JP6939515B2

JP6939515B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6939515B2
Application number: JP2017245492A
Authority: JP
Inventors: 晃一郎池田; 俊明草刈
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: JP2019114367A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

低負荷状態の燃料電池において、フラッディングを防止するため、例えば、燃料ガスの流量を増加することにより燃料電池内の水分を排出する掃気処理が行われる（例えば特許文献１参照）。これにより、燃料電池内の燃料ガスの流路に水分が滞留し、部分的な水素欠が発生することにより膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）が劣化することが抑制される。

特開２００６−２４４７８号公報

しかし、車両に搭載された燃料電池の場合、車両の停車中に掃気処理が実行されることによりＭＥＡの電解質膜が乾燥状態になると、電気抵抗の増加により発電性能が低下し、車両が発進するときに十分な駆動力が得られないおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、車両の発進に影響することなく、燃料電池のフラッディングを抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池システムは、車両に供給される電力を燃料ガスから生成する燃料電池と、前記燃料電池内に流入する前記燃料ガスの流量を制御する制御部と、前記車両の発進に関わる状態として、運転席のシートの傾斜角度、運転席のシートに加わる荷重、ドアの開閉状態、前記車両の前方及び後方の障害物の有無をそれぞれ検出する複数の検出部とを有し、前記制御部は、前記車両が停車している状態において、前記燃料電池に要求される電力が所定値以下である場合、前記燃料ガスの流量を増加させることにより前記燃料電池内を掃気し、前記複数の検出部がそれぞれ検出した各状態に関する所定の条件のうち、少なくとも１つの条件が満たされる場合、前記車両の発進の可能性が低いと判定し、何れの条件も満たされない場合、前記車両の発進の可能性が高いと判定し、前記車両の発進の可能性が高いと判定した場合、前記車両の発進の可能性が低いと判定した場合より前記燃料電池内の掃気の実行頻度を低下させる。

本発明によれば、車両の発進に影響することなく、燃料電池のフラッディングを抑制することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。掃気頻度及び酸化剤ガス供給の制御処理の一例を示すフローチャートである。掃気処理の一例を示すフローチャートである。

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、例えば燃料電池車などの車両に搭載される。

燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料タンク２と、コンプレッサ３と、気液分離器４と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５と、主止弁７０と、調圧弁７１と、パージ弁７２と、三方弁７３と、車速センサ６０と、複数の状態センサ６１と、ポンプＰとを有する。また、燃料電池システムは、水素ガスなどの燃料ガスが流れるアノード供給路Ｒ２０〜Ｒ２２、再循環路Ｒ２３ａ，Ｒ２３ｂ、及びアノード排出路Ｒ２４〜Ｒ２６と、空気などの酸化剤ガスが流れるカソード供給路Ｒ１０，Ｒ１１、カソードバイパス路Ｒ１２、及びカソード排出路Ｒ１３とを有する。

燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、膜電極接合体をそれぞれ備えた複数の単セルが積層されることにより構成され、カソードには酸化剤ガスが供給され、アノードには、燃料ガスが供給される。燃料電池１は、各単セルにおいて酸化剤ガスと燃料ガスが化学反応することにより発電する。

燃料電池１の発電で生成された電力は、例えば車両を駆動するモータＭや二次電池などに供給される。このように、燃料電池１は、車両に供給される電力を燃料ガス及び酸化剤ガスから生成する。

酸化剤ガスは、カソード供給路Ｒ１０，Ｒ１１を介して燃料電池１に供給される。酸化剤オフガスは、カソード排出路Ｒ１３を介して燃料電池１から車両の外部に排出される。

コンプレッサ３は、外気から酸化剤ガスを導入して圧縮する。コンプレッサ３は、カソード供給路Ｒ１０を介して酸化剤ガスを三方弁７３に送出する。

三方弁７３は、ＥＣＵ５からの制御に従い酸化剤ガスの送出先を切り替える。三方弁７３において、酸化剤ガスの入口はカソード供給路Ｒ１０に接続され、酸化剤ガスの出口はカソード供給路Ｒ１１及びカソードバイパス路Ｒ１２に接続されている。酸化剤ガスは、カソードバイパス路Ｒ１２に送出された場合、カソード排出路Ｒ１３から車両の外部に排出され、カソード供給路Ｒ１１に送出された場合、燃料電池１に供給される。

燃料タンク２は燃料ガスを蓄圧して貯蔵する。燃料タンク２の出口には、アノード供給路Ｒ２０を介し主止弁７０が接続されている。燃料ガスはアノード供給路Ｒ２０から主止弁７０に入る。主止弁７０は、ＥＣＵ５の制御に従って、燃料電池１の運用時、開放状態に維持されている。燃料ガスは、主止弁７０からアノード供給路Ｒ２１を流れて調圧弁７１に入る。

調圧弁７１は、燃料タンク２から燃料電池１に流れ込む燃料ガスの圧力を、ＥＣＵ５からの制御信号に従って調整する。これにより、ＥＣＵ５は、制御部の一例として、燃料電池１に流入する燃料ガスの流量を制御する。燃料ガスは、調圧弁７１からアノード供給路Ｒ２２を介し燃料電池１に供給される。

燃料オフガスは、燃料電池１からアノード排出路Ｒ２４を流れ気液分離器４に入る。気液分離器４は、燃料オフガスから液水を分離して貯留し、燃料オフガスを再循環路Ｒ２３ａに送出する。

パージ弁７２は、アノード排出路Ｒ２５を介して気液分離器４と接続されている。パージ弁７２は、ＥＣＵ５の制御により開閉される。パージ弁７２が開放されると、気液分離器４内の燃料オフガス及び液水はアノード排出路Ｒ２６から外部に排出される。

ポンプＰは、再循環路Ｒ２３ａ，Ｒ２３ｂに接続されている。ポンプＰは、ＥＣＵ５からの制御信号により駆動され、入口側の再循環路Ｒ２３ａから出口側の再循環路Ｒ２３ｂに燃料オフガスを送出する。燃料オフガスは、再循環路Ｒ２３ｂからアノード供給路Ｒ２２に流れ込み、燃料ガスとともに燃料電池１に供給される。これにより、燃料オフガスは再循環される。

ＥＣＵ５は、燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ５には、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）回路５ａが備えられており、ＣＰＵ回路５ａは、ＣＰＵ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成される。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って動作する。これにより、ＥＣＵ５は各制御信号を生成し出力する。

ＥＣＵ５には、車速センサ６０及び複数の状態センサ６１が電気的に接続されている。車速センサ６０は、車両の移動速度を検出してＥＣＵ５に通知する。ＥＣＵ５は、移動速度から車両が停車した状態であるか否かを判定する。ＥＣＵ５は、移動速度が所定の閾値ＴＨｂ以下である場合、車両が停車状態であると判定し、移動速度が所定の閾値ＴＨｂを超えている場合、車両が移動状態であると判定する。

また、ＥＣＵ５には、例えば、ラジエータなどの車両内の補機類（不図示）やモータＭに必要な電力が通知される。つまり、ＥＣＵ５には、燃料電池１に要求される電力（以下、「要求電力」と表記）が通知される。ＥＣＵ５は、車両が停車している状態において、要求電力が所定の閾値ＴＨａ以下である場合、燃料ガスの流量を増加させることにより燃料電池１内を掃気する。

ＥＣＵ５は、例えば調圧弁７１の開度を増加させることにより、あるいはポンプＰの出力を増加させることにより、燃料電池１内に流入する燃料ガスの流量を増加させて掃気処理を行う。これにより、燃料電池１の発電により生成された液水（生成水）が、燃料電池１から排出される。このため、燃料電池内の燃料ガスの流路に水分が滞留し、部分的な水素欠が発生することによりＭＥＡが劣化することが抑制される。

しかし、車両の停車中に掃気処理が実行されることによりＭＥＡの電解質膜が乾燥状態になると、電気抵抗の増加により燃料電池１の発電性能が低下し、車両が発進するときにモータＭから十分な駆動力が得られないおそれがある。そこで、ＥＣＵ５は、各状態センサ６１の検出値から車両の発進の可能性の高低を判定し、その判定結果に応じて掃気処理の実行頻度（以下、「掃気頻度」と表記）を変更する。

各状態センサ６１は、検出部の一例であり、車両の発進に関わる状態を検出する。車両の発進に関わる状態としては、例えば、運転席のシートの傾斜角度、運転席のシートに加わる荷重、ドアの開閉状態、車両の前方及び後方の障害物の有無、サイドブレーキの位置、及びシフトレバーの位置などが挙げられる。

各状態センサ６１は、センシングにより得た検出値をＥＣＵ５に出力する。ＥＣＵ５は、各状態センサ６１の検出値から車両の発進の可能性の高低を判定する。ＥＣＵ５は、一例として、以下の各条件（Ａ）〜（Ｆ）の何れかが満たされた場合、ドライバが車両を発進させる可能性が低いと判定する。つまり、ＥＣＵ５は、各条件（Ａ）〜（Ｆ）の何れかが満たされる場合、車両の発進の可能性が低いと判定し、各条件（Ａ）〜（Ｆ）の何れも満たされない場合、車両の発進の可能性が高いと判定する。

条件（Ａ）：運転席のシートの傾斜角度が閾値より大きい。例えば、運転席のシートが、安全な運転が不可能な角度まで倒されている。
条件（Ｂ）：運転席のシートに加わる荷重が閾値より小さい。例えば、運転席のシートにドライバが座っていない。
条件（Ｃ）：何れかのドアが開放されている。
条件（Ｄ）：車両の前方及び後方に障害物が存在する。例えば、車両が障害物に挟まれて抜け出せない。
条件（Ｅ）：サイドブレーキが上がっている。
条件（Ｆ）：シフトレバーの位置が「パーキング」または「ニュートラル」になっている。

ＥＣＵ５は、車両の発進の可能性が高いと判定した場合、車両の発進の可能性が低いと判定した場合より掃気処理の実行頻度を低下させる。このため、ＥＣＵ５は、ドライバが車両を発進させそうなとき、掃気処理の頻度を低下させることによりＭＥＡの電解質膜の乾燥を抑制することができる。

これにより、燃料電池１の発電性能の低下が抑制されるため、車両は、発進するときにモータＭから十分な駆動力を得ることができる。なお、本例の燃料電池システムは、複数の条件（Ａ）〜（Ｆ）を判定に用いるため、複数の状態センサ６１が設けられているが、１つの条件を判定に用いる場合、状態センサ６１は１つだけ設けられればよい。

また、ＥＣＵ５は、車両の発進の可能性が低いと判定した場合、三方弁７３を制御することにより酸化剤ガスの燃料電池１への供給を停止する。このとき、酸化剤ガスは三方弁７３からカソードバイパス路Ｒ１２を経由してカソード排出路Ｒ１３に送出される。これにより、燃料電池１の発電が停止するため、発電による生成水の生成が抑制される。

ＥＣＵ５は、ＣＰＵ回路５ａの機能により、掃気頻度及び酸化剤ガス供給の制御処理と、掃気処理とを同時並行で実行する。以下に各処理について述べる。

図２は、掃気頻度及び酸化剤ガス供給の制御処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ５は、監視タイマをスタートさせる（ステップＳｔ１）。監視タイマは、車両が停車状態であって、燃料電池１の要求電力が低い状態、つまり燃料電池１の低負荷状態を検出するために用いられる。

次に、ＥＣＵ５は、要求電力と所定の閾値ＴＨａを比較する（ステップＳｔ２）。ＥＣＵ５は、要求電力が閾値ＴＨａ以下である場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、車速センサ６０から得た移動速度と所定の閾値ＴＨｂを比較する（ステップＳｔ３）。ＥＣＵ５は、移動速度が閾値ＴＨｂ以下である場合（ステップＳｔ３のＹｅｓ）、監視タイマが満了したか否かを判定する（ステップＳｔ４）。なお、閾値ＴＨｂは、車両の停車状態を検出するために十分に小さい値が設定される。

ＥＣＵ５は、監視タイマが未満了である場合（ステップＳｔ４のＮｏ）、再びステップＳｔ２の処理を実行する。また、ＥＣＵ５は、監視タイマが満了している場合（ステップＳｔ４のＹｅｓ）、車両が停車している状態であって、燃料電池１が低負荷状態であると判定し、掃気処理を実行するために以下の処理を実行する。

ＥＣＵ５は、各状態センサ６１から検出値を取得する（ステップＳｔ６）。検出値は、例えば、各状態センサ６１から電気信号としてＥＣＵ５に入力される。

次に、ＥＣＵ５は、各検出値から車両の発進の可能性の高低を判定する（ステップＳｔ７）。本判定の手段は、上述した通りである。

ＥＣＵ５は、車両の発進の可能性が低い場合（ステップＳｔ７のＮｏ）、三方弁７３の制御により燃料電池１への酸化剤ガスの供給を停止し（ステップＳｔ１０）、掃気処理が実行される間隔（以下、「掃気間隔」と表記）Ｔｒを短い時間Ｔａに設定する（ステップＳｔ１１）。これにより、燃料電池１の発電が停止し、掃気処理の頻度が増加するため、電解質膜の乾燥が進むが、ドライバが車両を発進させる可能性が低いため、車両の発進に影響することはない。

また、ＥＣＵ５は、車両の発進の可能性が高い場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、三方弁７３の制御により燃料電池１への酸化剤ガスの供給を停止し（ステップＳｔ８）、掃気間隔Ｔｒを長い時間Ｔｂ（＞Ｔａ）に設定する（ステップＳｔ９）。これにより、ドライバが車両を発進させそうなときには、燃料電池１の発電が行われ、掃気処理の頻度が低下して電解質膜の加湿が進むため、車両が発進するときにはモータＭから十分な駆動力が得られる。なお、ＥＣＵ５は、車両の発進の可能性が高い場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、掃気処理の実行を停止することもできる。この場合、ＥＣＵ５は、ステップＳｔ９の処理において、例えば時間Ｔｂを所定の最大値（例えば２４時間、またはそれ以上の時間）に設定する。このため、掃気処理の頻度の低下処理には、掃気処理の実行の停止も含まれる。

次に、ＥＣＵ５は、掃気処理が実行されるように掃気実行フラグを「１」に設定して（ステップＳｔ１２）、監視タイマを例えば０にリセットする（ステップＳｔ１５）。その後、ステップＳｔ１以降の各処理が再び実行される。

また、ＥＣＵ５は、要求電力が閾値ＴＨａを超える場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、燃料電池１が高負荷状態であると判定し、三方弁７３の制御により燃料電池１への酸化剤ガスの供給を行う（再開する）（ステップＳｔ１３）。これにより、車両に必要な電力が燃料電池１により生成される。

次に、ＥＣＵ５は、掃気処理が実行されないように掃気実行フラグを「０」に設定する（ステップＳｔ１４）。ＥＣＵ５は、燃料電池１が高負荷状態である場合、例えば調圧弁７１の開度を増加させることにより、燃料電池１への燃料ガスの流量を増加させるため、燃料電池１内の生成水は燃料ガスにより十分に掃気される。

次に、ＥＣＵ５は、監視タイマを例えば０にリセットする（ステップＳｔ１５）。その後、ステップＳｔ１以降の各処理が再び実行される。

また、ＥＣＵ５は、移動速度が閾値ＴＨｂを超える場合（ステップＳｔ３のＮｏ）も、掃気処理が実行されないように掃気実行フラグを「０」に設定する（ステップＳｔ１４）。この場合、ＥＣＵ５は、車両が移動している状態であると判定し、掃気処理を停止させる。その後、ステップＳｔ１５の処理、及びステップＳｔ１以降の各処理が再び実行される。

このようにして、掃気頻度及び酸化剤ガス供給の制御処理は実行される。

図３は、掃気処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ５は、現在時刻Ｖを取得する（ステップＳｔ２１）。時刻は、例えばＣＰＵ回路５ａ内のリアルタイムクロック回路などにより計時されている。なお、ステップＳｔ２１で取得された時刻Ｖは、以下のステップＳｔ２４において時刻Ｖの初期値として用いられる。

次に、ＥＣＵ５は、掃気実行フラグが「１」及び「０」の何れであるかを判定する（ステップＳｔ２２）。ＥＣＵ５は、掃気実行フラグが「０」である場合（ステップＳｔ２２のＮｏ）、再びステップＳｔ２２の処理を実行する。

また、ＥＣＵ５は、掃気実行フラグが「１」である場合（ステップＳｔ２２のＹｅｓ）、現在時刻Ｕを取得する（ステップＳｔ２３）。次に、ＥＣＵ５は、ステップＳｔ２３の処理により取得した時刻Ｕと、ステップＳｔ２１またはステップＳｔ２７の処理により取得した時刻Ｖとの差分ΔＴを算出する（ステップＳｔ２４）。ここで、ステップＳｔ２７の処理により取得した時刻Ｖは、掃気処理が実行された時刻であり、ステップＳｔ２１の処理により取得した時刻Ｖは初期値である。

次に、ＥＣＵ５は、時刻Ｕ，Ｖの差分ΔＴと掃気間隔Ｔｒを比較する（ステップＳｔ２５）。ＥＣＵ５は、時刻Ｕ，Ｖの差分ΔＴが掃気間隔Ｔｒ以上である場合（ステップＳｔ２５のＹｅｓ）、掃気処理を実行する（ステップＳｔ２６）。掃気処理の実行手段は、上述した通りである。次に、ＥＣＵ５は、現在時刻Ｖを取得して（ステップＳｔ２７）、ステップＳｔ２２の処理を再び実行する。また、ＥＣＵ５は、時刻Ｕ，Ｖの差分ΔＴが掃気間隔Ｔｒ未満である場合（ステップＳｔ２５のＮｏ）、掃気処理を実行せずに、ステップＳｔ２２の処理を再び実行する。

このように、ＥＣＵ５は、上記のステップＳｔ９またはステップＳｔ１１で設定した掃気間隔Ｔｒ（＝ＴａまたはＴｂ）に基づいて周期的に掃気処理を実行する。これにより、ＥＣＵ５は、車両の発進の可能性に応じて掃気処理の実行頻度を変更する。このようにして、掃気処理は実行される。

これまで述べたように、ＥＣＵ５は、各状態センサ６１が検出した状態に基づき車両の発進の可能性の高低を判定し、車両の発進の可能性が高い場合、車両の発進の可能性が低い場合より燃料電池１内の掃気の実行頻度を低下させる。このため、本例の燃料電池システムによると、ドライバが車両を発進させるときに備えて掃気処理の頻度を抑えることにより電解質膜の乾燥が抑制されるので、車両の発進に影響することなく、燃料電池のフラッディングを抑制することができる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１燃料電池
５ＥＣＵ
７１調圧弁
６０車速センサ
６１状態センサ

Claims

車両に供給される電力を燃料ガスから生成する燃料電池と、
前記燃料電池内に流入する前記燃料ガスの流量を制御する制御部と、
前記車両の発進に関わる状態として、運転席のシートの傾斜角度、運転席のシートに加わる荷重、ドアの開閉状態、前記車両の前方及び後方の障害物の有無をそれぞれ検出する複数の検出部とを有し、
前記制御部は、
前記車両が停車している状態において、前記燃料電池に要求される電力が所定値以下である場合、前記燃料ガスの流量を増加させることにより前記燃料電池内を掃気し、
前記複数の検出部がそれぞれ検出した各状態に関する所定の条件のうち、少なくとも１つの条件が満たされる場合、前記車両の発進の可能性が低いと判定し、何れの条件も満たされない場合、前記車両の発進の可能性が高いと判定し、
前記車両の発進の可能性が高いと判定した場合、前記車両の発進の可能性が低いと判定した場合より前記燃料電池内の掃気の実行頻度を低下させる、
燃料電池システム。