JP5239113B2

JP5239113B2 - 燃料電池の温度推定装置および燃料電池システム制御装置

Info

Publication number: JP5239113B2
Application number: JP2005124754A
Authority: JP
Inventors: 努山崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: JP2006302739A

Description

本発明は、燃料電池に冷却水として循環する水分の温度から燃料電池の温度を推定する温度推定装置と、その推定温度に応じて水分の解凍判断を行う燃料電池システム制御装置に関するものである。

従来、燃料電池セルの温度に応じて燃料電池に供給する空気を加熱することで、燃料電池を加熱するものが知られている。これによれば、燃料電池に供給する空気で暖機することができるため、装置を小型化できると共に、システム始動時の燃料電池の発電効率を向上させ、または氷点下等での低温起動時に装置内で生成された氷を解凍する暖機時間を短縮することを達成している。（例えば、特許文献１、参照。）
特開２００２−０３９４４５号公報

上記従来の燃料電池が排出する空気の温度を前記燃料電池の温度と推定する方法や、前記燃料電池に供給する空気の温度から燃料電池の温度を推定する方法では、車両等に搭載する燃料電池においては、燃料電池の温度を推定する空気等の温度を検出する部分によって、温度変化の速度が異なるため、正確に燃料電池の温度を推定することが困難であり、推定温度の信頼性が得られないという問題があった。

そこで本発明は、温度変化の速度が異なる燃料電池が排出する冷却水の温度等を用いて前記燃料電池の温度推定する場合でも、燃料電池の温度を正確に推定することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の温度推定装置では、燃料電池に水分を循環させる循環通路と、燃料電池が排出した水分を冷却する冷却手段とを備える燃料電池を前提として、燃料電池出口の水分温度を検出する第１の温度検出手段と、前記冷却手段入口の水分温度を検出する第２の温度検出手段と、外気温度を検出する第３の温度検出手段とを備え、
前記燃料電池の熱容量、熱伝達率、及び放熱面積と、前記第１から第３の温度検出手段で検出した温度と、前記燃料電池の熱容量、熱伝達率、及び放熱面積並びに前記第１から第３の温度検出手段で検出した温度から推定するシステム停止後の経過時間と、に基づいて前記燃料電池の起動開始時の温度を推定することを特徴とする。

本発明によると、燃料電池を冷却する水分の温度等から推定した燃料電池の温度から、燃料電池を起動する際に、前記燃料電池の暖機が必要か否か判断することができる。また、これにより燃料電池の低温起動を効率よく行うことができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池システムの制御装置の概略構成を図１に示す。本実施形態において、反応ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１を備え、反応ガスとしては水素含有ガスを、酸化剤ガスとしては空気等の酸素含有ガスを用いる。なお、反応ガスはこの限りではなく、例えば改質装置により改質された水素含有ガス等を用いることもできる。

燃料電池１の運転を開始すると、燃料電池１は発電反応によりその温度が上昇するため、燃料電池１を冷却するように、燃料電池１が排出した冷却水を再度燃料電池１に還流する冷却水流路３７を備え、さらに冷却水が循環するようにポンプ２を設ける。

氷点下におけるシステム起動時等の際、冷却水が冷却水流路３７で凍結し、冷却水の循環が困難となるので、冷却水を解凍するヒータ１１を燃料電池１の下流でポンプ２の上流に設置し、その下流に燃料電池１の発電反応により加熱された冷却水を冷却するラジエータ３を備える。

ラジエータ３を迂回するようにバイパス通路４２を設け、冷却水流路３７からバイパス通路４２へ分岐する部分には冷却水の流路を冷却水流路３７またはバイパス通路４２の何れか一方に切り替える三方弁４を設置する。

本システム外部の温度（例えば外気温度）を検出する温度センサ３２を備え、燃料電池１が排出した冷却水の温度を検出するように燃料電池１の下流でヒータ１１の上流に温度センサ３０を備え、ラジエータ３に供給する冷却水の温度を検出するように、温度センサ３３をポンプ２の下流でラジエータ３の上流に設置する。バイパス通路４２の冷却水の温度を検出するためバイパス通路４２に温度センサ３１を設置する。

氷点下での燃料電池システムの起動においては、冷却水流路３７の冷却水が凍結している可能性があるため、ヒータ１１により冷却水の加熱または解凍の判断が必要である。一方、氷点を超える温度域での燃料電池システムの起動においては、冷却水流路３７の冷却水が凍結せず冷却水は円滑に流通しているので、ヒータ１１により加熱する必要がない。そこで、温度センサ３２で検出した本システムの外部の温度が氷点下の際、冷却水流路３７に上述した温度センサ３０，３１および３３から得た検出値に基づき、冷却水を加熱する必要があるか否かの判断を行う。

燃料電池システムの外部の温度が低く、燃料電池１が排出した冷却水が冷却水流路３７を循環し再度燃料電池１に供給される間に、冷却水が放熱によって冷やされ、燃料電池１を十分冷却できる程度に冷却水の温度が低いときは、燃料電池１が排出した冷却水がラジエータ３を迂回するように、三方弁４の開度を調節し冷却水がバイパス通路４２を循環するようにする。

次に、燃料電池システム起動開始時の温度からは測定が困難な燃料電池１の温度の推定方法について説明する。

燃料電池１に発熱がなく、外気により冷却される際に、燃料電池１内部の温度分布を考慮しない場合には燃料電池１の放熱量の式（１）が成立する。式（１）の微分方程式を解くことにより、式（２）が導出される。

ここで、Ｃは燃料電池１の熱容量、Ｔは燃料電池１の温度、Ｈは燃料電池１の熱伝達率、Ａは燃料電池１の放熱面積、Ｔ₀は燃料電池１の加熱前の温度、Ｔ_airは外気の温度、△ｔは放置中の経過時
間、βは定数（β＝−Ｈ・Ａ／Ｃ）、αは定数（α＝Ｌ_n（Ｔ₀−Ｔ_air））とする。式（２）の定数を以上のように整理すると、式（３）が得られる。

同様に、温度センサ３０と温度センサ３１温度検出部において式（４）と式（５）が成り立つ。ただし、温度ＴＴ₁、ＴＴ₂は温度センサ３０および温度センサ３１により検出した値である。

なお、式（４）及び式（５）で用いたβは、温度を検出する部分により異なる固定値である。そのため、各々の温度測定位置の冷却水の熱容量、熱伝達率、放熱面積からβ₁及びβ₂が定まる。ここで、燃料電池システム停止直前の前記２箇所の温度ＴＴ₁とＴＴ₂の温度はＴ₀とほぼ等しいので、α₁とα₂もαとほぼ等しい。また、β₁とβ₂は、温度測定位置による固定値であるから、式（４）と式（５）より経過時間△ｔとシステム停止直前の冷却水経路の温度Ｔ₀を求めることができる。

したがって、燃料電池システム起動時の燃料電池の推定温度Ｔ_sについても、燃料電池システム停止時の燃料電池が排出した冷却水の温度Ｔ₀として、式（２）を用いることによって、燃料電池システム起動時の燃料電池の温度を推定することができる。そして、この温度が氷点下のときは、後述する燃料電池システムの解凍制御を行い、氷点を超えるときは燃料電池システムの起動を開始する。

以上のように、燃料電池システム起動開始時の温度から測定困難な燃料電池１の温度が推定可能であり、この温度と予め定めた所定温度を比較して、燃料電池システムの解凍判断を適切に行うことが可能である。ここに、所定温度とは燃料電池１に解凍制御が必要か否かを判断するための温度であり、予め実験または計算等により求めておきデータベースとしてマイクロコンピュータに記憶しておく。

この燃料電池システムにおいて、コントロールユニット２０が実行する燃料電池システムの解凍判断の制御について図２のフローチャートに従い説明する。各フローチャートの処理はコントロールユニット２０により周期的に実行される。

Ｓ２０１において、燃料電池システムの起動要求の有無を判断する。燃料電池システムの起動の要求がなかった場合には、燃料電池システムは停止したままであり、起動の要求があった場合には、Ｓ２０２へ進む。このステップで、温度センサ３２により燃料電池システムの外部温度（Ｔ_air）を検出する。なお、ここで外部温度Ｔ_airを定数としたが、外部温度が図２に示した制御中に変化しても燃料電池１が排出する冷却水の温度変化に比べ十分小さいので、温度の推定に与える影響は無視できる程度である。

Ｓ２０３では、温度センサ３２で検出した外部温度（Ｔ_air）が氷点下か否か判断する。外部温度が氷点より高い場合、冷却水流路３７の冷却水は凍結することなく円滑に流通していると考えて、ヒータ１１において冷却水を加熱することなく通常の起動を行う。一方、外部温度が氷点下の場合、冷却水流路３７の冷却水が凍結している場合の考えられるため以下の方法により、燃料電池システムの解凍判断を行う。

Ｓ２０４へ進み、温度センサ３０（Ｔ₁）、温度センサ３１（Ｔ₂）および温度センサ３３（Ｔ₃）により、本システムの各部の温度を検出する。

Ｓ２０５で、Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃のそれぞれの温度が氷点下か否か判断し、全て氷点下のときは冷却水が凍結しているとみなし、以下に述べるＳ２１１の氷点下解凍起動制御（Ｓ３０１〜Ｓ３０４）を行った後、本システムを起動する。一方、Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃のいずれか一つでも氷点以上の場合は、本システムの冷却水が凍結しているか否か判断しがたいため、Ｓ２０６へ進み、冷却水流路フラグの値が“１”か否か判断し、燃料電池システム停止直前に冷却水が流通していた流路を選択する。なお、氷点付近に設定した基準温度が正確に氷点である必要はない。

燃料電池１の運転により、燃料電池１が排出した冷却水が十分な冷却を行うことができない程度まで冷却水の温度が上昇したときは、燃料電池１が排出した冷却水がラジエータ３を通過し冷却されるように三方弁４の開度を調節する。このとき、冷却水流路フラグを前者の場合には“１”とし、後者の場合には“０”と設定する。このような制御を行うように、マイクロコンピュータで構成されるコントロールユニット２０が備えられる。

冷却水流路フラグが“１”の場合、すなわち、本システム停止時、冷却水がラジエータ３を迂回するようにバイパス通路４２を流通していた場合は、Ｓ２０７へ進み温度センサ３０と温度センサ３１より検出した運転開始時の温度Ｔ₁をＴＴ₁に入力し、Ｔ₂をＴＴ₂に入力する。

一方、冷却水流路フラグが“０”のとき、すなわち、本システム停止時、冷却水の大部分がラジエータ３を介して冷却水流路３７を還流している場合は、Ｓ２０８へ進み、温度センサ３０と温度センサ３３より検出した運転開始時の温度Ｔ₁をＴＴ₁に入力し、Ｔ₃をＴＴ₂に入力する。

Ｓ２０９において、前ステップで検出した値を式（４）〜式（５）に代入し、燃料電池１の温度（Ｔ_s）を推定する。Ｓ２１０において、燃料電池１の推定温度が氷点下のときはＳ２１１へ進み後述する氷点下解凍起動制御（Ｓ３０１〜Ｓ３０４）を行った後に燃料電池システムを起動する。一方、燃料電池１の推定温度が氷点より高い場合は、Ｓ２１２へ進み燃料電池システムを起動する。

次に、前述した氷点下解凍起動制御について、図３のフローチャートに基づき説明する。Ｓ３０１において、燃料電池システムの冷却水が凍結しているため、冷却水を解凍した際、冷却水流路３７のみを循環するように三方弁を制御する。Ｓ３０２において、ポンプ２を起動し燃料電池１が排出した冷却水が冷却水流路３７を循環し再度燃料電池１へ供給される。そして、Ｓ３０３へ進み、ヒータ１１の電源をＯＮとし、冷却水の加熱を行い解凍する。Ｓ３０４において、温度センサ３０により検出した燃料電池１が排出した冷却水の温度（ＴＴ₁）が、冷却水流路３７の冷却水が解凍され円滑に流通できるように氷点より高くなるまで、ヒータ１１により冷却水の加熱を続ける。以上の制御によって、燃料電池システムの冷却水を解凍することが可能となる。

氷点下で燃料電池１を起動する際、前記燃料電池１が排出した冷却水の温度から、燃料電池１の温度を推定することにより、従来よりも正確に燃料電池１の温度が把握できるため、冷却水流路３７の冷却水の解凍有無の判断をより正確に行うことができる。

車両に燃料電池システムを搭載した際、温度測定の部分が異なると燃料電池１が排出した冷却水の温度と冷却水流路３７の冷却水の温度またはバイパス通路４２の冷却水の温度が大きく異なる場合があるが、温度センサ３０で検出した温度と温度センサ３１で検出した温度または温度センサ３３で検出した温度の何れか一つを選択し燃料電池１の温度を推定することによって、より正確に冷却水流路３７の冷却水の解凍有無の判断が可能となる。

本システムにおいて、温度センサ３３で検出される冷却水流路３７の冷却水の温度は燃料電池１で温められた冷却水が到達するまでの距離が温度センサ３１で検出する部分と比較して長く、それだけ冷却されやすいので温度センサ３１と温度センサ３３で検出される検出値が大きく異なる。したがって、このように冷却水の温度が各部分において異なる場合でも燃料電池１の温度を推定し、冷却水流路３７の冷却水の解凍有無の判断が可能となる。

第２の実施形態に用いる燃料電池システムの制御装置の概略構成を第１実施形態と異なる部分を中心に図４を用いて説明する。本発明では、燃料電池システムが停止したときから、起動までの時間を測定するタイマー２１を備えた。

次に、この燃料電池システムにおいて、コントロールユニット２０が実行する燃料電池システムの解凍判断の制御について図５のフローチャートに従い説明する。

Ｓ５０１で本システム起動の要求があったか否か検出し、システム起動の要求がないときにはそのまま起動しない。一方、本システム起動の要請があればＳ５０２へ進み、タイマー２１において本システムの停止中の時間を測定する。ここでは、タイマー２１による時間の測定方法（Ｓ６０１〜Ｓ６０５）について詳細を説明しないが、タイマー２１による時間の測定は、本システム停止から起動の要請があるまで行う。

次に、Ｓ５０３とＳ５０４において、温度センサ３２より本システムの外部温度を検出し、外気温度が氷点下か否か判断する。外気温度が氷点より高いときは、冷却水が凍結していないと判断して、Ｓ５１１へ進み通常起動をする。外気温度が氷点下のときは、冷却水が凍結している場合もあるので以下の方法で、本システムの解凍判断を行う。

Ｓ５０５、Ｓ５０６で温度センサ３０において冷却水の温度を検出し、ＴＴ₀へ格納するとともに、Ｓ５０２で得た燃料電池１の停止時間を△ｔに格納する。なお、△ｔの測定制御（Ｓ６０１〜Ｓ６
０５）は後述する。

Ｓ５０７では、燃料電池１の起動時の温度（Ｔ_s0）をＴＴ₀とし、Ｓ５０８において燃料電池１の推定方法を用いて燃料電池１の温度を推定する。ここで、燃料電池１の推定方法は、本システム停止直前の温度ＴＴ₀を燃料電池１の温度変数Ｔ_s0に入力する。式（２）のＴ₀にはＴ_s0、外気温度Ｔ_air、経過時間△ｔを入力し、得られた温度Ｔ_sを燃料電池１の推定温度とする。

Ｓ５０９で燃料電池１の推定温度が氷点下のときは、冷却水が凍結していると判断して氷点下解凍起動制御（Ｓ３０１〜Ｓ３０４）を行い、冷却水を解凍した後にＳ５１１において燃料電池１を起動する。一方、燃料電池１の推定温度が氷点以上のときは、冷却水が凍結していないと判断して、氷点下解凍起動制御を行うことなくＳ５１１へ進み燃料電池１を起動する。

次に、上述した本システムの停止中の時間の測定方法について図６に基づき説明する。

Ｓ６０１において、本システムのシステム停止要求があったとき、Ｓ６０２、Ｓ６０３において温度センサ３０により燃料電池１が排出した冷却水の温度を検出し、温度変数ＴＴ₁にその検出値を入力する。Ｓ６０４で温度変数の値をデータベースとしてマイクロコンピュータに記憶しておく。その後、Ｓ６０５へ進み、本システムの起動要請があるまで時間の測定を開始する。

第２実施形態の効果について以下説明する。燃料電池１を停止する際、温度センサ３０により検出した燃料電池１が排出する冷却水の温度をそのときの燃料電池１の温度と仮定しマイクロコンピュータに記憶しておく。そして、燃料電池１の停止から起動までの時間（△ｔ）と本システムの外部温度
とから、本システム開始時の燃料電池１の温度を推定するものである。したがって、本システムでは冷却水の温度を検出する温度センサを一箇所とシステム停止時間のみで燃料電池１の温度を推定し冷却水の解凍判断を行うことが可能となる。

第３実施形態について、第２実施形態と異なる部分について以下説明する。なお、本実施形態で用いるシステムの構成は第２実施形態と同様である。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニット２０が実行する燃料電池システムの解凍判断の制御について図７のフローチャートに従い説明する。

Ｓ７０１からＳ７０８は、燃料電池１の停止時から、起動時までの本システムの処理について記載している。具体的には、本システムを停止する前に、温度センサ３０において燃料電池１が排出した冷却水の温度Ｔ_s0を温度センサ３０で検出する。そして、一定の時間間隔毎（△ｔ）に本システムの
外部温度（Ｔ_air）を検出し、式（２）に代入して燃料電池１の温度（Ｔ_s）推定し、本システムの起動要求を検知するまで更新していく。ここで、一定の時間間隔は予め実験および計算等により、燃料電池１の温度変化に応じて時間の間隔を定めておく。更新した燃料電池１の推定温度は、データベースとして記憶しておく。

Ｓ７０９においてシステムの起動要求があると、Ｓ７１０で本システムの外部温度を検出し、Ｓ７１１で外部の温度が氷点より大きければＳ７１５において、燃料電池１の起動をする。一方、外部の温度が氷点下のとき、Ｓ７１２へ進み上記のように推定した燃料電池１の推定温度を参照する。

Ｓ７１３において、燃料電池１の推定温度が氷点より高いときはそのまま起動し、推定温度が氷点下のときは、Ｓ７１４において氷点下解凍起動制御を行い、冷却水流路３７の冷却水を解凍した後Ｓ７１５で燃料電池１を起動する。

以下第３実施形態の効果について説明する。燃料電池１の停止から燃料電池１の起動まで、一定の時間間隔で温度センサ３２により検出されるシステムの外部温度と前記一定時間とから、燃料電池１の温度を予め推定しておくことで、システムの起動時に改めて、燃料電池１の温度を推定する必要がなく速やかに解凍するか否か判断できる。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の技術的思想の範囲内で当業者がなしうるさまざまな改良、変更が含まれることは明白である。

第１の実施形態のシステムのブロック図である。第１の実施形態の燃料電池の解凍判断を制御するフローチャートである。第１の実施形態の燃料電池の解凍の制御をするフローチャートである。第２の実施形態のシステムのブロック図である。第２の実施形態の燃料電池の解凍判断を制御するフローチャートである。第２の実施形態の燃料電池停止時間の測定を制御するフローチャートである。第３の実施形態の燃料電池の解凍判断を制御するフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池
２ポンプ
３ラジエータ（冷却手段）
４三方弁（切り替え手段）
１１ヒータ（加熱手段）
２１タイマー（測定手段）
３０温度センサ（第１の温度検出手段）
３１温度センサ（第４の温度検出手段）
３２温度センサ（第３の温度検出手段）
３３温度センサ（第２の温度検出手段）
３７冷却水流路（循環通路）
４２バイパス通路（分岐通路）

Claims

燃料電池に水分を循環させる循環通路と、
燃料電池が排出した水分を冷却する冷却手段とを備える燃料電池の温度推定装置において、
燃料電池出口の水分温度を検出する第１の温度検出手段と、
前記冷却手段入口の水分温度を検出する第２の温度検出手段と、
外気温度を検出する第３の温度検出手段とを備え、
前記燃料電池の熱容量、熱伝達率、及び放熱面積と、前記第１から第３の温度検出手段で検出した温度と、前記燃料電池の熱容量、熱伝達率、及び放熱面積並びに前記第１から第３の温度検出手段で検出した温度から推定するシステム停止後の経過時間と、に基づいて前記燃料電池の起動開始時の温度を推定することを特徴とする燃料電池の温度推定装置。
前記冷却手段を迂回するように前記循環通路に設けた分岐通路と、
前記循環通路または前記分岐通路に流路を切り替える切り替え手段と、
前記分岐通路の水分の温度を検出する第４の温度検出手段と、
前記第３の温度検出手段及び第１の温度検出手段の検出温度と、前記燃料電池の停止の際に、前記第２の温度検出手段または前記第４の温度検出手段のうち水分が流通していた側の温度から前記燃料電池の温度を推定する温度推定手段と、
を備える請求項１に記載の燃料電池の温度推定装置を含む燃料電池システム制御装置。
前記循環通路の水分を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の下流にて、燃料電池が排出した水分を冷却する冷却手段と、
第３の温度検出手段で検出した値が氷点下のとき、一定時間毎に前記第３と、前記第１の温度検出手段の検出温度と、所定時間との関係に基づいて前記燃料電池の温度を推定する温度推定手段を備え、
前記温度推定手段において推定した前記燃料電池の温度が氷点下のときは、前記循環通路の水分を加熱する請求項１に記載の燃料電池の温度推定装置を含む燃料電池システム制御装置。