JP2021114457A - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(2)上記形態の燃料システムにおいて、さらに、前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池の始動時温度毎に前記燃料電池の現在温度に対する補正係数が対応付けられているマップであって、始動時温度が低いほど補正係数の値が大きいマップを記憶する記憶装置と、を備え、前記制御部は、始動時に前記温度センサから取得した始動時温度を記憶し、前記マップを用いて、前記始動時温度および前記温度センサから取得した前記現在温度に対応する前記補正係数を取得し、前記総枚数に前記補正係数を乗じた値を用いて、前記排気水素濃度を算出してもよい。この形態によれば、始動時温度に対応する補正係数を用いることで、排気水素濃度を精度良く推定することができる。
(3)上記形態の燃料システムにおいて、前記制御部は、前記排気水素濃度が、予め定められた基準濃度よりも高い場合、水素濃度低減処理を実行してもよい。この形態によれば、精度良く推定された排気水素濃度が基準濃度よりも高い場合、排気水素濃度を低減することができる。
(4)上記形態の燃料システムにおいて、前記電圧センサは、1枚の前記セルの電圧を検出する第1電圧センサと、2枚の前記セルの電圧を検出する第2電圧センサと、を含み、前記制御部は、前記第1電圧センサの検出電圧が前記第1基準電圧以下である場合、前記第1基準電圧以下である前記セルを1枚と計数し、前記第2電圧センサの検出電圧が前記第1基準電圧以下である場合、前記第1基準電圧以下である前記セルを2枚と計数し、前記第2電圧センサの検出電圧が前記第1基準電圧より大きく、かつ、前記第1基準電圧よりも大きい予め定められた第2基準電圧以下である場合、前記第1基準電圧以下である前記セルを1枚と計数し、前記総枚数を算出してもよい。この形態によれば、2枚のセルに対して1つの電圧センサが備えられる場合においても、総枚数を算出することができる。
(5)本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、セルが積層された燃料電池と、1または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、前記複数のセルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの枚数に対する要求発熱量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求発熱量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、前記制御部は、前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求発熱量を取得し、取得した前記要求発熱量を目標値として前記燃料電池を動作させる。この形態によれば、排気水素濃度が基準濃度となるように予め規定された参照マップを用いて、算出した総枚数に対応する要求発熱量を目標値に設定することで、排気水素濃度が基準濃度となる燃料電池の制御を行うことができる。
(6)本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、セルが積層された燃料電池と、1または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの枚数に対する要求電流量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求電流量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、前記制御部は、前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求電流量を取得し、取得した前記要求電流量を目標値として前記燃料電池を動作させる。この形態によれば、排気水素濃度が基準濃度となるように予め規定された参照マップを用いて、算出した総枚数に対応する要求電流量を目標値に設定することで、排気水素濃度が基準濃度となる燃料電池の制御を行うことができる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、燃料電池システムの他に、例えば、燃料電池システムの制御方法、その制御方法をコンピューターに実行させるためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した非一過性の記録媒体などの形態で実現することができる。
図1は、車両に搭載される燃料電池システム100の概略構成を示す図である。燃料電池システム100は、燃料電池10と、酸化ガス系回路20と、燃料ガス系回路40と、冷却系回路60と、負荷71と、制御部80と、電流センサ11と、電圧センサ12と、温度センサ14と、マフラー52と、を備える。燃料電池10は、燃料ガスおよび酸化ガスを用い、電気化学反応によって発電する。燃料電池10は、複数のセル90が積層されたスタック構造を有する。セル90は、MEGA(Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly)(図示せず)がセパレータ(図示せず)により挟持された構造を有する。MEGAは、電解質膜(図示せず)の一方の面にアノードとして機能する電極触媒層(図示せず)を、他方の面にカソードとして機能する電極触媒層(図示せず)を備えるMEA(Membrane Electrode Assembly)(図示せず)の両面にガス拡散層(図示せず)を備える。本実施形態では、燃料ガスとして水素が用いられ、酸化ガスとして空気中の酸素が用いられる。燃料電池10により発電された電力は、DC/DCコンバータ72により昇圧され、負荷71に供給され、消費される。燃料電池10と負荷71との間には、燃料電池10の出力電流を検出する電流センサ11が設けられている。本実施形態では、1枚のセル90を単位として電圧を検出する電圧センサ12が設けられている。制御部80は、図示しないCPU(central processing unit)および記憶装置81を備え、酸化ガス系回路20と、燃料ガス系回路40と、冷却系回路60と、を制御する。記憶装置81には、後述する排気水素判定処理のプログラム、排気水素判定処理にて使用される第1電圧閾値Vs1を規定するマップなどの各マップ、センサ総数Nなどの各値が記憶されている。電圧センサ12と、電流センサ11と、温度センサ14とは、それぞれ制御部80と接続されている。電流センサ11、電圧センサ12、および温度センサ14が検出した検出値は、制御部80へ送信される。電圧センサ12の各々には、燃料電池10の両端部のいずれか一方のセル90に設けられている電圧センサ12を1番とする番号が付されている。制御部80は、電圧センサ12から受信した検出電圧は、何番目の電圧センサ12から送信された検出電圧であるかを特定する。制御部80は、DC/DCコンバータ72を用いて燃料電池10の出力電流を制御することにより、燃料電池10の出力電圧を制御する。
(a)セル電圧の絶対値が基準値以下の場合。
(b)セル電圧が指令電圧値以下の場合。
(c)セル電圧が指令電圧値に対して所定範囲内で推移していない場合。
(d)現在温度が基準値以下の場合。
(e)空気流量の絶対値が基準値以下の場合。
(f)空気流量が指令流量値以下の場合。
(g)空気流量が指令流量値に対して所定範囲内で推移していない場合。
(h)出力電流の絶対値が基準値以下の場合。
(i)出力電流が指令電流値以下の場合。
(j)出力電流が指令電流値に対して所定範囲内で推移していない場合。
空気流量は、例えば、エアコンプレッサ23の回転数およびバイパスバルブ27の開度から推定される値である。制御部80は、排気水素濃度の推定は不可能である(ステップS30:NO)と判断すると、本処理ルーチンを終了する。制御部80は、排気水素濃度の判定は可能であると判定すると(ステップS30:YES)、ステップS40へ進む。
Vh=CF×I/(2×F)×22.4×60×Nh・・・式(1)
Vo=I/(4×F)×22.4×60×(Na−Nh)・・・式(2)
Ch=Vh/(Va−Vo+Vh)×100・・・式(3)
式(1)は、推定されるポンピング水素の発生量(以下、「ポンピング水素量」と称する。)の算出式であり、式(2)は、消費酸素量の算出式である。式(3)は、排気水素濃度Chの算出式であり、式(1),(2)により算出されたポンピング水素量Vhおよび消費酸素量Voが代入される。
式(1)〜(3)におけるパラメータの定義は、次に示す通りである。
Vh:ポンピング水素量[NL/min]
Vo:消費酸素量[NL/min]
Ch:排気水素濃度[%]
Va:総エア流量[NL/min]
CF:補正係数
I:掃引電流[A]
Nh:ポンピング水素セル数
Na:総セル数
F:ファラデー定数
「総セル数」は、セル90の総枚数を示す。式(1)における、数値「2」は、2つの水素イオンがカソードで水素1分子になる際にカソードから受け取る電子の数である。式(2)における数値「4」は、酸素1分子がカソードにおいて水になる際にカソードから受け取る電子の数である。掃引電流Iに基づき、カソードへ供給される1秒当たりの電荷の量が見積もられる。例えば、式(1)におけるポンピング水素量Vhの算出では、見積もられた電荷の量から、ファラデー定数を用いて、発生するポンピング水素の分子数が算出される。算出された分子数は、標準状態における気体1mol当たりの体積(22.4[L/mol])を用いて、1分当たりに発生するポンピング水素の体積であるポンピング水素量Vh[NL/min]に換算される。
第1実施形態では、燃料電池システム100には、1枚のセル90を単位として電圧を検出する電圧センサ12が設けられている。これに対して、第2実施形態における燃料電池システムには、積層されるセル90のうち、両端の複数のセル90については、1枚のセル90を単位として電圧を検出する電圧センサ12(以下、「第1電圧センサ」と称する。)が設けられている。両端の複数のセル90を除く中間のセル90については、2つのセル90を単位として電圧を検出する電圧センサ12(以下、「第2電圧センサ」と称する。)が設けられている。2つのセル90の電圧を検出する電圧センサ12の検出電圧は、各セル90の電圧の総和となる。第2実施形態に係る発生セル枚数算出処理は、電圧センサ12が2つのセル90の電圧を検出する構成においても、ポンピング水素発生セルの特定を可能とする処理である。第2実施形態に係る排気水素判定処理は、セル枚数算出処理以外の処理は、第1実施形態に係る排気水素判定処理と同様のため、説明は省略する。
第3実施形態では、排気水素濃度Chが基準濃度以下となるように予め規定された参照マップの使用により、燃料電池10は、排気水素濃度Chが基準濃度以下となる動作点にて制御される。これにより、燃料電池10の排気水素濃度Chを基準濃度以下に維持することができる。
Vh=I/(2×F)×22.4×60×Nh・・・式(4)
上記したように、ポンピング水素が発生しているセル90では、セル電圧が低下する。そこで、第1実施形態では、セル電圧が0Vより大きい値である第1電圧閾値Vs1以下であるセル90を計数し、補正係数CFを用いて、例えば実際にはポンピング水素が発生していないセル90が特定セルであるポンピング水素発生セルとして計数されてしまうなどの誤計数が補正される。ここで、ポンピング水素発生セルのセル電圧は、典型的には負電圧となる。そこで、本実施形態では、第1電圧閾値Vs1は、例えば0Vと設定され、セル電圧が0V以下であるセル90がポンピング水素発生セルとして計数される。そして、補正係数CFを用いた補正は行われずにポンピング水素量Vhが算出される。式(4),(2)を式(3)に代入して整理すると、次の式(5)となる。
Ch=2Nh/(4F/I×Va/(22.4×60)−Na+3Nh)・・・式(5)
(D1)上記第1実施形態に係る排気水素判定処理では、第1推定水素濃度Caと、第2推定水素濃度Cbとの算出を行い、それぞれを濃度閾値と比較している。これに対し、第1推定水素濃度Caと、第2推定水素濃度Cbとのいずれかの算出を行い、算出したいずれかの濃度が濃度閾値以上である場合に、水素濃度低減処理を実行する処理内容としても良い。これにより、処理のステップを削減し、排気水素判定処理に係る負荷を低減することができる。
Claims (9)
- セルが積層された燃料電池と、
1または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池の動作点を決定し、前記燃料電池を動作させる制御部であって、前記燃料電池の暖機運転時に基準動作点よりも効率の低い低効率動作点において前記燃料電池を動作させる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記暖機運転時に、前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である前記セルの総枚数を算出し、前記総枚数を用いて排気水素濃度を算出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、さらに、
前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池の始動時温度毎に前記燃料電池の現在温度に対する補正係数が対応付けられているマップであって、始動時温度が低いほど補正係数の値が大きいマップを記憶する記憶装置と、を備え、
前記制御部は、
始動時に前記温度センサから取得した始動時温度を記憶し、前記マップを用いて、前記始動時温度および前記温度センサから取得した前記現在温度に対応する前記補正係数を取得し、
前記総枚数に前記補正係数を乗じた値を用いて、前記排気水素濃度を算出する燃料電池システム。 - 請求項1または2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記排気水素濃度が、予め定められた基準濃度よりも高い場合、水素濃度低減処理を実行する燃料電池システム。 - 請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電圧センサは、
1枚の前記セルの電圧を検出する第1電圧センサと、
2枚の前記セルの電圧を検出する第2電圧センサと、を含み、
前記制御部は、
前記第1電圧センサの検出電圧が前記第1基準電圧以下である場合、前記第1基準電圧以下である前記セルを1枚と計数し、
前記第2電圧センサの検出電圧が前記第1基準電圧以下である場合、前記第1基準電圧以下である前記セルを2枚と計数し、
前記第2電圧センサの検出電圧が前記第1基準電圧より大きく、かつ、前記第1基準電圧よりも大きい予め定められた第2基準電圧以下である場合、前記第1基準電圧以下である前記セルを1枚と計数し、
前記総枚数を算出する燃料電池システム。 - セルが積層された燃料電池と、
1または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、
積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、
排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの前記枚数に対する要求発熱量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求発熱量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、
前記制御部は、
前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求発熱量を取得し、取得した前記要求発熱量を目標値として前記燃料電池を動作させる燃料電池システム。 - セルが積層された燃料電池と、
1または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、
積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、
排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの前記枚数に対する要求電流量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求電流量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、
前記制御部は、
前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求電流量を取得し、取得した前記要求電流量を目標値として前記燃料電池を動作させる燃料電池システム。 - 1または複数のセルを単位として電圧を検出する電圧センサを備える燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池の暖機運転時に基準動作点よりも効率の低い低効率動作点において前記燃料電池を動作させる工程と、
前記暖機運転時に、前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である前記セルの総枚数を算出し、前記総枚数を用いて排気水素濃度を算出する工程と、を備える制御方法。 - セルが積層された燃料電池と、1または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である特定セルの枚数を算出する工程と、
前記特定セルの枚数に対する要求発熱量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求発熱量が小さい参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求発熱量を取得し、取得した前記要求発熱量を目標値として前記燃料電池を動作させる工程と、を備える制御方法。 - セルが積層された燃料電池と、1または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第1基準電圧以下である特定セルの枚数を算出する工程と、
前記特定セルの枚数に対する要求電流量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求電流量が小さい参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求電流量を取得し、取得した前記要求電流量を目標値として前記燃料電池を動作させる工程と、を備える制御方法。
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