JP2024016591A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書で開示する技術は、燃料電池システムに関する。 The technology disclosed herein relates to a fuel cell system.
特許文献1には、燃料電池システムが開示されている。この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回路を備える。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system. This fuel cell system includes a fuel cell and a cooling circuit for cooling the fuel cell.
燃料電池システムでは、冷却回路内の冷却水の温度が低すぎると、燃料電池の性能が低下するおそれがある。このため、燃料電池システムの始動時に、冷却水の温度が低すぎるときは、冷却水を適温まで昇温するべく、暖機運転が実行される。暖機運転に要する時間は短いほど好ましい。本明細書では、暖機運転に要する時間(本明細書では、「暖機時間」とも呼ぶ)を低減することが可能な技術を提供する。 In a fuel cell system, if the temperature of the cooling water in the cooling circuit is too low, the performance of the fuel cell may deteriorate. Therefore, if the temperature of the cooling water is too low when starting the fuel cell system, a warm-up operation is performed to raise the temperature of the cooling water to an appropriate temperature. The shorter the time required for warm-up, the better. This specification provides a technique that can reduce the time required for warm-up operation (also referred to as "warm-up time" in this specification).
本明細書が開示する燃料電池システムは、互いに並列に接続された第1流路および第2流路を備える冷却回路と、前記第1流路に設けられた燃料電池と、前記第2流路に設けられているとともに、前記燃料電池で発生した電力を消費可能な電力消費ユニットと、前記冷却回路に設けられており、冷却水の循環経路を制御する少なくとも一つの循環制御機器と、前記燃料電池と、前記電力消費ユニットと、前記少なくとも一つの循環制御機器の動作を制御することにより、第1暖機運転を実行可能な制御ユニットと、を備えている。前記第1暖機運転では、前記第1流路および前記第2流路の両方に前記冷却水が循環し、前記燃料電池が発電し、かつ、前記燃料電池による発電電力の一部が前記電力消費ユニットで消費される。 A fuel cell system disclosed in this specification includes a cooling circuit including a first flow path and a second flow path connected in parallel to each other, a fuel cell provided in the first flow path, and a cooling circuit that includes a first flow path and a second flow path connected to each other in parallel. a power consumption unit that is provided in the fuel cell and is capable of consuming power generated by the fuel cell; at least one circulation control device that is provided in the cooling circuit and controls a circulation path of the cooling water; A control unit capable of executing a first warm-up operation by controlling operations of a battery, the power consumption unit, and the at least one circulation control device. In the first warm-up operation, the cooling water circulates in both the first flow path and the second flow path, the fuel cell generates power, and a part of the power generated by the fuel cell is transferred to the electric power. Consumed in consumption units.
燃料電池システムの暖機運転では、燃料電池の発電に伴って発生する熱を利用して冷却水を昇温する構成が一般的である。これに対し、上記の構成によれば、暖機運転では、燃料電池の発電に伴って発生する熱だけでなく、電力消費ユニットの電力消費に伴って発生する熱も利用して、冷却水を昇温する。このため、冷却水を効率的に昇温することができるので、暖機時間を低減することができる。 During warm-up operation of a fuel cell system, a typical configuration is such that the temperature of cooling water is raised using heat generated as a result of power generation by the fuel cell. On the other hand, according to the above configuration, during warm-up operation, not only the heat generated by the power generation of the fuel cell but also the heat generated by the power consumption of the power consumption unit is used to cool the cooling water. Increase temperature. Therefore, the temperature of the cooling water can be raised efficiently, and the warm-up time can be reduced.
燃料電池システムでは、燃料電池において、燃料電池システムで消費しきれないほどの電力が発電されると、不具合(例えば、バッテリの劣化)が生じる。このため、燃料電池の出力(発電電力)は、燃料電池システムの消費電力を上回らない程度に抑制されることが好ましい。上記の構成によれば、暖機運転では、燃料電池による発電電力の一部が電力消費ユニットで消費される。このため、燃料電池による発電電力を電力消費ユニットで消費しない場合と比較して、燃料電池システムの消費電力を増加することができる。これにより、燃料電池の出力を通常よりも増加することができる。したがって上記の構成によれば、燃料電池の発電に伴って発生する熱を通常よりも増加することができるので、暖機時間を低減することができる。 In a fuel cell system, if the fuel cell generates more power than can be consumed by the fuel cell system, problems (for example, battery deterioration) occur. For this reason, it is preferable that the output (generated power) of the fuel cell is suppressed to an extent that does not exceed the power consumption of the fuel cell system. According to the above configuration, during warm-up operation, part of the power generated by the fuel cell is consumed by the power consumption unit. Therefore, the power consumption of the fuel cell system can be increased compared to the case where the power generated by the fuel cell is not consumed by the power consumption unit. Thereby, the output of the fuel cell can be increased more than usual. Therefore, according to the above configuration, it is possible to increase the heat generated by the power generation of the fuel cell more than usual, so that the warm-up time can be reduced.
本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された燃料電池システムを提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。 Representative and non-limiting specific examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. This detailed description is merely intended to provide those skilled in the art with details for implementing the preferred embodiment of the invention, and is not intended to limit the scope of the invention. Additionally, the additional features and inventions disclosed can be used separately or in conjunction with other features and inventions to provide further improved fuel cell systems.
また、以下の詳細な説明で開示される特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、以下の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、特許請求の範囲に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。 Furthermore, the features and combinations of steps disclosed in the following detailed description are not essential to practicing the invention in its broadest sense, and are intended solely for the purpose of specifically illustrating representative embodiments of the invention. shall be described. Moreover, various features of the exemplary embodiments below, as well as those recited in the claims, are described herein in providing additional and useful embodiments of the invention. They do not have to be combined exactly as shown in the specific examples or in the order listed.
本明細書及び/又は特許請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び/又は特許請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに特許請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに特許請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。 All features recited in the specification and/or claims are included in the original disclosure and in the claims, independently of the embodiments and/or the features recited in the claims. are intended to be disclosed separately and independently of each other as limitations to the specific matters identified. Furthermore, all references to numerical ranges and groups or populations are intended to be used as limitations on the specific subject matter recited in the original disclosure and claims, and are intended to disclose intermediate configurations thereof.
1つまたはそれ以上の実施形態において、前記制御ユニットは、第2暖機運転をさらに実行可能であってもよい。前記第2暖機運転では、前記第1流路に前記冷却水が循環し、前記第2流路に前記冷却水が循環せず、前記燃料電池が発電し、かつ、前記燃料電池による発電電力が前記電力消費ユニットで消費されなくてもよい。 In one or more embodiments, the control unit may be further capable of performing a second warm-up operation. In the second warm-up operation, the cooling water circulates in the first flow path, the cooling water does not circulate in the second flow path, and the fuel cell generates power, and the power generated by the fuel cell may not be consumed in the power consuming unit.
上記の構成における第2暖機運転は、一般的な暖機運転である。前述の通り、第1暖機運転では、第2暖機運転と比較して、暖機時間が低減され得る。しかしながら、第1暖機運転では、第2暖機運転と比較して、多くの燃料が消費されることになる。場合によっては、第1暖機運転よりも、第2暖機運転の方が優れていることがある。このため、燃料電池システムでは、状況に応じて、暖機運転が第1暖機運転と第2暖機運転との間で切り換えられることが望ましい。上記の構成によれば、制御ユニットは、状況に応じて、暖機運転を第1暖機運転と第2暖機運転との間で切り換えることができる。 The second warm-up operation in the above configuration is a general warm-up operation. As described above, in the first warm-up operation, the warm-up time can be reduced compared to the second warm-up operation. However, the first warm-up operation consumes more fuel than the second warm-up operation. In some cases, the second warm-up operation may be better than the first warm-up operation. Therefore, in the fuel cell system, it is desirable that the warm-up operation is switched between the first warm-up operation and the second warm-up operation depending on the situation. According to the above configuration, the control unit can switch the warm-up operation between the first warm-up operation and the second warm-up operation depending on the situation.
1つまたはそれ以上の実施形態において、前記制御ユニットは、前記燃料電池システムの始動時に前記冷却水の温度を検出し、検出された前記温度が所定温度を下回るときに前記第1暖機運転を実行し、検出された前記温度が前記所定温度を上回るときに前記第2暖機運転を実行してもよい。 In one or more embodiments, the control unit detects the temperature of the cooling water during startup of the fuel cell system, and starts the first warm-up operation when the detected temperature is below a predetermined temperature. The second warm-up operation may be performed when the detected temperature exceeds the predetermined temperature.
通常、冷却水の温度が低いほど、冷却水の昇温に時間を要するため、暖機時間も大きくなる。このため、冷却水の温度が非常に低温(例えば、-20℃)である場合には、燃料を多く消費してでも、暖機時間を低減する必要がある。一方で、冷却水の温度が比較的高温(例えば、5℃)である場合には、暖機時間を低減するよりも、燃料の消費を抑制する必要がある。このため、燃料電池システムでは、冷却水の温度に応じて、暖機運転が第1暖機運転と第2暖機運転との間で切り換えられることが望ましい。上記の構成によれば、制御ユニットは、冷却水の温度が所定温度を下回る場合、暖機時間を低減し得る第1暖機運転を実行し、冷却水の温度が所定温度を上回る場合、燃料の消費量が比較的少ない第2暖機運転を実行する。このように、制御ユニットは、冷却水の温度に応じて、暖機運転を第1暖機運転と第2暖機運転との間で切り換えることができる。 Generally, the lower the temperature of the cooling water, the longer the warm-up time because it takes longer to raise the temperature of the cooling water. Therefore, when the temperature of the cooling water is very low (for example, −20° C.), it is necessary to reduce the warm-up time even if a large amount of fuel is consumed. On the other hand, when the temperature of the cooling water is relatively high (for example, 5° C.), it is necessary to suppress fuel consumption rather than reducing the warm-up time. Therefore, in the fuel cell system, it is desirable that the warm-up operation is switched between the first warm-up operation and the second warm-up operation depending on the temperature of the cooling water. According to the above configuration, when the temperature of the cooling water is lower than the predetermined temperature, the control unit executes the first warm-up operation that can reduce the warm-up time, and when the temperature of the cooling water is higher than the predetermined temperature, the control unit executes the first warm-up operation that can reduce the warm-up time. A second warm-up operation is performed in which the amount of consumption is relatively small. In this way, the control unit can switch the warm-up operation between the first warm-up operation and the second warm-up operation depending on the temperature of the cooling water.
1つまたはそれ以上の実施形態において、前記燃料電池の起電力の理論値をv0、前記燃料電池の起電力の実測値をv、前記第1流路に前記冷却水が循環して前記第2流路に前記冷却水が循環しないときの前記冷却回路の熱容量をC1、前記第1流路および第2流路の両方に前記冷却水が循環するときの前記冷却回路の熱容量をC1+C2、前記第2暖機運転における前記燃料電池の出力上限値をP2とした場合、前記第1暖機運転における前記電力消費ユニットの消費電力PBRは、下式を満たしてもよい。
第2暖機運転では、第2流路については、冷却水の循環・昇温が行われない。一方、第1暖機運転では、第2流路についても、冷却水の循環・昇温が行われる。このため、第1暖機運転を実行する場合の熱容量は、第2暖機運転を実行する場合の熱容量と比較して、第2流路に係る分だけ大きい(すなわち、C2だけ大きい)。このため、第1暖機運転を実行する場合であっても、電力消費ユニットにおける消費電力PBRが小さい場合には、第2暖機運転を実行する場合と比較して、かえって暖機時間が増加してしまう。以上より、本願の構成に基づく暖機時間を低減する効果を適切に発揮するためには、消費電力PBRを十分に大きくする必要がある。詳細は後述するが、上記の構成によれば、消費電力PBRを十分に大きくできるため、本願の構成に基づく暖機時間を低減する効果を適切に発揮することができる。 In the second warm-up operation, the cooling water is not circulated or heated in the second flow path. On the other hand, in the first warm-up operation, the cooling water is circulated and the temperature is increased in the second flow path as well. Therefore, the heat capacity when performing the first warm-up operation is larger by the amount related to the second flow path (that is, larger by C2 ) than the heat capacity when performing the second warm-up operation. Therefore, even if the first warm-up operation is executed, if the power consumption PBR in the power consumption unit is small, the warm-up time will be longer than when the second warm-up operation is executed. It will increase. From the above, in order to appropriately exhibit the effect of reducing the warm-up time based on the configuration of the present application, it is necessary to make the power consumption PBR sufficiently large. Although the details will be described later, according to the above configuration, the power consumption PBR can be sufficiently increased, so that the effect of reducing the warm-up time based on the configuration of the present application can be appropriately exhibited.
1つまたはそれ以上の実施形態において、前記燃料電池の起電力の実測値をv、前記第2暖機運転における前記燃料電池の出力上限値をP2、凍上制約に基づく前記燃料電池の電流上限値をimaxとした場合、前記第1暖機運転における前記電力消費ユニットの消費電力PBRは、下式を満たしてもよい。
通常、燃料電池では、水素と酸素を化学反応させることで発電を行う構成となっている。このため、燃料電池では、燃料電池の電流値を大きくするほど、より多くの水素と酸素が消費されて、より多くの水が発生する。また、暖機運転が実行されるような低温状況では、燃料電池で発生した水が凍結することがある。燃料電池で瞬間的に大量の水が発生すると、燃料電池の電池セルの間に氷塊が生じることがある(この現象を「凍上現象」と呼ぶ)。凍上現象が生じると、電池セルを損傷するおそれがある。このため、燃料電池では、凍上現象を抑制するべく、燃料電池の電流値に上限値(凍上制約に基づく燃料電池の電流上限値imax)が設定される。詳細は後述するが、上記の構成によれば、消費電力PBRを小さくすることで、燃料電池の電流値が電流上限値imaxに達することを抑制できる。これにより、凍上現象を抑制できる。 Typically, fuel cells are configured to generate electricity by causing a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Therefore, in a fuel cell, as the current value of the fuel cell increases, more hydrogen and oxygen are consumed and more water is generated. Furthermore, in low-temperature conditions such as during warm-up operation, water generated in the fuel cell may freeze. When a large amount of water is instantaneously generated in a fuel cell, ice blocks may form between the fuel cells (this phenomenon is called "frost heave"). If frost heaving occurs, there is a risk of damaging battery cells. Therefore, in the fuel cell, an upper limit value (current upper limit value i max of the fuel cell based on the frost heave constraint) is set for the current value of the fuel cell in order to suppress the frost heaving phenomenon. Although details will be described later, according to the above configuration, by reducing the power consumption PBR , it is possible to suppress the current value of the fuel cell from reaching the current upper limit value imax . Thereby, frost heave phenomenon can be suppressed.
1つまたはそれ以上の実施形態において、前記燃料電池システムは、車輪を駆動する走行用モータを備える車両に搭載されていてもよい。前記電力消費ユニットは、前記走行用モータが前記車輪を発電制動したときの発電電力を消費するブレーキレジスタであってもよい。 In one or more embodiments, the fuel cell system may be mounted on a vehicle that includes a traction motor that drives wheels. The power consumption unit may be a brake resistor that consumes power generated when the travel motor dynamically brakes the wheels.
上記の構成によれば、車両に設けられたブレーキレジスタを、電力消費ユニットとして用いることができる。このため、車両に専用の部品を設ける必要がなく、本願の構成を容易に実現することができる。 According to the above configuration, a brake resistor provided in a vehicle can be used as a power consumption unit. Therefore, there is no need to provide a dedicated part to the vehicle, and the configuration of the present application can be easily implemented.
(実施例)
図1に示すように、本実施例の燃料電池システム(以下では、「FCシステム2」と呼ぶ。)は、車両100に搭載されている。車両100は、FCシステム2に加えて、一対の前輪102と、一対の後輪104と、一対の後輪104に連結された走行用モータ106と、走行用モータ106に電気的に接続されたバッテリ108を備える。走行用モータ106は、FCシステム2の燃料電池スタック(以下では、「FCスタック4」と呼ぶ)とブレーキレジスタ6のそれぞれに、電気的に接続されている。バッテリ108は、再充電可能な二次電池(例えば、リチウムイオン電池)であり、FCシステム2のFCスタック4に電気的に接続されている。FCスタック4とブレーキレジスタ6は、互いに電気的に接続されている。FCシステム2は、FCスタック4とブレーキレジスタ6に加えて、ECU(Electronic Control Unit)8を備えている。ECU8は、プロセッサ及びメモリを備えるコンピュータ装置の一種である。ECU8は、車両100の電気系統を制御する。すなわち、ECU8は、FCシステム2、走行用モータ106、およびバッテリ108等の動作を制御することができる。また、図示しないが、車両100は、FCスタック4に供給するための水素を貯留する水素タンクや、FCスタック4に空気(特に酸素)を供給するためのエアコンプレッサをさらに備える。
(Example)
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment (hereinafter referred to as "
FCスタック4は、複数の燃料電池セル(図示せず)を備える。各燃料電池セルは、水素と酸素を化学反応させることで発電する。すなわち、FCスタック4は、水素と酸素が有する化学エネルギーを、電気エネルギーに変換することで発電している。ここで、FCスタック4の起電力の理論値をv0とし、FCスタック4の起電力の実測値をvとし、FCスタック4の電流値(FC電流値)をiとすると、FCスタック4の発電電力(FC出力)は、ivと推定される。本実施例では、FCスタック4において電気エネルギーに変換されなかったエネルギー損失分は、熱エネルギーに変換されるものとみなす。このため、FCスタック4の発熱量(FC発熱量)は、i(v0-v)と推定される。
The
走行用モータ106は、バッテリ108やFCスタック4から供給される電力によって動作し、一対の後輪104を回転駆動する。走行用モータ106は、自らの運動エネルギーを電力に変換することにより、一対の後輪104を発電制動することもできる。走行用モータ106が一対の後輪104を発電制動する際、走行用モータ106の発電電力は、通常、バッテリ108に充電される。ただし、バッテリ108が満充電に近い状態である場合、走行用モータ106の発電電力は、ブレーキレジスタ6に供給され、熱エネルギーとして消費される。これにより、バッテリ108への過度な充電が抑制される。
The driving
図2に示すように、FCシステム2は、FCスタック4とブレーキレジスタ6を冷却するための冷却回路10を備える。冷却回路10は、第1流路11と、第2流路12と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15と、第6流路16を備える。第1流路11には、FCスタック4と、第1ポンプ22と、第1逆止弁24が設けられている。FCスタック4は、第1ポンプ22の下流側に設けられている。第1逆止弁24は、FCスタック4の下流側に設けられている。また、第1流路11には、第1ポンプ22の下流側であって、第1逆止弁24の上流側において、FCスタック4を迂回するバイパス流路11aが設けられている。本実施例では、バイパス流路11aを第1流路11の一部とする。バイパス流路11aには、インタークーラ26が設けられている。インタークーラ26は、エアコンプレッサ(図示せず)からFCスタック4に供給される空気を、バイパス流路11aを流れる冷却水との間で熱交換させる。また、第2流路12には、ブレーキレジスタ6と、第2ポンプ28と、第2逆止弁30が設けられている。ブレーキレジスタ6は、第2ポンプ28の下流側に設けられている。第2逆止弁30は、ブレーキレジスタ6の下流側に設けられている。第1流路11と第2流路12は、互いに並列に接続している。
As shown in FIG. 2, the
第1流路11と第2流路12の上流端には、第3流路13の下流端が接続している。第1流路11と第2流路12の下流端には、第4流路14の上流端が接続している。第4流路14の下流端は、三方弁32に接続している。三方弁32は、第5流路15の上流端と、第6流路16の上流端にも接続している。三方弁32は、第4流路14を第5流路15に接続する第1連通状態と、第4流路14を第6流路16に接続する第2連通状態との間で切り換え可能である。また、第5流路15には、イオン交換器34が設けられている。イオン交換器34は、第5流路15を流れる冷却水を浄化するための機器である。また、第6流路16には、ラジエータ36が設けられている。ラジエータ36は、冷却水から吸熱した熱を放熱する。第5流路15の下流端と、第6流路16の下流端は、いずれも第3流路13の上流端に接続している。
The upstream ends of the
図示しないが、冷却回路10には、冷却水の温度を検出する温度センサが設けられている。温度センサは、複数設けられていてもよく、第1流路11と、第2流路12と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15と、第6流路16のそれぞれに設けられていてもよい。ECU8は、これらの温度センサに基づいて、冷却回路10の所望の位置における冷却水の温度を検出することができる。
Although not shown, the cooling
(冷却回路10の暖機運転)
ECU8は、車両100の電源がオンにされ、FCシステム2が始動されると、冷却回路10の暖機運転を実行するように構成されている。この際、ECU8は、第1暖機運転および第2暖機運転のいずれか一方を選択し、実行するように構成されている。なお、暖機運転の実行中は、FC発熱量i(v0-v)を増加させるべく、発電効率v/v0を意図的に低下させている。このため、暖機運転の実行中、発電効率v/v0は定数とみなされる。また、FCスタック4の起電力の理論値v0は定数なので、FCスタック4の起電力の実測値vについても定数とみなされる。
(Warm-up operation of cooling circuit 10)
The
第1暖機運転では、ECU8は、三方弁32を第1連通状態とした上で、第1ポンプ22および第2ポンプ28を駆動する。これにより、冷却回路10のうち、第1流路11と、第2流路12と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15に冷却水が循環する。また、ECU8は、FCスタック4での発電を実行する。FCスタック4による発電電力は、車両100の各部に供給され、車両100の各部において消費される。この際、FCスタック4による発電電力の一部は、ブレーキレジスタ6に供給され、熱エネルギーとして消費される。
In the first warm-up operation, the
第1暖機運転では、第1流路11と、第2流路12と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15を流れる冷却水に、FC発熱量i(v0-v)と、ブレーキレジスタ6の発熱量(BR発熱量)HBRが加えられる。すなわち、第1暖機運転では、FCスタック4の発電に伴って発生する熱と、ブレーキレジスタ6の電力消費に伴って発生する熱を利用して、冷却水が加熱される。
In the first warm-up operation, the cooling water flowing through the
第1暖機運転では、FCスタック4の出力上限値P1が設定される。出力上限値P1は、第1暖機運転の実行中、バッテリ108を除く車両100の各部で消費される電力を合算した値である。第1暖機運転では、ECU8は、FC出力ivを出力上限値P1まで上昇させる一方で、FC出力ivが出力上限値P1を上回ることを抑制する。これにより、バッテリ108への過充電を抑制しつつ、FC発熱量i(v0-v)を可能な限り上昇することができる。
In the first warm-up operation, the output upper limit value P1 of the
図3に、FC出力ivを出力上限値P1まで上昇させて第1暖機運転を実行した場合のFCスタック4の電流電圧特性を示す。暖機運転の実行中、FCスタック4の起電力の実測値vは定数とみなされるので、FC出力ivを出力上限値P1まで上昇させる際、FC電流値iは、i1=P1/vまで上昇される。図3中では、この場合のFC発熱量i1(v0-v)を、H1として図示している。したがって、P1とH1との間には、下式(1)の関係が成り立つ。
第2暖機運転では、ECU8は、三方弁32を第1連通状態とした上で、第1ポンプ22を駆動する。ECU8は、第2ポンプ28を駆動しない。これにより、冷却回路10のうち、第1流路11と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15に冷却水が循環する。また、ECU8は、FCスタック4での発電を実行する。FCスタック4による発電電力は、車両100の各部に供給され、車両100の各部において消費される。この際、FCスタック4による発電電力がブレーキレジスタ6に供給されることはない。
In the second warm-up operation, the
第2暖機運転では、第1流路11と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15を流れる冷却水に、FC発熱量i(v0-v)が加えられる。すなわち、第2暖機運転では、FCスタック4の発電に伴って発生する熱を利用して、冷却水が加熱される。
In the second warm-up operation, the cooling water flowing through the
第2暖機運転では、FCスタック4の出力上限値P2が設定される。出力上限値P2は、第2暖機運転の実行中、バッテリ108を除く車両100の各部で消費される電力を合算した値である。第2暖機運転では、ECU8は、FC出力ivを出力上限値P2まで上昇させる一方で、FC出力ivが出力上限値P2を上回ることを抑制する。これにより、バッテリ108への過充電を抑制しつつ、FC発熱量i(v0-v)を可能な限り上昇することができる。
In the second warm-up operation, the output upper limit value P2 of the
図4に、FC出力ivを出力上限値P2まで上昇させて第2暖機運転を実行した場合のFCスタック4の電流電圧特性を示す。暖機運転の実行中、FCスタック4の起電力の実測値vは定数とみなされるので、FC出力ivを出力上限値P1まで上昇させる際、FC電流値iは、i2=P2/vまで上昇される。図4中では、この場合のFC発熱量i2(v0-v)を、H2として図示している。したがって、P2とH2との間には、下式(2)の関係が成り立つ。
第1暖機運転と第2暖機運転を比較すると、暖機運転の実行中にバッテリ108を除く車両100の各部で消費される電力は、第1暖機運転の方が、ブレーキレジスタ6の消費電力(BR消費電力)PBRの分だけ、第2暖機運転よりも大きい。これにより、出力上限値P1と出力上限値P2との間には、下式(3)の関係が成り立つ。
また、第1暖機運転を実行する場合に冷却水をΔT℃昇温することに要する時間t1と、第2暖機運転を実行する場合に冷却水をΔT℃昇温することに要する時間t2は、それぞれ下式(4)、(5)の通りである。
ここで、C1は、冷却回路10のうち、第1流路11と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15に冷却水が循環する際の冷却回路10の熱容量である。C1+C2は、冷却回路10のうち、第1流路11と、第2流路12と、第3流路13と、第4流路14と、第5流路15に冷却水が循環する際の冷却回路10の熱容量である。
Here, C 1 is the cooling
以上より、第1暖機運転の暖機時間を第2暖機運転の暖機時間よりも小さくするためには(t1<t2となるには)、BR消費電力PBRが下式(6)を満たす必要がある。なお、BR消費電力PBRはBR発熱量HBRと略同値であるため、下式ではHBR=PBRとしている。
(FCスタック4の凍上制約について)
FCスタック4では、FC電流値iを大きくするほど、より多くの水素と酸素が消費されて、より多くの水が発生する。このため、各燃料電池セルの間で凍上現象が生じることを抑制すべく、凍上制約に基づくFCスタック4の電流上限値imaxが設定される。電流上限値imaxは、第1暖機運転が実行される場合にのみ設定される。これは、第1暖機運転が実行される場合、FC電流値iが比較的大きくなり得るためである。
(Regarding frost heaving restrictions for FC stack 4)
In the
第1暖機運転が実行される場合に、FC電流値iが電流上限値imaxを上回ることがないようにするためには、BR消費電力PBRが下式(7)を満たす必要がある。
(ECU8が実行する処理)
以下では、ECU8が実行する、第1暖機運転および第2暖機運転のうちいずれの暖機運転を選択するかを決定するための処理について説明する。
(Process executed by ECU8)
Below, a process for determining which warm-up operation to select from the first warm-up operation and the second warm-up operation, which is executed by the
図5に示すように、S2では、ECU8は、冷却水の温度が所定の温度閾値kを下回るか否かを判断する。冷却水の温度が温度閾値kを下回る場合(YESの場合)、処理はS4へ進む。
As shown in FIG. 5, in S2, the
S4では、ECU8は、第1暖機運転を選択する。S4の後、処理はS6へ進む。
In S4, the
S6では、ECU8は、凍上制約に基づくFCスタック4の電流上限値imaxを取得する。外気温度が低いほど水は凍結しやすくなると考えられるので、電流上限値imaxは、外気温度が高いほど大きく、外気温度が低いほど小さい値に設定される。S6の後、処理はS8へ進む。
In S6, the
S8では、ECU8は、BR消費電力PBRが前述の式(6)および(7)を満たすように、BR消費電力PBRの値を決定する。具体的には、ECU8は、式(6)および(7)が満たされる範囲内で、BR消費電力PBRを可能な限り大きい値に決定する。S8の後、処理はS12へ進む。
In S8, the
S2において、冷却水の温度が温度閾値k以上であると判断される場合(NOの場合)、処理はS10へ進む。S10では、ECU8は、第2暖機運転を選択する。S10の後、処理はS12へ進む。
If it is determined in S2 that the temperature of the cooling water is equal to or higher than the temperature threshold value k (in the case of NO), the process proceeds to S10. In S10, the
S12では、ECU8は、S4またはS10で選択された暖機運転を実行する。S12の後、図5の処理は終了する。
In S12, the
本実施例では、FCスタック4が「燃料電池」に相当し、ブレーキレジスタ6が「電力消費ユニット」に相当し、第1ポンプ22および第2ポンプ28が「循環制御機器」に相当し、ECU8が「制御ユニット」に相当する。
In this embodiment, the
(変形例)
上記の実施例において、FCシステム2は、車両100に限定されず、他のモビリティ装置や据え置き型の装置に搭載されていてもよい。
(Modified example)
In the embodiments described above, the
上記の実施例において、FCスタック4の燃料として、水素以外の燃料(例えば、アンモニアやアルコール)が採用されてもよい。
In the above embodiment, a fuel other than hydrogen (for example, ammonia or alcohol) may be used as the fuel for the
上記の実施例において、電力消費ユニットとして、ブレーキレジスタ6以外の機器(例えば、暖機運転専用の電熱機器)が採用されてもよい。 In the above embodiment, a device other than the brake resistor 6 (for example, an electric heating device dedicated to warm-up operation) may be employed as the power consumption unit.
上記の実施例において、バイパス流路11aには電磁弁が設けられていてもよい。ECU8は、暖機運転を実行する際には、電磁弁を閉じることで、バイパス流路11aへの冷却水の流入を禁止するように構成されていてもよい。
In the above embodiment, a solenoid valve may be provided in the
上記の実施例において、FCシステム2は、循環制御機器として、第1ポンプ22および第2ポンプ28以外の機器を備えていてもよい。例えば、FCシステム2は、循環制御機器として、第3流路13に設けられたポンプと、第3流路13の下流端に設けられ、第3流路13を第1流路11に接続する状態と、第3流路13を第2流路12に接続する状態との間で切り換え可能な三方弁を備えていてもよい。この場合であっても、前述した第1暖機運転および第2暖機運転はともに実行可能となっている。
In the above embodiment, the
上記の実施例では、第1暖機運転におけるBR消費電力PBRが、式(6)および(7)を満たす構成について説明した。別の実施例では、第1暖機運転におけるBR消費電力PBRは、前述の式(6)および(7)のうち少なくとも一方を満たしていなくてもよい。例えば、上記の実施例において、ECU8は、図5のS6の後、S8を実行することなく、S12を実行するように構成されていてもよい。
In the above embodiment, a configuration was described in which the BR power consumption PBR in the first warm-up operation satisfies equations (6) and (7). In another embodiment, the BR power consumption P BR in the first warm-up operation may not satisfy at least one of the above-mentioned equations (6) and (7). For example, in the above embodiment, the
2 :FCシステム
4 :FCスタック
6 :ブレーキレジスタ
8 :ECU
10 :冷却回路
11 :第1流路
11a :バイパス流路
12 :第2流路
13 :第3流路
14 :第4流路
15 :第5流路
16 :第6流路
22 :第1ポンプ
24 :第1逆止弁
26 :インタークーラ
28 :第2ポンプ
30 :第2逆止弁
32 :三方弁
34 :イオン交換器
36 :ラジエータ
100 :車両
102 :一対の前輪
104 :一対の後輪
106 :走行用モータ
108 :バッテリ
2: FC system 4: FC stack 6: Brake register 8: ECU
10: Cooling circuit 11: First flow
Claims (6)
互いに並列に接続された第1流路および第2流路を備える冷却回路と、
前記第1流路に設けられた燃料電池と、
前記第2流路に設けられているとともに、前記燃料電池で発生した電力を消費可能な電力消費ユニットと、
前記冷却回路に設けられており、冷却水の循環経路を制御する少なくとも一つの循環制御機器と、
前記燃料電池と、前記電力消費ユニットと、前記少なくとも一つの循環制御機器の動作を制御することにより、第1暖機運転を実行可能な制御ユニットと、を備えており、
前記第1暖機運転では、前記第1流路および前記第2流路の両方に前記冷却水が循環し、前記燃料電池が発電し、かつ、前記燃料電池による発電電力の一部が前記電力消費ユニットで消費される、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
a cooling circuit comprising a first flow path and a second flow path connected in parallel to each other;
a fuel cell provided in the first flow path;
a power consumption unit provided in the second flow path and capable of consuming power generated by the fuel cell;
at least one circulation control device that is provided in the cooling circuit and controls a circulation path of cooling water;
A control unit capable of executing a first warm-up operation by controlling the operation of the fuel cell, the power consumption unit, and the at least one circulation control device,
In the first warm-up operation, the cooling water circulates in both the first flow path and the second flow path, the fuel cell generates power, and a part of the power generated by the fuel cell is transferred to the electric power. consumed in consumption units,
fuel cell system.
前記第2暖機運転では、前記第1流路に前記冷却水が循環し、前記第2流路に前記冷却水が循環せず、前記燃料電池が発電し、かつ、前記燃料電池による発電電力が前記電力消費ユニットで消費されない、請求項1の燃料電池システム。 The control unit is further capable of performing a second warm-up operation,
In the second warm-up operation, the cooling water circulates in the first flow path, the cooling water does not circulate in the second flow path, and the fuel cell generates power, and the power generated by the fuel cell 2. The fuel cell system of claim 1, wherein: is not consumed in the power consuming unit.
前記第1暖機運転における前記電力消費ユニットの消費電力PBRは、下式
The power consumption PBR of the power consumption unit in the first warm-up operation is calculated by the following formula:
前記第1暖機運転における前記電力消費ユニットの消費電力PBRは、下式
The power consumption PBR of the power consumption unit in the first warm-up operation is calculated by the following formula:
前記電力消費ユニットは、前記走行用モータが前記車輪を発電制動したときの発電電力を消費するブレーキレジスタである、請求項1の燃料電池システム。 The fuel cell system is mounted on a vehicle equipped with a travel motor that drives wheels,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the power consumption unit is a brake register that consumes power generated when the travel motor dynamically brakes the wheels.
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