JP2017182944A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、加速度によって貯水部内の水面が傾いた場合にも、効果的に水の排出を行いつつ、燃料ガスが無駄に排出されることを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システムにおいて、貯水部内の生成水が規定量となった場合に、排出弁を開き、制御装置が、センサを用いて推定した水面の傾斜角度が傾斜面の傾斜角度より大きい場合に、循環流路内の圧力低下が発生してから、排出弁を閉じ、制御装置が、センサを用いて推定した水面の傾斜角度が傾斜面の傾斜角度以下になった場合に、排出弁を開く、制御方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムは、一般的に、発電によって生じた水を一定量貯水する貯水部を備えている。例えば、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、貯水部内の水が、貯水部内の排水口から排出可能な位置にあるか否かを加速度センサを用いて判定し、その判定結果に基づいて排出弁の開閉を制御している。

特開２００８−２６２７３５号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムは、排水口が完全に水で覆われていない時に水の排出を行おうとすると、水の排出を行うタイミングを逃す場合があり、その場合には、高い加速度が加わった時に、排出されなかった水が、水素ポンプや燃料電池スタックに逆流する可能性がある。一方、排水口が完全に水で覆われていない時に排出弁を開弁すると、水の排出は可能であるが、燃料ガスが無駄に排出されてしまう場合がある。また、高い加速度が加わり排出口へ流れ込まない位置に水が移動すると、水が残った状態にもかかわらずガスが排出されるため、排水完了と誤判断され、排出弁が閉鎖される可能性がある。そうすると、水が貯水部内に残る可能性がある。そのため、燃料電池システムにおいて、加速度によって貯水部内の水面が傾いた場合にも、効果的に水の排出を行いつつ、燃料ガスが無駄に排出されることを抑制できる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムの制御方法が提供される。この燃料電池システムの制御方法は、燃料電池のアノードオフガスを前記燃料電池に循環させる循環流路と；前記循環流路に接続され、前記循環流路内の前記アノードオフガスから生成水を分離して貯水する貯水部と；前記貯水部の下部に設けられ、前記貯水部に貯水された前記生成水の排水と、前記貯水部内の前記アノードオフガスの排気とを行う排出弁と；前記排出弁の開閉を制御する制御装置と；前記貯水部内の前記生成水の水面の傾斜角度を推定するためのセンサと、を備え；前記貯水部が前記排出弁へ向かって傾斜した傾斜面を内部に有する燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）前記制御装置が、前記貯水部内の前記生成水が規定量となった場合に、前記排出弁を開き、（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記制御装置が、前記センサを用いて推定した前記水面の傾斜角度が前記傾斜面の傾斜角度より大きい場合に、前記循環流路内の圧力低下が発生してから、前記排出弁を閉じ、（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記制御装置が、前記センサを用いて推定した前記水面の傾斜角度が前記傾斜面の傾斜角度以下になった場合に、前記排出弁を開く。この形態の燃料電池システムの制御方法によれば、上記工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を行うことにより、加速度によって貯水部内の水面が傾いた場合にも効果的に水の排出を行いつつ、燃料ガスが無駄に排出されることを抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池を搭載した車両、車両に搭載される燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法を実行する制御装置などの形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 貯水部の概形図である。 排水処理を表わすフローチャートである。 加速度が発生したときの貯水部内の様子を示す図である。

Ａ．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の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御装置２０と、酸化ガス流路系３０と、燃料ガス流路系５０と、を備える。本実施形態では、燃料電池システム１００は、車両２００に搭載され、車両２００に備えられたトラクションモータ（図示せず）等の電力源として利用される。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（燃料ガス）と空気（酸化ガス）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１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。各セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面に電極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組のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を介してバッテリ９２に蓄電される。バッテリ９２には、種々の負荷９３が接続されている。後述するエアコンプレッサ３２や循環用ポンプ６４、各種弁には、燃料電池１０またはバッテリ９２から電力が供給され、駆動される。

酸化ガス流路系３０は、酸化ガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、レギュレータ４２と、を備える。酸化ガス流路系３０には、燃料電池１０内のカソード側の流路が含まれる。

エアコンプレッサ３２は、酸化ガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、制御装置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、酸化ガスとして燃料電池１０に供給する。

開閉弁３３は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、酸化ガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３３は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。レギュレータ４２は、制御装置２０からの制御信号に応じて、カソードオフガス配管４１におけるカソードオフガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。

燃料ガス流路系５０は、燃料ガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排出弁６０と、アノードオフガス配管６１と、圧力センサ６２と、循環配管６３と、循環用ポンプ６４と、貯水部７０と、を備える。燃料ガス流路系５０には、燃料電池１０内のアノード側の流路が含まれる。以下では、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池１０内のアノード側の流路と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、貯水部７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池１０のアノードオフガスを燃料電池１０に循環させるための流路である。循環流路６５には、循環流路６５内の圧力を検出するための圧力センサ６２が接続されている。

水素タンク５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、内部に充填されている水素を燃料電池１０に供給する。開閉弁５３、レギュレータ５４、インジェクタ５５は、燃料ガス配管５１に、この順序で上流側、つまり水素タンク５２に近い側、から設けられている。

開閉弁５３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、水素タンク５２からインジェクタ５５の上流側への水素の流入を制御する。燃料電池システム１００の停止時には開閉弁５３は閉じられる。レギュレータ５４は、制御装置２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御装置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。制御装置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１０に供給される水素の量を制御する。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と貯水部７０とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった燃料ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを貯水部７０へと誘導する。

貯水部７０は、循環流路６５のアノードオフガス配管６１と循環配管６３との間に接続されている。貯水部７０は、循環流路６５内のアノードオフガスから生成水を分離して貯水する。貯水部７０のことを「気液分離器」ともいう。

循環配管６３は、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。循環配管６３には、制御装置２０からの制御信号に応じて駆動される循環用ポンプ６４が設けられている。この循環用ポンプ６４によって、貯水部７０によって生成水が分離されたアノードオフガスが、燃料ガス配管５１へと送り出される。このように、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１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。

排出弁６０は、貯水部７０の下部に設けられている。排出弁６０は、貯水部７０に貯水された生成水の排水と、貯水部７０内のアノードオフガスの排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排出弁６０は閉じられており、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排出弁６０は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排出弁６０によって排出された生成水およびアノードオフガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

制御装置２０は、ＣＰＵとメモリと、上述した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。ＣＰＵ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、後述する排水処理を実現するほか、燃料電池システム１００の運転制御を行う。制御装置２０には、加速度センサ８０が接続されている。加速度センサ８０は、重力加速度の向きを検出するセンサである。制御装置２０は加速度センサ８０を用いて、貯水部７０内の生成水の水面の傾斜角度を推定する。

図２は、貯水部７０の概形図である。貯水部７０は、導入口７１と、排出口７２と、排出部７３と、傾斜面７４と、を有する。貯水部７０内には、導入口７１に接続されたアノードオフガス配管６１から、アノードオフガスが導入される。そして、循環配管６３に接続された排出口７２から、生成水７５を分離した後のアノードオフガスが排出される。排出部７３は、貯水部７０の下部に設けられており、排出弁６０が接続されている。貯水部７０の内部には、排出部７３に向かって傾斜する傾斜面７４が設けられている。この傾斜面７４により、貯水部７０は、生成水７５とアノードオフガスとをスムーズに排出することができる。傾斜面７４の水平方向からの傾斜角度を、以下では、貯水部傾斜角度Ｄ１という。

図３は、本実施形態における、燃料電池システムの制御方法の一部である排水処理を表わすフローチャートである。この処理はシステムの動作中、制御装置２０により繰り返し実行される処理である。この排水処理が開始されると、まず、制御装置２０は、燃料電池１０によって発電された電流値に基づき、貯水部７０内に溜まった生成水７５の貯水量を推定し、その貯水量が規定量以上になったか否かを判断する（ステップＳ３００）。制御装置２０は、燃料電池１０の電流値と生成される水量との関係が定義されたマップや関数に基づき、生成水の貯水量を推定することができる。貯水量が規定値以上であれば（ステップＳ３００：ＹＥＳ）、制御装置２０は排出弁６０を開放する（ステップＳ３１０）。一方、貯水量が規定値より少なければ（ステップＳ３００：ＮＯ）、規定値に到達するまで待機を行う。

図４は、車両２００に加速度が発生したときの貯水部７０内の様子を示す図である。制御装置２０は、加速度センサ８０を用いて、発生した加速度に応じた生成水７５の水面の液面傾斜角度Ｄ２を推定し（ステップＳ３２０）、貯水部傾斜角度Ｄ１と、推定した液面傾斜角度Ｄ２とを比較する（ステップＳ３３０）。加速度に基づいて液面傾斜角度Ｄ２を算出する方法は、例えば特開２００８−２６２７３５号公報に開示されているように公知である。

液面傾斜角度Ｄ２が貯水部傾斜角度Ｄ１以下の場合（ステップＳ３３０：ＮＯ）、貯水部７０内の水面は、図４に示す水面ｗ１のようになるため、排出部７３が生成水７５に覆われていることになる。従って、制御装置２０は、排出弁６０を開放して排水を行う（ステップＳ３８０）。続いて、制御装置２０は、貯水部７０内からガスが排出されることによって生じる循環流路６５内の圧力低下量を、圧力センサ６２を用いて算出し（ステップＳ３９０）、圧力が低下したことが算出されれば、排水が完了したと判断して、排出弁６０を閉鎖する（ステップＳ４００）。ステップＳ４００において、制御装置２０は、次回のステップＳ３００で推定する貯水量の値をリセットする。

一方、上記ステップＳ３３０において、液面傾斜角度Ｄ２が貯水部傾斜角度Ｄ１よりも大きい場合（ステップＳ３３０：ＹＥＳ）、生成水７５の量によっては、貯水部７０内の水面は、図４に示す水面ｗ２のようになるため、排出部７３が生成水に覆われていない可能性がある。そこで、まず、制御装置２０は、ガスが排出されることによって生じる循環流路６５内の圧力低下量を圧力センサ６２を用いて算出する（ステップＳ３４０）。

圧力が低下したことが算出されなかった場合（ステップＳ３４０：ＮＯ）には、排出部７３は生成水７５で覆われていることになるので、制御装置２０は、排出弁６０を開放したまま、排水を続行し、圧力低下が発生するまで待機する。一方、圧力が低下したことが算出されれば、（ステップＳ３４０：ＹＥＳ）、制御装置２０は、アノードオフガスが排出されていると判断し、排出弁６０を一時閉鎖する（ステップＳ３５０）。続いて、制御装置２０は、加速度センサ８０を用いて再度、液面傾斜角度Ｄ２を推定し（ステップＳ３６０）、貯水部傾斜角度Ｄ１と、推定した液面傾斜角度Ｄ２とを比較する（ステップＳ３７０）。

推定した液面傾斜角度Ｄ２が貯水部傾斜角度Ｄ１より大きい場合（ステップＳ３７０：ＮＯ）、処理をステップＳ３６０に戻して、液面傾斜角度Ｄ２が貯水部傾斜角度Ｄ１以下になるまで、上述したステップＳ３６０、Ｓ３７０の処理を繰り返す。つまり、排出部７３が生成水７５で覆われる状態になるまで待機を行う。

一方、上記ステップＳ３７０において、推定した液面傾斜角度Ｄ２が貯水部傾斜角度Ｄ１以下の場合（ステップＳ３７０：ＹＥＳ）、排出部７３が生成水７５で覆われた状態になるので、制御装置２０は、排出弁６０を開放し、排水を行う（ステップＳ３８０）。続いて、制御装置２０は、貯水部７０内からガスが排出されることによって生じる循環流路６５内の圧力低下量を、圧力センサ６２を用いて算出する（ステップＳ３９０）。圧力が低下したことが算出されなかった場合（ステップＳ３９０：ＮＯ）、制御装置２０は、排出弁６０を開放したまま、圧力低下が発生するまで待機する。一方、圧力が低下したことが算出された場合（ステップＳ３９０：ＹＥＳ）、制御装置２０は、排水が完了したと判断して排出弁６０を閉鎖する（ステップＳ４００）。前述の通り、このステップＳ４００では、次回のステップＳ３００で推定する貯水量の値をリセットする。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、貯水部７０の貯水量が規定量に達すれば、排出部７３が完全に生成水７５で覆われているか否かにかかわらず、上記ステップＳ３１０において、制御装置２０が排出弁６０を開弁する。そのため、水の排出を行うタイミングを逃すことがない。そして、その後、生成水７５の水面の液面傾斜角度Ｄ２が貯水部の貯水部傾斜角度Ｄ１よりも大きく、循環流路６５内の圧力低下が発生した場合には、上記ステップＳ３５０において、制御装置２０が排出弁６０を閉鎖することで、水素ガスの無駄な排出を抑制できる。さらにその後、上記ステップＳ３７０において、生成水７５の液面傾斜角度Ｄ２を貯水部傾斜角度Ｄ１と比較することにより、排出部７３が生成水によって覆われているか否かを判定できる。そのため、液面傾斜角度Ｄ２が貯水部傾斜角度Ｄ１以下の場合に、上記ステップＳ３８０において、制御装置２０が排出弁６０を開くことで残った生成水７５を排出することができる。従って、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、加速度によって貯水部７０内の水面が傾いた場合にも、効果的に水の排出を行いつつ、燃料ガスが無駄に排出されることを抑制できる。

Ｂ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態において、液面傾斜角度Ｄ２の推定に加速度センサ８０を用いたが、貯水部７０内にジャイロセンサを備えた浮遊物を設けることで、液面傾斜角度Ｄ２を推定してもよい。

＜第２変形例＞
上記実施形態では、貯水部７０から排水を行うための排水処理について詳述したが、制御装置２０は、循環流路６５から窒素等の不純物を排気するための処理を別途実行し、その排気処理において、上述した排水処理とは異なるタイミングで排出弁６０を開閉してもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例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、変形例中の技術的特徴は、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
１１…セル
２０…制御装置
３０…酸化ガス流路系
３１…酸化ガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…開閉弁
４１…カソードオフガス配管
４２…レギュレータ
５０…燃料ガス流路系
５１…燃料ガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…インジェクタ
６０…排出弁
６１…アノードオフガス配管
６２…圧力センサ
６３…循環配管
６４…循環用ポンプ
６５…循環流路
７０…貯水部
７１…導入口
７２…排出口
７３…排出部
７４…傾斜面
７５…生成水
８０…加速度センサ
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２…バッテリ
９３…負荷
１００…燃料電池システム
２００…車両
Ｄ１…貯水部傾斜角度
Ｄ２…液面傾斜角度
ｗ１、ｗ２…水面

Claims (1)

1. 燃料電池のアノードオフガスを前記燃料電池に循環させる循環流路と、
   前記循環流路に接続され、前記循環流路内の前記アノードオフガスから生成水を分離して貯水する貯水部と、
   前記貯水部の下部に設けられ、前記貯水部に貯水された前記生成水の排水と、前記貯水部内の前記アノードオフガスの排気とを行う排出弁と、
   前記排出弁の開閉を制御する制御装置と、
   前記貯水部内の前記生成水の水面の傾斜角度を推定するためのセンサと、を備え、
   前記貯水部が前記排出弁へ向かって傾斜した傾斜面を内部に有する燃料電池システムの制御方法であって、
   （ａ）前記制御装置が、前記貯水部内の前記生成水が規定量となった場合に、前記排出弁を開く工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後、前記制御装置が、前記センサを用いて推定した前記水面の傾斜角度が前記傾斜面の傾斜角度より大きい場合に、前記循環流路内の圧力低下が発生してから、前記排出弁を閉じる工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記制御装置が、前記センサを用いて推定した前記水面の傾斜角度が前記傾斜面の傾斜角度以下になった場合に、前記排出弁を開く工程と、を備える、制御方法。

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