JP5162091B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、冷媒を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池システムに係り、特に外気温に応じて燃料電池システム停止時の冷媒温度を上昇させる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that circulates a refrigerant to cool a fuel cell, and more particularly to a fuel cell system that raises the refrigerant temperature when the fuel cell system is stopped according to the outside air temperature.
近年の環境問題、特に自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源あるいは動力源として、燃料電池技術が注目されている。 Fuel cell technology is attracting attention as a power source or power source that enables clean exhaust and high energy efficiency against recent environmental problems, especially air pollution caused by automobile exhaust and global warming caused by carbon dioxide. ing.
燃料電池は、その燃料となる水素あるいは水素濃度の高いガスと、酸化剤となる酸素あるいは酸素を含んだ空気とを、電解質膜と電極触媒の複合体であるスタックに供給し、電気化学反応を起こして化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。 A fuel cell supplies hydrogen or a gas with a high hydrogen concentration as fuel and oxygen or oxygen-containing air as an oxidant to a stack that is a composite of an electrolyte membrane and an electrode catalyst, and performs an electrochemical reaction. It is an energy conversion system that wakes up and converts chemical energy into electrical energy.
このような燃料電池システムの中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池は、スタック温度が85℃以下になるように制御することが一般的であるため、ラジエータ等の熱交換器と水循環ポンプとを含む水循環系と燃料電池とを配管で接続し、冷却水を用いて冷却することが多い。 Among such fuel cell systems, a solid polymer electrolyte fuel cell having a particularly high power density is generally controlled so that the stack temperature is 85 ° C. or lower. Therefore, a heat exchanger such as a radiator and the like In many cases, a water circulation system including a water circulation pump and a fuel cell are connected by a pipe and cooled with cooling water.
ところが、このような水循環系を備えた燃料電池システムを寒冷地の屋外等の低温環境下に設置した場合、一定時間以上運転しないと、燃料電池内及び水循環系内の水が凍結して運転不能になったり、水が凍結する際の膨張圧によってシステムが破損する恐れがある。 However, when a fuel cell system equipped with such a water circulation system is installed in a low-temperature environment such as outdoors in a cold region, if the fuel cell system is not operated for a certain period of time, the water in the fuel cell and the water circulation system will freeze and become inoperable. Or the expansion pressure when water freezes can damage the system.
そこで、従来では外気温が低下すると燃料電池を起動させて熱を発生させ、凍結を防止するような制御が行なわれており、このような燃料電池システムの従来例として、例えば特開平11−214025号公報(特許文献1)が開示されている。 Therefore, conventionally, when the outside air temperature decreases, the fuel cell is started to generate heat and control to prevent freezing is performed. As a conventional example of such a fuel cell system, for example, JP-A-11-214025 No. 1 (Patent Document 1) is disclosed.
この従来例では、操作盤からの運転モード切替信号によって凍結防止モードが設定され、この凍結防止モードの設定時には温度センサからの検出信号によって装置外部の気温が所定のしきい値以下であると判断されると、燃料電池の駆動及び停止を制御して燃料電池から外気温に対応する熱量を発生させるように制御していた。そして、燃料電池で発生した熱は、燃料電池とメインタンクとの間を循環する水へ移動し、外気温が0℃以下であっても循環する水を高温に維持して凍結を防止していた。
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、外気温が低下した場合に燃料電池を起動することによって凍結を防止しているので、燃料の消費量が増大してしまうという問題点があった。 However, the above-described conventional fuel cell system has a problem in that the amount of fuel consumption increases because the freezing is prevented by starting the fuel cell when the outside air temperature decreases.
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷媒を前記燃料電池との間で循環させつつ、当該冷媒の温度の制御目標値である目標温度に従って前記冷媒を冷却する冷却系と、外気温を検出する外気温検出手段と、前記燃料電池および前記冷却系を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、発電動作中の前記燃料電池の冷却要求に応じて設定され、燃料電池の特性を考慮して燃料電池が効率的な発電動作を行うことができる温度である基準目標温度に従って前記冷媒の温度制御を実施している際に、前記外気温検出手段によって検出された外気温が低温状態を判定する所定温度よりも小さいときには、当該外気温に基づいて冷媒の目標温度を前記基準目標温度よりも上昇させる昇温制御を実施することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, and a refrigerant for cooling the fuel cell. A cooling system that cools the refrigerant according to a target temperature that is a control target value of the temperature of the refrigerant while circulating between the battery, an outside air temperature detecting means that detects an outside air temperature, the fuel cell, and the cooling system. And a control means for controlling the fuel cell system, wherein the control means is set according to a cooling request of the fuel cell during a power generation operation, and the fuel cell is efficient in consideration of characteristics of the fuel cell. when you are performing the temperature control of the coolant in accordance with the reference target temperature is a temperature at which it is possible to perform the power generation operation, the outside temperature is predetermined temperature determines the low temperature state detected by the outside air temperature detection means Even when small, characterized in that the target temperature of the refrigerant performing the Atsushi Nobori control for raising than the reference target temperature based on the outside air temperature.
本発明に係る燃料電池システムでは、外気温が所定温度以下だったときに外気温に基づいて冷媒の目標温度を、燃料電池の特性を考慮して燃料電池が効率的な発電動作を行うことができる温度である基準目標温度よりも上昇させる昇温制御を実施するようにしたので、低温状態での車両停止時に、冷媒循環系統の温度を高く維持することができ、停止後の保温時間を通常時よりも長く延ばすことができる。これによって、燃料電池の起動及び停止を極力行なうことなく、燃料電池の凍結を防止することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, when the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined temperature , the fuel cell can perform an efficient power generation operation in consideration of the target temperature of the refrigerant based on the outside air temperature and the characteristics of the fuel cell. it since as than the reference target temperature which is a temperature for implementing the Ru Atsushi Nobori control is increased, when the vehicle is stopped in a low temperature state, it is possible to maintain a high temperature of the coolant circulation system, the incubation time after stopping It can be extended longer than usual. As a result, the fuel cell can be prevented from freezing without starting and stopping the fuel cell as much as possible.
以下、本発明に係わる燃料電池システムの実施例を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
以下、本発明の実施例1を図面に基づいて説明する。図1は実施例1に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
図1に示すように、本実施例の燃料電池システム1は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック2と、燃料電池システム1を制御する制御装置3と、燃料電池スタック2を冷却するための冷媒を循環させる冷媒配管4と、冷媒配管4内の冷媒を循環させる冷媒ポンプ5と、冷媒を放熱するラジエータ6と、ラジエータ6に冷却風を送風するラジエータファン7と、循環する冷媒を貯留する冷媒タンク8と、ラジエータ6をバイパスさせるバイパス配管9と、バイパス配管9へ流路を切り替える三方弁10と、燃料電池スタック2へ流入する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ11と、外気温を検出する外気温センサ12とを備えている。
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 according to this embodiment includes a
上述した燃料電池システム1において、燃料電池スタック2ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
In the fuel cell system 1 described above, in the
アノード(陽極):H2→2H++2e- (1)
カソード(陰極):2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)
そして、燃料電池スタック2に水素を供給する水素供給系では、図示しない水素タンクから減圧弁や水素供給弁などを通じて燃料電池スタック2のアノードに水素ガスが供給されている。
Anode (anode): H2 → 2H ++ 2e- (1)
Cathode (Cathode): 2H ++ 2e-+ (1/2) O2 → H2O (2)
In the hydrogen supply system for supplying hydrogen to the
一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、図示しないコンプレッサによって外部から吸入された空気が加圧され、燃料電池スタック2のカソードに供給されている。
On the other hand, in an air supply system that supplies air that is an oxidant gas, air sucked from the outside is pressurized by a compressor (not shown) and supplied to the cathode of the
また、燃料電池スタック2を冷却するための冷却系では、燃料電池スタック2の内部冷媒通路、冷媒配管4、ラジエータ6、及び冷媒タンク8の内部に冷媒が充填されている。そして、冷媒ポンプ5によってこれらの間を冷媒が循環して燃料電池スタック2を冷媒により冷却するとともに、冷媒の熱をラジエータ6でラジエータファン7からの冷却風によって外部へ放熱するように構成されている。また、三方弁10を切り替えることによってバイパス配管9側へ流路を切り替えて冷媒がラジエータ6をバイパスするようにしている。さらに、冷媒タンク8では冷媒を貯留するとともに冷媒の気液分離が行なわれている。
In the cooling system for cooling the
制御装置3は、図示しない各種センサで検出された測定値や冷媒温度センサ11、外気温センサ12で検出された各温度に基づいて、冷媒ポンプ5の回転数や燃料電池スタック2の発電量、ラジエータファン7の回転数、三方弁10の切り替えをそれぞれ制御している。この制御装置3は、CPU、ROM、RAMなどを備えたマイクロコンピュータにより構成されている。
Based on the measured values detected by various sensors (not shown), the
次に、本実施例の燃料電池システム1による冷媒の温度制御処理を図2のフローチャートに基づいて説明する。ここで、図2のフローチャートに示す温度制御処理は、制御装置3により実行される主制御処理から一定時間(例えば、0.05sec)毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。 Next, refrigerant temperature control processing by the fuel cell system 1 of the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG. Here, the temperature control process shown in the flowchart of FIG. 2 is configured as a subroutine called from the main control process executed by the control device 3 every predetermined time (for example, 0.05 sec).
実施例1に係わる冷媒の温度制御処理がスタートすると、制御装置3は外気温センサ12で外気温T1を検出し(S201)、検出した外気温T1を内部のメモリに一時的に保存する。そして、外気温T1が予め設定された目標温度変更開始温度Tlowよりも低いか否かを判定する(S202)。この目標温度変更開始温度Tlowは、燃料電池スタック2が凍結する可能性のある低温状態を判定するための値である。
When the refrigerant temperature control process according to the first embodiment is started, the control device 3 detects the outside air temperature T1 with the outside air temperature sensor 12 (S201), and temporarily stores the detected outside air temperature T1 in the internal memory. Then, it is determined whether or not the outside air temperature T1 is lower than a preset target temperature change start temperature Tlow (S202). This target temperature change start temperature Tlow is a value for determining a low temperature state in which the
そして、外気温T1が目標温度変更開始温度Tlow以上であった場合には、冷媒の目標温度Ttargetを通常時における冷媒の目標温度、すなわち、発電動作中の燃料電池スタック2の冷却要求に応じて設定されている基準目標温度Tnormalに設定し(S203)リターンへ進んで、本実施例の燃料電池システム1による冷媒の温度制御処理を終了する。基準目標温度Tnormalは、燃料電池スタック2の特性を考慮して、燃料電池スタック2が効率的な発電動作を行うことができる温度状態に設定されており、例えば、実験やシミュレーションを通じて予め取得された固定値を用いることができる。
When the outside air temperature T1 is equal to or higher than the target temperature change start temperature Tlow, the target temperature Ttarget of the refrigerant is set according to the target temperature of the refrigerant at the normal time, that is, according to the cooling request of the
一方、ステップS202において外気温T1が目標温度変更開始温度Tlowよりも低かった場合、制御装置3は内部のメモリに記憶しているテーブルを参照して外気温T1から冷媒の温度上昇幅ΔTを算出する(S204)。 On the other hand, when the outside air temperature T1 is lower than the target temperature change start temperature Tlow in step S202, the control device 3 refers to a table stored in the internal memory to calculate the refrigerant temperature rise ΔT from the outside air temperature T1. (S204).
ここで、冷媒の温度上昇幅ΔTの算出方法について説明する。制御装置3のメモリには、図3に示すように外気温T1から温度上昇幅ΔTを算出するためのテーブルが予めデータとして記憶されており、このテーブルに基づいて外気温T1から温度上昇幅ΔTを算出する。同図に示す例では、温度上昇幅ΔTと外気温T1とは、外気温T1が低下する程、温度上昇幅ΔTが増加するような線形関係となっている。このテーブルにより、温度上昇幅ΔTは、目標温度変更開始温度Tlowと外気温T1との差分(Tlow−T1)に応じた値として算出され、この算出された値が温度上昇幅ΔTの暫定的な値として決定される。 Here, a calculation method of the temperature rise width ΔT of the refrigerant will be described. In the memory of the control device 3, as shown in FIG. 3, a table for calculating the temperature rise ΔT from the outside air temperature T1 is stored in advance as data, and the temperature rise width ΔT from the outside air temperature T1 based on this table. Is calculated. In the example shown in the figure, the temperature rise width ΔT and the outside air temperature T1 have a linear relationship such that the temperature rise width ΔT increases as the outside air temperature T1 decreases. From this table, the temperature rise ΔT is calculated as a value corresponding to the difference (Tlow−T1) between the target temperature change start temperature Tlow and the outside air temperature T1, and this calculated value is a provisional value of the temperature rise ΔT. Determined as a value.
また、このとき図4に示すテーブルを参照して燃料電池スタック2の発電量から燃料電池スタック2の許容限界温度を求めるとともに、暫定的に決定されている温度上昇幅ΔTを通常時における冷媒の目標温度(基準目標温度)Tnormalに加算することによって冷媒の目標温度(暫定値)が算出される。そして、この目標温度の暫定値が許容限界温度以下となるように温度上昇幅ΔTが制限され、これにより、温度上昇幅ΔTの値が最終的に決定される。この図4に示すテーブルは、搭載している燃料電池スタック2の発電量と許容限界温度との関係を示すテーブルであり、予めデータとして記憶されている。
Further, at this time, the allowable limit temperature of the
こうしてステップS204において温度上昇幅ΔTが算出されると、次に冷媒の目標温度Ttargetを基準目標温度Ttargetと温度上昇幅ΔTとの加算値(Ttarget+ΔT)に変更し(S205)、冷媒の目標温度Ttargetを基準目標温度Tnormalよりも上昇させる昇温制御を実施する(S206)。これにより、変更された目標温度Ttargetへと冷媒の温度が変更させられる。ここでは、ラジエータファン7や冷媒ポンプ5の回転数を低下させたり、三方弁10をバイパス配管9側に切り替えたりする制御が実施される。
When the temperature rise width ΔT is calculated in step S204 in this way, the refrigerant target temperature Ttarget is then changed to the added value (Ttarget + ΔT) of the reference target temperature Ttarget and the temperature rise width ΔT (S205), and the refrigerant target temperature Ttarget is obtained. Is performed to raise the temperature above the reference target temperature Tnormal (S206). Thereby, the temperature of the refrigerant is changed to the changed target temperature Ttarget. Here, control for reducing the rotational speed of the radiator fan 7 and the
こうして昇温制御が実施されたら、リターンへ進んで本実施例の燃料電池システム1による冷媒の温度制御処理を終了する。 When the temperature raising control is thus performed, the process proceeds to return, and the refrigerant temperature control process by the fuel cell system 1 of the present embodiment is finished.
このように、本実施例の燃料電池システム1では、車両運転中に外気温T1が目標温度変更開始温度Tlowよりも小さいときには外気温T1に基づいて冷媒の目標温度Ttargetを基準目標温度Tnormalよりも上昇させる昇温制御を実施し、冷媒の温度が上昇するようにした。そのため、車両停止時の冷媒循環系統の温度を通常の停止時のそれよりも高く維持することができ、停止後の保温時間を通常時よりも長く延ばすことができる。これによって、燃料電池スタック2の起動及び停止を極力行なうことなく、燃料電池スタック2の凍結を防止することができる。
Thus, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, when the outside air temperature T1 is smaller than the target temperature change start temperature Tlow during vehicle operation, the refrigerant target temperature Ttarget is set to be lower than the reference target temperature Tnormal based on the outside air temperature T1. The temperature rise control to raise was implemented so that the temperature of the refrigerant would rise. Therefore, the temperature of the refrigerant circulation system when the vehicle is stopped can be maintained higher than that during normal stop, and the heat retention time after stop can be extended longer than normal. As a result, the
ちなみに、定置用の燃料電池では監視に用いるセンサ類の電力を外部電源から容易に得ることができるが、車両等の移動体に設置された燃料電池では2次電池に蓄えられる電力は限られているため、監視のために必要な電力を充電するために燃料電池を起動しなければならない場合もある。このため、従来の燃料電池システムでは、無意味に燃料電池の起動及び停止を繰り返して燃料電池を劣化させてしまうという問題点があった。しかしながら、本実施例の燃料電池システム1では、燃料電池スタック2の起動及び停止を極力少なくすることができるので、燃料電池の劣化を抑えることができる。
Incidentally, in a stationary fuel cell, the power of sensors used for monitoring can be easily obtained from an external power source, but in a fuel cell installed in a moving body such as a vehicle, the power stored in the secondary battery is limited. Therefore, it may be necessary to start the fuel cell to charge the power required for monitoring. For this reason, the conventional fuel cell system has a problem that the fuel cell is deteriorated by meaninglessly repeating the start and stop of the fuel cell. However, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, since the start and stop of the
また、本実施例の燃料電池システム1では、目標温度変更開始温度Tlowと外気温T1との差分に応じて冷媒の温度上昇幅ΔTを決定し、この温度上昇幅ΔTを通常時の目標温度(基準目標温度)Tnormalに加算することによって冷媒の目標温度Ttargetを算出するようにしたので、外気温に応じて正確に冷媒の目標温度Ttargetを算出することができる。 Further, in the fuel cell system 1 of this embodiment, the temperature rise width ΔT of the refrigerant is determined according to the difference between the target temperature change start temperature Tlow and the outside air temperature T1, and this temperature rise width ΔT is determined as the normal target temperature ( Since the refrigerant target temperature Ttarget is calculated by adding to the reference target temperature Tnormal, the refrigerant target temperature Ttarget can be accurately calculated according to the outside air temperature.
さらに、本実施例の燃料電池システム1では、燃料電池スタック2の発電量に基づいて燃料電池スタック2の許容限界温度を決定し、目標温度Ttargetがこの許容限界温度以下となるように制限するようにしたので、燃料電池スタック2の温度が許容限界温度を超えることによって燃料電池スタック2が劣化することを防止できる。
Furthermore, in the fuel cell system 1 of this embodiment, the allowable limit temperature of the
次に、本発明の実施例2を図5に基づいて説明する。図5は、実施例2の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図5に示すように、本実施例の燃料電池システム51は、昇温制御を実施するか否かを選択する保温スイッチ(選択手段)52をさらに備えたことが実施例1と異なっており、その他の構成は実施例1と同一なので、詳しい説明は省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 5, the
続いて、本実施例の燃料電池システム51による冷媒の温度制御処理を図6のフローチャートに基づいて説明する。ここで、図6のフローチャートに示す温度制御処理は、制御装置3により実行される主制御処理から一定時間(例えば、0.05sec)毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。
Subsequently, the refrigerant temperature control processing by the
実施例2に係わる冷媒の温度制御処理がスタートすると、制御装置3は外気温センサ12で外気温T1を検出し(S301)、検出した外気温T1を内部のメモリに一時的に保存する。そして、外気温T1が予め設定された目標温度変更開始温度Tlowよりも低く、尚且つ保温スイッチ52がONになっているか否かを判定する(S302)。ここで、目標温度変更開始温度Tlowは、燃料電池スタック2が凍結する可能性のある低温状態を判定するための値である。
When the refrigerant temperature control process according to the second embodiment starts, the control device 3 detects the outside air temperature T1 with the outside air temperature sensor 12 (S301), and temporarily stores the detected outside air temperature T1 in the internal memory. Then, it is determined whether or not the outside air temperature T1 is lower than the preset target temperature change start temperature Tlow and the
そして、保温スイッチ52がON、OFFにかかわらず外気温T1が目標温度変更開始温度Tlow以上であった場合、或いは、外気温T1が目標温度変更開始温度Tlowよりも小さい状態でも保温スイッチ52がOFFであった場合には、冷媒の目標温度Ttargetを通常時における冷媒の目標温度(基準目標温度)Tnormalに設定し、さらに燃料電池スタック2の出力変更時の応答速度(出力/時間)である出力応答速度Vaccを通常制御時の出力応答速度Vnormalに設定し(S303)、リターンへ進んで本実施例の燃料電池システム51による冷媒の温度制御処理を終了する。
Then, regardless of whether the
一方、ステップS302において外気温T1が目標温度変更開始温度Tlowよりも低く、尚且つ保温スイッチ52がONになっている場合、制御装置3は内部のメモリに記憶しているテーブルを参照して外気温T1から冷媒の温度上昇幅ΔTを算出する。ここで、冷媒の温度上昇幅ΔTの算出方法は実施例1と同じであり、図3に示すテーブルに基づいて外気温T1から温度上昇幅ΔTを算出する。また実施例1と同様に、このときに図4に示すテーブルに基づいて燃料電池スタック2の発電量から燃料電池スタック2の許容限界温度を求め、冷媒の目標温度が許容限界温度以下となるように温度上昇幅ΔTを制限する。
On the other hand, if the outside air temperature T1 is lower than the target temperature change start temperature Tlow in step S302 and the
こうしてステップS304において温度上昇幅ΔTが算出されると、次に冷媒の目標温度TtargetをTnormal+ΔTに変更し(S305)、続いて燃料電池スタック2の出力応答速度Vaccを、通常制御時の出力応答速度Vnormalよりも小さい値Vlowに設定する(S306)。ここで、燃料電池スタック2の出力応答速度の変化を図7に基づいて説明する。図7に示すように、出力応答速度Vaccを通常制御時のVnormalからVlowまで低下させることによって、燃料電池スタック2の出力が急激に上昇することを抑えている。ただし、出力応答速度Vaccの低下幅は、通常制御時の出力応答速度Vnormalによる燃料電池スタック2の温度上昇に伴う冷媒の温度が、実験あるいは計算によって予め求められている燃料電池スタック2の許容限界温度を超えないように設定する。
When the temperature rise width ΔT is calculated in step S304 in this way, the refrigerant target temperature Ttarget is then changed to Tnormal + ΔT (S305), and then the output response speed Vacc of the
そして、冷媒の目標温度Ttargetを基準目標温度Tnormalよりも上昇させる昇温制御を実施する(S307)。これにより、変更された目標温度Ttargetへと冷媒の温度が変更させられる。この昇温制御としては、ラジエータファン7や冷媒ポンプ5の回転数を低下させたり、三方弁10をバイパス配管9側に切り替えたりする制御が実施される。
Then, temperature increase control is performed to raise the target temperature Ttarget of the refrigerant above the reference target temperature Tnormal (S307). Thereby, the temperature of the refrigerant is changed to the changed target temperature Ttarget. As the temperature increase control, control is performed such as reducing the rotational speed of the radiator fan 7 or the
この昇温制御が実施されたら、リターンへ進んで本実施例の燃料電池システム51による冷媒の温度制御処理を終了する。
When this temperature increase control is performed, the process proceeds to return, and the refrigerant temperature control process by the
このように、本実施例の燃料電池システム51では、昇温制御を実施するか否かを選択する保温スイッチ52を備え、この保温スイッチ52によって昇温制御の実施が選択されているときにのみ昇温制御を実施するようにしたので、燃料電池システム51の状況に応じて昇温制御を実施するか否かを選択することができ、昇温制御が必要ない場合に無駄な電力を消費することを防止できる。また、燃料電池スタック2の出力応答速度を低下させたくない場合には、保温スイッチ52をOFFしておくことにより出力応答速度を低下させることなく運転することができる。さらに、燃料電池システム51を停止させる直前などの昇温制御が必要なときにのみ保温スイッチ52をONすることにより、必要なときにのみ昇温制御を実施することができる。
As described above, the
また、本実施例の燃料電池システム51では、昇温制御を実施するときには燃料電池スタック2の出力応答速度Vaccを通常制御時の出力応答速度Vnormal、すなわち、昇温制御を実施しない時の燃料電池の出力応答速度よりも低下させるようにしたので、過渡応答時に燃料電池スタック2の発熱によってスタック温度(冷媒温度)がオーバーシュートして許容限界温度を超えてしまうことを防止できる。また、過渡応答時のオーバーシュートを考慮して温度上昇幅ΔTを決めるためのテーブルを別に作る必要がなく、より高い温度まで冷媒の目標温度を上昇させることができる。
In the
次に、本発明の実施例3を図8に基づいて説明する。図8は、実施例3の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図8に示すように、本実施例の燃料電池システム81は、燃料電池スタック2で発電された電力を使用する負荷機器82と、電力を蓄える2次電池83とをさらに備えたことが実施例1と異なっており、その他の構成は実施例1と同一なので、詳しい説明は省略する。
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment. As shown in FIG. 8, the
図8に示す2次電池83は、燃料電池スタック2で発電された余剰電力を充電し、燃料電池スタック2の過渡応答時の応答遅れを補完している。また、燃料電池スタック2の起動及び停止時における電力供給にも使用されている。
The
次に、本実施例の燃料電池システム81による冷媒の温度制御処理を図9のフローチャートに基づいて説明する。ここで、図9のフローチャートに示す温度制御処理は、制御装置3により実行される主制御処理から一定時間(例えば、0.05sec)毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。
Next, the refrigerant temperature control processing by the
実施例3に係わる冷媒の温度制御処理がスタートすると、制御装置3は上述した実施例1で説明した冷媒の目標温度を変更する制御を実施しているか否かを判定し(S401)、実施している場合には次に燃料電池スタック2が過渡応答中であるか否か判定する(S402)。
When the refrigerant temperature control process according to the third embodiment is started, the control device 3 determines whether or not the control for changing the target temperature of the refrigerant described in the first embodiment is performed (S401). If so, it is next determined whether or not the
ここで、過渡応答であるか否かの判定方法としては一般的な方法を用いることができる。例えば、前回の制御装置3への要求電力を制御装置3に予め記憶させておき、前回の要求電力に対して今回の要求電力が増加した場合に過渡応答であると判定するようにする。 Here, a general method can be used as a method of determining whether or not the response is a transient response. For example, the previous request power to the control device 3 is stored in the control device 3 in advance, and when the current request power increases with respect to the previous request power, it is determined that the response is a transient response.
そして、ステップS401において冷媒の目標温度を変更する制御を実施していないと判定された場合と、ステップS402において燃料電池スタック2が過渡応答中ではないと判定された場合には、2次電池83から負荷機器82に補充的に供給される過渡応答時の電力量Paccを通常時の電力量Pnormalに設定して(S430)リターンへ進み、本実施例の燃料電池システム81による冷媒の温度制御処理を終了する。
If it is determined in step S401 that the control for changing the target temperature of the refrigerant is not performed, and if it is determined in step S402 that the
一方、ステップS402において燃料電池スタック2が過渡応答中であると判定された場合には、2次電池83から負荷機器82に供給される過渡応答時の電力量を、通常時の電力量Pnormalよりも大きな電力量Plowに設定する(S404)。
On the other hand, when it is determined in step S402 that the
ここで、過渡応答時における燃料電池スタック2の出力変化と2次電池83の出力変化を図10に基づいて説明する。図10に示すように、過渡応答時には、2次電池83からは通常時よりも多くの電力が出力されて負荷機器82へ供給され、これにより、燃料電池スタック2からは通常時よりも少ない電力が出力されて、負荷機器82へ供給されている。したがって、燃料電池スタック2の過渡応答時には、燃料電池スタック2よりも2次電池83から所定時間優先して負荷機器82へ電力が供給されることになる。
Here, the output change of the
そして、この電力供給時間を決めるタイマーtの値をt+1に設定し(S405)、このタイマーtの値が電力供給時間t1以下であるか否かを判定する(S406)。ここで、この電力供給時間t1は、予め実験あるいは計算によって求められた過渡応答時間に基づいて設定しておくようにする。 Then, the value of the timer t for determining the power supply time is set to t + 1 (S405), and it is determined whether or not the value of the timer t is equal to or less than the power supply time t1 (S406). Here, the power supply time t1 is set based on a transient response time obtained in advance by experiment or calculation.
そして、タイマーtの値が電力供給時間t1より小さいときにはリターンへ進んで本実施例の燃料電池システム81による冷媒の温度制御処理を終了し、タイマーtの値が電力供給時間t1以上のときには2次電池83から負荷機器82へ供給される過渡応答時の電力量Paccを通常時の電力量Pnormalに設定してから(S403)リターンへ進み、本実施例の燃料電池システム81による冷媒の温度制御処理を終了する。
When the value of the timer t is smaller than the power supply time t1, the routine proceeds to return, and the temperature control process for the refrigerant by the
このように、本実施例の燃料電池システム81では、電力を蓄える2次電池83を備え、昇温制御が実施されているときに燃料電池スタック2が過渡応答になった場合には所定時間優先して2次電池83から負荷機器82へ電力を供給するようにしたので、過渡応答時に燃料電池スタック2の出力を減らすことができ、これによって燃料電池スタック2の発熱によりスタック温度(冷媒温度)がオーバーシュートして、許容限界温度を超えてしまうことを防止できる。また、燃料電池スタック2の発熱量を抑えることができるので、過渡応答時のオーバーシュートを考慮したテーブルを作る必要がなくなり、より高い温度まで冷媒の目標温度を上昇させることができる。
As described above, the
また、本実施例の燃料電池システム81では、電力供給時間を予め実験あるいは計算によって求められた過渡応答時間に基づいて設定するようにしたので、過渡応答時に必要となる時間だけ2次電池83から負荷機器82へ電力を供給することができる。
Further, in the
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 Although the fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.
1、51、81 燃料電池システム
2 燃料電池スタック
3 制御装置
4 冷媒配管
5 冷媒ポンプ
6 ラジエータ
7 ラジエータファン
8 冷媒タンク
9 バイパス配管
10 三方弁
11 冷媒温度センサ
12 外気温センサ
52 保温スイッチ
82 負荷機器
83 2次電池
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記制御手段は、発電動作中の前記燃料電池の冷却要求に応じて設定され、前記燃料電池の特性を考慮して前記燃料電池が効率的な発電動作を行うことができる温度である基準目標温度に従って前記冷媒の温度制御を実施している際に、前記外気温検出手段によって検出された外気温が低温状態を判定する所定温度よりも小さいときには、当該外気温に基づいて冷媒の目標温度を前記基準目標温度よりも上昇させる昇温制御を実施することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electric power by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, and a coolant control target value for circulating the coolant for cooling the fuel cell between the fuel cell and the fuel cell A fuel cell system comprising a cooling system that cools the refrigerant according to a target temperature that is, an outside air temperature detecting means that detects an outside air temperature, and a control means that controls the fuel cell and the cooling system,
The control means is set according to a request for cooling the fuel cell during a power generation operation, and is a reference target temperature that is a temperature at which the fuel cell can perform an efficient power generation operation in consideration of the characteristics of the fuel cell. When the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means is smaller than a predetermined temperature for determining the low temperature state, the target temperature of the refrigerant is set based on the outside air temperature. A fuel cell system that performs temperature rise control for raising the temperature from a reference target temperature.
前記制御手段は、前記選択手段によって前記昇温制御の実施が選択されているときに前記昇温制御を実施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1項に記載の燃料電池システム。 A selection means for selecting whether or not to perform the temperature increase control;
4. The fuel according to claim 1, wherein the control unit performs the temperature increase control when the selection unit selects execution of the temperature increase control. 5. Battery system.
電力を蓄える2次電池とをさらに備え、
前記制御手段は、前記昇温制御が実施されているときに前記燃料電池が過渡応答になった場合には、前記燃料電池よりも前記2次電池から所定時間優先して前記負荷機器へ電力を供給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1項に記載の燃料電池システム。 Load equipment using the power generated by the fuel cell;
A secondary battery for storing electric power,
When the fuel cell becomes a transient response when the temperature increase control is being performed, the control means gives power to the load device with priority over the secondary battery for a predetermined time over the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell system is supplied.
The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined time is set based on a transient response time obtained in advance by experiment or calculation.
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