JP2009037857A - Vehicular fuel cell system and its operating temperature control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両用燃料電池システム、および、その運転温度の制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system for a vehicle and a method for controlling an operating temperature thereof.
例えば、特許文献1には、燃料電池を冷却する冷却手段を空冷する冷却ファンを最適に制御する手法について開示されている。具体的には、目標放熱量が上昇している場合、燃料電池の出力が大きい程、ラジエータファンの回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出し、目標放熱要求が低下している場合、燃料電池の出力が大きい程、ラジエータファンの回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。そして、目標放熱量が回転開始閾値を越えている場合にはラジエータファンを起動する。
ところで、特許文献1に開示された手法によれば、燃料電池システムから取り出す最低取出電流に対応する上限温度、具体的には、最低取出電流が燃料電池から取り出される運転状況においてその燃料電池のドライアウトを抑制する上限温度が、目標運転温度として設定される。そのため、目標運転温度が低い温度値に設定されるため、中、高負荷では、目標運転温度を超えてしまい、ラジエータファンが最大回転数で動作し、音振性能と燃費とが悪くなってしまう可能性がある。また、このような状況から、アイドル運転まで出力を落とした場合には、目標運転温度への冷却が間に合わずに、ドライアウトが発生する可能性もある。
By the way, according to the technique disclosed in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドライアウトを抑制しつつ、冷却手段の音信性能、冷却性能、燃費の向上を図る。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to improve the sound performance, cooling performance, and fuel consumption of the cooling means while suppressing dryout.
かかる課題を解決するために、本発明は、車両減速時に燃料電池から放熱可能な熱量である放熱可能熱量に基づいて、燃料電池の目標運転温度を算出し、この目標運転温度に基づいて、冷却手段を制御する。 In order to solve such a problem, the present invention calculates a target operating temperature of the fuel cell based on a heat dissipable amount of heat that can be dissipated from the fuel cell when the vehicle decelerates, and performs cooling based on the target operating temperature. Control means.
本発明によれば、ドライアウトを抑制しつつ、冷却手段の音信性能、冷却性能、燃費の向上を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the sound performance, cooling performance, and fuel consumption of the cooling means while suppressing dryout.
図1は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは、例えば、車両に搭載されて、その電源として機能する車両用燃料電池システムである。 FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. This fuel cell system is, for example, a vehicle fuel cell system that is mounted on a vehicle and functions as its power source.
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック(燃料電池)1を備える。この燃料電池スタック1は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素を用いるケースについて説明する。
A fuel cell system is a fuel cell stack (fuel cell) in which a fuel cell structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode is sandwiched between separators, and a plurality of them are stacked. ) 1 is provided. In the
この燃料電池スタック1を備える燃料電池システムには、燃料電池スタック1に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック1に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック1を冷却するための冷却系とが備えられている。
In the fuel cell system including the
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク10(例えば、高圧水素ボンベ)に貯蔵されており、この燃料タンク10から水素供給流路L1を介して燃料電池スタック1に供給される。具体的には、燃料タンク10の下流には燃料タンク元弁(図示せず)が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク10からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁(図示せず)によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ11によって更に減圧された後に、燃料電池スタック1に供給される。水素調圧バルブ11は、燃料電池スタック1へ供給される水素圧力(燃料極における水素の圧力)が所望の値となるように、後述するコントロールユニット40によってその開度が制御される。
In the hydrogen system, hydrogen, which is a fuel gas, is stored in a fuel tank 10 (for example, a high-pressure hydrogen cylinder), and is supplied from the
燃料極から排出される排出ガス(未使用の水素を含むガス)は、水素循環流路(循環流路)L2へと導入される。この水素循環流路L2は、他方の端部が水素調圧バルブ11よりも下流側の水素供給流路L1に接続されており、水素循環流路L2には、例えば、水素循環ポンプ12といった水素循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ12を駆動することにより、燃料極側からの排出ガスは、水素循環流路L2を通り水素供給流路L1(すなわち、燃料極における水素の供給側)へと循環される。水素循環ポンプ12の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック1へ供給される水素流量が所望の値となるように、コントロールユニット40によって制御される。
Exhaust gas (gas containing unused hydrogen) discharged from the fuel electrode is introduced into the hydrogen circulation channel (circulation channel) L2. The other end of the hydrogen circulation flow path L2 is connected to the hydrogen supply flow path L1 on the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 11. The hydrogen circulation flow path L2 includes, for example, a hydrogen such as a
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路L2内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物量が多くなりすぎると、燃料電池スタック1の出力が低下したり、水素循環ポンプ12によって水素を循環させることができなくなったりして、安定した発電を行うことができなくなる。そのため、燃料極および水素循環流路L2内の不純物量を管理する必要があり、水素循環流路L2には、これを流れるガスを外部に排出する排出流路L3が設けられている。この排出流路L3には、パージバルブ13が設けられており、このパージバルブ13の開き量を調整することにより、排出流路L3を介して外部に排出される不純物量を調整することができる。また、排出流路L3には、水素希釈装置14が設けられており、不純物を排出する際に同時に排出される水素は、この水素希釈装置14によって、車外へ放出する前に希釈される。パージバルブ13は、燃料極および水素循環流路L2内に存在する不純物量が発電性能および循環性能を維持できるように、その開き量がコントロールユニット40によって制御される。
By the way, in the case of using air as the oxidant gas, since impurities in the air permeate from the oxidant electrode to the fuel electrode, the impurities in the hydrogen circulation passage L2 including the fuel electrode increase and the hydrogen partial pressure decreases. Tend to. Here, the impurity is a non-fuel gas component other than hydrogen which is a fuel gas, and a typical example is nitrogen. If the amount of impurities is too large, the output of the
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ20によって取り込まれた後に加圧されて、空気供給流路L4を介して燃料電池スタック1に供給される。この空気供給流路L4には、加湿装置(図示せず)が設けられており、燃料電池スタック1に供給される空気は、燃料電池スタック1の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック1からの排出ガス(酸素が消費された空気)は、空気排出流路L5を介して外部に排出される。この空気排出流路L5には、空気調圧バルブ21が設けられている。この空気調圧バルブ21は、燃料電池スタック1へ供給される空気圧力(酸化剤極における空気の圧力)が所望の値となるように、その開度がコントロールユニット40によって制御される。また、コンプレッサ20の駆動量、すなわち、その回転数は、酸化剤極に供給される空気圧力を加味した上で、燃料電池スタック1へ供給される空気流量が所望の値となるように、コントロールユニット40によって制御される。
In the air system, for example, air that is an oxidant gas is pressurized after the atmosphere is taken in by the
冷却系は、燃料電池スタック1を冷却する冷媒が循環する閉ループ状の冷却流路L6を有している。この冷却流路L6には、冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ31と、ラジエータ32と、このラジエータ32に送風するラジエータファン33が設けられている。この冷媒循環ポンプ31を動作させることにより、冷却流路L5内の冷媒が循環する。燃料電池スタック1の冷却によって温度が上昇した冷媒は、冷却流路L6を経由して、ラジエータ32へと流れ、ラジエータ32によって、その熱が放熱されることにより冷却される。冷却された冷媒は、燃料電池スタック1へと供給される。冷却流路L6は、燃料電池スタック1内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック1は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。ラジエータファン33の駆動量、すなわち、回転数を制御することにより、所望の放熱量を得ることができる。
The cooling system has a closed loop cooling flow path L6 in which a refrigerant for cooling the
また、冷却流路L6は、燃料電池スタック1から排出された冷媒を、ラジエータ32を経由させずに燃料電池スタック1へと循環させるバイパス流路L7を含んでいる。冷媒流路L6とバイパス流路L7との交点には、三方弁34が設けられており、この三方弁34の設定開度に応じて、ラジエータ32を経由する冷却ルートと、ラジエータ32を迂回するバイパスルートとの間で冷媒の分配流量を切り替えることができる。三方弁34の開度を制御することにより、冷却ルートとバイパスルートとにおける冷媒流量比が調整され、燃料電池スタック1内を流れる冷媒を所望の温度に調整することができる。
Further, the cooling flow path L6 includes a bypass flow path L7 that circulates the refrigerant discharged from the
冷媒循環ポンプ31およびラジエータファン33の駆動量、および、三方弁34の開度は、燃料電池スタック1へ流入する冷媒の温度(以下「入口冷媒温度」という)が目標冷媒温度(すなわち、燃料電池スタック1の目標運転温度)となるように、コントロールユニット40によって制御される。なお、入口冷媒温度に基づいて冷媒の温度を制御する場合、入口冷媒温度が目標冷媒温度に到達したとしても、燃料電池スタック1から排出される冷媒の温度は、燃料電池スタック1の出力に応じて変化する。本実施形態において、冷媒循環ポンプ31、ラジエータ2、ラジエータファン33および三方弁34は、燃料電池スタック1を冷却する冷却手段として機能している。
The driving amount of the
燃料電池スタック1には、出力取出装置2が接続されている。この出力取出装置2は、コントロールユニット40によって制御され、燃料電池スタック1から必要な出力(例えば、電流)を取り出して、この取り出した出力を、車両を駆動する電動モータ3、燃料電池スタック1を動作させる種々の補機(例えば、コンプレッサ20、水素循環ポンプ12、冷媒循環ポンプ31、ラジエータファン33など)、および、車両系のシステム(空調装置など)へと供給する。
An output extraction device 2 is connected to the
出力取出装置2および電動モータ3には、バッテリ4が並列的に接続されており、このバッテリ4は、次に示すような機能を担っている。第1に、システムに要求される出力(要求出力)に対して、燃料電池スタック1における発電電力が不足する場合、不足分の出力を電動モータ3などに供給する。第2に、燃料電池スタック1の発電電力が要求出力に対して余剰の場合、余剰分の出力を蓄電する。
A battery 4 is connected in parallel to the output extraction device 2 and the electric motor 3, and the battery 4 has the following functions. First, when the generated power in the
図2は、コントロールユニット40を示すブロック図である。コントロールユニット40は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従ってシステムの各部を制御することにより、燃料電池スタック1の運転状態を制御する。コントロールユニット40としては、CPU、ROM、RAM、I/Oインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントロールユニット40は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御出力として各種のアクチュエータに出力し、冷媒循環ポンプ31、ラジエータファン33、三方弁34といった種々の要素を制御する。また、コントロールユニット40には、システムの状態を検出するために、検出部5から信号が制御入力として入力されている。
FIG. 2 is a block diagram showing the
検出部5は、各種のセンサ等によって構成される検出手段の総体であり、本実施形態では、車速、外気温、外気圧、ラジエータファン33の回転数、入口冷媒温度、冷媒循環ポンプ31の回転数、三方弁34の開度などを検出している。また、検出部5は、周知のナビゲーションシステムの情報に基づいて、現在車両が走行している走行環境を示す走行パターンを検出する。
The
本実施形態との関係において、コントロールユニット40は、これを機能的に捉えた場合、算出部(算出手段)41と、制御部(制御手段)42とを有している。算出部41は、車両減速時に燃料電池スタック1から放熱可能な熱量である放熱可能熱量を算出するとともに、この放熱可能熱量に基づいて、燃料電池スタック1の目標運転温度を算出する。また、算出部41は、燃料電池スタック1から取り出す取出電流と、この取出電流に対応するドライアウト上限温度との関係を保持している。ここでドライアウト上限温度は、燃料電池スタック1の性能劣化を引き起こす程度に固体高分子膜が乾燥状態となることを抑制するための運転温度の上限値であり、取出電流に対応する運転条件に基づいて、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。
In relation to the present embodiment, the
制御部42は、算出部41によって算出された目標運転温度に基づいて、冷媒循環ポンプ31、ラジエータファン33および三方弁34を制御する。また、制御部42は、必要に応じて、燃料電池スタック1から取り出す取出電流の下限制限値を設定するとともに、出力取出装置2を制御して、この下限制限値よりも取出電流が下回らないように取出電流を制限する。
The
図3は、燃料電池システムにおける運転温度の制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、コントロールユニット40によって実行される。
FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure of the operating temperature in the fuel cell system. The process shown in this flowchart is called at a predetermined cycle and executed by the
まず、ステップ1(S1)において、算出部41は、検出部5から検出値(検出パラメータ)を読み込む。このステップ1において読み込まれる検出パラメータとしては、車速、外気温、外気圧、ラジエータファン33の回転数、入口冷媒温度、冷媒循環ポンプ31の回転数、三方弁34の開度、および、走行パターンが挙げられる。
First, in step 1 (S1), the
図4は、冷媒低下温度Aの算出概念を示す説明図である。ステップ2(S2)において、算出部41は、冷媒低下温度Aを算出する。この冷媒低下温度Aは、車両が減速してから停止するまでの時間(減速時間)Tsに、冷媒が低下する温度(絶対値)を示している。算出部41は、このステップ2において、冷媒低下温度Aを算出する前提として、車両減速時に燃料電池スタック1から放熱可能な熱量を放熱可能熱量Q3tとして算出している。この放熱可能熱量Q3tは、減速時間Tsにおいて燃料電池スタック1が発熱するトータルの発熱量(以下「総発熱量」という)Q1tと、減速時間Tsにおいてラジエータ32から放熱されるトータルの放熱量(以下「総放熱量」という)Q2tとに基づいて、算出される。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a calculation concept of the refrigerant lowering temperature A. In step 2 (S2), the
具体的には、算出部41は、現在の車速に基づいて、減速時間Tsを算出する。車速と、これに対応する減速時間Tsとの関係は、実験やシミュレーションを通じて予め取得されており、これがマップとして保持されている。また、車速と減速時間Tsとの対応関係は、市街地、郊外、田舎、高速道路、渋滞路といったように走行パターン毎に設定されている。算出部41は、車速に加え、さらに走行パターンに基づいて、減速時間Tsを算出する。
Specifically, the
総発熱量Q1tは、燃料電池スタック1の現在の発熱量Q1と、減速時間Tsとに基づいて算出される。ここで、現在の発熱量Q1は、燃料電池スタック1の出力Pと、燃料電池スタック1の発電効率Eとに基づいて、算出される。具体的には、燃料電池スタック1の出力Pをその発電効率Eで除算した除算値から、燃料電池スタック1の出力Pを減算することにより算出される。そして、総発熱量Q1tは、下式に示すように、燃料電池スタック1の発熱量が、現在の値Q1から線形的に低下して、減速時間Tsの終了とともにゼロに到達すると考えることにより、一義的に算出される。
The total heat generation amount Q1t is calculated based on the current heat generation amount Q1 of the
(数式1)
Q1t=(Q1×Ts)/2・・・・(Q1=P/E−P)
総放熱量Q2tは、ラジエータ32における現在の放熱量Q2と、減速時間Tsとに基づいて算出される。現在の放熱量Q2は、冷却系による燃料電池スタック1の放熱に起因する放熱パラメータより算出される。この放熱パラメータとしては、ラジエータ32を通過する風量、外気温と燃料電池スタック1の運転温度との温度差、外気圧、および、ラジエータ32を流れる冷媒流量が挙げられる。これらの放熱パラメータは、検出部5から読み込まれた検出値を参照することにより、特定することができる。具体的には、ラジエータ32を通過する風量は、車速およびラジエータファン33の回転数から特定可能であり、燃料電池スタック1の運転温度としては、入口冷媒温度から特定可能である。また、ラジエータ32を流れる冷媒流量は、冷媒循環ポンプ31の回転数および三方弁34の開度から特定可能である。なお、放熱パラメータは、上記したパラメータの全てを用いることが好ましいが、それらの少なくとも一つに基づいて、現在の放熱量Q2を算出してもよい。
(Formula 1)
Q1t = (Q1 × Ts) / 2 (Q1 = P / E−P)
The total heat release amount Q2t is calculated based on the current heat release amount Q2 in the
総放熱量Q2tは、下式に示すように、ラジエータ32における放熱量が、現在の値Q2から線形的に低下して、減速時間Tsの終了とともにゼロに到達すると考えることにより、一義的に算出される。
The total heat dissipation amount Q2t is uniquely calculated by assuming that the heat dissipation amount in the
(数式2)
Q2t=(Q2×Ts)/2
そして、総放熱量Q2tから総発熱量Q1tを減算することにより、冷媒の低下に要せられるエネルギー、すなわち、放熱可能熱量Q3t(=Q2t−Q1t)が算出される。そして、算出された放熱可能熱量Q3tを燃料電池システムの熱容量で除算することにより、冷媒低下温度Aが算出される。
(Formula 2)
Q2t = (Q2 × Ts) / 2
Then, by subtracting the total heat generation amount Q1t from the total heat release amount Q2t, the energy required for lowering the refrigerant, that is, the heat releaseable heat amount Q3t (= Q2t−Q1t) is calculated. Then, the refrigerant lowering temperature A is calculated by dividing the calculated heat radiation amount Q3t by the heat capacity of the fuel cell system.
ステップ3(S3)において、算出部41は、車両減速後、補機等の消費電力を賄うために、燃料電池スタック1からの取り出しが必要となる取出電流のうち、燃料電池スタック1から取り出す最低の電流値(以下「最低取出電流」という)Xsよりも余剰に取り出す電流量を余剰取出電流αとして算出する。
In step 3 (S3), the
具体的には、算出部41は、車両における空調装置の使用の有無、冷媒循環ポンプ31などの補機、環境条件に応じて消費電力が大きく変化する要素を監視し、車両減速後におけるそれらの合計電力を算出する。算出された合計電力に基づいて、これを賄うために必要な、最低取出電流Xsに上乗せする必要がある第1の取出電流量を算出する。
Specifically, the
また、算出部41は、バッテリ4の蓄電残量を監視し、最低取出電流Xsに上乗せする必要がある第2の電流量を算出する。具体的には、算出部41は、現在の取出電流に対応するドライアウト上限温度を、最低取出電流に対応するドライアウト上限温度まで低下させる場合に必要な時間(水準値復帰時間)を、外気温、外気圧、冷媒循環ポンプ31の回転数、入口冷媒温度、三方弁34の開度、および、ラジエータ32を通過する風量に基づいて、算出する。そして、蓄電残量とその水準値との差分値とに基づいて、水準値復帰時間において、バッテリ4の蓄電残量を、予め設定されている蓄電残量の水準値に戻すために必要な取出電流を算出し、この取出電流に基づいて、最低取出電流Xsに上乗せする必要がある第2の取出電流量を算出する。
Further, the
算出部41は、このようにして算出された第1の取出電流量および第2の取出電流量の加算値を、余剰取出電流αとして算出する。
The
ステップ4(S4)において、算出部41は、余剰取出電流αに対応した温度加算値Cを算出する。具体的には、温度加算値Cは、最低取出電流Xsと余剰取出電流αとの加算値に対応したドライアウト上限温度から、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bを減算することにより算出される。
In step 4 (S4), the
ステップ5(S5)において、算出部41は、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bに、冷媒低下温度Aと、温度加算値Cとを加算した仮目標運転温度を算出する。そして、算出部41は、この仮目標運転温度が、現在の取出電流Xに対応するドライアウト上限温度D(X)よりも大きいか否かを判断する。
In step 5 (S5), the
図5は、冷媒低下温度Aに基づいた目標運転温度Ttの決定概念を示す説明図である。同図において、破線で示すD(X)は、取出電流Xに対応するドライアウト上限温度を示している。現在の車速で走行中の車両が減速を開始して、その後停止して、取出電流が最低取出電流Xsに低下したとしても、減速時間Tsにおいて冷媒の温度が低下するのであれば、目標運転温度Ttは、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bよりも冷媒低下温度A分だけ増加させた値に設定することができる。すなわち、目標運転温度Ttは、現在の取出電流Xに対応するドライアウト上限温度D(X)と、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bに冷媒低下温度Aを加算した値(A+B)とのうち、小さい方を選択すればよいこととなる。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the concept of determining the target operating temperature Tt based on the refrigerant lowering temperature A. In the figure, D (X) indicated by a broken line indicates the dryout upper limit temperature corresponding to the extraction current X. Even if the vehicle running at the current vehicle speed starts to decelerate and then stops and the extraction current decreases to the minimum extraction current Xs, if the refrigerant temperature decreases during the deceleration time Ts, the target operating temperature Tt can be set to a value increased by the refrigerant lowering temperature A than the dryout upper limit temperature B corresponding to the minimum extraction current Xs. That is, the target operating temperature Tt is a value obtained by adding the refrigerant lowering temperature A to the dryout upper limit temperature D (X) corresponding to the current extraction current X and the dryout upper limit temperature B corresponding to the minimum extraction current Xs (A + B). It is sufficient to select the smaller one of the above.
図6は、余剰取出電流αに基づいた目標運転温度Ttの決定概念を示す説明図である。余剰取出電流αを確保する必要があるシーンでは、取出電流は、最低取出電流Xsに余剰取出電流αを加算した値となるため、目標運転温度Ttは、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bに温度加算値Cを加味した値まで増加させることができる。したがって、目標運転温度Ttは、現在の取出電流Xに対応するドライアウト上限温度D(X)と、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bに温度加算値Cを加算した値(B+C)とのうち、小さい方を選択すればよいこととなる。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing a concept of determining the target operating temperature Tt based on the surplus extraction current α. In a scene where it is necessary to secure the excess extraction current α, the extraction current is a value obtained by adding the excess extraction current α to the minimum extraction current Xs, so that the target operating temperature Tt is the upper limit of dryout corresponding to the minimum extraction current Xs. The temperature can be increased to a value obtained by adding the temperature addition value C to the temperature B. Therefore, the target operating temperature Tt is a value (B + C) obtained by adding the temperature addition value C to the dryout upper limit temperature D (X) corresponding to the current extraction current X and the dryout upper limit temperature B corresponding to the minimum extraction current Xs. It is sufficient to select the smaller one of the above.
図7は、冷媒低下温度Aおよび余剰取出電流αに基づいた目標運転温度Ttの決定概念を示す説明図である。図4に示す冷媒低下温度Aと、図5に示す余剰取出電流αに対応する温度加算値Cとは双方両立するものであるため、目標運転温度Ttは、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bよりも、冷媒低下温度Aと、余剰取出電流αに対応する温度加算値Cとの加算値分だけ増加させることができる。したがって、目標運転温度Ttは、現在の取出電流Xに対応するドライアウト上限温度D(X)と、最低取出電流Xsに対応したドライアウト上限温度Bに冷媒低下温度Aおよび温度加算値Cを加算した値(A+B+C)とのうち、小さい方を選択すればよいこととなる。そこで、ステップ5に示すような判断により、最適な目標運転温度Ttを決定することとする。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a concept of determining the target operating temperature Tt based on the refrigerant lowering temperature A and the excess extraction current α. Since the refrigerant lowering temperature A shown in FIG. 4 and the temperature addition value C corresponding to the excess extraction current α shown in FIG. 5 are compatible, the target operating temperature Tt is a dryout corresponding to the minimum extraction current Xs. It can be made to increase from the upper limit temperature B by an addition value of the refrigerant lowering temperature A and the temperature addition value C corresponding to the surplus extraction current α. Accordingly, the target operating temperature Tt is obtained by adding the refrigerant lowering temperature A and the temperature addition value C to the dryout upper limit temperature D (X) corresponding to the current extraction current X and the dryout upper limit temperature B corresponding to the minimum extraction current Xs. Of these values (A + B + C), the smaller one may be selected. Therefore, the optimum target operating temperature Tt is determined by the determination as shown in
ステップ5において肯定判定された場合、すなわち、仮運転目標温度がドライアウト上限温度D(X)よりも大きい場合には(A+B+C>D(X))、ステップ6(S6)に進む。一方、ステップ5において否定判定された場合、すなわち、仮運転目標温度がドライアウト上限温度D(X)以下の場合には(A+B+C≦D(X))には、ステップ7(S7)に進む。
If an affirmative determination is made in
ステップ6において、算出部41は、目標運転温度Ttを、現在の取出電流Xに対応するドライアウト上限温度D(X)に設定する。一方、ステップ7において、算出部41は、目標運転温度Ttを、ドライアウト上限温度Bと、冷媒低下温度Aと、温度加算値Cとの加算値である仮目標運転温度に設定する。
In
算出部41によって目標運転温度Ttが設定されると、この目標運転温度Ttは、制御部42に対して出力される。制御部42は、目標運転温度Ttに基づいて、冷媒循環ポンプ31、ラジエータファン33および三方弁34の少なくとも一つを制御して、入口冷媒温度が目標運転温度Ttに近づくように冷媒温度を制御する。冷媒循環ポンプ31、ラジエータファン33および三方弁34の制御方法の詳細については、本出願によって出願された特開2005−5040号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。
When the target operation temperature Tt is set by the
ステップ8(S8)において、制御部42は、算出部41によって算出された余剰取出電流αがゼロよりも大きいか否かを判定する。このステップ8において肯定判定された場合、すなわち、余剰取出電流αがゼロより大きい場合には(α>0)、ステップ9(S9)に進む。一方、ステップ8において否定判定された場合、すなわち、余剰取出電両がゼロ以下の場合には(α≦0)、ステップ10(S10)に進む。
In step 8 (S8), the
ステップ9において、制御部42は、出力取出装置2から取り出す電流の下限制限値を、最低取出電流Xsに設定する。一方、ステップ10において、制御部42は、出力取出装置2から取り出す電流の下限制限値を、最低取出電流Xsと余剰取出電流αとの加算値(Xs+α)に設定する。そして、制御部42は、取出電流が下限制限値を下回らないように、出力取出装置2を制御する。
In
このように本実施形態よれば、車両減速時に燃料電池スタック1から放熱可能な熱量である放熱可能熱量Q3tに基づいて、燃料電池スタック1の目標運転温度Ttを算出し、この目標運転温度Ttに基づいて、冷却手段を制御することで、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。これにより、ドライアウトを抑制しつつ、冷却手段の音信性能、冷却性能、燃費の向上を図ることができる。
Thus, according to the present embodiment, the target operating temperature Tt of the
また、本実施形態によれば、燃料電池スタック1から取り出す取出電流の現在値Xに対応するドライアウト上限温度D(X)と、最低取出電流Xsに対応するドライアウト上限温度Bに放熱可能熱量Q3tに対応する冷媒の低下温度Aを加算した温度(A+B)とのうち、値の小さい方が目標運転温度Ttとして算出される。そのため、燃料電池スタック1のドライアウトを抑制することができるとともに、目標運転温度Ttを高い値に設定することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。また、目標運転温度Ttの上げ幅は、減速によって冷媒の低下温度Aの幅に制限されるので、ドライアウトを有効に抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, the amount of heat that can be radiated to the dryout upper limit temperature D (X) corresponding to the current value X of the extraction current extracted from the
また、本実施形態によれば、車速に基づいて、車両が減速を開始してから停止するまで減速時間Tsを算出するとともに、減速時間Tsにおける総放熱量Q2tから、減速時間Tsにおける総発熱量Q1tを減算することにより、放熱可能熱量Q3tが算出されるので、目標運転温度Ttを精度よく算出することができる。これにより、冷却手段の不必要な動作を抑制することができ、冷却手段の音信性能、冷却性能、燃費の向上を図ることができる。 Further, according to the present embodiment, the deceleration time Ts is calculated from the start of deceleration to the stop based on the vehicle speed, and the total heat generation amount during the deceleration time Ts is calculated from the total heat release amount Q2t during the deceleration time Ts. By subtracting Q1t, the heat radiation heat quantity Q3t is calculated, so that the target operating temperature Tt can be calculated with high accuracy. Thereby, unnecessary operation | movement of a cooling means can be suppressed and the message performance, cooling performance, and fuel consumption of a cooling means can be aimed at.
また、本実施形態によれば、車両が走行している走行環境を示す走行パターンをさらに考慮して減速時間Tsを算出することで、放熱可能熱量Q3tの算出精度を向上させることができる。よって、目標運転温度Ttを精度よく算出することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。 In addition, according to the present embodiment, the calculation accuracy of the heat dissipable heat amount Q3t can be improved by calculating the deceleration time Ts while further considering the traveling pattern indicating the traveling environment in which the vehicle is traveling. Therefore, since the target operating temperature Tt can be calculated with high accuracy, unnecessary operation of the cooling means can be suppressed.
また、本実施形態によれば、燃料電池スタック1の出力と、燃料電池スタック1の発電効率と、減速時間Tsとに基づいて、総発熱量Q1tを算出するので、放熱可能熱量Q3tの算出精度を向上させることができる。よって、目標運転温度Ttを精度よく算出することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, since the total heat generation amount Q1t is calculated based on the output of the
また、本実施形態によれば、冷却手段は、冷媒循環ポンプ31と、ラジエータ32に送風するラジエータファン33と、三方弁34とで構成されており、燃料電池スタックの放熱に起因する放熱パラメータと、減速時間Tsとに基づいて、総放熱量Q2tが算出されており、放熱パラメータは、ラジエータ32を通過する風量、外気温と燃料電池スタック1の運転温度との温度差、外気圧、および、ラジエータ32を流れる冷媒流量の少なくとも一つを含む。これにより、放熱可能熱量Q3tの算出精度を向上させることができる。よって、目標運転温度Ttを精度よく算出することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, the cooling means includes the
また、本実施形態によれば、システムの運転状態に基づいて、車両減速後、燃料電池スタック1からの余剰取出電流αが算出される。そして、燃料電池スタック1から取り出す取出電流の現在値Xに対応するドライアウト上限温度D(X)と、最低取出電流Xsと余剰取出電流αとの加算値に対応するドライアウト上限温度(B+C)に冷媒の低下温度Aを加算した温度とのうち、値の小さい方が目標運転温度として算出される。そのため、そのため、燃料電池スタック1のドライアウトを防止することができるとともに、目標運転温度Ttを高い値に設定することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。また、目標運転温度Ttの上げ幅は、減速によって冷媒の低下温度Aと温度加算値Cとの加算値の幅に制限されるので、ドライアウトを有効に抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, the surplus extraction current α from the
また、本実施形態によれば、燃料電池スタック1から取り出す取出電流の下限制限値を、最低取出電流Xsに余剰取出電流αを加算した電流値に設定するので、燃料電池スタック1のドライアウトを防止することができる。
Further, according to the present embodiment, the lower limit value of the extraction current extracted from the
1 燃料電池スタック
2 出力取出装置
3 電動モータ
4 バッテリ
5 検出部
10 燃料タンク
11 水素調圧バルブ
12 水素循環ポンプ
13 パージバルブ
14 水素希釈装置
20 コンプレッサ
21 空気調圧バルブ
31 冷媒循環ポンプ
32 ラジエータ
33 ラジエータファン
34 三方弁
40 コントロールユニット
41 算出部
42 制御部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
冷媒を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
車両減速時に前記燃料電池から放熱可能な熱量を放熱可能熱量として算出するとともに、当該放熱可能熱量に基づいて、前記燃料電池の目標運転温度を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された目標運転温度に基づいて、前記冷却手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とする車両用燃料電池システム。 In a vehicle fuel cell system,
A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas supplied to the fuel electrode and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode;
Cooling means for circulating the refrigerant to cool the fuel cell;
Calculating the amount of heat that can be dissipated from the fuel cell during vehicle deceleration as the amount of heat that can be dissipated, and calculating the target operating temperature of the fuel cell based on the amount of heat that can be dissipated;
A vehicle fuel cell system comprising: a control unit that controls the cooling unit based on the target operating temperature calculated by the calculation unit.
前記算出手段は、前記冷却手段による前記燃料電池の放熱に起因する放熱パラメータと、減速時間とに基づいて、前記総放熱量を算出しており、
前記放熱パラメータは、ラジエータを通過する風量、外気温と燃料電池の運転温度との温度差、外気圧、および、ラジエータを流れる冷媒流量の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項3から5のいずれか一項に記載された車両用燃料電池システム。 The cooling means includes a cooling channel that circulates the refrigerant to the fuel cell, a refrigerant circulation pump that circulates the refrigerant in the cooling channel, a radiator provided in the cooling channel, and a radiator that blows air to the radiator A fan, a bypass passage that circulates the refrigerant bypassing the radiator, and a three-way valve that sets a flow rate ratio to the bypass passage,
The calculating means calculates the total heat dissipation amount based on a heat dissipation parameter resulting from heat dissipation of the fuel cell by the cooling means and a deceleration time,
6. The heat dissipation parameter includes at least one of an air volume passing through a radiator, a temperature difference between an outside air temperature and an operating temperature of a fuel cell, an outside air pressure, and a refrigerant flow rate flowing through the radiator. The fuel cell system for vehicles described in any one of these.
前記燃料電池から取り出す取出電流の現在値に対応するドライアウト上限温度と、前記最低取出電流と前記余剰取出電流との加算値に対応するドライアウト上限温度に前記冷媒の低下温度を加算した温度とのうち、値の小さい方を目標運転温度として算出することを特徴とする請求項2に記載された車両用燃料電池システム。 The calculation unit calculates, as a surplus extraction current, an extraction current that needs to be extracted from the fuel cell after vehicle deceleration based on the operating state of the system.
A dryout upper limit temperature corresponding to a current value of an extraction current to be extracted from the fuel cell, and a temperature obtained by adding a lowering temperature of the refrigerant to a dryout upper limit temperature corresponding to an added value of the minimum extraction current and the excess extraction current; The vehicle fuel cell system according to claim 2, wherein the smaller one of the values is calculated as the target operating temperature.
車両減速時に、前記燃料電池から放熱可能な熱量を放熱可能熱量として算出する第1のステップと、
前記放熱可能熱量に基づいて、前記燃料電池の目標運転温度を算出する第2のステップと、
前記目標運転温度に基づいて、前記冷却手段を制御する第3のステップと
を有することを特徴とする車両用燃料電池システムにおける運転温度の制御方法。 In a method for controlling an operating temperature in a vehicle fuel cell system,
A first step of calculating the amount of heat that can be dissipated from the fuel cell as the amount of heat that can be dissipated when the vehicle decelerates;
A second step of calculating a target operating temperature of the fuel cell based on the heat dissipable heat amount;
And a third step of controlling the cooling means based on the target operating temperature. A method for controlling an operating temperature in a vehicular fuel cell system.
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