JP2021005511A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能に影響を及ぼさない範囲で、分流制御バルブの耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】実施形態に係る燃料電池システム１は、ラジエータ１２へ流入するラジエータ側冷媒流量と、バイパス経路１８ａに流入するバイパス側冷媒流量との流量比を調整するロータリーバルブ１６の開度の変化が緩和されるように、燃料電池スタックＦＣの発熱量、出入口温度差指令値及び入口冷媒温度指令値それぞれのフィルタ処理を実行し、フィルタ処理後の発熱量及び出入口温度差指令値から算出された総冷媒流量と、フィルタ処理後の入口冷媒温度指令値とに基づいて、ロータリーバルブ１６の開度を設定する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池システムには、燃料電池の温度を調整する目的で、燃料電池に冷却水等の冷媒を循環させる冷却装置が設けられている。この冷却装置においては、冷媒循環ポンプを用いて冷媒を燃料電池とラジエータとの間で循環させ、燃料電池で加熱された冷媒をラジエータで外気との熱交換により冷却している。

このような燃料電池システムとして、特許文献１には、ラジエータをバイパスするバイパス流路と、ラジエータ側とバイパス側の冷媒の流量比を調整するための分流制御バルブを備えるものが開示されている。特許文献１では、燃料電池の発熱量や冷媒循環ポンプの回転数に関連する温度差マップを用いて燃料電池の出入口冷媒温度差が算出される。また、燃料電池の所定の目標出口冷媒温度からこの出入口冷媒温度差を減算することにより、燃料電池の目標入口冷媒温度が算出される。分流制御バルブの開度は、算出された目標入口冷媒温度を実現させるように制御される。

また、特許文献２には、燃料電池の発熱量が発熱量閾値以下であることを肯定する肯定判定が為された場合には、ラジエータでの冷媒の放熱量をその肯定判定が為される前に比して抑制すると共に、分流制御バルブの作動を禁止することで、分流制御バルブにおける弁開度の変化量を累積した累積駆動量を低減させる技術が開示されている。

特開２００９−１４０６９６号公報 特開２０１７−０９８１５２号公報

燃料電池を最適な動作点で制御するためには、燃料電池の出入口冷媒温度を制御する必要がある。入口冷媒温度は、上述したラジエータ側とバイパス側の冷媒の流量比を制御する分流制御バルブの開度に応じて制御される。分流制御バルブの開度は、目標入口冷媒温度（入口冷媒温度指令値）及び冷媒循環ポンプの回転数（ポンプ流量）によって決定される。

入口冷媒温度指令値及びポンプ流量は、燃料電池の要求される電流、例えば、燃料電池が車載発電システムに適用された場合のユーザのアクセルワークに過敏に反応するため、分流制御バルブの開度も同様に大きく変化する。このバルブ開度はモータとギアにより変化するが、分流制御バルブが開から閉、閉から開と反転すると、ギアへの面圧が大きくなり、ギア摩耗が発生し、分流制御バルブが所定の開度を実現できなくなる虞がある。

特許文献２に基づき、分流制御バルブの作動を制限してバルブの反転回数を低減させることが考えられる。しかし、分流制御バルブの開度指令によりラジエータ側とバイパス側の流量を制限すると、冷媒循環ポンプと分流制御バルブの冷媒温度への応答性が異なるため、冷媒温度を適切に制御することができず、燃料電池の冷却性能を担保することが難しくなる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、冷却性能に影響を及ぼさない範囲で、分流制御バルブの耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池内を流れる冷媒が循環する冷媒循環経路と、前記冷媒循環経路に設けられ、前記冷媒を熱交換させる熱交換器と、前記冷媒を前記燃料電池と前記熱交換器との間で循環させる冷媒循環ポンプと、前記冷媒循環経路に接続され、前記熱交換器を迂回して前記冷媒を流すバイパス経路と、前記熱交換器へ流入する熱交換器側冷媒流量と、前記バイパス経路に流入するバイパス側冷媒流量との流量比を調整する分流制御バルブと、前記分流制御バルブの開度の変化が緩和されるように、前記燃料電池の発熱量、出入口温度差指令値及び入口冷媒温度指令値それぞれのフィルタ処理を実行するフィルタ処理部と、フィルタ処理後の発熱量及び出入口温度差指令値から算出された総冷媒流量と、フィルタ処理後の入口冷媒温度指令値とに基づいて、前記分流制御バルブの開度を設定する制御部とを備えるものである。

本発明によれば、冷却性能に影響を及ぼさない範囲で、分流制御バルブの耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の構成を示すブロック図である。 燃料電池の発熱量に応じたフィルタ処理の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池内を流れる冷媒が循環する冷媒循環経路と、冷媒循環経路に設けられ、冷媒を熱交換させる熱交換器と、冷媒を燃料電池と熱交換器との間で循環させる冷媒循環ポンプと、冷媒循環経路に接続され、熱交換器を迂回して冷媒を流すバイパス経路と、熱交換器へ流入する熱交換器側冷媒流量と、バイパス経路に流入するバイパス側冷媒流量との流量比を調整する分流制御バルブとを備える。

分流制御バルブの開度の変化が緩和されるように、燃料電池の発熱量、出入口温度差指令値及び入口冷媒温度指令値それぞれのフィルタ処理を実行し、フィルタ処理後の発熱量及び出入口温度差指令値から算出された総冷媒流量と、フィルタ処理後の入口冷媒温度指令値とに基づいて、分流制御バルブの開度を設定することで、冷却性能に影響を及ぼさない範囲で、分流制御バルブの耐久性の低下を抑制することが可能となる。

実施の形態に係る燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の車載発電システムに適用することができる。以下では、燃料電池を冷却する冷媒として冷却水を用いた例について説明する。従って、以下の説明では、冷媒温度を水温と表記する場合がある。図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。図２は、燃料電池システム１に設けられる制御部２０の構成を示すブロック図である。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ＦＣを冷却する冷却装置１０を備える。冷却装置１０は、図２に示す制御部２０により制御される。

燃料電池スタックＦＣは、例えば高分子電解質型燃料電池であり、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜と、その一方の面に形成された空気極と、他方の面に形成された燃料極とを接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を備える。膜電極接合体は、その両側から一対のセパレータにより挟み込まれている。燃料電池スタックＦＣは、酸化ガスを空気極に、燃料ガスを燃料極に供給することによって発電する。

冷却装置１０は、循環経路１１、ラジエータ１２、イオン交換機１３、インタークーラ１４、ウォーターポンプ（ＷＰ）１５、ロータリーバルブ（ＲＶ）１６、ファン１７、バイパス経路１８ａ、１８ｂ、温水通路１９、温度センサＴ１、Ｔ２を含む。冷却装置１０は、熱交換器の一例であるラジエータ１２において熱交換した冷却水を、循環経路１１を介して燃料電池スタックＦＣに循環供給することで、燃料電池スタックＦＣ内の冷却流路Ｆ１に導き、燃料電池スタックＦＣを所定の温度に冷却する。ファン１７は、ラジエータ１２を流れる冷却水を空気で冷やす。

循環経路（冷媒循環経路）１１は、燃料電池スタックＦＣとラジエータ１２とを接続し、燃料電池スタックＦＣとラジエータ１２との間で冷却水を循環させる。循環経路１１には、燃料電池スタックＦＣ内に冷却水を流す冷却流路Ｆ１が接続される。循環経路１１では、燃料電池スタックＦＣ内を流れる冷却水が循環する。循環経路１１からの冷却水が燃料電池スタックＦＣに入る箇所を冷却流路Ｆ１の入口Ｆ１ａとし、燃料電池スタックＦＣから循環経路１１へ冷却水が出る箇所を冷却流路Ｆ１の出口Ｆ１ｂとする。

循環経路１１の、出口Ｆ１ｂとラジエータ１２の入口とを接続する第１経路１１ａと、ラジエータ１２の出口と入口Ｆ１ａとを接続する第２経路１１ｂとの間には、２つのバイパス経路１８ａ、１８ｂが設けられている。バイパス経路１８ａは、ラジエータ１２を迂回して冷却水を流す。第１経路１１ａとバイパス経路１８ａとの経路合流点には、ロータリーバルブ１６が設けられている。

ロータリーバルブ（分流制御バルブ）１６は、燃料電池スタックＦＣ及びラジエータ１２を通る循環と、燃料電池スタックＦＣのみを通りラジエータ１２を迂回する循環とを切り替える三方弁である。ロータリーバルブ１６は、その開度を全開から全閉までの間で連続的に変化させることができ、冷却水のラジエータ１２へ流入するラジエータ側流量と、バイパス経路１８ａに流入するバイパス側流量との流量比を調整することができる。ロータリーバルブ１６の全開とは、冷却水の全量をラジエータ１２へ流す開度である。一方、ロータリーバルブ１６の全閉とは、冷却水の全量をバイパス経路１８ａへ流す開度である。ロータリーバルブ１６の開度によって、燃料電池スタックＦＣの入口Ｆ１ａの水温が制御される。

また、バイパス経路１８ａには、イオン交換機１３が設けられている。第１経路１１ａから分岐したバイパス経路１８ｂにはインタークーラ１４、温水通路１９が設けられている。インタークーラ１４は、燃料電池スタックＦＣの空気極に供給される酸素ガスを冷却する。温水通路１９は、燃料電池スタックから発生した水が気液分離器で凍結することを防ぐために、気液分離器を温める目的で設けられている。

第２経路１１ｂには、温度センサＴ１と、冷却水を燃料電池スタックＦＣとラジエータ１２との間で循環させるウォーターポンプ（冷媒循環ポンプ）１５とが設けられている。温度センサＴ１は、第２経路１１ｂを流れ、冷却流路Ｆ１の入口Ｆ１ａに向かう冷却水の温度（ＦＣ入口水温）を逐次検出する。温度センサＴ１は、検出したＦＣ入口水温を制御部２０へ出力する。

また、冷却流路Ｆ１の出口Ｆ１ｂには、温度センサＴ２が設けられている。温度センサＴ２は、燃料電池スタックＦＣの冷却流路Ｆ１の出口Ｆ１ｂの温度（ＦＣ出口水温）を逐次検出する。温度センサＴ２は、検出したＦＣ出口水温を制御部２０へ出力する。ウォーターポンプ１５の回転数、すなわち冷却水の総流量や、ロータリーバルブ１６によるラジエータ側流量とバイパス側流量との流量比は、燃料電池スタックＦＣの発熱量や、温度センサＴ１、Ｔ２により検出された温度等に基づいて適宜決定される。ウォーターポンプ１５及びロータリーバルブ１６の制御については、後に詳述する。

制御部２０は、燃料電池スタックＦＣ、冷却装置１０に関わる種々の制御を実行する。例えば、制御部２０は、燃料電池スタックＦＣの発熱量や温度センサＴ１、Ｔ２により検出された温度に基づいて、ウォーターポンプ１５、ロータリーバルブ１６、ファン１７を制御して、冷却水の循環や温度の制御を行う。

図２に示すように、制御部２０は、統合制御部２１、水温指令部２２、状態推定器２３、フィルタ処理部２４、ポンプ制御部２５、バルブ制御部２６、放熱制御部２７を有する。制御部２０は、図示しないＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部を備える。制御部２０は、記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって、これらの機能を実現することができる。

統合制御部２１には、燃料電池スタックＦＣの発熱量、温度センサＴ１、Ｔ２によりそれぞれ検出されたＦＣ入口水温、ＦＣ出口水温が入力される。統合制御部２１は、入力される各種の値に基づいて、ＦＣ出口水温指令値及びＦＣ出入口温度差（ΔＴ）指令値を求め、水温指令部２２に出力する。水温指令部２２は、ＦＣ出口水温指令値とΔＴ指令値とから、ＦＣ入口水温指令値を算出する。そして、水温指令部２２は、ΔＴ指令値と、ＦＣ入口水温指令値とをフィルタ処理部２４に出力する。

状態推定器２３には、ロータリーバルブ１６の開度（ＲＶ開度）、ウォーターポンプ１５の回転数（ＷＰ回転数）、ファン電圧、ＦＣ総電圧、ＦＣ電流が入力される。状態推定器２３は、これらの値に基づいて、燃料電池スタックＦＣの発熱量とラジエータ側、バイパス側の圧損係数を求める。

例えば、燃料電池スタックＦＣから出力されるＦＣ電流がゼロであれば、ＦＣ発熱量もゼロになる。なお、燃料電池スタックＦＣの発熱量を算出するためのＦＣ電流及びＦＣ電圧は瞬時値であってもよいし、フィルタを通して平滑されたフィルタ値であってもよい。

ラジエータ側の圧力損失ΔＰ_ｒｄは以下の式（１）で表される。
ΔＰ_ｒｄ＝Ｚ_ｒｄ・Ｑ_ｒｄ ・・・（１）
ここで、Ｚ_ｒｄはそれぞれラジエータ側の圧損係数であり、Ｑ_ｒｄはラジエータ側流量である。
また、バイパス側の圧力損失ΔＰ_ｂｐは以下の式（２）で表される。
ΔＰ_ｂｐ＝Ｚ_ｂｐ・Ｑ_ｂｐ ・・・（２）
ここで、Ｚ_ｂｐはバイパス側の圧損係数であり、Ｑ_ｂｐはバイパス側流量である。圧損係数は、総流量（すなわち、ウォーターポンプ１５の挙動）によって変化する。ＦＣ発熱量はフィルタ処理部２４に入力され、圧損係数はバルブ制御部２６に入力される。

フィルタ処理部２４は、ロータリーバルブ１６の開度の変化が緩和されるように、ＦＣ発熱量、ΔＴ指令値及びＦＣ入口水温指令値のそれぞれのフィルタ処理を実行する。フィルタ処理部２４は、フィルタ処理後のＦＣ発熱量及びΔＴ指令値をポンプ制御部２５に出力し、フィルタ処理後のＦＣ入口水温指令値をロータリーバルブ１６に出力する。

実施の形態では、以下の３つの値に対してフィルタ処理を行う。
・ＦＣ入口水温指令値・・・ロータリーバルブ１６の開度に応じて実現される燃料電池スタックＦＣの入口Ｆ１ａの水温を決定する値である。このＦＣ入口水温指令値が過敏に変化すると、それに追従するためにロータリーバルブ１６の変化が過敏となる。
・ΔＴ指令値及びＦＣ発熱量・・・ウォーターポンプ１５の総流量を決定する値である。総流量の変化が過敏になることで、ラジエータ流路、バイパス経路の圧損特性が変化し、それに応じてロータリーバルブ１６の変化も過敏となる。

ポンプ制御部２５は、フィルタ処理後のＦＣ発熱量及びΔＴ指令値に応じて、ウォーターポンプ１５を駆動するための駆動信号を生成する。例えば、ポンプ制御部２５は、フィルタ処理後のＦＣ発熱量及びΔＴ指令値を用いて、以下の式（３）により燃料電池スタックＦＣに流すべき冷却水の総流量指令値ｑを算出する。

ここで、ＱｆｃはＦＣ発熱量、ΔＴはΔＴ指令値、Ｃｍ、Ｃｐは物性値、ΔＰは圧力損失、ρは冷却水の流体密度である。なお、Ｃｍ＊ｄＴ／ｄｔ及び、ΔＰ／ρについては影響が小さいため、無視できる。

そして、ポンプ制御部２５は、算出した総流量を満たすようにウォーターポンプ１５の回転数を決定する。すなわち、ウォーターポンプ１５は、ΔＴ指令値を冷却水の総流量によって実現する機能を有するものといえる。一般的に、ウォーターポンプ１５の回転数は、ＦＣ発熱量が大きくなるほど高くなる。また、ポンプ制御部２５は、燃料電池スタックＦＣが発電していない場合には、ウォーターポンプ１５を停止することができる。

バルブ制御部２６は、フィルタ処理後のＦＣ入口水温指令値、ラジエータ側、バイパス側の圧損係数に応じて、ロータリーバルブ１６の開度を設定するための駆動信号を生成する。ロータリーバルブ１６の開度は、ＦＣ入口水温指令値及び総流量により決定される。従って、ポンプ制御部２５及びバルブ制御部２６は、フィルタ処理後のＦＣ発熱量及びΔＴ指令値から算出された総流量と、フィルタ処理後のＦＣ入口水温温度指令値とに基づいて、ロータリーバルブ１６の開度を設定する制御部に相当する。

例えば、バルブ制御部２６は、ＦＣ入口水温指令値が低くなるほど、ラジエータ側流量を大きくし、バイパス側流量を小さくする。ラジエータ側流量が大きくなるほど、ラジエータ１２で冷却される冷却水の流量は増加し、燃料電池スタックＦＣから流出する冷却水が冷却される。

放熱制御部２７は、ラジエータ１２へ外気が流れるようにファン１７を駆動するための駆動信号を生成する。放熱制御部２７は、ファン１７の駆動と停止とを切り替えることで、ラジエータ１２の冷却水からの放熱を制御する。放熱制御部２７は、例えば、予め設定された所定のファン回転数でファン１７を回転させることができる。

上述したように、実施の形態では、ロータリーバルブ１６の開度の変化が緩和されるように、ＦＣ発熱量、ΔＴ指令値及びＦＣ入口水温指令値のそれぞれのフィルタ処理を実行している。ＦＣ発熱量、ΔＴ指令値にフィルタ処理を行うことで、冷却性能に影響を及ぼさない範囲で、ウォーターポンプ１５の回転数を緩慢にすることができる。また、ＦＣ入口水温指令値にフィルタ処理を行うことで、燃料電池スタックＦＣの要求される電流、すなわちユーザのアクセルワークに起因する、ロータリーバルブ１６の過度の反転を抑制することができる。これにより、分流制御バルブの耐久性の低下を抑制することが可能となる。

なお、例えば、ロータリーバルブ１６の反転回数を低減させるためのフィルタ処理を常時行い、ユーザのアクセルワークへの応答性を常時下げると、温度変化が過渡的な範囲においては、要求される部品の応答性が満足できない。この結果、燃料電池スタックＦＣ出口水温が上昇し、燃料電池スタックＦＣの乾燥が懸念される。

そこで、上記のフィルタ処理として、ＦＣ発熱量に応じた適切なフィルタ処理を行うことが望ましい。図３は、ＦＣ発熱量に応じたフィルタ処理の一例を示す図である。図３の横軸はＦＣ発熱量を示しており、縦軸はフィルタ定数を示している。図３に示す例では、ＦＣ発熱量が所定の第１の値まではフィルタ定数は一定である。そして、ＦＣ発熱量が、第１の値からロータリーバルブ１６が全開となる（冷却水の全量をラジエータ１２へ流す）第２の値に上昇するに従いフィルタ定数を下げている。

このように、ＦＣ発熱量に応じたフィルタ定数を設定することで、過渡的な温度変化に必要な部品応答性を満足しつつ、ユーザの使用頻度が高いＦＣ発熱量領域においては応答性を緩慢にすることで、ロータリーバルブ１６の反転回数を低減させることが可能となる。また、ＦＣ発熱量、ΔＴ指令値及びＦＣ入口水温指令値のそれぞれに対して異なるフィルタ定数を設定してもよい。

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、燃料電池スタックＦＣの冷却流路Ｆ１の入口Ｆ１ａに温度センサを設けてもよい。上記の実施の形態では、冷媒は冷却水であったが、気体などの他の冷媒であってもよい。また、上記実施の形態で記載した燃料電池システム１は、燃料電池車両などの車両の他、船舶、飛行機、ロボットなどの他の移動体にも搭載可能である。

１ 燃料電池システム
１０ 冷却装置
１１ 循環経路
１１ａ 第１経路
１１ｂ 第２経路
１２ ラジエータ
１３ イオン交換機
１４ インタークーラ
１５ ウォーターポンプ
１６ ロータリーバルブ
１７ ファン
１８ａ バイパス経路
１８ｂ バイパス経路
１９ 温水通路
２０ 制御部
２１ 統合制御部
２２ 水温指令部
２３ 状態推定器
２４ フィルタ処理部
２５ ポンプ制御部
２６ バルブ制御部
２７ 放熱制御部
Ｔ１ 温度センサ
Ｔ２ 温度センサ
ＦＣ 燃料電池スタック
Ｆ１ 冷却流路
Ｆ１ａ 入口
Ｆ１ｂ 出口

Claims (1)

1. 燃料電池内を流れる冷媒が循環する冷媒循環経路と、
   前記冷媒循環経路に設けられ、前記冷媒を熱交換させる熱交換器と、
   前記冷媒を前記燃料電池と前記熱交換器との間で循環させる冷媒循環ポンプと、
   前記冷媒循環経路に接続され、前記熱交換器を迂回して前記冷媒を流すバイパス経路と、
   前記熱交換器へ流入する熱交換器側冷媒流量と、前記バイパス経路に流入するバイパス側冷媒流量との流量比を調整する分流制御バルブと、
   前記分流制御バルブの開度の変化が緩和されるように、前記燃料電池の発熱量、出入口温度差指令値及び入口冷媒温度指令値それぞれのフィルタ処理を実行するフィルタ処理部と、
   フィルタ処理後の発熱量及び出入口温度差指令値から算出された総冷媒流量と、フィルタ処理後の入口冷媒温度指令値とに基づいて、前記分流制御バルブの開度を設定する制御部と、
   を備える、
   燃料電池システム。

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