JP5060118B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
近年、水素(燃料ガス)がアノードに、酸素(酸化剤ガス)がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池の開発が盛んである。このような燃料電池は、その要求発電量(例えば、燃料電池が燃料電池自動車に搭載される場合、アクセルペダルの踏み込み量に基づく要求加速度)に対応して、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しないと、燃料電池で燃料ガス及び酸化剤ガスのガス不足となる虞がある。
そこで、このようなガス不足を防止するために、要求発電量に対応して、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を制御する技術が提案されている(特許文献1参照)。
In recent years, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that generates electricity by generating an electrochemical reaction by supplying hydrogen (fuel gas) to the anode and oxygen (oxidant gas) to the cathode, etc. The development of fuel cells is thriving. Such a fuel cell does not supply fuel gas and oxidant gas corresponding to the required power generation amount (for example, when the fuel cell is mounted on a fuel cell vehicle, the required acceleration based on the amount of depression of the accelerator pedal). Then, there is a risk of fuel gas and oxidant gas shortage in the fuel cell.
Therefore, in order to prevent such a gas shortage, a technique for controlling the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell in accordance with the required power generation amount has been proposed (see Patent Document 1).
また、このような燃料電池は、好適に発電する温度(好適発電温度)を固有している。例えば、固体高分子型燃料電池の場合、その好適発電温度は70〜80℃であり、これは燃料電池を構成するMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)のアノード及びカソードに含まれる触媒(Pt等)の種類に主に依存する。
したがって、例えば、氷点下(0℃未満)等の低温環境下から燃料電池の発電を開始する場合、発電による自己発熱量を一時的に増加させて、燃料電池の暖機を促進させつつ起動させる技術が提案されている。このような起動は、低温起動と称され、特に氷点下から起動させる場合、氷点下起動と称される。
Therefore, for example, when starting power generation of a fuel cell from a low-temperature environment such as below freezing (less than 0 ° C.), a technology for temporarily increasing the amount of self-heat generated by power generation and starting the fuel cell while warming it up Has been proposed. Such activation is referred to as low temperature activation, and in particular, when starting from below freezing, it is referred to as below freezing.
しかしながら、前記したように低温起動し、燃料電池の暖機を促進させた後でも、MEAの表面等において水分が未だ局部的に凍結している場合があり、有効に発電可能なMEAの面積(有効発電面積)が、小さいときがある。そして、このように有効発電面積が小さい状況において、大きな要求発電量があり、燃料電池の出力が急に高くなる場合、特許文献1のように、燃料電池の状態に関わらず、単に、要求発電量に対応して燃料ガスの流量を制御したのみでは、燃料電池で燃料ガス不足となる虞がある。
However, even after starting at a low temperature and promoting the warm-up of the fuel cell as described above, the water may still be locally frozen on the surface of the MEA, and the area of the MEA that can effectively generate power ( The effective power generation area is sometimes small. In such a situation where the effective power generation area is small, when there is a large required power generation amount and the output of the fuel cell suddenly increases, the required power generation is simply performed regardless of the state of the fuel cell as in
そこで、本発明は、燃料電池の状態に対応して燃料ガスの流量を調整することで、燃料ガス不足を防止し、燃料電池を好適に発電させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell system capable of preventing fuel gas shortage and appropriately generating power in the fuel cell by adjusting the flow rate of the fuel gas in accordance with the state of the fuel cell. And
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池を備え、起動時に所定条件が成立した場合に前記燃料電池の暖機を促進させるため低温起動し、前記所定条件が非成立の場合に通常起動する燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力変化量を前記燃料電池の発電状態として検出する発電状態検出手段と、前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を段階的に増減するように調整する燃料ガス流量調整手段と、前記燃料電池の有効発電面積を推定する有効発電面積推定手段と、所定の出力変化量であって前記燃料ガス流量調整手段が段階的に燃料ガスの流量を増減させる際の切替基準となる切替閾値と、を備え、低温起動した場合、前記燃料ガス流量調整手段は、燃料ガスの流量が増加するように、通常起動した場合よりも小さい切替閾値に変更し、前記有効発電面積推定手段の推定した有効発電面積に基づいて、有効発電面積が小さくなるほど切替閾値が小さくなるように、変更後の切替閾値をさらに補正し、補正後の切替閾値と、前記発電状態検出手段の検出した前記燃料電池の発電状態と、に基づいて、燃料ガスの流量を増減させることを特徴とする燃料電池システムである。
また、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池を備え、起動時に所定条件が成立した場合に前記燃料電池の暖機を促進させるため低温起動し、前記所定条件が非成立の場合に通常起動する燃料電池システムであって、前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標圧力と実測圧力との差圧を前記燃料電池の発電状態として検出する発電状態検出手段と、前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を段階的に増減するように調整する燃料ガス流量調整手段と、前記燃料電池の有効発電面積を推定する有効発電面積推定手段と、所定の差圧であって前記燃料ガス流量調整手段が段階的に燃料ガスの流量を増減させる際の切替基準となる切替閾値と、を備え、低温起動した場合、前記燃料ガス流量調整手段は、燃料ガスの流量が増加するように、通常起動した場合よりも小さい切替閾値に変更し、前記有効発電面積推定手段の推定した有効発電面積に基づいて、有効発電面積が小さくなるほど切替閾値が小さくなるように、変更後の切替閾値をさらに補正し、補正後の切替閾値と、前記発電状態検出手段の検出した前記燃料電池の発電状態と、に基づいて、燃料ガスの流量を増減させることを特徴とする燃料電池システムである。
As a means for solving the problem, the present invention includes a fuel cell fuel gas and oxidant gas to generate electric power by being supplied, promoting warm-up of the fuel cell when a predetermined condition is satisfied during startup and cold start order to the predetermined condition is a normal fuel cell system to start the case of non-establishment, the power generation state detecting means for detecting the output variation of the fuel cell as a power generation state of the fuel cell, the fuel A fuel gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to the battery to increase or decrease stepwise, an effective power generation area estimating means for estimating an effective power generation area of the fuel cell, and a predetermined output change amount. and a switching threshold as a switching reference of when the fuel gas flow rate adjusting means increases or decreases the flow rate of the staged fuel gas, when cold start, the fuel gas flow rate adjusting means, the fuel gas As the amount increases, the switching threshold value is changed to a smaller value than when normally activated, and based on the effective power generation area estimated by the effective power generation area estimation means, the switching threshold value decreases as the effective power generation area decreases. A fuel characterized by further correcting the switching threshold after change, and increasing or decreasing the flow rate of the fuel gas based on the corrected switching threshold and the power generation state of the fuel cell detected by the power generation state detection means It is a battery system.
The present invention also includes a fuel cell that generates electricity by supplying fuel gas and oxidant gas, and when the predetermined condition is satisfied at the time of startup, the fuel cell is started at a low temperature to promote warm-up, and the predetermined A fuel cell system that normally starts when the condition is not satisfied, and a power generation state detection unit that detects a differential pressure between a target pressure of fuel gas supplied to the fuel cell and an actual pressure as a power generation state of the fuel cell A fuel gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell to increase or decrease stepwise, an effective power generation area estimating means for estimating an effective power generation area of the fuel cell, and a predetermined differential pressure And the fuel gas flow rate adjusting means has a switching threshold value that serves as a switching reference when the flow rate of the fuel gas is increased or decreased in stages, and when the fuel gas flow rate adjusting means is started at a low temperature, the fuel gas flow rate adjusting means As the amount increases, the switching threshold value is changed to a smaller value than when normally activated, and based on the effective power generation area estimated by the effective power generation area estimation means, the switching threshold value decreases as the effective power generation area decreases. A fuel characterized by further correcting the switching threshold after change, and increasing or decreasing the flow rate of the fuel gas based on the corrected switching threshold and the power generation state of the fuel cell detected by the power generation state detection means It is a battery system.
このような燃料電池システムによれば、起動時に所定条件が成立した場合、燃料電池の暖機を促進させるため低温起動する。そして、このように燃料電池システムが、低温起動した場合、つまり、低温起動を経験した場合、燃料ガス流量調整手段が、燃料ガスの流量が増加するように、切替基準となる切替閾値を、例えば小さい閾値に変更する。 According to such a fuel cell system, when a predetermined condition is satisfied at the time of activation, the fuel cell system is activated at a low temperature in order to promote warm-up of the fuel cell. When the fuel cell system is thus started at a low temperature, that is, when experiencing a low temperature start, the fuel gas flow rate adjustment means sets a switching threshold value that is a switching reference so that the flow rate of the fuel gas increases, for example, Change to a smaller threshold.
したがって、低温起動を経験した場合に、低温起動を経験していない通常起動時と同じ発電状態(例えば、後記する燃料電池の出力変化量、アノード側の差圧)であったとしても、切替閾値が変更されているので、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が増加する。よって、仮に、燃料電池を構成するMEA(電解質膜等)が未だ局部的に凍結等しており、その有効発電面積が小さくなっていても、凍結等しておらず良好に発電可能なMEAの部分への燃料ガスの供給量が増加する。ゆえに、良好に発電可能なMEAの部分で、燃料ガス不足が発生しにくくなり、燃料電池は良好に発電することが可能となる。
また、燃料ガス不足になると、電食(例えば電解質膜の電気分解)によって電解質膜が劣化する虞があるが、このように燃料ガス不足になりにくいので、電解質膜の劣化が防止され、電解質膜の寿命を延ばすことができる。
このような燃料電池システムによれば、有効発電面積推定手段によって、燃料電池の有効発電面積を推定することができる。
そして、燃料ガス流量調整手段が、推定された有効発電面積に基づいて切替閾値を補正する。詳細には、有効発電面積が小さい場合、燃料ガスの流量が増加するように切替閾値を小さい閾値に補正し、一方、有効発電面積が大きい場合、燃料ガスの流量が減少するように切替閾値を大きい閾値に補正する。したがって、推定された有効発電面積に対応して、燃料ガスを適切な流量で燃料電池に供給することができる。
Therefore, even if the low temperature startup is experienced, even if the power generation state is the same as the normal startup not experiencing the low temperature startup (for example, the output change amount of the fuel cell and the differential pressure on the anode side described later), the switching threshold value Is changed, the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell increases. Therefore, even if the MEA (electrolyte membrane, etc.) that constitutes the fuel cell is still frozen locally, even if its effective power generation area is small, it is not frozen and the MEA that can generate electricity satisfactorily. The amount of fuel gas supplied to the part increases. Therefore, the fuel gas shortage is less likely to occur in the MEA portion where power can be generated well, and the fuel cell can generate power well.
In addition, when the fuel gas is insufficient, the electrolyte membrane may be deteriorated due to electrolytic corrosion (for example, electrolysis of the electrolyte membrane). However, since the fuel gas is hardly insufficient, the electrolyte membrane is prevented from being deteriorated, and the electrolyte membrane is prevented. Can extend the lifespan.
According to such a fuel cell system, the effective power generation area of the fuel cell can be estimated by the effective power generation area estimation means.
Then, the fuel gas flow rate adjusting means corrects the switching threshold based on the estimated effective power generation area. Specifically, when the effective power generation area is small, the switching threshold is corrected to a small threshold so that the flow rate of the fuel gas increases. On the other hand, when the effective power generation area is large, the switching threshold is set so that the flow rate of the fuel gas decreases. Correct to a large threshold. Therefore, fuel gas can be supplied to the fuel cell at an appropriate flow rate corresponding to the estimated effective power generation area.
また、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池を備え、起動時に所定条件が成立した場合に前記燃料電池の暖機を促進させるため低温起動し前記所定条件が非成立の場合に通常起動する燃料電池システムであって、前記燃料電池に要求された要求発電量を検出する要求発電量検出手段と、前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を段階的に増減するように調整する燃料ガス流量調整手段と、前記燃料電池の有効発電面積を推定する有効発電面積推定手段と、所定の要求発電量であって前記燃料ガス流量調整手段が段階的に燃料ガスの流量を増減させる際の切替基準となる切替閾値と、を備え、低温起動した場合、前記燃料ガス流量調整手段は、燃料ガスの流量が増加するように、通常起動した場合よりも小さい切替閾値に変更し、前記有効発電面積推定手段の推定した有効発電面積に基づいて、有効発電面積が小さくなるほど切替閾値が小さくなるように、変更後の切替閾値をさらに補正し、補正後の切替閾値と、前記要求発電量検出手段の検出した要求発電量と、に基づいて、燃料ガスの流量を増減させることを特徴とする燃料電池システムである。 Further, the present invention comprises a fuel cell fuel gas and oxidant gas to generate electric power by being supplied, and the cold start to accelerate the warm-up of the fuel cell when a predetermined condition is satisfied when starting the predetermined condition Is a fuel cell system that normally starts when the above is not established, a required power generation amount detecting means for detecting a required power generation amount required for the fuel cell, and a flow rate of fuel gas supplied to the fuel cell in a stepwise manner. Fuel gas flow rate adjusting means for adjusting to increase / decrease , effective power generation area estimating means for estimating the effective power generation area of the fuel cell, and a predetermined required power generation amount, wherein the fuel gas flow rate adjusting means is a stepwise fuel gas and a switching threshold that becomes the switching reference when increasing or decreasing the flow rate, when the low-temperature starting, the fuel gas flow rate adjusting means so that the flow rate of the fuel gas increases, smaller than when normally started Change to the switching threshold, and based on the effective power generation area estimated by the effective power generation area estimation means, further correct the switching threshold after the change so that the switching threshold decreases as the effective power generation area decreases, and switch after correction The fuel cell system is characterized in that the flow rate of the fuel gas is increased or decreased based on the threshold value and the required power generation amount detected by the required power generation amount detection means .
このような燃料電池システムによれば、低温起動を経験した場合に、低温起動を経験していない通常起動時と同じ要求発電量があったとしても、切替閾値が変更されているので、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が増加する。よって、仮に、燃料電池を構成するMEAの有効発電面積が小さくなっていても、良好に発電可能なMEAの部分への燃料ガスの供給量が増加し、燃料電池は要求発電量に応じて発電することが可能となる。 According to such a fuel cell system, when the low temperature startup is experienced, even if there is the same required power generation amount as during normal startup that does not experience low temperature startup, the switching threshold is changed. The flow rate of the fuel gas supplied to is increased. Therefore, even if the effective power generation area of the MEA that constitutes the fuel cell is reduced, the amount of fuel gas supplied to the MEA part that can generate power well increases, and the fuel cell generates power according to the required power generation amount. It becomes possible to do.
また、前記燃料電池システムは、移動体に搭載されるシステムであると共に、前記移動体は前記燃料電池の発電電力に基づいて移動し、前記要求発電量は、前記移動体に対して要求された要求加速度に基づいて算出されることを特徴とする燃料電池システムである。 In addition, the fuel cell system is a system mounted on a mobile body, the mobile body moves based on the generated power of the fuel cell, and the required power generation amount is required for the mobile body. The fuel cell system is calculated based on a required acceleration.
このような燃料電池システムによれば、移動体に対して要求された要求加速度に基づいて、燃料電池に対して要求される要求発電量が算出される。そして、この算出された要求発電量に基づいて、燃料ガスの流量が調整される。すなわち、移動体に対して要求された要求加速度に基づいて、燃料ガスの流量を調整し、燃料電池を好適に発電させ、移動体を加速させることができる。 According to such a fuel cell system, the required power generation amount required for the fuel cell is calculated based on the required acceleration required for the moving body. Then, the flow rate of the fuel gas is adjusted based on the calculated required power generation amount. That is, it is possible to adjust the flow rate of the fuel gas based on the required acceleration required for the moving body, to suitably generate the fuel cell, and to accelerate the moving body.
また、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、燃料ガス源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に戻すことによって、燃料ガスを循環させる循環流路と、前記燃料ガス供給流路と前記循環流路との合流点に設けられると共に、前記燃料ガス源からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス源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、を備え、前記エゼクタは、前記ノズルの噴射口における噴射断面積を調整する噴射口調整機構を備え、前記噴射口調整機構によって前記ノズルの噴射口における噴射断面積が調整されることで、前記燃料電池への燃料ガスの流量が調整されることを特徴とする燃料電池システムである。 A circulation flow path for circulating the fuel gas by returning the discharged fuel gas discharged from the fuel cell to a fuel gas supply flow path through which the fuel gas supplied from the fuel gas source to the fuel cell flows; A nozzle for injecting a fuel gas from the fuel gas source; and a fuel gas from the fuel gas source and the circulation channel. An ejector that mixes with the discharged fuel gas, and the ejector includes an injection port adjustment mechanism that adjusts an injection cross-sectional area at the injection port of the nozzle, and the injection cut-off at the injection port of the nozzle by the injection port adjustment mechanism. The fuel cell system is characterized in that the flow rate of the fuel gas to the fuel cell is adjusted by adjusting the area.
このような燃料電池システムによれば、循環流路とエゼクタとを備えるので、燃料電池から排出された排出燃料ガスを燃料ガス供給流路に戻しつつ、エゼクタにおいて、燃料ガス源(例えば水素タンク)からの燃料ガスをノズルで噴射し、この噴射された燃料ガス源からの燃料ガスと排出燃料ガスとを混合し、燃料電池に供給することができる。
ここで、燃料電池から排出された排出燃料ガスの温度は、一般に、燃料電池の発電に伴う自己発熱によって、燃料ガス源からの燃料ガスよりも高い。よって、このような温度の高い排出燃料ガスと、燃料ガス源からの燃料ガスとをエゼクタで混合することにより、燃料電池に供給される燃料ガスの温度を高めることができる。そして、この温度が高くなった燃料ガスを燃料電池に供給することにより、燃料電池の温度低下を抑制することができる。ゆえに、燃料電池への燃料ガスの流量を増加させても、燃料ガスによる燃料電池の温度低下を防止することができる。
According to such a fuel cell system, since the circulation channel and the ejector are provided, the fuel gas source (for example, a hydrogen tank) is provided in the ejector while returning the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply channel. The fuel gas from the fuel gas is injected from the nozzle, and the fuel gas from the injected fuel gas source and the exhaust fuel gas are mixed and supplied to the fuel cell.
Here, the temperature of the discharged fuel gas discharged from the fuel cell is generally higher than that of the fuel gas from the fuel gas source due to self-heating caused by the power generation of the fuel cell. Therefore, the temperature of the fuel gas supplied to the fuel cell can be increased by mixing the exhaust fuel gas having such a high temperature and the fuel gas from the fuel gas source with the ejector. Then, by supplying the fuel gas whose temperature has been increased to the fuel cell, the temperature decrease of the fuel cell can be suppressed. Therefore, even if the flow rate of the fuel gas to the fuel cell is increased, the temperature reduction of the fuel cell due to the fuel gas can be prevented.
また、燃料ガス流量調整手段を構成するエゼクタの噴射口調整機構によって、燃料ガスを噴射するノズルの噴射口における噴射断面積が調整されることで、噴射される燃料ガス源からの燃料ガスの流量及び流速が調整される。このように、燃料ガスの流速が調整されるので、燃料ガスの流れに基づいて発生する吸引負圧も調整されることになり、エゼクタで吸引される排出燃料ガスの流量も調整される。このようにして、エゼクタの噴射口調整機構で、ノズルの噴射口における噴射断面積を調整することで、燃料電池に供給される燃料ガス(燃料ガス源からの燃料ガスと、排出燃料ガスとが混合されたもの)の流量を調整することができる。 Further, the flow rate of the fuel gas from the fuel gas source to be injected is adjusted by the injection port adjustment mechanism of the ejector that constitutes the fuel gas flow rate adjusting means, by adjusting the injection cross-sectional area at the injection port of the nozzle that injects the fuel gas And the flow rate is adjusted. As described above, since the flow rate of the fuel gas is adjusted, the suction negative pressure generated based on the flow of the fuel gas is also adjusted, and the flow rate of the discharged fuel gas sucked by the ejector is also adjusted. In this way, by adjusting the injection cross-sectional area at the nozzle injection port by the injection port adjustment mechanism of the ejector, the fuel gas supplied to the fuel cell (the fuel gas from the fuel gas source and the exhaust fuel gas are reduced. The flow rate of the mixture) can be adjusted.
また、噴射口調整機構を、後記する実施形態のように、ノズルの噴射口に進退自在に遊挿されたニードルを備えて構成した場合、このニードルをソレノイド等によって、発電状態又は要求発電量に対応して瞬時に進退させることで、ノズルの噴射口における噴射断面積を瞬時に調整することができる。したがって、このような構成にすれば、発電状態又は要求発電量に対応して、ノズルの噴射口から噴射される燃料ガス源からの燃料ガスの流量を瞬時に調整することができ、よって、燃料電池への燃料ガス(燃料ガス源からの燃料ガスと排出燃料ガスとが混合されたもの)の流量を、瞬時に調整することができる。 In addition, when the injection port adjusting mechanism is configured to include a needle that is freely inserted and removably inserted into the nozzle injection port as in an embodiment described later, the needle is adjusted to a power generation state or a required power generation amount by a solenoid or the like. By correspondingly advancing and retreating instantaneously, the injection cross-sectional area at the nozzle outlet can be instantaneously adjusted. Therefore, according to such a configuration, the flow rate of the fuel gas from the fuel gas source injected from the nozzle injection port can be instantaneously adjusted in accordance with the power generation state or the required power generation amount. The flow rate of the fuel gas to the battery (a mixture of the fuel gas from the fuel gas source and the exhausted fuel gas) can be instantaneously adjusted.
これにより、燃料電池システムが燃料電池自動車に搭載された場合において、運転者が急加速するためアクセルペダルを急に踏み込み、燃料電池自動車に対しての要求加速度(要求発電量)や、燃料電池の出力(発電状態)が急に増加しても、これに対応して、ニードルが瞬時に進退され、燃料ガス流量を瞬時に増加させることができる。よって、燃料電池における燃料ガス不足を防止すると共に、燃料電池の出力(発電電力)を増加させ、燃料電池自動車を加速させることができる。
さらに、このようなエゼクタは、従来のエゼクタにニードルを追加することで容易に構成可能であると共に、他の流量調整弁等の機器を備える必要がないので、省スペース化を図ることもできる。
As a result, when the fuel cell system is installed in a fuel cell vehicle, the driver suddenly depresses the accelerator pedal, and the required acceleration (required power generation amount) for the fuel cell vehicle, Even if the output (power generation state) suddenly increases, the needle is instantaneously advanced or retracted correspondingly, and the fuel gas flow rate can be instantaneously increased. Therefore, fuel gas shortage in the fuel cell can be prevented, the output (generated power) of the fuel cell can be increased, and the fuel cell vehicle can be accelerated.
Furthermore, such an ejector can be easily configured by adding a needle to the conventional ejector, and it is not necessary to provide other devices such as a flow rate adjusting valve, so that space can be saved.
また、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を、さらに備え、前記燃料ガス流量調整手段は、前記燃料電池の温度が所定温度以上になるまで、前記切替閾値の変更を継続することを特徴とする燃料電池システムである。 Further, the fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell is further provided, and the fuel gas flow rate adjusting means continues to change the switching threshold until the temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than a predetermined temperature. This is a fuel cell system.
このような燃料電池システムによれば、燃料ガス流量調整手段によって、燃料電池温度検出手段による燃料電池の温度が所定温度以上になるまで、切替閾値の変更が継続される。言い換えると、燃料電池の温度が所定温度以上となった場合、燃料ガスの流量を増加するための切替閾値の変更が停止されるので、無駄な燃料ガスの供給、及びその消費を抑えることができる。 According to such a fuel cell system, the change of the switching threshold is continued by the fuel gas flow rate adjusting means until the temperature of the fuel cell by the fuel cell temperature detecting means becomes equal to or higher than a predetermined temperature. In other words, when the temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than the predetermined temperature, the change of the switching threshold for increasing the flow rate of the fuel gas is stopped, so that it is possible to suppress unnecessary fuel gas supply and consumption. .
本発明によれば、燃料電池の状態に対応して燃料ガスの流量を調整することで、燃料ガス不足を防止し、燃料電池を好適に発電させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, fuel gas shortage can be prevented by adjusting the flow volume of fuel gas corresponding to the state of a fuel cell, and a fuel cell can be made to generate electric power suitably.
≪第1実施形態≫
以下、本発明の第1実施形態について、図1から図5を適宜参照して説明する。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5 as appropriate.
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す第1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、反応ガス)を供給及び排出するアノード系と、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、反応ガス)を供給及び排出するカソード系と、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、IG151(イグニッション)と、アクセルペダル152と、これらを電子制御するECU160(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を主に備えている。そして、運転者によるアクセルペダル152の踏み込み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。
≪Configuration of fuel cell system≫
A
<燃料電池>
燃料電池110(燃料電池スタック)は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜(固体高分子膜)の両面をアノード(燃料極)及びカソード(空気極)で挟んでなるMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、MEAを挟む一対のセパレータと、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素、空気を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路111(燃料ガス流路)、カソード流路112(酸化剤ガス流路)として機能している。
<Fuel cell>
The fuel cell 110 (fuel cell stack) is a solid polymer fuel cell configured by stacking a plurality of single cells. The single cell includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) in which both surfaces of an electrolyte membrane (solid polymer membrane) are sandwiched between an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode), and a pair of separators that sandwich the MEA. , Mainly. Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of the MEA constituting each single cell, a through-hole for introducing hydrogen and air to all the single cells, and the like. It functions as an anode channel 111 (fuel gas channel) and a cathode channel 112 (oxidant gas channel).
そして、アノード流路111を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路112を介して各カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒(Pt等)上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差(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、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池110に対して、発電要求があり電流が取り出されると燃料電池110が発電するようになっている。
Then, when hydrogen is supplied to each anode via the anode channel 111 and oxygen-containing air is supplied to each cathode via the
また、前記セパレータには、燃料電池110を適宜に冷却させるための冷媒(ラジエータ液)が通流する冷媒流路113が形成されている。なお、冷媒は、配管113a、冷媒流路113、配管113bの順で流れるようになっている。
The separator is formed with a refrigerant channel 113 through which a refrigerant (radiator liquid) for appropriately cooling the
<アノード系>
アノード系は、水素が貯蔵された水素タンク121(燃料ガス源)と、遮断弁122と、エゼクタ10と、圧力センサ123と、パージ弁124と、を主に備えている。
水素タンク121は、配管121a、遮断弁122、配管122a、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、水素がアノード流路111に供給されるようになっている。また、配管122aには減圧弁(図示しない)が設けられており、水素が所定圧力に減圧されるようになっている。
<Anode system>
The anode system mainly includes a hydrogen tank 121 (fuel gas source) in which hydrogen is stored, a shut-off
The
圧力センサ123は、アノード流路111内の水素(ガス)の圧力を検出可能なように、配管10aに設けられている。そして、圧力センサ123はECU160と接続されており、ECU160はアノード流路111内の水素の圧力を検知するようになっている。
The
アノード流路111の出口は、配管124a、パージ弁124、配管124bが順に接続されている。また、配管124aの途中は、配管124cを介して、エゼクタ10に接続されている。
パージ弁124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124c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124は開かれ、アノードオフガスが、配管124bを介して、外部に排出されるようになっている。
A
The
On the other hand, when impurities such as moisture in the anode off-gas increase, that is, when impurities accompanying the circulating hydrogen increase, the
ここで、第1実施形態において、水素タンク121(燃料ガス源)から燃料電池110に供給される水素が流れる燃料ガス供給流路は、配管121a、遮断弁122、配管122a、エゼクタ10、配管10aを備えて構成されている。そして、水素を循環させる循環流路は、配管124cによって構成されている。また、エゼクタ10は、燃料ガス供給流路と循環流路との合流点に設けられている。
Here, in the first embodiment, the fuel gas supply channel through which hydrogen supplied from the hydrogen tank 121 (fuel gas source) to the
[エゼクタ]
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124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124c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。
[Ejecta]
Next, the
In the state where the
このようなエゼクタ10は、図2、図3に示すように、基体20と、基体20に螺設されたノズル30と、ノズル30の中空部31において、その軸線上を進退自在に移動すると共に、ノズル30の噴射口32に遊挿されたニードル40と、ノズル30の外側で基体20に螺設されたディフューザ50と、ディフューザ50に外嵌したケーシング60と、基体20に螺設されると共にソレノイド71を有するソレノイド部70と、を主に備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, such an
ニードル40は、ソレノイド部70に内蔵された圧縮コイルバネ72によってノズル30側に付勢されている。そして、ソレノイド71がOFFされている場合、ストッパとして機能するニードル40の基端部41が基体20に当接し、ニードル40がソレノイド71のOFF位置で配置されるようになっている。そして、このようにニードル40がOFF位置にある場合、ニードル40の先端42がノズル30の噴射口32から突出し、噴射口32における水素の噴射断面積が小さくなり(ノズル30の噴射口:小)、ノズル30で噴射される水素タンク121からの水素の流量(噴射流量)が減少するように設計されている(図2参照)。
The needle 40 is urged toward the nozzle 30 by a
一方、ソレノイド71がECU160によりONされた場合、ニードル40がノズル30に対して後退し、ソレノイド71のON位置で配置されるようになっている。そして、このようにニードル40がON位置にある場合、ニードル40の先端42が噴射口32から離間し、噴射口32における水素の噴射断面積が大きくなり(ノズル30の噴射口:大)、水素タンク121からの水素の流量(噴射流量)が増加するように設計されている(図3参照)。
On the other hand, when the solenoid 71 is turned on by the
ディフューザ50は、その中心軸線上に水素流路51を有すると共に、その下流側に向かって、略円形の水素流路51の断面積が徐々に縮径する縮径部52と、断面積が最小となるスロート部53と、断面積が徐々に拡径する拡径する拡径部54と、を備えている。縮径部52には、周方向において複数(例えば4つ)のアノードオフガス導入孔55が形成されている。
The diffuser 50 has a
そして、パージ弁124(図1参照)が閉じた状態において、水素タンク121からの水素が、基体20に形成された水素流路21、ノズル30の中空部31を通って、噴射口32から噴射されると、負圧が発生するようになっている。次いで、この負圧により、アノードオフガスが、配管124c(図1参照)から、ケーシング60のアノードオフガス導入孔61、ディフューザ50とケーシング60との間に形成されたリング状の分配マニホールド空間62、複数のアノードオフガス導入孔55を介して、水素流路51に吸引されるようになっている。その後、拡径部54内の水素流路51において、噴射された水素タンク121からの水素と、吸引されたアノードオフガスとが混合され、燃料電池110に向かうようになっている。
When the purge valve 124 (see FIG. 1) is closed, hydrogen from the
すなわち、第1実施形態において、ノズル30の噴射断面積を調整する噴射口調整機構は、ニードル40と、ソレノイド71と、圧縮コイルバネ72とを備えて構成されている。そして、このような噴射口調整機構を備えるエゼクタ10は、燃料電池110に供給される水素の流量を調整する燃料ガス流量調整手段を構成している。
That is, in the first embodiment, the injection port adjustment mechanism that adjusts the injection cross-sectional area of the nozzle 30 includes the needle 40, the solenoid 71, and the
<カソード系>
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、温度センサ132(燃料電池温度検出手段)と、を主に備えている。
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に圧送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。
<Cathode system>
Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The cathode system mainly includes a
The
カソード流路112の出口には、配管132aが接続されている。そして、カソード流路112から排出されたカソードオフガスが、配管132aを介して外部に排出されるようになっている。
A
温度センサ132は、配管132aの燃料電池110寄りに設けられており、燃料電池110から排出されたカソードオフガスの温度を、現在の燃料電池110の温度及び燃料電池システム1の温度(以下、システム温度T11と総称する)として検出するようになっている。そして、温度センサ132はECU160と接続されており、ECU160は現在のシステム温度T11を検知するようになっている。
The
<電力消費系>
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、VCU142(Voltage Control Unit)と、出力検出器143とを主に備えており、走行モータ141は、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。
走行モータ141は、燃料電池自動車を走行させる電動モータである。
VCU142は、ECU160の指令に従って燃料電池110の出力(発電電力)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。
出力検出器143は、燃料電池110の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流計及び電圧計を備えており、電流計及び電圧計は適所に配置されている。そして、出力検出器143はECU160と接続されており、ECU160は燃料電池110の現在の出力電流及び出力電圧を検知するようになっている。
<Power consumption system>
The electric power consumption system mainly includes an
The
The
The
<IG、アクセルペダル>
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。
<IG, accelerator pedal>
The
アクセルペダル152は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル152はECU160と接続されており、ECU160はアクセルペダル152の踏み込み量を検知するようになっている。
The
<ECU>
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、電子回路など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、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。
<ECU>
The
When the
また、ECU160は、IG151のON時のシステム温度T11に基づいて、燃料電池システム1を低温起動又は通常起動させる機能を備えている。
さらに、ECU160(発電状態検出手段)は、出力検出器143で検出される燃料電池110の出力(電流、電圧)に基づいて、燃料電池110の発電状態である出力変化量(出力電流変化量(A/s)、出力電力変化量(kW/s)等)を検出する機能を備えている。
Further, the
Further, the ECU 160 (power generation state detection means) is based on the output (current, voltage) of the
さらにまた、ECU160(燃料ガス流量調整手段)は、燃料電池110の出力変化量と、燃料電池110への水素流量(ニードル40のポジション)の切替基準となる切替閾値とに基づいて、燃料電池110に供給される水素の流量を調整する機能を備えている(図5参照)。具体的に、ECU160には、出力変化量が切替閾値以上である場合、ソレノイド71をONし、ノズル30の噴射口32における噴射断面積を大きくするように設定されている。一方、出力変化量が切替閾値以上でない場合、ソレノイド71をOFFし、ノズル30の噴射口32における噴射断面積を小さくするように設定されている(図2、図3、図5参照)。
すなわち、第1実施形態において、燃料ガス流量調整手段は、噴射口調整機構を構成するノズル30、ニードル40及びソレノイド71等と、ECU160とを備えて構成されている。
Further, the ECU 160 (fuel gas flow rate adjusting means) is based on the output change amount of the
That is, in the first embodiment, the fuel gas flow rate adjusting means includes the nozzle 30, the needle 40, the solenoid 71, and the like that constitute the injection port adjusting mechanism, and the
また、ECU160は、低温起動の経験の有無に対応して切替閾値を変更する機能(図5、矢印A1参照)と、燃料電池110を構成するMEAの有効発電面積に基づいて切替閾値を補正する機能と、を備えている(図5、矢印A2参照)。
Further,
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム1の動作を、図4を主に参照して、ECU160に設定されたプログラム(フローチャート)の流れと共に説明する。IG151がONされると、このON信号を検知したECU160は、各種処理を実行し、その結果として、図4に示すフローチャートがスタートする。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation of the
ステップS101において、ECU160は、温度センサ132を介して、IG151のON時のシステム温度T11を検出する。
In step S101, the
ステップS102において、ECU160は、IG151のON時のシステム温度T11と低温起動判定温度T0(例えば0℃)とに基づいて、燃料電池110の暖機を促進させるため、低温起動する必要があるか否かを判定する。低温起動判定温度T0は、システム温度T11が、その温度未満であると、燃料電池110内等が凍結している虞があるとされる温度であり、事前試験等によって求められ、ECU160に記憶されている。
In step S102,
システム温度T11が低温起動判定温度T0未満であり、低温起動する必要があると判定した場合(S102・Yes、所定条件が成立した場合)、ECU160の処理はステップS105に進む。一方、システム温度T11が低温起動判定温度T0未満でなく、低温起動する必要がないと判定した場合(S102・No、所定条件が成立しない場合)、ECU160の処理はステップS103に進む。
When it is determined that the system temperature T11 is lower than the low temperature start determination temperature T0 and it is necessary to start at a low temperature (Yes in S102, when a predetermined condition is satisfied), the processing of the
都合上、ステップS103に進んだ場合を先に説明する。
ステップS103において、ECU160は、燃料電池110に通常流量の水素及び空気を供給して、燃料電池システム1を通常に起動する。
For convenience, the case of proceeding to step S103 will be described first.
In step S103, the
通常に燃料電池システム1を起動した後、ステップS104において、ECU160は、燃料電池システム1を通常に運転する。この通常運転では、切替閾値の変更及び補正はされず(図5参照)、予め設定された固定の切替閾値と、燃料電池110の出力変化量(出力電流変化量(A/s)、出力電力変化量(kW/s)等)と、に基づいて、ノズル30の噴射口32における噴射断面積の制御が行われる。
続いて、ECU160の処理は、エンドに進み、システム起動時の制御を終了する。
After starting the
Subsequently, the process of the
次に、ステップS105に進んだ場合を説明する。
ステップS105において、ECU160は、燃料電池システム1を低温起動する。
ここで、燃料電池システム1をどのような方法で低温起動するかについては限定されないが、低温起動する方法としては、例えば、(1)燃料電池110に通常起動時よりも多量の水素及び空気を供給すると共に、燃料電池110の出力電力が高まるようにVCU142を制御し、燃料電池110の自己発熱量を高める方法がある。その他、(2)燃料電池110の出力電力は通常起動時と同じ設定にした上で、燃料電池110に供給する水素及び空気を減少させることで、燃料電池110の自己発熱量を高める方法もある。
Next, the case where it progresses to step S105 is demonstrated.
In step S105, the
Here, the method for starting the
その後、ステップS106において、ECU160は、低温起動により燃料電池110の暖機が促進されているものの、MEA(燃料電池110)に発電不可能な部分が存在する虞もあるので、実際の出力変化量(具体的には出力増加量)が小さくても、正常に発電可能なMEAに供給される水素の流量が増加するように、水素流量の切替基準である切替閾値を小さな値に変更する(図5、矢印A1参照)。
Thereafter, in step S106, the
そして、ステップS107において、ECU160は、燃料電池110を構成するMEAの有効発電面積を推定する。
ここで、MEAの有効発電面積の推定方法は特に限定されないが、例えば、(1)発電要求に対応したアノードへの水素の制御圧力(図示しない減圧弁の二次側の制御圧力)と、圧力センサ123よる実際の圧力との圧力差に基づいて、要求発電量に従ってVCU142を制御し燃料電池110で水素を消費しているにも関わらず、圧力センサ123による実際の圧力が高く、圧力差が大きい場合、MEAに発電不可能な部分が存在すると推定する方法がある。
その他、(2)アクセルペダル152を踏み込んでいるにも関わらず、出力検出器143によって、アクセルペダル152の踏み込み量に対応した出力電流及び出力電圧(I−V特性)が検出されない場合、MEAに発電不可能な部分が存在すると推定する方法がある。
In step S <b> 107,
Here, the method for estimating the effective power generation area of the MEA is not particularly limited. For example, (1) the control pressure of hydrogen to the anode corresponding to the power generation request (the control pressure on the secondary side of the pressure reducing valve (not shown)) and the pressure Although the
In addition, (2) when the output current corresponding to the amount of depression of the
ステップS108において、ECU160は、ステップS107で推定した有効発電面積に基づいて、切替閾値を補正する(図5、矢印A2参照)。
具体的には、推定された有効発電面積が、発電不可能部分が存在しない基準となる基準有効発電面積よりも小さい場合、実際の出力変化量(出力増加量)が小さくても、有効に発電可能なMEAに供給される水素の流量が増加するように、小さい切替閾値に変更する。一方、推定された有効発電面積が基準有効発電面積よりも大きい場合、有効に発電可能なMEAに供給される水素の流量が減少するように、大きい切替閾値に変更する。
In step S108, the
Specifically, when the estimated effective power generation area is smaller than the standard effective power generation area, which is the standard where there is no non-power-generating part, even if the actual output change (output increase) is small, power generation is effective. Change to a small switching threshold so that the flow rate of hydrogen supplied to possible MEAs increases. On the other hand, when the estimated effective power generation area is larger than the reference effective power generation area, the threshold value is changed to a large switching threshold so that the flow rate of hydrogen supplied to the MEA capable of generating power effectively decreases.
ステップS109において、ECU160は、出力検出器143を介して、単位時間当たりの燃料電池110の実際の出力変化量(出力電流変化量(A/s)、出力電力変化量(kW/s)等)を検出する。
In step S109, the
ステップS110において、ECU160は、ステップS109で検出した出力変化量が、変更・補正後の切替閾値以上であるか否かを判定する。
In step S110,
出力変化量が切替閾値以上であると判定した場合(S110・Yes)、ステップS111に進み、ECU160は、エゼクタ10のソレノイド71をONする。そうすると、図3に示すように、ニードル40がノズル30に対して後退し、ノズル30の噴射口32における噴射断面積が大きくなる。これにより、水素タンク121からの水素の噴射流量が増加し、これと共に、吸引負圧も大きくなり、アノードオフガスの吸引流量も増加する。したがって、これらが混合したものであって、燃料電池110(MEAの有効に発電可能な部分)に供給される水素の流量が増加する。よって、MEAの有効に発電可能な部分は、燃料ガス不足とならず、良好に発電することができる。
If it is determined that the output change amount is equal to or greater than the switching threshold (S110 / Yes), the process proceeds to step S111, and the
また、噴射断面積が大きくなることで、燃料電池110の自己発熱によって暖められたアノードオフガスの吸引流量も増加する。そして、この吸引された高温のアノードオフガスが燃料電池110の供給されることで、燃料電池110の暖機を図ることができ、凍結等による有効発電不可能な部分を解消することができる。
Further, since the injection cross-sectional area is increased, the suction flow rate of the anode off gas heated by the self-heating of the
一方、出力変化量が切替閾値以上でないと判定した場合(S110・No)、ステップS112に進み、ECU160は、ソレノイド71をOFFする。そうすると、図2に示すように、ニードル40がノズル30に対して前進し、ノズル30の噴射口32における噴射断面積が小さくなる。これにより、水素タンク121からの水素の噴射量が減少し、適切な流量で水素が燃料電池110に供給される。
On the other hand, when it is determined that the output change amount is not equal to or greater than the switching threshold (S110 · No), the process proceeds to step S112, and the
ステップS111又はステップS112の処理後、ステップS113において、ECU160は、温度センサ132を介して、現在のシステム温度T11(燃料電池110の温度)を検出する。
After the process of step S111 or step S112, in step S113, the
次いで、ステップS114において、ECU160は、ステップS113で検出したシステム温度T11が、所定温度T1以上であるか否かを判定する。所定温度T1は、水素を増加させるための切替閾値の変更・補正に係る制御を終了させることが可能な温度であり、燃料電池110の仕様等に依存し、事前試験により求められ、ECU160に記憶されている。このような所定温度T1は、ステップS102における低温起動判定温度T0よりも高く、例えば30℃に設定される。
Next, in step S114, the
システム温度T11が所定温度T1以上であると判定された場合(S114・Yes)、ECU160の処理はステップS104に進み、切替閾値の変更・補正を終了させると共に、予め設定された切替閾値に基づいて水素流量が調整される通常運転に切り替わる。これにより、水素の無駄な供給及びその消費を抑えることができ、燃費を向上させることができる。
When it is determined that the system temperature T11 is equal to or higher than the predetermined temperature T1 (S114 / Yes), the process of the
一方、システム温度T11が所定温度T1以上でないと判定された場合(S114・No)、ECU160の処理は、ステップS109に戻り、ステップS109、S110、S111又はS112、S113、S114の処理を繰り返す。すなわち、システム温度T11が所定温度T1以上となるまで、切替閾値の変更・補正が継続される。
On the other hand, when it is determined that the system temperature T11 is not equal to or higher than the predetermined temperature T1 (No at S114), the processing of the
≪燃料電池システムの効果≫
このような第1実施形態に係る燃料電池システム1によれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)燃料電池システム1が低温起動を経験している場合、燃料電池110の出力変化量が小さくても、燃料電池110への水素の流量が増加するように、切替閾値を小さい閾値に変更するので、燃料電池110(有効に発電可能なMEA)における水素不足を防止しつつ、燃料電池110を良好に発電させることができる。そして、このように水素不足になりにくいので、電解質膜の劣化が防止され、その寿命を延ばすことができる。
(2)エゼクタ10は、ソレノイド71によってニードル40を進退させて噴射口32における噴射断面積を変更するという、制御応答性の高い噴射口調整機構を備えるので、水素の流量を瞬時に制御することができる。また、高温のアノードオフガス(排出燃料ガス)を循環させて、再び、燃料電池110に供給する構成を備えるので、アノードオフガスで燃料電池110を暖めることができる。
(3)加えて、切替閾値は、燃料電池110(MEA)の有効発電面積に基づいて補正するので、水素の流量を適切に切り替えて、燃料電池110に供給することができる。
≪Effect of fuel cell system≫
According to the
(1) When the
(2) The
(3) In addition, since the switching threshold is corrected based on the effective power generation area of the fuel cell 110 (MEA), the flow rate of hydrogen can be appropriately switched and supplied to the
(4)システム温度T11(燃料電池110の温度)が所定温度T1以上となり、凍結等による有効発電面積の減少が解消されたと予測された場合(S114・Yes)、切替閾値の変更・補正を終了させるので、水素の無駄な供給及びその消費を防止することができる。 (4) When the system temperature T11 (temperature of the fuel cell 110) is equal to or higher than the predetermined temperature T1 and it is predicted that the reduction in the effective power generation area due to freezing or the like has been eliminated (S114 / Yes), the change / correction of the switching threshold is completed. Therefore, wasteful supply and consumption of hydrogen can be prevented.
以上、本発明の好適な第1実施形態について説明したが、本発明は前記第1実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、後記する第2実施形態と組み合わせてもよいし、また、次のように変更することができる。 Although the preferred first embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the first embodiment, and may be combined with the second embodiment described below without departing from the spirit of the present invention. And it can be changed as follows.
前記した第1実施形態では、燃料電池110の出力変化量とこれに対応した切替閾値とに基づいて、ニードル40のポジションを制御し、水素流量を調整する構成としたが、その他に例えば、アノード流路111における水素の目標圧力と圧力センサ123が検出する実際の圧力(実測圧力)と差の絶対値である差圧ΔPを検出し(図4、S109参照)、検出した差圧ΔPと差圧ΔPに対応した切替閾値とに基づいて、ニードル40のポジションを制御し、水素流量を調整する構成としてもよい(図4、S110参照)。なお、目標圧力は、例えば、アクセルペダル152の踏み込み量と、踏み込み量と目標圧力とが予め関連付けられたマップと、に基づいて決定される。そして、決定された目標圧力となるように、配管122a上の減圧弁(図示しない)により制御される。
In the first embodiment described above, the configuration is such that the position of the needle 40 is controlled and the hydrogen flow rate is adjusted based on the output change amount of the
さらに説明すると、MEAに発電不能部分が存在し、MEAにおいて水素が適正に消費されない場合、実測圧力が目標圧力よりも高くなり、差圧ΔPが大きくなると考えられる。そして、燃料電池システム1が低温起動を経験している場合、実際の差圧ΔPが小さくても、水素流量が増加するように切替閾値が変更され(図5、矢印A1参照)、さらに、有効発電面積に対応して切替閾値が補正されるので(図5、矢印A2参照)、実際の差圧ΔPが小さくても、ソレノイド71がONされ、燃料電池110への水素流量が増加する。これにより、MEAにおいて水素不足とならずに、燃料電池110が発電できる。
More specifically, it is considered that when the MEA has a portion where power generation is impossible and hydrogen is not properly consumed in the MEA, the actually measured pressure becomes higher than the target pressure and the differential pressure ΔP increases. When the
前記した第1実施形態では、ノズル30に対してニードル40が2つの位置に適宜に配置され、ノズル30の噴射口32の噴射断面積が2段階で切り替えられる場合を例示したが、これに限定されず、図6に示すように、噴射口32の噴射断面積が3段階(多段階)で切り替えられる構成としてもよい。さらに説明すると、図6に示すニードル80は、ソレノイド71側に向かって、尖った尖端部81と、尖端部81よりも太い中細部82と、中細部82よりも太い基端部83と、を備えている。
In the first embodiment described above, the case where the needle 40 is appropriately arranged at two positions with respect to the nozzle 30 and the injection cross-sectional area of the
そして、図6(a)に示すように、圧縮コイルバネ72に付勢されて、基端部83が噴射口32の面上に配置される場合、噴射口32における水素タンク121からの水素の噴射断面積が最も小さくなり、中細部82(図6(b)参照)、基端部83(図6(c)参照)が配置されると、段階的に大きくなるように設計されている。なお、このようにニードル80をノズル30に対して、3つの位置で適宜に配置させるには、ニードル80に対して2つのソレノイド71、71を軸方向に1列で配置し、この2つのソレノイド71、71を適宜にON/OFFすることで構成することができる。
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。
Then, as shown in FIG. 6A, when the
In this way, by changing the hydrogen injection cross-sectional area in three stages, the hydrogen injection flow rate from the
前記した第1実施形態では、燃料電池システム1が搭載される移動体が、自動車(車両)である場合を例示したが、移動体はこれに限定されず、例えば、自動二輪車、列車、船舶等であってもよい。この他、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
In the first embodiment described above, the case where the moving body on which the
前記した第1実施形態では、IG151のON時のシステム温度T11が低温起動判定温度T0未満である場合(S102・Yes)、燃料電池システム1を低温起動する必要があると判定する構成としたが(S105)、低温起動判定はこれに限定されない。
例えば、燃料電池自動車の停車中に、燃料電池110のシステム温度T11を連続的又は断続的に記憶しておき、IG151のON時に低温起動判定温度T0以上であったとしても、低温起動判定温度T0未満を経験していた場合、低温起動する必要があると判定する構成としてもよい。
In the first embodiment described above, when the system temperature T11 when the
For example, while the fuel cell vehicle is stopped, the system temperature T11 of the
前記した第1実施形態では、システム温度T11(燃料電池110の温度)をカソードオフガスの温度を検出する温度センサ132で検出する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガスが流れる配管124aや、燃料電池110から排出された冷媒が流れる配管113bや、燃料電池110自体に温度センサを設けて、検出する構成としてもよいし、複数の温度センサを設けて、誤検出を防止する構成としてもよい。
In the first embodiment described above, the system temperature T11 (the temperature of the fuel cell 110) is detected by the
前記した第1実施形態では、エゼクタ10のノズル30における噴射口断面積をニードル40で変化させることで、燃料電池110に供給される水素の流量を変化させる場合を例示したが、その他に例えば、水素タンク121とエゼクタ10との間に流量調整弁を設け、この流量調整弁によって水素の流量を制御する構成であってもよい。
また、配管124c(循環流路)上に循環ポンプを備える燃料電池システムの場合、例えば、循環ポンプの回転速度を変化させることで、水素の流量を制御する構成であってもよい。
In the first embodiment described above, the case where the flow rate of hydrogen supplied to the
In the case of a fuel cell system including a circulation pump on the
≪第2実施形態≫
次に、本発明の第2実施形態について、図7及び図8を参照して説明する。
第2実施形態に係る燃料電池システムの機械的構成は、第1実施形態に係る燃料電池システム1と同じであるが、ECU160に設定されたプログラムが部分的に異なり、その動作が部分的に異なる。以下、第2実施形態に係る燃料電池システムの動作について、第1実施形態と異なる部分を説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The mechanical configuration of the fuel cell system according to the second embodiment is the same as that of the
なお、第2実施形態に係るECU160(要求発電量検出手段)は、運転者によるアクセルペダル152の踏み込み量と、予め踏み込み量および要求加速度が関連付けられたマップと、に基づいて、運転者から燃料電池自動車に対しての要求加速度を算出する機能を備えている。そして、ECU160は、算出した要求加速度と、予め要求加速度および要求発電量(要求発電電力)が関連付けられたマップと、に基づいて、燃料電池110に対しての要求発電量を算出(検出)する機能を備えている。また、低温起動したか否かを一時的に記憶するために使用する後記フラグAは、初期状態において0である。
The ECU 160 (required power generation amount detection means) according to the second embodiment receives fuel from the driver based on the depression amount of the
図7に示すように、低温起動する場合(S102・Yes)に進むステップS205において、ECU160は、第1実施形態のステップS102(図4参照)と同様に、燃料電池システム1を低温起動すると共に、フラグAに1を代入し、低温起動したことを一時的に記憶する。
そして、ECU160の処理は、ステップS206に進む。また、第2実施形態では、ステップS103で燃料電池システム1を通常起動した後、ECU160の処理はステップS206に進む。
As shown in FIG. 7, in step S <b> 205, which proceeds to the case of starting at a low temperature (S <b> 102 • Yes), the
Then, the processing of
ステップS206において、ECU160は、フラグAを参照して、燃料電池システム1が低温起動したか否かを判定する。フラグAが1であり、低温起動したと判定した場合(S206・Yes)、ECU160の処理は、ステップS207に進む。一方、低温起動していないと判定した場合(S206・No)、ECU160の処理は、ステップS104に進む。
In step S206, the
ステップS207において、ECU160は、フラグAをリセット(0を代入)した後、現在のシステム温度T11を検出する(S208)。
そして、ステップS209において、ECU160は、ステップS208で検出した現在のシステム温度T11が所定温度T2以上であるか否かを判定する。所定温度T2は、低温起動後であるものの、燃料電池110を構成するMEAに、凍結等によって、発電不可能な部分が存在する虞があるか否かの判定基準であると共に、後記する切替閾値の変更・補正を終了可能か否かの判定基準となる温度であり、燃料電池110の仕様等に依存し、事前試験により求められ、ECU160に記憶されている。このような所定温度T2は、ステップS102における低温起動判定温度T0よりも高く、例えば30℃に設定される。
In step S207, the
In step S209,
現在のシステム温度T11が所定温度T2以上であると判定した場合(S209・Yes)、ECU160の処理はステップS104に進み、ECU160は切替閾値の変更・補正をせずに、燃料電池システム1を通常に運転する。この場合は、MEAに発電不可能な部分が存在する虞がない場合である。
一方、現在のシステム温度T11が所定温度T2以上でない場合(S209・No)、ECU160の処理は、ステップS210に進む。この場合は、低温起動によって燃料電池110の暖機が促進されているものの、MEA(燃料電池110)に発電不可能な部分が存在する虞がある場合である。
When it is determined that the current system temperature T11 is equal to or higher than the predetermined temperature T2 (S209 / Yes), the processing of the
On the other hand, when the current system temperature T11 is not equal to or higher than the predetermined temperature T2 (S209 · No), the process of the
ステップS210において、ECU160は、低温起動を経験しているもののMEAに発電不可能な部分が存在する虞があることに対応して、小さな要求発電量でも、正常に発電可能なMEAに供給される水素の流量が増加するように、水素流量の切替基準である切替閾値を小さな値に変更する(図8、矢印A1参照)。
In step S210, the
その後、ECU160は、燃料電池110を構成するMEAの有効発電面積を推定し(S107)、ステップS211において、推定された有効発電面積に基づいて切替閾値を補正する(図8、矢印A2参照)。具体的には、推定された有効発電面積が、発電不可能部分がなく基準となる基準有効発電面積よりも小さい場合、小さい要求発電量であっても、有効に発電可能なMEAに供給される水素の流量が増加するように、小さい切替閾値に変更する。一方、推定された有効発電面積が基準有効発電面積よりも大きい場合、有効に発電可能なMEAに供給される水素の流量が減少するように、大きい切替閾値に変更する。
After that, the
そして、ステップS212において、ECU160は、アクセルペダル152の踏み込み量と、予め踏み込み量と運転者からの要求加速度とが関連付けられたマップと、に基づいて、運転者からの要求加速度を算出する。続いて、ECU160は、算出した要求加速度と、予め要求加速度および要求発電量(要求発電電力)が関連付けられたマップと、に基づいて、燃料電池110に対しての要求発電量を算出(検出)する。
In step S212,
次いで、ステップS213において、ECU160は、ステップS212で求めた要求発電量が、低温起動の経験の有無に基づいて変更し(S210)、有効発電面積に基づいて補正(S211)した切替閾値以上であるか否かを判定する。
Next, in step S213, the
要求発電量が切替閾値以上であると判定した場合(S213・Yes)、ステップS111に進み、ECU160は、エゼクタ10のソレノイド71をONする。そうすると、図3に示すように、ニードル40がノズル30に対して後退し、これにより、水素タンク121からの水素の噴射流量が増加する。よって、MEAの有効に発電可能な部分は、燃料ガス不足とならず、良好に発電することができ、燃料電池110は、要求加速度(要求発電量)に対応して発電することができる。
その後、ECU160の処理は、ステップS208に進む。
When it determines with request | requirement electric power generation amount being more than a switching threshold value (S213 * Yes), it progresses to step S111 and ECU160 turns ON the solenoid 71 of the
Thereafter, the processing of
一方、要求発電量が切替閾値以上でないと判定した場合(S213・No)、ステップS112に進み、ECU160は、ソレノイド71をOFFする。そうすると、図2に示すように、ニードル40がノズル30に対して前進し、ノズル30の噴射口32における噴射断面積が小さくなる。これにより、水素タンク121からの水素の噴射量が減少し、適切な流量で水素が燃料電池110に供給される。
その後、ECU160の処理は、ステップS208に進む。
On the other hand, when it determines with request | requirement electric power generation amount not being more than a switching threshold value (S213 * No), it progresses to step S112 and ECU160 turns OFF the solenoid 71. FIG. Then, as shown in FIG. 2, the needle 40 moves forward with respect to the nozzle 30, and the injection cross-sectional area at the
Thereafter, the processing of
この後、ステップS208〜ステップS111又はステップS112の処理を繰り返している間に、燃料電池110がさらに暖機され、システム温度T11(燃料電池110の温度)が所定温度T2以上となった場合(S209・Yes)、切替閾値を変更・補正しない通常運転(S104)に切り替わる。すなわち、システム温度T11が所定温度T2以上となった場合、水素の流量を増加するための切替閾値の変更が停止されるので、無駄な制御が停止されると共に、水素の無駄な供給及びその消費を抑えることができ、燃費を向上させることができる。
Thereafter, while the processing of step S208 to step S111 or step S112 is repeated, the
1 燃料電池システム
10 エゼクタ(燃料ガス流量調整手段)
30 ノズル(噴射口調整機構)
32 噴射口
40 ニードル(噴射口調整機構)
71 ソレノイド(噴射口調整機構)
72 圧縮コイルバネ(噴射口調整機構)
110 燃料電池
121 水素タンク(燃料ガス源)
121a、122a、10a 配管(燃料ガス供給流路)
123 圧力センサ
124 パージ弁
124c 配管(循環流路)
132 温度センサ(燃料電池温度検出手段)
141 走行モータ
152 アクセルペダル
160 ECU(発電状態検出手段、要求発電量検出手段、燃料ガス流量調整手段、有効発電面積推定手段)
T1 所定温度
T11 現在の燃料電池の温度
1
30 nozzles (spout adjustment mechanism)
32 injection port 40 needle (injection port adjustment mechanism)
71 Solenoid (Jet adjustment mechanism)
72 Compression coil spring (Jet adjustment mechanism)
110
121a, 122a, 10a piping (fuel gas supply flow path)
123
132 Temperature sensor (Fuel cell temperature detection means)
141
T1 Predetermined temperature T11 Current fuel cell temperature
Claims (6)
前記燃料電池の出力変化量を前記燃料電池の発電状態として検出する発電状態検出手段と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を段階的に増減するように調整する燃料ガス流量調整手段と、
前記燃料電池の有効発電面積を推定する有効発電面積推定手段と、
所定の出力変化量であって前記燃料ガス流量調整手段が段階的に燃料ガスの流量を増減させる際の切替基準となる切替閾値と、
を備え、
低温起動した場合、
前記燃料ガス流量調整手段は、
燃料ガスの流量が増加するように、通常起動した場合よりも小さい切替閾値に変更し、
前記有効発電面積推定手段の推定した有効発電面積に基づいて、有効発電面積が小さくなるほど切替閾値が小さくなるように、変更後の切替閾値をさらに補正し、
補正後の切替閾値と、前記発電状態検出手段の検出した前記燃料電池の発電状態と、に基づいて、燃料ガスの流量を増減させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 Including a fuel cell which fuel gas and oxidant gas to generate electric power by being supplied, and the cold start to accelerate the warm-up of the fuel cell when a predetermined condition is satisfied during startup, when the predetermined condition is not satisfied A fuel cell system that normally starts
A power generation state detecting means for detecting an output change amount of the fuel cell as a power generation state of the fuel cell;
Fuel gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell so as to increase or decrease in stages ;
An effective power generation area estimating means for estimating an effective power generation area of the fuel cell;
A switching threshold which is a predetermined output change amount and serves as a switching reference when the fuel gas flow rate adjusting means gradually increases or decreases the flow rate of the fuel gas;
With
When starting at low temperature,
The fuel gas flow rate adjusting means is
Change to a switching threshold value that is smaller than the normal startup so that the fuel gas flow rate increases.
Based on the effective power generation area estimated by the effective power generation area estimation means, further correct the switching threshold after the change so that the switching threshold decreases as the effective power generation area decreases,
A fuel cell system, wherein the flow rate of the fuel gas is increased or decreased based on the corrected switching threshold and the power generation state of the fuel cell detected by the power generation state detection means .
前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標圧力と実測圧力との差圧を前記燃料電池の発電状態として検出する発電状態検出手段と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を段階的に増減するように調整する燃料ガス流量調整手段と、
前記燃料電池の有効発電面積を推定する有効発電面積推定手段と、
所定の差圧であって前記燃料ガス流量調整手段が段階的に燃料ガスの流量を増減させる際の切替基準となる切替閾値と、
を備え、
低温起動した場合、
前記燃料ガス流量調整手段は、
燃料ガスの流量が増加するように、通常起動した場合よりも小さい切替閾値に変更し、
前記有効発電面積推定手段の推定した有効発電面積に基づいて、有効発電面積が小さくなるほど切替閾値が小さくなるように、変更後の切替閾値をさらに補正し、
補正後の切替閾値と、前記発電状態検出手段の検出した前記燃料電池の発電状態と、に基づいて、燃料ガスの流量を増減させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 Including a fuel cell which fuel gas and oxidant gas to generate electric power by being supplied, and the cold start to accelerate the warm-up of the fuel cell when a predetermined condition is satisfied during startup, when the predetermined condition is not satisfied A fuel cell system that normally starts
Power generation state detection means for detecting a differential pressure between a target pressure of fuel gas supplied to the fuel cell and an actually measured pressure as a power generation state of the fuel cell;
Fuel gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell so as to increase or decrease in stages ;
An effective power generation area estimating means for estimating an effective power generation area of the fuel cell;
A switching threshold that is a predetermined differential pressure and serves as a switching reference when the fuel gas flow rate adjusting means increases or decreases the fuel gas flow rate stepwise;
With
When starting at low temperature,
The fuel gas flow rate adjusting means is
Change to a switching threshold value that is smaller than the normal startup so that the fuel gas flow rate increases.
Based on the effective power generation area estimated by the effective power generation area estimation means, further correct the switching threshold after the change so that the switching threshold decreases as the effective power generation area decreases,
A fuel cell system, wherein the flow rate of the fuel gas is increased or decreased based on the corrected switching threshold and the power generation state of the fuel cell detected by the power generation state detection means .
前記燃料電池に要求された要求発電量を検出する要求発電量検出手段と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を段階的に増減するように調整する燃料ガス流量調整手段と、
前記燃料電池の有効発電面積を推定する有効発電面積推定手段と、
所定の要求発電量であって前記燃料ガス流量調整手段が段階的に燃料ガスの流量を増減させる際の切替基準となる切替閾値と、
を備え、
低温起動した場合、
前記燃料ガス流量調整手段は、
燃料ガスの流量が増加するように、通常起動した場合よりも小さい切替閾値に変更し、
前記有効発電面積推定手段の推定した有効発電面積に基づいて、有効発電面積が小さくなるほど切替閾値が小さくなるように、変更後の切替閾値をさらに補正し、
補正後の切替閾値と、前記要求発電量検出手段の検出した要求発電量と、に基づいて、燃料ガスの流量を増減させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 Including a fuel cell which fuel gas and oxidant gas to generate electric power by being supplied, if the cold start and the predetermined condition for promoting warm-up of the fuel cell when a predetermined condition is satisfied when starting is not satisfied A fuel cell system that normally starts ,
A required power generation amount detecting means for detecting a required power generation amount required for the fuel cell;
Fuel gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell so as to increase or decrease in stages ;
An effective power generation area estimating means for estimating an effective power generation area of the fuel cell;
A switching threshold that is a predetermined required power generation amount and serves as a switching reference when the fuel gas flow rate adjusting means increases or decreases the flow rate of the fuel gas stepwise;
With
When starting at low temperature,
The fuel gas flow rate adjusting means is
Change to a switching threshold value that is smaller than the normal startup so that the fuel gas flow rate increases.
Based on the effective power generation area estimated by the effective power generation area estimation means, further correct the switching threshold after the change so that the switching threshold decreases as the effective power generation area decreases,
A fuel cell system, wherein the flow rate of the fuel gas is increased or decreased based on the corrected switching threshold and the required power generation amount detected by the required power generation amount detection means .
前記要求発電量は、前記移動体に対して要求された要求加速度に基づいて算出される
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3 is a system mounted on a moving body, and the moving body moves based on the generated power of the fuel cell,
The required power generation amount is calculated based on a required acceleration required for the moving body.
前記燃料ガス供給流路と前記循環流路との合流点に設けられると共に、前記燃料ガス源からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス源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、
を備え、
前記エゼクタは、前記ノズルの噴射口における噴射断面積を調整する噴射口調整機構を備え、前記噴射口調整機構によって前記ノズルの噴射口における噴射断面積が調整されることで、前記燃料電池への燃料ガスの流量が調整される
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A circulation flow path for circulating the fuel gas by returning the discharged fuel gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply flow path through which the fuel gas supplied from the fuel gas source to the fuel cell flows;
The nozzle is provided at the junction of the fuel gas supply channel and the circulation channel, and injects fuel gas from the fuel gas source. From the fuel gas from the fuel gas source and the circulation channel An ejector that mixes with the exhaust fuel gas of
With
The ejector includes an injection port adjustment mechanism that adjusts an injection cross-sectional area at an injection port of the nozzle, and an injection cross-sectional area at the injection port of the nozzle is adjusted by the injection port adjustment mechanism. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 , wherein a flow rate of the fuel gas is adjusted.
前記燃料ガス流量調整手段は、前記燃料電池の温度が所定温度以上になるまで、前記切替閾値の変更を継続する
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。 A fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
The fuel according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel gas flow rate adjusting means continues changing the switching threshold until a temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than a predetermined temperature. Battery system.
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