JP5768980B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を冷却するための冷媒配管系を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池の冷却水制御装置として、冷却水ポンプと、ラジエータと、イオン交換樹脂フィルタと、冷却水流路切替手段とを備えたものが知られている。この冷却水流路切替手段は、燃料電池の起動時に、冷却水をラジエータを迂回して循環させ、冷却水温度が所定温度より高くなったとき、ラジエータを経由するように循環させるものである。

また、例えば特許文献１には、燃料電池の起動時に冷却水の温度が所定温度まで達するのに要する暖機終了時間を推定し、燃料電池の起動時に冷却水中のイオンが捕捉されることにより冷却水の導電率が所定の導電率まで低下するのに要する導電率低下時間を推定し、導電率低下時間が暖機終了時間より長いときに、導電率低下時間が暖機終了時間以下となるように燃料電池の発電量を抑制する技術が開示されている。

特開２００７−２９９５７４号公報

ところで、冷却水にはラジエータその他の部品からイオンが溶出することがあり、燃料電池の運転停止後、所定時間放置された状態、すなわち、冷却水ポンプの運転停止後、所定時間放置された状態では、例えばラジエータ等のイオン溶出箇所における冷却水の導電率が、それ以外の箇所における冷却水の導電率よりも極端に高くなる場合がある。

かかる場合においても、燃料電池の周辺、例えば燃料電池と冷却水系に設けられたアースまでの間の絶縁抵抗を一定値以上に確保しておく必要から、少なくとも燃料電池の発電中は、当該部分の冷却水の導電率を一定値以下にしておく必要がある。
そこで、燃料電池の始動時には、始動に先立って冷却水を予め循環させることにより、局所的に高くなっている冷却水の導電率を所定値以下に下げておき、その後に燃料電池を起動（つまり、酸化ガス及び燃料ガスの供給を開始）することが望まれる。

しかしながら、冷却水を循環させると冷媒配管内で冷却水が混合される（掻き回される）ため、そのような状態下で冷却水の導電率をより高精度に測定するためには、導電率が安定するまで待つ必要が生じる。つまり、冷却水の導電率が安定する前に、導電率が所定値以下になるまでの時間を正確に検出することは難しい。
また、冷却水の導電率を測定するための導電率計が別途必要であり、それがコストアップの要因になっていた。

そこで、本発明は、導電率計を用いずとも冷却水の導電率をより迅速かつより高精度に推定できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池の始動時に、冷媒配管系内の冷却水の導電率が所定の上限導電率よりも高い場合には、前記冷媒配管系に設けられた冷却ポンプを起動して冷却水を循環させることで前記冷却水の導電率を前記上限導電率以下にしてから、前記燃料電池を始動することを要旨とするものである。

より具体的には、燃料電池と、冷却ポンプとラジエータとイオン交換器とを有して前記燃料電池に冷却水を循環供給する冷媒配管系と、を備え、前記冷媒配管系が前記冷却水をその温度に応じてラジエータを迂回又は経由するように循環させることが可能な燃料電池システムであって、前記冷却水の導電率を推定する第１の推定手段と、前記第１の推定手段によって推定された導電率が所定の上限導電率よりも高い場合に、前記冷却ポンプを起動してから前記推定された導電率が前記上限導電率以下になるまでの時間を推定する第２の推定手段と、を備え、前記燃料電池の始動時に前記冷却水の導電率が前記上限導電率よりも高い場合には、前記冷却ポンプを起動してから前記第２の推定手段によって推定された時間を経過した後に前記燃料電池を始動する制御を実施するものである。

この構成によれば、冷却水の導電率が所定値以下に収束する時間を高精度に予測することが可能になり、応答性良く燃料電池を始動することができる。また、冷却水の導電率推定に導電率計を用いる必要がないので、コスト削減にも資する。

前記制御の実施要否は、当該制御を実施した積算回数に応じて判断されるようにしてもよい。

前記冷却ポンプを起動してから前記第２の推定手段によって推定された時間を経過した後に前記燃料電池を始動するという制御を実施した積算回数が所定値よりも大である場合には、冷却水の導電率が十分に低下していることになるので、当該制御の実施は不要となる。

よって、この構成によれば、不要な制御の実施を未然に回避することが可能になり、応答性をより一層高めることができる。

前記制御の実施要否は、前記第１の推定手段によって推定された前記ラジエータ内の導電率に応じて判断されるようにしてもよい。

ラジエータ内における冷却水の導電率（この段落では、以下、「第１の導電率」という。）は、それ以外の箇所における冷却水の導電率（この段落では、以下、「第２の導電率」という。）よりも著しく高い場合があり、かかる場合において、第１の導電率が前記上限導電率以下であるときには、冷却水の導電率が十分に低下していることになるので、前記冷却ポンプを起動してから前記第２の推定手段によって推定された時間を経過した後に前記燃料電池を始動するという制御の実施は不要となる。

よって、この構成によれば、不要な制御の実施を未然に回避することが可能になり、応答性をより一層高めることができる。

本発明によれば、冷却水の導電率が所定値以下に収束する時間を高精度に予測することが可能になり、応答性良く燃料電池を始動することができる。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成例を示す図である。 冷却水循環停止から所定時間放置後のラジエータ内とそれ以外の部分の冷却水の導電率の相違を説明する図である。 冷却水循環後にラジエータ内とそれ以外の部分の冷却水の導電率が平均化されたことを説明する図である。 冷却水循環停止から規定時間Ｔthが経過してもラジエータ内の冷却水の導電率が所定の閾値σth以下となるように、冷却水へのイオン溶出量が調整されていることを説明する図である。 本発明の一実施形態を示すフローチャートである。 図５のステップＳ２を補足説明する図である。 冷却水循環停止からの経過時間とラジエータ内の導電率との関係を示す図である。 冷却ポンプを所定の回転数で運転させている場合の冷却水温度と冷却水流量との関係を示す図である。 冷却水がイオン交換器を通過した積算流量と冷却水導電率との関係を示す図である。 冷却ポンプ起動後の経過時間と冷却水導電率との関係を示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載されることが予定された燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

図１に本実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１０に供給し、燃料電池１０から酸化オフガスを排出する酸化ガス配管系（図示略）と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１０に供給し、燃料電池１０から燃料オフガスを排出する燃料ガス配管系（図示略）と、燃料電池１０に冷媒としての冷却水を供給して燃料電池１０を冷却する冷媒配管系２０と、システムの電力を充放電する電力系（図示略）と、システム全体を統括制御する制御装置３０と、を備えている。

燃料電池１０は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）を積層したスタック構造となっている。各セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極およ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。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方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１０は電力を発生する。

酸化ガス配管系は、燃料電池１０に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス供給路と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスが流れる酸化オフガス排出路と、を有している。酸化ガス供給路には、フィルタを介して酸化ガスを取り込むコンプレッサと、コンプレッサにより圧送される酸化ガスを加湿する加湿器と、が設けられている。酸化ガス排出路を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁を通って加湿器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。コンプレッサは、モータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系は、水素供給源と、水素供給源から燃料電池１０に供給される水素ガスが流れる水素ガス供給路と、燃料電池１０から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素ガス供給路の合流点に戻すための循環路と、循環路内の水素オフガスを水素ガス供給路に圧送するポンプと、循環路に分岐接続された排出路と、を有している。

水素供給源は、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。水素供給源の元弁を開くと、水素ガス供給路に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１０に供給される。

水素ガスの循環系は、水素ガス供給路との合流点の下流側流路と、燃料電池１０のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプは、モータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１０に循環供給する。

水素ガス排出路には、遮断弁であるパージ弁が設けられている。パージ弁が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に水素希釈器に排出される。パージ弁の開弁により、循環路内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系２０は、燃料電池１０内の冷却流路に連通する冷媒循環流路２１と、冷媒循環流路２１に設けられた冷却ポンプ２２と、燃料電池１０から排出される冷媒を冷却するラジエータ２３と、ラジエータ２３をバイパスするバイパス流路２４と、ラジエータ２３及びバイパス流路２４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）２５と、バイパス流路２４に設けられたイオン交換器２６と、燃料電池１０の冷却水出口寄りに設けられた温度センサＴ１と、ラジエータ２３と三方弁２５との間に設けられた温度センサＴ２と、を有している。冷却ポンプ２２は、モータの駆動により、冷媒循環流路２１内の冷媒を燃料電池１０に循環供給する。

制御装置３０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行し、例えば冷媒配管系における冷却ポンプ２２や三方弁２５の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置３０は、ガス系統や冷媒配管系２０に用いられる各種の圧力センサや温度センサ（例えば、冷媒配管系２０における温度センサＴ１，Ｔ２）、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。また、制御装置３０は、本発明に係る第１の推定手段及び第２の推定手段としての機能も兼ね備えている。

続いて、燃料電池システム１の始動時に行なわれる制御やその動作等について説明する。
本実施形態の燃料電池システム１においては、燃料電池１０の始動時に冷媒配管系２０内の冷却水の導電率が所定の閾値よりも高い場合には、冷却ポンプ２２を起動させることにより、冷却水の導電率を所定の閾値以下に下げ、その後に燃料電池１０を始動（燃料電池１０への酸化ガス及び水素ガスの供給を開始）することにより、燃料電池１０とアースとの間の絶縁抵抗の悪化を抑止する。

なお、本制御を実施する前提として、本実施形態の燃料電池システム１では、最初の運転開始時までに、冷却水循環後の冷却水の初期導電率σ0が所定の上限導電率σUL以下となるように、冷却水中のイオン溶出量が予め調整されているものとする。

例えば、ラジエータ２３がフラックスを使用したものである場合、燃料電池システム１の運転停止後（放置後）は、図２に示すように、ラジエータ２３内における冷却水の初期導電率σ0が上限導電率σULを上回り、ラジエータ２３以外の部分における冷却水の初期導電率σ1が上限導電率σULを下回る場合がある。

冷却水循環後（冷却水混合後）は、ラジエータ２３内とそれ以外の部分に存在する冷却水が混合されるので、この混合後の導電率σが、図３に示す上限導電率σUL以下となるように、イオン溶出量が調整される。つまり、本実施形態では、図４に示すように、冷却水循環停止から規定時間Ｔthが経過しても、ラジエータ２３内の冷却水の導電率が所定の閾値σth以下となるように、冷却水へのイオン溶出量が調整されている。

なお、上限導電率σULは、燃料電池１０から冷媒循環流路２１上の第１のアースまでの配管の長さ及び径をそれぞれＬ1及びＡ（図１参照）、燃料電池１０から冷媒循環流路２１上の第２のアースまでの配管の長さ及び径をＬ2及びＡ（図１参照）としたときに、法定の絶縁抵抗目標値を用いて、式１によって算出される。

以下、フローチャート等を用いて具体的な制御例について説明する（図２〜図１０参照）。
まず、図５に示すフローチャートのステップＳ１では、本制御を実施した回数、すなわち、本制御の積算回数が、制御装置３０内のメモリから読み出される。続くステップＳ２では、ステップＳ１で読み込んだ積算制御回数が所定値ｎよりも大であるか否かが判定される。

そして、その判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち、本制御の積算回数が所定値ｎよりも大である場合には、後述するように、冷却ポンプ２２の運転を停止させてからの経過時間Ｔが所定の規定時間Ｔthを経過しても、ラジエータ２３内の冷却水の導電率σが上限導電率σULに到達することがないので、以降のステップが全てスキップされ、本制御は終了する。これにより、燃料電池１０の始動性向上が図られる。

ここで、所定値ｎについて、図６を参照しながら説明する。図６は、冷却ポンプ２２の運転停止後の経過時間Ｔと、ラジエータ２３内における冷却水の導電率σとの関係を示すものであり、実験やシミュレーションの結果等から事前に測定しておいたものである。

図６（ａ）は、本制御を１回も実施していないとき、つまり、本制御の積算回数がゼロのとき、図６（ｂ）は、本制御を１回実施したとき、つまり、本制御の積算回数が１回のときの経過時間Ｔと導電率σとの関係の一例を示している。これらの図は、本制御の積算回数がゼロ又は１回のように少ない場合には、経過時間Ｔが所定の規定時間Ｔthに到達する前に、ラジエータ２３内の冷却水の導電率σが上限導電率σULに到達してしまうことを示している。

これに対し、図６（ｃ）は、冷却ポンプ２２の運転停止後の経過時間Ｔが規定時間Ｔthを経過しても、ラジエータ２３内の冷却水の導電率σが上限導電率σULに到達しない場合であり、かかる場合に対応する最小の制御積算回数が所定値ｎに該当する。つまり、本制御の積算回数が所定値ｎよりも大である場合には、イオン溶出量の最も多いラジエータ２３内の冷却水の導電率σですら上限導電率σULを下回るので、燃料電池１０の始動時における本制御の実施は不要ということになる。

一方、ステップＳ２の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち、本制御の積算回数が所定値ｎ以下である場合には、冷却水の循環が必要な場合である。そこで、続くステップＳ３において、冷却ポンプ２２の連続停止時間が検出され、更にステップＳ４において、ステップＳ３で検出された冷却ポンプ２２の連続停止時間と、図７に示すマップとから、ラジエータ２３内の冷却水の導電率σが算出される。なお、図７のマップは、例えば実験やシミュレーションの結果に基づき作成されるものであり、冷却ポンプ２２の連続停止時間と、ラジエータ２３内の冷却水の導電率σとの関係を示している。

続くステップＳ５では、ステップＳ４で算出されたラジエータ２３内の冷却水の導電率σが上限導電率σULよりも大であるか否かが判定される。そして、その判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち、ラジエータ２３内の冷却水の導電率σが上限導電率σUL以下である場合には、冷却水を循環させずに燃料電池１０を始動しても良い状態であるから、以降のステップを全てスキップし、本制御を終了する。これにより、燃料電池１０の始動性向上が図られる。

これに対し、ステップＳ５の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち、ラジエータ２３内の冷却水の導電率σが上限導電率σULよりも大である場合には、冷却水の循環が必要な場合である。そこで、続くステップＳ６において、冷却水温度αが検出される。なお、冷却水温度αは、温度センサＴ１の検出温度、温度センサＴ２の検出温度、あるいは温度センサＴ１，Ｔ２の各検出温度の平均値のいずれかが用いられる。

続くステップＳ７では、図８のマップを参照することにより、ステップＳ６で検出された冷却水温度α下において冷却ポンプ２２を所定の回転数（以下、「所定のＷ／Ｐ回転数」と称する場合がある。）で運転させて冷却水を循環させた時の冷却水流量が算出される。図８は、冷却水を所定のＷ／Ｐ回転数で循環させた場合の冷却水温度と冷却水流量との関係を示している。

冷却水はその温度によって粘度が変化するため、冷却ポンプ２２を同じ回転数で運転させていても、当該冷却水の温度によって流量も変化する。そこで、本実施形態では、この図８に示すようなマップを参照することにより、より正確な冷却水流量を求めることが可能になっている。

続くステップＳ８では、前回運転時（前回運転終了時まで）にイオン交換器２６を通過した冷却水流量の積算値が算出される。制御装置３０は、三方弁２５の開度と冷却ポンプ２２の回転数とからイオン交換器２６を通過した冷却水流量を算出するためのマップと、前回運転時の三方弁２５の開度及び冷却ポンプ２２の回転数と、前々回運転時までの冷却水流量の積算値がメモリに記憶されている。

したがって、ステップＳ８においては、このマップと前回運転時の三方弁２５の開度及び冷却ポンプ２２の回転数とから算出された前回運転時の冷却水流量に、前々回運転終了時までの冷却水流量の積算値が積算されることにより、前回運転終了時までの冷却水流量の積算値が算出される。

続くステップＳ９では、ステップＳ８で算出された冷却水流量の積算値が所定値Ｖよりも大であるか否かが判定される。この所定値Ｖは、制御装置３０のメモリに記憶された例えば図９に示すようなマップ、すなわち、イオン交換器通過積算流量（横軸）と冷却水導電率（縦軸）との関係を示すマップが参照されることにより、設定される。

具体的には、冷却水循環後の冷却水の導電率がラジエータ２３以外の部分における初期導電率σ1（ただし、初期導電率σ1＜上限導電率σUL）となるような冷却水量積算値に設定される。

ステップＳ９の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち、ステップＳ８で算出された冷却水流量の積算値が所定値Ｖよりも大である場合とは、冷却水循環後の冷却水の導電率が上限導電率σUL以下になる場合であるから、続くステップＳ１０において、冷却ポンプ２２を起動してから燃料電池１０を始動させても良い状態になるまでの時間を意味するＦＣ始動可能時間βが算出される。

ＦＣ始動可能時間βは、例えば式２で定義される冷却水導電率の推定式を用いて算出される。具体的には、縦軸に冷却水導電率、横軸に冷却ポンプ起動後の経過時間をとった場合に、式２の推定式は図１０に示すような振幅が次第に小さくなる減衰曲線で表されるので、この曲線の山側のピーク値が上限導電率σULとなるまでの時間がＦＣ始動可能時間βとなる。

式２は、本実施形態のようにラジエータ２３などの一部品からのイオン溶出量が高い場合において、冷却ポンプ２２で冷却水を循環させたときの冷媒配管系２０の任意の箇所における導電率変化を推定する式であり、実験やシミュレーションの結果等から導出することが可能である。例えば、ラジエータ２３内とそれ以外の箇所（例えば、図１の配管長さＬ１，Ｌ２の範囲）における冷却水の導電率は、係数Ａを適宜の値に設定することによってそれぞれ推定することが可能である。

ステップＳ９の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち、ステップＳ８で算出された冷却水流量の積算値が所定値Ｖ以下である場合には、冷却水循環後であっても冷却水の導電率が上限導電率σUL以下にならない可能性があり、冷却水をイオン交換器２６に通す必要が生じる。そこで、ステップＳ２１において、イオン交換器２６に通すべき冷却水量（不足の冷却水量）が算出される。この冷却水量は、例えば制御装置３０のメモリに記憶されているマップ等を参照することにより算出される。

続くステップＳ２２では、三方弁２５がイオン交換器２６側へ全開となるように駆動され、ステップＳ２１で算出された不足分の冷却水がイオン交換器２６を流通する。これにより、冷却ポンプ２２を始動させて冷却水を循環させたときに、冷却水の導電率が上限導電率σUL以下になることが保証されるので、既述したステップＳ１０に進み、ＦＣ始動可能時間βが算出される。

ステップＳ１１では、三方弁２５がラジエータ２３側へ全開となるように駆動されるか、あるいは既にラジエータ２３側へ全開となっている場合にはその状態が維持されたまま、冷却ポンプ２２が所定の回転数で起動される。
そして、冷却ポンプ２２の運転がＦＣ始動可能時間βだけ持続されると（ステップＳ１２）、本制御は終了する。

本発明は、燃料電池車等の燃料電池システムに適用して好適である。

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、２２…冷却ポンプ、２３…ラジエータ、２５…三方弁、２６…イオン交換器、３０…制御装置（第１の推定手段、第２の推定手段）

Claims (3)

1. 燃料電池と、冷却ポンプとラジエータとイオン交換器とを有して前記燃料電池に冷却水を循環供給する冷媒配管系と、を備え、前記冷媒配管系が前記冷却水をその温度に応じてラジエータを迂回又は経由するように循環させることが可能な燃料電池システムであって、
   前記冷却水の導電率を推定する第１の推定手段と、
   前記冷却水の温度と前記冷却ポンプの回転数とに基づき冷却水流量を算出する冷却水流量算出手段と、
   前記イオン交換器を通過した前記冷却水流量の積算値が所定値以下である場合に、前記冷却水流量算出手段により算出される不足分の冷却水流量を前記イオン交換器に流通させる冷却水供給手段と、
   前記第１の推定手段によって推定された導電率が所定の上限導電率よりも高い場合に、前記冷却ポンプを起動してから前記推定された導電率が前記上限導電率以下になるまでの時間を推定する第２の推定手段と、を備え、
   前記燃料電池の始動時に前記冷却水の導電率が前記上限導電率よりも高い場合であって、前記イオン交換器を通過した前記冷却水流量の積算値が所定値以下である場合に、前記冷却水流量算出手段により算出される不足分の冷却水流量を前記冷却水供給手段により前記イオン交換器に流通させ、その後、前記冷却ポンプを起動してから前記第２の推定手段によって推定された時間を経過した後に前記燃料電池を始動する制御を実施する、燃料電池システム。
2. 前記制御の実施要否は、当該制御を実施した積算回数に応じて判断される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御の実施要否は、前記第１の推定手段によって推定された前記ラジエータ内の導電率に応じて判断される、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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