JP2008293869A - 燃料電池システム及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの運転の始動時間を短縮しながら、バルブを精度良く制御できる燃料電池システム及び車両。
【解決手段】燃料電池システム（１）は、その運転に用いられるバルブ（１６，１８，４５）と、バルブ（１６，１８，４５）を制御する制御装置７と、を備える。制御装置（７）は、システム運転の終了から次のシステム運転の開始までの間に、バルブ（１６，１８，４５）を初期化する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム及び車両に関し、特に燃料電池システムの運転に用いられるバルブの制御に関するものである。

燃料電池は、燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化ガス（例えば空気）との電気化学反応により、電力を発生する。燃料電池システムでは、所定圧及び所定流量の燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池に供給するために各種の制御弁が用いられている。また、燃料電池の運転温度を制御するために、燃料電池への冷却水の流量を制御する制御弁が用いられている。さらに、燃料ガス等の流体の流れを遮断する遮断弁も、各種配管に設けられている。

特許文献１に記載の燃料電池システムは、都市ガス及び液化プロパンガスの一方を水素ガスに改質して、燃料電池に供給するものである。この燃料電池システムには６個の制御弁が用いられており、都市ガス供給量、プロパンガス供給量、リサイクルガス供給量、エア供給量及び冷却水供給量が制御されるようになっている。都市ガス及びプロパンガスの燃料切替えは二つの遮断弁により実行されるが、その燃料切替えを行わずに二つの遮断弁の異常をチェックする制御方法が開示されている。
特開平１１−３３９８３４号公報

この燃料電池システムによれば、遮断弁の異常チェックを自動的に行うことができる点では有用である。しかしながら、制御弁については何ら処理していない。制御弁が駆動源として例えばステップモータを用いたものである場合、ステップモータが衝撃や振動で脱調することがある。この脱調を放置すると、制御弁の開度を正確に把握することができず、流量を正確に制御することができなくなってしまう。

本発明は、燃料電池システムの運転（以下、「システム運転」という。）の始動時間を短縮しながら、バルブを精度良く制御できる燃料電池システム及び車両を提供することをその目的としている。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、システム運転に用いられるバルブと、バルブを制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、システム運転の終了から次のシステム運転の開始までの間に、バルブを初期化するものである。

また、上記目的を達成するための本発明の車両は、本発明の燃料電池システムを備え、制御装置が、車両の駐車中にバルブを初期化するものである。

本発明によれば、バルブを初期化するので、次のシステム運転でバルブの開度を精度良く制御できる。また、システム運転とは関係のない期間にバルブを初期化するので、システム運転の開始後にバルブを初期化する場合に比べて、システム運転を早期に開始できる。

好ましくは、燃料電池システムは、システム運転の終了後の時間を計測可能な計測装置を備えるとよい。そして、制御装置は、システム運転の終了により停止すると共に、計測装置によって計測された所定時間後に一旦起動して、次の運転開始前までにバルブを初期化するとよい。

こうすることで、制御装置の起動タイミングを計測装置によって設定できるので、システム運転の終了後においてもバルブの初期化を確実に実行できる。

好ましくは、バルブは、弁体と、弁体を可動させるステップモータと、を備えるとよい。そして、制御装置は、ステップモータを一方向に回転させることにより弁体を所定位置まで移動させることで、バルブを初期化するとよい。

こうすることで、ステップモータの脱調を回復でき、弁体の目標の移動位置と実際の移動位置とが高精度に整合するようになる。

より好ましくは、制御装置は、システム運転時よりもバルブの初期化時の方が、回転速度が遅くなるようにステップモータを回転させるとよい。

こうすることで、バルブの一部（例えば弁体）を他の部位（例えば弁座）に突き当てることでバルブを初期化する場合に、速度エネルギーが低下した状態で突き当てが行われる。このため、突き当てに伴う衝撃音を低減できる。

好ましくは、制御装置は、システム運転の開始時及び終了時の少なくとも一方において、バルブの初期化を禁止するとよい。

こうすることで、システム運転の始動時間又は終了時間を短縮できる。

好ましくは、燃料電池システムは、反応ガス及び冷媒が供給される燃料電池を備えており、バルブは、反応ガス及び冷媒の少なくとも一つについて、圧力又は流量を制御するものであるとよい。

好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池から酸化オフガスを排出するための排出路を備えており、バルブは、排出路に設けられた調圧弁であるとよい。

別の好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、酸化ガス用の供給路と、酸化オフガス用の排出路と、燃料電池をバイパスするように供給路と排出路とを接続するバイパス流路と、を備えるとよい。そして、バルブは、バイパス流路に設けられたバイパス弁であるとよい。

また別の好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、熱交換器と燃料電池との間で冷媒を循環するための冷媒流路と、熱交換器をバイパスするように冷媒流路に接続されたバイパス流路と、を備えるとよい。そして、バルブは、熱交換器とバイパス流路との間で冷媒の通流を設定するものであるとよい。

上記した本発明の燃料電池システム及び車両によれば、システム運転の開始前にバルブを初期化するので、システム運転においてバルブを精度良く制御できると共に、システム運転の開始までにかかる始動時間を短縮できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４、冷媒配管系５、電力系６、及び、制御装置７を備える。燃料電池システム１は、車両１００に搭載することができるが、もちろん車両１００のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、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、さらに空気極及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する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生すると共に発熱する。固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、温度センサ７１により検出され、およそ６０〜８０℃となる。

酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を有する。供給路１１には、酸化ガス流路２ａに供給される酸化ガスが流れる。排出路１２には、酸化ガス流路２ａから排出された酸化オフガスが流れる。コンプレッサ１４は、供給路１１に設けられ、エアクリーナ１３を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池２に圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器１５によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。

エア調圧弁１６は、排出路１２においてカソード出口付近に配設され、燃料電池２への酸化ガスの供給圧を調圧する。エア調圧弁１６は、例えばステップモータを駆動源とする制御弁であり、制御装置７からの指令により開度を任意に設定される。バイパス路１７は、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるように、供給路１１と排出路１２とを接続する。バイパス路１７は、加湿器１５の上流側の接続点Ｂで供給路１１に接続されると共に、加湿器１５の下流側の接続部Ｃで排出路１２に接続される。酸化オフガスは、図示省略したマフラーを経て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。

バイパス弁１８は、バイパス通路１７に設けられる。バイパス弁１８は、例えばステップモータを駆動源とする制御弁であり、制御装置７からの指令により開度を任意に設定される。バイパス弁１８の開弁により、コンプレッサ１４から吐出された酸化ガスの一部がバイパス路１７へと分流され、バイパス弁１８を通ってマフラーへと導かれる。このバイパスされる酸化ガスによって、低効率運転時に排出路１２へと排出されるいわゆるポンピング水素を希釈できる。

燃料ガス配管系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に給排する。燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給路２２、循環路２３、ポンプ２４及びパージ路２５を有する。水素ガスは、元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出し、レギュレータ２７及び遮断弁２８を経て燃料ガス流路２ｂに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路２ｂから水素オフガスとして循環路２３に排出される。水素オフガスは、循環路２３と供給路２２との合流点Ａにポンプ２４によって戻され、再び燃料ガス流路２ｂに供給される。また、水素オフガスの一部は、パージ弁３３の適宜の開弁により、循環路２３からパージ路２５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。

冷媒配管系５は、冷媒流路４１、冷却ポンプ４２、ラジエータ４３（熱交換器）、バイパス流路４４及び切替え弁４５を有する。冷媒流路４１は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通しており、燃料電池２とラジエータ４３との間で冷媒（例えば冷却水）を循環する。冷却ポンプ４２は、冷媒を冷却流路２ｃに圧送する。ラジエータ４３は、燃料電池２から排出された冷媒を冷却する。バイパス流路４４は、冷媒がラジエータ４３をバイパスして流れるように、冷媒流路４１に接続される。

切替え弁４５は、ラジエータ４３とバイパス流路４４との間で冷媒の通流を設定する制御弁である。切替え弁４５は、三方弁構造を有し、例えばステップモータを駆動源とするロータリバルブからなる。切替え弁４５は、制御装置７からの指令により、ラジエータ４３及びバイパス流路４４に対する開度を任意に設定される。例えば、切替え弁４５がバイパス流路４４側に切り替えられたときには、ラジエータ４３による放熱効果を受けない冷媒が燃料電池２に流入する。なお、切替え弁４５の初期化の一例について後述する。

電力系６は、システム１の電力を充放電するものであり、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３及びトラクションモータ６４などを備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１によって、バッテリ６２の充放電が実現されると共に、燃料電池２の出力電圧が制御される。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、車両１００の主動力源を構成し、車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結される。

制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成され、システム１を統括制御する。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する制御弁の初期化など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置７は、圧力センサ、温度センサなどの各種のセンサからの検出信号入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、エア調圧弁１６、バイパス弁１８、パージ弁３３、冷却ポンプ４２及び切替え弁４５など）に制御信号を出力する。なお、図１では、制御装置７から各構成要素への制御信号は一部のみをあらわした。

リアルタイムクロック８（計測装置）は、制御装置７におけるＣＰＵとは別のクロックで動作する。このため、リアルタイムクロック８は、制御装置７の電源がＯＦＦされた後でも時間を計測できる。換言すると、リアルタイムクロック８は、燃料電池システム１の運転終了後の時間を計測する。後述するように、リアルタイムクロック８が計測した所定時間後に、電源がＯＦＦされていた制御装置７は、電源をＯＮされて一旦起動し、制御弁の初期化を実行する。

次に、制御弁の初期化について詳述する。

上記したように、本実施形態では、制御弁として、エア調圧弁１６、バイパス弁１８及び切替え弁４５が設けられている。エア調圧弁１６は酸化ガスの圧力を制御し、バイパス弁１８は燃料電池２及びバイパス流路１７への酸化ガスの流量を制御し、切替え弁４５はラジエータ４３への冷媒の流量を制御する。これら制御弁は、いずれも駆動源として、制御装置７により制御されるステップモータを有している。そして、ステップモータによって、弁座に対する弁体の位置が制御され、バルブの開度が制御される。

制御弁の初期化とは、ステップモータの初期化を意味する。ステップモータは、正逆方向に回転可能に構成されており、制御装置７からの指令によるパルス数に応じて所定量だけ回転する。ステッピングモータへのパルス数の制御により、弁体が目標とする位置に移動する。ところが、弁体の実際の移動位置が、ステップモータの脱調によって、制御装置７により指令された目標位置からずれてしまうことがある。これを回復するために、本実施形態では、ステップモータの初期化が実行される。

初期化の方法は、基本的に、ステップモータを所定の位置まで一方向に回転させ、その位置を基準位置（初期値）としてステップモータに設定することで行う。この基準位置は、弁体の任意位置でもよいが、弁体が弁座に当接する全閉位置又は弁体が弁座から最も離間する全開位置とするとよい。エア調圧弁１６及びバイパス弁１８について一例を説明すると、これらのステップモータを初期化する場合には、先ず、ステップモータを一方向に回転させて、弁体を全閉位置まで移動させ、弁座に突き当てる。次いで、この全閉位置を基準位置（初期値）としてステップモータに設定する。これにより、初期化が完了する。なお、ステップモータの初期化は、ゼロ点調整やリセットと換言されることもある。

ここで、初期化において弁体を弁座に突き当てる際には、その突き当てのために必要な理論的なパルス数（ステップ数）よりも多いパルス数を、ステップモータに印加することが望ましい。これは、ステップモータが脱調していると、理論的なパルス数では弁体が弁座に突き当たらない場合もあり、多めのパルス数を印加することで弁体を弁座に確実に突き当てるようにするためである。なお、初期化において弁体を全開位置に移動させる場合は、弁体の移動が全開位置で規制されるようにするとよい。例えば、ステップモータの回転により弁体と共に移動する部位と、全開位置でこの部位に突き当てられるストッパとをエア調圧弁１６及びバイパス弁１８に設ければよい。

図２を参照して、切替え弁４５の初期化についても一例を説明する。
切替え弁４５は、温度制御にセンシティブな燃料電池２に、精度良く対応できるようロータリバルブからなる。切替え弁４５の弁体５１０は、バイパス流路４４、ラジエータ４３側の流路２２０、及び燃料電池２側の流路２３０の合流点に位置する。弁体５１０は、ステップモータ５２０からの動力をギヤ列５３０，５４０を介して伝達されて回転する。ステップモータ５２０へのパルス数の制御により、弁体５１０の開口部５７０を目標とする位置（ラジエータ４３及びバイパス流路４４に対する目標開度）に移動させることができる。

弁体５１０は、ロッド５８０を介してファイナルギヤ５４０に連結されており、その両方向への回転の終端位置が位置規制機構５５０によって規制されるように構成されている。位置規制機構５５０は、ベース７１０と、二つのストッパ７２０，７３０と、二つのストッパ７２０，７３０を摺動可能に挿通する二つの規制溝７４０，７５０と、を備える。ベース７１０には、ロッド５８０を挿通させるための貫通孔が形成されていると共に、二つのストッパ７２０，７３０が立設されている。二つの規制溝７４０，７５０は、ファイナルギヤ５４０の中心を挟んで対向しており、この中心を曲率中心とする円弧の溝としてファイナルギヤ５４０に貫通形成されている。

弁体５１０が一方向に最大限回転すると、ストッパ７２０が規制溝７４０の端に突き当たり、また、弁体５１０が逆方向に最大限回転すると、ストッパ７３０が規制溝７５０の端に突き当たる。これにより、いずれの場合も終端位置に規制される。切替え弁４５を初期化する場合には、例えば、ストッパ７２０又は７３０が規制溝７４０又は７５０に突き当たった位置を基準位置（初期値）としてステップモータ５２０に設定すればよい。なお、弁体５１０の位置が規制される二つの終端位置は、それぞれ、ラジエータ４３側に全開となる位置と、バイパス流路４４側に全開となる位置であるとよい。また、上記同様に、初期化の際にステップモータ５２０に印加するパルス数は、突き当てのために必要な理論的なパルス数よりも多いことが好ましい。

図３を参照して、制御弁の初期化のフローを説明する。
制御弁の初期化は、車両１００の駐車中、換言すればシステム運転の終了後に実行される。具体的には、車両１００が停止して駐車し、運転者によってイグニッションスイッチがＯＦＦ操作（以下、「ＩＧ−ＯＦＦ」という。）されると（ステップＳ１）、燃料電池システム１の運転終了が指令される。この指令により、燃料電池２への燃料ガス及び酸化ガスの供給が停止され、燃料電池システム１の運転（以下、「システム運転」という。）が終了する（ステップＳ２）。

システム運転が終了した状態では、制御装置７の電源がＯＦＦされて停止する一方、システム運転終了後の時間がリアルタイムクロック８によって計測される。この計測された時間が所定時間（例えば５分後）になったところで、制御装置７は電源が自動的にＯＮされて起動する（ステップＳ３）。起動後の制御装置７は、エア調圧弁１６、バイパス弁１８及び切替え弁４５の各制御弁について上記の初期化を実行する（ステップＳ４）。そして、初期化が完了したところで、制御装置７は電源が自動的にＯＦＦされて停止する（ステップＳ５）。この停止によってシステム運転が完全に終了し、燃料電池システム１は次のシステム運転の開始（イグニッションスイッチのＯＮ操作）を待つことになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、制御弁（エア調圧弁１６、バイパス弁１８及び切替え弁４５）を初期化するので、ステップモータの脱調によるバルブ開度のズレを抑制できる。このため、次に開始されるシステム運転において、制御弁の制御対象となる流量や圧力を高精度に制御できる。また、制御弁の初期化が、システム運転の終了から次のシステム運転の開始までの間、すなわちシステム運転とは関係のない間に行われる。このため、システム運転の開始後あるいは終了直前に制御弁を初期化する場合に比べて、次のシステム運転を早期に開始でき、あるいは現在のシステム運転を早期に終了できる。

なお、システム運転の終了後に制御弁の初期化を行うようにすれば、制御装置７は、システム運転の開始時及び終了時の少なくとも一方において、制御弁の初期化を禁止してもよい。こうすることで、確実に、次のシステム運転を早期に開始できるし、現在のシステム運転を早期に終了できる。

＜変形例１＞
上記のように、制御弁の初期化では、弁体を弁座に突き当てるなど、制御弁の一部を他の部位に突き当てる場合がある。このため、突き当てに伴う衝撃音が発生する。ところが、初期化のときには駐車中の車両１００では他の音が発生しないので、制御弁の衝撃音が大きく感じられ得る。そこで、衝撃音を低減するべく、制御弁のステップモータを制御するとよい。具体的には、制御装置７は、システム運転時よりも制御弁の初期化時の方が、回転速度が遅くなるようにステップモータを回転させるとよい。こうすることで、ステップモータはゆっくりとしたステップ送りとなるので、その分、速度エネルギーが低下した状態で突き当てが行われる。よって、突き当てに伴う衝撃音が低減されるようになる。

＜変形例２＞
制御弁の初期化後、次のシステム運転の開始までに、弁体を基準位置から所望の位置に移動させてもよい。これにより、次のシステム運転の開始までに、制御弁の開度を所望の開度に設定しておくことができ、次のシステム運転を迅速に開始することが可能となる。制御装置７は初期化後にステップモータに所定のパルス数を印加し、例えばエア調圧弁１６及びバイパス弁１８の弁体を、初期化で使用した全閉位置から、全開位置に移動させてもよい。こうすることで、システム運転の停止時にエア調圧弁１６及びバイパス弁１８で水分が凍結したとしても、次のシステム運転の時にこれらが開弁しないことによる不具合を回避できる。

＜変形例３＞
制御弁として、エア調圧弁１６、バイパス弁１８及び切替え弁４５を例に説明したが、もちろんこれらに限るものではない。燃料電池システム１に用いられる制御弁であれば、上記の初期化を実行することができる。また、制御弁として、駆動源にステップモータを使用したものについて説明したが、これ以外を駆動源とする制御弁、例えば圧電素子や磁歪素子などの電気・磁気力によって駆動される制御弁についても上記の初期化を実行できる。

本発明の燃料電池システムの構成図である。 本発明の制御弁を模式的に示す斜視図である。 本発明の制御弁の初期化の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：酸化ガス配管系、４：燃料ガス配管系、５：冷媒配管系、７：制御装置、８：リアルタイムクロック（計測装置）、１１：供給路、１２：排出路、１６：エア調圧弁、１７：バイパス流路、１８：バイパス弁、４１：冷媒流路、４３：ラジエータ（熱交換器）、４５：切替え弁、１００：車両、５１０：弁体、５２０：ステップモータ

Claims (10)

1. 燃料電池システムであって、
   当該燃料電池システムの運転に用いられるバルブと、
   前記バルブを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転終了から次の運転開始までの間に、前記バルブを初期化する、燃料電池システム。
2. 当該燃料電池システムの運転終了後の時間を計測可能な計測装置を備え、
   前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転終了により停止すると共に、前記計測装置によって計測された所定時間後に一旦起動して、次の運転開始前までに前記バルブを初期化する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記バルブは、弁体と、当該弁体を移動させるステップモータと、を備え、
   前記制御装置は、前記ステップモータを一方向に回転させることにより前記弁体を所定位置まで移動させることで、前記バルブを初期化する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転時よりも前記バルブの初期化時の方が、回転速度が遅くなるように当該ステップモータを回転させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転開始時及び運転終了時の少なくとも一方において、前記バルブの初期化を禁止する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 反応ガス及び冷媒が供給される燃料電池を備えており、
   前記バルブは、前記反応ガス及び冷媒の少なくとも一つについて、圧力又は流量を制御するものである、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池から酸化オフガスを排出するための排出路を備えており、
   前記バルブは、前記排出路に設けられた調圧弁である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池に酸化ガスを供給するための供給路と、
   燃料電池から酸化オフガスを排出するための排出路と、
   前記燃料電池をバイパスするように前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス流路と、を備え、
   前記バルブは、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 熱交換器と燃料電池との間で冷媒を循環するための冷媒流路と、
   前記熱交換器をバイパスするように前記冷媒流路に接続されたバイパス流路と、を備え、
   前記バルブは、前記熱交換器と前記バイパス流路との間で冷媒の通流を設定するものである、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備えた車両であって、
    前記制御装置は、当該車両の駐車中に前記バルブを初期化する、車両。

Images