JP2017183090A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ポンプのロック解除にかかる時間を短縮する。【解決手段】燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１に水素を供給する水素タンク１２と、燃料電池スタック１１から排出された水素を燃料電池スタック１１に再供給するように循環させる水素ポンプ１３と、燃料電池スタック１１を冷却するために循環させるクーラントを冷却するラジエータ１４と、ラジエータ１４にエアを送るファン１５と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、水素ポンプ１３がロックされているか否かを判定するステップと、水素ポンプ１３がロックされている場合に、クーラントを燃料電池スタック１１とラジエータ１４との間で循環させると共に、水素タンク１２から燃料電池スタック１１に水素を供給して発電するステップと、クーラントが循環しているラジエータ１４に対して送られたエアにより、水素ポンプ１３を温めるステップと、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池が注目されている。燃料電池からは電気化学反応によって水が精製され、この精製水は燃料電池システム内部の冷却に使用されたり、配水管からシステム外部に排出される。

従来、このような分野の技術として、特開２００６−１５５９９８号公報がある。この公報に記載された燃料電池システムの制御方法には、凍結などにより水素ポンプがロックされている場合に、燃料電池スタックからの出力を制御することについて記載されている。

特開２００６−１５５９９８号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、凍結により水素ポンプがロックされている場合であっても、所定の制限下で発電が可能となっているが、水素ポンプのロックの解除を図るものではなく、自然にロックが解除されるまで通常動作を行うことができないという問題がある。短時間で水素ポンプのロックを解除し、通常動作による発電を行える状態にしたいという要望がある。
本発明は、水素ポンプのロック解除にかかる時間を短縮した燃料電池システムの制御方法を提供するものである。

本発明にかかる燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、前記燃料電池スタックから排出された水素を前記燃料電池スタックに再供給するように循環させる水素ポンプと、前記燃料電池スタックを冷却するために循環させるクーラントを冷却するラジエータと、前記ラジエータにエアを送るファンと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムの起動時に、前記水素ポンプがロックされているか否かを判定するステップと、前記水素ポンプがロックされている場合に、前記クーラントを前記燃料電池スタックと前記ラジエータとの間で循環させると共に、前記水素タンクから前記燃料電池スタックに水素を供給して発電するステップと、前記クーラントが循環している前記ラジエータに対して送られたエアにより、前記水素ポンプを温めるステップと、を備える。
これにより、ラジエータを通過することにより温められたエアを水素ポンプに当てることで、ロック解除を促進することができる。

これにより、水素ポンプのロック解除にかかる時間を短縮することができる。

燃料電池システムの構成を示すである。 燃料電池スタックと水素ポンプとラジエータの配置を示す図である。 水素ポンプがロックされた状態におけるクーラントの流れを示す図である。 水素ポンプがロックされていない状態におけるクーラントの流れを示す図である。 燃料電池システムの動作フローを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１と、燃料ガス（水素）を貯蔵する水素タンク１２と、水素ポンプ１３と、燃料電池スタック１１に用いられるクーラントを冷却するラジエータ１４と、ラジエータ１４にエアを送るファン１５と、クーラントの不純物を取り除くイオン交換機１６と、クーラントをラジエータ１４が設けられた経路に流すか、イオン交換機１６が設けられた経路に流すかを切り替えるロータリーバルブ１７と、を備える。以下では、燃料電池システム１は、自動車のエンジンルームにおいて用いられるものとして説明する。

燃料電池スタック１１は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの集合体である。セルは、電解質膜を挟んで水素極（アノード）と、酸素極（カソード）と、が配置されている。アノードには、水素タンク１２に貯蔵された水素が、燃料ガスとして供給される。カソードには、酸素ガスとしての空気が供給される。

例えば、カソードからの排気は、排気用の配管及びマフラーを介して、外部に排出される。また、水素と酸素の電気化学反応により精製された水は、排水用の配管を介して外部に排出される。それぞれの配管には、開閉制御されるバルブが設けられている。

水素タンク１２は、高圧状態で水素ガスが貯蔵されている。例えば、水素タンク１２には、複数のレギュレータやバルブが設けられており、レギュレータを用いて水素タンク１２から燃料電池スタック１１に送られる水素ガスの圧力や供給量が調整された後に、バルブが開かれることで、アノードに水素ガスが供給される。すなわち、水素タンク１２は、氷点下の環境内において燃料電池システム１を始動する際に、貯蔵された水素ガスが高圧であることを用い、インジェクタにより水素ガスをアノードに供給する。

水素ポンプ１３は、燃料電池スタック１１から排出された水素を燃料電池スタック１１に再供給するように循環させる。水素ポンプ１３は、スクロールポンプ、ベーンポンプ、ルーツ式ポンプ、ダイヤフラムポンプなどの回転機構の動力を利用してガスを圧縮して吐出させるポンプ装置である。水素ポンプ１３には、凍結状態を測定するための温度センサや、回転数を測定する回転数センサ等のセンサが設けられている。図２に示すように、水素ポンプ１３は、エンジンルーム内において、水素タンク１２の近傍に配置されているとともに、ラジエータ１４により温められたエアが、ファン１５によって送風されたときに当たるように配置されている。なお図２において、図面左側が前方である。

ラジエータ１４は、燃料電池スタック１１を冷却するクーラントの放熱を行う。なお、図３に示すように、ラジエータ１４の近傍は、複数のサブラジエータが配置されていてもよい。

ファン１５は、ラジエータ１４の近傍に設けられている。ラジエータ１４の放熱により温められたエアは、ファン１５の動作により、水素ポンプ１３に送風される。

ここで図３に示すように、燃料電池システム１内には、燃料電池スタック１１に連結されクーラントを流出させる第１の配管２１と、第１の配管２１から分岐する第２の配管２２及び第３の配管２３と、第２配管２２と第３の配管２３が合流して連結され、燃料電池スタック１１にクーラントを流入させる第４の配管２４と、が設けられている。

第１の配管２１には、クーラントの温度を測る温度計２５が配置されている。また、第１の配管の下流において、第２の配管２２及び第３の配管２３に分岐箇所には、ロータリーバルブ１７が配置されている。ロータリーバルブ１７は、水素ポンプ１３のロック状態に応じて、クーラントの流れる方向を制御する。例えば、ロータリーバルブ１７は、水素ポンプ１３に設けられたセンサの出力に基づき、制御部（図示せず）によって水素ポンプ１３がロックされた状態であると判定された場合に、第２の配管２２にクーラントを流す。また、ロータリーバルブ１７は、制御部によって水素ポンプ１３がロックされていない状態であると判定された場合に、第３の配管２３にクーラントを流す。なお、例えば制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリを備える演算装置により構成されている。

第２の配管は、エンジンルームの前方側を経由する配管である。第２の配管にはラジエータ１４が配置されている。また第２の配管には、クーラントの温度を測定する温度計２６が配置されている。

第３の配管２３は、第２の配管２２に比べて、エンジンルームの後方側に配置されている。言い換えると第３の配管２３は、第１の配管２１と第４の配管２４の間をバイパスするように配置されている。第３の配管２３には、イオン交換機１６が配置されている。

イオン交換機１６は、第３の配管２３を流れるクーラントのイオン交換を行う。これによりイオン交換機１６は、クーラント中のイオンの除去を行う。

次に、図４を用いて、氷点下中で燃料電池システム１を駆動する際の動作について説明する。

氷点下において燃料電池システム１の駆動を開始する（Ｓ１１）。すなわち、温度計２５で測定されるクーラントの温度は、０℃より低い。

制御部は、水素ポンプ１３に配置されたセンサから取得された情報を用い、水素ポンプ１３のロータ室内部において結露水、精製水の凍結により回転数に異常が発生したロック状態であるか否かを判定する（Ｓ１２）。なお、水素ポンプ１３のロック状態の判定は、回転数の偏差の異常のほか、トルク負けが発生しているか否か、水素ポンプ１３を動作させるドライバへの異常が発生しているか否かの情報を取得し、これらの情報を利用して行ってもよい。制御部が、水素ポンプ１３がロックされていると判定した場合はＳ１３に進み、ロックされていないと判定した場合はＳ２１に進む。

燃料電池スタック１１から排気、排水するための弁を開放状態する（Ｓ１３）。また、水素タンク１２から燃料電池スタック１１に、インジェクタにより水素供給を行う。

制御部は、燃料電池スタック１１から排出されたクーラントが、第１の配管２１から第２の配管２２に流れるように、ロータリーバルブ１７を制御する（Ｓ１４）。なお、クーラントは、第２の配管２２においてラジエータ１４により放熱され、第４の配管を介して燃料電池スタック１１に戻るように、循環する。

燃料電池スタック１１は、所定の出力制限を行った状態で、発電を行う（Ｓ１５）。例えば、燃料電池スタック１１は、最大出力の３５％の出力となるように出力制限して動作する。あるいは、燃料電池スタック１１の温度が低いときは運転状態が悪化しやすいため、燃料電池スタック１１の温度によって出力制限を決定してもよい。なお、出力制限のために足りない電力は、二次電池（図示せず）から供給してもよい。

温度計２５，２６は、燃料電池スタック１１の動作によってクーラントの温度が上昇し、クーラントの温度が０℃より高い温度になったことを確認する（Ｓ１６）。なお、クーラントの温度が０℃より低い場合には、出力制限された状態で発電を続け、０℃より高くなるまで待機する。

ファン１５による送風を開始する（Ｓ１７）。これにより、第２の配管２２を通過するクーラントを冷却する際に、ラジエータ１４で発生する放熱によって温められたエアが、水素ポンプ１３に送られる。

これにより、水素ポンプ１３が昇温し、ロータの安定した回転が可能となる（Ｓ１８）。これにより、水素ポンプ１３は通常動作が可能となるため、Ｓ２１に進み、通常制御に移行する。

次に、Ｓ１２において水素ポンプ１３がロックされていないと判定された場合、又は、ロックされたと判定された後にＳ１８まで進み、通常制御する際の動作について説明する。

水素タンク１２から燃料電池スタック１１に、インジェクタにより水素供給を行う（Ｓ２１）。

制御部は、クーラントが第１の配管２１から第３の配管２３（バイパス側）に流れるように、ロータリーバルブ１７を制御する（Ｓ２２）。なお、第３の配管２３に設けられたイオン交換機１６により、クーラントのイオン交換が行われる。

燃料電池スタック１１は、所定の出力制限を行った状態で、発電を行う（Ｓ２３）。出力制限は、Ｓ１５と同様に、出力制限は最大出力に対する所定の割合として決定してもよく、燃料電池スタック１１の温度によって制限を変更してもよい。

温度計２５は、燃料電池スタック１１の動作によってクーラントの温度が上昇し、クーラントの温度が５０℃より高い温度になったことを確認する（Ｓ２４）。なお、クーラントの温度が５０℃より低い場合には、５０℃より高くなるまで出力制限状態の発電を実行し続ける状態で待機する。

燃料電池スタック１１は、通常の発電を開始する（Ｓ２５）。このとき、水素ポンプ１３は通常の動作を開始する。すなわち、水素ポンプ１３は、通常動作として、燃料電池スタック１１から排出された水素を燃料電池スタック１１に再供給するように循環させる。

これにより、水素ポンプ１３のロック状態を判定し、水素ポンプ１３がロック状態である場合には、ラジエータ１４を通過することにより温められたエアを、ファン１５により水素ポンプ１３に当てることで、ロック解除を促進することができる。これにより、氷点下の環境内で燃料電池システムの動作を開始した場合であっても、短時間で水素ポンプ１３が通常動作可能な状態にすることができ、燃料電池スタック１１における通常の発電が実行できる状態になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、燃料電池システム１の動作の説明のＳ１６において、クーラントが０℃より高い温度になったことを確認した後に、Ｓ１７に進むように記載したが、基準とする温度は０℃である必要は無く、例えば０℃より高い任意の温度であっても良い。また同様に、Ｓ２４において基準とする温度は必ずしも５０℃である必要は無く、燃料電池システム１が通常動作するのに適する任意の温度に設定することができる。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池スタック
１２ 水素タンク
１３ 水素ポンプ
１４ ラジエータ
１５ ファン
１６ イオン交換機
１７ ロータリーバルブ
２１ 第１の配管
２２ 第２の配管
２３ 第３の配管
２４ 第４の配管
２５ 温度計
２６ 温度計

Claims (1)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、
   前記燃料電池スタックから排出された水素を前記燃料電池スタックに再供給するように循環させる水素ポンプと、
   前記燃料電池スタックを冷却するために循環させるクーラントを冷却するラジエータと、
   前記ラジエータにエアを送るファンと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記水素ポンプがロックされているか否かを判定するステップと、
   前記水素ポンプがロックされている場合に、前記クーラントを前記燃料電池スタックと前記ラジエータとの間で循環させると共に、前記水素タンクから前記燃料電池スタックに水素を供給して発電するステップと、
   前記クーラントが循環している前記ラジエータに対して送られたエアにより、前記水素ポンプを温めるステップと、を備える、
   燃料電池システムの制御方法。

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