JP6927071B2 - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP6927071B2 JP6927071B2 JP2018020963A JP2018020963A JP6927071B2 JP 6927071 B2 JP6927071 B2 JP 6927071B2 JP 2018020963 A JP2018020963 A JP 2018020963A JP 2018020963 A JP2018020963 A JP 2018020963A JP 6927071 B2 JP6927071 B2 JP 6927071B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- gas
- ecu
- water content
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
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.
燃料電池システムに関し、例えば燃料電池の含水量を制御するため、単セルのアノードの圧力損失に基づいてアノード側の排水を制御する技術が知られている(例えば特許文献1)。 Regarding a fuel cell system, for example, in order to control the water content of a fuel cell, a technique for controlling drainage on the anode side based on the pressure loss of the anode of a single cell is known (for example, Patent Document 1).
燃料電池の排水量は、燃料電池の運転状態に応じて動的に変化するため、例えば上記の技術のように排水を制御する場合などにおいて、排水量を適切に把握することは有益である。しかし、特許文献1には、排水量の把握に関する記載がない。
Since the amount of drainage from the fuel cell changes dynamically according to the operating state of the fuel cell, it is useful to appropriately grasp the amount of drainage when controlling the drainage as in the above technique, for example. However,
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の排水量を適切に把握することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of appropriately grasping the amount of drainage of a fuel cell.
本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料ガスを蓄圧する蓄圧装置と、前記蓄圧装置から流れ込む前記燃料ガスを間欠的に噴射するインジェクタと、前記燃料電池に再循環される燃料オフガスが流れる再循環路と、前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスに、前記再循環路からの燃料オフガスを混合して前記燃料電池のアノードに導入するエジェクタと、前記燃料電池から出力される電流値を検出する検出装置と、前記インジェクタの1回の噴射時間及び噴射量を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記燃料電池のアノード側の含水量、前記再循環路における圧力損失、及び前記電流値の相関関係に基づき、前記含水量及び前記電流値から前記圧力損失を推定し、該推定した前記圧力損失から、前記再循環路における前記圧力損失及び前記燃料オフガスの流量の相関関係に基づき前記流量を推定し、該推定した前記流量、前記噴射量、及び前記噴射時間に基づき、前記エジェクタから前記燃料電池に導入される前記燃料ガス及び前記燃料オフガスの力積を算出し、前記力積及び前記含水量に基づき前記燃料電池のアノード側の排水量を算出する。 The fuel cell system described in the present specification includes a fuel cell that generates power from fuel gas, a pressure accumulator that accumulates the fuel gas, an injector that intermittently injects the fuel gas that flows from the accumulator, and the fuel cell. A recirculation path through which the fuel off gas recirculated to the fuel flows, an ejector in which the fuel off gas from the recirculation path is mixed with the fuel gas injected from the injector and introduced into the anode of the fuel cell, and the fuel. It has a detection device that detects the current value output from the battery and a control device that controls one injection time and injection amount of the injector, and the control device has a water content on the anode side of the fuel cell. Based on the correlation between the pressure loss in the recirculation path and the current value, the pressure loss is estimated from the water content and the current value, and the pressure loss in the recirculation path and the pressure loss in the recirculation path are estimated from the estimated pressure loss. The flow rate is estimated based on the correlation of the flow rates of the fuel off gas, and the fuel gas and the fuel off gas introduced from the ejector into the fuel cell based on the estimated flow rate, the injection amount, and the injection time. Is calculated, and the amount of drainage on the anode side of the fuel cell is calculated based on the force product and the water content.
本発明によれば、燃料電池の排水量を適切に把握することができる。 According to the present invention, the displacement amount of the fuel cell can be appropriately grasped.
図1は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、例えば燃料電池車に搭載されるが、これに限定されない。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell system. The fuel cell system is installed in, for example, a fuel cell vehicle, but is not limited to this.
燃料電池システムは、燃料電池1と、燃料タンク2と、調圧弁3と、インジェクタ4と、エジェクタ5と、ECU(Electronic Control Unit)6と、主止弁70と、気液分離器71と、パージ弁72と、アノード供給路R20〜R23と、アノード排出路R24〜R26と、再循環路R27とを有する。また、燃料電池システムは、コンプレッサ80と、加湿器81と、バイパス弁82と、ラジエータ90と、三方弁91と、ポンプ92と、温度センサ93と、電流センサ94と、バッテリ95と、カソード供給路R10,R11と、カソード排出路R12,R13と、冷却水供給路R31,R32と、冷却水排出路R33、R34とを有する。
The fuel cell system includes a
燃料電池1は、固体高分子型燃料電池であり、膜電極接合体をそれぞれ備えた複数の単セルが積層されることにより構成され、カソードには酸化剤ガスの一例として酸素を含む空気が供給され、アノードには、燃料ガスの一例として水素ガスが供給される。燃料電池1は、各単セルにおいて酸化剤ガスと燃料ガスが化学反応することにより発電する。
The
酸化剤ガスは、カソード供給路R10,R11を介して燃料電池1のカソードに供給される。酸化剤オフガスは、カソード排出路R12,R13を介して燃料電池1のカソードから外部に排出される。
The oxidant gas is supplied to the cathode of the
コンプレッサ80は、外気から酸化剤ガスを導入して圧縮する。コンプレッサ80は、カソード供給路R10を介して酸化剤ガスを加湿器81に送出する。
The
加湿器81は、酸化剤ガスを加湿して、カソード供給路R11を介して燃料電池1のカソードに送出する。加湿器81には、燃料電池1からカソード排出路R12を介して燃料オフガスが導入される。加湿器81は、燃料オフガスに含まれる水分により燃料ガスを加湿する。加湿器81は、燃料オフガスをカソード排出路R13から外部に排出する。
The
また、カソード供給路R10,R11は分岐して加湿器81とバイパス弁82に接続されている。バイパス弁82の開度は、ECU6からの制御信号により調整される。カソード供給路R10内の空気の一部は、バイパス弁82の開度に応じてバイパス弁82及びカソード供給路R11を経由して燃料電池1に導入される。
Further, the cathode supply paths R10 and R11 are branched and connected to the
燃料タンク2は、蓄圧装置の一例であり、燃料ガスを蓄圧して貯蔵する。燃料タンク2の出口には、主止弁70が接続されている。主止弁70は、ECU6の制御に従って、燃料電池1の発電時、開放状態に維持されている。燃料ガスは、主止弁70からアノード供給路R20を流れて調圧弁3に入る。
The
調圧弁3は、燃料タンク2からインジェクタ4に流れ込む燃料ガスの圧力を、ECU6からの制御信号に従って調整する。調圧弁3を通った燃料ガスは、アノード供給路R21を介しインジェクタ4に流れ込む。インジェクタ4は、燃料タンク2から流れ込む燃料ガスを、ECU6からの制御信号に従って間欠的に噴射する。インジェクタ4から噴射された燃料ガスは、アノード供給路R22を介しエジェクタ5に流れ込む。
The pressure regulating valve 3 adjusts the pressure of the fuel gas flowing from the
エジェクタ5は、インジェクタ4から噴射された燃料ガスに、燃料電池1に再循環される燃料オフガスを混合して燃料電池1に導入する。エジェクタ5には、再循環路R27から燃料オフガスが吸入される。燃料オフガスと混合された燃料ガスは、アノード供給路R23から燃料電池1に供給される。このため、インジェクタ4からエジェクタ5への燃料ガスの噴射量をQinとし、再循環路R27からエジェクタ5への燃料オフガスの流量をQreとすると、エジェクタ5から燃料電池1への燃料ガス及び燃料オフガスの流量はQin+Qreとなる。
The ejector 5 mixes the fuel gas injected from the injector 4 with the fuel off gas recirculated in the
燃料オフガスは、燃料電池1からアノード排出路R24を流れ気液分離器71に入る。気液分離器71は、燃料オフガスから液水を分離して貯留し、燃料オフガスを再循環路R27に送出する。
The fuel off gas flows from the
パージ弁72は、アノード排出路R25を介して気液分離器71と接続されている。パージ弁72は、ECU6の制御により開閉される。パージ弁72が開放されると、気液分離器71内の燃料オフガス及び液水はアノード排出路R25,R26から外部に排出される。
The
また、冷却水は、ラジエータ90から冷却水供給路R31,R32を介して燃料電池1に導入され、燃料電池1を冷却する。燃料電池1から排出された冷却水は、冷却水排出路R33,R34を介してラジエータ90に戻る。ラジエータ90は、冷却水排出路R34からの冷却水を冷却して冷却水供給路R31に再び送出する。
Further, the cooling water is introduced from the
三方弁91は、冷却水供給路R31,R32と冷却水排出路R34に接続されている。冷却水排出路R34は分岐してラジエータ90と三方弁91に接続されている。冷却水供給路R31及び冷却水排出路R34から三方弁91に導入された冷却水は、冷却水供給路R32から燃料電池1に送出される。
The three-
三方弁91の開度は、ECU6からの制御信号により制御される。これにより、ECU6は、燃料電池1に送出される冷却水における、ラジエータ90からの冷却水と冷却水排出路R34からの冷却水の比率を制御することができる。
The opening degree of the three-
冷却水排出路R33,R34の間にはポンプ92が接続されている。ポンプ92は、冷却水を燃料電池1とラジエータ90の間で循環させる。ポンプ92の駆動力は、ECU6からの制御信号により制御される。これにより、ECU6は、冷却水の循環量を制御することができる。
A
温度センサ93は、冷却水排出路R34を流れる冷却水の温度を検出する。ECU6は、温度センサ93から冷却水の温度を取得する。
The
また、バッテリ95は、燃料電池1から出力された電力の一部を蓄電する。電流センサ94は、検出装置の一例であり、燃料電池1から出力される電流値を検出する。ECU6は、電流センサ94から電流値を取得する。
Further, the
ECU6は、燃料電池システムの動作を制御する。ECU6は、例えばCPU(Central Processing Unit)60、プログラムメモリ61、及びデータベースメモリ62などを含む。CPU60は、プログラムメモリ61に格納されたプログラムに従って動作する。また、データベースメモリ62には各種のデータベースが保持されている。
The
ECU6は、制御装置の一例であり、インジェクタ4の1回の噴射時間及び噴射量を制御する。インジェクタ4の1回の噴射時間は、ECU6からの制御信号のデューティ比に従って制御される。また、インジェクタ4の1回の噴射量は、ECU6から調圧弁3に出力される制御信号により制御される。
The
ECU6は、燃料電池1の燃料ガスの排出能力を燃料電池1の運転状態に基づいて推測し、推測した排出能力から燃料電池1のアノード側の含水量を推測する。ECU6は、推測した含水量と所定の閾値を比較し、その比較結果に応じて燃料電池1の温度を制御することにより燃料ガスの排水量を制御する。
The
燃料電池1の温度制御手段としては、例えば以下の手段が挙げられる。
Examples of the temperature control means for the
ECU6は、燃料電池1の発電する電力を増加させることにより燃料電池1の発熱量を増加させることができる。このとき、電力の余剰分は、例えばバッテリ95に蓄えられる。
The
また、ECU6は、バイパス弁82の開度を制御信号で調整することにより、燃料電池1に供給される燃料ガスのうち、加湿器81を迂回する燃料ガスの流量を制御することができる。加湿器81を迂回する燃料ガスの流量が増えると、燃料電池1の湿度が下降して温度が上がり、加湿器81を迂回する燃料ガスの流量が減ると、燃料電池1の湿度が上昇して温度が上がる。
Further, the
さらに、ECU6は、冷却水の循環量を制御することにより、より効果的に燃料電池1の温度を制御することができる。ECU6は、例えば三方弁91の開度、及びポンプ92の駆動力を制御信号で調整することにより冷却水の循環量を制御することができる。冷却水の循環量が増えると、燃料電池1の温度は下がり、冷却水の循環量が減ると、燃料電池1の温度は上がる。なお、ECU6は、上記の温度制御手段のうち、複数の温度制御手段を組み合わせて実行してもよい。
Further, the
ECU6は、温度制御を行うとき、燃料電池1から排出することができる燃料オフガスの量を燃料電池1の運転状態から推測する。
When the temperature is controlled, the
図2は、温度制御の処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、ECU6のCPU60がプログラムメモリ61からプログラムを読み込むことにより実行される。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the temperature control process. This process is executed by the
ECU6は、例えば周期的に以下のステップSt1〜St15の各処理を繰り返す。このとき、ECU6は、一例として、インジェクタ4の噴射の周期と同じ周期で各処理を繰り返す。つまり、インジェクタ4の噴射に同期するように、ステップSt1〜St15の各処理が実行される。
The
また、ECU6は、ステップSt1〜St15の各処理を繰り返すことにより、燃料電池1のアノード側の含水量Wを繰り返し算出する。このとき、新たな含水量Wの算出には、前回算出された含水量Wが用いられる。このため、ECU6は、インジェクタ4の噴射の周期分だけ前の時刻(つまり前回の周期)の含水量Wから現在時刻(つまり今回の周期)の含水量Wを算出する。ECU6は、算出した含水量Wに応じて燃料電池1の温度を制御する。
Further, the
まず、ECU6は、前回の周期で算出した含水量Wを、今回の周期の含水量Wの算出に用いる含水量W’に設定する(ステップSt1)。なお、ECU6は、CPU60の起動後、初めてステップSt1の処理を実行する場合、含水量Wとして所定の初期値を用いる。含水量Wの初期値は、例えば燃料電池1のアノード側の初期の水分量などに基づいて決定される。
First, the
次に、ECU6は、温度センサ93から燃料電池1の温度を取得する(ステップSt2)。ECU6は、例えば、温度センサ93が検出した冷却水の温度を補正することにより燃料電池1の温度を取得する。
Next, the
次に、ECU6は、燃料電池1から出力される電流値を電流センサ94から取得する(ステップSt3)。次に、ECU6は、燃料電池1のアノード側の含水量W’及び燃料電池1から出力される電流値から圧力損失データベースに基づき、再循環路R27における圧力損失を推定する(ステップSt4)。
Next, the
圧力損失データベースは、燃料電池1のアノード側の含水量W’、再循環路R27における圧力損失、燃料電池1から出力される電流値の相関関係を示す。圧力損失データベースはデータベースメモリ62に予め保持されている。以下に、含水量W’、電流値、及び圧力損失の相関関係について述べる。
The pressure loss database shows the correlation between the water content W'on the anode side of the
図3は、含水量W’、電流値、及び圧力損失の相関関係の一例を示す図である。符号G1は、燃料電池1における電流値I1,I2、・・・,In(n:正の整数)ごとの含水量W’に対する圧力損失の変化特性のグラフの一例を示す。符号G1のグラフにおいて、横軸は含水量W’を示し、縦軸は圧力損失を示す。なお、電流値I1,I2、・・・,Inの間には、矢印で示されるように、I1>I2>・・・>Inの関係が成立している。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the correlation between the water content W', the current value, and the pressure loss. Reference numeral G1 indicates an example of a graph of the change characteristic of the pressure loss with respect to the water content W'for each of the current values I1, I2, ..., In (n: positive integer) in the
圧力損失は、含水量W’の増加とともに緩やかに増加する。また、圧力損失は、含水量W’によらず、電流値I1〜Inが大きいほど、大きい。 The pressure loss gradually increases as the water content W'increases. Further, the pressure loss is larger as the current values I1 to In are larger, regardless of the water content W'.
符号G2は、圧力損失データベースの一例を示す。圧力損失データベースは、符号G1のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。 Reference numeral G2 indicates an example of a pressure drop database. The pressure drop database is constructed based on the correlation shown by the graph of reference numeral G1.
圧力損失データベースは、一例として、含水量W’及び電流値に対応する圧力損失が登録されている。ECU6は、含水量W’及び電流値に対応する圧力損失を圧力損失データベースから検索する。例えば、含水量W’がWaであり、電流値がI1である場合、圧力損失はPaaとなる。
In the pressure loss database, as an example, the pressure loss corresponding to the water content W'and the current value is registered. The
再び図2を参照すると、ECU6は、圧力損失を推定した後、インジェクタ4の噴射時間及び噴射量Qinを取得する(ステップSt5)。ECU6は、例えば、調圧弁3の開度を制御する制御信号から噴射量Qinを取得する。
With reference to FIG. 2 again, after estimating the pressure loss, the
また、ECU6は、インジェクタ4の噴射時間を、例えば、インジェクタ4に出力される制御信号から取得する。
Further, the
図4は、インジェクタ4に出力される制御信号の一例を示す波形図である。制御信号は、例えば、一定周期のパルスとして生成される。制御信号の電位は、周期Tcで高電位Vonと低電位Voff(<Von)を繰り返す。ここで、周期Tcは、上述したように、ステップSt1〜St15の各処理が実行される周期に一致する。 FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of a control signal output to the injector 4. The control signal is generated, for example, as a pulse having a constant period. The potential of the control signal repeats high potential Von and low potential Voff (<Von) in a period Tc. Here, the period Tc corresponds to the period in which each process of steps St1 to St15 is executed, as described above.
制御信号の電位が高電位Vonであるとき、インジェクタ4は燃料ガスを噴射し、制御信号の電位が低電位Voffであるとき、インジェクタ4は燃料ガスの噴射を止める。ECU6は、周期Tcのうち、制御信号が高電位Vonとなる噴射時間Tonを噴射時間として取得する。
When the potential of the control signal is the high potential Von, the injector 4 injects the fuel gas, and when the potential of the control signal is the low potential Voff, the injector 4 stops the injection of the fuel gas. The
再び図2を参照すると、ECU6は、インジェクタ4の噴射時間及び噴射量を取得した後、ステップSt4の処理で推定した圧力損失から流量データベースに基づき、再循環路R27における燃料オフガスの流量Qreを推定する(ステップSt6)。流量データベースは、再循環路R27における圧力損失及び燃料オフガスの流量Qreの相関関係を示す。流量データベースは、データベースメモリ62に予め保持されている。以下に、圧力損失及び燃料オフガスの流量Qreの相関関係について述べる。
With reference to FIG. 2 again, after acquiring the injection time and the injection amount of the injector 4, the
図5は、再循環路R27における圧力損失と燃料オフガスの流量の相関関係の一例を示す図である。符号G11は、圧力損失に対する流量Qreの変化特性のグラフの一例を示す。符号G11のグラフにおいて、横軸は圧力損失を示し、縦軸は流量Qreを示す。流量Qreは、圧力損失の増加に対し一定の割合で減少する。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the correlation between the pressure loss in the recirculation path R27 and the flow rate of the fuel off gas. Reference numeral G11 indicates an example of a graph of the change characteristic of the flow rate Qre with respect to the pressure loss. In the graph of reference numeral G11, the horizontal axis represents the pressure loss and the vertical axis represents the flow rate Qre. The flow rate Qre decreases at a constant rate with respect to the increase in pressure loss.
符号G12は、流量データベースの一例を示す。流量データベースは、符号G11のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。 Reference numeral G12 indicates an example of a flow rate database. The flow rate database is constructed based on the correlation shown by the graph of reference numeral G11.
流量データベースには、例えば、圧力損失と流量Qreが対応付けられて登録されている。ECU6は、圧力損失データベースにより推定した圧力損失に対応する流量Qreを流量データベースから検索する。例えば、圧力損失がP1であるとき、流量QreはQ1となる。
For example, the pressure loss and the flow rate Qre are registered in the flow rate database in association with each other. The
再び図2を参照すると、ECU6は、燃料オフガスの流量Qreを推定した後、推定した流量Qreとインジェクタ4の噴射量Qin及び噴射時間Tonに基づき、エジェクタ3から燃料電池1に導入される燃料ガス及び燃料オフガスの力積Aを算出する(ステップSt7)。ここで、燃料電池1に導入される燃料ガス及び燃料オフガスの流量は、燃料ガスの噴射量Qinと燃料オフガスの流量Qreの合計となる。
Referring to FIG. 2 again, the
A=(Qin+Qre)4/7×Ton ・・・(1) A = (Qin + Qre) 4/7 x Ton ... (1)
ECU6は、例えば、上記の式(1)から力積Aを算出する。これにより、エジェクタ5から燃料電池1内のアノード側の流路に送出される燃料ガス及び燃料オフガスの運動量の単位時間の変化量が算出される。
The
ΔW=k×W’×A ・・・(2) ΔW = k × W ′ × A ・ ・ ・ (2)
次に、ECU6は、力積Aと含水量W’に基づき排水量ΔWを算出する(ステップSt8)。ECU6は、例えば、上記の式(2)から排水量ΔWを算出する。ここで、定数kは、燃料電池1内のアノード側の流路の構成や各種の条件に応じて決定される定数である。
Next, the
このように、ECU6は、燃料電池1のアノード側の含水量W’とインジェクタ4の噴射時間Ton及び噴射量Qinと再循環路R27における燃料オフガスの流量Qreから力積Aを算出し、力積Aと含水量W’から排水量ΔWを算出する。ここで、力積Aと含水量W’は、燃料電池1のアノード側の運転状態に関するパラメータであるため、ECU6は、燃料電池1のアノード側の運転状態から排水量ΔWを適切に把握することができる。
In this way, the
また、ECU6は、圧力損失データベースに基づき圧力損失を推定し、流量データベースから流量Qreを推定する。このため、燃料電池システムは、圧力損失及び流量Qreを検出する各センサを設ける必要がなく、このようなセンサを設けた場合と比較すると、燃料電池システムの規模が縮小される。
Further, the
W=W’−ΔW×Tc ・・・(3) W = W'-ΔW × Tc ・ ・ ・ (3)
次に、ECU6は、含水量W’と排水量ΔWから今回の周期の含水量Wを算出する(ステップSt9)。ECU6は、例えば、上記の式(3)から含水量Wを算出する。このとき、含水量Wは、Tc秒前の含水量W’から周期Tc内に排出される排水量(ΔW×Tc)を減じた値となる。
Next, the
次に、ECU6は、含水量Wの上限値Wuを決定し(ステップSt10)、含水量Wの下限値Wdを決定する(ステップSt11)。なお、下限値Wdは上限値Wuより先に決定されてもよい。ECU6は、例えば、温度センサ93から取得した燃料電池1の温度、電流センサ94から取得した電流値、及び上限値Wuの相関関係から上限値Wuを決定し、これと同様に、燃料電池1の温度、電流値、及び下限値Wdの相関関係から下限値Wdを決定する。例えば、上限値Wu及び下限値Wdは、上記の相関関係を示す上限値データベース及び下限値データベースからそれぞれ決定される。
Next, the
図6は、燃料電池1の温度、電流値、及び上限値Wuまたは下限値Wdの相関関係の一例を示す図である。符号G21は、燃料電池1における電流値I1,I2、・・・,Inごとの温度に対する上限値Wu(または下限値Wd)の変化特性のグラフの一例を示す。符号G21のグラフにおいて、横軸は温度を示し、縦軸は上限値Wu(または下限値Wd)を示す。なお、電流値I1,I2、・・・,Inの間には、矢印で示されるように、I1>I2>・・・>Inの関係が成立している。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the correlation between the temperature, the current value, and the upper limit value Wu or the lower limit value Wd of the
上限値Wu(または下限値Wd)は、温度の増加に対し一定の割合で減少する。また、上限値Wu(または下限値Wd)は、温度によらず、電流値I1〜Inが大きいほど、大きい。 The upper limit value Wu (or lower limit value Wd) decreases at a constant rate with increasing temperature. Further, the upper limit value Wu (or the lower limit value Wd) is larger as the current values I1 to In are larger, regardless of the temperature.
符号G22は、上限値データベースまたは下限値データベースの一例を示す。上限値データベース及び下限値データベースは、符号G21のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。 Reference numeral G22 indicates an example of an upper limit value database or a lower limit value database. The upper limit database and the lower limit database are configured based on the correlation shown by the graph of reference numeral G21.
上限値データベースは、一例として、温度及び電流値に対応する上限値Wuが登録されている。また、下限値データベースは、一例として、温度及び電流値に対応する下限値Wdが登録されている。ECU6は、温度及び電流値に対応する上限値Wuを上限値データベースから検索し、温度及び電流値に対応する下限値Wdを下限値データベースから検索する。上限値データベースの場合、例えば、温度がKaであり、電流値がI1である場合、上限値WuはWaaとなる。
In the upper limit value database, as an example, the upper limit value Wu corresponding to the temperature and current values is registered. Further, in the lower limit value database, as an example, the lower limit value Wd corresponding to the temperature and current values is registered. The
再び図2を参照すると、ECU6は、上限値Wu及び下限値Wdを決定した後、含水量Wを上限値Wuと比較する(ステップSt12)。ECU6は、含水量Wが上限値Wuを上回る場合(ステップSt12のYes)、燃料電池1のアノード側の排水量ΔWが増加するように燃料電池1の温度を上げる(ステップSt14)。その後、次の周期でステップSt1以降の各処理が実行される。
With reference to FIG. 2 again, the
また、ECU6は、含水量Wが上限値Wu以下である場合(ステップSt12のNo)、含水量Wを下限値Wdと比較する(ステップSt13)。ECU6は、含水量Wが下限値Wdを下回る場合(ステップSt13のYes)、燃料電池1のアノード側の排水量ΔWが減少するように燃料電池1の温度を下げる(ステップSt15)。その後、次の周期でステップSt1以降の各処理が実行される。
Further, when the water content W is equal to or less than the upper limit value Wu (No in step St12), the
また、含水量Wが下限値Wd以上である場合(ステップSt13のNo)も、次の周期でステップSt1以降の各処理が実行される。このようにして、温度制御の処理は実行される。なお、温度制御の手段については、上述したとおりである。 Further, even when the water content W is equal to or higher than the lower limit value Wd (No in step St13), each process after step St1 is executed in the next cycle. In this way, the temperature control process is executed. The temperature control means is as described above.
ECU6は、ステップSt14,St15において、温度制御の制御値Δkを算出し、制御値Δkから目標温度Toを決定する。
In steps St14 and St15, the
Δk=(W−Wu)/(W’×A) ・・・(4)
Δk=(Wd−W)/(W’×A) ・・・(5)
Δk = (W-Wu) / (W'× A) ・ ・ ・ (4)
Δk = (Wd−W) / (W'× A) ・ ・ ・ (5)
ECU6は、例えば、ステップSt14において上記の式(4)から制御値Δkを算出し、ステップSt15において上記の式(5)から制御値Δkを算出する。制御値Δkは、含水量Wと上限値Wuまたは下限値Wdの差分に対する上記の式(2)の定数kの補正値である。ECU6は、制御値Δkと目標温度Toの相関関係を示す目標温度データベースに基づき目標温度Toを決定する。目標温度データベースは、データベースメモリ62に予め保持されている。以下に、制御値Δkと目標温度Toの相関関係について述べる。
For example, the
図7は、制御値Δkと目標温度Toの相関関係の一例を示す図である。符号G31は、目標温度Toに対する制御値Δkの変化特性のグラフの一例を示す。符号G31のグラフにおいて、横軸は目標温度Toを示し、縦軸は制御値Δkを示す。制御値Δkは、目標温度Toの増加に対し一定の割合で増加する。 FIG. 7 is a diagram showing an example of the correlation between the control value Δk and the target temperature To. Reference numeral G31 indicates an example of a graph of the change characteristic of the control value Δk with respect to the target temperature To. In the graph of reference numeral G31, the horizontal axis represents the target temperature To and the vertical axis represents the control value Δk. The control value Δk increases at a constant rate with respect to the increase in the target temperature To.
符号G32は、目標温度データベースの一例を示す。目標温度データベースは、符号G31のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。 Reference numeral G32 indicates an example of the target temperature database. The target temperature database is constructed based on the correlation shown by the graph of reference numeral G31.
目標温度データベースには、例えば、制御値Δkと目標温度Toが対応付けられて登録されている。ECU6は、式(4)または式(5)から算出した制御値Δkに対応する目標温度Toを目標温度データベースから検索する。例えば、制御値Δkがk1であるとき、目標温度Toはx1となる。
For example, the control value Δk and the target temperature To are registered in the target temperature database in association with each other. The
ECU6は、燃料電池1の温度が目標温度Toとなるように温度制御を行う。このとき、ECU6は、以下に述べるように、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行うことにより、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池1の湿度を制御することができる。
The
図8は、湿度ごとの燃料ガスの分圧に対するアノードの過電圧の変化特性の一例を示す図である。図8において、横軸は燃料ガスの分圧[Pa]を示し、縦軸はアノードの過電圧[v]を示す。 FIG. 8 is a diagram showing an example of the change characteristic of the overvoltage of the anode with respect to the partial pressure of the fuel gas for each humidity. In FIG. 8, the horizontal axis represents the partial pressure [Pa] of the fuel gas, and the vertical axis represents the overvoltage [v] of the anode.
符号G41,G42は、燃料電池1の湿度が20%RHのときの変化特性のグラフであり、符号G51,G52は、燃料電池1の湿度が100%RHのときの変化特性のグラフである。また、符号G41,G51のグラフは、符号G42,G52のグラフの場合より燃料電池1のアノード電極の触媒である白金(Pt)の量を低下させたとき(以下、「低Pt化」と表記)の変化特性を示す。
Reference numerals G41 and G42 are graphs of change characteristics when the humidity of the
アノードの過電圧は、燃料ガスの分圧が増加すると減少し、ほぼ一定の値に収束する。低Pt化時、湿度が20%RH及び100%RHの何れの場合であっても、過電圧は、分圧の全範囲にわたって上昇する。 The overvoltage of the anode decreases as the partial pressure of the fuel gas increases and converges to a nearly constant value. At low Pt, the overvoltage rises over the entire range of partial pressure, regardless of whether the humidity is 20% RH or 100% RH.
例えば、分圧が範囲Ra内となるように燃料ガスが供給されている場合、湿度が20%RHである環境、つまりドライ環境における低Pt化時の変化特性(符号G41参照)では、低Pt化されていない時の変化特性(符号G42参照)と比較すると、分圧に対する過電圧の変化量が大きくなる。このように過電圧の感度が高いと、燃料ガスの供給量が変化するたびに燃料電池1の発電効率が大きく変化してしまう。
For example, when the fuel gas is supplied so that the partial pressure is within the range Ra, the change characteristic at the time of low Pt in the environment where the humidity is 20% RH, that is, the dry environment (see reference numeral G41) is low Pt. Compared with the change characteristic when it is not converted (see reference numeral G42), the amount of change in the overvoltage with respect to the partial pressure becomes larger. When the sensitivity of the overvoltage is high as described above, the power generation efficiency of the
これに対し、例えば、分圧が範囲Rb(>Ra)となるように燃料ガスの供給量を増加させれば、分圧に対する過電圧の変化量が小さくなるため、発電効率の変化が抑制される。しかし、燃料ガスの供給量が増加すると、燃費が悪化するおそれがある。 On the other hand, for example, if the amount of fuel gas supplied is increased so that the partial pressure falls within the range Rb (> Ra), the amount of change in the overvoltage with respect to the partial pressure becomes small, so that the change in power generation efficiency is suppressed. .. However, if the amount of fuel gas supplied increases, fuel efficiency may deteriorate.
そこで、ECU6は、温度制御を行うことにより湿度を、一例として100%RHに維持することにより、発電効率の変化を抑制することができる。分圧が範囲Ra内となるように燃料ガスが供給されている場合、湿度が100%RHである環境、つまりウェット環境における低Pt化時の変化特性(符号G51参照)では、低Pt化されていない時の変化特性(符号G52参照)と同様に、分圧に対する過電圧の変化量が小さい。
Therefore, the
このように、ECU6は、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行うことにより、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池1の湿度を制御することができる。もっとも、例えば、燃費の悪化が問題とならないような場合、ECU6は、燃料ガスの供給量を増加させることにより排水量を増加させて湿度を制御してもよい。
In this way, the
次に、ECU6による温度制御の例を説明する。以下の例において、ECU6は、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行う。
Next, an example of temperature control by the
図9は、温度制御の一例を示すタイムチャートである。図9には、燃料電池1に要求される負荷(要求負荷)と、燃料電池1への燃料ガスの供給量と、燃料電池1の温度、湿度、及び発電効率と、燃料電池1のアノード側の排水量及び含水量と、燃料電池システムの燃費との時刻に対する変化が示されている。なお、実線は、実施例のECU6の温度制御による変化を示し、点線は、比較例の温度制御による変化を示す。
FIG. 9 is a time chart showing an example of temperature control. FIG. 9 shows the load required for the fuel cell 1 (required load), the amount of fuel gas supplied to the
要求負荷は、時刻t1〜t7において一定であると仮定する。また、燃料ガス供給量、温度、排水量、湿度、発電効率、及び燃費は、時刻t1〜t2において、一定であると仮定する。 It is assumed that the required load is constant at times t1 to t7. Further, it is assumed that the fuel gas supply amount, temperature, drainage amount, humidity, power generation efficiency, and fuel consumption are constant at times t1 to t2.
本例では、含水量Wが上限値Wuを上回った場合の温度制御を挙げる。含水量Wは、排水量(排水能力)の不足のため、時刻t1〜t3において増加する。 In this example, the temperature control when the water content W exceeds the upper limit value Wu will be mentioned. The water content W increases at time t1 to t3 due to insufficient drainage (drainage capacity).
比較例のECU6は、含水量Wが上限値Wuを上回る時刻t2において、燃料ガス供給量を増加させることにより排水量を増加させる。このため、含水量Wは、時刻t3〜t6において徐々に減少するが、燃費は、要求負荷に対して過剰に燃料ガス供給量が増加したため、時刻t2〜t7において徐々に低下する。また、含水量は、時刻t5において下限値Wdを下回るため、湿度及び発電効率は、時刻t5〜t7において徐々に低下する。
The
一方、実施例のECU6は、燃料ガス供給量を増加させることなく、時刻t2〜t4において、徐々に温度を上げることにより排水量を増加させる。温度が上がると、燃料電池1の燃料ガス流路内において燃料ガスに含むことができる水分量が増加する。このため、燃料ガスは、粘性が増加することにより燃料ガス流路内の液水に作用する力が増加する。これにより、排水量が増加する。
On the other hand, the
ECU6は、時刻t4において温度が目標温度Toに達したため温度制御を停止する。含水量Wは、排水量の増加により時刻t3〜t6において減少するが、時刻t6において温度が下がり始めるため、含水量Wの減少は抑制される。このため、湿度、発電効率、及び燃費は、比較例とは異なり、実質的に一定に維持される。
The
図10は、温度制御の他の例を示すタイムチャートである。図10において、図9と共通する項目についての説明は省略する。 FIG. 10 is a time chart showing another example of temperature control. In FIG. 10, description of items common to FIG. 9 will be omitted.
要求負荷は、時刻t11〜t16において一定であると仮定する。また、燃料ガス供給量、温度、排水量、湿度、発電効率、及び燃費は、時刻t11〜t12において、一定であると仮定する。 It is assumed that the required load is constant at times t11 to t16. Further, it is assumed that the fuel gas supply amount, temperature, drainage amount, humidity, power generation efficiency, and fuel consumption are constant at times t11 to t12.
本例では、含水量Wが下限値Wdを下回った場合の温度制御を挙げる。含水量Wは、過剰な排水量(排水能力)のため、時刻t11〜t12において徐々に減少し、時刻t12では下限値Wdを下回る。 In this example, the temperature control when the water content W falls below the lower limit value Wd is given. The water content W gradually decreases at time t11 to t12 due to the excessive drainage amount (drainage capacity), and falls below the lower limit value Wd at time t12.
比較例のECU6は、要求負荷に応じた燃料ガス供給量を設定しているため、含水量Wが減少しても、燃料ガス供給量を減少させることができない。このため、排水量は、時刻t12以降も一定に維持される。したがって、含水量Wは、時刻t12〜t15において減少を続け、時刻t15〜t16では最小に維持される。
Since the
このため、湿度は、時刻t13〜t16において徐々に低下する。これにより、発電効率及び燃費も、時刻t13〜t16において徐々に低下する。 Therefore, the humidity gradually decreases from time t13 to t16. As a result, the power generation efficiency and fuel consumption also gradually decrease from time t13 to t16.
一方、実施例のECU6は、時刻t12において、含水量Wが下限値Wdを下回ったため、時刻t12〜t14において温度を下げ、時刻t14では、温度が目標温度Toに達したため、温度制御を停止する。このため、温度及び排水量は、時刻t12〜t14において低下し、時刻t14〜t15においてほぼ一定に維持される。また、含水量Wは、時刻t12〜t14において、排水量の減少により一定に維持される。
On the other hand, in the
含水量Wは、時刻t14において、温度制御の停止により増加を始めるが、温度及び排水量が、時刻t15〜t16において徐々に増加するため、増加が抑制される。このため、湿度、発電効率、及び燃費は、比較例とは異なり、実質的に一定に維持される。 The water content W starts to increase at time t14 due to the stop of temperature control, but the increase is suppressed because the temperature and the amount of drainage gradually increase from time t15 to t16. Therefore, the humidity, the power generation efficiency, and the fuel consumption are kept substantially constant unlike the comparative example.
このように、実施例のECU6は、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行うことにより、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池1の湿度を制御することができる。
As described above, the
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The embodiments described above are examples of preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 燃料電池
2 燃料ガスタンク
4 インジェクタ
5 エジェクタ
6 ECU
94 電流センサ
R27 再循環路
1
94 Current sensor R27 Recirculation path
Claims (1)
前記燃料ガスを蓄圧する蓄圧装置と、
前記蓄圧装置から流れ込む前記燃料ガスを間欠的に噴射するインジェクタと、
前記燃料電池に再循環される燃料オフガスが流れる再循環路と、
前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスに、前記再循環路からの前記燃料オフガスを混合して前記燃料電池のアノードに導入するエジェクタと、
前記燃料電池から出力される電流値を検出する検出装置と、
前記インジェクタの1回の噴射時間及び噴射量を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、
前記燃料電池のアノード側の含水量、前記再循環路における圧力損失、及び前記電流値の相関関係に基づき、前記含水量及び前記電流値から前記圧力損失を推定し、
該推定した前記圧力損失から、前記再循環路における前記圧力損失及び前記燃料オフガスの流量の相関関係に基づき前記流量を推定し、
該推定した前記流量、前記噴射量、及び前記噴射時間に基づき、前記エジェクタから前記燃料電池に導入される前記燃料ガス及び前記燃料オフガスの力積を算出し、
前記力積及び前記含水量に基づき前記燃料電池のアノード側の排水量を算出することを特徴とする燃料電池システム。 Fuel cells that generate electricity from fuel gas and
An accumulator that accumulates the fuel gas and
An injector that intermittently injects the fuel gas flowing from the accumulator,
The recirculation path through which the fuel off gas recirculated to the fuel cell flows,
An ejector that mixes the fuel gas injected from the injector with the fuel off gas from the recirculation path and introduces the fuel gas into the anode of the fuel cell.
A detection device that detects the current value output from the fuel cell, and
It has a control device for controlling one injection time and injection amount of the injector.
The control device is
Based on the correlation between the water content on the anode side of the fuel cell, the pressure loss in the recirculation path, and the current value, the pressure loss is estimated from the water content and the current value.
From the estimated pressure loss, the flow rate is estimated based on the correlation between the pressure loss in the recirculation path and the flow rate of the fuel off gas.
Based on the estimated flow rate, the injection amount, and the injection time, the impulses of the fuel gas and the fuel off gas introduced from the ejector into the fuel cell are calculated.
A fuel cell system characterized in that the amount of drainage on the anode side of the fuel cell is calculated based on the impulse and the water content.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018020963A JP6927071B2 (en) | 2018-02-08 | 2018-02-08 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018020963A JP6927071B2 (en) | 2018-02-08 | 2018-02-08 | Fuel cell system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019139910A JP2019139910A (en) | 2019-08-22 |
| JP6927071B2 true JP6927071B2 (en) | 2021-08-25 |
Family
ID=67694231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018020963A Expired - Fee Related JP6927071B2 (en) | 2018-02-08 | 2018-02-08 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6927071B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7571746B2 (en) | 2022-02-16 | 2024-10-23 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel Cell Systems |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4782759B2 (en) * | 2007-10-24 | 2011-09-28 | 株式会社デンソー | Internal combustion engine control device and internal combustion engine control system |
| JP2009259418A (en) * | 2008-04-11 | 2009-11-05 | Toyota Motor Corp | Control method for fuel cell and fuel cell system |
| JP5348409B2 (en) * | 2009-06-22 | 2013-11-20 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| KR101282685B1 (en) * | 2010-12-03 | 2013-07-05 | 현대자동차주식회사 | Fuel control system and method of fuel cell vehicle |
| CA2786027C (en) * | 2011-12-12 | 2015-11-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method of estimating amount of liquid water in fuel cell, method of estimating amount of liquid water discharged from fuel cell, estimation apparatus of liquid water amount in fuel cell and fuel cell system |
| KR101583914B1 (en) * | 2014-03-25 | 2016-01-21 | 현대자동차주식회사 | Controlling method of fuel cell system |
-
2018
- 2018-02-08 JP JP2018020963A patent/JP6927071B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2019139910A (en) | 2019-08-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100673875B1 (en) | Fuel cell system | |
| JP4254213B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP6477896B2 (en) | Fuel cell system control apparatus and fuel cell system control method | |
| US10305127B2 (en) | Wet state control method for fuel cell system and wet state control device for the same | |
| KR101834618B1 (en) | Fuel cell system | |
| CN100382372C (en) | Operation Control of Fuel Cell System | |
| US9941532B2 (en) | Fuel cell system and control method of fuel cell system | |
| US9876242B2 (en) | Fuel cell system | |
| CN106030880A (en) | Fuel cell system and control method for fuel cell system | |
| US20170373334A1 (en) | Fuel cell system | |
| JP5186794B2 (en) | Fuel cell system and gas pressure adjustment method in fuel cell system | |
| US10892503B2 (en) | Fuel cell system | |
| CN105609829A (en) | Fuel cell system and fuel cell system control method | |
| US20180006319A1 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| JP6834890B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2007026933A (en) | Fuel cell system and cold starter | |
| CN104160539A (en) | Fuel cell system and control method for fuel cell system | |
| JP6927071B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP5304863B2 (en) | Fuel cell system | |
| CA2597570A1 (en) | Fuel cell system with voltage detection device | |
| JP6972920B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP7411000B2 (en) | Information processing equipment and vehicles | |
| JP4982977B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP6168819B2 (en) | Liquid fuel cell control device | |
| JP2015201406A (en) | fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200421 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210318 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210406 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210706 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210719 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6927071 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |