JP2017182943A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気排水弁を用いた燃料電池システムにおいて、排気排水弁による排水量に個体差があった場合でも、気液分離器からの排水時に燃料ガスが無駄に排出されることを抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、制御装置が、気液分離器および循環流路の容積と、気液分離器および循環流路内に水がないときの排気排水弁の開放時における循環流路内の圧力低下量とから、単位時間あたりの排気排水弁の排出ガス量を算出し、制御装置が、算出された排出ガス量に基づき、排気排水弁の単位時間あたりの排水量を推定し、制御装置が、燃料電池の発電量から気液分離器内に溜まった水量を推定し、制御装置が、推定された水量が規定量以上の場合に、推定された排気排水弁の単位時間あたりの排水量に基づき、排気排水弁の開閉を制御して排水を行う制御方法。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムは、例えば、特許文献１に記載されているように、アノードオフガスに含まれる燃料ガスを燃料電池に循環させる循環流路を備えている。アノードオフガスには、生成水や窒素といった不純物が含まれているため、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、排気排水弁を用いて循環流路外に不純物を排出している。

特開２００８−１８１８１１号公報

燃料電池システムでは、生成水を排出する際に、気液分離器を用いて水をガスより分離する。このとき、排気排水弁の個体差により水の排出量が異なるため、ガスが排出されないように水の排出量をあらかじめ定めたとしても、想定量以上の水が排出されてしまい、それに伴って燃料ガスを含むガスを無駄に排出してしまう場合がある。燃料ガスが排出されると、燃費が悪化してしまうため、排気排水弁を用いた燃料電池システムにおいて、気液分離器からの排水時に燃料ガスが無駄に排出されることを抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムの制御方法が提供される。この燃料電池システムの制御方法は、燃料電池のアノードオフガスを前記燃料電池に循環させる循環流路と；前記循環流路に接続され，前記循環流路内の前記アノードオフガスから生成水を分離する気液分離器と；前記気液分離器によって分離された前記生成水の排水と、前記気液分離器から排出された前記アノードオフガスの排気とを行う排気排水弁と；制御装置と、を備える燃料電池システムの制御方法であって（ａ）前記制御装置が、前記気液分離器および前記循環流路の容積と、前記気液分離器および前記循環流路内に水がないときの前記排気排水弁の開放時における前記循環流路内の圧力低下量とから、単位時間あたりの前記排気排水弁の排出ガス量を算出し、（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記制御装置が、算出された前記排出ガス量に基づき、前記排気排水弁の単位時間あたりの排水量を推定し、（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記制御装置が、前記燃料電池の発電量から前記気液分離器内に溜まった水量を推定し、（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記制御装置が、推定された前記水量が規定量以上の場合に、推定された前記排気排水弁の単位時間あたりの排水量に基づき、前記排気排水弁の開閉を制御して排水を行う。この形態の燃料電池システムの制御方法によれば、工程（ａ）〜（ｄ）を行うことにより、排気排水弁による排水量に個体差があった場合でも、気液分離器からの排水時に燃料ガスが無駄に排出されることを抑制することができる。この結果、燃費の悪化を抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池を搭載した車両、車両に搭載される燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法を実行する制御装置などの形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 排水能力推定処理のフローチャートである。 排水処理を表わすフローチャートである。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御装置２０と、酸化ガス流路系３０と、燃料ガス流路系５０と、を備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（燃料ガス）と空気（酸化ガス）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１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。各セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面に電極を配置した膜電極接合体（図示せず）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１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を介してバッテリ９２に蓄電される。バッテリ９２には、種々の負荷９３が接続されている。後述するエアコンプレッサ３２や循環用ポンプ６４、各種弁には、燃料電池１０またはバッテリ９２から電力が供給され、駆動される。

酸化ガス流路系３０は、酸化ガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、レギュレータ４２と、を備える。酸化ガス流路系３０には、燃料電池１０内のカソード側の流路が含まれる。

エアコンプレッサ３２は、酸化ガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、制御装置２０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、酸化ガスとして燃料電池１０に供給する。

開閉弁３３は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、酸化ガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３３は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。レギュレータ４２は、制御装置２０からの制御信号に応じて、カソードオフガス配管４１におけるカソードオフガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。

燃料ガス流路系５０は、燃料ガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排気排水弁６０と、アノードオフガス配管６１と、圧力センサ６２と、循環配管６３と、循環用ポンプ６４と、気液分離器７０と、を備える。燃料ガス流路系５０には、燃料電池１０内のアノード側の流路が含まれる。以下では、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池１０内のアノード側の流路と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、気液分離器７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池１０のアノードオフガスを燃料電池１０に循環させるための流路である。循環流路６５には循環流路６５内の圧力を検出するための圧力センサ６２が接続されている。

水素タンク５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、内部に充填されている水素を燃料電池１０に供給する。開閉弁５３、レギュレータ５４、インジェクタ５５は、燃料ガス配管５１に、この順序で上流側、つまり水素タンク５２に近い側、から設けられている。

開閉弁５３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、水素タンク５２からインジェクタ５５の上流側への水素の流入を制御する。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。レギュレータ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の上流側における水素の圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御装置２０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。制御装置２０は、インジェクタ５５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１０に供給される水素の量を制御する。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離器７０とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった燃料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７０へと誘導する。

気液分離器７０は、循環流路６５のアノードオフガス配管６１と循環配管６３との間に接続されている。気液分離器７０は、循環流路６５内のアノードオフガスから生成水を分離して貯水する。

循環配管６３は、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。循環配管６３には、制御装置２０からの制御信号に応じて駆動される循環用ポンプ６４が設けられている。この循環用ポンプ６４によって、気液分離器７０によって生成水が分離されたアノードオフガスが、燃料ガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００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１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。

排気排水弁６０は、気液分離器７０の下部に設けられている。排気排水弁６０は、気液分離器７０に貯水された生成水の排水と、気液分離器７０内のアノードオフガスの排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６０は閉じられており、制御装置２０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６０は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６０によって排出された生成水およびアノードオフガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

制御装置２０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。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１００の制御方法として後述する各種処理を実現するほか、燃料電池システム１００の運転制御を行う。

図２は、排水能力推定処理のフローチャートである。この処理は制御装置２０が燃料電池システム１００の起動時に実行する処理であり、排気排水弁６０の単位時間あたりの排水量を推定するための処理である。制御装置２０は、この処理を開始すると、まず、循環流路６５内に水素タンク５２から燃料ガスを充填させ、開閉弁５３およびインジェクタ５５を閉じた状態で、排気排水弁６０を開放する（ステップＳ３００）。排気排水弁６０を開放した後、制御装置２０は、気液分離器７０内からガスが排出されることによって生じる循環流路６５内の圧力低下量を、圧力センサ６２を用いて算出し、圧力が低下したことを検知する（ステップＳ３１０）。圧力低下が検知されない場合（ステップＳ３１０：ＮＯ）には、気液分離器７０から水が排出されていることになるので、制御装置２０は圧力低下が検知されるまで待機する。

一方、圧力低下が検知された場合（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）には、気液分離器７０からガスが排出されていることになる。この場合、制御装置２０は、単位時間あたりの排出ガス量を算出する（ステップＳ３２０）。制御装置２０は、予め求められた循環流路６５の容積と、圧力センサ６２により検出した排気排水弁６０の開放時における循環流路６５内の圧力低下量とに基づき、排気排水弁６０の単位時間あたりの排出ガス量を算出できる。

続いて、制御装置２０は、算出された単位時間あたりの排出ガス量に基づき、排気排水弁６０の単位時間あたりの排水量を推定する（ステップＳ３３０）。制御装置２０は、単位時間あたりの排出ガス量と、単位時間あたりの排水量との関係が予め対応づけられたマップを参照することにより、単位時間あたりの排水量を推定することができる。本実施形態では、推定した単位時間あたりの排水量を基に、後述する排水処理を実施する。

図３は、本実施形態における排水処理を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００の動作中、制御装置２０により繰り返し実行される処理である。なお、この処理の開始時には排気排水弁６０は閉鎖されているものとする。制御装置２０は、この処理を開始すると、まず、燃料電池１０によって発電された発電量に基づき、気液分離器７０内に溜まった貯水量を推定する（ステップＳ４００）。制御装置２０は、燃料電池１０の電流値と生成される水量との関係が定義されたマップや関数に基づき、生成水の貯水量を推定することができる。

次に、制御装置２０は、推定した貯水量が気液分離器７０内に溜められる規定量を超えたか否か判定する（ステップＳ４１０）。推定した貯水量が規定量より多くなった場合（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、制御装置２０は、排気排水弁６０を開放する（ステップＳ４２０）。一方、推定した貯水量が規定量以下の場合（ステップＳ４１０：ＮＯ）、制御装置２０は推定した貯水量が規定量に到達するまで待機を行う。

排気排水弁６０を開放した後、制御装置２０は、上記排水能力推定処理（図２）によって推定した単位時間あたりの排水量に、排気排水弁６０を開放してから経過した時間を掛け合わすことによって排気排水弁６０から排出された水量を推定し、その水量が、希望排水量に到達したか否かを判定する（ステップＳ４３０）。希望排水量とは、気液分離器７０からガスが排出されない限界の排水量であり、上述した規定量とほぼ同じか若干少ない量である。推定した単位時間あたりの排水量に時間を掛け合わして求めた水量が、希望排水量に到達していなければ（ステップＳ４３０：ＮＯ）、制御装置２０は、推定した単位時間あたりの排水量に時間を掛け合わして求めた水量が、希望排水量に到達するまで待機し、推定した単位時間あたりの排水量に時間を掛け合わして求めた水量が、希望排水量に到達すれば（ステップＳ４３０：ＹＥＳ）、制御装置２０は、排気排水弁６０を閉鎖する（ステップＳ４４０）。ステップＳ４４０において、制御装置２０は、次回のステップＳ４００で推定する貯水量と、次回のステップＳ４３０で推定する水量の値をリセットする。以上で説明した排水処理によれば、制御装置２０は排気排水弁６０からガスが排出されないように、排気排水弁６０の開閉を制御して排水を行うことができる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、上述した排水能力推定処理によって、気液分離器７０に初期水がない状態での圧力低下量から、単位時間あたりの気液分離器７０の排出ガス量を算出し、算出した排出ガス量から排気排水弁６０の単位時間あたりの排水量を求めることができる。そのため、排気排水弁６０の個体差に応じた排水能力を推定することができるので、例えば、排気排水弁６０のオリフィス径や弁のストローク量に個体バラツキがあったとしても、上記排水処理における排水量を、気液分離器７０からガスが排出されない量に調整することができ、気液分離器７０から無駄に燃料ガスが排出されることを抑制することができる。この結果、本実施形態によれば、燃料電池システム１００の燃費が悪化することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態において、単位時間あたりの排水量の推定には、単位時間あたりの排出ガス量と、単位時間あたりの排水量との関係が予め対応づけられたマップを用いた。しかし、マップに代えて、単位時間あたりの排出ガス量と、単位時間あたりの排水量との関係を表す関数を用いてもよい。

＜第２変形例＞
上記実施形態では、気液分離器７０から排水を行うための排水処理について詳述したが、制御装置２０は、循環流路６５から窒素等の不純物を排気するための処理を別途実行し、その排気処理において、上述した排水処理とは異なるタイミングで排気排水弁６０を開閉してもよい。

＜第３変形例＞
上記実施形態の排水処理では、排気排水弁６０からガスが排出されないように排気排水弁６０の開閉を制御したが、排気排水弁６０から若干量のガスが排出されるように排気排水弁６０の開閉を制御してもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例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、変形例中の技術的特徴は、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。

１０…燃料電池
１１…セル
２０…制御装置
３０…酸化ガス流路系
３１…酸化ガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…開閉弁
４１…カソードオフガス配管
４２…レギュレータ
５０…燃料ガス流路系
５１…燃料ガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…インジェクタ
６０…排気排水弁
６１…アノードオフガス配管
６２…圧力センサ
６３…循環配管
６４…循環用ポンプ
６５…循環流路
７０…気液分離器
８０…排水排ガスマップ
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２…バッテリ
９３…負荷
１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池のアノードオフガスを前記燃料電池に循環させる循環流路と、
   前記循環流路に接続され，前記循環流路内の前記アノードオフガスから生成水を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器によって分離された前記生成水の排水と、前記気液分離器から排出された前記アノードオフガスの排気とを行う排気排水弁と、
   制御装置と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   （ａ）前記制御装置が、前記気液分離器および前記循環流路の容積と、前記気液分離器および前記循環流路内に水がないときの前記排気排水弁の開放時における前記循環流路内の圧力低下量とから、単位時間あたりの前記排気排水弁の排出ガス量を算出する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後、前記制御装置が、算出された前記排出ガス量に基づき、前記排気排水弁の単位時間あたりの排水量を推定する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記制御装置が、前記燃料電池の発電量から前記気液分離器内に溜まった水量を推定する工程と、
   （ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記制御装置が、推定された前記水量が規定量以上の場合に、推定された前記排気排水弁の単位時間あたりの排水量に基づき、前記排気排水弁の開閉を制御して排水を行う工程と、を備える、制御方法。

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