JP3692955B2

JP3692955B2 - Fuel cell cooling control device

Info

Publication number: JP3692955B2
Application number: JP2001078433A
Authority: JP
Inventors: 剛麻生
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP2002280036A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の冷却制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
固体高分子型燃料電池では、その構造によって、流入させる燃料ガスや酸化ガスの気体の圧力と、同じく流入させる冷却水の圧力との相対関係が制約される。例えば冷却水の圧力が燃料ガスおよび酸化ガス等のガス系の圧力よりも高くなると燃料電池の冷却経路のシール性の劣化が進み、あるいは破損の原因となる場合がある。この様な燃料電池においては、常に冷却水の圧力をガス系の圧力よりも低く保つように運転することが必要である。
【０００３】
気体の圧力と液体の圧力の相対関係に着目した技術としては、例えば特開平6-295734号公報に開示されたものが知られている。これは高圧容器内に設置された燃料電池に冷却水を供給するフレキシブルホースがつぶれないように、冷却水圧力が容器内ガス圧力より高くなるように、容器内ガス圧力により作動する圧力制御弁で冷却水圧力を調整するものである。しかしながら、この装置ではガスの圧力に応じて一義的に冷却水圧力が設定されてしまうので、両者の圧力および流量を任意に制御するシステムに適用するのは困難であり、また本来この技術は冷却水の圧力を気体の圧力より常に低く保つことを目的としたものではない。
【０００４】
一方、燃料電池の冷却方法に関しては、特開昭59-73856号公報に開示されたものがある。これは冷却水の燃料電池入口温度と燃料電池出口温度の差をある範囲以内に制御するようにしたものである。しかしながら、固体高分子型燃料電池では最適な運転温度がある範囲に制限されている場合があり、例えば低温過ぎると触媒の反応が鈍く、所望の電流一電圧特性が得られないおそれがあり、逆に高すぎると燃料電池の劣化が促進される。すなわち、過冷却や冷却不足は望ましい冷却状態ではなく、出入口温度差を考慮するのみならず、その温度の絶対値にも注意する必要がある。
【０００５】
燃料電池の平均温度を略一定に保持するためには、冷却水の出口温度を検出し、ある設定された目標値となるように冷却水温度をフィードバック制御する構成も考えられるが、目標値に設定される運転温度は、その燃料電池における運転上限温度の値に近い場合があり、例えば燃料電池発熱量の増加に冷却性能の上昇が間にあわない時には、出口温度が上限温度を超えてしまうおそれがある。さらに、燃料電池の冷却水入口温度だけを管理する手法も考えられるが、この場合には燃料電池の発熱量によって冷却水出口温度が変化するので、出口端での温度が必ずしも最適運転温度とはならない。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池システムにおいて必要な冷却性能を確保しつつ冷却系の圧力がガス系の圧力よりも高くなることを確実に防止して信頼性の高いシステムを得ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池スタックに燃料ガスおよび／または酸化ガスを供給するガス供給装置と、燃料電池スタックと放熱装置とのあいだに冷媒を循環させる冷却装置と、前記ガス供給装置によるガス供給圧力に基づいて冷却装置の冷媒供給圧力を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ガス供給圧力が平衡状態もしくは増加方向へ変化するときには前記冷媒供給圧力の目標値変化をゆるやかにするフィルタを備えるとともに、ガス供給圧力が減少方向へ変化するときには基準冷媒圧力目標値と冷媒圧力の制御目標値とを比較し、小さい方の値を目標値として設定するように構成した。
【０００８】
第２の発明は、前記第１の発明のフィルタを遅れ要素から構成した。
【０００９】
第３の発明は、前記第１の発明のフィルタを目標値の変化率を制限するリミッタで構成した。
【００１０】
第４の発明は、前記第１の発明のフィルタを、ガス圧力が増加する場合には、燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の圧力がその目標圧力に略達したことを判別した後に冷媒圧力の目標値を更新するように構成した。
【００１１】
第５の発明は、前記各発明における冷却装置を、冷媒の燃料電池スタックへの冷媒供給流量を、燃料電池スタックの発電出力に応じてフィードフォワード制御するとともに、前記燃料電池スタック出口端での冷媒温度に応じてフィードバック補正を行い、かつ燃料電池スタック入口端での冷媒温度に応じて放熱装置での放熱量をフィードバック制御するように構成した。
【００１２】
第６の発明は、前記各発明における放熱装置として、冷媒が循環するラジエータと、ラジエータに強制冷却風を供給する電動ファンとを備え、かつ前記冷却制御装置はラジエータに供給する風量に応じて放熱量を制御するように構成した。
【００１３】
【作用・効果】
前記第１の発明ないし第３の発明によれば、例えば燃料電池の発電出力増大に伴い、ガス（燃料ガス、酸化ガス）および冷媒の圧力および流量を増大方向に調整する際には、フィルタにより冷媒圧力の目標値はガスの目標値より遅れて立ち上がり、同じく減少方向に調整する際には遅れ要素がなく直ちに圧力が低下する。これにより冷却用に十分な冷媒流量を確保しつつ、冷媒圧力がガス圧力を超えて燃料電池が損耗するような不都合を回避することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、冷媒圧力の目標値の立ち上がりに無駄時間を設け、ガスの圧力が定常状態になったと判断した後に冷媒圧力の目標値を更新する構成としたことから、燃料電池の負荷が変化する過渡時に冷媒圧力がガスの圧力を超えるのを防止することが可能となる。
【００１５】
第５の発明によれば、冷媒の流量を燃料電池出力に応じて決定するようにしたので、燃料電池スタックの発熱量に略応じた冷媒流量とすることができ、燃料電池温度を略一定に保持することができる。また燃料電池出口端の温度に応じて冷媒流量に補正を施すので、冷媒流量のフィードフォワード項の誤差を補正することができ、最も温度の高い燃料電池スタック出口付近において過度に温度上昇することを防止できる。また、燃料電池スタック入口端の温度に応じて冷却性能をフィードバック制御するので、燃料電池スタック入口温度は略一定に保つことが可能であり、前述の流量制御とあいまって、燃料電池スタックの入口温度および出口温度を常に最適な温度とすることができる。
【００１６】
第６の発明によれば、冷媒の流量と温度および冷却ファンの風量に基づいて最適な放熱量が制御されるので、燃料電池スタックを適温に保つことができ、かつ効率の良い運転が実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１の実施形態に係る冷却装置の概略構成である。図において、燃料電池スタック１に燃料ガス供給系２および酸化ガス供給系３（以下、これらを「ガス系」と総称する場合がある。）が備えられている。冷媒である冷却水は冷却水ポンプ５により配管４を経て燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１と熱交換した冷却水は、圧力調整弁６、冷却水タンク７を経て、放熱装置であるラジエータ９に循環供給される。８はラジエータ９に強制冷却風を供給する電動のラジエータファンである。燃料電池スタック１の冷却水出口部およびラジエータ９の冷却水出口部にはそれぞれ冷却水の温度センサ１０、１１が設けられる。制御装置（図示せず）は、例えばマイクロコンピュータおよびその周辺装置から構成され、前記温度センサ１０、１１からの温度信号に基づき、前記ポンプ５、圧力調整弁６、ラジエータファン８を制御する。
【００１８】
次に前記制御装置による冷却制御の作用につき、図2に示した制御ブロックを用いて説明する。この制御では、燃料電池の出力目標値１０３にフィードフォワードゲイン１２２が乗じられて冷却水目標流量１０９が演算される。これにより燃料電池出力に略比例して発生する燃料電池の発熱量に応じた冷却水流量を遅滞なく循環させることができ、該発熱量と略同等量の熱交換（放熱）を行わせて、燃料電池の温度を略一定に保持することが可能となる。冷却水流量制御については、燃料電池スタック１の出口温度が検出され、ある目標値となるようにフィードバック制御が併用される。すなわちこのフィードバック制御系は、前記燃料電池スタック出口の目標温度１０４、同じく温度センサ１０による検出値１０５、フイードバツクゲイン１２３から構成され、前述のフィードフォワードから定まる冷却水流量目標値に加算補正される。
【００１９】
なお、冷却水流量目標値は主としてフィードフォワード項により決定し、燃料電池スタック出口温度によりフィードバック項はその補正量の上限に制限を設ける構成とする。これにより、燃料電池発電量、すなわち損失の増加に対して遅滞なく冷却水流量を変化させることが可能となる。また、フィードバック項は補正量の上限を制限する代わりに、そのゲインを小さく設定するようにしてもよい。また、冷却水流量のフィードバックの引数としては、燃料電池出力の代わりに、燃料電池発熱量を用いてもよい。この場合、例えば燃料電池出力をパラメータとして発熱量を与えるテーブルを実験的に設定しておき、これを参照して発熱量を求めるロジックを追加するようにする。
【００２０】
ところで、燃料電池スタック１の入口ないしはラジエータ９の出口の水温は、ある目標値を持ってラジエータの通過風量により制御される。ある入口目標温度１０１と、検出された入口温度１０２の差分にフィードバックゲイン１２１が乗じられ、電動ファン８の風量目標値が演算される。これにより、ラジエータ９の出口温度は目標値に従い一定に管理されることになる。なお、この目標値は、燃料電池の最大出力発生時に、最大冷却水流量を流した状態で、燃料電池出口温度が、燃料電池の運転上限温度以下になるように設定するのがよい。具体的には燃料電池最大出力時に冷却水を最大流量流した時の冷却水出入口における温度差分を運転上限温度から減じた値以下に設定する。これにより、いかなる燃料電池出力においても、燃料電池スタック１が運転上限温度を超える事態を防止することが可能となる。
【００２１】
上記の構成により、冷却水の燃料電池出入り口温度はそれぞれ所望の値に制御されることとなる。一方、冷却水圧力の制御ロジックであるが、ガス系の圧力目標値１１３は、その変化方向を判別する手段１１１に入力され、昇圧なのか降圧なのかが判別される。なお、燃料ガスおよび酸化ガスの運転圧力目標が同一のシステムにおいては、圧力目標１１３は常にどちらか一方を選択するように構成してもよい。また、燃料ガスおよび酸化ガスの運転圧力目標が互いに異なるシステムにおいては、目標圧力の小さいほうのガス圧を選択することが望ましい。圧力目標値の代わりに、検出された圧力値を用いてもよい。
【００２２】
燃料電池出力に応じて変更される基準運転圧力目標１０６に対してはフィルタ１１２が挿入される。このフィルタはガス圧力変化の方向判別手段１１１からの信号に応じて、昇圧であると判断された場合にはフィルタとして機能するが、降圧であると判断された場合にはフィルタとして機能はせず、入力された基準圧力目標１０６と、その時点の制御目標値とを比較し、小さい方の値を出力をする構成となっている。すなわち、ガス系の圧力を上昇させる状況においては、冷却水圧力の基準目標値にフィルタを挿入することで、冷却水圧力の上昇を緩やかにし、またガス系の圧力を減少させる状況においていは、冷却水圧力目標にフィルタを挿入せず、現状の値を維持し、あるいは基準圧力目標値が現状の値より低い場合には、その基準となる圧力目標値に従い速やかに冷却水圧力を減少させるので、ガス系の圧力より冷却水の圧力が高くなるのを確実に防止することができる。このような機能を有するフィルタ１１２としては、例えば次式（１）、
ωn²／(S²+2ζωnS+ωn) … （１）
但しζ>1.0
で表されるよう2次の遅れフィルタが適用できる。あるいは変化率を制限するリミッタを適用してもよい。なお、基準冷媒圧力目標値とは前述の如く燃料電池の出力や運転負荷に対応したもの、あるいは例えば燃料電池車両の車速と要求駆動トルクとに応じて定められる基準値である。
【００２３】
図３に本実施形態による制御動作の実行例を示す。これは、横軸に経過時間をとり、時間ｔ０で燃料電池の出力(図示せず)を立ち上げるべく、ガスの圧力目標値３０１をステップ的に上昇させ、これに伴いガス圧力検出値３０２が図示のように立ち上がった例である。冷却水圧力目標はステップ的変化に対して２次の遅れフィルタの効果により３０３のようにすることで、実冷却水圧力は３０４の様な特性を得ることができ、過渡時においてもガス系の圧力より冷却水圧力が上昇する事態を防止できる。また、３０５は冷却水流量の目標値であるが、燃料電池の出力上昇に合わせ発熱量も増大するので、実冷却水流量３０６を遅滞なく立ち上げるように構成するのが望ましい。また３０７は圧力調整弁６（図１参照）の作動状態であり、縦軸上方向に開度「大」をとって示してある。この場合、実冷却水流量の増大に伴い冷却水圧力が上がり気味になるのを、圧力調整弁６を若干量開いて圧力を目標に合わせるようにしている。
【００２４】
図４に本発明の第２の実施形態を示す。これは前記第１の実施形態におけるフィルタ１１２の代わりに無駄時間要素（無駄時間設定手段１３１）を設けたもので、この無駄時間の大きさは、ガス系圧力目標値と検出値との差によって変更するようにしている。
【００２５】
図５は前記無駄時間の設定手段１３１の動作手順であり、これは前述したマイクロコンピュータ等からなる制御装置内にて周期的に実行されるプログラムとして設定されている。これを説明すると、まずステップ２０１で図3のガス圧力検出値からガス圧力の変化方向を入力する。次にステップ２０２でその変化が増加傾向でなければ圧力目標値は新しく入力された値に更新する。ガス圧力が増加傾向であった場合には、さらにステップ２０３でガス系の圧力目標値が、さらにステップ２０４でガス系の圧力検出値がそれぞれ入力され、ステップ２０５でこの両者が比較される。具体的には、検出値が目標値より、ある設定値以上小さいと判断された場合には、ガス系圧力がまだ過渡状態にあると判断し、冷却水圧力を昇圧することはせず、現状の値を目標値として設定する(ステップ２０６)。これに対して、検出値が目標値に対し、ある設定値の範囲内でほぼ同じと見なせる場合には、ガス系の圧力が定常状態にあると判断し、ステップ２０７で冷却水圧力目標値を更新し、冷却水圧力を昇圧する。
【００２６】
この実施形態は、特に圧力の応答が遅いシステムにおいて有効である。図６に本実施形態の制御動作例を示す。横軸に経過時間をとり、時間ｔ０で燃料電池の出力(図示せず)を立ち上げるべく、ガスの圧力目標値３０１をステップ的に上昇させ、これに伴いガス圧力検出値３０２が図のように立ち上がった例である。冷却水圧力目標３０３は、ガス圧力検出値３０２が目標値３０１と略同一となった時間Hまでは現在の値を維持し、時間ｔ１以降に冷却水圧力目標値をランプ関数的に更新する。この結果、実冷却水圧力は３０４のような特性を得ることができ、過渡時においてもガス系の圧力より冷却水圧力が上昇する事態を防止することができる。一方、３０５は冷却水流量の目標値であるが、燃料電池の出力上昇に合わせ発熱量も増大するので、実冷却水流量３０６はこれを遅滞なく立ち上げるように構成するのが望ましい。また３０７は圧力調整弁６の動作状態であり、縦軸上方向に開度「大」をとって示してある。実冷却水流量の増大に伴い冷却水圧力が上がり気味になるのを、圧力調整弁６を若干量開いて圧力を目標に合わせるようにしている。
【００２７】
図７に本発明の第３の実施形態を示す。これは前記無駄時間の大きさをガス系圧力検出値の変化率によって変更するようにしたものである。
【００２８】
図８は本実施形態の無駄時間の設定手段１４１の動作手順であり、これは前述したマイクロコンピュータ等からなる制御装置内にて周期的に実行されるプログラムとして設定されている。この制御では、まずステップ２２１で図７のガス圧力変化量演算手段１４２からのガスの時間当たりの変化量を入力する。ステップ２２２でその変化方向を判別し、増加傾向でなければ圧力目標値は新しく設定された値とする。また、増加傾向であった場合にはさらにステップ２２３でガス系の圧力変化量と、ある設定された値とを比較し、変化量がある設定された値より小さく、ガス系の圧力はほぼ一定と見なせる場合には、ステップ２２４で冷却水圧力目標値を更新し、冷却水圧力を昇圧させる。ガス系の圧力変化量がある設定された値以上の場合には、ガス系圧力がまだ過渡状態にあると判断し、冷却水圧力を昇圧することはせず、現状の値を目標値として設定する(ステップ２２６)。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の冷却系統の概略構成図。
【図２】前記第１の実施形態の制御系のブロック図。
【図３】前記第１の実施形態の動作状態を示すタイミング図。
【図４】本発明の第２の実施形態の制御系のブロック図。
【図５】前記第２の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図６】前記第２の実施形態の動作状態を示すタイミング図。
【図７】本発明の第３の実施形態の制御系のブロック図。
【図８】前記第３の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２燃料ガス供給系
３酸化ガス供給系
４配管
５冷却水ポンプ
６圧力調整弁
７冷却水タンク
８ラジエータファン（電動ファン）
９ラジエータ
１０温度センサ
１１温度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell cooling control apparatus.
[0002]
[Prior art and problems to be solved]
In the polymer electrolyte fuel cell, the relative relationship between the pressure of the inflowing fuel gas or the oxidizing gas and the pressure of the inflowing cooling water is restricted by the structure. For example, when the pressure of the cooling water becomes higher than the pressure of the gas system such as the fuel gas and the oxidizing gas, the sealing performance of the cooling path of the fuel cell may be deteriorated or may be damaged. In such a fuel cell, it is necessary to always operate so that the pressure of the cooling water is kept lower than the pressure of the gas system.
[0003]
As a technique paying attention to the relative relationship between the gas pressure and the liquid pressure, for example, a technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-295734 is known. This is a pressure control valve that operates with the gas pressure in the container so that the cooling water pressure becomes higher than the gas pressure in the container so that the flexible hose that supplies the cooling water to the fuel cell installed in the high-pressure container does not collapse. Adjusts the cooling water pressure. However, in this apparatus, since the cooling water pressure is uniquely set according to the gas pressure, it is difficult to apply it to a system that arbitrarily controls the pressure and flow rate of both. It is not intended to keep the water pressure below the gas pressure.
[0004]
On the other hand, a method for cooling a fuel cell is disclosed in JP-A-59-73856. In this case, the difference between the fuel cell inlet temperature and the fuel cell outlet temperature of the cooling water is controlled within a certain range. However, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, the optimum operating temperature may be limited to a certain range. For example, if the temperature is too low, the reaction of the catalyst may be dull and the desired current-voltage characteristic may not be obtained. If it is too high, deterioration of the fuel cell is promoted. That is, overcooling or undercooling is not a desirable cooling state, and it is necessary to pay attention not only to the inlet / outlet temperature difference but also to the absolute value of the temperature.
[0005]
In order to keep the average temperature of the fuel cell substantially constant, a configuration is possible in which the outlet temperature of the cooling water is detected and the cooling water temperature is feedback-controlled so as to reach a set target value. The set operating temperature may be close to the value of the operating upper limit temperature of the fuel cell. For example, when the cooling performance is not increased by the increase in the fuel cell heat generation amount, the outlet temperature may exceed the upper limit temperature. is there. Furthermore, a method of managing only the cooling water inlet temperature of the fuel cell is also conceivable, but in this case, the cooling water outlet temperature varies depending on the amount of heat generated by the fuel cell, so the temperature at the outlet end is not necessarily the optimum operating temperature. Don't be.
[0006]
The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and reliably prevents the pressure of the cooling system from becoming higher than the pressure of the gas system while ensuring the cooling performance required in the fuel cell system. The purpose is to obtain a highly reliable system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a gas supply device that supplies fuel gas and / or oxidizing gas to the fuel cell stack, a cooling device that circulates a refrigerant between the fuel cell stack and the heat dissipation device, and gas supply by the gas supply device A control device that controls the refrigerant supply pressure of the cooling device based on the pressure, and the control device moderates a change in the target value of the refrigerant supply pressure when the gas supply pressure changes in an equilibrium state or in an increasing direction. A filter is provided, and when the gas supply pressure changes in the decreasing direction, the reference refrigerant pressure target value is compared with the control target value of the refrigerant pressure, and the smaller value is set as the target value.
[0008]
In the second invention, the filter of the first invention is constituted by a delay element.
[0009]
In a third invention, the filter of the first invention is constituted by a limiter for limiting the rate of change of the target value.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, when the gas pressure is increased, the filter of the first aspect of the present invention is configured such that when it is determined that the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas has substantially reached the target pressure, It was configured to update the target value.
[0011]
According to a fifth invention, the cooling device in each of the above inventions is feed-forward controlled according to the power generation output of the fuel cell stack, and the refrigerant supply flow rate to the fuel cell stack of the refrigerant, and the refrigerant at the outlet end of the fuel cell stack Feedback correction was performed according to the temperature, and the amount of heat released by the heat dissipation device was feedback controlled according to the refrigerant temperature at the inlet end of the fuel cell stack.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, the radiator according to each of the inventions includes a radiator in which the refrigerant circulates and an electric fan that supplies forced cooling air to the radiator, and the cooling control device releases air according to the amount of air supplied to the radiator. It was configured to control the amount of heat.
[0013]
[Action / Effect]
According to the first to third aspects of the invention, for example, when the pressure and flow rate of gas (fuel gas, oxidizing gas) and refrigerant are adjusted in the increasing direction with the increase in power generation output of the fuel cell, the filter is used. The target value of the refrigerant pressure rises later than the target value of the gas, and when adjusting in the same decreasing direction, there is no delay factor and the pressure immediately decreases. As a result, it is possible to avoid inconvenience that the refrigerant pressure exceeds the gas pressure and the fuel cell is worn while securing a sufficient refrigerant flow rate for cooling.
[0014]
According to the fourth aspect of the invention, since the dead time is provided at the rise of the target value of the refrigerant pressure and the target value of the refrigerant pressure is updated after it is determined that the gas pressure has reached a steady state, It is possible to prevent the refrigerant pressure from exceeding the gas pressure during a transition in which the load changes.
[0015]
According to the fifth aspect of the invention, since the flow rate of the refrigerant is determined according to the fuel cell output, the flow rate of the refrigerant can be set substantially in accordance with the heat generation amount of the fuel cell stack, and the fuel cell temperature can be made substantially constant. Can be held. Also, since the refrigerant flow rate is corrected according to the temperature at the fuel cell outlet end, the error in the feedforward term of the refrigerant flow rate can be corrected, and the temperature rises excessively in the vicinity of the fuel cell stack outlet with the highest temperature. Can be prevented. In addition, since the cooling performance is feedback controlled according to the temperature at the inlet end of the fuel cell stack, the fuel cell stack inlet temperature can be kept substantially constant, coupled with the flow rate control described above, the inlet temperature of the fuel cell stack. The outlet temperature can always be the optimum temperature.
[0016]
According to the sixth aspect of the invention, since the optimum heat radiation amount is controlled based on the flow rate and temperature of the refrigerant and the air volume of the cooling fan, the fuel cell stack can be kept at an appropriate temperature and an efficient operation can be realized. .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration of a cooling device according to the first embodiment. In the figure, a fuel cell stack 1 is provided with a fuel gas supply system 2 and an oxidizing gas supply system 3 (hereinafter, these may be collectively referred to as “gas system”). Cooling water, which is a refrigerant, is supplied to the fuel cell stack 1 via the piping 4 by the cooling water pump 5. The cooling water exchanged with the fuel cell stack 1 is circulated and supplied to the radiator 9 which is a heat radiating device through the pressure regulating valve 6 and the cooling water tank 7. Reference numeral 8 denotes an electric radiator fan that supplies forced cooling air to the radiator 9. Cooling water temperature sensors 10 and 11 are provided at the cooling water outlet of the fuel cell stack 1 and the cooling water outlet of the radiator 9, respectively. The control device (not shown) is composed of, for example, a microcomputer and its peripheral devices, and controls the pump 5, the pressure regulating valve 6, and the radiator fan 8 based on temperature signals from the temperature sensors 10 and 11.
[0018]
Next, the operation of the cooling control by the control device will be described using the control block shown in FIG. In this control, the target output flow rate 103 of the fuel cell is multiplied by the feedforward gain 122 to calculate the target coolant flow rate 109. As a result, the cooling water flow rate corresponding to the heat generation amount of the fuel cell generated approximately in proportion to the fuel cell output can be circulated without delay, and the heat exchange (heat dissipation) of approximately the same amount as the heat generation amount is performed. It becomes possible to keep the temperature of the fuel cell substantially constant. As for the cooling water flow rate control, the outlet temperature of the fuel cell stack 1 is detected, and feedback control is used in combination so as to reach a certain target value. That is, this feedback control system is composed of the target temperature 104 at the outlet of the fuel cell stack, the detected value 105 by the temperature sensor 10 and the feedback gain 123, and is added and corrected to the target value of the cooling water flow rate determined from the aforementioned feedforward. The
[0019]
The cooling water flow rate target value is mainly determined by the feed forward term, and the feedback term is configured to limit the upper limit of the correction amount by the fuel cell stack outlet temperature. Thereby, it becomes possible to change the cooling water flow rate without delay with respect to the increase in fuel cell power generation amount, that is, loss. Further, instead of limiting the upper limit of the correction amount, the feedback term may be set to a small gain. Further, as an argument for feedback of the coolant flow rate, the fuel cell heat generation amount may be used instead of the fuel cell output. In this case, for example, a table for giving a calorific value with the fuel cell output as a parameter is set experimentally, and a logic for obtaining the calorific value is added with reference to this table.
[0020]
Incidentally, the water temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 or the outlet of the radiator 9 is controlled by the amount of air passing through the radiator with a certain target value. A difference between a certain inlet target temperature 101 and the detected inlet temperature 102 is multiplied by a feedback gain 121, and an air flow target value of the electric fan 8 is calculated. As a result, the outlet temperature of the radiator 9 is constantly managed according to the target value. This target value is preferably set so that the fuel cell outlet temperature is equal to or lower than the upper limit temperature of the fuel cell in a state where the maximum cooling water flow rate flows when the maximum output of the fuel cell is generated. Specifically, the temperature difference at the coolant inlet / outlet when the coolant flows at the maximum flow rate at the maximum output of the fuel cell is set to a value less than the value obtained by subtracting from the operation upper limit temperature. This makes it possible to prevent the situation where the fuel cell stack 1 exceeds the operation upper limit temperature at any fuel cell output.
[0021]
With the above configuration, the fuel cell entrance / exit temperature of the cooling water is controlled to a desired value. On the other hand, although it is the control logic of the cooling water pressure, the target pressure value 113 of the gas system is input to the means 111 for determining the change direction, and it is determined whether the pressure is increased or decreased. Note that, in a system in which the operating pressure targets of the fuel gas and the oxidizing gas are the same, the pressure target 113 may be configured to always select one of them. In a system in which the operating pressure targets of the fuel gas and the oxidizing gas are different from each other, it is desirable to select a gas pressure having a smaller target pressure. Instead of the pressure target value, the detected pressure value may be used.
[0022]
A filter 112 is inserted for the reference operating pressure target 106 that is changed according to the fuel cell output. This filter functions as a filter when it is determined that the pressure is increased according to the signal from the gas pressure change direction discriminating means 111, but does not function as a filter when it is determined that the pressure is decreased. The input reference pressure target 106 is compared with the control target value at that time, and the smaller value is output. That is, in a situation where the pressure of the gas system is increased, by inserting a filter into the reference target value of the cooling water pressure, the increase of the cooling water pressure is moderated, and in a situation where the pressure of the gas system is decreased, If the current value is maintained without inserting a filter in the cooling water pressure target, or if the reference pressure target value is lower than the current value, the cooling water pressure is quickly reduced according to the reference pressure target value. It is possible to reliably prevent the cooling water pressure from becoming higher than the pressure of the gas system. As the filter 112 having such a function, for example, the following equation (1),
ωn ² / (S ² + 2ζωnS + ωn) (1)
Ζ> 1.0
A second-order lag filter can be applied as expressed by Alternatively, a limiter that limits the rate of change may be applied. The reference refrigerant pressure target value corresponds to the output of the fuel cell and the driving load as described above, or is a reference value determined according to, for example, the vehicle speed of the fuel cell vehicle and the required driving torque.
[0023]
FIG. 3 shows an execution example of the control operation according to the present embodiment. This is because the elapsed time is plotted on the horizontal axis, and the gas pressure target value 301 is increased stepwise in order to raise the output (not shown) of the fuel cell at time t0. This is an example of rising as shown. By setting the cooling water pressure target to 303 by the effect of the second-order lag filter with respect to the step change, the actual cooling water pressure can obtain a characteristic like 304, and even in the transient state, the gas system It is possible to prevent the cooling water pressure from rising from the pressure. Reference numeral 305 denotes a target value for the coolant flow rate. Since the heat generation amount increases as the output of the fuel cell increases, it is desirable that the actual coolant flow rate 306 be raised without delay. Reference numeral 307 denotes an operating state of the pressure regulating valve 6 (see FIG. 1), and the opening degree is “large” on the vertical axis. In this case, when the actual cooling water flow rate increases, the pressure of the cooling water rises and it seems that the pressure adjustment valve 6 is slightly opened to adjust the pressure to the target.
[0024]
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. This is provided with a dead time element (waste time setting means 131) instead of the filter 112 in the first embodiment, and the magnitude of this dead time depends on the difference between the gas system pressure target value and the detected value. I am trying to change it.
[0025]
FIG. 5 shows an operation procedure of the dead time setting means 131, which is set as a program that is periodically executed in the control device composed of the microcomputer or the like. This will be explained. First, in step 201, the change direction of the gas pressure is input from the detected gas pressure value in FIG. Next, in step 202, if the change is not increasing, the pressure target value is updated to a newly input value. If the gas pressure tends to increase, a gas system pressure target value is input in step 203, and a gas system pressure detection value is input in step 204, and both are compared in step 205. Specifically, if it is determined that the detected value is smaller than the target value by a certain set value or more, it is determined that the gas system pressure is still in a transient state and the cooling water pressure is not increased. Is set as a target value (step 206). On the other hand, if the detected value can be considered to be almost the same as the target value within a certain set value range, it is determined that the pressure of the gas system is in a steady state, and in step 207, the target value of the cooling water pressure is set. Update and increase the coolant pressure.
[0026]
This embodiment is particularly useful in systems where the pressure response is slow. FIG. 6 shows an example of the control operation of this embodiment. Taking the elapsed time on the horizontal axis and increasing the fuel cell output (not shown) at time t0, the gas pressure target value 301 is increased stepwise, and the gas pressure detection value 302 is as shown in the figure. This is an example of standing up. The cooling water pressure target 303 maintains the current value until time H when the gas pressure detection value 302 becomes substantially the same as the target value 301, and updates the cooling water pressure target value in a ramp function after time t1. As a result, the actual cooling water pressure can have a characteristic as shown in 304, and it is possible to prevent the cooling water pressure from rising beyond the pressure of the gas system even during the transition. On the other hand, 305 is a target value of the cooling water flow rate. However, since the heat generation amount increases as the output of the fuel cell increases, it is desirable that the actual cooling water flow rate 306 is configured to rise without delay. Reference numeral 307 denotes the operating state of the pressure regulating valve 6, which is shown with the opening degree “large” on the vertical axis. As the actual cooling water flow rate increases, the pressure of the cooling water rises and it seems that the pressure adjustment valve 6 is slightly opened to adjust the pressure to the target.
[0027]
FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention. In this case, the size of the dead time is changed according to the change rate of the gas system pressure detection value.
[0028]
FIG. 8 shows an operation procedure of the dead time setting means 141 according to the present embodiment, which is set as a program that is periodically executed in the control device including the microcomputer described above. In this control, first, in step 221, the amount of change per time of gas from the gas pressure change amount calculating means 142 of FIG. In step 222, the change direction is discriminated, and if it does not increase, the pressure target value is set to a newly set value. If there is an increasing tendency, the pressure change amount of the gas system is compared with a certain set value in step 223, and the change amount is smaller than the set value, and the gas system pressure is almost constant. If it can be considered, the cooling water pressure target value is updated in step 224 to increase the cooling water pressure. If the amount of pressure change in the gas system is greater than a set value, it is determined that the gas system pressure is still in a transient state, and the current value is set as the target value without increasing the coolant pressure. (Step 226).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cooling system according to a first embodiment of this invention.
FIG. 2 is a block diagram of a control system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a timing chart showing an operation state of the first embodiment.
FIG. 4 is a block diagram of a control system according to a second embodiment of this invention.
FIG. 5 is a flowchart showing the control contents of the second embodiment.
FIG. 6 is a timing chart showing an operation state of the second embodiment.
FIG. 7 is a block diagram of a control system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart showing the control contents of the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Fuel gas supply system 3 Oxidation gas supply system 4 Piping 5 Cooling water pump 6 Pressure regulating valve 7 Cooling water tank 8 Radiator fan (electric fan)
9 Radiator 10 Temperature sensor 11 Temperature sensor

Claims

A gas supply device that supplies fuel gas and / or oxidant gas to the fuel cell stack, a cooling device that circulates refrigerant between the fuel cell stack and the heat dissipation device, and a cooling device based on the gas supply pressure by the gas supply device And a control device for controlling the refrigerant supply pressure of
The control device includes a filter that moderates a change in the target value of the refrigerant supply pressure when the gas supply pressure changes in an equilibrium state or increases, and a reference refrigerant pressure target when the gas supply pressure changes in a decrease direction. A fuel cell cooling control device configured to compare a value with a control target value of refrigerant pressure and set a smaller value as a target value.

The fuel cell cooling control device according to claim 1, wherein the filter includes a delay element.

The fuel filter cooling control device according to claim 1, wherein the filter includes a limiter that limits a rate of change of the target value.

When the gas pressure increases, the filter is configured to update the target value of the refrigerant pressure after determining that the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas has substantially reached the target pressure. The fuel cell cooling control apparatus according to claim 1.

The cooling device feeds forward the coolant supply flow rate to the fuel cell stack according to the power generation output of the fuel cell stack, and performs feedback correction according to the coolant temperature at the outlet end of the fuel cell stack, 5. The fuel cell cooling control device according to claim 1, wherein the cooling control device for the fuel cell is configured to perform feedback control of a heat radiation amount in the heat radiation device in accordance with a refrigerant temperature at an inlet end of the fuel cell stack.

The radiator includes a radiator in which refrigerant circulates and an electric fan that supplies forced cooling air to the radiator, and the cooling control device is configured to control a heat radiation amount according to an air amount supplied to the radiator. The fuel cell cooling control device according to any one of claims 1 to 5.