JP4701696B2

JP4701696B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4701696B2
Application number: JP2004357213A
Authority: JP
Inventors: 修弓田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: JP2006164855A

Description

本発明は、反応ガスが供給されて発電する燃料電池システムに関し、特に、電気信号を用いて燃料電池への反応ガス供給圧を調整する圧力調整手段の開閉制御に関する。

酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池システムとしては、例えば、水素タンクから供給される水素ガスの圧力をプレッシャレギュレータにて一定圧力に制御し、さらに該プレッシャレギュレータの下流に配された水素流量制御弁をコントロールユニットからの指令により制御することで、燃料電池スタックへ供給される水素の流量や圧力を制御する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１２７８１７号公報

ところで、水素流量制御弁として機械式レギュレータを用いた場合には、弁開度が流量，温度，一次圧力等に依存するため、圧力を一定に制御することは困難である。この点、電気式レギュレータを用いた場合には、水素タンクから燃料電池スタックに供給される水素ガス圧力を適正に保つことが可能である。しかしながら、電気式レギュレータでは、燃料電池への負荷要求が小さい時であっても、圧力脈動等の外乱によって過度に動作してしまう虞がある。

このため、アクチュエータを駆動するモータやギヤの耐久性低下に加えて、動作音の増大や共鳴音の発生を招くという課題がある。また、通電時間も増大するので、コイル温度上昇による耐久性の低下や、消費電力の増大を招くという課題もある。このように、電気式レギュレータは、燃料電池スタックへの供給圧を一定に制御するには好適である反面、耐久性や作動面の面で改善の余地があった。

そこで、本発明は、燃料電池への反応ガス供給圧を電気信号を用いて調整する圧力調整手段の過度な動作を抑制することが可能な燃料電池システムの提供を目的とする。

本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、電気信号を用いて前記燃料電池への反応ガス供給圧を調整する圧力調整手段と、反応ガス供給圧の目標値と実測値との偏差に基づき前記圧力調整手段を開閉制御する制御手段とを備える燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記偏差が所定の範囲内であるときは前記圧力調整手段の開度を保持する。

かかる構成によれば、圧力調整手段の開閉制御を行うにあたり、不感帯が設けられることになる。つまり、反応ガス供給圧の目標値と実測値との偏差が所定の範囲を超えない限り、圧力調整手段の開度がそのまま保持されるので、外乱に起因する圧力調整手段の過度な動作は抑制される。

本発明においては、前記所定の範囲、つまり、不感帯幅を可変としてもよい。例えば、前記制御手段は、所定時間内における前記圧力調整手段への開度指令変動が第１の所定回数以上であったときは前記所定の範囲（不感帯幅）を広げ、第２の所定回数以下であったときは前記所定の範囲（不感帯幅）を狭める。

かかる構成によれば、外乱が多い場合には、圧力調整手段の過度な動作の更なる抑制が可能になる。また、外乱が少ない場合には、フィードバック制御を発散させることなく、ゲインを高めることができるので、圧力調整手段の応答性が向上する。なお、第１の所定回数と第２の所定回数は異なることが好ましいが、同じに設定してもよい。

本発明によれば、圧力調整手段の開閉制御を行うにあたり不感帯を設けているので、圧力脈動等の外乱があっても、調圧弁が過度に動作することがない。よって、調圧弁の耐久性及び耐振動・騒音性を向上させることができる。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池スタック１は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体である。各セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノード）と酸素極（以下、カソード）とが配置された構成となっている。

燃料電池スタック１のカソードには、酸化剤ガスとしての空気（反応ガス）が供給される。空気は、フィルタから吸入されてコンプレッサ１１で圧縮された後、配管１０を通じて燃料電池スタック１に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガス）は、配管１２を通じて外部に排出される。

燃料電池スタック１への空気供給圧（反応ガス供給圧）は、配管１２のスタック出口付近に設けられた調圧弁（圧力調整手段）１３の開閉制御によって調整される。この調圧弁１３は、いわゆる電気式のレギュレータであり、電流または電圧による電気信号を用いてアクチュエータやモータ等を駆動することにより、ギヤ等を介して弁体を移動させて、弁開度が調整される構成になっている。調圧弁１３は、その上流側に設けられた圧力センサ１４の検出圧力（実測値）に基づき、ＥＣＵ１００により制御される。

燃料電池スタック１のアノードには、配管２０を介して水素圧力タンク２１に貯蔵された水素（反応ガス）が燃料ガスとして供給される。水素供給源は、このような水素圧力タンク２１に限らず、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成してアノードに供給する燃料改質器や、水素吸蔵合金等であっても良い。

水素圧力タンク２１に高圧で貯蔵された水素は、配管２０の水素圧力タンク２１側に設けられた第１の調圧弁（圧力調整弁）２２と、配管２０のスタック入口付近に設けられた第２の調圧弁（圧力調整弁）２３とにより供給圧および供給量が調整された上で、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガス）は、配管２４に流出する。

本実施形態では、これらアノード側の調圧弁２２，２３も、いわゆる電気式のレギュレータであり、電流または電圧による電気信号を用いてアクチュエータやモータ等を駆動することにより、ギヤ等を介して弁体を移動させて、弁開度が調整される構成になっている。第１及び第２の調圧弁２２，２３は、それぞれの下流側に設けられた圧力センサ２５，２６の検出圧力（実側値）に基づき、ＥＣＵ１００により制御される。

燃料電池スタック１には、上記水素および空気が供給される他に、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプによって燃料電池スタック１に接続された冷却用配管を流れ、燃料電池スタック１を出た冷却水は、ラジエータで冷却された後、燃料電池スタック１に再び供給される。

ＥＣＵ（制御手段）１００は、制御コンピュータシステムによって構成されていて、図示しない車両のアクセル開度信号等の要求負荷、燃料電池システムの各部に設けられたセンサ（圧力センサ１４，２５，２６、温度センサ、流量センサ、電流計、電圧計等）、各機器（コンプレッサ１１、水素ポンプ等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を統括制御する。

一例として、アノード側の燃料電池スタック１に近い調圧弁２３の開閉制御について説明すれば、ＥＣＵ１００は、要求負荷に基づき求めた調圧弁２３への圧力指令値（目標値）Ｐ＿ｃｍｄと、圧力センサ２６で計測した実際の圧力値（実側値）Ｐ＿ｒｅｓとの偏差ΔＰに基づいて、調圧弁２３への開度指令値θ＿ｃｍｄを求め、この開度指令値θ＿ｃｍｄを調圧弁２３に与えて弁開度を制御する。

このように、ＥＣＵ１００は、要求負荷に基づく圧力指令値Ｐ＿ｃｍｄと、実際の圧力値Ｐ＿ｒｅｓとの偏差ΔＰに基づき調圧弁２３を開閉制御するものであるが、かかる開閉制御を行うにあたり、偏差Δが所定の範囲内（例えば、±５ｋＰａ以内）であるときは、調圧弁２３への開度指令値θ＿ｃｍｄを前回指令値のまま保持する不感帯を設けている。

また、前記所定の範囲、言い換えれば、不感帯幅Ｐ＿ｆは可変とされていて、ＥＣＵ１００は、所定時間内（例えば、１０秒）における調圧弁２３への開度指令変動が第１の所定回数（例えば、５往復）以上であったときは不感帯幅Ｐ＿ｆを広げる一方、第２の所定回数（例えば、２往復）以下であったときは不感帯幅Ｐ＿ｆを狭めるようにしている。これら第１及び第２の所定回数は、例えば、調圧弁２３を駆動するモータやギヤの耐久性、コイルの耐熱性、及びＮＶ（振動・騒音）性能等に基づいて決定することが可能である。

以上説明したＥＣＵ１００による調圧弁２３の開閉制御は、カソード側に設けられた調圧弁１３及びアノード側の水素圧力タンク２１寄りに設けられた調圧弁２２に対しても同様に適用される。

次に、図２を参照しながら、ＥＣＵ１００による調圧弁１３，２２，２３の開閉制御フローについて説明するが、ここでは調圧弁２３を例にとって説明する。

なお、ステップＳ７の判定に用いられる不感帯幅Ｐ＿ｆと、ステップＳ２３でインクリメント処理されるカウンタＮは、本ルーチンの呼び出し元のルーチンにて初期化されているものとする。不感帯幅Ｐ＿ｆは例えば５ｋＰａに設定されており、カウンタＮは「０」に設定されている。本ルーチンは、所定周期毎あるいは所定イベントの発生に対応して呼び出される。

まず、ステップＳ１では、アクセルセンサ，車速センサ，及び圧力センサ２６等から、アクセル開度，車速，及び燃料電池スタック１のアノードに供給される水素ガスの圧力値Ｐ＿ｒｅｓ等を読み込む。続くステップＳ３では、ステップＳ１における各センサからの読み込み値に基づき、燃料電池スタック１の要求負荷を演算する。続くステップＳ５では、ステップＳ３で求めた要求負荷に基づき、燃料電池スタック１に供給すべき水素ガスの圧力指令値Ｐ＿ｃｍｄを求める。

ステップＳ７では、ステップＳ５で求めた圧力指令値Ｐ＿ｃｍｄと、ステップＳ１で検出した実際の圧力値Ｐ＿ｒｅｓとの偏差ΔＰ（絶対値）が所定の不感帯幅Ｐ＿ｆ以内であるかを判定する。この判定において、「│Ｐ＿ｃｍｄ−Ｐ＿ｒｅｓ│＜Ｐ＿ｆ」の場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）は、ステップＳ９に進み、調圧弁２３の開度指令値θ＿ｃｍｄを前回値のまま保持し、処理は終了する。

一方、「偏差ΔＰ≧不感帯幅Ｐ＿ｆ」の場合（ステップＳ７：ＮＯ）は、ステップＳ２１に進み、偏差ΔＰに基づいて、調圧弁２３の開度指令値θ＿ｃｍｄを演算する。そして、ステップＳ２３において、カウンタＮをインクリメント処理する。このカウンタＮは、所定時間内（例えば、１０秒）での開度指令変動回数を示すカウンタである。

続くステップＳ２５では、「カウンタＮ≧第１の所定回数（例えば、５往復）」を満たすかどうかを判定し、判定結果が「ＹＥＳ」の場合は外乱が多いとみなし、ステップＳ２７で不感帯幅Ｐ＿ｆを広げる。例えば、所定の上限値Ｐ＿ｆ＿ｍａｘを限界として、不感帯幅Ｐ＿ｆを所定値（例えば、１ｋＰａ）だけインクリメント処理する。

一方、ステップＳ２５の判定結果が「ＮＯ」の場合は、ステップＳ３１に進み、「カウンタＮ≦第２の所定回数（例えば、２往復）」を満たすかどうかを判定する。この判定結果が「ＹＥＳ」の場合は外乱が少ないとみなし、ステップＳ３３で不感帯幅Ｐ＿ｆを狭める。ステップＳ３３においては、例えば、所定の下限値Ｐ＿ｆ＿ｍｉｎを限界として、不感帯幅Ｐ＿ｆを所定値（例えば、１ｋＰａ）だけデクリメント処理する。

一方、ステップＳ３１の判定結果が「ＮＯ」の場合は、処理を終了する。

以上説明したＥＣＵ１００による調圧弁２３の開閉制御フローは、カソード側に設けられた調圧弁１３及びアノード側の水素圧力タンク２１寄りに設けられた調圧弁２２に対しても同様に適用される。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムは、調圧弁１３，２２，２３の開閉制御を行うにあたり、一定の不感帯幅Ｐ＿ｆを設けているので、偏差ΔＰが所定の範囲を超えない限り、調圧弁１３，２２，２３の開度はそのまま保持されることになり、調圧弁１３，２２，２３の過度な動作は抑制される。これにより、調圧弁１３，２２，２３を駆動するモータやギヤの耐久性が向上する。また、動作音の増大や共鳴音の発生も抑制されるので、耐振動・騒音性が向上する。

さらに、調圧弁１３，２２，２３への通電時間も減少するので、コイル温度の上昇による耐久性の低下や、消費電力の増大も効果的に回避することができる。加えて、不感帯幅Ｐ＿ｆを外乱の多少に応じて学習（可変）させているので、外乱が多い場合には、調圧弁１３，２２，２３の過度な動作を更に抑制することが可能になる一方で、外乱が少ない場合には、フィードバック制御を発散させることなく、フィードバック制御のゲインを高めることができるので、調圧弁１３，２２，２３の応答性が向上する。

＜他の実施形態＞
上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態では、調圧弁１３，２２，２３の全てを電気式のレギュレータで構成しているが、いずれか１つが電気式のレギュレータで構成されていれば、他は機械式のレギュレータであってもよい。ただし、燃料電池スタック１に近い調圧弁１３，２３については、より高い調圧精度が要求されているので、電気式のレギュレータであることが好ましい。

また、上記実施形態では、要求負荷に基づく圧力指令値Ｐ＿ｃｍｄと、実際の圧力値Ｐ＿ｒｅｓとの偏差Δが所定の範囲内であるときに、調圧弁２３への開度指令値θ＿ｃｍｄを前回指令値のまま保持する構成としたが、最終的に調圧弁１３，２２，２３の弁開度がそのまま保持されるのであれば、開度指令値θ＿ｃｍｄを決定するまでの過程は不問である。例えば、制御手段１００が偏差Δに基づき開度指令値θ＿ｃｍｄを設定する開度指令値設定手段を備える場合に、該開度指令値設定手段への出力を前回値のまま保持する構成とすることも可能である。

本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示すシステム構成図。図１に示す調圧弁の開閉制御フローを説明するフローチャート。

符号の説明

１…燃料電池スタック（燃料電池）、１３，２２，２３…調圧弁（圧力調整手段）、１００…ＥＣＵ（制御手段）

Claims

反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、電気信号を用いて前記燃料電池への反応ガス供給圧を調整する圧力調整手段と、反応ガス供給圧の目標値と実測値との偏差に基づき前記圧力調整手段を開閉制御する制御手段とを備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記偏差が所定の範囲内であるときは前記圧力調整手段の開度を保持するものであり、前記所定の範囲が可変である燃料電池システム。
前記制御手段は、所定時間内における前記圧力調整手段への開度指令変動が第１の所定回数以上であったときは前記所定の範囲を広げ、第２の所定回数以下であったときは前記所定の範囲を狭める請求項１に記載の燃料電池システム。