(57)【要約】【課題】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する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、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、燃料電池の燃料オフガス排出口と燃料ガス供給管とを接続する循環配管と、循環配管に配置されている水素ポンプと、燃料電池から排出される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、取得部により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。【選択図】図５
2020087726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、燃料電池システム。
【請求項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、前記水素ポンプの消費電力と、前記冷却媒体の温度と、を取得する、燃料電池システム。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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する、
燃料電池システム。
【請求項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、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を取得する工程と、
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工程と、
を備える、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−４４７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（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、前記水素ポンプの消費電力と、前記冷却媒体の温度と、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、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を取得する工程と、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。
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】水素ポンプの構成の一例を示す概略斜視図。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】水素ポンプ冷却処理の処理手順を示すフローチャート。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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
【００４９】
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。
【００５０】
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）。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
【数１】
2020087726.tif 000003
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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）。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
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
【図１】
2020087726.tif 000004
【図２】
2020087726.tif 000005
【図３】
2020087726.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2020087726.tif 000009
【図７】
2020087726.tif 000010
【図８】
2020087726.tif 000011
【図９】
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