JP2017157449A

JP2017157449A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2017157449A
Application number: JP2016040475A
Authority: JP
Inventors: 雅宏奥吉; Masahiro Okuyoshi; 智彦金子; Tomohiko Kaneko; 香莉小松原; Kaori Komatsubara; 剛丸尾; Tsuyoshi Maruo; 山本　和男; Kazuo Yamamoto; 和男山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP6558276B2

Abstract

【課題】低温環境下においても燃料電池へ燃料ガスが円滑に供給される燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２へ水素が供給される燃料供給路４１と、燃料供給路４１に並列に設けられた複数のインジェクタ４８と、燃料電池２への水素の要求流量に応じてインジェクタ４８の開閉を制御する制御部６と、を有する燃料電池システム１であって、制御部６は、インジェクタ４８が所定温度以上の場合に、一つのインジェクタ４８を駆動して燃料電池２へ水素を供給させる通常モードでインジェクタ４８を制御し、インジェクタ４８が所定温度未満の場合に、全てのインジェクタ４８を駆動して燃料電池２へ水素を供給させる高使用頻度モードで制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、燃料電池スタックへの反応ガス供給を調整するためのインジェクタへの突入電流を突入期間の間継続して通電するとともに、突入電流の通電により開弁した状態を保持するための保持電流を突入期間に続く保持期間の間継続してインジェクタに通電するためのコントローラを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、コントローラが、インジェクタの閉固着故障を検出すると、突入期間に加えて更に保持期間の全部又は一部の間継続してインジェクタに突入電流を通電することによりインジェクタの開弁を試行する。

特開２００８−１４０６１９号公報

しかし、低温環境下においては、一度開弁したインジェクタを閉弁させた際に、その閉弁時間が長時間にわたると再度インジェクタが固着し、燃料電池への反応ガス供給が円滑に行われなくなるおそれがある。このようなおそれは、インジェクタに限らず、弁体が弁座に対して接離可能な構成を有する弁にも生じ得る。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低温環境下においても燃料電池へ反応ガスが円滑に供給される燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、該燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス流路及び前記燃料電池から反応オフガスを排出させる反応オフガス流路と、前記反応ガス流路又は前記反応オフガス流路に並列に設けられた複数の弁と、前記燃料電池への反応ガスの要求流量に応じて前記弁の開閉を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記弁が所定温度以上の場合に、一つの前記弁を駆動して前記燃料電池へ反応ガスを供給する又は前記燃料電池から反応オフガスを排出させる通常モードで前記弁を制御し、前記弁が所定温度未満の場合に、全ての前記弁を駆動して前記燃料電池へ反応ガスを供給する又は前記燃料電池から反応オフガスを排出させる高使用頻度モードで制御する。

この構成の燃料電池システムによれば、低温環境下において、複数の弁の全てを駆動する高使用頻度モードで弁を制御することで、特定の弁の閉弁状態が長時間となり、その結果、一度開弁して閉弁した弁の弁体が弁座に再固着して弁の動作が不安定となることを抑制できる。これにより、低温環境下においても燃料電池へ反応ガスが円滑に供給されるロバスト性の高い燃料電池システムとすることができる。

本発明によれば、低温環境下においても燃料電池へ反応ガスが円滑に供給される燃料電池システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。本実施形態に係る燃料電池システムにおける制御部による制御を説明するフローチャートである。変形例１に係る燃料電池システムにおける制御部による制御を説明するフローチャートである。変形例２に係る燃料電池システムにおける制御部による制御を説明するフローチャートである。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いられる。

燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池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に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、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、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路（反応ガス流路）３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガス（反応オフガス）を排出するための空気排出流路(反応オフガス流路)３３とを有する。

水素ガス配管系４は、水素タンク等の燃料供給源の水素を燃料電池２に供給するための水素供給流路（反応ガス流路）４１と、燃料電池２から排出された水素オフガス（反応オフガス）を水素供給流路４１に戻すための水素循環流路（反応オフガス流路）４２とを有する。水素供給流路４１には、複数のインジェクタ（弁）４８が並列に設けられている。これらのインジェクタ４８内で弁体が駆動してインジェクタ４８内の流路が開閉（弁体が弁座から離間または弁座に当接）することで、燃料供給源から燃料電池２への水素の供給量の調整が行われる。

水素循環流路４２には、水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。また、水素循環流路４２には、気液分離器４５および排気排水弁４６を介して排出流路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４６は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４５で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４６から排出された水素オフガスは、空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、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ＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、コンプレッサ３１、水素ポンプ４４、排気排水弁４６およびインジェクタ４８等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における燃料ガス供給処理等の各種処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

上記構成の燃料電池システム１では、制御部６が要求に応じて複数のインジェクタ４８を開閉制御することで、燃料供給源からの水素の供給量を調整して燃料電池２へ供給し、燃料電池２で発電させる。

ところで、低温環境下では、インジェクタ４８の弁体が弁座に貼り付き、開弁動作が円滑に行われなくなるおそれがあり、この弁体の弁座への貼り付きは、一度開弁した後に再度閉弁した場合にも生じるおそれがある。この弁体の弁座への貼り付きは、弁体がゴムから形成されている場合に、低温環境下でゴムからなる弁体が弁座に吸い付くために生じると考えられる。

このため、本実施形態に係る燃料電池システム１では、インジェクタ４８の開弁動作を円滑に行わせるために、以下のように制御部６がインジェクタ４８を制御する。

図２は、本実施形態に係る燃料電池システムにおける制御部による制御を説明するフローチャートである。

燃料電池システム１が起動すると（ステップＳ０１）、制御部６は、燃料電池２の冷却水の水温が所定温度（例えば、０℃）よりも低いか否かの温度判定処理を行う（ステップＳ０２）。これにより、燃料電池２が所定温度未満の場合は（ステップＳ０２：Ｙｅｓ）、低温環境下での弁制御（ステップＳ０３〜Ｓ０５）が行われる。なお、温度判定処理（ステップＳ０２）において、燃料電池２が所定温度以上である場合は（ステップＳ０２：Ｎｏ）、一つのインジェクタ４８を要求流量に応じて開弁させる通常モードで制御する（ステップＳ０６）。

制御部６は、インジェクタ４８の弁体の温度を推定する（ステップＳ０３）。例えば、制御部６は、燃料電池２の冷却水の水温を弁体の温度とし、その温度を弁体推定温度に設定する。

制御部６は、弁体の弁座への固着を解消させる高使用頻度モードでインジェクタ４８の駆動を制御する（ステップＳ０４）。

この高使用頻度モードでは、複数のインジェクタ４８について、各インジェクタ４８を順番に開弁する。例えば、３つのインジェクタ４８を備えている場合では、具体的には、まず、１番目のインジェクタ４８を開弁する。２番目のインジェクタ４８の閉弁時間が所定時間以上となったら１番目のインジェクタ４８を閉弁するとともに２番目のインジェクタ４８を開弁する。さらに、３番目のインジェクタ４８の閉弁時間が所定時間以上となったら２番目のインジェクタ４８を閉弁するとともに３番目のインジェクタ４８を開弁する。その後、１番目のインジェクタ４８の閉弁時間が所定時間以上となったら３番目のインジェクタ４８を閉弁するとともに１番目のインジェクタ４８を開弁する。このように、複数のインジェクタ４８の全てを順番に開弁することで、所定流量の水素を燃料電池２へ供給し、所定時間内における各インジェクタ４８の使用頻度を高める。

また、高使用頻度モードでは、全てのインジェクタ４８を同時に開弁することで、所定流量の水素を燃料電池２へ供給しても良い。このようにすれば、所定時間内において、全てのインジェクタ４８が開弁されることとなる。この場合、燃料電池２へ供給する水素が要求流量である所定流量となるように、それぞれのインジェクタ４８における開弁時間を短くする。

なお、制御部６は、高使用頻度モードの際に、インジェクタ４８の弁体温度を、燃料電池２の冷却水の水温と外気温とから推定する。

上記の高使用頻度モード（ステップＳ０４）を、弁体推定温度が所定温度（０℃）を越えるまで継続する（ステップＳ０５）。そして、弁体推定温度が所定温度を越えたら（ステップＳ０５：Ｙｅｓ）、一つのインジェクタ４８を要求流量に応じて開弁させる通常モードで制御する（ステップＳ０６）。

このように、上記実施形態に係る燃料電池システム１によれば、低温環境下において、複数のインジェクタ４８の全てを駆動する高使用頻度モードでインジェクタ４８を制御することで、特定のインジェクタ４８の閉弁状態が長時間となり、その結果、インジェクタ４８の弁体が弁座に固着または再固着してインジェクタ４８の動作が不安定となることを抑制できる。これにより、低温環境下においても燃料電池２へ水素が円滑に供給される、ロバスト性の高い燃料電池システム１とすることができる。

次に、制御部６による制御の変形例について説明する。

（変形例１）
図３は、変形例１に係る燃料電池システムにおける制御部による制御を説明するフローチャートである。

燃料電池システム１が起動すると（ステップＳ１１）、制御部６は、燃料電池２の冷却水の水温が所定温度（例えば、０℃）よりも低いか否かの温度判定処理を行う（ステップＳ１２）。これにより、燃料電池２が所定温度未満の場合は（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、低温環境下での弁制御（ステップＳ１３〜Ｓ１５）が行われる。なお、温度判定処理（ステップＳ１２）において、燃料電池２が所定温度以上である場合は（ステップＳ１２：Ｎｏ）、インジェクタ４８を要求流量に応じて通常の開弁力で開弁させる通常モードで制御する（ステップＳ１６）。

制御部６は、インジェクタ４８の弁体の温度を推定する（ステップＳ１３）。例えば、制御部６は、燃料電池２の冷却水の水温を弁体の温度とし、その温度を弁体推定温度に設定する。

制御部６は、インジェクタ４８の開弁力を通常動作よりも高い開弁力とする高開弁力モードでインジェクタ４８の駆動を制御する（ステップＳ１４）。

この高開弁力モードでインジェクタ４８の開弁力を高めるには、例えば、インジェクタ４８の駆動時の突入電流時間を長くしたり、または、インジェクタ４８の駆動時の電圧を高めることで行う。

上記の高開弁力モード（ステップＳ１４）を、弁体推定温度が所定温度（０℃）を越えるまで継続する（ステップＳ１５）。そして、弁体推定温度が所定温度を越えたら（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、インジェクタ４８を通常の開弁力で開弁させる通常モードで制御する（ステップＳ１６）。

この変形例１では、低温環境下において、開弁力を高める高開弁モードでインジェクタ４８を制御することで、インジェクタ４８の弁体が弁座に固着または再固着してインジェクタ４８の動作が不安定となることを抑制できる。これにより、低温環境下においても燃料電池２へ水素が円滑に供給されるロバスト性の高い燃料電池システム１とすることができる。

（変形例２）
図４は、変形例２に係る燃料電池システムにおける制御部による制御を説明するフローチャートである。

燃料電池システム１が起動すると（ステップＳ２１）、制御部６は、燃料電池２へ供給する水素圧であるインジェクタ４８の下流側の水素圧が目標水素圧未満であるか否かの水素圧判定処理を行う（ステップＳ２２）。この水素圧判定処理（ステップＳ２２）において、水素圧が目標水素圧以上である場合は（ステップＳ２２：Ｎｏ）、本制御を終了する。

水素圧判定処理（ステップＳ２２）において、水素圧が目標水素圧未満の場合は（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、排気排水弁４６が開いたままとなる弁開固着の有無を判定する（ステップＳ２３）。排気排水弁４６に弁開固着がないと判断すると（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、燃料電池２へ供給する水素圧の低下がインジェクタ４８の弁固着によるものと判定し、弁固着時での制御（ステップＳ２４〜Ｓ２６）が行われる。なお、排気排水弁４６の弁開固着の有無判定（ステップＳ２３）において、排気排水弁４６に弁開固着があると判断すると（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１を停止させ（ステップＳ２７）、排気排水弁４６の異常を知らせる。

制御部６は、排気排水弁４６に弁開固着がないと判断すると（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、水素ストイキを確保するために、燃料電池２へ供給する水素圧の低下量に応じて水素ポンプ４４の回転数を高める（ステップＳ２４）。

水素ポンプ４４の回転数を高めても、水素ストイキが目標ストイキ未満である場合（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、水素ストイキの不足に応じた電流制限を実施する（ステップＳ２６）。

この変形例２では、インジェクタ４８の弁体が弁座に固着または再固着したとしても、燃料電池２における発電性能への影響を最小限に抑えることができる。

本明細書では、本発明の弁の一形態としてインジェクタを例に挙げて説明したが、本発明は、弁体が弁座に対して接離可能な構成を有する他形態の弁にも適用可能である。また、本明細書では、本発明の弁として、燃料供給路４１に配置されるインジェクタを例に挙げて説明したが、本発明は、水素循環流路４２、空気供給流路３２、或いは空気排出流路３３に配置される弁にも適用可能である。

１燃料電池システム
２燃料電池
６制御部
４１燃料供給路（反応ガス流路）
４８インジェクタ（弁）

Claims

燃料電池と、該燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス流路及び前記燃料電池から反応オフガスを排出させる反応オフガス流路と、前記反応ガス流路又は前記反応オフガス流路に並列に設けられた複数の弁と、前記燃料電池への反応ガスの要求流量に応じて前記弁の開閉を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記弁が所定温度以上の場合に、一つの前記弁を駆動して前記燃料電池へ反応ガスを供給する又は前記燃料電池から反応オフガスを排出させる通常モードで前記弁を制御し、前記弁が所定温度未満の場合に、全ての前記弁を駆動して前記燃料電池へ反応ガスを供給する又は前記燃料電池から反応オフガスを排出させる高使用頻度モードで制御する
燃料電池システム。