JP5843746B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
そのため、要求燃料ガス量が所定流量を上回り、インジェクタを連続開弁駆動させる必要性が生じた場合、インジェクタの駆動状態を開閉駆動から連続開弁駆動に切り替え、他方で、要求燃料ガス量が所定流量を下回った場合には、連続開弁駆動から開閉駆動に切り替えていた。
そのため、開閉駆動と連続開弁駆動との切り替え回数を低減できる燃料電池システムが望まれていた。
一方で、要求燃料ガス量が連続切替閾値を上回った後に減少し、要求燃料ガス量が連続切替閾値を下回ったとしても、第1供給装置の駆動状態は開閉駆動に切り替わることなく、連続開弁駆動が維持される。そして、さらに要求燃料ガス量が減少して開閉切替閾値を下回った場合に開閉駆動に切り変わるようになっている。
つまり、本発明によれば、従来の燃料電池システムに比べて、連続開弁駆動から開閉駆動に切り替わり難くなっている。そのため、開閉駆動と連続開弁駆動との切替回数を低減させることができるとともに、燃料電池に供給される燃料ガス量に過不足状態が生じるおそれも低減させることができる。
また、開閉切替閾値が第1燃料供給装置の連続開弁駆動した場合の供給量に設定されていることから、第1供給装置の連続開弁駆動が比較的持続するようになっている。
以上から、燃料ガスの循環性能が向上した状態をより長く持続させて、多くの燃料ガスが循環するようになっているため、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。
各セパレータには、各MEAの全面に水素または空気を供給するための溝や、全単セルに水素または空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝および貫通孔がアノード流路12(燃料ガス流路)、カソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。
そして、このバイパス配管32上には、第2インジェクタ28B(図面上においては、「INJ B」と表記する場合がある。)が設けられている。なお、第2インジェクタ28Bは、特許請求の範囲に記載される「第2燃料供給装置」に相当する構成である。
本実施形態では、第1インジェクタ28Aが備えるノズルは、デューティー比100%時の噴射流量が50ml/sである。そのため、第1インジェクタ28Aは、連続開弁駆動時に50ml/sの水素を連続噴射できるようになっている。
また、第1インジェクタ28Aは、開閉駆動におけるデューティー比の上限が90%である。そのため、第1インジェクタ28Aの開閉駆動による最大噴射流量が45ml/sとなっている。
また、第2インジェクタ28Bにおいて、開閉駆動におけるデューティー比の上限が90%である。そのため、第2インジェクタ28Bの開閉駆動による最大噴射流量が90ml/sとなっている。
なお、燃料電池スタック10の要求水素量が135ml/sよりも多い場合には、第1インジェクタ28Aと第2インジェクタ28Bとのいずれか一方を連続開弁駆動させる必要がある。そのため、本実施形態では、要求水素量が135ml/sよりも多い場合、第2インジェクタ28Bではなく、下流側にエゼクタ30が設けられて循環効率が高い第1インジェクタ28Aを優先的に連続開弁駆動させるように構成されている(図4参照)。
なお、燃料電池スタック10の要求水素量が50ml/sよりも少ない場合には、第1インジェクタ28Aの駆動状態を連続開弁駆動に選択することができない。そのため、要求水素量が50ml/sよりも少ない場合、第1インジェクタ28Aの駆動状態が開閉駆動に限定される。
以上で、第1インジェクタ28A及び第2インジェクタ28Bについての説明を終了して、アノード系2の構成の説明に戻る。
そのため、第2インジェクタ28Bから噴射された水素に比べて、エゼクタ30の上流側に配置され、第1インジェクタ28Aから噴射された水素の方が、アノード系2を循環できる循環効率が高くなっている。
希釈器46は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス(希釈用ガス)で希釈する容器であり、希釈後に車外に排出されるようになっている。
電力制御器52は、ECU6の指令に従って、燃料電池スタック10の出力(発電電力、電流値、電圧値)を制御する機能を備えている。また、電力制御器52は、DC−DCチョッパ回路などの各種電子回路を備えて構成される。また、電力制御器52は、燃料電池スタック10から出力される電流IFCの電流値をECU6に送るように構成されている。
すなわち、ECU6は、駆動インターバルに対応して、第1インジェクタ28Aおよび第2インジェクタ28Bに出力するPWM信号で、デューティー比を可変にすることで、第1インジェクタ28Aおよび第2インジェクタ28Bからの水素の噴射量(流量)と、アノード流路12に供給される水素の流量及びアノード圧Paを制御する機能を備えている。
なお、周期信号Aは、第1インジェクタ28Aが水素噴射(開弁)を開始する基準時となる信号であって、周期信号Bは、第2インジェクタ28Bが水素噴射(開弁)を開始する基準時となる信号である。
また、本実施形態に係る駆動インターバル設定手段61では、第1駆動周期と第2駆動周期との周期が相違しており、割り付け手段65に送られる周期信号Aと周期信号Bとが同期しない場合がある。
なお、要求水素量算出手段62による要求水素量の算出は、上述した周期信号A及び周期信号Bよりもさらに短い周期で行われている。
そして、切替手段63により連続開弁フラグが立てられると、割り付け手段65が第1インジェクタ28Aに対してデューティー比100%に相当する流量50ml/sを割り付け、第1インジェクタ28Aが連続開弁駆動するようになっている。
なお、本実施形態の連続切替閾値は、上述した開閉駆動による最大流量の135ml/sに設定されている。
なお、本実施形態の開閉切替閾値は、上述した連続開弁駆動による最小流量の50ml/sに設定され、連続切替閾値に比べて85ml/s少なくなっている。
連続切替閾値と開閉切替閾値とは、上述した第1インジェクタ28Aの駆動状態を自由に選択できる切替自由範囲であって、開閉切替閾値が連続切替閾値に比べて小さい値であれば自由に設定可能である。
ただし、連続切替閾値については、大きい値となるように設定される方が好ましい。これによれば、連続切替閾値と比較される要求水素量が連続切替閾値を上回り難く、つまり、連続開弁フラグが立ち難くなるからである。
一方で、開閉切替閾値については、小さい値となるように設定される方が好ましい。要求水素量が開閉切替閾値を下回り難くなり、連続開弁フラクが取り消し難くなるからである。
図2に示すように、割り付け手段65は、周期信号A又は周期信号Bを受けた場合、要求水素量算出手段62から受けた要求水素量を、第1インジェクタ28A又は第2インジェクタ28Bに割り付けるためのものである。また、割り付け手段65による割り付けは、割り付けマップに基づいて割り付けるようになっている。
また、本実施形態の割り付けマップでは、割り付ける要求水素量に対応したデューティー比を算出できるようになっている。
つぎに、図4を用いて、要求水素量の具体的な数値を例示しならが、割り付け手段65による要求水素量の割り付けについて説明する。
一方で、要求水素量130ml/sの場合に、第2インジェクタ28Bの駆動インターバルが成立した時には、第2インジェクタ28Bに対して、85ml/sに相当する85%のPWM信号を送るようになっている(図4、点B´参照)。
また、要求水素量が138ml/sの場合に、第2インジェクタ28Bの駆動インターバルが成立した時には、第2インジェクタ28Bに対し、88ml/sに相当する88%のPWM信号を送るようになっている(図4、点C´参照)。
また、要求水素量が130ml/sの場合に、第2インジェクタ28Bの駆動インターバルが成立した時には、第2インジェクタ28Bに対し、80ml/sに相当する80%のPWM信号を送るようになっている(図4、点D´参照)。
また、要求水素量が45ml/sの場合に、第2インジェクタ28Bの駆動インターバルが成立した時には、第2インジェクタ28Bに対してPWM信号を送らないようになっている(図4、点E´参照)。
つぎに、本実施形態の割り付けマップによる割り付けにおいて、連続開弁フラグが立っている場合、第1インジェクタ28Aに対する割り付けと、第2インジェクタ28Bに対する割り付けとの関係について説明する。
一方で、第2インジェクタ28Bに対して、デューティー比80%に相当する流量80ml/sが割り付けられ、開閉駆動時におけるデューティー比85%に相当する流量85mに比べて、5ml/s分減量している(図4の点B´とD´参照)。
つまり、本実施形態では、第1インジェクタ28Aの増量分を、第2インジェクタ28Bに割り付ける要求水素量から減量させることで、第1インジェクタ及び第2インジェクタ28Bに対して割り付ける要求水素量に過不足が生じないような関係になっている。
よって、第1インジェクタ28Aに対し45ml/sの要求水素量が割り付けられ(図4の点B参照)、第1インジェクタ28Aにより45ml/sに相当する水素が噴射される。
そのため、第2インジェクタ28Bに対して88ml/sの要求水素量が割り付けられ(図4の点C´参照)、第2インジェクタ28Bにより88ml/sに相当する水素が噴射される。
そのため、第1インジェクタ28Aに対して50ml/sの要求水素量が割り付けられ(図4の点D参照)、第1インジェクタ28Aから50ml/sに相当する水素が噴射される(図4の点D参照)。
また、次回の第1駆動インターバル成立時から次回の第2インターバルの成立時までの間において、第1インジェクタ28A及び第2インジェクタ28Bから138ml/sに相当する水素量を噴射されることとなる。
そして、図5に示すように、第1インジェクタ28Aの駆動インターバルの成立後に、要求水素量が増加して所定の閾値に相当する流量135ml/sを上回った際、比較例の切替手段により連続開弁フラグが立てられる。
ここで、連続開弁フラグが立っていないため、通常時の割り付けが行われ、第1インジェクタ28Aに対して45ml/sの要求水素量を割り付けられ(図4の点D参照)、第1インジェクタ28Aにより50ml/sに相当する水素量が噴射される(図5に示す、(45)ml/s及び破線を参照)。
また、次回の第1駆動インターバル成立時から次回の第2インターバルの成立時までの間において、第1インジェクタ28A及び第2インジェクタ28Bから133ml/sに相当する水素を噴射している(図5に示す(45)ml/s及び破線を参照)。
一方で、比較例によれば、第1インジェクタ28A及び第2インジェクタ28Bから噴射される水素流量が133ml/sのままとなっており、要求水素量の増加(変化)に、噴射流量が対応していないことがわかる。
つまり、実施形態に係る燃料電池システム1によれば、従来の燃料電池システムに比べて、連続開弁駆動から開閉駆動に切り替わり難くなっている。そのため、開閉駆動と連続開弁駆動との切替回数を低減することができるとともに、燃料電池スタック10に供給される水素量が過不足状態となることを抑制することができる。
そのため、連続開弁駆動から開閉駆動への切り替わりが極めて行われ難くなっており、燃料電池スタック10に供給する水素量に過不足が生じるおそれをさら抑制することができる。
そのため、開閉駆動から連続開弁駆動への切替回数の低減、ひいては、連続開弁駆動から開閉駆動への切替回数も低減でき、全体的に切替回数を低減できるようになっている。
そのため、下流側にエゼクタ30を備え、水素の循環効率が高い第1インジェクタ28Aに、連続開弁駆動をより長く継続させて、多くの水素を循環させるようになっている。そのため、燃料電池スタック10の発電効率の向上を図ることができる。
実施形態の例によれば、連続開弁駆動時による噴射流量が50ml/sの第1インジェクタ28Aと、連続開弁駆動による噴射流量が100ml/sの第2インジェクタ28Bを採用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1インジェクタ28Aと第2インジェクタ28Bともに、連続開弁駆動時による噴射流量が50ml/sのものを採用しても良く、適宜設計できるものである。
よって、切替手段63は、連続開弁フラグを立てている時間が所定時間以上経過していたか否かを判定し、所定時間以上経過していると判定した場合には、連続開弁フラグを取り消して、第1インジェクタ28Aが所定時間以上、連続開弁駆動を継続しないようにしてもよい。
以下、割り付け手段65が要求水素量を割り付け後に、連続開弁フラグに基づいて割り付けられた要求水素量を補正する変形例について、図6を用いて説明する。
なお、変形例に係るECUの構成中において、実施形態に係るECU6の構成との相違する構成は、割り付け手段65aと、第1開弁時間算出手段66と、第2開弁時間算出手段67とである。以下、変形例について、実施形態との相違する構成に絞って説明し、同一構成の説明を省略する。
ただし、変形例に係る割り付けマップは、通常時(連続開弁フラグが立っていない場合)の割り付けのみを算出できるようになっている。
よって、変形例に係る割り付け手段65aは、連続開弁フラグが立っているか否かに関わらず、要求水素量に応じて第1インジェクタ28Aと第2インジェクタ28Bとのそれぞれに割り付けるようになっている。
また、第1開弁時間算出手段66は、連続開弁フラグが立っているか否かを判定するようになっている。そして、第1開弁時間算出手段66は、連続開弁フラグが立っていると判定した場合に、算出した第1インジェクタ28Aの開弁時間を増加させて、第1インジェクタ28Aの駆動状態が連続開弁駆動となるように補正するように構成されている。
さらに、第1開弁時間算出手段66は、算出又は補正した開弁時間に対応するデューティー比のPWM信号を生成して、第1インジェクタ28Aに送るように構成されている。
また、第2開弁時間算出手段67は、連続開弁フラグが立っているか否かを判定するように構成されている。そして、第2開弁時間算出手段67は、連続開弁フラグが立っていると判定した場合に、算出した第2インジェクタ28Bの開弁時間を減少させて、第2インジェクタ28Bの駆動時間を補正するように構成されている。
なお、補正により、第2インジェクタ28Bの開弁時間の減少に伴って減少する第2インジェクタ28Bの噴射水素量とは、第1インジェクタ28Aが開閉駆動から連続開弁駆動に切り替わったことにより増加する水素量と同じ量となるようになっている。
そして、第2開弁時間算出手段67は、算出又は補正した開弁時間に対応するデューティー比のPWM信号を生成して、第2インジェクタ28Bに送るように構成されている。
6 ECU(制御装置)
10 燃料電池スタック(燃料電池)
22 水素供給配管(燃料ガス供給配管)
23 アノードオフガス排出配管(燃料オフガス排出配管)
24 水素循環配管(燃料ガス循環配管)
28A 第1インジェクタ(第1燃料供給装置)
28B 第2インジェクタ(第2燃料供給装置)
30 エゼクタ
32 バイパス配管(バイパス配管)
33 パージ弁
61 駆動インターバル設定手段
62 要求水素量算出手段
63 切替手段
65、65a 割り付け手段
66 第1開弁時間算出手段
67 第2開弁時間算出手段
Claims (5)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池と燃料タンクとを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスが流入する燃料オフガス排出配管と、
前記燃料オフガス排出配管と燃料ガス供給配管とを接続する燃料ガス循環配管と、
前記燃料ガス供給配管上であって、前記燃料ガス供給配管と前記燃料ガス循環配管との接続部よりも上流側に設けられた第1燃料供給装置と、
前記燃料ガス供給配管から分岐し、前記第1燃料供給装置をバイパスして前記ガス供給配管に合流するバイパス配管と、
前記バイパス配管上に設けられた第2燃料供給装置と、
前記第1燃料供給装置及び前記第2燃料供給装置の駆動を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池の要求燃料ガス量に応じて、前記第1燃料供給装置における開閉駆動と連続開弁駆動とを切り替える切替手段を有し、
前記切替手段は、
前記燃料電池の要求燃料ガス量が連続切替閾値を上回った場合に、前記第1燃料供給装置を前記開閉駆動から前記連続開弁駆動に切り替え、
前記燃料電池の要求燃料ガス量が開閉切替閾値を下回った場合に、前記第1燃料供給装置を前記連続開弁駆動から前記開閉駆動に切り替え、
前記開閉切替閾値は、前記連続切替閾値に比べて低い値に設定されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料ガス供給配管と前記前記燃料ガス循環配管との接続部には循環装置が設けられ、
前記開閉切替閾値は、前記第1燃料供給装置の前記連続開弁駆動により供給される燃料ガス量であ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。 - 前記連続切替閾値は、前記第1燃料供給装置の前記開閉駆動を制御可能なデューティー比の上限値において供給される燃料ガス量と、前記第2燃料供給装置の開閉駆動を制御可能なデューティー比の上限値において供給される燃料ガス量とを足してなる燃料ガス量であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記切替手段は、前記第1燃料供給装置による連続開弁駆動が所定時間継続した場合に、前記開閉駆動に切り替えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、
前記第1燃料供給装置を前記開閉駆動から前記連続開弁駆動に切り替える場合に、前記第2燃料供給装置による燃料ガスの供給量を減少させることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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