JP2014241200A - 燃料電池システム及びその停止方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池10と、冷媒循環流路を通流する冷媒とモータルームRの空気との間で熱交換可能なラジエータ42と、燃料電池10の温度である第1温度を検出する温度センサ45と、ラジエータ42の温度である第2温度を検出する温度センサ46と、外部からのシステム停止要求に応じて燃料電池10への反応ガスの供給を停止した後、第1温度が第2温度よりも高い間、冷媒ポンプ41を駆動することでモータルームRの空気を温め、第1温度と第2温度とが等しくなったときに冷媒ポンプ41を停止させるECU60と、を備える。
【選択図】図1
Description
また、制御手段は、第1温度と第2温度とが等しくなったときに冷媒循環手段を停止させる。したがって、燃料電池を比較的高温に保つことができると共に、収容室昇温処理を実行する際の消費電力量を低減できる。
なお、「通常発電時」におけるモータの回転速度とは、例えば、燃料電池システムが搭載される車両の走行中、燃料電池を適温に保つために冷媒循環手段を駆動させる際のモータの回転速度であって、燃料電池の温度や発電量に基づいて決定される。
また、第1温度と前記第2温度とが等しくなったときに冷媒循環手段が停止することで(循環停止工程)、収容室を昇温させる際の消費電力量を低減できる。
<燃料電池システムの構成>
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池10と、燃料電池10のアノードに対してアノードガス(水素)を供給するアノード系と、燃料電池10のカソードに対してカソードガス(酸素を含む空気)を供給するカソード系と、燃料電池10を経由するように冷媒を循環させて燃料電池10を適温に保つ冷媒系と、燃料電池10の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御するECU60と、を備えている。
燃料電池10は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)であり、膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を一対の導電性のセパレータ(図示せず)で挟持してなる単セル(図示せず)を複数積層して構成されている。
燃料電池10の各セパレータには、各膜/電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がアノード流路11、カソード流路12として機能する。なお、反応ガス(水素、酸素を含む空気)が供給される「反応ガス流路」は、アノード流路11及びカソード流路12を含んで構成される。
また、前記したセパレータには、燃料電池10を冷却するための冷媒(例えば、エチレングリコールを含む水)が通流する冷媒流路13が形成されている。
O2+4H++4e-→2H2O・・・(式2)
アノード系は、水素タンク21と、遮断弁22と、を備えている。
水素タンク21は、高純度の水素が圧縮充填されたタンクであり、配管a1を介して遮断弁22に接続されている。
遮断弁22は、ECU60からの指令に従って開閉することで水素タンク21の水素を燃料電池10に対して供給/遮断する弁であり、配管a2を介してアノード流路11に接続されている。
カソード系は、コンプレッサ31と、背圧弁32と、を備えている。
コンプレッサ31は、ECU60からの指令に従って内部の羽根車(図示せず)を回転させることで車外から空気を吸引・圧縮し、配管b1を介してカソード流路12に供給するものである。
背圧弁32は、その開度を調整することでカソード流路12を通流する空気の圧力(背圧)を制御するものであり、配管b2を介してカソード流路12に接続されている。
冷媒系は、冷媒ポンプ41と、ラジエータ42と、電動サーモスタット43と、ラジエータファン44と、温度センサ45,46と、を備えている。
冷媒ポンプ41(冷媒循環手段)は、ECU60からの指令に従って駆動し、冷媒流路13に冷媒を圧送するポンプである。冷媒ポンプ41は、その吸入側が配管c1を介して電動サーモスタット43に接続され、吐出側が配管c2を介して冷媒流路13の入口に接続されている。
温度センサ45(第1温度検出手段)は、配管c3を通流する冷媒の温度を燃料電池10の温度(第1温度)として検出し、ECU60に出力する機能を有している。
温度センサ46(第2温度検出手段)は、配管c4を通流する冷媒の温度10をラジエータ42の温度(第2温度)として検出し、ECU60に出力する機能を有している。
電力消費系は、VCU51と、走行モータ52と、を備えている。
VCU51(Voltage Control Unit)は、燃料電池10の発電電力やバッテリ(図示せず)の充放電を制御するものであり、DC/DCチョッパ(図示せず)、DC/DCコンバータ(図示せず)等の電子回路が内蔵されている。
走行モータ52(モータ)は、例えば、永久磁石同期式の三相交流モータであり、3相交流電力で燃料電池車の駆動輪を回転駆動させる。
ECU60(Electric Control Unit:制御手段)は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
ECU60には、IG70から入力されるON/OFF信号、温度センサ45から入力される燃料電池10の温度TFC、温度センサ46から入力されるラジエータ42の温度TRAD等の情報が入力される。ECU60は、自身に入力される各信号に応じて、遮断弁22、コンプレッサ31、背圧弁32、冷媒ポンプ41、電動サーモスタット43、ラジエータファン44、VCU51等の動作を統括制御する。
IG70(Ignition Switch)は、燃料電池システム1の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。IG70は、ECU60に対してON信号(システム起動信号)/OFF信号(システム停止信号)を出力する機能を有している。
図2は、燃料電池、走行モータ、及びラジエータを含む機器がモータルームに収容された状態を示す模式図である。なお、図2では、前記した遮断弁22、コンプレッサ31等の図示を省略し、走行モータ52及び冷媒の通流に直接関係する機器(ラジエータ42等)のみを図示した。また、水素タンク21と燃料電池10とを接続する配管a1,a2や、燃料電池10と走行モータ52とを電気的に接続する配線等の図示を省略した。
また、モータルームRに燃料電池10設置することで、発電停止時に燃料電池10の熱でモータルームRを温めることができる(詳細については後記する)。
(ECU−低温起動推定機能)
ECU60は、システム停止時において、モータルームRの外部に設置された温度センサ(図示せず)の検出温度等に基づき、次回に燃料電池10が低温環境下(例えば、氷点下)で起動する低温起動、及びシステム停止中に低温環境下となる低温ソークのうち、少なくとも一つが起こる可能性があるか否かを判定し、その判定結果に応じて低温判定フラグ(図4(b)参照)のON/OFFを切り替える機能を有している。
ECU60は、IG70からOFF信号が入力された場合、温度センサ45から入力される燃料電池10の温度TFCと、温度センサ46から入力されるラジエータ42の温度TRADと、を比較し(差を算出し)、これらの温度TFC,TRADが等しいか否かを判定する機能を有している。
ECU60は、燃料電池システム1が次回に低温起動する可能性が高い場合、グリルシャッターGを閉じた後、ラジエータファン44、電動サーモスタット43、及び冷媒ポンプ41を駆動する機能を有している。
次に、燃料電池システム1の運転中の動作について簡単に説明した後、停止時の動作について説明する。
燃料電池システム1の運転中、ECU60はグリルシャッターG(図2参照)を開状態とする。これによって、空気取入口Hを介してモータルームRに走行風が流入し、ラジエータ42の放熱フィン(図示せず)を介して冷媒と熱交換する。また、ECU60は、冷媒ポンプ41のモータ(図示せず)を所定の回転速度NC(図4(f)参照)で回転させ、冷媒流路13に冷媒を通流させる。これによって、燃料電池10が適温に保たれる。
ステップS101においてECU60は、IG70からOFF信号(システム停止要求)が入力されたか否かを判定する。IGからOFF信号が入力された場合(S101→Yes)、ECU60の処理はステップS102に進む。一方、IGからOFF信号が入力されていない場合(S101→No)、ECU60はステップS101の処理を繰り返す。
次に、ステップS103においてECU60は、次回に燃料電池10が低温環境下で起動する低温起動、及びシステム停止中に低温環境下となる低温ソークのうち、少なくとも一つが起こる可能性があるか否かを判定する。例えば、ECU60は、外気温が所定温度(例えば、0℃)以下であるか否かに基づいて前記判定を行う。その他、ECU60は、日時情報、天気情報、GPS(Global Positioning System)に基づく車両の位置情報等に基づいて前記判定を行ってもよい。
ステップS104においてECU60は、それまで開いていたグリルシャッターGを閉じる。これによって、燃料電池10、走行モータ52等を収容しているモータルームRが外部空間から遮断される。
ステップS110においてECU60は、冷媒循環処理を終了する(循環停止工程)。すなわち、ECU60は、ラジエータファン44及び冷媒ポンプ41を停止し、電動サーモスタット43のヒータを切って閉状態にする。
図4のタイムチャートを参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システム1の作用・効果について説明する。IG70からシステム停止要求が入力された時点において(S101→Yes)、低温判定フラグはONである(図4(b)の時刻t1、S103→Yes)。この場合、ECU60によってグリルシャッターGを閉じることで(図4(c)の時刻t2、S104)、モータルームRに低温の外気が流入することを防止できる。また、低温判定フラグがONである場合にのみモータルーム昇温処理を実行するため、不要な電力消費を防止できる。
第2実施形態は、モータルーム昇温処理を行う際の手順が第1実施形態と異なるが、その他(燃料電池システム1の構成等)は第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
温度差(TFC−TRAD)が所定値ΔT1以上である場合(S201→Yes)、ECU60の処理はステップS202に進む。一方、温度差(TFC−TRAD)が所定値ΔT1未満である場合(S201→No)、ECU60は処理を終了する(END)。
ちなみに、IG−OFF時において冷媒流路13に存在する冷媒をラジエータ42全体に供給できる最低限の時間(一定値)として、前記した処理継続時間Δt1を設定してもよい。これによって、冷媒ポンプ41の駆動に要する消費電力量を最低限に抑えることができる。
本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、ECU60は、燃料電池10の温度TFCと、ラジエータ42の温度TRADと、の温度差に基づいてモータルーム昇温処理の処理継続時間Δt1を設定する。したがって、温度TFCと温度TRADとが等しくなったか否かを逐次監視する第1実施形態と比較して、単純な処理でモータルームR(つまり、燃料電池10及び各補機)を温めることができる。
以上、本発明に係る燃料電池システム1について前記各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第1実施形態では、燃料電池10の温度TFCとラジエータ42の温度TRADとが等しくなったときに(S109→Yes)、モータルーム昇温処理を終了する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、各温度TFC,TRADを監視し、温度差(TFC−TRAD)が所定値以下になったときにモータルーム昇温処理を終了するようにしてもよい。
また、前記各実施形態では、低温判定フラグがONであるときに(S103→Yes)、モータルーム昇温処理を実行する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、ステップS103の処理を省略し、モータルーム昇温処理を実行するか否かを暖機完了フラグのみに基づいて決定してもよい(S105、図4(d)参照)。また、暖機完了フラグに代えて、燃料電池10の温度が所定温度以上である場合にモータルーム昇温処理を実行するようにしてもよい。
また、前記各実施形態では、燃料電池10の温度TFCを検出する温度センサ45を配管c3に設置し、ラジエータ42の温度TRADを検出する温度センサ46を配管c4に設置する場合について説明したが、これに限らない。例えば、燃料電池10自体に温度センサを設置することで温度TFCを検出してもよい。また、ラジエータ42自体に温度センサを設置することで温度TRADを検出してもよい。
また、前記実施形態では、燃料電池システム1を車両に搭載する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、燃料電池システム1を列車、船舶、航空機等の移動体に搭載してよいし、定置式のシステムに搭載してもよい。
10 燃料電池
11 アノード流路(反応ガス流路)
12 カソード流路(反応ガス流路)
13 冷媒流路
41 冷媒ポンプ(冷媒循環手段)
42 ラジエータ(熱交換器)
43 電動サーモスタット(切替手段)
44 ラジエータファン(送風手段)
45 温度センサ(第1温度検出手段)
46 温度センサ(第2温度検出手段)
52 走行モータ(モータ)
60 ECU(制御手段)
G グリルシャッター(開閉手段)
R モータルーム(収容室)
c1,c2,c3,c4 配管(冷媒循環流路)
c5 バイパス配管(冷媒循環流路、バイパス流路)
Claims (10)
- 反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記冷媒流路を含み、当該冷媒流路を介して冷媒が循環する冷媒循環流路と、
前記冷媒循環流路に配設され、冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記冷媒循環流路に配設されると共に、前記冷媒循環流路を通流する冷媒と、前記燃料電池が収容されている収容室の空気と、の間で熱交換可能な熱交換器と、
前記燃料電池の温度である第1温度を検出する第1温度検出手段と、
前記熱交換器の温度である第2温度を検出する第2温度検出手段と、
前記第1温度及び前記第2温度に応じて、前記冷媒循環手段の駆動を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
外部からシステム停止要求が入力された後、前記第1温度が前記第2温度よりも高い間、前記冷媒循環手段を駆動することで前記収容室の空気を温め、前記第1温度と前記第2温度とが等しくなったときに前記冷媒循環手段を停止させる収容室昇温処理を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記冷媒流路を含み、当該冷媒流路を介して冷媒が循環する冷媒循環流路と、
前記冷媒循環流路に配設され、冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記冷媒循環流路に配設されると共に、前記冷媒循環流路を通流する冷媒と、前記燃料電池が収容されている収容室の空気と、の間で熱交換可能な熱交換器と、
前記燃料電池の温度である第1温度を検出する第1温度検出手段と、
前記熱交換器の温度である第2温度を検出する第2温度検出手段と、
前記第1温度及び前記第2温度に応じて、前記冷媒循環手段の駆動を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
外部からシステム停止要求が入力された場合、前記第1温度と前記第2温度との温度差に応じて処理継続時間を設定し、前記冷媒循環手段を前記処理継続時間駆動することで前記収容室の空気を温める収容室昇温処理を実行し、
前記温度差が大きいほど前記処理継続時間を長く設定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記収容室昇温処理を実行する際、前記冷媒循環手段が有するモータの回転速度を、前記燃料電池の通常発電時よりも小さくする
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、外部からシステム停止要求が入力された場合、次回に燃料電池が低温環境下で起動する低温起動、及びシステム停止中に低温環境下となる低温ソークのうち、少なくとも一つが起こる可能性があるか否かを判定し、前記少なくとも一つが起こる可能性があるとき、前記収容室昇温処理を実行する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記冷媒循環流路は、前記冷媒流路から流出する冷媒が前記熱交換器を迂回して前記冷媒流路に戻るように接続されるバイパス流路を有し、
前記バイパス流路の一端に配設されると共に、自身を通流する冷媒の温度に応じて前記熱交換器への冷媒の通流/迂回を切り替える切替手段を備え、
前記制御手段は、前記収容室昇温処理を実行する際、冷媒が前記バイパス流路を迂回するように前記切替手段を制御する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記収容室と外部空間とを連通/遮断する開閉手段を備え、
前記制御手段は、前記収容室昇温処理を実行する際、前記開閉手段によって前記収容室と外部空間とを遮断する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記収容室に設置され、前記熱交換器に向けて送風する送風手段を備え、
前記制御手段は、前記収容室昇温処理の実行中、前記送風手段を駆動する
ことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記収容室は、前記燃料電池に接続されるモータが収容されるモータルームである
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記冷媒流路を含み、当該冷媒流路を介して冷媒が循環する冷媒循環流路と、
前記冷媒循環流路に配設され、冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記冷媒循環流路に配設されると共に、前記冷媒循環流路を通流する冷媒と、前記燃料電池が収容されている収容室の空気と、の間で熱交換可能な熱交換器と、
前記燃料電池の温度である第1温度を検出する第1温度検出手段と、
前記熱交換器の温度である第2温度を検出する第2温度検出手段と、
を備える燃料電池システムの停止方法であって、
外部からシステム停止要求が入力された後、前記第1温度検出手段によって前記第1温度を検出する燃料電池温度検出工程と、
前記第2温度検出手段によって前記第2温度を検出する熱交換器温度検出工程と、
前記第1温度が前記第2温度よりも高い間、前記冷媒循環手段が駆動することで前記収容室の空気を温める冷媒循環工程と、
前記第1温度と前記第2温度とが等しくなったときに、前記冷媒循環手段が停止する循環停止工程と、を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。 - 反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記冷媒流路を含み、当該冷媒流路を介して冷媒が循環する冷媒循環流路と、
前記冷媒循環流路に配設され、冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記冷媒循環流路に配設されると共に、前記冷媒循環流路を通流する冷媒と、前記燃料電池が収容されている収容室の空気と、の間で熱交換可能な熱交換器と、
前記燃料電池の温度である第1温度を検出する第1温度検出手段と、
前記熱交換器の温度である第2温度を検出する第2温度検出手段と、
を備える燃料電池システムの停止方法であって、
外部からシステム停止要求が入力された場合、前記第1温度検出手段によって前記第1温度を検出する燃料電池温度検出工程と、
前記第2温度検出手段によって前記第2温度を検出する熱交換器温度検出工程と、
前記第1温度と前記第2温度との温度差に応じて処理継続時間を設定する処理継続時間設定工程と、
前記冷媒循環手段が前記処理継続時間、駆動することで前記収容室の空気を温める冷媒循環工程と、を含み、
前記温度差が大きいほど前記処理継続時間が長く設定される
ことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
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