JP2020030929A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷運転時の燃料電池の出力を向上させる。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却するための冷却媒体を冷却するラジエータと、燃料電池の冷却媒体入口とラジエータの一端とを接続する冷却媒体供給流路と、燃料電池の冷却媒体出口とラジエータの他端とを接続する冷却媒体排出流路と、冷却媒体入口における冷却媒体の温度を測定する第１温度センサと、冷却媒体出口における冷却媒体の温度を測定する第２温度センサと、燃料電池に対する要求出力が予め定められた判定値を超えると、冷却媒体の流量が、要求出力が判定値を超えた際の冷却媒体の流量よりも少なくなるように、かつ、第１温度センサの測定値と第２温度センサの測定値との差が予め定められた閾値以下となるように、冷却媒体の流量を制御する制御部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、低負荷運転中の燃料電池に高負荷運転が要求されると、燃料電池を冷却するためにラジエータを通過する冷却媒体の流量が増加される技術が開示されている（例えば特許文献１）。

特開２０１７−０７６４６９号公報

しかしながら、燃料電池に高負荷運転が要求された直後、燃料電池の温度は一時的に低負荷時の低温状態が続く。このとき、ラジエータを通過する冷却媒体の流量を増加させると、冷却された冷却媒体が燃料電池に流入して燃料電池の温度の上昇が阻害され、燃料電池の出力が低下してしまうという問題があった。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を冷却するラジエータと、前記燃料電池の冷却媒体入口と前記ラジエータの一端とを接続する冷却媒体供給流路と、前記燃料電池の冷却媒体出口と前記ラジエータの他端とを接続する冷却媒体排出流路と、前記冷却媒体入口における前記冷却媒体の温度を測定する第１温度センサと、前記冷却媒体出口における前記冷却媒体の温度を測定する第２温度センサと、前記燃料電池に対する要求出力が予め定められた判定値を超えると、前記冷却媒体の流量が、前記要求出力が前記判定値を超えた際の前記冷却媒体の流量よりも少なくなるように、かつ、前記第１温度センサの測定値と前記第２温度センサの測定値との差が予め定められた閾値以下となるように、前記冷却媒体の流量を制御する制御部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求出力が判定値を超えると、要求出力が判定値を超えた際の冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量が制御されるので、冷却媒体流量の増加による燃料電池の昇温が阻害されることを抑制でき、燃料電池の出力を向上させることができる。加えて、第１温度センサの測定値と第２温度センサの測定値との差が閾値以下となるように冷却媒体流量が制御されるので、燃料電池の過度の温度上昇によるドライアップやアイオノマの劣化を抑制することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法や燃料電池システムを制御するためのプログラムや燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムを模式的に示す図。 燃料電池の出力の温度変化を例示する図。 冷却媒体流量の制御処理を例示するフローチャート。 温度差と冷却媒体流量との関係を例示する図。 温度差と燃料電池の出力との関係を例示する図。

図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１０を模式的に示す図である。燃料電池システム１０は、例えば、動力源として車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、冷却流路３００と、制御部５００と、図示しないアノードガス供給流路や、カソードガス供給排出流路等とを備える。

制御部５００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部５００は、利用者の要求や、燃料電池システム１０内の各センサの測定値等に応じて、燃料電池システム１０内の各部の動作を制御する。

燃料電池１００は、図示しない複数の単セルが積層されることによって構成されている。燃料電池１００としては、例えば固体高分子形燃料電池を採用可能である。燃料電池１００は、アノードガスとカソードガスとを利用して、電気化学反応により発電する。アノードガスとしては、例えば水素を採用可能であり、カソードガスとしては、例えば空気を採用可能である。

冷却流路３００は、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体が循環する流路である。冷却媒体としては、例えば、水や、エチレングリコール等の不凍液等を採用可能である。冷却流路３００は、冷却媒体供給流路３１０と、冷却媒体ポンプ３４０と、ラジエータ３７０と、冷却媒体排出流路３２０と、三方弁３５０と、バイパス流路３３０とを有する。

冷却媒体供給流路３１０は、燃料電池１００の冷却媒体入口１１０とラジエータ３７０の一端とを接続している。冷却媒体供給流路３１０には、冷却媒体ポンプ３４０が設けられている。冷却媒体ポンプ３４０は、ポンプ用モータ３４５を有する。ポンプ用モータ３４５は、制御部５００からの制御信号に応じて冷却媒体ポンプ３４０を駆動する。冷却媒体ポンプ３４０は、ポンプ用モータ３４５の駆動により、冷却媒体を燃料電池１００に向けて圧送する。ラジエータ３７０は、複数のラジエータファン３７５を有する。ラジエータファン３７５は、制御部５００からの制御信号に応じて回転してラジエータ３７０に送風する。ラジエータ３７０は、ラジエータファン３７５の送風により、ラジエータ３７０を流れる冷却媒体の熱量を外部に放出することによって、冷却媒体を冷却する。

冷却媒体排出流路３２０は、燃料電池１００の冷却媒体出口１２０とラジエータ３７０の他端とを接続している。バイパス流路３３０の一端は、三方弁３５０を介して冷却媒体排出流路３２０と接続しており、他端は、冷却媒体供給流路３１０の冷却媒体ポンプ３４０の上流側に接続している。バイパス流路３３０には、連結流路３６５が接続されており、連結流路３６５には、イオン交換器３６０が設けられている。イオン交換器３６０は、冷却流路３００内の各部品から冷却媒体に溶出したイオンを吸着することによって、冷却媒体の絶縁性を確保する。三方弁３５０は、制御部５００からの制御信号に応じて、冷却媒体排出流路３２０内の冷却媒体をバイパス流路３３０とラジエータ３７０に分流する。

冷却媒体供給流路３１０において、燃料電池１００の冷却媒体入口１１０の近傍には、第１温度センサ３９１が設置されている。第１温度センサ３９１は、冷却媒体入口１１０における冷却媒体の温度を測定する。冷却媒体排出流路３２０において、燃料電池１００の冷却媒体出口１２０の近傍には、第２温度センサ３９２が設置されている。第２温度センサ３９２は、冷却媒体出口１２０における冷却媒体の温度を測定する。第２温度センサ３９２の測定値は、燃料電池１００の温度値とほぼ同様である。

冷却流路３００内の冷却媒体は、冷却媒体ポンプ３４０によって駆動され、冷却媒体供給流路３１０を介して燃料電池１００の内部に流れて、燃料電池１００を冷却した後、冷却媒体排出流路３２０に流れ込む。冷却媒体排出流路３２０内の冷却媒体は、三方弁３５０により、ラジエータ３７０と、バイパス流路３３０とに分流される。ラジエータ３７０側に分流された冷却媒体は、ラジエータ３７０により冷却されて冷却媒体供給流路３１０に還流する。バイパス流路３３０に分流された冷却媒体は、冷却されずに冷却媒体供給流路３１０に還流する。制御部５００は、三方弁３５０のラジエータ３７０側の開度とバイパス流路３３０側の開度を調整することにより、ラジエータ３７０に流れる冷却媒体の流量とバイパス流路３３０に流れる冷却媒体の流量を調整することによって、燃料電池１００の冷却を制御する。なお、バイパス流路３３０及び三方弁３５０は、省略されてもよい。この場合には、制御部５００は、冷却媒体ポンプ３４０の回転数を調整することにより、燃料電池１００に流れる冷却媒体の流量を調整することによって、燃料電池１００の冷却を制御する。冷却媒体の流量を増加させると、燃料電池１００の温度は低下し、冷却媒体の流量を減少させると、燃料電池１００の温度は上昇する。

図２は、燃料電池１００の出力の温度変化を例示する図である。燃料電池１００は、燃料電池１００の温度が上昇するにつれ、出力が増加する。制御部５００は、利用者等からの要求出力を満足しつつ、燃料電池１００が過度に昇温することを抑制するために、燃料電池１００に流れる冷却媒体の流量を制御することによって、燃料電池１００の温度を適切な運転温度、例えば８０℃から１２０℃までの範囲内に維持することが好ましい。

図３は、制御部５００における冷却媒体流量の制御処理を例示するフローチャートである。この処理は、燃料電池１００に対する要求出力が予め定められた判定値を超える際に行われる。予め定められた判定値は、燃料電池１００が高負荷運転であると判定される要求出力の下限値であり、例えば燃料電池システム１０が車両に搭載されている場合は、車両のアクセル開度が９０％になるときの要求出力値を採用してもよい。なお、例えば車両アクセルの開度が９０％以上のときの燃料電池１００の運転状態を高負荷運転という。

ステップＳ１１０において、制御部５００は、上述した判定値を超える要求出力、例えばアクセル全開時の要求出力をアクセルセンサ（図示せず）から取得する。ステップＳ１２０において、制御部５００は、燃料電池１００に流れる冷却媒体の流量が、要求出力が判定値を超えた際の冷却媒体流量よりも少なくなるように、冷却媒体の流量を制御する。ここで、従来により、燃料電池１００を適切な温度で運転させるための、要求出力が判定値を超えた際の冷却媒体流量が設定されている。この従来設定された冷却媒体流量は、燃料電池１００が高負荷運転により温度が過度に上昇しないように抑制する冷却媒体流量であり、判定値以下の要求出力がある場合の冷却媒体流量よりも多い冷却媒体流量である。しかし、判定値を超える要求出力が要求された直後、燃料電池１００の温度は直ちに上昇しないので、冷却媒体流量を増加させると、燃料電池１００の昇温が阻害され、燃料電池１００の出力が低下してしまう。本実施形態によれば、制御部５００は、判定値を超える要求出力を受けると、冷却媒体の流量を要求出力が判定値を超えた際の冷却媒体流量より低減させるので、燃料電池１００の昇温が阻害されることを抑制でき、燃料電池１００の出力を向上させることができる。

ステップＳ１３０において、制御部５００は、第１温度センサ３９１の測定値と第２温度センサ３９２の測定値との差（以降、「温度差ΔＴ」と呼ぶ）が予め定められた閾値以下であるか否かを判定する。温度差ΔＴは、燃料電池１００を冷却した後の冷却媒体の温度上昇値である。予め定められた閾値は、燃料電池１００の過度の温度上昇によるドライアップや発電に必要な触媒中のアイオノマの劣化を抑制するための温度差ΔＴの上限値である。ここで、図４と図５を利用して、温度差ΔＴと冷却媒体流量と燃料電池１００の出力の関係を説明する。

図４は、温度差ΔＴと冷却媒体流量との関係を例示する図である。図５は、温度差ΔＴと燃料電池１００の出力との関係を例示する図である。図４によれば、冷却媒体流量が増加すると、単位時間内の冷却媒体によって持ち去られる熱量が増加するので、温度差ΔＴが減少する。図５によれば、温度差ΔＴが１７℃以下、又は２０℃以上になると、燃料電池１００の出力が減少する。従って、本実施形態において、制御部５００は、ステップＳ１２０（図３）で冷却媒体流量を３５Ｌ／ｍｉｎから４５Ｌ／ｍｉｎまでの範囲内に設定することが好ましく、温度差ΔＴの閾値を１７℃から２０℃までの範囲内に設定することが好ましい。

図３に戻り、ステップＳ１３０において、制御部５００は、温度差ΔＴが閾値以下であると判定した場合（Ｓ１３０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１５０に移行する。ステップＳ１５０において、制御部５００は、燃料電池１００の出力が要求出力に到達したか否かを判定する。ステップＳ１５０において、制御部５００は、燃料電池１００の出力が要求出力に到達したと判定した場合（ステップＳ１５０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１６０に移行する。燃料電池１００の出力が要求出力に到達したと判定すれば、燃料電池１００の温度が適切な運転温度に上昇したと見なされてもよいので、制御部５００は、ステップＳ１６０において、燃料電池１００に流れる冷却媒体の流量を要求出力が判定値を超えた際の冷却媒体流量とする。その後、冷却媒体流量の制御処理を終了する。一方、ステップＳ１５０において、制御部５００は、燃料電池１００の出力が要求出力に到達していないと判定した場合（ステップＳ１５０、Ｎｏ）には、ステップＳ１２０に戻り、ステップＳ１２０で設定された冷却媒体流量を維持しつつ、燃料電池１００の昇温を待つ。

ステップＳ１３０に戻り、制御部５００は、温度差ΔＴが閾値よりも高いと判定した場合（Ｓ１３０、Ｎｏ）には、ステップＳ１４０に移行する。温度差ΔＴが閾値よりも高いと判定すれば、燃料電池１００の温度が過度に上昇している可能性が高いので、制御部５００は、ステップＳ１４０において、燃料電池１００に流れる冷却媒体の流量を増加し、燃料電池１００を更に冷却する。制御部５００は、ステップＳ１４０を実行した後、ステップＳ１３０に戻る。

以上説明したように、一実施形態では、燃料電池システム１０において、燃料電池１００に対する要求出力が予め定められた判定値を超えると、燃料電池１００に流れる冷却媒体の流量が、要求出力が判定値を超えた際の冷却媒体流量よりも少なくなるように、かつ、温度差ΔＴが予め定められた閾値以下となるように、冷却媒体流量が制御される。こうすれば、冷却媒体流量の増加による燃料電池１００の昇温が阻害されることを抑制でき、燃料電池１００の出力を向上させることができる。加えて、温度差ΔＴが閾値以下となるように冷却媒体流量が制御されるので、燃料電池１００の過度の温度上昇によるドライアップやアイオノマの劣化を抑制することができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、１００…燃料電池、１１０…冷却媒体入口、１２０…冷却媒体出口、３００…冷却流路、３１０…冷却媒体供給流路、３２０…冷却媒体排出流路、３３０…バイパス流路、３４０…冷却媒体ポンプ、３４５…ポンプ用モータ、３５０…三方弁、３６０…イオン交換器、３６５…連結流路、３７０…ラジエータ、３７５…ラジエータファン、３９１…第１温度センサ、３９２…第２温度センサ、５００…制御部

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を冷却するラジエータと、
   前記燃料電池の冷却媒体入口と前記ラジエータの一端とを接続する冷却媒体供給流路と、
   前記燃料電池の冷却媒体出口と前記ラジエータの他端とを接続する冷却媒体排出流路と、
   前記冷却媒体入口における前記冷却媒体の温度を測定する第１温度センサと、
   前記冷却媒体出口における前記冷却媒体の温度を測定する第２温度センサと、
   前記燃料電池に対する要求出力が予め定められた判定値を超えると、前記冷却媒体の流量が、前記要求出力が前記判定値を超えた際の前記冷却媒体の流量よりも少なくなるように、かつ、前記第１温度センサの測定値と前記第２温度センサの測定値との差が予め定められた閾値以下となるように、前記冷却媒体の流量を制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。

Images