JP7402130B2 - 燃料電池システムの温度推定方法及び燃料電池システム - Google Patents

Description

この開示は、燃料電池システムの温度推定方法及び燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、酸素を含む空気と水素とを供給された燃料電池スタックにおいて酸素と水素を結合させることにより発電を行う。

この燃料電池システムの燃料ガスの循環路において、燃料ガスと生成水とを分離して排気と排水とを行う排気排水弁と呼ばれる補機が、燃料電池スタックに取り付けられている。この排気排水弁には生成水が溜まっており、氷点下等の低温環境下で燃料電池システムの停止状態が長く続いた場合には、排気排水弁が凍結する。これにより、燃料電池システムの正常な始動が妨げられる恐れがある。なお、燃料電池システムが稼働中であっても、低温環境下の場合、排気排水弁が凍結する可能性がある。また、排気排水弁に限らず、他の補機についても、同様に不具合が生じる可能性がある。従って、補機の温度を精度良く推定する必要がある。

補機の温度を検出するために燃料電池ユニット内にセンサを設けると、燃料電池システムのコストが上昇する問題がある。そこで、燃料電池システムにおいて、外気温センサで検知された外気温を利用して、補機の温度を推定する手法が、特許文献１に提案されている。

特開２００８－１４７１０２号公報

しかし、特許文献１の方法では、燃料電池ユニットの外周面がパネル部材または部品で覆われている構成の場合、外気温の利用による補機の温度推定には誤差が生じる。また、ラジエータ等の冷却部により燃料電池スタックが冷却されている場合、ラジエータファンにより生成される冷却風の影響があるため、外気温を用いて補機の温度を精度良く推定することはできない。

本開示は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、燃料電池ユニットが仕切りの内側に設けられ、冷却部により燃料電池スタックを冷却している場合に、燃料電池ユニット内にセンサを設けることなく、補機の温度を精度良く推定することが可能な燃料電池システムの温度推定方法及び燃料電池システムを提供することにある。

本開示の燃料電池システムの温度推定方法は、燃料電池スタック、冷却部、及び補機を備える燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを制御する制御部と、を有する燃料電池システムの温度推定方法であって、補機を、燃料電池ユニットの内側において、冷却部により生成される冷却風の流路に配置し、制御部により、燃料電池スタックの温度と補機の温度との温度差に対応する蓄熱の第１時定数、及び補機の温度と燃料電池ユニット外の温度との温度差に対応する放熱の第２時定数を用いて、燃料電池スタックからの蓄熱の影響と、冷却風による放熱の影響とに応じて、補機の温度変化を推定し、燃料電池スタックの発電量に応じて第１時定数τ１を設定し、冷却部の冷却量に応じて第２時定数τ２を設定する。

本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタック、冷却部、及び補機を備える燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを制御する制御部と、を有し、補機は、燃料電池ユニットの内側において、冷却部により生成される冷却風の流路に配置され、制御部は、燃料電池スタックの温度と補機の温度との温度差に対応する蓄熱の第１時定数、及び補機の温度と燃料電池ユニット外の温度との温度差に対応する放熱の第２時定数を用いて、燃料電池スタックからの蓄熱の影響と、冷却風による放熱の影響とに応じて、補機の温度変化を推定し、燃料電池スタックの発電量に応じて第１時定数を設定し、冷却部の冷却量に応じて第２時定数を設定する。

本開示において、補機が燃料電池スタックと熱的に結合された状態で接続されている場合には、制御部は、燃料電池スタックの発電量を検出し、検出した発電量が大きいほど、第１時定数を小さく設定してもよい。

本開示において、制御部は、冷却部の冷却量を検出し、検出した冷却量が大きいほど第２時定数を小さく設定してもよい。

本開示において、冷却部は熱を外部に放出する冷却ファンを備え、制御部は、冷却ファンの回転数に基づいて、冷却量を検出してもよい。

本開示において、補機は、燃料電池スタックからの排気と排水とを行う排気排水弁であってもよい。

本開示において、燃料電池スタックに生じる熱を冷却部の冷却風により外部に排出する場合、補機は、流路において冷却部の上流側に配置されていてもよい。

本開示によれば、燃料電池ユニットが仕切りの内側に設けられ、冷却部により燃料電池スタックを冷却している場合に、燃料電池ユニット内にセンサを設けることなく、補機の温度を精度良く推定することができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る燃料電池ユニットの各部の配置を示す説明図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの温度推定の様子を示す説明図である。

以下、燃料電池システムの実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。

実施の形態１．
はじめに、実施の形態１における燃料電池システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。

［燃料電池システムの構成］
図１に示される燃料電池システム１００は、主に、制御部１０１と、燃料電池ユニット１１０とを備えている。燃料電池システム１００は、発電した電力を車両部２００に供給する。燃料電池ユニット１１０には、コンプレッサ１１１と、水素タンク１１２と、水素供給弁１１３と、排気排水弁１１４と、ポンプ１１５と、燃料電池スタック１１６と、ラジエータ１１７と、ＤＣＤＣ変換部１１８と、蓄電装置１１９とが設けられている。

制御部１０１は、燃料電池ユニット１１０の発電に関連する各種制御を行うと共に、補機の温度を推定する際の制御を行う。補機とは、主機である燃料電池スタック１１６を作動させるために最小限必要な補助機能をもつ機器のことである。この実施の形態において、補機は、排気排水弁１１４を意味するが、その他の各種のポンプ及びバルブ等も含まれる。

コンプレッサ１１１は、制御部１０１に制御され、酸素を含む空気を燃料電池スタック１１６に供給する。水素タンク１１２は、水素供給弁１１３を通して、充填されている水素を燃料電池スタック１１６に供給する。水素供給弁１１３は、制御部１０１に制御され、水素タンク１１２から燃料電池スタック１１６に供給する水素ガス量を調整する。

排気排水弁１１４は、排気と排水とを行うもので、燃料電池スタック１１６から排出されるアノードオフガスに含まれる水素と水とを分離して水を排出し、水素をポンプ１１５に供給する。ポンプ１１５は、排気排水弁１１４により分離された水素を、水素タンク１１２からの水素に合流させ、燃料電池スタック１１６に供給する。排気排水弁１１４は、燃料電池スタック１１６と熱的に結合された状態で接続されている。

燃料電池スタック１１６は、複数個の発電する燃料電池セルが積層されたスタック構造により構成されている。燃料電池スタック１１６は、制御部１０１の制御に基づいて、水素供給弁１１３を介した水素タンク１１２からの水素とコンプレッサ１１１からの空気に含まれる酸素とにより発電を行う。燃料電池スタック１１６には、センサ１１６ｓが取り付けられている。センサ１１６ｓは、燃料電池スタック１１６の温度を検出し、検出した温度を制御部１０１に通知する。

ラジエータ１１７は、燃料電池スタック１１６内の冷却媒体循環系を循環する冷却媒体により燃料電池スタック１１６で発生する熱を回収する。ラジエータ１１７には、冷却ファン１１７ｆが設けられている。ラジエータ１１７は、回収した熱を、冷却ファン１１７ｆの送風により、燃料電池ユニット１１０の外部に放出する。

ＤＣＤＣ変換部１１８は、燃料電池スタック１１６の発電出力を一定の電圧に変換する。たとえば、ＤＣＤＣ変換部１１８は、燃料電池スタック１１６の出力側に取り付けられた電圧変換部であり、例えば、８０ボルト程度の電圧を４８ボルト又は１２ボルト程度の電圧に変換して出力する。ＤＣＤＣ変換部１１８は、燃料電池スタック１１６から供給される電力の電圧と電流、すなわち発電量を制御部１０１に通知する。

蓄電装置１１９は、ＤＣＤＣ変換部１１８から出力される電力を充電可能にＤＣＤＣ変換部１１８と車両部２００との間に接続されている。蓄電装置１１９は、負荷において瞬間的な大電流が流れる際には充電された電力を放出する。

車両部２００は、ＤＣＤＣ変換部１１８から供給される電力により駆動する。車両部２００には、センサ２００ｓが取り付けられている。センサ２００ｓは、外気の温度を検出し、検出した温度を制御部１０１に通知する。

［燃料電池ユニット１１０における各部の配置］
ここで、燃料電池ユニット１１０の構成及び部品配置について、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態１に係る燃料電池ユニット１１０の各部の配置を示す説明図である。

燃料電池ユニット１１０の外周面のうち１つの面には、ラジエータ１１７が配置されている。そして、ラジエータ１１７は、燃料電池スタック１１６から回収した熱を、冷却ファン１１７ｆの送風により、燃料電池ユニット１１０の外部に放出する。すなわち、ラジエータ１１７と冷却ファン１１７ｆとは、冷却部を構成している。なお、制御部１０１は、冷却ファン１１７ｆの回転数または風量により、冷却部の冷却量を検出する。

冷却ファン１１７ｆの送風のため、燃料電池ユニット１１０の外周面のうち、ラジエータ１１７が配置された面以外のいずれか他の面に、空気を取り入れる開口部１１７ａが設けられていてもよい。なお、空気を取り入れるため開口は、このような開口部１１７ａでなくとも、空気が流入可能な部品の間の隙間であってもよい。

図２に示される矢印は、ラジエータ１１７の冷却ファン１１７ｆにより生じる冷却風の流路を示している。排気排水弁１１４は、燃料電池ユニット１１０の内側であって、ラジエータ１１７の冷却ファン１１７ｆにより生成される冷却風の流路において、冷却ファン１１７ｆの上流に配置されている。

燃料電池ユニット１１０の外周面のうち、ラジエータ１１７と開口部１１７ａ以外は、パネル部材で仕切られて覆われているか、または、燃料電池ユニット１１０を構成する各種の部品で仕切られて覆われている。すなわち、燃料電池ユニット１１０は、各種の部品を仕切りの内側に備えている。ここで、「パネル部材または各種の部品により覆われている」とは、パネル部材または各種の部品の間に多少の隙間が存在する状態も含んでいる。

［補機の温度の推定］
次に、燃料電池ユニット１１０内の補機の温度を推定する方法について図３を参照して説明する。図３は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の温度推定の様子を示す説明図である。

ここで、温度推定の対象となる補機として、排気排水弁１１４を具体例にして説明を続ける。燃料電池ユニット１１０において、排気排水弁１１４の温度Ｔ２を測定するセンサと、燃料電池ユニット１１０内の温度を測定するセンサは、コストを理由にして設けられていない。

一方、燃料電池スタック１１６に取り付けられたセンサ１１６ｓは、燃料電池スタック１１６の温度Ｔ１を検出し、検出した温度を制御部１０１に通知する。また、車両部２００に設けられたセンサ２００ｓは、外気の温度Ｔ３を検出し、検出した温度を制御部１０１に通知する。なお、外気の温度Ｔ３は、燃料電池ユニット１１０外の温度でもある。

燃料電池ユニット１１０が一定時間以上にわたって非発電状態にあるとき、燃料電池スタック１１６の温度Ｔ１と、排気排水弁１１４の温度Ｔ２と、燃料電池ユニット１１０内の温度とは、センサ２００ｓにより検知された外気の温度Ｔ３と等しくなる。

燃料電池ユニット１１０が発電状態にあるとき、排気排水弁１１４は、熱的に結合された状態で接続された燃料電池スタック１１６から熱供給を受けるのに加え、燃料電池ユニット１１０から排出される高温の生成水により熱供給を受ける。すなわち、排気排水弁１１４の蓄熱量は増大し、温度が上昇しやすくなる。
一方、排気排水弁１１４は、ラジエータ１１７の冷却ファン１１７ｆによる燃料電池ユニット１１０内の換気により放熱され、温度が下がりやすくなる。すなわち、この蓄熱と放熱とのバランスにより、排気排水弁１１４の温度が変化する。

そこで、燃料電池スタック１１６の温度Ｔ１と排気排水弁１１４の温度Ｔ２との温度差に対応する蓄熱に関する第１時定数τ１、排気排水弁１１４の温度Ｔ２と外気の温度Ｔ３との温度差に対応する放熱に関する第２時定数τ２とを定める。そして、排気排水弁１１４の温度変化ｄＴ２／ｄｔを、
ｄＴ２／ｄｔ＝（Ｔ１－Ｔ２）／τ１＋（Ｔ２－Ｔ３）／τ２、と算出する。
この式において、第１時定数τ１と第２時定数τ２を以下のように定める。

燃料電池ユニット１１０が発電中であれば、非発電時に滞留している生成水より高い温度の生成水が排気排水弁１１４に流入する。また、燃料電池スタック１１６の発電量が大きくなると、高い温度の生成水の水量が増える。このため、制御部１０１は、ＤＣＤＣ変換部１１８から通知を受けた発電量に応じて第１時定数τ１を変化させる。具体的には、制御部１０１は、燃料電池スタック１１６の発電量が大きいほど第１時定数τ１を小さくする。

燃料電池ユニット１１０が発電中であってラジエータ１１７が動作中であれば、ラジエータ１１７の冷却ファン１１７ｆの回転数または風量に応じて冷却量が変化し排気排水弁１１４の放熱が進行する。このため、制御部１０１は、冷却ファン１１７ｆの回転数または風量に応じた冷却量を検出し、その検出した冷却量に応じて第２時定数τ２を変化させる。具体的には、ラジエータ１１７の冷却量が大きいほど第２時定数τ２を小さくする。ここで、制御部１０１は、ラジエータ１１７の冷却ファン１１７ｆの回転数を回転数検知手段によって検知してもよいし、冷却ファン１１７ｆに対する回転指示を利用して回転数を認識してもよい。

ここで、排気排水弁１１４の温度変化ｄＴ２／ｄｔの推定を開始する時点、すなわち、燃料電池システム１００の始動時において、排気排水弁１１４の温度Ｔ２の初期値は、それまで燃料電池ユニット１１０が非発電状態にあれば、センサ２００ｓにより検知された外気の温度Ｔ３と等しくなる。そして、排気排水弁１１４の温度変化ｄＴ２／ｄｔの推定を続ける場合、温度変化ｄＴ２／ｄｔによって排気排水弁１１４の温度Ｔ２を更新しながら実行すればよい。なお、排気排水弁１１４の温度Ｔ２の初期値は、以上の説明と異なる値を使用してもよい。

なお、工場出荷時などにおいて、各種の条件を変更しながら燃料電池ユニット１１０を発電状態にして、排気排水弁１１４の温度を計測し、燃料電池スタック１１６の発電量と第１時定数τ１との関係、ラジエータ１１７による冷却量と第２時定数τ２との関係を予め決定しておく。これにより、制御部１０１は、動作状態に応じて、第１時定数τ１と第２時定数τ２を適切な値に設定することができる。

以上のように、燃料電池ユニット１１０内にセンサを設けず、蓄熱と放熱の影響を考慮することで、排気排水弁１１４の温度変化を精度良く推定することが可能になる。以上の説明では、排気排水弁１１４の温度変化を推定しているが、他の補機についても同様に温度変化を推定することができる。

［実施の形態により得られる効果］
本開示の実施の形態の温度推定方法によれば、冷却風の流路に配置された補機について、燃料電池スタック１１６の温度Ｔ１と排気排水弁１１４の温度Ｔ２との温度差に対応する蓄熱の第１時定数τ１、及び排気排水弁１１４の温度Ｔ２と燃料電池ユニット１１０外の温度Ｔ３との温度差に対応する放熱の第２時定数τ２に基づいて、燃料電池スタック１１６の発電量に応じてτ１を設定し、ラジエータ１１７の冷却量に応じてτ２を設定し、燃料電池スタック１１６からの蓄熱の影響と、ラジエータ１１７の冷却風による放熱の影響とに応じて、排気排水弁１１４の温度変化ｄＴ２／ｄｔを推定することにより、燃料電池ユニット１１０内にセンサを設けることなく、排気排水弁１１４の温度を精度良く推定することができる。

制御部１０１は、ラジエータ１１７の冷却量を検出し、検出した冷却量が大きいほど第２時定数τ２を小さく設定することにより、冷却による放熱の影響を適切に求めることができ、排気排水弁１１４の温度を精度良く推定することができる。

排気排水弁１１４は、燃料電池スタック１１６と熱的に結合された状態で接続されており、制御部１０１は、燃料電池スタック１１６の発電量を検出し、検出した発電量が大きいほど、第１時定数τ１を小さく設定することにより、蓄熱の影響を適切に求めることができ、排気排水弁１１４の温度を精度良く推定することができる。

ラジエータ１１７の冷却ファン１１７ｆにより燃料電池スタック１１６を冷却し、制御部１０１は、冷却ファン１１７ｆの回転数または風量に基づいて冷却量を検出することにより、冷却による放熱の影響を適切に求めることができ、排気排水弁１１４の温度を精度良く推定することができる。

排気排水弁１１４は、冷却風の流れの流路においてラジエータ１１７の冷却ファン１１７ｆの上流側に配置されているため、冷却による放熱の影響を適切に求めることができ、排気排水弁１１４の温度を精度良く推定することができる。

［その他の実施の形態］
上記の実施の形態において、産業車両などの車両部２００適用される燃料電池システム１００を一例に挙げたが、本開示の燃料電池システム１００は産業車両に限らず、各種一般車両用、または、定置用など様々な用途に適用可能である。

上記の実施の形態において、制御部１０１は、１つのＥＣＵ（Engine Control UnitまたはElectronic Control Unit）により構成されてもよいし、機能別の複数のＥＣＵによって構成されてもよい。

１００ 燃料電池システム、１０１ 制御部、１１０ 燃料電池ユニット、１１１ コンプレッサ、１１２ 水素タンク、１１３ 水素供給弁、１１４ 排気排水弁（補機）、１１５ ポンプ、１１６ 燃料電池スタック、１１６ｓ センサ、１１７ ラジエータ（冷却部）、１１７ｆ 冷却ファン（冷却部）、１１８ ＤＣＤＣ変換部、１１９ 蓄電装置、２００ 車両部、２００ｓ センサ。

Claims (7)

1. 燃料電池スタック、冷却部、及び補機を備える燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットを制御する制御部と、
   を有する燃料電池システムの温度推定方法であって、
   前記補機を、前記燃料電池ユニットの内側において、前記冷却部により生成される冷却風の流路に配置し、
   前記制御部により、
   前記燃料電池スタックの温度と前記補機の温度との温度差に対応する蓄熱の第１時定数、及び前記補機の温度と前記燃料電池ユニット外の温度との温度差に対応する放熱の第２時定数を用いて、前記燃料電池スタックからの蓄熱の影響と、前記冷却風による放熱の影響とに応じて、前記補機の温度変化を推定し、
   前記燃料電池スタックの発電量に応じて前記第１時定数を設定し、前記冷却部の冷却量に応じて前記第２時定数を設定する、
   燃料電池システムの温度推定方法。
2. 前記補機は、前記燃料電池スタックと熱的に結合された状態で接続され、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電量を検出し、検出した前記発電量が大きいほど、前記第１時定数を小さく設定する、
   請求項１に記載の燃料電池システムの温度推定方法。
3. 前記制御部は、前記冷却部の前記冷却量を検出し、検出した前記冷却量が大きいほど前記第２時定数を小さく設定する、
   請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システムの温度推定方法。
4. 前記冷却部は、熱を外部に放出する冷却ファンを備え、
   前記制御部は、前記冷却ファンの回転数に基づいて、前記冷却量を検出する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの温度推定方法。
5. 前記補機は、前記燃料電池スタックからの排気と排水とを行う排気排水弁である、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムの温度推定方法。
6. 前記補機は、前記流路において前記冷却部の上流側に配置されている、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの温度推定方法。
7. 燃料電池スタック、冷却部、及び補機を備える燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットを制御する制御部と、を有し、
   前記補機は、前記燃料電池ユニットの内側において、前記冷却部により生成される冷却風の流路に配置され、
   前記制御部は、
   前記燃料電池スタックの温度と前記補機の温度との温度差に対応する蓄熱の第１時定数、及び前記補機の温度と前記燃料電池ユニット外の温度との温度差に対応する放熱の第２時定数を用いて、前記燃料電池スタックからの蓄熱の影響と、前記冷却風による放熱の影響とに応じて、前記補機の温度変化を推定し、
   前記燃料電池スタックの発電量に応じて前記第１時定数を設定し、前記冷却部の冷却量に応じて前記第２時定数を設定する、
   燃料電池システム。

Images