JP6919516B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムには、通常、その水素循環路に、水素を循環させるための水素ポンプが設けられている。そして、この水素ポンプとして、特許文献1には、水素ポンプのハウジングとハウジング内に収容されているロータとが凍結により固着することを防止するために、水素ポンプのハウジングに加熱手段が設けられている例が開示されている。
特開2017−089539号公報
ここで、燃料電池システムに用いられる水素ポンプには、循環効率の更なる向上が望まれている。そして、水素ポンプの循環効率の向上を図るためには、ロータとハウジング(以下、「シリンダ」とも呼ぶ)のクリアランス(間隔)を小さくすることが望ましい。しかしながら、本願の発明者は、このクリアランスを小さくしていくと、以下の問題が発生する可能性があることを見出した。すなわち、ロータの駆動量の増加に応じてロータの温度が上昇し、ロータとシリンダとの温度差が大きくなると、ロータとシリンダが干渉して動作不良を起こす可能性がある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態は、燃料電池システムであって、燃料電池と、シリンダと前記シリンダ内に収容されるロータとを有し、前記燃料電池に水素を循環させる水素循環ポンプと、前記シリンダを加温する加温部と、前記加温部の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記水素循環ポンプの駆動状態が、前記ロータと前記シリンダとの温度差であるポンプ温度差が、前記ロータが前記シリンダに干渉しないポンプ温度差として許容する許容温度差以上となる状態の場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なうことを特徴とする。
この形態の燃料電池システムでは、水素循環ポンプの駆動状態が、ロータとシリンダとの温度差であるポンプ温度差が、ロータがシリンダに干渉しないポンプ温度差として許容する許容温度差以上となる状態の場合に、加温部によるシリンダの加温を行なうことにより、シリンダの温度をロータの温度に近付けることができ、ロータとシリンダが干渉して動作不良を起こすことを抑制することができる。
その他、本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、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;シリンダと前記シリンダ内に収容されるロータとを有し、前記燃料電池に水素を循環させる水素循環ポンプと;前記シリンダを加温する加温部と;前記加温部の動作を制御する制御部と;を備える。前記制御部は、前記水素循環ポンプの駆動状態が基準となる駆動状態以上に高い駆動状態である場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なう。
水素循環ポンプの駆動状態が基準となる駆動状態以上に高い駆動状態である場合には、シリンダの温度に比べて、ロータの温度がロータの駆動量に応じて高くなって、ロータとシリンダとの温度差が大きくなり、ロータとシリンダが干渉して動作不良を起こす可能性がある。そこで、この形態の燃料電池システムでは、水素循環ポンプの駆動状態が基準となる駆動状態以上に高い駆動状態である場合に、加温部によるシリンダの加温を行なうことにより、シリンダの温度をロータの温度に近付けることができ、ロータとシリンダが干渉して動作不良を起こすことを抑制することができる。
(2)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素循環ポンプには、前記ロータと前記シリンダとのクリアランスが20μm以下のポンプが用いられるとしてもよい。
この形態の燃料電池システムでは、ロータとシリンダとのクリアランスが20μm以下のポンプが水素循環ポンンプとして用いられるので、ロータとシリンダが干渉して動作不良を起こすことを抑制しつつ、効率良く燃料電池に水素を循環させることができる。
(3)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記加温部は;前記燃料電池内を流通する第1の流路と、前記水素循環ポンプの前記シリンダに設けられた第2の流路と、を含む加温媒体流路と;前記加温媒体流路に加温媒体を流通させるための加温媒体供給ポンプと;を有するとしてもよい。
この形態の燃料電池システムでは、シリンダの加温媒体流路に加温媒体を流通させてシリンダを加温することにより、シリンダの温度をロータの温度に近付けることができ、ロータとシリンダが干渉して動作不良を起こすことを抑制することができる。
(4)上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに;前記駆動状態としての前記ロータの回転数を検出するための駆動量センサを備え;前記制御部は、前記駆動量センサによって検出される前記ロータの回転数が、前記基準となる駆動状態としてあらかじめ定められた回転数閾値以上となる場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なうとしてもよい。
この形態によれば、ロータの回転数が回転数閾値以上となった場合に、シリンダの加温を行なうので、ロータとシリンダとの温度差を求めずに容易にシリンダの加温を行なって、シリンダの温度をロータの温度に近付けることができ、ロータとシリンダが干渉して動作不良を起こすことを抑制することができる。
(5)上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに;前記ロータの駆動量を検出する駆動量センサと;前記シリンダの温度に対応する温度を検出する温度センサと;を備えるようにしてもよい。そして、前記制御部は;前記駆動状態としての前記ロータと前記シリンダとの温度差を;前記水素循環ポンプの始動時において前記温度センサで検出した温度から得られる前記シリンダの初期温度と、前記駆動量センサによって検出される前記ロータの回転数に従って求まる前記水素循環ポンプの始動時からの前記ロータの上昇温度と、から定まる前記ロータの温度と;前記ロータの回転数で前記水素循環ポンプが動作している状態において、前記温度センサで検出される温度から得られる前記シリンダの温度と;から求め;前記ロータと前記シリンダの温度差が、前記基準となる駆動状態としてあらかじめ定められた許容温度差以上となる場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なうとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、実際により近いロータとシリンダとの温度差を用いて、ロータとシリンダとの温度差が許容温度差以上となり得る場合に、シリンダの加温を行なうことができ、ロータとシリンダの干渉を抑制し、動作不良を起こすことを抑制することができる。
(6)上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに;前記シリンダの温度に対応する温度を検出する温度センサと;前記水素循環ポンプへのガス流入量を検出する流量センサと;前記水素循環ポンプの入力側の圧力を検出する入力側圧力センサと;前記水素循環ポンプの出力側の圧力を検出する出力側圧力センサと;前記水素循環ポンプに流入するガスの温度を検出するガス温度センサと;を備えるようにしてもよい。そして、前記制御部は;前記駆動状態としての前記ロータと前記シリンダの温度差を、前記水素循環ポンプの始動時において前記温度センサで検出された温度から得られる前記ロータの初期温度および前記シリンダの初期温度と、前記ガス流入量と、前記入力側の圧力と、前記出力側の圧力と、前記ガスの温度と、から求め;前記ロータと前記シリンダの温度差が、前記基準となる駆動状態としてあらかじめ定められた許容温度差以上となる場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なうとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによっても、実際により近いロータとシリンダとの温度差を用いて、ロータとシリンダとの温度差が許容温度差以上となり得る場合に、シリンダの加温を行なうことができ、ロータとシリンダの干渉を抑制し、動作不良を起こすことを抑制することができる。
(7)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ロータおよび前記シリンダは、同じ金属材料で形成されているとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、ロータとシリンダが同じ金属材料で形成されているため、ロータとシリンダそれぞれの熱による膨張・収縮の特性を合わせることができ、ロータとシリンダとの干渉の抑制がし易くなる。
(8)上記形態の燃料電池システムのうち、前記加温媒体流路と前記加温媒体供給ポンプとを有する燃料システムにおいて、前記制御部は、前記加温媒体供給ポンプにより供給される前記加温媒体を前記シリンダに流通させる際に、前記ロータの回転数の増加に応じて前記加温媒体供給ポンプの駆動量を増加させて前記加温媒体の流量を増加させるようにしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、加温媒体流路を流通させる加温媒体の流量をロータの回転数の増加に応じて増加させることができるので、効率良く加温媒体を供給してロータの加温を効率良く行なうことができ、効率良くロータとシリンダの干渉による動作不良の発生を抑制することができる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した移動体、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。
第1実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 アノードガスポンプの構成の一例を示す概略斜視図である。 アノードガスポンプを構成するポンプ部に含まれるロータの回転軸に直交する方向の概略断面図である。 アノードガスポンプを構成するポンプ部に含まれるロータの回転軸に沿う方向の概略断面図である。 制御部による加温部の制御によって実行される加温処理について示すフローチャートである。 アノードガスポンプのロータの回転数とロータとシリンダとの温度差Δの関係の一例を示すグラフである。 第2実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 ポンプ温度差を求めるために用いられるアノードガスポンプのロータの回転数とロータの上昇温度の関係の一例を示すグラフである。 第3実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 第4実施形態における加温媒体供給ポンプの駆動量とアノードガスポンプの駆動量との関係を示すグラフである。 第5実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 制御部による加温部の制御によって実行される加温処理について示すフローチャートである。 第6実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
A.第1実施形態:
図1は、第1実施形態における燃料電池システム10を模式的に示す説明図である。燃料電池システム10は、例えば、車両(燃料電池車両)に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム10は、燃料電池(FC)100と、カソードガス供給部200と、アノードガス供給部300と、FC冷却部400と、加温部500と、制御部600と、を備える。
燃料電池100は、発電体としての単セル(不図示)を複数積層したスタック構造を有している。本実施形態では、燃料電池100は固体高分子形燃料電池としているが、他種の燃料電池を用いてもよい。燃料電池100の電極触媒の担体として、カーボン材料が用いられている。
アノードガス供給部300は、アノードガスタンク310と、アノードガス供給管320と、アノードガス還流管330と、主止弁340と、調圧弁350と、インジェクタ360と、アノードガスポンプ370と、気液分離器380と、排気排水弁385と、排気排水管390とを備える。本実施形態では、アノードガスとして水素を用いる例を示し、アノードガスポンプ370が「水素循環ポンプ」に相当する。
アノードガスタンク310は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク310は、アノードガス供給管320を介して燃料電池100と接続されている。アノードガス供給管320には、アノードガスタンク310側から、主止弁340と、調圧弁350と、インジェクタ360とがこの順に設けられている。主止弁340は、アノードガスタンク310からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁350は、インジェクタ360へ供給するアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ360は、調圧弁350から供給されたアノードガスを、アノードガス供給管320を介して燃料電池100のアノードに向けて噴射する。
アノードガス還流管330は、燃料電池100とアノードガス供給管320とに接続され、燃料電池100から排出されたアノード排ガスをアノードガスとしてアノードガス供給管320に還流させる。アノードガス還流管330には、気液分離器380と、アノードガスポンプ370とが設けられている。気液分離器380は、燃料電池100から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも液水とともに分離される。未使用の水素ガスを含むアノード排ガスは、液水および不純物ガスが分離され、アノードガスポンプ370によって駆動され、アノードガスとしてアノードガス還流管330の部分330bを介してアノードガス供給管320に還流される。分離された液水と窒素ガスは、気液分離器380に接続された排気排水弁385と排気排水管390を通過してシステム外に放出される。アノードガスポンプ370は、駆動回路375から供給される駆動電力によって駆動される。主止弁340、調圧弁350、インジェクタ360、および、アノードガスポンプ370の駆動回路375は、制御部600によって制御される。
なお、アノードガスポンプ370の駆動量である回転数あるいは流量は、駆動回路375がアノードガスポンプ370に供給する電力から求められる。この駆動電力は、駆動回路375からアノードガスポンプ370に供給される電圧および電流、あるいは、駆動回路375に入力される電圧及び電流を、電圧/電流センサ378によって検出することによって求められる。電圧/電流センサ378が「駆動量センサ」に相当する。
カソードガス供給部200は、カソードガス供給管210と、バイパス管230と、カソードガス排出管220と、エアコンプレッサ250と、分流弁260と、調圧弁270とを備える。
カソードガス供給管210には、外気温センサ212と、エアフローメータ214と、エアコンプレッサ250と、分流弁260とが設けられている。外気温センサ212は、取り込む前のカソードガスの温度を外気温として検出(測定)する。エアフローメータ214は、取り込んだカソードガスの量を検出する。分流弁260は、バイパス管230に接続され、カソードガスを燃料電池100と、バイパス管230とに分流する。
カソードガス排出管220には、調圧弁270が設けられている。調圧弁270の下流側のカソードガス排出管220には、バイパス管230の下流部分が接続されている。調圧弁270は、燃料電池100におけるカソードガスの圧力を調整する。カソードガス排出管220の下流側には、図示は省略されているが、アノードガス供給部300の排気排水管390の下流部分が接続されている。
カソードガス供給部200は、エアコンプレッサ250によって空気(カソードガス)をシステム内に取り組み、燃料電池100に供給した後、未使用の空気(カソード排ガス)をシステム外に排出する。エアコンプレッサ250は、駆動回路255から供給される電力によって駆動される。エアコンプレッサ250の駆動回路255、分流弁260、および、調圧弁270は、制御部600によって制御される。
FC冷却部400は、冷媒供給管410と、冷媒排出管420と、ラジエータ430と、バイパス管440と、三方弁450と、冷媒ポンプ460と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、不凍液が用いられるものとする。冷媒ポンプ460は、冷媒供給管410に設けられており、駆動回路465から供給される電力によって駆動されて、ラジエータ430で冷却された冷媒を燃料電池100の冷媒流路102に供給する。冷媒流路102を流通する冷媒は、燃料電池100の排熱により温められて冷媒排出管420を介してラジエータ430へ流通する。ラジエータ430は、燃料電池システム10が収容される車両のフロントコンパートメントの前方端に配置され、前方から取り込まれる冷却空気を利用して、燃料電池100の排熱により温められた冷媒の冷却を行なう。三方弁450は、ラジエータ430とバイパス管440への冷媒の流量を調節するための弁である。冷媒排出管420には、後述する加温媒体供給管510の接続箇所424の上流側の位置に、冷媒排出管420の冷媒Lcの温度を検出するための冷媒温度センサ422が設けられている。冷媒温度センサ422で検出される冷媒温度は、制御部600に送られて、加温部500の制御に利用される。
加温部500は、加温媒体供給管510と、加温媒体還流管520と、加温媒体供給ポンプ550とを備える。加温媒体供給管510は、冷媒排出管420との接続箇所(以下、「分岐位置」とも呼ぶ)424と、アノードガスポンプ370のシリンダに設けられたシリンダ流路750の入口とに接続されている。加温媒体還流管520は、アノードガスポンプ370のシリンダ流路750の出口と、加温媒体供給管510の冷媒排出管420からの分岐位置424よりも下流側の接続箇所(以下、「合流位置」とも呼ぶ)426とに接続されている。
加温媒体供給管510には、分岐位置424とアノードガスポンプ370のシリンダ流路750との間に、加温媒体供給ポンプ550が設けられている。加温媒体供給管510および加温媒体還流管520は、FC冷却部400と同様の冷媒で満たされている。すなわち、冷媒排出管420の分岐位置424で加温媒体供給管510へ分岐した冷媒Lcが、後述するように、アノードガスポンプ370のシリンダ流路750を流通する「加温媒体Lh」として利用される。
加温部500は、分岐位置424で分岐して加温媒体供給管510へ流入する加温媒体を、加温媒体供給ポンプ550によってアノードガスポンプ370のシリンダ流路750に流通させ、加温媒体還流管520を介して冷媒排出管420との合流位置426から冷媒排出管420へ戻す。加温部500は、アノードガスポンプ370のシリンダ流路750に加温媒体を流通させることによって、シリンダ流路750が設けられたアノードガスポンプ370のシリンダ(ハウジング)を温めることができる。加温媒体供給ポンプ550は、駆動回路555から供給される電力に応じた一定の回転数で駆動され、回転数に応じた流量で加温媒体を加温媒体供給管510及び加温媒体還流管520に流通させる。加温媒体供給ポンプ550の駆動回路555は、制御部600によって制御される。
なお、上記したように、加温部500は、燃料電池100の冷媒流路102を流通する際に排熱により温められた冷媒Lcを冷媒排出管420から加温媒体供給管510へ分岐させて加温媒体Lhとして利用しているので、燃料電池100の冷媒流路102および冷媒排出管420も、加温部500を構成する要素として機能する。そして、燃料電池100の冷媒流路102が「燃料電池内を流通する第1の流路」に相当し、シリンダ流路750が「水素循環ポンプのシリンダに設けられた第2の流路」に相当する。また、冷媒流路102と冷媒排出管420と加温媒体供給管510とシリンダ流路750と加温媒体還流管520とが「加温媒体流路」に相当する。
制御部600は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPUと、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROMと、同じくCPUで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAMと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部600は、外気温センサ212や、エアフローメータ214、電圧/電流センサ378、冷媒温度センサ422の計測信号、燃料電池100に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、制御部600は、燃料電池システム10が備える主止弁340,調圧弁350,排気排水弁385,分流弁260,調圧弁270、三方弁450等の弁や、エアコンプレッサ250、アノードガスポンプ370、冷媒ポンプ460など、燃料電池100の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。また、制御部600は、アノードガスポンプ370の動作不良を抑制するために、後述するように、加温媒体供給ポンプ550の駆動制御を行なう。
なお、燃料電池システム10には、上述の構成の他、燃料電池100から出力された電圧を昇圧するコンバータや、車両の動力を発生するモータ等の負荷への電力の供給を制御するパワーコントロールユニット等を備えるが、本実施形態の説明においては必須ではないので、図示及び説明を省略する。
図2は、アノードガスポンプ370の構成の一例を示す概略斜視図である。このアノードガスポンプ370は、ルーツ式のポンプ(ルーツポンプ)であり、モータ部710と、一対のロータを有するポンプ部730と、モータ部710とポンプ部730の一対のロータとを繋ぐギア部720と、を備えている。
図3は、アノードガスポンプ370を構成するポンプ部730に含まれるロータの回転軸に直交する方向の概略断面図である。図4は、アノードガスポンプ370を構成するポンプ部730に含まれるロータの回転軸に沿う方向の概略断面図である。
図3および図4に示すように、ポンプ部730は、シリンダ740と、一対のロータ760と、を有している。シリンダ740は、一対の側壁部744,746と、これらの側壁部744,746の周辺同士を繋ぐように設けられた周壁部742と、を有している。シリンダ740は、側壁部744,746と周壁部742とで囲われた内部の空間部分がポンプ室747とされている。シリンダ740は、図3に示すように、周壁部742の対向する位置に、吸入口748と吐出口749と、を有している。吸入口748はアノードガス還流管330のうちの気液分離器380とアノードガスポンプ370とを繋ぐ部分330a(図1)に接続されており、吐出口749はアノードガス還流管330のうちのアノードガス供給管320に合流する部分330b(図1)に接続されている。
一対のロータ760は、図3および図4に示すように、シリンダ740のポンプ室747内に収容されている。ロータ760は、断面視が双葉状(瓢箪状)に形成されており、その中心に、回転軸770を有している。回転軸770は、シリンダ740の側壁部744,746に回転可能に支持されている。一対のロータ760は、互いに噛み合わされた状態でポンプ室747内に収容されている。ロータ760の回転軸770に直交する端面764,766は、シリンダ740の側壁部744,746と対向配置されている。
図2に示すように、シリンダ740の一方の側壁部744には、加温媒体を流通させるためのシリンダ流路750が設けられている。シリンダ流路750の一方端752には、加温媒体供給管510が接続され、他方端754には、加温媒体還流管520が接続されている。シリンダ740は、シリンダ流路750に加温媒体を流通させることによって加温される。なお、シリンダ流路750に加温媒体を流通させる処理については、後で詳述する。
図4に示すように、シリンダ740の他方の側壁部746の外側には、ギア部720が取り付けられている。ギア部720は、一対のギア722を有している。ギア722は、互いに噛み合わされた状態で、ポンプ部730のロータ760から延びる回転軸770に固定されている。
モータ部710は、ギア部720におけるポンプ部730とは反対側に取り付けられている。モータ部710は、駆動軸712を有している。駆動軸712は、ポンプ部730の一方のロータ760の回転軸770に連結されている。モータ部710は、駆動回路375(図1)から電力が供給されることにより駆動軸712を回転させる。
上記構造のアノードガスポンプ370は、モータ部710が駆動することで駆動軸712が回転されると、この駆動軸712に連結された回転軸770が回転される。このとき、この回転軸770に設けられた一方のギア722及び一方のロータ760が回転する。また、一方のギア722が回転されることで、他方のギア722が反対方向へ回転される。これにより、他方のギア722が固定された他方の回転軸770が一方の回転軸770と反対方向へ回転され、これに応じて、他方のロータ760が一方のロータ760とは反体方向へ回転される。この結果、ポンプ室747内における一対のロータ760の回転により、アノードガスである水素ガスが吸入口748からポンプ室747内へ吸入され、吐出口749からポンプ室747外へ吐出される。これにより、燃料電池100から排出されたアノード排ガスに含まれる水素ガスがアノードガス還流管330を移送され、アノードガスとして再度燃料電池100へ供給される。すなわち、アノードガスとしての水素ガスがアノードガスポンプ370によって燃料電池100に循環供給される。
ここで、課題で説明したように、アノードガスポンプ370に用いられるポンプとしては、循環効率の向上を目的とした場合、シリンダとロータとのクリアランスが可能な限り小さいことが好ましい。このため、アノードガスポンプ370に用いられるツールポンプでは、シリンダ740の周壁部742とロータ760の二葉状の周壁面762とのクリアランスC1(図3)の仕様値は、例えば、常温(通常、25℃)で0より大きく20μm以下に設定されていることが好ましい。同様に、シリンダ740の一方の側壁部744とロータ760の一方の端面764とのクリアランスC2(図4)、及び、シリンダ740の他方の側壁部746とロータ760の他方の端面766とのクリアランスC3の仕様値も、例えば、常温で0より大きく20μm以下に設定されていることが好ましい。
また、燃料電池システムの作動中において、アノードガスポンプ370のシリンダ740の温度は、アノードガスポンプ370の設置されている環境温度に依存した温度となる。本例では、上述したように、車両のフロントコンバートメント内の温度(環境温度)に依存した温度となる。一方、ロータ760の始動時の初期温度は、シリンダ740と同じ温度として差し支えない。これに対して、始動後のロータ760の温度は、アノードガスポンプ370の流入ガス温度は、冷媒排出管420を流れる冷媒の温度よりも低く、通常、10℃以下の温度であるため、シリンダ740の温度には影響されず、初期温度に対して、ロータ760の駆動量(回転数あるいはガス流量)、より具体的には、アノードガスポンプ370のガス流量(ガス流入量)、入出力間差圧および流入ガスの温度に応じて変化する。従って、ロータ760の回転数の増加に応じてガス流量が増加する程、ロータ760の温度とシリンダ740との温度差は大きくなりやすい。このように、シリンダ740に対してロータ760の温度が高くなった場合、シリンダ740とロータ760のそれぞれの熱による膨張・収縮量の差が大きくなっていくと、ロータ760とシリンダ740との間のクリアランスが小さくなっていく。これが進行すると、ロータ760とシリンダ740との干渉により、ロータ760の回転の動作不良を招き、最終的には回転不可なロック状態を招く可能性がある。
そこで、本実施形態においては、以下で説明するように、加温部500を制御することによる加温処理を行なって、アノードガスポンプ370のシリンダ740を加温し、ロータ760の温度にシリンダ740の温度を近付けることにより、ロータ760とシリンダ740との温度差を小さくし、ロータ760とシリンダ740とが干渉しないように制御している。
図5は、制御部600による加温部500の制御によって実行される加温処理について示すフローチャートである。この加温処理は、制御部600によって、燃料電池システム10の始動によるアノードガスポンプ370の駆動開始時(始動時)から駆動終了時までの間繰り返し実行される。
ステップS100では、冷媒排出管420の冷媒Lc(図1)の温度(冷媒温度)Tcdが外気温Taよりも高いか否かが確認される。
アノードガスポンプ370のシリンダ740の温度(以下、「シリンダ温度」とも呼ぶ)に対応する環境温度は、始動時においては外気温と等しいとして扱っても差し支えない。少なくとも、冷媒温度Tcdが外気温Ta(シリンダ温度)よりも低い場合には、加温部500を動作させて、この冷媒Lcを加温媒体Lhとしてアノードガスポンプ370のシリンダ流路750へ流通させたとしても、アノードガスポンプ370のシリンダ740を加温することはできない。そこで、冷媒温度Tcd<外気温Taの場合には(ステップS100:NO)、ステップS300bにおいて加温部500の加温媒体供給ポンプ550を駆動せず(「加温ポンプOFF」)、シリンダ740の加温を行なわない。
燃料電池システム10の始動後は、燃料電池100の排熱により温められた冷媒Lcが冷媒排出管420を流れる。冷媒Lcの温度は、燃料電池100の排熱による冷媒の温度上昇と、ラジエータ430による冷却能力との関係から、40℃〜70℃、通常、60℃程度となる。従って、始動後においては、通常、冷媒温度Tcd>外気温Taとなる。そこで、冷媒温度Tcd>外気温Taの場合には(ステップS100:YES)、ステップS200において、ロータ760とシリンダ740との温度差(「ポンプ温度差」とも呼ぶ)ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否か確認される。ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否かの確認(ステップS200)は、以下で説明するようにして行われる。
図6は、アノードガスポンプ370のロータ760の回転数Npとロータ760とシリンダ740との温度差ΔTpの関係の一例を示すグラフである。横軸は、アノードガスポンプ370の駆動量としての回転数Np[rpm]であり、回転数Npはアノードガスの流量[L/min]に対応する。縦軸は、ロータ760とシリンダ740との温度差(ポンプ温度差)ΔTp[℃]を示す。始動時(初期動作時)、すなわち、回転Np=0rpmにおいて、ロータ760とシリンダ740の温度(初期温度)は等しいものとする。また、シリンダ740の温度(シリンダ温度)は始動時の温度(初期温度)のまま一定の状態とする。この場合、縦軸のポンプ温度差ΔTpは、始動時のシリンダ740に等しいロータ760の温度からのロータ760の上昇温度に対応するものとして扱われる。なお、回転数Npにおけるポンプ温度差ΔTpは、ロータ760の回転数Npでの駆動が開始されてロータ760の温度が上昇し、回転数Npでの駆動が継続されている状態で、ロータ760の温度上昇が収束して安定な温度となった時点でのロータ760の上昇温度であり、設定された回転数Npにおける上昇温度の推定値である。
図6に示すように、加温部500によりアノードガスポンプ370のシリンダ740の加温が行われない状態(加温媒体流通無し状態)では、回転数Npの増加に応じてロータ760の温度は上昇し、ロータ760の温度上昇に応じてポンプ温度差ΔTpは大きくなる。許容温度差Tcrは、ロータ760とシリンダ740との温度差による膨張・収縮量の差によってロータ760とシリンダ740との干渉が発生しないように、ポンプ温度差ΔTpとして許容される温度差である。
ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となる否かの確認は、以下の<確認方法1>のように行なうことができる。但し、<確認方法2>のように行なってもよい。
<確認方法1>
始動時のシリンダ740とロータ760の温度は等しく、シリンダ740の温度は一定として、予め、アノードガスポンプ370の回転数Npとロータ760の上昇温度との関係を、回転数Npとポンプ温度差ΔTpの関係(図6参照)として求めておく。そして、求めた関係からポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcrである場合に対応する回転数Npを回転数閾値Ncrとして求めて、制御部600の不図示の記憶部に記憶しておく。そして、図5のステップS200では、ロータ760の回転数Npが許容温度差Tcrに対応する回転数閾値Ncr以上となり得るか否か確認することにより、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否かの確認を行なう。この場合において、ロータ760の回転数Npが「水素循環ポンプの駆動状態」に相当し、回転数閾値Ncrが「基準となる駆動状態」に相当する。
<確認方法2>
始動時のシリンダ740とロータ760の温度は等しく、シリンダ740の温度は一定として、予め、アノードガスポンプ370の回転数Npとロータ760の上昇温度との関係を、回転数Npとポンプ温度差ΔTpの関係(図6参照)として求めておき、制御部600の不図示の記憶部に記憶しておく。そして、図5のステップS200では、記憶されている回転数Npとポンプ温度差ΔTpの関係から、ロータ760の回転数Npに対応するポンプ温度差ΔTpを求め、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcrとなり得るか否かの確認を行なう。この場合において、ポンプ温度差ΔTpが「水素循環ポンプの駆動状態」に相当し、許容温度差Tcrが「基準となる駆動状態」に相当する。
確認方法1は、ロータ760の回転数Npが回転数閾値Ncr以上であるか否か確認するのみであるので、確認方法2に比べて、簡単に、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否かの確認を行なうことができる。
なお、上述の確認方法では、シリンダ740の温度が始動時の初期温度から一定であるとして、単純にロータの回転数Npに応じたロータの上昇温度をポンプ温度差ΔTpとして扱っている。これは、以下の理由による。燃料電池システムが搭載されているフロントコンパートメント内の環境温度は、始動時においては外気温と同じとして扱っても差し支えないが、始動後は外気温よりも高い温度となる。このため、シリンダ740の温度が始動時の温度のままであると仮定した場合のロータ760とシリンダ740との温度差(ポンプ温度差)が、ロータ760のいずれの駆動量においても、最も大きい値になると考えられる。そこで、ロータ760の駆動量に従って求まるアノードガスポンプ370の始動時からのロータ760の上昇温度をポンプ温度差として扱えば、最も厳しい条件の1つの下で、ポンプ温度差が許容温度差以上となる場合に、シリンダ流路750に加温媒体を流通させてシリンダ740を加温する処理を行なうことができるからである。
図5のステップS200において、ポンプ温度差ΔTp<許容温度差Tcrの場合には、ステップS300bにおいて加温部500の加温媒体供給ポンプ550を駆動せず(「加温ポンプOFF」)、アノードガスポンプ370のシリンダ740の加温を行なわない。一方、ポンプ温度差ΔTp≧許容温度差Tcrの場合には、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となることが予想されるので、ステップS300aにおいて加温部500の加温媒体供給ポンプ550を駆動し(「加温ポンプON」)、アノードガスポンプ370のシリンダ740の加温を行なう。
図6に示すように、加温部500によりアノードガスポンプ370のシリンダ740の加温が行われた状態(加温媒体流通有り状態)では、シリンダ740の温度が加温媒体Lhの温度に応じて上昇する。このため加温媒体流通有り状態では、加温媒体流通無し状態の場合に比べてポンプ温度差ΔTpを低減させることができ、許容温度差Tcr以上となる回転数Npを回転数閾値Ncrよりも高い値Ncr(h1)まで高くすることができる。これにより、アノードガスポンプ370の動作範囲を、回転数Npが0〜Ncr(h1)未満としておけば、アノードガスポンプ370のシリンダ740とロータ760のポンプ温度差でロータ760とシリンダ740との干渉が発生しないように動作させることが可能となる。
なお、加温媒体流通有り状態での許容温度差Tcrに対応する回転数Npの値Ncr(h1)は、加温媒体Lh、すなわち、冷媒Lcの温度に依存するので、始動後に冷媒Lcの温度が上昇し、加温媒体Lhの温度として十分高温な温度となるまでは、燃料電池システム10による出力(発電電力)を制限し、回転数Npを制限することが好ましい。また、加温媒体Lhの温度が高くロータ760の温度に近いほど、シリンダ740の加温によってポンプ温度差ΔTpを0に近付けることができるので、加温効果を高めることができ、シリンダ740とロータ760の干渉抑制効果を高めることができる。また、ロータ760の温度よりも加温媒体Lhの温度の方が高い場合には、加温媒体供給ポンプ550のON/OFFを間欠制御して、シリンダ740の加温を間欠制御することにより、ポンプ温度差ΔTpを0に近付けた状態を維持させて、シリンダ740とロータ760の干渉抑制効果を高めることもできる。
なお、許容温度差Tcrは、ロータ760とシリンダ740との温度差による膨張・収縮量の差によってロータ760とシリンダ740との干渉が発生する設計上のポンプ温度差ΔTp(D)と安全率から決定される。例えば、設計上のポンプ温度差ΔTp(D)が20℃の場合、安全率Sを2として、許容温度差Tcr=ΔTp(D)/S=10℃と設定される。
また、上記説明において、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上であるか否かの確認のために用いられる回転数閾値Ncrは、上述したように、設計上のポンプ温度差ΔTp(D)を安全率Sで除した値を許容温度差Tcrとし、これに対応する回転数Npの値としたが、これに限定されるものではない。例えば、設計上のポンプ温度差ΔTp(D)に対応する回転数Npの値を安全率Sで除した回転数の値を回転数閾値Ncrとし、これに対応するポンプ温度差ΔTpを許容温度差Tcrとしてもよい。
設計上のポンプ温度差ΔTp(D)は、ロータ760およびシリンダ740に用いられる材料の特性(特に線膨張係数)、および、クリアランスから設定される温度であり、通常、10℃〜30℃の範囲に設定されることが好ましい。安全率Sは1〜2の範囲、より好ましくは、1.5〜2の範囲で設定されることが好ましい。そして、許容温度差Tcrも同様に、10℃〜30℃の範囲で設定されることが好ましく、回転数閾値Ncrで2000rpm〜5500rpmの範囲(ガス流量で160L/min〜450L/minの範囲)に設定されることが好ましい。
アノードガスポンプ370には、ステンレス鋼やアルミニウム等の種々の金属材料が利用される。ロータ760とシリンダ740は同じ金属材料で構成されていても異なった金属材料で構成されていてもよいが、同じ金属材料で構成される方が、線膨張係数を同じとすることができるので、ロータ760とシリンダ740の熱による膨張・収縮量をより近くすることができ、ロータ760とシリンダ740の干渉を抑制する点で有利である。また、線膨張係数としてはステンレス鋼の方がアルミニウムに比べて小さいものが多いが、軽量化の点でアルミニウムの方がステンレス鋼よりも好ましい。
いずれにしても、図6に示したアノードガスポンプ370の回転数Npとロータ760とシリンダ740との温度差ΔTpの関係を、あらかじめ求めて、上述したように許容温度差Tcr及び回転数閾値Ncrを求めておくことにより、図5に示したフローに従って加温処理を行なうことにより、ロータ760とシリンダ740とが干渉しないようにすることができる。
以上説明したように、第1実施形態によれば、アノードガスポンプ370のシリンダ740とロータ760の干渉によって発生するアノードガスポンプ370の動作不良が発生しないようにすることができる。
B.第2実施形態:
図7は、第2実施形態における燃料電池システム10Bを模式的に示す説明図である。燃料電池システム10Bは、アノードガスポンプ370のシリンダ740の温度に対応する温度として、アノードガスポンプ370の環境温度を検出する環境温度センサ379を備えている点、及び、後述するように、制御部600の加温処理における、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否かの確認の仕方が異なっている。燃料電池システム10Bの他の構成は、第1実施形態の燃料電池システム10(図1)と同じである。
第2実施形態では、第1実施形態のようにロータ760の上昇温度をポンプ温度差ΔTpとするのではなく、以下で説明するように、ロータ760の上昇温度およびシリンダ740の温度からポンプ温度差ΔTpを求め、求めたポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否かの確認が行われる。この場合において、ポンプ温度差ΔTpが「水素循環ポンプの駆動状態」に相当し、許容温度差Tcrが「基準となる駆動状態」に相当する。
図8は、ポンプ温度差ΔTpを求めるために用いられるアノードガスポンプ370のロータ760の回転数Npとロータ760の上昇温度ΔTrの関係の一例を示すグラフである。横軸は、図6と同様に、アノードガスポンプ370の駆動量としてのロータ760の回転数Np[rpm]であり、回転数Npはガスの流量[L/min]に対応する。縦軸は、図6の縦軸のポンプ温度差ΔTpを始動時のロータ760の温度からの上昇温度ΔTr[℃]として示している。回転数Npにおける上昇温度ΔTrは、ロータ760の回転数Npでの駆動が開始されてロータ760の温度が上昇し、回転数Npでの駆動が継続されている状態で、ロータ760の温度上昇が収束して安定な温度となった時点でのロータ760の上昇温度であり、設定された回転数Npにおける上昇温度の推定値である。図8は、図6の加温媒体流通無し状態でのロータ760の回転数Npとポンプ温度差ΔTpの関係と等価である。図8に示す関係は、予め測定されて、制御部600の不図示の記憶部に記憶されている。
ロータ760のある回転数Npにおけるポンプ温度差ΔTp(Np)は、図8に示した関係から、以下のように求められる。まず、図8の関係から、回転数Npにおけるロータ上昇温度ΔTr(Np)を求めるとともに、シリンダ740の温度(シリンダ温度)Ts(Np)を求める。シリンダ温度は、アノードガスポンプ370が設置されている環境温度に対応する温度である。簡易的には、環境温度センサ379で検出されるアノードガスポンプ370の環境温度をそのまま代替え利用すればよい。そこで、本例では、環境温度センサ379で検出されるアノードガスポンプ370の環境温度が、回転数Npにおけるシリンダ温度Ts(Np)として利用されるものとする。また、始動時におけるシリンダ740の初期温度(以下、「シリンダ初期温度」とも呼ぶ)Ts0も、同様に、始動時(Np=0)において、環境温度センサ379で検出されるアノードガスポンプ370の環境温度が利用される。なお、始動時において、環境温度センサ379で検出される温度と、外気温センサ212で検出される温度とは、同じであるので、外気温センサ212で検出される外気温がシリンダ初期温度Ts0として利用されてもよい。
上記のようにして求めたロータ上昇温度ΔTr(Np)と、ロータ初期温度としてのシリンダ初期温度Ts0とから、ロータ温度Tr(Np)(=Ts0+ΔTr(Np))が求められる。次に、求められたロータ温度Tr(Np)とシリンダ温度Ts(Np)とから、ポンプ温度差ΔTp(Np)(=Tr(Np)−Ts(Np))が求められる。そして、ステップS200(図5)では、こうして求められたポンプ温度差ΔTp(Np)が許容温度差Tcr以上となり得るか否かが確認される。
第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、アノードガスポンプ370のシリンダ740とロータ760の干渉による動作不良が発生しないようにすることができる。また、第1実施形態では、シリンダ740の温度が一定であるものとして、始動時からのロータ上昇温度がポンプ温度差とされるのに対して、第2実施形態では、回転数Npで動作している時のシリンダ温度の始動時からの変化分を考慮してポンプ温度差が求められている。このため、より精度良くポンプ温度差が許容温度差以上となり得るか否かの確認を行なうことができ、ロータとシリンダの干渉を抑制し、動作不良を起こすことを抑制することができる。
C.第3実施形態:
図9は、第3実施形態における燃料電池システム10Cを模式的に示す説明図である。燃料電池システム10Cは、第1実施形態の燃料電池システム10(図1)のアノードガス供給部300に代えてアノードガス供給部300Cを備えている点、及び、後述するように、制御部600の加温処理における、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上であるか否かの確認の仕方が異なっている。燃料電池システム10Cの他の構成は、燃料電池システム10と同じである。
アノードガス供給部300Cは、気液分離器380とアノードガスポンプ370との間のアノードガス還流管330の部分330aに、アノードガスポンプ370に流入するアノードガスについて、その温度を検出するガス温度センサ371と、その流入量を検出する流量センサ372と、その圧力を検出する流入ガス圧力センサ373と、を備えている。また、アノードガス還流管330のアノードガスポンプ370とアノードガス供給管320とを繋ぐ部分330aに、アノードガスポンプ370から流出するアノードガスの圧力を検出する流出ガス圧力センサ374を備えている。流入ガス圧力センサ373は「入力側圧力センサ」に相当し、流出ガス圧力センサ374は「出力側圧力センサ」に相当する。
アノードガスポンプ370のロータ760のロータ温度Trの推定値(以下、単に「ロータ温度Tr」とも呼ぶ)、および、シリンダ740のシリンダ温度Tsの推定値(以下、単に「シリンダ温度Ts」とも呼ぶ)は、以下で説明する計算によって求めることができる。
熱容量C[J/K]の物体に対して、熱量Q[J/sec]が時間Δt[sec]の間与えられた場合に、発生する物体の上昇温度ΔT[K]は、エネルギー保存の法則から、下式(1)で表される。
ΔT=Q×Δt/C ・・・(1)
上式(1)をロータ760およびシリンダ740に適用すれば、ロータ760のロータ温度Trおよびシリンダ740のシリンダ温度Tsは、下式(2)および下式(3)で表され、ポンプ温度差ΔTpは下式(4)で表される。
Tr=Tr0+{[αr×(Tg−Tr0)×Ar]×Δt/Cr} ・・・(2)
Ts=Ts0+{[αs×(Tg−Ts0)×As]×Δt/Cs}−{[αa×(Tg−Ts0)×As]×Δt/Cs} ・・・(3)
ΔTp=Tr−T0 ・・・(4)
Tr0はロータの初期温度[K]、αrはロータの熱伝達率[W/(m・K)]、Tgはシリンダ内におけるガス温度[K]、Arはロータの表面積[m]、Crはロータの熱容量[J/K]である。また、Ts0はシリンダの初期温度[K]、αsはシリンダ内の熱伝達率[W/(m・K)]、Asはシリンダの内側表面積[m]、Csはシリンダの熱容量[J/K]、αaはシリンダの放熱に関する熱伝達率[W/(m・K)]、Taは環境温度[K]である。
なお、上式(2)の第2項はロータ760の仕事量に応じた上昇温度成分を示している。また、上式(3)の第2項はロータ760の仕事量に応じたシリンダ740の上昇温度成分を示し、第3項はシリンダ740の外表面からの放熱温度成分を示している。
ロータの初期温度Tr0およびシリンダの初期温度Ts0には、例えば、始動時に外気温センサ212で検出された温度を用いることができる。ロータの表面積Ar、シリンダの内側表面積As、ロータの熱容量Cr、シリンダの熱容量Cs既知の定数である。シリンダ内におけるガス温度Tg、ロータの熱伝達率αr、シリンダの熱伝達率αs、および、は、シリンダの放熱に関する熱伝達率αaは、以下のようにして求められる。
シリンダ内におけるガス温度Tgは、ガス温度センサ371で検出される入力側圧力Piと流出ガス圧力センサ374で検出される出力側圧力Poとガス温度センサ371で検出される流入ガス温度Tiから下式(5)に従って求めることができる。
Tg=Ti×(Po/Pi)(γ−1)/γ ・・・(5)
γは比熱比であり、対象のガスは主に2原子分子であるため、γ=7/5である。
熱伝達率αr,αsは、ガス流入量Viに比例し、下式(6),(7)に従って求めることができる。
αr=kr×Vi ・・・(6)
αs=ks×Vi ・・・(7)
krおよびksは用いられる材質に応じて定める定数であり、ロータ760とシリンダ740が同じ金属材料である場合には、同じである。
熱伝達率αsは下式(8)に従って求めることができる。
αa=0.037×(λ/L)×Re4/3×Pr1/3 ・・・(8)
λはシリンダ周辺の流体の熱伝導率[W/(m・K)]、Lはシリンダの代表長さ(m)、Reはレイノルズ数、Prはプラントル数である。
レイノルズ数は下式(9)に従って求めることができ、プラントル数は下式(10)に従って求めることができる。
Re=(ρ×v×L)/μ ・・・(9)
Pr=(μ×cp)/λ ・・・(10)
ρはシリンダ周辺の流体の密度[Kg/m]、μは流体の粘性係数[Pa・s]、vは流体の速度[m/s]、cpは流体の比熱「J/(kg・K)]である。
密度ρ、粘性係数μ、速度v、比熱cp、代表長さL、および熱伝導率λはあらかじめ定めておくことができるので、熱伝達率αrは、上式(8),(9),(10)を用いて予め求めておくことができる。
従って、一定時間Te経過後におけるロータ温度Trおよびシリンダ温度Tsの推定値を、上式(2)および上式(3)の時間Δtを経過時間Teとすることで求めることができる。そして、一定時間Te経過後のポンプ温度差ΔTpの推定値を、上式(4)に従って求めることができる。
そこで、以上説明したように、入力側圧力Piと出力側圧力Poと流入ガス温度Tiとから、上式(5)に従ってシリンダ内におけるガス温度Tgを求めるとともに、ガス流入量Viから、上式(6),(7)に従ってロータの熱伝達率αr及びシリンダの熱伝達率αsを求める。そして、ΔT=teにおいて推定されるロータ温度Trおよびシリンダ温度Tsを上式(2)および上式(3)に従って求め、推定されるポンプ温度差ΔTpを上式(4)に従って求めることができる。そして、ステップS200(図5)では、こうして求められたポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否かを確認することができる。この場合において、ポンプ温度差ΔTpが「水素循環ポンプの駆動状態」に相当し、許容温度差Tcrが「基準となる駆動状態」に相当する。
第3実施形態においても、第1実施形態と同様に、アノードガスポンプ370のシリンダ740とロータ760の干渉による動作不良が発生しないようにすることができる。また、第3実施形態では、アノードガスポンプ370に実際に流入するアノードガスについて、そのガス温度と、ガス流入量と、アノードガスポンプ370の入側圧力および出力側圧力とから推定されるロータ温度Trおよびシリンダ温度Ts求めることにより推定されるポンプ温度差ΔTpを求め、求めたポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得るか否かを確認することができる。
なお、上記説明では、ロータの初期温度Tr0およびシリンダの初期温度Ts0には、始動時に外気温センサ212で検出された温度を用いるとしたが、第2実施形態のように、環境温度センサ379を有している場合には、始動時に環境温度センサ379で検出された温度をロータの初期温度Tr0およびシリンダの初期温度Ts0として用いるようにしてもよい。
また、上式(3)に示したシリンダ温度Tsにおいて、第2項に示された上昇温度は、通常、第3項の放熱温度によってキャンセルされるので、シリンダ温度Tsを、上式(3)から求めるのではなく、外気温センサ212で検出される始動時の温度をシリンダ温度の初期温度として利用してもよい。また、第2実施形態のように環境温度センサ379を有している場合には、環境温度センサ379で検出される始動時の環境温度をシリンダ温度の初期温度として利用してもよい。
D.第4実施形態:
図10は、第4実施形態における加温媒体供給ポンプ550の駆動量とアノードガスポンプ370の駆動量との関係を示すグラフである。横軸はアノードガスポンプ370の駆動量としてのロータ760の回転数Npを示し、縦軸は加温媒体供給ポンプ550の駆動量としてのロータの回転数Nsを示している。なお、第4実施形態における燃料電池システムの構成は、第1実施形態の燃料電池システム10と同じである。
破線で示すように、第1実施形態では、加温媒体供給ポンプ550が駆動されている場合(「加温ポンプON」)、加温媒体供給ポンプ550の駆動量である回転数Nsは一定の回転数(Ns=Ns0)とされている。これに対して、第4実施形態では、実線で示すように、アノードガスポンプ370の回転数Npの増加に応じて、加温媒体供給ポンプ550の回転数Nsを増加させ、アノードガスポンプ370のシリンダ流路750(図1,図2参照)に流通させる加温媒体の流量を増加させている。これにより、アノードガスポンプ370の回転数の増加に応じて高くなるロータ760の温度に対して、効率良く加温媒体を供給してロータ760の加温を効率良く行なうことができ、効率良くロータとシリンダの干渉による動作不良の発生を抑制することができる。
上記説明では、アノードガスポンプ370の回転数Np<回転数閾値Ncrの場合、すなわち、ポンプ温度差ΔTp<許容温度差Tcrの場合に、加温媒体供給ポンプ550を駆動しない(加温ポンプOFF)状態として説明している。しかしながら、これに限定されるものではなく、アノードガスポンプ370の回転数Np<回転数閾値Ncrの場合にも、回転数Npの増加に応じて加温媒体供給ポンプ550の回転数Nsを増加させ(図11の二点鎖線参照)、アノードガスポンプ370のシリンダ流路750(図1,図2参照)に流通させる加温媒体の流量を増加させるようにしてもよい。
E.第5実施形態:
図11は、第5実施形態における燃料電池システム10Eを模式的に示す説明図である。燃料電池システム10Eは、第1実施形態の燃料電池システム10(図1)の加温部500に代えて加温部500Eを備えている点、及び、後述するように、制御部600によるシリンダ740の加温処理が異なっている。燃料電池システム10Eの他の構成は、燃料電池システム10と同じである。
加温部500Eは、加温媒体供給管510Eと、加温媒体還流管520Eと、バイパス管530と、三方弁540と、加温媒体供給ポンプ550と、を備える。加温媒体供給管510Eは、加温媒体供給管510(図1)と同様に、冷媒排出管420の分岐位置424と、アノードガスポンプ370のシリンダ流路750の入口とに接続されている。但し、加温媒体供給管510Eは、加温媒体供給ポンプ550とシリンダ流路750との間で、排気排水弁385および気液分離器380(以下、「排気排水弁385等」とも呼ぶ)に設けられた加温媒体流路の部分(不図示)に接続されている。
加温媒体還流管520Eは、加温媒体還流管520(図1)と同様に、アノードガスポンプ370のシリンダ流路750の出口と、冷媒排出管420の合流位置426とに接続されている。加温媒体還流管520Eには、加温媒体還流管520とは異なり、加温媒体還流管520Eを流通する加温媒体を加温する加温器560が設けられている。加温器560は、通常、車両の空調のために利用される。また、加温器560は、後述するように、排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370のシリンダ740の加温のために利用することも可能である。
加温媒体供給管510Eには、分岐位置424側の端部に、三方弁540と加温媒体供給ポンプ550とがこの順に設けられている。加温媒体供給管510Eの三方弁540と加温媒体供給ポンプ550との間には、加温媒体の温度を検出するための加温媒体温度センサ512が設けられている。加温媒体温度センサ512で検出される加温媒体の温度は、制御部600に送られて、加温器560による加温媒体の温度制御に利用される。
三方弁540は、加温器560の下流側で加温媒体還流管520Eから分岐されたバイパス管530に接続されている。三方弁540は、加温媒体供給ポンプ550を駆動して、分岐位置424から流入する加温媒体としての冷媒の流量と、加温媒体還流管520からバイパス管530を介して流入して循環する加温媒体の流量を調整する。三方弁540は、分岐位置424からの流入を遮断すれば、バイパス管530を還流する加温媒体Lhcを排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370に循環供給することができる。この際、加温器560により加温媒体を昇温させれば、加温器560で昇温された加温媒体を排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370に循環供給することができる。この場合、短時間で排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370のシリンダ740を温めることができる。
一方、三方弁540は、バイパス管530からの流入を遮断すれば、冷媒排出管420から流入した冷媒Lcを加温媒体Lhとして、排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370に供給することができる。この場合、燃料電池100の排熱により温められた冷媒Lcを加温媒体Lhとして、排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370のシリンダ740を温めることができる。なお、冷媒Lcの温度は、例えば、燃料電池100を低効率で発電させることにより燃料電池100で発生する熱を利用して上昇させることができる。
図12は、制御部600による加温部500Eの制御によって実行される加温処理について示すフローチャートである。この加温処理は、第1実施形態の加温処理(図5)のステップS100とステップS200との間に、後述する加温処理の部分が追加されている。ステップS200およびステップS300a,S300bによる加温処理の部分は、第1実施形態と同じであり、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となる場合に(ステップS200:YES)、加温媒体供給ポンプ550を駆動して(「加温ポンプON」)、アノードガスポンプ370のシリンダ740を加温する(ステップS300a)。ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr未満の場合に(ステップS200:NO)、加温媒体供給ポンプ550を駆動せず(「加温ポンプOFF」)、アノードガスポンプ370のシリンダ740の加温を行なわない(ステップS300b)。これにより、第1実施形態で説明したように、アノードガスポンプ370のロータ760とシリンダ740との温度差(ポンプ温度差)によってアノードガスポンプ370のシリンダ740とロータ760の干渉による動作不良が発生しないようにすることができる。
第5実施形態の加温処理では、第1実施形態と同様のステップS200及びステップS300a,S300bの処理による加温処理の部分に加えて、ステップS150〜ステップS190の処理による加温処理の部分が実行される。
ステップS150では、外気温Taが低温判定温度TL(例えば、0℃)以下か否か確認される。外気温Taが低温判定温度TL以下の場合、アノードガスポンプ370の環境温度も外気温Taに対応して低くなる。アノードガスポンプ370の環境温度は、始動時は、外気温Taと同じと扱っても差し支えなく、始動後は、外気温Taに応じて変化するが、外気温Taよりも高い状態となる。このため、外気温Taをアノードガスポンプ370のシリンダ740の温度に対応する温度として扱っておけば、最も厳しい条件でシリンダ温度を扱うことができる。そこで、ステップS150では、外気温Taをシリンダ温度に対応する温度として扱っている。
アノードガスポンプ370のシリンダ740の温度(シリンダ温度)に対応する温度としての外気温Taが低くなるほど、ロータ760の温度に対するシリンダ740の温度が低くなり、その温度差(ポンプ温度差)は大きくなりやすいので、ロータ760とシリンダ740との干渉による動作不良が発生しやすくなる。また、外気温Taが氷点下(0℃以下)の場合、アノードガス還流管330やアノードガスポンプ370、気液分離器380、排気排水弁385に滞留する水が凍結することで、排気排水弁385やロータ760の凍結等によって排気排水弁385やアノードガスポンプ370が動作不可となる場合もある。
そこで、外気温Ta≦低温判定温度TLの場合には(ステップS150:YES)、ステップS180aにおいて加温媒体供給ポンプ550が駆動されて(「加温ポンプON」)、排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370のシリンダ740の加温が行なわれる。なお、ステップS180aで加温媒体供給ポンプ550が駆動される時間は、少なくとも、始動時において外気温Taに等しい温度となっているシリンダ740の温度を、低温判定温度TL(0℃)まで上昇させるために要する熱量と、加温媒体の温度と、シリンダ740の熱容量と、に基づいてあらかじめ求められた時間以上の長さに設定すればよい。
一方、外気温Ta>低温判定温度TLの場合には(ステップS150:NO)、ステップS180bにおいて加温媒体供給ポンプ550の駆動が行われず(「加温ポンプOFF」)、ステップS200以降で、第1実施形態と同様の処理が実行される。
ステップS150〜ステップS190の処理によって、外気温Ta≦低温判定温度TL(0℃)の場合には、加温媒体供給ポンプ550が駆動されて(「加温ポンプON」)、排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370のシリンダ740を加温媒体で加温することができる。これにより、例えば、始動時において、外気温Taが氷点下(0℃以下)の場合に、排気排水弁385等およびアノードガスポンプ370のシリンダ740が凍結した状態からの回復を図ることができる。また、外気温Ta≦低温判定温度TL(0℃)の場合に、アノードガスポンプ370のシリンダ740を加温することで、アノードガスポンプ370のロータ760とシリンダ740との温度差(ポンプ温度差)によるシリンダ740とロータ760の干渉による動作不良が発生しないようにすることができる。
なお、例えば、始動時において外気温Taが氷点下(0℃)の場合において、加温部500Eにおいて、三方弁540においてFC冷却部400からの冷媒を遮断しバイパス管530からの加温媒体のみを循環させるとともに、加温器560によって加温媒体を加温させることによって、排気排水弁385等の加温及びアノードガスポンプ370のシリンダ740の加温を急速に行なうことも可能である。
F.第6実施形態:
図13は、第6実施形態における燃料電池システム10Fを模式的に示す説明図である。燃料電池システム10Fは、第1実施形態の燃料電池システム10(図1)の加温部500に代えて加温部500Fを備えている点が異なっている。燃料電池システム10Fの他の構成は燃料電池システム10と同じである。
加温部500Fは、シリンダ740に取り付けられた加温装置であり、制御部600によって制御される。加温装置としては、ヒータ等の種々の一般的な装置が適用可能である。
第1記実施形態の加温部500では、アノードガスポンプ370のロータ760とシリンダ740の温度差(ポンプ温度差)ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得る場合において、シリンダ740のシリンダ流路750に加温媒体供給ポンプ550により加温媒体を流通させることによって、シリンダ740を加温する構成であった。これに対して、第7実施形態では、ポンプ温度差ΔTpが許容温度差Tcr以上となり得る場合において、シリンダ740に取り付けられた加温部500Fとしての加温装置(ヒータ)によってシリンダ740が加温される。
第6実施形態においても、上記第1実施形態と同様に、アノードガスポンプ370のシリンダ740とロータ760の干渉によって発生するアノードガスポンプ370の動作不良が発生しないようにすることができる。
なお、上記説明では、第1実施形態の加温部500を加温部500Fに置き換えた場合を例に説明したが、第2〜第3実施形態においても同様に適用可能である。また、第4実施形態においても同様に適用可能である。なお、第4実施形態において加温部500Fを適用する場合、シリンダ740に取り付けられた加温部500Fとしての加温装置(ヒータ)によるシリンダ740の加温は、アノードガスポンプ370の回転数Npの増加に応じて、加温装置による加温量を増加させることで対応可能である。
G.他の実施形態:
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような形態での実施も可能である。
(1)第1および第2実施形態では、水素循環ポンプであるアノードガスポンプ370のロータ760の回転数を駆動量として説明したが、流量センサで検出されるガス流量を駆動量とし、ガス流量が、許容温度差に対応する流量閾値以上であるか否か確認されることにより、ロータとシリンダとの温度差が許容温度差以上であるか否かの確認が行われるようにしてもよい。
(2)第1実施形態において、外気温センサ212で検出される外気温Taに代えて、環境温度センサで検出されるアノードガスポンプ370の環境温度をシリンダ温度に対応する温度として利用するようにしてもよい。また、アノードガスポンプ370のシリンダ740に取り付けられた温度センサで検出されるシリンダ温度を利用するようにしてもよい。また、他の実施形態においても同様である。
(3)第2実施形態のように環境温度センサ379を備える場合においては、環境温度センサ379で検出した環境温度をシリンダ温度として利用するとして説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、予め、環境温度とシリンダ温度との相関関係を求めておき、環境温度センサ379で検出されるアノードガスポンプ370の環境温度からシリンダ温度を求めるようにしてもよい。
また、シリンダ740に直接取り付けられた温度センサによってシリンダ温度を直接検出するようにしてもよい。
さらにまた、温度センサを利用せずにシリンダ温度を求めるようにしてもよい。ラジエータ430は、第1実施形態で説明したように、車両のフロントコンパートメントの前方端に配置され、前方から取り込まれる冷却空気を利用して、燃料電池100の排熱により温められた冷媒の冷却を行なう。このため、フロントコンパートメント内部へ流れ込む空気は、冷媒の冷却のために温められた空気となる。フロントコンバータメント内部の温度は、フロントコンパートメント内部へ流れ込む空気の温度に大きく依存する。ラジエータ430を介してフロントコンパートメント内部へ流れ込む空気の温度は、ラジエータ430の冷媒冷却の排熱によって外気温よりも上昇した温度となる。このため、ラジエータ430を介してフロントコンパートメント内部へ流れ込む空気の温度は、車両の速度、外気温、ラジエータによって冷却前後の冷媒の温度から推定することができる。そこで、速度センサによって検出される車速、外気温センサによって検出される外気温、冷媒温度センサによって検出される、ラジエータによる冷却前後の冷媒の温度から、フロントコンパートメント内部の温度を、アノードガスポンプ370の環境温度として求め、シリンダ温度を求めるようにしてもよい。
(4)第4実施形態で説明したように、第1実施形態の燃料電池システム10において、アノードガスポンプ370の駆動量としての回転数の増加に応じて、加温媒体供給ポンプ550の駆動量としての回転数を増加させる制御は、他の実施形態の燃料電池システムにおいても適用可能である。
(5)第5実施形態で説明したように、第1実施形態の加温部500を加温部500Eに置き換え、外気温Ta≦低温判定温度TLの場合に加温媒体供給ポンプ550を駆動(「加温ポンプON」)する処理については、第2〜第5の実施形態の燃料電池システムにおいても適用可能である。
(6)第1〜第5実施形態の加温部500では、第6実施形態の加温部500Eに備える三方弁540、バイパス管530および加温器560が設けられていないが、加温部500においても、同様に、三方弁540、バイパス管530および加温器560が設けられていてもよい。そして、第1〜第5実施形態の燃料電池システムにおいて、第6実施形態において実行可能な、外気温Ta≦低温判定温度TLの場合に加温媒体供給ポンプ550を駆動(「加温ポンプON」)する処理や、バイパス管530を介して加温媒体をアノードガスポンプ370のシリンダ流路750に循環供給させる処理が、適用されるようにしてもよい。
(7)上記第3実施形態では、アノードガスポンプ370へのガス流入量Viと、入力側圧力Piと、出力側圧力Poと、ガス温度Tiと、から、ロータ760の仕事量に応じたロータ760の上昇温度およびシリンダの上昇温度を計算により求める場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、ロータの駆動量に対応する種々のパラメータを用いた計算式を利用して、ロータの仕事量に応じたロータの上昇温度およびシリンダの上昇温度を求めるようにしてもよい。ロータの仕事量に応じたロータの上昇温度およびシリンダの上昇温度を求めることができれば、どのようなロータの仕事量に関するパラメータを用いた計算式を利用して上昇温度を求めるようにしてもよい。
(8)上記実施形態では、加温部500,500Eは、加温媒体供給ポンプ550を駆動させることで、シリンダ流路750に加温媒体を流通させて、シリンダ740を加温する。これに対して、例えば、加温媒体供給ポンプ550を省略し、冷媒排出管420の分岐位置424に三方弁等の媒体の流れを切り替えるバルブを設ける構成としてもよい。この場合、シリンダ流路750に加温媒体を流通させない場合は、燃料電池100から排出される冷媒が全て合流位置426へ向けて流れるようにバルブを設定し、シリンダ流路750に加温媒体を流通させる場合は、燃料電池100から排出される冷媒が加温媒体として全て加温媒体供給管510へ向けて流れるようにバルブを設定すればよい。
(9)上記実施形態では、アノードガスポンプ370の回転数Np<回転数閾値Ncrの場合、すなわち、ポンプ温度差ΔTp<許容温度差Tcrの場合に、加温媒体供給ポンプ550を駆動しない(加温ポンプOFF)状態として説明している。この加温媒体供給ポンプ550を駆動しない状態は、加温媒体供給ポンプ550を駆動している状態(加温ポンプON)であるが、加温媒体供給ポンプ550の回転数Nsがゼロあるいは加温媒体の流量が非常に少なく、ゼロとみなしてよい回転数に設定されている状態であってもよい。
(10)上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電力を動力発生装置(駆動モータ)の動力源とする船舶、飛行機などの種々の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。また、移動体に搭載される燃料電池システムだけでなく、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。
本開示技術は、上述の実施形態や変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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…燃料電池システム
10B…燃料電池システム
10C…燃料電池システム
10E…燃料電池システム
10F…燃料電池システム
100…燃料電池
102…冷媒流路
200…カソードガス供給部
210…カソードガス供給管
212…外気温センサ
214…エアフローメータ
220…カソードガス排出管
230…バイパス管
250…エアコンプレッサ
255…駆動回路
260…分流弁
270…調圧弁
300…アノードガス供給部
300C…アノードガス供給部
310…アノードガスタンク
320…アノードガス供給管
330…アノードガス還流管
330a…アノードガス還流管の部分
330b…アノードガス還流管の部分
340…主止弁
350…調圧弁
360…インジェクタ
370…アノードガスポンプ
371…ガス温度センサ
372…流量センサ
373…流入ガス圧力センサ
374…流出ガス圧力センサ
375…駆動回路
378…電圧/電流センサ
379…環境温度センサ
380…気液分離器
385…排気排水弁
390…排気排水管
400…FC冷却部
410…冷媒供給管
420…冷媒排出管
422…冷媒温度センサ
424…分岐位置(接続箇所)
426…合流位置(接続箇所)
430…ラジエータ
440…バイパス管
450…三方弁
460…冷媒ポンプ
465…駆動回路
500…加温部
500E…加温部
500F…加温部
510…加温媒体供給管
510E…加温媒体供給管
512…加温媒体温度センサ
520…加温媒体還流管
520E…加温媒体還流管
530…バイパス管
540…三方弁
550…加温媒体供給ポンプ
555…駆動回路
560…加温器
600…制御部
710…モータ部
712…駆動軸
720…ギア部
722…ギア
730…ポンプ部
740…シリンダ
742…周壁部
744…側壁部
746…側壁部
747…ポンプ室
748…吸入口
749…吐出口
750…シリンダ流路
752…一方端
754…他方端
760…ロータ
762…周壁面
764…端面
766…端面
770…回転軸
C1…クリアランス
C2…クリアランス
C3…クリアランス
Lc…冷媒
Lh…加温媒体
Lhc…加温媒体
Ncr…回転数閾値
Np…回転数
S…安全率
TL…低温判定温度
Ta…外気温
Tcd…冷媒温度
Tcr…許容温度差
ΔTp…ポンプ温度差
Tr…ロータ温度
ΔTr…ロータ上昇温度
Ts…シリンダ温度
Ts0…シリンダ初期温度

Claims (8)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    シリンダと前記シリンダ内に収容されるロータとを有し、前記燃料電池に水素を循環させる水素循環ポンプと、
    前記シリンダを加温する加温部と、
    前記加温部の動作を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記水素循環ポンプの駆動状態が、前記ロータと前記シリンダとの温度差であるポンプ温度差が、前記ロータが前記シリンダに干渉しないポンプ温度差として許容する許容温度差以上となる状態の場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なう
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
    前記水素循環ポンプ、前記ロータと前記シリンダとのクリアランスの仕様値が20μm以下のポンプである
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
    前記加温部は、
    前記燃料電池内を流通する第1の流路と、前記水素循環ポンプの前記シリンダに設けられた第2の流路と、を含む加温媒体流路と、
    前記加温媒体流路に加温媒体を流通させるための加温媒体供給ポンプと、
    を有する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    記ロータの回転数を検出するための駆動量センサを備え、
    前記制御部は、前記駆動量センサによって検出され、前記ポンプ温度差に対応する前記ロータの回転数が、前記許容温度差に対応する前記ロータの回転数としてあらかじめ定められた回転数閾値以上となる場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なう
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記ロータの回転数を検出するための駆動量センサと、
    前記シリンダの温度に対応する温度を検出する温度センサと、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記ポンプ温度差を、
    前記水素循環ポンプの始動時において前記温度センサで検出した温度から得られる前記シリンダの初期温度と、前記駆動量センサによって検出される前記ロータの回転数に従って求まる前記水素循環ポンプの始動時からの前記ロータの上昇温度と、から定まる前記ロータの温度と、
    前記ロータの回転数で前記水素循環ポンプが動作している状態において、前記温度センサで検出される温度から得られる前記シリンダの温度と、
    から求め、
    求めた前記ポンプ温度差が、あらかじめ定められた前記許容温度差以上となる場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なう
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記シリンダの温度に対応する温度を検出する温度センサと、
    前記水素循環ポンプへのガス流入量を検出する流量センサと、
    前記水素循環ポンプの入力側の圧力を検出する入力側圧力センサと、
    前記水素循環ポンプの出力側の圧力を検出する出力側圧力センサと、
    前記水素循環ポンプに流入するガスの温度を検出するガス温度センサと、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記ポンプ温度差を、前記水素循環ポンプの始動時において前記温度センサで検出された温度から得られる前記ロータの初期温度および前記シリンダの初期温度と、前記ガス流入量と、前記入力側の圧力と、前記出力側の圧力と、前記ガスの温度と、から求め、
    求めた前記ポンプ温度差が、あらかじめ定められた前記許容温度差以上となる場合に、前記加温部による前記シリンダの加温を行なう
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記ロータおよび前記シリンダは、同じ金属材料で形成されている
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項3に従属する請求項4、請求項3に従属する請求項5、請求項3に従属する請求項6、及び、請求項3に従属する請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記加温媒体供給ポンプにより供給される前記加温媒体を前記シリンダに流通させる際に、前記ロータの回転数の増加に応じて前記加温媒体供給ポンプの駆動量を増加させて前記加温媒体の流量を増加させる
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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