WO2007069484A1 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fuel cell system and a moving body.
- a fuel cell system equipped with a fuel cell that generates electric power by receiving supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) has been proposed and put into practical use.
- a fuel cell system is provided with a fuel supply passage for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source such as a hydrogen tank to the fuel cell.
- a pressure regulating valve that reduces this supply pressure to a certain value is generally provided in the fuel supply 5 flow path.
- a pressure regulating valve regulator
- the fuel gas supply pressure depends on the operating state of the system. Has been proposed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 20-4-13998-4;).
- the present invention has been made in view of such circumstances, and even when the load on the fuel cell changes suddenly, the pressure value of the fuel gas quickly follows the predetermined target pressure value. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system with excellent responsiveness.
- a fuel cell system comprises a fuel cell, a fuel supply system for supplying fuel gas to the fuel cell, and a gas state upstream of the fuel supply system.
- a fuel cell system comprising: an injector to be supplied to the downstream side; and a control means for driving and controlling the injector; and a state quantity detection means for detecting a state quantity of the fuel gas supplied to the fuel cell.
- the control means calculates a deviation between the target state quantity of the fuel gas supplied to the fuel cell and the dust emission state quantity of the fuel gas detected by the state quantity detection means, and this deviation is a predetermined threshold value.
- the feedback control that sets the operating state of the injector so as to reduce the deviation is realized in the following cases, while the full open control or full close control of the injector is performed when the deviation exceeds the threshold value. It is what is realized.
- “Gas state” means a gas state represented by flow rate, pressure, temperature, molarity, etc., and particularly includes at least one of gas flow rate and gas pressure.
- the “state quantity of fuel gas” is a physical quantity representing the state of the fuel gas, and means, for example, the value of the pressure or flow rate of the fuel gas.
- control means realizes full-injection control of the injector when the deviation exceeds a predetermined threshold value and the detected state quantity is smaller than the target state quantity, while the deviation exceeds the predetermined threshold value. When this is exceeded, and the detected state quantity is larger than the target state quantity, it is possible to realize full-closed control of the injector.
- control means sets a predetermined threshold used when switching between the feedback control and the full-open control or the full-close control, and periodically changes the state quantity of the fuel gas to be controlled. It is preferable to set a specific value to suppress.
- hunting state quantity of fuel gas to be controlled
- the moving body which concerns on this invention is provided with the said fuel cell system. According to such a configuration, even when the load on the fuel cell suddenly changes, the fuel cell system that can quickly follow the predetermined pressure value of the fuel gas is provided. Therefore, it is possible to provide a moving body having excellent responsiveness. According to the present invention, even when the load on the fuel cell is suddenly changed, the fuel gas pressure value can quickly follow the predetermined target pressure value and has excellent responsiveness.
- a battery system can be provided.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a control block diagram for explaining a control mode of the control device of the fuel cell system shown in FIG. '.
- FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation method of the fuel cell system shown in FIG.
- FIG. 4 is a time chart for explaining the time history of the hydrogen gas pressure value in the fuel cell system shown in FIG.
- FIG. 5 is a configuration diagram showing a modification of the fuel cell system shown in FIG.
- the fuel cell system 1 includes a fuel cell 10 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidized gas and fuel gas), and includes a fuel cell 10.
- An oxidizing gas piping system 2 for supplying air as an oxidizing gas, a hydrogen gas piping system 3 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 10, a control device 4 for integrated control of the entire system, and the like are provided.
- the fuel cell 10 has a stack structure in which a required number of unit cells that generate power upon receiving a reaction gas are stacked.
- the electric power generated by the fuel cell 10 is supplied to a PCU (Power Control Unit) 1 1.
- the PCU 11 includes an inverter, a DC-DC converter, and the like disposed between the fuel cell 10 and the traction motor 12. Further, the fuel cell 10 is provided with a current sensor 13 for detecting a current during power generation.
- the oxidizing gas piping system 2 includes: an air supply flow path 21 for supplying the oxidizing gas (air) humidified by the humidifier 20 to the fuel cell 10; and the oxidized off-gas discharged from the fuel cell 10
- An air discharge passage 2 2 that leads to the humidifier 2.0, and an exhaust passage 2 3 that guides the oxidant off-gas from the humidifier 21 to the outside.
- the air supply passage 21 is provided with a compressor 24 that takes in the oxidizing gas in the atmosphere and pumps it to the humidifier 20.
- the hydrogen gas piping system 3 includes a hydrogen tank 3.0 that stores high-pressure hydrogen gas, a hydrogen supply passage 3 1 for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10, and a fuel cell 1 And a circulation flow path 3 2 for returning the hydrogen off-gas discharged from 0 to the hydrogen supply flow path 31.
- the hydrogen gas distribution system 3 is an embodiment of the fuel supply system in the present invention.
- the hydrogen tank 30 has a reformer that generates a hydrogen rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, and a high pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high pressure state. Can also be adopted.
- a tank having a hydrogen storage alloy may be employed.
- the hydrogen supply flow path 3 1 is provided with a shut-off valve 3 3 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30, a regulator 3 4 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 3 5. It has been. Further, on the upstream side of the injector 35, there are provided a primary pressure sensor 41 and a temperature sensor 42 for detecting the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 31. In addition, on the downstream side of the injector 3 5 and upstream of the junction of the hydrogen supply flow path 3 1 and the circulation flow path 3 2, A secondary-side pressure sensor 4′3 for detecting the pressure of hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 31 is provided. The secondary pressure sensor 43 detects the state quantity (pressure) of hydrogen gas as the fuel gas, and functions as the state quantity detection means in the present invention.
- the regulator 34 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure.
- a mechanical pressure reducing valve for reducing the primary pressure is employed as the regulator 34.
- the mechanical pressure reducing valve has a housing in which a back pressure chamber and a pressure regulating chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is adjusted to a predetermined pressure in the pressure regulating chamber by the back pressure in the back pressure chamber.
- a known configuration can be adopted in which the pressure is reduced to a secondary pressure.
- FIG. 1 by arranging two regulators 34 on the upstream side of the injector 35, the upstream pressure of the injector 35 can be effectively reduced.
- the design freedom of the mechanical structure of the injector 35 (valve body, housing, flow path, driving device, etc.) can be increased.
- the valve body of the injector 3'5 moves due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector 35. Can be suppressed. Accordingly, it is possible to widen the adjustable pressure range of the downstream side pressure of the injector 35 and to suppress the decrease in the responsiveness of the injector 35.
- the injector 35 is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly at a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. is there.
- the injector 35 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as hydrogen gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow with respect to the nozzle body). And a valve body that is accommodated and held movably in a direction) to open and close the injection hole.
- the valve body of the indicator 35 is an electromagnetic drive device.
- the opening area of the injection hole can be switched between two stages or multiple stages by turning on and off the pulsed excitation current that is driven by the solenoid and fed to the solenoid.
- the indicator 35 is a valve (valve body and valve seat) that directly opens and closes with an electromagnetic driving force, and has a high responsiveness because its driving cycle can be controlled to a highly responsive region.
- Injector 35 is configured to change at least one of the opening area (opening) and the opening time of the valve provided in the gas flow path of injector 35 in order to supply the required gas flow rate downstream. Adjust the gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the downstream side (fuel cell 10 side). Injector
- the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve body of 3 and the gas pressure supplied downstream of the injector 3 5 is depressurized from the gas pressure upstream of the injector 3 5. It can also be interpreted as a (regulator). Further, in the present embodiment, it is possible to change the pressure adjustment amount (pressure reduction amount) of the upstream gas pressure of the injector 35 so as to match the required pressure within a predetermined pressure range in accordance with the gas demand. It can also be interpreted as a modulated pressure valve.
- an indicator 35 is disposed upstream of the junction A 1 between the hydrogen supply flow path 31 and the circulation flow path 32.
- the hydrogen gas supplied from each hydrogen tank 30 is joined (hydrogen gas joining part A 2) Place the indicator 35 on the downstream side.
- An exhaust flow path 3 8 is connected to the circulation flow path 3 2 via a gas-liquid separator 3 6 and an exhaust drain valve 3 7.
- the gas-liquid separator 36 recovers moisture from the hydrogen off gas.
- the exhaust drain valve 3 7 is activated by a command from the control device 4.
- the circulation flow path 32 is provided with a hydrogen pump 39 that pressurizes the hydrogen off gas in the circulation flow path 32 and sends it to the hydrogen supply flow path 31 side.
- the hydrogen off-gas discharged through the exhaust drain valve 3 7 and the discharge flow path 3 8 is diluted by the diluter 40 and joined with the oxidizing off gas in the exhaust flow path 23. .
- the control device 4 detects the amount of operation of an operating member for acceleration (accelerator, etc.) provided in the fuel cell vehicle S, and requests an acceleration request value (for example, required power generation amount from a load device such as the traction motor 12). Control the operation of various devices in the system.
- the load device is an auxiliary device necessary for operating the fuel cell 10 (for example, compressor 24, hydrogen pump 39, cooling pump motor, etc.), fuel Electricity consuming devices including actuators used in various devices (transmissions, wheel control devices, steering devices, suspension devices, etc.) involved in the running of battery vehicle S, air conditioning devices (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, etc. Is a generic term.
- the control device 4 is configured by a computer system (not shown).
- a computer system includes a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, and the like.
- Various control programs recorded in the ROM are read and executed by the CPU, and various controls are performed. Operation is realized.
- the control device 4 determines the fuel cell 1 based on the operating state of the fuel cell 10 (the current value during power generation of the fuel cell 10 detected by the current sensor 13).
- the flow rate of hydrogen gas consumed at 0 (hereinafter referred to as “hydrogen consumption”) is calculated (fuel consumption calculation function: B 1).
- the control device 4 calculates a target pressure value at the downstream position of the injector 35 of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 based on the operating state of the fuel cell 10 (target pressure value calculation function: B 2).
- the target pressure value is calculated using a specific map representing the relationship between the current value of the fuel cell 10 and the 'target pressure value.
- the target pressure value calculated by the control device 4 is an embodiment of the target state quantity in the present invention.
- control device 4 calculates the deviation between the calculated target pressure value and the pressure value (detected pressure value) at the downstream position of the injector 35 detected by the secondary side pressure sensor 4 3.
- value predetermined threshold determining whether a (delta [rho ⁇ [rho 2 4) below (deviation judgment function: beta 3). Then, when the absolute value of the deviation is equal to or less than a predetermined threshold value, the control device 4 calculates a feedback correction flow rate for reducing this difference (feedback correction flow rate calculation function:... 4).
- the feedback correction flow rate is a hydrogen gas flow rate that is added to the hydrogen consumption in order to reduce the absolute value of the deviation between the target pressure value and the detected pressure value.
- the feedback correction flow rate is calculated using a target tracking control law such as ⁇ I control. '
- the invalid injection time means the time required from when the injector 35 receives the control signal from the control device 4 until the actual injection is started.
- the invalid injection time is calculated using a specific map representing the relationship between the pressure and temperature of the hydrogen gas upstream of the indicator 35, the applied voltage, and the invalid injection time.
- the control device 4 calculates the injection flow rate of the indicator 35 by adding the hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate (injection flow rate calculation function: B 7). Then, the control device 4 calculates the actual injection time of the injector 35 by multiplying the value obtained by dividing the injection flow rate of the injector 35 by the static flow rate by the drive cycle of the injector 35, and also calculates this basic injection time.
- the drive cycle means a stepped (on / off) waveform cycle representing the open / close state of the injection hole of the injector 35.
- the drive period is set to a constant value by the control device 4.
- control device 4 controls the gas injection time and the gas injection timing of the indicator 35 by outputting a control signal for realizing the total injection time of the indicator 35 calculated through the above procedure, Adjust the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 10. That is, the control device 4 realizes feedback control for reducing the deviation when the absolute value of the deviation is not more than a predetermined threshold value.
- control device 4 controls the full opening control of the indicator 35 or the actuator 35 when the absolute value of the deviation between the target pressure value and the detected pressure value exceeds a predetermined threshold value ( ⁇ . ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 : Fig. 4). Realize fully closed control. Full-open 'Full-closed control is so-called open-loop control, and the opening of the injector 35 is kept fully open and fully closed until the absolute value of the deviation between the target pressure value and the detected pressure value falls below a predetermined threshold. Is.
- control device 4 fully opens the indicator 3 5 when the absolute value of the deviation exceeds a predetermined threshold ( ⁇ ,,) and the detected pressure value is smaller than the target pressure value.
- a control signal for continuous injection is output and adjusted so that the flow rate and pressure of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 are maximized (fully open control function: ⁇ 9).
- the control device 4 is a case where the absolute value of the deviation exceeds a predetermined threshold value ( ⁇ ⁇ 2 ), and the detected pressure value is larger than the target pressure value.
- a control signal for fully closing the injector 35 ie, stopping the injection
- the control device 4 uses a predetermined threshold value ( ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 ) used when switching from feedback control to full-open 'full-closed control in the deviation judgment function B 3 It is set to a specific value that suppresses the phenomenon in which the pressure of a certain hydrogen gas fluctuates periodically. That is, if the threshold value used in the deviation determination is too small, hunting is likely to occur because the feedback control is switched to the fully open / closed control with a relatively small deviation. In order to prevent such a situation, the feedback control is maintained until the deviation becomes relatively large, and when the deviation becomes relatively large, a specific value that can be switched from the feedback control to the fully open and fully closed control is deviated. Adopted as a threshold for judgment. Such a specific value can be appropriately set according to the characteristics of the injector 35.
- the control device 4 of the fuel cell system 1 uses the current sensor 13 to detect the current value during power generation of the fuel cell 10 (current detection process: S 1). Further, the control device 4 calculates a target pressure value of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 based on the current value detected by the current sensor 13 (target pressure). At the same time as the force value calculation step: S 2), the pressure value downstream of the injector 35 is detected using the secondary pressure sensor 43 (pressure value detection step: S 3). Then, the control device 4 calculates a deviation ⁇ between the target pressure value calculated in the target pressure value calculation step S 2 and the pressure value (detected pressure value) detected in the pressure value detection step S 3 (deviation calculation). Process: S 4).
- the control device 4 determines whether or not the absolute value of the deviation ⁇ P calculated in the deviation calculation step S4 is equal to or less than a first threshold ⁇ (first deviation determination step: S5).
- the first threshold value is a threshold value for switching between feedback control and full-open control when the detected pressure value is smaller than the target pressure value.
- the control device 4 proceeds to a second deviation determination step S6 described later.
- control device 4 when it is determined that the absolute value of the deviation ⁇ between the target pressure value and the detected pressure value exceeds the first threshold value ⁇ P, the control device 4 fully opens the indicator 35 (continuous injection). Is adjusted so that the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 are maximized (fully open control process: S 8) 0
- the control device 4 proceeds to a feedback control step S7 described later.
- the control device 4 fully closes the indicator 35 (injection stop) To adjust the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 to a minimum (fully closed control step: S 9).
- the control device 4 calculates the flow rate of hydrogen gas (hydrogen consumption) consumed by the fuel cell 10 based on the current value detected by the current sensor 13. Further, the control device 4 is based on the deviation ⁇ ⁇ between the target pressure value calculated in the target pressure value calculation step S 2 and the detected pressure value of the indicator 3 5 downstream detected by the secondary pressure sensor 4 3. To calculate the feedback correction flow rate.
- the feedback correction flow rate is a hydrogen gas flow rate added to the hydrogen consumption amount in order to reduce the absolute value of the deviation ⁇ ⁇ between the target pressure value and the detected pressure value. Then, the control device 4 calculates the injection flow rate of the injector 35 by adding the calculated hydrogen consumption amount and the feedback correction flow rate.
- control device 4 is based on the pressure of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the primary side sensor 41 and the temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the temperature sensor 42. Calculate the static flow upstream of the injector 3 5. Then, the control device 4 calculates the basic injection time of the indicator 35 by multiplying the value obtained by dividing the injection flow rate of the indicator 35 by the static flow rate by the drive cycle.
- control device 4 includes the pressure of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the primary pressure sensor 41, the temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35 detected by the temperature sensor 42, and the applied voltage. Based on, the invalid injection time of the injector 35 is calculated, and the total injection time of the injector 35 is calculated by adding the invalid injection time and the basic injection time of the injector 35. So After that, the control device 4 controls the gas injection time and the gas injection time of the injector 3 5 by outputting a control signal related to the calculated total injection time of the injector 3 5. Adjust the flow rate and pressure of hydrogen gas supplied to zero. By repeating the above process group and adjusting the pressure, the detected pressure value can be brought close to the target pressure value.
- the time chart of FIG. 4 shows the time history of the detected pressure value of the fuel cell system 1 according to this embodiment (the pressure value on the downstream side of the indicator 35 detected using the secondary pressure sensor 43). It is.
- the detected pressure value is smaller than the target pressure value, and the absolute value of the deviation ⁇ ⁇ between the target pressure value and the detected pressure value is from the threshold value ⁇ ⁇ . Since it is large, the control device 4 realizes full opening control of the injector 3 5. As a result, the detected pressure value approaches the target pressure value rapidly, and the absolute value of the deviation ⁇ decreases rapidly. Then, when the absolute value of the deviation ⁇ is equal to or less than the threshold value ' ⁇ , the control device 4 switches from the fully open control to the feedback control. As a result, the change speed of the detected pressure value is reduced.
- the control device 4 After that, when the detected pressure value becomes larger than the target pressure value, and the absolute value of the deviation ⁇ ⁇ between the target pressure value and the detected pressure ⁇ S becomes larger than the threshold value ⁇ ⁇ ⁇ 2 , the control device 4 provides feedback. Switch from control to fully closed control. As a result, the detected pressure value rapidly approaches the target pressure value, and the absolute value of the deviation ⁇ decreases rapidly. Then, the control unit 4, when the absolute value of the deviation delta [rho becomes a threshold delta [rho 2 below, switch to Fi one Dobakku control from the fully closed control. In this way, by switching between feedback control and full-open / full-close control according to the deviation ⁇ , the detected pressure value can be quickly converged to the target pressure value.
- the absolute value of the deviation ⁇ ⁇ between the target pressure value of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 and the detected pressure value is a predetermined threshold value ( ⁇ ⁇ ,, ⁇ ⁇ 2 ) Normal feedback control if
- ⁇ ⁇ ,, ⁇ ⁇ 2 a predetermined threshold value
- full open control or full close control of the injector .35 can be realized. Therefore, the detected pressure value can be quickly adjusted to the target pressure value even during start-up or intermittent operation when the load on the fuel cell 10 changes abruptly and the deviation ⁇ P between the target pressure value and the detected pressure value increases. You can approach (improve responsiveness).
- the fuel cell system 1 since the fully open control of the injector 35 can be realized, the low-temperature hydrogen gas released from the hydrogen tank 30 is made to be fully opened P. Heat can be generated by the heated indicator 3 5. Therefore, since the temperature difference between the hydrogen gas present in the fuel cell 10 and the hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 can be reduced, the deterioration of the fuel cell 10 can be suppressed. It becomes possible.
- the control device 4 sets a predetermined threshold ( ⁇ P 2 ) adopted when switching between the feedback control and the fully open / closed control. It is set to a specific value (a value that suppresses periodic fluctuations in the pressure of the hydrogen gas being controlled). Therefore, it is possible to suppress hunting from occurring when switching from feedback control to full-open / full-closed control or from full-open / full-closed control to feedback control.
- the fuel cell vehicle s (moving body) according to the present embodiment causes the pressure value of hydrogen gas to quickly follow a predetermined target pressure value even when the load on the fuel cell 10 changes suddenly. Since the fuel cell system 1 is provided, it has excellent responsiveness.
- the example in which the hydrogen pump 39 is provided in the circulation flow path 32 has been described, but an ejector may be employed instead of the hydrogen pump 39.
- an example in which the exhaust / drain valve 3 7 for realizing both exhaust and drainage is provided in the circulation flow path 3 2 is shown.
- the water content recovered by the gas-liquid separator 3 6 is shown. It is also possible to separately provide a drain valve for discharging the gas to the outside and an exhaust valve for discharging the gas in the circulation channel 3 2 to the outside, and the exhaust valve can be controlled by the control device 4 ′.
- the secondary pressure sensor 4 3 is arranged at the downstream position of the injector 3 5 of the hydrogen supply flow path 3 1 of the hydrogen gas piping system 3 and the pressure at this position is adjusted (predetermined)
- An example is shown in which the operating state of the injector 35 is set so that it approaches the target pressure value.
- the position of the secondary pressure sensor is not limited to this.
- a secondary pressure sensor can also be placed in the vicinity (on the circulation channel .3 2).
- a map in which the target pressure value at each position of the secondary side pressure sensor is recorded is created in advance, and the target pressure value recorded in this map and the pressure value (detected pressure) detected by the secondary side pressure sensor are recorded. Value) and the feedback correction flow rate is calculated based on.
- the shutoff valve 3 3 and the regulator 34 are provided in the hydrogen supply flow path 31.
- the indicator 35 has a function as a variable pressure control valve.
- the current value during power generation of the battery cell 10 is detected, and the target pressure value and the hydrogen gas consumption flow rate are calculated based on this current value to perform feedback control.
- other physical quantities indicating the operating state of the fuel cell 10 are detected, and the detected physical quantity It is also possible to perform feedback control according to the conditions.
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Abstract
燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、インジェクタを駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システム1である。燃料電池に供給される燃料ガスの状態量を検出する状態量検出手段を備え、制御手段は、燃料電池に供給される燃料ガスの目標状態量と、状態量検出手段によって検出された燃料ガスの検出状態量と、の偏差を算出し、偏差が所定の閾値以下である場合にフィードバック制御を実現させる一方、偏差が閾値を超える場合にインジェクタの全開制御又は全閉制御を実現させる。
Description
明細書 燃料電池システム及び移動体
5 技術分野
. 本発明は、 燃料電池システム及び移動体に関する。 背景技術
現在、 反応ガス (燃料ガス及び酸化ガス) の供給を受けて発電を行う燃料 0 電池を備えた燃料電池システムが提案され、 実用化されている。 かかる燃料 ' . 電池システムには、 水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃 料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。
ところで、燃料供給源からの燃 ガスの供給圧力がきわめて高い場合には、 ' この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁 (レギユレータ) が燃料供給 5 流路に設けられるのが一般的である。 現在においては、 燃料ガスの供給圧力 を例えば 2段階に変化させる機械式の可変調圧弁 (可変レギユレータ) を燃 料供給流路に設けることにより、 システムの運転状態に応じて燃料ガスの供 給圧力を変化させる技術が提案されている (例えば、 特開 2 0ひ 4— 1 3 9 9 8 4号公報参照。 ;) 。
0 また、 近年においては、 燃料供給流路にインジェクタ及び圧力センサを配 置し、 燃料ガスの供給圧力の所定の目標値 (目標圧力値) と、 圧力センサで 検出した値 (検出圧力値) と、 の偏差を低減させるようにインジェクタの作 動状態を制御する調圧フィ一ドバック制御技術の開発が進められている。 5 発明の開示
しかし、 前記公報に記載されているような従来の機械式の可変調圧弁は、 その構造上、 燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である (す なわち応答性が低い) 上に、 目標圧力を多段階にわたって変化させるような 高精度な調圧が不可能であった。 また、 前記したインジェクタを用いた調圧 フィードバック制御技術を採用するだけでは、燃料電池への負荷(発電要求) .が急激に変化したような場合に、 燃料ガスの圧力値を目標圧力値に迅速に追 従させることが困難であった。
本発明は、'かかる事情に鑑みてなされた''ものであり、 燃料電池への負荷が 急激に変化したような場合においても、 燃料ガスの圧力値を所定の目標圧力 値に迅速に追従させることが可能な応答性に優れた燃料電池システムを提供 , することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、 , この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、 この燃料供給系の 上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、 このインジ ェクタを駆動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、 燃 料電池に供給される燃料ガスの状態量を検出する状態量検出手段を備え、 制 御手段は、 燃料電池に供給される燃料ガスの目標状態量と、 状態量検出手段 によって検出された燃料ガスの.埃出状態量と、 の偏差を算出し、 この偏差が 所定の閾値以下である場合に偏差を低減させるようにインジヱクタの作動状 態を設定するフィードバッグ制御を実現させる一方、 偏差が閾値を超える場 合にィンジェクタの全開制御又は全閉制御を実現させるものである。
かかる構成によれば、 燃料電池に供給される燃料ガスの目標状態量と検出 状態量との偏差が所定の閾値以下である場合に通常のフィ一ドバック制御を 実現させる一方、 偏差がこの閾値を超える場合にインジェクタの全開制御又 は全閉制御を実現させることができる。 従って、 燃料電池への負荷が急激に 変化して目標状態量と検出状態量との偏差が大きくなる起動時や間欠運転時
(発電量が大きく変化する場合) においても、 検出状態量を目標状態量に迅 速に近付ける (応答性を向上させる) ことができる。 なお、 「ガス状態」 と は、 流量、 圧力、 温度、 モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、 特にガ ス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。 また、 「燃料ガス の状態量」 どは、 燃料ガスの状態を表す物理量であり、 例えば燃料ガスの圧 力や流量の値を意味する。
前記燃料電池システムにおいて、 制御手段は、 偏差が所定の閾値を超えた 場合であって目標状態量よりも検出状態量が小さい場合にインジェクタの全 開制御を実現させる一方、 偏差が所定の閾値を超えた場合であって目標状態 量よりも検出状態量が大きい場合にインジ クタの全閉制御を実現させるこ とができる。
また、 前記燃料電池システムにおいて、 制御手段は、 フィードバック制御 と全開制御又は全閉制御との切換えの際に使用される所定の閾値を、 制御対 象である燃料ガスの状態量の周期的変動を抑制するような特定値に設定する ことが好ましレ、。
このようにすることにより、 フィードバック制御から全開 ·全閉制御への 切換えの.際や、 全開 ·全閉制御からフィードバック制 ίίΡへの切換えの際にハ ンチング (制御対象である燃料ガスの状態量が周期的に変動する現象) が発 生することを抑制することができる。
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。 かかる構成によれば、 燃料電池への負荷が急激に変化したような場合にお いても、 燃料ガスの圧力値を所定の目標圧力値に迅速に追従させることが可 能な燃料電池システムを備えているため、 優れた応答性を有する移動体を提 供することができる。
本発明によれば、 燃料電池への負荷が急激に変ィヒしたような場合において も、 燃料ガスの圧力値を所定の目標圧力値に迅速に追従させることが可能な 応答性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
図 2は、 図 1に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明する ための制御ブロック図である。 '.
図 3は、 図 1に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフロ 一チャートである。
図 4は、 図 1に示した燃料電池システムにおける水素ガスの圧力値の時間 履歴を説^するためのタイムチャートである。
図 5は、 図 1に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
発明を実施するための最良の形態
'以下、 図面を参照して、 本発明の実施形態に係る燃料電池システム 1につ いて説明.する。 本実施形態においては、 本発明を燃 電池車両 s (移動体) の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
まず、 図 1及び図 2を用いて、 本発明の実施形態に係る燃料電池システム 1の構成について説明する。 '
本実施形態に係る燃料電池システム 1は、図 1に示すように、反応ガス(酸 化ガス及び燃料ガス) の供給を受けて電力を発生する燃料電池 1 0を備える とともに、 燃料電池 1 0に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系 2、燃料電池 1 0に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系 3、 システム全体を統合制御する制御装置 4等を備えている。
燃料電池 1 0は、 反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層し て構成したスタック構造を有している。燃料電池 1 0により発生した電力は、 P C U (Power Contro l Un i t) 1 1に供給される。 P C U 1 1は、 燃料電池 1 0と トラクションモータ 1 2との間に配置されるインバータゃ D C - D C コンバータ等を備えている。 また、 燃料電池 1 0には、 発電中の電流を検出 .する電流センサ 1 3が取り付けられている。
酸化ガス配管系 2は、 .加湿器 2 0により加湿された酸化ガス (空気) を燃 料電池 1 0に供給する空気供給流路 2 1と; 燃料電池 1 0から排出された酸 化オフガスを加湿器 2. 0に導く空気排出流路 2 2と、 加湿器 2 1から外部に 酸化オフガスを導くための排気流路 2 3と、 を備えている。 空気供給流路 2 1には、 大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器 2 0に圧送するコンプレッサ 2 4が設けられている。
水素ガス配管系 3は、 高圧の水素ガスを貯留した水素タンク 3 .0と、 水素 ' タンク 3 0の水素ガスを燃料電池 1 0に供給するための水素供給流路 3 1と、 燃料電池 1 0から排出された水素オフガスを水素供給流路 3 1に戻すための 循環流路 3 2と、 を備えている。 水素ガス配^ =系 3は、 本発明における燃料 供給系の.一実施形態である。 なお、 水素タンク 3 0 ィ弋えて、 炭化水素系の 燃料から水素リツチな改質ガスを生成する改質器と、 この改質器で生成した 改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと; を採用することもで きる。 また、 水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。
水素供給流路 3 1には、 水素タンク 3 0からの水素ガスの供給を遮断又は 許容する遮断弁 3 3と、 水素ガスの圧力を調整するレギユレータ 3 4と、 ィ ンジェクタ 3 5と、 が設けられている。 また、 インジェクタ 3 5の上流側に は、 水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧カセ ンサ 4 1及び温度センサ 4 2が設けられている。 また、 インジェクタ 3 5の 下流側であって水素供給流路 3 1と循環流路 3 2との合流部の上流側には、
水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ 4 '3が設 けられている。 二次側圧力センサ 4 3は、 燃料ガスとしての水素ガスの状態 量 (圧力) を検出するものであり、 本発明における状態量検出手段として機 能する。
レギユレータ 3 4は、 その上流側圧力 (一次圧) を、 予め設定した二次圧 に調圧する装置である。 本実施形態においては、 一次圧を減圧する機械式の 減圧弁をレギユレータ 3 4として採用している。 機械式の減圧弁の構成とし ては、 背圧室と調圧室とがダイアフラム 隔てて形成された筐体を有し、 背 圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする 公知の構成を採用することができる。 本実施形態においては、 図 1に示すよ うに、 インジェクタ 3 5の上流側にレギユレータ 3 4を 2個配置することに より、 インジヱクタ 3 5の上流側圧力を効果的に低減させることができる。 このため、 インジ二クタ 3 5の機械的構造 (弁体、 筐体、 流路、 駆動装置等) の設計自由度を高めることができる。 また、 インジ-クタ 3 5の上流側圧力 を低減させることができるので、 インジェクタ 3 5·の上流側圧力と下流側圧 力との差圧の増大に起因してインジヱクタ 3 ' 5の弁体が移動し難くなること を抑制す.ることができる。 従って、 インジェクタ 3 5.の下流側圧力の可変調 圧幅を広げることができるとともに、 インジェクタ 3 5の応答性の低下を抑 制することができる。
インジェクタ 3 5は、 弁体.を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動 して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能 な電磁駆動式の開閉弁である。 インジェクタ 3 5は、 水素ガス等の気体燃料 を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、 その気体燃料を噴射孔ま で供給案内するノズルボディと、 このノズルボディに対して軸線方向 (気体 流れ方向) に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、 を備えてい る。 本実施形態においては、 インジヱクタ 3 5の弁体は電磁駆動装置である
ソレノィ ドにより駆動され、 このソレノィ ドに給電されるパルス状励磁電流 のオン ·オフにより、 噴射孔の開口面積を 2段階又は多段階に切り替えるこ とができるようになっている。 制御装置 4から出力される制御信号によって インジヱクタ 3 5のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、 水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジヱクタ 3 5は、弁(弁 体及び弁座) を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、 その駆動周期が 高応答の領域まで制御可能であるため、 高い応答性を有する。
インジェクタ 3 5は、 その下流に要求されるガス流量を供給するために、 インジェクタ 3 5のガス流路に設けられた弁体の開口面積 (開度) 及び開放 時間の少なくとも一方を変更することにより、 下流側 (燃料電池 1 0側) に 供給されるガス流量 (又は水素モル濃度) を調整する。 なお、 インジェクタ
3 5の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、 インジェクタ 3 5 下流に供給されるガス圧力がィンジェクタ 3 5上流のガス圧力より減圧され るため、 インジェクタ 3 5を調圧弁 (減圧弁、 レギユレータ) と解釈するこ ともできる。. また、 本実施形態では、 ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中 で要求圧力に一致するようにィンジェクタ 3 5の上流ガス圧の調圧量 (減圧 量) を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈する.こともできる。
なお、 本実施形態においては.、 図 1に示すように、 水素供給流路 3 1と循 環流路 3 2との合流部 A 1より上流側にインジヱクタ 3 5を配置している。 また、 図 1に破線で示すように、 燃料供給源として複数の水素タンク 3 0を 採用する場合には、 各水素タンク 3 0から供給される水素ガスが合流する部 分 (水素ガス合流部 A 2 ) よりも下流側にインジ工クタ 3 5を配置するよう にする。
循環流路 3 2には、 気液分離器 3 6及び排気排水弁 3 7を介して、 排出流 路 3 8が接続されている。 気液分離器 3 6は、 水素オフガスから水分を回収 するものである。 排気排水弁 3 7は、 制御装置 4からの指令によって作動す
ることにより、 気液分離器 3 6で回収した水分と、 循環流路 3 2内の不純物 を含む水素オフガスと、 を.外部に排出 (パージ) するものである。 また、 循 環流路 3 2には、 循環流路 3 2内の水素オフガスを加圧して水素供給流路 3 1側へ送り出す水素ポンプ 3 9が設けられている。 なお、 排気排水弁 3 7及 び排出流路 3 8を介して排出される水素オフガスは、 希釈器 4 0によって希 釈されて排気流路 2 3内の酸化オフガスと合流するようになっている。
制御装置 4は、 燃料電池車両 Sに設けられた加速用の操作部材 (アクセル 等) の操作量を検出し、 加速要求値 (例えばトラクシヨンモータ 1 2等の負 荷装置からの要求発電量) 等の制御情報を受けて、 システム内の各種機器の 動作を制御する。 なお、 負荷装置とは、 トラクシヨンモータ 1 2のほかに、 燃料電池 1 0を作動させるために必窭な補機装置(例えばコンプレッサ 2 4、 水素ポンプ 3 9、 冷却ポンプのモータ等) 、 燃料電池車両 Sの走行に関与す る各種装置 (変速機、 車輪制御装置、 操舵装置、 懸架装置等) で使用される ァクチユエータ、 乗員空間の空調装置 (エアコン) 、 照明、 オーディオ等を 含む電力消費装置を総称したものである。
制御装置 4は、 図示していないコンピュータシステムによって構成されて いる。 かかるコンピュータシステムは、 C P U、 R OM, R AM、 H D D , 入出力ィンタフエース及びディスプレイ等を備えるものであり、 R OMに記 録された各種制御プログラムを C P Uが読み込んで実行することにより、 各 種制御動作が実現されるようになっている。
具体的には、 制御装置 4は、 図 2に示すように、 燃料電池 1 0の運転状態 (電流センサ 1 3で検出した燃料電池 1 0の発電時の電流値) に基づいて、 燃料電池 1 0で消費される水素ガスの流量 (以下 「水素消費量」 という) を 算出する (燃料消費量算出機能: B 1 ) 。 また、 制御装置 4は、 燃料電池 1 0の運転状態に基づいて、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスのインジェク タ 3 5下流位置における目標圧力値を算出する(目標圧力値算出機能: B 2 )。
本実施形態においては、 燃料電池 1 0の電流値と'目標圧力値との関係を表す 特定のマップを用いて目標圧力値を算出している。 制御装置 4が算出する目 標圧力値は、 本発明における目標状態量の一実施形態である。
また、 制御装置 4は、 算出した目標圧力値と、 二次側圧力センサ 4 3で検 出したインジェグタ 3 5下流位置の圧力値 (検出圧力値) と、 の偏差を算出 し、 この偏差の絶対値が所定の閾値 (Δ Ρ ^ 厶 Ρ 2 :図 4 ) 以下であるか否 かを判定する (偏差判定機能: Β 3 ) 。 そして、 制御装置 4は、 偏差の絶対 値が所定の閾値以下である場合に、 この ίΐ差を低減させるためのフィードバ ック補正流量を算出する (フィードバック補正流量算出機能: . Β 4 ) 。 フィ ードバック補正流量は、 目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値を低減さ せるために水素消費量に加算される水素ガス流量である。 本実施形態におい ては、 Ρ I制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算 出している。 '
また、 制御装置 4は、 インジェクタ 3 5の上流のガス状態 (一次側圧カセ ンサ 4 1で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ.4 2で検出した水素ガス の温度) に基づいてインジェクタ 3 5の上流の静的流量を算出する (静的流 量算出機能: Β 5 ) 。 本実施形態においては、 インジヱクタ 3 5の上流側の 水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて静 的流量を算出している。 また、 制御装置 4は、 インジ'ェクタ 3 5の上流のガ ス状態及び印加電圧に基づいてインジェクタ 3 5の無効噴射時間を算出する (無効噴射時間算出機能: Β 6 ) 。 ここで無効噴射時間とは、 インジュクタ 3 5が制御装置 4から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要 する時間を意味する。 本実施形態においては、 インジヱクタ 3 5の上流側の 水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマ ップを用いて無効噴射時間を算出している。
また、 制御装置 4は、 水素消費量とフィードバック補正流量とを加算する ことにより、 インジ: クタ 3 5の噴射流量を算出する (噴射流量算出機能: B 7 ) 。 そして、 制御装置 4は、 インジェクタ 3 5の噴射流量を静的流量で 除した値にインジェクタ 3 5の駆動周期を乗じることにより、 インジェクタ 3 5の ¾本噴射時間を算出するとともに、 この基本噴射時間と無効噴射時間 とを加算してインジェクタ 3 5の総噴射時間を算出する (総噴射時間算出機 能: B 8 ) 。 ここで、 駆動周期とは、 インジェクタ 3 5の噴射孔の開閉状態 を表す段状 (オン ·オフ) 波形の周期を意味する。 本実施形態においては、 制御装置 4により駆動周期を一定の値に設定している。
そして、 制御装置 4は、 以上の手順を経て算出したインジヱクタ 3 5の総 噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、 インジヱクタ 3 5のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、 燃料電池 1 0に供給され る水素ガスの流量及び圧力を調整する。 すなわち、 制御装置 4は、 偏差の絶 対値が所定の閾値以下である場合に、 この偏差を低減させるためのフィード バック制御を実現させる。
また、 制御装置 4は、 目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の 閾値 (Δ .Ρ ^ Δ Ρ 2 :図 4 ) を超える場合に、 インジ ,クタ 3 5の全開制御 又は全閉制御を実現させる。 全開 '全閉制御とは、 いわゆるオープンループ 制御であり、 目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値以下と なるまでインジェクタ 3 5の開度を全開 ·全閉に維持するものである。
具体的には、 制御装置 4は、 偏差の絶対値が所定の閾値 (Δ Ρ ,) を超えた 場合であって、 目標圧力値よりも検出圧力値が小さい場合に、 インジヱクタ 3 5を全開させる (すなわち連続噴射させる) ための制御信号を出力して、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整 する (全開制御機能: Β 9 ) 。 一方、 制御装置 4は、 偏差の絶対値が所定の 閾値 (Δ Ρ 2) を超えた場合であって、 目標圧力値よりも検出圧力値が大きい
場合に、 インジヱクタ 3 5を全閉させる (すなわち噴射停止させる) ための 制御信号を出力して、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスの流量及び圧力が 最小になるように調整する (全閉制御機能: B 1 0 ) 。
なお、 制御装置 4は、 偏差判定機能 B 3においてフィードバック制御から 全開 '全閉制御への切換えの際に使用される所定の閾値 (Δ Ρ ^ Δ Ρ 2) を、 ノ、ンチング (制御対象である水素ガスの圧力が周期的に変動する現象) を抑 制するような特定値に設定する。 すなわち、 偏差判定の際に使用される閾値 が小さすぎると、 偏差が比較的小さい状態でフィードバック制御から全開 · 全閉制御に切り換わってしまうため、 ハンチングが発生し易くなる。 このよ うな事態を防ぐために、 偏差が比較的大きくなるまでフィードバック制御を 維持させ、 偏差が比較的大きくなつた場合にフィードバック制御から全開 ' 全閉制御へと切り換えることができるような特定値を偏差判定の際の閾値と して採用する。 かかる特定値は、'インジェクタ 3 5の特性に応じて適宜設定 することができる。
続いて、 図 3のフローチャート及び図 4のタイムチャートを用いて、 本実 施形態に係る燃料電池システム 1の運転方法について説明する。
燃料電池システム 1の運転時においては、 水素タ ク 3 0から水素ガスが 水素供給流路 3 1を介して燃料.電池 1 0の燃料極に供給されるとともに、 加 湿調整された空気が空気供給流路 2 1を介して燃料電池 1 0の酸化極に供給 されることにより、 発電が行われる。 この際、 燃料電池 1 0から引き出すベ き電力 (要求電力) が制御装置 4で演算され、 その発電量に応じた量の水素 ガス及び空気が燃料電池 1 0内に供給されるようになっている。
かかる運転時において、 燃料電池システム 1の制御装置 4は、 電流センサ 1 3を用いて燃料電池 1 0の発電時における電流値を検出する (電流検出ェ 程: S 1 ) 。 また、 制御装置 4は、 電流センサ 1 3で検出した電流値に基づ いて、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスの目標圧力値を算出する (目標圧
力値算出工程: S 2) とともに、 二次側圧力センサ 43を用いてインジェク タ 35の下流側の圧力値を検出する (圧力値検出工程: S 3) 。 そして、 制 御装置 4は、 目標圧力値算出工程 S 2で算出した目標圧力値と、 圧力値検出 工程 S 3で検出した圧力値 (検出圧力値) と、 の偏差 ΔΡを算出する (偏差 算出工程: S 4) 。
. 次いで、制御装置 4は、偏差算出工程 S 4で算出した偏差△ Pの絶対値が、 第 1の閾値 ΔΡ,以下であるか否かを判定する (第 1偏差判定工程: S 5)。 第 1の閾値 は、 図 4に示すように、 目標圧力値より検出圧力値が小さ レ、場合においてフィ一ドバック制御と全開制御との切換えを行うための閾値 である。 制御装置 4は、 目標圧力値と検出圧力値との偏差 ΔΡの絶対値が第 1の閾値 ΔΡ,以下であると判定した場合に、 後述する第 2偏差判定工程 S 6に移行する。 一方、 制御装置 4は、 目標圧力値と検出圧力値との偏差 ΔΡ の絶対値が第 1の閾値 Δ P,を超えるものと判定した場合に、 インジヱクタ ' 35を全開させる (連続噴射させる) ための制御信号を出力して、 燃料電池 10に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する (全 開制御工程: S 8) 0
制御装置 4は、 第 1偏差判定工程 S 5で目標圧力値と検出圧力値との偏差 Δ Pの絶対値が第 1の閾値△ 以下であると判定した場合に、 偏差算出ェ 程 S 4で算出した偏差 ΔΡの絶対値が、 第 2の閾値 ΔΡ2以下であるか否か を判定する (第 2偏差判定工程: S 6) 。 第 2の閾値 ΔΡ2は、 図 4に示す ように、 目標圧力値より検出圧力値が大きい場合においてフィードバック制 御と全閉制御との切換えを行うための閾値である。 制御装置 4は、 目標圧力 値と検出圧力値との偏差 ΔΡの絶対値が第 2の閾値 ΔΡ2以下であると判定 した場合に、 後述するフィードバック制御工程 S 7に移行する。 一方、 制御 装置 4は、目標圧力値と検出圧力値との偏差 ΔΡの絶対値が第 2の閾値 ΔΡ 2を超えるものと判定した場合に、インジヱクタ 35を全閉させる (噴射停止
させる) ための制御信号を出力して、 燃料電池 1 0に供給される水素'ガスの 流量及び圧力が最小になるように調整する (全閉制御工程: S 9 ) 。
制御装置 4は、 第 2偏差判定工程 S 6で目標圧力値と検出圧力値との偏差 △ Pの絶対値が第 2の閾値 Δ Ρ 2以下であると判定した場合に、 フィードバ ック制御を実現させる (フィードバック制御工程: S 7 ) 。 かかるフィード ノ ック制御工程 S 7について具体的に説明する。
まず、 制御装置 4は、.電流センサ 1 3で検出した電流値に基づいて、 燃料 電池 1 0で消費される水素ガスの流量 (水素消費量) を算出する。 また、 制 御装置 4は、 目標圧力値算出工程 S 2で算出した目標圧力値と、 二次側圧力 センサ 4 3で検出したインジヱクタ 3 5下流側の検出圧力値と、 の偏差 Δ Ρ に基づいてフィードバック補正流量を算出する。フィードバック補正流量は、 目標圧力値と検出圧力値との偏差 Δ Ρの絶対値を低減させるために水素消 費量に加算される水素ガス流量である。 そして、 制御装脣 4は、 算出した水 素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、 インジェクタ 3 5の噴射流量を算出する。
また、 制御装置 4は、 一次側庄カセンサ 4 1で検出したインジェクタ 3 5 の上流の水素ガスの圧力と、 温度センサ 4 2で検出したインジェクタ 3 5の 上流の水素ガスの温度と、 に基づいてインジェクタ 3 5の上流の静的流量を 算出する。 そして、 制御装置 4は、 インジヱクタ 3 5の噴射流量を静的流量 で除した値に駆動周期を乗じることにより、 インジヱクタ 3 5の基本噴射時 間を算出する。
また、 制御装置 4は、 一次側圧力センサ 4 1で検出したインジェクタ 3 5 の上流の水素ガスの圧力と、 温度センサ 4 2で検出したインジェクタ 3 5の 上流の水素ガスの温度と、 印加電圧と、 に基づいてインジヱクタ 3 5の無効 噴射時間を算出し、 この無効噴射時間と、 インジェクタ 3 5の基本噴射時間 と、 を加算することにより、 インジヱクタ 3 5の総噴射時間を算出する。 そ
の後、 制御装置 4は、 算出したィンジェクタ 3 5の総噴射時間に係る制御信 号を.出力することにより、.ィンジェクタ 3 5のガス噴射時間及びガス噴射時 期を制御して、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整す る。 以上の工程群を繰り返して調圧を行うことにより、 検出圧力値を目標圧 力値に近付けることができる。
図 4のタイムチャートは、 本実施形態に係る燃料電池システム 1の検出圧 力値 (二次側圧力センサ 4 3を用いて検出したインジヱクタ 3 5の下流側の 圧力値) の時間履歴を示すものである。 燃料電池 1 0め起動時においては、 図 4に示すように、 目標圧力値より検出圧力値が小さく、 かつ、 目標圧力値 と検出圧力値との偏差 Δ Ρの絶対値が閾値 Δ Ρ,より大きいため、 制御装置 4はインジェクタ 3 5の全開制御を実現させる。 これにより検出圧力値は急 速に目標圧力値に近付き、 偏差 Δ Ρの絶対値は急減する。 そして、 制御装置 4は、 偏差△ Ρの絶対値が閾値 '△ Ρ ,以下となった場合に、 全開制御からフ イードバック制御に切り換える。 これにより、 検出圧力値の変化速度が低減 する。
その後、 目標圧力値より検出圧力値が大きくなり、 かつ、 目標圧力値と.検 出圧力^ Sとの偏差 Δ Ρの絶対値が閾値 Δ Ρ2より大きくなつた場合に、 制御 装置 4はフィードバック制御から全閉制御に切り換える。 これにより、 検出 圧力値は急速に目標圧力値に近付き、偏差 Δ Ρの絶対値は急減する。そして、 制御装置 4は、 偏差 Δ Ρの絶対値が閾値 Δ Ρ2以下となったと場合に、 全閉 制御からフィ一ドバック制御に切り換える。 このようにフィ一ドバック制御 と全開 ·全閉制御とを偏差△ Ρに応じて切り換えることにより、 検出圧力値 を目標圧力値に迅速に収束させることができる。
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム 1においては、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスの目標圧力値と検出圧力値との偏差 Δ Ρの絶対値 が所定の閾値 (Δ Ρ,、 Δ Ρ 2) 以下である場合に通常のフィードバック制御
を実現させる一方、偏差 Δ Ρの絶対値が所定の閾値を超える場合にインジェ クタ.3 5の全開制御又は全閉制御を実現させることができる。 従って、 燃料 電池 1 0への負荷が急激に変化して目標圧力値と検出圧力値との偏差△ P が大きくなる起動時や間欠運転時においても、 検出圧力値を目標圧力値に迅 速に近付ける (応答性を向上させる) ことができる。
また、 以上説明した実施形態に係る燃料電池システム 1においては、 イン ジェクタ 3 5の全開制御を実現させることができるため、 水素タンク 3 0か ら放出される低温の水素ガスを、 全開制 Pにより発熱したインジヱクタ 3 5 によって加熱することができる。 従って、 燃料電池 1 0内に存在する水素ガ スと、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスと、 の温度差を低減することがで きるので、 燃料電池 1 0の劣化を抑制することが可能となる。
また、 以上説明した実施形態に係る燃料電池システム 1においては、 制御 装置 4が、 フィードバック制御と全開 ·全閉制御との切換えの際に採用され る所定の閾値 (Δ Ρい Δ P2) を特定値 (制御対象である水素ガスの圧力の 周期的変動を抑制するような値) に設定している。 このため、 フィードバッ ク制御から全開 ·全閉制御への切換えの際や、 全開 ·全閉制御からフィード バック制御への切換えの際にハンチングが発生するこ, を抑制することがで きる。
また、 本実施形態に係る燃料電池車両 s (移動体) は、 燃料電池 1 0への 負荷が急激に変化したような場合においても水素ガスの圧力値を所定の目標 圧力値に迅速に追従させることが可能な燃料電池システム 1を備えているた め、 優れた応答性を有するものとなる。
なお、 以上の実施形態においては、 燃料電池システム 1の水素ガス配管系 3に循環流路 3 2を設けた例を示したが、 例えば、 図 5に示すように、 燃料 電池 1 0に排出流路 3 8を直接接続して循環流路 3 2を廃止することもでき る。 かかる構成 (デッドエンド方式) を採用した場合においても、 制御装置
4で前記実施形態と同様にインジェクタ 3 5の作動状態を制御することによ り、,前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、 以上の実施形態においては、 循環流路 3 2に水素ポンプ 3 9を設け た例を示したが、 水素ポンプ 3 9に代えてェジェクタを採用してもよい。 ま た、 以上の実施形態においては、 排気と排水との双方を実現させる排気排水 弁 3 7を循環流路 3 2に設けた例を示したが、 気液分離器 3 6で回収した水 分を外部に排出する排水弁と、 循環流路 3 2內のガスを外部に排出するため の排気弁と、 を別々に設け、 制御装置 4 'で排気弁を制御することもできる。 また、 以上の実施形態においては、 水素ガス配管系 3の水素供給流路 3 1 のインジェクタ 3 5の下流位置に二次側圧力センサ 4 3を配置し、 この位置 における圧力を調整する (所定の目標圧力値に近付ける) ようにインジェク タ 3 5の作動状態を設定した例を示したが、 二次側圧力センサの位置はこれ に限られるものではない。例えば、燃料電池 1 0の水素ガス入口近傍位置(水 素供給流路 3 1上) や、 燃料電池 1 0の水素ガス出口近傍位置 (循環流路 3 2上) や、 水素ポンプ 3 9の出口近傍位置 (循環流路.3 2上) に二次側圧力 センサを配置することもできる。 かかる場合には、 二次側圧力センサの各位 置における目標圧力値を記録したマップを予め作成レ おき、 このマップに 記録した目標圧力値と、 二次側圧力センサで検出した圧力値 (検出圧力値) と、 に基づいてフィ一ドバック補正流量を算出するようにする。
また、 以上の実施形態においては、 水素供給流路 3 1に遮断弁 3 3及びレ ギユレータ 3 4を設けた例を示したが、 インジヱクタ 3 5は、 可変調圧弁と しての機能を果たすとともに、 水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機 能をも果たすため、 必ずしも遮断弁 3 3ゃレギユレータ 3 4を設けなくても よい。 従って、 インジェクタ 3 5を採用すると遮断弁 3 3ゃレギユレ一タ 3 4を省くことができるため、 システムの小型化及び低廉化が可能となる。
また、 以上の実施形態においては、 ¾^料電池 1 0の発電時の電流値を検出 し、 .この電流値に基づいて目標圧力値や水素ガスの消費流量を算出してフィ ードバック制御を行った例を示したが、 燃料電池 1 0の運転状態を示す他の 物理量 (燃料電池 1 0の発電時の電圧値や電力値、 燃料電池 1 0の温度等) を検出し、 この検出した物理量に応じてフィードバック制御を行うこともで きる。
また、 以上の実施形態においては、 燃料電池 1 0に供給される水素ガスの
「圧力値」 を本発明における状態量としてフィードバック制御及び全開 ·全 閉制御を実施した例を示したが、 水素ガスの 「流量値」 等を本発明における 状態量としてフィードバック制御及び全開 ·全 制御を行うこともできる。 産業上の利用可能性
本発明に係る燃料電池システムは、 以上の実施形態に示すように、 燃料電 池車両に搭載可能であり、また、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボッ ト、 船舶、 航空機等) にも搭載可能である。 また、 本発明に係る燃料電池システ ムを、 建物 (住宅、 ビル等) 用の発電設備と'して用いられる定置用発電シス テムに適用してもよい。
Claims
1 . 燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、 この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェク タと、 このインジェクタを駆動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、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの状態量を検出する状態量検出手段を 備え、 '·
前記制御手段は、 前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標状態量と、 前 記状態量検出手段によって検出された燃料ガスの検出状態量と、 の偏差を算 出し、 この偏差が所定の閾値以下である場合に前記偏差を低減させるように 前記ィンジェクタの作動状態を設定するフィードバック制御を実現させる一 方、 前記偏差が前記閾値を超える場合に前記インジェクタの全開制御又は全 閉制御を実現させるものである、
燃料電池システム。
2 . 前記制御手段は、 前記偏差が前記閾値を超えた場合であって前記目標 状態量よりも前記検出状態量が小さい場合に、 前記ィ.ンジェクタの全開制御 を実現させるものである、
請求項 1に記載の燃料電池システム。
3 . 前記制御手段は、 前記偏差が前記閾値を超えた場合であって前記目標 状態量よりも前記検出状態量が大きい場合に、 前記インジェクタの全閉制御 を実現させるものである、
請求項 1に記載の燃料電池システム。
4 . 前記制御手段は、 前記フィードバック制御と前記全開制御又は前記全 閉制御との切換えの際に使用される前記閾値を、 制御対象である燃料ガスの 状態量の周期的変動を抑制するような特定値に設定するものである、
請求項 1から 3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5 . . 請求項 1から 4の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた、 移動体。
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