JP2008123930A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電開始後の氷結を防止することができる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that can prevent freezing after the start of power generation.
燃料電池システムでは、低温(氷点下)環境下での燃料電池の始動性を向上させるために、燃料電池を暖機する技術が種々提案されている。燃料電池自動車などでは暖機を速やかに行うことが商品性などの点において要求されており、例えば、コンプレッサにより空気圧が高められて高温になった空気を燃料電池に供給することで燃料電池の暖機を速やかに行う技術が提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、燃料電池システムが氷点下に至るような環境下で使用されると、燃料電池の暖機運転が完了し、通常運転に移行した後であっても、燃料電池から排出された生成水や湿潤状態のカソードオフガス中の水分が配管内などで氷結するという問題があった。これは、暖機した後でも環境によって配管等の急激な温度低下が生じるためであり、発電性能を低下させるだけではなく、燃料電池システムの配管等の不具合を引き起こすおそれがあった。つまり、特許文献1のような従来技術では、これまで燃料電池の暖機運転完了後の配管等で発生する氷結については検討されていなかった。 However, when the fuel cell system is used in an environment where the temperature is below freezing point, the generated water discharged from the fuel cell or the wet water is wet even after the warm-up operation of the fuel cell is completed and the normal operation is started. There was a problem that the moisture in the cathode off-gas in a frozen state freezes in the piping. This is because, even after warming up, the temperature of pipes and the like rapidly decreases depending on the environment, which not only deteriorates the power generation performance but also may cause problems such as piping of the fuel cell system. In other words, in the conventional technology such as Patent Document 1, icing that occurs in piping after the completion of warm-up operation of the fuel cell has not been studied so far.
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、暖機完了後の排出経路の氷結を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent the freezing of the discharge path after completion of warm-up.
請求項1に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発熱量を制御する燃料電池発熱量制御手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機の完了が検出された後、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が所定温度以下の場合、前記燃料電池発熱量制御手段により前記燃料電池の温度を、前記収束温度の把握時の温度よりも上昇させることを特徴とする。 The invention according to claim 1 is a fuel cell that is supplied with an oxidant gas and a fuel gas to generate electric power, a fuel cell heating value control means that controls a heating value of the fuel cell, and an oxidation gas discharged from the fuel cell. The oxidant gas discharge passage through which the oxidant gas is circulated and discharged, the oxidant gas discharge passage temperature grasping means for grasping the convergence temperature of the oxidant gas discharge passage, and the warm-up of the fuel cell are completed A fuel cell warm-up completion determination unit that determines whether or not the fuel cell warm-up completion determination unit detects completion of warm-up of the fuel cell. When the convergence temperature obtained by the agent gas discharge channel temperature grasping means is equal to or lower than a predetermined temperature, the fuel cell heat generation amount control means raises the temperature of the fuel cell from the temperature at which the convergence temperature is grasped. It is characterized by.
請求項1に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路の収束温度が所定温度以下(例えば、氷点下以下)のときに、燃料電池の発熱量を増加させるので、酸化剤ガス排出流路を流れる酸化剤ガス(カソードオフガス)の温度も上昇し、燃料電池から排出された酸化剤ガス(カソードオフガス)は、氷結温度まで下がる前に燃料電池システムの外部(系外)に排出される。このため、発電開始後に燃料電池から排出された生成水や湿潤な酸化剤ガスに含まれる水分が酸化剤ガス排出流路で氷結するのを防止でき、氷結が進んで配管等に不具合が起こるのを防止できる。 According to the first aspect of the present invention, when the convergence temperature of the oxidant gas discharge channel is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, below the freezing point), the calorific value of the fuel cell is increased. The temperature of the flowing oxidant gas (cathode off-gas) also rises, and the oxidant gas (cathode off-gas) discharged from the fuel cell is discharged to the outside (outside of the fuel cell system) before falling to the freezing temperature. For this reason, it is possible to prevent the water contained in the generated water or the wet oxidant gas discharged from the fuel cell after the start of power generation from icing in the oxidant gas discharge flow path, and the icing progresses, causing problems in the piping and the like. Can be prevented.
請求項2に係る発明は、前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段は、前記燃料電池出力検出手段により検出された燃料電池の出力および前記外気温度検出手段により検出された外気温度に基づいて前記収束温度を推定することを特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明によれば、燃料電池の発電性能や外気温度から酸化剤ガス排出流路の温度を推定するため、酸化剤ガス排出流路の温度を直接に測定する装置を設置することなく温度把握が可能になる。 According to the second aspect of the present invention, in order to estimate the temperature of the oxidant gas discharge channel from the power generation performance of the fuel cell and the outside air temperature, a device for directly measuring the temperature of the oxidant gas discharge channel is installed. Temperature can be ascertained.
請求項3に係る発明は、前記燃料電池の発熱量と、前記酸化剤ガス排出流路の収束温度との相関関係を予め求めておき、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度に応じて前記燃料電池の発熱量を制御することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, a correlation between the calorific value of the fuel cell and the convergence temperature of the oxidant gas discharge passage is obtained in advance, and the correlation is obtained by the oxidant gas discharge passage temperature grasping means. The calorific value of the fuel cell is controlled according to the convergence temperature.
請求項3に係る発明によれば、予め試験等で求めた相関関係(マップ、関数、テーブル)を用いて、収束温度に応じて燃料電池の発熱量の上昇率を設定できるため、迅速に流速を変更することができる。 According to the third aspect of the present invention, the rate of increase in the heat generation amount of the fuel cell can be set according to the convergence temperature using the correlation (map, function, table) obtained in advance by a test or the like. Can be changed.
請求項4に係る発明は、前記燃料電池発熱量制御手段は、前記収束温度が所定温度より高くなるまで前記燃料電池の発熱量を上昇させることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路を通る酸化剤ガスの温度が所定温度よりも高くなるように燃料電池の発熱量を上昇させるため、必要な分だけ発熱量を上昇させることができ、過剰な発熱による膜(例えば、電解質膜)への悪影響やエネルギの消費を抑えることが可能になる。 According to the fourth aspect of the present invention, the heat generation amount of the fuel cell is increased so that the temperature of the oxidant gas passing through the oxidant gas discharge channel is higher than a predetermined temperature. It is possible to suppress adverse effects on the film (for example, electrolyte film) and energy consumption due to excessive heat generation.
請求項5に係る発明は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記燃料電池の温度が許容範囲を超えているか否かを判定する燃料電池過許容温度判定手段と、を備え、前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が、前記燃料電池過許容温度判定手段により前記燃料電池の許容温度を超えたと判定された場合、前記燃料電池発熱量制御手段による発熱量を上昇させる制御を停止させることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell, and a fuel cell over-permissible temperature determining means for determining whether or not the temperature of the fuel cell exceeds an allowable range. And when the fuel cell temperature detected by the fuel cell temperature detecting means is determined to have exceeded the allowable temperature of the fuel cell by the fuel cell over-permissible temperature determining means, The control for increasing the heat generation amount is stopped.
請求項5に係る発明によれば、燃料電池が許容温度を超えないように発熱量を上昇させるため、過加熱による膜の劣化を防ぐことが可能になる。 According to the fifth aspect of the present invention, the amount of heat generation is increased so that the fuel cell does not exceed the allowable temperature, so that it is possible to prevent deterioration of the film due to overheating.
本発明の燃料電池システムによれば、発電開始後の排出経路の氷結を防止することができるようになる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to prevent icing of the discharge path after the start of power generation.
(第1実施形態)
図1は本実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図2は第1実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図3は収束温度を把握する制御を示すサブフローチャート、図4は収束温度と燃料電池の出力との関係を示すマップ、図5は収束温度を補正するためのマップ、図6は排気温度と燃料電池の出力との関係を示すマップ、図7は燃料電池の負荷を増大させる対策前後の燃料電池の電圧と電流との関係を示すグラフである。なお、以下では、燃料電池システムを搭載した自動車を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、燃料電池システムを搭載した船舶や航空機、家庭用電源としての定置式の燃料電池システムであってもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of the fuel cell system according to the present embodiment, FIG. 2 is a flowchart illustrating anti-icing control according to the first embodiment, FIG. 3 is a sub-flowchart illustrating control for grasping the convergence temperature, and FIG. FIG. 5 is a map for correcting the convergence temperature, FIG. 6 is a map showing the relationship between the exhaust temperature and the output of the fuel cell, and FIG. 7 is for increasing the load on the fuel cell. It is a graph which shows the relationship between the voltage and current of a fuel cell before and after countermeasures. In the following description, an automobile equipped with a fuel cell system will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a stationary fuel cell as a power source for ships, aircraft, and households equipped with a fuel cell system is not limited thereto. It may be a system.
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池FC、アノード系20、カソード系30、冷却系35、希釈系40、排気系50、高電圧系60、制御系70などを含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of this embodiment includes a fuel cell FC, an
前記燃料電池FCは、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜2を、触媒を含むアノード極3と、触媒を含むカソード極4とで挟んでなる膜電極構造体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を、さらに一対の導電性のセパレータ5,6で挟んで構成した単セル(Single Cell)が厚み方向に複数積層された構造を有している。また、電解質膜2は、適度に加湿されることにより性能を発揮できる特性を有する膜である。また、燃料電池FCには、冷却媒体が流通する流路が形成されている。なお、図1では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。
The fuel cell FC includes a membrane electrode assembly (MEA; Membrane Electrode Assembly) in which an
前記アノード系20は、燃料ガスとしての水素を燃料電池FCのアノード極3に供給し、且つ、アノード極3から水素を排出するものであり、水素タンク21、エゼクタ22、パージ弁23、配管24a,24b,24c,24dなどで構成されている。
The
前記水素タンク21は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器であり、電磁作動式の遮断弁(図示せず)を備えている。
The
前記エゼクタ22は、アノード極3側から排出された未反応の水素を、燃料電池FCのアノード極3に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。
The
前記パージ弁23は、例えば遮断弁で構成され、運転中に適宜開放してアノード系20に蓄積された不純物を排出する弁である。なお、不純物とは、カソード極4から電解質膜2を介してアノード極3に透過した空気に含まれる窒素などである。
The
前記配管24aは、一端が水素タンク21に接続され、他端がエゼクタ22に接続されている。前記配管24bは、一端がエゼクタ22に接続され、他端が燃料電池FCのアノード極3側の入口に接続されている。前記配管24cは、燃料電池FCのアノード極3側の出口と接続され、他端がパージ弁23と接続されている。前記配管24dは、一端が配管24cと接続され、他端がエゼクタ22と接続されている。
One end of the
なお、図示していないが、アノード系20には、水素タンク21からの高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
Although not shown, the
前記カソード系30は、酸化剤ガスとしての空気(酸素)を燃料電池FCのカソード極4に供給し、且つ、カソード極4から空気などを排出するものであり、エアコンプレッサ31、加湿器32、背圧弁33、配管34a,34b,34c,34dなどを備えている。
The cathode system 30 supplies air (oxygen) as an oxidant gas to the
前記エアコンプレッサ31は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気(外気)を取り込んで圧縮して燃料電池FCのカソード極4に供給するものである。
The
前記加湿器32は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ31からの空気を流通させ、他側に燃料電池FCのカソード極4から排出されたカソードオフガス(湿潤な空気、生成水)を流通させることにより、エアコンプレッサ31からの空気を加湿するように構成されている。
The
前記背圧弁33は、例えばバタフライ弁などで構成され、燃料電池FCのカソード極4に供給される空気の圧力を適宜調整する機能を有している。
The
前記冷却系35は、ラジエータ36、サーモスタット弁37、循環ポンプ38、配管39a,39b,39c,39dなどを備えている。
The
前記ラジエータ36は、管やフィンなどで構成され、燃料電池FCで温められた冷却媒体を放熱させる機能を有している。
The
前記サーモスタット弁37は、冷却媒体の温度に応じて切り替わる機能を有し、冷却媒体が燃料電池FCを冷却する必要がある温度であるときに、ラジエータ36を通る位置に切替えられ、冷却媒体が燃料電池FCを冷却する必要がない温度であるときに、ラジエータ36をバイパスする位置に切替えられるように構成されている。この切替えは、例えばサーモスタット弁37内のワックスが温度によって体積が変化することによりなされるが、例えば制御部71からの信号により電気的に切替えが行われるようにしてもよい。
The
前記循環ポンプ38は、燃料電池FCとラジエータ36との間において冷却媒体を循環させる機能を有している。
The
前記配管39aは、燃料電池FCの冷却媒体の出口とサーモスタット弁37とを接続している。前記配管39bは、サーモスタット弁37とラジエータ36の入口とを接続している。前記配管39cは、ラジエータ36の出口と循環ポンプ38を介して燃料電池FCの冷却媒体の入口とを接続している。前記配管39dは、サーモスタット弁37と、ラジエータと循環ポンプ38との間の配管39cとを接続している。
The
前記希釈系40は、燃料電池FCから排出された水素を希釈する機能を有し、希釈器41、配管42a,42bなどを備えている。希釈器41は、パージ弁23の下流側の一端に接続された配管42aと、背圧弁33の下流側の一端に接続された配管42bとそれぞれ接続され、希釈器41内において、燃料電池FCのアノード極3から排出された水素を、燃料電池FCのカソード極4から排出されたオフガス(空気や水など)とを混合させて希釈するように構成されている。燃料電池FCから排出された水素が希釈器41を通ることにより、規定以下の濃度に希釈された水素が車外(大気中)に排出するようになっている。
The
前記排気系50は、サイレンサ51、テールパイプ52、配管53などを備えている。サイレンサ51は、排気音を低減する機能を有し、円筒形のケースを備え、内部を複数に区画することや、吸音材を設けることなどによって構成されている。テールパイプ52は、サイレンサ51の下流側の一端に接続された配管であり、車外(大気中)と連通するように構成されている。前記配管53は、サイレンサ51と希釈器41とを接続するように構成されている。
The
なお、燃料電池FCのカソード極4の出口以降の、配管34c、加湿器32の加湿する側の流路、配管42b、希釈器41、配管53、サイレンサ51、テールパイプ52によって、第1実施形態(他の実施形態についても同様)の酸化剤ガス排出流路R(図1参照)が構成されている。
Note that the
前記高電圧系60は、燃料電池FCで得られた電力(発電電流)を、負荷61に供給する機能を有している。なお、負荷とは、電動機(走行モータ)、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置、各種補機(エアコンプレッサ31を含む)などである。
The
前記制御系70は、制御部71、燃料電池温度センサS1、外気温度センサS2、風速センサS3、電流センサS4、電圧センサS5などを備えている。
The
前記制御部71は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、燃料電池発熱量制御手段、酸化剤ガス排出流路温度把握手段、燃料電池暖機完了判定手段を備えている。また、制御部71は、パージ弁23、エアコンプレッサ31、背圧弁33、各温度センサS1,S2、風速センサS3、電流センサS4、電圧センサS5と電気的に接続され、パージ弁23の開閉、エアコンプレッサ31の回転速度、背圧弁33の開度を制御し、燃料電池温度センサS1および外気温度センサS2により検出された各温度(℃)を取得し、風速センサS3により検出された風速(m/s)を取得し、電流センサS4により検出された電流値(IFC、アンペア)を取得し、電圧センサS5により検出された電圧値(VFC、ボルト)を取得する。
The
前記燃料電池温度センサS1は、燃料電池FCの温度を検出するセンサであり、燃料電池FCのアノード極3の出口近傍に設けられている。なお、燃料電池FCの温度を検出することができるものであれば、前記アノード極3の出口近傍に限定されるものではない。
The fuel cell temperature sensor S1 is a sensor that detects the temperature of the fuel cell FC, and is provided near the outlet of the
前記外気温度センサS2は、車外(外気)の温度を検出するセンサであり、外気を直接に測定できる車体などに設けられている。 The outside air temperature sensor S2 is a sensor that detects the temperature outside the vehicle (outside air), and is provided in a vehicle body that can directly measure outside air.
前記風速センサS3は、燃料電池システム1に吹き付ける風速を検出するものであり、例えば、酸化剤ガス排出流路Rの近傍に設けられている。ちなみに、風速が高くなるにつれて、酸化剤ガス排出流路Rの温度が低下する。なお、風速センサS3に替えて、車両の走行速度を検出する車速センサを用いてもよい。 The wind speed sensor S3 detects the wind speed blown to the fuel cell system 1, and is provided in the vicinity of the oxidant gas discharge channel R, for example. Incidentally, as the wind speed increases, the temperature of the oxidant gas discharge passage R decreases. A vehicle speed sensor that detects the traveling speed of the vehicle may be used in place of the wind speed sensor S3.
前記電流センサS4は、燃料電池FCから負荷61に向けて取り出される電流値を検出するものであり、前記電圧センサS5は、燃料電池FCの電圧値を検出するものであり、電流センサS4により検出された電流値と、電圧センサS5により検出された電圧値との積により、燃料電池FCから取り出される出力(電力;kW)が求められる。
The current sensor S4 detects a current value taken from the fuel cell FC toward the
次に、第1実施形態の燃料電池システム1における氷結防止制御について図2〜図7を参照(適宜、図1を参照)して説明する。なお、第1実施形態(他の実施形態についても同様)に示す燃料電池自動車(図示せず)は、アイドリングストップ機能を備えた車両であり、例えば、信号待ちなどで停車したときにエアコンプレッサ31の駆動を停止して燃料電池FCへの空気(酸化剤ガス)の供給を停止する機能を備えている。また、以下では、低温環境下で発電が開始され、発電開始後に燃料電池FCを暖機する制御が行われることを前提として説明する。
Next, icing prevention control in the fuel cell system 1 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 7 (refer to FIG. 1 as appropriate). The fuel cell vehicle (not shown) shown in the first embodiment (the same applies to the other embodiments) is a vehicle having an idling stop function. For example, the
まず、燃料電池自動車(車両)のイグニッションスイッチ(図示せず)がオフからオンに切り替えられると、制御部71は、水素タンク21に設けられた図示しない遮断弁を開弁して、水素タンク21から燃料電池FCのアノード極3に水素を供給し、エアコンプレッサ31の駆動を開始して燃料電池FCのカソード極4に加湿器32で加湿された空気を供給する。アノード極3では、触媒の作用によって水素イオン(プロトン)が生成され、この水素イオンが電解質膜2を透過してカソード極4に移動する。カソード極4では、触媒の作用によって、アノード極3から負荷61を通ってカソード極4に移動した電子と、水素イオンと、酸素との反応により水が生成される。このようにして、燃料電池FCでは、発電が行われるとともに水が生成される(図2のステップS100)。発電開始後、燃料電池FCの暖機を行う場合には、例えば、燃料電池FCに通常運転よりも高い流量および圧力で空気を供給して、燃料電池FCを高い出力で発電させる。
First, when an ignition switch (not shown) of the fuel cell vehicle (vehicle) is switched from OFF to ON, the
そして、図2のステップS105に進み、制御部71は、暖機が完了したか否かを判断する。なお、このステップS105が、本実施形態における燃料電池暖機完了判定手段に相当する。また、燃料電池温度センサS1から得られる燃料電池FCの温度が所定温度(例えば、30℃)を超えたと判断したとき、暖機が完了したと判断できる。ステップS105において、制御部71は、暖機が完了していないと判断した場合には(No)、ステップS105の処理を繰り返し、暖機が完了したと判断した場合には(Yes)、ステップS110に進む。なお、暖機完了を判断するための燃料電池FCの温度は、例えば、燃料電池FCから排出される水素の出口温度、燃料電池FCから排出される空気の出口温度、燃料電池FCから排出される冷却媒体の出口温度である。
Then, the process proceeds to step S105 in FIG. 2, and the
なお、発電開始後、制御部71は、循環ポンプ38を駆動して、冷却媒体を循環させる。燃料電池FCの温度が低く、冷却媒体の温度が所定温度よりも低い場合には、ラジエータ36をバイパスする側にサーモスタット弁37が切り替わって冷却媒体が循環し、燃料電池FCの温度が過度に高くなって冷却媒体の温度が所定温度よりも高い場合には、サーモスタット弁37がラジエータ36側に切り替わることで、冷却媒体がラジエータ36で放熱されて、冷却された冷却媒体によって燃料電池FCが冷却される。
In addition, after starting electric power generation, the
ステップS110において、制御部71は、カソード極4の出口以降の酸化剤ガス排出流路Rの温度を把握する。なお、ステップS110が、本実施形態における酸化剤ガス排出流路温度把握手段に相当する。ステップS110では、図3のサブフローに進み、ステップS111において、制御部71は、酸化剤ガス排出流路Rの収束温度を図4に示すマップに基づいて推定する。なお、収束温度とは、燃料電池FCのカソード極4の出口からテールパイプ52の出口までの酸化剤ガス排出流路Rにおいて、最も低い温度となる部位の温度を意味する。ちなみに、図4は、収束温度と燃料電池FCの出力(FC出力)との関係を示すマップであり、実線は外気温度がマイナス10℃の場合を図示している。また、外気温度がマイナス10℃よりも高い常温の場合には、図4において実線よりも上側にシフトした破線で示すマップに基づいて収束温度が推定され、外気温度がマイナス10℃より低いマイナス30℃の場合には、実線よりも下側にシフトした破線で示すマップに基づいて収束温度が推定される。なお、このときの外気温度は、外気温度センサS2により検出される温度(℃)によって求められ、FC出力は、電流センサS4により検出される電流値(A)と電圧センサS5により検出される電圧値(V)の積によって求められる。ただし、FC出力は、電流と電圧の積(電力)に限定されるものではなく、燃料電池FCから取り出される電流、あるいは燃料電池FCにかかる電圧(例えば、総セル電圧)であってもよい。
In step S <b> 110, the
そして、図3のステップS112に進み、制御部71は、収束温度を図5に示すマップに基づいて補正する。収束温度を補正するための条件としては、風速センサS3により検出される風速(m/s)を用いる。ちなみに、図5のマップを用いると、風速が高い場合には、図4で推定した収束温度よりも低くなり、風速が低い場合には、図4で推定した収束温度よりも高くなるように、収束温度が補正される。なお、風速に替えて車速を用いてもよく、この場合には風速のときと同様に、車速が速いとマップが下側にシフトし、車速が遅いとマップが上側にシフトする。
And it progresses to step S112 of FIG. 3, and the
そして、ステップS112の後、リターンにより図2のフローに戻ってステップS120に進み、制御部71は、ステップS110において把握された収束温度が0℃以下であると判断した場合には(Yes)、酸化剤ガス排出流路R内において氷結の恐れが有ると判断して、ステップS150に進み、燃料電池FCの発熱量の作動条件として、燃料電池FCの負荷を増加させる制御を行う。なお、このステップS150が、本実施形態における燃料電池発熱量制御手段に相当する。
And after step S112, it returns to the flow of FIG. 2 by a return and progresses to step S120, and when the
燃料電池FCの負荷を増加させる手段としては、例えば、燃料電池FCから取り出す電力を増量して蓄電装置(図示せず)に充電するようにしてもよい。図6に示すように、燃料電池FCの負荷を増加させてFC出力を増加させることにより、燃料電池FCの発熱量が高まり、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスの排気温度が高まるようになる。 As a means for increasing the load of the fuel cell FC, for example, the electric power taken out from the fuel cell FC may be increased and the power storage device (not shown) may be charged. As shown in FIG. 6, by increasing the load of the fuel cell FC and increasing the FC output, the amount of heat generated by the fuel cell FC increases, and the exhaust temperature of the cathode offgas discharged from the fuel cell FC increases. .
また、燃料電池FCの負荷を増加させる別の手段としては、循環ポンプ38(図1参照)を停止、または回転速度を低下させてもよい。これにより、燃料電池FCを冷却する冷却効率が低下することで、燃料電池FCの発熱量が高まり、燃料電池FCからの排気温度が高まるようになる。 As another means for increasing the load of the fuel cell FC, the circulation pump 38 (see FIG. 1) may be stopped or the rotational speed may be reduced. As a result, the cooling efficiency for cooling the fuel cell FC decreases, so that the amount of heat generated by the fuel cell FC increases and the exhaust temperature from the fuel cell FC increases.
なお、図7に示すように、符号F1で示す燃料電池FCのI−V(電流−電圧)特性を、符号F2で示すように効率の悪い作動条件にして、燃料電池FCの発熱量を増加させてもよい。具体的には、ストイキを低下させること、空気の供給圧力を低下させることなどである。このように、I−V特性を低下させることで、燃料電池FCの出力全域にわたって発熱量を増加させることができる。 As shown in FIG. 7, the IV (current-voltage) characteristic of the fuel cell FC indicated by reference numeral F1 is set to an inefficient operating condition as indicated by reference numeral F2, and the heat generation amount of the fuel cell FC is increased. You may let them. Specifically, the stoichiometry is lowered, the air supply pressure is lowered, and the like. Thus, the calorific value can be increased over the entire output of the fuel cell FC by reducing the IV characteristics.
そして、ステップS160に進み、制御部71は、アイドリングストップ制御を禁止する制御を行う。アイドリングストップ制御とは、例えば、車両が信号待ちなどで停止したときに、エアコンプレッサ31を停止させ、エネルギの消費や騒音を抑える制御である。ここでアイドリングストップ制御を許可すると、エアコンプレッサ31の停止により収束温度がさらに低下するため、ステップS150においてカソードオフガスの排気温度を上昇させて氷結を防止するように制御したことが無駄になり、酸化剤ガス排出流路Rの生成水や湿潤なカソードオフガスに含まれる水分が氷結する可能性が逆に高まることになる。そこで、本実施形態では、制御部71によって収束温度が0℃以下で氷結の恐れが有ると判断された場合には、アイドリングストップ制御を禁止するようにしている。
And it progresses to step S160 and the
このように、第1実施形態では、アイドリングストップ機能を備えた燃料電池自動車に適用する場合において、アイドリングストップ制御を許可するか否かを判定するアイドリングストップ許可判定手段を制御部71に設けて、酸化剤ガス排出流路Rにおいて氷結の恐れが有る場合には(S120、Yes)、燃料電池FCの発熱量を増加させつつ、アイドリングストップ制御を禁止すること(S160)により、氷結の恐れを確実に防止できるようになっている。
Thus, in the first embodiment, when applied to a fuel cell vehicle having an idling stop function, the
そして、ステップS170に進み、制御部71は、燃料電池システム1の運転が継続されているか否かを判断する。なお、運転継続の判断は、例えば、イグニッションスイッチ(図示せず)のオン・オフの状態に基づいて判断できる。ステップS170において、制御部71は、イグニッションスイッチがオン状態で運転が継続していると判断した場合には(Yes)、ステップS110に戻り、収束温度を再度把握(推定、補正)する(S111,S112)。また、ステップS170において、制御部71は、イグニッションスイッチがオフ状態で運転が継続していないと判断した場合には(No)、ステップS180に進み、水素タンク21に設けられた遮断弁(図示せず)を閉弁して燃料電池FCのアノード極3への水素の供給を停止し、エアコンプレッサ31を停止して燃料電池FCのカソード極4への空気の供給を停止して、発電を終了する。
And it progresses to step S170 and the
一方、ステップS120において、制御部71は、収束温度が0℃以下でないと判断した場合には(No)、酸化剤ガス排出流路Rにおいて氷結の恐れは無い(氷結は発生しない)と判断して、ステップS130に進み、燃料電池FCの発熱量の作動条件を、通常制御に設定する。つまり、通常制御とは、前記のように、蓄電装置(図示せず)への充電を過剰に増やしたり、補機での消費を過剰に増やすなど、過剰に負荷を増加させることのない運転を意味している。
On the other hand, in step S120, when the
そして、ステップS140に進み、制御部71は、アイドリングストップ制御を許可する制御を行う。この場合には、氷結の恐れがないと判断できるので、アイドリングストップ制御を許可して、アイドリングストップ時のエネルギ消費や騒音を抑える。
And it progresses to step S140 and the
そして、ステップS170に進み、制御部71は、前記したように、イグニッションスイッチがオン状態であると判断した場合には(Yes)、ステップS110に戻り、収束温度を再度把握し(S110)、イグニッションスイッチがオフ状態であると判断した場合には(No)、ステップS180に進み、発電を終了する。
And it progresses to step S170, and when the
このように、燃料電池自動車が低温(氷点下)環境下で使用されると、発電開始後で燃料電池自動車が走行できる状態であっても、図8のグラフAに示すように、酸化剤ガス排出流路Rの収束温度が燃料電池FCから下流へと遠ざかるにつれて低下し、車外に排出される前に0℃以下となることがある。これにより、燃料電池FCから高温のカソードオフガスが排出されたとしても、酸化剤ガス排出流路Rを通ってテールパイプ52から排出される間にカソードオフガスが0℃以下に冷やされて、燃料電池FCからの生成水や湿潤なカソードオフガスに含まれる水分が氷結することとなる。そこで、第1実施形態の燃料電池システム1では、図8のグラフBに示すように、収束温度が0℃以下になると推定され、酸化剤ガス排出流路Rにおいて氷結が発生する恐れがあると判断される場合には、燃料電池FCの負荷を増加させて、燃料電池FCの発熱量を増やし、燃料電池FCから排出されるカソードオフガスの排気温度を上昇させることにより、酸化剤ガス排出流路Rの全部位において温度が上昇し、カソードオフガスが氷結する前に車外にカソードオフガスを排出できるようになる。
As described above, when the fuel cell vehicle is used in a low temperature (below freezing) environment, as shown in the graph A in FIG. The convergence temperature of the flow path R decreases as it moves away from the fuel cell FC, and may reach 0 ° C. or lower before being discharged out of the vehicle. As a result, even if high temperature cathode offgas is discharged from the fuel cell FC, the cathode offgas is cooled to 0 ° C. or lower while being discharged from the
(第2実施形態)
図9は第2実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図10は収束温度と燃料電池の発熱量との関係を示すマップである。なお、第2実施形態での燃料電池システムの構成は、第1実施形態における燃料電池システム1と同様である。また、図9に示すフローチャートでは、第1実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a flowchart showing the anti-icing control of the second embodiment, and FIG. 10 is a map showing the relationship between the convergence temperature and the amount of heat generated by the fuel cell. The configuration of the fuel cell system in the second embodiment is the same as that of the fuel cell system 1 in the first embodiment. Moreover, in the flowchart shown in FIG. 9, about the control similar to 1st Embodiment, the same step code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
図9に示すように、制御部71は、ステップS120において、収束温度が0℃以下であると判断した場合には(Yes)、酸化剤ガス排出流路Rにおいて氷結の恐れが有ると判断して、ステップS151に進み、図10に示すマップに基づいて燃料電池FCの発熱量を上昇(UP)させる制御を行う。図10に示すマップは、収束温度と燃料電池FCの発熱量(FC発熱量)との相関関係をテスト(試験)などで予め求めたものである。このように、図10に示すマップを用いることにより、例えば、収束温度がT1(<0℃)のときに燃料電池FCの発熱量がQとなることから、燃料電池FCの負荷を増加させるだけでよいので、迅速にカソードオフガスの温度アップの制御ができるようになる。このように、事前にテスト(試験)で求めたマップ(図10)を用いて、収束温度が0℃のときの燃料電池FCの発熱量を基準として、収束温度に応じた発熱量の上昇率Δqを直ちに設定できるので、瞬時に発熱量を上昇させることができるようになる。
As shown in FIG. 9, when the
(第3実施形態)
図11は第3実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。なお、第3実施形態での燃料電池システムの構成は、第1実施形態における燃料電池システム1と同様である。また、図11に示すフローチャートでは、第1実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a flowchart showing the anti-icing control of the third embodiment. In addition, the structure of the fuel cell system in 3rd Embodiment is the same as that of the fuel cell system 1 in 1st Embodiment. Moreover, in the flowchart shown in FIG. 11, the same step code | symbol is attached | subjected about the control similar to 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
図11に示すように、ステップS150において、制御部71は、燃料電池FCの発熱量を増加させた後、ステップS154に進み、収束温度が所定温度より高いか否かを判断する。なお、ここでの収束温度は、ステップS110と同様にして把握(推定、補正)される温度である。また、ステップS154における所定温度は、ステップS120における所定温度(0℃)と同じ値であってもよく、あるいはステップS120の所定温度(0℃)よりも若干高い値(例えば、5℃)であってもよく、適宜変更することができる。ステップS154において、制御部71は、収束温度が所定温度よりも高くないと判断した場合には(No)、ステップS160に進み、アイドリングストップ制御を禁止する。また、ステップS154において、制御部71は、収束温度が所定温度よりも高いと判断した場合には(Yes)、ステップS130に進み、カソードオフガスの流速を通常制御の場合の流速に下げ、ステップS140に進み、アイドリングストップ制御については、許可に設定されていればその許可を維持し、禁止に設定されていれば許可に変更する。
As shown in FIG. 11, in step S150, the
このように、第3実施形態では、燃料電池FCの発熱量アップ後の収束温度を監視して、必要な分だけ発熱量を上昇させることができるので、発熱量を過剰に上昇させることがなく、過剰な温度上昇による電解質膜2への悪影響(乾燥など)やエネルギの消費を低減させることが可能になる。
Thus, in the third embodiment, the convergence temperature after the heat generation amount of the fuel cell FC is increased and the heat generation amount can be increased by a necessary amount, so that the heat generation amount is not increased excessively. It is possible to reduce adverse effects (drying etc.) and energy consumption on the
(第4実施形態)
図12は第4実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。なお、第4実施形態での燃料電池システムの構成は、第1実施形態における燃料電池システム1の制御部71が、燃料電池過許容温度判定手段をさらに含む構成となっている。また、図12に示すフローチャートでは、第1実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付してその説明を簡略して説明する。
(Fourth embodiment)
FIG. 12 is a flowchart showing the anti-icing control of the fourth embodiment. In addition, the structure of the fuel cell system in 4th Embodiment becomes a structure in which the
図12に示すように、ステップS120において、制御部71は、収束温度が0℃以下であると判断した場合には(Yes)、ステップS121に進み、燃料電池FCの温度(FC温度)が許容範囲を超えているか否かを判断する。なお、ステップS121が、本実施形態の燃料電池過許容温度判定手段に相当する。また、許容範囲を超えるとは、例えば、電解質膜2が過剰に乾燥して、燃料電池FCの劣化が進行してしまうことを意味している。また、燃料電池FCの温度は、燃料電池温度センサS1によって検出される温度である。また、このときの燃料電池FCの温度は、例えば、電解質膜2の種類などに応じて適宜変更できる。
As shown in FIG. 12, when the
ステップS121において、制御部71は、燃料電池FCの温度が許容範囲を超えていないと判断した場合には(No)、ステップS150に進み、燃料電池FCの発熱量を上昇させ、ステップS160に進み、アイドリングストップ制御を禁止する。また、ステップS121において、制御部71は、燃料電池FCの温度が許容範囲を超えていると判断した場合には(Yes)、ステップS130に進み、燃料電池FCの発熱量を通常制御に設定し、ステップS140に進み、アイドリングストップ制御を許可する。
In step S121, when the
このように第4実施形態では、燃料電池FCの許容温度を超えないように燃料電池FCの発熱量を上昇させるため、過剰な加熱によって電解質膜2の劣化が進行するのを防止できる。
As described above, in the fourth embodiment, since the heat generation amount of the fuel cell FC is increased so as not to exceed the allowable temperature of the fuel cell FC, it is possible to prevent the deterioration of the
なお、前記した各実施形態では、収束温度を、FC出力と外気温度と風速(車速)とを用いて把握(推定、補正)したが、酸化剤ガス排出流路Rにおいて収束温度が最低になると予想される位置に温度センサを設けるようにしてもよい。このように、収束温度を直接的に把握することにより、図2のステップS110(図3に示すサブフロー)による制御を不要にできる。 In each of the above-described embodiments, the convergence temperature is grasped (estimated and corrected) using the FC output, the outside air temperature, and the wind speed (vehicle speed). However, when the convergence temperature is the lowest in the oxidant gas discharge flow path R. A temperature sensor may be provided at an expected position. Thus, by directly grasping the convergence temperature, the control by step S110 in FIG. 2 (subflow shown in FIG. 3) can be eliminated.
また、本発明は、第1実施形態〜第4実施形態を選択的に適宜組み合わせて構成してもよい。 The present invention may be configured by selectively combining the first to fourth embodiments as appropriate.
1 燃料電池システム
71 制御部(酸化剤ガス温度把握手段、燃料電池暖機完了判定手段、燃料電池発熱量制御手段、燃料電池過許容温度判定手段)
FC 燃料電池
R 酸化剤ガス排出流路
S1 燃料電池温度センサ(燃料電池温度検出手段)
S2 外気温度センサ(外気温度検出手段)
S4 電流センサ(燃料電池出力検出手段)
S5 電圧センサ(燃料電池出力検出手段)
1
FC fuel cell R Oxidant gas discharge flow path S1 Fuel cell temperature sensor (fuel cell temperature detection means)
S2 Outside air temperature sensor (outside air temperature detection means)
S4 Current sensor (fuel cell output detection means)
S5 Voltage sensor (fuel cell output detection means)
Claims (5)
前記燃料電池の発熱量を制御する燃料電池発熱量制御手段と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機の完了が検出された後、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が所定温度以下の場合、前記燃料電池発熱量制御手段により前記燃料電池の温度を、前記収束温度の把握時の温度よりも上昇させることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that is supplied with oxidant gas and fuel gas to generate electricity;
Fuel cell heating value control means for controlling the heating value of the fuel cell;
An oxidant gas discharge passage through which the oxidant gas discharged from the fuel cell is circulated and discharged;
An oxidant gas discharge channel temperature grasping means for grasping a convergence temperature of the oxidant gas discharge channel;
Fuel cell warm-up completion determining means for determining whether the fuel cell has been warmed-up;
A fuel cell system comprising:
After the completion of warming-up of the fuel cell is detected by the fuel cell warming-up completion determining means, and the convergence temperature obtained by the oxidant gas discharge channel temperature grasping means is not more than a predetermined temperature, the fuel cell A fuel cell system characterized in that the temperature of the fuel cell is raised by the calorific value control means above the temperature at the time of grasping the convergence temperature.
外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、
前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段は、前記燃料電池出力検出手段により検出された燃料電池の出力および前記外気温度検出手段により検出された外気温度に基づいて前記収束温度を推定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 Fuel cell output detection means for detecting the output of the fuel cell;
An outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature,
The oxidant gas discharge channel temperature grasping means estimates the convergence temperature based on the output of the fuel cell detected by the fuel cell output detecting means and the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means. The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池の温度が許容範囲を超えているか否かを判定する燃料電池過許容温度判定手段と、を備え、
前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が、前記燃料電池過許容温度判定手段により前記燃料電池の許容温度を超えたと判定された場合、前記燃料電池発熱量制御手段による発熱量を上昇させる制御を停止させることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 Fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
A fuel cell over-permissible temperature determining means for determining whether or not the temperature of the fuel cell exceeds an allowable range,
When the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detection means is determined by the fuel cell over-permissible temperature determination means to exceed the allowable temperature of the fuel cell, the amount of heat generated by the fuel cell heat generation amount control means The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the control for raising the temperature is stopped.
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