JP2021064583A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】暖機運転時におけるポンピング水素の発生低減の精度を向上させること。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の始動時温度毎に燃料電池の現在温度および指令電流に対して下限電圧が対応付けられているマップであって、始動時温度が低いほど高い下限電圧が対応付けられているマップを記憶する記憶装置と、始動時温度、現在温度および指令電流を取得して、マップを用いて下限電圧を決定し、決定した下限電圧を下回らないように燃料電池の動作点を決定し、決定した動作点において燃料電池を動作させる制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

低効率運転による暖機運転においては、アノードで発生してカソードへ移動した水素イオンが電子を受け取り、ポンピング水素が発生することが知られている。ポンピング水素の濃度が上昇すると、カソードオフガス中の水素濃度が上昇するおそれがある。特許文献１には、燃料電池の検出された出力電流および温度に対応するマップ値を出力電圧の下限値に設定して、ポンピング水素を低減する技術が開示されている。

特開２００９−１６１１７号公報

しかし、特許文献１記載の技術では、ポンピング水素の発生を十分に低減することができない場合がある。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、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、燃料電池と、前記燃料電池の始動時温度毎に前記燃料電池の現在温度および指令電流に対して下限電圧が対応付けられているマップであって、始動時温度が低いほど高い下限電圧が対応付けられているマップを記憶する記憶装置と、始動時温度、現在温度および指令電流を取得して、前記マップを用いて下限電圧を決定し、決定した前記下限電圧を下回らないように前記燃料電池の動作点を決定し、決定した動作点において前記燃料電池を動作させる制御部と、を備える。この形態によれば、制御部は、始動時温度、現在温度、および指令電流に基づいて下限電圧を決定するため、ポンピング水素の発生低減の精度を向上させることができる。

車両に搭載される燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 始動時温度−３０℃における、指令電流と下限電圧との関係を示すグラフである。 始動時温度と下限電圧との関係を示すグラフである。 始動時温度毎に燃料電池の現在温度および指令電流に対して下限電圧が対応付けられているマップである。 下限電圧設定処理のフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、車両に搭載される燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化ガス系回路２０と、燃料ガス系回路４０と、冷却系回路６０と、負荷７１と、制御部８０と、電流センサ１１と、電圧センサ１２と、温度センサ１４と、マフラー５２と、を備える。燃料電池１０は、固体高分子型であり、電解質膜がアノードとして機能する電極触媒層と、カソードとして機能する電極触媒層とに挟まれた構造を有している。燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化ガスを用い、電気化学反応によって発電する。本実施形態では、燃料電池１０は燃料ガスとして水素が用いられ、酸化ガスとして空気中の酸素が用いられる。燃料電池１０により発電された電力は、負荷７１に供給され、消費される。燃料電池１０と負荷７１との間には、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１１と、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１２と、が設けられている。制御部８０は、記憶装置８１を有し、酸化ガス系回路２０と、燃料ガス系回路４０と、冷却系回路６０と、を制御する。電流センサ１１、電圧センサ１２、および温度センサ１４が検出した検出値は、制御部８０へ送信される。

酸化ガス系回路２０は、燃料電池１０のカソードに対して空気を供給するための回路である。酸化ガス系回路２０は、酸化ガス供給管２１と、エアクリーナ２２と、エアコンプレッサ２３と、バイパス管２４と、酸化オフガス排出管２５と、酸化ガス供給バルブ２６と、バイパスバルブ２７と、カソードオフガス排気バルブ２８と、を有する。酸化ガス供給管２１はエアクリーナ２２と、燃料電池１０のカソード、すなわち酸化ガス導入口（図示せず）と、を接続する。酸化オフガス排出管２５は燃料電池１０の酸化オフガス排出口（図示せず）と、大気とを連通する。酸化オフガス排出管２５にはマフラー５２が配置されている。エアコンプレッサ２３は、エアクリーナ２２により塵埃が除去された空気を圧縮し、酸化ガス供給管２１を介して圧縮した空気を燃料電池１０に供給する。酸化ガス供給バルブ２６は酸化ガス供給管２１に配置されており、酸化ガス供給管２１の流路を開閉することにより燃料電池１０への空気の供給を遮断または許容する。カソードオフガス排気バルブ２８は酸化オフガス排出管２５に配置されており、燃料電池１０の酸化オフガス排出口から排出されたカソードオフガスの排出量を制御し、燃料電池１０の背圧を調整する。バイパス管２４は、酸化ガス供給管２１と酸化オフガス排出管２５とを接続する。バイパスバルブ２７は、バイパス管２４に配置されており、エアコンプレッサ２３およびカソードオフガス排気バルブ２８と協働して、燃料電池１０を流れる空気の流量を調整する。

燃料ガス系回路４０は、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガスを供給するための回路である。燃料ガス系回路４０は、燃料ガス供給管４１と、燃料ガス源である燃料ガスタンク４２と、主止弁４３と、調圧弁４４と、燃料ガス供給インジェクタ４５と、燃料排ガス管４６と、気液分離器４７と、排気排水弁４８と、還流管４９と、還流ポンプ５０と、を備える。燃料ガス供給管４１は、燃料ガスタンク４２と、燃料電池１０のアノード、すなわち燃料ガス導入口（図示せず）と、を接続する。燃料ガスタンク４２は高圧水素ガスを貯留する。燃料ガス供給管４１には、燃料ガスタンク４２から燃料電池１０に向かって、主止弁４３、調圧弁４４、燃料ガス供給インジェクタ４５が順に配置されている。主止弁４３は、燃料ガス供給管４１の流路を開閉することにより燃料ガスタンク４２からの水素ガスの供給を遮断または許容する。調圧弁４４は、高圧水素ガスの圧力を予め定められた水素圧力まで低下させる。燃料ガス供給インジェクタ４５は、燃料電池１０に対する水素ガスの供給量を調整するために備えられている。燃料排ガス管４６は、燃料電池１０の燃料オフガス排出口（図示せず）と、酸化オフガス排出管２５と、を接続する。燃料排ガス管４６には、燃料電池１０からマフラー５２に向かって、順に気液分離器４７と、排気排水弁４８とが、配置されている。還流管４９は、気液分離器４７と、燃料ガス供給インジェクタ４５下流側の燃料ガス供給管４１と、を接続する。燃料電池１０の燃料オフガス排出口から排出される燃料オフガスは、気液分離器４７により気体成分と液体成分とに分離される。排気排水弁４８は、燃料排ガス管４６を連通・非連通に切り替える。気液分離器４７により分離された燃料排ガスの気体成分は、還流ポンプ５０により燃料ガス供給管４１へ還流される。これにより、燃料オフガスに含まれる未反応の水素が再利用される。燃料オフガス中の水素ガス以外のガス成分の濃度が高くなると、排気排水弁４８が開弁されて、液体成分と燃料オフガスとが排出される。燃料排ガス管４６を流れる燃料オフガスと、酸化オフガス排出管２５を流れるカソードオフガスとは、混合され、マフラー５２を介して排気される。

冷却系回路６０は燃料電池１０を冷却するための回路である。冷却系回路６０は、冷媒供給管６１と、ラジエータ６４と、冷媒ポンプ６５と、を備える。冷媒供給管６１を流れる冷媒は、ラジエータ６４により冷却され、冷媒ポンプ６５により燃料電池１０内を循環する。本実施形態では、冷媒は水である。温度センサ１４は、冷媒供給管６１に設けられており、燃料電池１０から排出される冷媒の温度を検出する。燃料電池１０から排出される冷媒の温度と、燃料電池１０の温度とは、ほぼ等しいため、温度センサ１４が検出する温度を燃料電池１０の温度とすることができる。なお、温度センサ１４を燃料電池１０に設け、燃料電池１０の温度を検出する構成としてもよい。

通常運転においては、制御部８０は、燃料消費の観点から適切な運転効率となるように、燃料電池１０の動作点を決定して燃料電池１０を動作させる。通常運転においては、目標の出力電力を発電するのに必要な理論空気量よりも多くの空気が供給されて発電が行われる。一方、暖機運転、すなわち、低効率運転においては、燃料電池１０の動作点の内、基準となる基準動作点よりも効率が低い低効率動作点にて運転される。暖機運転においては、運転効率を低下させるために、目標の出力電力を発電するのに必要な理論空気量よりも空気の供給が減らされて発電が行われる。低効率動作点において燃料電池１０を稼働させることにより、過電圧が増大し、自己発熱により燃料電池１０が暖機される。

暖機運転においては、空気の供給量が減らされるため、カソードに移動した水素イオンが電子を受け取りポンピング水素が発生する。空気の供給量が減らされ、燃料電池１０の出力電圧が下がるほど、ポンピング水素の発生量は多くなる。そこで、動作点を、予め定められた下限電圧を下回らない低効率動作点に設定することによって、ポンピング水素の発生量を所定量以下に抑えることが可能となる。発明者らは、現在動作点が同じであっても、現在動作点に至るまでの発電履歴によりポンピング水素の発生量は異なることを見出した。より具体的には、始動時温度が低いほど、暖機に求められる熱量は大きくなり、指令電圧は下げられ、すなわち、空気の供給量が減らされ、ポンピング水素が発生し易くなる。一度ポンピング水素が発生すると、カソードとして機能する電極触媒層の触媒表面が水素リッチ状態となり、触媒表面への酸素供給が阻害され、発電反応が阻害される。触媒表面が水素リッチ状態で、空気の供給量が抑えられたまま燃料電池が動作されると、すなわち、動作点が高効率側に変更されずに燃料電池１０から電流が掃引されると、水素リッチ状態は解消されず、ポンピング水素の発生が継続される。暖機運転は、燃料電池温度が予め定められた所定温度に上昇するまで継続されるため、暖機運転が終了するまでポンピング水素が継続して発生する。発明者らは、始動時温度が低いほど、すなわち、暖機運転期間が長いほどポンピング水素が発生し易く、ポンピング水素の発生量が増大しやすいことに着目した。発電履歴には、始動時から現在までの、燃料電池１０の動作点履歴および温度履歴などが含まれる。そこで、始動時温度毎に現在温度と動作点とを対応付けるマップを用意することにより、発電履歴に含まれる始動時温度を加味して下限電圧を設定することによって、ポンピング水素の発生量を考慮した動作点を設定することができる。本実施形態では、低効率動作点を決定するために用いられる下限電圧の設定に、燃料電池１０の現在温度および指令電流に加え、始動時温度が用いられる。

図２は、始動時温度−３０℃における、指令電流と下限電圧との関係を示すグラフである。下限電圧とは、ポンピング水素の発生量を所定量以下とすることができる指令電圧の下限値である。特性線Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌａ３は、それぞれ現在温度が−３０℃、−２０℃、−１０℃における特性線である。示される特性線よりも指令電圧が高い低効率動作点にて運転されれば、ポンピング水素の発生量は所定量以下に抑えられる。例えば、現在温度が−２０℃（特性線Ｌａ２）において、指令電流を電流Ｉａとする場合、電圧Ｖａ以上の指令電圧である低効率動作点とされることで、ポンピング水素の発生量は所定量以下に抑えられる。

図３は、所定の指令電流における、始動時温度と下限電圧との関係を示すグラフである。特性線Ｌｂ１，Ｌｂ２，Ｌｂ３は、それぞれ現在水温が−３０℃、−２０℃、−１０℃における特性線である。始動時温度が低いほど、ポンピング水素が発生する可能性が高く、ポンピング水素の発生が継続している可能性が高い。このため、特性線Ｌｂ１〜Ｌｂ３は、始動時温度が低いほど、下限電圧は高い特性線とされている。図５に示す下限電圧設定処理においては、図３に示す、始動時温度が低いほど、下限電圧は高い特性線を用いて低効率動作点が設定されることにより、ポンピング水素の発生量は所定量以下に抑えられる。

図２および図３に例示した特性線をテーブル化したマップを図４に示す。図４に示すマップは、燃料電池１０の始動時温度毎に燃料電池１０の現在温度および指令電流に対して下限電圧Ｖｓが対応付けられている。マップの左上に記載されている数値は始動時温度を示しており、指令電流と現在温度とに対して下限電圧Ｖｓが定められている。指令電流は、Ｉ１からＩ６の順に大きく、現在温度は、Ｔ１からＴ６の順に大きい。図５に示す下限電圧設定処理において、制御部８０は、図４に示すマップを用いて下限電圧を設定する。図４に示すマップは記憶装置８１に記憶されている。なお、下限電圧Ｖｓは図４に示すマップによってではなく、数式によって規定されてもよい。

制御部８０が実行する下限電圧設定処理について図５を参照して説明する。制御部８０は、起動後、温度センサ１４の検出値を始動時温度Ｔｉとして記憶装置８１に記憶する。制御部８０は、例えば始動時温度Ｔｉに基づき、暖機運転が必要か否かを判断し、暖機が必要であると判断すると、暖機運転フラグをオンに切り替え、暖機運転を開始する。また、暖機運転を終了する場合は、暖機運転フラグをオフに切り替える。制御部８０は、暖機運転時には、例えば要求発電量に基づき指令電流Ｉｍを決定し、指令電流Ｉｍに基づき低効率動作点となる指令電圧Ｖｍを決定する。制御部８０は、低効率動作点において燃料電池１０を動作させる。制御部８０は、起動後、下限電圧設定処理を繰り返し実行する。

制御部８０は、下限電圧設定処理を開始すると、燃料電池１０が暖機運転中であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。燃料電池１０は、暖機運転フラグを参照し、暖機運転フラグがオフの場合には、燃料電池１０は暖機運転中でないと判断し（ステップＳ１０：ＮＯ）、本処理ルーチンを終了する。制御部８０は、暖機運転フラグがオンの場合には（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、始動時温度Ｔｉと、現在温度Ｔｍと、指令電流Ｉｍとを取得する（ステップＳ２０）。制御部８０は、取得した始動時温度Ｔｉと、現在温度Ｔｍと、指令電流Ｉｍとに基づき、図４に示すマップを用いて、下限電圧Ｖｓを取得する（ステップＳ３０）。例えば、始動時温度Ｔｉが−３０℃、指令電流Ｉｍが電流Ｉ３、現在温度Ｔｍが温度Ｔ３であれば、下限電圧Ｖｓは電圧Ｖ３３（図４参照）である。

制御部８０は、指令電圧Ｖｍが下限電圧Ｖｓより小さいか否かを判断する（ステップＳ４０）。制御部８０は、指令電圧Ｖｍが下限電圧Ｖｓより小さくない、すなわち、下限電圧Ｖｓ以上であると判断すると（ステップＳ４０：ＮＯ）、動作点を変更する必要がないため、本処理ルーチンを終了する。制御部８０は、指令電圧Ｖｍが下限電圧Ｖｓより小さいと判断すると（ステップＳ４０：ＹＥＳ）、下限電圧をマップにより取得した下限電圧Ｖｓに決定する（ステップＳ５０）。制御部８０は、決定した下限電圧を下回らないように、指令電流Ｉｍにおける新たな指令電圧Ｖｍ、すなわち燃料電池１０の新たな低効率動作点を決定し（ステップＳ６０）、本処理ルーチンを終了する。本処理ルーチン終了後、制御部８０は決定した低効率動作点において燃料電池１０を動作させる。例えば、空気の供給量を増やすことにより、決定した下限電圧を下回らない低効率動作点における動作を実現することができる。これにより、ポンピング水素の発生低減の精度を向上させることができる。

以上、本実施形態に係る燃料電池システム１００よれば、制御部８０は、始動時温度Ｔｉが低いほど高い下限電圧Ｖｓが対応付けられたマップを用いて下限電圧を決定する。ポンピング水素の発生量は発電履歴に影響され、発電履歴は既述のように始動時温度Ｔｉと相関関係を有している。始動時温度Ｔｉが低いほど、ポンピング水素が発生し易く、ポンピング水素が発生している状態で動作点が高効率側に変更されずに燃料電池１０から電流が掃引されると、ポンピング水素の発生は継続される。発電履歴を始動時温度Ｔｉにより推定し、始動時温度Ｔｉが低いほど高い下限電圧に設定する。これにより、発電履歴に含まれる始動時温度Ｔｉを加味して下限電圧を設定することができる、すなわち、より効率が高い動作点を低効率動作点とすることができる。制御部８０は、決定した下限電圧を下回らないように燃料電池１０の低効率動作点を決定し、決定した低効率動作点において燃料電池１０を動作させる。例えば、空気の供給量を増やすことにより、決定した下限電圧を下回らない低効率動作点における動作は実現される。カソードとして機能する電極触媒層の触媒表面における水素リッチ状態は解消され、ポンピング水素の発生が抑制される。発電履歴が加味されるため、ポンピング水素の発生低減の精度を向上させることができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、下限電圧設定処理において、始動時温度Ｔｉと、現在温度Ｔｍと、指令電流Ｉｍと、に対して下限電圧Ｖｓが定められたマップに基づいて、下限電圧が決定される。これに対して、基準となる始動時温度において、現在温度Ｔｍと、指令電流Ｉｍと、に対して基準となる下限電圧が定められたマップを記憶装置８１に記憶する構成とし、検出された始動時温度Ｔｉに応じて、基準となる下限電圧を補正する構成としても良い。これにより、記憶装置８１に記憶されるデータ量を削減することができる。補正する構成としては、例えば、基準となる始動時温度と始動時温度Ｔｉとの差に応じて、基準となる下限電圧に対して、予め定められた値だけオフセットする構成がある。あるいは、基準となる始動時温度と始動時温度Ｔｉとの差に応じて、基準となる下限電圧に対して、予め定められた係数を乗じて下限電圧を決定する構成がある。

本開示は、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 １１…電流センサ １２…電圧センサ １４…温度センサ ２０…酸化ガス系回路 ２１…酸化ガス供給管 ２２…エアクリーナ ２３…エアコンプレッサ ２４…バイパス管 ２５…酸化オフガス排出管 ２６…酸化ガス供給バルブ ２７…バイパスバルブ ２８…カソードオフガス排気バルブ ４０…燃料ガス系回路 ４１…燃料ガス供給管 ４２…燃料ガスタンク ４３…主止弁 ４４…調圧弁 ４５…燃料ガス供給インジェクタ ４６…燃料排ガス管 ４７…気液分離器 ４８…排気排水弁 ４９…還流管 ５０…還流ポンプ ５２…マフラー ６０…冷却系回路 ６１…冷媒供給管 ６４…ラジエータ ６５…冷媒ポンプ ７１…負荷 ８０…制御部 ８１…記憶装置 １００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の始動時温度毎に前記燃料電池の現在温度および指令電流に対して下限電圧が対応付けられているマップであって、始動時温度が低いほど高い下限電圧が対応付けられているマップを記憶する記憶装置と、
   始動時温度、現在温度および指令電流を取得して、前記マップを用いて下限電圧を決定し、決定した前記下限電圧を下回らないように前記燃料電池の動作点を決定し、決定した動作点において前記燃料電池を動作させる制御部と、を備える燃料電池システム。

Images