JP2007214080A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプが凍結した場合でも、ポンプを良好に始動させることができる燃料電池システムを課題とする。
【解決手段】電動機で駆動されるポンプを備えた燃料電池システムにおいて、所定の低温時に、回転トルクを生じさせないように電動機に電流を流す電動機制御装置を備えたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機で駆動されるポンプを備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池から排出された水素オフガスを、水素ポンプにより再び燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。水素オフガスは生成水を含み又は湿度が高いため、システム停止後の低温雰囲気下において、水素ポンプに残留し得る生成水又は凝縮した水分が凍結する場合がある。システム再始動時に、この凍結した状態で水素ポンプにトルクを発生させると、水素ポンプのインペラが破損するなど、水素ポンプを損傷するおそれがある。そこで、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素ポンプの凍結を防止するべく、システム停止時に、乾いた水素ガスを水素ポンプに導入して水素ポンプ内の水素オフガスと置換するという掃気処理を行うようにしている。
特開２００３−１７８７８２号公報 特開２００４−２２１９８号公報

しかしながら、掃気処理を行っても、水素ポンプ内の水分を完全に除去することは困難であった。また、残留した水分が凍結した場合には、水素ポンプの始動は困難であり、更なる改善が求められていた。

本発明は、ポンプが凍結した場合でも、ポンプを良好に始動させることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、電動機で駆動されるポンプを備えた燃料電池システムにおいて、所定の低温時に、回転トルクを生じさせないように電動機に電流を流す電動機制御装置を備えたものである。

この構成によれば、所定の低温時に回転トルクを生じさせないように電動機に電流を流すため、電動機において電気エネルギーが熱エネルギーに変換される。これにより、電動機がヒータとして機能するため、ポンプが凍結するような低温時であっても、凍結したポンプを解凍することができる。したがって、ポンプを損傷することなく、良好に始動させることができる。また、本構成によれば、ポンプと別個に外部発熱装置を用いなくても済む。

好ましくは、電動機をｄ−ｑ軸モデルで表したときに、電動機に回転トルクを生じさせない方向をｑ軸に設定した場合、電動機制御装置は、所定の低温時に、電動機のｑ軸に電流を流すように制御する。

この構成によれば、所定の低温時にｑ軸に電流を流すことで、電動機をヒータとして機能させることができる。

好ましくは、所定の低温時はポンプが凍結するときを含む。

この構成によれば、ポンプが凍結する温度（例えば氷点下以下）のときにエネルギー変換が行われ、ポンプが解凍される。

好ましくは、電動機制御装置は、燃料電システムの起動時であって所定の低温時に、電動機のｑ軸に電流を流すように制御する。

この構成によれば、燃料電池システムの起動時にポンプを解凍することができ、起動後の燃料電池システムの運転を良好に行えるようになる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、電動機の温度及び外気温の少なくとも一つを検出する温度検出装置を備え、電動機制御装置は、温度検出装置により検出された温度が所定の低温以下のときに、電動機のｑ軸に電流を流すように制御する。

この構成によれば、電動機の温度又は外気温を検出することで、ポンプが凍結しているか否かを簡単に判定できる。そして、ポンプが凍結していると判断される場合に、電動機のｑ軸への電流制御を行うことができる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、電動機の温度及び電動機制御装置の温度の少なくとも一つを検出する温度検出装置を備え、電動機制御装置は、温度検出装置の検出結果に基づいて、電動機のｑ軸への電流値を制限する。

この構成によれば、電動機自体又は電動機制御装置自体の高温化を抑制しながら、ポンプを解凍することができる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスが供給される燃料電池を備え、ポンプは、燃料電池に燃料ガスを供給するものである。

より好ましくは、ポンプは、燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料電池に循環供給するものである。

燃料オフガスは一般に湿度が高い又は生成水を含むため、この燃料オフガスを循環させるポンプは特に凍結し易い。このようなポンプに対して、上記のように電動機に熱を発生させる制御を行うことができるので、燃料オフガスの循環を良好に行えるようになる。

本発明の他の燃料電池システムは、電動機により駆動される作動部を有するポンプを備えた燃料電池システムにおいて、所定の低温時に、電動機からの駆動力が作動部に伝達しないように、電動機に流す電流を制御する電動機制御装置を備えたものである。

この構成によれば、所定の低温時に、電動機において電気エネルギーが熱エネルギーに変換されるようになる。これにより、ポンプが凍結するような低温時であっても、凍結したポンプを損傷することなく、解凍することができる。

上記した本発明の燃料電池システムによれば、ポンプが凍結した場合でも、ポンプを良好に始動させることができる。

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は、燃料電池システムの構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）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、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、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している。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化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

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供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５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。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２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）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。

水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。

供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａ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、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａ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。なお、水素ポンプ２４は、本発明にかかるものであり、その構造及び制御例については後述する。

排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３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。

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４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、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、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２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６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バ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ー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が可能になっている。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、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

補機インバータ６５，６６，６７は、それぞれ、対応するモータ１４ａ，２４ａ，４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ６５，６６，６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１４ａ，２４ａ，４２ａに供給する。補機インバータ６５，６６，６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２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１４ａ，２４ａ，４２ａで発生する回転トルクを制御する。

制御部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、後述するポンプ２４の解凍制御など、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。制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

図２は、ポンプ２４の構造及びその制御系を模式的に示す図である。
ポンプ２４は、モータ２４ａと、水素オフガスを圧送するコンプレッサ部２４ｂと、を有している。コンプレッサ部２４は、水素オフガスを導入すると共にこれを昇圧して送出するポンプ室を有し、ポンプ室内には、モータ２４ａの駆動軸２４ｃに連結されたインペラなどが設けられている。この種のポンプ２４は、ウエスコ型など公知のものを用いることができ、その構造が限定されるものではない。

モータ２４ａは、三相交流のシンクロナスモータ又はインダクションモータで構成されている。モータ２４ａは、補機インバータ６６を介して供給された電力によって駆動され、駆動軸２４ｂに回転トルクを発生させる。発生された回転トルクは、コンプレッサ部２４内のインペラに回転動力を与える。これにより、ポンプ２４は、水素オフガスを燃料電池２に循環供給する。ポンプ２４には、モータ２４ａの温度を検出する温度センサ７１、コンプレッサ部２４の温度を検出する温度センサ７２が設けられており、これらは制御部７に接続されている。また、制御部７には、外気温を検出する温度センサ７３も接続されている。

補機インバータ６６は、６個のスイッチング素子を主回路素子として構成され、スイッチング素子の温度測定部が制御部７に接続されている。補機インバータ６６に用いられるスイッチング素子は、その種類を特に制限されるものでなく、例えば絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ；Inerted Gate Bipolar Transistor）で構成されている。補機インバータ６６は、スイッチング素子のスイッチング動作を制御部７からの制御信号によって制御されることにより、所望の振幅（パルス幅）及び周波数の三相交流電圧をモータ２４ａに供給する。

モータ２４ａは、周知の如く、等価的に回路座標系（ｄ−ｑ軸）で表すことができる。モータ２４ａをｄ−ｑ軸モデルで表した場合、ここでは、モータ２４ａの駆動軸２４ｃに回転トルクを発生させない方向をｑ軸とし、このｑ軸に直交する方向をｄ軸と定義する。したがって、モータ２４ａの駆動軸２４ｃの回転トルクは、ｄ軸方向に流れる電流（ｄ軸電流）のみによって支配される。モータ２４ａにおいて回転トルクを発生させることなく、電力を消費しようとする場合には、ｄ軸電流が０となるように且つｑ軸方向に流れる電流（ｑ軸電流）が０よりも大きな値になるように、補機インバータ６６を制御すればよい。

次に、図２及び図３を参照して、ポンプ２４の解凍処理について説明する。
運転停止後の燃料電池システム１が低温環境下にさらされると、ポンプ２４のコンプレッサ部２４ｂ内では水素オフガス中の水分や生成水が凝固し、ポンプ２４が凍結するおそれがある。凍結したポンプ２４に無理に回転トルクを発生させると、ポンプ２４が損傷してしまう。そこで、ポンプ２４の損傷を回避してその始動性を高めるべく、制御部７は、燃料電池システム１の起動時にポンプ２４の解凍処理プログラムを実行する。なお、燃料電池システム１の運転時に、ポンプ２４の回転が一次的に停止する又は停止された場合にも、この解凍処理プログラムを実行してもよい。

解凍処理プログラムでは、先ず、ポンプ２４が凍結しているか否かが判断される（ステップＳ１）。具体的には、ポンプ２４に設けられた温度センサ７１及び７２、並びに外気温センサ７３の少なくとも一つの検出温度Ｔ_iが、所定の温度Ｔ₁よりも小さいか否かが判断される（ステップＳ１）。所定の温度Ｔ₁は、例えば０度である。

検出温度Ｔ_iが温度Ｔ₁よりも大きい場合には（Ｓ１：ＮＯ）、ポンプ２４が凍結していないと判断し、モータ２４ａの回転トルク発生を許可する（ステップＳ４）。一方、検出温度Ｔ_iが温度Ｔ₁以下の場合には（ステップＳ１：ＹＥＳ）、ポンプ２４が凍結していると判断し、次のステップＳ２に移行する。なお、ポンプ２４の凍結判定（ステップＳ１）を温度のみで行う例を説明したが、もちろん放置時間（システム１の運転停止から運転再開までの時間）を加味してもよい。

ステップＳ２では、補機インバータ６６による電流制御によって、モータ２４ａの起動制御が行われる。具体的には、補機インバータ６６は、回転トルクを生じさせないようにモータ２４ａに電流を流し、ゼロトルク制御を行う。つまり、補機インバータ６６は、モータ２４ａのｑ軸にのみ電流が流れるように制御する。これにより、モータ２４ａは、回転トルクを発生することなく電力を消費する一方、この電力消費により発熱する。つまり、モータ２４ａは、ポンプ２４の駆動源としてではなく、単にヒータとして機能するようになる。そして、このモータ２４ａの発熱がコンプレッサ部２４ｂに伝達されると、コンプレッサ部２４ｂ内の氷結が解凍される。

続くステップＳ３では、ポンプ２４ａが解凍したか否かが判断される。具体的には、ポンプ２４内の検出温度Ｔ_iiが、閾値Ｔ₂よりも大きいか否かが判断される。検出温度Ｔ_iiは、例えば温度センサ７２によって検出された温度である。閾値Ｔ₂は、例えば０度であるが、ポンプ２４ａが十分に解凍する温度であることが好ましく、上記の温度Ｔ₁よりも高く設定されることが好ましい。なお、ポンプ２４の解凍判定（ステップＳ３）を行う際に、温度センサ７１などの他の温度センサや、モータ２４ａのｑ軸に電流を流す時間も加味してもよい。

検出温度Ｔ_iiが閾値Ｔ₂よりも小さい場合には（ステップＳ３：ＮＯ）、モータ２４ａのｑ軸にのみ電流が流し続けられる。ここで、モータ２４ａのｑ軸に流す電流の上限値は、温度センサ７１により検出されるモータ温度や、補機インバータ６６の上記した温度測定部により検出されるＩＧＢＴ温度を考慮して制限される。これにより、モータ２４ａ及び補機インバータ６６の高温化を抑制でき、これらを保護することができる。なお、モータ２４ａのｑ軸に流す電流値は、常に一定であってもよいし、モータ温度、ＩＧＢＴ温度又は時間に基づいて可変してもよい。例えば、時間経過に伴って、電流値を徐々に又は段階的に下げてもよい。

検出温度Ｔ_iiが閾値Ｔ₂よりも大きい場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、コンプレッサ部２４ｂ内の氷結が解凍、すなわちポンプ２４が解凍したと判断し、モータ２４ａの回転トルク発生を許可する（ステップＳ４）。これにより、モータ２４ａは、ｄ軸にも電流を流すことが許可される。つまり、ポンプ２４が水素オフガスを圧送することを許可され、ポンプ２４の一連の解凍処理プログラムが終了する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、ポンプ２４が凍結した場合に、モータ２４ａにおいて電気エネルギーを熱エネルギーに変換している。これにより、コンプレッサ部２４ｂの温度を上昇させることができ、凍結したポンプ２４を解凍することができる。したがって、ポンプ２４に無理な引剥し回転トルクを発生させることなく、ポンプ２４の駆動（回転）を良好に開始することができる。

＜変形例＞
次に、本実施形態の燃料電池システム１の変形例について説明する。
制御部７は、燃料電池システム１の運転停止時に、ポンプ２４の掃気処理を行ってもよい。ポンプ２４の掃気処理は、燃料電池２の発電を停止した際に、循環系の水素オフガスを水素供給源２１からの水素ガスに置換することで行うことができる。解凍処理プログラムの実行前に掃気処理を行うことで、ポンプ２４を早期に解凍することが可能となる。

解凍処理プログラムのステップＳ２において、モータ２４ａのｑ軸にのみ電流を流すようにしたが、モータ２４ａのｄ軸にも僅かに電流を流してもよい。例えば、モータ２４ａにより駆動されるコンプレッサ部２４ｂ（作動部）に、駆動力としての回転トルクが伝達されないように、補機インバータ６６はモータ２４に流す電流を制御してもよい。このように、コンプレッサ部２４ｂに回転トルクを伝達しないように電流制御（ベクトル制御）を行っても、凍結したポンプ２４を損傷することなく、適切に解凍することができる。

上記した解凍処理プログラムは、水素系統のポンプ２４を例に説明したが、もちろんエアコンプレッサ１４や冷却ポンプ４２が凍結した場合にも、これらの解凍処理に適用することができる。

本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

燃料電池システムの構成図である。 ポンプの構造及びその制御系を模式的に示す図である。 ポンプの解凍処理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、２４：ポンプ、２４ａ：電動機、２４ｂ：コンプレッサ部（作動部）、２４ｃ：駆動軸、６６：補機コンバータ（電動機制御装置）、７１，７２：温度センサ（温度検出装置）、７３：外部温度センサ（温度検出装置）

Claims (9)

1. 電動機で駆動されるポンプを備えた燃料電池システムにおいて、
   所定の低温時に、回転トルクを生じさせないように前記電動機に電流を流す電動機制御装置を備えた燃料電池システム。
2. 前記電動機をｄ−ｑ軸モデルで表したときに、当該電動機に回転トルクを生じさせない方向をｑ軸に設定した場合、
   前記電動機制御装置は、所定の低温時に、前記電動機のｑ軸に電流を流すように制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定の低温時は、前記ポンプが凍結するときを含む請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記電動機制御装置は、前記所定の低温時であって当該燃料電システムの起動時に、前記電動機のｑ軸に電流を流すように制御する請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記電動機の温度及び外気温の少なくとも一つを検出する温度検出装置を備え、
   前記電動機制御装置は、前記温度検出装置により検出された温度が前記所定の低温以下のときに、前記電動機のｑ軸に電流を流すように制御する請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記電動機の温度及び前記電動機制御装置の温度の少なくとも一つを検出する温度検出装置を備え、
   前記電動機制御装置は、前記温度検出装置の検出結果に基づいて、前記電動機のｑ軸への電流値を制限する請求項２ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 電動機により駆動される作動部を有するポンプを備えた燃料電池システムにおいて、
   所定の低温時に、前記電動機からの駆動力が前記作動部に伝達しないように、当該電動機に流す電流を制御する電動機制御装置を備えた燃料電池システム。
8. 燃料ガス及び酸化ガスが供給される燃料電池を備え、
   前記ポンプは、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するものである請求項１ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記ポンプは、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池に循環供給するものである請求項８に記載の燃料電池システム。
   
   

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