JP7115364B2 - fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to fuel cell systems.
従来、２つのサブシステムを備える燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムには、各サブシステムに含まれる燃料電池の発電によって電力の要求に応じるものがある（特許文献１参照）。 Conventionally, a fuel cell system having two subsystems is known. Among such fuel cell systems, there is a fuel cell system that responds to the demand for electric power by generating power from fuel cells included in each subsystem (see Patent Document 1).
このような燃料電池システムに対して電力が要求されているときに、一方の燃料電池が高温であるためにその燃料電池に対して出力制限を行う場合、出力制限された分の電力を他方の燃料電池が補って発電することが考えられる。しかし、出力制限された分の電力を他方の燃料電池が補う発電状態が継続すると、他方の燃料電池も高温となり、その燃料電池に対しても出力制限が行われることにより、電力の要求に対応できなくなる虞がある。このような問題を解決するために、２つのサブシステムを備える燃料電池システムにおいて、一方の燃料電池に対して出力制限が行われるときに、他方の燃料電池に対しても出力制限が行われる可能性を低減できる技術が望まれている。 When power is required for such a fuel cell system, if the output of one of the fuel cells is restricted because the temperature of the fuel cell is high, the power for which the output is restricted is supplied to the other fuel cell. It is conceivable that the fuel cell will supplement and generate power. However, if the power generation state in which the other fuel cell compensates for the limited output power continues, the temperature of the other fuel cell will also rise, and the output of that fuel cell will also be limited to meet the demand for power. There is a risk that it will not be possible. In order to solve such a problem, in a fuel cell system having two subsystems, when the output of one fuel cell is restricted, the output of the other fuel cell may also be restricted. A technology capable of reducing the resistance is desired.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve the above problems, and can be implemented as the following modes.
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池システムであって、反応ガスを用いて発電する第１燃料電池と、前記第１燃料電池の温度を検知する第１温度検知部と、を含む第１サブシステムと、反応ガスを用いて発電する第２燃料電池と、前記第２燃料電池の温度を検知する第２温度検知部と、前記第２燃料電池を冷却する冷媒循環系と、を含む第２サブシステムと、前記第１サブシステムおよび前記第２サブシステムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１燃料電池および前記第２燃料電池が発電している状態において前記第１温度検知部によって検知される前記第１燃料電池の温度が設定温度以上となるとき、前記第２燃料電池の温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力で前記冷媒循環系に前記第２燃料電池を冷却させ、前記第１燃料電池および前記第２燃料電池が発電している状態において前記第１燃料電池の温度が前記設定温度以上の温度として設定される閾値温度以上となるとき、前記第１燃料電池に対して出力制限を行うとともに、前記出力制限された分の電力を前記第２燃料電池に出力させる。このような形態とすれば、出力する電力の増加に伴う第２燃料電池の高温化を見越して、第２燃料電池の温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力で冷媒循環系に第２燃料電池を予め冷却させることから、第２燃料電池の高温化を防止することができる。よって、出力する電力の増加に伴う第２燃料電池の高温化によって第２燃料電池に対して出力制限が行われる可能性を低減できる。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. This fuel cell system is a fuel cell system, and includes a first subsystem that includes a first fuel cell that generates electricity using a reaction gas, and a first temperature detection unit that detects the temperature of the first fuel cell. a second subsystem including a second fuel cell that generates electricity using a reaction gas, a second temperature detection section that detects the temperature of the second fuel cell, and a coolant circulation system that cools the second fuel cell; and a control unit that controls the first subsystem and the second subsystem, wherein the control unit controls the first temperature when the first fuel cell and the second fuel cell are generating power. When the temperature of the first fuel cell detected by the detector reaches or exceeds the set temperature, the second fuel cell is supplied to the refrigerant circulation system with a cooling capacity higher than the cooling capacity determined based on the temperature of the second fuel cell. is cooled, and when the temperature of the first fuel cell becomes equal to or higher than a threshold temperature set as a temperature equal to or higher than the set temperature in a state where the first fuel cell and the second fuel cell are generating power, the first The output of the fuel cell is limited, and the second fuel cell is caused to output the electric power for which the output is limited. With this configuration, in anticipation of an increase in the temperature of the second fuel cell that accompanies an increase in output power, the second fuel cell is cooled with a cooling capacity higher than the cooling capacity determined based on the temperature of the second fuel cell. Since the fuel cell is cooled in advance, it is possible to prevent the temperature of the second fuel cell from rising. Therefore, it is possible to reduce the possibility that the output of the second fuel cell will be restricted due to an increase in the temperature of the second fuel cell due to an increase in output power.
本発明は、燃料電池システムに限るものではなく、例えば、電力を動力源とする車両および船舶などに搭載される燃料電池システム、車両そのもの、船舶そのものなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。 The present invention is not limited to fuel cell systems, but can be applied to various forms such as fuel cell systems mounted on vehicles and ships using electric power as a power source, vehicles themselves, and ships themselves. be. Moreover, the present invention is not limited to the above-described forms, and can of course be embodied in various forms without departing from the gist of the present invention.
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１０の概略図である。燃料電池システム１０は、第１サブシステム１０Ａと第２サブシステム１０Ｂとを備え、燃料ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）との反応によって発電する。２つのサブシステム１０Ａ，１０Ｂは、互いに同様の構成を有し、通常の運転状態において、互いに同期された状態で運転されている。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池バス等の大型車両（大型自動車）に搭載され、駆動用モータや各種補機を動作させる発電装置として用いられる。本実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池バスである燃料電池車両に搭載されている。なお、燃料電池システム１０は、大型自動車に限らず、中型自動車や普通自動車等の大型自動車以外の自動車に搭載されてもよい。なお、燃料電池車両は、燃料電池システム１０に加えて、燃料電池システム１０によって発電された電力を蓄え、蓄えた電力を用いて駆動用モータや各種補機を動作させる二次電池（図示しない）を備える。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic diagram of a
２つのサブシステム１０Ａ，１０Ｂはそれぞれ、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂと、燃料ガス貯蔵系２００Ａ，２００Ｂと、燃料ガス供給系３００Ａ，３００Ｂと、酸化剤ガス給排系４００Ａ，４００Ｂと、第１冷媒循環系５００Ａ，第２冷媒循環系５００Ｂと、制御部６００Ａ，６００Ｂと、を備える。第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂは、燃料電池単セル（図示しない）が複数積層されたスタック構造を有する。本実施形態において、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂを構成する燃料電池単セルは、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子型の燃料電池である。
The two
各燃料ガス貯蔵系２００Ａ，２００Ｂは、高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂと、シャットバルブ２２２Ａ，２２２Ｂと、供給分岐流路２３０Ａ，２３０Ｂと、供給側接続マニホールド２４０Ａ，２４０Ｂと、充填分岐流路２５０Ａ，２５０Ｂと、充填側接続マニホールド２６０Ａ，２６０Ｂと、充填流路２７０Ａ，２７０Ｂと、を備える。
Each fuel
高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂへと供給する燃料ガスを貯蔵するためのタンクである。高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂは、各サブシステム１０Ａ，１０Ｂに５本ずつ備えられ、燃料電池システム１０全体で合計１０本備えられている。高圧タンク２１０Ａは、供給分岐流路２３０Ａ，２３０Ｂ及び充填分岐流路２５０Ａ，２５０Ｂに連通状態で接続されている。
The
供給分岐流路２３０Ａ，２３０Ｂは、それぞれの高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂと燃料ガス供給系３００Ａ，３００Ｂとを接続する流路である。各供給分岐流路２３０Ａ，２３０Ｂには、開閉によって高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂと燃料ガス供給系３００Ａ，３００Ｂとを連通又は非連通にするシャットバルブ２２２Ａ，２２２Ｂが配置されている。供給分岐流路２３０Ａ，２３０Ｂと燃料ガス供給系３００Ａ，３００Ｂとは、供給側接続マニホールド２４０Ａ，２４０Ｂを介して接続されている。高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂから供給分岐流路２３０Ａ，２３０Ｂへと流入した燃料ガスは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂへと供給される。供給側接続マニホールド２４０Ａ，２４０Ｂには、圧力センサ２４２Ａ，２４２Ｂが設けられている。圧力センサ２４２Ａ，２４２Ｂは、燃料ガスの供給圧力を検出する。
The supply
充填分岐流路２５０Ａ，２５０Ｂは、それぞれの高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂと充填流路２７０Ａ，２７０Ｂとを連通状態で接続する流路である。充填分岐流路２５０Ａ，２５０Ｂと充填流路２７０Ａ，２７０Ｂとは、充填側接続マニホールド２６０Ａ，２６０Ｂを介して接続されている。第１サブシステム１０Ａに備えられた充填流路２７０Ａと、第２サブシステム１０Ｂに備えられた充填流路２７０Ｂとは、流路が合流するように接続されている。充填流路２７０Ａ，２７０Ｂのうち高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂと接続された側の端部とは逆側の端部には、水素ステーション等の燃料ガス充填装置と接続し燃料ガスの充填を受けるためのレセプタクル２８０が取り付けられている。レセプタクル２８０側から充填される燃料ガスは、充填流路２７０Ａ，２７０Ｂと、充填分岐流路２５０Ａ，２５０Ｂと、を通って高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂへと充填される。充填側接続マニホールド２６０Ａ，２６０Ｂには、燃料ガスの充填圧力を検出するための圧力センサ２６２Ａ，２６２Ｂが設けられている。
The
燃料ガス供給系３００Ａ，３００Ｂは、主流路３１０Ａ，３１０Ｂと、燃料ガス循環流路３６０Ａ，３６０Ｂと、燃料ガス排出流路３９０Ａ，３９０Ｂと、を備える。燃料ガス供給系３００Ａ，３００Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂへの燃料ガスの供給と、供給された燃料ガスの循環や外部への排出を行う。
The fuel
主流路３１０Ａ，３１０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂへと供給される燃料ガスを流通させる流路である。主流路３１０Ａ，３１０Ｂには、レギュレータ３２０Ａ，３２０Ｂとインジェクタ３４０Ａ，３４０Ｂとが配置されている。レギュレータ３２０Ａ，３２０Ｂとインジェクタ３４０Ａ，３４０Ｂとは、それぞれ燃料ガスに付与される圧力を調整するための弁系である。主流路３１０Ａ，３１０Ｂには、圧力センサ３３０Ａ，３３０Ｂ、３５０Ａ，３５０Ｂが配置されている。圧力センサ３３０Ａ，３３０Ｂは、レギュレータ３２０Ａ，３２０Ｂとインジェクタ３４０Ａ，３４０Ｂとの間に配置され、レギュレータ３２０Ａ，３２０Ｂによって減圧された燃料ガスに付与されている圧力を検出する。圧力センサ３５０Ａ，３５０Ｂは、インジェクタ３４０Ａ，３４０Ｂと第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂとの間に配置され、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに供給される燃料ガスに付与される圧力を検出する。圧力センサ３５０Ａ，３５０Ｂは、燃料電池システム１０の燃料ガス供給系３００Ａ，３００Ｂにおける異常を検出するための検出部として機能する。第１サブシステム１０Ａに備えられた主流路３１０Ａと、第２サブシステム１０Ｂに備えられた主流路３１０Ｂと、は、レギュレータ３２０Ａ，３２０Ｂの上流側で、接続流路３１２によって連通状態に接続されている。以上のように説明した、供給分岐流路２３０Ａ，２３０Ｂと供給側接続マニホールド２４０Ａ，２４０Ｂと主流路３１０Ａ，３１０Ｂとは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂと高圧タンク２１０Ａ，２１０Ｂとを連通させる燃料ガス供給流路を形成する。
The
燃料ガス循環流路３６０Ａ，３６０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに供給された燃料ガスのうち未反応の燃料ガスを回収し、再び主流路３１０Ａ，３１０Ｂへと流入させる流路である。燃料ガス循環流路３６０Ａ，３６０Ｂには、燃料ガスを圧送するためのポンプ３８０Ａ，３８０Ｂが配置されている。燃料ガス循環流路３６０Ａ，３６０Ｂには、燃料ガスに含まれる液水を分離するための気液分離器３７０Ａ，３７０Ｂが配置されている。気液分離器３７０Ａ，３７０Ｂによって分離された液水は、開閉弁３７５Ａ，３７５Ｂが開弁されることによって、燃料ガスとともに燃料ガス排出流路３９０Ａ，３９０Ｂとマフラー４７０Ａ，４７０Ｂを通って外部へと排出される。
The fuel
酸化剤ガス給排系４００Ａ，４００Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに酸化剤ガスである空気を供給すると共に、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂから排出される酸化剤ガスを外部に排出する機能を有する。酸化剤ガス給排系４００Ａ，４００Ｂは、酸化剤ガス供給流路４１０Ａ，４１０Ｂと、酸化剤ガス排出流路４２０Ａ，４２０Ｂと、バイパス流路４３０Ａ，４３０Ｂと、を備える。酸化剤ガス供給流路４１０Ａ，４１０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに接続された流路であり、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに供給される酸化剤ガスを流通させる。酸化剤ガス排出流路４２０Ａ，４２０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに接続された流路であり、酸化剤ガスを外部に排出する。バイパス流路４３０Ａ，４３０Ｂは、酸化剤ガス供給流路４１０Ａ，４１０Ｂと酸化剤ガス排出流路４２０Ａ，４２０Ｂとを接続する流路であり、酸化剤ガス供給流路４１０Ａ，４１０Ｂ内を流通する燃料ガスを第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂを介することなく酸化剤ガス排出流路４２０Ａ，４２０Ｂに流入させる。酸化剤ガス供給流路４１０Ａ，４１０Ｂには、酸化剤ガスを圧送するエアコンプレッサ４４０Ａ，４４０Ｂと、バイパス流路４３０Ａ，４３０Ｂへの酸化剤ガスの流入量を調節する三方弁４５０Ａ，４５０Ｂが配置されている。酸化剤ガス排出流路４２０Ａ，４２０Ｂには、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂ内を流通する酸化剤ガスの圧力を調整するための調圧弁４６０Ａ，４６０Ｂが配置されている。酸化剤ガス排出流路４２０Ａ，４２０Ｂは、燃料ガス排出流路３９０Ａ，３９０Ｂと合流する。酸化剤ガス排出流路４２０Ａ，４２０Ｂ内を流通する酸化剤ガスは、マフラー４７０Ａ，４７０Ｂを通って外部に排出される。
The oxidant gas supply/
第１冷媒循環系５００Ａ，第２冷媒循環系５００Ｂは、冷媒（例えば水）を流通させることによって、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂを冷却する。第１冷媒循環系５００Ａ，第２冷媒循環系５００Ｂは、通常、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力で第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂを冷却する。第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力とは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂの温度に対応して決定される冷却能力のことである。
The first
第１冷媒循環系５００Ａ，第２冷媒循環系５００Ｂは、冷媒を冷却するラジエータ５１０Ａ，５１０Ｂと、冷媒供給流路５２０Ａ，５２０Ｂと、冷媒回収流路５３０Ａ，５３０Ｂと、冷媒バイパス流路５４０Ａ，５４０Ｂと、を備える。冷媒供給流路５２０Ａ，５２０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに接続されている。冷媒供給流路５２０Ａ，５２０Ｂには、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに供給する冷媒が流通する。冷媒供給流路５２０Ａ，５２０Ｂには、冷媒を第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂへと送り出す冷媒ポンプ５５０Ａ，５５０Ｂが配置されている。冷媒回収流路５３０Ａ，５３０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂに接続され、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂから排出された冷媒を回収する。冷媒回収流路５３０Ａ，５３０Ｂによって回収された冷媒は、冷媒バイパス流路５４０Ａ，５４０Ｂ又はラジエータ５１０Ａ，５１０Ｂを通って、冷媒供給流路５２０Ａ，５２０Ｂへと移動する。冷媒回収流路５３０Ａ，５３０Ｂと冷媒バイパス流路５４０Ａ，５４０Ｂとの接続部には、冷媒バイパス流路５４０Ａ，５４０Ｂへと流入する冷媒の量を調整する三方弁５６０Ａ，５６０Ｂが配置されている。
The first
また、冷媒回収流路５３０Ａ，５３０Ｂのうち三方弁５６０Ａ，５６０Ｂが配置された位置から第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂの側には、温度検知部５７０Ａ，５７０Ｂが配置されている。温度検知部５７０Ａ，５７０Ｂは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂから排出された冷媒の温度を検知する。この温度は、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂの温度とみなされる。
Further,
制御部６００Ａは、第１サブシステム１０Ａを構成する各機器を制御する。制御部６００Ｂは、第２サブシステム１０Ｂを構成する各機器を制御する。本実施形態において、制御部６００Ａは、制御部６００Ａおよび制御部６００Ｂによる各機器の制御を統合する統合制御部としての機能を有する。
The
制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂが発電している状態において、温度検知部５７０Ａによって検知される第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上となるとき、第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力で第２冷媒循環系５００Ｂに第２燃料電池１００Ｂを冷却させる。例えば、第２燃料電池１００Ｂの温度が１００℃である場合に対応する冷却能力が冷却能力Ｃ１である場合、温度が１００℃である第２燃料電池１００Ｂは、通常、冷却能力Ｃ１で冷却される。しかし、第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上となるときには、温度が１００℃である第２燃料電池１００Ｂは、冷却能力Ｃ１よりも高い冷却能力Ｃ２で冷却されるということである。第２冷媒循環系５００Ｂは、冷媒ポンプ５５０Ｂおよびラジエータ５１０Ｂの電動ファンの回転数を増大させることによって、冷却能力を高くする。制御部６００Ａは、制御部６００Ｂを介して、第２冷媒循環系５００Ｂを制御する。
When the temperature of the
また、制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂが発電している状態において、温度検知部５７０Ａによって検知される第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上の温度として設定される閾値温度ｔＴ以上となるとき、第１燃料電池１００Ａに対して出力制限を行うとともに、出力制限された分の電力を第２燃料電池１００Ｂに出力させる。制御部６００Ａは、制御部６００Ｂを介して、第２サブシステム１０Ｂを制御する。本実施形態では、制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂが出力する電圧を調整することによって、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂが出力する電力を増減させる。他の実施形態では、制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂが出力する電流を調整することによって、第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂが出力する電力を増減させてもよい。
Further, the
第１燃料電池１００Ａ，第２燃料電池１００Ｂを構成するセルの劣化は、セルの温度が高くなるにつれて進行しやすい。本実施形態では、実験的に確認されるセルの温度とセルの劣化の進行具合との関係に基づいて、セルの劣化の進行具合が許容される程度の上限の温度が、閾値温度ｔＴとして設定される。したがって、第１燃料電池１００Ａの温度が閾値温度ｔＴ以上となるときとは、第１燃料電池１００Ａを構成するセルの劣化の進行具合が許容される程度の温度を超えるときである。また、本実施形態では、閾値温度ｔＴになることが予測され得る温度であって閾値温度ｔＴ以下の温度が、設定温度ｔＰとして設定される。したがって、第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上となるときとは、第１燃料電池１００Ａの温度が将来的に閾値温度ｔＴとなることが予測され得る程度の温度を超えるときである。
Deterioration of the cells constituting the
図２は、制御部６００Ａが実行する予測冷却処理を示すフローである。予測冷却処理は、第１燃料電池１００Ａが高温になったことを契機に第１燃料電池１００Ａに対して出力制限が行われることによって第２燃料電池１００Ｂの出力が増加する状況を予測して、予め第２燃料電池１００Ｂを冷却する第２冷媒循環系５００Ｂの冷却能力を高くするための処理である。予測冷却処理は、燃料電池システム１０が搭載された車両に備えられたイグニッションスイッチがオンにされているときに繰り返し実行される。
FIG. 2 is a flow showing predictive cooling processing executed by
予測冷却処理が開始されると、制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
When the predictive cooling process is started, the
制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上ではないと判定する場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、予測冷却処理を終了する。制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上であると判定する場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力で第２冷媒循環系５００Ｂに第２燃料電池１００Ｂを冷却させる（ステップＳ１２０）。通常よりも高い冷却能力で第２冷媒循環系５００Ｂに第２燃料電池１００Ｂを冷却させたのち（ステップＳ１２０）、制御部６００Ａは、予測冷却処理を終了する。本実施形態では、第２冷媒循環系５００Ｂは、通常よりも高い冷却能力で第２燃料電池１００Ｂを冷却するようになってから、一定時間経過したのちに、冷却能力を通常の冷却能力に戻す。ここでいう通常の冷却能力とは、第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力のことである。
When the
図３は、制御部６００Ａが実行する出力制限処理を示すフローである。出力制限処理は、第１燃料電池１００Ａの温度に基づいて出力制限を行うか否かを判定する処理である。出力制限処理は、予測冷却処理と同様、燃料電池システム１０が搭載された車両に備えられたイグニッションスイッチがオンにされているときに繰り返し実行される。
FIG. 3 is a flow showing output restriction processing executed by
出力制限処理が開始されると、制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａの温度が閾値温度ｔＴ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。
When the output limiting process is started, the
制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａの温度が閾値温度ｔＴ以上ではないと判定する場合には（ステップＳ２１０：ＮＯ）、出力制限処理を終了する。制御部６００Ａは、第１燃料電池１００Ａの温度が閾値温度ｔＴ以上であると判定する場合には（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、第１燃料電池１００Ａが出力する電力に対して出力制限を行うとともに、出力制限された分の電力を第２燃料電池１００Ｂに出力させる（ステップＳ２２０）。すなわち、第２燃料電池１００Ｂの出力を増加させる。第１燃料電池１００Ａの出力制限および第２燃料電池１００Ｂの出力増加を行わせたのち（ステップＳ２２０）、制御部６００Ａは、出力制限処理を終了する。
When the
本実施形態では、設定温度ｔＰと閾値温度ｔＴとは、同じ値として設定される。したがって、第１燃料電池１００Ａの温度が設定温度ｔＰ以上となるときは、第１燃料電池１００Ａの温度が閾値温度ｔＴ以上となるときでもある。このとき、制御部６００Ａは、第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力で第２冷媒循環系５００Ｂに第２燃料電池１００Ｂを冷却させつつ、第１燃料電池１００Ａが出力する電力に対して出力制限を行うとともに、出力制限された分の電力を第２燃料電池１００Ｂに出力させる。
In this embodiment, the set temperature tP and the threshold temperature tT are set as the same value. Therefore, when the temperature of the
図４は、燃料電池システム１０が搭載された車両において、各パラメータの時系列変化を例示したタイミングチャートである。図４には、各パラメータとして、燃料電池システム１０が搭載された車両の車速Ｖと、第１燃料電池１００Ａの温度ｔと、第１燃料電池１００Ａの出力電力ｗと、第２燃料電池１００Ｂの温度Ｔと、第２燃料電池１００Ｂの出力電力Ｗと、の時系列変化が示されている。なお、図４では、燃料電池システム１０が搭載された車両の運転手から要求される車速は一定であるとともに、該車両が走行する路面は平坦であるものと仮定して説明を行う。
FIG. 4 is a timing chart illustrating chronological changes in each parameter in a vehicle equipped with the
図４のうち、車速Ｖにおける実線ＣＬ１は、本実施形態の燃料電池システム１０を搭載した車両の車速の変化を示している。図４のうち、第２燃料電池１００Ｂの温度Ｔにおける実線ＣＬ２は、本実施形態の燃料電池システム１０における第２燃料電池１００Ｂの温度の変化を示している。図４のうち、第２燃料電池１００Ｂの出力電力Ｗにおける実線ＣＬ３は、本実施形態の燃料電池システム１０における第２燃料電池１００Ｂの出力電力の変化を示している。
In FIG. 4, the solid line CL1 at the vehicle speed V indicates changes in the vehicle speed of the vehicle equipped with the
図４のうち、車速Ｖにおける一点鎖線ＤＬ１は、比較例の燃料電池システムを搭載した車両の車速の変化を示している。図４のうち、第２燃料電池の温度Ｔにおける一点鎖線ＤＬ２は、比較例の燃料電池システムにおける第２燃料電池の温度の変化を示している。図４のうち、第２燃料電池の出力電力Ｗにおける一点鎖線ＤＬ３は、比較例の燃料電池システムにおける第２燃料電池の出力電力の変化を示している。なお、図４において、一点鎖線ＤＬ１、一点鎖線ＤＬ２および一点鎖線ＤＬ３が、それぞれ実線ＣＬ１、実線ＣＬ２および実線ＣＬ３から分岐する以前の部分は、実線ＣＬ１、実線ＣＬ２および実線ＣＬ３に重なっている。 In FIG. 4, the dashed-dotted line DL1 at the vehicle speed V indicates changes in the vehicle speed of the vehicle equipped with the fuel cell system of the comparative example. In FIG. 4, the dashed-dotted line DL2 for the temperature T of the second fuel cell indicates changes in the temperature of the second fuel cell in the fuel cell system of the comparative example. In FIG. 4, the dashed-dotted line DL3 for the output power W of the second fuel cell indicates changes in the output power of the second fuel cell in the fuel cell system of the comparative example. In FIG. 4, portions of the dashed-dotted lines DL1, DL2, and DL3 before branching from the solid lines CL1, CL2, and CL3 respectively overlap the solid lines CL1, CL2, and CL3.
説明の便宜上、本実施形態の燃料電池システム１０を搭載した車両について先に説明する。タイミングｔ０からタイミングｔ１までの間において、車速Ｖは、速度ＶＨである。このとき、第１燃料電池１００Ａは電力ｗＨを出力し、第２燃料電池１００Ｂは、電力ＷＭを出力している。第１燃料電池１００Ａが電力ｗＨの出力を継続することによって、第１燃料電池１００Ａの温度は上昇する。タイミングｔ０からタイミングｔ１までの間において、第２冷媒循環系５００Ｂは、第２燃料電池１００Ｂの温度Ｔを温度ＴＭに維持することができるが、第１冷媒循環系５００Ａは、第１燃料電池１００Ａの温度ｔを温度ｔＬに維持することができないために、このような温度上昇が発生する。
For convenience of explanation, a vehicle equipped with the
タイミングｔ１において、第１燃料電池１００Ａの温度ｔは、設定温度ｔＰとなる。タイミングｔ１において、第２冷媒循環系５００Ｂは、第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力での第２燃料電池１００Ｂの冷却を開始する（図２のＳ１２０参照）。
At timing t1, the temperature t of the
本実施形態では、閾値温度ｔＴは、設定温度ｔＰと同じ値に設定されていることから、タイミングｔ１において、第１燃料電池１００Ａの温度ｔは、閾値温度ｔＴとなるともいえる。したがって、タイミングｔ１において、第１燃料電池１００Ａの出力制限および第２燃料電池１００Ｂの出力増加が開始される（図３のＳ２２０参照）。
In this embodiment, the threshold temperature tT is set to the same value as the set temperature tP, so it can be said that the temperature t of the
タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間において、第１燃料電池１００Ａの出力電力ｗは、第１燃料電池１００Ａの出力が制限されたことによって、電力ｗＨから電力ｗＬに減少する（図３のＳ２２０参照）。また、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間において、第２燃料電池１００Ｂの出力電力Ｗは、第２燃料電池１００Ｂの出力が増加されたことによって、電力ＷＭから電力ＷＨに増加する（図３のＳ２２０参照）。
Between timing t1 and timing t2, the output power w of the
タイミングｔ０からタイミングｔ１までの間において第１燃料電池１００Ａおよび第２燃料電池１００Ｂから出力されていた電力の合計である電力ｗＨと電力ＷＭとの和と、タイミングｔ２において第１燃料電池１００Ａおよび第２燃料電池１００Ｂから出力される電力の合計である電力ｗＬと電力ＷＨとの和とは、同じである。したがって、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間において、車速Ｖは、タイミングｔ０からタイミングｔ１までの間と同様に、速度ＶＨから変化しない。
The sum of the power wH, which is the total power output from the
タイミングｔ１からタイミングｔ３までの間において、第１燃料電池１００Ａの温度は、第１燃料電池１００Ａの出力が制限されたことによって、設定温度ｔＰから温度ｔＬまで減少する。また、タイミングｔ１からタイミングｔ４までの間において、第２燃料電池１００Ｂの温度Ｔは、実線ＣＬ２で示されるように、温度ＴＭから温度ＴＬまで減少する。第２燃料電池１００Ｂの出力電力Ｗが増加されたにも関わらず、温度ＴＭが上昇せずに温度ＴＬまで下がっているのは、タイミングｔ１において、第２冷媒循環系５００Ｂが、第２燃料電池１００Ｂの温度Ｔに基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力での第２燃料電池１００Ｂの冷却を開始したからである（図２のＳ１２０参照）。
During the period from timing t1 to timing t3, the temperature of the
タイミングｔ２以降、第１燃料電池１００Ａは、電力ｗＬを継続して出力する。また、タイミングｔ２以降、第２燃料電池１００Ｂは、実線ＣＬ３で示されるように、電力ＷＨを継続して出力できる。したがって、第１燃料電池１００Ａの出力制限および第２燃料電池１００Ｂの出力増加が開始されるタイミングｔ１の前後において、第１燃料電池１００Ａおよび第２燃料電池１００Ｂから出力される電力の合計は変わらないことから、車速は、速度ＶＨから変化しない。
After timing t2, the
次に、比較例の燃料電池システムが搭載された車両について説明する。比較例の燃料電池システムを、以下、比較例と呼ぶ。比較例は、出力制限処理のみを実行し、予測冷却処理を実行しない点を除き、第１実施形態の燃料電池システムの構成と同じである。 Next, a vehicle equipped with a fuel cell system of a comparative example will be described. The fuel cell system of the comparative example is hereinafter referred to as a comparative example. The comparative example has the same configuration as the fuel cell system of the first embodiment, except that only the output limiting process is executed and the predictive cooling process is not executed.
タイミングｔ１において、比較例の第１燃料電池の温度ｔは、設定温度ｔＰとなる。しかし、第１実施形態の燃料電池システム１０とは異なり、比較例では、タイミングｔ１において、予測冷却処理は実行されない。
At timing t1, the temperature t of the first fuel cell of the comparative example reaches the set temperature tP. However, unlike the
比較例においても、閾値温度ｔＴは、設定温度ｔＰと同じ値に設定されていることから、タイミングｔ１において、比較例の第１燃料電池の温度ｔは、閾値温度ｔＴとなるともいえる。したがって、タイミングｔ１において、第１燃料電池の出力制限および第２燃料電池の出力増加が開始される（図３のＳ２２０参照）。 Also in the comparative example, the threshold temperature tT is set to the same value as the set temperature tP, so it can be said that the temperature t of the first fuel cell in the comparative example becomes the threshold temperature tT at timing t1. Therefore, at timing t1, output restriction of the first fuel cell and increase of output of the second fuel cell are started (see S220 in FIG. 3).
タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間において、比較例の第１燃料電池の出力電力ｗは、第１燃料電池の出力が制限されたことによって、電力ｗＨから電力ｗＬに減少する。また、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間において、比較例の第２燃料電池の出力電力Ｗは、第２燃料電池の出力が増加されたことによって、電力ＷＭから電力ＷＨに増加する。 Between timing t1 and timing t2, the output power w of the first fuel cell of the comparative example is reduced from power wH to power wL due to the output of the first fuel cell being restricted. Also, during the period from timing t1 to timing t2, the output power W of the second fuel cell of the comparative example increases from power WM to power WH due to the increased output of the second fuel cell.
タイミングｔ１からタイミングｔ３までの間において、比較例の第１燃料電池の温度ｔは、比較例の第１燃料電池の出力電力ｗが制限されたことによって、設定温度ｔＰから温度ｔＬまで減少する。ここで、タイミングｔ１からタイミングｔ５までの間において、比較例の第２燃料電池の温度Ｔは、一点鎖線ＤＬ２で示されるように、温度ＴＭから温度ＴＨまで上昇する。比較例の第２燃料電池の出力電力Ｗが増加することに伴って、比較例の第２燃料電池の温度Ｔに基づいて定まる冷媒循環系の冷却能力も高くなるが、出力増加による比較例の第２燃料電池の温度上昇に対して、冷媒循環系による冷却が間に合わないことによって、温度ＴＭから温度ＴＨへの上昇が発生する。 During the period from timing t1 to timing t3, the temperature t of the first fuel cell of the comparative example decreases from the set temperature tP to the temperature tL due to the restriction of the output power w of the first fuel cell of the comparative example. Here, from timing t1 to timing t5, the temperature T of the second fuel cell of the comparative example increases from the temperature TM to the temperature TH as indicated by the dashed-dotted line DL2. As the output power W of the second fuel cell of the comparative example increases, the cooling capacity of the refrigerant circulation system, which is determined based on the temperature T of the second fuel cell of the comparative example, also increases. The temperature rises from the temperature TM to the temperature TH because the cooling by the coolant circulation system cannot keep up with the rise in the temperature of the second fuel cell.
タイミングｔ５において、比較例の第２燃料電池の温度Ｔは、温度ＴＨとなる。そして、温度ＴＨとなったことによって、比較例の第２燃料電池に対して、出力制限が開始される。タイミングｔ５からタイミングｔ６までの間において、比較例の第２燃料電池の出力電力Ｗは、一点鎖線ＤＬ３で示されるように、電力ＷＨから電力ＷＬまで減少する。 At timing t5, the temperature T of the second fuel cell of the comparative example reaches the temperature TH. Then, when the temperature reaches TH, output limitation is started for the second fuel cell of the comparative example. Between timing t5 and timing t6, the output power W of the second fuel cell of the comparative example decreases from power WH to power WL as indicated by a dashed-dotted line DL3.
タイミングｔ５以降、比較例の第２燃料電池は、出力制限が行われたことにより、一点鎖線ＤＬ３で示されるように、電力ＷＬしか出力できなくなる。したがって、第２燃料電池の出力制限が開始されるタイミングｔ５の前後において、第１燃料電池および第２燃料電池から出力される電力の合計は減少することから、車速は、一点鎖線ＤＬ１で示されるように、速度ＶＨから速度ＶＬに減少する。 After time t5, the second fuel cell of the comparative example can only output electric power WL, as indicated by the dashed-dotted line DL3, due to the output limitation. Therefore, before and after the timing t5 when the output restriction of the second fuel cell starts, the total power output from the first fuel cell and the second fuel cell decreases, so the vehicle speed is indicated by the one-dot chain line DL1. , from speed VH to speed VL.
比較例では、上述したように、タイミングｔ１において、予測冷却処理が実行されないことから、第２燃料電池の高温化を防止することができない。よって、出力する発電量の増加に伴う第２燃料電池の高温化によって第２燃料電池に対して出力制限が行われる。 In the comparative example, as described above, the predicted cooling process is not executed at the timing t1, so it is not possible to prevent the temperature of the second fuel cell from rising. Therefore, the output of the second fuel cell is restricted due to the increase in temperature of the second fuel cell due to the increase in the output power generation amount.
一方、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、出力する電力の増加に伴う第２燃料電池１００Ｂの高温化を見越して、第２燃料電池１００Ｂの温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力で第２冷媒循環系５００Ｂに第２燃料電池を予め冷却させることから、第２燃料電池１００Ｂの高温化を防止することができる。よって、出力する電力の増加に伴う第２燃料電池１００Ｂの高温化によって第２燃料電池１００Ｂに対して出力制限が行われる可能性を低減できる。
On the other hand, according to the
Ｂ．他の実施形態：
上述した実施形態では、設定温度ｔＰと閾値温度ｔＴとは、同じ値として設定されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、設定温度ｔＰと閾値温度ｔＴとは、異なる値であってもよい。そのような場合、設定温度ｔＰは、閾値温度ｔＴより小さい値として設定されることから、発電によって第１燃料電池１００Ａの温度が継続して上昇している際、第１燃料電池１００Ａの温度は、まず初めに設定温度ｔＰ以上となる。このとき、第２冷媒循環系５００Ｂは、通常よりも高い冷却能力での第２燃料電池１００Ｂの冷却を開始する。次に、第１燃料電池１００Ａの温度は、閾値温度ｔＴ以上となる。このとき、第１燃料電池１００Ａの出力制限および第２燃料電池１００Ｂの出力増加が行われる。設定温度ｔＰと閾値温度ｔＴとが異なる値である場合には、第１燃料電池１００Ａが設定温度ｔＰ以上になってから閾値温度ｔＴ以上になるまでの間の時間を、第２燃料電池１００Ｂが第２冷媒循環系５００Ｂによって予め冷却される時間として確保できる。このため、出力する電力の増加に伴う第２燃料電池１００Ｂの高温化によって第２燃料電池１００Ｂに対して出力制限が行われる可能性を一層低減できる。
B. Other embodiments:
In the embodiment described above, the set temperature tP and the threshold temperature tT are set as the same value, but the present invention is not limited to this. For example, the set temperature tP and the threshold temperature tT may be different values. In such a case, since the set temperature tP is set to a value smaller than the threshold temperature tT, when the temperature of the
上述した実施形態では、第２冷媒循環系５００Ｂは、通常よりも高い冷却能力で第２燃料電池１００Ｂを冷却するようになってから、一定時間経過したのちに、冷却能力を通常の冷却能力に戻していたが、本発明はこれに限られない。例えば、第２冷媒循環系５００Ｂは、通常よりも高い冷却能力で第２燃料電池１００Ｂを冷却するようになってから、第２燃料電池１００Ｂの温度が予め設定された下限値を下回ったときに、冷却能力を通常の冷却能力に戻してもよい。また、第２冷媒循環系５００Ｂは、通常よりも高い冷却能力で第２燃料電池１００Ｂを冷却するようになってから、第１燃料電池１００Ａの出力制限が解除されて一定時間経過したのちに、もしくは、第１燃料電池１００Ａの出力制限が解除されたと同時に、冷却能力を通常の冷却能力に戻してもよい。
In the above-described embodiment, the second
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in the respective modes described in the Summary of the Invention are used to solve some or all of the above problems, or Substitutions and combinations may be made as appropriate to achieve part or all. Also, if the technical features are not described as essential in this specification, they can be deleted as appropriate.
１０…燃料電池システム、１０Ａ…第１サブシステム、１０Ｂ…第２サブシステム、１００Ａ…第１燃料電池、１００Ｂ…第２燃料電池、５００Ａ…第１冷媒循環系、５００Ｂ…第２冷媒循環系、５７０Ａ，５７０Ｂ…温度検知部、６００Ａ，６００Ｂ…制御部
REFERENCE SIGNS
Claims (1)
反応ガスを用いて発電する第１燃料電池と、前記第１燃料電池の温度を検知する第１温度検知部と、を含む第１サブシステムと、
反応ガスを用いて発電する第２燃料電池と、前記第２燃料電池の温度を検知する第２温度検知部と、前記第２燃料電池を冷却する冷媒循環系と、を含む第２サブシステムと、
前記第１サブシステムおよび前記第２サブシステムを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第１燃料電池および前記第２燃料電池が発電している状態において前記第１温度検知部によって検知される前記第１燃料電池の温度が設定温度以上となるとき、前記第２燃料電池の温度に基づいて定まる冷却能力よりも高い冷却能力で前記冷媒循環系に前記第２燃料電池を冷却させ、
前記第１燃料電池および前記第２燃料電池が発電している状態において前記第１燃料電池の温度が前記設定温度以上の温度として設定される閾値温度以上となるとき、前記第１燃料電池に対して出力制限を行うとともに、前記出力制限された分の電力を前記第２燃料電池に出力させる、燃料電池システム。 A fuel cell system,
a first subsystem including a first fuel cell that generates electricity using a reaction gas; and a first temperature detection unit that detects the temperature of the first fuel cell;
a second subsystem including a second fuel cell that generates electricity using a reaction gas, a second temperature detection section that detects the temperature of the second fuel cell, and a coolant circulation system that cools the second fuel cell; ,
a control unit that controls the first subsystem and the second subsystem;
The control unit
The temperature of the second fuel cell when the temperature of the first fuel cell detected by the first temperature detection unit is equal to or higher than a set temperature while the first fuel cell and the second fuel cell are generating power. causing the coolant circulation system to cool the second fuel cell with a cooling capacity higher than the cooling capacity determined based on
When the temperature of the first fuel cell becomes equal to or higher than a threshold temperature set as a temperature equal to or higher than the set temperature while the first fuel cell and the second fuel cell are generating power, the first fuel cell a fuel cell system that limits the output of the second fuel cell and causes the second fuel cell to output the electric power for which the output is limited.
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