JP2013191372A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両運転停止中に冷却水ポンプが駆動されても、駆動音が車両ユーザーに違和感を与えにくい燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池と、燃料電池が発電した強電電力を蓄電する強電バッテリーと、強電電力を弱電電力に変換する電圧変換器と、電圧変換器で変換された弱電電力を蓄電する弱電バッテリーと、燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水循環流路に設けられ、電圧変換器で変換された弱電電力又は弱電バッテリーに蓄電された弱電電力で駆動されて、燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプと、冷却水循環流路に設けられ、通過する冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する導電率低減器と、ユーザーによるシステム停止指令を判定した後、弱電バッテリーを充電する要求があった場合に、冷却水ポンプを駆動するポンプ制御部(ステップＳ４)と、を含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、発電反応時に発熱する。これを冷却するために、冷却水が循環供給される。この冷却水に、燃料電池や冷却水配管から溶出したイオンが溶け込む可能性がある。冷却水にイオンが溶け込んで、冷却水の導電率が高くなると、燃料電池の内部で短絡が生じるおそれがある。

そこで特許文献１では、車両運転停止中は、所定時間経過するごとに冷却水ポンプを駆動して、イオン交換フィルターに冷却水を循環させることで、冷却水の導電率を低減させる。

特開２００７−１２８８１１号公報

しかしながら、車両運転停止中に冷却水ポンプを駆動すると、駆動音が車両ユーザーに違和感を与える可能性があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、車両運転停止中に冷却水ポンプが駆動されても、駆動音が車両ユーザーに違和感を与えにくい燃料電池システムを提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池が発電した強電電力を蓄電する強電バッテリーと、前記強電電力を弱電電力に変換する電圧変換器と、前記電圧変換器で変換された弱電電力を蓄電する弱電バッテリーと、前記燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水循環流路と、前記冷却水循環流路に設けられ、前記電圧変換器で変換された弱電電力又は前記弱電バッテリーに蓄電された弱電電力で駆動されて、前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプと、前記冷却水循環流路に設けられ、通過する冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する導電率低減器と、を含む。そして、ユーザーによるシステム停止指令を判定した後、前記弱電バッテリーを充電する要求があった場合に、前記冷却水ポンプを駆動するポンプ制御部をさらに含む。

この態様によれば、弱電バッテリーを充電する要求があった場合に、冷却水ポンプが駆動される。弱電バッテリーが充電されるときには、電圧変換器の作動音が発生するので、この音によって冷却水ポンプの運転音が聞こえにくくなり、車両ユーザーに違和感を与えにくい。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による燃料電池システムの基本構成を示す図である。 図２は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。 図３は、イオン除去処理ルーチンを示すフローチャートである。 図４は、燃料電池システムの第２実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。 図５は、弱電バッテリー充電処理ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、燃料電池システムの第３実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。 図７は、イオン除去処理開始判定ルーチンを示すフローチャートである。 図８は、燃料電池システムの第４実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。 図９は、充電処理開始判定ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、燃料電池システムの第５実施形態を実行したときの作用効果を示すタイミングチャートである。

（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの基本構成を示す図である。

燃料電池システム１は、燃料電池１１と、強電バッテリー１２と、電圧変換器１３と、弱電バッテリー１４と、冷却水循環流路１５と、冷却水ポンプ１６と、導電率低減器１７と、ラジエーター１８と、を含む。

燃料電池１１は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。酸化剤ガス(カソードガスＯ₂)及び燃料ガス(アノードガスＨ₂)が供給されると、各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において次式(1-1)(1-2)の反応が生じて発電する。

強電バッテリー１２は、燃料電池１１が発電した強電電力を蓄電する。強電バッテリー１２の電力は、強電回路(たとえば車両駆動モーター)に供給される。また強電バッテリー１２は、車両から回生した電力を蓄電する。

電圧変換器１３は、強電電力を弱電電力に変換する。電圧変換器１３は、たとえばＤＣ／ＤＣコンバーターである。

弱電バッテリー１４は、電圧変換器１３で変換された弱電電力を蓄電する。弱電バッテリー１４の電力は、弱電回路(たとえば冷却水ポンプ)に供給される。

冷却水循環流路１５は、燃料電池１１を冷却する冷却水が流れる。なお冷却水循環流路１５には、導電率計が取り付けれている。この導電率計は、冷却水の導電率を検出する。

冷却水ポンプ１６は、冷却水循環流路１５に設けられる。冷却水ポンプ１６は、燃料電池１１に冷却水を循環供給する。冷却水ポンプ１６は、電圧変換器１３で変換された弱電電力や弱電バッテリー１４に蓄電された弱電電力で駆動される。

導電率低減器１７は、冷却水循環流路１５に設けられる。導電率低減器１７は、通過する冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する。導電率低減器１７は、燃料電池や冷却水配管から溶出したイオンを捕捉して冷却水の導電率を下げる。導電率低減器１７は、たとえばイオン交換フィルターである。

ラジエーター１８は、冷却水の熱を放熱する。

燃料電池１１及び冷却水ポンプ１６は、燃料電池システムコントローラー２１で制御される。強電バッテリー１２は、強電バッテリーコントローラー２２で制御される。

ここで本実施形態の理解を容易にするために、解決課題について説明する。

燃料電池は、発電反応時に発熱する。これを冷却するために、冷却水が循環供給される。この冷却水に、燃料電池や冷却水配管から溶出したイオンが溶け込む可能性がある。冷却水にイオンが溶け込んで、冷却水の導電率が高くなると、燃料電池の内部で短絡が生じるおそれがある。そこで車両の運転停止中に冷却水ポンプを駆動して、イオン交換フィルターに冷却水を循環させることで、冷却水の導電率を低減させることが考えられる。

しかしながら、何らの工夫なくそのような手法を適用しては、冷却水ポンプの駆動音が、車両ユーザーに違和感を与える可能性があった。

そこで、発明者は、弱電バッテリーを充電する時期に冷却水ポンプを駆動することで、車両ユーザーに与える違和感を低減するという技術思想に想到した。

以下では、その具体的な内容に付いて説明する。

図２は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。

コントローラーは、ユーザーによるシステム停止指令(たとえばユーザーによるパワースイッチのオフ操作)を判定したが、ユーザーによるシステム起動指令(たとえばユーザーによるパワースイッチのオン操作)を判定していない場合に、以下の制御を実行する。

ステップＳ１においてコントローラーは、弱電バッテリーを充電する要求があるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。

ステップＳ２においてコントローラーは、弱電バッテリー充電フラグをセットする。コントローラーは、このフラグに基づいて、別ルーチンで弱電バッテリーの充電処理を開始する。後述の第２実施形態では、イオン除去処理が開始される前に、弱電バッテリーの充電処理が開始されるが、本実施形態では、別ルーチンで処理されるので、イオン除去処理が開始された後に、弱電バッテリーの充電処理が開始されてもよい。

ステップＳ３においてコントローラーは、イオン除去要求があるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ４へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。

ステップＳ４においてコントローラーは、イオン除去処理を実行する。具体的な内容は、後述される。

図３は、イオン除去処理ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ４１においてコントローラーは、強電バッテリー１２に、冷却水ポンプ１６を駆動できるだけの蓄電量があるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ４２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ４４へ処理を移行する。

ステップＳ４２においてコントローラーは、燃料電池１１を運転できるか否かを判定する。いつ如何なる場合でも燃料電池を作動させることは、ユーザーの安全管理の範囲外となる可能性がある。そこで、たとえばユーザーに対して燃料電池作動許可をネットワーク経由で確認するなどの既存技術を用いて、燃料電池を運転できるか否かを判定する。なお判定方法は、このような手法には限定されない。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ４３へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ４５へ処理を移行する。

ステップＳ４３においてコントローラーは、燃料電池１１を運転する。

ステップＳ４４においてコントローラーは、冷却水ポンプ１６を駆動する。

ステップＳ４５においてコントローラーは、エラーフラグをセットする。コントローラーは、このフラグに基づいて、別ルーチンでエラー処理を実行する。

本実施形態によれば、冷却水ポンプ１６は、ユーザーによるシステム停止指令がなされたがシステム起動指令はなされていない状態(すなわち車両が車庫などに駐車している状態)であって、弱電バッテリーが充電されるタイミングに合わせて、運転される。

弱電バッテリーが充電されるときには、電圧変換器(ＤＣ／ＤＣコンバーター)の作動音が発生するので、この音によって冷却水ポンプ１６の運転音が聞こえにくくなる。したがって、車両ユーザーは、冷却水ポンプ１６の運転音による違和感を感じにくくなる。

また本実施形態では、弱電バッテリーが充電されるタイミングに合わせて、冷却水ポンプ１６が運転される。仮に弱電バッテリー１４が充電されるタイミングとは無関係に冷却水ポンプ１６が運転されて、弱電バッテリー１４の電力のみで冷却水ポンプ１６が運転されることとなると、弱電バッテリー１４の電圧が著しく低下する可能性がある。このようになっては、弱電バッテリー１４がバッテリー上がり状態に陥ったり、弱電バッテリー１４が劣化するおそれがある。しかしながら、本実施形態のように、弱電バッテリーが充電されるタイミングに合わせて、冷却水ポンプ１６が運転されれば、弱電バッテリー１４の電圧が著しく低下する事態を回避できるので、弱電バッテリー１４に負担をかけない。

また本実施形態によれば、車両が車庫などに駐車している状態で、イオン除去処理がなされる。仮にイオン処理がなされていなければ、ユーザーによるシステム起動指令がなされてから、イオン処理を実行する必要があり、すぐには走行できない。しかしながら、本実施形態によれば、車両が車庫などに駐車している状態で、イオン除去処理がなされているので、ユーザーによるシステム起動指令の直後に、走行可能な状態になる。

（第２実施形態）
図４は、燃料電池システムの第２実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

第１実施形態では、弱電バッテリーの充電処理の時期と、イオン除去処理の時期と、の先後が特定されていなかった。これに対して、この第２実施形態では、ステップＳ２０で弱電バッテリーの充電処理を開始してから、イオン除去処理を開始する。以下では、弱電バッテリーの充電処理について説明する。

図５は、弱電バッテリー充電処理ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ２１においてコントローラーは、弱電バッテリー１４の電力で冷却水ポンプ１６を駆動できるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２２へ処理を移行し、判定結果が肯であれば処理を抜ける。

ステップＳ２２においてコントローラーは、強電バッテリー１２に、弱電バッテリー１４を充電できるだけの蓄電量があるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２３へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ２５へ処理を移行する。

ステップＳ２３においてコントローラーは、燃料電池１１を運転できるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ２４へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ２６へ処理を移行する。

ステップＳ２４においてコントローラーは、燃料電池１１を運転する。

ステップＳ２５においてコントローラーは、弱電バッテリー１４の充電処理を開始する。

ステップＳ２６においてコントローラーは、エラーフラグをセットする。コントローラーは、このフラグに基づいて、別ルーチンでエラー処理を実行する。

本実施形態によれば、イオン除去処理に先んじて、弱電バッテリー１４の充電処理を開始する。このようにするので、弱電バッテリー１４の電圧が低い場合であっても、無用に弱電バッテリー１４に負担をかけることを回避でき、弱電バッテリー１４を劣化させない。

（第３実施形態）
図６は、燃料電池システムの第３実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。

この第３実施形態では、ステップＳ５０でイオン除去処理の開始タイミングを判定してから、イオン除去処理を開始する。以下では、イオン除去処理開始判定について説明する。

図７は、イオン除去処理開始判定ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ５１においてコントローラーは、弱電バッテリー１４の充電完了時刻を予測する。具体的には、コントローラーは、弱電バッテリー１４の充電率ＳＯＣや外気温などを予め設定されているマップに適用したり、演算式に基づいて、充電完了時刻を予測する。

ステップＳ５２においてコントローラーは、イオン除去に要する時間を予測する。具体的には、コントローラーは、導電率計で検出された冷却水の導電率などに基づいて、イオン除去に要する時間を予測する。なお冷却水の導電率が基準値よりも下回った状態が、イオン除去の完了状態であり、イオンを完全除去できていなくてもよい。基準値は、適宜設定される。

ステップＳ５３においてコントローラーは、イオン除去処理の開始時期まで待機する。具体的には、コントローラーは、弱電バッテリー１４の充電完了時刻に、イオン除去処理も完了するようにする。すなわちコントローラーは、弱電バッテリー１４の充電完了時刻から、イオン除去に要する時間を差し引いた時刻になるまで、イオン除去処理を待機する。コントローラーは、イオン除去処理の開始時期になったら、処理をリターンする。これによって図６のメインルーチンに戻って、ステップＳ４のイオン除去処理が実行される。

本実施形態によれば、弱電バッテリー１４の充電完了時刻に、イオン除去処理も完了するので、システムが起動しているトータル時間を短くすることができる。また仮に弱電バッテリー１４の充電処理が先に完了してしまって、その後もイオン除去するために、冷却水ポンプ１６を駆動しては、車両ユーザーに違和感を与える可能性がある。また弱電バッテリー１４の電力を、冷却水ポンプ１６の駆動のために消費してしまうので、弱電バッテリー１４の蓄電量も減ってしまう。しかしながら、本実施形態によれば、弱電バッテリー１４の充電完了時刻に、イオン除去処理も完了するので、そのような事態を回避できる。

（第４実施形態）
図８は、燃料電池システムの第４実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。

この第４実施形態では、ステップＳ６０で弱電バッテリーの充電開始タイミングを判定してから、弱電バッテリーの充電処理を開始する。以下では、充電処理開始判定について説明する。

図９は、充電処理開始判定ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ６１においてコントローラーは、走行開始予定時刻(すなわち、ユーザーによるシステム起動の指令時刻)を取得する。これは予めユーザーによって設定されている。

ステップＳ６２においてコントローラーは、弱電バッテリー１４の充電に要する時間を予測する。これは上述のように、弱電バッテリー１４の充電率ＳＯＣや外気温などを予め設定されているマップに適用したり、演算式に基づいて、予測すればよい。

ステップＳ６３においてコントローラーは、弱電バッテリーの充電開始時期まで待機する。具体的には、コントローラーは、走行開始予定時刻、又はその時刻の少し前に、弱電バッテリーの充電が完了するようにする。すなわちコントローラーは、走行開始予定時刻から、弱電バッテリー１４の充電に要する時間を差し引いた時刻(必要であればさらに余裕時間を差し引いた時刻)になるまで、待機する。そして、弱電バッテリーの充電開始時期になったら、処理をリターンする。これによって図８のメインルーチンに戻って、ステップＳ２０の弱電バッテリー充電処理が実行される。

本実施形態によれば、走行開始予定時刻、又はその時刻の少し前に、弱電バッテリーの充電が完了し、またそれに合わせてイオン除去処理も完了する。イオン除去処理を停止すると、その後、燃料電池や冷却水配管からイオンが溶出する可能性がある。しかしながら、本実施形態によれば、走行開始予定時刻、又はその時刻の少し前に、弱電バッテリーの充電が完了し、またそれに合わせてイオン除去処理も完了するので、走行を開始したときには、イオンの量が最小の状態であり、最も望ましい状態で走行を開始できるのである。

（第５実施形態）
図１０は、燃料電池システムの第５実施形態を実行したときの作用効果を示すタイミングチャートである。

予め設定されているユーザーの走行開始時刻が、たとえば深夜であれば、周囲が静かであるので、システム作動音を極力小さくするほうが望ましい。そこで車両に取り付けられたマイクで周囲の騒音レベルを直接的に検知したり、時刻に応じて周囲の騒音レベルを推定(間接的に検知)する。そしてその騒音レベルに応じて冷却水ポンプの流量を設定する。これは、騒音レベルが基準値よりも小さければ、冷却水ポンプを小流量にするといった二値的な制御をしてもよい。また騒音レベルが小さいほど冷却水ポンプを小流量にするといった制御をしてもよい。流量を下げれば、イオン除去性能が落ちる。そこでその分を考慮して、冷却水ポンプの作動時間を延長する。すなわちたとえば第３実施形態のステップＳ５２においてイオン除去に要する時間を予測するときに、騒音レベルが小さいほど、予想時間を大きく補正すればよい。

以下では、図１０が参照されて、この第５実施形態の作用効果が説明される。

時刻ｔ１から、弱電バッテリーの充電が開始される(図１０(Ａ))。

周囲が低騒音状態でない通常時は、時刻ｔ２から冷却水ポンプ１６が駆動されて循環流量がＱ２になる(図１０(Ｃ))。このとき、強電バッテリーからの供給電力も増える(図１０(Ｂ))。そして、冷却水ポンプ１６が駆動されたので、導電率が低下していく(図１０(Ｄ))。

これに対して、周囲の騒音レベルが低いときには、冷却水ポンプ１６の流量をＱ１に抑える。流量を抑えれば、イオン除去性能が落ちる。そこでその分を考慮して、冷却水ポンプの作動時間を延長する。そこでこの第５実施形態では、時刻ｔ２よりも前の時刻ｔ２０から冷却水ポンプ１６が循環流量Ｑ１で駆動される(図１０(Ｃ))。これによって、導電率が低下していく(図１０(Ｄ))。

なお時刻ｔ２０は、たとえば次式(2)の関係が満たされるように設定されればよい。

なお図１０では、弱電バッテリーの充電が完了するのに合わせてイオン除去処理も完了しているが(時刻ｔ３)、必ずしも厳密に同時に停止する必要はない。

本実施形態によれば、周囲の騒音レベルに応じて冷却水ポンプの流量を設定するので、周囲が静かであっても、車両ユーザーは、冷却水ポンプ１６の運転音による違和感を感じにくい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

たとえば上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１２ 強電バッテリー
１３ 電圧変換器
１４ 弱電バッテリー
１５ 冷却水循環流路
１６ 冷却水ポンプ
１７ 導電率低減器
１８ ラジエーター
ステップＳ４ ポンプ制御部
ステップＳ２０ 充電処理部
ステップＳ５１ 充電完了時刻予測部
ステップＳ５２ 除去時間予測部
ステップＳ６１ 起動時刻予測部
ステップＳ６２ 充電時間予測部

Claims (5)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池が発電した強電電力を蓄電する強電バッテリーと、
   前記強電電力を弱電電力に変換する電圧変換器と、
   前記電圧変換器で変換された弱電電力を蓄電する弱電バッテリーと、
   前記燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水循環流路と、
   前記冷却水循環流路に設けられ、前記電圧変換器で変換された弱電電力又は前記弱電バッテリーに蓄電された弱電電力で駆動されて、前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプと、
   前記冷却水循環流路に設けられ、通過する冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する導電率低減器と、
   ユーザーによるシステム停止指令を判定した後、前記弱電バッテリーを充電する要求があった場合に、前記冷却水ポンプを駆動するポンプ制御部と、
   を含む燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記弱電バッテリーを充電する要求があり、前記弱電バッテリーの電力で前記冷却水ポンプを駆動できない場合に、弱電バッテリーの充電処理を開始する充電処理部をさらに含み、
   前記ポンプ制御部は、弱電バッテリーの充電処理が開始されてから、前記冷却水ポンプを駆動する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記弱電バッテリーの充電の完了時刻を予測する充電完了時刻予測部と、
   前記冷却水からイオンを除去するのに要する時間を予測する除去時間予測部と、
   をさらに含み、
   前記ポンプ制御部は、イオン除去の完了時期が、前記弱電バッテリーの充電の完了時刻に一致するように、前記冷却水ポンプの駆動を開始する、
   燃料電池システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   ユーザーによるシステム起動の指令時刻を予測する起動時刻予測部と、
   前記弱電バッテリーの充電に要する時間を予測する充電時間予測部と、
   をさらに含み、
   前記充電処理部は、ユーザーによるシステム起動指令がなされる前に充電が完了するのように、弱電バッテリーの充電処理を開始し、
   前記ポンプ制御部は、ユーザーによるシステム起動指令がなされる前にイオン除去が完了するのように、前記冷却水ポンプの駆動を開始する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   周囲の騒音レベルを検知又は推定する騒音検知部をさらに含み、
   前記ポンプ制御部は、前記騒音レベルに応じた流量で前記冷却水ポンプを駆動する、
   燃料電池システム。

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