JP2019153481A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高地において稼動していると推定される場合に確実に二次電池の充電を行う技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、二次電池の充電のために燃料電池による発電を開始させる場合に、外気圧関連情報から決定される外気圧が予め定められた外気圧閾値よりも小さいという高地条件を満たす場合には、高地条件を満たさない場合と比較して、燃料電池の単位時間あたりの発電量を増大させるとともに、動作点がサージング領域外となるようにコンプレッサの回転数を増大させて充電を実施する高地制御を行うように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
燃料電池システムが高地にある場合、低地にある場合と比較して、外気圧が低くなる。このため、燃料電池システムが高地にある場合、低地にある場合と同じだけカソードガスをコンプレッサが燃料電池へ供給するためには、低地の場合よりもコンプレッサを高回転させる必要がある。特許文献１では、コンプレッサを高回転させることによる騒音や振動を抑制するために、燃料電池システムが高地にある場合にコンプレッサの回転数に上限を設ける方法が記載されている。
特開２０１２−２２７０４４号公報
しかし、発明者らは、燃料電池システムが高地にある場合において、二次電池の充電のために燃料電池による発電を開始させる場合に、サージングが生じることによってコンプレッサが正常に機能せず、二次電池の充電ができない虞があることを見出した。ここで、サージングとは、特定の条件においてコンプレッサが正常にカソードガスを供給できなくなる現象をいう。このため、燃料電池システムが高地にある場合においても、確実に二次電池の充電を行うことができる技術が望まれていた。
本発明は、上述の課題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、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、二次電池と、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、外気圧に関連する外気圧関連情報を取得する外気圧取得部と、前記燃料電池に前記カソードガスを供給するカソードガス供給流路と、前記カソードガス供給流路に設けられ、前記燃料電池に外気を送り込み、前記燃料電池の出力電力を利用して動作可能なコンプレッサと、前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記二次電池の充電のために前記燃料電池による発電を開始させる場合に、前記外気圧関連情報から決定される外気圧が予め定められた外気圧閾値よりも小さいという高地条件を満たす場合には、前記高地条件を満たさない場合と比較して、前記燃料電池の単位時間あたりの発電量を増大させるとともに、前記動作点がサージング領域外となるように前記コンプレッサの回転数を増大させて前記充電を実施する高地制御を行うように構成されている。この形態の燃料電池システムによれば、外気圧が外気圧閾値よりも小さく、高地において稼動していると推定される場合、高地制御を行うことにより、サージング領域外で正常にコンプレッサを稼動させられる結果、確実に二次電池の充電を行うことができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記高地制御において、前記外気圧が低いほど、前記燃料電池の単位時間当たりの発電量を増大させてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、発電時のコンプレッサの騒音や振動を抑制することができる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。
第１実施形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。 圧力比とカソードガス供給流量との関係を示す図である。 高地制御を説明するためのフローチャートである。 高地制御時における外気圧と燃料電池の発電量との関係を示す図である。
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態の燃料電池システム１１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１１０は、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）１０と、カソードガス流路２０と、アノードガス流路３０と、冷却流路７０と、制御部８０と、を備える。本実施形態では、燃料電池システム１１０は、車両に搭載されている。
燃料電池１０は、例えば、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成されている。燃料電池１０は、アノードガスタンク６０から供給されるアノードガスとしての水素ガスとカソードガスとしての大気中の酸素との電気化学反応によって発電する。なお、アノードガスとして水素ガスの変わりに、例えば、アルコールや、炭化水素を用いてもよい。
カソードガス流路２０は、燃料電池１０に対してカソードガスの供給及び排出を行う流路である。カソードガス流路２０は、燃料電池１０へカソードガスを供給するカソードガス供給流路２２と、燃料電池１０からカソードガスを排出するカソードガス排出流路２４と、カソードガス供給流路２２とカソードガス排出流路２４とを連通するバイパス流路２６と、を備える。
カソードガス供給流路２２には、上流側から順に、外気圧計４１と、流量計４０と、コンプレッサ４２と、供給弁４４と、圧力計４５と、が設けられている。外気圧計４１は、外気圧を測定する機器である。流量計４０は、燃料電池システム１１０に取り込まれたカソードガスの流量を測定する機器である。コンプレッサ４２は、燃料電池１０の出力電力を利用して動作可能な機器であるとともに、燃料電池１０に外気を送り込む機器である。本実施形態では、コンプレッサ４２としてターボコンプレッサを用いるが、これに限られず、例えば、ルーツ型コンプレッサを用いてもよい。供給弁４４は、コンプレッサ４２から燃料電池１０へのカソードガスの流入の有無を制御する弁であり、バイパス流路２６との接続部よりもカソードガス供給流路２２の下流側に設けられている。圧力計４５は、燃料電池１０のカソードガス入口の圧力を測定する機器である。本実施形態では、圧力計４５は、燃料電池１０のカソードガス入口の圧力を測定するが、これに限られず、例えば、圧力計４５をカソードガス排出流路２４に設けることにより、燃料電池１０のカソードガス出口の圧力を測定してもよい。
バイパス流路２６との接続部よりもカソードガス排出流路２４の上流側には、燃料電池１０のカソード出口側のカソードガスの圧力を調整する調圧弁４６が設けられている。バイパス流路２６には、バイパス流路２６におけるカソードガスの流量を調節するバイパス弁４８が設けられている。本実施形態では、バイパス流路２６は、カソードガス供給流路２２におけるコンプレッサ４２と供給弁４４との間と、カソードガス排出流路２４における調圧弁４６よりも下流側と、を結ぶ流路である。
アノードガス流路３０は、燃料電池１０に対してアノードガスの供給及び排出を行う流路である。アノードガス流路３０は、燃料電池１０へアノードガスを供給するアノードガス供給流路３２と、燃料電池１０からアノードガスを排出するアノードガス排出流路３４と、アノードガス供給流路３２とアノードガス排出流路３４とを連通するアノードガス循環流路３６と、を備える。
アノードガス供給流路３２は、アノードガスタンク６０に接続されている。アノードガス供給流路３２には、上流側から順に、開閉弁５２と、レギュレータ５４と、上流側圧力測定部５３と、インジェクタ５６と、圧力測定部５５とが設けられている。開閉弁５２は、アノードガスタンク６０からインジェクタ５６の上流側へのアノードガスの流入の有無を制御する弁である。レギュレータ５４は、インジェクタ５６の上流側におけるアノードガスの圧力を調整するための弁である。インジェクタ５６は、燃料電池１０へのアノードガスの流入を制御する弁である。本実施形態では、インジェクタ５６は、アノードガス循環流路３６と連通する部分よりもアノードガス供給流路３２の上流側に設けられている。上流側圧力測定部５３は、インジェクタ５６の入口の圧力を測定する機器である。圧力測定部５５は、燃料電池１０のアノードガス入口の圧力を測定する機器である。本実施形態では、圧力測定部５５は、アノードガス循環流路３６との接合部よりもアノードガス供給流路３２の下流側に設けられている。
アノードガス排出流路３４は、気液分離器５８に接続されている。アノードガス排出流路３４は、燃料電池１０内において電気化学反応に用いられなかった未反応ガス（アノードガスや窒素ガスなど）や燃料電池１０内で生成された水を気液分離器５８へ誘導する。
気液分離器５８は、燃料電池１０のアノードから排出された気体と液体とを分離する。気液分離器５８は、アノードガス循環流路３６と排出管３８とに接続されている。気液分離器５８は、燃料電池１０内において電気化学反応に用いられなかった未反応のアノードガスについてはアノードガス循環流路３６へと誘導し、燃料電池１０内で生成された水や窒素ガスについては排出管３８へと誘導する。
アノードガス循環流路３６には、ポンプ５０が設けられている。ポンプ５０は、気液分離器５８において分離されたアノードガスを含む気体を、アノードガス供給流路３２へ送り出す。燃料電池システム１１０では、アノード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、アノードガスの利用効率を向上させている。
排出管３８は、気液分離器５８において分離された液体およびガスを燃料電池システム１１０の系外へと排出するための配管である。排出管３８には、上流側から順に、排気排水を行う排気排水弁５７と、排気排水を行う際の音を低減するサイレンサ５９とが設けられている。
冷却流路７０は、燃料電池１０を冷却するために設けられた流路であり、冷却流路７０内の冷媒を冷却するラジエータ７４と、燃料電池１０内の冷媒流路とをつなぐ流路である。冷却流路７０のラジエータ７４よりも上流側には温度測定部７２が設けられており、冷却流路７０のラジエータ７４よりも下流側にはポンプ７６が設けられている。本実施形態では、温度測定部７２により燃料電池１０の温度を測定することができる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ９４は、燃料電池１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ９５に供給するとともに、二次電池９６にも接続されている。燃料電池１０の発電電力は、ＰＣＵ９５を含む電源回路を介して、車輪を駆動する駆動用モータ等の負荷や、上述したコンプレッサ４２、ポンプ５０及び各種弁に供給される。ＰＣＵ９５は、制御部８０の制御により燃料電池１０の電流を制限する。なお、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ９４との間には、燃料電池１０の電流を測定する電流測定部９１と、燃料電池１０の電圧を測定する電圧測定部９２が設けられている。
制御部８０は、ＣＰＵとメモリと、上述した外気圧計４１等のセンサやコンプレッサ４２等のアクチュエータ等の部品が接続される入出力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。制御部８０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８２の指示に応じて、燃料電池システム１１０内の構成部品の起動及び停止を制御するための信号を出力する。ＥＣＵ８２は、燃料電池システム１１０を含む車両全体の制御を行う制御部である。例えば、アクセルペダルの踏み込み量やブレーキペダルの踏み込み量、車速等に応じてＥＣＵ８２が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ８２は、制御部８０の機能の一部に含まれていてもよい。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、燃料電池システム１１０による発電の制御を行う。また、本実施形態では、制御部８０は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）情報を受信するＧＮＳＳ受信機８４と接続されているが、これに限られず、接続されていなくてもよい。
本実施形態では、制御部８０は、予め定められた高地条件が成立した場合、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域外となるようにコンプレッサ４２の回転数を増大させることにより、燃料電池１０へ供給するカソードガスの流量（以下、「カソードガス供給流量」とも呼ぶ）を増大させる。以下、サージングとカソードガス供給流量との関係を説明する。
図２は、圧力比とカソードガス供給流量［ＮＬ／分］との関係を示す図である。圧力比は、コンプレッサ４２の出口圧力を入口圧力で割った値である。入口圧力は、外気圧に等しいとみなすことができる。このため、コンプレッサ４２の出口圧力が同じ場合、外気圧が小さいほど、圧力比は大きくなる。
ここで、燃料電池１０による発電を行うために、コンプレッサ４２がカソードガス流量ＦＡを燃料電池１０へ供給する場合を想定する。このとき、燃料電池システム１１０が低地に存在する場合、高地の場合と比較して、外気圧は大きいため、圧力比は小さくなる。この結果、制御部８０は、特にカソードガス供給流量の修正を行わなくても、コンプレッサ４２の動作点Ａはサージング領域外となる。ここで、サージング領域とは、圧力比とカソードガス供給流量とがそれぞれ特定の範囲内にあることにより、コンプレッサ４２のサージングが発生する領域をいう。サージングが発生した場合、コンプレッサ４２の消費するエネルギーの一部が騒音や振動によって消費される結果、コンプレッサ４２はカソードガスの供給が正常に行えなくなる。
一方、燃料電池システム１１０が高地に存在する場合、低地の場合と比較して、外気圧は小さいため、圧力比は大きくなる。この結果、制御部８０がカソードガス供給流量の修正を行わないと、コンプレッサ４２の動作点Ｂがサージング領域内となることがある。
本実施形態では、制御部８０は、このような場合に、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域外となるようにコンプレッサ４２の回転数を増大させ、カソード供給流量を増大させる。このようにすることにより、本実施形態では、サージングの発生を抑制できるため、コンプレッサ４２を正常に稼動させることができ、この結果として、確実に二次電池９６の充電を行うことができる。
図３は、制御部８０によって実行される高地制御を説明するためのフローチャートである。この処理は、二次電池の充電のために燃料電池１０による発電を開始させる場合に実行される。
二次電池９６の充電のために燃料電池１０による発電を開始させる要求がＥＣＵ８２から制御部８０にあった場合（工程Ｐ１１０）、制御部８０は、外気圧が予め定められた外気圧閾値Ａｈよりも小さいか否かを判定する（工程Ｐ１２０）。制御部８０は、外気圧に関連する外気圧関連情報を取得する外気圧取得部８１を備える。本実施形態では、外気圧取得部８１は、外気圧に関連する外気圧関連情報として、外気圧計４１により測定された外気圧を取得する。しかし、これに限られない。例えば、外気圧取得部８１は、位置とその位置の外気圧とを関連付けたルックアップテーブルを予め記憶しており、ＧＮＳＳ受信機８４から取得したＧＮＳＳ情報から燃料電池システム１１０が存在する位置を決定し、このルックアップテーブルを用いて、その位置の外気圧を取得してもよい。本実施形態では、外気圧閾値Ａｈを標準大気圧（１ａｔｍ）とするが、これに限られず、例えば、０．９ａｔｍとしてもよく、０．８ａｔｍとしてもよい。換言すれば、外気圧閾値Ａｈは、標準大気圧に１以下の係数を乗じた値とすることが好ましく、この係数を１未満の値に設定することが好ましい。
外気圧が外気圧閾値Ａｈよりも小さいと制御部８０が判定した場合（工程Ｐ１２０：ＹＥＳ）、制御部８０は、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域内にあるか否かの判定を行う（工程Ｐ１３０）。本実施形態では、コンプレッサ４２の動作点は、コンプレッサ４２の圧力比とカソードガス供給流量とにより決まる。このため、本実施形態では、制御部８０は、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域内にあるか否かの判定を、以下のように行う。
本実施形態では、コンプレッサ４２の圧力比は、燃料電池１０内の圧力は一定と考えられるため、外気圧から決定される。また、本実施形態では、二次電池９６の充電のために燃料電池１０による発電を開始する際のカソードガス供給流量は、予め定められている。そして、本実施形態では、制御部８０は、コンプレッサ４２の圧力比、回転数、及びカソードガス供給流量とサージング領域とを関連付けたルックアップテーブル８３を予め記憶している。このため、制御部８０は、外気圧とルックアップテーブル８３を用いて、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域内であるか否かを判定する。しかし、これに限られない。例えば、燃料電池１０内の圧力を圧力計４５により測定した圧力値とし、この圧力値と外気圧から圧力比を決定してもよい。
コンプレッサ４２の動作点がサージング領域内であると制御部８０が判定した場合（工程Ｐ１３０：ＹＥＳ）、制御部８０は、高地制御を行う。具体的には、制御部８０は、高地制御として、燃料電池１０の単位時間当たり発電量を増大させるとともに、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域外となるようにコンプレッサ４２の回転数を増大させて二次電池９６の充電を行う（工程Ｐ１４０）。燃料電池１０の発電量を増大させる理由は、コンプレッサ４２の回転数を増大させることによって増大したコンプレッサ４２の消費電力を燃料電池１０が供給するためである。そして、工程Ｐ１４０の終了とともに、フローが終了する。本実施形態では、制御部８０は、二次電池９６の充電が完了するとともに、高地制御（工程Ｐ１４０）を終了させるが、これに限られない。例えば、制御部８０は、定期的（例えば、１分ごと）に外気圧関連情報を取得し、外気圧関連情報から決定された外気圧が外気圧閾値Ａｈ以上であると判定した場合に、高地制御を行わない場合におけるコンプレッサ４２の動作点に戻して、二次電池９６の充電を行ってもよい。
図４は、高地制御時における外気圧［ａｔｍ］と燃料電池１０の単位時間当たりの発電量［ｋｗ］との関係を示す図である。本実施形態では、高地制御において、外気圧が低いほど、燃料電池１０の単位時間当たりの発電量を増大させる。一般に、燃料電池１０の単位時間当たりの発電量が増加するほど、コンプレッサ４２の回転数が増加し、コンプレッサ４２の発する騒音や振動が増加する。このため、このようにすることにより、高地制御時における燃料電池１０の単位時間あたりの発電量を、外気圧が極めて低い場合に必要とされる発電量に合わせて一定とする場合と比較して、発電時のコンプレッサ４２の騒音や振動を抑制することができる。なお、これに限られず、例えば、高地制御時における燃料電池１０の単位時間あたりの発電量を外気圧によらず、一定としてもよい。
一方、外気圧が外気圧閾値Ａｈ以上と制御部８０が判定した場合（工程Ｐ１２０：ＮＯ（図３参照））、または、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域外であると制御部８０が判定した場合（工程Ｐ１３０：ＮＯ）、制御部８０は、通常制御を行う（工程Ｐ１５０）。具体的には、制御部８０は、通常制御として、コンプレッサ４２の動作点を変更せずに、コンプレッサ４２によりカソードガスを燃料電池１０へ供給するとともに、燃料電池１０を発電させて二次電池９６の充電を行う。そして、通常制御（工程Ｐ１５０）の終了とともに、フローが終了する。本実施形態では、制御部８０は、二次電池９６の充電が完了するとともに、通常制御（工程Ｐ１５０）を終了させる。
本実施形態では、制御部８０は、外気圧が外気圧閾値Ａｈよりも小さいという高地条件を満たす場合、高地条件を満たさない場合と比較して、高地制御を行う。つまり、制御部８０は、高地条件を満たす場合、高地条件を満たさない場合と比較して、燃料電池１０の単位時間あたりの発電量を増大させるとともに、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域外となるようにコンプレッサ４２の回転数を増大させて二次電池９６の充電を行う。このようにすることにより、本実施形態によれば、外気圧が外気圧閾値よりも小さく、燃料電池システム１１０が高地において稼動していると推定される場合に、サージング領域外で正常にコンプレッサを稼動させられる結果、確実に二次電池９６の充電を行うことができる。なお、本実施形態では、工程Ｐ１３０を設けたが、これに限られず、工程Ｐ１３０を設けなくてもよい。つまり、外気圧が外気圧閾値Ａｈよりも小さいと制御部８０が判定した場合（工程Ｐ１２０：ＹＥＳ）、制御部８０は、コンプレッサ４２の動作点がサージング領域内に入るかどうかにかかわらず、高地制御（工程Ｐ１４０）を行ってもよい。
本発明は、上述の実施形態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中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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
２０…カソードガス流路
２２…カソードガス供給流路
２４…カソードガス排出流路
２６…バイパス流路
３０…アノードガス流路
３２…アノードガス供給流路
３４…アノードガス排出流路
３６…アノードガス循環流路
３８…排出管
４０…流量計
４１…外気圧計
４２…コンプレッサ
４４…供給弁
４５…圧力計
４６…調圧弁
４８…バイパス弁
５０…ポンプ
５２…開閉弁
５３…上流側圧力測定部
５４…レギュレータ
５５…圧力測定部
５６…インジェクタ
５７…排気排水弁
５８…気液分離器
５９…サイレンサ
６０…アノードガスタンク
７０…冷却流路
７２…温度測定部
７４…ラジエータ
７６…ポンプ
８０…制御部
８１…外気圧取得部
８２…ＥＣＵ
８３…ルックアップテーブル
８４…ＧＮＳＳ受信機
９１…電流測定部
９２…電圧測定部
９４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９５…ＰＣＵ
９６…二次電池
１１０…燃料電池システム
Ａ、Ｂ…動作点
Ａｈ…外気圧閾値
ＦＡ…カソードガス流量

Claims (3)

  1. 燃料電池システムであって、
    二次電池と、
    アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    外気圧に関連する外気圧関連情報を取得する外気圧取得部と、
    前記燃料電池に前記カソードガスを供給するカソードガス供給流路と、
    前記カソードガス供給流路に設けられ、前記燃料電池に外気を送り込み、前記燃料電池の出力電力を利用して動作可能なコンプレッサと、
    前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記二次電池の充電のために前記燃料電池による発電を開始させる場合に、前記外気圧関連情報から決定される外気圧が予め定められた外気圧閾値よりも小さいという高地条件を満たす場合には、前記高地条件を満たさない場合と比較して、前記燃料電池の単位時間あたりの発電量を増大させるとともに、前記動作点がサージング領域外となるように前記コンプレッサの回転数を増大させて前記充電を実施する高地制御を行うように構成されている、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であって、
    前記制御部は、前記高地制御において、前記外気圧が低いほど、前記燃料電池の単位時間当たりの発電量を増大させる、燃料電池システム。
  3. 二次電池と、燃料電池と、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記二次電池の充電のために前記燃料電池による発電を開始させる場合に、外気圧が予め定められた外気圧閾値よりも小さいという高地条件を満たす場合には、前記高地条件を満たさない場合と比較して、前記燃料電池の単位時間あたりの発電量を増大させるとともに、前記動作点がサージング領域外となるように前記コンプレッサの回転数を増大させて前記充電を実施する高地制御を行う、燃料電池システムの制御方法。
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