JP7115250B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムにおいて、燃料である水素ガスを効率よく使用するために、燃料オフガスを燃料ガス供給配管に循環させる循環配管を設け、この循環配管に水素ポンプを設けて、燃料オフガスを循環させる構成が知られている。例えば、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの一端側のエンドプレートの外側の面に水素ポンプを設け、燃料オフガスを循環させている。
特開2014-44797号公報
本開示の発明者は、水素ポンプを燃料電池から離して配置すると、水素ポンプから排出される燃料オフガスの温度が上昇することを見出した。水素ポンプから排出される燃料オフガスの温度が上昇すると、様々な不具合が生じ得る。例えば、水素ポンプの排出口には、通常ガスケットが設けられているが、燃料オフガスの温度が上昇すれば、ガスケットの耐熱温度も高めなければならない。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
[形態1]
本開示の一形態によれば、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、前記燃料電池の燃料ガス供給口に接続されている燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の燃料オフガス排出口と前記燃料ガス供給配管とを接続する循環配管と、前記循環配管に配置され、燃料ガスを前記循環配管に排出するための排出口を備える水素ポンプと、前記排出口に設けられるガスケットと、前記燃料電池から排出される冷却媒体を前記水素ポンプに送出するウォーターポンプと、前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータとして、前記水素ポンプに吸入される燃料ガスの圧力と前記水素ポンプから排出される燃料ガスの圧力との差圧と、前記水素ポンプの回転数と、前記水素ポンプの消費電力とのうち少なくともいずれかを取得する取得部と、前記取得部により取得された前記パラメータが、前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度が予め定められた温度となる閾値よりも大きいか否かにしたがって、前記ウォーターポンプのオンとオフとを切り替える制御部と、を備える。
(1)本開示の一形態によれば、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、前記燃料電池の燃料ガス供給口に接続されている燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の燃料オフガス排出口と前記燃料ガス供給配管とを接続する循環配管と、前記循環配管に配置されている水素ポンプと、前記燃料電池から排出される冷却媒体を前記水素ポンプに送出するウォーターポンプと、前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータを取得する取得部と、前記取得部により取得された前記パラメータにしたがって、前記ウォーターポンプのオンとオフとを切り替える制御部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、水素ポンプと、冷却媒体を水素ポンプに送出するウォーターポンプと、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータを取得する取得部と、取得されたパラメータにしたがってウォーターポンプのオンとオフとを切り替える制御部とを備えるので、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に応じてウォーターポンプのオンとオフとを切り替えることができる。このため、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に応じて、適切に水素ポンプを冷却することができ、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度の上昇を抑制できる。
(2)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記取得部は、前記パラメータとして、さらに、前記冷却媒体の温度を取得してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、パラメータとして、水素ポンプの消費電力と、冷却媒体の温度と、を取得するので、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度を検出するセンサを備えない構成においても、ウォーターポンプのオンとオフとを切り替えることができる。
(3)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記消費電力と、前記冷却媒体の温度と、前記ウォーターポンプの前記オンおよび前記オフとの関係を定めたマップを、さらに備え、前記制御部は、前記マップを用いて、前記ウォーターポンプの前記オンと前記オフとを制御してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、消費電力と、冷却媒体の温度と、ウォーターポンプのオンおよびオフとの関係を定めたマップを用いて、ウォーターポンプのオンとオフとを制御するので、ウォーターポンプのオンとオフとを容易に切り替えることができる。
(4)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記マップにおける前記ウォーターポンプの前記オンと前記オフとの関係は、前記ウォーターポンプが前記オンとなる第1動作点と、前記ウォーターポンプが前記オフとなる第2動作点と、を比較したとき、前記第2動作点は、前記冷却媒体の前記温度と前記消費電力とのうちの少なくともいずれか一方が前記第1動作点より低くてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、マップにおけるウォーターポンプのオンとオフとの関係は、ウォーターポンプがオンとなる第1動作点と、ウォーターポンプがオフとなる第2動作点と、を比較したとき、第2動作点は、冷却媒体の温度と消費電力とのうちの少なくともいずれか一方が第1動作点より低いので、少なくとも、冷却媒体の温度が第2動作点に比べて高い場合、または、消費電力が第2動作点に比べて多い場合には、ウォーターポンプをオンにすることができる。また、冷却媒体の温度が高く、かつ、消費電力が低い場合、あるいは、冷却媒体の温度が低く、かつ、消費電力が高い場合、すなわち、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度が比較的低いうちからウォーターポンプをオンにすることができる。
(5)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素ポンプにおける前記燃料ガスの排出口の前記燃料ガスの温度を推定する推定部を、さらに備え、前記制御部は、前記推定部により推定された前記燃料ガスの温度が予め定められた閾値よりも高い場合、前記ウォーターポンプを前記オンにし、前記推定部により推定された前記燃料ガスの温度が前記閾値以下である場合には、前記ウォーターポンプを前記オフにしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、水素ポンプにおける燃料ガスの排出口の燃料ガスの温度を推定する推定部を、さらに備え、制御部は、推定された燃料ガスの温度が予め定められた閾値よりも高い場合、ウォーターポンプをオンにし、推定された燃料ガスの温度が閾値以下である場合には、ウォーターポンプをオフにするので、水素ポンプにおける燃料ガスの排出口の燃料ガスの温度を検出するセンサを備えない構成においても、ウォーターポンプのオンとオフとを切り替えることができる。また、かかるセンサを備えないことにより、燃料電池システムを簡素化できる。
(6)本開示の他の形態によれば、燃料電池システムの制御方法が提供される。この制御方法は、燃料電池と、前記燃料電池の燃料ガス供給口に接続されている燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の燃料オフガス排出口と前記燃料ガス供給配管とを接続する循環配管と、前記循環配管に配置され、燃料ガスを前記循環配管に排出するための排出口を備える水素ポンプと、前記排出口に設けられるガスケットと、前記燃料電池から排出される冷却媒体を前記水素ポンプに送出するウォーターポンプと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータとして、前記水素ポンプに吸入される燃料ガスの圧力と前記水素ポンプから排出される燃料ガスの圧力との差圧と、前記水素ポンプの回転数と、前記水素ポンプの消費電力とのうち少なくともいずれかを取得する工程と、取得された前記パラメータが、前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度が予め定められた温度となる値よりも大きいか否かにしたがって、前記ウォーターポンプのオンとオフとを切り替える工程と、を備える。
この形態の燃料電池システムの制御方法によれば、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータを取得し、取得されたパラメータにしたがってウォーターポンプのオンとオフとを切り替えるので、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に応じてウォーターポンプのオンとオフとを切り替えることができる。このため、水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に応じて、適切に水素ポンプを冷却することができ、水素ポンプから排出される燃料ガスの上昇を抑制できる。
本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法、水素ポンプの冷却方法等の形態で実現できる。
燃料電池システムの構成を示す概略図。 水素ポンプの構成の一例を示す概略斜視図。 水素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。 水素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。 水素ポンプ冷却処理の処理手順を示すフローチャート。 ウォーターポンプの作動範囲を示すマップの一例を示す説明図。 水素ポンプの消費電力と水素ポンプの排出ガス温度との関係を示す説明図。 第2実施形態における燃料電池システムの構成を示す概略図。 第2実施形態における水素ポンプ冷却処理の処理手順を示すフローチャート。
A.第1実施形態:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム100の構成を示す概略図である。燃料電池システム100は、例えば、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100は、燃料電池10と、酸化剤ガス供給排出部30と、燃料ガス供給排出部50と、冷却媒体循環部70と、水素ポンプ冷却部40と、制御装置20とを備える。
燃料電池10は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池10は、複数のセルが積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、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一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。
酸化剤ガス供給排出部30は、酸化剤ガスとしての空気を外気から取り入れて燃料電池10に供給し、酸化オフガスを燃料電池10から外部へと排出する。酸化剤ガス供給排出部30は、酸化剤ガス配管31と、エアコンプレッサ32と、分流弁33と、カソードバイパス配管34と、カソード調圧弁35と、酸化オフガス配管36とを備える。
酸化剤ガス配管31は、燃料電池10の内部に形成された酸化剤ガス供給マニホールドと連通する。エアコンプレッサ32は、酸化剤ガス配管31に設けられ、制御装置20からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮して燃料電池10に供給する。分流弁33は、酸化剤ガス配管31とカソードバイパス配管34との接続箇所に配置されている。分流弁33は、エアコンプレッサ32から供給される空気のうち、燃料電池10へと供給される流量と、カソードバイパス配管34へと供給される流量とを調整する。カソードバイパス配管34は、分流弁33の開度に応じてエアコンプレッサ32から供給される圧縮空気の少なくとも一部を、酸化オフガス配管36へと導く。
酸化オフガス配管36は、燃料電池10の内部に形成された酸化オフガス排出マニホールドと連通する。酸化オフガス配管36は、各セルから排出される酸化オフガスを燃料電池システム100の外部へと排出する。酸化オフガスには、空気の他に、燃料電池10の発電により生じた生成水が含まれる。カソード調圧弁35は、制御装置20からの制御信号に応じて、酸化オフガス配管36における酸化オフガスの圧力を調整する。
燃料ガス供給排出部50は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池10に供給し、燃料オフガスを燃料電池10から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部50は、燃料ガス供給配管51と、水素ガスタンク52と、開閉弁53と、アノード調圧弁54と、インジェクタ55と、燃料オフガス配管61と、気液分離器62と、排気排水弁63と、排気排水配管64と、循環配管65と、水素ポンプ200とを備える。
燃料ガス供給配管51は、水素ガスタンク52と燃料電池10の内部に形成された燃料ガス供給マニホールドとを接続し、水素ガスタンク52内の水素ガスおよび水素ポンプ200から送られる水素ガスを燃料電池10に供給する。開閉弁53、アノード調圧弁54、およびインジェクタ55は、この順序で水素ガスタンク52から燃料電池10に向かって燃料ガス供給配管51に配置されている。
開閉弁53は、制御装置20からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク52からインジェクタ55への水素ガスの流入を制御する。燃料電池システム100の停止時には開閉弁53は閉じられる。アノード調圧弁54は、制御装置20からの制御信号に応じて、インジェクタ55に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ55は、制御装置20からの制御信号に応じて、制御装置20が設定した駆動周期および開閉時間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池10に供給すると共にその供給量を調整する。
燃料オフガス配管61は、燃料電池10の内部に形成された燃料オフガス排出マニホールドと気液分離器62とを接続する。燃料オフガス配管61は、燃料電池10から燃料オフガスを排出するための流路である。燃料オフガスには、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガス、燃料電池10の発電により生じた生成水が含まれる。燃料オフガス配管61は、燃料オフガスを気液分離器62へと誘導する。
気液分離器62は、燃料オフガス配管61と循環配管65との間に接続されている。気液分離器62は、燃料オフガス配管61内の燃料オフガスに含まれる水素ガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管65へ流入させ、水を貯留する。
排気排水弁63は、気液分離器62の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁63は、制御装置20からの制御信号に応じて開閉し、気液分離器62により分離された水および燃料オフガスに含まれている窒素ガス等の不純物ガスを排気排水配管64へ排出する。循環配管65は、インジェクタ55よりも下流側において燃料ガス供給配管51と接続している。循環配管65には、制御装置20からの制御信号に応じて駆動される水素ポンプ200が配置されている。
水素ポンプ200は、制御装置20からの制御信号に応じて作動し、気液分離器62において分離されたガス(水素ガスを含むガス)を燃料ガス供給配管51に送り出す。燃料電池システム100では、燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池10に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。水素ポンプ200には、シリンダ流路250が設けられている。シリンダ流路250には、後述の水素ポンプ冷却部40により供給される冷却媒体が流通する。水素ポンプ200の構成については、後述する。
本実施形態において、水素ポンプ200の駆動力である回転量および流量は、制御装置20が水素ポンプ200に供給する電力から求めることができる。この駆動力は、制御装置20から水素ポンプ200に供給される電圧および電流、あるいは、制御装置20に入力される電圧および電流を、電圧/電流センサ(不図示)によって検出することによって求められる。
冷却媒体循環部70は、燃料電池10を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池10の温度を調整する。本実施形態では、冷却媒体としてエチレングリコール等の不凍水が用いられる。なお、不凍水に限らず、水、空気等を冷却媒体として用いてもよい。冷却媒体循環部70は、冷却媒体供給配管71と、冷却媒体排出配管72と、ラジエータ73と、循環ポンプ74と、三方弁75と、冷却媒体バイパス配管76と、温度取得部77とを備える。
冷却媒体供給配管71は、燃料電池10の内部に形成された冷却媒体供給マニホールドに接続されている。冷却媒体排出配管72は、燃料電池10の内部に形成された冷却媒体排出マニホールドに接続されている。ラジエータ73は、冷却媒体排出配管72と冷却媒体供給配管71とに接続されており、冷却媒体排出配管72から流入する冷却媒体を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給配管71へと排出する。
循環ポンプ74は、冷却媒体供給配管71に配置され、循環ポンプ74の駆動力によって冷却媒体を燃料電池10に圧送する。三方弁75は、ラジエータ73と冷却媒体バイパス配管76への冷却媒体の流量を調節する。温度取得部77は、冷却媒体排出配管72と、水素ポンプ冷却部40の冷却媒体供給配管41と、の接続部78の上流側の位置に設けられている。温度取得部77は、冷却媒体排出配管72内の冷却媒体の温度を測定し、制御装置20に送信する。
水素ポンプ冷却部40は、水素ポンプ200のシリンダ流路250に冷却媒体を流通させることによって、水素ポンプ200のシリンダ(ハウジング)を冷却する。水素ポンプ冷却部40は、冷却媒体供給配管41と、冷却媒体還流配管42と、三方弁44と、冷却媒体バイパス配管43と、ウォーターポンプ45とを備える。
冷却媒体供給配管41は、冷却媒体循環部70の冷却媒体排出配管72との接続部(以下、「分岐位置」とも呼ぶ)78と、水素ポンプ200のシリンダ流路250の入口とを接続する。冷却媒体供給配管41は、冷却媒体循環部70と同様の冷却媒体で満たされている。冷却媒体還流配管42は、水素ポンプ200のシリンダ流路250の出口と、分岐位置78よりも下流側の接続部(以下、「合流位置」とも呼ぶ)79とを接続する。冷却媒体還流配管42は、冷却媒体供給配管41と同様に、冷却媒体循環部70と同様の冷却媒体で満たされている。
三方弁44は、分岐位置78とウォーターポンプ45との間に設けられている。三方弁44は、制御装置20の制御信号に応じて、分岐位置78から冷却媒体供給配管41に流入した冷却媒体のうち、水素ポンプ200へと供給される流量と、冷却媒体バイパス配管43へと供給される流量とを調整する。冷却媒体バイパス配管43は、三方弁44の開度に応じて冷却媒体供給配管41から供給される冷却媒体の一部を、冷却媒体還流配管42へと導く。ウォーターポンプ45は、制御装置20から供給される電力に応じた一定の回転数で駆動し、回転数に応じた流量で冷却媒体を冷却媒体供給配管41および冷却媒体還流配管42に流通させる。
制御装置20は、燃料電池システム100を全体制御する。制御装置20は、CPU21と、メモリ25とを備えている。CPU21は、メモリ25に予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御部22および取得部23として機能する。
制御部22は、エアコンプレッサ32や水素ポンプ200等の制御装置20と電気的に接続されている各構成要素の駆動および停止を制御することにより、燃料電池10の運転を制御する。本実施形態において、制御部22は、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度の上昇を抑制するために、後述の水素ポンプ冷却処理を実行してウォーターポンプ45の駆動制御を行う。燃料電池システム100では、水素ポンプ冷却処理が実行されることにより、水素ポンプ200を冷却することができる。
取得部23は、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータを取得する。本実施形態において、取得部23は、上述のパラメータとして、水素ポンプ200の消費電力および冷却媒体の温度を取得する。取得部23は、制御部22から水素ポンプ200に供給される電圧および電流を用いて消費電力を取得し、温度取得部77から冷却媒体の温度を取得する。
メモリ25には、マップ26が予め格納されている。マップ26には、水素ポンプ200の消費電力と、冷却媒体の温度と、ウォーターポンプ45のオンおよびオフとの関係が定められている。後述の水素ポンプ冷却処理では、マップ26を利用してウォーターポンプ45の駆動が制御される。マップ26についての詳細な説明は、後述する。
以上説明した燃料電池システム100には、上述の構成の他、燃料電池10から出力される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、図示および説明を省略する。また、本実施形態において、上述の燃料ガス供給マニホールドは、課題を解決するための手段における燃料ガス供給口の下位概念に相当する。また、燃料オフガス排出マニホールドは、課題を解決するための手段における燃料オフガス排出口の下位概念に相当する。
A2.水素ポンプの詳細構成:
図2は、水素ポンプ200の構成の一例を示す概略斜視図である。水素ポンプ200は、ルーツ式のポンプ(ルーツポンプ)であり、モータ部210と、一対のロータを有するポンプ部230と、ポンプ部230の一対のロータとモータ部210とを繋ぐギア部220とを備える。
図3は、水素ポンプ200を構成するポンプ部230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、水素ポンプ200を構成するポンプ部230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2、図3および図4に示すように、ポンプ部230は、シリンダ240と、一対のロータ260とを有する。シリンダ240は、一対の側壁部244、246と、これらの側壁部244、246の周辺同士を繋ぐように設けられた周壁部242と、を有する。側壁部244と周壁部242との間には、ガスケット245aが配置されている。ガスケット245aは、側壁部244と同様な外観形状を有する弾性部材である。ガスケット245aは、側壁部244の内表面に圧接させられ、側壁部244と周壁部242との間の隙間をシールする。本実施形態において、ガスケット245aは、エチレンプロピレン共重合体ゴム(EPDM)により形成されている。
図3に示すように、シリンダ240は、ポンプ室247を有する。ポンプ室247は、側壁部244、246と周壁部242とに囲われた、シリンダ240内部の密閉空間である。シリンダ240は、周壁部242の対向する位置に、吸入口248と排出口249とを有する。吸入口248は、循環配管65のうちの気液分離器62と水素ポンプ200とを繋ぐ部分65a(図1)に接続されており、排出口249は、循環配管65のうちの燃料ガス供給配管51に合流する部分65b(図1)に接続されている。
排出口249と循環配管65の部分65bとが接続する部分には、ガスケット245bが配置されている。ガスケット245bは、略円形の断面形状を有する環状の弾性部材である。ガスケット245bは、排出口249と循環配管65との間の気密性を高めるために用いられる。ガスケット245bは、水素ポンプ200に循環配管65が装着(圧入)される際に、排出口249の外表面に圧接させられ、排出口249の外表面と循環配管65の外表面、より正確には循環配管65のうちの燃料ガス供給配管51に合流する部分65bの外表面との間の隙間をシールする。本実施形態において、ガスケット245bは、ガスケット245aと同様に、エチレンプロピレン共重合体ゴム(EPDM)により形成されている。したがって、ガスケット245a、245bは、約130℃の耐熱性を有する。
図3および図4に示すように、一対のロータ260は、シリンダ240のポンプ室247内に収容されている。ロータ260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270を有している。回転軸270は、シリンダ240の側壁部244に回転可能に支持されている。一対のロータ260は、互いに噛み合わされた状態でポンプ室247内に収容されている。ロータ260の回転軸270に直交する端面264、266は、シリンダ240の側壁部244、246と対向配置されている。
図2に示すように、シリンダ240の一方の側壁部244には、冷却媒体を流通させるためのシリンダ流路250が設けられている。シリンダ流路250の一方端252には、冷却媒体供給配管41が接続され、他方端254には、冷却媒体還流配管42が接続されている。シリンダ240は、シリンダ流路250に冷却媒体を流通させることによって冷却される。なお、シリンダ流路250に冷却媒体を流通させる処理については、後述する。
図2および図4に示すように、シリンダ240の他方の側壁部246の外側には、ギア部220が取り付けられている。図4に示すように、ギア部220は、一対のギア222を有している。ギア222は、互いに噛み合わされた状態で、ポンプ部230のロータ260から延びる回転軸270に固定されている。
図2に示すように、モータ部210は、ギア部220におけるポンプ部230とは反対側に取り付けられている。図4に示すように、モータ部210は、駆動軸212を有する。駆動軸212は、ポンプ部230の一方のロータ260の回転軸270に連結されている。モータ部210は、制御装置20から電力が供給されることにより駆動軸212を回転させる。
上記構造の水素ポンプ200は、モータ部210が駆動することで駆動軸212が回転されると、この駆動軸212に連結された回転軸270が回転される。このとき、この回転軸270に設けられた一方のギア222および一方のロータ260が回転する。また、一方のギア222が回転されることで、他方のギア222が反対方向へ回転される。これにより、他方のギア222が固定された他方の回転軸270が一方の回転軸270と反対方向へ回転され、これに応じて、他方のロータ260が一方のロータ260とは反対方向へ回転される。この結果、ポンプ室247内における一対のロータ260の回転により、燃料ガスである水素ガスが吸入口248からポンプ室247内へ吸入され、排出口249からポンプ室247外へ排出される。これにより、燃料電池10から排出された燃料オフガスに含まれる水素ガスが循環配管65を移送され、燃料ガスとして再度燃料電池10へ供給される。
A3.水素ポンプ冷却処理:
図5は、水素ポンプ冷却処理の処理手順を示すフローチャートである。水素ポンプ冷却処理は、ウォーターポンプ45を駆動して、水素ポンプ200の排出口249側の温度を所定の温度以上とならないようにするために行われる。燃料電池システム100では、車両全体の制御をする上位のECU(Electronic Control Unit)からイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったことを示す信号が送信され、かかる信号が制御装置20において受信されると、図5に示す水素ポンプ冷却処理が実行される。水素ポンプ冷却処理は、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられるまでの間、所定のインターバルで繰り返し実行される。所定のインターバルは、例えば、60秒としてもよい。
取得部23は、温度取得部77から冷却媒体の温度を取得する(ステップS105)。次に、取得部23は、水素ポンプ200の消費電力を取得する(ステップS110)。なお、ステップS105およびステップS110は、任意の順序で実行されてもよいし、同時に実行されてもよい。次に、制御部22は、メモリ25に予め格納されているマップ26を用いて、取得した冷却媒体の温度および水素ポンプ200の消費電力が、ウォーターポンプ45の作動範囲に含まれるか否かを判定する(ステップS115)。本実施形態において、「ウォーターポンプ45の作動範囲」とは、マップ26に定められているウォーターポンプ45がオンとなる動作点の集合からなる領域を意味する。以下、マップ26の構成とともに説明する。
図6は、ウォーターポンプ45の作動範囲WRを示すマップ26の一例を示す説明図である。図6において、横軸は冷却媒体の温度を示し、縦軸は水素ポンプ200の消費電力を示している。図6に示すように、ウォーターポンプ45の作動範囲WRは、冷却媒体の温度と水素ポンプ200の消費電力との関係に基づき定められている。すなわち、マップ26には、冷却媒体の温度と水素ポンプ200の消費電力とに応じた動作点が定められている。図6に示すように、マップ26には、作動範囲WRに含まれる第1動作点D1と、作動範囲WRに含まれない第2動作点D2と、が定められている。なお、各動作点D1およびD2は、一例であり、マップ26には、冷却媒体の温度と水素ポンプ200の消費電力とに応じた動作点が多数定められている。
図6に示すように、作動範囲WRは、冷却媒体の温度が高い場合に比べて、冷却媒体が低いほど水素ポンプ200の消費電力が低い領域が少なくなるように定められている。また、作動範囲WRは、冷却媒体の温度が低い場合に比べて、冷却媒体の温度が高いほど水素ポンプ200の消費電力が低い領域が多くなるように定められている。作動範囲WRに含まれていない第2動作点D2は、作動範囲WRに含まれている第1動作点D1に比べて、水素ポンプ200の消費電力と、冷却媒体の温度とのうちのいずれも第1動作点D1よりも低い。
マップ26は、水素ポンプ200の排出口249の温度を所望の範囲に制御できればよく、実験等により任意に定めることができる。いずれの場合でも、ウォーターポンプ45を動作させるマップ26上の第1動作点D1と、ウォーターポンプ45を停止するマップ26上の第2動作点D2と、を比較すると、第2動作点D2において、水素ポンプ200の消費電力と、冷却媒体の温度とのうち、少なくともいずれか一方が低いという関係になっている。このマップ26は、以下で説明するように、水素ポンプ200の消費電力と、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度との関係に基づいて、実験により算出される。以降の説明では、水素ポンプ200から排出される燃料ガスを、「排出ガス」と呼ぶ。
図7は、水素ポンプ200の消費電力と水素ポンプ200の排出ガス温度との関係を示す説明図である。図7において、横軸は水素ポンプ200の消費電力を示し、縦軸は水素ポンプ200の排出ガス温度を示している。図7は、水素ポンプ200の吸入口248に吸入する燃料ガス(以下、「吸入ガス」と呼ぶ)の温度が第1温度である場合に、水素ポンプ200の回転数を第1回転数、第2回転数および第3回転数としたときの各排出ガス温度と、吸入ガス温度が第2温度、第3温度および第4温度である場合に、水素ポンプ200の回転数を第1回転数としたときの各排出ガス温度と、を示している。なお、吸入ガスの温度は、冷却媒体の温度と連動して変化するとともに冷却媒体の温度よりも低いことから、冷却媒体の温度を吸入ガスの温度として用いている。第1温度、第2温度、第3温度および第4温度は、この順番に高く、第1回転数、第2回転数および第3回転数は、この順番に高い。
ここで、本開示の発明者は、種々の実験の結果により、以下の3つのことを見出した。
(1)水素ポンプ200が燃料電池10から離れた位置に設けられる場合、水素ポンプ200の排出口249における燃料ガスの圧力を維持するために燃料ガスを断熱圧縮することによって、排出口249において燃料ガスの温度が上昇すること
(2)水素ポンプ200の消費電力が低く、水素ポンプ200の回転数が少ない方が、水素ポンプ200の排出ガスの温度が上昇しやすいこと
(3)吸入ガスの圧力を225キロパスカルに固定したとき、吸入ガスの圧力と排出ガスの圧力との差圧が58キロパスカルとなる辺りで、排出ガス温度が、ガスケット245bの耐熱温度である約130℃を超過すること
図7に示す消費電力と排出ガス温度との関係において、上述の差圧が58キロパスカルとなる水素ポンプ200の回転数は、いずれも第1回転数である。このとき、第1回転数に対応する消費電力を求めることで、図6に示すマップ26を得ることができる。なお、図7において破線に示すように、吸入ガスの圧力と排出ガスの圧力との差圧に対して、水素ポンプ200の消費電力および排出ガス温度は、線形に増加することが理解できる。
図5に戻り、上述のステップS115では、制御部22は、マップ26に対して、取得した冷却媒体の温度および水素ポンプ200の消費電力を照らし合わせることで、その冷却媒体の温度および水素ポンプ200の消費電力に応じた動作点を読み出して、かかる動作点がウォーターポンプ45の作動範囲WRに含まれているか否かを判定する。作動範囲WRに含まれていると判定された場合(ステップS115:YES)、制御部22は、ウォーターポンプ45をオンにする(ステップS120)。その結果、ウォーターポンプ45から水素ポンプ200に対して冷却媒体が送出され、冷却媒体がシリンダ流路250内を流通することによって、水素ポンプ200が冷却されることになる。他方、上述のステップS115において、作動範囲WRに含まれていないと判定された場合(ステップS115:NO)、制御部22は、ウォーターポンプ45をオフにする(ステップS125)。
ステップS120またはステップS125の実行後、制御部22は、水素ポンプ冷却処理を終了し、所定のインターバルが経過した後、再び水素ポンプ冷却処理を開始して、上述のステップS105を実行する。
以上の構成を有する第1実施形態の燃料電池システム100によれば、水素ポンプ200と、冷却媒体を水素ポンプ200に送出するウォーターポンプ45と、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータである水素ポンプ200の消費電力および冷却媒体の温度を取得する取得部23と、取得されたパラメータにしたがってウォーターポンプ45のオンとオフとを切り替える制御部22とを備えるので、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度に応じてウォーターポンプ45のオンとオフとを切り替えることができる。このため、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度に応じて、適切に水素ポンプ200を冷却することができ、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度の上昇を抑制できる。
また、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータとして、水素ポンプ200の消費電力と、冷却媒体の温度とを取得するので、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度を検出するセンサを備えない構成においても、ウォーターポンプ45のオンとオフとを切り替えることができる。
加えて、水素ポンプ200の消費電力と、冷却媒体の温度と、ウォーターポンプ45のオンおよびオフとの関係を定めたマップ26を用いて、ウォーターポンプ45のオンとオフとを制御するので、ウォーターポンプ45のオンとオフとを容易に切り替えることができる。また、マップ26におけるウォーターポンプ45のオンとオフとの関係は、ウォーターポンプ45がオンとなる第1動作点D1と、ウォーターポンプ45がオフとなる第2動作点D2と、を比較したとき、第2動作点D2は、冷却媒体の温度と消費電力とのうちの少なくともいずれか一方が第1動作点D1より低いので、少なくとも、冷却媒体の温度が第2動作点D2に比べて高い場合、または、消費電力が第2動作点に比べて多い場合には、ウォーターポンプ45をオンにすることができる。また、冷却媒体の温度が高く、かつ、消費電力が低い場合、あるいは、冷却媒体の温度が低く、かつ、消費電力が高い場合、すなわち、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度が比較的低いうちからウォーターポンプ45をオンにすることができる。
B.第2実施形態:
図8は、第2実施形態における燃料電池システム100aの構成を示す概略図である。図8および以降の説明では、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を用い、説明を省略する。第2実施形態における燃料電池システム100aが第1実施形態における燃料電池システム100と異なる点は、制御装置20に代えて、制御装置20aを備える点である。制御装置20aは、CPU21に代えてCPU21aを備える点と、メモリ25に代えてメモリ25aを備える点と、において、制御装置20と異なる。CPU21aは、推定部24として機能する点において、CPU21と異なる。メモリ25aは、マップ26を省略する点において、メモリ25と異なる。
推定部24は、冷却媒体の温度と、水素ポンプ200の消費電力とを用いて、下記式(1)により水素ポンプ200の排出ガスの温度T2を推定する。
Figure 0007115250000001
上記式(1)において、T1は冷却媒体の温度であり、P1は水素ポンプ200の吸入口248における燃料ガスの圧力であり、P2は水素ポンプ200の排出口249における燃料ガスの圧力であり、rは燃料ガスの比熱比である。
ここで、図8に示すように、燃料電池システム100aにおいて、水素ポンプ200には圧力センサが設けられていない。そこで、本実施形態では、水素ポンプ200の吸入口248における燃料ガスの圧力(P1)、および水素ポンプ200の排出口249における燃料ガスの圧力(P2)として、水素ポンプ200の消費電力を用いている。これは、水素ポンプ200の圧力は、水素ポンプ200の回転数に応じて定まり、水素ポンプ200の消費電力は、水素ポンプ200の回転数および水素ポンプ200の圧力に応じて定まるためである。したがって、上記式(1)における変数P1、P2には、上述のステップS110において取得した水素ポンプ200の消費電力が用いられる。推定部24により推定された排出ガスの温度は、ウォーターポンプ45のオン、オフを制御する際に用いられる。
図9は、第2実施形態における水素ポンプ冷却処理の処理手順を示すフローチャートである。第2実施形態における水素ポンプ冷却処理は、ステップS115を省略する点と、ステップS117およびステップS118を追加して実行する点と、において第1実施形態における水素ポンプ冷却処理と異なる。
図9に示すように、水素ポンプ200の消費電力が取得されると(ステップS110)、推定部24は、水素ポンプ200の排出ガス温度を推定する(ステップS117)。上述のように、推定部24は、上述のステップS105、S110において取得した冷却媒体の温度および水素ポンプ200の消費電力と、上記式(1)とを用いて、水素ポンプ200の排出ガス温度を推定する。
次に、制御部22は、推定された排出ガス温度が予め定められた閾値より高いか否かを判定する(ステップS118)。本実施形態において、「予め定められた閾値」は、130℃に設定されている。なお、閾値は、130℃に代えて、125℃から135℃までの範囲における他の任意の温度が設定されていてもよい。推定された排出ガス温度が閾値よりも高い場合、制御部22は、ウォーターポンプ45をオンにする(ステップS120)。他方、推定された排出ガス温度が閾値以下である場合には、制御部22は、ウォーターポンプ45をオフにする(ステップS125)。
以上の構成を有する第2実施形態の燃料電池システム100aによれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。加えて、水素ポンプ200における燃料ガスの排出口249の燃料ガスの温度を推定する推定部24を、さらに備え、制御部22は、推定された燃料ガスの温度が予め定められた閾値よりも高い場合、ウォーターポンプ45をオンにし、推定された燃料ガスの温度が閾値以下である場合には、ウォーターポンプ45をオフにするので、水素ポンプ200における燃料ガスの排出口249の燃料ガスの温度を検出するセンサを備えない構成においても、ウォーターポンプ45のオンとオフとを切り替えることができる。また、かかるセンサを備えないことにより、燃料電池システム100aを簡素化できる。
C.他の実施形態:
C1.他の実施形態1:
上記各実施形態において、水素ポンプ200の排出ガスの温度を取得して、ウォーターポンプ45のオンとオフとを制御してもよい。具体的には、燃料電池システム100は、水素ポンプ200の排出口249近傍における排出ガスの温度を検出するセンサを備え、制御部22は、かかるセンサにより検出される排出ガスの温度が所定の閾値より高いか否かを判定することにより、ウォーターポンプ45のオンとオフとを制御してもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。
C2.他の実施形態2:
上記第1実施形態において、制御部22は、マップ26を用いてウォーターポンプ45のオンとオフとを制御していたが、本開示はこれに限定されない。例えば、制御部22は、マップ26に代えて、図7に示す水素ポンプ200の消費電力と水素ポンプ200の排出ガスの温度との関係に基づいて、ウォーターポンプ45のオンとオフとを制御してもよい。具体的には、制御部22は、水素ポンプ200の回転数および消費電力を取得し、図7に示す関係に照らして水素ポンプ200の排出ガスの温度を算出し、算出された排出ガスの温度が閾値である130℃を超えるか否かを判定することにより、ウォーターポンプ45のオンとオフとを制御してもよい。このような構成においても、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
C3.他の実施形態3:
上記第1実施形態において、水素ポンプ200の排出ガスの温度に対応したパラメータとして、冷却媒体の温度および水素ポンプ200の消費電力を取得していた。また、上記他の実施形態1において、水素ポンプ200の排出ガスの温度に対応したパラメータとして、水素ポンプ200の排出ガスの温度を取得していた。これに対して、水素ポンプ200の排出ガスの温度に対応したパラメータとして、水素ポンプ200の回転数および冷却媒体の温度を取得してもよい。すなわち、一般には、水素ポンプ200から排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータを取得し、かかるパラメータに基づいて、ウォーターポンプ45のオンとオフとを切り替える制御を行う構成であれば、上記第1実施形態および他の実施形態1と同様の効果を奏する。
C4.他の実施形態4:
上記各実施形態において、水素ポンプ200の排出口249と循環配管65の部分65bとが接続する部分の気密性を高める部材として、ガスケット245bに代えてメタルシールを用いてもよい。かかる構成においても、水素ポンプ200の排出ガスの温度に対応するパラメータを用いてウォーターポンプ45のオンとオフとを制御することで、水素ポンプ200の排出口249側の温度を所定の温度以上とならないように制御できる。
本開示は、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。
D1…第1動作点、D2…第2動作点、10…燃料電池、20、20a…制御装置、21、21a…CPU、22…制御部、23…取得部、24…推定部、25、25a…メモリ、26…マップ、30…酸化剤ガス供給排出部、31…酸化剤ガス配管、32…エアコンプレッサ、33…分流弁、34…カソードバイパス配管、35…カソード調圧弁、36…酸化オフガス配管、40…水素ポンプ冷却部、41…冷却媒体供給配管、42…冷却媒体還流配管、43…冷却媒体バイパス配管、44…三方弁、45…ウォーターポンプ、50…燃料ガス供給排出部、51…燃料ガス供給配管、52…水素ガスタンク、53…開閉弁、54…アノード調圧弁、55…インジェクタ、61…燃料オフガス配管、62…気液分離器、63…排気排水弁、64…排気排水配管、65…循環配管、65a、65b…循環配管の部分、70…冷却媒体循環部、71…冷却媒体供給配管、72…冷却媒体排出配管、73…ラジエータ、74…循環ポンプ、75…三方弁、76…冷却媒体バイパス配管、77…温度取得部、78…分岐位置、79…合流位置、100、100a…燃料電池システム、200…水素ポンプ、210…モータ部、212…駆動軸、220…ギア部、222…ギア、230…ポンプ部、240…シリンダ、242…周壁部、244…側壁部、245a、245b…ガスケット、246…側壁部、247…ポンプ室、248…吸入口、249…排出口、250…シリンダ流路、252…一方端、254…他方端、260…ロータ、264…端面、270…回転軸、WR…作動範囲

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池の燃料ガス供給口に接続されている燃料ガス供給配管と、
    前記燃料電池の燃料オフガス排出口と前記燃料ガス供給配管とを接続する循環配管と、
    前記循環配管に配置され、燃料ガスを前記循環配管に排出するための排出口を備える水素ポンプと、
    前記排出口に設けられるガスケットと、
    前記燃料電池から排出される冷却媒体を前記水素ポンプに送出するウォーターポンプと、
    前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータとして、前記水素ポンプに吸入される燃料ガスの圧力と前記水素ポンプから排出される燃料ガスの圧力との差圧と、前記水素ポンプの回転数と、前記水素ポンプの消費電力とのうち少なくともいずれかを取得する取得部と、
    前記取得部により取得された前記パラメータが、前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度が予め定められた温度となる閾値よりも大きいか否かにしたがって、前記ウォーターポンプのオンとオフとを切り替える制御部と、
    を備える、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、
    前記取得部は、前記パラメータとして、さらに、前記冷却媒体の温度を取得する、燃料電池システム。
  3. 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
    前記消費電力と、前記冷却媒体の温度と、前記ウォーターポンプの前記オンおよび前記オフとの関係を定めたマップを、さらに備え、
    前記制御部は、前記マップを用いて、前記ウォーターポンプの前記オンと前記オフとを制御する、燃料電池システム。
  4. 請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記マップにおける前記ウォーターポンプの前記オンと前記オフとの関係は、
    前記ウォーターポンプが前記オンとなる第1動作点と、前記ウォーターポンプが前記オフとなる第2動作点と、を比較したとき、前記第2動作点は、前記冷却媒体の前記温度と前記消費電力とのうちの少なくともいずれか一方が前記第1動作点より低い、
    燃料電池システム。
  5. 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記水素ポンプにおける前記燃料ガスの排出口の前記燃料ガスの温度を推定する推定部を、さらに備え、
    前記制御部は、
    前記推定部により推定された前記燃料ガスの温度が前記閾値よりも高い場合、前記ウォーターポンプを前記オンにし、
    前記推定部により推定された前記燃料ガスの温度が前記閾値以下である場合には、前記ウォーターポンプを前記オフにする、
    燃料電池システム。
  6. 燃料電池と、前記燃料電池の燃料ガス供給口に接続されている燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の燃料オフガス排出口と前記燃料ガス供給配管とを接続する循環配管と、前記循環配管に配置され、燃料ガスを前記循環配管に排出するための排出口を備える水素ポンプと、前記排出口に設けられるガスケットと、前記燃料電池から排出される冷却媒体を前記水素ポンプに送出するウォーターポンプと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度に対応したパラメータとして、前記水素ポンプに吸入される燃料ガスの圧力と前記水素ポンプから排出される燃料ガスの圧力との差圧と、前記水素ポンプの圧力と、前記水素ポンプの回転数と、前記水素ポンプの消費電力とのうち少なくともいずれかを取得する工程と、
    取得された前記パラメータが、前記水素ポンプから排出される燃料ガスの温度が予め定められた温度となる閾値よりも大きいか否かにしたがって、前記ウォーターポンプのオンとオフとを切り替える工程と、
    を備える、制御方法。
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