JP6850069B2 - 燃料電池車両の熱管理システム及び方法 - Google Patents
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Description
燃料電池スタックは、反応気体の水素と酸素の電気化学反応過程で反応副産物として熱と水を排出するが、燃料電池スタックが最適の出力性能を発揮するためには始動や運転中に燃料電池スタックの温度を最適温度に管理しなければならない。
したがって、始動時は燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させ、運転中は燃料電池スタックの温度を最適温度に維持するために熱管理システムを利用することが必須である。
図1は、燃料電池車両の熱管理システムにおいて、冷却水ループを示す概略図であって、燃料電池車両の熱管理システムは、燃料電池スタック1の発電時に発生する熱を外部に放出するためのラジエーター2、燃料電池スタック1とラジエーター2との間に冷却水が循環するように連結される冷却水循環ライン3、ラジエーター2を通過しないように選択的に冷却水をバイパスするためのバイパスライン4及び三方弁5、冷却水をくみ上げて循環させるためのウォーターポンプ6、スタックのウオーミングアップのために冷却水温度を昇温させるヒータ7を含む。
また、冷却水の電気伝導度を一定水準以下に維持するために、冷却水に存在するイオンをフィルターリングするイオンフィルター(De−Mineralizer、DMN)9が冷却水ループの分岐ライン8に設置される。
一方、車両に搭載される輸送用燃料電池(PEFMC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は運転温度が低いため、大きな放熱面積を有するラジエーターが用いられるが、酷暑期には燃料電池スタックの発熱量に比べてラジエーターの放熱量が足りないという問題がある。
したがって、図2に示すように、スタック出口の冷却水温度が上昇して設定温度に到達する場合、燃料電池の制御ユニット(Fuel Cell Control Unit、FCU)が燃料電池スタックを保護するためにスタックの電流出力を制限してこれ以上冷却水温度が高まることを防止するが、これを高温電流制限という。
このような高温電流制限の頻繁な発生を防止するためには、足りない放熱量を増大しなければならないため、ラジエーターの放熱面積をさらに増加させる方法があるが、これは車両のレイアウトの特性を考慮すると限界がある。
また、高性能/高流量のポンプを用いて放熱性能を極大化することもあるが、スタックの構造上、ポンプを高流量運転してスタックの耐圧水準を超えると、スタックそのものに漏水が発生するという問題があり、ポンプの流量を増やすことも限界がある。
また、燃料電池車両の放熱性能を改善することで、電流制限到達時間の遅延及び制限時間の縮小が可能となり、車両性能及び品質の向上に寄与できる燃料電池車両の熱管理システム及び方法を提供することにその目的がある。
また、イオンフィルターによる冷却水経路を遮断してラジエーターにおける冷却水の流量及び放熱量を増加させるため、高温電流制限モードへの進入頻度を低減することができる。
また、イオンフィルター経路の冷却水を制御することによって燃料電池車両の放熱性能を改善するため、電流制限到達時間の遅延及び制限時間の縮小が可能となり、車両性能及び品質の向上に寄与することができる。
また、電気伝導度が高くない条件では、ラジエーターに流れる冷却水の流量を増加できるため、ウォーターポンプの駆動損失を減らし、燃料電池車両の燃費を向上させることができる。
図3は、本発明の実施例による熱管理システムを示す概略図であって、燃料電池車両の冷却水ループの構成を示す図面であり、図4は、実施例による熱管理システムで弁制御のための構成を示すブロック図である。
図面に示すように、熱管理システムは、燃料電池スタック1の発電時に発生する熱を外部に放出するためのラジエーター2、スタック1とラジエーター2との間に冷却水が循環するように連結される冷却水循環ライン3、ラジエーター2を通過しないように冷却水を選択的にバイパスするためのバイパスライン4及び三方弁5、冷却水を循環させるためのウォーターポンプ6、そして冷却水温度を昇温させるためのヒータ7を含む。
それと共に、分岐ライン8及びイオンフィルター9による冷却水の流れを選択的に遮断するための流動制御弁31をさらに含む。
流動制御弁31は、制御部、すなわち燃料電池制御ユニット(FCU)20の制御信号により作動してイオンフィルター9が設置された分岐ライン8の流路を開閉する電子式制御弁にすることができ、遮断作動時にはイオンフィルター9への冷却水の流入を遮断する位置、すなわち分岐ライン8におけるイオンフィルター9の前端位置に設置される。
また、冷却水状態情報を取得するための状態検出部として冷却水の電気伝導度を検出する電気伝導度センサ11を含み、この電気伝導度センサ11の検出値は燃料電池制御ユニット20に入力される。
燃料電池システムにおいて、安全センサとして、スタックの出口位置、すなわち燃料電池スタック1の冷却水出口マニホールドに電気伝導度センサが設置されているが、別のセンサを加えることなく、既に設置されている電気伝導度センサ11を用いてもよい。
この時、燃料電池制御ユニット20は、検出された電気伝導度が所定の基準値以上の条件で流動制御弁31を開放し、電気伝導度が前記基準値未満の条件では流動制御弁31を遮断するように制御する。
すなわち、冷却水の電気伝導度が基準値に到達して高い状態であれば、流動制御弁31を開放して冷却水がイオンフィルター9を通過するようにし、それによって冷却水の電気伝導度を下げる。
反面、電気伝導度が基準値未満で低い状態であれば、イオンの除去が不要であるため、流動制御弁31を閉じて分岐ライン8及びイオンフィルター9に冷却水が流れないように遮断する。
従来の熱管理システムでは、イオンフィルターを通過する冷却水経路(分岐ライン経路)が常に開放されている構造であったため、スタックとラジエーターとの間を循環する冷却水の一部の量が常にイオンフィルターを通過して循環する構造であった。
また、冷却水の全流量の一定量が常にイオンフィルター経路(分岐ライン経路)に分配されて流れるため、イオンフィルター経路に分配される流量はラジエーターを通過する冷却水の流量から、それだけの流量損失となり、さらにラジエーターにおける放熱量の縮小をもたらす。
したがって、冷却水の電気伝導度を先行研究から検証して所定の基準値未満の条件では冷却水がイオンフィルター経路に分配されないように流動制御弁31を遮断することで、ラジエーター2への流量の損失と放熱量の縮小を防止する。
特に、酷暑期で、ラジエーター2の冷却水の流量及び放熱量の不足によって、冷却水が高温に上昇して車両が高温電流制限モードに進入する頻度を低減することができる。
また、イオンフィルター経路の冷却水制御によって燃料電池車両の放熱性能を改善できるため、電流制限到達時間の遅延及び制限時間の縮小が可能となり、車両性能及び品質の向上に寄与することができる。
具体的には、ラジエーター2への流量及び放熱性能を増大させることによってウォーターポンプ6の運転量を減らし、同じ放熱要求条件で従来に比べてウォーターポンプ6の回転数が低くても、求められる冷却性能を充足させることができる。
このような構成では、燃料電池制御ユニット20は、温度センサ12から検出される冷却水温度が所定の基準温度以上の条件で流動制御弁31を遮断するように制御する。
これは電気伝導度(電気安全性)より、スタックの保護と、電流制限モードの進入頻度の縮小に優先順位をおいたことで、冷却水温度が基準温度に到達する程度では、電流制限モードに直ちに進入せず、冷却水のイオンフィルター経路を優先的に遮断して放熱量を増大させ(冷却水全量をラジエーターに通過)、スタックの温度を下げる過程をまず行う。
もちろん、冷却水の温度が上昇して高温電流制限モードへの進入が予測される条件、すなわち前記基準温度到達条件で冷却水の電気伝導度に関わらず流動制御弁31を遮断作動させるが、冷却水温度が基準温度未満の低温度条件であれば、電気伝導度センサ11から検出された電気伝導度によって流動制御弁31を開閉作動させる制御が行われる。
上述した電気伝導度よりも電流制限頻度の縮小に優先順位をおいている実施例について説明したが、優先順位はその反対にしてもよい。
具体的には、冷却水温度が前記電流制限モード進入設定温度に到達した場合、電流制限モードに進入するようにするが、電流制限モード進入設定温度に到達する前の冷却水温度において、電気伝導度(電気安全性)に優先順位をおいている場合は、電気伝導度が基準値以上であれば、冷却水温度が前記基準温度に到達したとしても燃料電池制御ユニット20が流動制御弁31を開放させる。
もちろん、電気伝導度が基準値未満で、冷却水温度が基準温度に到達した場合であれば、燃料電池制御ユニット20は、放熱量を増加させるために流動制御弁31を遮断してイオンフィルター9への冷却水の流入を防止し、それによって、ラジエーター2への冷却水の流量を増加させる。
2 ラジエーター
3 冷却水循環ライン
4 バイパスライン
5 三方弁
6 ウォーターポンプ
7 ヒータ
8 分岐ライン
9 イオンフィルター
11 電気伝導度センサ
12 温度センサ
20 燃料電池制御ユニット(制御部)
31 流動制御弁
Claims (3)
- 燃料電池スタックで発生する熱を冷却水を用いて外部に放出するためのラジエーターと、
前記冷却水を循環させるためのウォーターポンプと、
前記燃料電池スタックと前記ラジエーターとの間を連結する冷却水循環ラインから分岐された分岐ラインに設置され、前記冷却水を通過させるイオンフィルターと、
冷却水状態情報を検出する状態検出部と、
前記イオンフィルターへの前記冷却水の流れを選択的に遮断するように設けられる流動制御弁と、
前記状態検出部から検出された前記冷却水状態情報によって前記流動制御弁の作動を制御する制御部と、
を含み、
前記状態検出部は、前記燃料電池スタックの出口位置に配され、前記冷却水の電気伝導度を検出する電気伝導度センサを含み、
前記状態検出部は、さらに冷却水温度を検出する温度センサを含み、
前記制御部は、前記電気伝導度センサから検出された前記冷却水の電気伝導度にかかわらず、前記温度センサから検出された前記冷却水温度が所定の基準温度以上の条件で前記冷却水が前記イオンフィルターを通過しないように前記流動制御弁を遮断制御し、前記分岐ライン及び前記流動制御弁が、該流動制御弁を遮断することにより、前記燃料電池スタックに流れる冷却水の流量を増加させ、
前記制御部は、前記冷却水温度が前記基準温度未満の条件で、
前記電気伝導度が所定の基準値未満であれば前記流動制御弁を遮断制御し、
前記電気伝導度が前記基準値以上であれば前記冷却水が前記イオンフィルターを通過するように前記流動制御弁を開放することを特徴とする燃料電池車両の熱管理システム。 - 前記流動制御弁は、前記分岐ラインで前記イオンフィルターの前端位置に設置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池車両の熱管理システム。
- 冷却水がウォーターポンプによって燃料電池スタックとラジエーターとの間の冷却水循環ラインに沿って循環するうちに、状態検出部から冷却水状態情報が検出される過程と、制御部が前記状態検出部から前記検出された前記冷却水状態情報によって流動制御弁の作動を制御する過程と、を含み、
前記流動制御弁は、イオンフィルターへの冷却水の流れを選択的に遮断するように設けられ、
前記状態検出部は、前記燃料電池スタックの出口位置に配され、前記冷却水の電気伝導度を検出する電気伝導度センサを含み、
前記状態検出部は、さらに冷却水温度を検出する温度センサを含み、
前記制御部は、前記電気伝導度センサから検出された前記冷却水の電気伝導度にかかわらず前記温度センサから検出された前記冷却水温度が所定の基準温度以上の条件で前記冷却水が前記イオンフィルターを通過しないように前記流動制御弁を遮断制御し、分岐ライン及び前記流動制御弁が、該流動制御弁を遮断することにより、前記燃料電池スタックに流れる冷却水の流量を増加させ、
前記制御部は、前記冷却水温度が前記基準温度未満の条件で、
前記電気伝導度が所定の基準値未満であれば前記流動制御弁を遮断制御し、
前記電気伝導度が前記基準値以上であれば前記冷却水が前記イオンフィルターを通過するように前記流動制御弁を開放することを特徴とする燃料電池車両の熱管理方法。
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