JP5081603B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
循環経路は、ラジエタの上流側で分岐されてバイパス経路となり、このバイパス経路は、ラジエタの下流側で冷却水循環経路に合流する。循環経路とバイパス経路との合流地点には、冷却水温度に基づいて開度が変化することによりバイパス経路の流量を変化させるサーモバルブが設けられている。
すなわち、アイドル停止状態では、燃料電池の発電量が少ないため、燃料電池の温度はそれほど高くならず、冷却水の温度もそれほど上昇しない。よって、サーモバルブはほぼ閉じた状態であり、冷却水のほとんどは、バイパス経路に流れることになる。
その後、運転者がアクセルを全開にすると、燃料電池の発電量が急激に増加し、燃料電池の温度が急上昇して、冷却水の水温も急上昇する。ところが、サーモバルブの応答速度はそれほど早くないので、冷却水がラジエタ側にほとんど流れず、冷却水の水温がオーバーシュートしてしまう。その結果、燃料電池から取り出す電力を制限することとなり、運転者が違和感を覚える場合があった。
そこで、この発明によれば、冷媒温度が所定温度以上である場合にのみ、冷却量を増加した。よって、燃料電池の過度の冷却を防止して、燃料電池の発電性能を確保できる。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1のブロック図である。
燃料電池システム1は、自動車に搭載され、反応ガスとしての水素ガスおよびエア(空気)を反応させて発電を行う燃料電池10と、この燃料電池10に水素ガスおよびエアを供給する供給装置20と、燃料電池10を冷却する冷却装置30と、これらを制御する制御手段としての制御部40と、を有する。
燃料電池10には、燃料電池で発電した電流値を検出する燃料電池出力検出手段としての電流センサ101が設けられる。
冷媒循環経路31には、冷却水の温度を測定する冷媒温度検出手段としての温度センサ311が設けられる。
サーモバルブ36には、このサーモバルブ36の開度を検出する切替弁開度検出手段としての開度センサ361が設けられている。
制御部40は、供給装置20を駆動して燃料電池10を発電させるほか、冷却装置30を駆動して燃料電池10を冷却する。
すなわち、エアコンプレッサ22を駆動することにより、燃料電池10のカソード側にエアを供給する。同時に、水素供給装置21により、燃料電池10のアノード側に水素ガスを供給する。燃料電池10に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池10からアノード側の生成水などの残留水と共に、排出される。
冷媒温度偏差算出部42は、冷却水の温度偏差を算出する。具体的には、温度センサ311で検出した冷却水の温度を記憶し、現在の冷却水の温度と、所定時間(例えば30秒)内の冷却水の温度の最低値と、の差分を算出し、この差分を冷却水の温度偏差として算出する。
この冷却量増加部44は、温度センサ311で検出した冷却水の温度が所定温度以上である場合にのみ動作する。
ここで、温度センサ311で検出した冷却水の温度が高くなるに従って、冷媒温度の変化率に対する燃料電池10の冷却量の増加量を増量する。
まず、ST1では、燃料電池状態予測部43により、発熱量予測処理を行う。
ST2では、発熱量予測処理の結果に基づいて、燃料電池10の発熱量が急上昇するか否かを判定する。この判定がNOの場合には、ST3に移り、YESの場合には、ST4に移る。
ST4では、燃料電池10の発熱量が急上昇すると予測したため、燃料電池10を冷却する必要がある。そこで、回転数の増量マップに基づいて増量値を算出する。続いて、ST5では、この算出した増量値を回転数の指令値に加算する。
ST7では、燃料電池10が発電中であるか否かを判定する。この判定がYESの場合には、ST1に戻り、NOの場合には、終了する。
まず、ST1では、温度センサ311で検出した冷却水の温度が所定温度以上であるか否かを判定する。この判定がYESの場合、ST2に移り、NOの場合、冷却水の温度が低過ぎて燃料電池の発熱効率がかえって低下するため、ST6に移る。
ST2では、冷却水の温度変化率が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がYESの場合、ST3に移り、NOの場合、ST6に移る。
ST3では、冷却水の温度偏差が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がYESの場合、ST4に移り、NOの場合、ST6に移る。
ST4では、燃料電池10の電流値が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がYESの場合、ST5に移り、NOの場合、ST6に移る。
ST5では、燃料電池10の発熱量が急上昇すると予測する。ST6では、燃料電池10の発熱量が急上昇しないと予測する。
時刻t1において、燃料電池が発電を開始すると、電流値が上昇し、時刻t2では、電流値が最大となる。この状態では、冷却水の水温は低く、ラジエタファンの回転数はゼロである。
時刻t2以降、電流値が上昇するに伴って、燃料電池の発熱量が増加し、冷却水の水温も上昇し、サーモバルブの開度も大きくなる。
その後、時刻t5において、冷却水の水温が低下し始める。そこで、燃料電池の発電量の制限を解除し、電流値を上昇させる。
まず、ST1では、燃料電池状態予測部43により、発熱量予測処理(図4参照)を行う。
ST2では、発熱量予測処理の結果に基づいて、燃料電池10の発熱量が急上昇するか否かを予測する。この判定がNOの場合には、ST3に移り、YESの場合には、ST4に移る。
ST4では、燃料電池10の発熱量が急上昇すると予測したため、燃料電池10を冷却する必要がある。そこで、回転数の増量マップに基づいて増量値を算出する。続いて、ST5では、この算出した増量値を回転数の指令値に加算する。
ST7では、燃料電池10が発電中であるか否かを判定する。この判定がYESの場合には、ST1に戻り、NOの場合には、終了する。
時刻t1において、燃料電池が発電を開始すると、電流値が上昇し、時刻t2では、電流値が最大となる。この状態では、冷却水の水温は低く、冷却水循環ポンプの回転数は低い状態である。
時刻t2以降、電流値が上昇するに伴って、燃料電池の発熱量が増加し、冷却水の水温も上昇し、サーモバルブの開度も大きくなる。
その後、時刻t5において、冷却水の水温が低下し始める。そこで、燃料電池の発電量の制限を解除し、電流値を上昇させる。
(1)燃料電池10の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することで、燃料電池10の発熱量が急上昇するか否かを予測する。そして、燃料電池10の発熱量が急上昇すると予測した場合には、冷却水循環ポンプ32およびラジエタファン34のうち少なくとも一方を制御して、燃料電池10の冷却量を増加する。したがって、燃料電池10の発熱量が急上昇しても、燃料電池10を確実に冷却できる。その結果、燃料電池10の出力を制限する必要がなくなり、運転者に違和感が生じるのを防止できる。
例えば、本実施形態では、サーモバルブ36の弁開度の特性に加えて、冷却水の温度の変化率、冷却水の温度偏差、および電流値に基づいて、燃料電池10の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測したが、これに限らない。すなわち、サーモバルブの弁開度の特性に加えて、冷却水の温度の変化率、冷却水の温度偏差、および電流値のうちの1つあるいは2つに基づいて予測してもよい。
10 燃料電池
31 冷媒循環経路
32 冷却水循環ポンプ(冷媒循環装置)
33 ラジエタ
34 ラジエタファン
35 バイパス経路
36 サーモバルブ(切替弁)
40 制御部(制御手段)
41 冷媒温度変化率算出部(冷媒温度変化率算出手段)
42 冷媒温度偏差算出部(冷媒温度偏差算出手段)
43 燃料電池状態予測部(燃料電池状態予測手段)
44 冷却量増加部(冷却量増加手段)
101 電流センサ(燃料電池出力検出手段)
311 温度センサ(冷媒温度検出手段)
361 開度センサ(切替弁開度検出手段)
Claims (7)
- 反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
当該燃料電池を通って冷媒が循環可能な冷媒循環経路と、
当該冷媒循環経路に設けられ冷媒を循環させる冷媒循環装置と、
前記冷媒循環経路に設けられ冷媒と外気との熱交換を行うラジエタと、
当該ラジエタに外気を導入するラジエタファンと、
前記ラジエタの上流側で前記冷媒循環経路から分岐されて、前記ラジエタの下流側で前記冷媒循環経路に合流するバイパス経路と、
冷媒温度に基づいて開度が変化することにより、前記冷媒循環経路から前記バイパス経路に流れる冷媒流量を変化させる切替弁と、
前記冷媒循環装置および前記ラジエタファンを制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記切替弁の弁開度の特性に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測する燃料電池状態予測手段と、
当該燃料電池状態予測手段で前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇すると予測した場合には、前記冷媒循環装置および前記ラジエタファンのうち少なくとも一方を制御して、前記燃料電池の冷却量を増加する冷却量増加手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記切替弁の開度を検出する切替弁開度検出手段をさらに備え、
前記冷却量増加手段は、
前記切替弁開度検出手段により検出された前記切替弁の開度に基づいて、前記ラジエタ側に流れる冷媒の流量を推定し、当該推定した冷媒の流量が所定量以下である場合には、前記冷媒循環装置を制御して、前記燃料電池の冷却量を増加することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または2に記載の燃料電池システムにおいて、
冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記冷媒温度検出手段で検出した冷媒温度が所定温度以上である場合にのみ、前記冷却量増加手段を動作させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
冷媒温度の変化率を算出する冷媒温度変化率算出手段をさらに備え、
前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記冷媒温度変化率算出手段で算出した冷媒温度の変化率に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却量増加手段は、冷媒温度が高くなるに従って、前記冷媒温度の変化率に対する前記燃料電池の冷却量の増加量を増量することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
冷媒の温度偏差を算出する冷媒温度偏差算出手段をさらに備え、
前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記冷媒温度偏差算出手段で算出した冷媒の温度偏差に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段をさらに備え、
前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記燃料電池出力検出手段で検出した前記燃料電池の出力に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することを特徴とする燃料電池システム。
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