JP2007122962A - Fuel cell system, and antifreezing method of cooling system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、燃料電池の冷却系の温度分布の偏りを良好に解消して凍結を防止する燃料電池システム及び冷却系凍結防止方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system and a cooling system anti-freezing method that satisfactorily eliminates an uneven temperature distribution in a cooling system of a fuel cell and prevents freezing.
化石燃料の枯渇危機、並びに化石燃料の燃焼による大気汚染、地球温暖化の問題に対応すべく、圧縮された燃料ガスを消費することで走行する車両が考案されている。このように燃料ガスを消費することで走行する車両としては、例えば、燃料ガスとして水素ガスを用い、水素ガスと空気ガス中の酸素との化学反応により発生させた電気エネルギーで走行する燃料電池車がある。 In response to the fossil fuel depletion crisis, air pollution caused by fossil fuel combustion, and global warming, a vehicle that travels by consuming compressed fuel gas has been devised. As a vehicle that travels by consuming fuel gas in this way, for example, a fuel cell vehicle that uses hydrogen gas as the fuel gas and travels with electric energy generated by a chemical reaction between hydrogen gas and oxygen in the air gas. There is.
このような燃料電池車などに搭載される燃料電池は、その発電原理上、起動時から常に当該燃料電池内部に水分が残留してしまう。このように燃料電池内部には、残留水分が存在することから気温が氷点下となった場合には、水分が凍結してしまい燃料電池システムが機能しなくなってしまう。 In a fuel cell mounted on such a fuel cell vehicle or the like, moisture always remains inside the fuel cell from the start-up due to its power generation principle. Thus, since residual moisture exists inside the fuel cell, when the temperature falls below freezing point, the moisture freezes and the fuel cell system does not function.
したがって、燃料電池を搭載した車両などの移動体を寒冷地で使用する場合や、燃料電池を寒冷地での定置用として使用する場合には、低温環境下に燃料電池がさらされてしまう可能性が高く、最悪の場合、凍結により燃料電池を発電させることができない状況が考えられる。 Therefore, when a moving body such as a vehicle equipped with a fuel cell is used in a cold region, or when the fuel cell is used for stationary use in a cold region, the fuel cell may be exposed to a low temperature environment. In the worst case, the fuel cell cannot be generated due to freezing.
そこで、寒冷地で燃料電池を起動する際に、燃料電池内部で生成した水が凍結するのを防止するために、燃料電池の内部温度に応じて、燃料電池を冷却する冷却水の供給制御をすることで、燃料電池内部で生成される生成水の凍結を防止する手法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、特許文献1で開示されている手法では、冷却水が凍結の虞がある温度になると冷却水ポンプを停止し、燃料電池への冷却水の供給を停止させるよう制御しているため、冷却系に燃料電池で発熱された熱を伝えることができない。したがって、例えばラジエータなどのように冷却系を構成する部品によっては、外気温によって冷やされ続けてしまうため、このような構成部品は凍結の可能性が非常に高くなってしまう。さらに、特許文献1で開示されている手法では、冷却水の流れを止めてしまうので、冷却水の経路、冷却系を構成する部品の内部温度の分布に偏りが生じ、温度が低い箇所での凍結も考えられる。
However, in the method disclosed in
また、冷却水が凍結に至るまで温度が低下しなくても、冷却水温度を燃料電池の運転制御に用いている場合などには、冷却系に温度分布の偏りがあることで正確な冷却水温度を検出することができず安定した運転制御を実行することができないというような問題も発生してしまう。このように、燃料電池の冷却系に温度分布の偏りがあると、様々な弊害を招いてしまうことになる。 Even if the temperature of the cooling water does not decrease until it freezes, when the cooling water temperature is used for operation control of the fuel cell, the cooling system has an uneven temperature distribution. There is also a problem that the temperature cannot be detected and stable operation control cannot be executed. As described above, when the temperature distribution of the fuel cell cooling system is uneven, various adverse effects are caused.
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池を冷却する冷却系に発生する温度分布の偏りを防止する燃料電池システム及び冷却系凍結防止方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and provides a fuel cell system and a cooling system freezing prevention method for preventing a temperature distribution bias generated in a cooling system for cooling a fuel cell. Objective.
本発明は、上述した課題を解決するために、燃料電池を冷却する冷却水を通過させる冷却経路に設けられ、冷却水循環装置にて冷却経路内を循環させる冷却水を供給するリザーバタンク内の冷却水の温度を検出し、一定時間毎又は検出されるリザーバタンク内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、冷却経路内を循環させる冷却水の冷却水流量を、一時的に所定時間だけ増加させるように冷却水循環装置の仕事量を制御する。このとき、検出される冷却水の温度が氷点に近くなるほど冷却水流量の増加量を増大させ、冷却水の温度が氷点から遠くなるほど冷却水流量の増加量を減少させるように冷却水循環装置の仕事量を制御することで実現する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides cooling in a reservoir tank that is provided in a cooling path through which cooling water for cooling a fuel cell passes and supplies cooling water that is circulated in the cooling path by a cooling water circulation device. The temperature of the cooling water is detected, and the cooling water flow rate of the cooling water circulating in the cooling path is temporarily determined for a predetermined time at a fixed time or at a timing determined based on the detected temperature of the cooling water in the reservoir tank. The work of the cooling water circulation device is controlled so as to increase. At this time, the work of the cooling water circulation device increases the amount of increase in the coolant flow rate as the detected coolant temperature approaches the freezing point, and decreases the amount of increase in the coolant flow rate as the coolant temperature becomes farther from the freezing point. This is achieved by controlling the amount.
本発明によれば、燃料電池を冷却する冷却系に発生する温度分布の偏りを良好に防止することができる。 According to the present invention, it is possible to satisfactorily prevent uneven temperature distribution that occurs in a cooling system that cools a fuel cell.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図1を用いて、本発明の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明をする。 First, the configuration of a fuel cell system shown as an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に示すように、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10の燃料極であるアノード11に水素を供給する水素ガス循環供給系20と、燃料電池スタック10の酸化剤極であるカソード12に酸化剤ガスである空気ガスを供給する空気ガス供給系30と、発電により昇温した燃料電池スタック10を冷却水を循環させることで冷却する冷却系40と、燃料電池スタック10からの出力を取り出し負荷へと供給する出力系50と、当該燃料電池システムの運転を統括的に制御するシステムコントローラ60とを備えている。
As shown in FIG. 1, a fuel cell system includes a
この燃料電池システムは、冷却系40の温度分布の偏りを防止し、特に、低温環境下での冷却系40の温度分布の偏りを防止することで冷却系40全体の凍結防止を実現する。
This fuel cell system prevents the temperature distribution of the
燃料電池スタック10は、発電単位である単セルを複数積層することで構成され、アノード11に燃料ガスとして供給される水素ガスと、カソード12に供給される空気ガス中の酸素の化学反応により発電する。例えば、燃料電池スタック10は、電解質として高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)などであり、単セルの構造が、高分子電解質膜の両側に触媒層をそれぞれ設け、燃料極、酸化剤極が形成されたMEA(Membrane Electrode Assembly)として一体化されている。
The
燃料電池スタック10には、燃料電池スタック10内の温度を測定する温度センサ13が設けられている。温度センサ13で測定された燃料電池スタック10内の温度は、システムコントローラ60に出力される。
The
水素ガス循環供給系20は、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクといった水素ガス供給源21と、水素ガス圧力調整弁22が設けられ、水素ガス供給源21に貯蔵された水素ガスを燃料電池スタック10のアノード11に供給する水素ガス供給配管23と、蒸気を凝縮して水分を分離する図示しない水分離器、パージ弁が設けられ、アノード11の水素ガスに含まれる不純物ガスを排出する水素ガス排出配管24と、水素ガスを循環させる循環ポンプ25が設けられ、アノード11の水素ガスを循環させる水素ガス循環配管26と、水素ガス循環配管26を介して循環ポンプ25で循環される水素ガスを水素ガス供給配管23へと合流させる合流部(エゼクタ等)27とを備えている。
The hydrogen gas
循環ポンプ25は、システムコントローラ60によって駆動制御される。循環ポンプ25は、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック10で発電された電力を使用して駆動されるが、燃料電池システムの起動時及び燃料電池システムが停止され凍結固着防止処理がなされる際には、外部からの充電可能な燃料電池スタック10の補助電源である後述する二次電池53から供給される電力で駆動される。
The
このような水素ガス循環供給系で20は、水素ガス供給配管23の水素ガス圧力に応じたシステムコントローラ60の制御により、水素ガス圧力調整弁22の開度を制御することで、水素ガス供給源21から水素ガス供給配管23を介して供給される水素ガスを、当該燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して、燃料電池スタック10のアノード11へ供給する。
In such a hydrogen gas
また、水素ガス循環供給系20では、システムコントローラ60の制御により、燃料電池スタック10のアノード11に供給する水素ガス流量を、出力電流に相当する反応水素ガス流量より当量比を大きくすることで、複数のセルで構成される燃料電池スタック10の各セルに、不足なく水素ガスが供給できるようにされている。
Further, in the hydrogen gas
さらにまた、発電を継続するにつれて、燃料電池スタック10のアノード11には、水素ガス以外の不純物ガス、例えば窒素などが蓄積され、水素濃度を減少させてしまう。水素濃度が減少すると発電効率の低下、燃料電池スタック10の劣化を招くので、システムコントローラ60は、水素ガス排出配管24に接続された図示しないパージ弁の開度を制御することで、水素ガス排出配管24を介して不純物ガスを排出するよう制御する。
Furthermore, as power generation is continued, an impurity gas other than hydrogen gas, such as nitrogen, is accumulated in the anode 11 of the
空気ガス供給系30は、空気を圧縮して空気ガスとして供給するコンプレッサや空気ガスを供給するブロワといった空気ガス供給装置31と、加湿装置32とを備えており、システムコントローラ60の制御により、空気ガス供給装置31の回転数を制御するなどして、空気ガスを燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して、燃料電池スタック10のカソード12へ空気ガス供給配管33を介して供給する。不要な空気ガスは、排出される空気ガスの圧力を制御する圧力制御弁34が設けられた空気ガス排出配管35を介して排出される。
The air
空気ガス供給装置31をコンプレッサとする場合には、空気ガスが圧縮され昇温されるため、空気ガス供給装置31の後段に昇温された空気ガスを冷却する図示しない冷却装置を設けるようにする。
When the air
加湿装置32は、燃料電池スタック10のカソード12に供給する空気ガスを加湿する。このように、加湿装置32は、カソード12に供給する空気ガスを加湿することで、高分子電解質膜に水分供給をし、高分子電解質膜のイオン輸送能力を低下させることなく良好なイオン伝導性を保つように水分管理を行う。
The
このような空気ガス供給系30の空気ガス供給配管33には、空気ガス供給配管33内を流れる空気ガスの流量を検出する空気流量計36が設けられている。空気流量計36で測定された空気ガスの流量は、システムコントローラ60に出力される。
The air
冷却系40は、冷却水を循環させる冷却水ポンプ41と、外気と冷却水との間で熱交換を行うラジエータ42と、ラジエータ42に補給する冷却水を貯蔵するリザーバタンク43と、燃料電池スタック10を通過し、冷却水を供給する冷却水供給配管44とを備えている。また、冷却水供給配管44には、燃料電池スタック10を冷却した冷却水をラジエータ42をバイパスして循環させるバイパス配管46が、三方弁45を介して接続されている。ラジエータ42を経由する冷却水の流量と、ラジエータ42をバイパスさせる冷却水の流量との割合は、システムコントローラ60により三方弁45の各弁の開度を制御することで任意に調節することができる。
The
リザーバタンク43には、当該リザーバタンク43内の冷却水の温度を測定するタンク内温度検出センサ47が設けられている。タンク内温度検出センサ47で検出されたリザーバタンク43内の冷却水温度は、システムコントローラ60に出力される。
The
出力系50は、燃料電池スタック10で発電された電力を、システムコントローラ60の制御に応じて所望の出力となるように制御しながら取り出す出力制御器51と、出力制御器51を介して出力された電力を図示しない負荷へと伝える負荷制御部52とを備えている。また、出力系50は、負荷制御部52と並列に接続された二次電池53を備え、出力制御器51を介して取り出された燃料電池スタック10で発電された電力や、負荷から回生された回生電力を充電する。
The
このような出力系50には、燃料電池スタック10からの出力電流を検出する電流計54と、燃料電池スタック10の出力電圧を検出する電圧計55とが設けられている。電流計54、電圧計55で検出された燃料電池スタック10の出力電流、出力電圧は、システムコントローラ60に出力される。
Such an
システムコントローラ60は、燃料電池システムを統括的に制御する制御手段である。システムコントローラ60は、温度センサ13、空気流量計36、タンク内温度検出センサ47、電流計54、電圧計55、燃料電池システムの外気温を検出する外気温度検出センサ5から出力された信号を読み込み、読み込んだ各種信号と内部に保有する制御ロジック(プログラム)とに基づき、運転指令に応じて最適な運転がなされるよう、水素ガス循環供給系20、空気ガス供給系30、冷却系40、出力系50をそれぞれ制御する。
The
また、システムコントローラ60は、冷却水の流量を適切に制御することで、冷却系40の温度分布の偏りを防止する。特に、低温環境下における温度分布の偏りの防止によって、冷却系40の凍結を防止することができる。
Further, the
続いて、システムコントローラ60による、冷却水ポンプ41の回転数制御による冷却水流量の制御により、冷却系40の温度分布の偏りを防止する手法について説明をする。なお、以下において、燃料電池システムは、車両に搭載されているものとして説明をする。
Next, a method for preventing the temperature distribution of the
[システムコントローラ60による冷却水ポンプ41の制御処理動作]
システムコントローラ60は、タンク内温度検出センサ47で検出されたリザーバタンク43内の冷却水の温度に応じて、冷却水ポンプ41の回転数、つまり冷却水ポンプ41の仕事量を制御して一時的に冷却水流量を増加させ、冷却水ポンプ41、ラジエータ42、リザーバタンク43、冷却水供給配管44、三方弁45、バイパス配管46といった冷却系40における温度分布の偏りを防止し、特に、低温環境下においては冷却系40の凍結を防止することができる。
[Control processing operation of cooling water pump 41 by system controller 60]
The
このとき、システムコントローラ60は、冷却水ポンプ41の回転数を増大させる時間である回転数増大時間と、回転数の増大量とをセンサなどから検出される各種条件に基づき決定する。そして、システムコントローラ60は、決定した回転数増大時間で、決定した回転数となるように冷却水ポンプ41を駆動制御することで、冷却系40の冷却水流量を増加させる。
At this time, the
(回転数増大時間の算出処理)
まず、図2に示すフローチャートを用いて、システムコントローラ60による、回転数増大時間の算出処理動作について説明をする。なお、図2に示すフローチャートを用いた説明をするにあたり、システムコントローラ60が、図3に示すような回転数増大時間算出部61を機能部として備えるものとして説明をする。この機能部の処理動作は、システムコントローラ60が保持するプログラムによって実現される。
(Rotation speed increase time calculation process)
First, the operation for calculating the rotation speed increase time by the
ステップS1において、外気温度検出センサ5によって燃料電池システムが搭載された車両周辺の外気温度を検出する。外気温度検出センサ5によって検出された外気温度は、システムコントローラ60の回転数増大時間算出部61に出力される。
In step S1, the outside air
ステップS2において、回転数増大時間算出部61は、検出された外気温度に応じて冷却水ポンプ41の回転数を増大させる時間である回転数増大時間を算出する。回転数増大時間とは、回転数を通常の回転数から増大させた際に、増大した回転数を継続させる時間のことである。増大した回転数を継続させる時間、つまり回転数増大時間を増やせば、冷却系40で循環される冷却水のトータルの流量が増加することになり、冷却系40における温度分布の偏りを抑制することができる。
In step S <b> 2, the rotation speed increase
したがって、回転数増大時間算出部61は、検出された外気温度が低いほど、つまり、冷却系40における凍結の可能性が高いほど回転数増大時間を増やし、冷却系40の温度分布が一様となるようにする。
Therefore, the rotation speed increase
システムコントローラ60は、この回転数増大時間算出部61で算出される回転数増大時間を用いて、冷却水ポンプ41の回転数を増大させる時間を制御する。この回転数増大時間算出部61で算出された回転数増大時間は、単純に、燃料電池システムが搭載された車両の外気温度に応じて算出されただけであるので、この回転数増大時間を初期値とし、実際の冷却水の温度を考慮して、この初期値を補正処理することで、回転数増大時間を最適化することもできる。以下にその手法について説明をする。
The
(回転数増大時間の最適化)
図4に示すフローチャートを用いて、回転数増大時間を最適化する処理動作について説明をする。なお、図4に示すフローチャートを用いた説明をするにあたり、システムコントローラ60が、図5に示すような増大時間補正部62、演算ブロック63、演算ブロック64を機能部として備えるものとする。この機能部の処理動作は、システムコントローラ60が保持するプログラムによって実現される。
(Optimization of rotation speed increase time)
A processing operation for optimizing the rotation speed increase time will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In the description using the flowchart shown in FIG. 4, it is assumed that the
ステップS11において、タンク内温度検出センサ47によってリザーバタンク43内の冷却水温度を検出する。タンク内温度検出センサ47によって検出されたリザーバタンク43内の冷却水温度は、システムコントローラ60の増大時間補正部62に出力される。
In step S <b> 11, the tank
ステップS12において、増大時間補正部62は、まず、タンク内温度検出センサ47によって検出された実際の冷却水温度(以下、実冷却水温度と呼ぶ。)と、冷却水の目標温度(以下、目標冷却水温度と呼ぶ。)とを比較する。
In step S12, the increase
増大時間補正部62は、比較した結果、上述した回転数増大時間算出部61で算出された回転数増大時間分、冷却水ポンプ41の回転数を増大させたとしても、実冷却水温度を目標冷却水温度へと近付けることができないほど、実冷却水温度と目標冷却水温度との間に差異があると推定される場合には、ステップS13へと進める。また、増大時間補正部62は、回転数増大時間分、冷却水ポンプ41の回転数を増大させたことで、実冷却水温度を目標冷却水温度へと近付けることができると推定される場合には、ステップS14へと進める。
As a result of the comparison, the increase
なお、実冷却水温度との比較に用いる目標冷却水温度には、例えば、システムコントローラ60のメモリにあらかじめ設定しておいた値を用いるようにしてもよいし、冷却水ポンプ41の回転数を増大させた際、つまり冷却系40の温度分布が一様となっていると推定される状態での冷却水温度を時間で外挿して求めた値でもよいし、冷却水ポンプ41の回転数を増大させる直前の冷却水温度に所定の値を加算して求めた値でもよい。また、目標冷却水温度には、リザーバタンク43以外の箇所で検出された冷却水温度、例えば、燃料電池スタック10への出入り口に設けられた温度検出センサの値のうち、流路的にリザーバタンク43に近い側の温度検出センサで検出された値などを用いてもよい。
For the target cooling water temperature used for comparison with the actual cooling water temperature, for example, a value set in advance in the memory of the
ステップS13において、増大時間補正部62は、実冷却水温度を目標冷却水温度へと近付けるように冷却水流量を増加させるべく、回転数増大時間算出部61で算出された回転数増大時間を延長させる方向で補正処理を行う。具体的には、増大時間補正部62は、回転数増大時間を延長させる延長時間情報を算出し、演算ブロック64へと出力する。
In step S13, the increase
ステップS14において、演算ブロック63は、回転数増大時間算出部61で算出された回転数増大時間からタイマ60Tで計測される冷却水ポンプ41の回転数を増大させた実時間を減算し、冷却水ポンプ41の回転数を増大させる残り時間を算出する。また、演算ブロック64は、演算ブロック63で算出された回転数を増大させる残り時間に、増大時間補正部62で算出された延長時間情報で示される延長時間を加算して、初期値の回転数増大時間を補正して最適化させた際の、冷却水ポンプ41の回転数を増大させる残り時間を算出する。そして、システムコントローラ60は、演算ブロック64で算出された回転数を増大させる残り時間に基づき、冷却水ポンプ41の回転数を増大させる期間を管理する。
In step S14, the
このように、システムコントローラ60は、タンク内温度検出センサ47によって検出されたリザーバタンク43内の冷却水温度の推移に応じて変化する延長時間情報にて、外気温度検出センサ5で検出された外気温度に基づき算出された回転数増大時間を補正して最適化することができる。
As described above, the
システムコントローラ60は、一定時間毎又はタンク内温度検出センサ47によって検出されるリザーバタンク43内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、この回転数増大時間だけ冷却水ポンプ41の回転数を増大させる。システムコントローラ60は、回転数増大時間を経過した後、増大させた冷却水ポンプ41の回転数を通常の回転数へと戻す。
The
また、システムコントローラ60は、回転数を増大させるタイミングをタンク内温度検出センサ47によって検出されるリザーバタンク43内の冷却水の温度に基づき決定する場合、検出された冷却水の温度が、例えば、あらかじめ定められた冷却水が凍結する虞がない温度レベル以下となったタイミングを回転数を増大させるタイミングとする。
Further, when the
なお、冷却水ポンプ41は、システムコントローラ60の制御により、上述したように回転数増大時間分だけ回転数が増大されることになるが、回転数増大時間を経過した後は、再び通常の回転数で制御されることになる。システムコントローラ60は、このように、冷却水ポンプ41を通常の回転数で制御する場合には、図5で示したタイマ60Tによる回転数増大時間の計測をリセットし、ゼロとする。
Note that the cooling water pump 41 is increased in rotation speed by the rotation speed increase time as described above under the control of the
(回転数の増大量の算出処理)
次に、図6に示すフローチャートを用いて、システムコントローラ60による、回転数の増大量の算出処理動作について説明をする。なお、図6に示すフローチャートを用いた説明をするにあたり、システムコントローラ60が、図7に示すような目標回転数算出部65、目標回転数算出部66、回転数制限算出部67、発電電力算出部68、回転数制限算出部69、選択ブロック70、選択ブロック71を機能部として備えるものとする。この機能部の処理動作は、システムコントローラ60が保持するプログラムによって実現される。
(Calculation processing of increase in rotation speed)
Next, the calculation processing operation of the increase amount of the rotation speed by the
ステップS21において、タンク内温度検出センサ47によってリザーバタンク43内の冷却水温度を検出する。タンク内温度検出センサ47によって検出されたリザーバタンク43内の冷却水温度は、システムコントローラ60の第1の目標回転数を算出する目標回転数算出部65と、第2の目標回転数を算出する目標回転数算出部66に出力される。
In step S <b> 21, the tank
ステップS22において、システムコントローラ60は、目標回転数算出部65、66に出力されたリザーバタンク43内の冷却水温度が冷却水の氷点である0℃近傍の所定の温度以下であるかどうかを判断する。システムコントローラ60は、冷却水温度が0℃近傍の所定の温度以下でない場合にはステップS23へと進め、0℃近傍の所定の値以下である場合にはステップS30へと進める。
In step S22, the
ステップS23において、外気温度検出センサ5によって燃料電池システムが搭載された車両周囲の外気温度を検出する。外気温度検出センサ5によって検出された外気温度は、システムコントローラ60の目標回転数算出部65に出力される。
In step S23, the outside air
ステップS24において、目標回転数算出部65は、タンク内温度検出センサ47によって検出されたリザーバタンク43内の冷却水温度と、外気温度検出センサ5によって検出された燃料電池システムが搭載された車両周囲の外気温度に基づき、冷却水ポンプ41の回転数を増大させる際の基本の回転数となる第1の目標回転数を算出する。目標回転数算出部65は、リザーバタンク43内の冷却水温度が氷点に近くなるほど、外気温度が低くなるほど、冷却水ポンプ41の回転数が大きくなるような傾向で第1の目標回転数を算出する。
In step S24, the target rotational
具体的には、目標回転数算出部65は、リザーバタンク43内の冷却水温度及び燃料電池システムが搭載された車両周囲の外気温度を引数とする演算式から第1の目標回転数を算出する。また、あらかじめ冷却水温度及び外気温度と第1の目標回転数とを対応付けてテーブルとして記憶しておき、このテーブルを参照することで第1の目標回転数を取得するようにしてもよい。
Specifically, the target rotational
このように、タンク内温度検出センサ47によって検出されるリザーバタンク43内の冷却水温度と、外気温度検出センサ5によって検出される外気温度とから冷却水ポンプ41の回転数を増大させる際の基本の回転数である第1の目標回転数を求めることができる。目標回転数算出部65で算出された第1の目標回転数は、選択ブロック70に出力される。
Thus, the basics for increasing the number of revolutions of the cooling water pump 41 from the cooling water temperature in the
なお、目標回転数算出部65が第1の目標回転数を求める際、少なくともタンク内温度検出センサ47によって検出されるリザーバタンク43内の冷却水温度が分かっていればよく、必ずしも外気温度検出センサ5によって検出される外気温度を用いる必要はない。
When the target rotational
ところで、このようにして求められた第1の目標回転数となるように、冷却水ポンプ41の回転数を増大させた場合、燃料電池システムを搭載した車両の状態によっては、回転数増大、つまり仕事量の増大に伴い高くなる冷却水ポンプ41の駆動音による騒音が問題となる。そこで、システムコントローラ60は、以下に示すステップにおいて、車両の状態を取得し、この車両の状態に基づき目標回転数算出部65で算出された第1の目標回転数に制限を与えるようにする。
By the way, when the rotational speed of the cooling water pump 41 is increased so as to be the first target rotational speed thus obtained, the rotational speed increases, that is, depending on the state of the vehicle on which the fuel cell system is mounted. Noise due to the driving sound of the cooling water pump 41, which becomes higher as the work volume increases, becomes a problem. Therefore, the
まず、ステップS25において、燃料電池システムが搭載された車両に備えられた車両速度検出センサ6によって、車両の現在の速度を検出する。車両速度検出センサ6によって検出された車両の速度は、システムコントローラ60の回転数制限算出部67に出力される。
First, in step S25, the current speed of the vehicle is detected by the vehicle
ステップS26において、回転数制限算出部67は、車両速度検出センサ6によって検出された車両の速度に基づき、ステップS24で算出された第1の目標回転数を制限した制限回転数を算出する。
In step S <b> 26, the rotation speed
一般に、車両の速度が速くなるに伴って車両の走行音は大きくなる。したがって、車両の速度が速い場合には走行音が大きくなるため、冷却水ポンプ41の回転数を増大させても駆動音が騒音となる可能性が低い。逆に、車両の速度が遅い場合には走行音が小さくなるため、回転数を増大させた冷却水ポンプ41の駆動音が騒音となる可能性が高い。 In general, the running noise of the vehicle increases as the speed of the vehicle increases. Therefore, when the speed of the vehicle is high, the traveling sound becomes loud, and therefore, there is a low possibility that the driving sound becomes noise even if the rotational speed of the cooling water pump 41 is increased. On the other hand, when the vehicle speed is low, the running noise is small, and therefore the driving sound of the cooling water pump 41 with the increased number of rotations is likely to be noise.
そこで、このステップS26では、このような車両の速度と走行音との関係に基づき、車両の速度に応じて、冷却水ポンプ41の駆動音が騒音とならないように第1の目標回転数を最適化した制限回転数を算出する。回転数制限算出部67で算出された制限回転数は、選択ブロック70に出力される。
Therefore, in this step S26, the first target rotation speed is optimized based on the relationship between the vehicle speed and the running sound so that the driving sound of the cooling water pump 41 does not become a noise according to the vehicle speed. Calculate the limited rotational speed. The rotational speed limit calculated by the rotational speed
ステップS27において、発電電力算出部68は、電流計54で検出される燃料電池スタック10の出力電流と、電圧計55で検出される燃料電池スタック10の出力電圧とから、燃料電池スタック10で発電される電力量を求める。
In step S <b> 27, the generated
ステップS28において、回転数制限算出部69は、発電電力算出部68で算出された燃料電池スタック10で発電される電力量に基づき、ステップS24で算出された第1の目標回転数を制限した制限回転数を算出する。
In step S28, the rotation speed
燃料電池スタック10で発電される電力量が高い場合、燃料電池スタック10のカソード12へ空気ガスを供給する空気ガス供給装置31の仕事量が増え、空気ガス供給装置31の駆動音も大きくなる。つまり、このような状況で、冷却水ポンプ41の回転数を増大させても冷却水ポンプ41の駆動音が騒音となる可能性が低いといえる。また、燃料電池スタック10で発電される電力量が高い場合、燃料電池スタック10の発熱量が高くなってしまう。
When the amount of electric power generated by the
したがって、燃料電池スタック10で発電される電力量が高い場合には、燃料電池スタック10の発熱量を抑制させるべく冷却水ポンプ41の回転数を増大させたとしても、駆動音が騒音となりにくい。
Therefore, when the amount of power generated by the
一方、燃料電池スタック10で発電される電力量が低い場合、燃料電池スタック10のカソード12へ空気ガスを供給する空気ガス供給装置31の仕事量が減り、空気ガス供給装置31の駆動音も小さくなる。つまり、このような状況で、冷却水ポンプ41の回転数を増大させると冷却水ポンプ41の駆動音が騒音となってしまう可能性が高い。また、燃料電池スタック10で発電される電力量が低い場合、燃料電池スタック10の発熱量も低いままである。
On the other hand, when the amount of power generated by the
したがって、燃料電池スタック10で発電される電力量が低い場合には、燃料電池スタック10の発熱量を抑制させる必要もないし、冷却水ポンプ41の回転数を増大させると、駆動音が騒音となってしまう。
Therefore, when the amount of electric power generated by the
そこで、このステップS28では、このような燃料電池スタック10で発電される電力量と、空気ガス供給装置31の駆動音並びに燃料電池スタック10の発熱量との関係に基づき、燃料電池スタック10の発熱量に応じて、冷却水ポンプ41の駆動音が騒音とならないように第1の目標回転数を最適化した制限回転数を算出する。回転数制限算出部69で算出された制限回転数は、選択ブロック70に出力される。
Therefore, in step S28, the heat generation of the
ステップS29において、選択ブロック70は、目標回転数算出部65で算出された第1の目標回転数と、回転数制限算出部67で算出された車両の速度に基づき算出された制限回転数又は回転数制限算出部69で算出された燃料電池スタック10で発電された電力量に基づき算出された制限回転数とを比較して、回転数の低い方を選択する。選択ブロック70は、選択した回転数を選択ブロック71へと出力する。
In step S <b> 29, the
なお、回転数制限算出部67で算出された制限回転数と、回転数制限算出部69で算出された制限回転数とでは、どちらか一方のみが有効であってもよい。
Note that only one of the limited rotational speed calculated by the rotational speed
ステップS30において、目標回転数算出部66は、タンク内温度検出センサ47によって検出されたリザーバタンク43内の冷却水温度に基づき冷却水ポンプ41の回転数を増大させる際の基本の回転数となる第2の目標回転数を算出する。目標回転数算出部66で算出される第2の目標回転数は、第1の目標回転数とは異なり、回転数制限算出部67、69で算出された回転数との比較による制限を受けることがない。
In step S30, the target rotational
つまり、目標回転数算出部66で算出される第2の目標回転数は、タンク内温度検出センサ47で検出されたリザーバタンク43内の冷却水の温度から、リザーバタンク43内の冷却水に凍結の虞があると判断される場合、冷却水ポンプ41の回転数を制限をかけずに単純に増大させて冷却水流量を増加させることを目的として算出される値である。
That is, the second target rotational speed calculated by the target rotational
したがって第2の目標回転数を用いると、0℃近傍の低温環境下において冷却系40における冷却水の経路や、冷却系40を構成する各部品内の温度分布の偏りを低減することが可能となり、リザーバタンク43を始めとする冷却系40の部分的な凍結を防止することができる。
Therefore, if the second target rotational speed is used, it is possible to reduce the deviation of the temperature distribution in the cooling water path and the components constituting the
具体的には、目標回転数算出部66は、あらかじめ設定された所定値を用いて第2の目標回転数としたり、回転数を増大させる前の通常制御時の回転数にあらかじめ設定された所定値を加算することで第2の目標回転数を算出する。目標回転数算出部66で算出された第2の目標回転数は、選択ブロック71に出力される。
Specifically, the target rotational
ステップS31において、選択ブロック71は、選択ブロック70で選択された車両状態に基づく騒音が考慮された回転数と、目標回転数算出部66で算出された冷却水の凍結を考慮した第2の目標回転数とを比較して回転数の大きい方を選択し、これを第3の目標回転数として出力する。この選択ブロック71は、冷却水ポンプ41の回転数が増大することにより発生する騒音の低減よりも、0℃近傍の低温環境下における冷却系40の温度分布の偏りの防止を優先的に実行することで、冷却系40の凍結を防止を図るためのブロックである。
In step S31, the
システムコントローラ60は、このように選択ブロック71で選択された第3の目標回転数で、上述したようにして求められた目標回転数増大時間だけ、冷却水ポンプ41を駆動制御することで、冷却系40における冷却水流量を増加させる。
The
このように、本発明の実施の形態として示す燃料電池システムは、タンク内温度検出センサ47で検出されるリザーバタンク43内の冷却水温度、外気温度検出センサ5で検出される燃料電池システムが搭載された車両の外気温度に基づき、システムコントローラ60により、冷却水ポンプ41の回転数増大時間、第3の目標回転数を算出する。
Thus, the fuel cell system shown as the embodiment of the present invention is equipped with the fuel cell system detected by the coolant temperature in the
そして、システムコントローラ60は、算出した第3の目標回転数で、一定時間毎又はタンク内温度検出センサ47によって検出されるリザーバタンク43内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングにて、目標回転数増大時間だけ冷却水ポンプ41の回転数が増大するよう駆動制御することにより、冷却系40の冷却水流量を、最適なタイミングで最適な期間だけ、最適な量となるよう増加させることができるため、冷却系40を構成するリザーバタンク43内の温度分布や、各冷却経路内の温度分布に偏りが発生するのを防止することができる。したがって、低温環境下での温度分布の偏りによって生ずる冷却系40の部分的な凍結を防止することができる。
Then, the
また、車両速度や燃料電池スタック10の発電電力量に応じて、冷却水ポンプ41の回転数を制限し最適化することで、冷却水ポンプ41の駆動音が騒音となってしまうことを回避することができる。
Further, by limiting and optimizing the number of revolutions of the cooling water pump 41 in accordance with the vehicle speed and the amount of electric power generated by the
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。 The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.
10 燃料電池スタック
20 水素ガス循環供給系
30 空気ガス供給系
40 冷却系
41 冷却水ポンプ
42 ラジエータ
43 リザーバタンク
44 冷却水供給配管
47 タンク内温度検出センサ
50 出力系
60 システムコントローラ
60T タイマ
61 回転数増大時間算出部
62 増大時間補正部
63 演算ブロック
64 演算ブロック
65 目標回転数算出部
66 目標回転数算出部
67 回転数制限算出部
68 発電電力算出部
69 回転数制限算出部
70 選択ブロック
71 選択ブロック
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池を冷却する冷却水を通過させる冷却経路と、
前記冷却経路内の冷却水を循環させる冷却水循環装置と、
前記冷却経路に設けられ、前記冷却経路内を循環させる冷却水を供給するリザーバタンクと、
前記リザーバタンク内の冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
一定時間毎又は前記冷却水温度検出手段によって検出される前記リザーバタンク内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、前記冷却経路内を循環させる冷却水の冷却水流量を、一時的に所定時間だけ増加させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段によって検出される前記冷却水の温度が氷点に近くなるほど冷却水流量の増加量を増大させ、前記冷却水の温度が氷点から遠くなるほど冷却水流量の増加量を減少させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御すること
を特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system having a fuel cell that generates electricity by a chemical reaction of a supplied gas,
A cooling path through which cooling water for cooling the fuel cell is passed;
A cooling water circulation device for circulating cooling water in the cooling path;
A reservoir tank that is provided in the cooling path and supplies cooling water that circulates in the cooling path;
Cooling water temperature detection means for detecting the temperature of the cooling water in the reservoir tank;
The cooling water flow rate of the cooling water to be circulated in the cooling path is temporarily predetermined at a fixed time interval or at a timing determined based on the cooling water temperature in the reservoir tank detected by the cooling water temperature detecting means. Control means for controlling the amount of work of the cooling water circulation device so as to increase only by time,
The control means increases the increase amount of the cooling water flow rate as the temperature of the cooling water detected by the cooling water temperature detection means approaches the freezing point, and increases the cooling water flow rate as the cooling water temperature becomes far from the freezing point. A fuel cell system, wherein the work amount of the cooling water circulation device is controlled so as to reduce the amount.
前記制御手段は、前記外気温度検出手段によって検出される外気温度に応じて、前記外気温度が低いほど冷却水の冷却水流量を増加させる前記所定時間を増やし、前記外気温度が高いほど冷却水の冷却水流量を増加させる前記所定時間を減らすよう制御すること
を特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 An outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature of the fuel cell system;
The control means increases the predetermined time for increasing the cooling water flow rate of the cooling water as the outside air temperature is low, and increases the cooling water as the outside air temperature is high, according to the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein control is performed so as to reduce the predetermined time during which the coolant flow rate is increased.
前記制御手段は、前記車両の速度が遅いほど冷却水流量の増加量が制限されるよう前記冷却水循環装置の仕事量を制御し、
前記燃料電池で発電される電力量が小さいほど冷却水流量の増加量が制限されるよう前記冷却水循環装置の仕事量を制御すること
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。 The fuel cell system is mounted on a vehicle that travels using power generated by the fuel cell as a power source,
The control means controls the work amount of the cooling water circulation device so that the increase amount of the cooling water flow rate is limited as the speed of the vehicle is slow,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the work amount of the cooling water circulation device is controlled so that the amount of increase in the cooling water flow rate is limited as the amount of electric power generated by the fuel cell is smaller. .
を特徴とする請求項3記載の燃料電池システム。 When the cooling water temperature detected by the cooling water temperature detection means is equal to or lower than a predetermined temperature near the freezing point, the control means limits the speed based on the speed of the vehicle and the amount of electric power generated by the fuel cell. 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the work amount of the cooling water circulation device is controlled so that the cooling water flow rate is increased for the predetermined time without being received.
前記燃料電池を冷却する冷却水を通過させる冷却経路に設けられ、冷却水循環装置にて前記冷却経路内を循環させる冷却水を供給するリザーバタンク内の冷却水の温度を検出する冷却水温度検出工程と、
一定時間毎又は前記冷却水温度検出工程によって検出される前記リザーバタンク内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、前記冷却経路内を循環させる冷却水の冷却水流量を、一時的に所定時間だけ増加させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御する制御工程とを備え、
前記制御工程は、前記冷却水温度検出工程によって検出される前記冷却水の温度が氷点に近くなるほど冷却水流量の増加量を増大させ、前記冷却水の温度が氷点から遠くなるほど冷却水流量の増加量を減少させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御すること
を特徴とする冷却系凍結防止方法。 In a cooling system freeze prevention method of a fuel cell system having a fuel cell that generates power by a chemical reaction of a supplied gas,
Cooling water temperature detection step of detecting the temperature of cooling water in a reservoir tank that is provided in a cooling path through which cooling water for cooling the fuel cell is passed and supplies cooling water that circulates in the cooling path by a cooling water circulation device. When,
The cooling water flow rate of the cooling water to be circulated in the cooling path is temporarily predetermined at a fixed time interval or at a timing determined based on the cooling water temperature in the reservoir tank detected by the cooling water temperature detection step. A control step of controlling the work of the cooling water circulation device so as to increase only by time,
The control step increases the amount of increase in the cooling water flow rate as the temperature of the cooling water detected by the cooling water temperature detection step approaches the freezing point, and increases the cooling water flow rate as the cooling water temperature becomes far from the freezing point. The cooling system freeze prevention method characterized by controlling the work volume of the cooling water circulation device so as to reduce the amount.
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