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WO2008153222A1 - 燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法 - Google Patents

燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法 Download PDF

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WO2008153222A1
WO2008153222A1 PCT/JP2008/061370 JP2008061370W WO2008153222A1 WO 2008153222 A1 WO2008153222 A1 WO 2008153222A1 JP 2008061370 W JP2008061370 W JP 2008061370W WO 2008153222 A1 WO2008153222 A1 WO 2008153222A1
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WO
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fuel cell
temperature
completion
gas
time
Prior art date
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Application number
PCT/JP2008/061370
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kenji Umayahara
Atsushi Imai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Priority to KR1020097025944A priority patent/KR101135660B1/ko
Priority to DE112008001582.1T priority patent/DE112008001582B4/de
Priority to CN2008800179315A priority patent/CN101682059B/zh
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a startup completion degree display method thereof. More specifically, the present invention relates to an improvement in information display when a fuel cell is started. Background art
  • a fuel cell for example, a polymer electrolyte fuel cell
  • a fuel cell is configured by stacking a plurality of cells in which an electrolyte is sandwiched between separators.
  • a fuel cell system is configured.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 4-1 5 8 3 3 3 Disclosure of Invention
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of displaying the time until the start of the fuel cell is completed with higher accuracy and a method for displaying the degree of completion of the activation.
  • the present invention is based on such knowledge, and in a fuel cell system equipped with a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of fuel gas and oxidizing gas, the temperature of the fuel cell at the time of start-up is used as a starting point. The ratio of the current fuel cell temperature is displayed on a gauge with the temperature of the fuel cell as the end point.
  • the temperature ratio displayed on the gauge it is possible to accurately inform the user of the start-up completion through the temperature ratio displayed on the gauge.
  • the time is not predicted from the temperature alone but is displayed on the gauge based on the temperature itself, that is, only the ratio of the temperature is displayed without estimating the time. It is possible to tell more precisely how much longer you should wait. That is, according to this fuel cell system, it is possible to display the temperature ratio as an indication of completion of startup, thereby eliminating the adverse effects due to poor time estimation accuracy.
  • the ratio of the actual elapsed time to the time required for completing the abnormality check on the gauge.
  • an indication of the completion of the abnormality check can also be displayed on the gauge that shows the indication of the completion of startup as the temperature rises.
  • the fuel cell system start-up completion degree display method includes a fuel cell temperature on a gauge starting from the temperature of the fuel cell at the time of start-up and ending at the temperature of the fuel cell at the time of start-up. The ratio is displayed and a guide to the completion of startup is displayed.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an example of a gauge according to an embodiment of the present invention, and is a schematic diagram showing a startup completion state of 0 to 5%.
  • FIG. 3 shows 10-15. /. It is the schematic which shows the gauge at the time of a starting completion state.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the gauge when the start-up state is 90% or more.
  • the fuel cell system according to the present invention displays the ratio of the current fuel cell temperature on the gauge G starting from the temperature of the fuel cell 2 at the start and starting from the temperature of the fuel cell 2 at the completion of the start. It is comprised as follows. In the following, the overall configuration of the fuel cell system 1 including the fuel cell 2 will be described first, and then the specific configuration of the gas-liquid separator 30 incorporated in the fuel tank system 1 will be described. I decided to.
  • Figure 1 shows the schematic configuration of the fuel cell system 1 installed in the fuel cell vehicle.
  • An example of a system applicable as an on-vehicle power generation system for a fuel cell vehicle is shown here.
  • the system 1 can be used as a power generation system mounted on various mobile bodies (for example, ships and airplanes) and self-propelled devices such as mouth pots, and also as a stationary power generation system.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power by an electrochemical reaction upon receiving a reaction gas (oxidizing gas and fuel gas), and air as an oxidizing gas to the fuel cell 2.
  • a reaction gas oxidizing gas and fuel gas
  • Supplying oxidant gas piping system 3 fuel gas piping system 4 supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 2, and refrigerant piping system 5 supplying refrigerant to the fuel cell 2 and cooling the fuel cell 2 5
  • a power system 6 that charges and discharges the power of the system, and a control unit 7 that performs overall control of the entire system.
  • the fuel cell 2 is a polymer electrolyte fuel cell, for example, and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked.
  • the single cell has an air electrode on one side of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other side, and a pair of separators so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. It has a structure.
  • Fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator, oxidizing gas is supplied to the oxidic gas flow path of the other separator, and electric power is generated by the chemical reaction of these reaction gases.
  • the fuel cell 2 is provided with a current sensor 2a for detecting a current during power generation.
  • the oxidizing gas piping system 3 has an air supply flow path 11 1 through which oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 flows, and an exhaust flow path 12 through which oxidizing off gas discharged from the fuel cell 2 flows.
  • the air supply passage 11 is provided with a compressor 14 that takes in the oxidative gas through the filter 13 and a humidifier 15 that humidifies the oxidation gas pumped by the compressor 14.
  • the compressor 14 takes in oxidizing gas in the atmosphere by driving a motor (not shown).
  • the oxidizing off-gas flowing in the exhaust flow path 1 2 passes through the back pressure regulating valve 16 and is supplied to the moisture exchange in the humidifier 15 and finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas.
  • the fuel gas piping system 4 is discharged from a fuel tank 21 as a hydrogen supply source, a hydrogen supply passage 2 2 through which hydrogen gas supplied from the fuel tank 21 to the fuel cell 2 flows, and a fuel cell 2 A circulation flow path 2 3 for returning hydrogen off gas (fuel off gas) to the confluence A 1 of the hydrogen supply flow path 2 2, and a hydrogen pump for pumping the hydrogen off gas in the circulation flow path 2 3 to the hydrogen supply flow path 2 2 2, and an exhaust drainage flow channel 2 5 branched and connected to the circulation flow channel 2 3.
  • the fuel tank 21 is composed of, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy and is mounted on the fuel cell vehicle in this embodiment. For example, it can store hydrogen gas of 35 MPa or 7 OMPa. It is configured. When a shut-off valve 26, which will be described later, is opened, hydrogen gas flows out from the fuel tank 21 to the hydrogen supply flow path 22. The hydrogen gas is finally depressurized to, for example, about 200 kPa by a regulator 27 and an injector 28 described later, and supplied to the fuel cell 2. In this embodiment, such a fuel tank 21 is used as a hydrogen supply source.
  • a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel
  • a hydrogen supply source by a high-pressure gas tank that stores the reformed gas in a high-pressure state and accumulates pressure.
  • the hydrogen supply flow path 2 2 is provided with a shutoff valve 26 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the fuel tank 21, a regulator 2 7 that adjusts the hydrogen gas pressure, and an injector 2 8. It has been. Further, the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 is detected downstream of the injector 28 and upstream of the junction A 1 between the hydrogen supply flow path 22 and the circulation flow path 23. A pressure sensor 29 is provided. Further, on the upstream side of the injector 28, a pressure sensor and a temperature sensor (not shown) for detecting the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 are provided. Information on the gas state (pressure, temperature) of the hydrogen gas detected by the pressure sensor 29 and the like can be found in the feedback control of the injector 28 described later. Used for control and purge control.
  • the regulator 27 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 27.
  • the mechanical pressure reducing valve has a structure in which a back pressure chamber and a pressure regulating chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is set to a predetermined pressure in the pressure regulating chamber by the back pressure in the back pressure chamber. It is possible to adopt a known configuration in which the pressure is reduced to a secondary pressure.
  • the injector 28 is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust the 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. is there.
  • the injector 28 includes a valve seat having a spray 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 And a valve body that is accommodated and held so as to be movable in the flow direction) and opens and closes the injection hole.
  • the valve body of the injector 28 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and the opening area of the injection hole is set in two stages by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid. It is possible to switch between multi-step and stepless. Further, by controlling the gas injection time and the gas injection timing of the injector 28 by the control signal output from the control unit 7, the flow rate and pressure of the hydrogen gas are controlled with high accuracy. . In this way, the indicator 28 opens and closes the valve (valve element valve seat) directly with electromagnetic drive, and its drive cycle can be controlled to a highly responsive region, so it has high responsiveness.
  • a solenoid that is an electromagnetic drive device
  • the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve body of the injector 28, and the gas pressure supplied downstream of the injector 28 is reduced from the gas pressure upstream of the injector 28.
  • It can also be interpreted as a pressure regulating valve (pressure reducing valve, regulator).
  • the gas demand is met.
  • It can also be interpreted as a variable pressure control valve that can change the amount of pressure adjustment (pressure reduction amount) of the upstream gas pressure of the indicator 28 so that it matches the required pressure within a predetermined pressure range.
  • such an injector 28 is disposed upstream of the junction A 1 between the hydrogen supply channel 22 and the circulation channel 23 (see FIG. 1).
  • the hydrogen gas supplied from the fuel tanks 21 is joined (hydrogen The injector 28 is arranged downstream of the gas junction A 2).
  • An exhaust / drain channel 25 is connected to the circulation channel 23 via a gas / liquid separator 30 and an exhaust / drain valve 31.
  • the gas-liquid separator 30 collects moisture from the hydrogen off gas.
  • the exhaust drain valve 3 1 is operated in response to a command from the control unit 7, so that water collected by the gas-liquid separator 30, hydrogen off-gas (fuel off-gas) containing impurities in the circulation channel 2 3, and , Is discharged (purged) to the outside.
  • the exhaust drain valve 31 is opened, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation channel 23 decreases, and the concentration of hydrogen in the hydrogen off-gas circulated increases.
  • the hydrogen off-gas discharged through the exhaust drain valve 31 and the exhaust drain passage 25 is diluted by a diluter (not shown) and oxidized in the exhaust passage 12. It is designed to merge with off-gas.
  • the hydrogen pump 24 circulates and supplies hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown).
  • the hydrogen gas circulation system is composed of a downstream flow path at the confluence A 1 of the hydrogen supply flow path 2 2, a fuel gas flow path formed in the separator of the fuel cell 2, and a circulation flow path 2 3.
  • the Rukoto is composed of a downstream flow path at the confluence A 1 of the hydrogen supply flow path 2 2, a fuel gas flow path formed in the separator of the fuel cell 2, and a circulation flow path 2 3.
  • the refrigerant piping system 5 cools the refrigerant flow path 41 connected to the cooling flow path in the fuel cell 2, the cooling pump 4 2 provided in the cooling flow path 41, and the refrigerant discharged from the fuel cell 2. And a temperature sensor 44 that detects the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell 2.
  • the cooling pump 4 2 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant flow path 41 to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown).
  • the electric power system 6 includes a high-voltage DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, a traction motor 64, various trapping inverters (not shown), and the like.
  • the high-voltage DC / DC converter 61 is a DC voltage converter that adjusts the DC voltage input from the battery 6 2 and outputs it to the traction inverter 6 3 side.
  • the fuel cell 2 or the traction motor 6 The function of adjusting the DC voltage input from 4 and outputting it to the battery 62 is provided. Charge / discharge of the battery 62 is realized by the function of the high voltage DC / DC converter 61. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DCZDC converter 61.
  • Traction inverter 63 converts the direct current into three-phase alternating current and supplies it to traction motor 64.
  • the traction motor 64 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a main power source of a fuel cell vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted.
  • the auxiliary inverter is an electric motor control unit that controls the driving of each motor, and converts the direct current into three-phase alternating current and supplies it to each motor.
  • the auxiliary inverter is, for example, a pulse width modulation type P WM inverter, and the DC voltage output from the fuel cell 2 or the battery 62 according to the control command from the control unit 7 is converted into a three-phase AC voltage. To control the rotational torque generated by each motor.
  • the control unit 7 detects the amount of operation of an acceleration operating member (accelerator, etc.) provided in the vehicle, and controls information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a load device such as the traction motor 64). In response, it controls the operation of various devices in the system.
  • the load device includes auxiliary equipment required to operate the fuel cell 2 (for example, each motor of the compressor 1 4, hydrogen pump 2 4, cooling pump 4 2), Includes actuators used in various devices (transmissions, wheel control units, steering devices, suspension devices, etc.) involved in vehicle travel, air-conditioning devices (air conditioners) for passenger spaces, power consumption devices including lighting, audio, etc. It can be done.
  • Such a control unit 7 is configured by a computer system (not shown).
  • a computer system comprises a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, etc., and the CPU reads various control programs recorded in the ROM and performs feedback by executing desired calculations. Various processes and controls such as control and purge control are performed.
  • the fuel cell vehicle of the present embodiment is provided with a gauge G for displaying the starting state of the fuel cell 2 when the fuel cell system 1 is started.
  • This gauge G has a display section starting from the temperature of the fuel cell 2 and ending at the temperature of the fuel cell 2 when the start-up is completed (see FIG. 2 etc.). It is provided on the instrument panel of the driver's seat of the fuel cell vehicle.
  • an accumulator is displayed near the bottom of the gauge G, and a schematic diagram of the fuel cell 2 is displayed near the upper left. (See Fig. 2 etc.).
  • the gauge G of this embodiment is constituted by a meter M extending in the lateral direction, for example. (See Figure 2 etc.).
  • the meter M has a plurality of, for example, rectangular display portions that blink, and the amount (number) according to the temperature of the fuel cell 2 is lit.
  • the gauge G is changed at the time of low temperature start (starting under a low temperature condition) and abnormality check start (starting when checking the abnormality of the fuel cell 2).
  • the startup completion time to be transmitted is switched.
  • the calculation method of the start completion time is shown as follows for each start time.
  • the fuel cell may be expressed as F C.
  • Start-up completion rate (Current FC temperature at start-up F C temperature) / (Readyon target temperature at start-up temperature)
  • the degree of progress is calculated according to the following formula. As the calculated start-up completion progress rate (start-up completion time) increases, the number of points on the gauge G meter ⁇ increases.
  • the current fuel cell temperature position is displayed on the gauge G starting from the FC temperature at start-up (fuel cell temperature) and ending at the FC temperature at the end of start-up.
  • FC temperature at start-up fuel cell temperature
  • FC temperature at the end of start-up FC temperature at the end of start-up
  • the progress rate of completion of activation is calculated by “Progression against estimated time until activation completion”.
  • the progress in this case is the ratio of the actual elapsed time to the time required to complete the abnormality check. That is, here
  • the present embodiment adopts both min values. That is, after calculating both the start completion progress based on (1) and the start completion progress based on (2), the smaller value of both (progress) is displayed on gauge G . According to this, it is avoided that a higher degree of progress than actual based on one calculation method is displayed.
  • notification is made by a display display.
  • the timing for switching to the startup time display screen is sent to Meter M to display a screen when the following switching conditions are met.
  • the present embodiment displays the temperature without displaying the time and displays the start-up status (at the time of low-temperature start-up), so that there is an advantage that processing for time calculation can be reduced.
  • the above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention.
  • the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • the message near the meter M on the gauge G is shown in Japanese (see FIG. 2 etc.), but these messages may be written in English or the like.
  • the progress status can be appropriately transmitted according to the temperature rise status of the fuel cell, it is possible to display the guideline until the start-up is completed more accurately.
  • the present invention can be widely used in fuel cell systems that have such requirements.

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Abstract

 燃料電池の温度上昇の状況によって進捗状況を適切に伝達し、起動が完了するまでの目安をさらに精度よく表示する。これを実現するため、起動時における燃料電池の温度を始点とし、起動完了時の当該燃料電池の温度を終点としたゲージ(G)上に現在の燃料電池温度の比率を表示する。起動完了の目安として温度の比率を表示することで、時間を推定した場合の精度の低さによる悪影響を排除する。異常チェック起動時は、ゲージ(G)に異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率を表示してもよい。また、異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率と、燃料電池温度の比率とを比較し、小さいほうの値を表示することも好ましい。

Description

明細書 燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法 技術分野
本発明は、 燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法に関する。 さ らに詳述すると、 本発明は、 燃料電池の起動時における情報表示の改良に関 する。 背景技術
一般に、 燃料電池 (例えば固体高分子型燃料電池) は電解質をセパレータ で挟んだセルを複数積層することによって構成されている。 また、 このよう な燃料電池の他、 当該燃料電池に反応ガス (燃料ガスや酸化ガス) を給排す るための配管系、 電力を充放電する電力系、 システム全体を統括制御する制 御系などによつて燃科電池システムが構成されている。
このような燃料電池システムにおいては、 一般に、 燃料電池を起動してか ら電力供給可能な状態 (いわゆるレディオン (Ready on)の状態) になるまで にある程度の時間を要する。 そこで、 例えば燃料電池車には、 起動後に電力 供給可能なレディオンの状態になるまでの時間を表示する手段を備えている ものがある (例えば特許文献 1参照)。
[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 4— 1 5 8 3 3 3号公報 発明の開示
しかしながら、 上述のようにレディオンまでの状態 (起動完了状態) とな るまでの時間は、 従来、 燃料電池の温度から推定した時間を表示していたた め、 推定精度が低く、 起動完了までの残り時間が上下することがあった。 そこで、 本発明は、 燃料電池の起動が完了するまでの時間をさらに精度よ く表示することが可能な燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法を 提供することを目的とする。
一般に、 燃料電池システムにおいて、 燃料電池の起動が完了までに要する 時間を温度のみから予測することは困難であるため、 あとどのくらい待てば よいかをユーザに正確に伝えることは難しいというのが現状である。 この点 についてさらに検討を重ねた本発明者は、 かかる課題の解決に結び付く新た な知見を得るに至った。 本発明はかかる知見に基づくもので、 燃料ガスおよ ぴ酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システ ムにおいて、 起動時における燃料電池の温度を始点とし、 起動完了時の当該 燃料電池の温度を終点としたゲージ上に現在の燃料電池温度の比率を表示す るというものである。
このような燃料電池システムによれば、 ゲージ上に表示している温度比率 を介して起動完了までの目安をユーザに精度よく知らしめることが可能であ る。 しかも、 本発明の場合、 温度のみから時間を予測するのではなく当該温 度自体に基づいてゲージ上に表示する、 つまり、 時間を推定せず温度の割合 だけを対象として表示することとしているため、 あとどのくらい待てばよい かを従前よりも正確に伝えることが可能で.ある。 すなわち、 この燃料電池シ ステムによれば起動完了の目安として温度の比率を表示し、 これによつて時 間推定精度の悪さによる悪影響を排除することが可能である。
この場合、 異常チェック起動時は、 ゲージに異常チェック完了に要する時 間に対する実際の経過時間の比率を表示することが好ましい。 このような燃 料電池システムにおいては、 昇温に伴う起動完了の目安を示すゲージに異常 チェック完了の目安も表示することができる。
また、 異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率と、 燃料電池温度の比率とを比較し、小さいほうの値を表示することも好ましレ、。 昇温に伴う起動完了の目安と、 異常チェック完了の目安の双方を考慮した起 動完了の目安を表示することが可能である。
さらに本発明にかかる燃料電池システムの起動完了度表示方法は、 起動時 における燃料電池の温度を始点とし、 起動完了時の当該燃料電池の温度を終 点としたゲージ上に燃料電池の現在温度の比率を表示し、 起動完了の目安を 示すというものである。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成図である。 図 2は、 本発明の一実施形態におけるゲージの一例であって、 0〜5 %の 起動完了状態を示す概略図である。
図 3は、 1 0〜 1 5。/。の起動完了状態時のゲージを示す概略図である。 図 4は、 9 0 %以上の起動完了状態時のゲージを示す概略図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図 1〜図 4に本発明の実施形態を示す。 本発明にかかる燃料電池システム は、 起動時における燃料電池 2の温度を始点とし、 起動完了時の当該燃料電 池 2の温度を終点としたゲージ G上に現在の燃料電池温度の比率を表示する ように構成されているものである。 以下では、 燃料電池 2などによって構成 される燃料電池システム 1の全体構成についてまず説明し、 その後、 この燃 料霞池システム 1に組み込まれた気液分離器 3 0の具体的な構成について説 明することとする。
図 1に燃料電池車両に搭載されている燃料電池システム 1の概略構成を示 す。 なお、 ここでは燃料電池車両 (Fuel Cell Hybrid Vehicle) の車載発電 システムとして適用可能なシステムの一例を示すが、 かかる燃料電池システ ム 1は各種移動体 (例えば船舶や飛行機など) や口ポットなどといった自走 可能なものに搭載される発電システム、 さらには定置の発電システムとして も利用することが可能である。
本実施形態における燃料電池システム 1は、 反応ガス (酸化ガスおょぴ燃 料ガス) の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池 2と、 酸化ガスとしての空気を燃料電池 2に供給する酸化ガス配管系 3と、 燃料ガ スとしての水素ガスを燃料電池 2に供給する燃料ガス配管系 4と、 燃料電池 2に冷媒を供給して当該燃料電池 2を冷却する冷媒配管系 5と、 システムの 電力を充放電する電力系 6と、 システム全体を統括制御する制御部 7と、 を 備えている。
燃料電池 2は例えば固体高分子型燃科電池であり、 多数の単セルを積層し たスタック構造となっている。 単セルは、 イオン交換膜からなる電解質の一 方の面に空気極を有し、 他方の面に燃料極を有し、 さらに空気極および燃料 極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有した構造となっている。 一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、 他方のセパレータ の酸ィヒガス流路に酸化ガスが供給され、 さらにこれら各反応ガスが化学反応 を生じることによって電力が発生する。 この燃料電池 2には、 発電中の電流 を検出する電流センサ 2 aが取り付けられている。
酸化ガス配管系 3は、 燃料電池 2に供給される酸化ガスが流れる空気供給 流路 1 1と、 燃料電池 2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路 1 2 と、 を有している。 空気供給流路 1 1には、 フィルタ 1 3を介して酸ィヒガス を取り込むコンプレッサ 1 4と、 コンプレッサ 1 4により圧送される酸化ガ スを加湿する加湿器 1 5と、 が設けられている。 コンプレッサ 1 4は、 図示 されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。 また、 排気 流路 1 2を流れる酸化オフガスは、 背圧調整弁 1 6を通って加湿器 1 5で水 分交換に供された後、 最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気され る。
燃料ガス配管系 4は、 水素供給源としての燃料タンク 2 1と、 燃料タンク 2 1から燃料電池 2に供給される水素ガスが流れる水素供給流路 2 2と、 燃 料電池 2から排出された水素オフガス (燃料オフガス) を水素供給流路 2 2 の合流点 A 1に戻すための循環流路 2 3と、 循環流路 2 3内の水素オフガス を水素供給流路 2 2に圧送する水素ポンプ 2 4と、 循環流路 2 3に分岐接続 された排気排水流路 2 5と、 を有している。
燃料タンク 2 1は例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成されて本実 施形態における燃料電池車両に複数搭載されているものであり、 例えば 3 5 M P aまたは 7 O M P aの水素ガスを貯留可能に構成されている。 後述する 遮断弁 2 6を開くと、 燃料タンク 2 1から水素供給流路 2 2へと水素ガスが 流出する。 水素ガスは、 後述するレギユレータ 2 7やインジェクタ 2 8によ り最終的に例えば 2 0 0 k P a程度まで減圧され、燃料電池 2に供給される。 なお、本実施形態ではこのような燃料タンク 2 1を水素供給源としているが、 この他、 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、 によって水素供給源を構成することも可能である。
水素供給流路 2 2には、 燃料タンク 2 1からの水素ガスの供給を遮断また は許容する遮断弁 2 6と、 水素ガスの圧力を調整するレギユレータ 2 7と、 インジェクタ 2 8と、 が設けられている。 また、 インジェクタ 2 8の下流側 であって水素供給流路 2 2と循環流路 2 3との合流部 A 1の上流側には、 水 素供給流路 2 2内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ 2 9が設けられて いる。 さらに、 インジェクタ 2 8の上流側には、 水素供給流路 2 2内の水素 ガスの圧力おょぴ温度を検出する圧力センサおよび温度センサ (図示省略) が設けられている。 圧力センサ 2 9等で検出された水素ガスのガス状態 (圧 力、 温度) に関する情報は、 後述するインジェクタ 2 8のフィードバック制 御やパージ制御に用いられる。
レギユレータ 2 7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 2 7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。
ィンジ クタ 2 8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。 ィンジヱクタ 2 8は、 水素ガス等の気体燃料 を噴射する嘖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。 例えば本実施形態においては、 ィンジェクタ 2 8の弁体は電磁駆動装置 である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、 多段階、 または無 段階に切り替えることができるようになつている。 さらに、 制御部 7から出 力される制御信号によって、 インジェクタ 2 8のガス噴射時間おょぴガス嘖 射時期が制御されることにより、 水素ガスの流量おょぴ圧力が高精度に制御 される。 このように、 インジヱクタ 2 8は、 弁 (弁体おょぴ弁座) 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。
なお、 インジェクタ 2 8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 2 8の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ 2 8上流 のガス圧力より減圧されるため、 インジェクタ 2 8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インジヱクタ 2 8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。
本実施形態においては、 このようなインジェクタ 2 8を、 水素供給流路 2 2と循環流路 2 3との合流部 A 1より上流側に配置している (図 1参照)。ま た、 図 1に破線で示すように、 燃料供給源として複数の燃料タンク 2 1が用 いられている場合には、 これら燃料タンク 2 1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 ) よりも下流側に当該インジェクタ 2 8を 配置するようにする。
循環流路 2 3には、 気液分離器 3 0および排気排水弁 3 1を介して、 排気 排水流路 2 5が接続されている。 気液分離器 3 0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 1は、 制御部 7の指令を受けて作動す ることにより、 気液分離器 3 0で回収した水分と、 循環流路 2 3内の不純物 を含む水素オフガス (燃料オフガス) と、 を外部に排出 (パージ) するもの である。 この排気排水弁 3 1を開放すると、 循環流路 2 3内の水素オフガス 中の不純物の濃度が下がり、 循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上 がる。 排気排水弁 3 1の上流位置 (循環流路 2 3上) および下流位置 (排気 排水流路 2 5上) には、 各々、 水素オフガスの圧力を検出する上流側圧カセ ンサ 3 2および下流側圧力センサ 3 3が設けられている。
また、 特に詳しく図示していないが、 排気排水弁 3 1および排気排水流路 2 5を介して排出される水素オフガスは、 希釈器 (図示省略) によって希釈 されて排気流路 1 2内の酸化オフガスと合流するようになっている。 水素ポ ンプ 2 4は、 モータ (図示省略) の駆動により、 循環系内の水素ガスを燃料 電池 2に循環供給する。 水素ガスの循環系は、 水素供給流路 2 2の合流点 A 1の下流側流路と、 燃料電池 2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、 循環流路 2 3と、 によって構成されることとなる。 冷媒配管系 5は、 燃料電池 2内の冷却流路に連通する冷媒流路 4 1と、 冷 媒流路 4 1に設けられた冷却ポンプ 4 2と、 燃料電池 2から排出される冷媒 を冷却するラジェータ 4 3と、 燃料電池 2から排出される冷媒の温度を検出 する温度センサ 4 4と、 を有している。 冷却ポンプ 4 2は、 モータ (図示省 略) の駆動により、 冷媒流路 4 1内の冷媒を燃料電池 2に循環供給する。 温 度センサ 4 4で検出された冷媒の温度 (=燃料電池 2から排出される水素ォ フガスの温度) は、 後述するパージ制御に用いられる。
電力系 6は、 高圧 D C/D Cコンバータ 6 1、 バッテリ 6 2、 トラクショ ンインバータ 6 3、 トラクシヨンモータ 6 4、 図示されていない各種の捕機 インパータ等を備えている。 高圧 D C/D Cコンバータ 6 1は、 直流の電圧 変換器であり、 バッテリ 6 2から入力された直流電圧を調整してトラクショ ンインバータ 6 3側に出力する機能と、 燃料電池 2またはトラクシヨンモー タ 6 4から入力された直流電圧を調整してバッテリ 6 2に出力する機能と、 を有する。 このような高圧 D C/D Cコンバータ 6 1の機能により、 バッテ リ 6 2の充放電が実現される。また、高圧 D CZD Cコンバータ 6 1により、 燃料電池 2の出力電圧が制御される。
パッテリ 6 2はノ ッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、 図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助 的に電力を供給したりすることが可能になっている。 トラクシヨンインバー タ 6 3は、 直流電流を三相交流に変換し、 トラクションモータ 6 4に供給す る。 トラクションモータ 6 4は、 例えば三相交流モータであり、 燃料電池シ ステム 1が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。
補機インバータは、 各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、 直流 電流を三相交流に変換して各モータに供給する。 補機インバータは、 例えば パルス幅変調方式の P WMィンバータであり、 制御部 7からの制御指令に従 つて燃料電池 2またはパッテリ 6 2から出力される直流電圧を三相交流電圧 に変換して、 各モータで発生する回転トルクを制御する。
制御部 7は、 車両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 6 4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、 負荷装置には、 トラクシヨンモータ 6 4のほかに、 燃料電池 2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 1 4、 水素ポンプ 2 4、冷却ポンプ 4 2の各モータ等)、車両の走行に関与する各種装置 (変速機、 車輪制御部、 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が含まれ うる。
このような制御部 7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、 入出力ィンタフヱースおよ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が読み込んで所望の演算を 実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御 を行う。
続いて、 以上のような燃料電池システム 1を搭載した車両 (燃料電池車) における起動完了算出のための構成について説明する (図 2等参照)。
本実施形態の燃料電池車には、 燃料電池システム 1の起動時における燃料 電池 2の起動状態を表示するためのゲージ Gが設けられている。 このゲージ Gは、 燃料電池 2の温度を始点とし、 起動完了時の当該燃料電池 2の温度を 終点とする表示部を有しており(図 2等参照)、ドライバ等が視認できる位置、 例えば燃料電池車の運転席のィンストルメントパネルなどに設けられている, ちなみに、 本実施形態におけるゲージ Gの底部付近には積算計が、 向かって 左上付近には燃料電池 2の概略図がそれぞれ表示されている (図 2等参照)。 本実施形態のゲージ Gは、 例えば横方向に延びるメータ Mによって構成さ れている (図 2等参照)。 このメータ Mは点滅する例えば矩形の表示部を複数 備えており、 燃料電池 2の温度に従った量 (数) が点灯するようになってい る。
また、 本実施形態の燃料電池システム 1においては、 低温起動 (低温状況 下における起動) 時と、 異常チェック起動 (燃料電池 2の異常をチ ックす る際の起動) 時とでゲージ Gへ送信する起動完了時間を切り替えるようにし ている。 起動完了時間の算出方法をそれぞれの起動時について例示すれば以 下のとおりである。 なお、 以下では燃料電池を F Cと表現する場合がある。
( 1 ) 低温起動時
起動完了の進埗度を、 F C温度等から算出した割合を用いて表示する。 具 体的には、
起動完了進 ί歩度 = (現在 F C温度一起動時 F C温度) / (レディオン 目標温度一起動時温度)
の式に従い進渉度を算出する。 算出した起動完了進 ί歩度 (起動完了時間) が 増えるに従レ、ゲージ Gのメータ Μの点灯箇所が増える。
このように、 本実施形態においては、 起動時の F C温度 (燃料電池温度) を始点とし、 起動完了時の F C温度を終点としたゲージ G上に現在の燃料電 池温度の位置を表示する。 この場合、 起動完了までの時間を推定することな く、 温度の割合だけを見て起動完了までの目安を知らしめることができるか ら、時間を推定した場合の低い精度による影響を排除することが可能である。
( 2 ) 異常チェック起動時
異常チェック起動時は、 起動完了の進 ί歩度を 「起動完了までの見積もり時 間に対する進埗度」 で算出する。 下記の式から明らかなように、 この場合の 進埗度は、 異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率で ある。 すなわち、 ここでは
起動完了進涉度- (起動開始からの経過時間) Ζ (異常チェック起動 見積もり時間)
の式に従い算出する。 算出した起動完了進埗度 (起動完了時間) が増えるに 従レ、ゲージ Gのメータ Mの点灯箇所が増える。
( 3 ) 上記 (1 ) と (2 ) の両要求が発生した場合
燃料電池システム 1において、 上記 (1 ) の低温起動と (2 ) 異常チェッ ク起動の両方の要求が同時に発生した場合、 本実施形態では両者の m i n値 を採用することとしている。すなわち、( 1 )に基づく起動完了進埗度と、( 2 ) に基づく起動完了進渉度の両方を算出したうえで、 両者のうち小さい方の値 (進埗度) をゲージ Gに表示する。 これによれば、 一方の算出方法に基づく 実際よりも高い進渉度が表示されるのが回避される。
( 4 ) 起動時間の表示
また、 暖機起動時や前回トリップ異常発生後の次回起動の際にレディオン となるまでに時間がかかる場合があるため、 本実施形態ではデイスプレイ表 示にて通知する。 この場合における起動時間表示画面への切替タイミングと しては、 メータ Mへ画面表示要求を送信し、 下記の切替条件が成立したとき に画面表示を行う。
く切替条件が成立する場合 >
「低温起動必要時」 と 「異常チェックを起動時に実施する時」 のいずれか であって、 尚かつ 「レディランプ点滅 (=起動中)」 であること。
<切替条件が不成立となる場合 >
上記の切替条件が成立しなかった時、 または 「レディランプ点灯」 の時。 ここまで説明したように、 本実施形態の燃料電池システム 1においては、 低温起動時の燃料電池 2の起動完了時間を算出して表示するに際し、 時間を 推定するのではなく温度の割合だけを見てゲージ Gに表示するという構成と しているため、 当該燃料電池 2の起動が完了するまでの時間を精度よく表示 することが可能である。 すなわち、 本実施形態では時間を推定するのではな く温度をパラメータとして起動完了時間を算出し、 温度の割合を表示するこ とによって起動完了に至るまでの状況を表示することとしているため、 温度 を介して時間を推定する場合よりも起動完了までに要する時間を簡便かつ精 度よく知らしめることができる。 上述したように、 燃料電池 2の起動に要す る時間を温度から予測することは困難なのが現状であるが、 本実施形態の燃 料電池システム 1によれば、 起動の際ユーザにどのくらい待てばよいかをよ り正確に伝えることが可能である。 しかも、 上述したように本実施形態では 時間を算出せずに温度を示して起動状況を表示することから (低温起動時)、 時間算出のための処理が少なくて済むという利点もある。
なお、 上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定 されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可 能である。 例えば本実施形態ではゲージ G上のメータ M付近のメッセージが 日本語である場合を示したが(図 2等参照)、 これらメッセージは英語等で表 記されていてもよい。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 当該燃料電池の温度上昇の状況によつて進埗状況を適切 に伝達することができるから、 起動が完了するまでの目安をさらに精度よく 表示することが可能である。
よって、 本発明は、 そのような要求のある燃料電池システムにおいて広く 利用することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備 えた燃料電池システムにおいて、
起動時における前記燃料電池の温度を始点とし、 起動完了時の当該燃料電 池の温度を終点としたゲージ上に現在の燃料電池温度の比率を表示する表示 装置を有する、 燃料電池システム。
2 . 異常チェック起動時は、 前記ゲージに異常チェック完了に要する時間 に対する実際の経過時間の比率を表示する請求項 1に記載の燃料電池システ ム。
3 . 異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率と、 燃 料電池温度の比率とを比較し、 小さいほうの値を表示する請求項 2に記載の 燃料電池システム。
4 . 起動時における燃料電池の温度を始点とし、 起動完了時の当該燃料電 池の温度を終点としたゲージ上に前記燃料電池の現在温度の比率を表示し、 起動完了の目安を示す、 燃料電池システムの起動完了度表示方法。
5 . 異常チェック起動時は、 前記ゲージに異常チェック完了に要する時間 に対する実際の経過時間の比率を表示する請求項 4に記載の燃料電池システ ムの起動完了度表示方法。
6 . 異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率と、 燃 料電池温度の比率とを比較し、 小さいほうの値を表示する請求項 5に記載の 燃料電池システムの起動完了度表示方法。
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