JP2006309976A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006309976A JP2006309976A JP2005128352A JP2005128352A JP2006309976A JP 2006309976 A JP2006309976 A JP 2006309976A JP 2005128352 A JP2005128352 A JP 2005128352A JP 2005128352 A JP2005128352 A JP 2005128352A JP 2006309976 A JP2006309976 A JP 2006309976A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fluid
- fuel cell
- cell system
- state quantity
- target value
- 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.)
- Pending
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)
Abstract
【課題】流体制御手段の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止する。
【解決手段】水素圧力が第1所定値以下である場合、コントローラ28が、第2流体操作量生成手段として機能することにより、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁13が全閉状態となり騒音が発生しない動作点の範囲内になるように空気調圧弁13の操作量を変化させる。これにより、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。
【選択図】図1
【解決手段】水素圧力が第1所定値以下である場合、コントローラ28が、第2流体操作量生成手段として機能することにより、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁13が全閉状態となり騒音が発生しない動作点の範囲内になるように空気調圧弁13の操作量を変化させる。これにより、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
従来より、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムでは、要求負荷の変動に対する燃料電池の追従性を向上させるために、負荷量に応じて燃料電池に供給するガスの目標流量及び目標圧力を制御している(例えば、特許文献1を参照)。
特開平1−144569号公報
しかしながら、負荷量に応じて目標流量及び目標圧力を制御する場合、ガス流量が少ない状態にある時には、圧力制御弁の全閉状態付近でガス圧力を制御することになるために圧力制御弁は頻繁に振動的な全閉状態になる。そして、圧力制御弁が頻繁に振動的な全閉状態になる場合、圧力制御弁の操作量が制約されるために、圧力制御弁の制御性能が落ち、圧力制御弁が配管等に衝突することにより騒音が発生する可能性がある。また、燃料ガス圧力を酸化剤ガスの目標圧力するシステムでは、燃料ガス圧力の変動によって空気の圧力制御弁が振動し、より多くの騒音が発生する可能性がある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、流体制御手段の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の負荷状態量を負荷パラメータとして検出し、負荷パラメータが所定値以下である場合、流体の状態量を制御する流体制御手段の動作点が所定範囲内になるように流体制御手段の操作量を変化させる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、流体の操作量に制約が掛かることがなくなるので、流体制御手段の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池1を備える。なお、アノード及びカソードにおける電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池1を備える。なお、アノード及びカソードにおける電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
〔アノード〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔カソード〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素タンク2及び減圧弁3を備え、元弁4を介して水素タンク2から供給される水素の圧力を減圧弁3によって所定圧力まで機械的に減圧した後、可変弁である水素供給弁5によって燃料電池1の運転状態に応じた圧力まで減圧して燃料電池1のアノードに水素を供給する。なお、アノードに供給される水素の圧力は、圧力センサ20により検出された水素圧力をフィードバックして水素供給弁5を駆動することによって制御される。水素の圧力を所望の目標圧力に制御することにより、燃料電池1が消費した分だけの水素が自動的に補われることになる。
〔カソード〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素タンク2及び減圧弁3を備え、元弁4を介して水素タンク2から供給される水素の圧力を減圧弁3によって所定圧力まで機械的に減圧した後、可変弁である水素供給弁5によって燃料電池1の運転状態に応じた圧力まで減圧して燃料電池1のアノードに水素を供給する。なお、アノードに供給される水素の圧力は、圧力センサ20により検出された水素圧力をフィードバックして水素供給弁5を駆動することによって制御される。水素の圧力を所望の目標圧力に制御することにより、燃料電池1が消費した分だけの水素が自動的に補われることになる。
アノードで未使用の水素は、水素循環流路6及びポンプ等の水素循環装置7を介してアノードの上流側へ循環される。水素循環流路6及び水素循環装置7を設けることにより、アノードで未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。なお、水素循環流路6及び水素循環装置7を介してアノードに戻る水素の循環流路には、カソード側からリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。
このため、アノードの出口側には、水素排出流路8とこれを開閉するパージ弁9が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、パージ弁9を短時間開き、カソードから排出される空気を利用して排水素処理装置10で不純物ガスや液水を希釈又は燃焼した後に系外へ排出するパージを行う。これにより、アノードを含む水素循環流路6内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、空気を圧縮して吐出するコンプレッサ11を備え、コンプレッサ11から吐出された空気は、加湿装置12で加湿された後に燃料電池1のカソードに供給される。カソードで未使用の空気は、可変弁である空気調圧弁13により圧力調整された後、排水素処理装置10に送られる。なお、カソードに供給される空気の圧力は、圧力センサ21により検出された空気圧力をフィードバックして空気調圧弁13を駆動することによって制御される。
上記燃料電池システムは、空気を圧縮して吐出するコンプレッサ11を備え、コンプレッサ11から吐出された空気は、加湿装置12で加湿された後に燃料電池1のカソードに供給される。カソードで未使用の空気は、可変弁である空気調圧弁13により圧力調整された後、排水素処理装置10に送られる。なお、カソードに供給される空気の圧力は、圧力センサ21により検出された空気圧力をフィードバックして空気調圧弁13を駆動することによって制御される。
〔冷却系の構成〕
上記燃料電池システムは、冷却水を燃料電池1に圧送する冷却水ポンプ14と、冷却水を冷却するラジエタ15を経由するラジエタ側流路16とラジエタ15を経由しないバイパス流路17との間で燃料電池1から排出された冷却水の流路を切り替える三方弁18とを備え、燃料電池1に冷却水を供給することにより燃料電池1を適切な運転温度に保持する。なお、ラジエタ15は、ラジエタファン19から供給される冷風との熱交換によって内部を流れる冷却水を冷却する。
上記燃料電池システムは、冷却水を燃料電池1に圧送する冷却水ポンプ14と、冷却水を冷却するラジエタ15を経由するラジエタ側流路16とラジエタ15を経由しないバイパス流路17との間で燃料電池1から排出された冷却水の流路を切り替える三方弁18とを備え、燃料電池1に冷却水を供給することにより燃料電池1を適切な運転温度に保持する。なお、ラジエタ15は、ラジエタファン19から供給される冷風との熱交換によって内部を流れる冷却水を冷却する。
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、アノードに供給される水素の圧力を検出する圧力センサ20と、カソードに供給される空気の圧力を検出する圧力センサ21と、燃料電池1の入口側の冷却水温度を検出する温度センサ22と、燃料電池1の出口側の冷却水温度を検出する温度センサ23と、燃料電池1の出力電圧を検出する電圧センサ24と、燃料電池1の出力電流を検出する電流センサ25と、コンプレッサ11に供給される空気流量を検出する流量センサ26と、燃料電池1から電力を取り出してモータ等の車両電気システムに電力を供給するパワーマネージャー27と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ28とを備える。
上記燃料電池システムは、アノードに供給される水素の圧力を検出する圧力センサ20と、カソードに供給される空気の圧力を検出する圧力センサ21と、燃料電池1の入口側の冷却水温度を検出する温度センサ22と、燃料電池1の出口側の冷却水温度を検出する温度センサ23と、燃料電池1の出力電圧を検出する電圧センサ24と、燃料電池1の出力電流を検出する電流センサ25と、コンプレッサ11に供給される空気流量を検出する流量センサ26と、燃料電池1から電力を取り出してモータ等の車両電気システムに電力を供給するパワーマネージャー27と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ28とを備える。
なお、この実施形態では、コントローラ28は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサにより構成される。そして、コントローラ28は、CPUがプログラムROM内に記憶された制御プログラムを実行することにより、図2に示すような、本発明に係る負荷パラメータ変化率低減手段31,第2流体目標値生成手段32,第2流体操作量生成手段33,及び第2流体操作量変化率低減手段34の機能を実現する。なお、第2流体目標値生成手段32は、第2流体最小目標値生成手段35,第2流体発電目標値生成手段36,第2流体目標値切替手段37,及び第2流体目標値変化率低減手段38を有する。なお、各手段の機能について後述する。
そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ28が以下に示す圧力制御処理を実行することにより、空気調圧弁13の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止する。以下、本発明の第1乃至第5の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ28の動作について説明する。なお、本実施形態は、空気調圧弁13の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止するものであるが、同様の方法により水素供給弁5の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止できることは勿論である。
〔圧力制御処理〕
始めに、図3に示すフローチャートを参照して、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ28の動作について説明する。
図3に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップS1の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
ステップS1の処理では、コントローラ28が、図2に示す第1流体状態量検知手段39及び第2流体状態量検知手段41としてそれぞれ機能する圧力センサ20及び圧力センサ21を利用して、アノード及びカソードの水素圧力及び空気圧力を検出する。これにより、ステップS1の処理は完了し、圧力制御処理はステップS2の処理に進む。
ステップS2の処理では、コントローラ28が、ステップS1の処理により検出された水素圧力が第1所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第1所定値以下でない場合、コントローラ28は、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、目標空気圧力をステップS1の処理により検出された水素圧力に設定した後、圧力制御処理をステップS6の処理に進める。一方、水素圧力が第1所定値以下である場合には、コントローラ28は圧力制御処理をステップS3の処理に進める。なお、第1所定値は、予め実験により求められた、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁13が全閉状態となり、騒音が発生しない値に設定されている。また、第1所定値は、予め実験により作成された空気の圧力と流量の関係を示すマップから算出するようにしてもよい。
ステップS3の処理では、コントローラ28が、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、目標空気圧力を第2所定値に設定する。なお、第2所定値は、予め実験により求められた、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁13が全閉状態となり、騒音が発生しない値に設定されている。なお、第2所定値は第1所定値と同じ値であってもよい。これにより、ステップS3の処理は完了し、圧力制御処理はステップS4の処理に進む。
ステップS4の処理では、コントローラ28が、ステップS1の処理により検出された水素圧力と空気圧力の差圧を算出し、算出された差圧が第3所定値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、差圧が第3所定値以上でない場合、コントローラ28は圧力制御処理をステップS6の処理に進める。一方、差圧が第3所定値以上である場合には、コントローラ28は圧力制御処理をステップS5の処理に進める。なお、第3所定値は、予め実験により求められた、空気の圧力と流量が低下した時に、空気調圧弁13が全閉状態となり騒音が発生しない値に設定されている。また、第3所定値は、予め実験により作成された空気の圧力と流量の関係を示すマップから算出するようにしてもよい。
ステップS5の処理では、コントローラ28が、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるようにステップS3の処理により設定された目標空気圧力(第2所定値)から値αを減算した値に目標空気圧力を設定する。なお、空気圧力が水素圧力よりも大きい場合、値αは正の値とし、逆に水素圧力が空気圧力よりも大きい場合には値αは負の値とすることにより、水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるように目標空気圧力を設定することができる。また、差圧が第3所定値を超えている時間に応じて値αの絶対値を変化させてもよい。これにより、ステップS5の処理は完了し、圧力制御処理はステップS6の処理に進む。
ステップS6の処理では、コントローラ28が、第2流体操作量生成手段33として機能することにより、目標空気圧力とステップS1の処理により検出された空気圧力に従って空気調圧弁13の操作量を演算する。なお、空気調圧弁13の操作量はPID制御等の公知のフィードバック制御手法に従って演算することができる。これにより、ステップS6の処理は完了し、圧力制御処理はステップS7の処理に進む。
ステップS7の処理では、コントローラ28が、第2流体操作量変化率低減手段34として機能することにより、空気調圧弁13の操作量の時間変化率を低減するフィルタ演算処理を行う。そして、空気調圧弁13はコントローラ28により演算された操作量に従って動作する。なお、フィルタ演算処理は、以下の数式1により表されるローパスフィルタを用いることにより行うことができる。また、このフィルタ処理は、特に必要なければ省略してもよい。また、数式1中のパラメータT,s、U,Yはそれぞれ、時定数,ラプラス演算子,空気調圧弁13の操作量,及び空気調圧弁13に実際に印加する操作量を示す。これにより、ステップS7の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力が第1所定値以下である場合、コントローラ28が、第2流体操作量生成手段33として機能することにより、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁13が全閉状態となり騒音が発生しない動作点の範囲内になるように空気調圧弁13の操作量を変化させる。そして、このような構成によれば、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。
また、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ28が、第2流体目標値生成手段32として機能することにより水素圧力に基づいて目標酸素圧力を算出し、第2流体操作量生成手段33として機能することにより算出された目標圧力に従って空気調圧弁13の操作量を変化させる。そして、このような構成によれば、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。
また、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力が第1所定値以下である場合、コントローラ28が、第2流体目標値生成手段32として機能することにより目標空気圧力を第2所定値とする。そして、このような構成によれば、空気調圧弁13の操作量の振動を低減することができるので、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。
また、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力と空気圧力の差圧が第3所定値以上である場合、コントローラ28が、第2流体目標値生成手段32として機能することにより水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるように目標空気圧力を変化させるので、差圧に伴う燃料電池の劣化を抑制しつつ、騒音の発生を抑制することができる。
また、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ28が、第2流体操作量変化率低減手段34として機能することにより空気調圧弁13の操作量の時間変化率を低減する。そして、このような構成によれば、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。
また、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力及び空気圧力を利用して制御を行うので、水素圧力と空気圧力の差圧が生じにくくなり、差圧に伴う燃料電池1の劣化を抑制することができる。また、本発明の第1の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力の変化が遅い場合や空気圧力の変化が速い場合、水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるので、燃料電池1の劣化を抑制することができる。
次に、図4に示すフローチャートを参照して、本発明の第2の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ28の動作について説明する。
図4に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップS11の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
ステップS11の処理では、コントローラ28が、圧力センサ20及び圧力センサ21を利用して、アノード及びカソードの水素圧力及び空気圧力を検出する。これにより、ステップS11の処理は完了し、圧力制御処理はステップS12の処理に進む。
ステップS12の処理では、コントローラ28が、ステップS11の処理により検出された水素圧力が第1所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第1所定値以下でない場合、コントローラ28は、圧力制御処理をステップS14の処理に進める。一方、水素圧力が第1所定値以下である場合には、コントローラ28は圧力制御処理をステップS13の処理に進める。
ステップS13の処理では、コントローラ28が、ステップS11の処理により検出された水素圧力の時間変化率を低減するフィルタ演算処理を行う。なお、フィルタ演算処理は、上述の数式1中のパラメータU,Yをそれぞれ、検出された水素圧力及びフィルタ通過後の水素圧力とすることにより行うことができる。これにより、ステップS13の処理は完了し、圧力制御処理はステップS14の処理に進む。
ステップS14の処理では、コントローラ28が、負荷パラメータ変化率低減手段31として機能することにより、ステップS11の処理により検出された空気圧力の変化率を低減するフィルタ演算処理を行う。なお、フィルタ演算処理は、上述の数式1中のパラメータU,Yをそれぞれ、検出された空気圧力及びフィルタ通過後の空気圧力とすることにより行うことができる。また、このフィルタ演算処理は、特に必要なければ省略してもよい。これにより、ステップS14の処理は完了し、圧力制御処理はステップS15の処理に進む。
ステップS15の処理では、コントローラ28が、第2流体操作量生成手段33として機能することにより、空気調圧弁13の操作量を演算する。具体的には、水素圧力が第1所定値以下でない場合、コントローラ28は、ステップS11の処理により検出された水素圧力を目標空気圧力としてステップS14の処理により時間変化率が低減された空気圧力を参照して空気調圧弁13の操作量をフィードバック制御する。一方、水素圧力が第1所定値以下である場合には、コントローラ28は、ステップS14の処理により時間変化率が低減された空気圧力を目標空気圧力としてステップS11の処理により検出された空気圧力を参照して空気調圧弁13の操作量をフィードバック制御する。これにより、このステップS15の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第2の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ28が、負荷パラメータ変化率低減手段31として機能することによりステップS11の処理により検出された空気圧力の変化率を低減し、水素圧力が第1所定値以下である場合、時間変化率が低減された空気圧力を目標空気圧力とする。そして、このような構成によれば、空気調圧弁13の操作量の振動を低減することができるので、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。
次に、図5に示すフローチャートを参照して、本発明の第3の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ28の動作について説明する。
図5に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップS21の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
ステップS21の処理では、コントローラ28が、圧力センサ20及び圧力センサ21を利用して、アノード及びカソードの水素圧力及び空気圧力を検出する。これにより、ステップS21の処理は完了し、圧力制御処理はステップS22の処理に進む。
ステップS22の処理では、コントローラ28が、ステップS21の処理により検出された水素圧力が第1所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第1所定値以下でない場合、コントローラ28は、圧力制御処理をステップS24の処理に進める。一方、水素圧力が第1所定値以下である場合には、コントローラ28は圧力制御処理をステップS23の処理に進める。
ステップS23の処理では、コントローラ28が、第2流体操作量生成手段33として機能することにより、空気調圧弁13の制御ゲインを変更する。なお、制御ゲインの変更方法としては、例えばPID制御の場合には、比例ゲイン,積分ゲイン,及び微分ゲインのうちの少なくとも一つを小さくする。これにより、ステップS23の処理は完了し、圧力制御処理はステップS24の処理に進む。
ステップS24の処理では、コントローラ28が、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、ステップS21の処理により検出された水素圧力を目標空気圧力として算出する。これにより、ステップS24の処理は完了し、圧力制御処理はステップS25の処理に進む。
ステップS25の処理では、コントローラ28が、ステップS24の処理により設定された目標空気圧力になるように空気調圧弁13の操作量をフィードバック制御する。これにより、ステップS25の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第3の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力が第1所定値以下である場合、コントローラ28が、第2流体操作量生成手段33として機能することにより空気調圧弁13の制御ゲインを小さくする。そして、このような構成によれば、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。
次に、図6に示すフローチャートを参照して、本発明の第4の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ28の動作について説明する。
図6に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップS31の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
ステップS31の処理では、コントローラ28が、燃料電池システムが車両に電力を供給する場合にはアクセル開度を検出することにより、負荷量(出力要求)を検出する。これにより、ステップS31の処理は完了し、圧力制御処理はステップS32の処理に進む。
ステップS32の処理では、コントローラ28が、ステップS21の処理により検出された負荷量から目標電流を算出する変換マップを用いて燃料電池1の目標電流を演算する。なお、車両にバッテリ等の二次電池が搭載されている場合、コントローラ28は、二次電池の充電状態を考慮して目標電流を算出するようにしてもよい。また、変換マップは予め実験により求めておくものとする。これにより、ステップS32の処理は完了し、圧力制御処理はステップS33の処理に進む。
ステップS33の処理では、コントローラ28が、第2流体発電目標値生成手段36として機能することにより、ステップS32の処理により演算された目標電流を取り出すことが可能な目標空気圧力を算出する。なお、目標空気圧力は、例えば図7に示すような、予め実験により求められる目標電流と目標空気圧力の関係を示すマップを参照することにより算出することができる。また、この時、目標空気圧力は大気圧や外気温度に応じて補正してもよい。これにより、ステップS33の処理は完了し、圧力制御処理はステップS34の処理に進む。
ステップS34の処理では、コントローラ28が、流量センサ26を利用して現在の空気流量を検出する。これにより、ステップS34の処理は完了し、圧力制御処理はステップS35の処理に進む。
ステップS35の処理では、コントローラ28が、第2流体最小目標値生成手段35として機能することにより、ステップS34の処理により検出された空気流量を維持可能な最小目標空気圧力を算出する。なお、最小目標空気圧力Pは検出された空気流量をQとして以下の数式2に示す状態方程式から算出することができる。なお、数式2中のパラメータn,T,Rはそれぞれ、モル数,温度,及びガス定数を示す。
但し、例えば、0[℃],1[atm]での体積流量として計算した流量を計測できる流量センサ26を用いれば、上記数式2から0[℃],1[atm]でのモル数を演算し、そのモル数を用いて温度センサ23の値と流量センサ26の値から流量に見合った最小空気目標圧力を算出することができる。またこの時、流量Qから発電により消費される酸素量を減じて上記計算を行うこともできる。これにより、ステップS35の処理は完了し、圧力制御処理はステップS36の処理に進む。
ステップS36の処理では、コントローラ28が、ステップS33の処理により算出された目標空気圧力がステップS35の処理より算出された最小目標空気圧力以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、目標空気圧力が最小目標空気圧力以上でない場合、コントローラ28は、ステップS37の処理として第1所定値を目標空気圧力に設定した後、上述の第1乃至第3の実施形態となる圧力制御処理のいずれかを実行する。一方、目標空気圧力が最初目標空気圧力以上である場合には、コントローラ28は、ステップS38の処理として、第1所定値を最小目標空気圧力に設定した後、上述の第1乃至第3の実施形態となる圧力制御処理のいずれかを実行する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第4の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ28が、第2流体発電目標値生成手段36として機能することにより目標電流を取り出すことが可能な目標空気圧力を算出し、第2流体最小目標値生成手段35として機能することにより現在の空気流量を維持可能な最小目標空気圧力を算出し、目標空気圧力と最小目標空気圧力とで値が小さい方を第1所定値に設定する。そして、このような構成によれば、第1所定値を適切に設定することができるので、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。
最後に、図8に示すフローチャートを参照して、本発明の第5の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ28の動作について説明する。
図8に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップS41の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
ステップS41の処理では、コントローラ28が、圧力センサ20を利用して水素圧力を検出する。これにより、ステップS41の処理は完了し、圧力制御処理はステップS42の処理に進む。
ステップS42の処理では、コントローラ28が、ステップS41の処理により検出された水素圧力が前回のサンプリング時における水素圧力以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、ステップS41の処理により検出された水素圧力が前回のサンプリング時における水素圧力以上である場合、コントローラ28は圧力制御処理をステップS46の処理に進める。一方、ステップS41の処理により検出された水素圧力が前回のサンプリング時における水素圧力以上でない場合には、コントローラ28は圧力制御処理をステップS43の処理に進める。
ステップS43の処理では、コントローラ28が、ステップS41の処理により検出された水素圧力が第4所定値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第4所定値以上でない場合、コントローラ28は、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、ステップS44の処理としてステップS41の処理により検出された水素圧力を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップS49の処理に進める。一方、水素圧力が第4所定値以上である場合には、コントローラ28は、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、ステップS45の処理として第3所定値を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップS49の処理に進める。なお、第4所定値は、実験等により水素圧力と空気圧力の差圧が許容差圧内になる値に設定されており、第3所定値より大きい値である。
ステップS46の処理では、コントローラ28が、ステップS41の処理により検出された水素圧力が第4所定値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第4所定値以上でない場合、コントローラ28は、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、ステップS47の処理として第3所定値を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップS49の処理に進める。一方、水素圧力が第4所定値以上である場合には、コントローラ28は、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、ステップS48の処理として水素圧力値を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップS49の処理に進める。
ステップS49の処理では、コントローラ28が、設定された目標空気圧力になるように空気調圧弁13の操作量をフィードバック制御する。これにより、ステップS49の処理は完了し、圧力制御処理はステップS50の処理に進む。
ステップS50の処理では、コントローラ28が、ステップS1の処理により検出された水素圧力を変数として保存しておく。これにより、ステップS50の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第5の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ28が、第2流体目標値生成手段32として機能することにより、水素圧力が第3所定値よりも大きい第4所定値以上になるまで目標空気圧力を変化させない。そして、このような構成によれば、空気調圧弁13の操作量が振動することを防止できるので、空気調圧弁13が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁13の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記ステップS1,S12,S22の処理では、水素圧力が第1所定値以下であるか否かに応じて処理を行ったが、空気圧力,燃料電池1から取り出す電流の指令値,又は燃料電池1から取り出された電流値が第1所定値以下であるか否かに応じて処理を行ってもよい。また、上記第2の実施形態となる圧力制御処理において、コントローラ28は、第2流体目標値変化率低減手段38として機能することにより目標空気圧力の時間変化率を低減し、水素圧力が第1所定値以下である場合、時間変化率が低減された目標空気圧力を利用して空気調圧弁13の操作量を制御してもよい。また、上記実施形態における水素圧力の代わりに目標水素圧力を用いてもよい。また、上記実施形態では、空気の圧力を制御したが、同様の方法に従って空気の流量を制御するようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
1:燃料電池
2:水素タンク
3:減圧弁
4:元弁
5:水素供給弁
6:水素循環流路
7:水素循環装置
8:水素排出流路
9:パージ弁
10:排水素処理装置
11:コンプレッサ
12:加湿装置
13:空気調圧弁
14:冷却水ポンプ
15:ラジエタ
16:ラジエタ側流路
17:バイパス流路
18:三方弁
19:ラジエタファン
20,21:圧力センサ
22,23:温度センサ
24:電圧センサ
25:電流センサ
26:流量センサ
27:パワーマネージャー
28:コントローラ
31:負荷パラメータ変化率低減手段
32:第2流体目標値生成手段
33:第2流体操作量生成手段
34:第2流体操作量変化率低減手段
2:水素タンク
3:減圧弁
4:元弁
5:水素供給弁
6:水素循環流路
7:水素循環装置
8:水素排出流路
9:パージ弁
10:排水素処理装置
11:コンプレッサ
12:加湿装置
13:空気調圧弁
14:冷却水ポンプ
15:ラジエタ
16:ラジエタ側流路
17:バイパス流路
18:三方弁
19:ラジエタファン
20,21:圧力センサ
22,23:温度センサ
24:電圧センサ
25:電流センサ
26:流量センサ
27:パワーマネージャー
28:コントローラ
31:負荷パラメータ変化率低減手段
32:第2流体目標値生成手段
33:第2流体操作量生成手段
34:第2流体操作量変化率低減手段
Claims (19)
- 第1流体及び第2流体の供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の負荷状態量を負荷パラメータとして検知する負荷状態検知手段と、
前記第1流体の状態量を検知する第1流体状態量検知手段と、
前記第2流体の状態量を制御する第2流体制御手段と、
前記負荷状態検知手段により検知された負荷パラメータと前記第1流体状態量検知手段により検知された第1流体の状態量に基づいて前記第2流体制御手段の操作量を生成し、生成した操作量に従って第2流体制御手段を動作させる第2流体操作量生成手段とを備え、
前記第2流体操作量生成手段は、前記負荷パラメータが第1所定値以下である場合、第2流体制御手段の動作点が所定範囲内になるように前記操作量を変化させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記第1流体の状態量に基づいて前記第2流体制御手段の動作点が所定範囲内になる第2流体の状態量の目標値を生成する第2流体目標値生成手段を備え、前記第2流体操作量生成手段は、第2流体目標値生成手段により生成された目標値に従って前記操作量を変化させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷状態検知手段は、前記燃料電池に供給する流体の状態量を検知する状態量検知手段を備え、当該状態量検知手段により検知された流体の状態量を前記負荷パラメータとすることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項3のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷状態検知手段は、前記第1流体の状態量を前記負荷パラメータとすることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項3のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷状態検知手段は、前記第2流体の状態量を検知する第2流体状態量検知手段を備え、当該第2流体状態量検知手段により検知された第2流体の状態量を前記負荷パラメータとすることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第2流体目標値生成手段は、前記第1流体の状態量が第1所定値以下である場合、前記第2流体の状態量の目標値を第2所定値とすることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項6に記載の燃料電池システムであって、
前記第2流体目標値生成手段は、前記第1流体の状態量と前記第2流体の状態量の差が第3所定値以上である場合、状態量の差が小さくなるように前記第2流体の状態量の目標値を変化させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項7のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷状態検知手段は、前記第2流体の状態量と前記燃料電池から取り出す電気エネルギーを負荷パラメータとし、前記第2流体目標値生成手段は、前記電気エネルギーに応じて前記第2流体の状態量の目標値を変化させる第2流体発電目標値生成手段と、前記第2流体制御手段の操作量が第5所定値以上になる第2流体の状態量の目標値を生成する第2流体最小目標値生成手段、第2流体発電目標値生成手段が生成した目標値と第2流体最小目標値生成手段が生成した目標値との間で前記第1所定値の値を切り換える第2流体目標値切替手段とを備え、前記第2流体目標値切替手段は、第2流体発電目標値生成手段が生成した目標値と第2流体最小目標値生成手段が生成した目標値とで値が小さい方の値を前記第1所定値とすることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項8のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第2流体操作量生成手段は、前記第1流体の状態量又は前記負荷パラメータが第1所定値以下になった場合、前記第2流体制御手段の制御ゲインを小さくすることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項9のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第2流体制御手段の操作量の時間変化率を低減する第2流体操作量変化率低減手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項10のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第2流体目標値生成手段は、第1流体の状態量が第4所定値以上になるまで目標値を変化させないことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項11のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第2流体目標値生成手段は、目標値の時間変化率を低減する第2流体目標値変化率低減手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項12のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷パラメータの時間変化率を低減する負荷パラメータ変化率低減手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項13のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記状態量は流体の圧力であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項13のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記状態量は流体の流量であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項15のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第1流体は燃料ガスであることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項16のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第2流体は酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項17のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷パラメータは前記燃料電池から取り出す電流値であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項17のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷パラメータは前記燃料電池から取り出す電流値の指令値であることを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005128352A JP2006309976A (ja) | 2005-04-26 | 2005-04-26 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005128352A JP2006309976A (ja) | 2005-04-26 | 2005-04-26 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006309976A true JP2006309976A (ja) | 2006-11-09 |
Family
ID=37476654
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005128352A Pending JP2006309976A (ja) | 2005-04-26 | 2005-04-26 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006309976A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007072662A1 (ja) * | 2005-12-19 | 2007-06-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システムとその運転方法 |
WO2008078553A1 (ja) * | 2006-12-27 | 2008-07-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム |
-
2005
- 2005-04-26 JP JP2005128352A patent/JP2006309976A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007072662A1 (ja) * | 2005-12-19 | 2007-06-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システムとその運転方法 |
US7846597B2 (en) | 2005-12-19 | 2010-12-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method for operating the system |
WO2008078553A1 (ja) * | 2006-12-27 | 2008-07-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2355219B1 (en) | Fuel battery power generation control device and power generation control method | |
JP4923551B2 (ja) | 燃料電池システム | |
CA2587541C (en) | Output limiting device for fuel cell | |
JP5428307B2 (ja) | 燃料電池システム | |
EP3021398A1 (en) | Fuel cell system, and control method for fuel cell system | |
JP2008047353A (ja) | 燃料電池システム | |
JP5109611B2 (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 | |
JP2006324058A (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムのパージ制御方法 | |
JP5358947B2 (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 | |
CN105190976A (zh) | 燃料电池***以及燃料电池***的控制方法 | |
US20090092868A1 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP5983395B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2009129760A (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 | |
JP5210495B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2006309976A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2005302489A (ja) | 燃料電池システムの制御装置 | |
JP5109280B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2008084603A (ja) | 燃料電池システム及びそのパージ方法 | |
JP2007059348A (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法 | |
JP2003317765A (ja) | 燃料電池制御システム | |
JP5266626B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5585685B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP4788097B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP4941641B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2005044736A (ja) | 燃料電池システムの制御装置 |