JP2020135956A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザーの要望に応じて静粛性を確保できる技術を提供する。【解決手段】通常暖機運転モードと低速暖機運転モードとを有する暖機運転を行う燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、スタック温度を取得する温度計測部と、暖機運転において、スタック温度が予め定められた第１閾値温度に上昇するまで、出力電圧を予め定められた電圧に制御し、かつ、カソードガス供給量を予め定められた供給量に制御する制御部と、を備える。制御部は、低速暖機運転モードが選択された場合において、スタック温度が第１閾値温度から第２閾値温度に上昇するまで、出力電圧を通常暖機運転モードにおける第１電圧より高い第２電圧に制御し、かつ、カソードガス供給量を通常暖機運転モードにおける第１供給量より少ない第２供給量に制御し、暖機運転を終了する要求を取得し、かつ、スタック温度が第１閾値温度以上である場合に、暖機運転を終了する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、例えば、特許文献１に記載されているように、氷点下に始動する場合に、空気供給ファンやコンプレッサ等の補機部品を制御して、燃料電池スタックに供給するカソードガス（例えば、空気）の供給量を少なくして低効率で発電を行い、燃料電池スタックを暖める暖機運転を行うものが知られている。

特開２００４−３０９７９号公報

燃料電池システムは、燃料電池スタックが凍結しない温度に上昇した場合であっても、燃料電池スタックの出力が確保されるまで暖機運転を行う場合がある。この場合、補機部品から作動音が発生し続けることになり、ユーザーが静粛性を求める場合であっても静粛性を確保できない状況が生じ得た。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、通常暖機運転モードと低速暖機運転モードとを有する暖機運転を行う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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサと、前記燃料電池スタックのスタック温度を取得する温度計測部と、前記暖機運転において、前記スタック温度が予め定められた第１閾値温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの出力電圧を予め定められた電圧に制御し、かつ、前記コンプレッサのカソードガス供給量を予め定められた供給量に制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記暖機運転のうちの前記通常暖機運転モードが選択された場合において、前記スタック温度が前記第１閾値温度から前記第１閾値温度より高い第２閾値温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの出力電圧を予め定められた第１電圧に制御し、かつ、前記コンプレッサのカソードガス供給量を予め定められた第１供給量に制御し、前記暖機運転のうちの前記低速暖機運転モードが選択された場合において、前記スタック温度が前記第１閾値温度から前記第２閾値温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの出力電圧を前記第１電圧より高い第２電圧に制御し、かつ、前記コンプレッサのカソードガス供給量を前記第１供給量より少ない第２供給量に制御し、前記暖機運転を終了する要求を取得し、かつ、前記スタック温度が前記第１閾値温度以上である場合に、前記暖機運転を終了する。この形態の燃料電池システムによれば、低速暖機運転モードが選択された場合には、スタック温度が第１閾値温度から第２閾値温度に上昇するまで、燃料電池スタックの出力電圧を通常暖機運転モードにおける電圧よりも高い第２電圧に制御し、かつ、コンプレッサのカソードガス供給量を通常暖機運転モードにおける供給量よりも少ない第２供給量に制御するため、作動音を低減できる。また、暖機運転を終了する要求を取得し、かつ、スタック温度が第１閾値温度以上である場合に、暖機運転を終了する。そのため、ユーザーの要望に応じて静粛性を確保できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。 暖機運転処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 暖機運転におけるスタック温度の一例を示したタイミングチャートである。 電流と電圧とカソードガス供給量との関係を示したグラフである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷却媒体循環部７０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）８１と、負荷８２と、電圧検出部８３と、電流計８４と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１が積層されて構成されている。各燃料電池セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部２０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２２や指示入力部２３の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部２０は、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、後述する暖機運転処理を実現する。本実施形態において、暖機運転は通常暖機運転モードと低速暖機運転モードとを有する。低速暖機運転モードとは、通常暖機運転モードよりも燃料電池スタック１０の温度の上昇が緩やかな暖機運転のモードである。なお、制御部２０は、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。

ＥＣＵ２２は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２２が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２２は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。

指示入力部２３は、暖機運転におけるモードや、暖機運転の終了を選択する入力部である。本実施形態において、指示入力部２３はタッチセンサを備えたカーナビゲーションシステムのディスプレイ上のボタンである。なお、指示入力部２３は、既存のボタン式の操作装置でもよい。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、分流弁３６と、カソードガス排出配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。

エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ３３は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３４は、コンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられている。分流弁３６は、コンプレッサ３３とカソードガス排出配管４１との間に設けられており、燃料電池スタック１０とカソードガス排出配管４１への空気の流量を調節する。分流弁３６は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。

カソードガス排出配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスをカソードオフガスともいう。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノードガス排出配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。

アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。

第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの流量を制御する。

アノードガス排出配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器６２とを接続する配管である。アノードガス排出配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２へと誘導する。

気液分離器６２は、循環流路６６のアノードガス排出配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、循環流路６６内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６３は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３は、カソードガス排出配管４１に接続されており、排気排水弁６３によって排出された水および不要なガスは、カソードガス排出配管４１を通じて外部へ排出される。

循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５が設けられている。気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。

冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、温度計測部７７と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。

冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷媒の流量を調節する。温度計測部７７は、冷媒排出管７２に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を測定する。温度計測部７７で測定される温度は、燃料電池スタック１０のスタック温度とほぼ等しい。従って、温度計測部７７は、燃料電池スタック１０のスタック温度を取得する温度計測部に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。

電圧検出部８３は、燃料電池スタック１０の電圧を検出する。本実施形態において電圧検出部８３は、燃料電池スタック１０の電圧から平均セル電圧を算出する。「平均セル電圧」とは、燃料電池スタック１０の両端電圧を燃料電池セル１１の数で除算した値である。電流計８４は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定する。

燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、上述したコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５および各種弁に、供給される。

図２は、本実施形態における、暖機運転処理の手順の一例を表わすフローチャートである。暖機運転処理は、スタック温度Ｔｆｃが予め定められた第１閾値温度Ｔｔｈ１未満の場合に開始される。第１閾値温度Ｔｔｈ１は、燃料電池スタック１０が凍結しない温度であることが好ましく、予め実験を行って定めることができる。第１閾値温度Ｔｔｈ１は、例えば、０度より高い温度である。

まず、制御部２０は、ステップＳ１００で、燃料電池スタック１０の出力電圧が予め定められた第１電圧になるよう制御し、かつ、コンプレッサ３３が燃料電池スタック１０に供給するカソードガス供給量を予め定められた第１供給量に制御することにより、燃料電池システム１００の発電効率を低下させ、暖機運転を行う。第１電圧は、電流と電圧との関係が定義されたマップや関数に基づき、定めることができる。第１供給量は、電流とカソードガス供給量との関係が定義されたマップや関数に基づき、定める事ができる。電圧と電流およびカソードガス供給量の関係については後述する。

次に、制御部２０は、ステップＳ１１０で、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１以上か否か判定する。スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１より低い場合、制御部２０は、ステップＳ１１０の処理を繰り返す。つまり、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１まで上昇するまで、第１電圧での発電を続ける。一方、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１以上の場合、制御部２０は、ステップＳ１２０の処理に進む。

続いて、制御部２０は、ステップＳ１２０で、終了要求があるか否かを判定する。終了要求は、例えば、指示入力部２３から取得できる。終了要求がある場合、制御部２０は、暖機運転処理を終了する。一方、終了要求がない場合、制御部２０は、ステップＳ１３０の処理に進み、低速暖機運転モードが選択されているか否か判定する。低速暖機運転モードが選択されていない場合、つまり、通常暖機運転モードが選択されている場合、制御部２０は、ステップＳ１５０の処理に進む。低速暖機運転モードが選択されている場合、制御部２０は、ステップＳ１４０の処理に進み、燃料電池スタック１０の出力電圧が第１電圧よりも高い第２電圧になるよう制御し、かつ、コンプレッサ３３が燃料電池スタック１０に供給するカソードガス供給量を第１供給量よりも少ない第２供給量に制御して、燃料電池システム１００の発電を行う。

最後に、制御部２０は、ステップＳ１５０において、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上か否か判定する。第２閾値温度Ｔｔｈ２は、第１閾値温度Ｔｔｈ１より高い温度であり、燃料電池スタック１０が予め定められた電力を出力できる温度である。予め定められた電力とは、例えば、トラクションモータ等の負荷８２を十分駆動可能な電力である。スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合、制御部２０は、ステップＳ１５０の処理を繰り返す。つまり、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２まで上昇するまで、通常暖機運転モードの場合は第１電圧、第１供給量で発電を続け、低速暖機運転モードの場合は第２電圧、第２供給量で発電を続ける。一方、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合、制御部２０は、暖機運転処理を終了する。

図３は、暖機運転におけるスタック温度の一例を示したタイミングチャートである。グラフＧ１ａは、通常暖機運転モードの場合を示し、グラフＧ２ａは、低速暖機運転モードの場合を示す。なお、説明の便宜上、グラフＧ２ａを下方向にずらして記載しているが、実際は、グラフＧ１ａと部分的に重なっており、タイミングｔ３でのスタック温度Ｔｆｃは第２閾値温度Ｔｔｈ２である。

図３に示すように、スタック温度ＴｆｃがＴｔｈ１以下である、タイミングｔ０からタイミングｔ１の期間は、通常暖機運転モードと低速暖機運転モードとは、ともに第１電圧で発電を行うため、スタック温度Ｔｆｃの上昇の傾きは同じである。グラフＧ１ａで示す通常暖機運転モードでは、タイミングｔ２でスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２に上昇する。一方、グラフＧ２ａで示す低速暖機運転モードでは、タイミングｔ１から、第２電圧（＞第１電圧）で発電を行うため、グラフＧ１ａよりも緩やかにスタック温度Ｔｆｃが上昇し、タイミングｔ２よりも遅いタイミングｔ３でスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２に上昇する。

図４は、電流と電圧とカソードガス供給量との関係を示したグラフである。１点鎖線で示すグラフＧ１ｂは、通常暖機運転モードにおける電流と電圧との関係を示しており、グラフＧ２ｂは、低速暖機運転モードにおける電流と電圧との関係を示している。実線で示すグラフＧ１ｃは、通常暖機運転モードにおける電流とカソードガス供給量との関係を示しており、グラフＧ２ｃは、低速暖機運転モードにおける電流とカソードガス供給量との関係を示している。

図４に示すように、低速暖機運転モードである第２電圧Ｖ２での電流Ｉ２における第２供給量Ｑ２は、通常暖機運転モードである第１電圧Ｖ１での電流Ｉ１における第１供給量Ｑ１よりも少ない。つまり、低速暖機運転モードでは、通常暖機運転モードよりもコンプレッサ３３の回転数が低減され、作動音が小さくなる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、低速暖機運転モードが選択された場合において、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１から第２閾値温度Ｔｔｈ２に上昇するまで、燃料電池スタック１０の出力電圧を通常暖機運転モードにおける第１電圧Ｖ１よりも高い第２電圧Ｖ２に制御し、かつ、コンプレッサ３３のカソードガス供給量を通常暖機運転モードにおける第１供給量Ｑ１よりも少ない第２供給量Ｑ２に制御する。そのため、低速暖機運転モードが選択された場合には、通常暖機運転モードよりもコンプレッサ３３の回転数を低減することができ、作動音を低減できる。また、暖機運転を終了する要求を取得し、かつ、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１以上である場合に、暖機運転を終了する。そのため、ユーザーの要望に応じて静粛性を確保できる。

Ｂ．その他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態において、制御部２０は、指示入力部２３によって通常暖機運転モードと低速暖機運転モードとを選択し、暖機運転の終了要求を取得している。この代わりに、制御部２０は、燃料電池システム１００が駆動している時間に応じて、暖機運転のモードの選択および暖機運転の終了要求を行ってもよい。例えば、深夜や早朝である場合には、作動音を低減させるために、低速暖機運転モードの選択や、終了要求を行ってもよい。

（Ｂ２）上記実施形態において、制御部２０は、通常暖機運転モードが選択された場合において、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１に上昇するまでと、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１から第２閾値温度Ｔｔｈ２に上昇するまでと、共に第１電圧Ｖ１、第１供給量Ｑ１で発電を行うよう制御している。この代わりに、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１から第２閾値温度Ｔｔｈ２に上昇するまで、第１電圧と異なる第３電圧、第１供給量Ｑ１と異なる第３供給量で発電を行うよう制御してもよい。なお、第３電圧は第２電圧Ｖ２未満であり、第３供給量は第２供給量Ｑ２より多い。

本発明は、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中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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…燃料電池スタック、１１…燃料電池セル、２０…制御部、２２…ＥＣＵ、２３…指示入力部、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…コンプレッサ、３４…第１開閉弁、３６…分流弁、４１…カソードガス排出配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、６１…アノードガス排出配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、６６…循環流路、７０…冷却媒体循環部、７１…冷媒供給管、７２…冷媒排出管、７３…ラジエータ、７４…冷媒ポンプ、７５…三方弁、７６…バイパス管、７７…温度計測部、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…電圧検出部、８４…電流計、１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 通常暖機運転モードと低速暖機運転モードとを有する暖機運転を行う燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサと、
   前記燃料電池スタックのスタック温度を取得する温度計測部と、
   前記暖機運転において、前記スタック温度が予め定められた第１閾値温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの出力電圧を予め定められた電圧に制御し、かつ、前記コンプレッサのカソードガス供給量を予め定められた供給量に制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記暖機運転のうちの前記通常暖機運転モードが選択された場合において、前記スタック温度が前記第１閾値温度から前記第１閾値温度より高い第２閾値温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの出力電圧を予め定められた第１電圧に制御し、かつ、前記コンプレッサのカソードガス供給量を予め定められた第１供給量に制御し、
   前記暖機運転のうちの前記低速暖機運転モードが選択された場合において、前記スタック温度が前記第１閾値温度から前記第２閾値温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの出力電圧を前記第１電圧より高い第２電圧に制御し、かつ、前記コンプレッサのカソードガス供給量を前記第１供給量より少ない第２供給量に制御し、
   前記暖機運転を終了する要求を取得し、かつ、前記スタック温度が前記第１閾値温度以上である場合に、前記暖機運転を終了する、燃料電池システム。

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