JP2004327083A

JP2004327083A - Fuel cell system and its control method

Info

Publication number: JP2004327083A
Application number: JP2003116084A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Okano; 竜岡野; Rieko Okada; 梨英子岡田; Takumoto Ikada; 拓素井加田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-21
Also published as: JP4322040B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system and its control method capable of efficiently heating a fuel cell to a desired operation temperature at low temperature, and of inexpensively and easily extending a service life. <P>SOLUTION: The temperature of a cooling medium supplied to a fuel cell stack 22 through a circulation passage 24 is detected by a temperature sensor 44; the load of a pump 28 is detected by a pump load sensor 54; the cooling medium is heated by a combustor 36 by setting the temperature in a range below a specified value; the flow rate of the cooling medium is controlled so as to be increased by the pump 28 by setting the load in a range below a specified value. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池システムおよびその制御方法に関し、より詳細には、低温時において燃料電池を所望の動作温度まで迅速に加熱して起動を短時間で行うことのできる燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体をセパレータで挟持して構成されている。この種の燃料電池は、所望の電圧を取り出すため、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層した燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
燃料電池では、アノード電極に対して水素等の燃料ガスを供給する一方、カソード電極に対して酸素を含む空気等の酸化剤ガスを供給し、これらのガスを電気化学的に反応させることで電気エネルギが得られる。この場合、反応に際して生成される水が燃料ガスや酸化剤ガスの通路内で結露すると、所望の量のガスが燃料電池に供給されないため、発電効率が低下してしまう。また、通路内に水が残存した状態で燃料電池を含むシステムが停止された場合において、温度が氷点下まで低下すると、残存する水が凍結して通路を閉塞してしまうため、燃料電池の起動自体が困難な状態となる。
【０００４】
そこで、例えば、燃料電池を含むシステムを図７に示すように構成した従来技術が提案されている（特許文献１参照）。この従来技術では、水素ガスＨ_２および空気Ａｉｒが供給される燃料電池スタック２に対して、燃料電池スタック２の温度を調整するための熱交換媒体である不凍液を循環供給する温度調整回路４を接続している。
【０００５】
温度調整回路４は、不凍液を循環させるポンプ６を有する。不凍液は、ポンプ６によって燃焼器８を備えた熱交換器１０に供給され、燃焼器８で水素ガスＨ_２および空気Ａｉｒを燃焼させて得られる熱により加熱された後、燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２は、加熱された不凍液により通路内に残存する水が解凍されるとともに所望の動作温度まで加熱され、発電が可能な状態となる。
【０００６】
なお、燃料電池スタック２を所望の動作温度（例えば、固体高分子型燃料電池においては、８０℃程度）まで加熱するシステム起動時においては、燃料電池スタック２に供給された不凍液がバイパス通路１２を介して循環される。一方、燃料電池スタック２が所望の動作温度まで加熱された後、燃料電池スタック２による発電が開始されると、発電により発生する熱によって燃料電池スタック２の温度が上昇するため、バイパス通路１２のバルブ１４を閉塞し、熱交換器１０による加熱を中止し、不凍液をラジエータ１６を介して循環させることにより、燃料電池スタック２を所定の動作温度に維持する制御が行われる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１６４２３３号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来技術では、燃料電池スタック２の加熱時において不凍液の温度制御を行っていないため、例えば、不凍液の熱交換器１０への供給量に対して、燃焼器８に供給される水素ガスＨ_２および空気Ａｉｒの供給量が多すぎると、燃焼器８で発生した熱によって不凍液の温度が過度に上昇してしまうおそれがある。
【０００９】
不凍液は、ある温度以上になると、熱分解してイオンが発生し、導電率が上昇するため、生成された電流の一部が不凍液側に流れると、利用可能な電力が低下してしまうおそれがある。図８は、不凍液の温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）と導電率との関係を示したもので、不凍液が温度Ｔ３まで加熱された場合、加熱時間の経過に従って導電率が上昇する傾向が現れている。
【００１０】
このような問題を回避するため、例えば、不凍液の通路内にイオン交換樹脂を配設し、発生したイオンをイオン交換樹脂によって吸着分離することにより、不凍液の導電率の上昇を回避することが考えられる。しかしながら、イオン交換樹脂の寿命の関係から、定期的なメンテナンスが必要であり、コストアップとなる不具合がある。
【００１１】
一方、燃焼器８に対する水素ガスＨ_２および空気Ａｉｒの供給量を予め制限し、不凍液が過剰に加熱されないようにすることも可能である。しかしながら、反応ガスの供給量を制限すると、不凍液の加熱に要する時間が長くなるため、燃料電池スタック２が所望の動作温度となるまでに長時間を要するという問題が発生する。
【００１２】
また、燃料電池スタック２に供給する不凍液の量を多く設定することにより、不凍液の過剰な加熱を回避するとともに、燃料電池スタック２を所望の動作温度まで迅速に加熱することも考えられる。しかしながら、不凍液は、図９に示すように、温度が低くなると、点線で示す水の場合と比較して粘性係数が著しく上昇する特性を有しているため、例えば、低温状態において大量の不凍液を燃料電池スタック２に供給しようとすると、ポンプ６に過大な負荷が掛かってしまう。従って、ポンプ６の寿命が短縮されてしまう問題がある。なお、ポンプ６を過大な負荷で運転するには、多大な消費電力が必要であり、特に、このような燃料電池スタック２を自動車に搭載する場合、バッテリに蓄電した電力を用いて暖機運転を十分に行うことができなくなってしまうおそれがある。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、低温時において燃料電池を所望の動作温度まで効率的に加熱することができるとともに、安価で長寿命化を容易に達成することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の温度を検出する温度検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記温度を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の本発明では、特に低温時において、負荷検出部によりポンプの負荷を検出し、負荷を規定値以下の範囲としてポンプを制御し、熱交換媒体の流量を増加させ、循環路から加熱部を介して燃料電池に供給する。一方、温度検出部により熱交換媒体の温度を検出し、温度を規定値以下の範囲として加熱部を制御し、熱交換媒体を加熱する。この場合、ポンプが過負荷状態とならない範囲で、且つ、熱交換媒体が過剰に加熱されない範囲において、十分に加熱された十分な量の熱交換媒体が燃料電池に供給され、燃料電池が効率的に加熱されて動作可能な状態となる。
【００１６】
請求項２記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の導電率を検出する導電率検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記導電率を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の本発明では、請求項１における温度検出部に代えて導電率検出部を用い、熱交換媒体の導電率を導電率検出部により検出し、導電率を規定値以下の範囲として加熱部を制御する。この場合、検出した導電率から熱交換媒体が過剰に加熱されているか否かを判断し、導電率に基づいて加熱部を制御し、熱交換媒体を十分に加熱して燃料電池に供給することができる。
【００１８】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させることで前記熱交換媒体を加熱する燃焼器を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の本発明では、燃料電池に供給する反応ガスを用いて熱交換媒体を加熱することができる。
【００２０】
請求項４記載の本発明は、請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記熱交換媒体を加熱する電気ヒータを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の温度を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記温度を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲として前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の導電率を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記導電率を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、第１実施形態の燃料電池システム２０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、流体の流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００２４】
燃料電池システム２０は、燃料ガスである水素ガスＨ_２と酸化剤ガスであるエアＡｉｒとが供給されることで負荷電流を生成する燃料電池スタック２２を備える。燃料電池スタック２２には、水素ガスＨ_２とエアＡｉｒとの反応によって発生した熱により加熱された燃料電池スタック２２を冷却する一方、低温時において燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱するための冷媒（熱交換媒体）が循環する循環路２４が接続される。
【００２５】
循環路２４には、燃料電池スタック２２の出口側に配設され、燃料電池スタック２２で加熱された冷媒を冷却するラジエータ２６と、冷媒を循環させるポンプ２８と、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、低温時において冷媒を加熱する熱交換器３０とが接続される。また、ラジエータ２６には、バルブ３２を有し、低温時において冷媒をバイパスさせるバイパス路３４が並列に接続される。
【００２６】
熱交換器３０には、燃焼器３６（加熱部）が一体的に配設される。燃焼器３６は、バルブ３８を介して供給される所定量の水素ガスＨ_２と、コンプレッサ４０により供給される所定量のエアＡｉｒとを混合して燃焼させ、その反応熱により熱交換器３０を介して冷媒を加熱する。なお、燃焼器３６に供給する水素ガスＨ_２およびエアＡｉｒは、燃料電池スタック２２に供給する水素ガスＨ_２およびエアＡｉｒをそのまま流用することができる。
【００２７】
燃料電池スタック２２には、スタック温度を検出する温度センサ４２が接続される。また、循環路２４の燃料電池スタック２２に対する冷媒の入口側には、冷媒温度を検出する温度センサ４４（温度検出部）が接続される。
【００２８】
ポンプ２８は、ポンプ制御部４６によって回転数が制御され、バルブ３２は、バルブ制御部４８によって開閉制御され、バルブ３８は、バルブ制御部５０によって開度が制御され、コンプレッサ４０は、コンプレッサ制御部５２によって回転数が制御される。ポンプ制御部４６、バルブ制御部４８、５０およびコンプレッサ制御部５２は、冷媒供給制御部５８（制御部）によって制御される。
【００２９】
また、ポンプ２８の負荷は、ポンプ負荷センサ５４（負荷検出部）により、ポンプ制御部４６からポンプ２８に供給される電流値またはポンプ２８の回転トルクとして検出され、その検出値が冷媒供給制御部５８に供給される。コンプレッサ４０の負荷は、コンプレッサ負荷センサ５６により、コンプレッサ制御部５２からコンプレッサ４０に供給される電流値またはコンプレッサ４０の回転トルクとして検出され、その検出値が冷媒供給制御部５８に供給される。さらに、冷媒供給制御部５８には、温度センサ４２によって検出されたスタック温度と、温度センサ４４によって検出された冷媒温度とが供給される。
【００３０】
第１実施形態の燃料電池システム２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱する暖機運転時の動作について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００３１】
先ず、冷媒供給制御部５８は、温度センサ４２によって検出したスタック温度が所望の動作温度（燃料電池スタック２２が最適な状態で運転できる温度）に達しているか否かを判定する（ステップＳ１）。燃料電池システム２０の環境温度が高く、あるいは、燃料電池スタック２２が既に動作温度以上となっている場合、暖機運転を終了し、燃料電池スタック２２による発電を開始する。なお、燃料電池スタック２２と冷媒との熱交換効率は、極めて高いため、温度センサ４２を燃料電池スタック２２からの冷媒の出口側に設け、冷媒の温度をスタック温度として検出するようにしてもよい。
【００３２】
燃料電池スタック２２による発電は、所望の発電量に応じた水素ガスＨ_２およびエアＡｉｒを燃料電池スタック２２に供給することで行われる。この場合、発電に伴って発生した熱は、循環路２４を循環する冷媒によって外部に排出される。すなわち、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部４８および５０を制御してバルブ３２、３８を閉じ、また、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転を停止させることにより、バイパス路３４を閉塞するとともに、燃焼器３６による冷媒の加熱を停止する。この状態において、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８を回転させることにより冷媒が循環し、燃料電池スタック２２で発生した熱が冷媒を介してラジエータ２６から外部に排出される。
【００３３】
一方、燃料電池システム２０の環境温度が低く、スタック温度が燃料電池スタック２２の動作温度よりも低い場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部４８を制御してバルブ３２を開き、循環路２４をバイパス路３４を経由する経路に設定する。
【００３４】
そして、冷媒供給制御部５８は、コンプレッサ制御部５２を制御して、コンプレッサ４０を始動モード初期値で回転させるとともに、バルブ制御部５０を制御して、バルブ３８をコンプレッサ４０の回転数に応じた開度だけ開成する。また、冷媒供給制御部５８は、ポンプ制御部４６を制御して、ポンプ２８を始動モード初期値で回転させる（ステップＳ２）。この場合、始動モード初期値は、コンプレッサ４０およびポンプ２８に掛かる負荷が最も少ない値に設定されている。従って、例えば、燃料電池システム２０の環境温度が氷点下であり、燃焼器３６内で水が凍結してエアＡｉｒを燃焼器３６に十分供給できない状態であっても、コンプレッサ４０に過負荷が掛かるおそれはない。同様に、冷媒の温度が低いために循環路２４内の冷媒の粘性係数が大きく（図９参照）、流動抵抗が大きい状態であっても、ポンプ２８に過負荷が掛かるおそれはない。
【００３５】
燃焼器３６は、コンプレッサ４０によって供給されたエアＡｉｒと、バルブ３８によって流量が制御されて供給された水素ガスＨ_２とを触媒上で燃焼させる。なお、燃焼器３６での反応熱の温度は、エアＡｉｒと水素ガスＨ_２との混合比によって決まる。エアＡｉｒの流量に対する水素ガスＨ_２の流量が大きいと、反応熱の温度が高くなる。通常、エアＡｉｒ／水素ガスＨ_２のモル流量比は、１１〜１７の範囲とし、反応熱の温度が５００〜７００℃程度となるように設定する。
【００３６】
ポンプ２８によって供給された冷媒は、熱交換器３０において燃焼器３６で発生した熱によって加熱され、次いで、燃料電池スタック２２に供給されることにより、燃料電池スタック２２を加熱する。
【００３７】
コンプレッサ負荷センサ５６は、コンプレッサ制御部５２からコンプレッサ４０に供給される電流値またはコンプレッサ４０の回転トルクに基づいて負荷を検出し、冷媒供給制御部５８に供給する。冷媒供給制御部５８は、検出されたコンプレッサ４０の負荷を許容値の上限である規定値と比較し（ステップＳ３）、規定値以下であると判定した場合、コンプレッサ制御部５２を制御し、コンプレッサ４０の回転数を増加させる（ステップＳ４）。また、増加したコンプレッサ４０の回転数に応じたバルブ３８の開度を演算し（ステップＳ５）、バルブ制御部５０を制御し、バルブ３８の開度を増加させる（ステップＳ６）。この結果、コンプレッサ４０の負荷を規定値以下に保持した状態で燃焼器３６にエアＡｉｒおよび水素ガスＨ_２が供給され、その反応熱によって冷媒が加熱される。
【００３８】
また、ステップＳ３において、コンプレッサ４０の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部５０を制御してバルブ３８の開度を減少させるとともに（ステップＳ７）、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転数を減少させる（ステップＳ８）。この結果、コンプレッサ４０の負荷が規定値以下に維持される。
【００３９】
一方、温度センサ４４は、燃料電池スタック２２に供給される冷媒の温度を検出している。冷媒供給制御部５８は、検出された冷媒の温度を許容値の上限である規定温度（規定値）と比較し（ステップＳ９）、規定温度を超過していると判定された場合、ポンプ負荷センサ５４によって検出されたポンプ２８の負荷を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ１０）。比較の結果、規定値以下と判定された場合には、ポンプ２８の回転に余裕があるため、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８の回転数を増加させる（ステップＳ１１）。なお、ポンプ２８の回転数を増加させて冷媒の流量を増加させることにより、熱交換器３０における冷媒の加熱が抑制される。
【００４０】
また、ステップＳ１０において、ポンプ２８の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部５０を制御してバルブ３８の開度を減少させるとともに（ステップＳ１２）、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転数を減少させる（ステップＳ１３）。この結果、燃焼器３６で生成される反応熱の温度が低下し、冷媒の加熱が抑制される。
【００４１】
次いで、冷媒供給制御部５８は、温度センサ４２によって検出しているスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定し（ステップＳ１４）、動作温度以上となっている場合には、コンプレッサ４０の回転を停止させるとともにバルブ３８を閉成する（ステップＳ１５）。この結果、冷媒の加熱が停止され、暖機運転が終了する。そして、燃料電池スタック２２による発電が開始される。
【００４２】
図３は、温度センサ４２によって検出されたスタック温度Ｔ（Ａ）および冷媒流量Ｍ（Ａ）の第１実施形態における時間的変化と、冷媒の加熱制御および流量制御を行わない場合であるスタック温度Ｔ（Ｂ）および冷媒流量Ｍ（Ｂ）の図７に示す従来技術における時間的変化とを比較したものである。また、図４は、暖機運転の開始時におけるスタック温度Ｔ（Ａ）が図３の場合よりも高いときの比較結果である。この場合、第１実施形態では、暖機運転を開始してから時間ｔ１（ｔ２）で所望の動作温度Ｔ０に到達しているの対して、従来技術では所望の動作温度Ｔ０に到達するまでにかなりの時間ｔ１′（ｔ２′）（ｔ１≪ｔ１′、ｔ２≪ｔ２′）を要している。
【００４３】
このように、第１実施形態の燃料電池システム２０では、燃焼器３６に対してエアＡｉｒを供給するコンプレッサ４０や、冷媒を循環させるポンプ２８に過負荷が掛からない範囲で冷媒が効率的に加熱されるため、燃料電池スタック２２の暖機運転を速やかに終了させることができる。
【００４４】
図５は、第２実施形態の燃料電池システム６０を示す。なお、図１に示す第１実施形態の燃料電池システム２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
循環路２４には、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、低温時において冷媒を加熱する電気ヒータ６２と、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、冷媒の導電率を検出する導電率センサ６４（導電率検出部）と、燃料電池スタック２２の出口側に配設され、冷媒の温度を検出する温度センサ６６とが接続される。
【００４６】
冷媒供給制御部６８（制御部）は、バルブ３２を制御するバルブ制御部４８を制御するとともに、ポンプ負荷センサ５４、導電率センサ６４および温度センサ６６による検出値に基づき、ポンプ制御部４６およびヒータ制御部７０を制御する。
【００４７】
次に、第２実施形態の燃料電池システム６０の燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱する暖機運転時の動作について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４８】
先ず、冷媒供給制御部６８は、温度センサ６６によって検出している冷媒の温度を燃料電池スタック２２のスタック温度と見なし、このスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定する（ステップＳ２１）。燃料電池システム６０の環境温度が高く、あるいは、燃料電池スタック２２が既に動作温度以上となっている場合、暖機運転を終了し、燃料電池スタック２２による発電を開始する。
【００４９】
一方、燃料電池システム６０の環境温度が低く、スタック温度が燃料電池スタック２２の動作温度よりも低い場合、冷媒供給制御部６８は、バルブ制御部４８を制御してバルブ３２を開き、循環路２４をバイパス路３４を経由する経路に設定する。そして、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御して、電気ヒータ６２を始動モード初期値で駆動するとともに、ポンプ制御部４６を制御して、ポンプ２８を始動モード初期値で回転させる（ステップＳ２２）。
【００５０】
次いで、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御し、電気ヒータ６２による発熱量を増加させる（ステップＳ２３）。また、冷媒供給制御部６８は、導電率センサ６４により検出した冷媒の導電率を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ２４）。なお、冷媒の導電率は、図８に示すように、冷媒の温度に依存して変動する物理量であるため、冷媒温度に代えて冷媒の流動性や冷媒の状態を検知することができる。
【００５１】
導電率が規定値を超過していると判定された場合、ポンプ負荷センサ５４によって検出されたポンプ２８の負荷を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ２５）。比較の結果、規定値以下と判定された場合には、ポンプ２８の回転に余裕があるため、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８の回転数を増加させる（ステップＳ２６）。
【００５２】
また、ステップＳ２５において、ポンプ２８の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御して電気ヒータ６２による発熱量を減少させる（ステップＳ２７）。この結果、冷媒の加熱が抑制される。
【００５３】
次いで、冷媒供給制御部６８は、温度センサ６６によって検出しているスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定し（ステップＳ２８）、動作温度以上となっている場合には、電気ヒータ６２の駆動を停止させる（ステップＳ２９）。この結果、冷媒の加熱が停止され、暖機運転が終了する。そして、燃料電池スタック２２による発電が開始可能な状態となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換媒体を燃料電池に供給するポンプの負荷を検出し、許容範囲内の負荷でポンプを制御して流量を増加させるとともに、前記熱交換媒体を許容範囲内の温度で加熱して燃料電池に供給することにより、燃料電池を所望の動作温度まで効率的に加熱することができる。従って、特に低温時において、燃料電池を迅速に動作開始させることができる。また、熱交換媒体を循環させるポンプが過負荷状態になることがなく、安価で長寿命化を容易に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの暖機運転のフローチャートである。
【図３】第１実施形態における暖機運転でのスタック温度の時間的変化を従来技術と比較した説明図である。
【図４】暖機運転開始時の温度が図３の場合よりも高い場合におけるスタック温度の時間的変化を従来技術と比較した説明図である。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図６】第２実施形態における燃料電池システムの暖機運転のフローチャートである。
【図７】従来技術の燃料電池システムの構成図である。
【図８】不凍液の温度と導電率との関係説明図である。
【図９】不凍液の温度と粘性係数との関係説明図である。
【符号の説明】
２０、６０…燃料電池システム２２…燃料電池スタック
２４…循環路２６…ラジエータ
２８…ポンプ３０…熱交換器
３２、３８…バルブ３４…バイパス路
３６…燃焼器４０…コンプレッサ
４２、４４、６６…温度センサ４６…ポンプ制御部
４８、５０…バルブ制御部５２…コンプレッサ制御部
５４…ポンプ負荷センサ５６…コンプレッサ負荷センサ
５８、６８…冷媒供給制御部６２…電気ヒータ
６４…導電率センサ７０…ヒータ制御部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas, and a control method thereof, and more particularly, to quickly heat a fuel cell to a desired operating temperature at a low temperature to shorten startup. The present invention relates to a fuel cell system that can be performed in a short time and a control method thereof.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane (electrolyte) and an electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) are sandwiched between separators. It is configured. This type of fuel cell is generally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators are stacked in order to extract a desired voltage.
[0003]
In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen is supplied to an anode electrode, while an oxidizing gas such as air containing oxygen is supplied to a cathode electrode, and these gases are electrochemically reacted to supply electricity. Energy is obtained. In this case, if water generated during the reaction is condensed in the passage of the fuel gas or the oxidizing gas, a desired amount of gas is not supplied to the fuel cell, and the power generation efficiency is reduced. Further, when the system including the fuel cell is stopped in a state where water remains in the passage, if the temperature drops below the freezing point, the remaining water freezes and closes the passage, so that the fuel cell startup itself is stopped. Becomes difficult.
[0004]
Therefore, for example, a related art in which a system including a fuel cell is configured as shown in FIG. 7 has been proposed (see Patent Document 1). In this prior art, a temperature adjustment circuit 4 for circulating an antifreeze as a heat exchange medium for adjusting the temperature of the fuel cell stack 2 is provided to the fuel cell stack 2 to which the hydrogen gas H ₂ and the air Air are supplied. Connected.
[0005]
The temperature adjustment circuit 4 has a pump 6 for circulating the antifreeze. The antifreeze is supplied to the heat exchanger 10 having the combustor 8 by the pump 6, heated by the heat obtained by burning the hydrogen gas H ₂ and the air Air in the combustor 8, and then supplied to the fuel cell stack 2. Is done. In the fuel cell stack 2, the water remaining in the passage is thawed by the heated antifreeze, and the fuel cell stack 2 is heated to a desired operating temperature, so that power generation is possible.
[0006]
At the time of starting the system for heating the fuel cell stack 2 to a desired operating temperature (for example, about 80 ° C. in a polymer electrolyte fuel cell), the antifreeze supplied to the fuel cell stack 2 flows through the bypass passage 12. Circulated through. On the other hand, when the power generation by the fuel cell stack 2 is started after the fuel cell stack 2 is heated to the desired operating temperature, the temperature of the fuel cell stack 2 rises due to the heat generated by the power generation. By closing the valve 14, stopping the heating by the heat exchanger 10, and circulating the antifreeze through the radiator 16, control is performed to maintain the fuel cell stack 2 at a predetermined operating temperature.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2000-164233 A (FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above prior art, since the temperature control of the antifreeze is not performed when the fuel cell stack 2 is heated, for example, the amount of the hydrogen supplied to the combustor 8 is changed with respect to the supply amount of the antifreeze to the heat exchanger 10. When the supply amount of the gas H ₂ and air air is too large, there is a possibility that the temperature of the antifreeze will be excessively increased by the heat generated in the combustor 8.
[0009]
When the antifreeze reaches a certain temperature or higher, it is thermally decomposed to generate ions and the conductivity increases, so that when a part of the generated current flows to the antifreeze, the available power may decrease. is there. FIG. 8 shows the relationship between the antifreeze temperature T1, T2, and T3 (T1 <T2 <T3) and the electrical conductivity. When the antifreeze is heated to the temperature T3, the electrical conductivity increases as the heating time elapses. A tendency to appear.
[0010]
In order to avoid such a problem, for example, it is conceivable to dispose an ion exchange resin in the passage of the antifreeze and adsorb and separate generated ions by the ion exchange resin to avoid an increase in the conductivity of the antifreeze. Can be However, due to the life of the ion exchange resin, periodic maintenance is required, and there is a problem that the cost increases.
[0011]
On the other hand, the combustor 8 in advance limit the supply amount of the hydrogen gas H ₂ and air Air for, it is also possible to antifreeze is not excessively heated. However, if the supply amount of the reaction gas is limited, the time required for heating the antifreeze solution becomes long, and thus a problem occurs that it takes a long time for the fuel cell stack 2 to reach a desired operating temperature.
[0012]
In addition, by setting the amount of antifreeze supplied to the fuel cell stack 2 to be large, it is possible to avoid excessive heating of the antifreeze and quickly heat the fuel cell stack 2 to a desired operating temperature. However, as shown in FIG. 9, the antifreeze has a characteristic that the viscosity coefficient is significantly increased when the temperature is lowered as compared with the case of water indicated by a dotted line. To supply the fuel to the fuel cell stack 2, an excessive load is applied to the pump 6. Therefore, there is a problem that the life of the pump 6 is shortened. In order to operate the pump 6 with an excessive load, a large amount of power consumption is required. In particular, when such a fuel cell stack 2 is mounted on an automobile, the warm-up operation is performed using the electric power stored in the battery. May not be performed sufficiently.
[0013]
The present invention has been made in order to solve these problems, and it is possible to efficiently heat a fuel cell to a desired operating temperature at a low temperature, and to easily achieve low cost and long life. And a control method thereof.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention according to claim 1 provides a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
A circulation path through which a heat exchange medium for adjusting the temperature of the fuel cell circulates;
A pump disposed in the circulation path to circulate the heat exchange medium;
A heating unit that is disposed in the circulation path and heats the heat exchange medium;
A temperature detector for detecting the temperature of the heat exchange medium,
A load detection unit that detects a load of the pump,
The temperature is set to a range equal to or less than a specified value, and the heating unit is controlled to heat the heat exchange medium, while the load is set to a range equal to or less than a specified value, and the pump is controlled to increase the flow rate of the heat exchange medium. A control unit for causing
It is characterized by having.
[0015]
According to the first aspect of the present invention, particularly at a low temperature, the load of the pump is detected by the load detecting unit, the pump is controlled so that the load is within a specified range, the flow rate of the heat exchange medium is increased, The fuel is supplied to the fuel cell via the heating unit. On the other hand, the temperature of the heat exchange medium is detected by the temperature detection unit, and the temperature of the heat exchange medium is controlled so that the temperature is within a specified range. In this case, a sufficiently heated and sufficient amount of the heat exchange medium is supplied to the fuel cell in a range where the pump is not overloaded and in a range where the heat exchange medium is not excessively heated, and the fuel cell is efficiently operated. To be operable.
[0016]
The present invention according to claim 2 provides a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
A circulation path through which a heat exchange medium for adjusting the temperature of the fuel cell circulates;
A pump disposed in the circulation path to circulate the heat exchange medium;
A heating unit that is disposed in the circulation path and heats the heat exchange medium;
A conductivity detector for detecting the conductivity of the heat exchange medium,
A load detection unit that detects a load of the pump,
The conductivity is set to a range equal to or less than a specified value, and the heating unit is controlled to heat the heat exchange medium.On the other hand, the load is set to a range equal to or less than a specified value, and the flow rate of the heat exchange medium is controlled by controlling the pump. A control unit to increase;
It is characterized by having.
[0017]
According to the second aspect of the present invention, a conductivity detector is used in place of the temperature detector in claim 1, the conductivity of the heat exchange medium is detected by the conductivity detector, and the conductivity is set to a range equal to or less than a specified value. Control the heating section. In this case, it is determined whether or not the heat exchange medium is excessively heated based on the detected electric conductivity, the heating unit is controlled based on the electric conductivity, and the heat exchange medium is sufficiently heated and supplied to the fuel cell. Can be.
[0018]
The present invention according to claim 3 provides a system according to claim 1 or 2,
The heating unit has a combustor that heats the heat exchange medium by burning the fuel gas and the oxidizing gas.
[0019]
According to the third aspect of the present invention, the heat exchange medium can be heated using the reaction gas supplied to the fuel cell.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in the system according to the first or second aspect,
The heating unit includes an electric heater that heats the heat exchange medium.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a control method of a fuel cell system for adjusting a temperature by circulating a heat exchange medium with respect to a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
Detecting the temperature of the heat exchange medium;
Detecting a load on a pump that supplies the heat exchange medium to the fuel cell;
Heating the heat exchange medium at a temperature equal to or less than a specified value,
Increasing the flow rate of the heat exchange medium by controlling the pump so that the load is in a range equal to or less than a specified value;
It is characterized by comprising.
[0022]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a control method of a fuel cell system for controlling a temperature by circulating a heat exchange medium with respect to a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
Detecting the conductivity of the heat exchange medium;
Detecting a load on a pump that supplies the heat exchange medium to the fuel cell;
Heating the heat exchange medium with the electric conductivity in a range equal to or less than a specified value,
The load is in a range equal to or less than a specified value, and increasing the flow rate of the heat exchange medium by controlling the pump,
It is characterized by comprising.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a fuel cell system 20 according to the first embodiment. In FIG. 1, a line indicated by a double line represents a fluid passage, and a line indicated by a single line represents an electric signal line.
[0024]
The fuel cell system 20, hydrogen gas between H ₂ and air Air is an oxidant gas is a fuel gas including a fuel cell stack 22 to generate a load current to be supplied. The fuel cell stack 22 cools the fuel cell stack 22 heated by the heat generated by the reaction between the hydrogen gas H ₂ and the air Air, while heating the fuel cell stack 22 to a desired operating temperature at a low temperature. A circulation path 24 through which the refrigerant (heat exchange medium) circulates is connected.
[0025]
In the circulation path 24, a radiator 26 disposed on the outlet side of the fuel cell stack 22 for cooling the refrigerant heated in the fuel cell stack 22, a pump 28 for circulating the refrigerant, and a radiator 26 on the inlet side of the fuel cell stack 22. A heat exchanger 30 that is provided and heats the refrigerant at a low temperature is connected. The radiator 26 has a valve 32 and is connected in parallel to a bypass 34 for bypassing the refrigerant at a low temperature.
[0026]
The heat exchanger 30 is integrally provided with a combustor 36 (heating unit). The combustor 36 mixes and burns a predetermined amount of hydrogen gas H ₂ supplied via a valve 38 and a predetermined amount of air Air supplied by a compressor 40, and heats the heat exchanger 30 by reaction heat. Heats the refrigerant through. The hydrogen gas H ₂ and the air Air supplied to the combustor 36 can be diverted from the hydrogen gas H ₂ and the air Air supplied to the fuel cell stack 22.
[0027]
A temperature sensor 42 for detecting a stack temperature is connected to the fuel cell stack 22. Further, a temperature sensor 44 (temperature detecting unit) for detecting a refrigerant temperature is connected to the refrigerant inlet side of the fuel cell stack 22 in the circulation path 24.
[0028]
The rotation speed of the pump 28 is controlled by a pump control unit 46, the opening and closing of the valve 32 is controlled by a valve control unit 48, the opening of the valve 38 is controlled by a valve control unit 50, and the compressor 40 is controlled by a compressor control unit. The rotation speed is controlled by 52. The pump control unit 46, the valve control units 48 and 50, and the compressor control unit 52 are controlled by a refrigerant supply control unit 58 (control unit).
[0029]
The load of the pump 28 is detected by a pump load sensor 54 (load detection unit) as a current value supplied from the pump control unit 46 to the pump 28 or a rotational torque of the pump 28, and the detected value is used as a refrigerant supply control unit. 58. The load of the compressor 40 is detected by the compressor load sensor 56 as a current value supplied from the compressor control unit 52 to the compressor 40 or a rotational torque of the compressor 40, and the detected value is supplied to the refrigerant supply control unit 58. Further, the stack temperature detected by the temperature sensor 42 and the refrigerant temperature detected by the temperature sensor 44 are supplied to the refrigerant supply control unit 58.
[0030]
The fuel cell system 20 according to the first embodiment is basically configured as described above. Next, an operation during a warm-up operation for heating the fuel cell stack 22 to a desired operating temperature will be described. This will be described based on the flowchart shown in FIG.
[0031]
First, the refrigerant supply control unit 58 determines whether or not the stack temperature detected by the temperature sensor 42 has reached a desired operating temperature (a temperature at which the fuel cell stack 22 can operate in an optimal state) (Step S1). When the environmental temperature of the fuel cell system 20 is high, or when the fuel cell stack 22 is already at or above the operating temperature, the warm-up operation is terminated and power generation by the fuel cell stack 22 is started. Since the heat exchange efficiency between the fuel cell stack 22 and the refrigerant is extremely high, the temperature sensor 42 may be provided on the outlet side of the refrigerant from the fuel cell stack 22 to detect the temperature of the refrigerant as the stack temperature. .
[0032]
Power generation by the fuel cell stack 22 is performed by supplying hydrogen gas H ₂ and air Air corresponding to a desired power generation amount to the fuel cell stack 22. In this case, the heat generated by the power generation is discharged outside by the refrigerant circulating in the circulation path 24. That is, the refrigerant supply control unit 58 controls the valve control units 48 and 50 to close the valves 32 and 38, and controls the compressor control unit 52 to stop the rotation of the compressor 40, so that the bypass passage 34 At the same time, the heating of the refrigerant by the combustor 36 is stopped. In this state, the refrigerant is circulated by controlling the pump control unit 46 to rotate the pump 28, and the heat generated in the fuel cell stack 22 is discharged from the radiator 26 to the outside via the refrigerant.
[0033]
On the other hand, when the environmental temperature of the fuel cell system 20 is low and the stack temperature is lower than the operating temperature of the fuel cell stack 22, the refrigerant supply control unit 58 controls the valve control unit 48 to open the valve 32 and Is set as a path passing through the bypass path 34.
[0034]
Then, the refrigerant supply control unit 58 controls the compressor control unit 52 to rotate the compressor 40 at the start mode initial value, and controls the valve control unit 50 to set the valve 38 according to the rotation speed of the compressor 40. Open only the opening. Further, the refrigerant supply control unit 58 controls the pump control unit 46 to rotate the pump 28 at the initial value of the start mode (step S2). In this case, the initial value of the start mode is set to a value that minimizes the load applied to the compressor 40 and the pump 28. Therefore, for example, even when the environmental temperature of the fuel cell system 20 is below freezing and the water is frozen in the combustor 36 and the air Air cannot be sufficiently supplied to the combustor 36, the compressor 40 is overloaded. It is not. Similarly, since the temperature of the refrigerant is low, the viscosity coefficient of the refrigerant in the circulation path 24 is large (see FIG. 9), and even if the flow resistance is large, there is no possibility that the pump 28 will be overloaded.
[0035]
The combustor 36 burns the air Air supplied by the compressor 40 and the hydrogen gas H ₂ supplied at a controlled flow rate by the valve 38 on the catalyst. The temperature of the reaction heat in the combustor 36 is determined by the mixing ratio of air Air and hydrogen gas H _2. When the flow rate of the hydrogen gas H ₂ to air Air flow is large, the temperature of the heat of reaction is high. Usually, the molar flow ratio of the air Air / hydrogen gas _{H 2} is in the range of 11 to 17, the temperature of the reaction heat is set to be about 500 to 700 ° C..
[0036]
The refrigerant supplied by the pump 28 is heated by the heat generated in the combustor 36 in the heat exchanger 30, and then supplied to the fuel cell stack 22 to heat the fuel cell stack 22.
[0037]
The compressor load sensor 56 detects a load based on the current value supplied from the compressor control unit 52 to the compressor 40 or the rotational torque of the compressor 40, and supplies the load to the refrigerant supply control unit 58. The refrigerant supply control unit 58 compares the detected load of the compressor 40 with a specified value that is the upper limit of the allowable value (step S3), and when it is determined that the load is equal to or less than the specified value, controls the compressor control unit 52 to control the compressor. The number of rotations of 40 is increased (step S4). Further, the opening degree of the valve 38 according to the increased rotation speed of the compressor 40 is calculated (step S5), and the valve control unit 50 is controlled to increase the opening degree of the valve 38 (step S6). As a result, air Air and hydrogen gas H ₂ to the combustor 36 while holding the load of the compressor 40 below the specified value is supplied, the refrigerant is heated by the reaction heat.
[0038]
When it is determined in step S3 that the load on the compressor 40 exceeds the specified value, the refrigerant supply control unit 58 controls the valve control unit 50 to reduce the opening of the valve 38 (step S3). S7) The compressor controller 52 is controlled to reduce the rotation speed of the compressor 40 (step S8). As a result, the load on the compressor 40 is maintained at or below the specified value.
[0039]
On the other hand, the temperature sensor 44 detects the temperature of the refrigerant supplied to the fuel cell stack 22. The refrigerant supply control unit 58 compares the detected temperature of the refrigerant with a specified temperature (specified value), which is the upper limit of the allowable value (step S9), and when it is determined that the temperature exceeds the specified temperature, the pump load sensor The load of the pump 28 detected by 54 is compared with a specified value which is the upper limit of the allowable value (step S10). As a result of the comparison, when it is determined that the value is equal to or less than the specified value, the pump 28 has a margin for rotation, and the pump control unit 46 is controlled to increase the rotation speed of the pump 28 (step S11). The heating of the refrigerant in the heat exchanger 30 is suppressed by increasing the rotation speed of the pump 28 to increase the flow rate of the refrigerant.
[0040]
When it is determined in step S10 that the load of the pump 28 exceeds the specified value, the refrigerant supply control unit 58 controls the valve control unit 50 to reduce the opening of the valve 38 (step S10). S12) The compressor control section 52 is controlled to reduce the rotation speed of the compressor 40 (step S13). As a result, the temperature of the reaction heat generated in the combustor 36 decreases, and the heating of the refrigerant is suppressed.
[0041]
Next, the refrigerant supply control unit 58 determines whether or not the stack temperature detected by the temperature sensor 42 has reached a desired operating temperature (step S14). The rotation of 40 is stopped, and the valve 38 is closed (step S15). As a result, the heating of the refrigerant is stopped, and the warm-up operation ends. Then, power generation by the fuel cell stack 22 is started.
[0042]
FIG. 3 shows a temporal change in the stack temperature T (A) and the refrigerant flow rate M (A) detected by the temperature sensor 42 in the first embodiment, and a stack temperature in a case where the heating control and the flow rate control of the refrigerant are not performed. FIG. 8 is a graph comparing the change of T (B) and the flow rate of refrigerant M (B) with time in the related art shown in FIG. 7. FIG. 4 shows a comparison result when the stack temperature T (A) at the start of the warm-up operation is higher than that in the case of FIG. In this case, in the first embodiment, the desired operating temperature T0 is reached at time t1 (t2) from the start of the warm-up operation, whereas in the related art, the desired operating temperature T0 is reached. It takes a considerable time t1 '(t2') (t1 t1 ', t2 t2').
[0043]
As described above, in the fuel cell system 20 of the first embodiment, the refrigerant is efficiently heated within a range in which the compressor 40 that supplies the air Air to the combustor 36 and the pump 28 that circulates the refrigerant are not overloaded. Therefore, the warm-up operation of the fuel cell stack 22 can be quickly terminated.
[0044]
FIG. 5 shows a fuel cell system 60 according to the second embodiment. The same components as those of the fuel cell system 20 according to the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0045]
An electric heater 62 disposed on the inlet side of the fuel cell stack 22 and heating the refrigerant at a low temperature in the circulation path 24, and a conductive heater disposed on the inlet side of the fuel cell stack 22 and detecting the conductivity of the refrigerant A rate sensor 64 (conductivity detector) and a temperature sensor 66 disposed on the outlet side of the fuel cell stack 22 and detecting the temperature of the refrigerant are connected.
[0046]
The refrigerant supply control unit 68 (control unit) controls the valve control unit 48 that controls the valve 32, and also controls the pump control unit 46 and the heater based on the detection values of the pump load sensor 54, the conductivity sensor 64, and the temperature sensor 66. The controller 70 is controlled.
[0047]
Next, an operation during a warm-up operation of heating the fuel cell stack 22 of the fuel cell system 60 of the second embodiment to a desired operating temperature will be described with reference to a flowchart shown in FIG.
[0048]
First, the refrigerant supply control unit 68 regards the temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor 66 as the stack temperature of the fuel cell stack 22 and determines whether or not this stack temperature has reached a desired operating temperature (step). S21). If the environmental temperature of the fuel cell system 60 is high, or if the fuel cell stack 22 is already at or above the operating temperature, the warm-up operation is terminated and power generation by the fuel cell stack 22 is started.
[0049]
On the other hand, when the environmental temperature of the fuel cell system 60 is low and the stack temperature is lower than the operating temperature of the fuel cell stack 22, the refrigerant supply control unit 68 controls the valve control unit 48 to open the valve 32 and Is set as a path passing through the bypass path 34. Then, the refrigerant supply control unit 68 controls the heater control unit 70 to drive the electric heater 62 at the start mode initial value, and controls the pump control unit 46 to rotate the pump 28 at the start mode initial value. (Step S22).
[0050]
Next, the refrigerant supply controller 68 controls the heater controller 70 to increase the amount of heat generated by the electric heater 62 (Step S23). Further, the coolant supply control unit 68 compares the conductivity of the coolant detected by the conductivity sensor 64 with a specified value that is the upper limit of the allowable value (Step S24). As shown in FIG. 8, the conductivity of the refrigerant is a physical quantity that varies depending on the temperature of the refrigerant, so that the fluidity of the refrigerant and the state of the refrigerant can be detected instead of the refrigerant temperature.
[0051]
When it is determined that the conductivity exceeds the specified value, the load of the pump 28 detected by the pump load sensor 54 is compared with a specified value which is the upper limit of the allowable value (step S25). As a result of the comparison, if it is determined that the value is equal to or less than the specified value, the pump 28 has a margin for rotation, and thus the pump control unit 46 is controlled to increase the rotation speed of the pump 28 (step S26).
[0052]
If it is determined in step S25 that the load on the pump 28 exceeds the specified value, the refrigerant supply control unit 68 controls the heater control unit 70 to reduce the amount of heat generated by the electric heater 62 (step S25). S27). As a result, heating of the refrigerant is suppressed.
[0053]
Next, the refrigerant supply control unit 68 determines whether or not the stack temperature detected by the temperature sensor 66 has reached a desired operating temperature (step S28). The driving of the heater 62 is stopped (step S29). As a result, the heating of the refrigerant is stopped, and the warm-up operation ends. Then, the power generation by the fuel cell stack 22 can be started.
[0054]
【The invention's effect】
According to the present invention, the load of the pump that supplies the heat exchange medium to the fuel cell is detected, the flow rate is increased by controlling the pump with the load within the allowable range, and the heat exchange medium is controlled at a temperature within the allowable range. By heating and supplying the fuel cell to the fuel cell, the fuel cell can be efficiently heated to a desired operating temperature. Therefore, the operation of the fuel cell can be quickly started especially at a low temperature. Further, the pump for circulating the heat exchange medium does not become overloaded, so that it is possible to easily achieve a low cost and a long life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart of a warm-up operation of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram in which a temporal change of a stack temperature in a warm-up operation in the first embodiment is compared with a conventional technology.
FIG. 4 is an explanatory diagram in which the change over time of the stack temperature when the temperature at the start of the warm-up operation is higher than that in FIG.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 6 is a flowchart of a warm-up operation of the fuel cell system according to the second embodiment.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional fuel cell system.
FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the temperature of the antifreeze and the conductivity.
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the temperature of the antifreeze and the viscosity coefficient.
[Explanation of symbols]
Reference numerals 20, 60: fuel cell system 22: fuel cell stack 24: circulation path 26: radiator 28: pump 30: heat exchanger 32, 38 ... valve 34: bypass path 36: combustor 40: compressors 42, 44, 66: temperature Sensor 46 Pump control units 48 and 50 Valve control unit 52 Compressor control unit 54 Pump load sensor 56 Compressor load sensors 58 and 68 Refrigerant supply control unit 62 Electric heater 64 Conductivity sensor 70 Heater control unit

Claims

A fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas;
A circulation path through which a heat exchange medium for adjusting the temperature of the fuel cell circulates;
A pump disposed in the circulation path to circulate the heat exchange medium;
A heating unit that is disposed in the circulation path and heats the heat exchange medium;
A temperature detector for detecting the temperature of the heat exchange medium,
A load detection unit that detects a load of the pump,
The temperature is set to a range equal to or less than a specified value, and the heating unit is controlled to heat the heat exchange medium, while the load is set to a range equal to or less than a specified value, and the pump is controlled to increase the flow rate of the heat exchange medium. A control unit for causing
A fuel cell system comprising:

A fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas;
A circulation path through which a heat exchange medium for adjusting the temperature of the fuel cell circulates;
A pump disposed in the circulation path to circulate the heat exchange medium;
A heating unit that is disposed in the circulation path and heats the heat exchange medium;
A conductivity detector for detecting the conductivity of the heat exchange medium,
A load detection unit that detects a load of the pump,
The conductivity is set to a range equal to or less than a specified value, and the heating unit is controlled to heat the heat exchange medium.On the other hand, the load is set to a range equal to or less than a specified value, and the flow rate of the heat exchange medium is controlled by controlling the pump. A control unit to increase;
A fuel cell system comprising:

The system according to claim 1 or 2,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the heating unit includes a combustor that heats the heat exchange medium by burning the fuel gas and the oxidizing gas.

The system according to claim 1 or 2,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the heating unit includes an electric heater for heating the heat exchange medium.

For a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas, a method of controlling a fuel cell system that performs temperature adjustment by circulating a heat exchange medium,
Detecting the temperature of the heat exchange medium;
Detecting a load on a pump that supplies the heat exchange medium to the fuel cell;
Heating the heat exchange medium at a temperature equal to or less than a specified value,
The load is in a range equal to or less than a specified value, and increasing the flow rate of the heat exchange medium by controlling the pump,
A method for controlling a fuel cell system, comprising:

For a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas, a method of controlling a fuel cell system that performs temperature adjustment by circulating a heat exchange medium,
Detecting the conductivity of the heat exchange medium;
Detecting a load on a pump that supplies the heat exchange medium to the fuel cell;
Heating the heat exchange medium with the electric conductivity in a range equal to or less than a specified value,
The load is in a range equal to or less than a specified value, and increasing the flow rate of the heat exchange medium by controlling the pump,
A method for controlling a fuel cell system, comprising: