JP6139478B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、前記所定温度差は、反応ガスの温度が冷媒の温度よりも高く、その温度差が所定温度差以上である場合、燃料電池の冷媒流路においてエア溜り等の異常が発生していると判断される温度に設定される。
また、冷媒圧送手段の起動後であって、燃料電池の温度が冷媒の温度に反映されていると判断される所定時間経過後、異常判定手段が冷媒の温度に基づいて冷媒の通流状態が異常であるか否か判定するので、異常判定手段の誤判定を防止できる。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10を経由するように冷媒を循環させる冷媒系と、燃料電池スタック10の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するECU70(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル(燃料電池)が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。なお、図1では、便宜的に、2つの単セル11A、11Bを記載している。単セル11A、11Bは、それぞれ、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟み2枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)を含んでいる。
O2+4H++4e-→2H2O …(2)
アノード流路12は、単セル11A、11Bのアノードに対して、水素を給排する流路である。アノード流路12は、単セルの積層方向に延びるアノード分配マニホールド12Xと、アノード分配マニホールド12Xから分岐したアノードセル流路12A及びアノードセル流路12Bと、単セルの積層方向に延びるアノード集合マニホールド12Yと、を備えている。
カソード流路13は、単セル11A、11Bのカソードに対して、空気(酸素)を給排する流路である。カソード流路13は、単セルの積層方向に延びるカソード分配マニホールド13Xと、カソード分配マニホールド13Xから分岐したカソードセル流路13A及びカソードセル流路13Bと、単セルの積層方向に延びるカソード集合マニホールド13Yと、を備えている。
冷媒流路14は、単セル11A、11Bを経由するように冷媒を通流させ、単セル11A、11Bを温度調整するための流路である。冷媒流路14は、単セルの積層方向に延びる冷媒分配マニホールド14Xと、冷媒分配マニホールド14Xから分岐した冷媒セル流路14A及び冷媒セル流路14Bと、単セルの積層方向に延びる冷媒集合マニホールド14Yと、を備えている。
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給手段)と、常閉型の遮断弁22と、インジェクタ23と、エゼクタ24と、パージ弁25と、を備えている。
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段)と、背圧弁32と、温度センサ33(反応ガス温度検出手段)と、を備えている。
冷媒系は、冷媒ポンプ41(冷媒圧送手段)と、ラジエータ42(放熱器)と、サーモスタット43(方向切換弁)と、ファン44と、温度センサ45(冷媒温度検出手段)と、を備えている。
電力消費系は、
モータ51と、電力制御器52と、バッテリ53と、を備えている。
モータ51は、電力制御器52を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されている。バッテリ53は、電力制御器52に接続されている。なお、モータ51と電力制御器52との間にインバータ(PDU:Power Drive Unit)が設けられており、電力制御器52と燃料電池スタック10との間にコンタクタ(ON/OFFスイッチ)が設けられている。
IG61は、燃料電池車(燃料電池システム1)の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。IG61は、ECU70と接続されており、ECU70は、IG61のON信号/OFF信号を検知するようになっている。
ECU70は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ECU70は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
ECU70(異常判定手段)は、燃料電池スタック10の冷媒流路における冷媒の通流状態が異常であるか否か判定する機能を備えている。具体的な判定方法は後で説明する。
ECU70(計測手段)は、内蔵するクロックを利用して、冷媒ポンプ41のON時(起動時)から現在までのON時間(起動時間)を計測する機能を備えている。
ECU70(電流制御手段)は、電力制御器52を制御して、燃料電池スタック10の電流を制限する機能を備えている。すなわち、燃料電池スタック10の出力する電流を制限する電流制限手段は、ECU70と、電力制御器52とを備えて構成されている。
燃料電池システム1の動作・効果を説明する。
ここで、カソード流路13における空気の通流特性を説明する。カソード流路13を通流する空気は気体であり、空気の粘性(流動抵抗)は、液体である冷媒の粘性(流動抵抗)よりも小さいので、空気が燃料電池スタック10を構成する全単セルを均等に通流する。すなわち、温度センサ33の検出するカソードオフガスの温度Tcは燃料電池スタック10の温度に良好に追従する。
これに対し、冷媒流路14においてエア溜りが形成され、冷媒が正常に循環していない場合(異常時)、図5に示すように、冷媒の温度Twは、冷媒に燃料電池スタック10の熱の一部が放熱されないので、カソードオフガスの温度Twよりも低くなる。
そこで、本実施形態では、温度センサ33の検出するカソードオフガスの温度Tc(出口空気温度)と、温度センサ45の検出する冷媒の温度Tw(出口冷媒温度)とに基づいて、冷媒流路14における冷媒の通流状態が異常であるか否か判定することを特徴としている。
図2を参照して、燃料電池スタック10における冷媒の通流状態が異常であるか否か判定する異常判定フローを説明する。なお、図2の異常判定フローと、後記する図3の冷媒制御フローとは、ECU70が内蔵する別のCPUによって並行して実行される。
図3を参照して、冷媒の通流を制御する冷媒制御フローを説明する。
具体的には、ECU70は、冷媒ポンプ41及びファン44の回転速度を通常に設定する。なお、燃料電池スタック10の発電量が大きくなるにつれて、冷媒ポンプ41及びファン44の通常の回転速度が高くなる関係となっている。ただし、アクセル開度に基づいて冷媒ポンプ41及びファン44の回転速度を変更してもよい。
これにより、冷媒ポンプ41から吐出される冷媒の流量、吐出圧が最大となる。したがって、冷媒流路14における冷媒の流量、圧力も最大となり、冷媒流路14にエア溜りが形成されていた場合、このエア溜りを燃料電池スタック10外に直ちに押し出すことができる。これにより、冷媒の通流異常状態を直ちに解消できる。
これにより、冷媒ポンプ41の回転速度を最大としたことで、エア溜りが直ちに押し出され、高温の冷媒が直ちに排出されたとしても、この高温の冷媒をラジエータ42において好適に冷却できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。
所定時間(例えば、5〜20s)における冷媒の温度Twの変化幅が、所定変化幅ΔTw以内(例えば、3〜5℃以内)である場合、冷媒の循環が安定し冷媒の温度Twが均一であると判断する構成としてもよい。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11A、11B 単セル(燃料電池)
12 アノード流路(反応ガス流路)
13 カソード流路(反応ガス流路)
13A、13B カソードセル流路
13X カソード分配マニホールド
13Y カソード集合マニホールド
14 冷媒流路
14A、14B 冷媒セル流路
14X 冷媒分配マニホールド
14Y 冷媒集合マニホールド
33 温度センサ(反応ガス温度検出手段)
41 冷媒ポンプ(冷媒圧送手段)
41a、42a、42b、43a 配管(冷媒循環流路)
45 温度センサ(冷媒温度検出手段)
52 電力制御器(電流制限手段)
70 ECU(異常判定手段、計測手段、電流制限手段)
Tc カソードオフガス(反応ガス)の温度
Tw 冷媒の温度
T1 所定暖機完了温度
Claims (5)
- 反応ガス流路及び冷媒流路を有する燃料電池と、
前記冷媒流路に向けて冷媒を圧送する冷媒圧送手段と、
前記反応ガス流路から排出された反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出手段と、
前記冷媒流路から排出された冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記冷媒圧送手段の起動後であって、前記燃料電池の温度が前記冷媒の温度に反映されていると判断される所定時間経過後の前記反応ガスの温度が前記冷媒の温度よりも所定温度差以上高い場合、前記冷媒流路における冷媒の通流状態が異常であると判定する異常判定手段と、
を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 反応ガス流路及び冷媒流路を有する燃料電池と、
前記冷媒流路に向けて冷媒を圧送する冷媒圧送手段と、
前記反応ガス流路から排出された反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出手段と、
前記冷媒流路から排出された冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記冷媒圧送手段の起動後の所定時間における前記冷媒の温度の変化幅が、前記燃料電池の温度が前記冷媒の温度に反映されていると判断される所定変化幅以内になった後、前記反応ガスの温度が前記冷媒の温度よりも所定温度差以上高い場合、前記冷媒流路における冷媒の通流状態が異常であると判定する異常判定手段と、
を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池の発電開始後であって前記燃料電池の暖機が完了した後、前記異常判定手段は、前記冷媒流路における冷媒の通流状態が異常であるか否か判定する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記異常判定手段が異常であると判定した場合、前記冷媒圧送手段は冷媒の流量を増加させる
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記異常判定手段が異常であると判定した場合、前記燃料電池の出力する電流を制限する電流制限手段を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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