JP2024063878A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の熱を効率的に利用し燃料電池を暖機可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と二次電池とを有する車両の燃料電池システムであって、前記燃料電池を冷却する冷媒が流れる第１冷却通路と、前記二次電池を冷却する冷媒が流れる第２冷却通路と、前記第１冷却通路と、前記第２冷却通路と、を接続する接続通路と、前記接続通路を開閉する開閉弁と、前記開閉弁を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池に凍結が発生しているか否か判断し、前記凍結が発生していると判断した場合、前記開閉弁を開き、前記第２冷却通路から前記第１冷却通路に冷媒を供給する。【選択図】 図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

従来から車両に搭載される燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムは、燃料電池システムが効率的に稼働できるように燃料電池の温度を管理する必要がある。特許文献１の燃料電池システムでは、冷媒が通過する循環路上に燃料電池を配置し、冷媒の温度を管理することによって、燃料電池の温度を管理している。

また、このような燃料電池システムは、例えば燃料電池の温度が低下した場合、燃料電池を温めるヒータや燃料電池の暖機運転によって、燃料電池を加熱している。特許文献１の燃料電池システムでは、二次電池に冷媒が流れるバイパス通路を設け、このバイパス通路に冷媒を流すことによって、二次電池の温度を利用し燃料電池の温度が低下することを抑制している。これによって、燃料電池の暖機運転の機会やヒータの稼働を抑制している。

特開２０１９－７９６５８号公報

しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、バイパス通路に流れる冷媒は、バイパス弁が開いたときにのみ循環する。このため、例えば氷点下などの低温時は、バイパス通路に残存する冷媒が冷やされ、二次電池の熱を効率的に利用できない。この結果、燃料電池内の水が凍結した場合などは、暖機運転やヒータの稼働が必要となる恐れがある。

本開示の課題は、二次電池の熱を効率的に利用し燃料電池を暖機可能な燃料電池システムを提供することである。

本開示に係る燃料電池システムは、燃料電池と二次電池とを有する車両の燃料電池システムであって、前記燃料電池を冷却する冷媒が流れる第１冷却通路と、前記二次電池を冷却する冷媒が流れる第２冷却通路と、前記第１冷却通路と、前記第２冷却通路と、を接続する接続通路と、前記接続通路を開閉する開閉弁と、前記開閉弁を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池に凍結が発生しているか否か判断し、前記凍結が発生していると判断した場合、前記開閉弁を開き、前記第２冷却通路から前記第１冷却通路に冷媒を供給する。

この構成によれば、燃料電池が凍結している場合、開閉弁が開き二次電池を冷却する第２冷却通路に流れる冷媒が、燃料電池を冷却する第１冷却通路に流れる。これによって、二次電池の熱を効率的に利用し、燃料電池内の凍結した水を解氷できる。

本開示によれば、二次電池の熱を効率的に利用し燃料電池を暖機可能な燃料電池システムを提供できる。

本開示の一実施形態による燃料電池システムのシステム図。 本開示の一実施形態による制御部が実行する制御手順を示すフローチャート。

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池（図１のＦＣ）２と二次電池（図１のＢ）４とを有する車両Cの燃料電池システム１である。燃料電池システム１は、燃料電池２を冷却する冷媒が流れる第１冷却通路１０と、駆動用電池（二次電池の一例）４を冷却する冷媒が流れる第２冷却通路１２と、第１冷却通路１０と、第２冷却通路１２と、を接続する接続通路１４と、接続通路１４を開閉する開閉弁１６と、開閉弁１６を制御する制御装置（制御部の一例）１８と、を備える。燃料電池システム１は、このほか、酸化ガス（本実施形態では空気）を加圧する電動コンプレッサ２０、燃料ガス（本実施形態では水素）を貯蔵するタンク２２、および燃料電池２を加熱するヒータ２４などを備えてもよい。開閉弁１６、電動コンプレッサ２０、タンク２２、およびヒータ２４は、それぞれ制御装置１８と電気的に接続される。

本実施形態の燃料電池システム１は、例えば、外部充電又は外部給電が可能なレンジエクステンダー型プラグイン燃料電池自動車（ＰＦＣＶ）等の車両Ｃに搭載される。車両Ｃの車輪６を駆動するモータジェネレータ（図１のＭＧ）８は、インバータ（図示せず）を介して、燃料電池２および駆動用電池４に電気的に接続される。燃料電池システム１は、主として駆動用電池４の充電が必要な際に起動され、燃料電池２で発電した電力をＤＣ－ＤＣコンバータ（図示せず）で電圧を変換したのち駆動用電池４に供給する。また、駆動用電池４からのモータジェネレータ８への出力が不足する場合は、一時的に燃料電池２からモータジェネレータ８への電力の供給を行う。

燃料電池２は、燃料ガスと酸化ガスとが供給され発電する装置である。本実施形態では、燃料電池２は、水素（燃料ガス）と酸素（酸化ガス）とを結合させて、水および電気エネルギを生成（発電）する水素燃料電池である。燃料電池２は、一般的な水素燃料電池であればよく、詳細な説明は省略する。燃料電池２は、燃料電池の温度を取得可能な温度センサ２ａを有する。温度センサ２ａは、制御装置１８と電気的に接続される。燃料電池２は、制御装置１８が電動コンプレッサ２０による空気の供給量、およびタンク２２からの水素の供給量を制御することによって、発電量が制御される。

駆動用電池４は、燃料電池２によって発電した電力を蓄電するとともに、蓄電した電力をモータジェネレータ８に供給可能な装置である。本実施形態では、駆動用電池４は、リチウムイオン電池等の二次電池で構成され、複数の電池セルをまとめて構成された図示しない電池モジュールを有する。駆動用電池４は、電池モジュールの温度（電池温度の一例）を取得可能な温度センサを含み、電池モジュールの電圧などから充電率（State Of Charge、以下、ＳＯＣ）を算出可能な電池制御部４ａを有する。駆動用電池４は、電池制御部を介して制御装置１８と電気的に接続される。

第１冷却通路１０は、第１ポンプ１０ａと、第１ラジエタ１０ｂと、を有する。第１冷却通路１０は、内部に冷媒が通り、冷媒が燃料電池２の内部と、第１ラジエタ１０ｂとの間を循環することによって、燃料電池２を冷却する。本実施形態では、第１ポンプ１０ａは、冷媒を圧送する電動ポンプである。第１ポンプ１０ａは、制御装置１８と接続され制御装置１８によって作動が制御される。第１ラジエタ１０ｂは、第１ファン１０ｃと、熱交換部（図示せず）と、を含む熱交換器である。第１ラジエタ１０ｂは、冷媒と空気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却する。第１ファン１０ｃは、熱交換する際に風量を増加させることによって、冷媒の冷却を促進する。本実施形態では、冷媒は、燃料電池２を出て第１ラジエタ１０ｂに入る。第１ラジエタ１０ｂを出た冷媒は、第１ポンプ１０ａに圧送され、再び燃料電池２に入る。すなわち、本実施形態では、冷媒は図１において時計回りに流れる。したがって、図１における燃料電池２の左側が出口側の第１冷却通路１０であり、右側が入口側の第１冷却通路１０である。

第２冷却通路１２は、第２ポンプ１２ａと、第２ラジエタ１２ｂと、を有する。第２冷却通路１２は、内部に冷媒が通り、冷媒が駆動用電池４の内部と、第２ラジエタ１２ｂとの間を循環することによって、駆動用電池４を冷却する。本実施形態では、第２ポンプ１２ａは、冷媒を圧送する電動ポンプである。第２ポンプ１２ａは、制御装置１８と接続され制御装置１８によって作動が制御される。第２ラジエタ１２ｂは、第２ファン１２ｃと、熱交換部（図示せず）と、を含む熱交換器である。第２ラジエタ１２ｂは、冷媒と空気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却する。第２ファン１２ｃは、熱交換する際に風量を増加させることによって、冷媒の冷却を促進する。本実施形態では、冷媒は、駆動用電池４を出て第２ラジエタ１２ｂに入る。第２ラジエタ１２ｂを出た冷媒は、第２ポンプ１２ａに圧送され、再び駆動用電池４に入る。すなわち、本実施形態では、冷媒は図１において時計回りに流れる。したがって、図１における駆動用電池４の左側が出口側の第２冷却通路１２であり、右側が入口側の第２冷却通路１２である。

接続通路１４は、第１冷却通路１０と、第２冷却通路１２と、を接続することによって、燃料電池２を冷却する冷媒と、駆動用電池４を冷却する冷媒と、が合流することを可能にする通路である。このように、燃料電池２を冷却する冷媒と、駆動用電池４を冷却する冷媒とが合流することによって、２つの冷媒の間で熱交換が可能となる。本実施形態では、接続通路１４は、第１冷却通路１０および第２冷却通路１２の出口側どうしを接続する出口側接続通路１４ａと、第１冷却通路１０および第２冷却通路１２の入口側どうしを接続する入口側接続通路１４ｂと、を有する。

開閉弁１６は、接続通路１４を開閉することによって第１冷却通路１０を流れる冷媒と、第２冷却通路１２を流れる冷媒の往来を制御する弁である。本実施形態では、開閉弁１６は、出口側接続通路１４ａおよび入口側接続通路１４ｂのそれぞれに一つずつ設けられる。２つの開閉弁１６は、それぞれが制御装置１８によって制御される。制御装置１８が出口側接続通路１４ａの開閉弁１６を開いた状態にすると、出口側接続通路１４ａを介して第２冷却通路１２から第１冷却通路１０に冷媒が供給される。一方、制御装置１８が入口側接続通路１４ｂの開閉弁１６を開いた状態にすると、入口側接続通路１４ｂを介して第１冷却通路１０から第２冷却通路１２に冷媒が供給される。制御装置１８は、このように開閉弁１６を開くことによって、第２冷却通路１２を流れる冷媒を第１冷却通路１０を流れる冷媒に合流させる。

制御装置１８は、各センサおよび各種装置からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムを含むソフトウェアに基づいて、燃料電池システム１が、所望の運転状態となるように制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒоｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置１８は、実際には、演算装置と、メモリと、入出力バッファ等とを含むマイクロコンピュータによって構成される。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

次に図２を用いて制御装置１８が実行する制御手順について説明する。なお、制御装置１８は、図示しないイグニッションスイッチがオンされると制御手順を開始する。

ステップＳ１では、制御装置１８は、氷点下か否か判断する。本実施形態では、制御装置１８は、氷点下か否かを制御装置１８に含まれる外気温度センサから取得した外気の温度が摂氏０度以下か否かによって判断する。しかし、氷点下か否かの判断は、燃料電池２から発生する水が凍結し得る状態か否かによって判断すればよく、例えば摂氏０度よりも高い温度であっても、凍結し得る状態であれば制御装置１８が氷点下以下と判断してもよい。制御装置１８は、氷点下以下と判断した場合（ステップＳ１ ＹＥＳ）、ステップＳ２に処理を進める。

ステップＳ２では、制御装置１８は、凍結判定処理を実行する。本実施形態では、制御装置１８は、凍結判定処理において、燃料電池２の排気圧を取得する。制御装置１８は、凍結判定処理を実行するとステップＳ３に処理を進める。ステップＳ３において、制御装置１８は、凍結が発生しているか否か判断する。本実施形態では、制御装置１８は、排気圧が高い場合、凍結していると判断する。制御装置１８は、凍結判定処理において凍結が発生していることが判断できればよく、この他の方法によっても凍結していると判断してもよい。制御装置１８は、凍結していると判断した場合（ステップＳ３ ＹＥＳ）、ステップＳ４に処理を進める。

ステップＳ４において制御装置１８は、駆動用電池４の充電率ＳＯＣを取得し、充電率ＳＯＣが所定充電率（所定値の一例）ＳＯＣｔより大きいか否か判断する。所定充電率ＳＯＣｔは、駆動用電池４の充電が必要な充電率である。車両Ｃは、所定充電率ＳＯＣｔより大きい充電率ＳＯＣでは、駆動用電池４からの電力のみによって走行可能である。したがって、所定充電率ＳＯＣｔは、例えば車両Ｃの走行状態によって変化する値である。制御装置１８は、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔより大きいと判断した場合（ステップＳ４ ＹＥＳ）、ステップＳ５に処理を進める。

ステップＳ５において、制御装置１８は、駆動用電池４の温度である電池温度ＢＴを取得し、電池温度ＢＴが所定電池温度ＢＴｔ以上か否か判断する。所定電池温度ＢＴｔは、燃料電池２の凍結を解除できる程度に電池温度ＢＴが高いか否かによって決まる値である。所定電池温度ＢＴｔは、例えば摂氏０度より高い温度であればよい。このような電池温度であれば駆動用電池４を冷却する冷媒が摂氏０度より高い値である可能性が高い。このような冷媒温度であれば、燃料電池２の凍結した水を解氷できる。制御装置１８は、電池温度ＢＴが所定電池温度ＢＴｔよりも高い場合、ステップＳ６に処理を進める。

ステップＳ６において、制御装置１８は、駆動用電池４からの電力のみによって走行する駆動用電池走行を実行しながら、出口側および入口側の開閉弁１６を開く。これによって、第２冷却通路１２を流れる冷媒が第１冷却通路１０を流れる冷媒に合流する。このとき、第２冷却通路１２を流れる冷媒は、第１冷却通路１０を流れる冷媒よりも温度が高い。これによって、第１冷却通路１０を流れる冷媒の温度が上昇し、燃料電池２に摂氏０度よりも高い温度の冷媒が流れる。この結果、燃料電池２内に発生した氷を解氷できる。制御装置１８は、開閉弁１６を開くと、ステップＳ７に処理を進める。

ステップＳ７では、制御装置１８は、再び駆動用電池４の充電率ＳＯＣを取得し、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔより大きいか否か判断する。制御装置１８は、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔより大きいと判断した場合（ステップＳ７ ＹＥＳ）、ステップＳ８に処理を進め、駆動用電池走行を継続する。

ステップＳ１において、制御装置１８は、氷点下以下でないと判断した場合（ステップＳ１ ＮＯ）、ステップＳ９に処理を進め、燃料電池２を通常起動する。ここで通常起動とは、例えばヒータ２４による燃料電池２を加熱する昇温制御、および、電動コンプレッサ２０を高回転させて空気の供給量を増やすとともに水素の供給量を増やし燃料電池２の反応量を増やして燃料電池２を加熱する昇温制御を実行せずに、燃料電池２を起動することである。

ステップＳ３において、制御装置１８は、凍結が発生していないと判断した場合（ステップＳ３ ＮＯ）、ステップＳ９に処理を進め燃料電池２を通常起動する。制御装置１８は、燃料電池２を起動したのち、ステップＳ１に処理を進める。

ステップＳ４において、制御装置１８は、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣ以下であると判断した場合（ステップＳ４ ＮＯ）、ステップＳ１０に処理を進め、燃料電池２の昇温制御を実行したのち燃料電池２を起動する。このように、駆動用電池４の充電が必要な場合、すぐに燃料電池２に発電させることが好ましい。このような場合、制御装置１８は、電力を消費する昇温制御を実行し、燃料電池２の解氷を進める。制御装置１８は、燃料電池２を起動したのち、ステップＳ１に処理を進める。

ステップＳ５において、制御装置１８は、駆動用電池４の電池温度ＢＴが所定電池温度ＢＴｔ未満であると判断した場合（ステップＳ５ ＮＯ）、ステップＳ１０に処理を進め、開閉弁１６を閉じた状態のまま燃料電池２の昇温制御を実行し、そののち燃料電池２を起動する。駆動用電池４の温度が、例えば摂氏０度以下の場合、駆動用電池４を流れる冷媒によって燃料電池２を温めることができない。このため、このような電池温度ＢＴの場合、昇温制御を実行する方がよい。

ステップＳ７において、制御装置１８は、開閉弁１６を開いている状態で充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔ以下であると判断した場合（ステップＳ７ ＮＯ）、ステップＳ１１に処理を進める。ステップＳ１１において、制御装置１８は、再び凍結判定処理を実行し、ステップＳ１２に処理を進める。ステップＳ１２において、制御装置１８は、凍結が発生しているか否か判断する。制御装置１８は、凍結していると判断した場合（ステップＳ１２ ＹＥＳ）、ステップＳ１３に処理を進め、昇温制御を実行する。制御装置１８は、昇温制御を実行するとステップＳ１１に処理を進め、凍結が解消するまで昇温制御を継続する。

一方、制御装置１８は、ステップＳ１２において凍結が解消していると判断した場合（ステップＳ１２ ＮＯ）、ステップＳ１４に処理を進め、燃料電池２を通常起動する。制御装置１８は、燃料電池２を通常起動するとステップＳ１５に処理を進める。ステップＳ１５において、制御装置１８は、燃料電池２の温度である燃料電池温度ＦＣＴを取得し、燃料電池温度ＦＣＴが電池温度ＢＴ以上か否か判断する。制御装置１８は、燃料電池温度ＦＣＴが電池温度ＢＴ以上と判断した場合（ステップＳ１５ ＹＥＳ）、ステップＳ１６に処理を進め、開閉弁１６を閉じ、ステップＳ１に処理を進める。このように、燃料電池温度ＦＣＴが電池温度ＢＴ以上となった場合、第１冷却通路１０を流れる冷媒の方が第２冷却通路１２を流れる冷媒よりも高温となる。このような状態において、開閉弁１６を開き続けると駆動用電池４を加熱することとなり、駆動用電池４の出力や劣化に悪影響がでる。したがって、燃料電池温度ＦＣＴが電池温度ＢＴ以上となった場合、開閉弁１６を閉じる方がよい。

制御装置１８は、ステップＳ１５において燃料電池温度ＦＣＴが電池温度ＢＴ未満と判断した場合（ステップＳ１５ ＮＯ）、ステップＳ１４に処理を進め、開閉弁１６を開いた状態で燃料電池２の通常起動を継続する。燃料電池２は、摂氏６０度から摂氏８０度程度の温度領域であると、効率的に運転できる。このため、燃料電池温度ＦＣＴが電池温度ＢＴ未満の場合は、駆動用電池４の熱を燃料電池２に供給する方が、より早く上記の温度に達成する。

上記のとおり昇温制御は、電動コンプレッサ２０およびヒータ２４によって電力を消費するため、極力抑制する方が好ましい。本実施形態による燃料電池システム１は、このような燃料電池２が氷点下にさらされた場合、駆動用電池４の温度を効率的に利用して燃料電池２内で凍結した水を解氷する。これによって、昇温制御による電力消費を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１のような主として燃料電池２を駆動用電池４の充電のために用いるシステムにおいては、燃料電池２が停止する機会が多い。このような燃料電池システム１は、氷点下においては燃料電池２が凍結する頻度も高くなりやすい。しかし、このような凍結を解消するためだけに昇温制御を用いて燃料電池２を加熱した場合、電力消費および燃料消費の悪化を招くおそれがある。

本実施形態による燃料電池システム１によれば、車両Ｃの走行中は、駆動用電池４が常時電力の入出力を繰り返し加熱されている。このため、駆動用電池４を冷却する第２冷却通路１２の冷媒は加熱されやすい。また、第２冷却通路１２と第１冷却通路１０は、開閉弁１６が閉じた状態では完全に分離された状態である。このため、第２冷却通路１２を流れる冷媒は、燃料電池２によって熱が奪われるおそれもない。本実施形態の燃料電池システム１では、このような加熱されやすい第２冷却通路１２の冷媒を、第１冷却通路１０を流れる冷媒に合流させる。この結果、燃料電池２を効率的に暖機でき、燃料電池２の凍結した水を解氷しやすい。

以上説明した通り、本開示によれば、二次電池の熱を効率的に利用し燃料電池を暖機可能な燃料電池システムを提供できる。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

上記実施形態では、駆動用電池４の電池制御部４ａに設けた温度センサによって電池温度ＢＴを取得しているが、本開示はこれに限定されない。例えば、第２冷却通路１２中に温度センサを設け、第２冷却通路１２を流れる冷媒の温度を取得し、電池温度ＢＴとしてもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池２に設けた温度センサ２ａによって燃料電池温度ＦＣＴを取得しているが、本開示はこれに限定されない。例えば、第１冷却通路１０中に温度センサを設け、第１冷却通路１０を流れる冷媒の温度を取得し、燃料電池温度ＦＣＴとしてもよい。

１ ：燃料電池システム
２ ：燃料電池
４ ：駆動用電池
１０ ：第１冷却通路
1２ ：第２冷却通路
１４ ：接続通路
１６ ：開閉弁
１８ ：制御装置
ＢＴ ：電池温度
ＢＴｔ ：所定電池温度
C ：車両
ＦＣＴ ：燃料電池温度
ＳＯＣ ：充電率
ＳＯＣｔ ：所定充電率

Claims (5)

1. 燃料電池と二次電池とを有する車両の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池を冷却する冷媒が流れる第１冷却通路と、
   前記二次電池を冷却する冷媒が流れる第２冷却通路と、
   前記第１冷却通路と、前記第２冷却通路と、を接続する接続通路と、
   前記接続通路を開閉する開閉弁と、
   前記開閉弁を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池に凍結が発生しているか否か判断し、前記凍結が発生していると判断した場合、前記開閉弁を開き、前記第２冷却通路から前記第１冷却通路に冷媒を供給する、
   燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記二次電池の電池温度を取得し、
   前記電池温度が所定温度以上の場合、前記開閉弁を開く、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記燃料電池の温度を取得し、
   前記温度が、前記電池温度以上の場合、前記開閉弁を閉じる、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記燃料電池を昇温する昇温制御を有し、
   前記二次電池の充電率を取得し、前記充電率が所定値以下の場合、前記開閉弁を閉じた状態にし、前記昇温制御を実行する
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記二次電池の充電率を取得し、
   前記充電率が所定値以下の場合、前記燃料電池を起動する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。