WO2007122979A1 - 燃料電池システム、および燃料電池システムを搭載する車両 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell, and more particularly to control at the time of startup of the fuel cell.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 5-2 6 7 9 6 1 a so-called operation is performed by switching between a power generation state and a stop state according to the power required by an electric vehicle, the charge state of a secondary battery, or the like.
  • a technique is disclosed in which intermittent operation is prohibited when the fuel cell is likely to freeze, and the output of the fuel cell is increased to prevent the fuel cell from freezing.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2 0 4-1 5 3 9 4 7 discloses that in a hybrid vehicle equipped with a fuel cell system and an engine, power generation by the fuel cell is prohibited when the outside air temperature is below a predetermined reference temperature. A technique for obtaining desired power using an engine is disclosed.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 5-2 5 1 5 7 6 discloses that in a fuel cell system, when there is a risk of the fuel cell freezing when the system is stopped, a scavenging process is performed to remove moisture in the fuel cell. Technology is disclosed.
  • the present invention suppresses freezing of a predetermined part of a fuel cell or the like constituting a fuel cell system by a traveling wind when a vehicle equipped with the fuel cell system travels using electric power supplied from the fuel cell system.
  • the purpose is to do.
  • a fuel cell system includes: a fuel cell system that includes a fuel cell that is mounted on a vehicle and generates power using fuel gas and oxidant gas as fuel; When the speed is equal to or higher than a predetermined threshold speed and a predetermined condition determined based on a physical quantity related to the power generation state of the fuel cell is satisfied, it is necessary to perform the freeze prevention processing even if the fuel cell is generating power. And control means for controlling the freeze prevention processing means so as to execute the freeze prevention processing.
  • the predetermined condition is a condition determined based on, for example, the outside air temperature and the output of the fuel cell. In one aspect of the fuel cell system according to the present invention, the predetermined condition is a condition determined based on the outside air temperature and the temperature of the fuel cell.
  • the predetermined condition is a condition determined based on an outside air temperature and a temperature of cooling water for cooling the fuel cell.
  • the predetermined condition is a condition determined based on the output of the fuel cell and the amount of fuel gas or oxidant gas consumed during power generation of the fuel cell. In one aspect of the fuel cell system according to the present invention, the predetermined condition is a condition determined based on a nitrogen concentration in a pipe through which the fuel gas passes.
  • freeze prevention treatment means performs the freeze prevention treatment by increasing the flow path resistance in the pipe through which the fuel gas or the oxidizing gas passes.
  • the antifreezing treatment means is configured to increase a rotation speed of a pump that is provided in the pipe and controls a flow path of the fuel gas or the oxidizing gas. It is characterized by increasing the channel resistance.
  • the freeze prevention processing means adjusts the opening / closing amount of a valve provided in a pipe near the outlet of a pump that performs flow control of fuel gas or oxidizing gas, The amount of fuel gas or oxidant gas sent out from the pump is limited, and the flow path resistance in the pipe is increased.
  • the antifreezing treatment means performs the antifreezing treatment by limiting the amount of fuel gas or oxidizing gas supplied to the fuel cell.
  • the freeze prevention processing means performs the freeze prevention processing by increasing the generated power of the fuel cell.
  • the control means when the freeze prevention processing means is executing the freeze prevention process, indicates that the freeze prevention processing means is executing the freeze prevention process. It is characterized by outputting the indicated information.
  • control means outputs a predetermined warning when the freeze prevention processing means receives a system stop request while the freeze prevention processing is being executed.
  • the fuel cell system is mounted on a vehicle and provides power to a drive source.
  • a vehicle equipped with a fuel cell system travels using electric power supplied from the fuel cell system, a predetermined portion of the fuel cell or the like constituting the fuel cell system is frozen by the traveling wind. Can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system in the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a system configuration centering on the piping system of the fuel cell system in the present embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure performed by the control unit in this embodiment to prevent freezing of a predetermined portion of the fuel cell or the like due to traveling wind.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a reference map using the battery output and the outside air temperature as a parameter, which is referred to when the control unit determines whether or not the freeze prevention process is necessary.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a reference map using the cooling water temperature and the outside air temperature as parameters, which are referred to when the control unit determines whether or not the freeze prevention process is necessary.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a reference map using the battery output, the vehicle speed, and the outside temperature as parameters to be referred to when the control unit determines whether or not the anti-freezing process is necessary.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a reference map using the cooling water temperature, the vehicle speed, and the outside air temperature as parameters to be referred to when the control unit determines whether or not the anti-freezing process is necessary.
  • Figure 8 shows an example of a reference map that uses the temperature near the air outlet of the air compressor, the number of rotations of the air compressor, and the outside air temperature as parameters to be referred to when the control unit determines whether or not anti-freezing treatment is necessary.
  • FIG. 8 shows an example of a reference map that uses the temperature near the air outlet of the air compressor, the number of rotations of the air compressor, and the outside air temperature as parameters to be referred to when the control unit determines whether or not anti-freezing treatment is necessary.
  • Fig. 9 shows the output of the motor that drives the air compressor and the rotation of the air compressor, which are referred to when the control unit determines whether or not anti-freezing treatment is necessary. It is a figure which shows an example of the reference map which used the rotation number and the outside temperature as a parameter.
  • Figure 10 shows an example of a reference map that uses the parameters of the temperature of the motor that drives the air compressor, the rotation speed of the air compressor, and the outside air temperature, which are referred to when the control unit determines whether or not anti-freezing processing is necessary.
  • FIG. Fig. 11 is a diagram for explaining that the pressure in the pipe near the outlet of the valve decreases due to freezing of the pulp.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a reference map using the hydrogen consumption and the battery output as parameters to be referred to when the control unit determines whether or not the antifreezing process is necessary.
  • Figure 13 shows an example of a reference map that uses the temperature in the piping of the circulation flow path and the cooling water temperature as parameters to be referred to when the figure control unit determines whether or not anti-freezing treatment is necessary. It is.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system in the present embodiment.
  • the fuel cell system according to the present embodiment is mounted as a power source on a vehicle driven by a motor (electric motor).
  • the fuel cell system starts when the user turns on the ignition switch, and generates power according to the amount of operation of the accelerator cell by the user.
  • the vehicle can travel with electric power supplied from the fuel cell system.
  • the fuel cell system 10 mainly includes a fuel gas supply device 42, an oxidizing gas supply device 73, a fuel cell 20, and a control unit 80.
  • the fuel gas is, for example, hydrogen gas
  • the oxidizing gas is, for example, air.
  • the control unit 80 receives a system start signal and a system stop signal from the user via the ignition switch 82, and controls the start and stop of the system according to these signals.
  • the control unit 80 obtains the required power generation amount of the fuel cell 20 from the access opening detected by the accelerator sensor 84, and
  • the fuel gas supply device 42 and the oxidizing gas supply device 73 are controlled so as to obtain the desired power generation amount, and the fuel gas flow rate and the oxidizing gas flow rate supplied to the fuel cell 20 are adjusted.
  • the control unit 80 uses the outside air temperature information detected by the outside air temperature sensor 86 when executing the processing of the flowchart shown in FIG. 3, and details will be described later.
  • FIG. 2 is a diagram showing a system configuration centering on the piping system of the fuel cell system 10.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel gas supply system for supplying fuel gas to the fuel cell 20, an oxidizing gas supply system for supplying oxidizing gas, and cooling water.
  • a cooling water supply system for cooling or warming up the fuel cell 20 is provided.
  • the fuel cell 20 is configured by stacking cells that generate power by an electrochemical reaction between hydrogen, which is a fuel gas, and oxygen, which is an oxidizing gas.
  • Each cell is configured by arranging a hydrogen electrode (hereinafter referred to as “anode”) and an oxygen electrode (hereinafter referred to as “force sword”) with an electrolyte membrane interposed therebetween.
  • anode a hydrogen electrode
  • an oxygen electrode hereinafter referred to as “force sword”
  • an electrolyte membrane interposed therebetween for example, a solid polymer cell using a solid polymer membrane such as naphthion (registered trademark) as an electrolyte membrane will be described as an example.
  • naphthion registered trademark
  • the present invention is not limited to this, and various types can be used.
  • the cooling water supply system of the fuel cell system 10 includes a cooling path 3 1 for circulating the cooling water, a temperature sensor 3 2 for detecting the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 20 and the heat of the cooling water.
  • a radiator 3 3 that radiates heat to the outside, a valve 3 4 that adjusts the amount of cooling water flowing into the radiator 3 3, and a pump 3 5 that pressurizes and circulates the cooling water are provided.
  • the valve 3 4 increases the amount of cooling water flowing into the radiator 3 3 based on the control of the control unit 80, and the cooling water cooled by the radiator 3 3 is used as the fuel cell. 2 Supply to 0.
  • the pulp 3 4 reduces the amount of cooling water flowing into the radiator 33 based on the control of the control unit 80, and the cooling by the radiator 33 is suppressed. Supply cooling water to the fuel cell 20.
  • the fuel gas supply system of the fuel cell system 10 has a fuel gas at the anode.
  • a fuel gas passage 41 for supplying the fuel and a circulation passage 51 for circulating the fuel off-gas exhausted from the anode to the fuel gas passage 41 are provided.
  • the fuel gas flow path 4 1 is supplied with fuel gas from the fuel gas supply device 4 2, a shut-off valve 4 3 that controls the stoppage of the fuel gas, a pressure sensor 4 4 that detects the pressure of the fuel gas, and a fuel gas pressure adjustment
  • a regulator 4 5 and a shutoff valve 4 6 for opening and closing the fuel gas supply port of the fuel cell 20 are installed.
  • the fuel gas supply device 42 includes, for example, a high-pressure hydrogen tank, a hydrogen storage alloy, a reformer, and the like. '
  • the shutoff valve 5 2 for discharging the fuel off-gas, the circulation pump 55 driven by the motor, and the fuel gas in the fuel gas flow path 41 flow back to the circulation flow path 51.
  • a backflow check valve 5 6 etc. is installed.
  • the circulation pump 55 compresses the fuel off-gas that has suffered pressure loss when passing through the anode based on the control of the control unit 80, boosts the fuel off-gas to an appropriate gas pressure, and recirculates it to the fuel gas channel 41.
  • the fuel off-gas merges with the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 4 2 in the fuel gas flow path 41 and is supplied to the fuel cell 20 to be reused.
  • a branch pipe is connected to an exhaust channel 61 for exhausting the fuel off-gas exhausted from the fuel gas circulation system to the outside of the vehicle via a diluter (for example, a hydrogen concentration reduction device).
  • An exhaust valve 6 3 is installed in the exhaust passage 61, and when the exhaust valve 63 is opened and closed, the circulation in the fuel cell 20 is repeated to discharge the fuel off-gas with increased impurity concentration to the outside. Then, a new fuel gas is introduced to prevent the voltage drop of the fuel cell.
  • opening and closing the exhaust valve 63 and causing pulsation in the internal pressure of the circulation flow path 51 moisture accumulated in the gas flow path can be removed. That is, the scavenging process in the fuel gas supply system can be performed by opening and closing the exhaust valve 63.
  • the oxidizing gas supply system of the fuel cell system 10 includes an oxidizing gas passage 71 for supplying an oxidizing gas to the power sword and a power sword off gas for exhausting the power sword off gas exhausted from the cathode.
  • Channel 7 2 is piped It is.
  • the oxidizing gas flow path 71 includes an air filter 74 that removes dust and the like contained in the air taken in from the atmosphere, a air compressor 75 that is driven by a motor, and the like.
  • An oxidizing gas supply device 7 3 for supplying to the channel 71 is installed.
  • the humidifier 76 disposed downstream of the oxidizing gas supply device 73 has a force sword-off gas that has become highly moistened by the generated water generated by the cell reaction of the fuel cell 20.
  • Moisture exchange is performed with the captured low-humidity oxidizing gas.
  • the back pressure of the cathode is regulated to a substantially constant pressure by a pressure regulating valve 7 7 installed in the cathode off-gas flow path 72.
  • the force sword off gas flowing in the force sword off gas flow path 7 2 is exhausted to the outside of the vehicle via, for example, a gas-liquid separator or a muffler, and a part thereof flows into the diluter 62 and enters the diluter 62.
  • the stagnant fuel off-gas is mixed and diluted and exhausted outside the vehicle. '
  • the oxidizing gas passage 71, the bypass passage 7 8 bypass the humidifier 7 6 is the pipe 1.
  • the scavenging process in the oxidizing gas supply system can be performed by supplying the dried air to the fuel cell 20 through the bypass channel 78.
  • the control unit 80 is configured as a micro computer provided with CPU, RAM, and ROM inside, and controls the operation of each unit of the fuel cell system 10 according to a program stored in the ROM.
  • the control unit 80 receives sensor signals from the temperature sensor T and the pressure sensor ⁇ disposed in each flow path, and drives each motor according to the battery operation state (for example, power load) to circulate the pump. Adjust the number of revolutions of 5 5 and air compressor 7 5, and perform various valve opening / closing controls or valve opening adjustments.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure performed by the control unit 80 according to the present embodiment to prevent freezing of predetermined parts such as the fuel cell 20 due to traveling wind.
  • the control unit 80 is configured to perform the processing procedure shown in FIG. 3 at predetermined intervals when the fuel cell 20 is generating power and the vehicle is traveling at a predetermined threshold speed V t (for example, V t> 0) or more. Execute.
  • the control unit 80 determines whether or not the outside air temperature is low (S 1 0 0). More specifically, the control unit 80 acquires outside air temperature information from the outside air temperature sensor 86 that detects the outside air temperature, and the outside air temperature is set to a predetermined threshold temperature (for example, 2 °) based on the outside air temperature information. C) Judge whether the temperature is below or below. If the outside air temperature is below the specified threshold temperature, the temperature is judged to be low. When the outside air temperature is low (the determination result at step S 1 0 0 is affirmative “Y”), the control unit 80 determines whether or not anti-freezing processing of a predetermined part constituting the fuel cell system 1 0 is necessary. Is determined (S 1 0 2).
  • step S 1 0 4 when it is determined that anti-freezing processing is necessary (the determination result in step S 1 0 4 is affirmative “ ⁇ ”;), the control unit 8 0 Freezing prevention processing for preventing freezing of a predetermined portion constituting the battery system 10 is executed (S 10 06). A specific example of the freeze prevention process will also be described later.
  • the control unit 80 ends the process without executing the freeze prevention process.
  • control unit 80 executes the freeze prevention process, for example, a message indicating that the freeze prevention process is being performed is displayed on the dashboard in order to notify the user who is driving the vehicle that the freeze prevention process is being performed. Or you can display it on the screen used in the navigation system.
  • the freeze prevention process for the predetermined part is insufficient and the predetermined stop after the system is stopped.
  • the part may freeze.
  • the user will not be able to 7338 If a system stop request signal is received via the ignition switch, it may be warned that the fuel cell system 10 may freeze if the system is stopped.
  • the freeze-prevention process shown below still does not prevent the freezing of a predetermined part, for example, if the vehicle continues to run, the fuel cell system 10 freezes, causing problems. The user may be warned that there is a risk.
  • the control unit 80 performs the anti-freezing process as necessary while the fuel cell 20 is generating power and the vehicle is traveling at a predetermined threshold speed or more, so that it can accompany the traveling wind. Freezing of a predetermined portion such as the fuel cell 20 can be suppressed. A portion that is relatively far from a heat source such as the fuel cell 20 that generates heat accompanying power generation is likely to be frozen by running wind in a low temperature environment. However, according to the present embodiment, it is possible to suppress freezing associated with traveling wind at a predetermined part away from the heat source.
  • the control unit 80 needs to be subjected to a freeze prevention process because the predetermined part constituting the fuel cell system 10 is frozen or may freeze. Is determined.
  • specific examples of the predetermined conditions relating to the power generation state of the fuel cell will be described. For example, if the battery output of the fuel cell 20 is lower than the expected standard output in relation to the outside air temperature, the electrolyte membrane inside the fuel cell 20 will freeze and the power generation of the fuel cell system 10 will be normal. It may not have been done. Therefore, the control unit 80 refers to, for example, the reference map shown in FIG.
  • the battery output is provided with a voltage sensor for measuring the voltage output from the fuel cell 20 to the fuel cell system 10 and a current sensor for measuring the current. Measured using current.
  • the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 20 is related to the outside air temperature. If the temperature is lower than the expected reference temperature, the fuel cell 20 may be frozen. Therefore, the control unit 80 can determine whether or not the anti-freezing process is necessary as described above with reference to the reference map shown in FIG.
  • the control unit 80 refers to a reference map as shown in FIG. 6 and determines whether or not anti-freezing processing is necessary based on the position on the reference map obtained using the vehicle speed, the outside temperature, and the battery output as parameters. Can be determined.
  • the control unit 80 refers to the reference map as shown in FIG. 7 and determines the necessity of the anti-freezing process based on the position on the reference map obtained using the vehicle speed, the outside air temperature, and the cooling water temperature as parameters. Presence / absence can be determined.
  • the control unit 80 may determine that the freeze prevention process is necessary when the pressure in the air pipe is higher than the reference pressure.
  • the air that has been compressed by the air compressor 75 and the temperature has risen increases the flow resistance in the piping due to freezing of pulp, etc.
  • the control unit 80 refers to the reference map as shown in FIG. 8 and obtains the position on the reference map which uses the air outlet temperature of the air conditioner press 75, the rotation speed of the air compressor 75 and the outside air temperature as parameters. Based on this, it is possible to determine the necessity of anti-freezing treatment.
  • the control unit 80 refers to a reference map as shown in FIG. 9 and obtains a reference map in which the drive motor that drives the air compressor 75 and the rotation speed of the air compressor 75 and the outside air temperature are used as parameters. Based on the above position, the necessity of anti-freezing treatment can be determined.
  • the control unit 80 obtains, as parameters, the temperature of the drive motor that drives the air compressor 75, the rotation speed of the air compressor 75, and the outside air temperature with reference to a reference map as shown in FIG. Based on the position on the reference map, the necessity of anti-freezing processing can be determined.
  • control unit 80 determines whether or not the pressure in the pipe near the valve outlet, which has risen with the opening and closing of the pulp, has reached an expected reference pressure, and freezes if the reference pressure has not been reached. It may be determined that prevention processing is necessary.
  • a valve arranged in the circulation channel 51 in the fuel gas supply system When frozen, the pressure in the piping of the circulation channel 51 (for example, the pressure sensor P 5 7) may decrease. Therefore, the control unit 80 may determine that the antifreezing treatment is necessary when the pressure in the piping of the circulation channel 51 is lower than a predetermined reference pressure.
  • the control unit 80 may determine that the freeze prevention process is necessary when the nitrogen concentration in the pipe is higher than a predetermined reference concentration.
  • the nitrogen concentration in the pipe can be estimated using the difference in pressure loss between hydrogen and nitrogen, for example. Since hydrogen and nitrogen differ in density and viscosity by about 4 times the pressure loss, if the nitrogen concentration in the fuel gas in the fuel cell 20 increases, the vicinity of the inlet for supplying the fuel gas to the fuel cell 20 The pressure difference between and the pressure near the outlet will increase. Therefore, the control unit 80 detects the pressure difference between the pressure measured by the pressure sensor provided near the inlet and the pressure measured by the pressure sensor provided near the outlet, thereby adjusting the nitrogen concentration. Can be estimated.
  • the control unit 80 refers to the reference map as shown in FIG. 12 and performs anti-freezing based on the position on the reference map that is obtained from the battery output and the hydrogen consumption of the fuel cell 20 as parameters. Whether or not processing is necessary can be determined. Note that oxygen consumption may increase if a valve located in the oxygen gas supply system freezes. Therefore, the control unit 80 may determine that the freeze prevention process is necessary when the oxygen consumption is higher than the expected oxygen consumption in relation to the battery output.
  • the control unit 80 refers to a reference map as shown in FIG. 13 and uses the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 20 and the temperature in the piping of the circulation channel 51 as parameters. Whether or not anti-freezing processing is necessary can be determined based on the obtained position on the reference map.
  • control unit 80 can determine whether or not the freeze prevention process is necessary.
  • control unit 80 promotes heat generation of the fuel cell 20 by operating the fuel cell 20 at a low efficiency, and suppresses freezing of the fuel cell 20 or the like by the heat generation.
  • the low-efficiency operation of the fuel cell 20 can be realized, for example, by reducing the amount of oxygen supplied to the fuel cell 20 less than the amount of oxygen required during normal operation relative to the required power generation amount of the fuel cell 20. Can do.
  • a heater is provided in the cooling path 31 for circulating the cooling water, the heater is operated by the electric power generated by the fuel cell 20, the cooling water is heated, and the fuel cell 20 is heated by the heated cooling water. To prevent freezing. Thereby, freezing of the fuel cell 20 and the like can be suppressed by heat generation accompanying the increase in the output of the fuel cell 20 and heating of the cooling water.
  • the air that has been compressed by the air compressor 75 and increased in temperature becomes difficult to be sent out from the air compressor 75, the air is further compressed by the air compressor 75 to further increase the temperature. cause. Therefore, for example, a butterfly valve driven by a motor is arranged near the air outlet of the air compressor 75. By restricting this valve, the flow resistance in the pipe increases, making it difficult for air compressed by the air compressor 75 to rise from the air compressor 75 and output from the air compressor 75. The air temperature can be further increased. Freezing of valves and the like arranged in the oxygen gas supply system can be suppressed by the temperature rise of the air. Therefore, the control unit 80 can perform the freeze prevention process by narrowing the butterfly valve provided near the air outlet of the air compressor 75.
  • circulation Bonn By providing the above-mentioned butterfly-type pulp near the hydrogen outlet of the pump 55 and adjusting the throttle of the valve, it is possible to suppress freezing of the valves and the like arranged in the fuel gas supply system. The same applies to the pump 35 for cooling water.
  • control unit 80 can suppress freezing of pulp and the like arranged in each system by increasing the pump rotation speed of each pump.
  • the control unit 80 sets the predetermined condition regarding the power generation state of the fuel cell as described above while the fuel cell 20 is generating power and the vehicle is traveling at a predetermined threshold speed or more. If it is satisfied, it is determined that anti-freezing treatment is necessary, and anti-freezing treatment as shown above is also performed. As a result, freezing of a predetermined portion of the fuel cell 20 or the like due to the traveling wind can be suppressed.

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Abstract

燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システムから供給される電力を利用して走行する際に、燃料電池システムを構成する燃料電池等の所定部位が走行風により凍結することを抑制する。燃料電池システムは、車両に搭載され、燃料ガスおよび酸化ガスを燃料として発電を行う燃料電池およびシステムの制御を行う制御部とを備える。制御部は、車両の速度が所定の閾速度以上で、かつ燃料電池の発電状態に関する物理量に基づき定まる所定の条件を満たした場合、燃料電池が発電を行っていたとしても凍結防止処理を行う必要があると判定して、凍結防止処理を行う。

Description

燃料電池システム、 および燃料電池システムを搭載する車両 「技術分野」
本発明は、 燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、 特に燃料電池 の起動時の制御に関する。
「背景技術」 明
燃料電池システムは、 例えば寒冷地の屋外等の低温環境下で停止状態 が長く続く と、 システム内の水分が凍結してしまうおそれがある。 そこ 書
で、 従来より燃料電池システムの凍結を防止する種々の方法が提案され ている。
特開 2 0 0 5— 2 6 7 9 6 1号公報には、 電気自動車が必要とする電 力や二次電池の充電状態等に応じて発電状態と停止状態とを切り換えて 動作する、 いわゆる間欠運転を行う燃料電池システムにおいて、 燃料電 池が凍結するおそれがある場合には間欠運転を禁止し、 燃料電池の出力 を増加して燃料電池の凍結を防止する技術が開示されている。
特開 2 0 0 4— 1 5 3 9 4 7号公報には、 燃料電池システムとェンジ ンとを備えるハイブリ ツ ド車両において、 外気温が所定の基準温度以下 のときには、 燃料電池による発電を禁止して、 エンジンを用いて所望の 電力を得る技術が開示されている。
特開 2 0 0 5— 2 5 1 5 7 6号公報には、燃料電池システムにおいて、 システムの停止時に燃料電池の凍結するおそれがある場合に、 燃料電池 内の水分を除去する掃気処理を行う技術が開示されている。
ところで、 低温環境下において、 燃料電池システムを搭載した車両が 燃料電池システムによる電力を利用して走行する場合、 その走行に伴つ て走行風が発生し、 その走行風によって燃料電池システムを構成する部 品が凍結するおそれがある。 「発明の開示」
上記のように、 従来より燃料電池システムの凍結を防止する種々の方 法が提案されている。
しかし、 従来、 燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システム から供給される電力を利用して走行する際に走行風によつて燃料電池シ ステムを構成する部品が凍結する可能性については考慮していない。 本発明は、 燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システムから 供給される電力を利用して走行する際に、 燃料電池システムを構成する 燃料電池等の所定部位が走行風により凍結することを抑制することを目 的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、 車両に搭載され、 燃料ガスおよび 酸化ガスを燃料として発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムに おいて、 凍結防止処理を行う凍結防止処理手段と、 前記車両の速度が所 定の閾速度以上で、 かつ前記燃料電池の発電状態に関する物理量に基づ き定まる所定の条件を満たした場合、 前記燃料電池が発電を行っていた としても前記凍結防止処理を行う必要があると判定して、 前記凍結防止 処理を実行させるように前記凍結防止処理手段を制御する制御手段と、 を備えることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 所定の条件は、 例 えば、 外気温および前記燃料電池の出力とに基づき定まる条件である。 本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 所定の条件は、 外 気温およぴ前記燃料電池の温度とに基づき定まる条件である。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 所定の条件は、 外 気温および前記燃料電池を冷却する冷却水の温度とに基づき定まる条件 である。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 所定の条件は、 前 記燃料電池の出力および前記燃料電池の発電の際に消費される燃料ガス 量もしくは酸化ガス量に基づき定まる条件である。 本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 所定の条件は、 燃 料ガスが通る配管内の窒素濃度に基づき定まる条件である。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 凍結防止処理手段 は、 燃料ガスもしくは酸化ガスが通る配管内の流路抵抗を増加させるこ とで、 凍結防止処理を行うことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 凍結防止処理手段 は、 前記配管内に設けられ燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行う ポンプの回転数を増加させることで、 前記配管内の流路抵抗を増加させ ることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 凍結防止処理手段 は、 燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行うポンプの出口付近の配 管に設けられるバルブの開閉量を調整することで、 前記ポンプから送り 出される燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限し、 前記配管内の流路抵 抗を増加させることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 凍結防止処理手段 は、 前記燃料電池に供給する燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限する ことで、 凍結防止処理を行うことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 凍結防止処理手段 は、 前記燃料電池の発電電力を増加させることで、 凍結防止処理を行う ことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 制御手段は、 前記 凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中であるときは、 前記凍結防止 処理手段が凍結防止処理を実行中であることを示す情報を出力すること を特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 制御手段は、 前記 凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中にシステム停止要求を受けた 場合、 所定の警告を出力することを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの 1つの態様では、 当該燃料電池シス テムは、 車両に搭載され、 駆動源に電力を提供する。 本発明によれば、 燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システ ムから供給される電力を利用して走行する際に走行風によって燃料電池 システムを構成する燃料電池等の所定部位が凍結することを抑制するこ とができる。 「図面の簡単な説明」
図 1は、 本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図で ある。
図 2は、 本実施形態における燃料電池システムの配管系統を中心とす るシステム構成を示す図である。
図 3は、 本実施形態における制御部が走行風に伴う燃料電池等の所定 部位の凍結を防止するために行う処理手順を示すフローチヤ一トである。 図 4は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照す る、 電池出力おょぴ外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す 図である。
図 5は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照す る、 冷却水温度および外気温をパラメータとした参照マップの一例を示 す図である。
図 6は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照す る、 電池出力、 車速、 外気温をパラメータとした参照マップの一例を示 す図である。
図 7は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照す る、 冷却水温度、 車速、 外気温をパラメータとした参照マップの一例を 示す図である。
図 8は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照す る、 エアコンプレッサのエア出口付近の温度、 エアコンプレッサの回転 数、 外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
図 9は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照す る、 エアコンプレッサを駆動するモータの出力、 エアコンプレッサの回 転数、 外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。 図 1 0は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照 する、 エアコンプレッサを駆動するモータの温度、 エアコンプレッサの 回転数、 外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。 図 1 1は、 パルプの凍結によってバルブの出口付近における配管内圧 力が低下することについて説明するための図である。
図 1 2は、 制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照 する、 水素消費量と電池出力とをパラメータとした参照マップの一例を 示す図である。
図 1 3は、 図制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参 照する、 循環流路の配管内の温度および冷却水温度とをパラメータとし た参照マップの一例を示す図である。
「発明を実施するための最良の形態」
本発明を実施するための最良の形態 （以下、 実施形態と称する） につ いて、 以下図面を用いて説明する。
図 1は、 本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図で ある。 本実施形態における燃料電池システムは、 モータ （電動機） で駆 動する車両に電源として搭載される。 燃料電池システムは、 ユーザがィ グニシヨンスィッチをオンすると起動し、 ユーザによるァク.セルの操作 量に応じた発電を行う。 車両は、 燃料電池システムから供給される電力 によって走行することができる。
図 1において、 燃料電池システム 1 0は、 主に、 燃料ガス供給装置 4 2、 酸化ガス供給装置 7 3、 燃料電池 2 0、 及び制御部 8 0を備える。 燃料ガスは例えば水素ガスであり、 酸化ガスは例えば空気である。 制御 部 8 0はィグニシヨンスィッチ 8 2を介してユーザからのシステム起動 信号やシステム停止信号を受信し、 これらの信号に応じてシステムの起 動おょぴ停止を制御する。 また、 制御部 8 0はアクセルセンサ 8 4によ つて検出されたアクセス開度から燃料電池 2 0の要求発電量を求め、 所 望の発電量が得られるように燃料ガス供給装置 4 2と酸化ガス供給装置 7 3を制御し、 燃料電池 2 0に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量 を調整する。 さらに、 制御部 8 0は図 3に示すフローチャートの処理を 実行する際に外気温センサ 8 6によって検出された外気温情報を利用す るが、 詳細は後述する。
図 2は、 燃料電池システム 1 0の配管系統を中心とするシステム構成 を示す図である。 図 2に示すように、 燃料電池システム 1 0は、 燃料電 池 2 0に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系統と、 酸化ガスを供 給するための酸化ガス供給系統と、 冷却水により燃料電池 2 0を冷却も しくは暖機するための冷却水供給系統とを備える。
燃料電池 2 0は、 燃料ガスである水素と、 酸化ガスである酸素との電 気化学反応によって発電するセルを積層することで構成される。 各セル は電解質膜を挟んで水素極 （以下、 ァノードと称する） と酸素極 （以下、 力ソードと称する） とを配置して構成される。 本実施形態では、 例えば ナフイオン （登録商標） などの固体高分子膜を電解質膜として利用する 固体高分子型のセルを例に説明するが、 これに限らず、 種々のタイプを 利用可能である。
燃料電池システム 1 0の冷却水供給系統には、 冷却水を循環させる冷 却路 3 1、 燃料電池 2 0から排出される冷却水の温度を検出する温度セ ンサ 3 2、 冷却水の熱を外部に放熱するラジエタ 3 3、 ラジエタ 3 3 へ 流入する冷却水量を調整するバルブ 3 4、 冷却水を加圧して循環させる ポンプ 3 5などが設けられる。 バルブ 3 4は、 燃料電池 2 0を冷却する 場合には、 制御部 8 0の制御に基づいてラジェタ 3 3へ流入する冷却水 量を増加させ、 ラジェタ 3 3によって冷却された冷却水を燃料電池 2 0 に供給する。 一方、 パルプ 3 4は、 燃料電池 2 0を暧機する場合には、 制御部 8 0の制御に基づいて、 ラジェタ 3 3へ流入する冷却水量を減少 させ、 ラジエタ 3 3による冷却が抑制された冷却水を燃料電池 2 0に供 給する。
燃料電池システム 1 0の燃料ガス供給系統には、 アノードに燃料ガス を供給するための燃料ガス流路 4 1 と、 ァノードから排気される燃料ォ フガスを燃料ガス流路 4 1に循環させるための循環流路 5 1が配管され る。
燃料ガス流路 4 1には、 燃料ガス供給装置 4 2からの燃料ガスの供給 Z停止を制御する遮断弁 4 3、 燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ 4 4、 燃料ガスの圧力調整を行う レギュレータ 4 5、 燃料電池 2 0の燃料 ガス供給口を開閉する遮断弁 4 6などが設置される。 燃料ガス供給装置 4 2は、 例えば、 高圧水素タンク、 水素吸蔵合金、 改質器などにより構 成される。 '
循環流路 5 1には、 燃料オフガスを排出する遮断弁 5 2、 モータによ つて駆動される循環ポンプ 5 5、 燃料ガス流路 4 1の燃料ガスが循環流 路 5 1側に逆流することを防止する逆流阻止弁 5 6などが設置される。 循環ポンプ 5 5は、 制御部 8 0の制御に基づいてァノードを通過する際 に圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、 燃料ガス流路 4 1に還流させる。 燃料オフガスは、 燃料ガス流路 4 1で 燃料ガス供給装置 4 2から供給される燃料ガスと合流し、 燃料電池 2 0 に供給されて再利用される。
循環流路 5 1には、 燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを 希釈器 （例えば水素濃度低減装置）. 6 2を介して車外に排気するための 排気流路 6 1が分岐配管される。 排気流路 6 1には排気弁 6 3が設置さ れており、 排気弁 6 3が開閉することで、 燃料電池 2 0内の循環を繰り 返して不純物濃度が増した燃料オフガスを外部に排出し、 新規の燃料ガ スを導入して燃料電池の電圧の低下を防止する。 また、 排気弁 6 3を開 閉し、 循環流路 5 1の内圧に脈動を起こすことで、 ガス流路に蓄積した 水分を除去することができる。 つまり、 排気弁 6 3を開閉することで、 燃料ガス供給系統における掃気処理を行うことができる。
一方、 燃料電池システム 1 0の酸化ガス供給系統には、 力ソードに酸 化ガスを供給するための酸化ガス流路 7 1 と、 カソードから排気される 力ソードオフガスを排気するための力ソードオフガス流路 7 2が配管さ' れる。 酸化ガス流路 7 1には、 大気から取り込んだ空気に含まれる粉塵 等を除去するエアフィルタ 7 4、 モータによって駆動されるェアコンプ レッサ 7 5などから構成され、 圧縮空気を酸化ガスとして酸化ガス流路 7 1に供給する酸化ガス供給装置 7 3が設置される。 また、 酸化ガス供 給装置 7 3の下流に配置された加湿器 7 6では、 燃料電池 2 0 の電池反 応で生じた生成水によって高湿潤状態となった力ソードオフガスと、 大. 気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。 カソードの背圧はカソードオフガス流路 7 2に設置された圧力調整弁 7 7によってほぼ一定圧に調圧される。 力ソードオフガス流路 7 2を流れ る力ソードオフガスは、 例えば気液分離器やマフラなどを経由して車外 に排気され、 またその一部は希釈器 6 2に流れ込み、 希釈器 6 2内に滞 留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。 '
また、 酸化ガス流路 7 1には、 加湿器 7 6をパイパスするバイパス流 路 7 8が配管1される。 バイパス流路 7 8を介して乾燥した空気を燃料電 池 2 0に供給することで、 燃料電池 2 0の内部の流路などに残っている 水分を除去することができる。 つまり、 バイパス流路 7 8を介して乾燥 した空気を燃料電池 2 0に供給することで、 酸化ガス供給系統における 掃気処理を行うことができる。
制御部 8 0は、 内部に C P U、 R A M、 R O Mを備えるマイク ロコン ピュータとして構成されており、 R O Mに記憶されたプログラムに従つ て、燃料電池システム 1 0の各部動作の制御を実行する。制御部 8 0は、 各流路に配置された温度センサ T、 圧力センサ Ρからのセンサ信号を受 け取り、 電池運転の状態 （例えば、 電力負荷） に応じて各モータを駆動 して循環ポンプ 5 5とエアコンプレッサ 7 5の回転数を調整し、 更に、 各種の弁の開閉制御又は弁開度の調整などを行う。
本実施形態では、 上記のように構成された燃料電池システム 1 0を搭 載した車両が、 燃料電池システム 1 0から供給される電力を利用して走 行する際に走行風によって燃料電池 2 0等の所定部位が凍結することを 抑制する。 JP2007/057338 図 3は、 本実施形態における制御部 8 0が走行風に伴う燃料電池 2 0 等の所定部位の凍結を防止するために行う処理手順を示すフローチヤ一 トである。 制御部 8 0は、 燃料電池 2 0が発電中で、 かつ車両が所定の 閾速度 V t (例えば、 V t > 0 ) 以上で走行中の場合に、 所定の間隔で 図 3に示す処理手順を実行する。
図 3において、 制御部 8 0は、 外気温が低温か否かを判定する （S 1 0 0 )。 より具体的には、 制御部 8 0は、 外気温を検知する外気温センサ 8 6から外気温情報を取得して、 その外気温情報に基づいて外気温が所 定の閾温度 （例えば 2 °C ) 以下か否かを判定し、 外気温が所定の閾温度 以下の場合に、低温と判定する。 制御部 8 0は、外気温が低温の場合 （ス テツプ S 1 0 0での判定結果が、 肯定 「Y」）、 燃料電池システム 1 0を 構成する所定部位の凍結防止処理が必要か否かを判定する （S 1 0 2 )。 ここでの判定方法の詳細については後述する。 ステップ S 1 0 4におけ る判定の結果、 凍結防止処理が必要であると判定された場合 （ステップ S 1 0 4での判定結果が、 肯定 「Υ」；)、 制御部 8 0は、 燃料電池システ ム 1 0を構成する所定部位の凍結を防止するための凍結防止処理を実行 する （S 1 0 6 )。 凍結防止処理の具体例についても後述する。 一方、 外 気温が所定の閾温より大きい場合 （ステップ S 1 0 0での判定結果が、 否定 「N J )、 および凍結防止処理が不要と判定された場合 （ステップ S 1 0 4での判定結果が、 否定 「N」；)、 制御部 8 0は、 凍結防止処理を実 行せずに処理を終了する。 なお、 制御部 8 0が凍結防止処理を実行する 場合には、 車両を運転するユーザに凍結防止処理中であることを通知す るために、 例えばダッシュボード上に凍結防止処理中を示すメ ッセージ を表示し、 あるいはナビゲーションシステムにおいて利用される画面上 に表示してもよレ、。
また、 凍結防止処理を実行中にユーザがイダ-シヨンスィッチをオフ することで燃料電池システム 1 0を停止してしまう と、 所定部位に対す る凍結防止処理が不十分のためシステム停止後に当該所定部位が凍結す るおそれがある。 そのため、 凍結防止処理を実行中にユーザからのシス 7338 テム停止要求信号をィグニシヨ ンスィツチを介して受信した場合、 シス テムを停止すると燃料電池システム 1 0が凍結するおそれがあることを 警告してもよい。 さらに、 下記に示す凍結防止処理を実行しても依然と して所定部位の凍結を抑制することができない場合には、 例えば車両の 走行を続けると燃料電池システム 1 0が凍結し、 不具合が生じるおそれ があることをユーザに警告してもよい。 - 以上のように、 制御部 8 0は、 燃料電池 2 0が発電中でかつ車両が所 定の閾速度以上で走行中に、 必要に応じて凍結防止処理を行うことで、 走行風に伴う燃料電池 2 0等の所定部位の凍結を抑制することができる。 発電に伴い熱を発生させる燃料電池 2 0などの熱源から比較的離れた部 位は、 低温環境下における走行風によって凍結しやすい。 しかし、 本実 施形態によれば、 熱源から離れた所定部位の走行風に伴う凍結を抑制す ることができる。
ここで、 凍結防止処理の必要性の有無の判定方法について説明する。 制御部 8 0は、 燃料電池の発電状態に関する所定の条件を満たす場合 に、 燃料電池システム 1 0を構成する所定部位が凍結しているもしくは 凍結するおそれがあるため、 凍結防止処理が必要であると判定する。 以 下、燃料電池の発電状態に関する所定の条件の具体例について説明する。 例えば燃料電池 2 0の電池出力が外気温との関係で予想される基準出 力よりも低い場合、 燃料電池 2 0の内部の電解質膜などが凍結し燃料電 池システム 1 0の発電が正常に行われていない可能性がある。 よって、 制御部 8 0は、 例えば図 4に示す参照マップを参照して、 電池出力と外 気温とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置が凍結領域か非凍 結領域かを判定して、 当該位置が凍結領域に含まれる場合には、 凍結防 止処理が必要であると判定することができる。 なお、 電池出力は、 燃料 電池システム 1 0に燃料電池 2 0から出力される電圧を測定する電圧セ ンサと、 電流を測定する電流センサと、 を設けておき、 各センサにより 測定された電圧おょぴ電流などを用いて測定される。
また、 燃料電池 2 0から排出される冷却水の温度が外気温との関係で 予想される基準温度よりも低い場合、 燃料電池 2 0などが凍結している 可能性がある。 よって、 制御部 8 0は、 例えば図 5に示す参照マップを 参照して、 上記と同様に凍結防止処理の必要性の有無を判定することが できる。
加えて、 車両の走行速度が速いほど走行風の風量が増し、 凍結する可 能性が高くなる。 さらに外気温が低いほど走行風による凍結の可能性が 高くなる。 また、 凍結している場合、 燃料電池 2 0の電池出力は、 凍結 していない場合に比べて低下する。 そのため、 燃料電池 2 0の電池出力 が、 車速および外気温との関係で予想される基準電池出力よりも低い場 合、 燃料電池 2 0などが凍結している可能性がある。 そこで、 制御部 8 0は、 図 6に示すような参照マップを参照して、 車速、 外気温、 電池出 力をパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処 理の必要性の有無を判定することができる。
また、 上記の通り、 冷却水の温度が外気温との関係で予想される基準 温度よりも低い場合、 ^料電池 2 0などが凍結している可能性があり、 その凍結の可能性は、 車両の走行速度が速いほど高くなる。 そこで、 制 御部 8 0は、 図 7に示すような参照マップを参照して、 車速、 外気温、 冷却水の温度をパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて 凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
また、 エアコンプレッサ 7 5の出口付近のエア配管内圧力が、 予想さ れる基準圧力より も高い場合、 エアコンプレッサ 7 5より下流側の酸化 ガス供給系統上に配置されるバルブ等が凍結している可能性がある。 そ こで、 制御部 8 0は、 エア配管内圧力が基準圧力より高い場合、 凍結防 止処理が必要であると判定してもよい。
さらに、エアコンプレッサ 7 5により圧縮されて温度上昇した空気が、 パルプ等の凍結による配管内の流路抵抗の増加によりエアコンプレッサ
7 5から送り出されにく くなり、 再度圧縮されることでさらなる温度上 昇を引き起こす場合がある。 よって、 エアコンプレッサ 7 5の出口付近 におけるエア配管内の温度 （以下、 エア出口温度と称す） 力 エアコン プレッサ 7 5の回転数および外気温との関係で予想される基準温度より も高い場合、 上記と同様にバルブ等が凍結している可能性がある。 そこ で、 制御部 8 0は、 図 8に示すような参照マップを参照して、 エアコン プレッサ 7 5のエア出口温度とェアコンプレツサ 7 5の回転数と外気温 とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処 理の必要性の有無を判定することができる。
また、 バルブ等の凍結によりエアコンプレッサ 7 5から空気が送り出 されにく くなると配管内の流路抵抗が増加するため、 エアコンプレッサ 7 5を駆動する駆動モータの出力が通常よりも増加する。 よって、 当該 駆動モータの出力がェアコンプレッサ 7 5 の回転数との関係で予想され る基準出力よりも高い場合、 バルブ等が凍結している可能性がある。 そ こで、 制御部 8 0は、 図 9に示すような参照マップを参照して、 ェアコ ンプレッサ 7 5を駆動する駆動モータとエアコンプレッサ 7 5の回転数 と外気温とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍 結防止処理の必要性の有無を判定することができる。 _ 同様に、 バルブ等が凍結するとエアコンプレッサ 7 5を駆動する駆動 モータの出力増加に伴い駆動モータの温度が通常よりも上昇する。 そこ で、 制御部 8 0は、 図 1 0に示すような参照マップを参照して、 ェアコ ンプレッサ 7 5を駆動する駆動モータの温度とエアコンプレッサ 7 5 の 回転数と外気温とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づ いて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
加えて、 図 1 1 に示すように、 燃料電池システム 1 0を構成する各流 路に配置される各種バルブが凍結すると、バルブの開閉が正常に行えず、 パルプの出口付近における配管内圧力が予想される基準圧力まで上昇し ない場合がある。 そこで、 制御部 8 0は、 パルプの開閉に伴って上昇し たバルブ出口付近の配管内圧力が予想される基準圧力に達しているか否 かを判定して、 基準圧力に達していない場合に凍結防止処理が必要であ ると判定してもよい。
また、 燃料ガス供給系統における循環流路 5 1に配置されたバルブが 凍結すると、 循環流路 5 1の配管内圧力 （例えば、 圧力センサ P 5 7 ) が低下する場合がある。 そこで、 制御部 8 0は、 循環流路 5 1の配管内 圧力が所定の基準圧力より低い場合に、 凍結防止処理が必要であると判 定してもよい。
さらに、 燃料ガス供給系統における循環流路 5 1に配置されたバルブ が凍結すると、 配管内の窒素濃度が高くなる場合がある。 そこで、 制御 部 8 0は、 配管内の窒素濃度が所定の基準濃度より高い場合に、 凍結防 止処理が必要であると判定してもよい。 なお、 配管内の窒素濃.度は、 例 えば水素と窒素の圧力損失の違いを利用して推定することができる。 水 素と窒素では密度、粘度の違いによって圧力損失が 4倍程度異なるため、 燃料電池 2 0内における燃料ガス中の窒素濃度が上昇すると、 燃料電池 2 0に燃料ガスを供給するための入口付近の圧力と、 出口付近の圧力と の圧力差は増加することになる。 そこで、 制御部 8 0は、 当該入り 口付 近に設けた圧力センサにより測定された圧力と、 当該出口付近に設けた 圧力センサにより測定された圧力との圧力差を検出することで窒素濃度 を推定することができる。
加えて、 燃料ガス供給系統の例えば循環流路 5 1に配置されたバルブ が凍結すると、 凍結したバルブからの水素漏れなどにより、 水素の消費 量が増加する場合がある。 そこで、 制御部 8 0は、 図 1 2に示すような 参照マップを参照して、 燃料電池 2 0の電池出力と水素の消費量とをパ ラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必 要性の有無を判定することができる。 なお、 酸素ガス供給系統に配置さ れたバルブが凍結した場合には、 酸素の消費量が增加する場合がある。 そこで、 制御部 8 0は、 電池出力との関係で予想される酸素の基準消費 量より も酸素の消費量が多い場合に、 凍結防止処理が必要であると判定 してもよい。
また、 燃料ガス供給系統における循環流路 5 1に配置されたバルブが 凍結すると、 循環流路 5 1の配管内の温度が燃料電池 2 0から排出され る冷却水の温度との関係で予想される基準温度より低くなる場合がある。 そこで、 制御部 8 0は、 図 1 3に示すような参照マップを参照して、 燃 料電池 2 0から排出される冷却水の温度と循環流路 5 1の配管内の温度 とをパラメータとして求まる参照マツプ上の位置に基づいて凍結防止処 理の必要性の有無を判定することができる。
以上説明した判定方法を少なく とも一つ利用することで、 制御部 8 0 は、 凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
続いて、 凍結防止処理について説明する。
制御部 8 0は、 例えば、 燃料電池 2 0を低効率運転することで燃料電 池 2 0の発熱を促進し、 その発熱により燃料電池 2 0等の凍結を抑制す る。 なお、 燃料電池 2 0の低効率運転は、 例えば、 燃料電池 2 0の要求 発電量に対して通常運転時に必要な酸素量より燃料電池 2 0へ供給する 酸素量を少なくすることで実現することができる。
また、 冷却水を循環させる冷却路 3 1にヒーターを設けておき、 燃料 電池 2 0が発電した電力によりそのヒーターを'動作させ、 冷却水を加熱 し、 加熱された冷却水により燃料電池 2 0を加温し、 凍結を抑制する。 これにより、 燃料電池 2 0の出力増加に伴う発熱および冷却水の加熱に より、 燃料電池 2 0等の凍結を抑制することができる。
また、 上記の通り、 エアコンプレッサ 7 5により圧縮されて温度上昇 した空気がエアコンプレッサ 7 5から送り出されにく くなると、 その空 気がエアコンプレッサ 7 5により再度圧縮されることでさらなる温度上 昇を引き起こす。 そこで、 エアコンプレッサ 7 5のエア出口近傍に例え ばモータによって駆動するバタフライ式バルブを配置しておく。 このパ ルブを絞ることで、 配管内の流路抵抗が増し、 エアコンプレッサ 7 5に より圧縮されて温度上昇した空気をェアコンプレッサ 7 5から送り出し にく く し、 エアコンプレッサ 7 5から出力される空気の温度をさらに上 昇させることができる。 この空気の温度上昇により酸素ガス供給系統に 配置されたバルブ等の凍結を抑制することができる。 よって、 制御部 8 0は、 エアコンプレッサ 7 5のエア出口近傍に設けられたバタフライ式 バルブを絞ることで凍結防止処理を行うことができる。 なお、 循環ボン プ 5 5の水素出口近傍に上記のようなバタフライ式パルプを設けて、 そ のバルブの絞りを調整することで、 燃料ガス供給系統に配置されたバル ブ等の凍結を抑制することができる。 また、 冷却水用のポンプ 3 5の場 合も同様である。
さらに、 エアコンプレッサ 7 5や循環ポンプ 5 5や冷却水用のポンプ 3 5などの各ポンプのポンプ回転数を通常よりも増加させることでも、 バタフライ式バルブを絞った場合と同様に、 配管内の流路抵抗を増加さ せることができる。 よって、 制御部 8 0は、 各ポンプのポンプ回転数を 増加させることで、 各系統に配置されたパルプ等の凍結を抑制すること ができる。 ―
以上、 本実施形態によれば、 制御部 8 0は、 燃料電池 2 0が発電中で かつ車両が所定の閾速度以上で走行中に、 上記のような燃料電池の発電 状態に関する所定の条件を満たす場合に凍結防止処理が必要であると判 定して、 同じく上記に示すような凍結防止処理を行う。 これにより走行 風に伴う燃料電池 2 0等の所定部位の凍結を抑制することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 車両に搭載され、 燃料ガスおよび酸化ガスを燃料と して発電を行う 燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
凍結防止処理を行う凍結防止処理手段と、
前記車両の速度が所定の閾速度以上で、 かつ前記燃料電池の発電状態 に関する物理量に基づき定まる所定の条件を満たした場合、 前記燃料電 池が発電を行っていたとしても前記凍結防止処理を行う必要があると判 定して、 前記凍結防止処理を実行させるように前記凍結防止処理手段を 制御する制御手段と、
を備えることを特徴とす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において、
前記所定の条件は、 外気温および前記燃料電池の出力とに基づき定ま る条件であることを特徴とする燃料電池システム。
3 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の条件は、 外気温および前記燃料電池の温度とに基づき定ま る条件であることを特徴とする燃料電池システム。
4 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の条件は、 外気温および前記燃料電池を冷却する冷却水の温 度とに基づき定まる条件であることを特徴とする燃料電池システム。
5 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の条件は、 前記燃料電池の出力および前記燃料電池の発電の 際に消費される燃料ガス量もしくは酸化ガス量に基づき定まる条件であ ることを特徴とする燃料電池システム。
6 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の条件は、 燃料ガスが通る配管内の窒素濃度に基づき定まる 条件であるこ とを特徴とする燃料電池システム。
7 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凍結防止処理手段は、
燃料ガスもしくは酸化ガスが通る配管内の流路抵抗を増加させること で、 凍結防止処理を行う、
こ とを特徴とする燃料電池システム。
8 . 請求項 7に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凍結防止処理手段は、
前記配管内に設けられ燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行うポ ンプの回転数を増加させることで、前記配管内の流路抵抗を増加させる、 ことを特徴とする燃料電池システム。
9 . 請求項 7に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凍結防止処理手段は、
燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行うポンプの出口付近の配管 に設けられるバルブの開閉量を調整することで、 前記ポンプから送り出 される燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限し、 前記配管内の流路抵抗 を増加させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
1 0 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凍結防止処理手段は、
前記燃料電池に供給する燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限するこ とで、 凍結防止処理を行う、
ことを特徴とする燃料電池システム。
1 1 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凍結防止処理手段は、
前記燃料電池の発電電力を増加させることで、 凍結防止処理を行う、 ことを特徴とする燃料電池システム。
1 2 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、 前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中であ るときは、 前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中であることを 示す情報を出力することを特徴とする燃料電池システム。
1 3 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、 前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中にシ ステム停止要求を受けた場合、 所定の警告を出力することを特徴とする 燃料電池システム。
1 4 . 請求項 1に記載の燃料電池システムと、 当該燃料電池システムか ら供給される電力によって駆動する駆動源とを搭載する車両。 '
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