JP2012004136A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の冷却不良による破損を防止し得ると共に、急激な圧力変動や冷却液ポンプの回転数変動に基づく冷却機構が異常であるとの誤診断を防止して、正確な異常判断を行い得る燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and in particular, can prevent damage due to poor cooling of the fuel cell, and prevent erroneous diagnosis that the cooling mechanism based on rapid pressure fluctuations or fluctuations in the number of revolutions of the coolant pump is abnormal. The present invention also relates to a fuel cell system that can make an accurate abnormality determination.
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。 The fuel cell system supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, supplies air as the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and causes the hydrogen and oxygen in the air to react electrochemically. To obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles, and research and development for practical use are being actively carried out.
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。 As a fuel cell used in a fuel cell system. For example, a solid polymer type fuel cell is known as being suitable for mounting in an automobile. A solid polymer type fuel cell is provided with a solid polymer membrane as an electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this solid polymer type fuel cell, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, a reaction occurs in which hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the fuel electrode, and oxygen and hydrogen in the air at the oxidant electrode. A reaction for generating water from ions and electrons is performed.
このような燃料電池システムにおいては、固体高分子タイプの燃料電池は、適正な作動温度が80℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要で、例えば冷却液ポンプを用いて冷却液を燃料電池とラジエータに循環させる液怜式の冷却機構を備えている。 In such a fuel cell system, a solid polymer type fuel cell has a relatively low proper operating temperature of about 80 ° C., and it is necessary to cool it when it is overheated. A liquid-type cooling mechanism for circulating the liquid to the fuel cell and the radiator is provided.
この冷却機構が故障すると燃料電池を適正な作動温度に維持できなくなり、燃料電池を良好な発電状態に維持できなくなることから、冷却機構に故障が生じた場合にはこれを早期に検出し適切な措置を施す必要がある。例えば、特開2004−178849号公報の「燃料電池冷却システムの故障検知方法」では、燃料電池内の冷却水通路に冷却水ポンプで冷却水を送り込み燃料電池を冷却する燃料電池冷却システムにおいて、燃料電池の冷却水入口と冷却水出口の冷却水圧力差が冷却水ポンプの回転数から決定される閾値以下の状態を所定時間継続した場合に、燃料電池冷却システムが故障していると判定する技術が提案されている。 If this cooling mechanism fails, the fuel cell cannot be maintained at an appropriate operating temperature, and the fuel cell cannot be maintained in a good power generation state. Therefore, if a failure occurs in the cooling mechanism, this is detected early and appropriate Measures need to be taken. For example, in “Failure detection method of fuel cell cooling system” of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-178849, in a fuel cell cooling system in which cooling water is sent to a cooling water passage in the fuel cell by a cooling water pump to cool the fuel cell, Technology for determining that the fuel cell cooling system has failed when the difference in cooling water pressure between the cooling water inlet and the cooling water outlet of the battery continues below a threshold value determined by the number of rotations of the cooling water pump for a predetermined time. Has been proposed.
しかしながら、上述した特許文献1に開示された冷却水を用いる燃料電池冷却システムにおいては、冷却水に空気が混入してしまう可能性があり、その場合、冷却ラインに設けた圧力センサには一時的な冷却水の圧力低下が見られたり、また、冷却水ポンプには一時的な回転数上昇が見られたりすることがある。 However, in the fuel cell cooling system using the cooling water disclosed in Patent Document 1 described above, there is a possibility that air may be mixed into the cooling water. In this case, the pressure sensor provided in the cooling line is temporarily used. The cooling water pressure may decrease significantly, and the cooling water pump may temporarily increase the rotational speed.
少量の空気混入では冷却不良による燃料電池スタック破損を招くことはないが、冷却水の圧力もしくは冷却水ポンプの回転数によって冷却ラインの異常を診断するシステムにおいては、これらの一時的な圧力低下もしくは回転数上昇によって燃料電池冷却システムが故障していると判断してしまう可能性があった。 A small amount of aerated air will not cause damage to the fuel cell stack due to poor cooling, but in a system that diagnoses cooling line abnormalities based on the cooling water pressure or the cooling water pump speed, these temporary pressure drops or There is a possibility that the fuel cell cooling system may be judged to have failed due to the increase in the rotational speed.
また、冷却水への空気の混入を想定し、圧力低下が所定時間経過しなければ冷却ラインの異常を判定しないシステムでは、多数の気泡が存在する場合は、正確に異常判断をすることができず、燃料電池スタックに冷却不良による悪影響を与える可能性があった。 Also, assuming that air is mixed into the cooling water and the system that does not determine the cooling line abnormality unless the pressure drop has elapsed for a predetermined time, if there are many bubbles, the abnormality can be determined accurately. In other words, the fuel cell stack may be adversely affected by poor cooling.
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、冷却液に空気が混入していると判断されたときに燃料電池の出力を制限し、未然に燃料電池の発熱を低く抑え、燃料電池の冷却不良による破損を防止し得る燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and restricts the output of the fuel cell when it is determined that air is mixed in the coolant, thereby suppressing the heat generation of the fuel cell to be low. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing damage due to poor cooling of the fuel cell.
また本発明の他の目的は、急激な圧力変動や冷却液ポンプの回転数変動に基づく冷却機構が異常であるとの誤診断を防止して、正確な異常判断を行い得る燃料電池システムを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of making an accurate abnormality determination by preventing a false diagnosis that the cooling mechanism is abnormal based on sudden pressure fluctuations or fluctuations in the rotation speed of the coolant pump. There is to do.
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に冷却液を冷却液ポンプにより循環供給する冷却系と、前記冷却液の状態を検出する状態検出手段と、前記状態検出手段の検出結果に基づき前記冷却液に空気が混入しているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により前記冷却液に空気が混入していると判断されたとき、前記燃料電池の出力を制限する出力制御手段とを備え、前記状態検出手段は、前記冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段であり、前記判断手段は、前記冷却液ポンプの実回転数が前記燃料電池の出力または前記冷却液温度検出手段による冷却液温度検出値の少なくとも一方から算出される前記冷却液ポンプの目標回転数の上限閾値より所定時間以内だけ上回り、その後再び該上限閾値を下回って該目標回転数付近に戻る場合に、前記冷却液に空気が混入していると判断することを特徴とする。 In order to solve the above-described object, the present invention provides a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, a cooling system that circulates coolant to the fuel cell by a coolant pump, and a state of the coolant State detecting means for detecting the air, determination means for determining whether or not air is mixed in the coolant based on the detection result of the state detecting means, and air being mixed in the cooling liquid by the determining means Output control means for limiting the output of the fuel cell when it is determined that the state detection means is a coolant temperature detection means for detecting the temperature of the coolant, and the determination means is the cooling When the actual rotational speed of the liquid pump is a predetermined time from the upper limit threshold value of the target rotational speed of the coolant pump calculated from at least one of the output of the fuel cell or the coolant temperature detection value by the coolant temperature detection means Exceeded only within, if thereafter again below the upper threshold returns to the vicinity of the target speed, characterized by determining that the air is mixed in the coolant.
本発明に係る燃料電池システムでは、判断手段により、冷却液の状態を検出する状態検出手段の検出結果に基づき冷却液に空気が混入しているか否かを判断し、出力制御手段において、判断手段によって冷却液に空気が混入していると判断されたときに燃料電池の出力を制限するので、未然に燃料電池の発熱を低く抑え、燃料電池の冷却不良による破損を防止することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the determination means determines whether air is mixed in the coolant based on the detection result of the state detection means for detecting the state of the coolant, and the output control means determines the determination means. Therefore, the output of the fuel cell is limited when it is determined that air is mixed in the coolant, so that the heat generation of the fuel cell can be suppressed to a low level and damage due to poor cooling of the fuel cell can be prevented.
以下、本発明の燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1に係る燃料電池システムの構成図である。本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図1に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック1を備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell system of this embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example, and includes a fuel cell stack 1 that generates power by supplying hydrogen and air as shown in FIG.
また、冷却機構として、ラジエータ2、ラジエータファン2b、冷却液ライン3、冷却液ポンプ4、冷却液圧力センサ(スタック入口)6、冷却液温度センサ(スタック入口)7および冷却液温度センサ(スタック出口)8を備え、制御系としてコントローラ5を備えている。 Further, as a cooling mechanism, a radiator 2, a radiator fan 2b, a coolant line 3, a coolant pump 4, a coolant pressure sensor (stack inlet) 6, a coolant temperature sensor (stack inlet) 7, and a coolant temperature sensor (stack outlet) ) 8 and a controller 5 as a control system.
燃料電池スタック1は、燃料ガスである水素が供給される燃料極と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック1の各発電セルでは、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。 The fuel cell stack 1 includes a fuel cell to which hydrogen as a fuel gas and an oxidant electrode to which air as an oxidant gas is supplied are stacked with an electrolyte interposed therebetween. It has a stack structure in which power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction based on hydrogen and oxygen in the air. In each power generation cell of the fuel cell stack 1, a reaction occurs in which hydrogen supplied to the fuel electrode is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate electric power. , Move to the oxidizer electrode. At the oxidizer electrode, hydrogen in the supplied air reacts with hydrogen ions and electrons that have moved through the electrolyte to produce water, which is discharged to the outside.
燃料電池スタック1の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。 As the electrolyte of the fuel cell stack 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
なお、燃料電池スタック1で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極や酸化剤極に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系(水素タンク、圧力制御弁、水素供給流路等)および空気供給系(コンプレッサ、空気供給流路等)が設けられているが、本発明と直接的に関係しないために図1では省略しており、その機能等についても説明を省略する。 In order to generate power with the fuel cell stack 1, it is necessary to supply hydrogen, which is fuel gas, or air, which is oxidant gas, to the fuel electrode or oxidant electrode of each power generation cell. As a mechanism, a hydrogen supply system (hydrogen tank, pressure control valve, hydrogen supply flow path, etc.) and an air supply system (compressor, air supply flow path, etc.) are provided, but are not directly related to the present invention. The description of the function and the like is omitted.
また、燃料電池スタック1を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池スタック1は、適正な作動温度が80℃程度と比較的低く、燃料電池スタック1の発電によって生じた熱を冷却し、燃料電池スタック1を適温に保つ必要がある。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却液ライン3および冷却液ポンプ4を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて燃料電池スタック1を冷却し、これを最適な温度に維持する。 A cooling mechanism for cooling the fuel cell stack 1 is also provided. For example, the solid polymer electrolyte fuel cell stack 1 has a relatively low proper operating temperature of about 80 ° C., and it is necessary to cool the heat generated by the power generation of the fuel cell stack 1 and keep the fuel cell stack 1 at an appropriate temperature. There is. The cooling mechanism has a cooling liquid line 3 and a cooling liquid pump 4 for circulating the refrigerant, and cools the fuel cell stack 1 by circulating a cooling liquid in which an antifreezing agent such as ethylene glycol is mixed in water, for example. Maintain optimal temperature.
冷却機構の冷却液ライン3中には、ラジエータ2が設けられている。ラジエータ2は、コントローラ5によって動作制御されラジエータファン2bにより、ラジエータ2出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。すなわち、冷却ライン3に設けられた燃料電池スタック1の入口の冷却液温度を検出するための温度センサ7、或いは、燃料電池スタック1の出口の冷却液温度を検出するための温度センサ8の少なくとも一方の値を用い、燃料電池スタック1が適温になるようにラジエータ2のラジエータファン2b回転数や冷却液ポンプ4の回転数がコントローラ5で制御される。 A radiator 2 is provided in the coolant line 3 of the cooling mechanism. The radiator 2 is operation-controlled by the controller 5, and the temperature of the coolant is adjusted by the radiator fan 2 b so that the outlet temperature of the radiator 2 becomes a desired temperature. That is, at least a temperature sensor 7 for detecting the coolant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 provided in the cooling line 3 or a temperature sensor 8 for detecting the coolant temperature at the outlet of the fuel cell stack 1. Using one value, the controller 5 controls the rotational speed of the radiator fan 2b of the radiator 2 and the rotational speed of the coolant pump 4 so that the fuel cell stack 1 has an appropriate temperature.
さらに、制御系のコントローラ5は、例えばCPUやROM、RAM、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。 Further, the controller 5 of the control system is configured as a microcomputer having, for example, a CPU, ROM, RAM, peripheral interface, etc., and reads various detection values of various sensors, and performs various controls according to judgments and calculation results for the detection values. A signal is output to control the operation of each part of the fuel cell system.
本実施形態のコントローラ5は、その構成要素として判断手段および出力制御手段を備えているが、これら手段はCPU上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。判断手段は、冷却液の状態を検出する状態検出手段(本実施形態では冷却液圧力センサ6が該当する)の検出結果に基づき冷却液に空気が混入しているか否かを判断し、出力制御手段は、判断手段により冷却液に空気が混入していると判断されたとき、燃料電池スタック1の出力を制限する。 The controller 5 of the present embodiment includes a determination unit and an output control unit as its components, and these units represent a functional group of programs executed on the CPU. The judging means judges whether or not air is mixed in the cooling liquid based on the detection result of the state detecting means for detecting the state of the cooling liquid (in this embodiment, the cooling liquid pressure sensor 6 corresponds), and outputs control. The means limits the output of the fuel cell stack 1 when it is determined by the determination means that air is mixed in the coolant.
より具体的には、状態検出手段は、冷却液の圧力を検出する冷却液圧力検出手段(冷却液圧力センサ6)であって、判断手段は、冷却液圧力検出手段(冷却液圧力センサ6)による冷却液圧力検出値が冷却液ポンプ4の回転数から推定される冷却液圧力推定値の下限閾値を所定時間以内だけ下回り、その後再び該下限閾値を上回る場合に、冷却液に空気が混入していると判断する。 More specifically, the state detecting means is a cooling liquid pressure detecting means (cooling liquid pressure sensor 6) for detecting the pressure of the cooling liquid, and the judging means is a cooling liquid pressure detecting means (cooling liquid pressure sensor 6). When the detected coolant pressure value falls below the lower limit threshold value of the estimated coolant pressure value estimated from the number of revolutions of the coolant pump 4 within a predetermined time and then exceeds the lower limit threshold value again, air enters the coolant. Judge that
また、出力制御手段は、判断手段における冷却液圧力検出値が冷却液圧力推定値の下限閾値を下回っている時間の単位時間あたりの長さに応じて、燃料電池スタック1の出力上限値を変化させる。さらに、判断手段により冷却液に空気が混入していると判断されたとき、冷却液中の空気が混入している箇所の燃料電池スタック1への流入タイミングまたは燃料電池スタック1からの流出タイミングに合わせて燃料電池スタック1の出力制限を開始または終了する。 Further, the output control means changes the output upper limit value of the fuel cell stack 1 according to the length per unit time during which the coolant pressure detection value in the determination means is below the lower limit threshold value of the coolant pressure estimation value. Let Further, when it is determined by the determination means that air is mixed in the coolant, the timing of inflow into the fuel cell stack 1 or the timing of outflow from the fuel cell stack 1 at the location where air in the coolant is mixed. At the same time, the output limitation of the fuel cell stack 1 is started or ended.
次に、以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムの運転時の動作について、図2、図3、図4および図5を参照しながら説明する。ここで、図2は冷却液への空気混入と冷却液圧力(スタック入口)との関係を説明する説明図であり、図3は冷却液への空気混入時に燃料電池スタック1の出力制限を行う処理手順を説明するフローチャートであり、図4は冷却液への空気混入量に応じた燃料電池スタック1の出力制限を説明する説明図であり、図5は冷却液への空気混入時に行われる燃料電池スタック1の出力制限のタイミングを説明するタイミングチャートである。 Next, operations during operation of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS. 2, 3, 4, and 5. Here, FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the relationship between air mixing into the coolant and coolant pressure (stack inlet), and FIG. 3 limits the output of the fuel cell stack 1 when air is mixed into the coolant. FIG. 4 is a flowchart for explaining the processing procedure, FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the output restriction of the fuel cell stack 1 according to the amount of air mixed into the coolant, and FIG. 5 is the fuel that is used when air is mixed into the coolant. 4 is a timing chart for explaining output restriction timing of the battery stack 1.
冷却液が正常に循環していない場合、燃料電池スタック1から安定した電力を得られないばかりか、最悪の場合には燃料電池スタック1を破損してしまう可能性があるため、燃料電池システムにおける冷却機構の異常は常に監視されていなければならない。そこで本実施形態では、冷却ライン3に設けられた燃料電池スタック1の入口の冷却液圧力を検出するための冷却液圧力センサ6を用い、該冷却液圧力センサ6の値が冷却液ポンプ4の回転数から推定される冷却液圧力推定値に対して大きくかけ離れている場合は、冷却液ポンプ4の故障や冷却ライン3の詰まり、或いは冷却ライン3からの水漏れなど、燃料電池システムの冷却機構に何らかの異常があると判断し、当該燃料電池システムを停止させる。 If the coolant does not circulate normally, the fuel cell stack 1 may not be able to obtain stable power, and in the worst case, the fuel cell stack 1 may be damaged. Cooling system anomalies must be constantly monitored. Therefore, in this embodiment, the coolant pressure sensor 6 for detecting the coolant pressure at the inlet of the fuel cell stack 1 provided in the coolant line 3 is used, and the value of the coolant pressure sensor 6 is the value of the coolant pump 4. If the estimated coolant pressure estimated from the rotational speed is far from the estimated value, the cooling mechanism of the fuel cell system, such as failure of the coolant pump 4, clogging of the cooling line 3, or water leakage from the cooling line 3, etc. The fuel cell system is stopped.
ただし、冷却液を用いる燃料電池システムの冷却機構では、冷却液に空気が混入してしまう可能性があり、その場合、例えば図2に示すように、冷却ライン3に設けた冷却液圧力センサ6には一時的に冷却液圧力の低下が見られ、その後回復することがある。少量の空気混入では冷却不良による燃料電池スタック1の破損を招くことはないが、冷却液の圧力によって燃料電池システムの冷却機構の異常を診断するシステムにおいては、これらの一時的な圧力低下によって燃料電池システムの冷却機構に異常があると判断し、燃料電池システムの運転を停止してしまう可能性があった。 However, in the cooling mechanism of the fuel cell system using the cooling liquid, there is a possibility that air is mixed into the cooling liquid. In this case, for example, as shown in FIG. 2, the cooling liquid pressure sensor 6 provided in the cooling line 3. In some cases, the coolant pressure is temporarily reduced and then recovered. Although a small amount of air does not cause damage to the fuel cell stack 1 due to poor cooling, in a system that diagnoses an abnormality in the cooling mechanism of the fuel cell system based on the pressure of the coolant, the fuel pressure is reduced by these temporary pressure drops. It may be judged that there is an abnormality in the cooling mechanism of the battery system, and the operation of the fuel cell system may be stopped.
そこで本実施形態では、冷却液圧力センサ6の冷却液圧力検出値Pが冷却液ポンプ4の回転数から推定される冷却液圧力推定値の下限閾値Pminを下回り、その下限閾値Pminを下回っている状態の時間を積算する圧力低下時間積算値Cが所定時間Cmaxを経過するまでに再び下限閾値Pminを上回った場合は、冷却液に空気が混入していると判断し、冷却機構に故障があるとの判定をしない。例えば、図2においては、T11〜T12の期間とT13〜T14の期間に、冷却液圧力検出値Pが冷却液圧力推定値の下限閾値Pminを下回っているが、それらの期間が所定時間Cmaxを経過していないので、冷却機構の故障と判定されない。 Therefore, in the present embodiment, the coolant pressure detection value P of the coolant pressure sensor 6 is lower than the lower limit threshold value Pmin of the coolant pressure estimated value estimated from the rotational speed of the coolant pump 4, and is lower than the lower limit threshold value Pmin. When the pressure drop time integrated value C that integrates the state time exceeds the lower limit threshold Pmin again before the predetermined time Cmax elapses, it is determined that air is mixed in the coolant, and the cooling mechanism has a failure. Do not judge. For example, in FIG. 2, the coolant pressure detection value P is lower than the lower limit threshold value Pmin of the coolant pressure estimated value during the periods T11 to T12 and T13 to T14. Since it has not elapsed, it is not determined that the cooling mechanism has failed.
なお、冷却液に混入した空気は、その量に応じて燃料電池スタック1の冷却に与える影響が異なる。すなわち、空気混入量が多いほど燃料電池スタック1から奪える熱が少なくなるため冷却が不利になる。そこで本実施形態では、図4に示すように、単位時間あたりの冷却液圧力が下限閾値Pminを下回っている時間(圧力低下異常時間)の長さに応じて、燃料電池スタック1の出力上限値を変化させている。例えば図4においては、単位時間あたりの圧力低下異常時間がTαを超えてTβに至るまで、燃料電池スタック1の出力上限値を通常値のWmaxaからWmaxbまで徐々に(逆比例の関係で)下げて行き、単位時間あたりの圧力低下異常時間がTβを超えると、発電を停止して燃料電池スタック1からの電力取出しを停止している。 Note that the air mixed in the coolant has different effects on the cooling of the fuel cell stack 1 depending on the amount of the air. That is, the greater the amount of air mixed in, the less heat that can be taken from the fuel cell stack 1, and thus the cooling becomes disadvantageous. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the output upper limit value of the fuel cell stack 1 according to the length of time (pressure drop abnormal time) during which the coolant pressure per unit time is below the lower limit threshold Pmin. Is changing. For example, in FIG. 4, until the abnormal pressure drop per unit time exceeds Tα and reaches Tβ, the output upper limit value of the fuel cell stack 1 is gradually decreased from the normal value Wmaxa to Wmaxb (in an inversely proportional relationship). If the abnormal pressure drop per unit time exceeds Tβ, the power generation is stopped and the power extraction from the fuel cell stack 1 is stopped.
このように、冷却液の空気混入量が多いほど燃料電池スタック1の出力上限値が低くなるため、燃料電池スタック1の発熱量が抑えられ冷却不良による燃料電池スタック1の破損を防止することができる。逆に、空気混入量が微量で燃料電池スタック1の冷却にほとんど影響がない状況では、燃料電池スタック1からほぼフル出力取り出すことが可能となる。 As described above, the larger the amount of air mixed in the coolant, the lower the output upper limit value of the fuel cell stack 1. Therefore, the amount of heat generated in the fuel cell stack 1 can be suppressed, and damage to the fuel cell stack 1 due to poor cooling can be prevented. it can. On the contrary, in a situation where the amount of mixed air is very small and the cooling of the fuel cell stack 1 is hardly affected, almost full output can be taken out from the fuel cell stack 1.
さらに、冷却液に空気の混入が検出された場合でも、燃料電池スタック1の冷却に悪影響を及ぼすのは、空気の混入した冷却液が燃料電池スタック1内を流れている時のみであって、燃料電池スタック1の内部にない冷却液中の空気は燃料電池スタック1の冷却に影響がない。そこで本実施形態では、図5に示すように、冷却液ポンプ4の回転数または冷却ライン3に設置された流量計から冷却液の流量を求め、圧力低下が検知された時間から冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1内に流入する(tb)までの時間(tb−ta)を算出し、また、冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1に流入して(tb)から流出する(tc)までの時間(tc−tb)を算出して、冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1内に出入りするタイミングに合わせて燃料電池スタック1の出力上限値を変化させて出力制限を行っている。これにより、出力制限をかけている時間を極力短くし、無用な電力不足を回避することができる。 Further, even when air contamination is detected in the coolant, the cooling of the fuel cell stack 1 is adversely affected only when the coolant in which air is mixed flows in the fuel cell stack 1, The air in the coolant that is not inside the fuel cell stack 1 does not affect the cooling of the fuel cell stack 1. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the flow rate of the coolant is obtained from the number of revolutions of the coolant pump 4 or a flow meter installed in the cooling line 3, and the time in the coolant is determined from the time when the pressure drop is detected. The time (tb−ta) until the part where the air is mixed flows into the fuel cell stack 1 (tb) is calculated, and the part where the air in the coolant is mixed flows into the fuel cell stack 1 ( The time (tc−tb) from tb) to the outflow (tc) is calculated, and the output upper limit of the fuel cell stack 1 is adjusted in accordance with the timing when the location where the air in the coolant is mixed enters and exits the fuel cell stack 1. The output is limited by changing the value. As a result, the time during which the output is limited can be shortened as much as possible, and unnecessary power shortage can be avoided.
次に、図3のフローチャートを参照して、冷却液への空気混入時に燃料電池スタック1の出力制限を行う処理手順を説明する。なお、図3の一連の処理は所定時間毎に繰り返し実行されるものである。 Next, a processing procedure for limiting the output of the fuel cell stack 1 when air is mixed into the coolant will be described with reference to the flowchart of FIG. Note that the series of processing in FIG. 3 is repeatedly executed at predetermined time intervals.
まず、冷却液圧力センサ6の冷却液圧力検出値Pが冷却液ポンプ4の回転数から推定される冷却液圧力推定値の下限閾値Pminを超えているか否かを判断する(ステップS102)。 First, it is determined whether or not the coolant pressure detection value P of the coolant pressure sensor 6 exceeds the lower limit threshold value Pmin of the coolant pressure estimated value estimated from the rotational speed of the coolant pump 4 (step S102).
ステップS102において、冷却液圧力検出値Pが冷却液圧力推定値の下限閾値Pmin以下であれば、冷却液に空気が混入した可能性があると判断されるので、冷却液圧力検出値Pが冷却液圧力推定値の下限閾値Pminを下回っている状態の時間を積算する圧力低下時間積算値Cをカウントアップする(ステップS107)。ここで、圧力低下時間積算値Cの初期値C(0)は“0”である。 In step S102, if the detected coolant pressure value P is equal to or lower than the lower limit threshold value Pmin of the estimated coolant pressure value, it is determined that air may have entered the coolant. The pressure drop time integration value C, which integrates the time during which the fluid pressure estimated value is below the lower limit threshold Pmin, is counted up (step S107). Here, the initial value C (0) of the pressure drop time integrated value C is “0”.
次に、圧力低下時間積算値Cが所定値Cmax以上となったか否かを判断する(ステップS108)。ステップS108において、冷却液圧力検出値Pが冷却液圧力推定値の下限閾値Pminを下回った状態が所定時間Cmax続いた(圧力低下時間積算値Cが所定値Cmax以上)場合には、燃料電池システムの冷却機構に故障が発生したと判断し、発電を停止する(ステップS109)。またステップS108において、圧力低下時間積算値Cが所定値Cmaxに達していない場合には、当該出力制限処理のルーチンを終了する。 Next, it is determined whether or not the pressure drop time integrated value C is equal to or greater than a predetermined value Cmax (step S108). In step S108, when the state where the coolant pressure detection value P is below the lower limit threshold value Pmin of the coolant pressure estimated value continues for a predetermined time Cmax (the pressure drop time integrated value C is equal to or greater than the predetermined value Cmax), the fuel cell system. It is determined that a failure has occurred in the cooling mechanism, and power generation is stopped (step S109). In step S108, when the pressure drop time integrated value C has not reached the predetermined value Cmax, the output restriction processing routine is terminated.
一方、ステップS102において、冷却液圧力検出値Pが冷却液圧力推定値の下限閾値Pminを超えていれば、現時点では通常の状態であるが、直前に冷却液に空気が混入してその後回復した可能性もあるので、圧力低下時間積算値Cに基づいて一時的に冷却液圧力が低下した後に回復したものであるか否かを判断する(ステップS103)。 On the other hand, in step S102, if the detected coolant pressure value P exceeds the lower limit threshold value Pmin of the estimated coolant pressure value, the current state is normal at this time, but air is mixed into the coolant immediately before and then recovered. Since there is also a possibility, based on the pressure drop time integrated value C, it is determined whether or not it has been recovered after the coolant pressure has temporarily dropped (step S103).
ステップS103において、圧力低下時間積算値Cが“0”であれば直前に冷却液に空気が混入してその後回復したものではないので、出力制限を行わないで当該処理ルーチンを終了する。 In step S103, if the pressure drop time integrated value C is "0", the process routine is terminated without restricting the output because air is not mixed in the coolant immediately before recovery.
またステップS103において、圧力低下時間積算値Cが“0”を超える値であれば、直前に一時的に冷却液圧力が低下した後に回復したものであると判断されるので、燃料電池スタック1の出力制限を行うべく出力上限値Wmaxを算出する(ステップS104)。 In step S103, if the pressure decrease time integrated value C is greater than “0”, it is determined that the coolant pressure has been recovered immediately after the temporary decrease in the coolant pressure. An output upper limit value Wmax is calculated to limit the output (step S104).
ここで、出力上限値Wmaxは、図4に示したように、圧力低下時間積算値Cの関数f(C)であって、圧力低下時間積算値Cに基づき求められる単位時間当たりの圧力低下異常時間に応じてWmaxaからWmaxbまで減少する値として算出される。 Here, as shown in FIG. 4, the output upper limit value Wmax is a function f (C) of the pressure drop time integrated value C, and is a pressure drop abnormality per unit time obtained based on the pressure drop time integrated value C. It is calculated as a value that decreases from Wmaxa to Wmaxb according to time.
また、図5の出力制限のタイミングチャートに示すように、圧力低下が検知された時間(ta)から冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1内に流入する(tb)までの時間(tb−ta)では主力制限を行わずに出力上限値をWmaxaのままとし、冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1に流入して(tb)から流出する(tc)までの時間(tc−tb)に出力上限値Wmax=f(C)とする出力制限を行う。ここで、時間(tb−ta)および(tc−tb)はそれぞれ冷却液の流量sの関数g1(s)およびg2(s)である。 Further, as shown in the output restriction timing chart of FIG. 5, the time from the time when the pressure drop is detected (ta) to the time when the location where the air in the coolant is mixed flows into the fuel cell stack 1 (tb). In (tb−ta), the main power limit is not performed and the output upper limit value is kept at Wmaxa, and the portion where the air in the coolant is mixed flows into the fuel cell stack 1 until it flows out from (tb) to (tc). The output is limited to the output upper limit value Wmax = f (C) at time (tc−tb). Here, times (tb-ta) and (tc-tb) are functions g1 (s) and g2 (s) of the flow rate s of the coolant, respectively.
ステップS104の出力制限を行った後、圧力低下時間積算値Cの値を初期値“0”に戻して(ステップS105)、当該処理ルーチンを終了する。 After performing the output restriction in step S104, the pressure drop time integrated value C is returned to the initial value “0” (step S105), and the processing routine is terminated.
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック1に冷却液を冷却液ポンプ4により循環供給する冷却系を備えた燃料電池システムにおいて、コントローラ5内の判断手段により、冷却液の状態を検出する状態検出手段(冷却液圧力センサ6)の検出結果に基づき冷却液に空気が混入しているか否かを判断し、コントローラ5内の出力制御手段においては、判断手段によって冷却液に空気が混入していると判断されたときに燃料電池スタック1の出力を制限する。これにより、未然に燃料電池スタック1の発熱を低く抑え、燃料電池スタック1の冷却不良による破損を防止することができる。 As described above, in the fuel cell system according to this embodiment, in the fuel cell system including the cooling system that circulates and supplies the coolant to the fuel cell stack 1 by the coolant pump 4, the cooling is performed by the determination unit in the controller 5. Based on the detection result of the state detection means (cooling liquid pressure sensor 6) for detecting the state of the liquid, it is determined whether or not air is mixed in the cooling liquid, and the output control means in the controller 5 uses the determination means for cooling. When it is determined that air is mixed in the liquid, the output of the fuel cell stack 1 is limited. Thereby, the heat generation of the fuel cell stack 1 can be suppressed to a low level, and damage due to poor cooling of the fuel cell stack 1 can be prevented.
また、本実施形態の燃料電池システムでは、状態検出手段を冷却液の圧力を検出する冷却液圧力検出手段(冷却液圧力センサ6)として、コントローラ5内の判断手段において、冷却液圧力検出手段(冷却液圧力センサ6)による冷却液圧力検出値が冷却液ポンプ4の回転数から推定される冷却液圧力推定値の下限閾値を所定時間以内だけ下回り、その後再び該下限閾値を上回る場合に、冷却液に空気が混入していると判断する。これにより、冷却液への空気混入に起因する急激な圧力変動に基づく冷却機構が異常であるとの誤診断を防止することができ、また、冷却液の空気混入検知のための新たな装置の設置が必要ないので装置コストを低く抑えることができる。 Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the state detection means is the coolant pressure detection means (coolant pressure sensor 6) for detecting the coolant pressure, and the determination means in the controller 5 uses the coolant pressure detection means ( Cooling is detected when the detected value of the coolant pressure by the coolant pressure sensor 6) falls below the lower limit threshold of the estimated coolant pressure estimated from the number of revolutions of the coolant pump 4 within a predetermined time and then exceeds the lower limit threshold again. Judge that air is mixed in the liquid. As a result, it is possible to prevent a false diagnosis that the cooling mechanism based on abrupt pressure fluctuations due to air mixing into the cooling liquid is abnormal, and a new device for detecting air mixing in the cooling liquid. Since installation is not necessary, the apparatus cost can be kept low.
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ5内の出力制御手段において、コントローラ5内の判断手段における冷却液圧力検出値が冷却液圧力推定値の下限閾値を下回っている時間の単位時間あたりの長さに応じて、燃料電池スタック1の出力上限値を変化させる。これにより、冷却液圧力推定値が下限閾値を下回っている時間が長く、冷却液への空気混入量が多いと推定される場合は、燃料電池スタック1の出力上限値を低くすることによって燃料電池スタック1の発熱を低く抑え、燃料電池スタック1の冷却不良による破損を防止することができる。逆に、空気混入量が微量と推定される場合は、燃料電池スタック1からほぼ最大出力を取り出すことができ、無用な出力制限を避けることができる。 Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the output control means in the controller 5, per unit time of the time during which the coolant pressure detection value in the determination means in the controller 5 is below the lower limit threshold value of the coolant pressure estimation value. The output upper limit value of the fuel cell stack 1 is changed according to the length of. As a result, when it is estimated that the estimated time of the coolant pressure value is below the lower limit threshold and the amount of air mixed in the coolant is large, the fuel cell stack 1 is set to a lower output upper limit value to reduce the fuel cell stack 1. Heat generation of the stack 1 can be suppressed to a low level, and damage due to poor cooling of the fuel cell stack 1 can be prevented. On the other hand, when the air mixing amount is estimated to be a very small amount, the maximum output can be taken out from the fuel cell stack 1, and unnecessary output limitation can be avoided.
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ5内の判断手段により冷却液に空気が混入していると判断されたとき、冷却液中の空気が混入している箇所の燃料電池スタック1への流入タイミングまたは燃料電池スタック1からの流出タイミングに合わせて燃料電池スタック1の出力制限を開始または終了する。これにより、燃料電池スタック1に出力制限をかける時間を極力短くでき、出力制限による電力不足を最小限に抑えることができる。 Furthermore, in the fuel cell system of the present embodiment, when it is determined by the determination means in the controller 5 that air is mixed in the coolant, the fuel cell stack 1 at the location where the air in the coolant is mixed. The output limitation of the fuel cell stack 1 is started or ended in accordance with the inflow timing of the fuel cell or the outflow timing from the fuel cell stack 1. As a result, it is possible to shorten the time for limiting the output to the fuel cell stack 1 as much as possible, and to minimize power shortage due to the output limitation.
(実施形態2)
次に、本発明の実施形態2に係る燃料電池システムについて説明する。実施形態2の燃料電池システムは、実施形態1の燃料電池システムにおいて冷却液圧力センサ6の値と冷却液ポンプ4の回転数から推定される冷却液圧力推定値との2つの値の差から冷却液中の空気混入の有無を判別したに対し、冷却液ポンプ4の実回転数と燃料電池スタック1の出力或いは冷却液の温度の少なくとも一方から算出される冷却液ポンプ4の目標回転数との2つの差から冷却液中の空気混入の有無を判別するものである。
(Embodiment 2)
Next, a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The fuel cell system of the second embodiment is cooled from the difference between two values of the value of the coolant pressure sensor 6 and the estimated value of the coolant pressure estimated from the rotation speed of the coolant pump 4 in the fuel cell system of the first embodiment. While the presence or absence of air mixing in the liquid is determined, the actual rotational speed of the coolant pump 4 and the target rotational speed of the coolant pump 4 calculated from at least one of the output of the fuel cell stack 1 or the temperature of the coolant. The presence or absence of air in the coolant is determined from the difference between the two.
実施形態2の燃料電池システムの構成は、実施形態1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 The configuration of the fuel cell system of Embodiment 2 is the same as that of Embodiment 1 (FIG. 1), and a specific description of each component will be omitted.
なお、コントローラ5は、実施形態1と同様にその構成要素として、状態検出手段の検出結果に基づき冷却液に空気が混入しているか否かを判断する判断手段と、該判断手段により冷却液に空気が混入していると判断されたとき、燃料電池スタック1の出力を制限する出力制御手段と、を備えるが、状態検出手段を冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段(冷却液温度センサ(スタック入口)7および冷却液温度センサ(スタック出口)8)とし、判断手段において、冷却液ポンプ4の実回転数が燃料電池スタック1の出力または冷却液温度検出手段による冷却液温度検出値の少なくとも一方から算出される冷却液ポンプ4の目標回転数の上限閾値より所定時間以内だけ上回り、その後再び該上限閾値を下回って該目標回転数付近に戻る場合に、冷却液に空気が混入していると判断するという点が実施形態1とは異なる。 As in the first embodiment, the controller 5 includes, as its components, a determination unit that determines whether or not air is mixed in the coolant based on the detection result of the state detection unit, Output control means for limiting the output of the fuel cell stack 1 when it is determined that air is mixed, the state detection means is a coolant temperature detection means (coolant temperature) that detects the temperature of the coolant. The sensor (stack inlet) 7 and the coolant temperature sensor (stack outlet) 8) are used, and in the judging means, the actual rotational speed of the coolant pump 4 is the output of the fuel cell stack 1 or the coolant temperature detection value by the coolant temperature detecting means. It exceeds the upper limit threshold of the target rotational speed of the coolant pump 4 calculated from at least one of them within a predetermined time, and then falls below the upper threshold again and returns to the vicinity of the target rotational speed. In case, that it is determined that air is mixed in the cooling liquid it is different from the first embodiment.
また、出力制御手段において、判断手段における冷却液ポンプ4の実回転数が目標回転数の上限閾値を上回っている時間の単位時間あたりの長さに応じて、燃料電池スタック1の出力上限値を変化させる点も実施形態1とは異なる。またさらに、判断手段により冷却液に空気が混入していると判断されたときには、実施形態1と同様に、冷却液中の空気が混入している箇所の燃料電池スタック1への流入タイミングまたは燃料電池スタック1からの流出タイミングに合わせて燃料電池スタック1の出力制限を開始または終了する。 Further, in the output control means, the output upper limit value of the fuel cell stack 1 is set according to the length per unit time in which the actual rotation speed of the coolant pump 4 in the determination means exceeds the upper limit threshold value of the target rotation speed. The point of changing is also different from the first embodiment. Furthermore, when it is determined by the determining means that air is mixed in the coolant, the inflow timing to the fuel cell stack 1 or the fuel at the location where the air in the coolant is mixed is the same as in the first embodiment. The output restriction of the fuel cell stack 1 is started or ended in accordance with the flow-out timing from the battery stack 1.
次に、以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムの運転時の動作について、図6を参照しながら説明する。ここで、図6は冷却液への空気混入と冷却液ポンプ4の回転数との関係を説明する説明図である。 Next, the operation during operation of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIG. Here, FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the relationship between air mixing into the coolant and the rotational speed of the coolant pump 4.
冷却液を用いる燃料電池システムの冷却機構において、冷却液に空気が混入した場合、例えば図6に示すように、冷却液ポンプ4の実回転数は一時的に上昇し、その後、元の目標回転数Rset付近の回転数に戻ることがある。そこで本実施形態では、冷却液ポンプ4の実回転数が燃料電池スタック1の出力または冷却液温度検出手段による冷却液温度検出値の少なくとも一方から算出される冷却液ポンプ4の目標回転数の上限閾値Rmaxを上回り、その上限閾値Rmaxを上回っている状態の時間を積算する回転数上昇時間積算値Cが所定時間Cmaxを経過するまでに、再び該上限閾値Rmaxを下回って該目標回転数Rset付近に戻る場合は、冷却液に空気が混入していると判断し、冷却機構に故障があるとの判定をしない。例えば、図6においては、T21〜T22の期間とT23〜T24の期間に、冷却液ポンプ4の実回転数が目標回転数の上限閾値Rmax上回っているが、それらの期間が所定時間Cmaxを経過していないので、冷却機構の故障と判定されない。 In the cooling mechanism of the fuel cell system using the coolant, when air is mixed into the coolant, for example, as shown in FIG. 6, the actual rotational speed of the coolant pump 4 temporarily increases, and then the original target rotation. The rotational speed may return to around the number Rset. Therefore, in the present embodiment, the upper limit of the target rotational speed of the coolant pump 4 in which the actual rotational speed of the coolant pump 4 is calculated from at least one of the output of the fuel cell stack 1 or the coolant temperature detection value by the coolant temperature detection means. The rotation speed increase time integration value C that integrates the time exceeding the threshold value Rmax and exceeding the upper limit threshold value Rmax again falls below the upper limit threshold value Rmax and near the target rotation speed Rset until the predetermined time Cmax has elapsed. In the case of returning to, it is determined that air is mixed in the coolant, and it is not determined that the cooling mechanism has a failure. For example, in FIG. 6, the actual rotational speed of the coolant pump 4 exceeds the upper limit threshold value Rmax of the target rotational speed during the periods T21 to T22 and T23 to T24, but those periods have passed a predetermined time Cmax. Therefore, it is not determined that the cooling mechanism has failed.
また、実施形態1(図4参照)と同様に、単位時間あたりの冷却液ポンプ4の実回転数が目標回転数の上限閾値Rmaxを上回っている時間(回転数上昇異常時間)の長さに応じて、燃料電池スタック1の出力上限値を変化させている。例えば図4と同様に、単位時間あたりの回転数上昇異常時間がTαを超えてTβに至るまで、燃料電池スタック1の出力上限値を通常値のWmaxaからWmaxbまで徐々に(逆比例の関係で)下げて行き、単位時間あたりの回転数上昇異常時間がTβを超えると、発電を停止して燃料電池スタック1からの電力取出しを停止するようにする。 Further, as in the first embodiment (see FIG. 4), the length of time during which the actual rotational speed of the coolant pump 4 per unit time exceeds the upper limit threshold value Rmax of the target rotational speed (rotational speed increase abnormal time) is set. Accordingly, the output upper limit value of the fuel cell stack 1 is changed. For example, as in FIG. 4, the output upper limit value of the fuel cell stack 1 is gradually increased from the normal value Wmaxa to Wmaxb (in an inversely proportional relationship) until the rotation speed increase abnormal time per unit time exceeds Tα and reaches Tβ. ) When the rotational speed increase abnormal time per unit time exceeds Tβ, the power generation is stopped and the power extraction from the fuel cell stack 1 is stopped.
このように、冷却液の空気混入量が多いほど燃料電池スタック1の出力上限値が低くなるため、燃料電池スタック1の発熱量が抑えられ冷却不良による燃料電池スタック1の破損を防止することができる。逆に、空気混入量が微量で燃料電池スタック1の冷却にほとんど影響がない状況では、燃料電池スタック1からほぼフル出力取り出すことが可能となる。 As described above, the larger the amount of air mixed in the coolant, the lower the output upper limit value of the fuel cell stack 1. Therefore, the amount of heat generated in the fuel cell stack 1 can be suppressed, and damage to the fuel cell stack 1 due to poor cooling can be prevented. it can. On the contrary, in a situation where the amount of mixed air is very small and the cooling of the fuel cell stack 1 is hardly affected, almost full output can be taken out from the fuel cell stack 1.
さらに、実施形態1(図5参照)と同様に、冷却液ポンプ4の回転数または冷却ライン3に設置された流量計から冷却液の流量を求め、回転数上昇が検知された時間(ta)から冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1内に流入する(tb)までの時間(tb−ta)を算出し、また、冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1に流入して(tb)から流出する(tc)までの時間(tc−tb)を算出して、冷却液中の空気が混入した箇所が燃料電池スタック1内に出入りするタイミングに合わせて燃料電池スタック1の出力上限値を変化させて出力制限を行っている。これにより、出力制限をかけている時間を極力短くし、無用な電力不足を回避することができる。 Furthermore, as in the first embodiment (see FIG. 5), the coolant flow rate is obtained from the rotational speed of the coolant pump 4 or a flow meter installed in the cooling line 3, and the time when the rotational speed increase is detected (ta) The time (tb−ta) from when the location where the air in the coolant is mixed flows into the fuel cell stack 1 (tb) is calculated, and the location where the air in the coolant is mixed is the fuel cell stack 1 The time (tc−tb) from when (tb) flows into (tc) to (tc) flow into the fuel cell is calculated, and the fuel cell is aligned with the timing when the location where the air in the coolant is mixed enters and exits the fuel cell stack 1 The output upper limit value of the stack 1 is changed to limit the output. As a result, the time during which the output is limited can be shortened as much as possible, and unnecessary power shortage can be avoided.
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、状態検出手段を冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段(冷却液温度センサ(スタック入口)7および冷却液温度センサ(スタック出口)8)とし、コントローラ5内の判断手段において、冷却液ポンプ4の実回転数が燃料電池スタック1の出力または冷却液温度検出手段(冷却液温度センサ7,8)による冷却液温度検出値の少なくとも一方から算出される冷却液ポンプ4の目標回転数の上限閾値より所定時間以内だけ上回り、その後再び該上限閾値を下回って該目標回転数付近に戻る場合に、冷却液に空気が混入していると判断する。これにより、冷却液への空気混入に起因する急激な冷却液ポンプ回転数変動に基づく冷却機構が異常であるとの誤診断を防止することができ、また、冷却液の空気混入検知のための新たな装置の設置が必要ないので装置コストを低く抑えることができる。 As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, the state detecting means uses the coolant temperature detecting means (coolant temperature sensor (stack inlet) 7 and coolant temperature sensor (stack outlet)) for detecting the temperature of the coolant. 8), and in the determination means in the controller 5, the actual rotational speed of the coolant pump 4 is at least the output of the fuel cell stack 1 or the coolant temperature detection value by the coolant temperature detection means (coolant temperature sensors 7, 8). When the temperature exceeds the upper limit threshold of the target rotation speed of the coolant pump 4 calculated from one side within a predetermined time, and then falls below the upper limit threshold again and returns to the vicinity of the target rotation speed, air is mixed in the coolant. Judge. As a result, it is possible to prevent a false diagnosis that the cooling mechanism is abnormal based on a sudden change in the number of revolutions of the coolant pump caused by air mixing into the coolant, and for detecting air contamination in the coolant. Since it is not necessary to install a new device, the device cost can be kept low.
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ5内の出力制御手段において、コントローラ5内の判断手段における冷却液ポンプ4の実回転数が目標回転数の上限閾値を上回っている時間の単位時間あたりの長さに応じて、燃料電池スタック1の出力上限値を変化させる。これにより、冷却液ポンプ4の実回転数が上限閾値を上回っている時間が長く、冷却液への空気混入量が多いと推定される場合は、燃料電池スタック1の出力上限値を低くすることによって燃料電池スタック1の発熱を低く抑え、燃料電池スタック1の冷却不良による破損を防止することができる。逆に、空気混入量が微量と推定される場合は、燃料電池スタック1からほぼ最大出力を取り出すことができ、無用な出力制限を避けることができる。 Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the output control means in the controller 5, the unit time of the time when the actual rotation speed of the coolant pump 4 in the determination means in the controller 5 exceeds the upper limit threshold value of the target rotation speed The output upper limit value of the fuel cell stack 1 is changed in accordance with the per-length. Thereby, when it is estimated that the actual rotational speed of the coolant pump 4 exceeds the upper limit threshold and the amount of air mixed into the coolant is large, the output upper limit value of the fuel cell stack 1 is lowered. Therefore, the heat generation of the fuel cell stack 1 can be suppressed to a low level, and the damage due to poor cooling of the fuel cell stack 1 can be prevented. On the other hand, when the air mixing amount is estimated to be a very small amount, the maximum output can be taken out from the fuel cell stack 1, and unnecessary output limitation can be avoided.
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ5内の判断手段により冷却液に空気が混入していると判断されたとき、冷却液中の空気が混入している箇所の燃料電池スタック1への流入タイミングまたは燃料電池スタック1からの流出タイミングに合わせて燃料電池スタック1の出力制限を開始または終了する。これにより、燃料電池スタック1に出力制限をかける時間を極力短くでき、出力制限による電力不足を最小限に抑えることができる。 Furthermore, in the fuel cell system of the present embodiment, when it is determined by the determination means in the controller 5 that air is mixed in the coolant, the fuel cell stack 1 at the location where the air in the coolant is mixed. The output limitation of the fuel cell stack 1 is started or ended in accordance with the inflow timing of the fuel cell or the outflow timing from the fuel cell stack 1. As a result, it is possible to shorten the time for limiting the output to the fuel cell stack 1 as much as possible, and to minimize power shortage due to the output limitation.
1 燃料電池スタック
2 ラジエータ
2b ラジエータファン
3 冷却液ライン
4 冷却液ポンプ
5 コントローラ
6 冷却液圧力センサ
7 冷却液温度センサ(スタック入口)
8 冷却液温度センサ(スタック出口)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Radiator 2b Radiator fan 3 Coolant line 4 Coolant pump 5 Controller 6 Coolant pressure sensor 7 Coolant temperature sensor (stack inlet)
8 Coolant temperature sensor (stack exit)
Claims (1)
前記燃料電池に冷却液を冷却液ポンプにより循環供給する冷却系と、
前記冷却液の状態を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段の検出結果に基づき前記冷却液に空気が混入しているか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段により前記冷却液に空気が混入していると判断されたとき、前記燃料電池の出力を制限する出力制御手段とを備え、
前記状態検出手段は、前記冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段であり、
前記判断手段は、前記冷却液ポンプの実回転数が前記燃料電池の出力または前記冷却液温度検出手段による冷却液温度検出値の少なくとも一方から算出される前記冷却液ポンプの目標回転数の上限閾値より所定時間以内だけ上回り、その後再び該上限閾値を下回って該目標回転数付近に戻る場合に、前記冷却液に空気が混入していると判断することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas;
A cooling system for circulating and supplying a coolant to the fuel cell by a coolant pump;
State detecting means for detecting the state of the coolant;
Determination means for determining whether air is mixed in the coolant based on the detection result of the state detection means;
An output control means for limiting the output of the fuel cell when the determination means determines that air is mixed in the coolant;
The state detection means is a coolant temperature detection means for detecting a temperature of the coolant,
The determination means is an upper limit threshold value of the target rotation speed of the coolant pump, wherein the actual rotation speed of the coolant pump is calculated from at least one of the output of the fuel cell or the coolant temperature detection value by the coolant temperature detection means. When the fuel cell system exceeds a predetermined time and then falls below the upper threshold again and returns to the vicinity of the target rotational speed, it is determined that air is mixed in the coolant.
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