JP2013246984A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池スタック10と、水素が通流する燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路に設けられ水素の流量を制御するインジェクタ24と、アノードオフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、燃料オフガス排出流路に設けられアノードオフガスを排出/遮断するパージ弁27と、燃料電池スタック10の負荷が一定であるか否か判定する負荷判定手段と、インジェクタ24とパージ弁27との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定手段と、を備え、負荷判定手段が燃料電池スタック10の負荷は一定であると判定した場合においてパージ弁27に閉弁指令が入力されているとき、インジェクタ24が燃料ガスの流量を一定とし、ガス漏れ判定手段がガス漏れ判定を実行する。
【選択図】図1
Description
なお、ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量を一定とするので、ガスが漏れていた場合、燃料ガス流量制御手段とパージ弁との間におけるガスの圧力の変化量が大きくなり、高精度でガス漏れ判定できる。
本発明の第1実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
図1に示す燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(車両、移動体)に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等である。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル11は電気的に直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
セル電圧モニタ15は、燃料電池スタック10を構成する複数の単セル11毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給源)と、常閉型の遮断弁22と、機械式の第1レギュレータ23と、インジェクタ24と、エゼクタ25と、パージ弁27と、を備えている。
カソード系は、コンプレッサ41と、加湿器42と、常開型の背圧弁43と、希釈器44と、常閉型の空気バイパス弁45と、を備えている。
コンプレッサ41の吐出口は、配管41a、加湿器42、配管42aを介して、カソード流路13の入口に接続されている。そして、コンプレッサ41は、ECU70の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管41a等を介して、カソード流路13に供給するようになっている。
電力制御系は、モータ51(外部負荷)と、PDU52(Power Drive Unit)と、電力制御器53と、出力検出器54と、バッテリ55(蓄電手段)と、SOCセンサ56(特電量検出手段)と、を備えている。モータ51は、PDU52、電力制御器53、出力検出器54を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されており、バッテリ55は、電力制御器53に接続されている。すなわち、モータ51に対して、バッテリ55と燃料電池スタック10とは、電気的に並列で接続されている。
IG61は、燃料電池システム1(燃料電池車)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、IG61はECU70と接続されており、ECU70はIG61のON信号(システム起動信号)、OFF信号(システム停止信号)を検知するようになっている。
ECU70は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
ECU70(制御手段)は、インジェクタ24を開閉制御(PWM制御)し、目標電流(要求電力、要求発電量)に対応して、アノード流路12に向けて水素を供給する機能を備えている。すなわち、ECU70は、インジェクタ24について、開時間と閉時間との比(デューティ比)を可変して、インジェクタ24による水素の噴射量を、0を含めて可変する機能を備えている。
ECU70(一定判定手段)は、燃料電池スタック10の負荷(実測値、目標値を含む)、目標アノード圧力P1(目標燃料ガス圧力)が一定であるか否か判定する機能を備えている。
ECU70(ガス漏れ判定手段)は、アノード漏れが発生しているか否か判定する機能を備えている。アノード漏れとは、アノード系のインジェクタ24とパージ弁27との間に留まるべきガスが外部に漏れていることを意味する。なお、インジェクタ24とパージ弁27との間において、パージ弁27が開故障(正常に閉じない)したり、アノード系を構成する配管や燃料電池スタック10、各種弁のシール性が低下したりすると、アノード漏れが発生する。
次に、燃料電池システム1の動作・効果について、図2を主に参照して説明する。
ECU70は、目標電流に基づいて、アノード流路12に向かって通流させるべき目標水素流量Qと、アノード流路12において目標とするべき目標アノード圧力P1を算出している。目標電流が大きくなるにつれて、目標水素流量Qが多くなり、目標アノード圧力P1が高くなる関係となっている。
目標水素流量Q=基本水素流量Q10+フィードバック量Q20 …(3)
基本水素流量Q10=電流水素流量Q11+圧力上昇用水素流量Q13 …(5)
基本水素流量Q10=電流水素流量Q11 …(6)
目標水素流量Q=基本水素流量Q10 …(7)
ECU70は、目標電流に基づいて、カソード流路13に向かって通流させるべき目標空気流量と、カソード流路13において目標とするべき目標カソード圧力を算出している。そして、ECU70は、目標空気流量及び目標カソード圧力に基づいて、コンプレッサ41の回転速度及び背圧弁43の開度を制御している。なお、目標空気流量が多くなるにつれて、目標カソード圧力が高くなるにつれて、コンプレッサ41の回転速度が高くなり、背圧弁43の開度が小さくなる関係となっている。
ステップS101において、ECU70は、アノード(ガス)漏れ判定を実行するか否か判定する。アノード漏れ判定とは、アノード系のインジェクタ24とパージ弁27との間においてガス漏れが発生しているか否かに係る一連の判定処理(S104〜S107)である。
その他に例えば、目標電流(指令電流)を高め又は低めに変更した後に一定とするとしてもよい。
なお、このように水素漏れの虞がある場合には、空気量を多くして確実に希釈するので、燃料電池スタック10の発電を継続することができ、燃料電池車は燃料電池スタック10の出力する電力で自走可能であり、また、バッテリ55の電力でも自走可能(バッテリ走行可能)であるため、運転者は修理工場等に燃料電池車を持ち込むことができる。この場合において、水素漏れの虞がある旨の判断(S107・Yes)から所定時間経過したとき、又は、バッテリ走行に切り替えたとき、水素漏れを確実に停止するため、遮断弁22を閉じる構成としてもよい。
具体的には、ECU70は、アクセル開度に基づいて目標電流を通常に算出し、この目標電流を電力制御器53に指令値として出力する。なお、アクセル開度が大きくなるにつれて目標電流が大きくなる関係となっている。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。また、後記する実施形態と適宜に組み合わせることもできる。
ECU70は、アクセル開度に基づいて、モータ51(外部負荷)から燃料電池スタック10及びバッテリ55に要求される総要求電力(要求電気エネルギ)を算出する。
次いで、ECU70は、SOCセンサ56を介して検出されるSOCを考慮して、総要求電力の一部又は全部をバッテリ55でアシスト(補助)した場合における目標アノード圧力P1(燃料電池スタック10の負荷)を算出する。この場合において、目標アノード圧力P1が連続して一定となるように、バッテリ55のアシスト量(放電量)を算出する。
次いで、ECU70は、ステップS103において、アシストした場合における目標アノード圧力に基づいて判定処理を実行する。
具体的に例えば、燃料電池車に搭載された車速センサ(図示しない、車速検出手段)を介して検出される車速が0である場合において、SOCセンサ56を介して検出されるSOCが、上限SOC(例えば80%)未満であるとき、ECU70は、バッテリ55のSOCを高め満充電状態に近づけるため、電力制御器53等を制御し、燃料電池スタック10を一定の電力(電流)で発電させ、この電力をバッテリ55に充電する。そして、ECU70は、このように燃料電池スタック10を一定の電力(電流)で発電させる場合、燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力P1が一定であると判定し、図2のステップS103・Yes以降のステップS104〜S107の処理を実行する。
具体的に例えば、車速が、燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)の通常範囲の下限値に対応した所定車速(例えば、5km/h)以下である場合であって、その後に燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)を変動させずに燃料電池車の走行が維持されると判断される所定車速以下である場合、つまり、燃料電池スタック10に対しての要求電力が、燃料電池スタック10の通常発電領域の下限値未満であって、その後に燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)を変動させる可能性が低い場合、燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)が一定であると判定し、アノード漏れ判定を実行する。
次に、本発明の第2実施形態について、図4〜図5を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
ステップS201において、ECU70は、目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を上昇させた後、一定とする(図5参照)。目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力の上昇幅は、事前試験等により求められ、ECU70に予め記憶されている。そして、ECU70は、上昇後の目標アノード圧力P1、目標カソード圧力となるように、インジェクタ24、コンプレッサ41、背圧弁43を制御する。なお、水素流量は、上昇した後、一定となる。
なお、これとは逆に、目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を連動して低下する構成としてもよい。
前記した実施形態では、目標アノード圧力P1を上昇又は低下させてから、所定時間Δt3経過後の実測アノード圧力P2に基づいて、アノード系においてガスが漏れているか否か(故障しているか否か)判断する構成を例示したが、その他に例えば、実測アノード圧力P2に加えて/代えて、水素の供給量(例えば、インジェクタ24の動作量(水素噴射量))に基づいて、判断する構成としてもよい。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
12 アノード流路(燃料ガス流路)
13 カソード流路(酸化剤ガス流路)
21a、22a、23a、24a、25a 配管(燃料ガス供給流路)
24 インジェクタ(燃料ガス流量制御手段)
26a、28a、28b 配管(燃料ガス循環流路)
28 水素循環ポンプ(燃料ガス循環ポンプ)
26a、27a、27b、44a 配管(燃料オフガス排出流路)
27 パージ弁
31、32、33 圧力センサ(圧力検出手段)
51 モータ(外部負荷)
55 バッテリ(蓄電手段)
56 SOCセンサ(蓄電量検出手段)
70 ECU(一定判定手段、ガス漏れ判定手段)
P1 目標アノード圧力
P2、P3 実測アノード圧力
Claims (9)
- 燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、
前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から外部に向かう燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
前記燃料オフガス排出流路に設けられ、燃料オフガスを排出/遮断するパージ弁と、
前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する一定判定手段と、
前記燃料ガス流量制御手段と前記パージ弁との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定手段と、
を備え、
前記一定判定手段が一定であると判定した場合において前記パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、
前記燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量を一定とし、前記ガス漏れ判定手段がガス漏れ判定を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 外部負荷に対して前記燃料電池と並列であると共に、電力を蓄電する蓄電手段と、
前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、
を備え、
前記一定判定手段は、前記蓄電手段の蓄電量に基づいて前記外部負荷からの要求電気エネルギを前記蓄電手段でアシストした場合において、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 車両に搭載され、
前記車両の車速を検出する車速検出手段を備え、
前記一定判定手段は、
前記車速検出手段の検出する車速が、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力の通常範囲の下限値に対応した所定車速以下である場合であって、その後に前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力を変動させずに前記車両の走行が維持されると判断される所定車速以下である場合、
前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の電力を蓄電する蓄電手段と、
前記燃料電池の発電を制御すると共に、前記蓄電手段への蓄電を制御する電力制御手段と、
を備え、
前記電力制御手段が、前記燃料電池を一定の電力で発電させ、当該燃料電池の一定の電力を前記蓄電手段に蓄電している場合、
前記一定判定手段は、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、
前記燃料ガス流量制御手段は、燃料ガスの流量をガス漏れ判定用流量とする
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。 - 前記ガス漏れ判定用流量は、発電する前記燃料電池が消費する燃料ガス消費量に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記ガス漏れ判定用流量は、発電する前記燃料電池が消費する燃料ガス消費量と、前記燃料電池の前記燃料ガス流路から酸化剤ガス流路にリークする燃料ガスリーク量と、に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記パージ弁の上流の前記燃料オフガス排出流路と前記燃料ガス流量制御手段の下流の前記燃料ガス供給流路とを接続し、燃料ガスを含む燃料オフガスを前記燃料オフガス排出流路から前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
作動することで、前記燃料ガス流路及び前記燃料ガス循環流路を経由するように燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ポンプと、
を備え、
前記燃料ガス循環ポンプは、前記ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、ガス漏れ判定の非実行時である通常時に対して、ガスの循環量を大きくする
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。 - 燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、
前記燃料ガス流路から外部に向かう燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
前記燃料オフガス排出流路に設けられ、燃料オフガスを排出/遮断するパージ弁と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する一定判定ステップと、
前記一定判定ステップにおいて一定であると判定した場合であって前記パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、前記燃料ガス流量制御手段によって燃料ガスの流量を一定とし、前記燃料ガス流量制御手段と前記パージ弁との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定ステップと、
を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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