JP2004355886A

JP2004355886A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004355886A
Application number: JP2003150470A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Koike; 雄一小池; Yoshihiro Yamaura; 喜宏山浦; Manzaburou Abe; 万三郎阿部; Yoshinori Tanaka; 良典田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system with a high power generation efficiency by promoting elevation of a fuel cell temperature and suppressing formation of condensed water even in the case a change occurs in a refrigerant flow rate due to a pressure loss in a bypass passage. <P>SOLUTION: In the fuel cell system provided with the fuel cell 1, the refrigerant passage 18 in which a refrigerant to cool the fuel cell 1 is circulated, a humidifier 2 to humidify a gas supplied to the fuel cell, a water passage 2A to circulate water into this humidifier 2, a heat exchanger 22 to heat-exchange the coolant and the water, and a water bypass passage 2B to supply water to the humidifier by bypassing the heat exchanger, this is provided with a control valve 2C to control a flow rate of the water which flows into the humidifier 2 and a flow rate of the water which flows into the water bypass passage 2B, a gas temperature detecting means 27 to detect a gas temperature at the exit of the humidifier, a refrigerant temperature detecting means 23 to detect a refrigerant temperature at the entrance of the fuel cell, a temperature difference calculating means 14 to calculate a difference between the detected gas temperature and the refrigerant temperature, and a control valve controlling means 14 to compare the temperature difference of the detected gas and the coolant with a prescribed temperature and to control the control valve so that the temperature difference may become the prescribed temperature or less in the case this temperature difference exceeds the prescribed temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池内に水が生成され、この水がガスの流れを滞らせたり、ガスが触媒の反応面と接触する接触面積を制限するため、燃料電池の発電効率を低下させる問題がある。
【０００３】
この課題を解決する技術として、水素または酸化剤ガスの供給経路のいずれか一方に燃料ガスまたは酸化剤ガスの温度を低下させる熱交換器を設け、燃料電池に供給する水素ガスまたは酸化剤ガスのいずれかの温度を低下させることにより、運転開始直後や起動時に時間が経過しても、また急激な負荷変動が生じた場合でも、水分がガス供給経路内に凝縮、結露することを防止し、安定運転が可能で高出力を維持可能とする技術がある（特許文献１参照のこと。）。
【０００４】
また、他の解決手段として、燃料電池と一次熱交換器を循環する一次冷却系と、ラジエタと一次熱交換器を循環する二次冷却系を設け、さらに一次冷却系には一次熱交換器をバイパスするバイパス流路を設け、一次冷却系の冷媒が一次熱交換器をバイパスすることにより温度調整を行なうことで上記課題を解決する技術がある（特許文献２参照のこと。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８８９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１７８７６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池スタック内の凝縮水生成量を低下させるためには、燃料電池入口冷媒温度と加湿器出口ガス温度との関係を、「燃料電池入口冷媒温度＞加湿器出口ガス温度」とすることが必須条件である。しかし、特許文献１に記載の技術では、燃料電池入口冷媒温度と加湿器出口ガス温度との関係に対して一切着目していないため、燃料電池スタック入口付近で凝縮水を生成してしまいセル電圧が安定しないという問題がある。
【０００７】
また特許文献２に記載の技術では、熱交換器から冷媒をバイパスする際の圧力損失に伴う冷媒流量低下を考慮していないので、流量変化が生じた場合には温度調整を行なうことが困難となる問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池温度の上昇を促進し、凝縮水の生成を抑え、バイパス流路での圧力損失により冷媒流量に変化が生じた場合でも、発電効率の高い燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却する冷媒と燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器に供給される水との間で熱交換させる熱交換器と、加湿器に供給する水の流路に熱交換器をバイパスする水バイパス流路とを備え、加湿器出口でのガス温度と燃料電池入口での冷媒温度とを検出し、検出したガス温度と冷媒温度との温度差が所定温度を越えている場合に温度差が所定温度以下になるように熱交換器を流通する水流量と水バイパス流路を流通する水流量とを制御することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、加湿器出口でのガス温度と燃料電池入口の冷媒温度との温度差が所定温度を越える場合に、温度差が所定温度以下になるように加湿器を循環する水の流量を制御するため、ガス温度と冷媒温度との温度差を所定温度差内に制御でき、燃料電池内での凝縮水の生成を抑制して、安定的に高負荷まで発電することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池システムの構成図である。
【００１２】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給される水素と空気（酸化剤）を加湿する加湿器２と、加湿器２を介して燃料電池スタック１に空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池スタック１に水素を供給する高圧水素タンク４と、燃料電池スタック１から排出された排水素をタンク４から供給された水素と混合するためのイジェクタ５と、加湿器２に純水を循環させる純水流路２Ａに設置され、加湿器２に純水を供給するためのポンプ６とからなる。
【００１３】
さらに燃料電池システムは、燃料電池スタック１に供給される水素流量を制御する制御弁７と、排水素を外部に放出（パージ）するためのパージ弁８と、燃料電池スタック１から排出される排空気流量を制御するための制御弁９とを備える。なお、燃料電池スタック１の供給される空気流量は、コンプレッサ３の運転条件により制御される。
【００１４】
燃料電池スタック１に供給される水素の流量と圧力は水素流量センサ１０と水素圧力センサ１１により検出されるとともに、燃料電池スタック１に供給される空気の流量と圧力は空気流量センサ１２と空気圧力センサ１３により検出される。これら検出された流量、圧力データは燃料電池システムを統合制御するコントローラ１４に出力される。また、燃料電池スタック１の発電状態を検出するための電圧検出手段１５が設置され、この検出した電圧値がコントローラ１４に出力される。
【００１５】
コントローラ１４は、これら入力データや要求電力等に基づいて前述のコンプレッサ３、ポンプ６、制御弁７、パージ弁８と制御弁９を制御して燃料電池スタック１から要求電力を出力する。コントローラ１４は、燃料電池システムが搭載される移動体の駆動ユニット１６を制御するようにしてもよい。
【００１６】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１の温度を制御するための冷却システムが備えられる。燃料電池スタック１を冷却するための冷媒は、ポンプ１７によって燃料電池スタック１に導入され、冷媒は燃料電池スタック１を通過後を再びポンプ１７に送られ、循環するように冷媒流路１８が形成される。ポンプ１７の上流には燃料電池スタック１との熱交換により昇温した冷媒の熱を放熱するためのラジエータ１９が設置され、またこのラジエータ１９を冷媒がバイパスする冷媒バイパス流路２０が形成される。冷媒流路１８と冷媒バイパス流路２０との分岐には、ラジエータ１９に導入される冷媒流量と、冷媒バイパス流路２０に流入する冷媒流量を制御する冷媒三方弁２１が設置される。さらに冷媒三方弁２１の上流側に冷媒流路１８を流通する冷媒と加湿器２を循環する純水との間で熱交換を行う熱交換器２２が設置される。
【００１７】
なお、純水流路２Ａには、熱交換器２２をバイパスして純水を循環させるための純水バイパス流路２Ｂが形成されている。純水流路２Ａと純水バイパス流路２Ｂとの分岐点にはコントローラ１４により制御される純水三方弁２Ｃが設置されており、コントローラ１４は、純水流量の熱交換器２２に流通する流量と純水バイパス流路２Ｂに流通する流量の分配率を制御する。
【００１８】
冷媒流路１８には、燃料電池スタック１の入口と出口に冷媒温度を検出するための温度センサ２３、２４が設置される。さらに燃料電池スタック１に流入する空気の温度を検出する温度センサ２５が設置される。これら温度センサ２３から２５の検出温度はコントローラ１４に送られ、コントローラ１４は入力された信号に基づいてポンプ１７、ラジエータ１９、冷媒三方弁２１、純水三方弁２Ｃを制御する。
【００１９】
図２は、コントローラ１４の構成を説明するブロック図である。
【００２０】
コントローラ１４は、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３が検出した温度が入力され、冷媒温度を上昇する必要があるかどうかを判定する冷媒温度上昇判定手段１０１と、燃料電池スタック１の出入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３、２４が検出した温度の差を演算する冷媒温度差演算手段１０２と、冷媒温度上昇判定手段１０１が冷媒温度を上昇する必要があると判定した場合に冷媒を冷媒バイパス流路２０に導入するバイパス流量制御手段１０３と、冷媒温度上昇判定手段１０１が冷媒温度を上昇する必要があると判定した場合で、かつ冷媒温度差演算手段１０２が演算した温度差が所定温度を越えていた場合に燃料電池スタック１を冷却する冷媒流量を増加させるポンプ制御手段１０４とからなる。
【００２１】
このように構成され、本発明は、温度センサ２３により燃料電池スタック１の入口での冷媒温度を検出し、検出した冷媒温度が所定温度を下回っている場合には、冷媒三方弁２１の開度を制御して冷媒を冷媒バイパス流路２０に導入して冷媒温度を上昇して、燃料電池スタック１の暖機を促進するものである。また、燃料電池スタック１の出入口での冷媒の温度差が所定温度以上の場合（つまり、排出される冷媒温度が高く、燃料電池が過温状態となり劣化の恐れがある場合）には、冷媒の燃料電池スタック１への供給流量を増大して冷媒の出入口の温度差を所定温度以下にするように制御して燃料電池の劣化を防止するものである。
【００２２】
次に図３のフローチャートを用いて、本発明の制御内容を説明する。このフローチャートの制御内容はコントローラ１４により行われるもので、燃料電池スタック１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）に実行される。
【００２３】
まず、ステップ１（以下、ステップを単にＳと示す。）では、温度センサ２３、２４により燃料電池スタック１の入口及び出口の冷媒温度を検出し、Ｓ２では、入口での冷媒温度が第１所定温度以下であるか否かを判定し、冷媒温度が第１所定温度以下であった場合には、Ｓ３で冷媒三方弁２１の目標開度をＡとし、一方、冷媒温度が第１所定温度を越えていた場合には、Ｓ４で冷媒三方弁２１の目標開度をＢとし、Ｓ５では、Ｓ３もしくはＳ４で設定した三方弁目標開度に冷媒三方弁２１の開度を制御する。冷媒三方弁２１の開度Ａ、Ｂについては後述する。
【００２４】
Ｓ６では、Ｓ１で検出した燃料電池スタック１での入口及び出口冷媒の温度差を演算する。通常、燃料電池スタック１の出口での冷媒温度が入口での冷媒温度より高くなる。そして、出入口での冷媒温度差が第２所定温度以上であるか否かを判定し、温度差が第２所定温度以上であると判定した場合には、燃料電池スタック１の劣化の恐れがあるため、Ｓ７で燃料電池スタック１への冷媒流量を増量補正する。また、Ｓ６で温度差が第２所定温度より低いと判定した場合には、そのまま制御を終了する。なお、燃料電池スタック１への冷媒流量の増量補正については後述する。
【００２５】
次に、冷媒三方弁２１の開度Ａ及びＢについて説明する。
【００２６】
まず、図４−ａに示すように温度センサ２３で検出した現在の燃料電池入口での冷媒温度がｓ´であるとき、冷媒三方弁２１の目標開度はＳ［％］となる。さらに、図４−ｂにあるように現在の燃料電池スタック１の発電量がｔ´であるときの冷媒三方弁２１の目標開度補正率はＴ［−］となる。したがって、冷媒三方弁２１の目標開度の最終値は以下のように演算される。
冷媒三方弁２１の目標開度最終値［％］＝Ｓ［％］×Ｔ［−］
さらに、燃料電池入口での冷媒温度が図４−ａにある目標温度ｓ［ｄｅｇＣ］以下であるときの冷媒三方弁２１の目標開度の最終値がＳ３で設定する冷媒三方弁２１の目標開度Ａであり、燃料電池入口での冷媒温度が目標温度ｓ［ｄｅｇＣ］を超えているときの冷媒三方弁２１の目標開度の最終値がＳ４で設定する冷媒三方弁２１の目標開度の最終値Ｂとなる。
【００２７】
つまり、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度が第１所定温度以下の場合には、より冷媒が冷媒バイパス流路２０に流れる開度である開度Ａとして、冷媒の放熱を抑制して燃料電池スタック１の昇温を促進する。一方、入口での冷媒温度が第１所定温度を越えている場合には、冷媒をより多くラジエータ１９に供給して冷媒の放熱を促し、燃料電池スタック１の供給される冷媒温度を低くし、燃料電ｔにスタック１の温度を低下させる。
【００２８】
次に、Ｓ７の燃料電池スタック１への冷媒流量の補正の一例について説明する。
【００２９】
図５−ａにあるように、予め実験などにより冷媒三方弁２１の開度と燃料電池スタック１の発電量と燃料電池スタック１の出入口での冷媒目標温度差を実現する冷媒流量の補正量との関係を求めておく。例えば、燃料電池スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｂ［％］であるときの冷媒流量の補正量がα［Ｌ／ｍｉｎ］であったとする。さらに、図５−ｂにあるように冷媒バイパス流路２０及び冷媒三方弁２１を使用しない場合の燃料電池スタック１の発電量と冷媒流量（ベース分）との関係から、燃料電池スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］である場合の燃料電池スタック１への冷媒流量を求め、それがβ［Ｌ／ｍｉｎ］であったとすると、増加補正量を加算した燃料電池スタック１への冷媒流量補正値γ［Ｌ／ｍｉｎ］は、
燃料電池冷媒流量補正値γ＝β＋α
となる。
【００３０】
なお、本実施例では冷媒三方弁２１の開度の単位を％としているが、ＳＴＥＰなどに置き換えても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
したがって、本発明では、燃料電池スタック１を冷却する冷媒を燃料電池スタック１の入口・出口での冷媒温度の差が第２所定温度以上の場合にはポンプ１７により冷媒流量を増加させ、出口での冷媒温度が過温とならないように燃料電池スタック１の入口・出口での冷媒の温度差で制御しているので、燃料電池スタック１を劣化させることなく燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【００３２】
また、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度が第２所定温度以下の場合には、冷媒が冷媒バイパス流路２０に多く流れるように冷媒三方弁２１の開度を制御するため、スタック１の入口での冷媒温度を昇温させ、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【００３３】
次に第２の実施形態を説明する。燃料電池システムの構成は、図６に示すように第１の実施形態に対して燃料電池スタック１に導入する冷媒の圧力を検出する圧力センサ２６を設置した点が異なり、他の構成は同じである。
【００３４】
図７に本実施形態でのコントローラ１４のブロック図を示す。
【００３５】
図中、冷媒温度上昇判定手段１０１は第１の実施形態の構成と同じであり、冷媒・ガス圧力差判定手段１０５は、燃料電池スタック１の入口での冷媒圧力とスタック１に流入するガス（水素、酸素）圧力を各センサ２６、１１、１３を用いて求め、冷媒圧力とガス圧力の差を演算し、その差が所定圧力以下かどうかを判定し、バイパス流量制御手段１０３は、冷媒温度上昇判定手段１０１の判定結果とスタック１の入口での冷媒圧力とガス圧力の差を演算する冷媒・ガス圧力差判定手段１０５の判定結果に基づいて冷媒バイパス流路２０の冷媒流量を制御する。
【００３６】
具体的には、燃料電池スタック１への冷媒の温度上昇を促進すると冷媒温度上昇判定手段１０１が判定した場合には、冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を増加させる。また、燃料電池スタック１の入口での冷媒圧力が所定圧力を上回っている場合には、冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少させる。さらに、燃料電池スタック１の入口の冷媒圧力とガス圧力との圧力差が所定圧力を下回っている場合には、冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少させる。
【００３７】
図８のフローチャートを用いて、燃料電池の運転方法についての処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）に実行される。
【００３８】
まずＳ１１からＳ１５までの処理内容は、図３に示すフローチャートのＳ１からＳ５と同じ処理内容であるので、説明を省略する。Ｓ１６では、燃料電池スタック１の入口の冷媒圧力を圧力センサ２６を用いて検出し、Ｓ１７では、Ｓ１６で検出した冷媒圧力が第１所定圧力以下か否かを判定し、第１所定圧力以下の場合には、Ｓ１８で燃料電池入口の水素及び酸化剤ガスの圧力を検出し、続くＳ１９では、Ｓ１６で検出した冷媒圧力とＳ１８で検出した燃料電池スタック１の入口ガス圧力との圧力差が第２所定圧力以上か否かを判定し、第２所定圧力以上の場合にはそのまま終了する。また、Ｓ１７で燃料電池スタック１の入口冷媒圧力が第１所定圧力を上回っている場合、およびＳ１９で燃料電池スタック１の入口冷媒圧力と燃料電池スタック１の入口ガス圧力との圧力差が第２所定圧力を下回っている場合には、Ｓ２０で冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒の流量が減少するように冷媒三方弁２１を制御し、終了する。
【００３９】
なお、Ｓ１５の冷媒三方弁２１の制御方法については図３のＳ５の制御方法と同じであるので説明は省略する。
【００４０】
次に、Ｓ２０の冷媒三方弁２１の冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を減少する制御方法の一例について説明する。
【００４１】
【燃料電池スタック１の入口冷媒圧力が上限値を上回る場合】
図９−ａにあるような予め実験などにより冷媒三方弁開度とスタック発電量と燃料電池入口冷媒圧力との関係を求め、コントローラ１４に記憶しておく。いま、スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｃ［％］であるときのスタック１の入口の冷媒圧力がδ［ｋＰａ］であったする。
【００４２】
この場合、スタック１の入口冷媒圧力上限値（Ｓ１７の第１所定圧力）δｌｍｔ［ｋＰａ］を上回っているので、冷媒三方弁２１の開度を冷媒圧力上限値δｌｍｔ［ｋＰａ］を満たすｃｌｍｔ［％］とする。これにより、冷媒はラジエータ１９に多く流れるようになり、冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を減少させ、入口での冷媒圧力を低減できる。
【００４３】
【スタック１の入口ガス・冷媒圧力差が下限値を下回る場合】
図９−ｂにあるような予め実験などにより冷媒三方弁２１の開度とスタック発電量と燃料電池入口ガス・冷媒圧力差との関係を求めておき、コントローラ１４に記憶しておく。いま、スタック発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｄ［％］であるときの燃料電池スタック１の入口ガス・冷媒圧力差がε［ｋＰａ］であったとする。この場合、ガス・冷媒圧力差下限値（Ｓ１９の第２所定圧力）εｌｍｔ［ｋＰａ］以下であるので、冷媒三方弁２１の開度をガス・冷媒圧力下限値εｌｍｔ［ｋＰａ］を満たすｄｌｍｔ［％］とする。このようにして、冷媒をより多くラジエータ１９に流すようにして冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を減少させ、ガス・冷媒圧力差を第２所定圧力以上に制御する。
【００４４】
本実施形態では、燃料電池スタック１に流入する冷媒圧力が上限値を超えた場合、あるいは燃料電池スタック１に流入する冷媒の圧力と同じく流入するガス（水素、酸素）の圧力との差圧が下限値を下回る場合には、所定圧力となるように冷媒三方弁２１の開度を制御する、具体的には冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少させることにより、燃料電池スタック１の劣化を防止し、かつ燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【００４５】
次に第３の実施形態について説明する。この実施形態の燃料電池システムの構成は図１に示した第１の実施形態の構成と同じである。
【００４６】
図１０は本実施形態のコントローラ１４の制御ブロック図を示している。
【００４７】
コントローラ１４は、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３が検出した温度が入力され、冷媒温度を上昇する必要があるかどうかを判定する冷媒温度上昇判定手段１０１と、燃料電池スタック１の出入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３、２４が検出した温度の差を演算する冷媒温度差演算手段１０２と、冷媒温度上昇判定手段１０１が冷媒温度を上昇する必要があると判定した場合に冷媒を冷媒バイパス流路２０に導入するバイパス流量制御手段１０３とからなる。またバイパス流量制御手段１０３は、冷媒温度差演算手段１０２が演算した温度差が第３所定温度を超えている場合に冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少し、ラジエータ１９を流通する冷媒流量を増加するように制御する。
【００４８】
続いて図１１のフローチャートを用いて、実施形態の処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池スタック１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）にコントローラ１４により実行される。
【００４９】
Ｓ３１からＳ３５までの処理内容は、図３に示すフローチャートのＳ１からＳ５と同じ処理内容であるので説明を省略する。Ｓ３６では、燃料電池スタック１の出入口の冷媒の温度差が第３所定温度を以下か否かを判定し、第３所定温度以下の場合には、そのまま終了する。また、Ｓ３６で出入口冷媒温度差が第３所定温度を上回っている場合には、Ｓ３７に進み、Ｓ３７で冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒の流量が減少するように冷媒三方弁２１を制御し、終了する。
【００５０】
なお、Ｓ３５の冷媒三方弁２１の制御方法については前述のＳ５の制御方法と同じであるので説明は省略する。
【００５１】
次に、Ｓ３７の冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少する冷媒三方弁２１の制御方法の一例について説明する。
【００５２】
図１２−ａにあるように、予め実験などにより冷媒三方弁２１の開度とスタック１の発電量とスタック１の出入口冷媒温度差との関係を求め、コントローラ１４に記憶しておく。いま、スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｅ［％］であるときの燃料電池スタック１の出入口の冷媒温度差がζ［ｄｅｇＣ］であったとする。この場合、出入口の冷媒温度差上限値（Ｓ３６の所定値）ζｌｍｔ［ｄｅｇＣ］を上回っているので、冷媒三方弁２１の開度を燃料電池スタック１の出入口冷媒温度差上限値ζｌｍｔ［ｄｅｇＣ］を満たすｅ［％］とする。
【００５３】
このように本実施形態では、燃料電池スタック１の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差が第３所定温度以上である場合には冷媒三方弁２１の開度を制御して、冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒の流量を減少するため、燃料電池スタック１の劣化を防止し、かつ暖機を促進することができる。
【００５４】
図１３は、本発明の第４の実施形態の構成図であり、図１に示す構成に対して加湿器２の出口でのガス温度（実施形態では空気の温度）を検出する温度センサ２７を追加した構成である。
【００５５】
図１４は、この実施形態でのコントローラ１４の制御ブロック図である。図２に示したブロック図に対して変更された構成のみを説明すると、１０６は、燃料電池スタック１の入口冷媒温度と温度センサ２７が検出した改質器２の出口でのガス温度との温度差を演算する冷媒・ガス温度差演算手段であり、１０７は、演算した温度差が第４所定温度を上回っている場合には、純水純水バイパス流路２Ｂを流通して熱交換器２２をバイパスする純水流量が増加するように制御する熱交換器バイパス流量制御手段である。
【００５６】
次に図１５のフローチャートを用いて、本実施形態の処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池スタック１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）にコントローラ１４により実行される。
【００５７】
Ｓ４１からＳ４５までの処理内容はＳ１からＳ５と同じ処理内容であるので省略する。Ｓ４６では、温度センサ２７により加湿器２の出口のガス温度（例えば空気温度）を検出し、Ｓ４７では、（加湿器２の出口ガス温度−スタック１の入口冷媒温度）を演算して、この演算結果（温度差）が第４所定温度以下か否かを判定し、第４所定温度以下の場合には、そのまま終了する。一方、温度差が第４所定温度を超えている場合には、Ｓ４８に進み、Ｓ４８で熱交換器２２をバイパスする純水の流量が増加するように純水三方弁２Ｃを制御し、終了する。
【００５８】
なお、Ｓ４５のラジエタバイパス用純水三方弁２Ｃの制御方法についてはＳ５の制御方法と同じであるので説明は省略する。
【００５９】
次に、Ｓ４８の純水の純水バイパス流路２Ｂを流通する純水流量を増加させる純水三方弁２Ｃの制御方法の一例について説明する。
【００６０】
図１６にあるように、加湿器２の出口ガス温度−燃料電池スタック１の入口の冷媒温度の演算結果が第４所定温度を上回った場合には、ガス加湿用の純水を純水バイパス流路２Ｂに多く流通するように制御し、加湿器２の出口ガス温度を低下させる。その制御方法としては、例えば、予め純水三方弁２Ｃの開度と純水バイパス流路２Ｂを流れる純水流量との関係を求め、目標温度差（加湿器２２の出口のガス温度−燃料電池スタック１の入口の冷媒温度）となるように純水三方弁２Ｃの開度をＰＩ制御する方法がある。
【００６１】
このように本実施形態においては、加湿器２の出口ガス温度と燃料電池スタック１の入口の冷媒温度との温度差が第４所定温度を越える場合には、加湿器２を循環する純水が熱交換器２２をバイパスするように制御するため、この温度差を所定温度内に制御でき、燃料電池スタック１内での凝縮水の生成を抑制でき、安定して高負荷まで発電することができる。
【００６２】
なお、第１から第４の実施形態に記載される加湿器２２の出口のガス温度は、前記ガス温度とほぼ同温度である加湿器２２の入口の純水温度で代用してもよい。また、第１から第４の実施形態に記載される冷媒三方弁２１と純水三方弁２Ｃを、バイパス及びサーモスタッドなどにより流路が切り換るアクチュエータで実現してもよい。
【００６３】
さらに第１から第４の実施形態に記載される燃料電池スタック１の冷媒流量は、例えば冷媒用ポンプ１７の駆動モータの回転数を制御することにより実現するものである。
【００６４】
これまでの説明では、燃料電池スタック１は暖機途中として説明したが、燃料電池スタック１の発熱量がラジエータ１９の放熱量を下回った場合など（例えば、高速走行時からのアクセルオフの場合など）、燃料電池スタック１の入口の冷媒温度の低下防止を要求する場合にも動作するものである。
【００６５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの構成図である。
【図２】コントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図３】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図４】冷媒三方弁の開度設定について説明する図である。
【図５】燃料電池スタックへの冷媒流量の補正を説明する図である。
【図６】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図７】コントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図８】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図９】冷媒三方弁開度と発電量と燃料電池スタック入口の冷媒圧力との関係を示す図である。
【図１０】第３の実施形態のコントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図１１】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図１２】冷媒三方弁開度と発電量と燃料電池スタックで入口温度差との関係を示す図である。
【図１３】第４の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図１４】コントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図１５】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図１６】バイパス流路の流量増加による効果を説明する図である。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２加湿器
２Ａ循環流路
２Ｂ純水バイパス流路
２Ｃ純水三方弁
３コンプレッサ
４水素タンク
５エジェクタ
６ポンプ
７制御弁
８パージ弁
９制御弁
１０、１２流量センサ
１１、１３圧力センサ
１４コントローラ
１７ポンプ
１８冷媒流路
１９ラジエータ
２０冷媒バイパス流路
２１冷媒三方弁
２２熱交換器
２３、２４、２５、２７温度センサ
２６圧力センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
In a conventional fuel cell system, water is generated in the fuel cell, and this water impedes the flow of gas and limits the contact area where the gas contacts the reaction surface of the catalyst, thereby lowering the power generation efficiency of the fuel cell. There is a problem.
[0003]
As a technique for solving this problem, a heat exchanger for reducing the temperature of the fuel gas or the oxidizing gas is provided in one of the supply paths of the hydrogen or the oxidizing gas, and the hydrogen gas or the oxidizing gas supplied to the fuel cell is provided. By reducing any of the temperatures, even if the time has elapsed immediately after the start of operation or at the time of start-up, or even when a sudden load change occurs, moisture is prevented from condensing and dew condensation in the gas supply path, There is a technology that enables stable operation and maintains high output (see Patent Document 1).
[0004]
Further, as another solution, a primary cooling system that circulates the fuel cell and the primary heat exchanger, a secondary cooling system that circulates the radiator and the primary heat exchanger are provided, and a primary heat exchanger is further provided in the primary cooling system. There is a technique for solving the above-mentioned problem by providing a bypass flow path for bypassing, and performing temperature adjustment by bypassing a primary heat exchanger with a refrigerant in a primary cooling system (see Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-283889 A
[Patent Document 2]
JP 2002-117876 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to reduce the amount of condensed water generated in the fuel cell stack, the relationship between the fuel cell inlet refrigerant temperature and the humidifier outlet gas temperature must be "fuel cell inlet refrigerant temperature> humidifier outlet gas temperature". Condition. However, the technology described in Patent Document 1 does not pay attention to the relationship between the refrigerant temperature at the fuel cell inlet and the gas temperature at the humidifier outlet. Is not stable.
[0007]
Further, the technique described in Patent Document 2 does not consider a decrease in the flow rate of the refrigerant due to a pressure loss when the refrigerant is bypassed from the heat exchanger. Therefore, it is difficult to adjust the temperature when the flow rate changes. There was a problem.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to promote a rise in fuel cell temperature, suppress generation of condensed water, and change the refrigerant flow rate due to pressure loss in a bypass flow path. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system having a high power generation efficiency even when the power generation occurs.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides, in a fuel cell system, a heat exchanger for exchanging heat between a coolant for cooling a fuel cell and water supplied to a humidifier for humidifying a gas supplied to the fuel cell, and a heat exchanger for supplying heat to the humidifier. A water bypass passage for bypassing the heat exchanger in the water passage, detecting a gas temperature at a humidifier outlet and a refrigerant temperature at a fuel cell inlet, and detecting a temperature difference between the detected gas temperature and the refrigerant temperature; The flow rate of the water flowing through the heat exchanger and the flow rate of the water flowing through the water bypass flow path are controlled so that the temperature difference becomes equal to or lower than the predetermined temperature when the temperature exceeds the predetermined temperature.
[0010]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the temperature difference between the gas temperature at the humidifier outlet and the refrigerant temperature at the fuel cell inlet exceeds a predetermined temperature, the flow rate of water circulating through the humidifier so that the temperature difference becomes equal to or lower than the predetermined temperature. Therefore, the temperature difference between the gas temperature and the refrigerant temperature can be controlled within a predetermined temperature difference, the generation of condensed water in the fuel cell can be suppressed, and power can be stably generated up to a high load.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied.
[0012]
The fuel cell system includes a fuel cell stack 1, a humidifier 2 for humidifying hydrogen and air (oxidant) supplied to the fuel cell stack 1, and a compressor for supplying air to the fuel cell stack 1 via the humidifier 2. 3, a high-pressure hydrogen tank 4 for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1, an ejector 5 for mixing the discharged hydrogen discharged from the fuel cell stack 1 with the hydrogen supplied from the tank 4, and a pure water for the humidifier 2. The humidifier 2 includes a pump 6 for supplying pure water to the humidifier 2.
[0013]
Further, the fuel cell system includes a control valve 7 for controlling a flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1, a purge valve 8 for discharging (purging) exhaust hydrogen to the outside, and a discharge valve discharged from the fuel cell stack 1. A control valve 9 for controlling the air flow rate. The flow rate of air supplied to the fuel cell stack 1 is controlled by operating conditions of the compressor 3.
[0014]
The flow rate and pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 are detected by a hydrogen flow rate sensor 10 and a hydrogen pressure sensor 11, and the flow rate and pressure of air supplied to the fuel cell stack 1 are determined by an air flow rate sensor 12 and an air pressure It is detected by the sensor 13. The detected flow rate and pressure data are output to the controller 14 that integrally controls the fuel cell system. Further, a voltage detecting means 15 for detecting the power generation state of the fuel cell stack 1 is provided, and the detected voltage value is output to the controller 14.
[0015]
The controller 14 outputs the required power from the fuel cell stack 1 by controlling the compressor 3, the pump 6, the control valve 7, the purge valve 8 and the control valve 9 based on the input data, the required power and the like. The controller 14 may control the driving unit 16 of the moving body on which the fuel cell system is mounted.
[0016]
The fuel cell system includes a cooling system for controlling the temperature of the fuel cell stack 1. A refrigerant for cooling the fuel cell stack 1 is introduced into the fuel cell stack 1 by the pump 17, and the refrigerant is sent to the pump 17 again after passing through the fuel cell stack 1, and a refrigerant flow path 18 is formed to circulate. Is done. A radiator 19 for radiating heat of the refrigerant whose temperature has been raised by heat exchange with the fuel cell stack 1 is installed upstream of the pump 17, and a refrigerant bypass flow path 20 for bypassing the radiator 19 with the refrigerant is formed. . A refrigerant three-way valve 21 that controls the flow rate of the refrigerant introduced into the radiator 19 and the flow rate of the refrigerant flowing into the refrigerant bypass flow path 20 is provided at the branch between the refrigerant flow path 18 and the refrigerant bypass flow path 20. Further, a heat exchanger 22 for exchanging heat between the refrigerant flowing through the refrigerant channel 18 and the pure water circulating through the humidifier 2 is provided upstream of the refrigerant three-way valve 21.
[0017]
Note that a pure water bypass channel 2B for circulating the pure water bypassing the heat exchanger 22 is formed in the pure water channel 2A. A pure water three-way valve 2C controlled by a controller 14 is installed at a branch point between the pure water flow path 2A and the pure water bypass flow path 2B, and the controller 14 controls the flow rate of the pure water flow through the heat exchanger 22. And the distribution ratio of the flow rate flowing through the pure water bypass flow path 2B.
[0018]
In the coolant passage 18, temperature sensors 23 and 24 for detecting the coolant temperature are installed at the inlet and the outlet of the fuel cell stack 1. Further, a temperature sensor 25 for detecting the temperature of the air flowing into the fuel cell stack 1 is provided. The detected temperatures of these temperature sensors 23 to 25 are sent to the controller 14, and the controller 14 controls the pump 17, the radiator 19, the refrigerant three-way valve 21, and the pure water three-way valve 2C based on the input signals.
[0019]
FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the controller 14.
[0020]
The controller 14 receives the temperature detected by the temperature sensor 23 that detects the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 and determines whether the refrigerant temperature needs to be increased. The refrigerant temperature difference calculating means 102 for calculating the difference between the temperatures detected by the temperature sensors 23 and 24 for detecting the refrigerant temperature at the entrance and exit of the battery stack 1 and the refrigerant temperature rise determination means 101 need to raise the refrigerant temperature. When the determination is made, the bypass flow rate control means 103 for introducing the refrigerant into the refrigerant bypass flow path 20 and the refrigerant temperature rise determination means 101 determine that the refrigerant temperature needs to be raised, and the refrigerant temperature difference calculation means 102 When the calculated temperature difference exceeds the predetermined temperature, the pump control means 104 increases the flow rate of the refrigerant for cooling the fuel cell stack 1. .
[0021]
With the above configuration, the present invention detects the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 by the temperature sensor 23, and when the detected refrigerant temperature is lower than the predetermined temperature, the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 To increase the temperature of the refrigerant by introducing the refrigerant into the refrigerant bypass passage 20, thereby promoting the warm-up of the fuel cell stack 1. When the temperature difference between the refrigerant at the inlet and the outlet of the fuel cell stack 1 is equal to or higher than a predetermined temperature (that is, when the temperature of the discharged refrigerant is high and the fuel cell is overheated and may be deteriorated), The control is performed to increase the supply flow rate to the fuel cell stack 1 so that the temperature difference between the inlet and outlet of the refrigerant is equal to or lower than a predetermined temperature, thereby preventing deterioration of the fuel cell.
[0022]
Next, the control content of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. The control in this flowchart is performed by the controller 14 and is executed at predetermined time intervals (for example, at every 10 ms) from the start of operation of the fuel cell stack 1.
[0023]
First, in step 1 (hereinafter, the step is simply referred to as S), the temperature sensors 23 and 24 detect the refrigerant temperatures at the inlet and the outlet of the fuel cell stack 1, and in S2, the refrigerant temperature at the inlet is a first predetermined temperature. It is determined whether the temperature is equal to or lower than the temperature. If the refrigerant temperature is equal to or lower than the first predetermined temperature, the target opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is set to A in S3. If it exceeds, the target opening of the refrigerant three-way valve 21 is set to B in S4, and in S5, the opening of the refrigerant three-way valve 21 is controlled to the three-way valve target opening set in S3 or S4. The opening degrees A and B of the three-way refrigerant valve 21 will be described later.
[0024]
In S6, the temperature difference between the inlet and outlet refrigerant in the fuel cell stack 1 detected in S1 is calculated. Normally, the refrigerant temperature at the outlet of the fuel cell stack 1 becomes higher than the refrigerant temperature at the inlet. Then, it is determined whether or not the refrigerant temperature difference at the entrance / exit is equal to or higher than the second predetermined temperature. If it is determined that the temperature difference is equal to or higher than the second predetermined temperature, the fuel cell stack 1 may be deteriorated. Therefore, in S7, the flow rate of the refrigerant to the fuel cell stack 1 is increased and corrected. If it is determined in S6 that the temperature difference is lower than the second predetermined temperature, the control is terminated. The increase correction of the flow rate of the refrigerant to the fuel cell stack 1 will be described later.
[0025]
Next, the opening degrees A and B of the refrigerant three-way valve 21 will be described.
[0026]
First, as shown in FIG. 4-a, when the current refrigerant temperature at the fuel cell inlet detected by the temperature sensor 23 is s ′, the target opening of the refrigerant three-way valve 21 is S [%]. Furthermore, as shown in FIG. 4B, when the current power generation amount of the fuel cell stack 1 is t ′, the target opening correction rate of the refrigerant three-way valve 21 is T [−]. Therefore, the final value of the target opening of the refrigerant three-way valve 21 is calculated as follows.
Target opening final value of refrigerant three-way valve 21 [%] = S [%] × T [−]
Further, when the refrigerant temperature at the fuel cell inlet is equal to or lower than the target temperature s [degC] shown in FIG. 4-a, the final value of the target opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is set at S3. Degree A, and the final value of the target opening of the refrigerant three-way valve 21 when the refrigerant temperature at the fuel cell inlet exceeds the target temperature s [degC] is the target opening of the refrigerant three-way valve 21 set in S4. The final value is B.
[0027]
That is, when the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 is equal to or lower than the first predetermined temperature, the opening degree A, which is the opening degree at which the refrigerant flows through the refrigerant bypass flow path 20, is set to suppress the heat radiation of the refrigerant and reduce the fuel. Promote the temperature rise of the battery stack 1. On the other hand, when the refrigerant temperature at the inlet exceeds the first predetermined temperature, more refrigerant is supplied to the radiator 19 to promote heat radiation of the refrigerant, and the temperature of the refrigerant supplied to the fuel cell stack 1 is reduced, The temperature of the stack 1 is reduced to the fuel voltage t.
[0028]
Next, an example of the correction of the flow rate of the refrigerant to the fuel cell stack 1 in S7 will be described.
[0029]
As shown in FIG. 5A, the opening degree of the refrigerant three-way valve 21, the power generation amount of the fuel cell stack 1, and the correction amount of the refrigerant flow rate for realizing the refrigerant target temperature difference at the entrance and exit of the fuel cell stack 1 are previously determined by experiments and the like. Find the relationship. For example, it is assumed that the correction amount of the refrigerant flow rate when the power generation amount of the fuel cell stack 1 is a4 [kW] and the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is b [%] is α [L / min]. Further, as shown in FIG. 5B, the power generation of the fuel cell stack 1 is determined based on the relationship between the power generation amount of the fuel cell stack 1 and the refrigerant flow rate (base portion) when the refrigerant bypass channel 20 and the refrigerant three-way valve 21 are not used. The refrigerant flow rate to the fuel cell stack 1 in the case where the amount is a4 [kW] is calculated, and if it is β [L / min], the refrigerant flow rate correction value to the fuel cell stack 1 obtained by adding the increase correction amount γ [L / min] is
Fuel cell refrigerant flow rate correction value γ = β + α
It becomes.
[0030]
In the present embodiment, the unit of the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is set to%, but the same effect can be obtained by replacing with STEP or the like.
[0031]
Therefore, in the present invention, when the difference between the refrigerant temperatures at the inlet and the outlet of the fuel cell stack 1 is equal to or higher than the second predetermined temperature, the coolant for cooling the fuel cell stack 1 is increased by the pump 17 to increase the refrigerant flow rate. Is controlled by the temperature difference between the refrigerant at the inlet and the outlet of the fuel cell stack 1 so that the temperature of the refrigerant does not become excessively high. Therefore, the warm-up of the fuel cell stack 1 is promoted without deteriorating the fuel cell stack 1. be able to.
[0032]
When the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 is equal to or lower than the second predetermined temperature, the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is controlled so that the refrigerant flows through the refrigerant bypass passage 20 in a large amount. It is possible to increase the temperature of the refrigerant at the inlet and promote warm-up of the fuel cell stack 1.
[0033]
Next, a second embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system is different from that of the first embodiment in that a pressure sensor 26 for detecting the pressure of the refrigerant introduced into the fuel cell stack 1 is provided as shown in FIG. 6, and other configurations are the same. is there.
[0034]
FIG. 7 shows a block diagram of the controller 14 in the present embodiment.
[0035]
In the figure, the refrigerant temperature rise determination means 101 has the same configuration as that of the first embodiment, and the refrigerant / gas pressure difference determination means 105 determines the refrigerant pressure at the inlet of the fuel cell stack 1 and the gas flowing into the stack 1 ( Hydrogen, oxygen) pressures are obtained using the sensors 26, 11, and 13, the difference between the refrigerant pressure and the gas pressure is calculated, and it is determined whether or not the difference is equal to or less than a predetermined pressure. The refrigerant flow rate in the refrigerant bypass flow path 20 is controlled based on the determination result of the rise determination unit 101 and the determination result of the refrigerant / gas pressure difference determination unit 105 that calculates the difference between the refrigerant pressure and the gas pressure at the inlet of the stack 1.
[0036]
Specifically, when the refrigerant temperature rise determination means 101 determines that the temperature rise of the refrigerant to the fuel cell stack 1 is promoted, the flow rate of the refrigerant to the refrigerant bypass flow path 20 is increased. When the pressure of the refrigerant at the inlet of the fuel cell stack 1 exceeds a predetermined pressure, the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path 20 is reduced. Further, when the pressure difference between the refrigerant pressure at the inlet of the fuel cell stack 1 and the gas pressure is lower than a predetermined pressure, the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path 20 is reduced.
[0037]
With reference to the flowchart of FIG. 8, the processing content of the fuel cell operation method will be described in detail. This processing content is executed every predetermined time (for example, every 10 [ms]) from the start of the fuel cell operation.
[0038]
First, the processing contents from S11 to S15 are the same as the processing contents from S1 to S5 in the flowchart shown in FIG. In S16, the refrigerant pressure at the inlet of the fuel cell stack 1 is detected using the pressure sensor 26. In S17, it is determined whether or not the refrigerant pressure detected in S16 is equal to or lower than a first predetermined pressure. In this case, the pressures of the hydrogen and the oxidizing gas at the fuel cell inlet are detected in S18, and in S19, the pressure difference between the refrigerant pressure detected in S16 and the inlet gas pressure of the fuel cell stack 1 detected in S18 is the second. It is determined whether or not the pressure is equal to or higher than the second predetermined pressure. Further, if the inlet refrigerant pressure of the fuel cell stack 1 is higher than the first predetermined pressure in S17, and if the pressure difference between the inlet refrigerant pressure of the fuel cell stack 1 and the inlet gas pressure of the fuel cell stack 1 is equal to the second pressure in S19. If the pressure is lower than the predetermined pressure, the refrigerant three-way valve 21 is controlled in S20 such that the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path 20 is reduced, and the process ends.
[0039]
The control method of the refrigerant three-way valve 21 in S15 is the same as the control method in S5 of FIG.
[0040]
Next, an example of a control method for reducing the flow rate of the refrigerant to the refrigerant bypass passage 20 of the refrigerant three-way valve 21 in S20 will be described.
[0041]
[When the inlet refrigerant pressure of the fuel cell stack 1 exceeds the upper limit value]
The relationship between the refrigerant three-way valve opening, the stack power generation amount, and the fuel cell inlet refrigerant pressure is obtained in advance by an experiment as shown in FIG. Now, it is assumed that the refrigerant pressure at the inlet of the stack 1 is δ [kPa] when the power generation amount of the stack 1 is a4 [kW] and the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is c [%].
[0042]
In this case, since the inlet refrigerant pressure upper limit of the stack 1 (first predetermined pressure in S17) δlmt [kPa] is exceeded, the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is set to clmt [% satisfying the refrigerant pressure upper limit δlmt [kPa]. ]. As a result, a large amount of the refrigerant flows to the radiator 19, the flow rate of the refrigerant to the refrigerant bypass passage 20 is reduced, and the refrigerant pressure at the inlet can be reduced.
[0043]
[When the inlet gas / refrigerant pressure difference of the stack 1 falls below the lower limit value]
The relationship between the opening degree of the refrigerant three-way valve 21, the stack power generation amount, and the fuel cell inlet gas / refrigerant pressure difference is determined in advance by an experiment or the like as shown in FIG. 9B and stored in the controller 14. Now, it is assumed that when the stack power generation amount is a4 [kW] and the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is d [%], the inlet gas-refrigerant pressure difference of the fuel cell stack 1 is ε [kW]. In this case, since the gas / refrigerant pressure difference lower limit (second predetermined pressure in S19) εlmt [kPa] or less, the opening of the refrigerant three-way valve 21 is set to dlmt [% satisfying the gas / refrigerant pressure lower limit εlmt [kPa]. ]. In this way, the flow rate of the refrigerant to the refrigerant bypass flow path 20 is reduced by flowing more refrigerant to the radiator 19, and the gas-refrigerant pressure difference is controlled to a second predetermined pressure or more.
[0044]
In the present embodiment, when the pressure of the refrigerant flowing into the fuel cell stack 1 exceeds the upper limit value, or when the pressure difference between the pressure of the refrigerant flowing into the fuel cell stack 1 and the pressure of the gas (hydrogen, oxygen) flowing in the same manner, When the value is lower than the lower limit, the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is controlled so as to be a predetermined pressure. Specifically, the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path 20 is reduced, whereby the fuel cell stack 1 Deterioration can be prevented, and warm-up of the fuel cell stack 1 can be promoted.
[0045]
Next, a third embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system of this embodiment is the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG.
[0046]
FIG. 10 is a control block diagram of the controller 14 of the present embodiment.
[0047]
The controller 14 receives the temperature detected by the temperature sensor 23 that detects the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 and determines whether the refrigerant temperature needs to be increased. The refrigerant temperature difference calculating means 102 for calculating the difference between the temperatures detected by the temperature sensors 23 and 24 for detecting the refrigerant temperature at the entrance and exit of the battery stack 1 and the refrigerant temperature rise determination means 101 need to raise the refrigerant temperature. And bypass flow rate control means 103 for introducing the refrigerant into the refrigerant bypass flow path 20 when the determination is made. When the temperature difference calculated by the refrigerant temperature difference calculation means 102 exceeds the third predetermined temperature, the bypass flow rate control means 103 reduces the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path 20 and changes the flow rate of the refrigerant flowing through the radiator 19. Control to increase the flow rate.
[0048]
Subsequently, the processing content of the embodiment will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. This processing content is executed by the controller 14 every predetermined time (for example, every 10 [ms]) from the start of operation of the fuel cell stack 1.
[0049]
The processing contents from S31 to S35 are the same as the processing contents from S1 to S5 in the flowchart shown in FIG. In S36, it is determined whether or not the temperature difference between the refrigerant at the inlet and the outlet of the fuel cell stack 1 is equal to or lower than a third predetermined temperature. If the inlet / outlet refrigerant temperature difference is higher than the third predetermined temperature in S36, the process proceeds to S37, in which the refrigerant three-way valve 21 is controlled so that the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass passage 20 is reduced. ,finish.
[0050]
Note that the control method of the refrigerant three-way valve 21 in S35 is the same as the control method in S5 described above, and a description thereof will be omitted.
[0051]
Next, an example of a control method of the refrigerant three-way valve 21 for reducing the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass passage 20 in S37 will be described.
[0052]
As shown in FIG. 12A, the relationship between the opening degree of the three-way refrigerant valve 21, the power generation amount of the stack 1, and the difference between the inlet and outlet refrigerant temperatures of the stack 1 is obtained in advance by experiment or the like, and stored in the controller 14. Now, it is assumed that when the power generation amount of the stack 1 is a4 [kW] and the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is e [%], the refrigerant temperature difference between the inlet and the outlet of the fuel cell stack 1 is ζ [degC]. In this case, since the upper limit of the refrigerant temperature difference at the inlet / outlet (predetermined value of S36) ζlmt [degC] is exceeded, the opening of the refrigerant three-way valve 21 is set to the upper limit of the inlet / outlet refrigerant temperature difference of the fuel cell stack 1 ζlmt [degC]. Satisfy e [%].
[0053]
As described above, in the present embodiment, the refrigerant temperature at the inlet / outlet of the fuel cell stack 1 is detected, and when the temperature difference is equal to or higher than the third predetermined temperature, the opening degree of the refrigerant three-way valve 21 is controlled to perform the refrigerant bypass. Since the flow rate of the refrigerant flowing through the flow path 20 is reduced, deterioration of the fuel cell stack 1 can be prevented, and warm-up can be promoted.
[0054]
FIG. 13 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the present invention. In the configuration shown in FIG. 1, a temperature sensor 27 that detects a gas temperature (air temperature in the embodiment) at the outlet of the humidifier 2 is provided. This is the added configuration.
[0055]
FIG. 14 is a control block diagram of the controller 14 in this embodiment. Only the configuration changed from the block diagram shown in FIG. 2 will be described. Reference numeral 106 denotes a temperature between the inlet refrigerant temperature of the fuel cell stack 1 and the gas temperature at the outlet of the reformer 2 detected by the temperature sensor 27. Refrigerant / gas temperature difference calculating means for calculating the difference is provided at 107. When the calculated temperature difference is higher than the fourth predetermined temperature, the refrigerant flows through the pure water pure water bypass passage 2B and the heat exchanger 22. Is a heat exchanger bypass flow rate control means for controlling the flow rate of pure water that bypasses the heat exchanger.
[0056]
Next, the processing content of this embodiment will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. This processing content is executed by the controller 14 every predetermined time (for example, every 10 ms) from the start of the operation of the fuel cell stack 1.
[0057]
The processing contents from S41 to S45 are the same as the processing contents from S1 to S5, and will not be described. In S46, the gas temperature (for example, air temperature) at the outlet of the humidifier 2 is detected by the temperature sensor 27, and in S47, (outlet gas temperature of the humidifier 2-refrigerant temperature of the inlet of the stack 1) is calculated. It is determined whether or not the result (temperature difference) is equal to or lower than the fourth predetermined temperature. If the result is equal to or lower than the fourth predetermined temperature, the process ends. On the other hand, when the temperature difference exceeds the fourth predetermined temperature, the process proceeds to S48, in which the pure water three-way valve 2C is controlled so that the flow rate of the pure water bypassing the heat exchanger 22 is increased, and the process ends. .
[0058]
The method of controlling the radiator bypass pure water three-way valve 2C in S45 is the same as the control method in S5, and a description thereof will be omitted.
[0059]
Next, an example of the control method of the pure water three-way valve 2C for increasing the flow rate of the pure water flowing through the pure water bypass flow path 2B in S48 will be described.
[0060]
As shown in FIG. 16, when the calculation result of the gas temperature at the outlet of the humidifier 2−the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 exceeds the fourth predetermined temperature, the pure water for gas humidification is supplied to the pure water bypass flow. The outlet gas temperature of the humidifier 2 is controlled so as to flow more through the passage 2B. As the control method, for example, a relationship between the opening degree of the pure water three-way valve 2C and the flow rate of pure water flowing through the pure water bypass passage 2B is obtained in advance, and the target temperature difference (gas temperature at the outlet of the humidifier 22-fuel cell There is a method of performing PI control on the opening degree of the pure water three-way valve 2C so that the temperature of the pure water three-way valve 2C becomes equal to the refrigerant temperature at the inlet of the stack 1).
[0061]
As described above, in the present embodiment, when the temperature difference between the outlet gas temperature of the humidifier 2 and the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1 exceeds the fourth predetermined temperature, pure water circulating through the humidifier 2 is Since the control is performed so as to bypass the heat exchanger 22, this temperature difference can be controlled within a predetermined temperature, the generation of condensed water in the fuel cell stack 1 can be suppressed, and power can be stably generated to a high load. .
[0062]
Note that the gas temperature at the outlet of the humidifier 22 described in the first to fourth embodiments may be replaced by the pure water temperature at the inlet of the humidifier 22 which is substantially the same as the gas temperature. Further, the refrigerant three-way valve 21 and the pure water three-way valve 2C described in the first to fourth embodiments may be realized by an actuator whose flow path is switched by a bypass, a thermostat, or the like.
[0063]
Furthermore, the flow rate of the refrigerant in the fuel cell stack 1 described in the first to fourth embodiments is realized by, for example, controlling the rotation speed of a drive motor of the refrigerant pump 17.
[0064]
In the above description, the fuel cell stack 1 has been described as being warmed up. However, when the calorific value of the fuel cell stack 1 falls below the heat radiation amount of the radiator 19 (for example, when the accelerator is turned off during high-speed driving, etc.) ) Also operates when a request is made to prevent a decrease in the refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell stack 1.
[0065]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is apparent that various changes can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating a control block of a controller.
FIG. 3 is a flowchart for explaining control contents of a controller.
FIG. 4 is a diagram illustrating setting of an opening degree of a refrigerant three-way valve.
FIG. 5 is a diagram illustrating correction of a refrigerant flow rate to a fuel cell stack.
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a control block of a controller.
FIG. 8 is a flowchart for explaining control contents of a controller.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship among a refrigerant three-way valve opening, a power generation amount, and a refrigerant pressure at a fuel cell stack inlet.
FIG. 10 is a diagram illustrating control blocks of a controller according to a third embodiment.
FIG. 11 is a flowchart for explaining control contents of a controller.
FIG. 12 is a diagram showing a relationship among a refrigerant three-way valve opening, a power generation amount, and an inlet temperature difference in a fuel cell stack.
FIG. 13 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a fourth embodiment.
FIG. 14 is a diagram illustrating a control block of a controller.
FIG. 15 is a flowchart for explaining control contents of a controller.
FIG. 16 is a diagram illustrating the effect of increasing the flow rate of the bypass flow path.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Humidifier
2A circulation channel
2B Pure water bypass channel
2C Pure water three-way valve
3 Compressor
4 Hydrogen tank
5 Ejector
6 pump
7 Control valve
8 Purge valve
9 Control valve
10, 12 Flow sensor
11, 13 Pressure sensor
14 Controller
17 Pump
18 Refrigerant flow path
19 Radiator
20 Refrigerant bypass channel
21 Refrigerant three-way valve
22 Heat exchanger
23, 24, 25, 27 Temperature sensors
26 Pressure sensor

Claims

燃料電池と、
燃料電池を冷却する冷媒を循環させる冷媒流路と、
前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器と、
この加湿器に水を循環させる水流路と、
前記冷媒と前記水との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器をバイパスして水を前記加湿器に供給する水バイパス流路と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記加湿器に流入する水流量と前記水バイパス流路に流入する水流量とを制御する制御弁と、
前記加湿器の出口でのガス温度を検出するガス温度検出手段と、
前記燃料電池の入口での冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記検出されたガス温度と冷媒温度の差を演算する温度差演算手段と、
前記演算されたガスと冷媒の温度差と所定温度とを比較し、この温度差が所定温度を越えた場合に温度差が所定温度以下となるように前記制御弁を制御する制御弁制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell,
A refrigerant flow path for circulating a refrigerant for cooling the fuel cell,
A humidifier that humidifies the gas supplied to the fuel cell,
A water flow path for circulating water through the humidifier,
A heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant and the water,
A water bypass flow path that supplies water to the humidifier by bypassing the heat exchanger,
In a fuel cell system comprising
A control valve for controlling the flow rate of water flowing into the humidifier and the flow rate of water flowing into the water bypass flow path,
Gas temperature detection means for detecting the gas temperature at the outlet of the humidifier,
Refrigerant temperature detection means for detecting a refrigerant temperature at the inlet of the fuel cell,
Temperature difference calculating means for calculating the difference between the detected gas temperature and the refrigerant temperature,
Control valve control means for comparing the calculated temperature difference between the gas and the refrigerant with a predetermined temperature, and controlling the control valve so that the temperature difference becomes equal to or lower than the predetermined temperature when the temperature difference exceeds the predetermined temperature. ,
A fuel cell system comprising:

前記制御弁制御手段は、前記演算した温度差が所定温度を越えた場合には、前記水バイパス流路を流通する水の流量を増大するように前記制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。The control valve control means controls the control valve so as to increase the flow rate of water flowing through the water bypass passage when the calculated temperature difference exceeds a predetermined temperature. Item 2. The fuel cell system according to Item 1.

前記制御弁制御手段は、前記演算した温度差が所定温度を越えた場合には、温度差が前記所定温度以下の第２所定温度となるように前記制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。The control valve control means controls the control valve such that when the calculated temperature difference exceeds a predetermined temperature, the temperature difference becomes a second predetermined temperature equal to or lower than the predetermined temperature. Item 2. The fuel cell system according to Item 1.

前記加湿器に流入する水の温度を検出する水温度検出手段を設け、
前記温度差演算手段は、前記検出された水温度と冷媒温度の差を演算し、
前記制御弁制御手段は、前記演算された水と冷媒の温度差と前記所定温度とを比較し、この温度差が所定温度を越えた場合に前記バイパス流路を流通する冷媒の流量を増大するように前記制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。Water temperature detection means for detecting the temperature of the water flowing into the humidifier,
The temperature difference calculating means calculates a difference between the detected water temperature and the refrigerant temperature,
The control valve control means compares the calculated temperature difference between the water and the refrigerant with the predetermined temperature, and increases the flow rate of the refrigerant flowing through the bypass passage when the temperature difference exceeds a predetermined temperature. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control valve is controlled as described above.