JP7059686B2 - 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。

燃料電池システムとして、燃料電池を含む燃料電池ユニットを複数備えるものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池ユニットを２つ備えている。

特開２０１６－８１７２４号公報

ところで、本願の発明者は、燃料電池ユニットが１つの外気温センサを共用し、共用する外気温センサから得られる温度情報に基づき、燃料電池ユニット内に凍結が生じ得るかを判断する冬判定を行うことを試みた。しかし、この場合、外気温センサと各燃料電池ユニットとの通信時間に差が生まれるおそれがあり、燃料電池ユニット毎に冬判定結果が異なる可能性がある。そのため、複数の燃料電池ユニットの冬判定結果が相違する可能性を低減できる技術が望まれる。

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ＥＣＵとをそれぞれ含む複数の燃料電池ユニットと、前記複数の燃料電池ユニットに共用され、外気温を測定する外気温センサと、を備え、各ＥＣＵは、前記外気温センサから前記外気温である第１外気温を取得してから予め定められた待機時間の間は待機し、前記待機時間が経過した後に、前記第１外気温が予め定められた温度以下か否かを判定する冬判定を実行する。

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ＥＣＵとをそれぞれ含む複数の燃料電池ユニットと；前記複数の燃料電池ユニットに共用され、外気温を測定する外気温センサと、を備え；各ＥＣＵは、前記外気温センサから前記外気温を取得してから予め定められた待機時間の間は待機し、前記待機時間が経過した後に、取得した外気温が予め定められた温度以下か否かを判定する冬判定を実行する。この形態の燃料電池システムによれば、予め定められた時間経過した後に判定を行うため、各燃料電池ユニットが外気温を確実に取得した後に冬判定を実行することができる。そのため、複数の燃料電池ユニットの冬判定結果が相違する可能性を低減できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、複数の燃料電池システムを備えた車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 掃気制御処理のフローチャートである。 冬判定処理の一例を示したフローチャートである。 第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 第２実施形態における冬判定処理の一例を示したフローチャートである。 外気温と冬判定の変化を示した参考図である。 外気温と冬判定の変化を示したタイミングチャートである。

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５００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム５００は、第１燃料電池ユニット１００Ａと、第２燃料電池ユニット１００Ｂと、共用外気温センサ２００と、ガスタンク３００と、を備える。本実施形態において、燃料電池システム５００は、車両５５０に搭載される。車両５５０は、燃料電池１０Ａを電力源として搭載し、動力源であるモータ（図示せず）が駆動することにより、タイヤ（図示せず）が駆動される。

第１燃料電池ユニット１００Ａの構成と第２燃料電池ユニット１００Ｂの構成とは互いに同一である。従って、以下においては、第１燃料電池ユニット１００Ａの構成について主に説明し、第２燃料電池ユニット１００Ｂの構成については適宜説明を省略する。図１に示すように、第１燃料電池ユニット１００Ａの構成要素と第２燃料電池ユニット１００Ｂの構成要素には各構成要素の符号の「Ａ」を「Ｂ」に置き換えた符号を付している。なお、第１燃料電池ユニット１００Ａと第２燃料電池ユニット１００Ｂの各構成要素を区別する際には、例えば、「第１燃料電池１０Ａ」、「第２燃料電池１０Ｂ」のように、接頭語として「第１」、「第２」を付す場合もある。

第１燃料電池ユニット１００Ａは、燃料電池１０Ａと、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０Ａと、カソードガス供給部３０Ａと、アノードガス供給部５０Ａと、冷却媒体循環部７０Ａと、を備える。

燃料電池１０Ａは、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０Ａは、複数のセル（図示せず）が積層されて構成されている。各セルは、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。燃料電池１０Ａによって発電された電力は、二次電池（図示せず）に蓄電可能である。

カソードガス供給部３０Ａは、カソードガス配管３１Ａと、エアコンプレッサ３３Ａと、開閉弁３４Ａと、カソードオフガス配管４１Ａと、調圧弁４２Ａと、を備える。カソードガス配管３１Ａは、燃料電池１０Ａに接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池１０Ａに供給する。

エアコンプレッサ３３Ａは、ＥＣＵ２０Ａからの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池１０Ａに供給する。開閉弁３４Ａは、エアコンプレッサ３３Ａと燃料電池１０Ａとの間に設けられている。

カソードオフガス配管４１Ａは、燃料電池１０Ａから排出されたカソードオフガスを燃料電池システム５００の外部へと排出する。調圧弁４２Ａは、ＥＣＵ２０Ａからの制御信号に応じて、燃料電池１０Ａのカソードガス出口の圧力を調整する。

アノードガス供給部５０Ａは、アノードガス配管５１Ａと、アノードガス開閉弁５３Ａと、インジェクタ５５Ａと、アノードオフガス配管６１Ａと、気液分離器６２Ａと、排気排水弁６３Ａと、循環配管６４Ａと、アノードガスポンプ６５Ａと、を備える。

アノードガス配管５１Ａは、燃料電池１０Ａのアノードガス入口とガスタンク３００とを接続しており、アノードガス開閉弁５３Ａ、インジェクタ５５Ａがこの順序で上流側、つまりガスタンク３００に近い側から設けられている。

アノードガス開閉弁５３Ａは、ＥＣＵ２０Ａからの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム５００の停止時にはアノードガス開閉弁５３Ａは閉じられる。インジェクタ５５Ａは、ＥＣＵ２０Ａによって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。ＥＣＵ２０Ａは、インジェクタ５５Ａの駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池１０Ａに供給されるアノードガスの流量を制御する。

アノードオフガス配管６１Ａは、燃料電池１０Ａのアノードガス出口と気液分離器６２Ａとを接続する配管である。アノードオフガス配管６１Ａは、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２Ａへと誘導する。

気液分離器６２Ａは、アノードオフガス配管６１Ａと循環配管６４Ａとの間に接続されている。気液分離器６２Ａは、アノードオフガス配管６１Ａ内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

排気排水弁６３Ａは、気液分離器６２Ａの下部に設けられている。排気排水弁６３Ａは、気液分離器６２Ａに貯水された水の排水と、気液分離器６２Ａ内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム５００の運転中は、通常、排気排水弁６３Ａは閉じられており、ＥＣＵ２０Ａからの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３Ａは、カソードオフガス配管４１Ａに接続されており、排気排水弁６３Ａによって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１Ａを通じて外部へ排出される。

循環配管６４Ａは、アノードガス配管５１Ａのうちのインジェクタ５５Ａより下流の部分に接続されている。循環配管６４Ａには、ＥＣＵ２０Ａからの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５Ａが設けられている。気液分離器６２Ａによって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５Ａによって、アノードガス配管５１Ａへと送り出される。この燃料電池システム５００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池１０Ａに供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。

冷却媒体循環部７０Ａは、燃料電池１０Ａを介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池１０Ａの温度を調整する。冷却媒体循環部７０Ａは、冷媒供給管７１Ａと、冷媒排出管７２Ａと、ラジエータ７３Ａと、冷媒ポンプ７４Ａと、三方弁７５Ａと、バイパス管７６Ａ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。

冷媒供給管７１Ａは、燃料電池１０Ａ内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２Ａは、燃料電池１０Ａの冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３Ａは、冷媒排出管７２Ａと冷媒供給管７１Ａとに接続されており、冷媒排出管７２Ａから流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１Ａへと排出する。冷媒ポンプ７４Ａは、冷媒供給管７１Ａに設けられており、冷媒を燃料電池１０Ａに圧送する。三方弁７５Ａは、ラジエータ７３Ａとバイパス管７６Ａへの冷媒の流量を調節する。

ＥＣＵ２０Ａは、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２０Ａは、第１燃料電池ユニット１００Ａ内の各機器の起動および停止を制御する。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム５００による発電の制御を行うと共に、掃気処理を実現する。本実施形態において、ＥＣＵ２０Ａは、燃料電池システム５００の発電休止時に、エアコンプレッサ３３Ａやアノードガス開閉弁５３Ａ、排気排水弁６３Ａ、アノードガスポンプ６５Ａを制御して掃気処理を行う。掃気処理に用いられるこれらの部品をあわせて「掃気部品」という。本実施形態における「掃気処理」とは、一定期間、掃気部品に電力を供給して駆動し、それら掃気部品自体およびそれら掃気部品よりも下流のカソードガス流路およびアノードガス流路に存在する水を排出することである。

共用外気温センサ２００は、車両５５０外部の気温（以下「外気温Ｔ」という）を測定する。共用外気温センサ２００は、測定した外気温ＴをＥＣＵ２０Ａ、２０Ｂに送信する。

ガスタンク３００は、アノードガス（燃料ガス）としての水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素ガスタンク（水素ガスタンク）である。ガスタンク３００は、各燃料電池へアノードガスを供給する。

図２は、本実施形態における、掃気制御処理のフローチャートである。掃気制御処理は車両５５０の走行を維持するか否かを判断し、走行停止時に掃気処理を制御する処理である。この処理は、燃料電池システム５００の動作中、例えば燃料電池システム５００の起動直後に各ＥＣＵ２０Ａ、２０Ｂにより実行される処理である。以下では、第１ＥＣＵ２０Ａを例として説明する。

まず、第１ＥＣＵ２０Ａは、ステップＳ１００において、車両５５０が走行を維持するか否かを判断する。第１ＥＣＵ２０Ａは、例えば、スタートスイッチからの信号により走行を維持するか否かを判断できる。走行を維持する場合、ステップＳ１１０に進み、冬判定処理を実行し、ステップＳ１００の処理に戻る。冬判定処理の詳細については後述する。一方、走行を終了する場合、ステップＳ１２０に進み、冬判定がＯＮか否か判断する。冬判定がＯＦＦの場合、システムを停止する。一方、冬判定がＯＮの場合、ステップＳ１３０に進み、掃気処理を実行する。掃気処理として、例えば、外気温Ｔが掃気部品内の水蒸気が水に凝縮する温度Ｔｘ以下になった場合に、掃気処理を開始するとしてもよい。

図３は、冬判定処理の一例を示したフローチャートである。まず、第１ＥＣＵ２０Ａは、ステップＳ２００において、共用外気温センサ２００から外気温Ｔを取得する。次に、第１ＥＣＵ２０Ａは、ステップＳ２１０において、ステップＳ２００で外気温Ｔを取得してから予め定めた待機時間ｔｎが経過するまで待機し、待機時間ｔｎが経過するとステップＳ２２０の処理に進む。待機時間ｔｎは、予め実験的または経験的に定めることができる。

続いて、第１ＥＣＵ２０Ａは、ステップＳ２２０において、ステップＳ２００で取得した外気温Ｔが予め定めた閾値温度Ｔｈ以下か否か判別する。閾値温度Ｔｈは、燃料電池システム５００の各部品が凍結する可能性のある冬と判断できる温度であり、予め実験的に定めることができる。閾値温度Ｔｈは０℃以上であることが好ましく、上述した温度Ｔｘ以上であることが更に好ましい。外気温Ｔが閾値温度Ｔｈ以下の場合、ステップＳ２３０に進み、冬判定をＯＮとする。一方、外気温Ｔが閾値温度Ｔｈより高い場合、ステップＳ２３５に進み、冬判定をＯＦＦとする。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム５００によれば、共用外気温センサ２００から取得した外気温Ｔを用いて冬判定処理を行うため、各ＥＣＵ２０Ａ、２０Ｂで同様の判定結果を得ることができる。また、予め定められた待機時間ｔｎ経過した後に共用外気温センサ２００から取得した外気温Ｔが閾値温度以下か否かを判定するため、各ＥＣＵ２０Ａ、２０Ｂが外気温Ｔを確実に取得することができる。つまり各燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂが外気温Ｔを確実に取得することができる。従って、複数の燃料電池ユニットの冬判定結果が相違してしまう可能性を低減できる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態における燃料電池システム５０１の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム５０１は、各燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂがそれぞれ外気温センサ２１０Ａ、２１０Ｂを備え、共用外気温センサ２００が省略されている点が第１実施形態と異なり、他の構成は同一である。第１外気温センサ２１０Ａは測定した外気温ＴＡを第１ＥＣＵ２０Ａに送信し、第２外気温センサ２１０Ｂは測定した外気温ＴＢを第２ＥＣＵ２０Ｂに送信する。

図５は、第２実施形態における冬判定処理の一例を示したフローチャートである。第２実施形態において、冬判定処理は、冬判定処理がＯＮの場合にステップＳ２４０において他の燃料電池ユニットと判定結果の同期を行う点が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。以下では、第１ＥＣＵ２０Ａを例として説明する。なお、ステップＳ２００およびステップＳ２２０における外気温Ｔは、第１外気温センサ２１０Ａにより測定した外気温ＴＡである。

第１ＥＣＵ２０Ａは、外気温ＴＡが閾値温度Ｔｈ以下の場合にステップＳ２３０において冬判定をＯＮにする。続いて、第２実施形態ではステップＳ２４０に進み、冬判定を同期する。より具体的には、他の燃料電池ユニットである第２燃料電池ユニット１００Ｂの第２ＥＣＵ２０Ｂに、冬判定をＯＮにするよう指示する。

図６および図７は、燃料電池システム５０１動作中の外気温と冬判定の変化を示したタイミングチャートである。図６は、同期処理を行わない場合の外気温と冬判定の変化を示した参考図であり、図７は、第２実施形態における外気温と冬判定の変化を示している。上段のグラフＧｒ１Ａは、第１外気温センサ２１０Ａで測定された外気温ＴＡの変化を示しており、グラフＧｒ１Ｂは、第２外気温センサ２１０Ｂで測定された外気温ＴＡを示している。下段のグラフＧｒ２Ａは、第１燃料電池ユニット１００Ａの冬判定処理の結果を示しており、グラフＧｒ２Ｂは、第２燃料電池ユニット１００Ｂの冬判定処理の結果を示している。なお、図６および図７の下段のグラフでは、説明の便宜上、グラフＧｒ２Ｂを下方向にずらして記載しているが、実際は、グラフＧｒ２Ａのグラフと部分的に重なっている。

図６および図７に示すように、外気温ＴＡはタイミングｔ１において、冬判定がＯＮになる閾値温度Ｔｈに到達している。燃料電池システム５０１は、タイミングｔ２において走行を終了する。図６に示すように、冬判定の同期を行わない場合、外気温ＴＢが温度Ｔｘに到達するタイミングｔ３において、第２燃料電池ユニット１００Ｂにおける冬判定はＯＦＦのままであるため、掃気処理は開始されず、外気温ＴＡが温度Ｔｘに到達するタイミングｔ４において、第１燃料電池ユニット１００Ａの冬判定はＯＮであるため、掃気処理が開始される。図７に示すように、本実施形態では冬判定の同期を行うため、第２燃料電池ユニット１００Ｂにおける冬判定はＯＮに同期する。そのため、外気温ＴＢが温度Ｔｘに到達するタイミングｔ３において、掃気処理が開始される。なお、第１燃料電池ユニット１００Ａと第２燃料電池ユニット１００Ｂにおける掃気処理は、例えば、同じタイミングｔ３またはタイミングｔ４で開始してもよい。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム５０１によれば、冬判定の結果を同期する。従って、より確実に複数の燃料電池ユニットの冬判定結果が相違してしまう可能性を低減できる。

Ｃ．その他の実施形態：
上記実施形態において、燃料電池システム５００の起動直後に何れかの燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂで掃気処理が必要な場合、例えば、第１アノードガスポンプ６５Ａが凍結している場合、全ての燃料電池ユニットで掃気処理を実行してもよい。

また、上記実施形態において、ＥＣＵ２０Ａ、２０Ｂは、走行終了時に冬判定がＯＦＦであれば（図２、ステップＳ１２０：ＮＯ）、掃気処理を行わない。これに対してＥＣＵ２０Ａ、２０Ｂは、何れかの燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂで掃気処理が必要な場合や、何れかのＥＣＵ２０Ａ、２０Ｂにおいて冬判定処理が行えない場合、例えば、通信不良により外気温Ｔが取得できない場合、走行終了時に全ての燃料電池ユニットで掃気処理を実行してもよい。

また、上記第２実施形態において、各ＥＣＵはそれぞれの温度センサから外気温を取得して冬判定処理を行っている。これに対して、全温度センサの測定した外気温の内で最も低い外気温を用いて冬判定処理を行ってもよい。

本発明は、上述の実施形態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中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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。

１０Ａ、１０Ｂ…燃料電池
２０Ａ、２０Ｂ…ＥＣＵ
３０Ａ、３０Ｂ…カソードガス供給部
３１Ａ、３１Ｂ…カソードガス配管
３３Ａ、３３Ｂ…エアコンプレッサ
３４Ａ、３４Ｂ…開閉弁
４１Ａ、４１Ｂ…カソードオフガス配管
４２Ａ、４２Ｂ…調圧弁
５０Ａ、５０Ｂ…アノードガス供給部
５１Ａ、５１Ｂ…アノードガス配管
５３Ａ、５３Ｂ…アノードガス開閉弁
５５Ａ、５５Ｂ…インジェクタ
６１Ａ、６１Ｂ…アノードオフガス配管
６２Ａ、６２Ｂ…気液分離器
６３Ａ、６３Ｂ…排気排水弁
６４Ａ、６４Ｂ…循環配管
６５Ａ、６５Ｂ…アノードガスポンプ
７０Ａ、７０Ｂ…冷却媒体循環部
７１Ａ、７１Ｂ…冷媒供給管
７２Ａ、７２Ｂ…冷媒排出管
７３Ａ、７３Ｂ…ラジエータ
７４Ａ、７４Ｂ…冷媒ポンプ
７５Ａ、７５Ｂ…三方弁
７６Ａ、７６Ｂ…バイパス管
１００Ａ…第１燃料電池ユニット
１００Ｂ…第２燃料電池ユニット
２００…共用外気温センサ
２１０Ａ…第１外気温センサ
２１０Ｂ…第２外気温センサ
３００…ガスタンク
５００、５０１…燃料電池システム
５５０…車両
Ｔ、ＴＡ、ＴＢ…外気温
Ｔｈ…閾値温度
Ｔｘ…温度
ｔｎ…待機時間

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池とＥＣＵとをそれぞれ含む複数の燃料電池ユニットと、
   前記複数の燃料電池ユニットに共用され、外気温を測定する外気温センサと、を備え、
   各ＥＣＵは、前記外気温センサから前記外気温である第１外気温を取得してから予め定められた待機時間の間は待機し、前記待機時間が経過した後に、前記第１外気温が予め定められた温度以下か否かを判定する冬判定を実行する、燃料電池システム。

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