JP7361063B2 - 電力システム、および電力システムの制御方法 - Google Patents

電力システム、および電力システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電力システム、車両、および電力システムの制御方法に関する。
特許文献１には、「エネルギー源としての燃料電池システムと、該燃料電池システムを負荷に応じて制御可能に冷却するための燃料電池冷却システムと、を備える、自動車、特に商用車のための燃料電池駆動部」が記載されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特表２０１１－５０３８１２号公報
本発明の第１の態様においては、電力システムが提供される。電力システムは、燃料電池スタックおよび燃料電池ウォーターポンプを有する燃料電池システムを備える。電力システムは、熱源ウォーターポンプを有し、作動することで発熱する熱源を備える。電力システムは、大気と熱交換を行う放熱器を備える。電力システムは、燃料電池システム、熱源、および放熱器を熱的に接続する冷却通路を備える。電力システムは、燃料電池システム、熱源、放熱器を制御する制御装置を備える。制御装置は、燃料電池ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第１の吐出流量になる回転数と、第１の吐出流量より多い第２の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御し、熱源ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第３の吐出流量になる回転数と、第３の吐出流量より多い第４の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御し、第１の吐出流量＜第４の吐出流量、かつ、第２の吐出流量＞第３の吐出流量である。
燃料電池システムは、流路、およびバルブをさらに有し、燃料電池システムの流路は、バルブが開状態にあるときに、燃料電池システム内に流入し、燃料電池ウォーターポンプと燃料電池スタックとを通過して燃料電池システム外に流出するメイン流路と、バルブが閉状態にあるときに、燃料電池ウォーターポンプと燃料電池スタックとを通過しない外部の流路であるバイパス流路とを有してよい。
制御装置は、燃料電池システムの作動状態、熱源の作動状態、およびバルブの開閉状態の少なくとも１つに基づいて、燃料電池ウォーターポンプの回転数を制御してよい。
制御装置は、熱源の非作動時は、燃料電池ウォーターポンプが第２の吐出流量になる回転数に制御し、熱源ウォーターポンプが第３の吐出流量になる回転数に制御し、熱源の作動時は、燃料電池ウォーターポンプが第１の吐出流量になる回転数に制御し、熱源ウォーターポンプが第４の吐出流量になる回転数に制御してよい。
燃料電池システムを複数有し、複数の燃料電池システムと熱源は冷却通路上でそれぞれ並列に接続されてよい。
制御装置は、電力システムに要求される出力に応じて作動が必要な複数の燃料電池システムの数を決定し、熱源の非作動時は、作動させない燃料電池システムの燃料電池ウォーターポンプが第１の吐出流量になる回転数に制御し、作動させる燃料電池システムの燃料電池ウォーターポンプが第２の吐出流量になる回転数に制御し、熱源ウォーターポンプが第３の吐出流量になる回転数に制御し、熱源の作動時は、燃料電池ウォーターポンプが第１の吐出流量または第２の吐出流量のいずれかになる回転数にそれぞれ制御し、熱源ウォーターポンプが第４の吐出流量になる回転数に制御してよい。
制御装置は、熱源の作動時は、複数の燃料電池システムの内、作動させない燃料電池システムの燃料電池ウォーターポンプが第１の吐出流量になる回転数に制御し、作動させる燃料電池システムの燃料電池ウォーターポンプが第２の吐出流量になる回転数に制御してよい。
制御装置は、燃料電池ウォーターポンプを、バルブが閉状態にあるときに第１の吐出流量になる回転数に制御し、バルブが開状態にあるときに第２の吐出流量になる回転数に制御してよい。
バルブは制御装置によって開閉制御が可能な電磁バルブであって、制御装置は、複数の燃料電池システムの内、作動しない燃料電池システムのバルブを閉状態に制御し、作動させる燃料電池システムのバルブを開状態に制御してよい。
本発明の第２の態様においては、電力システムが提供される。電力システムは、燃料電池スタックおよび燃料電池ウォーターポンプを有する燃料電池システムを備える。電力システムは、熱源ウォーターポンプを有し、作動することで発熱する熱源を備える。電力システムは、大気と熱交換を行う放熱器を備える。電力システムは、燃料電池システム、熱源、および放熱器を熱的に接続する冷却通路を備える。電力システムは、燃料電池システム、熱源、放熱器を制御する制御装置を備える。制御装置は、予め定められた単位時間当たりの第１の最小吐出流量を下回らない範囲で、燃料電池システムの温度に応じて燃料電池ウォーターポンプの回転数を制御し、熱源の非稼働時には、燃料電池ウォーターポンプの単位時間当たりの吐出流量ごとに、予め定められた第２の最小吐出流量を下回らない範囲で熱源ウォーターポンプの回転数を制御し、熱源の稼働時には、熱源の温度に応じて熱源ウォーターポンプの回転数を制御する。
制御装置は、燃料電池システムの作動状態、熱源の作動状態、およびバルブの開閉状態の少なくとも１つに基づいて、燃料電池ウォーターポンプの回転数を制御してよい。
燃料電池システムを複数有し、複数の燃料電池システムと熱源は冷却通路上でそれぞれ並列に接続されてよい。
本発明の第３の態様においては、車両が提供される。車両は、上記電力システムを有し、熱源はリターダである。
本発明の第４の態様においては、電力システムの制御方法が提供される。電力システムの制御方法における電力システムは、燃料電池スタックおよび燃料電池ウォーターポンプを有する燃料電池システムを備える。電力システムは、熱源ウォーターポンプを有し、作動することで発熱する熱源を備える。電力システムは、大気と熱交換を行う放熱器を備える。電力システムの制御方法は、燃料電池システム、熱源、および放熱器を熱的に接続する冷却通路を備える。電池システムは、燃料電池システム、熱源、放熱器を制御する制御装置を備える。制御装置は、燃料電池ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第１の吐出流量になる回転数と、第１の吐出流量より多い第２の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御する段階と、熱源ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第３の吐出流量になる回転数と、第３の吐出流量より多い第４の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御する段階と、を実行し、第１の吐出流量＜第４の吐出流量、かつ、第２の吐出流量＞第３の吐出流量である。
本発明の第５の態様においては、電力システムの制御方法が提供される。電力システムの制御方法における電力システムは、燃料電池スタックおよび燃料電池ウォーターポンプを有する燃料電池システムを備える。電力システムは、熱源ウォーターポンプを有し、作動することで発熱する熱源を備える。電力システムは、大気と熱交換を行う放熱器を備える。電力システムの制御方法は、燃料電池システム、熱源、および放熱器を熱的に接続する冷却通路を備える。電池システムは、燃料電池システム、熱源、放熱器を制御する制御装置を備える。制御装置は、予め定められた単位時間当たりの第１の最小吐出流量を下回らない範囲で、燃料電池システムの温度に応じて燃料電池ウォーターポンプの回転数を制御する段階と、熱源の非稼働時には、燃料電池ウォーターポンプの単位時間当たりの吐出流量ごとに、予め定められた第２の最小吐出流量を下回らない範囲で熱源ウォーターポンプの回転数を制御する段階と、熱源の稼働時には、熱源の温度に応じて熱源ウォーターポンプの回転数を制御する段階と、を実行する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
第１の実施形態における電力システム１００の概略的な構成を示す図である。 第１の実施形態における各燃料電池システム１１から１４とリターダ３０のウォーターポンプの回転数制御の第１の例を示す図である。 第１の実施形態における各燃料電池システム１１から１４とリターダ３０のウォーターポンプの回転数制御の第２の例を示す図である。 第１の実施形態における協調制御のパターンを示す図である。 第１の実施形態における電力システム１００の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態における電力システム２００の概略的な構成を示す図である。 第２の実施形態における電力システム２００の動作を示すフローチャートである。 コンピュータ２２００の例を示す。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、第１の実施形態における電力システム１００の概略的な構成を示す図である。図１に示すように、電力システム１００は、燃料電池システム（ＦＣＳ１）１１と、燃料電池システム（ＦＣＳ２）１２と、燃料電池システム（ＦＣＳ３）１３と、燃料電池システム（ＦＣＳ４）１４と、ラジエータ２０と、リターダ３０と、を有する。燃料電池システム１１と、燃料電池システム１２と、燃料電池システム１３と、燃料電池システム１４とには、それぞれ、ＦＣＥＣＵ１１ｄと、ＦＣＥＣＵ１２ｄと、ＦＣＥＣＵ１３ｄと、ＦＣＥＣＵ１４ｄとが接続されている。リターダ３０には、ウォーターポンプ（ＥＷＰ）３１と、ＦＣＥＣＵ３２とが接続されている。ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄ、およびＦＣＥＣＵ３２には、制御装置としてのＦＣＥＣＵマスタ５０が接続されている。図示しないが、当該ＦＣＥＣＵマスタ５０は、電力システム１００が搭載される装置を制御するＥＣＵと接続される。
電力システム１００は、例えば、燃料電池車両などの車両に搭載される。車両は、例えば、大型トラックなどの大型車両である。車両は、電力システム１００の複数の燃料電池システム１１から１４から駆動力を得て駆動される。大型トラックなどの大型車両は、複数の燃料電池システム１１から１４の駆動力を有することにより円滑に駆動される。なお、車両は、小型車両であってもよいし、車両以外の移動体（例えば、船舶、飛行体、ロボット）に搭載されてもよく、また、定置型の燃料電池システムに搭載されてもよい。本実施形態において、電力システム１００が有する燃料電池システムの数は、燃料電池システム１１から１４の４つとしているが、それ以上であってもよく、それ以下であってもよい。
本実施形態では省略しているが、燃料電池システム１１から１４は、他の構成を有してもよい。他の構成としては、例えば、ＦＣＶＣＵ（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、ＢＡＴＴＶＣＵ（ＢＡＴＴＥＲＹ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、ＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）１３ａと、ＭＯＴ（ＭＯＴＥＲ）、高電圧補機、ＩＰＵ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ）などが挙げられる。
燃料電池システム１１は、サーモバルブ（ＴＨ）１１ａと、ウォーターポンプ（ＥＷＰ）１１ｂと、燃料電池スタック（ＳＴＫ）１１ｃとを有する。同様に、燃料電池システム１２は、サーモバルブ（ＴＨ）１２ａと、ウォーターポンプ（ＥＷＰ）１２ｂと、燃料電池スタック（ＳＴＫ）１２ｃとを有する。燃料電池システム１３は、サーモバルブ（ＴＨ）１３ａと、ウォーターポンプ（ＥＷＰ）１３ｂと、燃料電池スタック（ＳＴＫ）１３ｃとを有する。燃料電池システム１４は、サーモバルブ（ＴＨ）１４ａと、ウォーターポンプ（ＥＷＰ）１４ｂと、燃料電池スタック（ＳＴＫ）１２ｃとを有する。
図１には、燃料電池スタック１１ｃから１４ｃを冷却するための冷却通路が実線で示される。冷却通路は、燃料電池システム１１から１４と、ラジエータ２０と、リターダ３０とを配管によって熱的に接続する。冷却通路には、燃料電池スタック１１ｃから１４ｃを冷却するための冷却液が循環する。冷却通路は、メイン流路４１ａから４１ｄと、バイパス流路４２，４３とを有する。
メイン流路４１ａから４１ｄは、サーモバルブ１１ａから１４ａが開状態にあるときに、冷却液が、燃料電池システム１１から１４内に流入し、燃料電池ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂと燃料電池スタック１１ｃから１４ｃとを通過して燃料電池システム１１から１４の外部に流出する流路である。バイパス流路４２，４３は、サーモバルブ１１ａから１４ａが閉状態にあるときに、冷却液が、燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂと燃料電池スタック１１ｃから１４ｃとを通過しないで、燃料電池システム１１から１４の外部を循環する流路である。バイパス流路４２は、冷却液が、ラジエータ２０からリターダ３０へ向かう流路である。バイパス流路４３は、冷却液が、リターダ３０からラジエータ２０へ向かう流路である。図１に示すように、複数の燃料電池システム１１から１４とリターダ３０は、冷却通路上でそれぞれ並列に接続される。
燃料電池スタック１１ｃから１４ｃは、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで構成された単位燃料電池を複数積層して構成されており、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極と、冷却液が供給される冷却通路とを備えている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池スタック１１ｃから１４ｃが上限温度を越えないように、冷却通路を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂは、高電圧バッテリまたはモータ回生電力により駆動され、冷却通路において冷却液を循環させる。
サーモバルブ１１ａから１４ａは、燃料電池スタック１１ｃから１４ｃの冷却時に通路を開放してバイパス流路４２から冷却水を流入させる。また、燃料電池スタック１１ｃから１４ｃの冷却時以外の時には、サーモバルブ１１ａから１４ａは、バイパス流路４２からの通路を閉塞し、冷却水の流入を阻止する。サーモバルブ１１ａから１４ａには図示しない温度センサが設けられており、サーモバルブ１１ａから１４ａ周辺の冷却水の温度を基準として、自動的に開閉を行う。具体的には、サーモバルブ１１ａから１４ａ周辺の冷却液が予め定められた温度よりも低いときには、冷却液を冷却する必要がないので、通路を閉塞し、バイパス流路４２からの冷却水の流入を阻止する。一方で、冷却液が予め定められた温度よりも高いときには、冷却液を冷却する必要があるので、通路を開放してバイパス流路４２から冷却水を流入させる。予め定められた温度は、例えば、７５度である。
ラジエータ２０は、熱媒体と外気とで熱交換を行う冷却部品である。ラジエータ２０は、放熱器であるＦＡＮ２１を有する。
リターダ３０は、電力システム１００が搭載される車両の制動機構である。大型トラックなどの大型車両において、ディスクブレーキではブレーキ能力が足りないためその重量を加味したブレーキは通常のディスクブレーキではなく、リターダといわれる流体式または磁気式のブレーキが採用される。本実施形態において、リターダ３０は流体式リターダである。流体式リターダのロータを回転させてロータおよびステータ間で流体を循環させることにより流体に抵抗を発生させ、発生した抵抗で車両の制動力を得ることができる。本実施形態ではリターダ３０を熱源として説明するが、リターダに相当する構成要素として、リターダ以外の熱源であっても良い。
ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄ、および３２は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有する。ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄ、および３２は、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行する。
ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄは、燃料電池システム１１から１４のエネルギーマネージメントを行うように構成される。ＦＣＥＣＵ３２は、リターダ３０のエネルギーマネージメントを行うように構成される。ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄ、およびＦＣＥＣＵ３２は、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することにより、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行し、例えば、図示しない開度センサ、圧力センサ、流量センサ、温度センサ、エアポンプの回転数センサ等のセンサ検出値、燃料電池スタックの電圧、電流、エアポンプの電圧、電流、回転数、モータの電圧、電流、回転数等を検出して、各機器を制御する。
ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄ、およびＦＣＥＣＵ３２は、制御装置としてのＦＣＥＣＵマスタ５０により統括的に管理される。ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄ、およびＦＣＥＣＵ３２は、ＦＣＥＣＵマスタ５０からの指令を受けて各装置の制御を行う。ＦＣＥＣＵマスタ５０は、燃料電池システム１１から１４の作動状態、リターダ３０の作動状態、およびサーモバルブ１１ａから１４ａの開閉状態の少なくとも１つに基づいて、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を制御する。ＦＣＥＣＵマスタ５０は、電力システム１００に要求される出力に応じて作動が必要な各燃料電池システム１１から１４の数を決定する。ＦＣＥＣＵ３２は、当該電力システム１００の外に設置され、又は電力システム１００が搭載される車両を制御するＥＣＵの一機能として搭載され、電力システム１００が搭載される車両を制御するＥＣＵからの命令によりリターダ３０を制御し、ＦＣＥＣＵマスタ５０からの信号に基づき電力システム１００が搭載される車両を制御するＥＣＵからの命令でＥＷＰ３１を制御するように構成されていても良い。
サーモバルブ１１ａが開いているときの冷却水の循環経路を、代表して燃料電池システム１１に破線のｒｏｕｔｅ１として示す。サーモバルブ１１ａが開いている間、燃料電池スタック１１ｃを冷却するための冷却液は、バイパス流路４２から、燃料電池システム１１内部に流れ込み、サーモバルブ１１ａを通過する。続いて、冷却液は、ウォーターポンプ１１ｂによって昇圧されて燃料電池スタック１１ｃに供給され、燃料電池スタック１１ｃ内の冷却通路を通る際に燃料電池スタック１１ｃから熱を奪って燃料電池スタック１１ｃを冷却する。続いて、熱せられた冷却液は、バイパス流路４３へと流れる（ｒｏｕｔｅ１）。そして、熱せられた冷却液はラジエータ２０に送られ、ラジエータ２０のＦＡＮ２１において外部に放熱することにより冷却液は冷却される。他の燃料電池システム１２、１３、１４についても、サーモバルブ１２ａ、１３ａ、１４ａが開いているときの冷却液の循環経路は、燃料電池システム１１と同じである。
サーモバルブ１２ａが閉じているときの冷却液の循環経路を、代表して燃料電池システム１２に破線のｒｏｕｔｅ２として示す。サーモバルブ１２ａが閉じている間、冷却液は、燃料電池システム１２内部で、サーモバルブ１２ａと、ウォーターポンプ１２ｂと、燃料電池スタック１２ｃの間を循環するように流れる（ｒｏｕｔｅ２）。他の燃料電池システム１１、１３、１４についても、サーモバルブ１１ａ、１３ａ、１４ａが閉じているときの冷却液の循環経路は、燃料電池システム１２と同じである。
ここで、各燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂと、リターダ３０のウォーターポンプ３１の回転数の設定によっては、冷却液が上記循環経路を通常の方向に流れずに逆流することがある。冷却液が逆流しているときの冷却液の循環経路を、代表して燃料電池システム１３に破線のｒｏｕｔｅ３として示す。冷却液は、バイパス流路４３から、燃料電池システム１３内に流入し、燃料電池スタック１３ｃへと流入する（ｒｏｕｔｅ３）。他の燃料電池システム１１、１２、１４についても、冷却液の逆流経路は、燃料電池システム１３と同じである。
冷却液が逆流することによって、下記の問題が生じる。第１に、冷却液の逆流を防止するために逆止弁を各燃料電池システム１１から１４ごとに配置する必要が生じるが、逆止弁を各燃料電池システム１１から１４ごとに配置することにより電力システム１００の製造コストが増加する。第２に、逆止弁を配置しない形態においては、逆流防止に焦点を当てて各ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの駆動を最大化して冷却する必要が生じるため、システム全体の燃費が悪化する。第３に、冷却液が逆流することによって、各燃料電池システム１１から１４内の冷却液の流量が変動し、結露や乾燥が生じる。第１の実施形態では、冷却液の逆流の発生を防止するために、各燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂ、およびリターダ３０のウォーターポンプ３１の回転数の制御を行う。
図２は、第１の実施形態における各燃料電池システム１１から１４とリターダ３０のウォーターポンプの回転数制御の第１の例を示す図である。通常の制御において、冷却効率を上げるため、リターダ３０が作動している間には、各燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を低下させて、各燃料電池システム１１から１４の発電量を低下させる制御を行う。しかしながら、各燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転を完全に停止してしまうと、図１のｒｏｕｔｅ３に示す冷却液の逆流が発生してしまう。したがって、第１の例では、冷却液の逆流の発生を防止するために、リターダ３０が作動している間に、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂを予め定められた最小の回転数で回転させる制御を行う。
具体的には、ＦＣＥＣＵマスタ５０は、各燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂからの冷却液の吐出流量が予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第１の吐出流量になる第１の回転数と、第１の吐出流量より多い第２の吐出流量になる第２の回転数とで切り替えて制御する。第１の回転数および第２の回転数は、リターダ３０の作動・非作動の条件および、リターダ３０のウォーターポンプ３１の回転数を考慮して決定される。第１の回転数は、例えば、４５００ｒｐｍである。
ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の非作動時（ＯＦＦ時）は、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を、第２の回転数に制御する。一方で、ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の作動時（ＯＮ時）は、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を、第１の回転数に制御する。したがって、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂは、リターダ３０の作動・非作動の条件に関わらず、予め定められた単位時間当たりの第１の最小吐出流量となる第１の回転数を下回らない範囲で回転する。
また、通常走行時にはリターダ３０は作動しておらず、各燃料電池システム１１から１４のみが作動している。しかしながら、リターダ３０が作動していないときにリターダ３０のウォーターポンプ３１の回転を完全に停止してしまうと、リターダ３０の周辺で冷却液の逆流が発生してしまう。したがって、本実施形態では、リターダ３０の周辺における逆流の発生を防止するために、各燃料電池システム１１から１４が作動している間に、リターダ３０のウォーターポンプ３１を予め定められた回転数で回転させる制御を行う。
具体的には、ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０のウォーターポンプ３１の回転数を、リターダ３０からの冷却液の吐出流量が予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第３の吐出流量になる第３の回転数と、第３の吐出流量より多い第４の吐出流量になる第４の回転数とで切り替えて制御する。第３の回転数および第４の回転数は、各燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数および、リターダ３０周辺の冷却液の温度を考慮して決定される。第３の回転数は、例えば、３０００ｒｐｍである。
ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の非作動時（ＯＦＦ時）は、ウォーターポンプ３１の回転数を第３の回転数に制御する。ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の作動時（ＯＮ時）は、ウォーターポンプ３１の回転数を第４の回転数に制御する。
第１の回転数は第４の回転数よりも小さい（すなわち、第１の吐出流量＜第４の吐出流量）。すなわち、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの最小回転数は、リターダ３０の動作時のウォーターポンプ３１の回転数よりも小さい。また、第２の回転数は第３の回転数よりも大きい（すなわち、第２の吐出流量＞第３の吐出流量）。すなわち、ウォーターポンプ３１の最小回転数は、リターダ３０の非動作時のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数よりも小さい。
図３は、第１の実施形態における各燃料電池システム１１から１４とリターダ３０のウォーターポンプの回転数制御の第２の例を示す図である。第２の例は、燃料電池システム１１を単独制御し、燃料電池システム１２から１４を協調制御する例である。協調制御とは、複数の燃料電池システムのウォーターポンプの回転数を統一して動作させる制御を言う。複数の燃料電池システムを協調制御することにより、複数の燃料電池システムからバイパス流路４３に流れ込む冷却液の量や、バイパス流路４２から複数の燃料電池システムに流れ込む冷却液の量を等しくすることができ、冷却液の逆流を防止することができる。第２の例では、リターダ３０の非作動時に、燃料電池システム１２から１４を作動させ、燃料電池システム１１を非作動とする。また、リターダ３０の作動時に、燃料電池システム１１を作動させ、燃料電池システム１２から１４を非作動とする。
図３に示すように、ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の非作動時に、ウォーターポンプ１２ｂから１４ｂの回転数を、第２の回転数に制御する。一方で、ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の非作動時に、ウォーターポンプ１１ｂの回転数を、第１の回転数に制御する。ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の非作動時に、ウォーターポンプ３１の回転数を第３の回転数に制御する。
ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の作動時に、ウォーターポンプ１２ｂから１４ｂの回転数を、第１の回転数に制御する。一方で、ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の作動時に、ウォーターポンプ１１ｂの回転数を、第２の回転数に制御する。ＦＣＥＣＵマスタ５０は、リターダ３０の作動時に、ウォーターポンプ３１の回転数を第４の回転数に制御する。
図４は、第１の実施形態における協調制御のパターンを示す図である。図４において、「〇」は、協調制御する燃料電池システムを示しており、「×」は協調制御しない燃料電池システムを示している。図４に示すように、各燃料電池システム１１から１４を協調制御するパターンは１２通りある。パターン（１２）は、燃料電池システム１１から１４を全て協調制御する例であり、第１の実施形態における第１の例（図２参照）である。パターン（１１）は、燃料電池システム１１を単独制御し、燃料電池システム１２から１４を協調制御する例であり、第１の実施形態における第２の例（図３参照）である。図４に示す他のパターンを使用して各燃料電池システム１１から１４を協調制御してもよい。
ある燃料電池システムについて協調制御の対象とするか否かは、当該燃料電池システムにおけるサーモバルブの開閉状態に応じて決定してよい。この場合、冷却水の温度が予め定められた温度以上であり、サーモバルブが開いた状態の燃料電池システムについて協調制御して、冷却水の温度が予め定められた温度より低く、サーモバルブが閉じた状態の燃料電池システムについて単独制御してもよい。
図５は、第１の実施形態における電力システム１００の動作を示すフローチャートである。ＦＣＥＣＵマスタ５０が各ウォーターポンプの駆動を要求する指令を出すと（ステップＳ０１）、リターダ３０のスイッチがＯＮであるか、ＯＦＦであるかを判断する（ステップＳ０２）。リターダ３０のスイッチがＯＮである場合（ステップＳ０２：ＹＥＳ）、ウォーターポンプ３１の回転数を第４の回転数に設定し（ステップＳ０３）、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を第１の回転数に設定する（ステップＳ０４）。リターダ３０のスイッチがＯＦＦである場合（ステップＳ０２：ＮＯ）、ウォーターポンプ３１の回転数を第３の回転数に設定し（ステップＳ０５）、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を第２の回転数に設定する（ステップＳ０６）。
第１の実施形態における電力システム１００によれば、冷却液の逆流の発生を防止するために、各燃料電池システム１１から１４のウォーターポンプ１１ｂから１４ｂ、およびリターダ３０のウォーターポンプ３１の回転数の制御を行う。これにより、冷却液の逆流を防止するために逆止弁を各燃料電池システム１１から１４ごとに配置する必要がなくなり、電力システム１００の製造コストを低減することができる。さらに、冷却液の逆流に伴う結露や乾燥などの不具合の発生を防止することができ、さらに、電力システム１００の燃費を向上することができる。
図６は、第２の実施形態における電力システム２００の概略的な構成を示す図である。以下、第２の実施形態において第１の実施形態と異なる構成についてのみ説明を行い、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。第２の実施形態の電力システム１００は、サーモバルブ１１ａから１４ｄに代えて、電磁バルブ（ＥＷＶ）１１ｅから１４ｅ有する。電磁バルブ１１ｅから１４ｅは、それぞれ、ＦＣＥＣＵ１１ｄから１４ｄと接続されており、ＦＣＥＣＵマスタ５０により指令を受けて開閉が制御される。ＦＣＥＣＵマスタ５０は、各燃料電池システム１１から１４の内、作動しない燃料電池システムの電磁バルブ１１ｅから１４ｅを閉状態に制御し、作動させる燃料電池システムの電磁バルブ１１ｅから１４ｅを開状態に制御する。
図７は、第２の実施形態における電力システム２００の動作を示すフローチャートである。ＦＣＥＣＵマスタ５０が電磁バルブ１１ｅから１４ｅの駆動を要求する指令を出すと（ステップＳ１１）、各燃料電池システム１１から１４の温度が予め定められた温度以上であるかを判断する（ステップＳ１２）、各燃料電池システム１１から１４の温度が予め定められた温度以上である場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、電磁バルブ１１ｅから１４ｅを開き（ステップＳ１４）、各燃料電池システム１１から１４の温度が予め定められた温度以上でない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、電磁バルブ１１ｅから１４ｅを閉じる（ステップＳ１３）。
電磁バルブ１１ｅから１４ｅが開かれると、リターダ３０のスイッチがＯＮであるか、ＯＦＦであるかを判断する（ステップＳ１５）。リターダ３０のスイッチがＯＮである場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、ウォーターポンプ３１の回転数を第４の回転数に設定し（ステップＳ１６）、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を第１の回転数に設定する（ステップＳ１７）。リターダ３０のスイッチがＯＦＦである場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、ウォーターポンプ３１の回転数を第３の回転数に設定し（ステップＳ１８）、ウォーターポンプ１１ｂから１４ｂの回転数を第２の回転数に設定する（ステップＳ１９）。
第２の実施形態における電力システム２００によれば、上記第１の実施形態における電力システム１００と同様の効果を奏する。
第２の実施形態における電力システム２００によれば、燃料電池システム１１から１４のバルブに電磁バルブ１１ｅから１４ｅを用いる。第１の実施形態のように、サーモバルブ１１ａから１４ａを用いると、サーモバルブ１１ａから１４ａは冷却水の温度によって開閉するため、冷却通路内部の圧力を制御する方法が冷却水の温度に完全に依存する。しかしながら、電磁バルブ１１ｅから１４ｅを用いることにより冷却水の温度以外の条件でもバルブの開閉をコントロールでき、冷却通路の圧力を制御することができる。また、電磁バルブ１１ｅから１４ｅを用いることにより、冷却通路内部の圧力を制御する指令を瞬時に電磁バルブ１１ｅから１４ｅに伝えて、即座にバルブの開閉を行うことができる。
図８は、本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ２２００の例を示す。コンピュータ２２００にインストールされたプログラムは、コンピュータ２２００に、本発明の実施形態に係る装置に関連付けられる操作または当該装置の１または複数のセクションとして機能させることができ、または当該操作または当該１または複数のセクションを実行させることができ、および／またはコンピュータ２２００に、本発明の実施形態に係るプロセスまたは当該プロセスの段階を実行させることができる。そのようなプログラムは、コンピュータ２２００に、本明細書に記載のフローチャートおよびブロック図のブロックのうちのいくつかまたはすべてに関連付けられた特定の操作を実行させるべく、ＣＰＵ２２１２によって実行されてよい。
本実施形態によるコンピュータ２２００は、ＣＰＵ２２１２、ＲＡＭ２２１４、グラフィックコントローラ２２１６、およびディスプレイデバイス２２１８を含み、それらはホストコントローラ２２１０によって相互に接続されている。コンピュータ２２００はまた、通信インタフェース２２２２、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ－ＲＯＭドライブ２２２６、およびＩＣカードドライブのような入／出力ユニットを含み、それらは入／出力コントローラ２２２０を介してホストコントローラ２２１０に接続されている。コンピュータはまた、ＲＯＭ２２３０およびキーボード２２４２のようなレガシの入／出力ユニットを含み、それらは入／出力チップ２２４０を介して入／出力コントローラ２２２０に接続されている。
ＣＰＵ２２１２は、ＲＯＭ２２３０およびＲＡＭ２２１４内に格納されたプログラムに従い動作し、それにより各ユニットを制御する。グラフィックコントローラ２２１６は、ＲＡＭ２２１４内に提供されるフレームバッファ等またはそれ自体の中にＣＰＵ２２１２によって生成されたイメージデータを取得し、イメージデータがディスプレイデバイス２２１８上に表示されるようにする。
通信インタフェース２２２２は、ネットワークを介して他の電子デバイスと通信する。ハードディスクドライブ２２２４は、コンピュータ２２００内のＣＰＵ２２１２によって使用されるプログラムおよびデータを格納する。ＤＶＤ－ＲＯＭドライブ２２２６は、プログラムまたはデータをＤＶＤ－ＲＯＭ２２０１から読み取り、ハードディスクドライブ２２２４にＲＡＭ２２１４を介してプログラムまたはデータを提供する。ＩＣカードドライブは、プログラムおよびデータをＩＣカードから読み取り、および／またはプログラムおよびデータをＩＣカードに書き込む。
ＲＯＭ２２３０はその中に、アクティブ化時にコンピュータ２２００によって実行されるブートプログラム等、および／またはコンピュータ２２００のハードウェアに依存するプログラムを格納する。入／出力チップ２２４０はまた、様々な入／出力ユニットをパラレルポート、シリアルポート、キーボードポート、マウスポート等を介して、入／出力コントローラ２２２０に接続してよい。
プログラムが、ＤＶＤ－ＲＯＭ２２０１またはＩＣカードのようなコンピュータ可読媒体によって提供される。プログラムは、コンピュータ可読媒体から読み取られ、コンピュータ可読媒体の例でもあるハードディスクドライブ２２２４、ＲＡＭ２２１４、またはＲＯＭ２２３０にインストールされ、ＣＰＵ２２１２によって実行される。これらのプログラム内に記述される情報処理は、コンピュータ２２００に読み取られ、プログラムと、上記様々なタイプのハードウェアリソースとの間の連携をもたらす。装置または方法が、コンピュータ２２００の使用に従い情報の操作または処理を実現することによって構成されてよい。
例えば、通信がコンピュータ２２００および外部デバイス間で実行される場合、ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理に基づいて、通信インタフェース２２２２に対し、通信処理を命令してよい。通信インタフェース２２２２は、ＣＰＵ２２１２の制御下、ＲＡＭ２２１４、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ－ＲＯＭ２２０１、またはＩＣカードのような記録媒体内に提供される送信バッファ処理領域に格納された送信データを読み取り、読み取られた送信データをネットワークに送信し、またはネットワークから受信された受信データを記録媒体上に提供される受信バッファ処理領域等に書き込む。
また、ＣＰＵ２２１２は、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ－ＲＯＭドライブ２２２６（ＤＶＤ－ＲＯＭ２２０１）、ＩＣカード等のような外部記録媒体に格納されたファイルまたはデータベースの全部または必要な部分がＲＡＭ２２１４に読み取られるようにし、ＲＡＭ２２１４上のデータに対し様々なタイプの処理を実行してよい。ＣＰＵ２２１２は次に、処理されたデータを外部記録媒体にライトバックする。
様々なタイプのプログラム、データ、テーブル、およびデータベースのような様々なタイプの情報が記録媒体に格納され、情報処理を受けてよい。ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４から読み取られたデータに対し、本開示の随所に記載され、プログラムの命令シーケンスによって指定される様々なタイプの操作、情報処理、条件判断、条件分岐、無条件分岐、情報の検索／置換等を含む、様々なタイプの処理を実行してよく、結果をＲＡＭ２２１４に対しライトバックする。また、ＣＰＵ２２１２は、記録媒体内のファイル、データベース等における情報を検索してよい。例えば、各々が第２の属性の属性値に関連付けられた第１の属性の属性値を有する複数のエントリが記録媒体内に格納される場合、ＣＰＵ２２１２は、第１の属性の属性値が指定される、条件に一致するエントリを当該複数のエントリの中から検索し、当該エントリ内に格納された第２の属性の属性値を読み取り、それにより予め定められた条件を満たす第１の属性に関連付けられた第２の属性の属性値を取得してよい。
上で説明したプログラムまたはソフトウェアモジュールは、コンピュータ２２００上またはコンピュータ２２００近傍のコンピュータ可読媒体に格納されてよい。また、専用通信ネットワークまたはインターネットに接続されたサーバーシステム内に提供されるハードディスクまたはＲＡＭのような記録媒体が、コンピュータ可読媒体として使用可能であり、それによりプログラムを、ネットワークを介してコンピュータ２２００に提供する。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１１～１４ 燃料電池システム、１１ａ～１４ａ サーモバルブ、１１ｂ～１４ｂ ウォーターポンプ、１１ｃ～１４ｃ 燃料電池スタック、２０ ラジエータ、３０ リターダ、１１ｄ～１４ｄ ＦＣＥＣＵ、１１ｂ～１４ｂ ウォーターポンプ３１ ＦＣＥＣＵ、４１ａ～４１ｄ メイン流路、４２，４３ バイパス流路、１００ 電力システム、５０ ＦＣＥＣＵマスタ

Claims (11)

  1. 燃料電池スタックおよび燃料電池ウォーターポンプを有する燃料電池システムと、
    熱源ウォーターポンプを有し、作動することで発熱する熱源と、
    大気と熱交換を行う放熱器と、
    前記燃料電池システム、前記熱源、および前記放熱器を熱的に接続する冷却通路と、
    前記燃料電池システム、前記熱源、および前記放熱器を制御する制御装置と、
    を有し、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第１の吐出流量になる回転数と、前記第１の吐出流量より多い第２の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御し、
    前記熱源ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第３の吐出流量になる回転数と、前記第３の吐出流量より多い第４の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御し、
    前記第１の吐出流量＜前記第４の吐出流量、かつ、前記第２の吐出流量＞前記第３の吐出流量である、
    電力システム。
  2. 前記燃料電池システムは、流路、およびバルブをさらに有し、
    前記燃料電池システムの前記流路は、
    前記バルブが開状態にあるときに、冷却液が、前記燃料電池システム内に流入し、前記燃料電池ウォーターポンプと前記燃料電池スタックとを通過して前記燃料電池システム外に流出するメイン流路と、
    前記バルブが閉状態にあるときに、前記冷却液が、前記燃料電池システムの外部を循環するバイパス流路とを有する、
    請求項１に記載の電力システム。
  3. 前記制御装置は、前記燃料電池システムの作動状態、前記熱源の作動状態、および前記バルブの開閉状態の少なくとも１つに基づいて、前記燃料電池ウォーターポンプの前記回転数を制御する、
    請求項２に記載の電力システム。
  4. 前記制御装置は、
    前記熱源の非作動時は、前記燃料電池ウォーターポンプが前記第２の吐出流量になる回転数に制御し、前記熱源ウォーターポンプが前記第３の吐出流量になる回転数に制御し、
    前記熱源の作動時は、前記燃料電池ウォーターポンプが前記第１の吐出流量になる回転数に制御し、前記熱源ウォーターポンプが第４の吐出流量になる回転数に制御する、
    請求項２または３に記載の電力システム。
  5. 前記燃料電池システムを複数有し、前記複数の燃料電池システムと前記熱源は前記冷却通路上でそれぞれ並列に接続される、
    請求項２から４のいずれか１項に記載の電力システム。
  6. 前記制御装置は、
    前記電力システムに要求される出力に応じて作動が必要な前記複数の燃料電池システムの数を決定し、
    前記熱源の非作動時は、作動させない前記燃料電池システムの前記燃料電池ウォーターポンプが前記第１の吐出流量になる回転数に制御し、作動させる前記燃料電池システムの前記燃料電池ウォーターポンプが第２の吐出流量になる回転数に制御し、前記熱源ウォーターポンプが第３の吐出流量になる回転数に制御し、
    前記熱源の作動時は、前記燃料電池ウォーターポンプが前記第１の吐出流量または前記第２の吐出流量のいずれかになる回転数にそれぞれ制御し、前記熱源ウォーターポンプが前記第４の吐出流量になる回転数に制御する、
    請求項５に記載の電力システム。
  7. 前記制御装置は、
    前記熱源の作動時は、前記複数の燃料電池システムの内、作動させない前記燃料電池システムの前記燃料電池ウォーターポンプが前記第１の吐出流量になる回転数に制御し、作動させる前記燃料電池システムの前記燃料電池ウォーターポンプが前記第２の吐出流量になる回転数に制御する、
    請求項６に記載の電力システム。
  8. 前記制御装置は、
    前記燃料電池ウォーターポンプを、前記バルブが閉状態にあるときに前記第１の吐出流量になる回転数に制御し、前記バルブが開状態にあるときに前記第２の吐出流量になる回転数に制御する、
    請求項７に記載の電力システム。
  9. 前記バルブは前記制御装置によって開閉制御が可能な電磁バルブであって、
    前記制御装置は、
    前記複数の燃料電池システムの内、作動しない前記燃料電池システムの前記バルブを閉状態に制御し、作動させる前記燃料電池システムの前記バルブを開状態に制御する、
    請求項５から８のいずれか１項に記載の電力システム。
  10. 電力システムの制御方法であって、
    前記電力システムは、
    燃料電池スタックおよび燃料電池ウォーターポンプを有する燃料電池システムと、
    熱源ウォーターポンプを有し、作動することで発熱する熱源と、
    大気と熱交換を行う放熱器と、
    前記燃料電池システム、前記熱源、および前記放熱器を熱的に接続する冷却通路と、
    前記燃料電池システム、前記熱源、および前記放熱器を制御する制御装置と、
    を有し、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第１の吐出流量になる回転数と、前記第１の吐出流量より多い第２の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御する段階と、
    前記熱源ウォーターポンプの回転数を、予め定められた単位時間当たりの最小吐出流量である第３の吐出流量になる回転数と、前記第３の吐出流量より多い第４の吐出流量になる回転数とで切り替えて制御する段階と、を実行し、
    前記第１の吐出流量＜前記第４の吐出流量、かつ、前記第２の吐出流量＞前記第３の吐出流量である、
    電力システムの制御方法。
  11. 電力システムの制御方法であって、
    前記電力システムは、
    燃料電池スタックおよび燃料電池ウォーターポンプを有する燃料電池システムと、
    熱源ウォーターポンプを有し、作動することで発熱する熱源と、
    大気と熱交換を行う放熱器と、
    前記燃料電池システム、前記熱源、および前記放熱器を熱的に接続する冷却通路と、
    前記燃料電池システム、前記熱源、および前記放熱器を制御する制御装置と、
    を有し、
    前記制御装置は、
    予め定められた単位時間当たりの第１の最小吐出流量を下回らない範囲で、前記燃料電池システムの温度に応じて前記燃料電池ウォーターポンプの回転数を制御する段階と、
    前記熱源の非稼働時には、前記燃料電池ウォーターポンプの単位時間当たりの吐出流量ごとに、予め定められた第２の最小吐出流量を下回らない範囲で前記熱源ウォーターポンプの回転数を制御する段階と、
    前記熱源の稼働時には、前記熱源の温度に応じて前記熱源ウォーターポンプの回転数を制御する段階と、を実行する、
    電力システムの制御方法。
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