JP2004288516A

JP2004288516A - Cooling control device of fuel cell system

Info

Publication number: JP2004288516A
Application number: JP2003080376A
Authority: JP
Inventors: Masaru Okamoto; 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make saving of cooling power and temperature control responsiveness compatible, when controlling temperatures of a fuel cell. <P>SOLUTION: An electric power saving optimizing cooling condition computing means 2 computes the rotational speed of a coolant pump and the rotational speed of a cooling fan so that the temperature of the fuel cell reaches a target temperature under the condition in which the sum of the power consumption of the coolant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 is minimized. A speed optimizing cooling condition computing means 3 computes the rotational speed of the coolant pump 32 and the rotational speed of the cooling fan 33 so that the temperature of the fuel cell reaches the target temperature at a prescribed response speed. A cooling condition selecting means 4 selects either one of the electric power optimizing cooling condition computing means 2 or the speed optimizing cooling condition computing means 3 in accordance with the condition of the fuel cell. In addition, a coolant pump control means 5 and a cooling fan control means 6 control the coolant pump 32 and the cooling fan 33 so that they are operated at the rotational speeds selected by the computing means. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの冷却系を制御する冷却制御装置に係り、特に冷却用電力の省電力化と燃料電池温度制御の応答性の両立を図ることができる燃料電池システムの冷却制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池を電源とする電気自動車である燃料電池車両が鋭意開発されている。燃料電池本体は、水素極に水素ガスを、空気極に空気をそれぞれ供給して、水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する。車両用燃料電池本体として、動作温度が比較的低く取り扱いの容易な固体高分子型燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、水素極と空気極の間に膜状の固体高分子電解質があり、これは水素イオン伝導体として機能する。
【０００３】
この種の燃料電池は、水素極で水素ガスを水素イオンと電子とに電離する反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子から水を生成する反応が行われる。このとき水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動する。固体高分子膜中を水素イオンが移動するためには、固体高分子膜が水分を含んでいる必要がある。このため固体高分子膜を加湿して湿らせておく必要があり、燃料電池へ供給する水素ガスを加湿装置で加湿して水素極に供給するようにする方法が知られている。また加湿に有効な方法として、燃料電池本体で未使用の水素ガスを燃料電池本体へ再循環して再利用する水素循環形式が用いられる。
【０００４】
ところで、燃料電池の水素と酸素との電気化学反応において、原料ガスが有する化学エネルギを全て電気エネルギへ変換することはできず、反応熱４８．６［ｋＪ／ｍｏｌ］が必ず発生する。また燃料電池内部の電気抵抗があるため、発電して電流が流れるとジュール熱により発熱する。
【０００５】
これらの発熱により燃料電池が高温になりすぎると、固体高分子電解質や電極触媒が劣化したり、あるいは加湿が不十分になるなどの不具合を生じ発電効率が著しく低下する。逆に低温すぎると、触媒作用が活発でないため発電効率が悪い。
【０００６】
このため燃料電池システムには、動作温度を目標温度に維持する温度制御装置が必要となる。従来の温度制御装置としては、冷媒ポンプによって燃料電池に冷媒を循環させると共に、この冷媒をラジエータと冷却ファンによって冷却することにより、燃料電池の動作温度を目標温度にする技術（例えば特許文献１）や、循環ポンプを運転するための電力変動費と再生器に供給する熱量のための変動費との和が最小になるように冷却水の流量を制御することにより、吸収式冷凍機の燃費向上を図る技術（例えば特許文献２）が知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２７１９１４号公報（第５頁、図１）
【０００８】
【特許文献２】
特開２００２−１１５９２８号公報（第３頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電力節約のために冷媒ポンプの回転速度を低下させると、冷却ファン回転速度を余分に上昇させる必要があり、逆に冷却ファンの回転速度を低下させると、冷媒ポンプの回転速度を余分に上昇させる必要がある。冷却に要する電力を削減し、燃料電池の燃費性能を向上させるためには、燃料電池の温度を目標値に維持する為の電力を最小にして、冷媒ポンプと冷却ファンとを制御する必要がある。
【００１０】
ところが単純に冷媒ポンプと冷却ファンとの消費電力の合計を最小化する温度制御では、温度制御の応答速度が低下し、燃料電池の負荷が急激に変動して、発熱量が急増した場合などには、燃料電池が高温に曝された状態が長く継続し、燃料電池が劣化する虞があるという問題点があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池を冷却する冷媒の熱を外部へ放出するラジエータと、該ラジエータと前記燃料電池との間で前記冷媒を循環させる冷媒ポンプと、前記ラジエータに送風する冷却ファンとを備えた燃料電池システムの冷却制御装置であって、前記冷媒ポンプの消費電力と前記冷却ファンの消費電力との和が最小となる条件で、前記燃料電池の温度が目標温度に達するように冷媒ポンプ回転速度及び冷却ファン回転速度を算出する省電力優先冷却条件算出手段と、所定の応答速度で前記燃料電池の温度が目標温度に達するように前記冷媒ポンプの回転速度と前記冷却ファンの回転速度とを算出する速度優先冷却条件算出手段と、燃料電池の状態に応じて、省電力優先冷却条件算出手段または速度優先冷却条件算出手段の何れかを選択する冷却条件選択手段と、該冷却条件選択手段が選択した算出手段による回転速度で動作するように前記冷媒ポンプを制御する冷媒ポンプ回転速度制御手段と、該冷却条件選択手段が選択した算出手段による回転速度で動作するように前記冷却ファンを制御する冷却ファン回転速度制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムの冷却制御装置によれば、燃料電池の状態に応じて、消費電力を最小化した条件で目標温度に達するように温度制御する冷媒ポンプの回転速度及び冷却ファンの回転速度と、所定の応答速度で目標温度に達するように温度制御する冷媒ポンプの回転速度及び冷却ファンの回転速度とを選択できるため、燃料電池の冷却に用いる電力の省電力化と、温度制御の応答性との両立を図ることができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の構成及び動作について詳しく説明する。
【００１４】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る冷却制御装置の第１実施形態が適用される燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。
【００１５】
図１において、燃料電池システム２１は、水素ガスと空気中の酸素ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池本体２２と、燃料電池本体２２へ空気を供給する空気供給装置２３と、燃料電池本体２２へ水素ガスを供給する水素供給装置２５と、燃料電池本体２２が生成した電力を消費する負荷装置３７とを主な構成要素として備える。
【００１６】
水素供給装置２５は、液体水素タンク、高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンク等を備え、これらに貯蔵した水素を供給する。水素供給装置２５と燃料電池本体２２の間には、水素供給バルブ２６が設けられ、水素供給バルブ２６を制御することによって燃料電池本体２２に供給する水素ガス圧力及び流量を調整することができる。
【００１７】
空気供給装置２３は、エアフィルタとコンプレッサを備え、燃料電池本体の空気極入口２２ａに空気を供給する。そして、燃料電池本体２２は、余った空気を空気極出口２２ｂから空気圧調整バルブ２４を介して排空気として排出する。
【００１８】
燃料電池本体２２は、水素極と空気極の間に固体高分子膜を有する固体高分子型の燃料電池により構成され、水素極で生成された水素イオンは固体高分子膜を通って空気極に移動する構成となっている。
【００１９】
また、燃料電池システム２１は、水素循環経路２８と水素循環ポンプ２９を備え、燃料電池本体２２は、水素供給装置２５から供給された水素ガスの一部を反応に使用しないで水素極出口２２ｄから水素循環経路２８に排出する。そして、水素循環経路２８に水素ガスが排出されると、水素循環ポンプ２９は、排出された水素ガスを水素極入口２２ｃに循環させる。これにより、水素極入口２２ｃには、水素供給装置２５から供給される乾燥した水素ガスと、水蒸気を多く含んだ循環水素ガスとの混合水素ガスが供給されるので、固体高分子膜が十分に加湿され、水素イオンが固体高分子膜中を移動することができるようになる。
【００２０】
水素循環経路２８は、循環経路内の水素ガスを排水素として図外の燃焼器へ放出するパージバルブ２７を備え、このパージバルブ２７によって水素循環系に蓄積する窒素等の不純物を燃料電池本体２２の運転中に排出することができる。
【００２１】
また、燃料電池システム２１は、冷媒循環経路３１と、ラジエータ３０と、冷媒ポンプ３２と、冷却ファン３３とを備えている。燃料電池本体２２とラジエータ３０とは、冷媒循環経路３１で接続され、冷媒ポンプ３２が燃料電池本体２２とラジエータ３０間で冷媒を循環させる。またラジエータ３０には、冷却ファン３３から送られる冷却風が通過し、冷媒の放熱効果を向上させている。
【００２２】
燃料電池本体２２の冷媒入口２２ｅ付近には、入口冷媒流量及び入口冷媒温度を測定するための流量センサ３４及び温度センサ３５が設けられている。また、燃料電池本体２２の冷媒出口２２ｆ付近には、出口冷媒温度を測定するための温度センサ３６が設けられている。
【００２３】
負荷装置３７は、例えば、燃料電池本体２２の発電電力を直交変換して車両の駆動モータに供給するインバータである。また、燃料電池本体２２と負荷装置３７との間には、燃料電池本体２２の電圧を測定するための電圧センサ３８と、燃料電池本体２２の負荷電流を測定するための電流センサ３９とが設けられている。
【００２４】
上記構成の燃料電池システムの冷却制御を行う冷却制御装置１は、流量センサ３４，温度センサ３５，３６、電圧センサ３８，電流センサ３９の各センサの検出値を入力し、冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３の回転速度を制御して、燃料電池本体２２の温度を適正に制御するものである。
【００２５】
なお、この燃料電池システムでは、出口冷媒温度が目標温度より低い場合であっても、冷媒を加熱する等の処理は実行しない。これは、燃料電池本体２２が発電すると、反応熱により自己発熱して温度が上昇するためである。但し、ヒータ等の加熱装置を用意し、燃料電池の起動時等に、冷媒を加熱することにより、出口冷媒温度を目標温度に上昇させるように制御してもよい。
【００２６】
図２は、第１実施形態の冷却制御装置の構成を示すブロック図である。同図において、冷却制御装置１は、冷媒ポンプ３２の消費電力と冷却ファン３３の消費電力との和が最小となる条件で、燃料電池本体２２の温度が目標温度に達するように冷媒ポンプ回転速度及び冷却ファン回転速度を算出する省電力優先冷却条件算出手段２と、所定の応答速度で燃料電池本体の温度が目標温度に達するように冷媒ポンプ３２の回転速度と冷却ファン３３の回転速度とを算出する速度優先冷却条件算出手段３と、燃料電池本体２２の状態に応じて、省電力優先冷却条件算出手段２または速度優先冷却条件算出手段３の何れかを選択する冷却条件選択手段４と、冷却条件選択手段４が選択した算出手段による回転速度で動作するように冷媒ポンプ３２を制御する冷媒ポンプ制御手段５と、冷却条件選択手段４が選択した算出手段による回転速度で動作するように冷却ファン３３を制御する冷却ファン制御手段６とを備えている。
【００２７】
尚、特に限定されないが、本実施形態では、冷却制御装置１は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとＩ／Ｏインタフェースからなるマイクロプロセッサで構成されている。
【００２８】
冷却制御装置１は、燃料電池の状態信号として、図１に示したように、冷媒の流量を検出する流量センサ３４，燃料電池本体２２の冷媒入口２２ｅにおける冷媒温度を検出する温度センサ３５，同冷媒出口２２ｆにおける冷媒温度を検出する温度センサ３６，電圧センサ３８、及び電流センサ３９を入力する。
【００２９】
冷却条件選択手段４は、燃料電池本体２２の状態に応じて、省電力優先冷却条件算出手段２または速度優先冷却条件算出手段３を選択する。
【００３０】
言い換えれば、冷却条件選択手段４は、燃料電池本体２２の状態に応じて、省電力優先冷却条件算出手段２が算出した冷媒ポンプ回転速度及び冷却ファン回転速度、或いは速度優先冷却条件算出手段３が算出した冷媒ポンプ回転速度及び冷却ファン回転速度を選択する。
【００３１】
冷却条件選択手段４が選択した冷媒ポンプ回転速度と冷却ファン回転速度は、冷媒ポンプ制御手段５と冷却ファン制御手段６とにそれぞれ与えられ、冷媒ポンプ３２，冷却ファン３３の回転速度が制御される。
【００３２】
冷却条件選択手段４は、電圧センサ３８が検出した燃料電池電圧値と電流センサ３９が検出した燃料電池電流値とを乗じて、燃料電池の発電電力（発電量）を求め、この発電電力が所定量、例えば、定格発電電力の３０％、より多い場合に、速度優先冷却条件算出手段３を選択する。
【００３３】
また、冷却条件選択手段４は、前記電圧値及び前記電流値から燃料電池本体２２の発熱量を推定する発熱量推定手段を備え、この発熱量が所定量、例えば、ラジエータ３０の最大放熱量の３０％、を超える場合、速度優先冷却条件算出手段３を選択し、それ以外は省電力優先冷却条件算出手段２を選択するようにしてもよい。
【００３４】
さらに、冷却条件選択手段４は、燃料電池本体２２の冷媒出口２２ｆにおける冷媒温度が燃料電池の動作温度とほぼ等しいことから、冷媒出口２２ｆの温度センサ３６の検出値と目標温度との制御偏差が所定量、例えば、５〔℃〕を超える場合、速度優先冷却条件算出手段３を選択する。
【００３５】
次に、図３に示すフローチャートを参照して、冷媒出口２２ｆの温度センサ３６が検出する出口冷媒温度を燃料電池本体２２の動作温度とみなして、出口冷媒温度を目標温度に維持する際の冷却制御装置１の制御処理について説明する。
【００３６】
図３に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００３７】
ステップＳ１の処理では、燃料電池の状態として、温度センサ３５，３６、電圧センサ３８，電流センサ３９の各検出値を入力する。
【００３８】
ステップＳ２の処理では、温度センサ３６の検出値を参照して、出口冷媒温度が目標温度を超えたか否かを判定する。そして、出口冷媒温度が目標温度を超えていないと判定した場合、ステップＳ６へ進む。
【００３９】
ステップＳ６の処理として、冷媒ポンプ３２の消費電力と冷却ファン３３の消費電力との和を最小にする条件で冷媒ポンプ回転速度と冷却ファン回転速度を算出し（省電力優先冷却条件算出手段）、ステップＳ８へ進む。
【００４０】
ステップＳ８では、算出した回転速度となるように冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３の回転速度を制御する。
【００４１】
一方、ステップＳ２の処理において、出口冷媒温度が目標温度を超えていると判定した場合には、ステップＳ３の処理として、出口冷媒温度と目標温度との間の温度偏差が所定量以上であるか否かを判定し、温度偏差が所定量以上でない場合、ステップＳ４の処理として、燃料電池本体２２の発電量が所定量以上であるか否かを判定する。そして、発電量が所定量以上でない場合、この制御処理をステップＳ６の処理に進め、発電量が所定量以上である場合には、制御処理をステップＳ７の処理に進める。
【００４２】
一方、ステップＳ３の処理において、温度偏差が所定量以上である場合には、ステップＳ７に処理を進める。
【００４３】
ステップＳ７の処理では、燃料電池本体２２の温度を所定の応答速度で制御する冷媒ポンプ回転速度と冷却ファン回転速度を算出し（速度優先冷却条件算出手段）、ステップＳ８へ進む。
【００４４】
ステップＳ７における速度優先冷却条件算出には、例えば、温度制御によく利用されるＰＩ制御が利用できる。
【００４５】
また、ステップＳ４の処理において、発電量に代えて、燃料電池本体２２の発熱量が所定量以上か否かを判定し、発熱量が所定量を超えない場合にはＳ６へ進み、超える場合にはＳ７へ進むように変更してもよい。
【００４６】
例えば図９に示すような燃料電池本体２２の電流電圧特性を予め測定しておくことにより、冷却制御装置１は、燃料電池本体２２の発熱量を予め知ることもできる。具体的には、冷却制御装置１は、アクセル開度等のパラメータを参照して負荷装置３７の要求負荷電力を算出し、算出した要求負荷電力を電圧センサ３８が検出した電圧値で割ることにより、要求負荷電力を実現するための目標負荷電流を算出する。そして、冷却制御装置１は、算出した目標負荷電流と予め測定した電流電圧特性とを比較することにより燃料電池本体２２の発熱量を知ることができる。
【００４７】
例えば、燃料電池セルの理論発電電圧は無負荷時には１．２３［Ｖ］である。しかし、実際は、発電電圧の中に熱損失に変わるものが含まれるために、無負荷時の発電電圧は１．２３［Ｖ］より低くなる。さらに、燃料電池内には電気抵抗があるため、電流の増加に伴って熱損失も大きくなる。このため、燃料電池が示す電流電圧特性は、負荷電流が大きくなるのに応じて電圧が下がるものとなる。従って、以下に示す式（１）により発熱量を知ることができる。
【００４８】
【数１】
熱損失がないとした時の理論発電量［Ｗ］−実発電量［Ｗ］
＝１．２３［Ｖ］×セル数×目標負荷電流［Ａ］−実電力［Ｗ］ …（１）
また、ステップＳ４の処理において、発熱量の変化率が所定の値を超えるか否かを判定し、発熱量の変化率が所定の値を超える場合はステップＳ７の処理、発熱量の変化率が所定の値を超えない場合にはステップＳ６の処理にそれぞれ制御処理を進めるようにしてもよい。
【００４９】
〔省電力優先冷却条件算出処理〕
次に、ステップＳ６の処理における省電力優先冷却条件算出処理について詳しく説明する。
【００５０】
通常、冷媒ポンプ３２の消費電力と冷却ファン３３の消費電力との和を最小にする冷媒ポンプ回転速度と冷却ファン回転速度は、線形計画法等を使って消費電力を最小化する最適化計算を行うことにより算出することができる。しかしながら、この計算方法は、多くの計算時間を必要とするので、車両のような速い制御が要求されるリアルタイム制御には不向きである。
【００５１】
そこで、本実施形態では、予め行った実験の実験データに基づいて実行された消費電力最小化の最適化計算の結果を記憶しておき、省電力優先冷却条件算出手段２は、この結果を参照することにより、冷媒ポンプ３２の消費電力と冷却ファン３３の消費電力の和を最小にする冷媒ポンプ回転速度と冷却ファン回転速度を算出する。
【００５２】
なお、上記実験において、入口冷媒温度、出口冷媒温度、燃料電池電圧、燃料電池電流の種々の条件下において、出口冷媒温度が目標温度となるような冷媒ポンプ回転速度と冷却ファン回転速度の各種組み合わせ毎に消費電力データを採取する。そして、消費電力の合計が最小となった冷媒ポンプ及び冷却ファンの回転速度の組み合わせを制御マップとして省電力優先冷却条件算出手段、或いは冷却制御装置としてのマイクロコンピュータに記憶しておくことにより、消費電力最小化最適化計算が実行できる。
【００５３】
〔第２実施形態〕
図４は、第２実施形態の冷却制御装置の構成を示すブロック図である。同図において、冷却制御装置１は、冷媒ポンプ３２の消費電力と冷却ファン３３の消費電力との和が最小となる条件で、燃料電池本体２２の温度が目標温度に達するように冷媒ポンプ回転速度及び冷却ファン回転速度を算出する省電力優先冷却条件算出手段２と、所定の応答速度で燃料電池本体の温度が目標温度に達するように冷媒ポンプ３２の回転速度と冷却ファン３３の回転速度とを算出する速度優先冷却条件算出手段３と、燃料電池本体２２の状態に応じて、省電力優先冷却条件算出手段２または速度優先冷却条件算出手段３の何れかを選択する冷却条件選択手段４と、冷却条件選択手段４が選択した算出手段による回転速度で動作するように冷媒ポンプ３２を制御する冷媒ポンプ制御手段５と、冷却条件選択手段４が選択した算出手段による回転速度で動作するように冷却ファン３３を制御する冷却ファン制御手段６とを備えている点では、第１実施形態と同様である。
【００５４】
さらに、第２実施形態では、省電力優先冷却条件算出手段２は、燃料電池本体２２の発熱量推定値に基づいて冷媒ポンプの消費電力と冷却ファンの消費電力との和を最小化する冷媒の流量及び燃料電池入口の冷媒温度を求めるための制御マップである消費電力最小化冷媒流量温度制御マップ７を備え、速度優先冷却条件算出手段８は、所定の応答速度で燃料電池本体２２の温度が目標温度となるように冷媒の流量及び燃料電池入口の冷媒温度を算出する速度優先冷媒流量温度算出手段８を備え、冷媒流量に基づいて冷媒ポンプ３２の目標回転速度を算出する冷媒ポンプ回転速度算出手段９及び燃料電池入口の冷媒温度に基づいて冷却ファン３３の目標回転速度を算出する冷却ファン回転速度算出手段１０を、省電力優先冷却条件算出手段２と速度優先冷却条件算出手段３との間で共有している点に特徴がある。
【００５５】
また、第２実施形態では、冷却条件選択手段４は、消費電力最小化冷媒流量温度制御マップ７から読み出された目標冷媒流量及び目標冷媒温度の組、或いは速度優先冷媒流量温度算出手段８により算出された目標冷媒流量及び目標冷媒温度の組の何れかの組を選択し、選択した組の目標冷媒流量及び目標冷媒温度をそれぞれ冷媒ポンプ回転速度算出手段９及び冷却ファン回転速度算出手段１０に与える。
【００５６】
冷媒ポンプ回転速度算出手段９には、与えられた目標冷媒流量と流量センサ３４から入力される冷媒流量により、例えばＰＩ制御により冷媒ポンプ３２の目標回転速度を算出して、冷媒ポンプ制御手段５へ出力する。冷媒ポンプ制御手段５は、第１実施形態と同様に、目標回転速度となるように冷媒ポンプ３２の回転速度を制御する。
【００５７】
冷却ファン回転速度算出手段１０には、与えられた目標冷媒温度と入口温度センサ３５から入力される入口冷媒温度により、例えばＰＩ制御により冷却ファン３３の目標回転速度を算出して、冷却ファン制御手段６へ出力する。冷却ファン制御手段６は、第１実施形態と同様に、目標回転速度となるように冷却ファン３３の回転速度を制御する。
【００５８】
次に、本実施形態における燃料電池本体２２の熱的なモデルを示す。
【００５９】
燃料電池本体２２の熱量変化は、冷媒により出入りする熱量と内部発生熱量、及び冷媒の熱的な特性から、以下の式（２）のように表現することができる。
【００６０】
【数２】
（ρ×Ｃｐ×Ｖ）×ｄ（Ｔ２）／ｄｔ＝Ａ−Ｂ＋Ｃ＋Ｄ−Ｅ［Ｊ／ｓ］ …（２）
ここで、
パラメータＡは、冷媒の持ち込み熱量（ρ×Ｃｐ×Ｆ１×Ｔ１）［Ｊ／ｓ］、
パラメータＢは、冷媒の持ち出し熱量（ρ×Ｃｐ×Ｆ１×Ｔ２）［Ｊ／ｓ］、
パラメータＣは、反応熱（４８．６）［ｋＪ／ｍｏｌ］、
パラメータＤは、燃料電池本体２２の電気抵抗による発熱量（１．２３×２７６×実電流−実電力）［Ｊ／ｓ］をそれぞれ示す。
【００６１】
また、パラメータＥ，Ｆ１，Ｔ１，Ｔ２，ρ，Ｃｐ，Ｖはそれぞれ順に、放熱損失［Ｊ／ｓ］，冷媒流量［ｍ３／ｓ］，冷媒入口温度［Ｋ］，冷媒出口温度［Ｋ］，冷媒密度［ｋｇ／ｍ３］，冷媒比熱［Ｊ／Ｋ＊ｋｇ］，燃料電池内冷媒容量［ｍ３］を示す。
【００６２】
なお、本実施形態では、セル数は２７６枚、理想開放電圧は１．２３［Ｖ］とする。また、計算の簡単化のために、燃料電池本体から冷媒を介さずに放熱する熱量である放熱損失Ｅは０とし、冷媒を除いた燃料電池本体の熱容量も無視する。
【００６３】
〔消費電力最小化冷媒流量温度制御マップ〕
次に、消費電力最小化冷媒流量温度制御マップ７について、詳しく説明する。通常、冷媒ポンプ３２の消費電力と冷却ファン３３の消費電力の和を最小にする冷媒流量目標値と冷媒温度目標値は、線形計画法等を使って消費電力最小化最適化計算を行うことにより算出することができる。しかしながら、この計算方法は、多くの計算時間を必要とするので、車両のような速い制御が要求されるリアルタイム制御には不向きである。
【００６４】
そこで、本実施形態では、予め行った実験の実験データに基づいて実行された消費電力最小化最適化計算の結果を制御マップとして記憶しておき、省電力優先冷却条件算出手段２は、この結果を参照することにより、冷媒ポンプ３２の電力と冷却ファン３３の電力の和を最小にする冷媒流量目標値と冷媒温度目標値を算出する。なお、消費電力最小化最適化計算は、入口冷媒温度、出口冷媒温度、燃料電池電圧、燃料電池電流の種々の条件下において、出口冷媒温度が目標温度となるような冷媒流量と入口冷媒温度の各種組み合わせ毎に消費電力データを採取する。そして、消費電力の合計が最小となった冷媒流量と入口冷媒温度の組み合わせを制御マップとして省電力優先冷却条件算出手段、或いは冷却制御装置としてのマイクロコンピュータに記憶しておくことにより、消費電力最小化最適化計算が実行できる。
【００６５】
燃料電池本体２２の熱量変化を示す式（２）において、冷媒流量と冷媒温度に関する数式の箇所はＡ−Ｂ＝ρ×Ｃｐ×Ｆ１×（Ｔ１−Ｔ２）の部分である。
【００６６】
そこで、ρ×Ｃｐ×Ｆ１×（Ｔ１−Ｔ２）を新たにパラメータＫと置き直して、パラメータＫを実現するパラメータＦ１とパラメータＴ１の組み合わせのうち、消費電力が最小になる組み合わせを探索する。探索されたパラメータＦ１とパラメータＴ１をそれぞれ冷媒流量目標値及び冷媒温度目標値として発電電力毎に記憶することにより、冷媒ポンプ３２の電力と冷却ファン３３の電力の和を最小にする冷媒流量目標値と冷媒温度目標値を求めることができる。ここで、パラメータＴ２は、目標温度を維持するように実験したデータなので、一定である。
【００６７】
なお、パラメータＫを実現するパラメータＦ１とパラメータＴ１の組み合わせのうち、消費電力が最小になるものは、例えば、以下の式（３）が示す関数Ｊが最小になる値を、以下に示す制約条件下で算出することにより探索することができる。
【００６８】
【数３】
Ｊ＝Ｑ１×（Ｆ１）^２＋Ｑ２×（Ｔ１−Ｔ２）^２ …（３）
（制約条件）
制約条件１：下限値≦Ｔ１≦Ｔ２
制約条件２：下限値≦Ｆ１≦上限値
制約条件３：ρ×Ｃｐ×Ｆ１×（Ｔ１−Ｔ２）＝Ｋ
ここで、Ｑ１，Ｑ２は任意の係数を示し、関数Ｊが収束するように適当に変更する。具体的には、係数Ｑ１，Ｑ２は電力消費が小さくなるように設定するとよい。具体的には、冷媒ポンプ３２の方が冷却ファン３３よりも電力を必要とするシステムであれば、冷媒流量を積極的に減らすと同時に、冷媒ポンプ３２の負荷を下げるとよく、この場合、係数Ｑ１は大きな値に設定して計算を行う。
【００６９】
また、Ｑ１、Ｑ２が消費電力の関数として求めることができる場合には、以下のように計算してもよい。本実施形態ではこの方法を採用している。
【００７０】
制約条件：下限値＜Ｆ１＜上限値、下限値＜Ｔ１＜上限値
目的関数ｍｉｎ．Ｊ＝Ｑ１×（冷媒流量Ｆ１）−Ｑ２×（入口冷媒温度Ｔ１）
Ｑ１＝（冷媒ポンプ上限消費電力−下限消費電力）／（上限Ｆ１−下限Ｆ１）
Ｑ２＝（冷却ファン上限消費電力−下限消費電力）／（上限Ｔ１−下限Ｔ１）
また、算出した冷媒流量目標値及び冷媒温度目標値となるように冷媒ポンプ３２と冷却ファン３３の回転速度を制御している際に、燃料電池システムの特性や環境の変化によって目標温度との間で定常偏差が生じることがある。そして、この場合、パラメータＦ１とパラメータＴ１を予め計算しておく方法では偏差によって誤差が生じてしまう。
【００７１】
そこで、この場合には、以下の式（４）が示す関数ΔＴが最大となるパラメータΔＦ１とパラメータΔＴ１を以下に示す（制約条件）下で予め算出して、記憶しておき、燃料電池本体２２から排出される冷媒の温度が目標温度を超えた偏差を相殺することができる温度変化分ΔＴのうち、消費電力増加分Δｐｏｗｅｒが最小になるパラメータΔＦ１とパラメータΔＴ１の組み合わせを選択する。
【００７２】
【数４】
ΔＴ＝ρ×Ｃｐ×ΔＦ１×ΔＴ１ …（４）
（制約条件）
制約条件１：Δｐｏｗｅｒ＝ΔＦ１×Ｒ１＋ΔＴ１×Ｒ２
制約条件２：下限値≦ΔＴ１≦上限値
制約条件３：下限値≦ΔＦ１≦上限値
〔速度優先冷媒流量温度算出処理〕
次に、速度優先冷媒流量温度算出処理について詳しく説明する。
【００７３】
本実施形態では、スライディングモード非線形制御理論を適用して、所定の応答速度で燃料電池本体の温度制御を行うものとする。
【００７４】
スライディングモード非線形制御理論では、Ｓ×ｄＳ／ｄｔ＜０であれば、冷媒出口温度Ｔ２を目標温度Ｔｍに追従させることができる。ここで、Ｓはすべり面と呼ばれ、スライディングモード非線形制御理論ではＳが０になるように制御する。本実施形態では、Ｓ＝Ｔ２−Ｔｍと表され、前述の式（１）を用いると、Ｓ×ｄＳ／ｄｔ＜０の関係は以下の式（５）のように表される。
【００７５】
【数５】
Ｓ×ｄＳ／ｄｔ
＝｛（Ｔ２−Ｔｍ）×ρ×Ｃｐ×Ｆ１×（Ｔ１−Ｔ２）＋Ｃ＋Ｄ｝／（ρ×Ｃｐ×Ｖ）…（５）
（ρ×Ｃｐ×Ｖ）＞０であるので、Ｓ×ｄＳ／ｄｔ＜０は、以下の式（５’）と表すことができる。
【００７６】
【数６】
｛（Ｔ２−Ｔｍ）×ρ×Ｃｐ×Ｆ１×（Ｔ１−Ｔ２）＋Ｃ＋Ｄ｝＜０ …（５’）
この式（５’）から、（Ｔ２−Ｔｍ）＞０の時にＳ×ｄＳ／ｄｔ＜０の関係が満たされるためには、（ρ×Ｃｐ×Ｆ１×（Ｔ１−Ｔ２）＋Ｃ＋Ｄ）＜０でなければならないことがわかる。そして、この式を整理すると、式（６）となり、式（７）が成立すれば、式（６）の不等号関係は満たされることがわかる。
【００７７】
【数７】
Ｆ１＜（−Ｃ−Ｄ）／（ρ×Ｃｐ×（Ｔ１−Ｔ２）） …（６）
Ｆ１＝Φ×（−Ｃ−Ｄ）／（ρ×Ｃｐ×（Ｔ１−Ｔ２））（Φ＞１）…（７）
なお、本実施形態では、冷媒入口温度Ｔ１の目標値Ｔ１ｍをＴ１ｍ＝Ｔ１×Φとして算出するように、式（８）に変形している。
【００７８】
【数８】
Ｆ１＝（−Ｃ−Ｄ）（ρ×Ｃｐ×（Φ×Ｔ１−Ｔ２））（Φ＜１） …（８）
一方、（Ｔ２−Ｔｍ）＜０の時にＳ×ｄＳ／ｄｔ＜０の関係が満たされるためには、式（９）が成立しなければならないことがわかる。そして、この式（９）を整理すると、式（１０）となる。
【００７９】
【数９】
（ρ×Ｃｐ×Ｆ１×（Ｔ１−Ｔ２）＋Ｃ＋Ｄ）＞０ …（９）
Ｆ１＞（−Ｃ−Ｄ）／（ρ×Ｃｐ×（Ｔ１−Ｔ２）） …（１０）
Ｆ１＝Φ×（−Ｃ−Ｄ）（ρ×Ｃｐ×（Ｔ１−Ｔ２））（Φ＜１）…（１１）
そして、式（１１）が成立すれば、式（９）の不等号関係は満たされることがわかる。
【００８０】
なお、本実施形態では、冷媒入口温度Ｔ１の目標値Ｔ１ｍをＴ１ｍ＝Ｔ１×Φとして算出するように、式（１２）に変形している。
【００８１】
【数１０】
Ｆ１＝（−Ｃ−Ｄ）（ρ×Ｃｐ×（Φ×Ｔ１−Ｔ２））（Φ１＞１） …（１２）
そして、この速度優先処理では、冷却制御装置１は、上記の数式を利用してパラメータＦ１とパラメータＴ１ｍを算出し、算出したパラメータＦ１及びパラメータＴｍを冷媒流量目標値及び冷媒温度目標値として、それぞれ冷媒ポンプ回転速度算出手段９及び冷却ファン回転速度算出手段１０に出力する。これにより、目標とする応答速度で温度を制御することが可能な回転速度で冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３を動作させることができる。
【００８２】
なお、目標とする応答速度で温度を制御するためには、パラメータΦを調整しなければならない。但し、予め実験を行うことによりパラメータΦの値を幾つか用意し、目標とする応答速度に応じてパラメータΦの値を変更してもよい。
【００８３】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、本実施形態における冷却制御装置１の制御処理について説明する。尚、本実施形態においては、冷媒出口２２ｆの温度センサ３６が検出する出口冷媒温度を燃料電池本体２２の動作温度とみなして、出口冷媒温度を目標温度に維持する際の冷却制御装置１の制御処理について説明する。
【００８４】
図５に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、制御処理はステップＳ１０の処理に進む。
【００８５】
ステップＳ１０の処理では、燃料電池の状態として、流量センサ３４，温度センサ３５，３６、電圧センサ３８，電流センサ３９の各検出値を入力する。
【００８６】
ステップＳ１１の処理では、温度センサ３６の検出値を参照して、出口冷媒温度が目標温度を超えたか否かを判定する。そして、出口冷媒温度が目標温度を超えていないと判定した場合、ステップＳ１５へ進む。
【００８７】
ステップＳ１５では、冷媒ポンプ３２の消費電力と冷却ファン３３の消費電力の和を最小にする冷媒流量目標値と冷媒温度目標値を消費電力最小化冷媒流量温度制御マップ７を参照して算出する。
【００８８】
次いで、ステップＳ１７へ進み、目標冷媒流量となる冷媒ポンプ回転速度を算出し、ステップＳ１８で、目標冷媒温度となる冷却ファン回転速度を算出し、ステップＳ１９で、算出した冷媒ポンプ回転速度及び冷却ファン回転速度を制御目標として冷媒ポンプ制御手段５及び冷却ファン制御手段６へ出力する。
【００８９】
この消費電力最小化最適化処理によれば、出口冷媒温度が目標温度を上回った場合、冷却制御装置１は、図１０の線Ａに示すように、出口冷媒温度（図１０（ａ））、入口冷媒温度（図１０（ｂ））、入口冷媒流量（図１０（ｃ））を目標値にするまでの時間（応答速度）は遅いが、消費電力（図１０（ｄ））を小さくして制御を行うことができる。
【００９０】
ここで、本実施形態では、算出した冷媒流量目標値と冷媒温度目標値となるように、冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３の回転速度を制御するフィードバック制御を行うこととするが、流量と回転速度の関係を示すマップを参照して、いわゆるフィードフォワード制御によって回転速度を制御してもよい。
【００９１】
一方、ステップＳ１１の処理において、出口冷媒温度が目標温度を超えていると判定した場合には、冷却制御装置１は、ステップＳ１２の処理として、出口冷媒温度と目標温度との間の温度偏差が所定量以上であるか否かを判定し、温度偏差が所定量以上でない場合、次に、冷却制御装置１は、ステップＳ１３の処理として、燃料電池本体２２の発電量が所定量以上であるか否かを判定する。燃料電池の発電量は、電圧センサ３８の検出値と電流センサ３９の検出値の積として算出される。
【００９２】
そして、ステップＳ１３の判定で、発電量が所定量以上でない場合、ステップＳ１５の処理に進む。ステップＳ１３の判定で、発電量が所定量以上である場合には、制御処理をステップＳ１６の処理に進める。
【００９３】
一方、ステップＳ１２の処理において、温度偏差が所定量以上である場合には、ステップＳ１６に処理を進める。
【００９４】
ステップＳ１６の処理では、速度優先冷媒流量温度算出手段８が、燃料電池本体２２の温度を所定の応答速度で制御する冷媒流量目標値と冷媒温度目標値を算出する。この算出内容は、上記式（５）〜（１２）を用いて説明した通りである。次いで、ステップＳ１７以下の処理へ進み、算出した冷媒流量目標値と冷媒温度目標値となるように、冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３の回転速度を制御する。
【００９５】
この応答速度制御処理によれば、出口冷媒温度が目標温度を上回った場合、冷却制御装置１は、図１０の線Ｂで示すように、出口冷媒温度（図１０（ａ））、入口冷媒温度（図１０（ｂ））、冷媒流量（図１０（ｃ））を目標値に所定の応答速度で制御することができる。
【００９６】
また、ステップＳ１３の処理において、燃料電池の発電量が所定値以上か否かの判定に代えて、燃料電池の発熱量が所定値以上か否かを判定し、所定値以上であれば、ステップＳ１６へ進んで、速度優先温度制御処理を行い、逆に所定値以上でなければ、ステップＳ１５へ進んで省電力優先温度制御処理を行うように変更してもよい。
【００９７】
この場合、例えば図９に示すような燃料電池本体２２の電流電圧特性を予め測定しておくことにより、冷却制御装置１は、燃料電池本体２２の発熱量を推定することもできる。具体的には、冷却制御装置１は、アクセル開度等のパラメータを参照して負荷装置３７の要求負荷電力を算出し、算出した要求負荷電力を電圧センサ３８が測定した電圧値で割ることにより、要求負荷電力を実現するための目標負荷電流を算出する。そして、冷却制御装置１は、算出した目標負荷電流と予め測定した電流電圧特性とを比較することにより燃料電池本体２２の発熱量を推定することができる。
【００９８】
この発熱量の推定方法の詳細は、第１実施形態の式（１）の説明で述べたので繰り返さない。
【００９９】
また、ステップＳ１３の処理において、冷却制御装置１は、発熱量の変化率が所定の値を超えるか否かを判定し、発熱量の変化率が所定の値を超える場合はステップＳ１６の処理、発熱量の変化率が所定の値を超えない場合にはステップＳ１５の処理にそれぞれ制御処理を進めるようにしてもよい。
【０１００】
また、本実施形態では、冷却制御装置１は、高温状態に長時間置かれることで燃料電池本体２２が劣化することを防止するために、ステップＳ１１，ステップＳ１２，ステップＳ１３の処理の順で処理を実行して、高温になりやすい高負荷状態では所定の応答速度で目標温度になるように制御している。しかしながら、冷却制御装置１を適用する燃料電池システムの特徴によって、ステップＳ１１，ステップＳ１２，ステップＳ１３の処理の順序を適当に変更してもよい。
【０１０１】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２実施形態となる冷却制御装置によれば、冷却制御装置１が、冷媒の温度と燃料電池本体２２の発電量に応じて省電力優先冷却条件算出処理又は速度優先冷却条件算出処理を実行することにより、冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３の回転速度を算出し、算出した回転速度で動作するように冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３を制御するので、燃料電池冷却用の電力を節約することと、応答性よく燃料電池本体２２の温度制御を行うことを両立することができる。
【０１０２】
また、燃料電池本体２２の発電量が所定量より多い場合、冷却制御装置１は、速度優先冷却条件算出処理を実行することにより、燃料電池本体２２を所定の応答速度で目標温度にするように制御するので、燃料電池本体２２が高温の状態が長く続き、熱によって燃料電池本体２２が劣化することを防止することができる。
【０１０３】
さらに、冷却制御装置１は、燃料電池本体２２の発熱量を推定することができるので、燃料電池本体２２の発熱量が変化するのに応じて速やかに冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３の回転速度を制御し、冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３を過剰に動作させないように制御することができる。
【０１０４】
また、燃料電池本体２２の動作温度と目標温度との温度偏差が所定量を超える場合、冷却制御装置１は、応答制速度制御処理を実行することにより、燃料電池本体２２を所定の応答速度で目標温度にするように制御するので、燃料電池本体２２が高温の状態が長く続き、熱によって燃料電池本体２２が劣化することを防止することができる。
【０１０５】
〔第３実施形態〕
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態となる冷却制御装置が適用される燃料電池システムの構成について説明する。
【０１０６】
図６に示すように、第３実施形態が適用される燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムの構成に加えて、電力を一時貯蔵する蓄電池またはコンデンサ等の蓄電手段４０と、燃料電池本体２２が発電した電圧を蓄電手段４０の電圧に変換すると共に、蓄電手段４０から負荷装置３７に供給する電圧を調整する電力変換装置４１と、蓄電手段４０の蓄電残量を検出する蓄電残量検出手段４２とを備えている。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態が適用される燃料電池システムの構成要素と同じなので、同一構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【０１０７】
蓄電手段４０は、例えば蓄電池として、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等が適している。また蓄電手段４０として、電気二重層コンデンサは、充放電時に化学反応を伴わないので、大電流による急速充放電が可能であるので、車両駆動用電源として好ましい。
【０１０８】
第３実施形態の冷却制御装置は、図２に示した第１実施形態の冷却制御装置と同様に、省電力優先冷却条件算出手段２と、速度優先冷却条件算出手段３と、冷却条件選択手段４と、冷媒ポンプ制御手段５と、冷却ファン制御手段６とを備えているが、蓄電残量検出手段４２の検出結果が冷却条件選択手段４の入力に追加されている点が異なる。その他の冷却制御装置の構成要素は、第１実施形態の冷却制御装置と同様であるので、重複する説明を省略する。
【０１０９】
次に、図７のフローチャートを参照して、本実施形態における冷却制御装置１の動作について説明する。なお、本実施形態においては、ステップＳ５の処理が追加されている以外は、図３に示した第１実施形態のフローチャートと同じであるので、同一ステップには、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【０１１０】
図７において、冷却制御装置１は、ステップＳ３またはＳ４の処理において、判定結果が肯定である場合、制御処理をステップＳ５の処理に進める。
【０１１１】
ステップＳ５の処理として、蓄電残量検出手段４２が検出した蓄電手段４０の蓄電残量が所定量（例えば、満充電の３０％）以上であるか否かを判定する（冷却条件選択手段）。そして、判定の結果、蓄電残量が所定量未満である場合、冷却制御装置１は制御処理をステップＳ６の省電力優先冷却条件算出処理に進める。一方、蓄電残量が所定量以上である場合には、冷却制御装置１は制御処理をステップＳ７の速度優先冷却条件算出処理に進める。
【０１１２】
このように、蓄電手段の蓄電残量が所定量以下である場合には、燃料電池の冷却に消費する電力を最小化する冷却制御を選択することにより、消費電力を節約して、燃料電池から蓄電手段への充電する可能性を向上させ、蓄電手段の電力を消費し尽くして急加速力が不足したり、停止後の再起動ができなくなることを防止することができる。
【０１１３】
なお、この場合、ステップＳ３の処理において温度偏差が所定量以上であるか否かを判定する閾値と、ステップＳ４の処理において発電量が所定量以上であるか否かを判定する閾値は、上限値に設定せず、上限値より少し低い値に設定することが望ましい。これは、蓄電手段の蓄電残量が少ない場合には、応答速度優先の冷却制御より省電力優先の冷却制御を選択したので、燃料電池本体２２から排出される冷媒の温度が目標温度になるまでに比較的長い時間を要し、燃料電池本体２２を劣化させる上限値を超えてしまうことを防止するためである。
【０１１４】
また、燃料電池の発電を継続して蓄電手段の蓄電残量が回復したら、応答速度を優先した制御に切り換えるようにしてもよい。また、蓄電手段の蓄電残量が回復した際、燃料電池本体２２から排出される冷媒の温度が目標温度に戻っていたら、省電力優先冷却制御を継続して行うようにしてもよい。
【０１１５】
以上の説明から明らかなように、第３実施形態によれば、蓄電手段の蓄電残量が少ない場合、冷却制御装置１が省電力優先冷却条件算出処理を実行することにより、図１０の線Ａに示すように、冷媒ポンプ３２及び冷却ファン３３の消費電力の和が最小となるように制御するので、燃料電池本体２２の冷却に要する消費電力を節約し、蓄電手段の蓄電残量の回復を早めることができる。
【０１１６】
〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態となる冷却制御装置が適用される燃料電池システムの構成は、図６に示した第３実施形態が適用される構成と同様である。
【０１１７】
第４実施形態の冷却制御装置の制御ブロック図は、図４に示した第２実施形態の制御ブロック図とほぼ同様である。第２実施形態との相違は、蓄電残量検出手段４２の検出結果が冷却条件選択手段４の入力に追加されている点が異なる。その他の冷却制御装置の構成要素は、第２実施形態の冷却制御装置と同様であるので、重複する説明を省略する。
【０１１８】
次に、図８のフローチャートを参照して、本実施形態における冷却制御装置１の動作について説明する。なお、本実施形態においては、ステップＳ１４の処理が追加されている以外は、図５に示した第２実施形態のフローチャートと同じであるので、同一ステップには、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【０１１９】
図８において、冷却制御装置１は、ステップＳ１２またはＳ１３の処理において、判定結果が肯定である場合、制御処理をステップＳ１４の処理に進める。
【０１２０】
ステップＳ１４の処理として、蓄電残量検出手段４２が検出した蓄電手段４０の蓄電残量が所定量（例えば、満充電の３０％）以上であるか否かを判定する（冷却条件選択手段）。そして、判定の結果、蓄電残量が所定量未満である場合、冷却制御装置１は制御処理をステップＳ１５の省電力優先冷却条件算出処理に進める。一方、蓄電残量が所定量以上である場合には、冷却制御装置１は制御処理をステップＳ１６の速度優先冷却条件算出処理に進める。
【０１２１】
このように、蓄電手段の蓄電残量が所定量以下である場合には、燃料電池の冷却に消費する電力を最小化する冷却制御を選択することにより、消費電力を節約して、燃料電池から蓄電手段への充電する可能性を向上させ、蓄電手段の電力を消費し尽くして、急加速力が不足したり、停止後の再起動ができなくなることを防止することができる。
【０１２２】
〔その他の実施形態〕
以上、好ましい実施形態について説明したが、これらの実施形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、これらの実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２実施形態となる冷却制御装置が適用される燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態となる冷却制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態の冷却制御装置の動作の流れを示すフローチャート図である。
【図４】本発明の第２実施形態となる冷却制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】第２実施形態の冷却制御装置の動作の流れを示すフローチャート図である。
【図６】本発明の第３、第４実施形態となる冷却制御装置が適用される燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図７】第３実施形態の冷却制御装置の動作の流れを示すフローチャート図である。
【図８】第４実施形態の冷却制御装置の動作の流れを示すフローチャート図である。
【図９】燃料電池本体の電流電圧特性を示す図である。
【図１０】省電力優先冷却制御と速度優先冷却制御の違いを説明するための図である。
【符号の説明】
１…冷却制御装置、２…省電力優先冷却条件算出手段、３…速度優先冷却条件算出手段、４…冷却条件選択手段、５…冷媒ポンプ制御手段、６…冷却ファン制御手段、７…消費電力最小化冷媒流量温度制御マップ、８…速度優先冷媒流量温度算出手段、９…冷媒ポンプ回転速度算出手段、１０…冷却ファン回転速度算出手段、２１…燃料電池システム、２２…燃料電池本体、２２ａ…空気極入口、２２ｂ…空気極出口、２２ｃ…水素極入口、２２ｄ…水素極出口、２２ｅ…冷媒入口、２２ｆ…冷媒出口、２３…空気供給装置、２４…空気圧調整バルブ、２５…水素供給装置、２６…水素供給バルブ、２７…パージバルブ、２８…水素循環路、２９…水素循環ポンプ、３０…ラジエータ、３１…冷媒循環ポンプ、３２…冷媒ポンプ、３３…冷却ファン、３４…流量センサ、３５，３６…温度センサ、３７…負荷装置、３８…電圧センサ、３９…電流センサ、４０…蓄電手段、４１…電力変換装置、４２…蓄電残量検出手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling control device for controlling a cooling system of a fuel cell system, and more particularly to a cooling control device for a fuel cell system capable of achieving both low power consumption for cooling and responsiveness of fuel cell temperature control. .
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cell vehicles, which are electric vehicles powered by a fuel cell, have been intensively developed. The fuel cell body supplies hydrogen gas to the hydrogen electrode and air to the air electrode, respectively, and electrochemically reacts hydrogen with oxygen in the air to generate power. 2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell having a relatively low operating temperature and easy handling is known as a vehicle fuel cell body. In a polymer electrolyte fuel cell, there is a membrane-like polymer electrolyte between a hydrogen electrode and an air electrode, which functions as a hydrogen ion conductor.
[0003]
In this type of fuel cell, a reaction of ionizing hydrogen gas into hydrogen ions and electrons occurs at a hydrogen electrode, and a reaction of generating water from oxygen gas, hydrogen ions, and electrons occurs at an air electrode. At this time, hydrogen ions move through the solid polymer membrane toward the air electrode. In order for hydrogen ions to move through the solid polymer membrane, the solid polymer membrane needs to contain moisture. For this reason, it is necessary to humidify the solid polymer membrane so that a hydrogen gas to be supplied to the fuel cell is humidified by a humidifier and supplied to the hydrogen electrode. Further, as an effective method for humidification, a hydrogen circulation system in which hydrogen gas unused in the fuel cell body is recirculated to the fuel cell body and reused is used.
[0004]
By the way, in the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell, all the chemical energy of the raw material gas cannot be converted into electric energy, and 48.6 [kJ / mol] of reaction heat is always generated. Also, due to the electric resistance inside the fuel cell, when power is generated and current flows, heat is generated by Joule heat.
[0005]
If the temperature of the fuel cell becomes too high due to these heat generations, problems such as deterioration of the solid polymer electrolyte and the electrode catalyst or insufficient humidification occur, and the power generation efficiency is significantly reduced. Conversely, if the temperature is too low, the power generation efficiency is poor because the catalytic action is not active.
[0006]
Therefore, the fuel cell system requires a temperature control device that maintains the operating temperature at the target temperature. As a conventional temperature control device, a technique in which a coolant is circulated through a fuel cell by a coolant pump and the coolant is cooled by a radiator and a cooling fan to set the operating temperature of the fuel cell to a target temperature (for example, Patent Document 1) In addition, by controlling the flow rate of cooling water so that the sum of the variable cost for operating the circulation pump and the variable cost for the amount of heat supplied to the regenerator is minimized, the fuel efficiency of the absorption chiller is improved. (For example, Patent Document 2) is known.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-271914 (page 5, FIG. 1)
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-2002-115928 (page 3, FIG. 1)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the rotation speed of the refrigerant pump is reduced to save power, it is necessary to increase the rotation speed of the cooling fan excessively. Conversely, when the rotation speed of the cooling fan is reduced, the rotation speed of the refrigerant pump is increased excessively. Need to raise. In order to reduce the power required for cooling and improve the fuel efficiency of the fuel cell, it is necessary to control the refrigerant pump and the cooling fan by minimizing the power for maintaining the temperature of the fuel cell at a target value. .
[0010]
However, in temperature control that simply minimizes the total power consumption of the refrigerant pump and cooling fan, the response speed of the temperature control decreases, the load on the fuel cell fluctuates rapidly, and the amount of heat generated increases rapidly. However, there is a problem that the state where the fuel cell is exposed to a high temperature lasts for a long time, and the fuel cell may be deteriorated.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a radiator that discharges heat of a refrigerant that cools the fuel cell to the outside, the radiator, and the fuel cell. Between the power consumption of the cooling pump and the power consumption of the cooling fan, comprising: a cooling pump that circulates the cooling medium between the cooling pump and a cooling fan that blows air to the radiator. Power saving priority cooling condition calculating means for calculating a refrigerant pump rotation speed and a cooling fan rotation speed such that the temperature of the fuel cell reaches the target temperature under the condition that the sum is minimized; and A speed-priority cooling condition calculating means for calculating a rotation speed of the refrigerant pump and a rotation speed of the cooling fan so that the temperature reaches the target temperature; and A cooling condition selecting means for selecting either the power saving priority cooling condition calculating means or the speed priority cooling condition calculating means, and the refrigerant pump is controlled so as to operate at a rotation speed by the calculating means selected by the cooling condition selecting means. The gist of the invention is to provide a refrigerant pump rotation speed control unit and a cooling fan rotation speed control unit for controlling the cooling fan to operate at the rotation speed determined by the calculation unit selected by the cooling condition selection unit.
[0012]
【The invention's effect】
According to the cooling control device for a fuel cell system according to the present invention, the rotation speed of the refrigerant pump and the rotation of the cooling fan that control the temperature to reach the target temperature under the condition of minimizing power consumption according to the state of the fuel cell. Since the speed and the rotation speed of the refrigerant pump and the rotation speed of the cooling fan for controlling the temperature so as to reach the target temperature at a predetermined response speed can be selected, the power consumption for cooling the fuel cell can be reduced and the temperature control can be performed. There is an effect that compatibility with responsiveness can be achieved.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a configuration of a fuel cell system to which a first embodiment of a cooling control device according to the present invention is applied.
[0015]
In FIG. 1, a fuel cell system 21 includes a fuel cell main body 22 that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen gas and oxygen gas in air, an air supply device 23 that supplies air to the fuel cell main body 22, A hydrogen supply device 25 that supplies hydrogen gas to the main body 22 and a load device 37 that consumes electric power generated by the fuel cell main body 22 are provided as main components.
[0016]
The hydrogen supply device 25 includes a liquid hydrogen tank, a high-pressure hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, and the like, and supplies hydrogen stored therein. A hydrogen supply valve 26 is provided between the hydrogen supply device 25 and the fuel cell main body 22. By controlling the hydrogen supply valve 26, the pressure and flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell main body 22 can be adjusted.
[0017]
The air supply device 23 includes an air filter and a compressor, and supplies air to the air electrode inlet 22a of the fuel cell body. Then, the fuel cell main body 22 discharges excess air from the air electrode outlet 22b as exhaust air via the air pressure adjusting valve 24.
[0018]
The fuel cell body 22 is composed of a polymer electrolyte fuel cell having a solid polymer membrane between the hydrogen electrode and the air electrode, and hydrogen ions generated at the hydrogen electrode pass through the solid polymer membrane to the air electrode. It is configured to move.
[0019]
Further, the fuel cell system 21 includes a hydrogen circulation path 28 and a hydrogen circulation pump 29, and the fuel cell main body 22 does not use a part of the hydrogen gas supplied from the hydrogen supply device 25 for the reaction from the hydrogen electrode outlet 22d. It is discharged to the hydrogen circulation path 28. When the hydrogen gas is discharged to the hydrogen circulation path 28, the hydrogen circulation pump 29 circulates the discharged hydrogen gas to the hydrogen electrode inlet 22c. As a result, a hydrogen gas mixture of the dried hydrogen gas supplied from the hydrogen supply device 25 and the circulating hydrogen gas containing a large amount of water vapor is supplied to the hydrogen electrode inlet 22c. Humidification allows hydrogen ions to move through the solid polymer membrane.
[0020]
The hydrogen circulation path 28 includes a purge valve 27 that discharges hydrogen gas in the circulation path as exhausted hydrogen to a combustor (not shown). The purge valve 27 operates the fuel cell body 22 to remove impurities such as nitrogen accumulated in the hydrogen circulation system. Can be discharged inside.
[0021]
Further, the fuel cell system 21 includes a refrigerant circulation path 31, a radiator 30, a refrigerant pump 32, and a cooling fan 33. The fuel cell main body 22 and the radiator 30 are connected by a refrigerant circulation path 31, and a refrigerant pump 32 circulates the refrigerant between the fuel cell main body 22 and the radiator 30. Cooling air sent from the cooling fan 33 passes through the radiator 30 to improve the heat radiation effect of the refrigerant.
[0022]
In the vicinity of the refrigerant inlet 22e of the fuel cell main body 22, a flow sensor 34 and a temperature sensor 35 for measuring an inlet refrigerant flow rate and an inlet refrigerant temperature are provided. A temperature sensor 36 for measuring the outlet refrigerant temperature is provided near the refrigerant outlet 22f of the fuel cell main body 22.
[0023]
The load device 37 is, for example, an inverter that orthogonally converts the power generated by the fuel cell main body 22 and supplies the power to the drive motor of the vehicle. A voltage sensor 38 for measuring the voltage of the fuel cell body 22 and a current sensor 39 for measuring the load current of the fuel cell body 22 are provided between the fuel cell body 22 and the load device 37. Have been.
[0024]
The cooling control device 1 that performs the cooling control of the fuel cell system having the above-described configuration inputs detection values of the flow rate sensor 34, the temperature sensors 35 and 36, the voltage sensor 38, and the current sensor 39, and outputs the refrigerant pump 32 and the cooling fan. The rotation speed of the fuel cell 33 is controlled to appropriately control the temperature of the fuel cell main body 22.
[0025]
In this fuel cell system, even when the outlet refrigerant temperature is lower than the target temperature, processing such as heating the refrigerant is not executed. This is because when the fuel cell main body 22 generates power, the temperature rises due to self-heating due to reaction heat. However, a heating device such as a heater may be provided, and the temperature of the outlet refrigerant may be controlled to be increased to the target temperature by heating the refrigerant when the fuel cell is started.
[0026]
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the cooling control device according to the first embodiment. In the figure, the cooling control device 1 controls the rotation speed of the refrigerant pump so that the temperature of the fuel cell body 22 reaches the target temperature under the condition that the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 is minimized. Power saving priority cooling condition calculating means 2 for calculating the cooling fan rotation speed, and the rotation speed of the refrigerant pump 32 and the rotation speed of the cooling fan 33 such that the temperature of the fuel cell body reaches the target temperature at a predetermined response speed. A speed-priority cooling condition calculating means 3 to be calculated; a cooling condition selecting means 4 for selecting either the power-saving priority cooling condition calculating means 2 or the speed-priority cooling condition calculating means 3 according to the state of the fuel cell main body 22; Refrigerant pump control means 5 for controlling the refrigerant pump 32 so as to operate at the rotation speed of the calculation means selected by the cooling condition selection means 4; And a cooling fan control unit 6 for controlling the cooling fan 33 to operate at a rotational speed by.
[0027]
Although not particularly limited, in the present embodiment, the cooling control device 1 is configured by a microprocessor including a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O interface.
[0028]
As shown in FIG. 1, the cooling control device 1 includes a flow rate sensor 34 for detecting a flow rate of the refrigerant, a temperature sensor 35 for detecting a refrigerant temperature at a refrigerant inlet 22 e of the fuel cell main body 22, as shown in FIG. A temperature sensor 36, a voltage sensor 38, and a current sensor 39 for detecting the refrigerant temperature at the refrigerant outlet 22f are input.
[0029]
The cooling condition selection means 4 selects the power saving priority cooling condition calculation means 2 or the speed priority cooling condition calculation means 3 according to the state of the fuel cell main body 22.
[0030]
In other words, depending on the state of the fuel cell main body 22, the cooling condition selection means 4 determines whether the refrigerant pump rotation speed and the cooling fan rotation speed calculated by the power saving priority cooling condition calculation means 2 or the speed priority cooling condition calculation means 3. The calculated refrigerant pump rotation speed and cooling fan rotation speed are selected.
[0031]
The coolant pump rotation speed and the cooling fan rotation speed selected by the cooling condition selection means 4 are given to the coolant pump control means 5 and the cooling fan control means 6, respectively, and the rotation speeds of the coolant pump 32 and the cooling fan 33 are controlled. .
[0032]
The cooling condition selecting means 4 multiplies the fuel cell voltage value detected by the voltage sensor 38 and the fuel cell current value detected by the current sensor 39 to determine the generated power (power generation amount) of the fuel cell. In the case of a fixed amount, for example, 30% or more of the rated generated power, the speed-priority cooling condition calculating means 3 is selected.
[0033]
Further, the cooling condition selecting means 4 includes a heat generation amount estimating means for estimating a heat generation amount of the fuel cell body 22 from the voltage value and the current value, and the heat generation amount is a predetermined amount, for example, a maximum heat release amount of the radiator 30. If it exceeds 30%, the speed-priority cooling condition calculating means 3 may be selected, and otherwise, the power-saving priority cooling condition calculating means 2 may be selected.
[0034]
Further, the cooling condition selecting means 4 determines that the control deviation between the value detected by the temperature sensor 36 at the refrigerant outlet 22f and the target temperature is equal to the refrigerant temperature at the refrigerant outlet 22f of the fuel cell main body 22 because the operating temperature of the fuel cell is substantially the same. If it exceeds a predetermined amount, for example, 5 [° C.], the speed-priority cooling condition calculating means 3 is selected.
[0035]
Next, with reference to the flowchart shown in FIG. 3, the outlet refrigerant temperature detected by the temperature sensor 36 at the refrigerant outlet 22f is regarded as the operating temperature of the fuel cell main body 22, and the cooling when maintaining the outlet refrigerant temperature at the target temperature is performed. The control process of the control device 1 will be described.
[0036]
The flowchart shown in FIG. 3 is started in response to the activation of the fuel cell system, and the control process proceeds to a process of step S1.
[0037]
In the process of step S1, the detection values of the temperature sensors 35 and 36, the voltage sensor 38, and the current sensor 39 are input as the state of the fuel cell.
[0038]
In the process of step S2, it is determined whether or not the outlet refrigerant temperature has exceeded the target temperature with reference to the detection value of the temperature sensor 36. When it is determined that the outlet refrigerant temperature does not exceed the target temperature, the process proceeds to step S6.
[0039]
In the process of step S6, the rotational speed of the refrigerant pump and the rotational speed of the cooling fan are calculated under the condition of minimizing the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 (power saving priority cooling condition calculating means). Proceed to step S8.
[0040]
In step S8, the rotation speeds of the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 are controlled so as to reach the calculated rotation speed.
[0041]
On the other hand, if it is determined in step S2 that the outlet refrigerant temperature is higher than the target temperature, the process proceeds to step S3 to determine whether the temperature deviation between the outlet refrigerant temperature and the target temperature is equal to or greater than a predetermined amount. If it is determined that the temperature deviation is not equal to or more than the predetermined amount, it is determined whether or not the power generation amount of the fuel cell main body 22 is equal to or more than the predetermined amount in the process of step S4. If the power generation amount is not equal to or more than the predetermined amount, the control process proceeds to step S6. If the power generation amount is equal to or more than the predetermined amount, the control process proceeds to step S7.
[0042]
On the other hand, if the temperature deviation is equal to or more than the predetermined amount in the process of step S3, the process proceeds to step S7.
[0043]
In the process of step S7, the rotation speed of the refrigerant pump and the rotation speed of the cooling fan for controlling the temperature of the fuel cell main body 22 at a predetermined response speed are calculated (speed-priority cooling condition calculation means), and the process proceeds to step S8.
[0044]
For the calculation of the speed-priority cooling condition in step S7, for example, PI control often used for temperature control can be used.
[0045]
Further, in the process of step S4, it is determined whether or not the heat generation amount of the fuel cell main body 22 is equal to or more than a predetermined amount instead of the power generation amount. If the heat generation amount does not exceed the predetermined amount, the process proceeds to S6. May be changed to proceed to S7.
[0046]
For example, by measuring the current-voltage characteristics of the fuel cell main body 22 as shown in FIG. 9 in advance, the cooling control device 1 can also know the heat generation amount of the fuel cell main body 22 in advance. Specifically, the cooling control device 1 calculates the required load power of the load device 37 with reference to parameters such as the accelerator opening, and divides the calculated required load power by the voltage value detected by the voltage sensor 38. Then, a target load current for realizing the required load power is calculated. Then, the cooling control device 1 can know the calorific value of the fuel cell main body 22 by comparing the calculated target load current with the previously measured current-voltage characteristic.
[0047]
For example, the theoretical power generation voltage of the fuel cell is 1.23 [V] when there is no load. However, in actuality, the power generation voltage at the time of no load is lower than 1.23 [V] because the power generation voltage includes one that changes to heat loss. Further, since the fuel cell has electric resistance, heat loss increases with an increase in current. Therefore, the current-voltage characteristics of the fuel cell are such that the voltage decreases as the load current increases. Therefore, the calorific value can be known from the following equation (1).
[0048]
(Equation 1)
Theoretical power generation [W] when there is no heat loss-actual power generation [W]
= 1.23 [V] x number of cells x target load current [A]-actual power [W] ... (1)
Also, in the process of step S4, it is determined whether or not the rate of change of the amount of heat generation exceeds a predetermined value. If the rate of change of the amount of heat generation exceeds the predetermined value, the process of step S7, If it does not exceed the predetermined value, the control process may proceed to the process of step S6.
[0049]
[Power saving priority cooling condition calculation processing]
Next, the power saving priority cooling condition calculation process in the process of step S6 will be described in detail.
[0050]
Normally, the rotation speed of the refrigerant pump and the rotation speed of the cooling fan that minimize the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 are calculated by an optimization calculation that minimizes the power consumption using linear programming or the like. It can be calculated by performing. However, since this calculation method requires a lot of calculation time, it is not suitable for real-time control that requires fast control such as a vehicle.
[0051]
Therefore, in the present embodiment, the result of the optimization calculation for minimizing the power consumption executed based on the experimental data of the experiment performed in advance is stored, and the power saving priority cooling condition calculating means 2 refers to this result. Thereby, the rotation speed of the refrigerant pump and the rotation speed of the cooling fan that minimize the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 are calculated.
[0052]
In the above experiments, under various conditions of the inlet refrigerant temperature, the outlet refrigerant temperature, the fuel cell voltage, and the fuel cell current, various combinations of the refrigerant pump rotation speed and the cooling fan rotation speed such that the outlet refrigerant temperature becomes the target temperature. Power consumption data is collected every time. Then, the combination of the rotation speeds of the refrigerant pump and the cooling fan with the minimum total power consumption is stored as a control map in the power saving priority cooling condition calculation means or the microcomputer as the cooling control device, so that the consumption is reduced. Power minimization optimization calculations can be performed.
[0053]
[Second embodiment]
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of the cooling control device according to the second embodiment. In the figure, the cooling control device 1 controls the rotation speed of the refrigerant pump so that the temperature of the fuel cell body 22 reaches the target temperature under the condition that the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 is minimized. Power saving priority cooling condition calculating means 2 for calculating the cooling fan rotation speed, and the rotation speed of the refrigerant pump 32 and the rotation speed of the cooling fan 33 such that the temperature of the fuel cell body reaches the target temperature at a predetermined response speed. A speed-priority cooling condition calculating means 3 to be calculated; a cooling condition selecting means 4 for selecting either the power-saving priority cooling condition calculating means 2 or the speed-priority cooling condition calculating means 3 according to the state of the fuel cell main body 22; Refrigerant pump control means 5 for controlling the refrigerant pump 32 so as to operate at the rotation speed of the calculation means selected by the cooling condition selection means 4; In that it includes a cooling fan control unit 6 for controlling the cooling fan 33 to operate at a rotational speed of is the same as in the first embodiment.
[0054]
Further, in the second embodiment, the power-saving priority cooling condition calculating means 2 determines the coolant for minimizing the sum of the power consumption of the refrigerant pump and the power consumption of the cooling fan based on the estimated heat generation value of the fuel cell main body 22. A power consumption minimizing refrigerant flow temperature control map 7, which is a control map for obtaining the flow rate and the refrigerant temperature at the fuel cell inlet, is provided. The speed-priority cooling condition calculating means 8 determines whether the temperature of the fuel cell main body 22 has a predetermined response speed. Refrigerant pump rotational speed calculation for calculating a target rotational speed of the refrigerant pump 32 based on the refrigerant flow rate, comprising speed priority refrigerant flow temperature calculating means 8 for calculating the refrigerant flow rate and the refrigerant temperature at the fuel cell inlet so as to reach the target temperature. Means 9 and a cooling fan rotation speed calculating means 10 for calculating a target rotation speed of the cooling fan 33 based on the refrigerant temperature at the fuel cell inlet. It is characterized in that sharing between the degrees preferences cooling condition calculating means 3.
[0055]
Further, in the second embodiment, the cooling condition selecting means 4 is provided by a set of the target refrigerant flow rate and the target refrigerant temperature read from the power consumption minimizing refrigerant flow temperature control map 7 or the speed priority refrigerant flow temperature calculating means 8. Any one of the set of the calculated target refrigerant flow rate and the target refrigerant temperature is selected, and the target refrigerant flow rate and the target refrigerant temperature of the selected set are transmitted to the refrigerant pump rotation speed calculation means 9 and the cooling fan rotation speed calculation means 10, respectively. give.
[0056]
Based on the given target refrigerant flow rate and the refrigerant flow rate input from the flow rate sensor 34, the refrigerant pump rotation speed calculation means 9 calculates the target rotation speed of the refrigerant pump 32 by, for example, PI control, and sends it to the refrigerant pump control means 5. Output. The refrigerant pump control means 5 controls the rotation speed of the refrigerant pump 32 so as to reach the target rotation speed, as in the first embodiment.
[0057]
The cooling fan rotation speed calculating means 10 calculates the target rotation speed of the cooling fan 33 by, for example, PI control based on the given target refrigerant temperature and the inlet refrigerant temperature inputted from the inlet temperature sensor 35, and 6 is output. The cooling fan control means 6 controls the rotation speed of the cooling fan 33 so as to reach the target rotation speed, as in the first embodiment.
[0058]
Next, a thermal model of the fuel cell main body 22 in the present embodiment will be described.
[0059]
The change in the amount of heat of the fuel cell main body 22 can be expressed by the following equation (2) from the amount of heat flowing into and out of the refrigerant, the amount of heat generated internally, and the thermal characteristics of the refrigerant.
[0060]
(Equation 2)
(Ρ × Cp × V) × d (T2) / dt = A−B + C + DE [J / s] (2)
here,
Parameter A is the amount of heat carried by the refrigerant (ρ × Cp × F1 × T1) [J / s],
Parameter B is the calorific value of the refrigerant (ρ × Cp × F1 × T2) [J / s],
Parameter C is heat of reaction (48.6) [kJ / mol],
The parameter D indicates the amount of heat generated by the electric resistance of the fuel cell main body 22 (1.23 × 276 × actual current−actual power) [J / s].
[0061]
The parameters E, F1, T1, T2, ρ, Cp, and V are, respectively, the heat dissipation loss [J / s], the refrigerant flow rate [m3 / s], the refrigerant inlet temperature [K], the refrigerant outlet temperature [K], The refrigerant density [kg / m3], the specific heat of the refrigerant [J / K * kg], and the refrigerant capacity [m3] in the fuel cell are shown.
[0062]
In this embodiment, the number of cells is 276 and the ideal open voltage is 1.23 [V]. For the sake of simplicity of calculation, the heat loss E, which is the amount of heat radiated from the fuel cell main body without passing through the refrigerant, is set to 0, and the heat capacity of the fuel cell main body excluding the refrigerant is ignored.
[0063]
(Power consumption minimizing refrigerant flow temperature control map)
Next, the power consumption minimizing refrigerant flow temperature control map 7 will be described in detail. Normally, the target value of the refrigerant flow rate and the target value of the refrigerant temperature that minimize the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 are obtained by performing a power consumption minimization optimization calculation using a linear programming method or the like. Can be calculated. However, since this calculation method requires a lot of calculation time, it is not suitable for real-time control that requires fast control such as a vehicle.
[0064]
Therefore, in the present embodiment, the result of the power consumption minimization optimization calculation executed based on the experimental data of the experiment performed in advance is stored as a control map, and the power saving priority cooling condition calculation means 2 stores the result. , The refrigerant flow target value and the refrigerant temperature target value that minimize the sum of the electric power of the refrigerant pump 32 and the electric power of the cooling fan 33 are calculated. In addition, the power consumption minimization optimization calculation is performed under various conditions of the inlet refrigerant temperature, the outlet refrigerant temperature, the fuel cell voltage, and the fuel cell current so that the refrigerant flow rate and the inlet refrigerant temperature are such that the outlet refrigerant temperature becomes the target temperature. Power consumption data is collected for each combination. By storing the combination of the refrigerant flow rate and the inlet refrigerant temperature at which the total power consumption is minimized as a control map in the power saving priority cooling condition calculating means or the microcomputer as the cooling control device, the power consumption is minimized. Optimization calculations can be performed.
[0065]
In the equation (2) showing the change in the amount of heat of the fuel cell main body 22, the portion of the mathematical expression relating to the refrigerant flow rate and the refrigerant temperature is a portion of AB = ρ × Cp × F1 × (T1-T2).
[0066]
Therefore, ρ × Cp × F1 × (T1−T2) is newly replaced with the parameter K, and a combination that minimizes power consumption is searched for among combinations of the parameter F1 and the parameter T1 that realize the parameter K. By storing the searched parameter F1 and parameter T1 as a refrigerant flow target value and a refrigerant temperature target value for each generated power, a refrigerant flow target value that minimizes the sum of the electric power of the refrigerant pump 32 and the electric power of the cooling fan 33 And the refrigerant temperature target value. Here, the parameter T2 is constant because it is data obtained by experimentation to maintain the target temperature.
[0067]
Among the combinations of the parameter F1 and the parameter T1 for realizing the parameter K, the combination that minimizes the power consumption is, for example, a value that minimizes the function J represented by the following equation (3). It can be searched by calculating below.
[0068]
[Equation 3]
J = Q1 × (F1) ² + Q2 × (T1-T2) ² … (3)
(Constraints)
Restriction condition 1: lower limit value ≦ T1 ≦ T2
Restriction condition 2: lower limit value ≤ F1 ≤ upper limit value
Restriction condition 3: ρ × Cp × F1 × (T1-T2) = K
Here, Q1 and Q2 indicate arbitrary coefficients, and are appropriately changed so that the function J converges. Specifically, the coefficients Q1 and Q2 may be set so as to reduce power consumption. Specifically, if the refrigerant pump 32 requires more power than the cooling fan 33, it is preferable to actively reduce the flow rate of the refrigerant and at the same time reduce the load on the refrigerant pump 32. The calculation is performed by setting Q1 to a large value.
[0069]
If Q1 and Q2 can be obtained as functions of the power consumption, they may be calculated as follows. This embodiment employs this method.
[0070]
Restriction: lower limit <F1 <upper limit, lower limit <T1 <upper limit
Objective function min. J = Q1 × (refrigerant flow rate F1) −Q2 × (inlet refrigerant temperature T1)
Q1 = (refrigerant pump upper limit power consumption-lower limit power consumption) / (upper limit F1-lower limit F1)
Q2 = (cooling fan upper limit power consumption-lower limit power consumption) / (upper limit T1-lower limit T1)
Further, when the rotation speeds of the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 are controlled so that the calculated refrigerant flow rate target value and the refrigerant temperature target value are obtained, a difference between the target temperature and the fuel cell system due to a change in the characteristics or environment of the fuel cell system. May cause a steady-state deviation. In this case, an error occurs due to the deviation in the method of calculating the parameter F1 and the parameter T1 in advance.
[0071]
Therefore, in this case, the parameter ΔF1 and the parameter ΔT1 at which the function ΔT represented by the following equation (4) is the maximum are calculated in advance under the following (constrained conditions), stored, and stored. A combination of the parameter ΔF1 and the parameter ΔT1 that minimizes the increase in power consumption Δpower is selected from the temperature change ΔT that can offset the deviation of the temperature of the refrigerant discharged from the temperature exceeding the target temperature.
[0072]
(Equation 4)
ΔT = ρ × Cp × ΔF1 × ΔT1 (4)
(Constraints)
Restriction condition 1: Δpower = ΔF1 × R1 + ΔT1 × R2
Restriction condition 2: lower limit value ≦ ΔT1 ≦ upper limit value
Restriction condition 3: lower limit value ≦ ΔF1 ≦ upper limit value
(Speed priority refrigerant flow temperature calculation processing)
Next, the speed priority refrigerant flow temperature calculation processing will be described in detail.
[0073]
In the present embodiment, the temperature control of the fuel cell body is performed at a predetermined response speed by applying the sliding mode nonlinear control theory.
[0074]
In the sliding mode nonlinear control theory, if S × dS / dt <0, the refrigerant outlet temperature T2 can follow the target temperature Tm. Here, S is called a slip surface, and is controlled so that S becomes 0 in the sliding mode nonlinear control theory. In the present embodiment, S = T2−Tm, and using the above equation (1), the relationship of S × dS / dt <0 is expressed as the following equation (5).
[0075]
(Equation 5)
S × dS / dt
= {(T2−Tm) × ρ × Cp × F1 × (T1−T2) + C + D} / (ρ × Cp × V) (5)
Since (ρ × Cp × V)> 0, S × dS / dt <0 can be expressed by the following equation (5 ′).
[0076]
(Equation 6)
{(T2−Tm) × ρ × Cp × F1 × (T1−T2) + C + D} <0 (5 ′)
From equation (5 ′), in order for the relationship of S × dS / dt <0 to be satisfied when (T2−Tm)> 0, (ρ × Cp × F1 × (T1−T2) + C + D) <0. We know that we have to. Then, when this expression is arranged, it becomes Expression (6), and it can be seen that if Expression (7) is satisfied, the inequality relation of Expression (6) is satisfied.
[0077]
(Equation 7)
F1 <(− CD) / (ρ × Cp × (T1−T2)) (6)
F1 = Φ × (−CD) / (ρ × Cp × (T1-T2)) (Φ> 1) (7)
In the present embodiment, the target value T1m of the refrigerant inlet temperature T1 is modified into Expression (8) so that T1m = T1 × Φ is calculated.
[0078]
(Equation 8)
F1 = (− CD) (ρ × Cp × (Φ × T1−T2)) (Φ <1) (8)
On the other hand, it can be seen that Expression (9) must be satisfied in order to satisfy the relationship of S × dS / dt <0 when (T2−Tm) <0. Then, when Equation (9) is arranged, Equation (10) is obtained.
[0079]
(Equation 9)
(Ρ × Cp × F1 × (T1-T2) + C + D)> 0 (9)
F1> (− CD) / (ρ × Cp × (T1−T2)) (10)
F1 = Φ × (−CD) (ρ × Cp × (T1-T2)) (Φ <1) (11)
Then, if the equation (11) is satisfied, it is understood that the inequality relation of the equation (9) is satisfied.
[0080]
In the present embodiment, the target value T1m of the refrigerant inlet temperature T1 is modified into Expression (12) so that T1m = T1 × Φ is calculated.
[0081]
(Equation 10)
F1 = (− CD) (ρ × Cp × (Φ × T1−T2)) (Φ1> 1) (12)
Then, in this speed priority process, the cooling control device 1 calculates the parameter F1 and the parameter T1m using the above formula, and uses the calculated parameter F1 and parameter Tm as a refrigerant flow rate target value and a refrigerant temperature target value, respectively. It outputs to the refrigerant pump rotation speed calculation means 9 and the cooling fan rotation speed calculation means 10. Thereby, the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 can be operated at a rotation speed at which the temperature can be controlled at the target response speed.
[0082]
In order to control the temperature at the target response speed, the parameter Φ must be adjusted. However, some values of the parameter Φ may be prepared by performing experiments in advance, and the value of the parameter Φ may be changed according to the target response speed.
[0083]
Next, a control process of the cooling control device 1 in the present embodiment will be described with reference to a flowchart shown in FIG. In the present embodiment, the control of the cooling control device 1 when maintaining the outlet refrigerant temperature at the target temperature, considering the outlet refrigerant temperature detected by the temperature sensor 36 at the refrigerant outlet 22f as the operating temperature of the fuel cell body 22. The processing will be described.
[0084]
The flowchart shown in FIG. 5 is started in response to the activation of the fuel cell system, and the control process proceeds to a process of step S10.
[0085]
In the process of step S10, the detection values of the flow sensor 34, the temperature sensors 35 and 36, the voltage sensor 38, and the current sensor 39 are input as the state of the fuel cell.
[0086]
In the process of step S11, it is determined whether or not the outlet refrigerant temperature has exceeded the target temperature with reference to the detection value of the temperature sensor 36. When it is determined that the outlet refrigerant temperature does not exceed the target temperature, the process proceeds to step S15.
[0087]
In step S15, a refrigerant flow target value and a refrigerant temperature target value that minimize the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the power consumption of the cooling fan 33 are calculated with reference to the power consumption minimizing refrigerant flow temperature control map 7.
[0088]
Next, the process proceeds to step S17, in which the rotational speed of the refrigerant pump at which the target refrigerant flow rate is calculated is calculated. At step S18, the rotational speed of the cooling fan at which the target refrigerant temperature is reached is calculated. The rotation speed is output to the refrigerant pump control means 5 and the cooling fan control means 6 as a control target.
[0089]
According to the power consumption minimizing optimization process, when the outlet refrigerant temperature exceeds the target temperature, the cooling control device 1 outputs the outlet refrigerant temperature (FIG. 10A) as shown by a line A in FIG. The time (response speed) until the inlet refrigerant temperature (FIG. 10 (b)) and the inlet refrigerant flow rate (FIG. 10 (c)) reach the target values is slow, but the power consumption (FIG. 10 (d)) is reduced. Control can be performed.
[0090]
Here, in the present embodiment, feedback control for controlling the rotation speeds of the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 is performed so that the calculated refrigerant flow target value and the refrigerant temperature target value are obtained. The rotation speed may be controlled by so-called feedforward control with reference to a map showing the relationship
[0091]
On the other hand, if it is determined in the processing of step S11 that the outlet refrigerant temperature exceeds the target temperature, the cooling control device 1 determines in step S12 that the temperature deviation between the outlet refrigerant temperature and the target temperature It is determined whether or not the temperature difference is equal to or more than the predetermined amount. If the temperature deviation is not equal to or more than the predetermined amount, the cooling control device 1 determines whether the power generation amount of the fuel cell main body 22 is equal to or more than the predetermined amount in step S13. Determine whether or not. The power generation amount of the fuel cell is calculated as the product of the detection value of the voltage sensor 38 and the detection value of the current sensor 39.
[0092]
If it is determined in step S13 that the power generation amount is not equal to or more than the predetermined amount, the process proceeds to step S15. If it is determined in step S13 that the power generation amount is equal to or more than the predetermined amount, the control process proceeds to step S16.
[0093]
On the other hand, if the temperature deviation is equal to or more than the predetermined amount in the process of step S12, the process proceeds to step S16.
[0094]
In the process of step S16, the speed priority refrigerant flow temperature calculating means 8 calculates a refrigerant flow target value and a refrigerant temperature target value for controlling the temperature of the fuel cell main body 22 at a predetermined response speed. The contents of this calculation are as described using the above equations (5) to (12). Next, the process proceeds to step S17 and subsequent steps, in which the rotational speeds of the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 are controlled so that the calculated refrigerant flow target value and refrigerant temperature target value are obtained.
[0095]
According to the response speed control process, when the outlet refrigerant temperature exceeds the target temperature, the cooling control device 1 sets the outlet refrigerant temperature (FIG. 10 (a)) and the inlet refrigerant temperature as indicated by the line B in FIG. (FIG. 10B) and the flow rate of the refrigerant (FIG. 10C) can be controlled to a target value at a predetermined response speed.
[0096]
Further, in the process of step S13, instead of determining whether the amount of power generation of the fuel cell is equal to or more than a predetermined value, it is determined whether or not the calorific value of the fuel cell is equal to or more than a predetermined value. Proceeding to S16, the speed-priority temperature control process may be performed, and if it is not equal to or greater than the predetermined value, the process may proceed to step S15 to perform the power-saving priority temperature control process.
[0097]
In this case, for example, by measuring the current-voltage characteristics of the fuel cell main body 22 as shown in FIG. 9 in advance, the cooling control device 1 can also estimate the heat generation amount of the fuel cell main body 22. Specifically, the cooling control device 1 calculates the required load power of the load device 37 with reference to parameters such as the accelerator opening, and divides the calculated required load power by the voltage value measured by the voltage sensor 38. Then, a target load current for realizing the required load power is calculated. Then, the cooling control device 1 can estimate the calorific value of the fuel cell main body 22 by comparing the calculated target load current with the previously measured current-voltage characteristic.
[0098]
The details of the method of estimating the calorific value have been described in the description of the equation (1) in the first embodiment, and thus will not be repeated.
[0099]
Further, in the process of step S13, the cooling control device 1 determines whether or not the rate of change in the amount of generated heat exceeds a predetermined value, and when the rate of change in the amount of generated heat exceeds the predetermined value, the processing in step S16; If the rate of change in the amount of heat generation does not exceed the predetermined value, the control process may proceed to the process of step S15.
[0100]
Further, in the present embodiment, the cooling control device 1 performs the processing of step S11, step S12, and step S13 in order to prevent the fuel cell body 22 from being deteriorated due to being left in a high temperature state for a long time. Is executed to control the target temperature at a predetermined response speed in a high load state where the temperature tends to be high. However, the order of the processes of step S11, step S12, and step S13 may be appropriately changed depending on the characteristics of the fuel cell system to which the cooling control device 1 is applied.
[0101]
As is clear from the above description, according to the cooling control device according to the second embodiment of the present invention, the cooling control device 1 performs the power saving priority cooling condition according to the temperature of the refrigerant and the amount of power generated by the fuel cell main body 22. By executing the calculation process or the speed-priority cooling condition calculation process, the rotation speeds of the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 are calculated, and the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 are controlled to operate at the calculated rotation speed. It is possible to achieve both saving the power for cooling the fuel cell and controlling the temperature of the fuel cell main body 22 with good responsiveness.
[0102]
When the power generation amount of the fuel cell main body 22 is larger than the predetermined amount, the cooling control device 1 executes the speed-priority cooling condition calculation process so that the fuel cell main body 22 is set to the target temperature at the predetermined response speed. Since the control is performed, it is possible to prevent the fuel cell main body 22 from being kept at a high temperature for a long time, and from being deteriorated by heat.
[0103]
Further, since the cooling control device 1 can estimate the heat value of the fuel cell main body 22, the rotation speeds of the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 are quickly changed as the heat value of the fuel cell main body 22 changes. By controlling, the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 can be controlled not to operate excessively.
[0104]
Further, when the temperature deviation between the operating temperature of the fuel cell main body 22 and the target temperature exceeds a predetermined amount, the cooling control device 1 executes the response braking / controlling process to move the fuel cell main body 22 at the predetermined response speed. Since the control is performed such that the target temperature is maintained, it is possible to prevent the fuel cell main body 22 from being kept at a high temperature for a long time and from being deteriorated by heat.
[0105]
[Third embodiment]
Next, a configuration of a fuel cell system to which a cooling control device according to a third embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG.
[0106]
As shown in FIG. 6, a fuel cell system to which the third embodiment is applied includes, in addition to the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1, a power storage means 40 such as a storage battery or a capacitor for temporarily storing power, A power converter 41 that converts the voltage generated by the battery body 22 into a voltage of the power storage means 40 and adjusts a voltage supplied from the power storage means 40 to the load device 37; And an amount detecting means 42. The other components are the same as the components of the fuel cell system to which the first embodiment shown in FIG. 1 is applied. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0107]
For example, a nickel-metal hydride battery, a lithium ion battery, or the like is suitable as the storage battery. Further, as the electric storage means 40, an electric double-layer capacitor is preferable as a vehicle drive power supply because it does not involve a chemical reaction at the time of charging and discharging, and can be rapidly charged and discharged by a large current.
[0108]
The cooling control device according to the third embodiment includes a power saving priority cooling condition calculation unit 2, a speed priority cooling condition calculation unit 3, and a cooling condition selection unit, similarly to the cooling control device according to the first embodiment illustrated in FIG. 4, a refrigerant pump control unit 5, and a cooling fan control unit 6, except that the detection result of the storage remaining amount detection unit 42 is added to the input of the cooling condition selection unit 4. The other components of the cooling control device are the same as those of the cooling control device according to the first embodiment, and thus redundant description will be omitted.
[0109]
Next, an operation of the cooling control device 1 according to the present embodiment will be described with reference to a flowchart of FIG. In the present embodiment, the process is the same as the flowchart of the first embodiment shown in FIG. 3 except that the process of step S5 is added. Description is omitted.
[0110]
In FIG. 7, when the determination result is positive in the processing of step S3 or S4, the cooling control device 1 advances the control processing to the processing of step S5.
[0111]
In the process of step S5, it is determined whether or not the remaining charge of the power storage means 40 detected by the remaining power detection means 42 is equal to or more than a predetermined amount (for example, 30% of full charge) (cooling condition selection means). If the result of the determination is that the remaining power amount is less than the predetermined amount, the cooling control device 1 advances the control processing to the power saving priority cooling condition calculation processing in step S6. On the other hand, when the remaining power amount is equal to or more than the predetermined amount, the cooling control device 1 advances the control processing to the speed-priority cooling condition calculation processing in step S7.
[0112]
As described above, when the remaining amount of power stored in the power storage unit is equal to or less than the predetermined amount, by selecting the cooling control that minimizes the power consumed for cooling the fuel cell, power consumption can be saved, and The possibility of charging the power storage means can be improved, and it is possible to prevent the power of the power storage means from being exhausted, resulting in a shortage of a rapid acceleration force or an inability to restart after stopping.
[0113]
In this case, the threshold value for determining whether the temperature deviation is equal to or more than a predetermined amount in the processing of step S3 and the threshold value for determining whether the power generation amount is equal to or more than the predetermined amount in the processing of step S4 are upper limits. It is desirable not to set the value but to set it to a value slightly lower than the upper limit. This is because, when the remaining charge of the power storage means is small, the cooling control with the priority on power saving is selected over the cooling control with the priority on the response speed, so that the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell main body 22 reaches the target temperature. This takes a relatively long time to prevent the fuel cell body 22 from exceeding the upper limit value that causes deterioration.
[0114]
Further, when the power generation of the fuel cell is continued and the remaining power of the power storage means recovers, the control may be switched to the control giving priority to the response speed. Further, when the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell main body 22 has returned to the target temperature when the remaining power of the power storage means recovers, the power saving priority cooling control may be continuously performed.
[0115]
As is clear from the above description, according to the third embodiment, when the remaining amount of power in the power storage unit is small, the cooling control device 1 executes the power saving priority cooling condition calculation process, thereby obtaining the line A in FIG. As shown in (2), since the sum of the power consumption of the refrigerant pump 32 and the cooling fan 33 is controlled to be minimum, the power consumption required for cooling the fuel cell main body 22 can be saved, and the remaining power storage amount of the power storage means can be recovered. Can be hastened.
[0116]
[Fourth embodiment]
The configuration of the fuel cell system to which the cooling control device according to the fourth embodiment of the present invention is applied is the same as the configuration to which the third embodiment shown in FIG. 6 is applied.
[0117]
The control block diagram of the cooling control device of the fourth embodiment is almost the same as the control block diagram of the second embodiment shown in FIG. The difference from the second embodiment is that the detection result of the remaining power amount detection means 42 is added to the input of the cooling condition selection means 4. The other components of the cooling control device are the same as those of the cooling control device according to the second embodiment, and thus redundant description will be omitted.
[0118]
Next, an operation of the cooling control device 1 in the present embodiment will be described with reference to a flowchart of FIG. Note that, in the present embodiment, the process is the same as the flowchart of the second embodiment shown in FIG. 5 except that the process of step S14 is added. Description is omitted.
[0119]
In FIG. 8, when the determination result in step S12 or S13 is affirmative, the cooling control device 1 advances the control process to step S14.
[0120]
In the process of step S14, it is determined whether or not the remaining charge of the storage means 40 detected by the remaining charge detection means 42 is equal to or more than a predetermined amount (for example, 30% of full charge) (cooling condition selection means). If the result of the determination is that the remaining power amount is less than the predetermined amount, the cooling control device 1 advances the control processing to the power saving priority cooling condition calculation processing in step S15. On the other hand, when the remaining power amount is equal to or more than the predetermined amount, the cooling control device 1 advances the control processing to the speed-priority cooling condition calculation processing in step S16.
[0121]
As described above, when the remaining amount of power stored in the power storage unit is equal to or less than the predetermined amount, by selecting the cooling control that minimizes the power consumed for cooling the fuel cell, power consumption can be saved, and It is possible to improve the possibility of charging the power storage means and prevent the power of the power storage means from being exhausted to prevent the shortage of the rapid acceleration force or the inability to restart after stopping.
[0122]
[Other embodiments]
As described above, the preferred embodiments have been described, but the present invention is not limited by the description and the drawings that constitute a part of the disclosure of the present invention based on these embodiments. That is, it should be added that all other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on these embodiments are included in the scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration of a fuel cell system to which a cooling control device according to first and second embodiments of the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a cooling control device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation flow of the cooling control device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a cooling control device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a flow of an operation of a cooling control device according to a second embodiment.
FIG. 6 is a system configuration diagram showing a configuration of a fuel cell system to which the cooling control devices according to the third and fourth embodiments of the present invention are applied.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation flow of a cooling control device according to a third embodiment.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a flow of an operation of a cooling control device according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell main body.
FIG. 10 is a diagram for explaining a difference between power saving priority cooling control and speed priority cooling control.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cooling control apparatus, 2 ... Power saving priority cooling condition calculation means, 3 ... Speed priority cooling condition calculation means, 4 ... Cooling condition selection means, 5 ... Refrigerant pump control means, 6 ... Cooling fan control means, 7 ... Power consumption Minimized refrigerant flow temperature control map, 8: speed priority refrigerant flow temperature calculation means, 9: refrigerant pump rotation speed calculation means, 10: cooling fan rotation speed calculation means, 21: fuel cell system, 22: fuel cell body, 22a ... Air electrode inlet, 22b air electrode outlet, 22c hydrogen electrode inlet, 22d hydrogen electrode outlet, 22e refrigerant inlet, 22f refrigerant outlet, 23 air supply device, 24 air pressure regulating valve, 25 hydrogen supply device 26 hydrogen supply valve, 27 purge valve, 28 hydrogen circulation path, 29 hydrogen circulation pump, 30 radiator, 31 refrigerant circulation pump, 32 refrigerant pump, 33 cooling § down, 34 ... flow rate sensor, 35, 36 ... temperature sensor, 37 ... load device, 38 ... Voltage sensor, 39 ... current sensor, 40 ... storage means, 41 ... power conversion apparatus, 42 ... storage residual amount detecting means

Claims

A fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen,
A radiator for releasing heat of a refrigerant for cooling the fuel cell to the outside,
A refrigerant pump for circulating the refrigerant between the radiator and the fuel cell,
A cooling control device for a fuel cell system comprising: a cooling fan that blows air to the radiator,
Under the condition that the sum of the power consumption of the refrigerant pump and the power consumption of the cooling fan is minimized, the power saving priority calculating the rotation speed of the refrigerant pump and the rotation speed of the cooling fan so that the temperature of the fuel cell reaches the target temperature. Cooling condition calculating means,
Speed priority cooling condition calculation means for calculating the rotation speed of the refrigerant pump and the rotation speed of the cooling fan so that the temperature of the fuel cell reaches the target temperature at a predetermined response speed,
Cooling condition selecting means for selecting one of power saving priority cooling condition calculation means and speed priority cooling condition calculation means, depending on the state of the fuel cell;
Refrigerant pump control means for controlling the refrigerant pump to operate at a rotation speed by the calculation means selected by the cooling condition selection means,
Cooling fan control means for controlling the cooling fan so that the cooling condition selection means operates at the rotation speed by the selected calculation means,
A cooling control device for a fuel cell system, comprising:

The cooling condition selection means,
2. The cooling control device for a fuel cell system according to claim 1, wherein the speed-priority cooling condition calculating means is selected when the power generation amount of the fuel cell is larger than a predetermined amount.

Power storage means for storing the power generated by the fuel cell, and a remaining power detection means for detecting the remaining power of the power storage means,
2. The cooling control device for a fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling condition selection unit selects the power saving priority cooling condition calculation unit when the remaining amount of power of the power storage unit is smaller than a predetermined amount. .

A calorific value estimating means for estimating a calorific value of the fuel cell,
The cooling of the fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling condition selecting means selects the speed-priority cooling condition calculating means when the heat value estimated by the heat value estimating means exceeds a predetermined amount. Control device.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling condition selecting means selects the speed-priority cooling condition calculating means when a deviation between the operating temperature of the fuel cell and the target temperature exceeds a predetermined amount. Cooling control device.

The power saving priority cooling condition calculating means includes a control map for obtaining a flow rate of the refrigerant and a refrigerant temperature at a fuel cell inlet for minimizing the power consumption based on a calorific value estimation value of the fuel cell,
The speed-priority cooling condition calculation means includes a refrigerant flow rate temperature calculation means for calculating a flow rate of the refrigerant and a refrigerant temperature at a fuel cell inlet such that a temperature of the fuel cell becomes a target temperature at a predetermined response speed,
A refrigerant pump rotation speed calculation unit that calculates a target rotation speed of the refrigerant pump based on the refrigerant flow rate, and a cooling fan rotation speed calculation unit that calculates a target rotation speed of the cooling fan based on a refrigerant temperature at the fuel cell inlet. 2. The cooling control device for a fuel cell system according to claim 1, wherein the power saving priority cooling condition calculation means and the speed priority cooling condition calculation means are shared.