JP2022025304A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却水ポンプの消費電力や劣化を抑制するとともに、結露水の凝集による燃料電池の劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス回路と、冷却水を用いて前記燃料電池を冷却する冷却回路と、前記冷却回路の中の冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記冷却回路における前記燃料電池への入口温度と前記燃料電池からの出口温度をそれぞれ取得する温度センサと、前記冷却水ポンプの動作を制御する制御部であって、前記燃料電池を連続運転させる場合には、前記冷却水ポンプを駆動させ、前記燃料電池を連続運転から間欠運転に移行した場合には、前記入口温度と前記出口温度との出入口温度差が判定温度未満となるまでの期間に相当する期間、前記冷却水ポンプを駆動させ、その後、前記冷却水ポンプを停止する制御部と、を備える。【選択図】図2
Description
本開示は、燃料電池システムに関する。
特許文献1には、燃料電池システムが外部給電を行うときにおける燃料電池の冷却方法が開示されている。この冷却方法では、燃料電池の発熱量が所定発熱量以下の場合、冷却水ポンプを停止し、あるいは間欠動作させる。
しかし、特許文献1に記載の方法では、燃料電池の発熱量が所定発熱量以下であるとして冷却水ポンプの運転を停止したままにすると、燃料電池の燃料ガスの入口付近、特に冷却水の入口に近い場所に水が溜まり、ガス流に影響を与えるという新たな課題が見い出された。燃料ガスの入口付近に溜まる水が増加すると、この水を通る漏れ電流が増加する場合があり、電解質膜の耐久性に影響を与える懸念も指摘されていた。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス回路と、冷却水を用いて前記燃料電池を冷却する冷却回路と、前記冷却回路の中の冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記冷却回路における前記燃料電池への入口温度と前記燃料電池からの出口温度をそれぞれ取得する温度センサと、前記冷却水ポンプの動作を制御する制御部であって、前記燃料電池を連続運転させる場合には、前記冷却水ポンプを駆動させ、前記燃料電池を連続運転から間欠運転に移行した場合には、前記入口温度と前記出口温度との出入口温度差が判定温度未満となるまでの期間に相当する期間、前記冷却水ポンプを駆動させ、その後、前記冷却水ポンプを停止する制御部と、を備える。この形態によれば、燃料電池を連続運転から間欠運転に切り替える場合には、冷却水の燃料電池の入口における入口温度と燃料電池の出口における出口温度との差が判定温度以上とされる期間、冷却水ポンプを駆動し、その後冷却水ポンプを停止する。その結果、冷却水ポンプの消費電力や劣化を抑制すると共に、燃料電池の入口における入口温度と燃料電池の出口における出口温度との温度差により生じる結露水の発生を抑制し、結露水に起因して生じる導電パスを流れる電流を抑制し、当該電流による燃料電池の劣化を抑制できる。
図1は、燃料電池搭載車両(「車両」とも呼ぶ。)に用いられる燃料電池システム10を模式的に示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池100と、燃料ガス供給回路200と、酸化剤ガス供給回路300と、排ガス回路400と、冷却回路500と、負荷回路600と、制御部700と、を備える。燃料ガス供給回路200と、酸化剤ガス供給回路300と、排ガス回路400は、反応ガス回路である。
燃料電池100は、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用い、酸化剤ガスとして、空気(空気中の酸素)を用いる。
燃料ガス供給回路200は、燃料ガスタンク210と、燃料ガス供給管220と、燃料ガス排気管230と、燃料ガス還流管240と、主止弁250と、レギュレーター260と、インジェクタ270と、気液分離器280と、水素ポンプ290と、を備える。燃料ガスタンク210は、燃料ガスを貯蔵する。燃料ガスタンク210と、燃料電池100とは、燃料ガス供給管220で接続されている。燃料ガス供給管220上には、燃料ガスタンク210側から、主止弁250と、レギュレーター260と、インジェクタ270とが設けられている。主止弁250は、燃料ガスタンク210からの燃料ガスの供給をオン、オフする。レギュレーター260は、燃料電池100に供給される燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ270は、燃料電池100に燃料ガスを噴射する。
燃料ガス排気管230は、燃料電池100からの燃料排ガスを排出する。燃料ガス還流管240は、燃料ガス排気管230と、燃料ガス供給管220に接続されている。燃料ガス排気管230と燃料ガス還流管240との間には、気液分離器280が設けられている。燃料排ガスには、消費されなかった水素と、燃料電池100を通って移動してきた窒素などの不純物と、水が含まれている。気液分離器280は、燃料排ガス中の水と、ガス(水素と窒素などの不純物)とを分離する。燃料ガス還流管240には、水素ポンプ290が設けられている。水素ポンプ290は、気液分離器280により分離されたガスを燃料ガス供給管220に供給する。これにより、燃料電池システム10は、燃料排ガスに含まれる消費されなかった水素を燃料として利用する。本実施形態では、水素ポンプ290を用いているが、代わりにエジェクタを用いても良い。
酸化剤ガス供給回路300は、エアクリーナ310と、エアコンプレッサ320と、酸化剤ガス供給管330と、入口弁340と、大気圧センサ350と、外気温センサ360と、エアフローメータ370と、供給ガス温度センサ380と、供給ガス圧力センサ390と、を備える。エアクリーナ310は、空気を取り込む時に、空気中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ320は、空気を圧縮し、酸化剤ガス供給管330を通して空気を燃料電池100に送る。入口弁340は、酸化剤ガス供給管330の燃料電池100への入口に設けられている。大気圧センサ350は、大気圧を測定する。外気温センサ360は、取り込む前の空気の温度を取得する。エアフローメータ370は、取り込んだ空気の量を測定する。なお、空気の供給量は、エアコンプレッサ320の回転数により変わる。供給ガス温度センサ380は、燃料電池100に供給される空気の温度を測定し、供給ガス圧力センサ390は、燃料電池100に供給される空気の圧力を測定する。
排ガス回路400は、排ガス管410と、調圧弁420と、燃料ガス排出管430と、排気排水弁440と、酸化剤ガスバイパス管450と、バイパス弁460と、サイレンサー470とを備える。排ガス管410は、燃料電池100の酸化剤排ガスを排出する。排ガス管410には、調圧弁420が設けられている。調圧弁420は、燃料電池100中の空気の圧力を調整する。燃料ガス排出管430は、気液分離器280と、排ガス管410とを接続している。燃料ガス排出管430上には、排気排水弁440が設けられている。制御部700は、燃料排ガス中の窒素濃度が高くなったとき、あるいは、気液分離器280中の水の量が多くなったときには、排気排水弁440を開け、気液分離器280に溜まった水とガスを排ガス管410に排出する。排出されるガスは、窒素などの不純物と水素とを含む。本実施形態では、燃料ガス排出管430は、排ガス管410に接続されており、排出されるガス中の水素は、酸化剤排ガスにより、希釈される。酸化剤ガスバイパス管450は、酸化剤ガス供給管330の入口弁340の上流側と、排ガス管410の調圧弁420の下流側とを接続する。酸化剤ガスバイパス管450には、バイパス弁460が設けられている。制御部700は、排気排水弁440を開けて、水とガス(窒素などの不純物と水素)を排出するときに、バイパス弁460を開けて排ガス管410に空気を流し、水素を希釈する。また、燃料電池100に要求される電力が少ない場合には、制御部700は、バイパス弁460を開けれ、燃料電池100に供給する空気を減少する。サイレンサー470は、排ガス管410の下流部に設けられており、排気音を減少させる。なお、入口弁340とバイパス弁460の代わりに、酸化剤ガス供給管330と酸化剤ガスバイパス管450との接合部に三方弁を用いても良い。
冷却回路500は、冷却水供給管510と、冷却水排出管515と、ラジエータ管520と、冷却水ポンプ525と、ラジエータ530と、バイパス管540と、三方弁545と、温度センサ550、555と、を備える。冷却水供給管510は、燃料電池100に冷却水を供給するための管であり、冷却水供給管510には冷却水ポンプ525が配置されている。冷却水ポンプ525は、冷却回路500中の冷却水を循環し、燃料電池100に供給する。冷却水排出管515は、燃料電池100から冷却水を排出するための管である。冷却水排出管515の下流部は、三方弁545を介して、ラジエータ管520と、バイパス管540と、に接続されている。ラジエータ管520には、ラジエータ530が設けられている。ラジエータ530には、ラジエータファン535が設けられている。ラジエータファン535は、ラジエータ530に風を送り、ラジエータ530からの放熱を促進する。ラジエータ管520の下流部と、バイパス管540の下流部とは、冷却水供給管510に接続されている。温度センサ550は、燃料電池100から排出される冷却水の温度である出口温度Twoutを測定する。温度センサ555は、燃料電池100に供給される冷却水の温度である入口温度Twinを測定する。
負荷回路600は、燃料電池昇圧コンバーター605と、インバーター610と、主駆動モーター620と、DC/DCコンバーター630と、補機640と、二次電池650と、を備える。燃料電池昇圧コンバーター605は、燃料電池100が発生させる電圧を、主駆動モーター620を駆動できる電圧に昇圧する。インバーター610は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、主駆動モーター620に供給する。主駆動モーター620は、燃料電池搭載車両を駆動する駆動モーターである。また、主駆動モーター620は、燃料電池搭載車両の減速時には、回生モーターとして機能する。DC/DCコンバーター630は、燃料電池100の電圧を制御する。また、燃料電池100の電圧を変換して二次電池650に供給し、あるいは、二次電池650の電圧を変換してインバーター610に供給する。二次電池650は、燃料電池100からの電力や、主駆動モーター620による回生により得られた電力を充電するとともに、主駆動モーター620や補機640を駆動するための電源として機能する。補機640は、燃料電池システム10内の各部に配置されている各モーター(例えば、ポンプ類などの動力となるモーター、但し、主駆動モーター620を除く)や、これらのモーターを駆動するためのインバーター類、更には各種の車載補機(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。したがって、図1及び説明では、独立して記載しているが、水素ポンプ290、エアコンプレッサ320、冷却水ポンプ525、ラジエータファン535を駆動するモーター(図示せず)等も補機640に含まれる。
制御部700は、燃料ガス供給回路200と、酸化剤ガス供給回路300と、排ガス回路400と、冷却回路500と、負荷回路600と、を制御する。特に、本実施形態では、燃料電池100の動作状態と、冷却水の燃料電池100の入口温度Twinと出口温度Twoutとを用いて、冷却水ポンプ525の駆動を制御する。制御部700には、燃料電池システム10のオン・オフを受け付けるスタートスイッチ710が接続されている。
図2は、制御部700が燃料電池100の運転中に実行する冷却水ポンプ525の制御フローチャートである。ステップS100では、制御部700は、燃料電池100を間欠運転するか否かを判断する。例えば、燃料電池100に要求される発電量が、燃料電池100の最低発電量未満の場合には、制御部700は、燃料電池100を間欠運転する。一方、燃料電池100に要求される発電量が、燃料電池100の最低発電量以上の場合には、制御部700は、燃料電池100を通常運転する。ここで、通常運転とは、間欠運転でない運転、すなわち連続運転を意味する。制御部700は、燃料電池100を間欠運転する場合には、処理をステップS120に移行し、間欠運転しない場合には、処理をステップS110に移行する。
ステップS110では、制御部700は、冷却水ポンプ525を燃料電池100の出力に応じて駆動する。その後、処理をステップS160に移行する。
ステップS120では、制御部700は、冷却水の燃料電池100からの出口温度Twoutと燃料電池100の入口温度Twinとを取得する。ステップS120では、制御部700は、出口温度Twoutと入口温度Twinとの出入口温度差ΔTが判定値ΔTth未満か否かを判断する。出入口温度差ΔTが判定値ΔTth未満の場合には、制御部700は、処理をステップS140に移行し、出入口温度差ΔTが判定値ΔTth以上の場合には、制御部700は、処理をステップS150に移行する。
ステップS140では、制御部700は、冷却水ポンプ525の駆動を停止し、その後処理をステップS160に移行する。
ステップS150では、制御部700は、冷却水ポンプ525を最小駆動力Dminで駆動し、その後処理をステップS160に移行する。
ステップS160では、制御部700は、スタートスイッチ710がオフにされたか否かを判断する。スタートスイッチ710がオフにされた場合には、制御部700は、処理を終了し、スタートスイッチ710がオフにされていない場合には、制御部700は、処理をステップS100に戻る。
図3は、燃料電池100の運転状態と、燃料電池100の出入口温度差ΔTと、冷却水ポンプの動作を示すタイムチャートである。時刻t1までは、燃料電池100は、通常運転しているので、図2のステップS100の判定は、Noであり、制御部700は、処理をステップS110に移行し、冷却水ポンプ525を燃料電池100の出力に応じて駆動する。
時刻t1以降、燃料電池100は、間欠運転に変わるので、図2のステップS100の判定は、Yesとなる。間欠運転では、燃料電池100の出力が少なくなるので、燃料電池100の発熱が少なくなる。燃料電池100の温度をTfcとすると、Tfc>Twout>Twinである。Tfc-Twin>Tfc-Twoutである。したがって、入口温度Twinは出口温度Twoutよりも温度上昇量が大きい。従って、出口温度Twout出入口温度差ΔTは、だんだん小さくなっていく。
時刻t1から時刻t2までは、出入口温度差ΔTは、判定値ΔTth以上なので、図2のステップS130の判定はNoとなる。その結果、制御部700は、処理をステップS150に移行し、冷却水ポンプ525を最小駆動力で駆動する。
時刻t2になると、出入口温度差ΔTは、判定値ΔTth未満となるので、図2のステップS130の判定はYesとなる。その結果、制御部700は、処理をステップS140に移行し、冷却水ポンプ525の駆動を停止する。
時刻t3になると、入口温度Twinと出口温度Twoutは、ほぼ同じ温度となり、出入口温度差ΔTは、ほぼゼロになる。
時刻t3以降、冷却水ポンプ525の駆動が停止されているので、燃料電池100の温度Tfcは、だんだんと上昇する。そこで、制御部700は、定期的に冷却ポンプ525を駆動する。図3の例では、制御部700は、時刻t4からt5にかけて冷却ポンプ525を駆動している。なお、冷却ポンプ525が駆動されなくても、燃料電池100内の冷却水の温度が上昇すると、温度センサ550が検知する出口温度Twoutは高くなる。制御部700は、時刻t3以降、定期的ではなく、出口温度Twoutが予め定められた判定温度を超えたときに、冷却ポンプ525を駆動してもよい。
以上、本実施形態によれば、制御部700は、燃料電池100を間欠運転させる場合には、冷却水ポンプ525を停止させるが、冷却回路500における冷却水の燃料電池100の入口における入口温度Twinと燃料電池100の出口における出口温度Twoutとの出入口温度差ΔTが判定温度ΔTth以上の場合には、冷却水ポンプ525を駆動させ、判定温度ΔTth未満になった場合、冷却水ポンプ525を停止する。すなわち、燃料電池100を間欠運転する場合には、発電量が少なく、発熱量も少ない。そのため、冷却水ポンプ525を停止することで、その結果、冷却水ポンプ525の消費電力を低減し、冷却水ポンプ525の劣化を抑制できる。また、間欠運転かつ、冷却水ポンプ525の停止時に生じる燃料電池100の入口における入口温度Twinと燃料電池100の出口における出口温度Twoutとの出入口温度差ΔTが大きい場合には、制御部700は、冷却水ポンプ525を動作して出入口温度差ΔTを低減する。その結果、出入口温度差ΔTにより生じる結露水の発生を抑制し、結露水に起因して生じる導電パスを流れる電流を抑制し、当該電流による燃料電池の劣化を抑制できる。
上記形態において、制御部700は、入口温度Twinと出口温度Twoutを取得し、その出入口温度差Δtが判定温度未満なった場合に冷却水ポンプ525を停止しているが、間欠運転に切り替わった後、入口温度Twinと出口温度Twoutとの出入口温度差ΔTが判定温度ΔTth未満となるまでの期間に相当する所定期間Twpだけ冷却水ポンプ525を運転するようにしても良い。この所定時間Twp(s)は、例えば、以下のように決定できる。
Twp=TRV×RVint/100+QVbp/(Qwp/60)
上式において、RVintは、間欠運転に切り替わった時の三方弁545のラジエータ530側の弁開度(%)であり、TRVは、三方弁545のラジエータ530側の弁を閉弁するまでの時間(s)である。また、QVbpは、冷却回路500のうちの三方弁545からバイパス管540を経て燃料電池100に至る部分の冷却水の容積(L)であり、Qwpは、冷却水ポンプの駆動流量(L/min)である。このように時間制御とすれば、入口温度Twinを取得する必要が無く、温度センサ555は不要である。
Twp=TRV×RVint/100+QVbp/(Qwp/60)
上式において、RVintは、間欠運転に切り替わった時の三方弁545のラジエータ530側の弁開度(%)であり、TRVは、三方弁545のラジエータ530側の弁を閉弁するまでの時間(s)である。また、QVbpは、冷却回路500のうちの三方弁545からバイパス管540を経て燃料電池100に至る部分の冷却水の容積(L)であり、Qwpは、冷却水ポンプの駆動流量(L/min)である。このように時間制御とすれば、入口温度Twinを取得する必要が無く、温度センサ555は不要である。
上記実施形態では、連続運転から間欠運転に切り替わる時を例にとって説明したが、燃料電池100の温度、あるいは、発電量が一定以下の場合に本実施形態の冷却水ポンプ525を停止するか否かを出入口温度差ΔTで判断するようにしてもよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池システム、100…燃料電池、200…燃料ガス供給回路、210…燃料ガスタンク、220…燃料ガス供給管、230…燃料ガス排気管、240…燃料ガス還流管、250…主止弁、260…レギュレーター、270…インジェクタ、280…気液分離器、290…水素ポンプ、300…酸化剤ガス供給回路、310…エアクリーナ、320…エアコンプレッサ、330…酸化剤ガス供給管、340…入口弁、350…大気圧センサ、360…外気温センサ、370…エアフローメータ、380…供給ガス温度センサ、390…供給ガス圧力センサ、400…排ガス回路、410…排ガス管、420…調圧弁、430…燃料ガス排出管、440…排気排水弁、450…酸化剤ガスバイパス管、460…バイパス弁、470…サイレンサー、500…冷却回路、510…冷却水供給管、515…冷却水排出管、520…ラジエータ管、525…冷却水ポンプ、530…ラジエータ、535…ラジエータファン、540…バイパス管、545…三方弁、550…温度センサ、555…温度センサ、600…負荷回路、605…燃料電池昇圧コンバーター、610…インバーター、620…主駆動モーター、630…DC/DCコンバーター、640…補機、650…二次電池、700…制御部、710…スタートスイッチ
Claims (1)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス回路と、
冷却水を用いて前記燃料電池を冷却する冷却回路と、
前記冷却回路の中の冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
前記冷却回路における前記燃料電池への入口温度と前記燃料電池からの出口温度をそれぞれ取得する温度センサと、
前記冷却水ポンプの動作を制御する制御部であって、
前記燃料電池を連続運転させる場合には、前記冷却水ポンプを駆動させ、
前記燃料電池を連続運転から間欠運転に移行した場合には、前記入口温度と前記出口温度との出入口温度差が判定温度未満となるまでの期間に相当する期間、前記冷却水ポンプを駆動させ、その後、前記冷却水ポンプを停止する制御部と、
を備える、燃料電池システム。
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