JP5228263B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
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。 Currently, a fuel cell system including a fuel cell that receives a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) and generates electric power has been proposed and put into practical use. Such a fuel cell system is provided with a fuel supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source such as a hydrogen tank to the fuel cell.
近年においては、燃料電池システムの燃料供給流路にインジェクタを配置し、このインジェクタの作動状態を制御することにより燃料供給流路内の燃料ガスの圧力を調整する技術が提案されつつある(例えば、特許文献1参照)。インジェクタは、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状態(ガス流量やガス圧力)を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。制御装置がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。 In recent years, a technique has been proposed in which an injector is disposed in a fuel supply channel of a fuel cell system and the pressure of fuel gas in the fuel supply channel is adjusted by controlling the operating state of the injector (for example, Patent Document 1). The injector is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust the gas state (gas flow rate and gas pressure) by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat It is. By controlling the fuel gas injection timing and injection time by driving the valve body of the injector, the control device can control the flow rate and pressure of the fuel gas.
前記した特許文献1に記載されたような従来の燃料電池システムにおいては、フィードバック補正値やフィードフォワード補正値を用いて、インジェクタの噴射流量の指令値を算出し、この指令値に基づいてインジェクタの動作を制御している。しかし、このような従来の燃料電池システムにおいては、噴射流量の指令値算出の際に「駆動周期」が考慮されていないため、駆動周期が変動すると調圧誤差が大きくなる(インジェクタ近傍における検出圧力値と所定の目標圧力値との偏差が大きくなる)場合があった。 In the conventional fuel cell system described in Patent Document 1 described above, a command value for the injection flow rate of the injector is calculated using the feedback correction value and the feedforward correction value, and the injector flow rate is calculated based on this command value. The operation is controlled. However, in such a conventional fuel cell system, the “driving cycle” is not taken into account when calculating the command value of the injection flow rate, so that the pressure regulation error increases when the driving cycle varies (the detected pressure in the vicinity of the injector). The deviation between the value and the predetermined target pressure value may increase).
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料供給流路にインジェクタ等の開閉弁が配置されてなる燃料電池システムにおいて、開閉弁の駆動周期が変動した場合における調圧誤差を低減させて、応答性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell system in which an on-off valve such as an injector is disposed in a fuel supply flow path, a pressure adjustment error when the driving cycle of the on-off valve fluctuates is reduced. The purpose is to improve responsiveness.
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、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと供給するための燃料供給流路と、この燃料供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、開閉弁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、制御手段は、開閉弁の駆動周期に基づいてフィードフォワード補正流量を算出し、このフィードフォワード補正流量を用いて開閉弁のガス噴射流量の指令値を補正し、この指令値に基づいて開閉弁を駆動制御するものである。 To achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a fuel supply channel for supplying fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and the fuel supply channel. A fuel cell system comprising: an on-off valve that adjusts an upstream gas state and supplies the gas to the downstream side; and a control unit that drives and controls the on-off valve. The control unit feeds based on a driving cycle of the on-off valve. The forward correction flow rate is calculated, the command value of the gas injection flow rate of the on-off valve is corrected using the feed forward correction flow rate, and the on-off valve is driven and controlled based on the command value.
かかる構成を採用すると、開閉弁の駆動周期に基づいて算出されるフィードフォワード補正流量を用いて、開閉弁からのガス噴射流量の指令値を補正し、この指令値に基づいて開閉弁を駆動制御することができる。従って、開閉弁の駆動周期が変動した場合においても、この変動した駆動周期を考慮してガス噴射流量の指令値を補正することができるため、調圧誤差を低減させる(開閉弁近傍における検出圧力値と所定の目標圧力値との偏差を小さくする)ことができ、応答性を向上させることが可能となる。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。 When such a configuration is adopted, the command value of the gas injection flow rate from the on-off valve is corrected using the feedforward correction flow rate calculated based on the driving cycle of the on-off valve, and the on-off valve is driven and controlled based on this command value. can do. Accordingly, even when the driving cycle of the on-off valve fluctuates, the command value of the gas injection flow rate can be corrected in consideration of the fluctuating driving cycle, so that the pressure adjustment error is reduced (the detected pressure in the vicinity of the on-off valve). The deviation between the value and the predetermined target pressure value can be reduced), and the responsiveness can be improved. The “gas state” means a gas state represented by a flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc., and particularly includes at least one of a gas flow rate and a gas pressure.
前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるガスを燃料供給流路に戻すための循環流路を有する燃料循環系を備えることができる。かかる場合、開閉弁の駆動周期と、燃料循環系の容積と、燃料循環系内におけるガス温度と、に基づいて、フィードフォワード補正流量を算出する制御手段を採用することができる。なお、「燃料循環系」とは、燃料供給流路の一部(循環流路との合流点から下流側の部分)と、燃料電池内の燃料ガス流路と、循環流路と、によって構成される空間を意味する。 The fuel cell system may include a fuel circulation system having a circulation channel for returning gas discharged from the fuel cell to the fuel supply channel. In such a case, it is possible to employ control means for calculating the feedforward correction flow rate based on the driving cycle of the on-off valve, the volume of the fuel circulation system, and the gas temperature in the fuel circulation system. The “fuel circulation system” is composed of a part of the fuel supply channel (portion downstream from the junction with the circulation channel), a fuel gas channel in the fuel cell, and a circulation channel. Means the space to be played.
また、前記燃料電池システムにおいて、開閉弁としてインジェクタを採用することができる。 In the fuel cell system, an injector can be employed as the on-off valve.
本発明によれば、燃料供給流路にインジェクタ等の開閉弁が配置されてなる燃料電池システムにおいて、開閉弁の駆動周期が変動した場合における調圧誤差を低減させて、応答性を向上させることが可能となる。 According to the present invention, in a fuel cell system in which an on-off valve such as an injector is arranged in a fuel supply flow path, the pressure regulation error when the on-off valve drive cycle fluctuates is reduced, and the responsiveness is improved. Is possible.
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、本発明を燃料電池車両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。 Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described.
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。 First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
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10を備えるとともに、燃料電池10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10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。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a
燃料電池10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10により発生した電力は、PCU(Power Control Unit)11に供給される。PCU11は、燃料電池10とトラクションモータ12との間に配置されるインバータやDC−DCコンバータ等を備えている。また、燃料電池10には、発電中の電流を検出する電流センサ13が取り付けられている。
The
酸化ガス配管系2は、加湿器20により加湿された酸化ガス(空気)を燃料電池10に供給する空気供給流路21と、燃料電池10から排出された酸化オフガスを加湿器20に導く空気排出流路22と、加湿器21から外部に酸化オフガスを導くための排気流路23と、を備えている。空気供給流路21には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器20に圧送するコンプレッサ24が設けられている。
The oxidant
水素ガス配管系3は、高圧(例えば70MPa)の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク30と、水素タンク30の水素ガスを燃料電池10に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路31と、燃料電池10から排出された水素オフガスを水素供給流路31に戻すための循環流路32と、を備えている。なお、水素タンク30に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッ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、を燃料供給源として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燃料供給源として採用してもよい。
The hydrogen gas piping system 3 includes a
水素供給流路31には、水素タンク30からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁33と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ34と、インジェクタ35と、が設けられている。また、インジェクタ35の上流側には、水素供給流路31内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ41及び温度センサ42が設けられている。また、インジェクタ35の下流側であって水素供給流路31と循環流路32との合流部の上流側には、水素供給流路31内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ43が設けられている。
The hydrogen
レギュレータ34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ュレータ34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を隔てて形成された筺体を有し、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35の上流側にレギュレータ34を2個配置することにより、インジェクタ35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、インジェクタ35の機械的構造(弁体、筺体、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、インジェクタ35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35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ェクタ35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35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35の応答性の低下を抑制することができる。
The
インジェクタ35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35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。インジェクタ35の弁体は例えばソレノイドにより駆動され、このソレノイ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ェクタ35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。インジェクタ35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。
The
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31と循環流路32との合流部A1より上流側にインジェクタ35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30を採用する場合には、各水素タンク30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A2)よりも下流側にインジェクタ35を配置するようにする。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
循環流路32には、気液分離器36及び排気排水弁37を介して、排出流路38が接続されている。気液分離器36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37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36で回収した水分と、循環流路32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32には、循環流路32内の水素オフガスを加圧して水素供給流路31側へ送り出す水素ポンプ39が設けられている。排気排水弁37及び排出流路38を介して排出される水素オフガスは、希釈器40によって希釈されて排気流路23内の酸化オフガスと合流するようになっている。なお、水素供給流路31の合流点A1から下流側の部分と、燃料電池10のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路32と、によって、本発明における燃料循環系が構成されることとなる。
A
制御装置4は、車両に設けられた加速操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えばトラクションモータ12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、トラクションモータ12のほかに、燃料電池10を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ24のモータや水素ポンプ39のモータ等)、車両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)で使用されるアクチュエータ、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。
The
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、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPU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。
The
具体的には、制御装置4は、図2に示すように、燃料電池10の運転状態(電流センサ13で検出した燃料電池10の発電時の電流値)に基づいて、燃料電池10で消費される水素ガスの量(以下「水素消費量」という)を算出する(燃料消費量算出機能:B1)。本実施形態においては、燃料電池10の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置4の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
また、制御装置4は、燃料電池10の運転状態(電流センサ13で検出した燃料電池10の発電時の電流値)に基づいて、インジェクタ35下流位置における水素ガスの目標圧力値(燃料電池10への目標ガス供給圧)を算出する(目標圧力値算出機能:B2)。本実施形態においては、燃料電池10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、制御装置4の演算周期毎に、二次側圧力センサ43が配置された位置における目標圧力値を算出して更新することとしている。
Further, the
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43で検出したインジェクタ35下流位置の圧力値(検出圧力値)と、の偏差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算出機能:B3)。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、PI型フィードバック制御則を用いて、制御装置4の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。
Further, the
また、制御装置4は、算出した水素消費量と、一次側圧力センサ41で検出した一次側圧力値(インジェクタ35の上流側の水素ガスの圧力)と、に基づいて、インジェクタ35の駆動周期を算出する(第一次駆動周期算出機能:B4)。ここで、駆動周期とは、インジェクタ35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、水素消費量と一次側圧力値と駆動周期との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置4の演算周期毎に駆動周期を算出して更新することとしている。なお、ここで算出される駆動周期は、フィードフォワード補正流量の算出のみに用いられる仮の値である。
Further, the
また、制御装置4は、算出した駆動周期や圧力偏差(目標圧力値と検出圧力値との偏差)等に基づいて、フィードフォワード補正流量を算出する(フィードフォワード補正流量算出機能:B5)。本実施形態においては、以下の関係式を用いて、駆動周期等に対応したフィードフォワードゲインGFFを算出し、このフィードフォワードゲインGFFに圧力偏差を乗じることにより、フィードフォワード補正流量を算出することとしている。制御装置4は、本発明における制御手段として機能する。
GFF=k×V×{273/(273+T)}×(1000/Tcycle)×60
Further, the
G FF = k × V × {273 / (273 + T)} × (1000 / T cycle ) × 60
但し、前記関係式において、k(=1/101.3)は、単位変換係数を意味する。また、前記関係式において、V(L)は、燃料循環系体積(水素供給流路31の合流点A1から下流側の部分と、燃料電池10のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路32と、から構成される空間の体積)を意味する。また、前記関係式において、T(℃)は、水素供給流路31のインジェクタ35下流側における水素ガスの温度の推定値を意味する。本実施形態においては、温度センサ42で検出した水素ガスの温度に基づいて、インジェクタ35下流側における水素ガスの温度を推定している。また、前記関係式において、Tcycle(ms)は、算出したインジェクタ35の駆動周期を意味する。かかる関係式によって算出されるフィードフォワードGFFを採用することにより、インジェクタ35の一の駆動周期で、検出圧力値を目標圧力値に近付けることが可能となる。
However, in the above relational expression, k (= 1 / 101.3) means a unit conversion coefficient. Further, in the above relational expression, V (L) is the fuel circulation system volume (portion downstream from the confluence A1 of the
また、制御装置4は、インジェクタ35の上流のガス状態(一次側圧力センサ41で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ42で検出した水素ガスの温度)に基づいてインジェクタ35の上流の静的流量を算出する(静的流量算出機能:B6)。本実施形態においては、インジェクタ35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、制御装置4の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。
Further, the
また、制御装置4は、インジェクタ35の上流のガス状態(水素ガスの圧力及び温度)及び印加電圧に基づいてインジェクタ35の無効噴射時間を算出する(無効噴射時間算出機能:B7)。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ35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、インジェクタ35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、制御装置4の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。
The
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、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ35の噴射流量を算出する(噴射流量算出機能:B8)。また、制御装置4は、インジェクタ35の噴射流量と、一次側圧力センサ41で検出した一次側圧力値と、に基づいて、インジェクタ35の駆動周期を算出する(第二次駆動周期算出機能:B9)。本実施形態においては、インジェクタ35の噴射流量と一次側圧力値と駆動周期との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置4の演算周期毎に駆動周期を算出して更新することとしている。
Further, the
また、制御装置4は、インジェクタ35の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ35の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ35の基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35の総噴射時間を算出する(総噴射時間算出機能:B10)。そして、制御装置4は、以上の手順を経て算出したインジェクタ35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、インジェクタ35のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池10に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。
In addition, the
続いて、図3のフローチャートを用いて、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。 Next, an operation method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described using the flowchart of FIG.
燃料電池システム1の通常運転時においては、水素タンク30から水素ガスが水素供給流路31を介して燃料電池10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21を介して燃料電池10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10から引き出すべき電力(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10内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時において燃料電池10に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。
During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the
すなわち、まず、燃料電池システム1の制御装置4は、電流センサ13を用いて燃料電池10の発電時における電流値を検出する(電流検出工程:S1)。次いで、制御装置4は、電流センサ13で検出した電流値に基づいて、燃料電池10で消費される水素ガスの量(水素消費量)を算出する(燃料消費量算出工程:S2)。
That is, first, the
次いで、制御装置4は、電流センサ13で検出した電流値に基づいて、インジェクタ35下流位置におけ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:S3)。また、制御装置4は、二次側圧力センサ43を用いてインジェクタ35下流位置の圧力値を検出する(圧力値検出工程:S4)。そして、制御装置4は、目標圧力値算出工程S3で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程S4で検出した圧力値(検出圧力値)と、の偏差(圧力偏差)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算出工程:S5)。
Next, the
また、制御装置4は、燃料消費量算出工程S2で算出した水素消費量と、一次側圧力センサ41で検出した一次側圧力値(インジェクタ35の上流の水素ガスの圧力)と、に基づいて、インジェクタ35の駆動周期(仮の値)を算出するとともに、この算出した駆動周期や圧力偏差等に基づいて、フィードフォワード補正流量を算出する(フィードフォワード補正流量算出工程:S6)。
Further, the
次いで、制御装置4は、燃料消費流量算出工程S2で算出した水素消費量と、フィードバック補正流量算出工程S5で算出したフィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量算出工程S6で算出したフィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ35の噴射流量を算出する(噴射流量算出工程:S7)。
Next, the
次いで、制御装置4は、一次側圧力センサ41で検出した一次側圧力と、温度センサ42で検出したインジェクタ35の上流の水素ガスの温度と、に基づいてインジェクタ35の上流の静的流量を算出する(静的流量算出工程:S8)。また、制御装置4は、噴射流量算出工程S7で算出したインジェクタ35の噴射流量と、一次側圧力センサ41で検出した一次側圧力値と、に基づいて、インジェクタ35の駆動周期を算出する(駆動周期算出工程:S9)。そして、制御装置4は、インジェクタ35の噴射流量を静的流量で除した値に、インジェクタ35の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ35の基本噴射時間を算出する(基本噴射時間算出工程:S10)。
Next, the
次いで、制御装置4は、一次側圧力センサ41で検出したインジェクタ35の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ42で検出したインジェクタ35の上流の水素ガスの温度と、印加電圧と、に基づいてインジェクタ35の無効噴射時間を算出する(無効噴射時間算出工程:S11)。そして、制御装置4は、基本噴射時間算出工程S10で算出したインジェクタ35の基本噴射時間と、無効噴射時間算出工程S11で算出した無効噴射時間と、を加算することにより、インジェクタ35の総噴射時間を算出する(総噴射時間算出工程:S12)。
Next, the
その後、制御装置4は、総噴射時間算出工程S12で算出したインジェクタ35の総噴射時間に係る制御信号を出力することにより、インジェクタ35のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池10に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。
Thereafter, the
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35の駆動周期に基づいて算出されるフィードフォワード補正流量に基づいて、インジェクタ35からのガス噴射流量の指令値を補正し、この指令値に基づいてインジェクタ35を駆動制御することができる。従って、インジェクタ35の駆動周期が変動した場合においても、この変動した駆動周期を考慮してガス噴射流量の指令値を補正することができるため、調圧誤差を低減させる(インジェクタ35下流側における検出圧力値と所定の目標圧力値との偏差を小さくする)ことができ、応答性を向上させることが可能となる。
In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the command value of the gas injection flow rate from the
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32を設けた例を示したが、燃料電池10に排出流路38を直接接続して循環流路32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35の駆動周期に応じてフィードフォワード補正流量を算出することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
In the above embodiment, an example in which the
また、以上の実施形態においては、循環流路32に水素ポンプ39を設けた例を示したが、水素ポンプ39に代えてエ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、水素供給流路31に遮断弁33及びレギュレータ34を設けた例を示したが、インジェクタ35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33やレギュレータ34を設けなくてもよい。従って、インジェクタ35を採用すると遮断弁33やレギュレータ34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。
Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the
また、以上の実施形態においては、PI型フィードバック制御則を用いてフィードバック補正流量を算出した例を示したが、他の目標追従型制御則(例えばPID型フィードバック制御則)を用いてフィードバック補正流量を算出することもできる。 Further, in the above embodiment, the example in which the feedback correction flow rate is calculated using the PI type feedback control law is shown, but the feedback correction flow rate is calculated using another target tracking type control law (for example, PID type feedback control law). Can also be calculated.
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。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。 In each of the above embodiments, the fuel cell system according to the present invention is mounted on the fuel cell vehicle. However, the present invention is applied to various mobile bodies (robots, ships, airplanes, etc.) other than the fuel cell vehicle. Such a fuel cell system can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
1…燃料電池システム、4…制御装置(制御手段)、10…燃料電池、30…水素タンク(燃料供給源)、31…水素供給流路(燃料供給流路)、32…循環流路、35…インジェクタ(開閉弁)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 4 ... Control apparatus (control means), 10 ... Fuel cell, 30 ... Hydrogen tank (fuel supply source), 31 ... Hydrogen supply flow path (fuel supply flow path), 32 ... Circulation flow path, 35 ... injector (open / close valve).
Claims (3)
前記燃料電池から排出されるガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記燃料電池内の燃料ガス流路と、前記燃料供給流路の前記循環流路との合流点から下流側の部分と、によって構成される燃料循環系を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池における燃料ガス消費量と前記開閉弁の上流側における燃料ガスの圧力とに基づいて前記開閉弁の補正流量算出用の仮の駆動周期を算出し、前記燃料循環系の体積を前記仮の駆動周期で除した値に所定の係数を乗じることによりフィードフォワードゲインG FF を算出し、前記開閉弁の下流側における燃料ガスの圧力と目標圧力との偏差である圧力偏差に前記フィードフォワードゲインG FF を乗じることによりフィードフォワード補正流量を算出し、前記圧力偏差を低減させるためのフィードバック補正流量及び前記フィードフォワード補正流量を前記燃料電池における燃料ガス消費量に加算することにより前記開閉弁のガス噴射流量を算出し、前記ガス噴射流量に対応する制御信号に基づいて前記開閉弁を駆動制御するものである、
燃料電池システム。 A fuel cell, a fuel supply channel for supplying fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, and a downstream by adjusting the gas flow rate and / or gas pressure upstream of the fuel supply channel A fuel cell system comprising: an on-off valve supplied to the side; and a control means for drivingly controlling the on-off valve so that the pressure of the fuel gas on the downstream side of the on-off valve becomes a target pressure ,
Downstream from the junction of a circulation channel for returning gas discharged from the fuel cell to the fuel supply channel, a fuel gas channel in the fuel cell, and the circulation channel of the fuel supply channel A fuel circulation system constituted by a side part,
The control means calculates a temporary drive cycle for calculating a correction flow rate of the on-off valve based on a fuel gas consumption amount in the fuel cell and a pressure of the fuel gas upstream of the on-off valve, and the fuel circulation system A feed forward gain G FF is calculated by multiplying a value obtained by dividing the volume of the fuel by the provisional driving cycle by a predetermined coefficient, and a pressure deviation which is a deviation between the pressure of the fuel gas and the target pressure downstream of the on-off valve by the fact that calculating the feed-forward correction flow rate by multiplying the feed-forward gain G FF, adds the feedback correction flow rate and the feed forward correction flow rate to reduce the pressure difference in the fuel gas consumption in the fuel cell driving the on-off valve based on the control signal to calculate the gas injection flow rate of the on-off valve, corresponding to the gas injection flow rate It is Gosuru thing,
Fuel cell system.
G FF =k×V×{273/(273+T)}×(1000/T cycle )×60
なる関係式(k:単位変換係数、V(L):前記燃料循環系体積、T(℃):前記開閉弁下流側における燃料ガスの温度、T cycle (ms):前記仮の駆動周期)により前記フィードフォワードゲインG FF を算出するものである、
請求項1に記載の燃料電池システム。 The control means includes
G FF = k × V × {273 / (273 + T)} × (1000 / T cycle ) × 60
(K: unit conversion coefficient, V (L): volume of the fuel circulation system, T (° C.): temperature of the fuel gas on the downstream side of the on-off valve, T cycle (ms): the provisional driving cycle) The feedforward gain G FF is calculated.
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 The on-off valve is an injector;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
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