JP3852362B2 - 燃料電池の燃料ガス制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料ガス制御装置に関し、特に、出力電流の急増時に好適な燃料電池の燃料ガス制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から燃料電池に燃料ガスを供給するものとして、例えば、特開平7−263005号公報に記載されたものがある。
【0003】
これは、燃料ガスが供給されて反応ガスを生成する反応極と、余剰ガスが通過する反応極出口バルブと、その後段に配置されてガス排出バルブに連通する排出ガス分岐部とを備えた燃料電池発電系の反応極ガス循環系の圧力制御装置に関する。そして、コントローラにより反応極圧力及び排出ガス分岐部圧力の検出値を各々の目標値に一致させるように多変数制御演算を行ない、各バルブの開度を算出して出力する。結果として、燃料電池発電系の反応極ガス循環系における反応極の圧力と排出ガス分岐部の圧力を、制御遅れなく目標値に一致させて、燃料電池を高効率で運転するようにしたものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、燃料電池発電系の反応極ガス循環系における反応極の圧力と排出ガス分岐部の圧力を制御遅れなく目標値に一致させ、燃料電池を高効率で安定して運転するものであるため、トルク要求に対応して出力を増減させるよう運転される燃料電池自動車等の移動体の燃料電池には、トルク要求の増加等の際に供給燃料ガス不足を生じる等の不具合を生じ、適用が難しいものであった。
【0005】
また、上記従来例では、燃料極圧力計と排気ガス圧力計、および出口バルブと排気ガスバルブ等の部品点数が多く、システムの体積および重量が増加し、車両に適用する場合には、燃費を悪化させる一方、部品点数が多いことからコストも上昇する。
【0006】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、トルク要求の増加に好適に対応可能な簡素な燃料電池の燃料ガス制御装置を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給通路と、前記燃料電池からの余剰ガスを前記燃料供給通路に還流する還流通路とを備えた燃料電池において、前記還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段と、前記燃料電池の発電状態を検知する発電状態検知手段と、前記発電状態検知手段から入力される発電状態に基づいて前記燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を演算し前記燃料ガス流量調整手段に出力する発電状態補正部と、を有することを特徴とする。
【0008】
前記燃料ガス流量調整手段は、開度が調整可能なバルブ、通過流量を調整可能なポンプ等で構成することができる。また、発電状態検知手段は、燃料電池に付属している例えば出力電圧計でよい。前記発電状態補正部は、燃料ガス流量調整手段の目標値を、燃料電池に接続された負荷が増えて出力電流が急増した時に、供給ガスが不足して発電状態の低下を出力電圧等に応じて燃料ガスの流通を制限して余剰燃料ガスをスタック内に留まるよう演算する。
【0009】
第2の発明は、第1の発明において、燃料ガス流量調整手段は、任意の開度に設定可能なバルブであることを特徴とする。
【0010】
第3の発明は、第1の発明において、前記発電状態検知手段は、燃料電池の発電電圧を検知する電圧計であり、前記発電状態補正部は、電圧計の電圧値の低下量に基づいてバルブ開度を演算することを特徴とする。
【0011】
第4の発明は、第1ないし第3の発明において、前記燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記燃料電池への要求電力を検知する要求電力検知部と、要求電力の急増状態を検知する運転状態検知部と、要求電力が急増したときに急増する要求電力の変化量に基づいて前記燃料ガス流量制御手段の流量制限割合を求める電力急増補正部と、前記発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力する開度選択部と、を備えていることを特徴とする。
【0012】
第5の発明は、第4の発明において、運転状態検知部は、前記要求電力の変化に基づいて電力急増状態を判定することを特徴とする。
【0013】
第6の発明は、第4の発明において、運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定することを特徴とする。
【0014】
第7の発明は、第4ないし第6の発明において、燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記開度選択部から出力される流量制限割合を前回の流量制限割合と比較して制限割合変更速度を調整して出力する開閉速度調整部を備えていることを特徴とする。
【0015】
第8の発明は、第7の発明において、開閉速度調整部は、前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整することを特徴とする。
【0016】
【発明の効果】
したがって、第1の発明では、還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段を設け、燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を発電状態補正部により入力される燃料電池の発電状態に基づいて演算制御するため、燃料電池発電電力が増加して、燃料供給装置からの燃料供給が要求量に追従できず、燃料電池の反応極で反応に必要な燃料が不足した場合でも、燃料ガス流量調整手段により、余剰ガスを燃料電池の燃料極内に留めておくことができ、燃料不足による発電状態の低下を防止することができる。
【0017】
また追加する装置は、還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段だけでよいので、燃料電池発電装置の重量増を最小限にとどめ、コストアップ分を最小限にすることができる。
【0018】
第2の発明では、第1の発明の効果に加えて、燃料ガス流量調整手段を任意の開度に設定可能なバルブで構成したため、余剰ガス量の微調整が行え、燃料電池内に適切な余剰ガス量を与えることができる。
【0019】
第3の発明では、第1の発明の効果に加えて、発電状態検知手段を燃料電池の発電電圧を検知する電圧計で構成し、電圧計の電圧値の低下量に基づいて発電状態補正部がバルブのバルブ開度を判定するため、電圧計は燃料電池装置に設置された一般のものでよく、発電状態を検知するために新たにセンサを設けることなく発電状態の検知が行える。
【0020】
第4の発明では、第1ないし第3の発明の効果に加えて、要求電力検知部により要求電力が急増したことを検出したときその時点より電力急増補正部により発電状態の低下を予測して燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を変更することにより、電力急増時の初期における発電状態の低下を防止できる。
【0021】
また、開度選択部は発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力するため、適時適切な流量制限割合を与えることが可能である。
【0022】
第5の発明では、第4の発明の効果に加えて、前記要求電力の変化量に基づいて電力急増状態を判定することにより、燃料電池一般に装備されている電流電圧計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【0023】
第6の発明では、第4の発明の効果に加えて、運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定するため、燃料電池一般に装備されている電流計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【0024】
第7の発明では、第4ないし第6の発明の効果に加えて、開閉速度調整部により流量制限割合の急変を抑制するため、燃料電池内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止することができる。
【0025】
第8の発明では、第7の発明の効果に加えて、開閉速度調整部により前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整するため、運転条件によって変化する圧力応答性に対して適切な開閉速度を与えることができる。このため、より一層燃料電池内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止する効果をもつ。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の燃料ガス制御装置を実現する実施の形態を、請求項1〜3に対応する第1実施形態に基づいて説明する。
【0027】
(第1の実施形態)
図1〜4は、第1の実施形態の燃料電池の燃料ガス制御装置を示し、図1はシステム構成図、図2は演算コントローラの制御フローチャート、図3はコントローラ内の発電補正部の制御フローチャート、図4は発電補正部のタイムチャートを夫々示す。
【0028】
図1において、1は燃料電池を示し、燃料供給通路2を経由して燃料供給装置3よりの燃料ガスが供給される。燃料ガスは燃料電池1により反応燃料ガス流量に相当する発電電流に変換され、発電反応で反応しなかった残余の余剰ガスは燃料電池1から還流通路6、還流装置4を経由して燃料供給通路2に戻され、再び燃料電池1に供給される。還流通路6には燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ5が配置され、出口バルブ5が100パセント全開時には、燃料電池1の出口よりの余剰ガスを抵抗なく流通させ、バルブ開度を絞るに連れて燃料電池1の出口から出る余剰ガスに通路抵抗を与えて燃料電池1内の燃料ガス圧力を上昇させる。出口バルブ5のバルブ開度は演算コントローラ14の発電状態補正部8により制御される。燃料電池1の発電電流は、図示しない車両用駆動モータのモータ・インバータ16に供給される。発電電流は発電電流検知手段としての電流計15により、また、発電電圧は発電電圧検知手段としての電圧計7により、夫々検出され、検出信号は演算コントローラ14から発電状態補正部8に入力される。
【0029】
ここで、燃料供給通路2を流れる供給ガス流量をQ1、還流通路6を流れる余剰燃料ガス流量をQ2、燃料電池1内で反応した反応燃料ガス流量をQ3、燃料電池1のスタック内の燃料ガス量をqS、発電電流をIとして、本特許の動作原理について、先ず、説明する。
【0030】
発電量が一定な定常状態において、燃料電池1に供給される供給燃料ガス流量Q1から反応により水(H2O)となる反応燃料ガス流量Q3を差し引いた分が余剰燃料ガス流量Q2となる。この時の燃料電池1の流量収支は下記の式(1)
Q1=Q3+Q2・・・・(1)
となる。
【0031】
ここで、供給燃料ガス流量Q1は、安定して発電を行うために、下記の式(2)の燃料ガス量の比SRが、
SR=Q1/Q3 ・・・(2)
所定値SRA以上であることを満足する必要があることが知られている。なおQ3は発電電流Iと等価な電荷をもった燃料ガス流量である。
【0032】
しかしながら、発電量が急増し反応燃料ガス流量Q3が増えるとき、スタック内の燃料ガス量qsは一時的に減少し、燃料電池1の反応極まわりに存在する燃料ガスが不足する。
【0033】
この時、燃料電池1の反応極まわりの流量収支は、単位時間△Tとして下記の式(3)
Q1×△T+qs=Q3×△T+Q2×△T ・・・(3)
となる。ここで、単位時間△Tで反応燃料ガスQ3に対する反応極まわりの燃料ガス量の比SR1は、
SR1=(Q1×△T+qs−Q2×△T)/(Q3×ΔT) ・・・(4)
となる。過渡時においては、瞬間的にこのSR1が前記所定値SRAを上回る、または、低下量を最小限にすることにより電力急増時の発電効率低下を防止できると考えることができる。
【0034】
そこで、本特許では燃料電池1出口に出口バルブ5を設け、式(4)における余剰燃料ガスQ2を減少させることにより、式(4)の反応極まわりの燃料ガス量の比SR1の値を減少させない、もしくは改善することがねらいである。
【0035】
次に、上記構成の燃料電池の燃料ガス制御装置の作動について、図2に示す演算コントローラ14の周期的なルーチンを基に説明する。
【0036】
演算コントローラ14は、ステップS1で演算をスタートさせ、ステップS2で発電状態補正部8による燃料電池1の出口バルブ5の開度を演算し、ステップS3で終了する周期的なルーチンを繰り返す。
【0037】
ステップS2の発電状態補正部8での制御フローチャートを図3に示す。先ず、ステップS4において、演算コントローラ14に入力された発電電圧VFC[V]の予め設定した電圧低下処理開始電圧LVFC[V]に対する差分DVFC[V]を求める。
【0038】
ステップS5では、差分DVFCが0以下か否かを判定し、0以下、即ち、電圧低下処理開始電圧LVFC未満である場合にはステップS6に進み、電圧低下処理開始電圧LVFC以上である場合にはステップS9へ進む。
【0039】
ステップS9では、発電電圧VFCが電圧低下処理開始電圧LVFC以上であるため、出口バルブ5のバルブ開度TVO2を全開(100%)状態として演算コントローラ14が出力する。
【0040】
ステップS6では、あらかじめ実験等で電圧低下に対する出口バルブ5の開度の補正値を演算コントローラ14に記憶させておき、ステップS4において求めた差分(マイナス値)の電圧低下に対応する電圧低下補正係数KDVFCを求める。
【0041】
ステップS7では、出口バルブ5のバルブ開度TVODVを求める。バルブ開度TVODVは、全開時の出口バルブ開度を100%とし、これより前記差分電圧DVFCと電圧低下補正係数KDVFCとの積からなる補正値を差し引いて求める。
【0042】
ステップS8では、ステップS7での演算結果が0%以下になるのを防ぐリミッタ処理である。この結果より求めたバルブ開度TV02を燃料電池1の出口バルブ5の開度として演算コントローラ14が出力する。
【0043】
従って、図4のタイムチャートに示すように、モータ・インバータ16の負荷が増加して発電電流Iが時点T2において急増し、発電電圧VFCが時点T2から低下してゆき、時点T3において電圧低下処理開始電圧LVFCを下回ってとしても、発電状態補正部8によって燃料電池1の出口バルブ5のバルブ開度TVO2が全開状態から電圧低下に応じて時点T3から発電電圧VFCが復帰する時点T4まで絞られ、燃料電池1内での燃料ガスの一時的な不足を補うことができる。図中のバルブ開度TVO2は時点T3〜T4の間で全閉状態となっているが、ステップS7、S8の演算結果によって、バルブ開度が中途部までしか閉じないようにも作動する。
【0044】
なお、上記実施態様においては、発電状態検知手段は電圧計7よりの発電電圧VFCにより求めているが、図示しないが、流量検知手段により供給燃料ガス流量Q1を検出し、この供給燃料ガス流量Q1と電流計15により検出した発電電流Iとの比により発電状態を検出してもよい。
【0045】
また、燃料ガス流量調整手段として燃料電池1の出口に設けた出口バルブ5により余剰ガス流量Q2を調整しているが、図示しないが、流体ポンプを配置し、流体ポンプの吐出量を調整することで余剰ガス流量を調整するようにしてもよい。
【0046】
本実施の形態においては、下記に記載した効果を奏することができる。即ち、還流通路6を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ5を設け、出口バルブ5のバルブ開度の目標値を発電状態補正部8により燃料電池1の発電状態に基づいて演算制御するため、燃料電池1の発電電力が増加して、燃料供給装置3からの燃料供給が要求量に追従できず、燃料電池1の反応極で反応に必要な燃料が不足した場合でも、出口バルブ5により、余剰ガスを燃料電池1の燃料極内にとどめておくことができ、燃料不足による発電状態の低下を防止することができる。
【0047】
また追加する装置は、還流通路6を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ5だけでよいので、燃料電池発電装置の重量増を最小限にとどめ、コストアップ分を最小限にすることができる。また、燃料ガス流量調整手段を任意の開度に設定可能な出口バルブ5で構成したため、余剰ガス量の微調整が行え、燃料電池1内に適切な余剰ガス量を与えることができる。
【0048】
発電状態検知手段を燃料電池1の発電電圧を検知する電圧計等の電圧計7で構成し、電圧値の低下量に基づいて発電状態補正部8が出口バルブ5のバルブ開度を演算するため、電圧計7は燃料電池1に設置された一般のものでよく、発電状態を検知するために新たにセンサを設けることなく発電状態の検知が行える。
【0049】
(第2の実施形態)
以下、本発明の燃料電池の燃料ガス制御装置を実現する実施の形態を、請求項1、4〜8に対応する第2実施形態に基づいて説明する。
【0050】
図5〜15は、第2の実施形態の燃料電池の燃料ガス制御装置を示し、図5はシステム構成図、図6は演算コントローラの制御フローチャート、図7〜12は、コントローラ内の要求電力検知部、運転状態検知部、電力急増時補正部、発電状態補正部、開度選択部、および、開閉速度調節部の各制御フローチャートを夫々示す。また、図13は電力急増時補正部での要求電力に対するバルブ開度TVOTPの参照テーブルの一例、図14は開閉速度調節部でのバルブ開度の1制御サイクルでの増減量の参照テーブルの一例を夫々示し、図15は動作状態を示すタイムチャートである。なお、図1と同じ部品には同一符号を付して説明を簡略にし、新規な演算コントローラについて詳細に説明する。
【0051】
図5において、燃料電池1、燃料ガス供給通路2、燃料ガス供給装置3、還流装置4、出口バルブ5、還流通路6、発電電圧検出装置7、発電状態補正部8を図1と同様に備える。演算コントローラ14には、さらに、要求電力検知部9、運転状態検知部10、電力急増補正部11、開度選択部12、開閉速度調整部13を備える。
【0052】
上記構成の演算コントローラに14おける制御を図6〜12に示す制御フローチャートを基に説明する。図6は演算コントローラ14における制御ルーチンであり、周期的にステップS9から演算を開始し、ステップS15で出口バルブ5のバルブ開度を求め、ステップS16で一回の演算を終了するルーチンを繰り返す。
【0053】
ステップS10では、燃料電池1への要求電力を検知するものであり、要求電力検知部9の詳細を図7に示す。他のコントロールユニットや同コントロールユニット内で求められた要求電力tPをステップS18でメモリにストアする。他のコントロールユニットとしては、例えば、走行用電動モータを駆動制御する駆動用コントローラ等が該当する。この要求電力は、図15のタイムチャートにおいて、時点T7において、要求電力tPとしてストアされる。
【0054】
ステップS11は、要求電力の変化に基づいて要求電力の急増状態を検知するものであり、運転状態検知部10の詳細を図8に示す。先ず、ステップS21により、要求電力tPが大きく変化したかを判断する。このため、前回の要求電力tPと現在の要求電力tPとの差分をとり、この差分が予め設定した電力値DP1を超えていればステップS22へ、未満ならステップS24に進む。
【0055】
ステップS22では、電力急増補正を許可するフラグFT0を1にセットする。(図15のタイムチャートにおいては、補正許可フラグは、FT0で示している。)
ステップS23では、電力急増補正の補正処理中であることを示すタイマFT2がスタートされる。
【0056】
ステップS24では、ステップS22で要求電力の変化が所定値以下と判断されており、電力急増補正の許可フラグFT0を0にする。
【0057】
ステップS25では、現在電力急増補正中であるか否かを判断する。タイマFT2が0になっていれば、現在は補正中でないので、S27に進んで補正中フラグFT1を0にセットする。タイマFT2が0でなければ現在補正中であり、ステップS26に進み、補正中フラグFT1を1にセットする。
【0058】
これら、フラグFT0、FT1は、図15では、時点T7において一時的に、FT0=1となり、引き続いてFT1=1が時点T7〜T9以降まで立っている。
【0059】
次にステップS12に進む。ステップS12は、要求電力が急増したときに要求電力の変化量に基づいて出口バルブ5のバルブ開度を求めるものであり、電力急増時補正部11の詳細を図9に示す。出口バルブ5のバルブ開度は、要求電力が急増した時点で、実際の発電が行われる直前に燃料電池1の出口バルブ5を閉じ、その後、序々にバルブ開度を開いていく処理を行う。閉じられるバルブ開度は要求電力に対応して増減される。
【0060】
先ず、ステップS30では、運転状態検知部S11で求めた急増補正フラグFT1が1になったか否かを判断する。急増補正フラグFT1が0から1に変化して立った場合はS31に進み、急増補正フラグFT1が0から0、若しくは、1から1へと変化しない場合にはS33に進む。
【0061】
ステップS31では、要求電力tPに応じて電力が急増したときのバルブ開度TVOTPを算出して設定する。要求電力tPに対する急増時バルブ開度TVOTPの参照テーブルの一例を図13に示す。急増時バルブ開度テーブルはあらかじめ実験などにより適切な値を設定しておく。
【0062】
ステップS32では、ステップS31で設定したバルブ開度TVOTPを急増時バルブ開度としてTV01にセットする。
【0063】
ステップS33では、現在が急増補正中であるか否かを急増補正中フラグFT1が1であるかどうかで判断する。急増補正中フラグFT1が1であれば、ステップS34に進み、急増補正中フラグFT1が0ならステップS37に進み、バルブ開度TV01=100%として補正なしとする。
【0064】
ステップS34では、ステップS31で設定された急増時バルブ開度TVOTPから一定の増加分DVOOPを演算コントローラ14のメモリから呼び出す。この増加分DVOOPは実験等により予め設定しておく。
【0065】
ステップS35では、ステップS34で求めた増加分DVOOPだけ、前回値開度TV01zに加え、序々にバルブ開度TVO1を開いていく。
【0066】
ステップS36では、100%を超えないようリミッタを設ける。
【0067】
この電力急増補正部11でのバルブ開度TVO1は、図15において、時点T7で開度が100%から大きく閉じ、時点T8以降に100%となるよう徐々に開度を増加させている。
【0068】
次にステップS13へ進む。ステップS13は図3に示す発電状態補正部8と同様であり、燃料電池1の発電状態に基づいて出口バルブ5のバルブ開度を演算する。発電状態補正部8の内容を図10に示し、概略のみ説明する。
【0069】
ステップS40では、発電電圧VFCと電圧低下処理電圧LVFCとの差分DVFCを求め、ステップS41では、差分DVFCが0以下、つまり電圧低下処理電圧LVFCを下回っているか判断し、下回っている場合にはステップS42に進む。差分DVFCが0以上であれば、ステップS45でバルブ開度TV02を100%とする。ステップS42では電圧低下補正係数KDVFCを求め、ステップS43でバルブ開度TVO2を求め、ステップS44でバルブ開度の演算結果が0%以下になるのを防ぐリミッタ処理をおこなう。
【0070】
バルブ開度TVO2は、図15において、時点T8からT9までの間において、一時的にバルブ開度を減じるよう制御される。
【0071】
次にステップS14へ進む。ステップS14はステップS12の電力急増時補正部11で求めたバルブ開度TVO1とステップS13の発電状態補正部8で求めたバルブ開度TVO2とのいずれか小さい側の開度を選択する開度選択部12であり、その内容を図11に示す。
【0072】
ステップS48では、補正許可中フラグFT1が1であれば、要求電力急増処理中若しくは発電状態補正中であり、ステップS49に進む。補正許可中フラグFT1が0であれば、上記の処理中でないため、ステップS50に進み、バルブ開度TV03=100%とする。
【0073】
ステップS49では、電力急増補正部11で求めたバルブ開度TV01と発電状態補正部8で求めたバルブ開度TV02の小さい方の値をバルブ開度TV03とする。
【0074】
バルブ開度TVO3は、図15において、時点T7から急激に低下し、時点T8から0開度まで低下し、時点T9で再び100%の開度に復帰するよう変化している。
【0075】
次にステップS15へ進む。ステップS15は出口バルブ5のバルブ開閉速度を設定する開閉速度調整部13であり、その内容を図12に示す。ここでは、開閉速度調整部13では開度増と開度減の方向で速度を調整している。
【0076】
ステップS53では、バルブ開度の目標値TVO3が前回値TVO4zに対しての大小によりバルブ開度が増加しているか減少しているかを判断する。増加していれば、ステップS54に進み、減少していれば、ステップS58に進む。
【0077】
ステップS54では、要求電力tPに応じたバルブ開度増加量DTVOEを参照テーブルTDTVOEから求める。参照テーブルTDTVOEは、図14に示すように要求電力tPに対する増加量DTVOEをあらかじめ実験などにより求めて設定しておく。
【0078】
次にステップS55に進み、ステップS54で求めた増加量DTVOEを前回値TVO4zに加えて今回のバルブ開度TVOGを求める。
【0079】
ステップS56では、前記バルブ開度選択部12で求めたバルブ開度TV03と今回のバルブ開度TVOGを比較し小さい方をTV04とする。勿論、これらのバルブ開度が100%を超える場合には、バルブ開度TV04を100%とする。
【0080】
また、ステップS58では、要求電力tPに応じたバルブ開度減少量DTVOFをテーブルTDTVOFから求める。TDTVOFは図14に示すテーブルをあらかじめ設定しておく。
【0081】
次にステップS59に進み、前回値TVO4zから減少量DTVOFを引き目標とするバルブ開度TVOGを求める。
【0082】
ステップS60では、目標バルブ開度TVOGと前記開度選択部12で求めたバルブ開度TV03の大きいほうを今回のバルブ開度TV04とする。
【0083】
ステップS57では、上記の演算で求めた出口バルブ開度TV04を燃料電池1の出口バルブ5に、演算コントローラ14から出力する。
【0084】
バルブ開度TVO4は、図15において、開度TVO3に対し時間遅れを伴なってなだらかとなっている。
【0085】
なお、上記説明において、開閉速度調節部13により開閉速度は、開速度と閉速度とを異ならせて設定しているが、同一の速度で設定してもよい。また、開閉速度調節部13は、必ずしも必要とするものでない。
【0086】
前記運転状態検知部10は、要求電力tPにより要求電力の急増状態を検知しているが、これに限定されることなく、図16に示すように、発電電流を電流計15よりの発電電流Iに基づき、上記電力急増状態を検知するようにしてもよい。
【0087】
本実施の形態においては、第1の実施形態における効果に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。即ち、要求電力検知部9により要求電力tPが急増したことを検出したときその時点より電力急増補正部11により発電状態の低下を予測して燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ5の流量制限割合を変更することにより、電力急増時の初期における発電状態の低下を防止できる。
【0088】
また、開度選択部12は発電状態補正部8で求められた流量制限割合または電力急増補正部11によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力するため、適時適切な流量制限割合を与えることが可能である。
【0089】
前記電力急増状態の検知手段として要求電力tPの変化を用いることにより、燃料電池1に一般に装備されている電流電圧計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【0090】
開閉速度調整部13により流量制限割合の急変を抑制するため、燃料電池1内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止することができる。
【0091】
開閉速度調整部13により前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整するため、運転条件によって変化する圧力応答性に対して適切な開閉速度を与えることができる。このため、より一層燃料電池1内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止する効果をもつ。
【0092】
運転状態検知部10は、燃料電池1の発電電流Iを検知する電流計15からの発電電流の増加量によって前記電力急増状態を判定するため、燃料電池1に一般に装備されている電流計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す燃料電池の燃料ガス制御装置のシステム構成図。
【図2】同じく演算コントローラの制御フローチャート。
【図3】演算コントローラ内の発電補正部の制御フローチャート。
【図4】燃料ガス制御装置の作動を示すタイムチャート。
【図5】本発明の第2の実施形態を示す燃料電池の燃料ガス制御装置のシステム構成図。
【図6】同じく演算コントローラの制御フローチャート。
【図7】演算コントローラ内の要求電力検知部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図8】演算コントローラ内の運転状態検知部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図9】演算コントローラ内の電力急増時補正部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図10】演算コントローラ内の発電状態補正部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図11】演算コントローラ内の開度選択部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図12】演算コントローラ内の開閉速度調節部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図13】電力急増時補正部での要求電力に対するバルブ開度TVOTPの参照テーブルの一例を示すグラフ。
【図14】開閉速度調節部でのバルブ開度の1制御サイクルでの増減量の参照テーブルの一例を示すグラフ。
【図15】燃料ガス制御装置の作動を示すタイムチャート。
【図16】燃料電池の運転状態検知の変形例を示すシステム構成図。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 燃料供給通路
3 燃料供給装置
4 還流装置
5 燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ
6 還流通路
7 電圧計(発電電圧検出手段)
8 発電状態補正部(発電状態補正手段)
9 要求電力検知部
10 運転状態検知部
11 電力急増補正部
12 開度選択部
13 開閉速度調整部
14 演算コントローラ
15 電流計(発電電流検知手段)
16 モータ・インバータ
Claims (8)
- 燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給通路と、前記燃料電池からの余剰ガスを前記燃料供給通路に還流する還流通路とを備えた燃料電池において、
前記還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段と、
前記燃料電池の発電状態を検知する発電状態検知手段と、
前記発電状態検知手段から入力される発電状態に基づいて前記燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を演算し前記燃料ガス流量調整手段に出力する発電状態補正部と、を有することを特徴とする燃料電池の燃料ガス制御装置。 - 前記燃料ガス流量調整手段は、任意の開度に設定可能なバルブであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記発電状態検知手段は、燃料電池の発電電圧を検知する電圧計であり、前記発電状態補正部は、電圧計の電圧値の低下量に基づいてバルブ開度を演算することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記燃料電池の燃料ガス制御装置は、
前記燃料電池への要求電力を検知する要求電力検知部と、
要求電力の急増状態を検知する運転状態検知部と、
要求電力が急増したときに急増する要求電力の変化量に基づいて前記燃料ガス流量制御手段の流量制限割合を求める電力急増補正部と、
前記発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力する開度選択部と、を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一つに記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。 - 前記運転状態検知部は、前記要求電力の変化に基づいて電力急増状態を判定することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記開度選択部から出力される流量制限割合を前回の流量制限割合と比較して制限割合変更速度を調整して出力する開閉速度調整部を備えていることを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれか一つに記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記開閉速度調整部は、前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
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