JP6139478B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料スタックを経由するように冷媒を通流させ、燃料電池スタックを冷却する技術が知られている。そして、特許文献1では、燃料電池スタックに流入する冷媒の温度(入口冷媒温度)と、燃料電池スタックから流出する冷媒の温度(出口冷媒温度)とに基づいて、冷媒供給手段に異常が発生したか否か判定している。
特開2003−109637号公報
しかしながら、燃料電池スタック内における冷媒の通流状態に異常が発生している場合、入口冷媒温度及び出口冷媒温度に基づいて、異常判定することは困難である。具体的に例えば、燃料電池スタック内において冷媒流路が複数の冷媒セル流路に分岐し各単セルを経由した後に集合する構成であって、冷媒セル流路の一部においてエア溜り(空気溜り)が形成されエア噛みが発生している場合、このエア溜りの形成された単セルを冷媒が通流しない。そうすると、冷媒の通流しない単セルは冷却されずに異常昇温するうえ、この異常状態は出口冷媒温度にも反映されず、異常状態を検知できない虞がある。
そこで、本発明は、冷媒の通流状態を好適に判定可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、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である。
ここで、反応ガス(水素、空気等)は、気体であるので、エア溜りが発生せず、燃料電池全体を通流する。したがって、反応ガス流路から排出された反応ガスの温度は、燃料電池の温度に良好に追従する。
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。
このような構成によれば、異常判定手段が、反応ガスの温度が冷媒の温度よりも所定温度差以上高い場合、冷媒流路における冷媒の通流状態が異常であると判定できる。これにより、異常であると判定された場合、例えば、後記する実施形態のように、冷媒の流量を増加等することで、異常状態を解消できる。また、燃料電池の出力する電流を制限することで、発電に伴う発熱量を小さくし、熱劣化を防止できる。
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。
また、本発明は、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である。
このような構成によれば、冷媒圧送手段の起動後の所定時間における冷媒の温度の変化幅が、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変化幅以内になった後、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。
また、燃料電池システムにおいて、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が好ましい。
ここで、燃料電池の発電開始後であって、燃料電池の暖機が完了するまで、燃料電池の温度が良好に安定せず、反応ガスの温度、冷媒の温度も安定しない。したがって、反応ガスの温度及び/又は冷媒の温度に基づいて判定すると、誤判定し易い。
このような構成によれば、燃料電池の発電開始後であって燃料電池の暖機が完了した後、異常判定手段が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ので、異常判定手段の誤判定を防止できる。
また、燃料電池システムにおいて、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が好ましい。
このような構成によれば、異常判定手段が異常であると判定した場合、冷媒圧送手段が冷媒の流量を増加させるので、燃料電池の冷媒流路にエア溜りが仮に形成されていた場合、このエア溜りを燃料電池外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解消できる。
また、燃料電池システムにおいて、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が好ましい。
このような構成によれば、異常判定手段が異常であると判定した場合、電流制限手段が燃料電池の出力する電流を制限するので、燃料電池の発電に伴う発熱量を小さくできる。これにより、燃料電池の熱劣化(例えば電解質膜の破損)を防止できる。
本発明によれば、冷媒の通流状態を好適に判定可能な燃料電池システムを提供することができる。
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの異常判定処理を示すフローチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの冷媒制御処理を示すフローチャートである。 冷媒の通流状態の正常時におけるカソードオフガスの温度Tc、冷媒の温度Twのタイムチャートである。 冷媒の通流状態の異常時におけるカソードオフガスの温度Tc、冷媒の温度Twのタイムチャートである。
本発明の一実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
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>
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。
MEAは、1価の陽イオン交換膜(例えばパーフルオロスルホン酸型)からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソードと、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。
そして、各アノードに水素が供給されると、式(1)の電極反応が起こり、各カソードに空気が供給されると、式(2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10とモータ51等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
2H2→4H++4e- …(1)
2+4H++4e-→2H2O …(2)
また、燃料電池スタック10内には、アノード流路12、カソード流路13、冷媒流路14が形成されている。アノード流路12、カソード流路13、冷媒流路14は、アノードセパレータ、カソードセパレータに形成された溝、孔によって構成されている。
<アノード流路>
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。
アノード分配マニホールド12Xは、配管24a(外部)からの水素を、アノードセル流路12Aとアノードセル流路12Bとに分配する流路である。
アノードセル流路12Aは、単セル11Aのアノードに対して水素を給排する流路であり、アノードセル流路12Bは、単セル11Bのアノードに対して水素を給排する流路である。アノードセル流路12Aは、図1において、1本記載しているが、実際には、複数のアノードセル流路12Aが単セル11A内で並列に配置されている。アノードセル流路12Bについても同様である。
アノード集合マニホールド12Yは、アノードセル流路12A、12Bからのアノードオフガスを集合させ、配管24b(外部)に排出する流路である。
<カソード流路>
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。
カソード分配マニホールド13Xは、配管31a(外部)からの空気を、カソードセル流路13Aとカソードセル流路13Bとに分配する流路である。
カソードセル流路13Aは、単セル11Aのカソードに対して空気を給排する流路であり、カソードセル流路13Bは、単セル11Bのカソードに対して空気を給排する流路である。カソードセル流路13Aは、図1において、1本記載しているが、実際には、複数のカソードセル流路13Aが単セル11A内で並列に配置されている。カソードセル流路13Bについても同様である。
カソード集合マニホールド13Yは、カソードセル流路13A、13Bからのカソードオフガスを集合させ、配管32a(外部)に排出する流路である。
<冷媒流路>
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。
冷媒分配マニホールド14Xは、配管41a(外部)からの冷媒を、冷媒セル流路14Aと冷媒セル流路14Bとに分配する流路である。
冷媒セル流路14Aは単セル11Aを経由する流路であり、冷媒セル流路14Bは単セル11Bを経由する流路である。冷媒セル流路14Aは、図1において、1本記載しているが、実際には、複数の冷媒セル流路14Aが単セル11A内で並列に配置されている。冷媒セル流路14Bについても同様である。
冷媒集合マニホールド14Yは、冷媒セル流路14A、14Bからのカソードオフガスを集合させ、配管42a(外部)に排出する流路である。
<アノード系>
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。
水素タンク21は、水素が高圧で貯蔵された容器である。水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、インジェクタ23、配管23a、エゼクタ24、配管24aを介して、アノード流路12の入口に接続されている。そして、ECU70によって、遮断弁22が開かれ、インジェクタ23が水素を噴射(吐出)すると、水素タンク21の水素が配管21a等を通ってアノード流路12に供給されるようになっている。
すなわち、水素タンク21からアノード流路12に向かう水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管21aと、配管22aと、配管23aと、配管24aと、を備えて構成されている。
遮断弁22は、例えば、ECU70の指令に従って開閉する電磁式の開閉弁である。パージ弁25も同様の構成である。
インジェクタ23は、ECU70がPWM制御することでニードルが進退し、水素タンク21からの新規水素を、そのノズルから断続的に噴射する電子制御式の水素噴射装置である。このようにインジェクタ23が水素を噴射することで、アノード流路12を通流する水素の圧力、流量が制御されるようになっている。例えば、インジェクタ23において、所定インターバルにおけるON時間(水素の噴射時間、ONデューティ)が長くなるにつれて、水素の圧力が高くなり、水素の流量が多くなる。
エゼクタ24は、インジェクタ23からの新規水素をそのノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管24bのアノードオフガスを吸引し、新規水素とアノードオフガスとを混合し、アノード流路12に向けて噴射するものである。
アノード流路12の出口は、配管24b(燃料ガス排出流路、反応ガス排出流路)を介して、エゼクタ24の吸気口に接続されている。そして、アノード流路12からの水素を含むアノードオフガスが配管24bを通ってエゼクタ24に吸気されるようになっている。これにより、水素がアノード流路12を経由して循環するようになっている。なお、配管24bには、アノードオフガスに同伴する水分を分離する気液分離器(図示しない)が設けられている。
配管24bの途中は、配管25a、パージ弁25、配管25bを介して、配管32bに接続されている。パージ弁25は、システムの起動時や燃料電池スタック10の発電時おいて、配管24bを循環する水素に同伴する不純物(水蒸気、窒素等)を排出(パージ)する場合、ECU70によって開かれる設定となっている。そして、排出されたアノードオフガス(水素)は、配管32bを通流しながらカソードオフガスで希釈され、車外に排出されるようになっている。
なお、ECU70は、例えば、燃料電池スタック10を構成する単セル11A、11Bの電圧(セル電圧)が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁25を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セル11A等の電圧を検出する電圧センサ(セル電圧モニタ)を介して検出される。
<カソード系>
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。
コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路13の入口に接続されている。そして、コンプレッサ31がECU70の指令に従って作動すると、車外の酸素を含む空気がコンプレッサ31に吸気圧縮され、配管31aを通ってカソード流路13に供給されるようになっている。
カソード流路13の出口には、配管32a、背圧弁32、配管32bが順に接続されている。そして、カソード流路13からのカソードオフガスは、配管32a等を通って、車外に排出されるようになっている。すなわち、カソードオフガスを排出するカソードオフガス排出流路(反応ガス排出流路)は、配管32aと、配管32bとを備えて構成されている。
背圧弁32は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はECU70によって制御される。具体的には、背圧弁32の開度が小さくなると、カソード流路13における空気の圧力(カソード圧力)が高くなるようになっている。
温度センサ33は、配管32aの燃料電池スタック10側に取り付けられている。そして、温度センサ33は、カソード流路13から排出されたカソードオフガスの温度Tcを検出し、ECU70に出力するようになっている。
≪冷媒系≫
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。
冷媒ポンプ41の吐出口は、配管41aを介して、冷媒流路14の入口に接続されている。冷媒流路14の出口は、配管42a、ラジエータ42、配管42b、サーモスタット43、配管43aを介して、冷媒ポンプ41の吸込口に接続されている。そして、ECU70の指令に従って冷媒ポンプ41が作動すると、冷媒が、圧送され、冷媒流路14及びラジエータ42を経由するように循環する。これにより、燃料電池スタック10が適宜に冷却されるようになっている。すなわち、冷媒流路14を経由するように冷媒を循環させる冷媒循環流路は、配管41aと、配管42aと、配管42bと、配管43aとを備えて構成されている。
配管42aの途中は、配管42cを介して、サーモスタット43に接続されている。すなわち、配管42cはサーモスタット43をバイパスしている。そして、低温起動時等において冷媒の温度が低い場合、低温の冷媒が配管42bを通流することでラジエータ42をバイパスし、燃料電池スタック10が早期に暖機されるようになっている。すなわち、サーモスタット43は、冷媒の温度に対応して、冷媒の通流方向を切り換えるようになっている。
ファン44は、冷媒がラジエータ42で良好に放熱するように、ラジエータ42に向けて冷却風を送る送風機である。ファン44からの冷却風量(ファン44の回転速度)は、ECU70によって制御されるようになっている。
温度センサ45は、配管42aの燃料電池スタック10側に取り付けられている。そして、温度センサ45は、冷媒流路14から排出された冷媒の温度Twを検出し、ECU70に出力するようになっている。
<電力消費系>
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。
モータ51は、燃料電池スタック10及び/又はバッテリ53を電源とする外部負荷であって、燃料電池車の駆動力を発生する動力源である。なお、コンプレッサ31、冷媒ポンプ41、ファン44、遮断弁22、インジェクタ23、パージ弁25及び背圧弁32も、燃料電池スタック10及び/又はバッテリ53を電源としている。
電力制御器52は、ECU70からの指令に従って、燃料電池スタック10の発電電力(出力電流、出力電圧)、バッテリ53の充電/放電を制御する機器であり、DC/DCチョッパ等の電子回路を備えている。
バッテリ53は、複数本の単電池が組み合わせてなる組電池で構成されている。単電池は、例えば、リチウムイオン型で構成されている。
<その他機器>
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。
アクセル開度センサ62は、アクセル開度(アクセルの踏み込み量)を検出し、ECU70に出力するようになっている。
<ECU>
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。
<ECU−異常判定機能>
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。
<ECU−計測機能>
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。
<ECU−電流制限機能>
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。
≪燃料電池システムの動作・効果≫
燃料電池システム1の動作・効果を説明する。
<空気・冷媒の通流特性>
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。
次に、冷媒流路14における冷媒の通流特性を説明する。冷媒流路14を通流する冷媒は液体であり、冷媒の粘性(流動抵抗)は、気体である空気の粘性(流動抵抗)よりも大きいので、冷媒流路14においてエア溜り等が形成され易い。そして、エア溜りが形成された部分には、冷媒が通流し難くなる。具体的に例えば、冷媒セル流路14Aにエア溜りが形成された場合、冷媒が、冷媒セル流路14Aを通流せず、冷媒セル流路14Bを通流するようになる。
そうすると、単セル11Aの熱が冷媒に放熱されず、温度センサ45の検出する冷媒の温度Tw(出口冷媒温度)が、正常に冷媒が通流した場合における本来の冷媒の温度Twよりも低くなる。また、単セル11Aの熱が冷媒に放熱されないので、単セル11Aが過昇温し、熱劣化してしまう虞がある。
すなわち、冷媒流路14においてエア溜りが形成されず、冷媒が正常に循環している場合(正常時)、図4に示すように、冷媒の温度Twは、カソードオフガスの温度Twよりも若干高くなり易い。そして、冷媒の温度Twは、カソードオフガスの温度Twと同様に変化する。
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。
<本実施形態の特徴>
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。
<異常判定フロー(異常判定処理)>
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。
ステップS101において、ECU70は、冷媒ポンプ41がON状態(作動中)であるか否か、かつ、冷媒の循環が安定し配管41a等で構成される冷媒循環流路における冷媒の温度Twが均一であるか否か(温度Twが安定しているか否か)、かつ、カソードオフガスの温度Tcが所定暖機完了温度T1以上である否か、について判定する。
具体的には、ECU70が冷媒ポンプ41にON指令(駆動指令)を出力している場合、冷媒ポンプ41はON状態であると判定される。なぜなら、冷媒ポンプ41がOFFされており、冷媒が循環していない状態において、冷媒の温度Twは燃料電池スタック10の温度が反映されないからである。なお、システム起動時において低温環境下(外気温度が0℃以下)である場合、燃料電池スタック10の暖機促進するために、暖機が完了するまで冷媒ポンプ41をOFF状態で維持することもある。
冷媒ポンプ41の起動(作動開始)からの起動時間が、所定起動時間以上である場合、冷媒循環流路における冷媒の温度Twが均一であると判定される。所定時間は、冷媒ポンプ41の起動により冷媒循環流路において冷媒が良好に循環し(例えば2循環以上)、冷媒循環流路における冷媒の温度Twが均一となり、燃料電池スタック10の温度が冷媒の温度Twに反映されていると判断される時間に設定される。このように、冷媒ポンプ41の起動時間が、所定起動時間以上である場合、後記するステップS102〜S106に係る異常判定処理を実行するので、誤判定を防止できる。
所定暖機完了温度T1は、燃料電池スタック10の発電開始後においてカソードオフガスの温度Tcが所定暖機完了温度T1以上である場合、燃料電池スタック10の暖機が完了していると判断される温度(例えば70〜80℃)に設定される。このように、燃料電池スタック10の暖機が完了し、燃料電池スタック10の温度が安定していると判断された後、後記するステップS102〜S106に係る異常判定処理を実行するので、誤判定を防止できる。
冷媒ポンプ41がON状態であり、かつ、冷媒循環流路における冷媒の温度Twが均一であり、かつ、カソードオフガスの温度Tcが所定暖機完了温度T1以上である場合、ECU70の処理はステップS102に進み、ステップS102〜S106に係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処理を実行する。
冷媒ポンプ41がON状態でない場合、冷媒循環流路における冷媒の温度Twが均一ででない場合、または、カソードオフガスの温度Tcが所定暖機完了温度T1以上でない場合、ECU70の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。すなわち、この場合、ステップS102〜S106に係る異常判定処理を実行しない。
ステップS102において、ECU70は、冷媒の通流状態が異常であると記憶しているか否か判定する。具体的には、冷媒の通流状態に係る冷媒フラグが「1」である場合、冷媒の通流状態が異常であると判定される。一方、冷媒の通流状態に係る冷媒フラグが「0」である場合、冷媒の通流状態が異常でない、つまり、正常であると判定される。
冷媒の通流状態が異常であると記憶している場合(S102・Yes)、ECU70の処理はステップS104に進む。冷媒の通流状態が異常でないと記憶している場合(S102・No)、ECU70の処理はステップS103に進む。
ステップS103において、ECU70は、カソードオフガスの温度Tcから冷媒の温度Twを減じて求められた温度差が、所定温度差ΔT1以上であるか否か判定する。すなわち、カソードオフガスの温度Tcが冷媒の温度Twよりも所定温度差ΔT1以上であるか否か判定する。
温度差が所定温度差ΔT1以上であると判定した場合(S103・Yes)、カソードオフガスの温度Tcが冷媒の温度Twよりも所定温度差ΔT1以上高いと判定した場合、ECU70の処理はステップS105に進む。
温度差が所定温度差ΔT1以上でないと判定した場合(S103・No)、ECU70の処理はリターンを通ってスタートに戻る。この場合、冷媒の通流状態は正常であると判断され、冷媒フラグは「0」のまま維持される。
ステップS105において、ECU70は、冷媒フラグに「1」を代入し、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ことを記憶する。
その後、ECU70の処理はリターンに進む。
ステップS104において、ECU70は、カソードオフガスの温度Tcから冷媒の温度Twを減じた温度差が、所定温度差ΔT2以下であるか否か判定する。所定温度差ΔT2は所定温度差ΔT1よりも小さい温度差に設定される。これにより、ステップS103で「Yes」と判定した後の次の制御ループにおいて、直ちに、「ステップS104・Yes」とならないように設定されている。
温度差が所定温度差ΔT2以下であると判定した場合(S104・Yes)、ECU70の処理はステップS106に進む。温度差が所定温度差ΔT2以下でないと判定した場合(S104・No)、ECU70の処理はリターンに進む。このようにリターンに進む場合、冷媒の通流状態は現在も異常であると判断され、冷媒フラグは「1」で維持される。
ステップS106において、ECU70は、冷媒フラグに「0」を代入し、燃料電池スタック10における冷媒の通流状態が正常であることを記憶する。この場合、後記する冷媒制御フローにおける冷媒の吐出圧、通流量の増加により、冷媒流路14におけるエア噛みが解消したと判断される。
その後、ECU70の処理はリターンに進む。
<冷媒制御フロー(冷媒制御処理)>
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。
ステップS201において、ECU70は、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。冷媒フラグが「1」である場合、異常であると判定され、冷媒フラグが「0」である場合、異常でない(正常である)と判定される。
異常であると判定した場合(S201・Yes)、ECU70の処理はステップS203に進む。異常でないと判定した場合(S201・No)、ECU70の処理はステップS202に進む。
ステップS202において、ECU70は、冷媒を通常に通流させる。
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。
その後、ECU70の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
ステップS203において、ECU70は、カソードオフガスの温度Tcが所定温度T2以上であるか否か判定する。所定温度T2は、カソードオフガスの温度Tcが所定温度T2以上である場合、燃料電池スタック10を構成する電解質膜が熱劣化する虞のある温度に設定される。
カソードオフガスの温度Tcは所定温度T2以上であると判定した場合(S203・Yes)、ECU70の処理はステップS205に進む。カソードオフガスの温度Tcは所定温度T2以上でないと判定した場合(S203・No)、ECU70の処理はステップS204に進む。
ステップS204において、ECU70は、冷媒ポンプ41の回転速度を高める。例えば、カソードオフガスの温度TcとステップS203における判定基準である所定温度T2との差が大きくなるにつれて、冷媒ポンプ41の回転速度の増加量を大きくする。
これにより、冷媒ポンプ41から吐出される冷媒の流量が大きくなり、吐出圧が高くなる。したがって、冷媒流路14における冷媒の流量、圧力も大きくなり、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解消できる。
また、ECU70は、ファン44の回転速度を高める。例えば、カソードオフガスの温度TcとステップS203における判定基準である所定温度T2との差が大きくなるにつれて、ファン44の回転速度の増加量を大きくする。
これにより、冷媒ポンプ41の回転速度を高めたことで、エア溜りが押し出され、高温の冷媒が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。
その後、ECU70の処理はリターンに進む。なお、ステップS204の後、ECU70の処理がステップS206に進む構成としてもよい。
ステップS205において、ECU70は、冷媒ポンプ41の回転速度を最大回転速度とする。
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。
また、ECU70は、ファン44の回転速度を最大回転速度とする。
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。
ステップS206において、ECU70は、電力制御器52を制御して燃料電池スタック10の出力する電流を、通常制御時(S202)に対して制限する。例えば、カソードオフガスの温度TcとステップS203における判定基準である所定温度T2との差が大きくなるにつれて、電流の制限量(低下量)を大きくする。これにより、発電に伴う燃料電池スタック10の発熱量が小さくなり、燃料電池スタック10(電解質膜等)の熱劣化が防止される。
その後、ECU70の処理はリターンに進む。
≪変形例≫
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。
前記した実施形態では、図2のステップS101において、冷媒ポンプ41の起動からの起動時間が所定起動時間以上である場合、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例示したが、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。
前記した実施形態では、カソードオフガスの温度Tcと冷媒の温度Twとに基づいて判定する構成を例示したが、その他に例えば、配管24bにアノードオフガスの温度を検出する温度センサを取り付け、アノードオフガスの温度Ta(反応ガスの温度)と冷媒の温度Twとに基づいて判定する構成としてもよい。
前記した実施形態では、カソードオフガスの温度Tcが所定暖機完了温度T1以上となった場合(S101)、燃料電池スタック10の暖機が完了したと判定する構成を例示したが、その他に例えば、冷媒の温度Twがカソードオフガスの温度Tc以上となった場合(Tw≧Tc)、燃料電池スタック10の暖機が完了したと判定する構成としてもよい。なぜなら、燃料電池スタック10の暖機中、一般に冷媒ポンプ41はOFFされ、冷媒の温度Twはカソードオフガスの温度Tcに遅れて上昇するからである。
1 燃料電池システム
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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から請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  5. 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から請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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