JP2020047438A

JP2020047438A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2020047438A
Application number: JP2018174171A
Authority: JP
Inventors: 俊明草刈; Toshiaki Kusakari
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: JP6988755B2

Abstract

【課題】フラッディングの発生を抑制する燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池に供給される反応ガスへの加湿度合を調整可能な加湿装置と、前記加湿装置により前記反応ガスを加湿する加湿制御を開始してから前記加湿制御が完了するまでの加湿期間を予測する加湿期間予測部と、予測された加湿期間内での前記燃料電池の出力状態の推移を予測する出力状態予測部と、仮に前記加湿制御を実行した場合に予測された前記燃料電池の出力状態の推移によって前記燃料電池でフラッディングが発生するか否かを予測するフラッディング予測部と、フラッディングは発生しないと予測された場合には前記加湿制御を実行し、フラッディングが発生すると予測された場合には前記加湿制御を実行しない又はフラッディングは発生しないと予測された場合に実行される前記加湿制御での前記反応ガスへの加湿度合よりも低い加湿度合で前記反応ガスを加湿する、加湿制御部と、を備えた燃料電池システム。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池に供給される反応ガスを加湿する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−１５６２０３号公報

このように反応ガスが加湿されている最中での燃料電池の出力状態によっては、燃料電池にフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。

本発明は、フラッディングの発生を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池に供給される反応ガスへの加湿度合を調整可能な加湿装置と、前記加湿装置により前記反応ガスを加湿する加湿制御を開始してから前記加湿制御が完了するまでの加湿期間を予測する加湿期間予測部と、予測された加湿期間内での前記燃料電池の出力状態の推移を予測する出力状態予測部と、仮に前記加湿制御を実行した場合に予測された前記燃料電池の出力状態の推移によって前記燃料電池でフラッディングが発生するか否かを予測するフラッディング予測部と、フラッディングは発生しないと予測された場合には前記加湿制御を実行し、フラッディングが発生すると予測された場合には前記加湿制御を実行しない又はフラッディングは発生しないと予測された場合に実行される前記加湿制御での前記反応ガスへの加湿度合よりも低い加湿度合で前記反応ガスを加湿する、加湿制御部と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。

本発明によれば、フラッディングの発生を抑制する燃料電池システムを提供できる。

図１は、燃料電池システムの概略図である。図２は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。

図１は、燃料電池システム１（以下、システムと称する）の概略図である。システム１は、車両に搭載されており、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０、燃料電池２０、空気供給系３０、及び冷却系４０等を含む。システム１は、燃料電池２０の発電電力を不図示のモータ等に供給する。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。尚、システム１は、燃料電池２０にアノードガスである水素ガスを供給する不図示の水素ガス供給系や燃料電池２０の発電電力を制御する電力制御系を含む。

空気供給系３０は、供給経路３１、バイパス経路３１ａ、バイパス弁３１ｂ、排出経路３２、コンプレッサ３３、インタークーラ３６、加湿装置３７、及び背圧弁３８を有している。空気供給系３０は、燃料電池２０に空気を供給するものであり、以下のように構成される。外気から取り込んだ酸素を含む空気（カソードガス）は、供給経路３１を介してコンプレッサ３３により圧縮され、インタークーラ３６により冷却されて、燃料電池２０に供給される。排出経路３２は、燃料電池２０から排出されたカソードオフガスを大気放出する。背圧弁３８は、燃料電池２０の酸化剤側の背圧を調整する。加湿装置３７は、排出経路３２を通過するカソードオフガス中の水分を利用して供給経路３１を通過するカソードガスを加湿する。加湿装置３７内には、カソードガスが流れる流路とカソードオフガスが流れる流路とを仕切るように水分透過膜が設けられている。この水分透過膜を介してカソードオフガス中の水分がカソードガス側に透過することにより、カソードガスが加湿される。バイパス弁３１ｂは、供給経路３１上でのインタークーラ３６と加湿装置３７との間に設けられている。更に、バイパス経路３１ａは、バイパス弁３１ｂと、供給経路３１上の加湿装置３７と燃料電池２０との間とを連通する。尚、供給経路３１上には、上流側から順にコンプレッサ３３、インタークーラ３６、バイパス弁３１ｂ、及び加湿装置３７が配置されている。排出経路３２には、上流側から順に加湿装置３７及び背圧弁３８が配置されている。

冷却系４０は、循環経路４１、バイパス経路４２、分配経路４３、循環ポンプ４５、ラジエータ４６、三方弁４７、及び温度センサ４８を有している。冷却系４０は、冷却水である冷媒を所定の経路を経て循環させることにより、燃料電池２０を冷却するものであり、以下のように構成される。冷媒は循環ポンプ４５により循環経路４１を流通し、ラジエータ４６で熱交換されて冷却されて、燃料電池２０に供給される。バイパス経路４２は、循環経路４１から分岐してラジエータ４６をバイパスする。三方弁４７は、バイパス経路４２を流通する冷媒の流量を調整する。分配経路４３は、循環経路４１から分岐してインタークーラ３６に接続され再び循環経路４１に接続されており、インタークーラ３６を通過する空気が冷媒により冷却される。温度センサ４８は、燃料電池２０から排出された冷媒の温度を検出する。尚、分配経路４３は、燃料電池２０よりも上流側であって三方弁４７よりも下流側で循環経路４１から分岐して、燃料電池２０よりも下流側であって循環ポンプ４５よりも上流側で循環経路４１に合流している。

また、システム１は、ナビゲーション装置９０を備え、ＥＣＵ１０に電気的に接続されている。ナビゲーション装置９０は、地図データが記憶された記憶装置を内蔵し、本システム１が搭載された車両の位置情報を取得するＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を内蔵している。

次に、加湿装置３７について詳細に説明する。加湿装置３７のカソードガスへの加湿度合は、バイパス弁３１ｂの開度に応じて調整される。バイパス弁３１ｂがバイパス経路３１ａを全開にし供給経路３１を全閉にした状態では、燃料電池２０に供給されるカソードガスの全ては加湿装置３７をバイパスするため、カソードガスは加湿装置３７により加湿されない。バイパス弁３１ｂがバイパス経路３１ａ及び供給経路３１をそれぞれ半開にした状態では、燃料電池２０に供給されるカソードガスの一部は加湿装置３７をバイパスするが残りは加湿装置３７を通過して加湿される。バイパス弁３１ｂがバイパス経路３１ａを全閉にし供給経路３１を全開にした状態では、燃料電池２０に供給されるカソードガスの全てが加湿装置３７を通過して加湿される。バイパス弁３１ｂの開度は、ＥＣＵ１０により制御される。

本実施例では、カソードガスの加湿は、燃料電池２０の暖機のために実行される。カソードガスが加湿されると、無加湿の場合よりもカソードガスは飽和水蒸気圧に到達しやすくなり、燃料電池２０内で発生する凝縮水の量が増大する。このため、燃料電池２０内で凝縮熱が多く発生し、この凝縮熱により燃料電池２０を暖機することができるからである。

反応ガスを加湿することによって燃料電池２０を暖機する理由について説明する。例えばアノードオフガスを燃料電池２０に循環させるためのエゼクタが水素循環系に設けられている場合には、燃料電池２０の温度が低いことにより、水素循環系に液水が存在し、アノードオフガスの循環効率が低下して、燃料電池２０内で水素欠乏が生じる可能性がある。このような水素欠乏を抑制するために、インジェクタによりアノードガスをより多く噴射することが考えられ、燃費が悪化する。このため、燃料電池２０の温度が低い場合には、燃料電池２０を早期に暖機させることが望ましい。本実施例では、上述したようにカソードガスを加湿することにより燃料電池２０を暖機している。ここで、例えば低効率発電を実行することにより、意図的に燃料電池２０の発電効率を低下させて燃料電池２０の発熱量を増大させ、燃料電池２０を暖機することも考えられる。しかしながらこの場合にも、燃料電池２０の発電効率が低いため燃費が悪化する。従って本実施例のように、反応ガスを加湿することにより、燃費の悪化を抑制しつつ燃料電池２０を早期に暖機することができる。

ＥＣＵ１０は、詳しくは後述するが、加湿装置３７によりカソードガスを加湿している最中に燃料電池２０にフラッディングが発生することを抑制する制御を実行する。この制御は、ＥＣＵ１０のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される、加湿期間予測部、出力状態予測部、フラッディング予測部、及び加湿制御部により実現される。以下、この制御について説明する。

次にＥＣＵ１０が実行する制御について説明する。図２は、ＥＣＵ１０が実行する制御の一例を示したフローチャートである。温度センサ４８に基づいて取得した冷却水の温度が閾値以下であるか否かが判定される（ステップＳ１）。冷却水の温度が閾値以下の場合、即ち、暖機が要求されている場合である。否定判定の場合には本制御は終了する。

ステップＳ１で肯定判定の場合、加湿期間Ｔが予測される（ステップＳ３）。加湿期間Ｔとは、加湿制御を開始してから加湿制御が完了するまでの期間である。加湿制御は、加湿要求がなくなると完了する。加湿要求がなくなる場合とは、加湿制御の実行により冷却水温度が閾値よりも高くなる場合であり、換言すると燃料電池２０の暖機が完了した場合である。加湿期間Ｔは、以下のようにして予測される。現在の冷却水温度と、予め実験により取得された加湿制御の実行による冷却水温度の上昇率とに基づいて、冷却水温度が閾値を超えるまでに必要となる加湿期間Ｔが算出される。ステップＳ３の処理は、加湿装置３７によりカソードガスを加湿する加湿制御を開始してから加湿制御が完了するまでの加湿期間Ｔを予測する加湿期間予測部が実行する処理の一例である。

次に、加湿期間Ｔ内で燃料電池２０の出力状態の推移が予測される（ステップＳ５）。加湿期間Ｔ内での燃料電池２０の出力状態の推移は、例えば以下のようにして予測される。本システム１が搭載された車両の現在地からナビゲーション装置９０に設定された目的地までの経路に基づいて、現在地点から加湿期間Ｔが経過した時点で車両が到達していると予測される到達地点まで走行予測区間を算出する。次に、走行予測区間内での道路情報に基づいて、走行予測区間を車両が走行する場合に燃料電池２０に要求される出力状態の推移が予測される。例えば、走行予測区間内に、高速道路や自動車専用道路、又は、上り勾配が所定値以上の急勾配の区間等の高負荷区間が含まれていた場合には、車両が高負荷区間を走行する場合に燃料電池２０の出力状態は高出力状態となると予測される。ステップＳ５の処理は、予測された加湿期間Ｔ内での燃料電池２０の出力状態の推移を予測する出力状態予測部が実行する処理の一例である。

次に、仮に加湿制御を実行した場合での加湿期間Ｔ内での予測された出力状態に基づいて、加湿期間Ｔ内に燃料電池２０内でフラッディングが発生するか否かが判定される（ステップＳ７）。具体的には、加湿期間Ｔ内での燃料電池２０の状態をシミュレートできる状態モデルにより、加湿制御した場合に加湿期間Ｔ内での燃料電池２０にフラッディングが発生するか否かが判定される。この状態モデルは、燃料電池２０の出力と、燃料電池２０に供給されるカソードガス及びアノードガスの各流量及び各圧力と、冷却水の温度とを入力することにより、燃料電池２０の状態をシミュレートできる。

従って、ＥＣＵ１０は、予測された燃料電池２０の出力状態に基づいて、燃料電池２０の出力の推移と、燃料電池２０のその出力を実現するために要求されるカソードガス及びアノードガスの各流量及び各圧力の推移と、及び冷却水温度の推移とを算出する。次に、このような各値の推移に、加湿制御を実行した場合での変化量を反映させる。このようにして、加湿制御が反映された各値を、上述した状態モデルに入力することにより、加湿期間Ｔ内での燃料電池２０の状態をシミュレートできる。この結果に基づいて、燃料電池２０内でフラッディングが発生するか否かが判定される。ステップＳ７の処理は、仮に加湿制御を実行した場合に予測された燃料電池２０の出力状態の推移によって燃料電池２０でフラッディングが発生するか否かを予測するフラッディング予測部が実行する処理の一例である。

ステップＳ７で否定判定の場合、即ち、フラッディングは発生しないと予測された場合には、加湿制御が実行される（ステップＳ９）。ステップＳ７で肯定判定の場合、即ち、フラッディングが発生すると予測された場合には、加湿制御は実行されずに本制御は終了する。ステップＳ９の処理は、フラッディングは発生しないと予測された場合には加湿制御を実行し、フラッディングが発生すると予測された場合には加湿制御を実行しない加湿制御部が実行する処理の一例である。以上のように、フラッディングは発生しないと予測された場合には、加湿制御を実行することにより燃料電池２０を早期に暖機させることができ、フラッディングは発生すると予測された場合には、加湿制御を実行しないことにより、フラッディングの発生を抑制して燃料電池２０の出力性能の低下を抑制できる。

尚、ステップＳ５の処理は、上述した内容に限定されない。例えば、車両が上述した走行予測区間を過去に走行した時点での燃料電池２０の出力履歴がＥＣＵ１０のメモリに記憶されている場合には、その出力履歴を参照して走行予測区間での燃料電池２０の出力状態の推移を予測してもよい。また、ＥＣＵ１０がインターネット等から走行予測区間での渋滞情報を取得し、この渋滞情報を参照して走行予測区間での燃料電池２０の出力状態の推移を予測してもよい。

上述したようにステップＳ７で肯定判定の場合には加湿制御は実行されないが、これに限定されず、例えば、ステップＳ７で肯定判定の場合に、ステップＳ９で実行される加湿制御における加湿度合よりも低い加湿度合でカソードガスを加湿してもよい。この場合、燃料電池２０内でフラッディングが発生しない程度の度合でカソードを加湿することが好ましい。例えば、ステップＳ９で加湿制御が実行される場合でカソードガス全体の流量に対して加湿装置３７を通過するカソードガスの流量の割合よりも、ステップＳ７で肯定判定の場合に実行される加湿制御での上記割合を小さくするように、バイパス弁３１ｂの開度を調整してもよい。

本実施例では、水分透過膜を用いた加湿装置３７によりカソードガスを加湿する場合を例に説明したが、加湿装置はこれに限定されない。例えば加湿装置は、カソードガスに液水を噴射する噴射弁により加湿してもよいし、カソードガスを燃料電池２０に供給される前に、容器に貯留された液体内を通過させる、いわゆるバブリングにより加湿してもよい。また、加湿の対象である反応ガスはカソードガスに限定されず、アノードガスであってもよい。アノードガスは、上記の液水を噴射する噴射弁やバブリングにより加湿することができる。また、カソードガス及びアノードガスの少なくとも一方を加湿することができればよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ＥＣＵ（加湿期間予測部、出力状態予測部、フラッディング予測部、及び加湿制御部）
２０燃料電池
３７加湿装置

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池に供給される反応ガスへの加湿度合を調整可能な加湿装置と、
前記加湿装置により前記反応ガスを加湿する加湿制御を開始してから前記加湿制御が完了するまでの加湿期間を予測する加湿期間予測部と、
予測された加湿期間内での前記燃料電池の出力状態の推移を予測する出力状態予測部と、
仮に前記加湿制御を実行した場合に予測された前記燃料電池の出力状態の推移によって前記燃料電池でフラッディングが発生するか否かを予測するフラッディング予測部と、
フラッディングは発生しないと予測された場合には前記加湿制御を実行し、フラッディングが発生すると予測された場合には前記加湿制御を実行しない又はフラッディングは発生しないと予測された場合に実行される前記加湿制御での前記反応ガスへの加湿度合よりも低い加湿度合で前記反応ガスを加湿する、加湿制御部と、を備えた燃料電池システム。