JP4933781B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
しかし、水素濃度検出器の使用は、燃料電池システムに必要なスペースやコストの増大、あるいは、組立工程の複雑化などの問題を招来していた。
これによれば、水素濃度検出器を用いなくても、希釈器内の水素濃度がある程度下がってから次回の水素パージを行うことができる。
図1に示すように、燃料電池システムSは、燃料電池FC、アノード系20、カソード系30、希釈器40、ECU(Electronic Control Unit)50(制御手段)などを備えて構成されている。
遮断弁22は、水素タンク21からアノード極12への水素の供給を遮断することができるものであり、ECU50の制御部51によって開閉が制御される。なお、この遮断弁22は、水素タンク21と一体に設けられたインタンク式のものであってもよい。
水素パージ弁24は、ECU50の制御部51によって制御され、開弁することで、水素循環配管24a,24bの水素を水素排出配管24cにパージする。
圧力センサP1,P2は、それぞれ、水素循環配管24a、水素排出配管24cの圧力を測定し、その測定結果をECU50の制御部51に送信する。
加湿器32は、カソード極13から排出されて湿度が高くなっている空気排出配管32bの空気(カソードオフガス(「酸化剤オフガス」ともいう))を利用して、空気供給配管31aの空気を加湿し空気供給配管32aに供給する。
図2では、希釈器40は、略円柱形の形状をしているが、直方体などの他の形状でもよく、また、水素と空気がよく混ざるように、気体の流路を長くするための仕切り板などを内部に供えていてもよい。
空気排出配管32cを通過するカソードオフガス(流量Q(m3/s))は、狭径管40bによる圧力損失(圧損)の影響で、その一部が分岐部41から分岐管41aを経由して希釈用ガス(流量q(m3/s))として希釈器40の空間部43に流入し、その残り(流量Q−q(m3/s))が空気排出配管32cの内部を直進する。
なお、空間部43の容積に比べて希釈用ガスの流量は小さく、かつ、空間部43の容積はパージの際に入り込む水素を充分収容できるものである。このため、希釈ガスの流量は、希釈用ガスの流量とほぼ同じ(入りも出も流量q(m3/s))とみなすことができる。
K1×(Q−q)2=K2×q2 ・・・(1)
つまり、圧損係数K1およびK2が既知であれば、空気排出配管32cを通過するカソードオフガスの流量Q(m3/s)さえわかれば、希釈器40の内部に流量センサなどを設けなくても、数式(1)により、分岐部41から空間部43に流入する希釈用ガスの流量q(m3/s)を算出することができる。
なお、ここで、換気率とは、ある空間において、所定時間ごとに入れ替わる気体の率を表わすものである。たとえば、換気率が50%であれば、ある空間において、最初に水素ガス濃度が100%であったとすると、水素ガス濃度は所定時間ごとに、50%、25%、12.5%、6.25%、・・・、と推移することになる。また、この換気率マップは、ECU50の記憶部52に記憶される。
これにより、希釈器40の内部に流量センサなどを設けなくても、希釈用ガスおよび希釈ガスの流量q(m3/s)の値を得ることができる。
これにより、希釈器40の内部に水素濃度センサなどを設けなくても、空間部43における換気率を把握することができる。
このようにして、単位時間当たりの希釈ガス中の水素量、すなわち、このフローチャートでステップS4からステップS4まで1周する間に希釈器40から流出する水素ガスの量を算出することができる。
このようにして、希釈器40の内部に残存水素量を計測するためのセンサなどを設けなくても、現在の残存水素量を得ることができる。
燃料電池FCの電圧値が所定値以下でなかった場合(ステップS7でNo)、燃料電池FCの動作は正常であると考えられるので、制御部51は、ステップS8以下の通常の処理を行う。
その後、制御部51(パージ処理手段)は、水素パージ弁24の前後の差圧(圧力センサP1から得た圧力値と圧力センサP2から得た圧力値の差)と、ステップS14で算出した可能水素パージ量から、その可能水素パージ量での水素パージを行うための開弁時間を算出し、その算出した開弁時間での水素パージを水素パージ弁24に指示する(ステップS15)。なお、可能水素パージ量は、空間部43の容積が大きいほど、大きな値とすることができる。
制御部51は、ステップS15の後、前記したステップS11〜ステップS13の処理を行い、ステップS1に戻る。
時刻T1において、空間部43における水素量が所定値H2以下となり、制御部51はステップS8で「Yes」と判断する。そして、制御部51はステップS10で水素パージ弁24に水素パージを指示し、水素パージ弁24が水素パージを行うことで空間部43における水素量が急上昇する。
続いて、制御部51はステップS1〜ステップS9の処理を繰り返し、時刻T4において、時刻T1のときと同様、水素パージが行われる。
また、分岐するカソードオフガスの2つの気体流通経路に関する2つの圧損係数と、カソードオフガスの流量とから、希釈用ガスおよび希釈ガスの流量を精度よく算出することができる。
また、燃料電池FCのセル電圧が所定値以下の場合、水素パージの必要性が高いものとして、最大限可能な水素パージ量での水素パージをすぐに行うので、燃料電池FCの動作の迅速な回復を図ることができる。
V 電圧センサ
W 流量センサ
20 アノード系
24 水素パージ弁
30 カソード系
40 希釈器
50 ECU
51 制御部
52 記憶部
Claims (2)
- 間欠的にパージされる燃料ガスを導入する第1の導入部、
酸化剤オフガス配管から酸化剤オフガスを分岐して希釈用ガスとして導入する第2の導入部、
前記第1の導入部および前記第2の導入部からそれぞれ導入されるガスを混合して希釈ガスとする空間部、
前記混合した希釈ガスを前記酸化剤オフガス配管へと排出する排出部、を有する希釈器と、
前記酸化剤オフガス配管を通流する前記酸化剤オフガスの流量を測定する流量センサと、
前記燃料ガスをパージする際に開放されるパージ弁と、
前記パージ弁の上流におけるガスの圧力を測定する第1の圧力センサと、
前記パージ弁の下流におけるガスの圧力を測定する第2の圧力センサと、
前記希釈用ガスの流量である希釈用ガス流量、および、前記空間部におけるガスの入換え率を表す換気率、の対応関係を示す換気率関係情報、
前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量、および、前記希釈用ガス流量と、の対応関係を示す流量関係情報、
前記パージ弁から前回に前記空間部内にパージされた前記燃料ガスの量を示す変数である前回燃料ガスパージ量、
前記パージ弁からの前回の前記燃料ガスのパージの直後の前記空間部内の残存燃料ガス量を示す変数である前回残存燃料ガス量、
前記パージ弁の開弁による前記燃料ガスのパージを行ってよいか否かを判断するためにあらかじめ設定された、前記空間部内の残存燃料ガス量に関する所定値、
あらかじめ設定された前記パージ弁の開弁時間、
を記憶する記憶部と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記流量センサが測定した前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量と、前記記憶部に記憶されている前記流量関係情報と、に基づいて、前記希釈用ガス流量を算出する希釈用ガス流量算出手段と、
前記算出した希釈用ガス流量と、前記記憶部に記憶されている前記換気率関係情報と、に基づいて、前記空間部における前記換気率を算出する換気率算出手段と、
1周期前の残存燃料ガス量に前記算出された換気率を乗算することで、前記排出部から排出される希釈ガスにおける前記排出燃料ガス量を算出する排出燃料ガス量算出手段と、
前回の前記燃料ガスのパージが実行されてから前記排出燃料ガス量算出手段によって算出された前記排出燃料ガス量を積算することで、前回の前記燃料ガスのパージが実行されてからの前記排出燃料ガス量の積算値である前記積算排出燃料ガス量を算出する積算排出燃料ガス量算出手段と、
前記記憶部に記憶されている前記前回燃料ガスパージ量と前記前回残存燃料ガス量との和から、前記算出した積算排出燃料ガス量を減じることにより、前記残存燃料ガス量を算出する残存燃料ガス量算出手段と、
前記算出した残存燃料ガス量が前記記憶部に記憶された所定値以下であるか否かを判断し、当該残存燃料ガス量が前記所定値以下であった場合、前記記憶部に記憶された開弁時間による前記燃料ガスのパージを前記パージ弁に指示するパージ処理手段と、
前記燃料ガスのパージの直後の処理を行うパージ後処理手段と、
を有する制御部を備え、
前記制御部は、所定周期ごとに、前記希釈用ガス流量算出手段、前記換気率算出手段、前記排出燃料ガス量算出手段、前記積算排出燃料ガス量算出手段、前記残存燃料ガス量算出手段、前記パージ処理手段、による処理をくり返し実行し、
前記パージ処理手段が前記パージ弁に前記燃料ガスのパージを指示した場合、
前記パージ後処理手段は、
当該パージが指示される直前に前記残存燃料ガス量算出手段が算出した前記残存燃料ガス量を前回残存燃料ガス量として前記記憶部に記憶させる前回残存燃料ガス量記憶処理と、
当該パージ時に前記第1の圧力センサが測定した圧力と前記第2の圧力センサが測定した圧力との差である差圧と、前記記憶部に記憶された開弁時間と、に基づいて、当該パージにより排出された前記燃料ガスの量を算出し、当該算出された前記燃料ガスの量を前記前回燃料ガスパージ量として前記記憶部に記憶させる第1の前回燃料ガスパージ量記憶処理と、
前記積算排出燃料ガス量をゼロにリセットするリセット処理と、を実行し、
その後、前記希釈用ガス流量算出手段の処理に戻る
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池システムは、
燃料電池のセル電圧を測定する電圧センサを、さらに備えており、
前記記憶部は、
前記酸化剤オフガス配管を通流する前記酸化剤オフガスの流量、および、前記残存燃料ガス量と、前記パージ弁によって1回に行う前記燃料ガスのパージの可能量と、の対応関係を示すパージ可能量情報、
前記燃料ガスのパージの必要性を判断するためにあらかじめ設定された、前記燃料電池のセル電圧に関する所定電圧値、
をさらに記憶しており、
前記パージ処理手段は、
前記電圧センサが測定した前記燃料電池のセル電圧が前記記憶部に記憶された所定電圧値以下であるか否かを判断し、前記燃料電池のセル電圧が前記所定電圧値以下であった場合、
前記酸化剤オフガス配管を通流する前記酸化剤オフガスの流量と、前記残存燃料ガス量と、前記パージ可能量情報と、に基づいて次回のパージで排出可能な前記燃料ガスの量を算出し、
前記第1の圧力センサが測定した圧力と前記第2の圧力センサが測定した圧力との差である差圧と、前記算出した排出可能な前記燃料ガスの量と、に基づいて、当該燃料ガスの量でパージを行うための開弁時間を算出し、当該算出した開弁時間での前記燃料ガスのパージを前記パージ弁に指示し、その後、
前記パージ後処理手段は、
前記前回残存燃料ガス量記憶処理と、
前記算出した開弁時間での前記燃料ガスのパージ時に前記第1の圧力センサが測定した圧力と前記第2の圧力センサが測定した圧力との差である差圧と、前記算出した開弁時間と、に基づいて、当該パージにより排出された前記燃料ガスの量を算出し、当該算出された前記燃料ガスの量を前記前回燃料ガスパージ量として前記記憶部に記憶させる第2の前回燃料ガスパージ量記憶処理と、
前記リセット処理と、を実行し、
その後、前記希釈用ガス流量算出手段の処理に戻る
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
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