JP2005129449A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムの燃料電池暖機に関するものであり、特に氷点下起動時に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell warm-up of a fuel cell system, and particularly relates to a time of starting below freezing point.
従来、ヒータによって冷媒を加熱し、その加熱した冷媒を燃料電池へ供給し、燃料電池と燃熱交換を行い、暖機するものが、特許文献1に開示されている。
しかし、上記の発明では、冷媒の温度に関わらず燃料電池へ冷媒を流しているので、氷点下起動時には氷点下の冷媒が燃料電池へ流れ、燃料電池の発電によって生じた熱を冷媒によって奪ってしまい、燃料電池の暖機を妨げるといった問題点がある。また、燃料電池の発電により生成された水を凍結してしまい、その氷によってカソードを閉塞し、燃料電池の起動を阻害してしまうといった問題がある。 However, in the above invention, the refrigerant is flowing to the fuel cell regardless of the temperature of the refrigerant. There is a problem of preventing the fuel cell from warming up. In addition, there is a problem that water generated by power generation of the fuel cell is frozen, the cathode is blocked by the ice, and activation of the fuel cell is hindered.
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、冷媒の温度を検出し、その温度に応じて冷媒の流量を制御し、燃料電池の発電を阻害せずに速やかに燃料電池を起動させることを目的とする。 The present invention has been invented to solve such problems. The temperature of the refrigerant is detected, the flow rate of the refrigerant is controlled according to the temperature, and the fuel can be quickly generated without inhibiting the power generation of the fuel cell. The purpose is to start the battery.
本発明では、燃料電池と熱交換可能な冷媒が流れる循環回路と、冷媒を冷却する冷却手段と、冷媒を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、冷媒の循環流量を制御する流量制御手段と、冷媒温度を検出する温度検出手段を備える。また、燃料電池の下流の冷媒温度に基づいて、冷媒の循環流量と冷媒の加熱量の少なくともどちらか一方を制御し、燃料電池の上流の冷媒温度が目標値となるように制御する冷媒温度制御手段を備える。 According to the present invention, in a fuel cell system including a circulation circuit through which a refrigerant that can exchange heat with the fuel cell flows, a cooling unit that cools the refrigerant, and a heating unit that heats the refrigerant, a flow rate for controlling the circulation flow rate of the refrigerant Control means and temperature detection means for detecting the refrigerant temperature are provided. Further, based on the refrigerant temperature downstream of the fuel cell, the refrigerant temperature control that controls at least one of the refrigerant circulation flow rate and the refrigerant heating amount so that the refrigerant temperature upstream of the fuel cell becomes a target value. Means.
本発明によると、例えば氷点下起動時に冷媒の循環流量を少なくし、加熱手段によって冷媒を素早く加熱することができ、燃料電池の上流の冷媒温度を素早く温めることができる。これにより、一度発電を開始した燃料電池を再び氷点下以下にすることがなく、低温状態でも燃料電池の発電を継続することができる。 According to the present invention, for example, at the time of starting below freezing point, the circulation flow rate of the refrigerant can be reduced, the refrigerant can be quickly heated by the heating means, and the refrigerant temperature upstream of the fuel cell can be quickly warmed. As a result, the power generation of the fuel cell can be continued even in a low temperature state without causing the fuel cell that has once started power generation to fall below the freezing point again.
本発明の第1実施形態の構成を図1のブロック図を用いて説明する。 The configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG.
第1実施形態では、燃料電池1と、燃料電池1に水素を供給する水素タンク3と、酸素を含んだ空気を供給するコンプレッサ2を備える。水素タンク2は水素配管20によって図示しない燃料電池1のアノードと接続しており、アノードに水素を供給する。コンプレッサ3は空気配管21によって図示しない燃料電池1のカソードと接続しており、カソードに酸素を含んだ空気を供給する。燃料電池1は水素と空気中の酸素によって発電を行う。水素配管20と空気配管21の途中にそれぞれ三方弁20aと20bを備え、三方弁20aと20bによって燃料電池1へ供給する水素と空気の流量を制御する。また、三方弁20a、20bは後述する水素燃焼器8と接続する配管22、23と接続してる。
In the first embodiment, a
また、燃料電池1の温度調整を調整するために燃料電池1と冷却手段としてのラジエータ4と、加熱手段としての熱交換器9との間で冷媒が循環する循環回路である冷媒配管5と、冷媒配管5を循環する冷媒を送り出し、かつその流量を制御する冷媒ポンプ7を備える。
Further, in order to adjust the temperature adjustment of the
冷媒配管5は分岐部50で、ラジエータ4を途中に介装する冷却配管5aと、熱交換器9を途中に介装する加熱配管5bとに分岐する。分岐した冷却配管5aと加熱配管5bは三方弁6を介して合流し、再び一つの冷媒配管5となり燃料電池1へ接続する。また、冷媒配管5には冷媒を蓄える冷媒タンク13が接続し、冷媒ポンプ7を冷媒タンク13と分岐部50の間に設ける。燃料電池1の下流の冷媒配管5には温度検出手段である温度センサ10を備える。三方弁6を切り換えることより冷媒は、冷却配管5aと加熱配管5bへ流れる流量を調整することができる。
The
ラジエータ4で外気との熱交換で冷媒を冷却する。 The refrigerant is cooled by heat exchange with the outside air by the radiator 4.
熱交換器9は水素燃焼器8からの熱を受け、冷媒を加熱する。水素燃焼器8には、水素タンク3から三方弁20aを介して配管22を通り、水素が供給され、また、コンプレッサ2から三方弁20bを介して配管23を通り、空気が供給される。そして、水素を空気中の酸素によって燃焼させて燃焼ガスを発生させる。水素と空気はそれぞれ三方弁20a、20bによって流量を調整される。なお、水素燃焼器8は燃焼触媒を用いた燃焼器である。水素燃焼器8で発生した燃焼ガスは熱交換器9に送られ、熱交換器9で加熱配管5b中の冷媒と熱交換を行い、冷媒を加熱する。熱交換を行い冷却された燃焼ガスが外部へ放出される。
The heat exchanger 9 receives heat from the
また、三方弁6などの流量制御弁、水素燃焼器8などを制御し、燃料電池1の温度を制御するコントローラ30を備える。
Further, a
次に燃料電池システムの起動時におけるコントローラ30の制御について図2のフローチャートを用いて説明する。
Next, the control of the
まず、燃料電池システムを起動する際には、ステップS20において、冷媒ポンプ7を起動する。冷媒ポンプ7によって冷媒配管5を流れる冷媒の流量は、冷媒ポンプ7が流すことのできる最小流量とする。このとき全冷媒が加熱配管5bへ流れるように三方弁6は制御されている。
First, when starting the fuel cell system, the
ステップS21において、燃料電池1の下流に設けた温度センサ10によって燃料電池1の出口での冷媒温度T2を検出し、検出した温度T2が氷点よりも高いかどうか判断する。冷媒は燃料電池1と非常に効率良く熱交換を行うので、燃料電池1の下流の冷媒温度は、燃料電池1の温度とみなすことができる。冷媒の温度が氷点下ではないときには、燃料電池1内の温度も氷点下ではないと判断し、燃料電池1の暖機を行わない。氷点下のときには、ステップS22へ進む。ステップS22以降では、氷点下起動時における燃料電池1の暖機について説明する。
In step S21, the
ステップS22では、図示しないヒータなどによって燃焼触媒を用いた燃焼器8を水素が着火可能な温度になるまで温める。
In step S22, the
水素を着火可能な温度まで暖機すると、ステップS23において、三方弁20a、20bを調整し、水素タンク3とコンプレッサ2から配管22、23を通して燃焼器8への水素と空気の供給を開始する。ここで、水素と空気の流量は、燃焼器8で水素の燃焼による発熱量が単位時間に当たりに最大となる流量であり、燃焼器8で用いる触媒担体のサイズと触媒の反応温度と、熱交換器9の耐熱温度や昇温速度制限などにより予め決定されており、その流量はコントローラ30に記憶されている。
When warming up to a temperature at which hydrogen can be ignited, the three-
ステップS24では、ステップS23において決定された水素流量と空気流量で燃焼器8において燃焼を開始し、発生した燃焼ガスを熱交換器9へ送り、熱交換器9において、燃焼ガスと冷媒との間で熱交換を開始する。これにより、燃料電池1へ流れる冷媒を温める。熱交換器9において冷却された燃焼ガスは熱交換器9から外部へ排出される。
In step S24, combustion is started in the
ステップS25では、温度センサ10により燃料電池1の出口での冷媒温度T2を検出する。熱交換器9出口における冷媒温度T1を下記式(1)によって算出し、この温度T1を燃料電池入口温度とみなし、T1が目標値である氷点よりも高いかどうか判断する。氷点以上となるまで、この加熱状態を維持し、T1が氷点以上になるとステップS26へ進む。
In step S25, the
T1=Wt÷(V×γ)+T2 (1)
Wt:単位時間当たりに熱交換器9で冷媒に与えられる最大加熱量、V:冷媒流量、γ:冷媒比熱
なお、ここでのVはステップS20で設定した冷媒ポンプ7によって流すことのできる最小流量とする。
T1 = Wt ÷ (V × γ) + T2 (1)
Wt: Maximum heating amount given to the refrigerant in the heat exchanger 9 per unit time, V: Refrigerant flow rate, γ: Refrigerant specific heat, where V is the minimum flow rate that can be flowed by the
ステップS26では、三方弁20a、20bを調整して燃料電池1に水素と空気を供給し、燃料電池1で発電を開始する。燃料電池1には氷点以上の冷媒が流れ、少なくとも冷媒の入口付近では常に氷点以上となるので、冷媒の入口付近では燃料電池1の発電を持続することができる。また、この時の発電量は、氷点以上になっていない箇所において発電により生成された水が凍結しても、カソードを氷によって閉塞しない発電量である。冷媒を流すことによって入口付近から順次氷点以上になるので、凍結した場合でも冷媒の入口付近から順次解凍することができる。
In step S <b> 26, the three-
ステップS27では、温度センサ10によって燃料電池1の出口での冷媒温度T2を検出し、T2が氷点よりも高いかどうか判断する。すなわち、燃料電池1が氷点よりも高いかどうか判断する。氷点下の場合はステップS28へ進む。氷点下ではない場合は、燃料電池1の暖機が終了したと判断し、暖機制御を終了する。
In step S27, the
ステップS28では、ステップS27で検出した燃料電池1の出口での冷媒温度T2と上記した式(1)とから、水素燃焼器8による加熱量をステップS24で設定した加熱量として、式(1)を満たす冷媒の流量Vを算出し、冷媒ポンプ7によって冷媒の流量を増加する。その後ステップS27へ戻り、燃料電池1の暖機が終了するまでこの制御を繰り返す。なお、冷媒の流量Vは冷媒ポンプ7が流すことのできる最大流量まで増加させる。(ステップS25からステップS28までが冷媒温度制御手段を構成する)。
In step S28, from the refrigerant temperature T2 at the outlet of the
以上のように、燃料電池1へ流入する冷媒の温度が氷点以上となった後に、燃料電池1の発電を開始し、燃料電池1の出口の冷媒温度によって冷媒流量を調整することで燃料電池1の発電を妨げずに冷媒を流し、燃料電池1を暖機することができる。
As described above, after the temperature of the refrigerant flowing into the
この制御による燃料電池1の温度変化を図3のタイムチャートを用いて説明する。ここでは第1実施形態を用いない場合の燃料電池の入口における冷媒温度を細線で示し、第1実施形態を用いた場合の燃料電池1の入口における冷媒温度を破線で示す。また、燃料電池の出口における冷媒温度を太線で示す。なお、冷媒の加熱量は同じ加熱量とする。
The temperature change of the
氷点下起動時に第1実施形態を用いずに、流量Q(最大流量)の冷媒を燃料電池1へ流すと、燃料電池1の入口における冷媒の温度が氷点以上となるのはA点である。これに対して、第1実施形態を用い、燃料電池1へ流れる冷媒の流量を最小流量とすると、燃料電池1の入口における冷媒の温度(破線)が氷点以上となるのはB点となる。そして、燃料電池1の入口温度を氷点となるように流量を制御すると、A点において冷媒流量はQとなる。その後、第1実施形態を用いない場合と、用いる場合では同じ温度変化となる。また、燃料電池1の出口温度は第1実施形態を用いない場合と、用いる場合ではさほど変わらない。これは、加熱量を同じ加熱量とするので、燃料電池1を加熱する加熱量もほぼ同じとなるためである。これにより、燃料電池1の出口での冷却温度が氷点を超える時間は、さほど変わらないが、流量を調整することにより、第1実施形態を用いた方が、早く氷点を超える場合もある。なお、燃料電池1の出口における冷媒温度が氷点となると、通常起動に移行する。燃料電池1を素早く起動することで、燃料電池1の発電によって、ヒータなどの暖機装置を起動することができ、システム全体を素早く暖機することができる。
When a refrigerant having a flow rate Q (maximum flow rate) is allowed to flow to the
本発明の第1実施形態の効果について説明する。 The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
氷点下起動時に燃焼器8によって発生した熱で冷媒を加熱し、加熱された冷媒で燃料電池1を暖機する場合に、最初に冷媒の流量を冷媒ポンプ7の流すことのできる最小流量とするので、冷媒の温度を素早く上昇させることができ、燃料電池1へ十分に温められた冷媒を素早く供給することができ、燃料電池1を素早く起動することができる。
When the refrigerant is heated by the heat generated by the
燃料電池1の氷点下起動時に燃料電池1へ流入する冷媒の温度が氷点以上となった後に燃料電池1を起動するので、燃料電池1には氷点以上の冷媒が常に流れ、一度反応を開始した燃料電池1は、再び氷点以下になることがなく、発電を継続することができる。
Since the
燃焼器8によって発生する発熱量を一定としたときに、冷媒の温度が上昇した場合には燃料電池1に流入する冷媒の流量を増やすことで、燃料電池1には氷点以上の冷媒を多く流すことができ、燃料電池1を素早く氷点以上にすることができる。
When the amount of heat generated by the
燃料電池1を素早く発電開始することができるので、燃料電池1によって発電された電力でヒータなどを起動することができ、燃料電池システム全体を素早く暖機することができる。
Since power generation of the
次に本発明の第2実施形態の構成を図4のブロック図を用いて説明する。第2実施形態については図1と異なる部分を中心に説明する。 Next, the structure of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated using the block diagram of FIG. The second embodiment will be described with a focus on differences from FIG.
この実施形態は、冷媒を加熱する手段として水素燃焼器8と熱交換器9の換わりに電気ヒータ11を備えたもので、電気ヒータ11は加熱配管5bの途中に介装する。これにより、電気ヒータ11で温めた冷媒によって燃料電池1を暖機する。他の構成については第1実施形態と同じである。
In this embodiment, an
次にコントローラ30の制御について図5のフローチャートを用いて説明する。
Next, the control of the
ステップS50とステップS51は第1実施形態のステップS30とS31と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。 Steps S50 and S51 are the same control as steps S30 and S31 of the first embodiment, and thus description thereof is omitted here.
ステップS52では、冷媒流量を冷媒ポンプ7が流すことのできる最小流量とする。また、電気ヒータ11を起動して、冷媒の加熱を開始する。ここで、冷媒が氷点を超えるまでは、電気ヒータ11の出力は最大出力とする。
In step S52, the refrigerant flow rate is set to the minimum flow rate that the
ステップS53では温度センサ10によって燃料電池出口での冷媒温度T2を検出し、上記式(1)から燃料電池入口での冷媒温度T1を算出する。そしてT1が氷点を超えるとステップS54へ進む。ここで、Wtは単位時間当たりに電気ヒータ11で発生する加熱量とする。なお、電気ヒータ11によって発生する熱は冷媒に全て与えられるものとする。
In step S53, the refrigerant temperature T2 at the fuel cell outlet is detected by the
ステップS54では、燃料電池1に水素と空気を供給し、燃料電池1で発電を開始する。燃料電池1には氷点以上の冷媒が流れ、少なくとも冷媒の入口付近では常に氷点以上となるので、冷媒の入口付近では燃料電池1の発電を持続することができる。なお、この時の発電量は、氷点以上になっていない箇所において発電により生成された水が凍結しても、カソードを氷によって閉塞しない発電量である。冷媒を流すことによって入口付近から順次氷点以上になるので、凍結した場合でも冷媒の入口付近から順次解凍することができる。
In step S <b> 54, hydrogen and air are supplied to the
ステップS55では、温度センサ10によって燃料電池1の出口での冷媒温度T2を検出し、T2が氷点よりも高いかどうか判断する。すなわち、燃料電池1が氷点よりも高いかどうか判断する。氷点下の場合はステップS56へ進む。氷点下ではない場合は、燃料電池1の暖機が終了したと判断し、暖機制御を終了する。
In step S55, the
ステップS56では、ステップS55で検出した燃料電池1の出口での冷媒温度T2と上記した式(1)とから、電気ヒータ11の出力を燃料電池1の入口の冷媒温度T1が氷点を超えるような最小加熱量となるように制御する。これによって、電気ヒータ11を起動するバッテリの消費電力を少なくすることができる。その後ステップS55へ戻り、燃料電池1の暖機が終了するまでこの制御を繰り返す(ステップS53からステップS56までが冷媒温度制御手段を構成する)。
In step S56, the refrigerant temperature T2 at the outlet of the
燃料電池1の入口での冷媒温度T1を式(1)によって算出したが、この代わりに温度センサを設け、温度センサによって冷媒温度を検出してもよい。
Although the refrigerant temperature T1 at the inlet of the
本発明の第2実施形態の効果について説明する。 The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
氷点下起動時に、電気ヒータ11によって燃料電池1を暖機する冷媒を加熱する場合に、燃料電池システムを車両のような移動体に搭載すると、搭載できるバッテリの容量が制限される。特に、温度が低いとバッテリの実質的な電力供給量は低下してしまう。第2実施形態では、冷媒流量を最小流量とし、冷媒温度が氷点を超えるまでは、電気ヒータ11の出力を最大出力とすることで、素早く冷媒を温めることができ、氷点を超えた後は冷媒の温度を維持するように電気ヒータ11の出力を下げるので、電気ヒータ11を起動するバッテリの消費電力を抑えることができる。
When the refrigerant that warms up the
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.
本発明は、燃料電池を氷点下で使用する場合に利用でき、特に素早い始動性を要求する燃料電池自動車に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used when the fuel cell is used below freezing, and can be used particularly for a fuel cell vehicle that requires quick startability.
1 燃料電池
2 水素タンク
3 コンプレッサ
4 ラジエータ(冷却手段)
5 冷媒配管(循環回路)
7 冷媒ポンプ(流量調整手段)
8 水素燃焼器
9 熱交換器(加熱手段)
10 温度センサ(温度検出手段)
1
5 Refrigerant piping (circulation circuit)
7 Refrigerant pump (flow rate adjusting means)
8 Hydrogen combustor 9 Heat exchanger (heating means)
10 Temperature sensor (temperature detection means)
Claims (6)
前記冷媒を冷却する冷却手段と、
前記冷媒を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記冷媒の循環流量を調整する流量調整手段と、
前記冷媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池暖機時に前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、少なくとも前記冷媒の循環流量と前記冷媒の加熱量のどちらか一方を制御し、前記燃料電池の上流における前記冷媒の温度が目標値となるように制御する冷媒温度制御手段と、を備えた燃料電池システム。 A circulation circuit that circulates through the fuel cell and can exchange heat with the fuel cell by a refrigerant;
Cooling means for cooling the refrigerant;
A fuel cell system comprising: heating means for heating the refrigerant;
Flow rate adjusting means for adjusting the circulation flow rate of the refrigerant;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant;
Based on the temperature detected by the temperature detection means when the fuel cell is warmed up, at least one of the circulation flow rate of the refrigerant and the heating amount of the refrigerant is controlled, and the temperature of the refrigerant upstream of the fuel cell is A fuel cell system comprising: a refrigerant temperature control means for controlling the target value to be a target value.
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