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
[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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
Claims (6)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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