JP2019096448A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部及び前記酸化ガス供給部の少なくとも一方に設置される気液分離器と、
前記燃料電池スタックの温度に相関する相関温度を取得する燃料電池スタック相関温度取得部と、
前記気液分離器の貯水領域の底部に配置される加熱手段と、
前記加熱手段の温度を推定する加熱手段温度推定部と、
前記燃料電池スタックの相関温度と前記加熱手段の温度とに基づいて前記気液分離器内の水の有無を判定する制御部と
を備えることを特徴とする。
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部及び前記酸化ガス供給部の少なくとも一方に設置される気液分離器と、
前記燃料電池スタックの温度に相関する相関温度を取得する燃料電池スタック相関温度取得部と、
前記気液分離器の貯水領域の底部に配置される加熱手段と、
前記加熱手段の温度を推定する加熱手段温度推定部と
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックの相関温度と前記加熱手段の温度とに基づいて前記気液分離器内の水の有無を制御部により判定する
ことを特徴とする。
<A−1.構成>
[A−1−1.全体構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10(以下「FCシステム10」ともいう。)のブロック図である。本実施形態のFCシステム10は、車両に用いられるが、その他の用途で用いられてもよい。FCシステム10は、燃料電池スタック20(以下「FCスタック20」又は「FC20」という。)と、アノード系22と、カソード系24と、制御系26と、バッテリ28(図2)とを有する。
(A−1−2−1.概要)
図1に示すように、アノード系22(燃料ガス供給部)は、水素タンク30、レギュレータ32、インジェクタ34、パージ弁36、気液分離器38、圧力センサ40及び燃料電池温度センサ42(以下「FC温度センサ42」ともいう。)を有する。水素タンク30は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管50、レギュレータ32、配管52、インジェクタ34及び配管54を介して、アノード流路56の入口に接続されている。これにより、水素タンク30の水素は、配管50等を介してアノード流路56に供給可能である。なお、配管50には、遮断弁(図示せず)が設けられており、FCスタック20の発電の際、当該遮断弁は、制御系26の電子制御装置152により開とされる。レギュレータ32は、導入される水素の圧力を所定値に調整して排出する。
(A−1−2−2−1.概要)
図2は、本実施形態の気液分離器38及びその周辺を簡略的に示す図である。図2では、気液分離器38の下側の貯水領域80に水500が溜まっている。貯水領域80に溜まった水500は、気液分離器38に接続された排水路82を介して外部に排出される。排水路82には、ドレイン弁84が設けられており、制御系26からの指令に基づいて開閉する。図2の矢印300は、ドレイン弁84が開状態のときの水500の流れを示す。気液分離器38の貯水領域80には、PTCヒータ90(PTC:Positive Temperature Coefficient)が設けられている。
PTCヒータ90(以下「ヒータ90」ともいう。)は、サーミスタであり、制御系26からの指令に基づいて水500(凍っている場合を含む。)を加熱する。ヒータ90は、バッテリ28からの電流Ifにより発熱する。図2に示すように、ヒータ90とバッテリ28の間には、オンオフスイッチ100と、可変抵抗器102と、電流センサ104とが配置される。
(A−1−3−1.制御系26の概要)
図1に示すように、制御系26は、各種センサ150と、電子制御装置152(以下「ECU152」という。)と、タイマ回路154とを有する。
各種センサ150は、ECU152による制御に必要な各種センサ値を検出してECU152に出力する。各種センサ150には、外気温センサ160が含まれる。外気温センサ160は、車両の外気温Tを検出してECU152に出力する。圧力センサ40、FC温度センサ42及び電流センサ104を各種センサ150に含めてもよい。
(A−1−3−3−1.ECU152の概要)
ECU152は、FCシステム10全体を制御するコンピュータである。図1に示すように、ECU152は、入出力部170、演算部172及び記憶部174を有する。
入出力部170は、ECU152以外の機器(各種センサ150等)との入出力を行う。入出力部170は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する図示しないA/D変換回路を備える。
演算部172は、例えば、中央処理装置(CPU)を含む。演算部172は、各種センサ150等からの信号に基づいて演算を行う。そして、演算部172は、演算結果に基づき、アノード系22及びカソード系24に対する信号を生成する。
記憶部174は、演算部172が利用するプログラム及びデータを記憶する。記憶部174は、例えば、ランダム・アクセス・メモリ(以下「RAM」という。)を備える。RAMとしては、レジスタ等の揮発性メモリと、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリとを用いることができる。また、記憶部174は、RAMに加え、リード・オンリー・メモリ(ROM)及び/又はソリッド・ステート・ドライブ(SSD)を有してもよい。
タイマ回路154は、ECU152がオンになるタイミングを設定し、当該タイミングが来たときにECU152をオンにする。
[A−2−1.概要]
上記のように、本実施形態のECU152は、気液分離器排水制御を実行する。気液分離器排水制御では、気液分離器38内に水500が所定量以上溜まった場合、ドレイン弁84を開いて水500を外部に排水する。但し、ここでの所定量は、直接的に水500の量を量るのではなく、ヒータ抵抗Rhを用いる。
図4は、本実施形態の気液分離器排水制御の概要を示すフローチャートである。ステップS11において、ECU152は、FCシステム10が起動したか否かを判定する。当該判定は、例えば、FC出力制御部180からの通知により行う。FCシステム10が起動した場合(S11:TRUE)、ステップS12に進む。ステップS12において、ECU152は、起動時制御を実行する。起動時制御については、図7及び図8を参照して後述する。ステップS12の後、ステップS14に進む。
理解の容易化のため、以下では、起動時制御(図4のS12)よりも先に作動時制御(S14)について説明する。上記のように、作動時制御は、FCシステム10の作動時(又は発電中)において、気液分離器38内の水500を排出する制御であり、起動時制御に続いて行われる。
上記のように、FCシステム起動時制御(図4のS12)は、FCシステム10の起動時(又は発電開始時)において、PTCヒータ90により気液分離器38内を暖機する制御である。起動時制御自体では排水を行わず、後に続くFCシステム作動時制御で排水を行う点に留意されたい。
上記のように、FCシステム停止時制御は、FCシステム10の停止時(又は発電停止時)において、気液分離器38内の水500を排出する制御であり、作動時制御に続いて行われる。また、1度の停止時制御が行われた後、起動時制御が所定期間行われなかった場合、停止時制御が繰り返される。
以上のように、本実施形態によれば、FC温度Tfc(燃料電池スタックの相関温度)とヒータ温度Th(加熱手段の温度)とに基づいて気液分離器38内の水500の有無を判定する(図5のS25)。そのため、水位レベルセンサ等の追加部品を必要とせず、簡易なシステムで気液分離器38内の水500の存在を把握することが可能となる。或いは、水位レベルセンサ等の追加部品を設ける場合でも、本実施形態を適用することで、フェールセーフの点で優れることが可能となる。よって、FCシステム10内の水500を好適に検出又は排出することが可能となる。
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
上記実施形態では、FCシステム10が生成した電力を、燃料電池車両(FCV)に供給することを想定していた。しかしながら、例えば、FC温度Tfcとヒータ温度Thとに基づいて気液分離器38内の水500の有無を判定する観点からすれば、これに限らない。例えば、FCシステム10が生成した電力は、住宅等に供給してもよい。
上記実施形態では、気液分離器38をアノード系22に設けた(図1)。しかしながら、例えば、FC温度Tfcとヒータ温度Thとに基づいて気液分離器38内の水500の有無を判定する観点からすれば、これに限らない。例えば、気液分離器38は、アノード系22に加えて又はこれに代えて、カソード系24に設けてもよい。
[B−3−1.気液分離器排水制御全般]
上記実施形態の気液分離器排水制御では、図7に示す起動時制御と、図5に示す作動時制御と、図10に示す停止時制御を組み合わせた。しかしながら、例えば、FC温度Tfcとヒータ温度Thとに基づいて気液分離器38内の水500の有無を判定する観点からすれば、これに限らない。例えば、図7に示す以外の方法で起動時制御を行うことも可能である。或いは、図5に示す方法以外で作動時制御を行うことも可能である。或いは、図10に示す以外の方法で停止時制御を行うことも可能である。
上記実施形態の起動時制御では、可変抵抗器102(図2)を用いてPTCヒータ90への印加電圧Vhを変化させた(図7のS56〜S58)。しかしながら、例えば、ヒータ90への印加電圧Vhを変化させる観点からすれば、これに限らない。例えば、コンバータを用いてPTCヒータ90への印加電圧Vhを変化させてもよい。
上記実施形態では、FC温度Tfcとヒータ温度Thとに基づいて気液分離器38内の水500の有無を判定した(図5のS25)。しかしながら、例えば、FCスタック20の温度に相関する燃料電池スタックの相関温度と、気液分離器38の貯水領域80の底部に配置される加熱手段の温度に相関する加熱手段温度とに基づいて気液分離器38内の水500の有無を判定する観点からすれば、これに限らない。FC温度Tfc(スタック温度Tfc)の代わりに、例えば、FC20を冷却する冷媒の温度を燃料電池スタック相関温度として用いることも可能である。
上記実施形態の停止時制御では、停止時排水制御(図10のS85)の内容を、図5のステップS21〜S25、S27〜S31、S35、S38と同様とした。しかしながら、例えば、気液分離器38内の水500を排出する観点からすれば、これに限らない。
上記実施形態では、数値の比較において等号を含む場合と含まない場合とが存在した。しかしながら、例えば、等号を含む又は等号を外す特別な意味がなければ(換言すると、本発明の効果を得られる場合)、数値の比較において等号を含ませるか或いは含ませないかは任意に設定可能である。
24…カソード系(酸化ガス供給部) 38…気液分離器
42…FC温度センサ(燃料電池スタック相関温度取得部)
80…貯水領域 84…ドレイン弁
90…PTCヒータ(加熱手段)
182…ヒータ温度算出部(加熱手段温度推定部)
186…排水制御部(制御部) 500…水
Tfc…FC温度(燃料電池スタック相関温度)
Th…ヒータ温度(加熱手段の温度)
Claims (7)
- 燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部及び前記酸化ガス供給部の少なくとも一方に設置される気液分離器と、
前記燃料電池スタックの温度に相関する相関温度を取得する燃料電池スタック相関温度取得部と、
前記気液分離器の貯水領域の底部に配置される加熱手段と、
前記加熱手段の温度を推定する加熱手段温度推定部と、
前記燃料電池スタックの相関温度と前記加熱手段の温度とに基づいて前記気液分離器内の水の有無を判定する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、低温始動時に前記加熱手段を用いて加熱制御すると共に、前記水の有無に関する判断結果に基づいて前記加熱手段の加熱量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離器は貯水領域に溜まった水を排水するドレイン弁を備え、
前記制御部は、前記水の有無に関する判断結果に基づいて前記ドレイン弁を駆動させることにより排水制御を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記排水制御を実施している間の前記加熱手段の温度変化に基づいて、排水が正常に行われたか否かを判断する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの相関温度に対して、前記加熱手段の温度が所定値以上変化したことにより排水が正常に行われたと判断する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項5に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、排水が正常に行われたと判断した後に、前記燃料電池スタックの相関温度に対して、前記加熱手段の温度が所定値より小さく変化したことにより前記気液分離器内に水が残水していたと判断し、排水制御を再度行う
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部及び前記酸化ガス供給部の少なくとも一方に設置される気液分離器と、
前記燃料電池スタックの温度に相関する相関温度を取得する燃料電池スタック相関温度取得部と、
前記気液分離器の貯水領域の底部に配置される加熱手段と、
前記加熱手段の温度を推定する加熱手段温度推定部と
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックの相関温度と前記加熱手段の温度とに基づいて前記気液分離器内の水の有無を制御部により判定する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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