおそれがあり、インジェクタ23による音速供給が可能範囲である必要がある。
このような構成によっても実施形態の燃料電池システム1と同様な効果を発揮することができると共に、実施形態よりも部品点数が低減し、燃料電池システム1Aの小型化を図ることができる。
なお、可変減圧装置24Aの具体的な構成としては、ECU70の制御信号を受けて2次側の流路幅を変更することで2次側の圧力を調圧するものや、弁の開閉するデューティ比を変更することで2次側の圧力を調圧するものが挙げられる。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
21 水素供給配管(燃料ガス供給配管)
21 高圧タンク(燃料ガス貯蔵手段)
23 インジェクタ
24、24A 圧力調整手段
24a 第1レギュレータ(第1減圧装置)
24b 切り替えバルブ(開閉弁)
24c 第2レギュレータ(第2減圧装置、減圧装置)
24d バイパス管
Claims (5)
- 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
要求発電量が所定値以上の場合、前記通常発電モードで前記圧力調整手段を制御し、
前記要求発電量が所定値未満の場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくし、
前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量であることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
要求発電量が所定値以上の場合、前記通常発電モードで前記圧力調整手段を制御し、
前記要求発電量が所定値未満の場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくし、
前記圧力調整手段は、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第1減圧装置と、
前記第1減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁をバイパスして設けられた第2減圧装置と、
を備え、
前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記圧力調整手段は、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられ、二次側圧力を可変可能な可変減圧装置を備え、
前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記インジェクタに供給される燃料ガスの圧力を前記通常発電モード時よりも低くなるように前記可変減圧装置を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御手段は、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
前記制御手段は、
要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、
前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、
を有し、
前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量である
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御手段は、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
前記制御手段は、
要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、
前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、
を有し、
前記圧力調整手段は、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第1減圧装置と、
前記第1減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁をバイパスして設けられた第2減圧装置と、
を備え、
前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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