JP5282397B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

現在の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。かかる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。

近年においては、ラジエータをバイパスするバイパス流路と、このバイパス流路への分流比を調整するための分流調整弁と、を備え、燃料電池の出入口における冷媒温度や燃料電池の発電電力に応じて分流調整弁の開度や冷媒循環ポンプの回転数を制御する冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−６３７４３号公報

ところで、燃料電池内を循環する冷媒は、燃料電池内で発生するイオンや配管材料の溶出等に起因して若干の導電率を有する。そして、冷媒中のイオン分子は温度に比例して動作が活発になるため、冷媒の温度上昇に伴って冷媒の導電率も上昇することが知られている。このような冷媒の導電率が高すぎると、燃料電池内で短絡が発生したり発電電力が減少したりする場合があるため、冷媒の温度を所定温度以下に維持して所定の導電率要求を満たす（導電率を所定の閾値以下に抑制する）必要がある。

一方、冷媒の温度を低下させるために冷媒循環ポンプを高回転で作動させると、振動や騒音が発生する。このような振動や騒音が所定レベルを超えると、燃料電池車両の静粛性に影響を与える場合があるため、冷媒循環ポンプの回転数を制限する必要が生じている。

前記した特許文献１に記載されたような従来の技術においては、冷媒の導電率や冷媒循環ポンプの高回転による騒音・振動を考慮していないため、たとえ燃料電池の温度要求を満たしたとしても、導電率の上昇に起因する種々の不都合が生じたり燃料電池の静粛性が低下したりするおそれがあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の温度要求を満たすとともに他の制御要求（導電率要求やＮＶ要求）をも満たすことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、冷媒を流通させる冷媒流路を有し燃料電池に冷媒を循環させることにより燃料電池を冷却する冷却装置と、冷媒流路内の冷媒を燃料電池に循環させるための冷媒循環ポンプと、燃料電池の発熱量と冷媒循環ポンプの回転数との相関関係を表すマップに基づいて冷媒循環ポンプの回転数を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、ＮＶ要求、セル電圧要求及び導電率要求の少なくとも一つに基づいて冷媒循環ポンプの回転数の上限値及び／又は下限値を設定するものである。

かかる構成を採用すると、燃料電池の発熱量に関連するマップに基づいて、冷媒循環ポンプの回転数を制御することができるので、燃料電池の温度要求を満たすことができる。また、燃料電池の温度要求とは別の制御要求（ＮＶ要求、セル電圧要求、導電率要求）に基づいて冷媒循環ポンプの回転数の上限値及び／又は下限値を設定するため、このような制御要求を満たすことも可能となる。

ここで、「ＮＶ要求」とは、冷媒循環ポンプが発する騒音（Noise）や振動（Vibration）を所定レベル以下にするための冷媒循環ポンプの目標回転数を意味し、冷媒循環ポンプや燃料電池システムの仕様・規模等に応じて設定される。また、「セル電圧要求」とは、燃料電池を構成する各単電池（セル）の電圧を略均一にするための冷媒の目標温度を意味し、セルの面積・厚さ・枚数等に応じて設定される。また、「導電率要求」とは、冷媒の導電率を所定の閾値以下にするための冷媒の目標温度を意味し、冷媒の種類や総流量等に応じて設定される。

前記燃料電池システムにおいて、冷媒流路内の冷媒を冷却するためのラジエータと、ラジエータをバイパスするためのバイパス流路と、バイパス流路への分流比を調整するための分流調整弁と、を備えることができる。かかる場合に、燃料電池の発熱量と燃料電池の出入口冷媒温度差との相関関係を表す（第一の）温度差マップに基づいて分流制御バルブの開度を制御する制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、燃料電池の発熱量に関連する温度差マップに基づいて分流制御バルブの開度を制御することができる。従って、冷媒循環ポンプのみでは冷媒温度を調整しきれない運転領域（例えば高負荷運転領域）においても、燃料電池の温度要求を満たすことが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、冷媒循環ポンプの回転数と燃料電池の出入口冷媒温度差との相関関係を表す（第二の）温度差マップに基づいて分流制御バルブの開度を制御する制御手段を採用してもよい。

かかる構成を採用すると、冷媒循環ポンプの回転数に関連する温度差マップに基づいて分流制御バルブの開度を制御することができる。従って、種々の制御要求（ＮＶ要求、セル電圧要求、導電率要求）に基づいて冷媒循環ポンプの回転数が制限された場合においても、燃料電池の温度要求を満たすことが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記温度差マップに基づいて燃料電池の出入口冷媒温度差を算出するとともに、燃料電池の所定の目標出口冷媒温度から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を算出し、この算出した目標入口冷媒温度を実現させるように分流制御バルブの開度を制御する制御手段を採用することもできる。

かかる構成を採用すると、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目標入口冷媒温度を算出し、この目標入口冷媒温度を実現させるように分流制御バルブの開度を制御することができる。すなわち、特定のマップを用いた分流制御バルブのフィードフォワード制御を実現させることができるので、冷媒温度を実際に検出してフィードバック制御を行う必要がなくなる。この結果、制御をより簡素化することが可能となるとともに、冷媒温度検出用のセンサを省いて費用を節減することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の温度要求を満たすとともに他の制御要求（導電率要求やＮＶ要求）をも満たすことができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷却水を供給して燃料電池２を冷却する冷却水循環系５と、システム全体を統合制御する制御部６と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。燃料極側のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、空気極側のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、レギュレータ２７や開閉弁２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。

水素供給流路２２は、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、下流側（燃料電池２側）に供給されるガスの状態（流量、圧力、モル濃度等）を調整する電磁式の開閉弁２８と、を備えている。

循環流路２３は、燃料電池２から気液分離器２９を介して水素ポンプ２４に接続され、さらに、水素ポンプ２４から水素供給流路２２の合流点Ａ１まで接続されている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環流路２３内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。循環流路２３の気液分離器２９には、排気排水弁３０が設けられ、排気排水弁３０には排気排水流路２５が接続されている。排気排水弁３０は、制御部６からの指令によって作動することにより、気液分離器２９で回収した水分と、循環流路２３内の窒素を含む水素オフガスと、を排出（パージ）する。

冷却水循環系５は、本発明における冷却装置の一実施形態であり、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路としての冷却水流路４１と、冷却水流路４１内の冷却水を燃料電池２に循環させるための冷媒循環ポンプとしての冷却水ポンプ４２と、冷却水流路４１内の冷却水を冷却するためのラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするためのバイパス流路４４と、バイパス流路４４への分流比を調整するための分流調整弁４５と、を有している。

制御部６は、車両に設けられた各種負荷装置の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却水ポンプ４２の各モータや各種弁等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御部６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の処理や制御を行う。

具体的には、制御部６は、図２に示すように、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２の発熱量を算出する（発熱量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池２の発電電流値と発熱量との関係を表す発熱量マップを用いて、燃料電池２の発熱量を算出している。

また、制御部６は、燃料電池２の発熱量に基づいて、燃料電池２の出口における冷却水温度と入口における冷却水温度との差（出入口冷却水（冷媒）温度差）を算出する（発熱量対応温度差算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池２の発熱量と出入口冷却水温度差との相関関係を表す第一の温度差マップを用いて、出入口冷却水温度差を算出している。

また、制御部６は、出入口冷却水温度差に基づいて、冷却水ポンプ４２により燃料電池２へと供給される冷却水の目標流量を算出し（流量算出機能：Ｂ３）、この目標流量に基づいて、冷却水ポンプ４２の目標回転数を算出する（回転数算出機能：Ｂ４）。本実施形態においては、出入口冷却水温度差と冷却水流量との相関関係を表す流量マップを用いて目標流量を算出するとともに、冷却水流量と冷却水ポンプ回転数との関係を表す回転数マップを用いて目標回転数を算出している。

また、制御部６は、ＮＶ要求、セル電圧要求及び導電率要求の少なくとも一つに基づいて、冷却水ポンプ４２の目標回転数の上限値及び下限値を設定する（上限値下限値設定機能：Ｂ５）。例えば、制御部６は、冷却水ポンプ４２からの騒音・振動が所定レベル以下となりかつ冷却水の導電率が所定の閾値以下になるように、冷却水ポンプ４２及び燃料電池システム１の仕様・規模や冷却水の総流量等に応じて、冷却水ポンプ４２の目標回転数の上限値を設定する。また、例えば、制御部６は、燃料電池２を構成する各セルの電圧が略均一になるように、セルの面積・厚さ・枚数等に応じて、冷却水ポンプ４２の目標回転数の下限値を設定する。

そして、制御部６は、冷却水ポンプ４２の目標回転数（上限値・下限値設定済）に対応する制御信号を送出して、冷却水ポンプ４２の回転数を制御する（回転数制御機能：Ｂ６）。すなわち、制御部６は、燃料電池２の発熱量と冷却水ポンプ４２の回転数との相関関係を表すマップ群（発熱量マップ、第１の温度差マップ、流量マップ、回転数マップ）や他の制御要求（ＮＶ要求、セル電圧要求、導電率要求）に基づいて、冷却水ポンプ４２の回転数を制御するものであり、本発明における制御手段として機能する。

また、制御部６は、第一の温度差マップに基づいて算出した出入口冷却水温度差に基づいて、燃料電池２の入口における冷却水の目標温度（目標入口冷却水（冷媒）温度）を算出する（目標温度算出機能：Ｂ７）。この際、制御部６は、予め設定した燃料電池２の出口における冷却水の目標温度（目標出口冷却水（冷媒）温度）から、出入口冷却水温度差を減じることにより、目標入口冷却水温度を算出している。そして、制御部６は、目標入口冷却水温度を実現させるような分流制御バルブ４５の開度に係る制御信号を送出して、分流制御バルブ４５の開度を制御する（開度制御機能：Ｂ８）。

ところで、冷却水ポンプ４２の目標回転数における上限値・下限値の設定により、第一の温度差マップに基づいて算出した出入口冷却水温度差を用いて分流制御バルブ４５の開度制御を行うと、燃料電池２の温度要求が満たされなくなる場合がある。

このような事態を未然に防ぐために、制御部６は、冷却水ポンプ４２の目標回転数（上限値・下限値設定済）に基づいて、代替的な出入口冷却水（冷媒）温度差を算出する（回転数対応温度差算出機能：Ｂ９）。本実施形態においては、冷却水ポンプ４２の回転数と出入口冷却水温度差との相関関係を表す第二の温度差マップを用いて、出入口冷却水温度差を算出している。そして、制御部６は、分流制御バルブ４５の開度制御に用いられる出入口冷却水温度差を、第一の温度差マップに基づいて算出した値から第二の温度差マップに基づいて算出した値に定期的に切り替える（温度差切替機能：Ｂ１０）。このように出入口冷却水温度差を定期的に切り替えることにより、種々の制御要求（ＮＶ要求、セル電圧要求、導電率要求）に基づいて冷却水ポンプ４２の回転数が制限された場合においても、燃料電池２の温度要求を満たすことが可能となる。

次に、図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１のポンプ回転数制御及びバルブ開度制御について説明する。

まず、制御部６は、電流センサ２ａを用いて燃料電池２の発電電流値を検出し（電流値検出工程：Ｓ１）、検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２の発熱量を算出する（発熱量算出工程：Ｓ２）。次いで、制御部６は、発熱量算出工程Ｓ２で算出した発熱量及び第一の温度差マップに基づいて、発熱量に対応する出入口冷却水温度差を算出する（発熱量対応温度差算出工程：Ｓ３）。

次いで、制御部６は、発熱量対応温度差算出工程Ｓ３で算出した出入口冷却水温度差に基づいて、冷却水ポンプ４２により燃料電池２へと供給される冷却水の目標流量を算出し（目標流量算出工程：Ｓ４）、この目標流量に基づいて、冷却水ポンプ４２の目標回転数を算出する（目標回転数算出工程：Ｓ５）。次いで、制御部６は、ＮＶ要求、セル電圧要求及び導電率要求の少なくとも一つに基づいて、冷却水ポンプ４２の目標回転数の上限値及び下限値を設定する（上限値下限値設定工程：Ｓ６）。そして、制御部６は、冷却水ポンプ４２の目標回転数（上限値・下限値設定済）に対応する制御信号を送出して、冷却水ポンプ４２の回転数を制御する（回転数制御工程：Ｓ７）。

また、制御部６は、冷却水ポンプ４２の目標回転数（上限値・下限値設定済）に基づいて、代替的な出入口冷却水温度差を算出する（回転数対応温度差算出工程：Ｓ８）。そして、制御部６は、発熱量対応温度差算出工程Ｓ３又は回転数対応温度差算出工程Ｓ８で算出した出入口冷却水温度差に基づいて、目標入口冷却水温度を算出し（目標温度算出工程：Ｓ９）、この算出した目標入口冷却水温度を実現させるような分流制御バルブ４５の開度に係る制御信号を送出して、分流制御バルブ４５の開度を制御する（開度制御工程：Ｓ１０）。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の発熱量に関連するマップに基づいて、冷却水ポンプ４２の回転数を制御することができるので、燃料電池２の温度要求を満たすことができる。また、燃料電池２の温度要求とは別の制御要求（ＮＶ要求、セル電圧要求、導電率要求）に基づいて冷却水ポンプ４２の回転数の上限値及び下限値を設定するため、このような制御要求を満たすことも可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の発熱量に関連する第一の温度差マップに基づいて分流制御バルブ４５の開度を制御することができる。従って、冷却水ポンプ４２のみでは冷却水温度を調整しきれない運転領域（例えば高負荷運転領域）においても、燃料電池２の温度要求を満たすことが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、冷却水ポンプ４２の回転数に関連する第二の温度差マップに基づいて分流制御バルブ４５の開度を制御することができる。従って、種々の制御要求（ＮＶ要求、セル電圧要求、導電率要求）に基づいて冷却水ポンプ４２の回転数が制限された場合においても、燃料電池２の温度要求を満たすことが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の発熱量や冷却水ポンプ４２の回転数に関連する温度差マップを用いて燃料電池２の目標入口冷却水温度を算出し、この目標入口冷却水温度を実現させるように分流制御バルブ４５の開度を制御することができる。すなわち、特定のマップを用いた分流制御バルブ４５のフィードフォワード制御を実現させることができるので、冷却水温度を実際に検出してフィードバック制御を行う必要がなくなる。この結果、制御をより簡素化することが可能となるとともに、冷却水温度検出用のセンサを省いて費用を節減することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、制御要求（ＮＶ要求、セル電圧要求、導電率要求）に基づいて冷却水ポンプ４２の回転数の上限値及び下限値の双方を設定した例を示したが、回転数の上限値のみ又は下限値のみを設定することもできる。また、他の制御要求（例えば、保温要求、燃費要求、暖機要求等）に基づいて、冷却水ポンプ４２の回転数の上限値及び／又は下限値を設定してもよい。

また、以上の実施形態においては、燃料電池２の発熱量に対応する出入口冷却水温度差を、冷却水ポンプ４２の回転数に対応する出入口冷却水温度差に「定期的」に切り替えながら目標入口冷却水温度を算出して分流制御バルブ４５の開度を制御した例を示したが、出入口冷却水温度差の切替えのタイミングや条件はこれに限られるものではない。例えば、通常は燃料電池２の発熱量に対応する出入口冷却水温度差を採用し、所定の条件（例えば燃料電池２の温度条件）が満たされなくなった場合にのみ、冷却水ポンプ４２の回転数に対応する出入口冷却水温度差に切り替えることもできる。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの制御部の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 図１に示した燃料電池システムのポンプ回転数制御及びバルブ開度制御を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、４…燃料ガス配管系、５…冷却水循環系（冷却装置）、６…制御部（制御手段）、４１…冷却水流路（冷媒流路）、４２…冷却水ポンプ（冷媒循環ポンプ）、４３…ラジエータ、４４…バイパス流路、４５…分流制御バルブ。

Claims (3)

1. 燃料電池と、冷媒を流通させる冷媒流路を有し前記燃料電池に冷媒を循環させることにより前記燃料電池を冷却する冷却装置と、前記冷媒流路内の冷媒を前記燃料電池に循環させるための冷媒循環ポンプと、前記冷媒流路内の冷媒を冷却するためのラジエータと、前記ラジエータをバイパスするためのバイパス流路と、前記バイパス流路への分流比を調整するための分流制御バルブと、前記燃料電池の発熱量と前記冷媒循環ポンプの回転数との相関関係を表すマップに基づいて前記冷媒循環ポンプの回転数を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、冷媒循環ポンプが発する騒音や振動を所定レベル以下にするための前記冷媒循環ポンプの目標回転数であるＮＶ要求、又は、前記冷媒の導電率を所定の閾値以下にするための前記冷媒の目標温度である導電率要求に基づいて、前記冷媒循環ポンプの回転数の上限値及び／又は下限値を設定するものであるとともに、前記燃料電池の発熱量と前記燃料電池の出入口冷媒温度差との相関関係を表す第一の温度差マップに基づいて前記分流制御バルブの開度を制御するものである、
   燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、更に、前記冷媒循環ポンプの回転数と前記燃料電池の出入口冷媒温度差との相関関係を表す第二の温度差マップに基づいて前記分流制御バルブの開度を制御するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記温度差マップに基づいて前記燃料電池の出入口冷媒温度差を算出するとともに、前記燃料電池の所定の目標出口冷媒温度から前記出入口冷媒温度差を減算することにより前記燃料電池の目標入口冷媒温度を算出し、この算出した目標入口冷媒温度を実現させるように前記分流制御バルブの開度を制御するものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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