JP2018195374A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
酸化剤ガス供給量=クロスオーバー量/2/酸化剤ガス中の酸素濃度
この形態によれば、アノードの圧力変動によりクロスオーバー量が変動した場合であっても、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することを抑制することができる。そのため、酸化剤ガスの不足による燃料電池の電圧低下を抑制することができる。
この形態によれば、アノードの圧力が一時的に上昇した場合にも、クロスオーバー量を推定することができるので、クロスオーバー量の推定精度を高めることができる。そのため、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することをより抑制することができ、酸化剤ガスの不足による燃料電池の電圧低下をより抑制することができる。
この形態によれば、電解質膜の特性によってクロスオーバー量初期値が補正されるので、クロスオーバー量の推定精度を一層高めることができる。そのため、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することを一層抑制することができ、酸化剤ガスの不足による燃料電池の電圧低下を一層抑制することができる。
この形態によれば、推定したクロスオーバー量に基づいて酸化剤ガスを供給する、いわゆるフィードフォワード制御に加え、実際の電圧差に基づいて酸化剤ガスを供給する、いわゆるフィードバック制御が行われるので、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することを効果的に抑制することができ、酸化剤ガスの不足による燃料電池の電圧低下を効果的に抑制することができる。
A1.燃料電池システムの構成:
図1は本発明の一実施形態としての燃料電池システム100の概略構成を示す図である。燃料電池システム100は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。
図4は、燃料電池システム100によって実行される酸化剤ガス供給処理を示すフローチャートである。本処理は、燃料電池システム100の運転モードが間欠運転モードである場合に、制御部90により繰り返し実行される処理である。
本実施形態によれば、アノードからカソードへクロスオーバーした燃料ガスを消費可能な量の酸化剤ガスがカソードへ供給されるので、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することを抑制することができる。そのため、酸化剤ガスの不足による燃料電池スタック20の電圧低下を抑制することができる。その結果、例えば、間欠運転から通常運転に切り替えられた際の燃料電池スタック20の出力応答性の低下を抑制することができる。
A4−1.変形例1:
上述の第1実施形態において、制御部90は、クロスオーバー量Cを、アノードの圧力低下量Prと、アノードの容積Vとに基づいて推定している。これに対し、制御部90は、間欠運転時におけるクロスオーバー量Cを予め記憶しておき、記憶されたクロスオーバー量Cと、上述の式(1)とから、酸化剤ガス供給量Aを算出してもよい。制御部90に記憶されるクロスオーバー量Cは、間欠運転時における単位時間あたりの平均的なクロスオーバー量であってもよい。平均的なクロスオーバー量は、間欠運転時におけるアノードの圧力平均値とアノードの容積Vから、実験やシミュレーションによって求めることができる。
上述の第1実施形態において、制御部90は、アノードの圧力低下量Prに基づくクロスオーバー量Cを推定し、酸化剤ガス供給のタイミングに至るまで、クロスオーバー量を積算している。これに対し、制御部90は、酸化剤ガス供給のタイミングに至るまで、アノードの圧力低下量Prを積算し、酸化剤ガスの供給タイミングである場合に(図4、ステップS70、YES)、積算されたアノードの圧力低下量Prとアノードの容積Vとを乗算してクロスオーバー量Cの積算値を算出し、上述の式(1)を用いて酸化剤ガス供給量Aを算出してもよい。
B1.燃料電池システムの構成:
第2実施形態の燃料電池システム100では、制御部90がアノードの圧力値によって一意に定まるクロスオーバー量Cを記憶している。本実施形態の燃料電池システム100のその他の構成は、上述の第1実施形態の燃料電池システム100と同様であるため、説明を省略する。
図5は、第2実施形態における酸化剤ガス供給処理を示すフローチャートである。制御部90は、クロスオーバー量推定処理(ステップS20a)において、まず、クロスオーバー量初期値Ciを推定する(図5、ステップS22a)。クロスオーバー量初期値Ciとは、クロスオーバー量推定処理の開始時のクロスオーバー量である。
第2実施形態の燃料電池システム100によれば、アノードの圧力値に基づいてクロスオーバー量初期値Ciを求め、クロスオーバー量初期値Ciと、アノードの圧力低下量Prに基づくクロスオーバー量Crとの合計値に基づいて酸化剤ガス供給量Aを算出するので、アノードの圧力が一時的に上昇した場合にもクロスオーバー量Cを推定することができるので、クロスオーバー量Cの推定精度を高めることができる。そのため、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することをより抑制することができ、酸化剤ガスの不足による燃料電池の電圧低下をより抑制することができる。
B4−1.第2実施形態の変形例1:
上述の第2実施形態において、制御部90は、電解質膜1の特性とクロスオーバー量Cの補正値との関係を記憶していてもよい。制御部90は、間欠運転時において、電解質膜1の特性に対応するクロスオーバー量Cの補正値に基づいて、クロスオーバー量初期値Ciを補正してもよい。電解質膜1の特性とは、例えば、電解質膜1の劣化の度合いである。
図8は、電解質膜1の劣化とクロスオーバー量Cの補正値との関係を、アノードの圧力値ごとに示すマップMP3である。図8の縦軸はクロスオーバー量Cの補正値、横軸は運転時間である。制御部90は、クロスオーバー量初期値Ciの推定処理(図5、ステップS22a)において、マップMP3の中からクロスオーバー量初期値Ciを求める際のアノードの圧力値に対応するマップを参照し、運転時間Yに対するクロスオーバー量初期値Ciの補正値KYを取得し、クロスオーバー量初期値Ciに補正値KYを乗算して、クロスオーバー量初期値Ciを補正してもよい。
C1.燃料電池システムの構成:
第3実施形態の燃料電池システム100では、制御部90は、間欠運転時における目標電圧を記憶している。目標電圧は、燃料電池21の劣化を抑制しつつ、出力応答性を確保可能な電圧であり、予め実験やシミュレーションにより求められる。また、制御部90は、セル電圧計91(電圧センサ)から、燃料電池スタック20の電圧値(FC電圧)を取得して、電圧値が目標電圧に達するようにフィードバック制御を行う。本実施形態の燃料電池システム100のその他の構成は、上述の第1実施形態の燃料電池システム100と同様であるため、説明を省略する。
図9は、第3実施形態における酸化剤ガス供給処理を示すフローチャートである。図9に示すクロスオーバー量推定処理(ステップS20b)は、上述の第1実施形態におけるクロスオーバー量推定処理(図4、ステップS20)と同様である。
第3実施形態の燃料電池システム100によれば、燃料電池の電圧が低下した場合であっても、目標電圧と燃料電池スタック20の電圧との電圧差Vdが低減されるように酸化剤ガスが供給される。すなわち、推定したクロスオーバー量Cに基づいて酸化剤ガスを供給する、いわゆるフィードフォワード制御に加え、実際の電圧差Vdに基づいて酸化剤ガスを供給する、いわゆるフィードバック制御が行われるので、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することを効果的に抑制することができ、酸化剤ガスの不足による燃料電池の電圧低下を効果的に抑制することができる。そのため、燃料電池の出力応答性の低下を効果的に抑制することができる。
C4−1.第3実施形態の変形例1:
上述の第3実施形態において、制御部90は、電圧差Vdと、目標電圧に達するために必要な酸化剤ガス供給量との関係を示すマップMP4を記憶しており、電圧差Vdから目標電圧に達する酸化剤ガス供給量Avdを算出している。これに対し、制御部90は、電圧差Vdから閾値以上であって目標電圧以下に達する量の酸化剤ガス供給量を算出してもよい。
上述の第3実施形態において、制御部90は、電圧と酸化剤ガス供給量Aとの関係を記憶していてもよい。制御部90は、取得したFC電圧に対応する酸化剤ガス供給量と、目標電圧に対応する酸化剤ガス供給量の差分を上記関係から取得して、酸化剤ガス流路系30に燃料電池スタック20へ供給させてもよい。
上述の第3実施形態におけるクロスオーバー量推定処理(図9、ステップS20b)では、第2実施形態におけるクロスオーバー量推定処理(図5、ステップS20a)と同様の処理を実行してもよい。
D1.変形例1:
上述の種々の実施形態において、制御部90は、クロスオーバー量C、クロスオーバー量初期値Ciを、燃料ガス中の水素の分圧によって補正してもよい。このようにすれば、クロスオーバーした水素の量をより正確に推定することができるので、カソードにおいて酸化剤ガスが不足することをより抑制することができる。
上述の第1及び第2実施形態において、酸化剤ガス供給量Aの算出(図4、ステップS60、図5、ステップS60a)は、酸化剤ガス供給タイミングの判断(図4、ステップS70、図5、ステップS70a)の後、又は酸化剤ガス供給タイミングの判断と同時に行われてもよい。例えば、制御部90は、クロスオーバー量Cを推定して積算し、酸化剤ガスの供給タイミングである場合に、積算されたクロスオーバー量に基づいて、酸化剤ガス供給量Aを算出してもよい。同様に、上述の第3実施形態における酸化剤ガス供給量Ac,Avd及び酸化剤ガス供給量の総量(Ac+Avd)の算出(図9、ステップS60b、ステップS150b、ステップS160b)は、酸化剤ガス供給タイミングの判断(図9、ステップS170b)の後に、又は酸化剤ガス供給タイミングの判断と同時に行われてもよい。
上述の種々の実施形態及び変形例において、制御部90は、マップMP1〜MP4に示される関係を、数式で記憶していてもよく、制御部90は、取得した圧力値や、電圧値を数式に入力して、クロスオーバー量や、酸化剤ガス供給量を算出してもよい。
2…アノード側電極
3…カソード側電極
4…アノード側ガス拡散層
5…膜電極接合体
7…パワースイッチ
9…カソード側ガス拡散層
12…アノード側セパレータ
13…カソード側セパレータ
14…燃料ガス流路
18…冷媒流路
19…酸化剤ガス流路
20…燃料電池スタック
21…燃料電池
30…酸化剤ガス流路系
31…コンプレッサ
32…モータ
33…インタークーラ
34…酸化剤ガス供給流路
35…入口弁
36…調圧弁
37…バイパス弁
38…バイパス流路
39…酸化剤ガス排出流路
40…マフラ
41…エアフローメータ
50…燃料ガス流路系
51…レギュレータ
52、53…リリーフ弁
54…インジェクタ
55…水素ポンプ
56…気液分離部
57…排気排水弁
59…圧力センサ
60…燃料ガス供給流路
61…燃料ガス排出流路
63…循環流路
64…排出流路
70…水素タンク
71…開閉弁
80…冷却水循環系
81…ラジエータ
82…冷却水ポンプ
83…冷却水排出流路
84…冷却水供給流路
86…温度センサ
90…制御部
91…セル電圧計
92…電流計
93…FDC
94…二次電池
95…BDC
96…DC/ACインバータ
97…負荷
100…燃料電池システム
A、Ac、Avd…酸化剤ガス供給量
C1、C、Cr、Cvd…クロスオーバー量
Ci…クロスオーバー量初期値
KY…補正値
Vd…電圧差
Y…運転時間
MP1、MP2、MP3、MP4…マップ
Pr…圧力低下量
V…アノード容積
Claims (5)
- 燃料電池システムであって、
電解質膜とアノード及びカソードとを有する燃料電池と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部及び前記酸化剤ガス供給部を制御して、要求電力に応じた量の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料電池へ供給させる制御部と、を備え、
前記制御部は、前記要求電力が予め定められた値以下であり前記燃料電池における発電を停止する間欠運転時において、
前記アノードから前記カソードに前記電解質膜を透過して移動する前記燃料ガスの量であるクロスオーバー量を推定し、
推定した前記クロスオーバー量に基づいて、前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの量である酸化剤ガス供給量を算出し、
算出した前記酸化剤ガス供給量を、前記酸化剤ガス供給部に前記燃料電池へ供給させる、
燃料電池システム。
ただし、前記酸化剤ガス供給量は、以下の式により算出される。
酸化剤ガス供給量=クロスオーバー量/2/酸化剤ガス中の酸素濃度 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードの圧力を測定する圧力センサを備え、
前記制御部は、前記間欠運転時において、前記圧力センサから取得した圧力値に基づいて前記アノードの圧力低下量を算出し、前記アノードの圧力低下量と前記アノードの容積とに基づいて、前記クロスオーバー量を推定する、燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記アノードの圧力値と前記クロスオーバー量の関係を記憶しており、
前記間欠運転時において、前記圧力センサから取得した圧力値と、前記アノードの圧力値と前記クロスオーバー量の関係とから、前記クロスオーバー量の初期値を求め、
前記クロスオーバー量の初期値と、前記アノードの圧力低下量と前記アノードの容積とに基づいて推定した前記クロスオーバー量と、の合計値に基づいて、前記酸化剤ガス供給量を算出する、燃料電池システム。 - 請求項3記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記電解質膜の特性と前記クロスオーバー量の補正値との関係を記憶しており、
前記間欠運転時において、前記電解質膜の特性に対応する前記クロスオーバー量の補正値に基づいて、前記クロスオーバー量の初期値を補正する、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の電圧を計測する電圧センサを備え、
前記制御部は、前記間欠運転時における前記燃料電池の目標電圧と、前記燃料電池の電圧と前記酸化剤ガスの供給量の関係と、を記憶しており、
前記間欠運転時において、前記電圧センサから取得した電圧値と前記目標電圧の電圧差と、前記燃料電池の電圧と前記酸化剤ガスの供給量の関係とから、前記電圧差に基づく前記酸化剤ガスの供給量を算出し、
前記電圧差に基づいて算出された前記酸化剤ガス供給量と、前記クロスオーバー量に基づいて算出された前記酸化剤ガス供給量と、を前記酸化剤ガス供給部に供給させる、燃料電池システム。
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