JP4814508B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
なお、燃料電池の発電電力の積算値は、燃料電池の自己発熱量に比例し、積算値が大きいほど、燃料電池の暖機は進行しているという関係にある。
参照する図面において、図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図2は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、主として、氷点下での燃料電池自動車の始動時(燃料電池2の起動時)に、ポンプ32の作動(ON)と停止(OFF)(冷却手段30の作動(ON)と停止(OFF))を交互に行うことによって、ラジエータ液(冷媒)による燃料電池2の過冷却を防止し、発電により生成した水を凍結させずに、燃料電池2を起動するシステムである。
燃料電池2(燃料電池スタック)は、主として、電解質膜3の両面をアノード(燃料極)およびカソード(空気極)で挟持してなる単セルが、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜3の全面に反応ガスを供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などがアノード側流路4、カソード側流路5として機能している。アノード側流路4には燃料ガスとしての水素ガス(反応ガス)が流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路5には、酸化剤ガスとしての空気(反応ガス)が流通し、この流通する空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池2から大きな電力を取り出し可能となっている。
アノード系は、燃料電池2のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵された水素タンク11、エゼクタ12、パージ弁13、温度センサ14(燃料ガス温度検出手段)を主に備えている。
温度センサ14は、配管13aに設けられており、アノードオフガス温度を検出可能となっている。
カソード系は、燃料電池2のカソード側に配置し、空気を供給・排出する系であり、ポンプ21(コンプレッサ)、温度センサ22(酸化剤ガス温度検出手段)を主に備えている。
温度センサ22は、配管21bに設けられており、カソードオフガス温度を検出可能となっている。
冷却手段30は、発電により発熱する燃料電池2が過剰に昇温しないように、ラジエータ液(冷媒)を燃料電池2のラジエータ液流路6に通流させて冷却する手段である。冷却手段30は、ラジエータ31(放熱器)と、ポンプ32と、温度センサ33(燃料電池の作動温度検出手段)を主に備えている。ラジエータ液は、エチレングリコールなどを主成分する冷媒である。そして、ラジエータ液が、ポンプ32の稼動によって、ラジエータ31と燃料電池2との間で循環するように、適所に配管が設けられている。
また、温度センサ33は、後記するECU50のポンプ制御部51と電気的に接続しており、ポンプ制御部51は、排出ラジエータ液温度T1(=燃料電池2の作動温度)を監視可能となっている。
電流電圧検出器41は、燃料電池2の出力電流I、出力電圧Vを検出する機器であり、電流計、電圧計などで構成され、燃料電池2の出力端子に接続している。また、電流電圧検出器41は、後記するECU60のポンプ制御部51と電気的に接続しており、ポンプ制御部51は、燃料電池2の出力電流I、出力電圧Vを監視可能となっている。
ECU50は、燃料電池2の作動温度(=排出ラジエータ液温度T1)に対応して、冷却手段30のポンプ32を交互に作動/停止する機能を主に有している。ECU50は、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路、各種記憶媒体などを含んで構成され、ポンプ制御部51(制御手段)と、ポンプ制御データ記憶部52を主に備えている。
ポンプ制御部51は、冷却手段30の温度センサ33と電気的に接続しており、排出ラジエータ液温度T1(=燃料電池2の作動温度)を監視可能となっている。また、ポンプ制御部51は、冷却手段30のポンプ32と電気的に接続しており、ポンプ32の作動/停止を適宜に制御可能となっている。さらに、ポンプ制御部51は、電流電圧検出器41と電気的に接続しており、燃料電池2の出力電流I、出力電圧Vを監視可能となっている。さらにまた、ポンプ制御部51は、ポンプ制御データ記憶部52と電気的に接続しており、後記する「ポンプ制御データA」を適宜参照可能となっている。
ポンプ制御データ記憶部52には、予備試験等により求められた「ポンプ制御データA」が記憶されている。「ポンプ制御データA」とは、次の表1に示すように、排出ラジエータ液温度T1(=燃料電池2の作動温度)、および、燃料電池2の出力電流Iと、冷却手段30のポンプ32の作動(ON)時間/停止(OFF)時間とが関連付けられたデータである。
また、本実施形態に係るポンプ32の作動時間/停止時間は、表1に示すように、作動時間と停止時間との和を35秒の一定とし、排出ラジエータ液温度T1と、燃料電池2の出力電流Iとに基づいて、ポンプ32の作動時間と停止時間とがそれぞれ振り分けられている。
さらに、表1に示すように、排出ラジエータ液温度T1(=燃料電池2の作動温度)、出力電流Iが低いほど、ポンプ32の作動時間は短く設定されている。これにより、燃料電池2の作動温度が低い場合などにおいて、ラジエータ液の過度の通流を防止し、燃料電池2の過冷却を防止可能となっている。ゆえに、発電により生成した水などの凍結を防止可能となっている。
次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の動作について、図1に加えて、図2を併せて参照しつつ説明する。
ただし、ラジエータ液温度が低い(例えば0℃以下)場合、ポンプ32を作動し、ラジエータ液を循環させなくても、循環していない状態のラジエータ液温度は、燃料電池2の作動温度と略等しいと推定し、後記するステップS3において、この「循環していない状態のラジエータ液温度」と出力電流Iとに基づいて、ポンプ32の作動時間/停止時間を選定する制御を開始する。
なお、このように発電電力の積算値に基づいて、ポンプ32の作動時間/停止時間を設定する場合、排出ラジエータ液温度T1を検出する温度センサ33を省略できる。
そして、ポンプ制御部51は、第1実施形態と同様に、この選定した作動時間/停止時間に基づいて、ポンプ32を制御する。
2 燃料電池
14、22 温度センサ
30 冷却手段
31 ラジエータ
32 ポンプ
33 温度センサ(作動温度検出手段)
41 電流電圧検出器
50 ECU
51 ポンプ制御部(制御手段)
52 ポンプ制御データ記憶部
Claims (3)
- 電解質膜と前記電解質膜を挟持するアノード及びカソードとを備える単セルと、セパレータとを交互に積層して構成されると共に、前記各セパレータに形成された溝及び貫通孔で構成され冷媒が通流する冷媒流路を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの作動温度を検出する作動温度検出手段と、
前記冷媒流路に冷媒を通流させて前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記冷却手段の作動を制御する制御手段と、
を備え、
氷点下でない前記燃料電池スタックの通常起動時に、前記冷却手段が連続的に作動し、冷媒が前記冷媒流路を連続的に通流する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、氷点下である前記燃料電池スタックの氷点下起動時に、前記燃料電池スタックの作動温度と制御マップとに基づいて、前記冷却手段の作動と停止を交互に行い、
前記制御マップは、前記燃料電池スタックの作動温度が低くなるにつれて、前記燃料電池スタックの発電により生成した水が凍結しないように前記冷却手段の作動時間が短く、かつ、前記冷却手段の停止時間が長くなるように設定されており、
前記冷却手段の最短の作動時間は、前記燃料電池スタックで局部的な高温の部分が形成されず複数の前記単セルの温度が均一となるように冷媒が前記冷媒流路の全てを一様に通流する時間以上に設定されている
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックの出力電流を検出する電流検出手段を備え、
前記制御手段は、氷点下である前記燃料電池スタックの氷点下起動時に、前記燃料電池スタックの作動温度及び出力電流と前記制御マップとに基づいて、前記冷却手段の作動と停止を交互に行い、
前記制御マップは、前記燃料電池スタックの出力電流が大きくなるにつれて、前記冷却手段の作動時間が長く、かつ、前記冷却手段の停止時間が短くなるように設定されている
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 電解質膜と前記電解質膜を挟持するアノード及びカソードとを備える単セルと、セパレータとを交互に積層して構成されると共に、前記各セパレータに形成された溝及び貫通孔で構成され冷媒が通流する冷媒流路を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの発電により発生した発電電力を検出する発電電力検出手段と、
前記冷媒流路に冷媒を通流させて前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記冷却手段の作動を制御する制御手段と、
を備え、
氷点下でない前記燃料電池スタックの通常起動時に、前記冷却手段が連続的に作動し、冷媒が前記冷媒流路を連続的に通流する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、氷点下である前記燃料電池スタックの氷点下起動時に、前記燃料電池スタックの発電開始からの発電電力の積算値と制御マップとに基づいて、前記冷却手段の作動と停止を交互に行い、
前記制御マップは、前記燃料電池スタックの発電開始からの発電電力の積算値が小さくなるにつれて、前記燃料電池スタックの発電により生成した水が凍結しないように、前記冷却手段の作動時間が短く、かつ、前記冷却手段の停止時間が長くなるように設定されており、
前記冷却手段の最短の作動時間は、前記燃料電池スタックで局部的な高温の部分が形成されず複数の前記単セルの温度が均一となるように冷媒が前記冷媒流路の全てを一様に通流する時間以上に設定されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
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