JP2013229140A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】補機消費電力を抑制しつつ、燃料電池内の水分量を適正に保持する。
【解決手段】アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池2と、冷媒を燃料電池2とラジエータ8に通流させて循環するラジエータ循環経路C1と、冷媒を燃料電池2に通流させ且つラジエータ8には通流させないで循環するバイパス循環経路C2と、を備え、燃料電池2の起動時に、冷媒の温度が第1温度閾値以下のときには冷媒をバイパス循環経路C2に通流させ、冷媒の温度が第1温度閾値を越えるときには冷媒をラジエータ循環経路C1に通流させる燃料電池の起動方法において、燃料電池2の温度を検出し、検出した燃料電池2の温度が、第1温度閾値よりも低い温度に設定された第2温度閾値以下のときには、冷媒をバイパス循環経路C2に間欠的に通流させる。
【選択図】図1
【解決手段】アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池2と、冷媒を燃料電池2とラジエータ8に通流させて循環するラジエータ循環経路C1と、冷媒を燃料電池2に通流させ且つラジエータ8には通流させないで循環するバイパス循環経路C2と、を備え、燃料電池2の起動時に、冷媒の温度が第1温度閾値以下のときには冷媒をバイパス循環経路C2に通流させ、冷媒の温度が第1温度閾値を越えるときには冷媒をラジエータ循環経路C1に通流させる燃料電池の起動方法において、燃料電池2の温度を検出し、検出した燃料電池2の温度が、第1温度閾値よりも低い温度に設定された第2温度閾値以下のときには、冷媒をバイパス循環経路C2に間欠的に通流させる。
【選択図】図1
Description
この発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法に関するものである。
特許文献1には、燃料電池の温度に基づいて反応ガスのストイキ(供給量)を増減させることが開示されている。
ところで、燃料電池に供給する酸化剤ガスとしての空気は、発電のための反応ガスとしての機能だけでなく、燃料電池内の水分を持ち出す(排出する)機能を有しており、この機能によって、燃料電池内のフラッディングを防止するとともに、膜電極構造体の含水量を適正に保持している。
しかしながら、燃料電池の低温起動時は、空気の飽和水蒸気量が少ないため、燃料電池に供給された空気による水分の持ち出し効果が低い。したがって、低温起動時に、燃料電池の膜電極構造体が過剰に水分を含むことを防止するために、エアポンプを高回転で運転し空気の供給量を増大しても、その効果は低い。そのため、低温起動時は、膜電極構造体の含水量を適正に保持するのが難しかった。
また、燃料電池の起動時は元々発電が不安定であり、そのような状況において空気量を増大させるためにエアポンプを高回転させるのは、補機消費電力が増大するので、エネルギマネージメント上、好ましくない。
そこで、この発明は、補機消費電力を抑制しつつ、燃料電池内の水分量を適正に保持することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法を提供するものである。
この発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項1に係る発明は、アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池(例えば、後述する実施形態における燃料電池2)と、前記燃料電池の冷却を行う冷媒の放熱を行うラジエータ(例えば、後述する実施形態におけるラジエータ8)と、前記冷媒の循環を行う冷媒ポンプ(例えば、後述する実施形態における第1冷却水ポンプ5、第2冷却水ポンプ9)と、前記燃料電池の温度を把握する温度把握手段(例えば、後述する実施形態における温度センサ12)と、前記燃料電池に冷媒を導入する冷媒導入路(例えば、後述する実施形態における冷却水導入路4)と、前記燃料電池を通流した後の冷媒を排出する冷媒排出路(例えば、後述する実施形態における冷却水排出路6)と、前記ラジエータを通流して前記冷媒排出路から前記冷媒導入路へ冷媒を循環させるラジエータ循環路(例えば、後述する実施形態におけるラジエータ循環路7)と、前記ラジエータをバイパスして前記冷媒排出路から前記冷媒導入路へ冷媒を循環させるバイパス循環路(例えば、後述する実施形態におけるバイパス循環路10)と、前記バイパス循環路と、前記冷媒導入路あるいは前記冷媒排出路との接続部に設けられ、前記冷媒の温度が第1温度閾値以下となった場合に、前記バイパス循環路へ冷媒を通流するように設定された流路切替弁(例えば、後述する実施形態におけるサーモスタットバルブ11)と、を備える燃料電池システム(例えば、後述する実施形態における燃料電池システム1)であって、前記温度把握手段により把握された温度に基づいて前記冷媒ポンプの駆動モードを選択する駆動モード判断手段(例えば、後述する実施形態における駆動モード判断手段21)、をさらに備え、前記駆動モード判断手段は、前記燃料電池システムの起動時であって、前記温度把握手段により把握された温度が、前記第1温度閾値よりも低い温度に設定された第2温度閾値以下の場合には、前記冷媒ポンプを間欠運転する第1駆動モードを選択することを特徴とする燃料電池システムである。
請求項1に係る発明は、アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池(例えば、後述する実施形態における燃料電池2)と、前記燃料電池の冷却を行う冷媒の放熱を行うラジエータ(例えば、後述する実施形態におけるラジエータ8)と、前記冷媒の循環を行う冷媒ポンプ(例えば、後述する実施形態における第1冷却水ポンプ5、第2冷却水ポンプ9)と、前記燃料電池の温度を把握する温度把握手段(例えば、後述する実施形態における温度センサ12)と、前記燃料電池に冷媒を導入する冷媒導入路(例えば、後述する実施形態における冷却水導入路4)と、前記燃料電池を通流した後の冷媒を排出する冷媒排出路(例えば、後述する実施形態における冷却水排出路6)と、前記ラジエータを通流して前記冷媒排出路から前記冷媒導入路へ冷媒を循環させるラジエータ循環路(例えば、後述する実施形態におけるラジエータ循環路7)と、前記ラジエータをバイパスして前記冷媒排出路から前記冷媒導入路へ冷媒を循環させるバイパス循環路(例えば、後述する実施形態におけるバイパス循環路10)と、前記バイパス循環路と、前記冷媒導入路あるいは前記冷媒排出路との接続部に設けられ、前記冷媒の温度が第1温度閾値以下となった場合に、前記バイパス循環路へ冷媒を通流するように設定された流路切替弁(例えば、後述する実施形態におけるサーモスタットバルブ11)と、を備える燃料電池システム(例えば、後述する実施形態における燃料電池システム1)であって、前記温度把握手段により把握された温度に基づいて前記冷媒ポンプの駆動モードを選択する駆動モード判断手段(例えば、後述する実施形態における駆動モード判断手段21)、をさらに備え、前記駆動モード判断手段は、前記燃料電池システムの起動時であって、前記温度把握手段により把握された温度が、前記第1温度閾値よりも低い温度に設定された第2温度閾値以下の場合には、前記冷媒ポンプを間欠運転する第1駆動モードを選択することを特徴とする燃料電池システムである。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記駆動モード判断手段は、前記温度把握手段により把握された温度が、前記第1温度閾値よりも低い温度に設定され且つ前記第2温度閾値よりも高い温度に設定された第3温度閾値以下であって、前記第2温度閾値以上の場合には、前記燃料電池に負荷している電流値に応じた冷媒流量に設定して前記冷媒ポンプを連続運転する第2駆動モードを選択し、前記温度把握手段により把握された温度が、前記第1温度閾値よりも高い温度に設定された暖機完了判定閾値以下であって、前記第3温度閾値以上である場合には、前記第2駆動モードよりも大きい冷媒流量に設定して前記冷媒ポンプを連続運転する第3駆動モードを選択することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の発明において、前記冷媒ポンプは、前記バイパス循環路により形成されるバイパス循環経路(例えば、後述する実施形態におけるバイパス循環経路C2)内に配設される第1冷媒ポンプ(例えば、後述する実施形態における第1冷却水ポンプ5)と、前記バイパス循環経路外であって、前記ラジエータ循環路により形成されるラジエータ循環経路(例えば、後述する実施形態におけるラジエータ循環経路C1)内に配設される第2冷媒ポンプ(例えば、後述する実施形態における第2冷却水ポンプ9)と、から構成され、前記第1駆動モード及び第2駆動モードでは前記第1冷媒ポンプのみを駆動し、前記第3駆動モードでは前記第1冷媒ポンプと前記第2冷媒ポンプをそれぞれ最低流量で駆動することを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項2または請求項3に記載の発明において、前記燃料電池の電流値を積算する電流積算手段(例えば、後述する実施形態における電流積算カウンタ22)をさらに有し、前記駆動モード判断手段には、前記第1駆動モードを終了する閾値となる第1駆動モード終了積算電流値と、前記第2駆動モードを終了する閾値となる第2駆動モード終了積算電流値と、前記第3駆動モードを終了する閾値となる第3駆動モード終了積算電流値とが設定されていて、前記駆動モード判断手段は、各駆動モードが選択された場合であっても、前記電流積算手段により積算された積算電流値が、選択された駆動モードに対応した前記駆動モード終了積算電流値を上回る場合には、選択された駆動モードを終了することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の発明において、前記温度把握手段は、前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒の温度に基づいて、あるいは、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの温度に基づいて、あるいは、起動開始時の前記燃料電池の温度を初期値として、前記冷媒ポンプの連続運転時の回転数、前記冷媒ポンプの間欠運転時の駆動時間と停止時間、前記燃料電池の負荷電流値のうち少なくともいずれか1つを用いて予測される温度変化値に基づいて、前記燃料電池の温度を把握することを特徴とする。
請求項6に係る発明は、アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池(例えば、後述する実施形態における燃料電池2)と、冷媒を前記燃料電池とラジエータ(例えば、後述する実施形態におけるラジエータ8)に通流させて循環するラジエータ循環経路(例えば、後述する実施形態におけるラジエータ循環経路C1)と、冷媒を前記燃料電池に通流させ且つ前記ラジエータには通流させないで循環するバイパス循環経路(例えば、後述する実施形態におけるバイパス循環経路C2)と、を備える燃料電池システムの起動時に、冷媒の温度が第1温度閾値以下のときには冷媒を前記バイパス循環経路に通流させ、冷媒の温度が第1温度閾値を越えるときには冷媒を前記ラジエータ循環経路に通流させる燃料電池システムの起動方法において、前記燃料電池の温度を検出または推定して把握し、把握した前記燃料電池の温度が、前記第1温度閾値よりも低い温度である第2温度閾値以下のときには、冷媒を前記バイパス循環経路に間欠的に通流させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法である。
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の発明において、前記把握した前記燃料電池の温度が、前記第2温度閾値以上であり、且つ前記第1温度閾値より低く前記第2温度閾値よりも高い温度である第3温度閾値以下のときは、前記燃料電池に負荷している電流値に応じた流量で冷媒を前記バイパス循環経路に連続的に通流させるようにし、前記検出または推定された前記燃料電池の温度が、前記第3温度閾値以上であり、且つ前記第1温度閾値よりも高い暖機完了判定閾値以下のときには、前記電流値に応じた流量よりも大きい流量で冷媒を前記バイパス循環経路または前記ラジエータ循環経路に連続的に通流させることを特徴とする。
請求項1に係る発明によれば、燃料電池の温度が第2温度閾値以下である場合に第1駆動モードを選択して、冷媒ポンプを間欠運転するので、燃料電池の発電安定性が低いときに、暖機を促進させることができる。暖機を早めることができると、燃料電池内の水分を蒸発させ易くなり、また、燃料電池内の酸化剤ガスの温度も上昇するので酸化剤ガスの飽和水蒸気量も多くなり、その結果、燃料電池に供給される酸化剤ガスによって燃料電池内から持ち出される水分量を多くすることができる。これにより、膜電極構造体が水分過多になるのを防止することができ、膜電極構造体の水分量を適正にすることができる。
請求項2に係る発明によれば、燃料電池の温度が第2温度閾値から第3温度閾値の間の場合には第2駆動モードを選択し、燃料電池の温度が第3温度閾値から暖機完了判定閾値の間の場合には第3駆動モードを選択して、暖機が進むにしたがって冷媒流量を増大させているので、膜電極構造体が過熱されて固体高分子電解質膜がダメージを受けるのを確実に防止することができる。しかも、低温域では流量を少なくしているので、膜電極構造体の昇温が促進され、膜電極構造体が水分過多となるのを確実に防止することができる。
請求項3に係る発明によれば、複数の小型の冷媒ポンプで構成して、流量の細かい制御が可能となり、各駆動モードに対する制御も簡便となる。
請求項4に係る発明によれば、燃料電池の温度が各駆動モードを終了する温度閾値に達していなくても、当該駆動モードを適切に終了させて、次の駆動モードへ切り替えることができる。特に、第3駆動モードを適切に終了させることができるので、膜電極構造体が過熱されるのを確実に防止することができる。
請求項5に係る発明によれば、簡単な構成で燃料電池の温度を把握することができる。
請求項6に係る発明によれば、燃料電池の温度が第2温度閾値以下である場合に冷媒を前記バイパス循環経路に間欠的に通流させるので、燃料電池の発電安定性が低いときに、暖機を促進させることができる。暖機を早めることができると、燃料電池内の水分を蒸発させ易くなり、また、燃料電池内の酸化剤ガスの温度も上昇するので酸化剤ガスの飽和水蒸気量も多くなり、その結果、燃料電池に供給される酸化剤ガスによって燃料電池内から持ち出される水分量を多くすることができる。これにより、膜電極構造体が水分過多になるのを防止することができ、膜電極構造体の水分量を適正にすることができる。
請求項7に係る発明によれば、暖機が進むにしたがって冷媒流量を増大させることができるので、膜電極構造体が過熱されて固体高分子電解質膜がダメージを受けるのを確実に防止することができる。しかも、低温域では流量を少なくしているので、膜電極構造体の昇温が促進され、膜電極構造体が水分過多となるのを確実に防止することができる。
以下、この発明に係る燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法の実施形態を図1から図7の図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態における燃料電池システムは、燃料電池で発電した電気で駆動モータを動作させ走行する燃料電池車両に搭載された態様である。
図1は、実施形態1における燃料電池システム1の概略構成を示した図である。
燃料電池2は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路とカソードガス流路を備えてなるセルを複数積層しFCスタックとして構成されており、アノードガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
燃料電池2は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路とカソードガス流路を備えてなるセルを複数積層しFCスタックとして構成されており、アノードガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
また、燃料電池2は内部に冷却水通路3を備えており、この冷却水通路3に冷却水(冷媒)を通流させることによって燃料電池2から熱を奪い、発電に伴う発熱で燃料電池2が所定の上限温度を越えないよう冷却している。
燃料電池2における冷却水通路3の入口ポート3aには、燃料電池2に冷却水を導入する冷却水導入路(冷媒導入路)4が接続されている。冷却水導入路4の途中には冷却水を昇圧する第1冷却水ポンプ(第1冷媒ポンプ)5が設置されている。
燃料電池2における冷却水通路3の出口ポート3bには、燃料電池2の冷却水通路3を通流し出口ポート3bから排出される冷却水を燃料電池2の外部に排出する冷却水排出路(冷媒排出路)6が接続されている。
燃料電池2における冷却水通路3の入口ポート3aには、燃料電池2に冷却水を導入する冷却水導入路(冷媒導入路)4が接続されている。冷却水導入路4の途中には冷却水を昇圧する第1冷却水ポンプ(第1冷媒ポンプ)5が設置されている。
燃料電池2における冷却水通路3の出口ポート3bには、燃料電池2の冷却水通路3を通流し出口ポート3bから排出される冷却水を燃料電池2の外部に排出する冷却水排出路(冷媒排出路)6が接続されている。
冷却水導入路4と冷却水排出路6は、途中にラジエータ8を備えたラジエータ循環路7によって接続されている。ラジエータ8は、冷却水が有する熱を空気中に放熱し、冷却水を空冷するための手段である。ラジエータ8よりも下流側のラジエータ循環路7には、冷却水を昇圧する第2冷却水ポンプ(第2冷媒ポンプ)9が設置されている。
冷却水導入路4と冷却水排出路6とラジエータ循環路7によって、ラジエータ8を通流した冷却水を燃料電池2の冷却水通路3に循環させるラジエータ循環経路C1が形成される。
冷却水導入路4と冷却水排出路6とラジエータ循環路7によって、ラジエータ8を通流した冷却水を燃料電池2の冷却水通路3に循環させるラジエータ循環経路C1が形成される。
また、冷却水導入路4と冷却水排出路6は、ラジエータ8及びラジエータ循環路7をバイパスして冷却水を通流させるバイパス循環路10によっても接続されている。冷却水導入路4と冷却水排出路6とバイパス循環路10によって、冷却水をラジエータ8をバイパスさせて燃料電池2の冷却水通路3に循環させるバイパス循環経路C2が形成される。
冷却水導入路4とラジエータ循環路7とバイパス循環路9との接続部には、サーモスタットバルブ(流路切替弁)11が設けられている。サーモスタットバルブ11は、冷却水の温度が第1温度閾値T1(例えば、65゜C)よりも低いときには、冷却水導入路4とバイパス循環路10とを接続し、冷却水導入路4とラジエータ循環路7とを遮断するように作動し(以下、このサーモスタットバルブ11の作動状態を「閉」という)、また、冷却水の温度が第1温度閾値T1を越えると、冷却水導入路4とラジエータ循環路7とを接続し、冷却水導入路4とバイパス循環路10とを遮断するように作動する(以下、このサーモスタットバルブ11の作動状態を「開」という)。
したがって、冷却水の温度が第1温度閾値T1以下のときにはサーモスタットバルブ11が閉じて、冷却水は、冷却水導入路4と冷却水排出路6とバイパス循環路10により構成されるバイパス循環経路C2を通流して循環可能となり、冷却水の温度が第1温度閾値T1を越えたときにはサーモスタットバルブ11が開いて、冷却水は、冷却水導入路4と冷却水排出路6とラジエータ循環路7により構成されるラジエータ循環経路C1を通流して循環可能となる。
冷却水がラジエータ循環経路C1を循環するときには、冷却水はラジエータ8を通流する際に冷却されるので、冷却された冷却水が再び燃料電池2に供給されることとなる。一方、冷却水がバイパス循環経路C2を循環するときには、冷却水はラジエータ8を通流しないので、冷却されずに再び燃料電池2に供給されることとなる。
冷却水がラジエータ循環経路C1を循環するときには、冷却水はラジエータ8を通流する際に冷却されるので、冷却された冷却水が再び燃料電池2に供給されることとなる。一方、冷却水がバイパス循環経路C2を循環するときには、冷却水はラジエータ8を通流しないので、冷却されずに再び燃料電池2に供給されることとなる。
冷却水排出路6には、燃料電池2から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ12が設置されており、温度センサ12は検出した温度に応じた電気信号を制御装置20に出力する。
また、燃料電池2は負荷13に電気的に接続されており、発電した電気を負荷13に供給可能となっている。負荷13としては、例えば、車両を走行させる駆動モータや、蓄電池や、燃料電池2を運転するために必要な補機が含まれる。さらに、補機には、第1冷却水ポンプ5、第2冷却水ポンプ9、燃料電池2に空気を供給するためのエアポンプ(図示略)等が含まれる。燃料電池2は、燃料電池2から出力される電流値を検出する電流センサ14を備えており、電流センサ14は検出した電流値に応じた電気信号を制御装置20に出力する。
また、燃料電池2は負荷13に電気的に接続されており、発電した電気を負荷13に供給可能となっている。負荷13としては、例えば、車両を走行させる駆動モータや、蓄電池や、燃料電池2を運転するために必要な補機が含まれる。さらに、補機には、第1冷却水ポンプ5、第2冷却水ポンプ9、燃料電池2に空気を供給するためのエアポンプ(図示略)等が含まれる。燃料電池2は、燃料電池2から出力される電流値を検出する電流センサ14を備えており、電流センサ14は検出した電流値に応じた電気信号を制御装置20に出力する。
制御装置20は、第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9の駆動モードを判断する駆動モード判断手段21と、電流積算カウンタ(電流積算手段)22を備えている。
電流積算カウンタ22は、電流センサ14で検出した電流値を積算する。
駆動モード判断手段21は、冷却水ポンプ5,9の駆動モードを決定し、決定した駆動モードに応じて第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9の運転を制御する。駆動モード判断手段21については後で詳述する。
電流積算カウンタ22は、電流センサ14で検出した電流値を積算する。
駆動モード判断手段21は、冷却水ポンプ5,9の駆動モードを決定し、決定した駆動モードに応じて第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9の運転を制御する。駆動モード判断手段21については後で詳述する。
この燃料電池システム1では、低温起動時に、燃料電池2の膜電極構造体が水分過多になることを防止するために、二つの冷却水ポンプ5,9の運転に工夫をすることで暖機を促進している。暖機を促進すると、発電に伴って生じる生成水の発生量を低減することができる。また、暖機を促進すると、燃料電池2内を迅速に昇温することができるので、燃料電池2内の水分を蒸発させ易くなり、また、燃料電池2内の空気温度も上昇するので空気の飽和水蒸気量も多くなり、その結果、燃料電池2に供給される空気により燃料電池2内から持ち出される水分量を多くすることができるので、膜電極構造体が水分過多になるのを防止することができ、膜電極構造体の水分量を適正にすることができる。
また、この燃料電池システム1では、燃料電池2の膜電極構造体の水分量を適正に保持するための手段として、燃料電池2のカソードに空気を供給するエアポンプの回転数を上げるのではなく(換言すると、供給空気量を増大するのではなく)、二つの冷却水ポンプ5,9の運転を工夫することで、起動時の発電不安定なときに補機で消費される電力を抑制するようにしている。
以下、燃料電池システム1を低温起動するときの冷却水ポンプ5,9の運転方法を、図2から図6の図面を参照して詳しく説明する。
この燃料電池システム1では、低温起動時の冷却水ポンプ5,9の運転方法として予め三つの駆動モードが設定されている。そして、制御装置20は、燃料電池2から排出される冷却水の温度に基づいて燃料電池2の内部温度(以下、燃料電池2の温度と略す)を推定し、制御装置20の駆動モード判断手段21は、推定された燃料電池2の温度に応じて、前記三つの駆動モードの中から一つを選択し、選択された駆動モードに応じて冷却水ポンプ5,9の運転を制御する。
この燃料電池システム1では、低温起動時の冷却水ポンプ5,9の運転方法として予め三つの駆動モードが設定されている。そして、制御装置20は、燃料電池2から排出される冷却水の温度に基づいて燃料電池2の内部温度(以下、燃料電池2の温度と略す)を推定し、制御装置20の駆動モード判断手段21は、推定された燃料電池2の温度に応じて、前記三つの駆動モードの中から一つを選択し、選択された駆動モードに応じて冷却水ポンプ5,9の運転を制御する。
なお、冷却水の温度と燃料電池2の温度は相関があるので、予め実験によりその相関関係を把握しておくことにより、マップあるいは計算により冷却水の温度から燃料電池2の温度を推定することができる。
ただし、この実施形態1では、冷却水の温度から推定した燃料電池2の温度を用いず、燃料電池2の温度との相関を考慮した上で、温度センサ12で検出される冷却水の温度を用いるものとする。
ただし、この実施形態1では、冷却水の温度から推定した燃料電池2の温度を用いず、燃料電池2の温度との相関を考慮した上で、温度センサ12で検出される冷却水の温度を用いるものとする。
初めに、駆動モード判断処理を図2のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップS101において、燃料電池システム1を前回停止してからの経過時間(すなわち、燃料電池システム1の停止時間)が予め設定した所定時間t1(例えば、1時間)以内か否かを判定する。
まず、ステップS101において、燃料電池システム1を前回停止してからの経過時間(すなわち、燃料電池システム1の停止時間)が予め設定した所定時間t1(例えば、1時間)以内か否かを判定する。
ステップS101における判定結果が「YES」(停止時間≦t1)である場合には、ステップS102に進み、温度センサ12で検出した冷却水の温度が暖機完了判定閾値T4(例えば70゜C)よりも高いか否かを判定する。なお、暖機完了判定閾値T4は、第1温度閾値T1よりも高い温度に設定されている(T4>T1)。
ステップS102における判定結果が「YES」(冷却水温度>T4)である場合には、低温起動ではなく、したがって暖機をする必要がないので、ステップS103に進み電流積算カウンタ22をリセットし、さらにステップS104に進んで、第1駆動モード終了フラグと第2駆動モード終了フラグと暖機完了フラグをリセット(「0」)とする。
ステップS102における判定結果が「YES」(冷却水温度>T4)である場合には、低温起動ではなく、したがって暖機をする必要がないので、ステップS103に進み電流積算カウンタ22をリセットし、さらにステップS104に進んで、第1駆動モード終了フラグと第2駆動モード終了フラグと暖機完了フラグをリセット(「0」)とする。
そして、ステップS104からステップS105に進み、第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9を通常制御により運転する(以下、通常運転という)。冷却水ポンプ5,9の通常運転とは、燃料電池2の温度を発電に最適な温度範囲に保持するように、第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9を制御する運転方法である。
なお、ステップS101における判定結果が「YES」である場合にステップS102に進んで冷却水の温度が暖機完了判定閾値T4を越えているか否かを判定しているのは、次の理由による。
ステップS101における判定結果が「YES」である場合は、燃料電池システム1の停止時間が所定時間t1以内であるので、通常であれば燃料電池2の温度がそれほど下がらず、燃料電池2の温度は暖機完了判定閾値T4よりも大きいはずである。したがって、暖機を行う必要がないので、ステップS103〜S105に進んでよいはずである。
ステップS101における判定結果が「YES」である場合は、燃料電池システム1の停止時間が所定時間t1以内であるので、通常であれば燃料電池2の温度がそれほど下がらず、燃料電池2の温度は暖機完了判定閾値T4よりも大きいはずである。したがって、暖機を行う必要がないので、ステップS103〜S105に進んでよいはずである。
しかしながら、例えば、燃料電池システム1を所定時間t1以上停止させた後に、燃料電池システム1を極短時間だけ運転して、燃料電池システム1を再び停止させた場合に、その再停止後の所定時間t1以内に燃料電池システム1を運転した場合には、燃料電池2の温度が暖機完了判定閾値T4以下である場合が考えられる。このような場合に、ステップS102の処理がないと、暖機が必要であるにもかかわらず、ステップS103〜S105に進んでしまい、暖機が行われなくなってしまう。このような事態が生じるのを防止するため、ステップS102で燃料電池2の温度が暖機完了判定閾値T4を越えているか否かを判定し、判定結果が「NO」である場合には、ステップS103に進まないようにしているのである。
ステップS101における判定結果が「NO」(停止時間>t1)である場合、及び、ステップS102における判定結果が「NO」(冷却水温度≦T4)である場合には、ステップS106に進み、暖機完了フラグが「1」か否かを判定する。
ステップS106における判定結果が「YES」(暖機完了フラグ=1)である場合には、ステップS103,S104,S105と順に進み、第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9を通常運転とする。
ステップS106における判定結果が「YES」(暖機完了フラグ=1)である場合には、ステップS103,S104,S105と順に進み、第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9を通常運転とする。
ステップS106における判定結果が「NO」(暖機完了フラグ≠1)である場合には、ステップS107に進み、温度センサ12で検出した冷却水の温度が第3温度閾値T3(例えば、50゜C)を越えているか否かを判定する。なお、第3温度閾値T3は第1温度閾値T1よりも小さい温度に設定されている(T3<T1)。
ステップS107における判定結果が「NO」(冷却水温度≦T3)である場合には、ステップS108に進んで、温度センサ12で検出した冷却水の温度が第2温度閾値T2(例えば、30゜C)を越えているか否かを判定する。なお、第2温度閾値T2は第3温度閾値T3よりも小さい温度に設定されている(T2<T3)。したがって、各温度閾値の大小関係は、設定温度の高い方から順に、暖機完了判定閾値T4、第1温度閾値T1、第3温度閾値T3、第2温度閾値T2とされている(T4>T1>T3>T2)。
ステップS108における判定結果が「NO」(冷却水温度≦T2)である場合には、ステップS109に進み、第2冷却水ポンプ9は停止し、第1冷却水ポンプ5だけを間欠運転させる第1駆動モードを選択し、これを実行する。
冷却水の温度が第2温度閾値T2以下ということは、燃料電池2の温度が極めて低い領域にあるので、燃料電池2の暖機を促進するためには冷却水ポンプ5,9を停止させておきたいところであるが、それでは燃料電池2内において温度が不均一になる虞がある。そこで、第1駆動モードでは、燃料電池2の温度の均一化を目的として、最小限の冷却水を燃料電池2の冷却水通路3に通流させるために、第1冷却水ポンプ5を間欠運転させる。ここで、第2冷却水ポンプ9を運転しないのは、冷却水の温度が第2温度閾値T2以下のときには、サーモスタットバルブ11が閉じてラジエータ循環路7を遮断しているので、第2冷却水ポンプ9を運転しても無意味であること、及び、補機消費電力を低減するためである。
ステップS108における判定結果が「YES」(T2<冷却水温度≦T3)である場合には、ステップS110に進み、第2冷却水ポンプ9は停止し、第1冷却水ポンプ5だけを単独で連続運転する第2駆動モードを選択し、これを実行する。
冷却水の温度が第2温度閾値T2よりも大きく第3温度閾値T3以下ということは、燃料電池2内における生成水量が多い温度領域であるので、暖機を促進させて燃料電池2の温度を上昇させることで蒸発量を多くするとともに、燃料電池2内の空気温度を高くすることで飽和蒸気量を多くすることによって、燃料電池2内からの水分の持ち出し(排水)を増大させたい。また、この温度領域は膜電極構造体の面内温度の上昇率が高い領域であるので、燃料電池2の温度を均一化するために冷却水を燃料電池2の冷却水通路3に通流させる必要がある。そこで、第2駆動モードでは、燃料電池2の温度の均一化を目的として、冷却水を燃料電池2の冷却水通路3に通流させるために、第1冷却水ポンプ5を単独で連続運転させる。ここで、第2冷却水ポンプ9を運転しないのは、冷却水の温度が第3温度閾値T3以下のときには、サーモスタットバルブ11が閉じてラジエータ循環路7を遮断しているので、第2冷却水ポンプ9を運転しても無意味であること、及び、補機消費電力を低減するためである。
冷却水の温度が第2温度閾値T2よりも大きく第3温度閾値T3以下ということは、燃料電池2内における生成水量が多い温度領域であるので、暖機を促進させて燃料電池2の温度を上昇させることで蒸発量を多くするとともに、燃料電池2内の空気温度を高くすることで飽和蒸気量を多くすることによって、燃料電池2内からの水分の持ち出し(排水)を増大させたい。また、この温度領域は膜電極構造体の面内温度の上昇率が高い領域であるので、燃料電池2の温度を均一化するために冷却水を燃料電池2の冷却水通路3に通流させる必要がある。そこで、第2駆動モードでは、燃料電池2の温度の均一化を目的として、冷却水を燃料電池2の冷却水通路3に通流させるために、第1冷却水ポンプ5を単独で連続運転させる。ここで、第2冷却水ポンプ9を運転しないのは、冷却水の温度が第3温度閾値T3以下のときには、サーモスタットバルブ11が閉じてラジエータ循環路7を遮断しているので、第2冷却水ポンプ9を運転しても無意味であること、及び、補機消費電力を低減するためである。
なお、第2駆動モードにおいて第1冷却水ポンプ5を間欠運転ではなく連続運転としたのは、連続運転の方が温度コントロールを行い易いからである。第1冷却水ポンプ5を間欠運転にすると、第1冷却水ポンプ5が停止しているときに燃料電池2から大電流を出力すると、燃料電池2の温度が急上昇する虞がある。第1冷却水ポンプ5を連続運転すれば、そのような事態に陥り難くなるからである。
ステップS107における判定結果が「YES」(冷却水温度>T3)である場合には、ステップS111に進み、第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9をそれぞれ運転可能な最低流量で連続運転する第3駆動モードを選択し、これを実行する。
冷却水の温度が第3温度閾値T3よりも大きいということは、暖機完了間際であり、燃料電池2の出力電流値に対する電熱速度(熱伝導効率)が早いため、スポット的な異常発熱が発生したり、制御遅れが生じると燃料電池2の温度が急上昇したりする虞がある。これを防止するためには、燃料電池2の冷却水通路3にある程度の流量で冷却水を通流させる必要がある。そこで、第3駆動モードでは、第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9を共に最低流量で連続運転することで、第2駆動モードのときよりも大きな冷却水流量を燃料電池2の冷却水通路3に通流させる。
冷却水の温度が第3温度閾値T3よりも大きいということは、暖機完了間際であり、燃料電池2の出力電流値に対する電熱速度(熱伝導効率)が早いため、スポット的な異常発熱が発生したり、制御遅れが生じると燃料電池2の温度が急上昇したりする虞がある。これを防止するためには、燃料電池2の冷却水通路3にある程度の流量で冷却水を通流させる必要がある。そこで、第3駆動モードでは、第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9を共に最低流量で連続運転することで、第2駆動モードのときよりも大きな冷却水流量を燃料電池2の冷却水通路3に通流させる。
サーモスタットバルブ11の開閉閾値である第1温度閾値T1は、第3温度閾値T3よりも高く暖機完了判定閾値T4よりも低いので、第3駆動モードにおける高温域(第1温度閾値T1から暖機完了判定閾値T4までの温度域)では、サーモスタットバルブ11が開くようになり、その結果、ラジエータ循環経路C1に冷却水が通流するようになって、ラジエータ8によって冷却された冷却水が燃料電池2の冷却水通路3に通流するようになる。これにより、燃料電池2の膜電極構造体の温度が過度に上昇するのを防止することができ、固体高分子電解質膜がダメージを受けるのを確実に防止することができる。
なお、第2駆動モードのときの冷却水流量を、第3駆動モードのときの冷却水流量よりも小さくするのは、第2駆動モードの温度領域は第3駆動モードの温度領域よりも低いので、固体高分子電解質膜にダメージを与える温度域まで昇温される虞が低く、第3駆動モードほどの冷却性能が必要ないからである。
次に、第1駆動モードにおける第1冷却水ポンプ5の運転制御を図3のフローチャートに従って説明する。
初めに、ステップS201において、図4に示すOFF時間マップを参照して、電流センサ14により検出された燃料電池2の出力電流値に応じた第1冷却水ポンプ5のOFF時間を求め、このOFF時間を、間欠用タイマにOFF設定時間としてセットする。
初めに、ステップS201において、図4に示すOFF時間マップを参照して、電流センサ14により検出された燃料電池2の出力電流値に応じた第1冷却水ポンプ5のOFF時間を求め、このOFF時間を、間欠用タイマにOFF設定時間としてセットする。
図4に示すOFF時間マップは、電流値が大きいほどOFF時間が短く、電流値が小さいほどOFF時間が長くなるように設定されている。これは、燃料電池2の出力電流値が大きいときは燃料電池2における発熱量が大きいので、第1冷却水ポンプ5のOFF時間を短くすることにより、第1冷却水ポンプ5の運転頻度を多くし、燃料電池2の温度むらの発生を抑制して、燃料電池2の温度の均一化を図るためである。一方、燃料電池2の出力電流値が小さいときは燃料電池2における発熱量が小さいので、燃料電池2内において温度むらが生じ難い。したがって、第1冷却水ポンプ5のOFF時間を長くして第1冷却水ポンプ5の運転頻度を少なくしても、燃料電池2の温度の均一化を図ることができるからである。
次に、ステップS202に進み、次の二つの条件(1)、(2)のうち少なくともいずれか一方を満足しているか否かを判定する。
(1)電流積算カウンタ22で積算された燃料電池2の電流積算値が第1電流積算閾値(第1駆動モード終了積算電流値)S1以上である。
(2)温度センサ12で検出された冷却水の温度が第2温度閾値T2を越えている。
前記(2)における第2温度閾値T2は、図2に示した駆動モード判断処理のステップS108において、第2駆動モードを選択するときの判定閾値である。つまり、第2温度閾値T2を第1駆動モードの終了閾値として用いる。
また、燃料電池2の電流積算値から燃料電池2の温度を推定することができるので、燃料電池2の温度が第2温度閾値T2に達すると推定される電流積算値を第1電流積算閾値S1に設定しておく。このように、第1電流積算閾値S1を第1駆動モードの終了閾値として用いることにより、冷却水の温度が第2温度閾値T2を越えたことが検出されない場合であっても、第1駆動モードを適切に終了させて第2駆動モードへ切り替えることができる。
(1)電流積算カウンタ22で積算された燃料電池2の電流積算値が第1電流積算閾値(第1駆動モード終了積算電流値)S1以上である。
(2)温度センサ12で検出された冷却水の温度が第2温度閾値T2を越えている。
前記(2)における第2温度閾値T2は、図2に示した駆動モード判断処理のステップS108において、第2駆動モードを選択するときの判定閾値である。つまり、第2温度閾値T2を第1駆動モードの終了閾値として用いる。
また、燃料電池2の電流積算値から燃料電池2の温度を推定することができるので、燃料電池2の温度が第2温度閾値T2に達すると推定される電流積算値を第1電流積算閾値S1に設定しておく。このように、第1電流積算閾値S1を第1駆動モードの終了閾値として用いることにより、冷却水の温度が第2温度閾値T2を越えたことが検出されない場合であっても、第1駆動モードを適切に終了させて第2駆動モードへ切り替えることができる。
ステップS202における判定結果が「NO」である場合、すなわち前記(1)、(2)の条件をいずれも満足していない場合には、ステップS203に進み、間欠用タイマが「0」か否かを判断する。なお、このルーチンの初回実行時は間欠用タイマは0ではないので、ステップS203における判定結果は「NO」となる。
ステップS203における判定結果が「NO」(間欠用タイマ≠0)である場合には、ステップS204に進み、第1冷却水ポンプ5の回転数を0に設定し、さらにステップS205に進み、間欠用タイマをカウントダウンし、さらにステップS206に進み、電流積算カウンタ22による電流積算を継続する。
次に、ステップS207に進み、第1駆動モード終了フラグが「1」か否かを判定する。
ステップS207における判定結果が「NO」(≠1)である場合には、ステップS202に戻る。
ステップS203における判定結果が「NO」(間欠用タイマ≠0)である場合には、ステップS204に進み、第1冷却水ポンプ5の回転数を0に設定し、さらにステップS205に進み、間欠用タイマをカウントダウンし、さらにステップS206に進み、電流積算カウンタ22による電流積算を継続する。
次に、ステップS207に進み、第1駆動モード終了フラグが「1」か否かを判定する。
ステップS207における判定結果が「NO」(≠1)である場合には、ステップS202に戻る。
一方、ステップS203における判定結果が「YES」(間欠用タイマ≠0)である場合、すなわち第1冷却水ポンプ5の停止(回転数=0)時間がステップS201またはステップS210でセットしたOFF設定時間に達した場合には、第1冷却水ポンプ5のON継続時間が予め設定したON設定時間に到達したか否かを判定する。つまり、第1冷却水ポンプ5の停止継続時間がOFF設定時間に達すると第1冷却水ポンプ5はONされるので、そのON継続時間が予め設定した前記ON設定時間に達したか否かを判定する。
なお、ステップS208の初回の処理時には、ステップS209の処理を実行しておらず、したがってON設定時間に達していないので、ステップS208における判定結果は「NO」となる。
なお、ステップS208の初回の処理時には、ステップS209の処理を実行しておらず、したがってON設定時間に達していないので、ステップS208における判定結果は「NO」となる。
前記ON設定時間は、固定値(例えば、バイパス循環経路C2を冷却水が1周するのに必要な時間)としてもよいし、その時点の冷却水の温度に応じてマップ等を用いて設定してもよい。あるいは、第1冷却水ポンプ5をOFFからONへ切り替えてからの冷却水の温度低下率(ONしているときの温度低下率)を監視し、温度低下率が小さい場合にはON時間を継続(ON時間延長)するようにフィードバック制御してもよい。
また、この実施形態1では、第1冷却水ポンプ5のOFF設定時間を可変としたが、OFF設定時間を固定値としてもよい。
つまり、OFF時間とON時間を両方とも可変値としてもよいし、OFF設定時間のみを可変値とし、ON設定時間は固定値としてもよいし、OFF設定時間を固定値とし、ON設定時間のみを可変値としてもよい。
また、この実施形態1では、第1冷却水ポンプ5のOFF設定時間を可変としたが、OFF設定時間を固定値としてもよい。
つまり、OFF時間とON時間を両方とも可変値としてもよいし、OFF設定時間のみを可変値とし、ON設定時間は固定値としてもよいし、OFF設定時間を固定値とし、ON設定時間のみを可変値としてもよい。
ステップS208における判定結果が「NO」である場合には、第1冷却水ポンプ5のON継続時間が前記ON設定時間に達していないので、ステップS209に進み、第1冷却水ポンプ5の回転数を第1冷却水ポンプ5の最低流量に対応する回転数に設定し、ステップS206に進む。
一方、ステップS208における判定結果が「YES」である場合には、第1冷却水ポンプ5のON継続時間が前記ON設定時間に達したので、ステップS210に進み、図4に示すOFF時間マップを参照して、電流センサ14により検出された燃料電池2の出力電流値に応じた第1冷却水ポンプ5のOFF時間を求め、このOFF時間を、間欠用タイマにOFF設定時間としてセットする。
一方、ステップS208における判定結果が「YES」である場合には、第1冷却水ポンプ5のON継続時間が前記ON設定時間に達したので、ステップS210に進み、図4に示すOFF時間マップを参照して、電流センサ14により検出された燃料電池2の出力電流値に応じた第1冷却水ポンプ5のOFF時間を求め、このOFF時間を、間欠用タイマにOFF設定時間としてセットする。
一方、ステップS202における判定結果が「YES」である場合、すなわち、燃料電池2の電流積算値が第1電流積算閾値S1以上であるか、あるいは、温度センサ12で検出された冷却水の温度が第2温度閾値T2を越えている場合には、ステップS211に進み、第1冷却水ポンプ5の回転数を適正流量に対応する回転数に設定する。
ここで、前記適正流量は次のいずれかの方法で決定することができる。
(a)燃料電池2の出力電流値に応じてマップ等に基づいて設定する。
(b)燃料電池2の電流積算値と第1電流積算閾値S1との差分、あるいは、冷却水の温度と第2温度閾値T2との差分に基づいて設定し、差分が大きいほど大きい流量に設定する。
(c)燃料電池2の冷却水通路3に滞留している冷却水がバイパス循環経路C2を少なくとも1回循環し、燃料電池2の温度が均一化されると想定される予め設定した固定値とする。
(a)燃料電池2の出力電流値に応じてマップ等に基づいて設定する。
(b)燃料電池2の電流積算値と第1電流積算閾値S1との差分、あるいは、冷却水の温度と第2温度閾値T2との差分に基づいて設定し、差分が大きいほど大きい流量に設定する。
(c)燃料電池2の冷却水通路3に滞留している冷却水がバイパス循環経路C2を少なくとも1回循環し、燃料電池2の温度が均一化されると想定される予め設定した固定値とする。
次に、ステップS212に進み、間欠用タイマをリセットし、さらにステップS213に進んで、第1駆動モード終了フラグを「1」とし、さらにステップS206へ進む。
ステップS213の処理を経て、ステップS206,S207に進んだときには、ステップS207における判定結果が「YES」となるので、第1駆動モードを終了する。
ステップS213の処理を経て、ステップS206,S207に進んだときには、ステップS207における判定結果が「YES」となるので、第1駆動モードを終了する。
次に、第2駆動モードにおける第1冷却水ポンプ5の運転制御を図5のフローチャートに従って説明する。
初めに、ステップS301において、電流センサ14で検出された燃料電池2の出力電流値に応じた冷却水流量をマップ等を用いて求め、第1冷却水ポンプ5の回転数を、前記冷却水流量に対応する回転数に設定し、該回転数で第1冷却水ポンプ5を連続運転する。
初めに、ステップS301において、電流センサ14で検出された燃料電池2の出力電流値に応じた冷却水流量をマップ等を用いて求め、第1冷却水ポンプ5の回転数を、前記冷却水流量に対応する回転数に設定し、該回転数で第1冷却水ポンプ5を連続運転する。
次に、ステップS302に進み、第1駆動モード終了フラグが「1」か否かを判定する。
ステップS302における判定結果が「YES」(第1駆動モード終了フラグ=1)である場合、すなわち第1駆動モードを経てからこの第2駆動モードに入った場合には、ステップS303に進み、温度センサ12で検出された冷却水の温度が第3温度閾値T3を越えているか否かを判定する。第3温度閾値T3は、図2示した駆動モード判断処理のステップS107において、第3駆動モードを選択するときの判定閾値である。つまり、第3温度閾値T3を第2駆動モードの終了閾値として用いる。
ステップS302における判定結果が「YES」(第1駆動モード終了フラグ=1)である場合、すなわち第1駆動モードを経てからこの第2駆動モードに入った場合には、ステップS303に進み、温度センサ12で検出された冷却水の温度が第3温度閾値T3を越えているか否かを判定する。第3温度閾値T3は、図2示した駆動モード判断処理のステップS107において、第3駆動モードを選択するときの判定閾値である。つまり、第3温度閾値T3を第2駆動モードの終了閾値として用いる。
ステップS303における判定結果が「YES」(冷却水温度>T3)である場合には、ステップS304に進み、第2駆動モード終了フラグを「1」とし、さらにステップS305に進み、第2駆動モード終了フラグが「1」か否かを判定する。なお、ステップS304の処理を経てステップS305に進んだときには、ステップS305における判定結果が「YES」となるので、第2駆動モードを終了する。
一方、ステップS303における判定結果が「NO」(冷却水温度≦T3)である場合には、ステップS305に進む。この場合には、ステップS304の処理を実行していないので、ステップS305の判定結果は「NO」となり、ステップS301に戻る。つまり、この場合には第2駆動モードを継続する。
また、ステップS302における判定結果が「NO」(第1駆動モード終了フラグ≠1)である場合には、ステップS306に進み、電流積算カウンタ22で積算された燃料電池2の電流積算値が第2電流積算閾値(第2駆動モード終了積算電流値)S2以上であるか否かを判定する。
燃料電池2の電流積算値から燃料電池2の温度を推定することができるので、燃料電池2の温度が第3温度閾値T3に達すると推定される電流積算値を第2電流積算閾値S2に設定しておく。このように、第2電流積算閾値S2を第2駆動モードの終了閾値として用いることにより、冷却水の温度が第3温度閾値T3を越えたことが検出されない場合であっても、第2駆動モードを適切に終了させて第3駆動モードへ切り替えることができる。
燃料電池2の電流積算値から燃料電池2の温度を推定することができるので、燃料電池2の温度が第3温度閾値T3に達すると推定される電流積算値を第2電流積算閾値S2に設定しておく。このように、第2電流積算閾値S2を第2駆動モードの終了閾値として用いることにより、冷却水の温度が第3温度閾値T3を越えたことが検出されない場合であっても、第2駆動モードを適切に終了させて第3駆動モードへ切り替えることができる。
ステップS306における判定結果が「YES」である場合、すなわち、燃料電池2の電流積算値が第2電流積算閾値S2以上である場合には、ステップS304に進み、さらにステップS305に進む。この場合には、ステップS304で第2駆動モード終了フラグが「1」とされるので、ステップS305における判定結果は「YES」となり、第2駆動モードを終了する。
一方、ステップS306における判定結果が「NO」である場合、すなわち、燃料電池2の電流積算値が第2電流積算閾値S2未満であるには、ステップS307に進み、電流積算カウンタ22による電流積算を継続する。
そして、ステップS307からステップS305に進む。この場合には、ステップS304の処理を実行していないので、ステップS305における判定結果が「NO」となる。
ステップS305における判定結果が「NO」である場合(第2駆動モード終了フラグ≠1)には、ステップS301に戻り、第2駆動モードを継続する。
そして、ステップS307からステップS305に進む。この場合には、ステップS304の処理を実行していないので、ステップS305における判定結果が「NO」となる。
ステップS305における判定結果が「NO」である場合(第2駆動モード終了フラグ≠1)には、ステップS301に戻り、第2駆動モードを継続する。
次に、第3駆動モードにおける第1冷却水ポンプ5及び第2冷却水ポンプ9の運転制御を図6のフローチャートに従って説明する。
初めに、ステップS401において、第1冷却水ポンプ5の回転数を第1冷却水ポンプ5の最低流量に対応する回転数に設定するとともに、第2冷却水ポンプ9の回転数を第2冷却水ポンプ9の最低流量に対応する回転数に設定し、設定された回転数で両冷却水ポンプ5,9を連続運転する。
初めに、ステップS401において、第1冷却水ポンプ5の回転数を第1冷却水ポンプ5の最低流量に対応する回転数に設定するとともに、第2冷却水ポンプ9の回転数を第2冷却水ポンプ9の最低流量に対応する回転数に設定し、設定された回転数で両冷却水ポンプ5,9を連続運転する。
次に、ステップS402に進み、第2駆動モード終了フラグが「1」か否かを判定する。
ステップS402における判定結果が「YES」(第2駆動モード終了フラグ=1)である場合、すなわち第2駆動モードを経てからこの第3駆動モードに入った場合には、ステップS403に進み、温度センサ12で検出された冷却水の温度が暖機完了判定閾値T4を越えているか否かを判定する。つまり、暖機完了判定閾値T4を第3駆動モードの終了閾値として用いる。
ステップS402における判定結果が「YES」(第2駆動モード終了フラグ=1)である場合、すなわち第2駆動モードを経てからこの第3駆動モードに入った場合には、ステップS403に進み、温度センサ12で検出された冷却水の温度が暖機完了判定閾値T4を越えているか否かを判定する。つまり、暖機完了判定閾値T4を第3駆動モードの終了閾値として用いる。
ステップS403における判定結果が「YES」(冷却水温度>T4)である場合には、ステップS404に進み、暖機完了フラグを「1」とし、さらにステップS407に進み、暖機完了フラグが「1」か否かを判定する。なお、ステップS404の処理を経てステップS407に進んだときには、ステップS407における判定結果が「YES」となるので、第3駆動モードを終了する。
一方、ステップS403における判定結果が「NO」(冷却水温度≦T4)である場合には、ステップS407に進む。この場合には、ステップS404の処理を実行していないので、ステップS407の判定結果は「NO」となり、ステップS402に戻る。つまり、この場合には第3駆動モードを継続する。
また、ステップS402における判定結果が「NO」(第2駆動モード終了フラグ≠1)である場合には、ステップS405に進み、電流積算カウンタ22で積算された燃料電池2の電流積算値が第3電流積算閾値(第3駆動モード終了積算電流値)S3以上であるか否かを判定する。
燃料電池2の電流積算値から燃料電池2の温度を推定することができるので、燃料電池2の温度が暖機完了判定閾値T4に達すると推定される電流積算値を第3電流積算閾値S3に設定しておく。このように、第3電流積算閾値S3を第3駆動モードの終了閾値として用いることにより、冷却水の温度が暖機完了判定閾値T4を越えたことが検出されない場合であっても、第3駆動モードを適切に終了させて、膜電極構造体が過熱されるのを確実に防止することができる。
燃料電池2の電流積算値から燃料電池2の温度を推定することができるので、燃料電池2の温度が暖機完了判定閾値T4に達すると推定される電流積算値を第3電流積算閾値S3に設定しておく。このように、第3電流積算閾値S3を第3駆動モードの終了閾値として用いることにより、冷却水の温度が暖機完了判定閾値T4を越えたことが検出されない場合であっても、第3駆動モードを適切に終了させて、膜電極構造体が過熱されるのを確実に防止することができる。
ステップS405における判定結果が「YES」である場合、すなわち、燃料電池2の電流積算値が第3電流積算閾値S3以上である場合には、ステップS404に進み、さらにステップS407に進む。この場合には、ステップS404で暖機完了フラグが「1」とされるので、ステップS407における判定結果は「YES」となり、第2駆動モードを終了する。
一方、ステップS405における判定結果が「NO」である場合、すなわち、燃料電池2の電流積算値が第3電流積算閾値S3未満である場合には、ステップS406に進み、電流積算カウンタ22による電流積算を継続する。
そして、ステップS406からステップS407に進む。この場合には、ステップS404の処理を実行していないので、ステップS407における判定結果が「NO」となる。
ステップS407における判定結果が「NO」である場合(暖機完了フラグ≠1)には、ステップS402に戻り、第3駆動モードを継続する。
そして、ステップS406からステップS407に進む。この場合には、ステップS404の処理を実行していないので、ステップS407における判定結果が「NO」となる。
ステップS407における判定結果が「NO」である場合(暖機完了フラグ≠1)には、ステップS402に戻り、第3駆動モードを継続する。
このように、この実施形態1の燃料電池システム1においては、冷却水の温度が第2温度閾値T2以下である場合に第1駆動モードを選択して、第1冷却水ポンプ5だけを最低流量で間欠運転するので、極めて低い温度領域で燃料電池2の発電安定性が低いときに、暖機を促進させることができる。暖機を早めることができると、燃料電池2内の水分を蒸発させ易くなり、また、燃料電池2内の空気温度も上昇するので空気の飽和水蒸気量も多くなり、その結果、燃料電池2に供給される空気により燃料電池2内から持ち出される水分量を多くすることができる。これにより、膜電極構造体が水分過多になるのを防止することができ、膜電極構造体の水分量を適正にすることができる。
しかも、1台の第1冷却水ポンプ5を間欠運転させるので、補機の消費電力を抑制することができる。
しかも、1台の第1冷却水ポンプ5を間欠運転させるので、補機の消費電力を抑制することができる。
また、暖機により膜電極構造体の昇温が進むにしたがって、膜電極構造体の温度上昇率は高くなるため、膜電極構造体の実際の温度と冷却水の温度の乖離が大きくなってしまうと、膜電極構造体が過熱され固体高分子電解質膜がダメージを受ける虞がある。
しかしながら、この実施形態1の燃料電池システム1においては、冷却水の温度が第2温度閾値T2から第3温度閾値T3の間の場合に第2駆動モードを選択して、燃料電池2の出力電流値に応じて冷却水の流量を決定し、該流量となるように第1冷却水ポンプ5だけを単独で連続運転し、さらに、冷却水の温度が第3温度閾値T3から暖機完了判定閾値T4の間の場合に第3駆動モードを選択して、第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9を最低流量で連続運転しており、暖機が進むにしたがって冷却水の流量を増大させているので、膜電極構造体が過熱されて固体高分子電解質膜がダメージを受けるのを確実に防止することができる。しかも、低温域では流量を少なくしているので、膜電極構造体の昇温が促進され、膜電極構造体が水分過多となるのを確実に防止することができる。
しかしながら、この実施形態1の燃料電池システム1においては、冷却水の温度が第2温度閾値T2から第3温度閾値T3の間の場合に第2駆動モードを選択して、燃料電池2の出力電流値に応じて冷却水の流量を決定し、該流量となるように第1冷却水ポンプ5だけを単独で連続運転し、さらに、冷却水の温度が第3温度閾値T3から暖機完了判定閾値T4の間の場合に第3駆動モードを選択して、第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9を最低流量で連続運転しており、暖機が進むにしたがって冷却水の流量を増大させているので、膜電極構造体が過熱されて固体高分子電解質膜がダメージを受けるのを確実に防止することができる。しかも、低温域では流量を少なくしているので、膜電極構造体の昇温が促進され、膜電極構造体が水分過多となるのを確実に防止することができる。
また、この実施形態1の燃料電池システム1においては、第2駆動モードでは第1冷却水ポンプ5のみを単独で運転し、第3駆動モードでは第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9の両方を運転しているので、第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9を小型にして流量の細かい制御が可能となり、各駆動モードに対する制御も簡便となる。
図7は、この発明の実施形態2における燃料電池システム1の概略構成を示した図である。
実施形態2における燃料電池システム1が前述した実施形態1のものと相違する点は第2冷却水ポンプ9の配置だけである。
すなわち、実施形態1では第2冷却水ポンプ9をラジエータ循環路7の途中に配置したが、実施形態2では第2冷却水ポンプ9を冷却水排出路6の途中に配置している。その他の構成は実施形態1のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
この実施形態2の燃料電池システム1においても、実施形態1の場合と同様に第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9を運転制御することができるので、実施形態1と同様の作用・効果を奏することができる。
実施形態2における燃料電池システム1が前述した実施形態1のものと相違する点は第2冷却水ポンプ9の配置だけである。
すなわち、実施形態1では第2冷却水ポンプ9をラジエータ循環路7の途中に配置したが、実施形態2では第2冷却水ポンプ9を冷却水排出路6の途中に配置している。その他の構成は実施形態1のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
この実施形態2の燃料電池システム1においても、実施形態1の場合と同様に第1冷却水ポンプ5と第2冷却水ポンプ9を運転制御することができるので、実施形態1と同様の作用・効果を奏することができる。
なお、前述した実施形態1では、冷却水の温度に基づいて燃料電池2の温度を推定したが、冷却水の温度に代えて、燃料電池2から排出される空気(酸化剤ガス)の温度に基づいて燃料電池2の温度を推定することも可能である。
ところで、燃料電池2の温度の上昇速度は、燃料電池2の冷却水通路3を通流する冷却水の流量が少ないほど速い。
そして、第1冷却水ポンプ5、第2冷却水ポンプ9を連続運転しているときには、冷却水ポンプ5,9の回転数と燃料電池2の温度上昇速度との間に相関があり、冷却水ポンプ5,9の回転数が高いほど燃料電池2の温度上昇速度は遅い。そこで、予め実験により、冷却水ポンプ5,9の回転数と燃料電池2の温度上昇速度との関係を求めておき、冷却水ポンプ5,9の回転数から燃料電池2の温度上昇速度を求め、起動開始時の燃料電池2の温度を初期値として、起動後の燃料電池2の温度を推定してもよい。
そして、第1冷却水ポンプ5、第2冷却水ポンプ9を連続運転しているときには、冷却水ポンプ5,9の回転数と燃料電池2の温度上昇速度との間に相関があり、冷却水ポンプ5,9の回転数が高いほど燃料電池2の温度上昇速度は遅い。そこで、予め実験により、冷却水ポンプ5,9の回転数と燃料電池2の温度上昇速度との関係を求めておき、冷却水ポンプ5,9の回転数から燃料電池2の温度上昇速度を求め、起動開始時の燃料電池2の温度を初期値として、起動後の燃料電池2の温度を推定してもよい。
また、第1冷却水ポンプ5を間欠運転しているときには、第1冷却水ポンプ5の駆動時間及び停止時間と燃料電池2の温度上昇速度との間に相関があり、第1冷却水ポンプ5の駆動時間が長いほど(換言すると、第1冷却水ポンプ5の停止時間が短いほど)、燃料電池2の温度上昇速度が遅い。そこで、予め実験により、第1冷却水ポンプ5の駆動時間(あるいは停止時間)と燃料電池2の温度上昇速度との関係を求めておき、第1冷却水ポンプ5の駆動時間(あるいは停止時間)から燃料電池2の温度上昇速度を求め、起動開始時の燃料電池2の温度を初期値として、起動後の燃料電池2の温度を推定してもよい。
さらに、燃料電池2の出力電流が大きいほど、燃料電池2における発熱量が大きくなるので、燃料電池の温度上昇速度は速い。そこで、予め実験により、燃料電池2の出力電流と燃料電池2の温度上昇速度との関係を求めておき、燃料電池2の出力電流値から燃料電池2の温度上昇速度を求め、起動開始時の燃料電池2の温度を初期値として、起動後の燃料電池2の温度を推定してもよい。
さらに、これらを組み合わせて燃料電池2の温度を推定してもよい。
さらに、これらを組み合わせて燃料電池2の温度を推定してもよい。
前述した各実施形態では、冷媒ポンプを2台配置したが、1台の冷媒ポンプで構成することも可能である。
また、前述した各実施形態では、冷媒をバイパス循環路とバイパス循環路のいずれに通流させるかを切り替える流路切替弁をサーモスタットバルブで構成したが、冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、冷媒温度検出手段で検出した温度に基づいて電磁アクチュエータを作動する流路を切り替える制御弁とから流路切替弁を構成することも可能である。
さらに、前述した実施形態では、流路切替弁を、バイパス循環路と冷媒導入路との接続部に設けたが、バイパス循環路と冷媒排出路との接続部に設けてもよい。
また、前述した各実施形態では、冷媒をバイパス循環路とバイパス循環路のいずれに通流させるかを切り替える流路切替弁をサーモスタットバルブで構成したが、冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、冷媒温度検出手段で検出した温度に基づいて電磁アクチュエータを作動する流路を切り替える制御弁とから流路切替弁を構成することも可能である。
さらに、前述した実施形態では、流路切替弁を、バイパス循環路と冷媒導入路との接続部に設けたが、バイパス循環路と冷媒排出路との接続部に設けてもよい。
1 燃料電池システム
2 燃料電池
4 冷却水導入路(冷媒導入路)
5 第1冷却水ポンプ(第1冷媒ポンプ)
6 冷却水排出路(冷媒排出路)
7 ラジエータ循環路
8 ラジエータ
9 第2冷却水ポンプ(第2冷媒ポンプ)
10 バイパス循環路
11 サーモスタットバルブ(流路切替弁)
12 温度センサ(温度把握手段)
13 負荷
20 制御装置
21 駆動モード判断手段
22 電流積算カウンタ(電流積算手段)
C1 ラジエータ循環経路
C2 バイパス循環経路
2 燃料電池
4 冷却水導入路(冷媒導入路)
5 第1冷却水ポンプ(第1冷媒ポンプ)
6 冷却水排出路(冷媒排出路)
7 ラジエータ循環路
8 ラジエータ
9 第2冷却水ポンプ(第2冷媒ポンプ)
10 バイパス循環路
11 サーモスタットバルブ(流路切替弁)
12 温度センサ(温度把握手段)
13 負荷
20 制御装置
21 駆動モード判断手段
22 電流積算カウンタ(電流積算手段)
C1 ラジエータ循環経路
C2 バイパス循環経路
Claims (7)
- アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池と、
前記燃料電池の冷却を行う冷媒の放熱を行うラジエータと、
前記冷媒の循環を行う冷媒ポンプと、
前記燃料電池の温度を把握する温度把握手段と、
前記燃料電池に冷媒を導入する冷媒導入路と、
前記燃料電池を通流した後の冷媒を排出する冷媒排出路と、
前記ラジエータを通流して前記冷媒排出路から前記冷媒導入路へ冷媒を循環させるラジエータ循環路と、
前記ラジエータをバイパスして前記冷媒排出路から前記冷媒導入路へ冷媒を循環させるバイパス循環路と、
前記バイパス循環路と、前記冷媒導入路あるいは前記冷媒排出路との接続部に設けられ、前記冷媒の温度が第1温度閾値以下となった場合に、前記バイパス循環路へ冷媒を通流するように設定された流路切替弁と、を備える燃料電池システムであって、
前記温度把握手段により把握された温度に基づいて前記冷媒ポンプの駆動モードを選択する駆動モード判断手段、
をさらに備え、
前記駆動モード判断手段は、前記燃料電池システムの起動時であって、前記温度把握手段により把握された温度が、前記第1温度閾値よりも低い温度に設定された第2温度閾値以下の場合には、前記冷媒ポンプを間欠運転する第1駆動モードを選択することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記駆動モード判断手段は、
前記温度把握手段により把握された温度が、前記第1温度閾値よりも低い温度に設定され且つ前記第2温度閾値よりも高い温度に設定された第3温度閾値以下であって、前記第2温度閾値以上の場合には、前記燃料電池に負荷している電流値に応じた冷媒流量に設定して前記冷媒ポンプを連続運転する第2駆動モードを選択し、
前記温度把握手段により把握された温度が、前記第1温度閾値よりも高い温度に設定された暖機完了判定閾値以下であって、前記第3温度閾値以上である場合には、前記第2駆動モードよりも大きい冷媒流量に設定して前記冷媒ポンプを連続運転する第3駆動モードを選択することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記冷媒ポンプは、
前記バイパス循環路により形成されるバイパス循環経路内に配設される第1冷媒ポンプと、
前記バイパス循環経路外であって、前記ラジエータ循環路により形成されるラジエータ循環経路内に配設される第2冷媒ポンプと、
から構成され、
前記第1駆動モード及び第2駆動モードでは前記第1冷媒ポンプのみを駆動し、
前記第3駆動モードでは前記第1冷媒ポンプと前記第2冷媒ポンプをそれぞれ最低流量で駆動することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の電流値を積算する電流積算手段をさらに有し、
前記駆動モード判断手段には、前記第1駆動モードを終了する閾値となる第1駆動モード終了積算電流値と、前記第2駆動モードを終了する閾値となる第2駆動モード終了積算電流値と、前記第3駆動モードを終了する閾値となる第3駆動モード終了積算電流値とが設定されていて、
前記駆動モード判断手段は、各駆動モードが選択された場合であっても、前記電流積算手段により積算された積算電流値が、選択された駆動モードに対応した前記駆動モード終了積算電流値を上回る場合には、選択された駆動モードを終了することを特徴とする請求項2または請求項3記載の燃料電池システム。 - 前記温度把握手段は、前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒の温度に基づいて、あるいは、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの温度に基づいて、あるいは、起動開始時の前記燃料電池の温度を初期値として、前記冷媒ポンプの連続運転時の回転数、前記冷媒ポンプの間欠運転時の駆動時間と停止時間、前記燃料電池の負荷電流値のうち少なくともいずれか1つを用いて予測される温度変化値に基づいて、前記燃料電池の温度を把握す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。
- アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池と、冷媒を前記燃料電池とラジエータに通流させて循環するラジエータ循環経路と、冷媒を前記燃料電池に通流させ且つ前記ラジエータには通流させないで循環するバイパス循環経路と、を備える燃料電池システムの起動時に、冷媒の温度が第1温度閾値以下のときには冷媒を前記バイパス循環経路に通流させ、冷媒の温度が第1温度閾値を越えるときには冷媒を前記ラジエータ循環経路に通流させる燃料電池システムの起動方法において、
前記燃料電池の温度を検出または推定して把握し、把握した前記燃料電池の温度が、前記第1温度閾値よりも低い温度である第2温度閾値以下のときには、冷媒を前記バイパス循環経路に間欠的に通流させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。 - 前記把握した前記燃料電池の温度が、前記第2温度閾値以上であり、且つ前記第1温度閾値より低く前記第2温度閾値よりも高い温度である第3温度閾値以下のときは、前記燃料電池に負荷している電流値に応じた流量で冷媒を前記バイパス循環経路に連続的に通流させるようにし、
前記検出または推定された前記燃料電池の温度が、前記第3温度閾値以上であり、且つ前記第1温度閾値よりも高い暖機完了判定閾値以下のときには、前記電流値に応じた流量よりも大きい流量で冷媒を前記バイパス循環経路または前記ラジエータ循環経路に連続的に通流させることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システムの起動方法。
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-
2012
- 2012-04-24 JP JP2012099171A patent/JP2013229140A/ja active Pending
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