JP2004152666A

JP2004152666A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004152666A
Application number: JP2002317954A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Koike; 雄一小池
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP4114459B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To raise an inner temperature of a fuel cell main body (a stack) quickly up to an optimum level without degrading performance of the fuel cell main body, even at start-up at a very low temperature. <P>SOLUTION: In adjusting the inner temperature of the fuel cell stack with heat of cooling water, a target flow volume of the cooling water is set in accordance with a fuel cell power generation amount or a requested volume for cooling the fuel cell, and flow volume of the cooling water is controlled so that a cooling water pressure in the fuel cell stack is below a requested withstanding pressure of the fuel cell stack at a low-temperature start-up. Since viscosity of the cooling water rises at the very low temperature, the cooling water pressure in the fuel cell stack gets too high if a normal flow volume adjustment is made according to the target flow volume, so that, at the very low temperature, the flow volume control is made, taking this viscosity rise of the cooling water into consideration. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却水を循環させて燃料電池本体の温度調整を行う燃料電池システムに関するものであり、特に、低温時の冷却水の粘度上昇を考慮した新規な制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料電池本体）の燃料極（水素極）に水素ガス、空気極に空気をそれぞれ供給し、電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックとしては、例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプのものが知られている。固体高分子タイプの燃料電池スタックは、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。前記固体高分子タイプの燃料電池スタックでは、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、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ことになる。
【０００４】
前記燃料電池システムにおいては、発電の際に燃料電池スタックが発熱することから、これを冷却して適正な運転温度（８０℃程度）に維持する必要があり、何らかの冷却機構を設ける必要がある。前記冷却機構としては、冷却水を循環させて燃料電池スタックを冷却する冷却システムが一般的である。
【０００５】
一方で、特に寒冷地における起動を考えた場合、燃料電池スタックの温度が低いと、水素と酸素の反応が十分に行われず、未使用の水素が排出されてしまったり、十分な発電が可能になるまでに長時間を要する等の不都合がある。寒冷地等での起動を円滑に行うためには、ヒータを別途設置したり、燃焼器を設置すること等が必要になるが、前者ではヒータ電力を要し、後者では複雑な構造を採用する必要が生ずる。
【０００６】
そこで、前記冷却機構の冷却水を利用して、燃料電池スタックの始動冷機時における発電効率を向上させるようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
特許文献１に記載される発明では、低温起動時において、燃料電池スタックの内部温度を所定温度以上に上昇させるため、熱交換器（ラジエタ）からの冷却水の供給を停止し、蓄熱装置内の保温された冷却水を燃料電池スタックに供給するように冷却水の流路を切り替えるようにしている。そして、燃料電池スタックの内部温度が所定温度以上になったら、熱交換器で冷却された冷却水が燃料電池に供給されるように冷却水の流路を切り替えて、燃料電池内部の温度上昇を抑えるようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−４２８４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、特許文献１に記載される従来の燃料電池システムでは、低温起動時において、燃料電池スタックの内部温度を上昇させるために、蓄熱装置内の保温された冷却水を燃料電池に供給している。しかしながら、極低温時になると冷却水の粘度が高くなっているため、その状態で燃料電池スタックに冷却水を供給すると圧力損失分が大きくなり、燃料電池スタックの耐圧上限を上回ってしまう可能性があり、燃料電池本体の性能を劣化させてしまう虞れがある。
【００１０】
本発明は、このような従来技術が抱える問題を解決するために提案されたものであり、通常運転時には燃料電池本体を適正な運転温度に維持することができ、低温での起動時には、燃料電池本体の性能を劣化させることなくその内部温度を素速く最適な運転温度まで上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、循環する冷却水の熱で燃料電池本体の温度調整を行う燃料電池システムであり、燃料電池本体内部における冷却水圧力を検出する燃料電池内冷却水圧力検出手段と、冷却水の流量を制御する冷却水流量制御手段と、冷却水を加熱する冷却水加熱手段とを備えて構成される。この燃料電池システムでは、燃料電池発電量もしくは燃料電池冷却要求分に応じて冷却水の目標流量が設定される。そして、例えば外気温が０℃を下回るような低温での起動時には、冷却水流量制御手段が、燃料電池内冷却水圧力検出手段により検出された当該温度における燃料電池内冷却水圧力が燃料電池本体の要求耐圧以下となるように冷却水の流量を制御すると共に、冷却水加熱手段が、冷却水流量制御手段によって流量制御された冷却水を加熱するようにしている。
【００１２】
この燃料電池システムでは、起動時における冷却水の温度に応じた粘度も考慮して、冷却水の粘度が高いことが予想される低温起動時においては、燃料電池内冷却水圧力が燃料電池本体の要求耐圧以下となるように冷却水の流量を制御するようにしている。したがって、燃料電池本体の性能を劣化させることのない最大限の流量で冷却水が循環され、燃料電池本体に供給されることになる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明においては、低温起動時に燃料電池本体の要求耐圧を上限として冷却水流量を制御しているので、例えば冷却水加熱手段に対して燃料電池の性能を劣化させることのない最大限の冷却水流量で冷却水を供給して、加熱された冷却水の熱で燃料電池本体の温度を迅速に最適な運転温度まで上昇させることができる。また、通常運転時には、燃料電池発電量もしくは燃料電池冷却要求分に応じた目標流量となるように冷却水の流量が制御されるので、燃料電池本体を適正な運転温度に安定的に維持することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の燃料電池システムにおける冷却水循環制御系の基本概念を示すブロック図である。この冷却水循環制御系は、燃料電池システム全体の制御を司るコントローラにて実現されるものであり、燃料電池スタック内部における冷却水圧力を検出する燃料電池内冷却水圧力検出手段１と、燃料電池スタックの発電量もしくは燃料電池スタックに対する冷却要求分を演算する燃料電池発電量・冷却要求分演算手段２と、燃料電池内冷却水圧力検出手段１からの出力と燃料電池発電量・冷却要求分演算手段２からの出力とに基づき、燃料電池スタックを冷却するための冷却水の流量を制御する冷却水流量制御手段３と、燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段４と、冷却水流量制御手段３からの出力と冷却水温度検出手段４からの出力とに基づき、冷却水加熱装置の要求発熱量を演算する加熱装置要求発熱量演算手段５と、加熱装置要求発熱量演算手段５からの出力に基づき、冷却水加熱装置の発熱量を制御する発熱量制御手段６とを備える。
【００１６】
以上のような構成を有する冷却水循環制御系は、燃料電池発電量・冷却要求分演算手段２で燃料電池スタックの発電量もしくは燃料電池スタックに対する冷却要求分が演算され、その出力に基づいて冷却水の目標流量が設定される。そして、通常運転時においては、目標流量の冷却水が燃料電池スタックに供給されるように、冷却水流量制御手段３が冷却水の流量を制御するようになっている。また、例えば外気温が０℃を下回るような低温での起動時には、燃料電池内冷却水圧力検出手段１により検出される燃料電池スタック内部における冷却水圧力が、燃料電池スタックの要求耐圧を上回らないように、冷却水流量制御手段３が冷却水の流量を制御する。そして、この冷却水流量制御手段３によって制御される冷却水流量と冷却水温度検出手段４により検出される冷却水温度とに基づいて、加熱装置要求発熱量演算手段５が冷却水加熱装置の要求発熱量を演算し、その演算結果に基づいて、発熱量制御手段６が冷却水加熱装置の発熱量を制御する。これにより、所望の温度に加熱された所望の流量の冷却水が燃料電池スタックに供給されて、この冷却水の熱で燃料電池スタックが適切に加熱されることになる。
【００１７】
この冷却水循環制御系の主な特徴は、低温起動時に、冷却水流量制御手段３がその温度に応じて冷却水の流量を制限していることにある。すなわち、極低温になると、冷却水の粘度が上昇するために、同じ流量の冷却水を循環させても燃料電池スタック内部における冷却水圧力が温度低下に伴って上昇することになる。したがって、通常時と同じ流量で冷却水を循環させると、燃料電池スタックの内部に過剰な圧力が加わって、燃料電池スタックの性能を劣化させる虞がある。そこで、この冷却水循環制御系では、燃料電池内冷却水圧力検出手段１により燃料電池本体内部における冷却水圧力をモニタリングして、この冷却水圧力が燃料電池本体の要求耐圧を上回らないように、冷却水流量制御手段３が冷却水の流量を制御するようにしている。
【００１８】
以上が本発明の燃料電池システムにおける冷却水循環制御系の基本概念であるが、次に、以上のような冷却水循環制御系によって冷却水の循環制御が行われる本実施形態の燃料電池システムの具体的構成について説明する。
【００１９】
図２は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を具体的に示す概略構成図である。この燃料電池システムは、例えば電気自動車の動力源となる燃料電池スタック１１と、冷却水を循環させて燃料電池スタック１１に供給し、この冷却水の熱で燃料電池スタック１１の温度を調整する冷却水循環系１２と、純水を循環させて燃料電池スタック１１に供給し、燃料電池スタック１１の電解質を加湿する純水循環系１３とを有する。なお、この燃料電池システムは、その他、燃料電池スタック１１に燃料である水素を供給するための水素供給系や、燃料電池スタック１１に酸化剤である空気を供給する空気供給系等を備えるが、これらは通常の構成であればよく、本発明に特徴的な部分ではないので、ここでは図示及び詳細な説明を省略する。
【００２０】
燃料電池スタック１１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００２１】
燃料電池スタック１１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池スタック１１においては水を供給して加湿することが必要となる。そこで、この燃料電池システムでは、純水循環系１３によって純水を循環させながら燃料電池スタック１１に供給して、この純水によって燃料電池スタック１１の固体高分子電解質を加湿するようにしている。
【００２２】
また、燃料電池スタック１１は、発電の際には化学反応に伴って発熱するが、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低いことから、これを冷却することが必要となる。そこで、この燃料電池システムでは、冷却水循環系１２によって冷却水を循環させながら燃料電池スタック１１に供給して、この冷却水によって燃料電池スタック１１を冷却するようにしている。
【００２３】
冷却水循環系１２は、冷却水を循環させるための冷却水循環流路１４を有し、冷却水ポンプ１５によって運動エネルギーが与えられた冷却水が、冷却水循環流路１４を循環するようになっている。この冷却水循環流路１４の燃料電池スタック１１後段には、当該冷却水循環流路１４を流れる冷却水と純水循環系１３により循環される加湿用の純水との間で熱交換を行うための熱交換器１６が設けられており、燃料電池スタック１１の冷却により温度が上昇した冷却水は、ここで冷却されるようになっている。また、この熱交換器１６の後段には、電気ヒータ等よりなる冷却水加熱装置１７が設けられており、冷却水循環流路１４を流れる冷却水の温度が低すぎる場合には、ここで加熱されるようになっている。電気ヒータはその発熱量を容易に制御できるので、この電気ヒータを冷却水加熱装置１７として用いることで、冷却水の温度を迅速に所望の温度にまで上昇させることができる。
【００２４】
また、冷却水循環系１２には、冷却水循環流路１４に加えて、燃料電池スタック１１をバイパスするバイパス流路１８が設けられており、必要に応じて冷却水をバイパス流路１８に導入するように構成されている。バイパス流路１８の冷却水循環流路１４との接続部には、三方弁１９が設けられており、これによって冷却水循環流路１４とバイパス流路１８との流路切り替えが行われる。
【００２５】
純水循環系１３は、加湿用の純水を循環させるための純水循環流路２０を有し、純水ポンプ２１によって運動エネルギーが与えられた加湿用の純水が、純水循環流路２０を循環するようになっている。そして、純水循環流路２０を循環する純水が、熱交換器１６にて冷却水循環流路１４を循環する冷却水との間で熱交換され、高温の状態で燃料電池スタック１１に供給されるようになっている。
【００２６】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ１５の駆動により循環される冷却水は、三方弁１９の切り替えにより燃料電池スタック１１へ送られるか、もしくは燃料電池スタック１１をバイパスするようにバイパス流路１８へ送られる。そして、この冷却水はさらに熱交換器１６へと送られて、純水ポンプ２１の駆動により循環される純水との間で熱交換され、最後に冷却水加熱装置１７へと送られて、ここで加熱される。
【００２７】
ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、上述したコントローラにて実現される冷却水循環制御系によって冷却水の循環制御が行われ、特に、燃料電池スタック１１内における冷却水圧力が検出され、燃料電池スタック１１の要求耐圧を上限とした冷却水流量が冷却水ポンプ１６により実現され、必要に応じて冷却水加熱装置１７により冷却水が加熱されるようになっている。このような本実施形態の燃料電池システムにおける処理の概略について、図３のフローチャートを参照して説明する。本処理内容は、燃料電池スタック１１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行されるものである。
【００２８】
本実施形態の燃料電池システムにおいて冷却水の循環制御を行う場合、まず、冷却水温度検出手段４によって、燃料電池スタック１１に供給される冷却水の温度が検出される（ステップＳ１）。次に、燃料電池発電量・冷却要求分演算手段２によって、燃料電池スタック１１の発電量もしくは燃料電池スタックに対する冷却要求分が演算され（ステップＳ２）、その演算結果に基づいて、冷却水の目標流量が設定される（ステップＳ３）。そして、この目標流量に加えて、燃料電池スタック１１の要求耐圧も考慮した上で、冷却水流量制御手段３によって、冷却水の流量が制御される（ステップＳ４）。
【００２９】
ここで、ステップＳ４の冷却水流量の制御方法について、図４を用いて説明する。図４に示すように、冷却水温度が低下すると、冷却水の粘度が上昇することに起因して、燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力が高くなる傾向にある。特に、低温環境下で冷却水温度が極めて低い状態では、冷却水の温度低下に伴って冷却水の圧力が急激に上昇している。ここで、例えば、燃料電池スタック１１の要求耐圧がＡ［ｋＰａ］で、冷却水温度がＢ［ｄｅｇＣ］であるとき、燃料電池発電量もしくは冷却要求分から演算した冷却水の目標流量が、図４中の流量▲３▼もしくは流量▲４▼であるとすると、これら目標流量の冷却水を循環させて燃料電池スタック１１に供給させても、燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力は燃料電池スタック１１の要求耐圧Ａ［ｋＰａ］を下回るので、燃料電池スタック１１の性能低下を招くことはない。したがって、このような場合には、冷却水の流量が目標流量となるように冷却水ポンプ１５の回転数を制御して、流量▲３▼や流量▲４▼を実現させる。
【００３０】
一方、同様の条件下で燃料電池発電量もしくは冷却要求分から演算した冷却水の目標流量が、図４中の流量▲１▼もしくは流量▲２▼であるとすると、これら目標流量の冷却水を循環させて燃料電池スタック１１に供給させると、燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力が燃料電池スタック１１の要求耐圧Ａ［ｋＰａ］を上回ってしまい、燃料電池スタック１１の性能低下を招く虞がある。したがって、このような場合には、冷却水温度がＢ［ｄｅｇＣ］のときに燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力が燃料電池スタック１１の要求耐圧Ａ［ｋＰａ］を越えない最大の流量、すなわち図４中の流量▲５▼を上限として、この流量▲５▼が実現されるように冷却水ポンプ１５の回転数を制御する。
【００３１】
なお、燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力は、燃料電池スタック１１の冷却水配管入口に圧力センサを取り付けることによって検出することができ、その他、冷却水ポンプ１５の出口に設けた圧力センサの検出値を基に、冷却水ポンプ１５出口から燃料電池スタック１１の冷却水配管入口までの配管での圧力損失分を考慮した演算処理を行う方法等によっても検出することができる。
【００３２】
また、冷却水ポンプ１５の回転数の制御は、次のようにして行う。例えば燃料電池システムが備える冷却水循環系１２において、予め実験などにより所望とする燃料電池スタック１１内の冷却水流量及び圧力と、それを実現する冷却水ポンプ１５回転数との関係を求めておく。そして、図３に示すフローチャートのステップＳ３にて設定した冷却水目標流量及び圧力から、上記関係を用いて冷却水ポンプ１５の回転数を制御する。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水循環系１２における冷却水の循環制御を行う際に、低温起動時には、燃料電池発電量もしくは燃料電池冷却要求分に応じて設定される冷却水の目標流量に加え、冷却水の温度に応じて変化する燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力も考慮されて、燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力が燃料電池スタック１１の要求耐圧以下となるように、冷却水の流量が制御されるようになっているので、燃料電池スタック１１の性能低下を招くことなく、燃料電池スタック１１の温度を迅速に最適な運転温度にまで上昇させることができる。また、通常運転時には、燃料電池発電量もしくは燃料電池冷却要求分に応じた目標流量となるように冷却水の流量が制御されるので、燃料電池スタック１１を適正な運転温度に安定的に維持することが可能である。
【００３４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、燃料電池スタック１１内部のガス圧と燃料電池スタック１１内部の冷却水圧力との差圧が所定範囲内に入るように、冷却水の流量を制御するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、コントローラにて実現される冷却水循環制御系が、図１に示した第１の実施形態における各部に加え、燃料電池スタック１１内部に流入する水素及び空気の圧力を検出する燃料電池内ガス圧検出手段と、燃料電池スタック１１内部におけるガス圧と冷却水圧力との差圧を演算する差圧演算手段とを備えており、冷却水流量制御手段３が、前記差圧演算手段からの出力が適正な範囲内に入るように冷却水の流量を制御するようにしている。なお、本実施形態における燃料電池システムの具体的な構成は、図２に示した第１の実施形態のものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００３５】
本実施形態の燃料電池システムにおいて冷却水の循環制御を行う処理は、基本的には図３に示した第１の実施形態の処理と同様であり、冷却水の目標流量を設定するステップＳ３の処理が本実施形態において特徴的な部分である。以下、本実施形態の特徴的な部分である図３のステップＳ３における処理について、図５を用いて説明する。
【００３６】
図５は、燃料電池内ガス圧検出手段からの出力に基づき判定される燃料電池スタック１１内部のガス圧（水素・空気圧力）と、燃料電池内冷却水圧力検出手段１によって検出される燃料電池スタック１１内部の冷却水圧力との関係を示すものである。本実施形態では、差圧演算手段からの出力（燃料電池スタック１１内部におけるガス圧と冷却水圧力との差圧）が、燃料電池スタック１１の要求差圧Ｃ［ｋＰａ］を越えないように、冷却水の目標流量を設定するようにしている。すなわち、燃料電池スタック１１内部のガス圧から、燃料電池スタック１１の要求差圧Ｃ［ｋＰａ］を差し引いた値である冷却水圧力下限値をＤ［ｋＰａ］としたときに、燃料電池スタック１１内部の冷却水の圧力がこの下限値Ｄ［ｋＰａ］を下回らないように、冷却水の目標流量が設定される。そして、この目標流量を用いて、第１の実施形態と同様の方法により冷却水の流量が制御される。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように、燃料電池スタック１１内部におけるガス圧と冷却水圧力との差圧が、燃料電池スタック１１の要求差圧を越えないように、冷却水の流量が制御されるようになっているので、燃料電池スタック１１内部における冷却水圧力が燃料電池スタック１１の要求耐圧を越えた場合に生じる燃料電池スタック１１の性能低下に加えて、燃料電池スタック１１内部におけるガス圧と冷却水圧力との差圧が燃料電池スタック１１の要求差圧を越えた場合に生じる燃料電池スタック１１の性能低下をも有効に抑制することができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
本実施形態は、冷却水循環系の冷却水加熱装置として水素燃焼器を用いた例である。本実施形態の燃料電池システムの具体的な構成を図６に示す。この図６に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水循環流路１４における熱交換器１６の後段に、冷却水加熱装置としての水素燃焼器２２が設けられている。
【００３９】
この水素燃焼器２２には、燃料電池スタック１１からの排水素を当該水素燃焼器２２に供給するための水素供給配管２３が接続されており、この水素供給配管２３の中途部に可変バルブ２４が設けられている。そして、可変バルブ２４の開度を制御することによって、水素燃焼器２２に対する水素供給量が制御されるようになっている。
【００４０】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように、冷却水循環系の冷却水加熱装置として水素燃焼器２２が用いられているので、循環する冷却水の温度が低い場合には、この水素燃焼器２２によって冷却水の温度を所望の温度にまで上昇させることができる。また、水素燃焼器２２の発熱量は、可変バルブ２４の開度を制御することで容易に変更できるので、冷却水の温度制御が容易である。
【００４１】
（第４の実施形態）
本実施形態は、低温起動時等のように冷却水の温度が低下している場合に、バイパス流路１８を利用して冷却水を燃料電池スタック１１からバイパスさせ、燃料電池スタック１１の内部に過剰な圧力が加わることを防止するようにしたものである。なお、本実施形態における燃料電池システムの具体的な構成は、図２に示した第１の実施形態のものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムにおいて冷却水の循環制御を行う処理の概略について、図７のフローチャートを参照して説明する。本処理内容は、燃料電池スタック１１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行されるものである。
【００４３】
本実施形態では、冷却水温度が低下していることが判定された場合に、まず、三方弁１９を作動させて、燃料電池スタック１１側の流路を遮断すると共に、バイパス流路１８側を開通させる（ステップＳ１１）。これにより、冷却水は燃料電池スタック１１に流入することなくバイパス流路１８を通過して循環することになる。そして、ステップＳ１１における三方弁１９の作動が完了して、冷却水が燃料電池スタック１１内に流入しなくなった段階で、冷却水ポンプ１５を最大許容回転数まで回転させることを許可し、冷却水の流量制御を行う（ステップＳ１２）。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように、低温起動時等のように冷却水の温度が低下している場合に、バイパス流路１８を利用して燃料電池スタック１１に冷却水を流入させないようにしているので、冷却水ポンプ１５の回転数を最大許容回転数まで回転させることを許可しても、燃料電池スタック１１の内部に過剰な圧力が加わることがない。したがって、冷却水加熱装置１７に対して最大限の流量の冷却水を供給することができ、その結果、低温起動時における暖機促進をより迅速に行うことが可能となる。
【００４５】
（第５の実施形態）
本実施形態は、燃料電池スタック１１の固体高分子電解質膜が適切に機能する上限温度（燃料電池スタック１１の要求上限温度）を考慮して、冷却水加熱装置としての水素燃焼器２２に要求される発熱量を演算によって求め、その演算結果に基づいて水素燃焼器２２の発熱量を制御するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、図１に示した冷却水循環制御系における加熱装置要求発熱量演算手段５が、冷却水流量制御手段３によって制御される冷却水の流量と燃料電池スタック１１の要求上限温度とに基づいて、水素燃焼器２２に要求される要求発熱量を演算し、この加熱装置要求発熱量演算手段５からの出力に基づいて、発熱量制御手段６が、水素燃焼器２２に供給する水素量を制御することでその発熱量を制御するようにしている。なお、本実施形態における燃料電池システムの具体的な構成は、図６に示した第３の実施形態のものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００４６】
本実施形態における加熱装置要求発熱量演算手段５が水素燃焼器２２に要求される発熱量を演算する具体的な方法について、図８を用いて説明する。加熱装置要求発熱量演算手段５は、図３のフローチャートのステップＳ４において冷却水流量制御手段３により冷却水の流量が制御されると、この冷却水流量制御手段３によって制御される冷却水の流量と、燃料電池スタック１１の要求上限温度Ｔｇ［ｄｅｇＣ］と、さらには水素燃焼器２２の出口から燃料電池スタック１１の入口までの配管での熱交換分をも考慮して、燃料電池スタック１１の入口冷却水温度Ｔｈ［ｄｅｇＣ］が燃料電池スタック１１の要求上限温度Ｔｇ［ｄｅｇＣ］以下となるように、水素燃焼器２２での要求発熱量を演算する。そして、この加熱装置要求発熱量演算手段５により演算された要求発熱量を実現するように、発熱量制御手段６が水素燃焼器２２に対する水素供給量を制御する。
【００４７】
具体的には、加熱装置要求発熱量演算手段５は、燃料電池スタック１１の入口冷却水目標温度Ｔｈ［ｄｅｇＣ］及び冷却水流量、さらには冷却水比重、冷却水比熱、水素燃焼器２２出口から燃料電池スタック１１入口までの冷却水循環流路１４の長さ、冷却水循環流路１４の配管の内・外径、熱伝導率、雰囲気温度等から燃料電池スタック１１入口冷却水目標温度を実現するための水素燃焼器２２出口冷却水温度Ｔｆ［ｄｅｇＣ］を演算する。
【００４８】
次に、水素燃焼器２２入口冷却水温度Ｔｅ［ｄｅｇＣ］及び冷却水流量から、上記のようにして演算した水素燃焼器２２出口冷却水温度Ｔｆ［ｄｅｇＣ］を実現するための水素冷燃焼器２２での要求発熱量を逆算する。そして、発熱量制御手段６が、加熱装置要求発熱量演算手段５によって演算された要求発熱量に基づいて、水素燃焼器２２に供給する水素量を制御する。このとき、水素燃焼器２２出口冷却水温度が、燃料電池スタック１１の要求上限温度Ｔｇ［ｄｅｇＣ］から導かれる冷却水要求上限温度Ｔｉ［ｄｅｇＣ］に達するような場合には、水素燃焼器２２の発熱量を制限して、水素燃焼器２２出口冷却水温度の上昇を抑制する。なお、水素燃焼器２２における水素供給量と発熱量の関係については、予め実験等により求めておく。
【００４９】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように、燃料電池スタック１１に流入する冷却水温度が燃料電池スタック１１の要求上限温度以下となるように、水素燃焼器２２での発熱量を制御するようにしているので、燃料電池スタック１１の要求上限温度を越える温度の冷却水が燃料電池スタック１１に流入することに起因して燃料電池スタック１１の性能が劣化するといった不都合を回避しながら、燃料電池スタック１１の温度を迅速に最適な運転温度にまで上昇させることができる。
【００５０】
なお、以上は、冷却水を加熱するための冷却水加熱装置として水素燃焼器２２を用いた場合を例に挙げて説明したが、例えば電気ヒータ等の他の加熱装置を用いた場合でも、上述した方法で冷却水加熱装置の発熱量を制御することによって、同様の効果が得られる。
【００５１】
（第６の実施形態）
本実施形態は、上述した第５の実施形態の変形例に相当するものであり、水素燃焼器２２と熱交換器１６の設置順序が第５の実施形態と異なるものである。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、図９に示すように、冷却水循環流路１４における水素燃焼器２２の下流位置に熱交換器１６が配設されている。水素燃焼器２２と熱交換器１６とがこのように配置されている場合、水素燃焼器２２によって温度上昇された冷却水は、その後、熱交換器１６において純水循環流路２０を流れる純水との間で熱交換された上で、燃料電池スタック１１へと供給されることになる。そこで、本実施形態では、図１に示した冷却水循環制御系における加熱装置要求発熱量演算手段５が、熱交換器１６での熱交換分も考慮して、水素燃焼器２２に要求される要求発熱量を演算するようにしている。
【００５２】
本実施形態における加熱装置要求発熱量演算手段５が水素燃焼器２２に要求される発熱量を演算する具体的な方法について、図１０を用いて説明する。加熱装置要求発熱量演算手段５は、図３のフローチャートのステップＳ４において冷却水流量制御手段３により冷却水の流量が制御されると、この冷却水流量制御手段３によって制御される冷却水の流量と、熱交換器１６での純水との熱交換分と、燃料電池スタック１１の要求上限温度Ｔｇ［ｄｅｇＣ］と、さらには水素燃焼器２２の出口から熱交換器１６の入口までの配管での熱交換分と、熱交換器１６の出口から燃料電池スタック１１の入口までの配管での熱交換分をも考慮して、燃料電池スタック１１の入口冷却水温度Ｔｎ［ｄｅｇＣ］が燃料電池スタック１１の要求上限温度Ｔｇ［ｄｅｇＣ］以下となるように、水素燃焼器２２での要求発熱量を演算する。そして、この加熱装置要求発熱量演算手段５により演算された要求発熱量を実現するように、発熱量制御手段６が水素燃焼器２２に対する水素供給量を制御する。
【００５３】
具体的には、予め実験などにより熱交換器１６における熱交換器１６入口純水温度・純水流量と熱交換器１６入口冷却水温度・冷却水流量における熱交換分の特性を求めておく。そして、加熱装置要求発熱量演算手段５は、燃料電池スタック１１の入口冷却水目標温度Ｔｎ［ｄｅｇＣ］及び冷却水流量、さらには冷却水比重、冷却水比熱、熱交換器１６出口から燃料電池スタック１１入口までの冷却水循環流路１４の長さ、冷却水循環流路１４の配管の内・外径、熱伝導率、雰囲気温度等から熱交換器１６出口冷却水目標温度Ｔｍ［ｄｅｇＣ］を逆算する。
【００５４】
さらに、演算した熱交換器１６出口冷却水目標温度Ｔｍ［ｄｅｇＣ］と冷却水流量と熱交換器１６入口純水温度と純水流量から、上記した熱交換器１６での熱交換分の特性を基にして、熱交換器１６入口冷却水目標温度Ｔｌ［ｄｅｇＣ］を逆算する。最後に、演算した熱交換器１６入口冷却水目標温度Ｔｌ［ｄｅｇＣ］及び冷却水流量、さらには冷却水比重・比熱、水素燃焼器２２出口から熱交換器１６入口までの冷却水循環流路１４の長さ、冷却水循環流路１４の配管の内・外径、熱伝導率、雰囲気温度等から水素燃焼器２２出口冷却水目標温度Ｔｋ［ｄｅｇＣ］を逆算する。
【００５５】
以上のようにして水素燃焼器２２出口冷却水目標温度Ｔｋ［ｄｅｇＣ］を求めたら、加熱装置要求発熱量演算手段５は、これを実現するための水素冷燃焼器２２での要求発熱量を逆算する。そして、発熱量制御手段６が、加熱装置要求発熱量演算手段５によって演算された要求発熱量に基づいて、水素燃焼器２２に供給する水素量を制御する。なお、水素燃焼器２２における水素供給量と発熱量の関係については、予め実験等により求めておく。
【００５６】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように、熱交換器１６における冷却水と純水との間での熱交換分も考慮した上で、燃料電池スタック１１に流入する冷却水温度が燃料電池スタック１１の要求上限温度以下となるように、水素燃焼器２２での発熱量を制御するようにしているので、燃料電池スタック１１の要求上限温度を越える温度の冷却水が燃料電池スタック１１に流入することに起因して燃料電池スタック１１の性能が劣化するといった不都合を回避しながら、燃料電池スタック１１の温度を迅速に最適な運転温度にまで上昇させることができる。
【００５７】
なお、以上は、冷却水を加熱するための冷却水加熱装置として水素燃焼器２２を用いた場合を例に挙げて説明したが、例えば電気ヒータ等の他の加熱装置を用いた場合でも、上述した方法で冷却水加熱装置の発熱量を制御することによって、同様の効果が得られる。
【００５８】
（第７の実施形態）
本実施形態は、燃料電池スタック１１入口に温度検出手段を設け、この温度検出手段によって燃料電池スタック１１入口での冷却水温度を検出して、燃料電池スタック１１入口での冷却水温度が所定の条件を満たした場合にのみ、燃料電池本体１１に冷却水を流入させることを許可し、それ以外の場合にはバイパス流路１８を利用して冷却水を燃料電池スタック１１からバイパスさせるようにしたものである。なお、本実施形態における燃料電池システムの具体的な構成は、図２に示した第１の実施形態のものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００５９】
本実施形態では、冷却水をバイパスさせるかどうかを決定する際に、まず、温度検出手段によって燃料電池スタック１１入口での冷却水温度を検出する。そして、温度検出手段によって検出された燃料電池スタック１１入口での冷却水温度が、以下の条件（Ａ）及び（Ｂ）の双方を満たしている場合にのみ、燃料電池本体１１に冷却水を流入させることを許可して、上述した第１の実施形態と同様の方法で流量制御された冷却水を燃料電池スタック１１に流入させる。
【００６０】
条件（Ａ）：冷却水の粘度が所定値を下回っていると推測される冷却水温度以上であること。
【００６１】
条件（Ｂ）：燃料電池スタック１１の固体高分子電解質膜の要求上限温度以下であること。
【００６２】
ここで、条件（Ａ）の所定値は、燃料電池スタック１１内での冷却水圧力が燃料電池スタック１１の要求耐圧以上とならない値に設定される。また、冷却水の粘度と温度との関係は予め実験等により求めておき、その関係に基づいて上記条件（Ａ）の冷却水温度を決定する。
【００６３】
一方、温度検出手段によって検出された燃料電池スタック１１入口での冷却水温度が、条件（Ａ）や条件（Ｂ）を満たしていない場合には、上述した第４の実施形態と同様に、三方弁１９を作動させてバイパス流路１８側を開通させ、冷却水をバイパス流路１８側に流入させる。そして、冷却水ポンプ１５を最大許容回転数まで回転させることを許可して、冷却水の流量制御を行う。
【００６４】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように、燃料電池スタック１１入口での冷却水温度が上記条件（Ａ）及び（Ｂ）の双方を満たしている場合にのみ、燃料電池本体１１に冷却水を流入させることを許可し、それ以外の場合には冷却水を燃料電池スタック１１からバイパスさせるようにしているので、燃料電池スタック１１の性能低下を招くことなく、燃料電池スタック１１の温度を迅速に最適な運転温度にまで上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムにおける冷却水循環制御系の基本概念を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態の燃料電池システムにおける冷却水の循環制御処理の概略を示すフローチャートである。
【図４】冷却水温度と、圧力、流量との関係を示す特性図である。
【図５】ガス圧と冷却水圧力との関係を示す特性図である。
【図６】第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図７】第４の実施形態の燃料電池システムにおける冷却水の循環制御処理の概略を示すフローチャートである。
【図８】冷却水循環流路中での位置と、そこでの冷却水温度との関係を示す特性図である。
【図９】第６の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図１０】水素燃焼器の後段に熱交換器が配設された場合における冷却水循環流路中での位置と、そこでの冷却水温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１燃料電池内冷却水圧力検出手段
２燃料電池発電量・冷却要求分演算手段
３冷却水流量制御手段
４冷却水温度検出手段
５加熱装置要求発熱量演算手段
６発熱量制御手段
１１燃料電池スタック
１２冷却水循環系
１３純水循環系
１４冷却水循環流路
１５冷却水ポンプ
１６熱交換器
１７冷却水加熱装置
１８バイパス流路
１９三方弁
２２水素燃焼器
２３水素供給配管
２４可変バルブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that circulates cooling water to adjust the temperature of a fuel cell body, and more particularly to a novel control system that takes into account a rise in the viscosity of cooling water at low temperatures.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell system, hydrogen gas and air are supplied to a fuel electrode (hydrogen electrode) and an air electrode of a fuel cell stack (fuel cell main body), respectively, and the hydrogen and oxygen are electrochemically reacted via an electrolyte membrane. To obtain the generated power. Such fuel cell systems are expected to be put to practical use, for example, as power sources for automobiles, and research and development for practical use are being actively conducted.
[0003]
As a fuel cell stack used in a fuel cell system, for example, a solid polymer type is known as a fuel cell stack suitable for being mounted on an automobile. The solid polymer type fuel cell stack has a solid polymer membrane provided as an electrolyte membrane between a hydrogen electrode and an air electrode. In the polymer electrolyte fuel cell stack, a reaction occurs in which hydrogen gas is separated into hydrogen ions and electrons at the hydrogen electrode, and a reaction is performed at the air electrode to generate water from oxygen gas, hydrogen ions, and electrons. . At this time, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, and hydrogen ions move through the solid polymer membrane toward the air electrode.
[0004]
In the fuel cell system, since the fuel cell stack generates heat during power generation, it is necessary to cool the fuel cell stack to maintain an appropriate operating temperature (about 80 ° C.), and it is necessary to provide some kind of cooling mechanism. As the cooling mechanism, a cooling system that circulates cooling water to cool the fuel cell stack is generally used.
[0005]
On the other hand, especially when considering starting in cold regions, if the temperature of the fuel cell stack is low, the reaction between hydrogen and oxygen does not occur sufficiently, and unused hydrogen is discharged or sufficient power generation becomes possible. It takes a long time before it becomes inconvenient. In order to smoothly start up in a cold region, it is necessary to separately install a heater or install a combustor, but the former requires heater power and the latter adopts a complicated structure. A need arises.
[0006]
Therefore, there has been proposed a fuel cell system in which the cooling water of the cooling mechanism is used to improve the power generation efficiency at the time of start-up cooling of the fuel cell stack (for example, see Patent Document 1).
[0007]
In the invention described in Patent Literature 1, at the time of low-temperature startup, in order to raise the internal temperature of the fuel cell stack to a predetermined temperature or higher, the supply of cooling water from the heat exchanger (radiator) is stopped, and the inside of the heat storage device is stopped. The flow path of the cooling water is switched so as to supply the kept cooling water to the fuel cell stack. Then, when the internal temperature of the fuel cell stack becomes equal to or higher than the predetermined temperature, the flow path of the cooling water is switched so that the cooling water cooled by the heat exchanger is supplied to the fuel cell, and the temperature inside the fuel cell is increased. I try to keep it down.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2002-42846 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional fuel cell system described in Patent Literature 1, at the time of low temperature startup, in order to raise the internal temperature of the fuel cell stack, the cooling water kept in the heat storage device is supplied to the fuel cell. are doing. However, since the viscosity of the cooling water becomes high at extremely low temperatures, if cooling water is supplied to the fuel cell stack in that state, the pressure loss increases, and the pressure loss may exceed the upper limit of the pressure resistance of the fuel cell stack. Therefore, there is a possibility that the performance of the fuel cell body may be deteriorated.
[0010]
The present invention has been proposed in order to solve such problems of the related art.The fuel cell body can be maintained at an appropriate operating temperature during normal operation, and the fuel cell can be started at low temperature. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of quickly increasing the internal temperature to an optimum operating temperature without deteriorating the performance of the main body.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention is a fuel cell system that adjusts the temperature of the fuel cell main body with the heat of the circulating cooling water, the fuel cell internal cooling water pressure detecting means for detecting the cooling water pressure inside the fuel cell main body, The cooling water flow control means controls the flow rate of the cooling water, and the cooling water heating means heats the cooling water. In this fuel cell system, the target flow rate of the cooling water is set according to the fuel cell power generation amount or fuel cell cooling request. Then, for example, at the time of startup at a low temperature where the outside air temperature is lower than 0 ° C., the cooling water flow rate control means detects the cooling water pressure in the fuel cell at the temperature detected by the cooling water pressure detection means in the fuel cell. And the cooling water heating means heats the cooling water whose flow rate is controlled by the cooling water flow rate controlling means.
[0012]
In this fuel cell system, at the time of low-temperature start-up in which the viscosity of the cooling water is expected to be high in consideration of the viscosity according to the temperature of the cooling water at the time of starting, the pressure of the cooling water in the fuel cell increases. The flow rate of the cooling water is controlled so as to be lower than the required pressure resistance. Therefore, the cooling water is circulated at the maximum flow rate without deteriorating the performance of the fuel cell main body and supplied to the fuel cell main body.
[0013]
【The invention's effect】
In the present invention, the cooling water flow rate is controlled with the upper limit of the required withstand pressure of the fuel cell main body at the time of low-temperature start-up. By supplying the cooling water at a flow rate, the temperature of the fuel cell body can be quickly raised to an optimum operating temperature by the heat of the heated cooling water. Also, during normal operation, the flow rate of the cooling water is controlled so as to be a target flow rate corresponding to the fuel cell power generation amount or the required fuel cell cooling amount. Therefore, it is necessary to stably maintain the fuel cell body at an appropriate operating temperature. Is possible.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0015]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a basic concept of a cooling water circulation control system in the fuel cell system of the present invention. The cooling water circulation control system is realized by a controller that controls the entire fuel cell system. The cooling water pressure detection means 1 detects the cooling water pressure inside the fuel cell stack, Fuel cell power / cooling request calculating means 2 for calculating the power generation amount of the fuel cell or the cooling request for the fuel cell stack, and the output from the fuel cell cooling water pressure detecting means 1 and the fuel cell power generating quantity / cooling request calculating means. Cooling water flow control means 3 for controlling the flow rate of cooling water for cooling the fuel cell stack based on the output from the fuel cell stack 2, and cooling water temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell stack 4, a heating device request for calculating the required heat value of the cooling water heating device based on the output from the cooling water flow control means 3 and the output from the cooling water temperature detecting means 4. It comprises a heat calculating means 5, based on the output from the heating device required heat generation amount calculation means 5, and a heating amount control means 6 for controlling the heating value of the cooling water heating device.
[0016]
In the cooling water circulation control system having the above configuration, the fuel cell power generation amount / cooling request amount calculating means 2 calculates the power generation amount of the fuel cell stack or the cooling request amount for the fuel cell stack, and based on the output thereof, the cooling water Is set. Then, during normal operation, the cooling water flow rate control means 3 controls the flow rate of the cooling water so that the target flow rate of the cooling water is supplied to the fuel cell stack. Further, for example, at the time of startup at a low temperature where the outside air temperature is lower than 0 ° C., the cooling water pressure inside the fuel cell stack detected by the cooling water pressure detecting means 1 in the fuel cell does not exceed the required withstand pressure of the fuel cell stack. As described above, the cooling water flow control means 3 controls the flow rate of the cooling water. Then, based on the cooling water flow rate controlled by the cooling water flow rate control means 3 and the cooling water temperature detected by the cooling water temperature detecting means 4, the heating device required calorific value calculating means 5 determines the required heating value of the cooling water heating device. The calorific value is calculated, and the calorific value control means 6 controls the calorific value of the cooling water heater based on the calculation result. Thus, the cooling water at a desired flow rate heated to a desired temperature is supplied to the fuel cell stack, and the heat of the cooling water appropriately heats the fuel cell stack.
[0017]
The main feature of this cooling water circulation control system is that at the time of low temperature startup, the cooling water flow control means 3 limits the flow of cooling water according to the temperature. In other words, when the temperature becomes extremely low, the viscosity of the cooling water increases, so that even if the same flow rate of the cooling water is circulated, the cooling water pressure inside the fuel cell stack increases as the temperature decreases. Therefore, when the cooling water is circulated at the same flow rate as normal, excessive pressure is applied to the inside of the fuel cell stack, which may deteriorate the performance of the fuel cell stack. Therefore, in this cooling water circulation control system, the cooling water pressure in the fuel cell body is monitored by the cooling water pressure detecting means 1 in the fuel cell, and the cooling water pressure is controlled so as not to exceed the required pressure resistance of the fuel cell body. The water flow control means 3 controls the flow rate of the cooling water.
[0018]
The above is the basic concept of the cooling water circulation control system in the fuel cell system of the present invention. Next, the specific description of the fuel cell system of the present embodiment in which the cooling water circulation control is performed by the above cooling water circulation control system will be described. The configuration will be described.
[0019]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram specifically showing a main configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system includes, for example, a fuel cell stack 11 serving as a power source of an electric vehicle, a cooling water circulating and supplied to the fuel cell stack 11, and a cooling system for adjusting the temperature of the fuel cell stack 11 by heat of the cooling water. It has a water circulation system 12 and a pure water circulation system 13 for circulating pure water to supply the fuel cell stack 11 and humidifying the electrolyte of the fuel cell stack 11. The fuel cell system further includes a hydrogen supply system for supplying hydrogen as a fuel to the fuel cell stack 11, an air supply system for supplying air as an oxidant to the fuel cell stack 11, and the like. These may have a normal configuration and are not characteristic of the present invention, so that illustration and detailed description are omitted here.
[0020]
The fuel cell stack 11 has a structure in which power generation cells in which a fuel electrode to which hydrogen is supplied and an air electrode to which oxygen (air) is supplied are stacked with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween are multi-tiered, The chemical energy is converted into electric energy by an electrochemical reaction. At the fuel electrode, when hydrogen is supplied, hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons generate electric power through an external circuit and move to the air electrode. At the air electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and the electrons to generate water, which is discharged to the outside.
[0021]
As the electrolyte of the fuel cell stack 11, for example, a solid polymer electrolyte is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water. In 11, it is necessary to supply water and humidify. Therefore, in this fuel cell system, pure water is supplied to the fuel cell stack 11 while being circulated by the pure water circulation system 13, and the solid polymer electrolyte of the fuel cell stack 11 is humidified by the pure water.
[0022]
Further, the fuel cell stack 11 generates heat due to a chemical reaction at the time of power generation. However, since an appropriate operating temperature is relatively low at about 80 ° C., it is necessary to cool the fuel cell stack 11. Therefore, in this fuel cell system, the cooling water is supplied to the fuel cell stack 11 while being circulated by the cooling water circulation system 12, and the fuel cell stack 11 is cooled by the cooling water.
[0023]
The cooling water circulation system 12 has a cooling water circulation channel 14 for circulating the cooling water, and the cooling water to which kinetic energy is given by the cooling water pump 15 circulates through the cooling water circulation channel 14. . The cooling water circulation flow path 14 is disposed downstream of the fuel cell stack 11 for heat exchange between the cooling water flowing through the cooling water circulation flow path 14 and the pure water for humidification circulated by the pure water circulation system 13. A heat exchanger 16 is provided, and the cooling water whose temperature has increased by cooling the fuel cell stack 11 is cooled here. Further, a cooling water heating device 17 composed of an electric heater or the like is provided at a subsequent stage of the heat exchanger 16, and when the temperature of the cooling water flowing through the cooling water circulation flow path 14 is too low, the cooling water is heated here. It has become so. Since the amount of heat generated by the electric heater can be easily controlled, the temperature of the cooling water can be quickly raised to a desired temperature by using the electric heater as the cooling water heating device 17.
[0024]
In addition, the cooling water circulation system 12 is provided with a bypass flow path 18 that bypasses the fuel cell stack 11 in addition to the cooling water circulation flow path 14 so that the cooling water is introduced into the bypass flow path 18 as necessary. Is configured. A three-way valve 19 is provided at a connection portion of the bypass flow path 18 with the cooling water circulation flow path 14, thereby switching the flow path between the cooling water circulation flow path 14 and the bypass flow path 18.
[0025]
The pure water circulation system 13 has a pure water circulation flow path 20 for circulating pure water for humidification, and pure water for humidification given kinetic energy by a pure water pump 21 is used for the pure water circulation flow path. 20 are circulated. Then, the pure water circulating in the pure water circulation channel 20 exchanges heat with the cooling water circulating in the cooling water circulation channel 14 in the heat exchanger 16 and is supplied to the fuel cell stack 11 at a high temperature. It has become so.
[0026]
In the fuel cell system having the above configuration, the cooling water circulated by driving the cooling water pump 15 is sent to the fuel cell stack 11 by switching the three-way valve 19, or is bypassed so as to bypass the fuel cell stack 11. It is sent to the channel 18. Then, the cooling water is further sent to the heat exchanger 16 and exchanged heat with the pure water circulated by driving the pure water pump 21, and finally sent to the cooling water heating device 17, Here it is heated.
[0027]
Here, in the fuel cell system of the present embodiment, the circulation control of the cooling water is performed by the cooling water circulation control system realized by the above-described controller, and in particular, the pressure of the cooling water in the fuel cell stack 11 is detected, The cooling water flow rate with the upper limit of the required pressure resistance of the battery stack 11 is realized by the cooling water pump 16, and the cooling water is heated by the cooling water heating device 17 as necessary. The outline of the processing in the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart in FIG. This processing content is executed every predetermined time (for example, every 10 ms) from the start of operation of the fuel cell stack 11.
[0028]
When performing the circulation control of the cooling water in the fuel cell system of the present embodiment, first, the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell stack 11 is detected by the cooling water temperature detecting means 4 (step S1). Next, the fuel cell power generation amount / cooling request amount calculating means 2 calculates the power generation amount of the fuel cell stack 11 or the cooling request amount for the fuel cell stack (step S2). Based on the calculation result, the target of the cooling water is calculated. The flow rate is set (Step S3). Then, in consideration of the required pressure resistance of the fuel cell stack 11 in addition to the target flow rate, the flow rate of the cooling water is controlled by the cooling water flow rate control means 3 (step S4).
[0029]
Here, the method of controlling the flow rate of the cooling water in step S4 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, when the cooling water temperature decreases, the cooling water pressure inside the fuel cell stack 11 tends to increase due to the increase in the viscosity of the cooling water. In particular, when the temperature of the cooling water is extremely low in a low-temperature environment, the pressure of the cooling water sharply increases as the temperature of the cooling water decreases. Here, for example, when the required pressure resistance of the fuel cell stack 11 is A [kPa] and the cooling water temperature is B [degC], the target flow rate of the cooling water calculated from the fuel cell power generation amount or the required cooling amount is as shown in FIG. Assuming that the medium flow rate is (3) or (4), even if the cooling water at the target flow rate is circulated and supplied to the fuel cell stack 11, the cooling water pressure inside the fuel cell stack 11 will remain unchanged. Below the required withstand voltage A [kPa], the performance of the fuel cell stack 11 does not deteriorate. Therefore, in such a case, the flow rate (3) or (4) is realized by controlling the rotation speed of the cooling water pump 15 so that the flow rate of the cooling water becomes the target flow rate.
[0030]
On the other hand, assuming that the target flow rate of the cooling water calculated from the fuel cell power generation amount or the required cooling amount under the same conditions is the flow rate (1) or the flow rate (2) in FIG. When the cooling water pressure is supplied to the fuel cell stack 11, the pressure of the cooling water inside the fuel cell stack 11 exceeds the required withstand voltage A [kPa] of the fuel cell stack 11, and there is a possibility that the performance of the fuel cell stack 11 is reduced. Therefore, in such a case, when the coolant temperature is B [degC], the maximum flow rate at which the coolant pressure inside the fuel cell stack 11 does not exceed the required withstand pressure A [kPa] of the fuel cell stack 11, that is, FIG. The rotational speed of the cooling water pump 15 is controlled so that the flow rate (5) is realized, with the flow rate (5) in (4) as an upper limit.
[0031]
The pressure of the cooling water inside the fuel cell stack 11 can be detected by attaching a pressure sensor to the inlet of the cooling water pipe of the fuel cell stack 11. Based on the value, it can also be detected by a method of performing an arithmetic process in consideration of the pressure loss in the pipe from the outlet of the cooling water pump 15 to the inlet of the cooling water pipe of the fuel cell stack 11, or the like.
[0032]
Control of the rotation speed of the cooling water pump 15 is performed as follows. For example, in the cooling water circulation system 12 provided in the fuel cell system, the relationship between the desired flow rate and pressure of the cooling water in the fuel cell stack 11 and the rotation speed of the cooling water pump 15 for realizing them is determined in advance by experiments or the like. Then, based on the target cooling water flow rate and pressure set in step S3 of the flowchart shown in FIG. 3, the rotation speed of the cooling water pump 15 is controlled using the above relationship.
[0033]
As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, when performing the circulation control of the cooling water in the cooling water circulation system 12, at the time of starting at a low temperature, the cooling water is set according to the fuel cell power generation amount or the required fuel cell cooling amount. In addition to the target flow rate of the cooling water, the cooling water pressure inside the fuel cell stack 11 that changes according to the temperature of the cooling water is also taken into consideration. Thus, since the flow rate of the cooling water is controlled, it is possible to quickly raise the temperature of the fuel cell stack 11 to the optimum operating temperature without deteriorating the performance of the fuel cell stack 11. it can. Further, during normal operation, the flow rate of the cooling water is controlled so as to have a target flow rate corresponding to the fuel cell power generation amount or the required fuel cell cooling amount, so that the fuel cell stack 11 is stably maintained at an appropriate operating temperature. It is possible.
[0034]
(Second embodiment)
In the present embodiment, the flow rate of the cooling water is controlled so that the differential pressure between the gas pressure inside the fuel cell stack 11 and the cooling water pressure inside the fuel cell stack 11 falls within a predetermined range. That is, in this embodiment, the cooling water circulation control system realized by the controller detects the pressures of hydrogen and air flowing into the fuel cell stack 11 in addition to the components in the first embodiment shown in FIG. The fuel cell system further includes a gas pressure detecting means in the fuel cell, and a differential pressure calculating means for calculating a differential pressure between the gas pressure and the cooling water pressure in the fuel cell stack 11. The flow rate of the cooling water is controlled so that the output from the means falls within an appropriate range. The specific configuration of the fuel cell system according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0035]
The process of performing the cooling water circulation control in the fuel cell system of the present embodiment is basically the same as the process of the first embodiment shown in FIG. 3, and is a step S3 for setting the target flow rate of the cooling water. Processing is a characteristic part in the present embodiment. Hereinafter, the processing in step S3 in FIG. 3 which is a characteristic part of the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0036]
FIG. 5 shows the gas pressure (hydrogen / air pressure) inside the fuel cell stack 11 determined based on the output from the gas pressure detecting means in the fuel cell and the fuel cell detected by the cooling water pressure detecting means 1 in the fuel cell. This shows the relationship with the cooling water pressure inside the stack 11. In the present embodiment, the output from the differential pressure calculating means (the differential pressure between the gas pressure and the cooling water pressure inside the fuel cell stack 11) does not exceed the required differential pressure C [kPa] of the fuel cell stack 11. The target flow rate of the cooling water is set. That is, when the cooling water pressure lower limit value, which is a value obtained by subtracting the required differential pressure C [kPa] of the fuel cell stack 11 from the gas pressure inside the fuel cell stack 11, is set to D [kPa], The target flow rate of the cooling water is set such that the pressure of the cooling water does not fall below the lower limit value D [kPa]. Then, using this target flow rate, the flow rate of the cooling water is controlled in the same manner as in the first embodiment.
[0037]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the flow rate of the cooling water is set so that the differential pressure between the gas pressure and the cooling water pressure inside the fuel cell stack 11 does not exceed the required differential pressure of the fuel cell stack 11. Is controlled, the performance of the fuel cell stack 11 deteriorates when the coolant pressure inside the fuel cell stack 11 exceeds the required withstand pressure of the fuel cell stack 11, and the fuel cell stack 11 It is also possible to effectively suppress a decrease in the performance of the fuel cell stack 11 that occurs when the differential pressure between the gas pressure and the cooling water pressure at the time exceeds the required differential pressure of the fuel cell stack 11.
[0038]
(Third embodiment)
This embodiment is an example in which a hydrogen combustor is used as a cooling water heating device of a cooling water circulation system. FIG. 6 shows a specific configuration of the fuel cell system according to the present embodiment. As shown in FIG. 6, in the fuel cell system of the present embodiment, a hydrogen combustor 22 as a cooling water heating device is provided downstream of the heat exchanger 16 in the cooling water circulation channel 14.
[0039]
The hydrogen combustor 22 is connected to a hydrogen supply pipe 23 for supplying hydrogen discharged from the fuel cell stack 11 to the hydrogen combustor 22. A variable valve 24 is provided at an intermediate portion of the hydrogen supply pipe 23. Is provided. The amount of hydrogen supply to the hydrogen combustor 22 is controlled by controlling the opening of the variable valve 24.
[0040]
In the fuel cell system of the present embodiment, as described above, the hydrogen combustor 22 is used as the cooling water heating device of the cooling water circulation system. 22 allows the temperature of the cooling water to be raised to the desired temperature. In addition, since the calorific value of the hydrogen combustor 22 can be easily changed by controlling the opening degree of the variable valve 24, the temperature control of the cooling water is easy.
[0041]
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, when the temperature of the cooling water is low such as at the time of low-temperature startup, the cooling water is bypassed from the fuel cell stack 11 by using the bypass flow path 18 and This is to prevent excessive pressure from being applied. The specific configuration of the fuel cell system according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0042]
The outline of the process of performing the cooling water circulation control in the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. This processing content is executed every predetermined time (for example, every 10 ms) from the start of operation of the fuel cell stack 11.
[0043]
In the present embodiment, when it is determined that the cooling water temperature is decreasing, first, the three-way valve 19 is operated to cut off the flow path on the side of the fuel cell stack 11 and to cut off the side of the bypass flow path 18. It is opened (step S11). Thereby, the cooling water circulates through the bypass passage 18 without flowing into the fuel cell stack 11. Then, when the operation of the three-way valve 19 in step S11 is completed and the cooling water no longer flows into the fuel cell stack 11, the cooling water pump 15 is allowed to rotate to the maximum allowable rotation speed, and the cooling water is allowed to rotate. Is performed (step S12).
[0044]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, when the temperature of the cooling water is low, such as at the time of low-temperature startup, the cooling water flows into the fuel cell stack 11 by using the bypass passage 18. Since the rotation is not performed, excessive pressure is not applied to the inside of the fuel cell stack 11 even if the rotation speed of the cooling water pump 15 is allowed to rotate to the maximum allowable rotation speed. Therefore, the cooling water at the maximum flow rate can be supplied to the cooling water heating device 17, and as a result, the warm-up can be promptly promoted at the time of low-temperature startup.
[0045]
(Fifth embodiment)
This embodiment is required for the hydrogen combustor 22 as a cooling water heating device in consideration of the upper limit temperature (the required upper limit temperature of the fuel cell stack 11) at which the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 11 functions properly. The calorific value of the hydrogen combustor 22 is controlled based on the computation result. That is, in the present embodiment, the heating device required calorific value calculation means 5 in the cooling water circulation control system shown in FIG. 1 determines the flow rate of the cooling water controlled by the cooling water flow rate control means 3 and the required upper limit temperature of the fuel cell stack 11. Based on the above, the required calorific value required for the hydrogen combustor 22 is calculated, and based on the output from the heating device required calorific value calculating means 5, the calorific value control means 6 supplies the calorific value to the hydrogen combustor 22. The amount of generated heat is controlled by controlling the amount of hydrogen. Note that the specific configuration of the fuel cell system according to the present embodiment is the same as that of the third embodiment shown in FIG. 6, and a description thereof will be omitted here.
[0046]
A specific method of calculating the required heat value of the hydrogen combustor 22 by the heating device required heat value calculation unit 5 in the present embodiment will be described with reference to FIG. When the flow rate of the cooling water is controlled by the cooling water flow rate control means 3 in step S4 of the flowchart of FIG. 3, the heating device required heat value calculation means 5 determines the flow rate of the cooling water flow controlled by the cooling water flow rate control means 3. In consideration of the required upper limit temperature Tg [degC] of the fuel cell stack 11 and the heat exchange in the pipe from the outlet of the hydrogen combustor 22 to the inlet of the fuel cell stack 11, the fuel cell stack 11 The required calorific value in the hydrogen combustor 22 is calculated such that the inlet cooling water temperature Th [degC] is equal to or lower than the required upper limit temperature Tg [degC] of the fuel cell stack 11. Then, the calorific value control means 6 controls the amount of hydrogen supplied to the hydrogen combustor 22 so as to realize the required calorific value calculated by the heating device required calorific value calculating means 5.
[0047]
Specifically, the heating device required calorific value calculating means 5 calculates the target cooling water target temperature Th [degC] and the cooling water flow rate of the fuel cell stack 11, the specific gravity of the cooling water, the specific heat of the cooling water, and the outlet of the hydrogen combustor 22. To achieve the target cooling water inlet temperature of the fuel cell stack 11 based on the length of the cooling water circulation flow path 14 to the fuel cell stack 11 inlet, the inner and outer diameters of the piping of the cooling water circulation flow path 14, the thermal conductivity, the ambient temperature, and the like. Of the cooling water temperature Tf [degC] at the outlet of the hydrogen combustor 22 is calculated.
[0048]
Next, the hydrogen cooling combustor 22 for realizing the cooling water temperature Tf [degC] at the outlet of the hydrogen combustor 22 calculated as described above from the cooling water temperature Te [degC] at the inlet of the hydrogen combustor 22 and the cooling water flow rate. Back-calculate the required calorific value at. Then, the heating value control means 6 controls the amount of hydrogen supplied to the hydrogen combustor 22 based on the required heating value calculated by the heating device required heating value calculation means 5. At this time, if the cooling water temperature at the outlet of the hydrogen combustor 22 reaches the cooling water required upper limit temperature Ti [degC] derived from the required upper limit temperature Tg [degC] of the fuel cell stack 11, The amount of heat generated is limited to suppress an increase in the temperature of the cooling water at the outlet of the hydrogen combustor 22. Note that the relationship between the amount of hydrogen supplied and the amount of heat generated in the hydrogen combustor 22 is determined in advance by experiments or the like.
[0049]
In the fuel cell system according to the present embodiment, as described above, the amount of heat generated in the hydrogen combustor 22 is controlled such that the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 11 becomes equal to or lower than the required upper limit temperature of the fuel cell stack 11. Therefore, while avoiding the disadvantage that the performance of the fuel cell stack 11 is degraded due to the cooling water having a temperature exceeding the required upper limit temperature of the fuel cell stack 11 flowing into the fuel cell stack 11, the fuel The temperature of the battery stack 11 can be quickly raised to an optimum operating temperature.
[0050]
Although the above description has been made by taking as an example the case where the hydrogen combustor 22 is used as the cooling water heating device for heating the cooling water, even when another heating device such as an electric heater is used, for example, The same effect can be obtained by controlling the calorific value of the cooling water heating device by the method described above.
[0051]
(Sixth embodiment)
This embodiment corresponds to a modification of the above-described fifth embodiment, and is different from the fifth embodiment in the installation order of the hydrogen combustor 22 and the heat exchanger 16. That is, in the fuel cell system of the present embodiment, as shown in FIG. 9, the heat exchanger 16 is disposed at a position downstream of the hydrogen combustor 22 in the cooling water circulation flow path 14. When the hydrogen combustor 22 and the heat exchanger 16 are arranged in this manner, the cooling water whose temperature has been increased by the hydrogen combustor 22 is then purified by the pure water flowing through the pure water circulation flow path 20 in the heat exchanger 16. And heat is exchanged between them, and then supplied to the fuel cell stack 11. Therefore, in the present embodiment, the heating device required calorific value calculation means 5 in the cooling water circulation control system shown in FIG. 1 performs the required request for the hydrogen combustor 22 in consideration of the heat exchange in the heat exchanger 16. The calorific value is calculated.
[0052]
A specific method of calculating the required heat value of the hydrogen combustor 22 by the heating device required heat value calculation means 5 in the present embodiment will be described with reference to FIG. When the flow rate of the cooling water is controlled by the cooling water flow rate control means 3 in step S4 of the flowchart of FIG. 3, the heating device required heat value calculation means 5 determines the flow rate of the cooling water flow controlled by the cooling water flow rate control means 3. And the heat exchange amount with the pure water in the heat exchanger 16, the required upper limit temperature Tg [degC] of the fuel cell stack 11, and the piping from the outlet of the hydrogen combustor 22 to the inlet of the heat exchanger 16. In consideration of the heat exchange amount of the fuel cell stack and the heat exchange amount in the pipe from the outlet of the heat exchanger 16 to the inlet of the fuel cell stack 11, the inlet cooling water temperature Tn [degC] of the fuel cell stack 11 is reduced. The required heat value in the hydrogen combustor 22 is calculated so as to be equal to or lower than the required upper limit temperature Tg [degC] of No. 11. Then, the calorific value control means 6 controls the amount of hydrogen supplied to the hydrogen combustor 22 so as to realize the required calorific value calculated by the heating device required calorific value calculating means 5.
[0053]
Specifically, the characteristics of the heat exchange at the heat exchanger 16 inlet pure water temperature / pure water flow rate and the heat exchanger 16 inlet cooling water temperature / cooling water flow rate in the heat exchanger 16 are determined in advance by experiments or the like. The heating device required calorific value calculating means 5 calculates the target cooling water target temperature Tn [degC] and the cooling water flow rate of the fuel cell stack 11, the specific gravity of the cooling water, the specific heat of the cooling water, and the fuel cell stack The target cooling water target temperature Tm [degC] at the outlet of the heat exchanger 16 is calculated from the length of the cooling water circulation channel 14 up to the inlet 11, the inner and outer diameters of the piping of the cooling water circulation channel 14, the thermal conductivity, the ambient temperature, and the like. .
[0054]
Further, based on the calculated target coolant temperature Tm [degC] at the outlet of the heat exchanger 16, the coolant flow rate, the pure water temperature at the inlet of the heat exchanger 16 and the pure water flow rate, the characteristics of the heat exchange at the heat exchanger 16 are determined. Based on this, the target heat exchanger cooling water target temperature Tl [degC] is calculated backward. Lastly, the calculated target coolant temperature Tl [degC] at the inlet of the heat exchanger 16 and the flow rate of the coolant, the specific gravity and specific heat of the coolant, and the cooling water circulation flow path 14 from the outlet of the hydrogen combustor 22 to the inlet of the heat exchanger 16 are calculated. The target cooling water target temperature Tk [degC] at the outlet of the hydrogen combustor 22 is calculated back from the length, the inner and outer diameters of the piping of the cooling water circulation flow path 14, the thermal conductivity, the ambient temperature and the like.
[0055]
After obtaining the target temperature Tk [degC] of the cooling water at the outlet of the hydrogen combustor 22 as described above, the heating device required calorific value calculating means 5 calculates the required calorific value of the hydrogen cooled combustor 22 to realize this. I do. Then, the heating value control means 6 controls the amount of hydrogen supplied to the hydrogen combustor 22 based on the required heating value calculated by the heating device required heating value calculation means 5. Note that the relationship between the amount of hydrogen supplied and the amount of heat generated in the hydrogen combustor 22 is determined in advance by experiments or the like.
[0056]
As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 11 is determined in consideration of the heat exchange between the cooling water and the pure water in the heat exchanger 16. Since the calorific value in the hydrogen combustor 22 is controlled so as to be lower than the required upper limit temperature of the cell stack 11, cooling water having a temperature exceeding the required upper limit temperature of the fuel cell stack 11 is supplied to the fuel cell stack 11. The temperature of the fuel cell stack 11 can be quickly raised to the optimum operating temperature while avoiding the inconvenience of the performance of the fuel cell stack 11 being deteriorated due to the inflow.
[0057]
Although the above description has been made by taking as an example the case where the hydrogen combustor 22 is used as the cooling water heating device for heating the cooling water, even when another heating device such as an electric heater is used, for example, The same effect can be obtained by controlling the calorific value of the cooling water heating device by the method described above.
[0058]
(Seventh embodiment)
In the present embodiment, a temperature detecting means is provided at the inlet of the fuel cell stack 11, and the temperature detecting means detects a cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11, and the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 becomes a predetermined value. Only when the condition is satisfied, the cooling water is allowed to flow into the fuel cell main body 11, and otherwise, the cooling water is bypassed from the fuel cell stack 11 using the bypass flow path 18. Things. The specific configuration of the fuel cell system according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0059]
In the present embodiment, when determining whether to bypass the cooling water, first, the temperature detecting means detects the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11. The cooling water flows into the fuel cell main body 11 only when the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11 detected by the temperature detecting means satisfies both of the following conditions (A) and (B). Then, the cooling water whose flow rate is controlled in the same manner as in the first embodiment is allowed to flow into the fuel cell stack 11.
[0060]
Condition (A): The cooling water temperature is equal to or higher than the cooling water temperature estimated to be lower than a predetermined value.
[0061]
Condition (B): It is lower than or equal to a required upper limit temperature of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 11.
[0062]
Here, the predetermined value of the condition (A) is set to a value at which the cooling water pressure in the fuel cell stack 11 does not exceed the required withstand pressure of the fuel cell stack 11. The relationship between the viscosity and the temperature of the cooling water is determined in advance by experiments or the like, and the cooling water temperature under the condition (A) is determined based on the relationship.
[0063]
On the other hand, when the coolant temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 detected by the temperature detecting means does not satisfy the condition (A) or the condition (B), as in the above-described fourth embodiment, the three-way The valve 19 is operated to open the bypass passage 18 side, and the cooling water flows into the bypass passage 18 side. Then, the cooling water pump 15 is permitted to rotate to the maximum allowable rotation speed, and the flow rate of the cooling water is controlled.
[0064]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the cooling of the fuel cell main body 11 is performed only when the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 satisfies both the conditions (A) and (B). Water is allowed to flow in, and in other cases, the cooling water is bypassed from the fuel cell stack 11, so that the temperature of the fuel cell stack 11 can be reduced without deteriorating the performance of the fuel cell stack 11. The operating temperature can be raised quickly to the optimum operating temperature.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a basic concept of a cooling water circulation control system in a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart schematically illustrating a cooling water circulation control process in the fuel cell system according to the first embodiment;
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a cooling water temperature, a pressure, and a flow rate.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between gas pressure and cooling water pressure.
FIG. 6 is a diagram illustrating a main configuration of a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 7 is a flowchart schematically showing a cooling water circulation control process in a fuel cell system according to a fourth embodiment;
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a relationship between a position in a cooling water circulation channel and a cooling water temperature there.
FIG. 9 is a diagram illustrating a main configuration of a fuel cell system according to a sixth embodiment.
FIG. 10 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a position in a cooling water circulation flow path and a cooling water temperature in a case where a heat exchanger is provided at a stage subsequent to the hydrogen combustor.
[Explanation of symbols]
1 Means for detecting cooling water pressure in fuel cell
2 Calculation means for fuel cell power generation and cooling demand
3 Cooling water flow control means
4 Cooling water temperature detection means
5 Heating device required calorific value calculation means
6 Heat generation amount control means
11 Fuel cell stack
12 Cooling water circulation system
13 Pure water circulation system
14 Cooling water circulation channel
15 Cooling water pump
16 heat exchanger
17 Cooling water heater
18 Bypass channel
19 Three-way valve
22 Hydrogen combustor
23 Hydrogen supply piping
24 Variable valve

Claims

In a fuel cell system in which the temperature of a fuel cell body is adjusted by heat of circulating cooling water,
A fuel cell cooling water pressure detecting means for detecting a cooling water pressure inside the fuel cell main body,
Cooling water flow control means for controlling the flow of cooling water,
Cooling water heating means for heating the cooling water,
The target flow rate of the cooling water is set according to the fuel cell power generation amount or the fuel cell cooling request amount,
At the time of low-temperature start-up, the cooling water flow control means controls the cooling water so that the cooling water pressure in the fuel cell at the temperature detected by the cooling water pressure detecting means in the fuel cell becomes equal to or less than the required pressure resistance of the fuel cell body. A fuel cell system, wherein the flow rate is controlled, and the cooling water heating means heats the cooling water whose flow rate is controlled by the cooling water flow rate control means.

The fuel cell gas pressure detecting means for detecting the pressures of hydrogen and air flowing into the fuel cell body, the output from the fuel cell gas pressure detecting means, and the output from the fuel cell cooling water pressure detecting means. A differential pressure calculating means for calculating a differential pressure between a gas pressure and a cooling water pressure inside the fuel cell main body based on the
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling water flow control means controls the flow rate of the cooling water such that an output from the differential pressure calculating means falls within a predetermined range.

Equipped with a cooling water pump that circulates cooling water,
The fuel cell system according to claim 2, wherein the cooling water flow control means controls the flow rate of the cooling water by controlling a rotation speed of the cooling water pump.

The fuel cell system according to claim 2, wherein the cooling water heating unit is a hydrogen combustor.

The fuel cell system according to claim 2, wherein the cooling water heating unit is an electric heater.

Having bypass means for bypassing the circulating cooling water from the fuel cell body,
6. The cooling water pump according to claim 3, wherein when the engine is started at a low temperature, the flow of the cooling water into the fuel cell main body is cut off by the bypass means, and rotation of the cooling water pump up to a maximum allowable rotation speed is permitted. The fuel cell system according to any one of the above.

A required calorific value calculating means for calculating a required calorific value required for the cooling water heating means based on a flow rate of the cooling water controlled by the cooling water flow rate controlling means and a required upper limit temperature of the fuel cell body; ,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein a heat value of the cooling water heating means is controlled based on an output from the required heat value calculation means.

The heat generation amount of the cooling water heating means is limited when a cooling water outlet temperature in the cooling water heating means reaches an upper limit temperature derived from a required upper limit temperature of the fuel cell main body. The fuel cell system according to item 1.

9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the cooling water heating means is a hydrogen combustor, and a calorific value is limited by restricting a supply amount of hydrogen to the hydrogen combustor.

At a downstream position of the cooling water heating means, a heat exchanger for performing heat exchange between the cooling water and the pure water for humidification is provided,
The said required calorific value calculation means computes the said required calorific value by adding the pure water temperature which exchanges heat with cooling water in the said heat exchanger to computation data. Fuel cell system.

Having a cooling water temperature detecting means for detecting a cooling water temperature at the fuel cell main body inlet,
When the detected temperature output from the cooling water temperature detecting means is equal to or higher than the temperature at which the viscosity of the cooling water is estimated to be lower than a predetermined value and equal to or lower than the upper limit temperature required for the fuel cell main body, The fuel cell system according to any one of claims 6 to 10, wherein the fuel gas flows into the fuel cell main body.