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JP2004146240A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2004146240A
JP2004146240A JP2002310921A JP2002310921A JP2004146240A JP 2004146240 A JP2004146240 A JP 2004146240A JP 2002310921 A JP2002310921 A JP 2002310921A JP 2002310921 A JP2002310921 A JP 2002310921A JP 2004146240 A JP2004146240 A JP 2004146240A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent rapid the temperature reduction of a fuel cell stack, and suppress the generation of condensed water. <P>SOLUTION: In a fuel cell system in which the fuel cell stack is cooled and heated cooling water is cooled by means of heat radiation in a radiator (cooling device) and circulated to the fuel cell stack, an estimation means 3 of a calorific value of the fuel cell to estimate the calorific value of the fuel cell stack based on the amount of power generation generated in the fuel cell stack and an estimation means 4 of the calorific value to estimate a heat radiation amount in the radiator are installed, and the calorific value in a target amount of power generation required for the fuel cell stack and the heat radiation amount in the radiator are compared. Then, when the heat radiation amount in the radiator is larger than the calorific value in the target amount of power generation by a prescribed amount, the amount of the power generation, in which a corrected power generation amount calculated by a difference between the calorific value and the heat radiation amount is added to the target amount of power generation, is made to be generated in the fuel cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、フラッディングと称される燃料電池セル内での水詰まりを防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び空気を電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【0003】
前記固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。したがって、外部から水分を供給して積極的に固体高分子膜を加湿する必要があり、例えば供給される空気を加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。
【0004】
ただし、運転条件等によっては、加湿された空気に含まれる水分の一部が凝縮して水滴となったり、さらには空気極において生ずる生成水が残留して液滴となり、これらが電極表面に付着して、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル内での水詰まり(いわゆるフラッディング)を引き起こす。フラッディングは、電極表面に付着した水滴によって電極へのガスの拡散が阻害される現象であり、電圧低下や出力低下の原因となる。
【0005】
このようなフラッディングが起こる原因の一つとして、発電量低下の際における燃料電池スタックを冷却する冷却水温度の急激な低下を挙げることができる。冷却水温度が急激に低下し、燃料電池スタック温度が急激に低下すると、燃料電池セル内で凝縮水が生成され、燃料電池セルが水詰まりを起こす。
【0006】
そこで、燃料電池冷却水の急激な温度低下を防止することを狙いとして、燃料電池運転温度を適正運転温度に保持するための技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1に記載される技術では、燃料電池運転温度を適正運転温度に保持するために、燃料電池スタック入口における冷却水温度と燃料電池スタック出口における冷却水温度の差がゼロとなった場合に、冷却水をラジエータをバイパスするとともに、燃料電池スタックの発電の一部を冷却水加熱用ヒータに給電して冷却水を加温している。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−83621号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に記載の従来技術では、燃料電池冷却水を加熱する冷却水加熱用ヒータへの給電条件として、燃料電池スタック入口における冷却水温度と燃料電池スタック出口における冷却水温度の差がゼロとなった場合を判断基準としている。
【0009】
しかしながら、冷却水温度の差に基づいて判断する方式では、冷却水の流量の変動について何ら考慮しておらず、フラッディング対策としては十分なものとは言えない。例えば、冷却水の流量の変動速度は燃料電池スタックの発電量の変動速度に比べて圧倒的に遅く、燃料電池スタックにおいて高出力運転から急激に出力を低下させた場合に、冷却水流量が目標とする流量に到達するまでにある程度の時間を要してしまう。その間に冷却水はラジエータで急激に冷やされ、燃料電池スタックを過剰に冷却してしまう。燃料電池スタックを冷却する冷却水温度が加湿器出口における空気温度、あるいは加湿器入口における純水温度を下回った場合には、燃料電池セル内で凝縮水が生成され、燃料電池セルが水詰まりを起こして高出力を安定して取り出すことができない状態に陥ってしまう可能性がある。
【0010】
また、特許文献1に記載の従来技術では、冷却水を加熱するための冷却水加熱用ヒータが必要であるが、かかる冷却水加熱用ヒータの追加は、燃料電池システムの構造を複雑化する要因となるばかりか、コスト上昇の原因ともなる。
【0011】
本発明は、従来技術の有するこれらの問題を解消することを目的とするものである。すなわち、本発明は、燃料電池スタックにおける発熱量の変化に対して的確に冷却水による冷却を制御することを可能とし、燃料電池スタックの急激な温度低下を防ぎ、凝縮水の生成を抑えることで燃料電池セルの水詰まりを防止することを目的とする。また、それによりシステムの効率向上を図り、燃料電池スタックからの出力を安定化させ、高出力まで安定的に取り出すことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックを冷却して加熱された冷却水を冷却装置における放熱によって冷却して燃料電池スタックへと循環させることを前提とする。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電量に基づいて当該燃料電池スタックの発熱量を推定する発熱量推定手段と、冷却装置での放熱量を推定する放熱量推定手段とを設け、燃料電池スタックに要求される発電量から推定される燃料電池スタックの発熱量と冷却装置での放熱量とを比較する。ここで、燃料電池スタックの発熱量を冷却装置での放熱量が所定量上回っている場合には、例えば、これら発熱量と放熱量との差から補正値を算出し、燃料電池スタックに要求される発電量に前記補正量を加算した発電量を燃料電池スタックで発電させるようにする。
【0013】
また、燃料電池スタックを加湿する加湿器を備える燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックに流入する加湿器出口の空気温度を検出する加湿器出口空気温度検出手段と、燃料電池スタック入口の冷却水温度を検出する燃料電池入口冷却水温度検出手段とを設け、加湿器出口空気温度を基準とした所定範囲を燃料電池スタック入口の冷却水温度が下回っているか否かを補正の要否の判断基準に加えてもよい。この場合には、補正値は、加湿器出口の空気温度から燃料電池スタック入口の冷却水温度と所定量とを差し引いたものに基づいて算出する。
【0014】
燃料電池スタックに要求される発電量に前記補正量を加えた発電量を燃料電池スタックで発電させるようにすれば、燃料電池スタックにおける発熱量が増え、冷却水流量が目標とする流量に到達するまでにある程度の時間を要したとしても、この発熱量の増加によってその間の冷却水温度の低下が抑えられる。したがって、燃料電池スタックの急激な温度低下が防止され、凝縮水の生成が抑制されて燃料電池セルの水詰まりが解消される。
【0015】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックの急激な温度低下を防止することにより凝縮水の生成を防止することができ、燃料電池セルの水詰まりを解消することができる。したがって、燃料電池スタックからの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能である。また、ヒータのような機構部品を追加する必要がなく、制御系の改良のみで対応することが可能であるので、燃料電池システムの構造を複雑化することがなく、コスト上昇を招くこともない。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0017】
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の燃料電池システムの基本構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタックを含む燃料電池発電手段1と、この燃料電池発電手段1に要求される発電量(以下、目標発電量という。)を設定する燃料電池目標発電量演算手段2と、燃料電池発電手段1における燃料電池スタックの発熱量を推定する燃料電池発熱量推定手段3、冷却水を冷却する冷却装置の放熱量を推定する冷却装置放熱量推定手段4と、これらによって推定される発熱量と放熱量とを比較する発熱量・放熱量比較手段5と、この発熱量・放熱量比較手段5の比較結果に基づいて補正量を演算する燃料電池発電補正量演算手段6とから構成されている。また、冷却装置放熱量推定手段4においては、放熱量を推定するための情報源として、車速検出手段7、外気温検出手段8及び冷却装置入口での冷却水温度を検出する冷却装置入口温度検出手段9が設けられている。
【0018】
以上のような構成を有する燃料電池システムにおいては、燃料電池目標発電量演算手段2により運転者からの駆動要求分の発電量及び補機消費分の発電量を加えた目標発電量を演算する。このとき、燃料電池発熱量推定手段3では、この目標発電量に基づいて燃料電池発電手段1における発熱量を推定する。同時に、放熱量推定手段4において、車速検出手段7から出力される車速情報、外気温検出手段8から出力される外気温データ、冷却装置入口温度検出手段9から出力される冷却水温度データに基づいて冷却装置で放熱される放熱量を推定する。
【0019】
そして、燃料電池発熱量推定手段3で推定される発熱量と冷却装置放熱量推定手段4で推定される放熱量とを発熱量・放熱量比較手段5で比較する。その結果、放熱量が発熱量を上回っており、しかもその差が所定量を越えていると判断された場合には、燃料電池発電補正量演算手段6にその情報を送る。燃料電池発電補正量演算手段6では、この情報に基づいて、推定される発熱量と放熱量の差から必要な発電補正量を演算する。演算された発電補正量は燃料電池発電手段1に入力され、燃料電池目標発電量演算手段2で演算される目標発電量に前記発電補正量を加えた発電量を燃料電池スタックで発電させる。
【0020】
以上が本実施形態の燃料電池システムの基本構成であるが、次に、燃料電池発電手段1の具体的構成について説明する。図2及び図3は、本実施形態の燃料電池発電手段1の具体的構成を示すものであり、図2はコントローラ14による出力制御の様子を示し、図3はコントローラ14による冷却制御の様子を示す。なお、このコントローラ14は、燃料電池発電手段1を構成する各部を制御する機能を有すると共に、上述した燃料電池目標発電量演算手段2、燃料電池発熱量推定手段3、冷却装置放熱量推定手段4、発熱量・放熱量比較手段5、燃料電池発電補正量演算手段6としての機能も有している。すなわち、上述した燃料電池目標発電量演算手段2、燃料電池発熱量推定手段3、冷却装置放熱量推定手段4、発熱量・放熱量比較手段5、燃料電池発電補正量演算手段6は、具体的にはコントローラ14として実現されている。
【0021】
先ず、図2に示すように、燃料電池発電手段1は、燃料電池スタック11と、この燃料電池スタック11に燃料である水素(あるいは水素リッチガス)を供給する燃料供給系、酸化剤(空気)を供給する空気供給系からなり、燃料電池スタック11からの出力により駆動ユニット12が駆動されるようになっている。燃料電池スタック11には、燃料電池セル、あるいは燃料電池セル群の電圧を検出するセル電圧検出装置13が設けられており、更には、このセル電圧検出装置13からの出力等を取り込み、内蔵された制御ソフトウエアに基づいて各種アクチュエータの駆動を制御するコントローラ14が設けられている。
【0022】
燃料電池スタック11は、水素が供給される燃料極と酸素(空気)が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【0023】
燃料電池スタック11の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池スタック11においては水を供給して加湿することが必要になる。
【0024】
燃料供給系は、高圧水素タンク21、可変バルブ22、エゼクタ23、水素供給配管24、水素循環配管25からなる。そして、水素供給源である高圧水素タンク21から供給される水素ガスは、可変バルブ22及びエゼクタ23を通って水素供給配管24へと送り込まれ、加湿器15において加湿された後、燃料電池スタック11の燃料極に供給される。加湿器15には、加湿用純水経路16及び純水ポンプ17が設けられており、純水の流量や温度等によって水素ガスの加湿量が制御される。
【0025】
燃料電池スタック11では供給された水素ガスは全て消費されるわけではなく、残った水素ガス(燃料電池スタック11から排出される水素ガス)が、水素循環配管25を通ってエゼクタ23により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック11の燃料極に供給される。なお、燃料電池スタック11の出口側には、パージ弁26及びパージ配管27が設けられている。水素循環配管25内には水素を循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池11の効率が低下する場合もある。そこで、燃料電池スタック11の出口側にパージ弁26やパージ配管27を設けることで、水素循環配管25内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。
【0026】
また、燃料供給系においては、水素供給配管24の中途部に水素圧力センサ28及び水素流量センサ29が設けられており、燃料電池スタック11の燃料極に供給される水素の圧力がこれらによってモニターされている。
【0027】
空気供給系は、空気を送り込むコンプレッサ31、空気供給配管32、及びスロットル33によって構成されている。コンプレッサ31によって供給される酸化剤としての空気は、水素ガスと同様、加湿器15を通って空気供給配管32より燃料電池スタック11の空気極に供給される。燃料電池スタック11で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池スタック11からスロットル33を介して排出される。
【0028】
この空気供給系においても、空気供給配管32の中途部に空気圧力センサ34及び空気流量センサ35が設けられており、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力や流量がこれらによってモニターされている。
【0029】
図2に示す燃料電池発電手段1においては、コンプレッサ31で空気が圧縮されて加湿器15へ送られる。加湿器15では、純水ポンプ17によって供給された純水により空気が加湿され、加湿された空気は燃料電池スタック11へ送り込まれる。燃料供給系では、可変バルブ22で流量を制御して、燃料電池スタック11の燃料極(水素極)圧力を所望の値とする。また、エゼクタ23で還流水素と合流し、次に加湿器15へ送られる。加湿器15では、空気と同様に純水ポンプ17によって供給された純水により水素が加湿され、加湿された水素は燃料電池スタック11へ送り込まれる。
【0030】
燃料電池スタック11では、送り込まれた空気と水素とを反応させて発電を行い、電流(電力)を車両の駆動ユニット12へ供給する。燃料電池スタック11で反応に使用した残りの空気は、燃料電池スタック11外へ排出される。このとき、スロットル33で圧力制御が行われる。また、反応に使用した残りの水素はやはり燃料電池スタック11外へ排出されるが、エゼクタ23によって加湿器15の上流へ還流され、発電に再利用される。
【0031】
燃料電池スタック11の運転に際しては、燃料電池スタック11の入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ34、空気流量を検出する空気流量センサ35、水素圧力を検出する水素圧力センサ28、水素流量を検出する水素流量センサ29、及びセル電圧検出装置13からの出力がコントローラ14によってモニターされ、各検出値がコントローラ14で読み込まれる。コントローラ14では、読み込んだ各検出値が、そのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるようにコンプレッサ31、スロットル33、可変バルブ22を制御する。同時に、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池スタック11から駆動ユニット12へ取り出す出力(電流値)を指令する。
【0032】
上述の燃料電池発電手段1においては、以上の構成に加えて、図3に示すように燃料電池スタック11を冷却するための冷却手段が設けられており、コントローラ14が、この冷却手段の制御も行うようになっている。
【0033】
固体高分子電解質型の燃料電池スタック11は、適正な作動温度が60℃〜100℃程度と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。したがって、燃料電池発電手段1においては、燃料電池スタック11を冷却する冷却機構が設けられている。この冷却機構は、冷媒を燃料電池スタック11に循環する冷却水循環配管41を有し、冷却水により燃料電池スタック11を冷却し、これを最適な温度に維持する。
【0034】
冷却機構の冷却水循環配管41内には、ラジエータファン43を有するラジエータ(冷却装置)42が設けられており、燃料電池スタック11の冷却により加熱された冷却水は、ここで冷却される。また、冷却水循環配管41は、三方弁44及び三方弁45によって分岐され、ラジエータ42と並列にバイパス配管46が設けられている。このバイパス配管46を流れる冷却水の流量は、三方弁44及び三方弁45を調整することにより制御される。
【0035】
以上のような冷却機構において、燃料電池スタック11で発生した熱は、冷却水循環配管41を流れる冷却水によって持ち去られ、ラジエータ42で外部に放出される。冷却水循環配管41のラジエータ42設置位置よりも下流には、熱交換器47が設置されており、加湿器15に循環される加湿用の純水と冷却水循環配管41を流れる冷却水との間で必要に応じて熱交換が行われる。
【0036】
この冷却機構においては、燃料電池スタック11入口の冷却水温度を検出する温度センサ51、燃料電池スタック11出口の冷却水温度を検出する温度センサ52、ラジエータ42入口の冷却水温度を検出する温度センサ53、ラジエータ42出口の冷却水温度を検出する温度センサ54が設置されている。また、空気供給系には燃料電池スタック11入口の空気温度を検出する温度センサ55が、加湿系には加湿器15入口の純水温度を検出する温度センサ56がそれぞれ設置されている。
【0037】
コントローラ14は、これら温度センサ51〜56で検出される検出温度に基づいて冷却機構の制御を行い、更には燃料電池発電手段1における発電量の補正を行う。すなわち、燃料電池スタック11の発熱量とラジエータ42での放熱量とを比較し、燃料電池発熱量に対しラジエータ放熱量が所定量以上上回っている場合には、その差から発熱補正量を演算し、目標発電量に加算して燃料電池スタック11を発電させる。以下、本実施形態における燃料電池システムの運転フローについて説明する。
【0038】
図4は、燃料電池システムの運転フローにおけるメインフローを示すものである。このメインフローに示す処理内容は、燃料電池スタック11の運転開始時より所定時間毎(例えば10ms毎)に実行される。
【0039】
燃料電池システムの運転に際しては、先ず、燃料電池スタック11の発電量を基にその発熱量を推定する(ステップS1)。それとともに、ラジエータ42での放熱量を推定する(ステップS2)。そして、ステップS1とステップS2で推定したそれぞれの結果に基づいて、ラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量を所定量以上上回っているか否かを判定する(ステップS3)。ここで、ラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量を所定量以上上回っている場合には、ラジエータ42での放熱量から燃料電池スタック11の発熱量と所定量とを差し引いたものを発熱補正量として演算する(ステップS4)。また、ラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量を所定量以上上回っていない場合には、発熱補正量をゼロとする(ステップS5)。
【0040】
次いで、ステップS4あるいはステップS5での演算結果に基づいて、発熱補正量を実現するのに必要な発電量を演算する(ステップS6)。そして、ステップS6での演算結果に基づいて、発熱補正量に相当する発電量を目標発電量に加算し(ステップS7)、この加算した発電量を燃料電池スタック11に発電させる(ステップS8)。
【0041】
なお、以上のフローにおいて、目標とする発電量における発熱量をラジエータ(冷却装置)42での放熱量が所定量上回っている場合には、ラジエータ42の冷却能力を上げる装置であるラジエータファン43の能力を低下させることが好ましい。
【0042】
ここで、以上のメインフローのステップS1における燃料電池スタック11の発熱量を推定する処理について、図5に示すフロチャートを用いて説明する。
【0043】
燃料電池スタック11の発熱量を推定するには、運転者からの駆動要求分に補機消費分を加えた燃料電池スタック11の目標発電量を演算し(ステップS11)、予め実験等により燃料電池スタック11の目標発電量と発熱量との関係を求めておいて、その関係をもとに燃料電池スタック11の発熱量を推定する(ステップS12)。
【0044】
あるいは、例えば、図3に示す燃料電池発電手段1において、温度センサ51,52から検出した燃料電池スタック11入口の冷却水温度と燃料電池スタック11出口の冷却水温度、冷却水の比熱、冷却水流量、冷却水比重量から燃料電池スタック11の発熱量を推定することも可能である。その他、燃料電池スタック11の内容積、水素圧力・温度から燃料電池スタック11内に流入している水素のモル数を算出し、それらが全て発電量に置き換わったとして演算される理想発電量と目標発電量との差を求め、この値から発熱量を算出することにより、燃料電池スタック11の発熱量を推定することも可能である。
【0045】
次に、上述したメインフローのステップS2におけるラジエータ42での放熱量を推定する処理について、図6のフロチャートを用いて説明する。
【0046】
ラジエータ42での放熱量の推定に際しては、外気温検出手段8、車速検出手段7から外気温と車速とを検出し(ステップS21)、更に温度センサ53からラジエータ42入口での冷却水温度を検出する(ステップ22)。一方、予め実験等によりラジエータ42の放熱特性を求めておき、その放熱特性に基づいて、ステップS21及びステップS22で検出した外気温、車速、ラジエータ42入口での冷却水温度及びラジエータファン43の回転数からラジエータ42での放熱量を推定する(ステップS23)。
【0047】
ここで、放熱量の推定に、温度センサ53により検出されたラジエータ入口の冷却水温度の代わりに、温度センサ52で検出された燃料電池スタック11出口の冷却水温度を用いることも可能である。ただし、この場合には、冷却水循環配管41の燃料電池スタック11出口からラジエータ42入口までの配管で行われる外気温との熱交換分と冷却水流量とから求まる燃料電池スタック11出口からラジエータ42入口までの冷却水到達時間を考慮する必要がある。
【0048】
ラジエータ42での放熱量の推定方法としては、それ以外に、例えば、外気温、車速、ラジエータ42入口での冷却水温度、燃料電池スタック11の冷却水流量、温度センサ54から検出されるラジエータ42出口での冷却水温度、冷却水比重量から演算することも可能である。
【0049】
最後に、上述したメインフローのステップS4における発熱補正量の演算方法について説明する。
【0050】
この発熱補正量の演算に際しては、予め実験等により、ある燃料電池スタック11の発熱量Aに対しラジエータ42での放熱量を様々に変更した場合に、燃料電池セルが水詰まりを起こすことなく安定して出力を取り出すことができるラジエータ42での放熱量Bを求めておく。ここで、ラジエータ放熱量B−燃料電池スタック発熱量A=所定量Cとし、上述したメインフローのステップS1及びステップS2により推定された燃料電池スタック11の発熱量A′とラジエータ42での放熱量B′とを比較したときに、燃料電池スタック11の発熱量A′に対しラジエータ42での放熱量B′が所定量C′以上上回った場合には、(ラジエータ放熱量B′−(燃料電池スタック発熱量A′+所定量C′))×(所定割合X/100)=発熱補正量とすることで、発熱補正量を算出する。
【0051】
図7は、ラジエータ42での放熱量−所定量を燃料電池スタック11の発熱量が下回った場合の補正の様子を示すものである。減速により燃料電池スタック11の発電量が低化すると、燃料電池スタック11の発熱量が急激に低下する。このとき、ラジエータ42での放熱量は、通過風速低下分の低下はあるものの、燃料電池スタック11の発熱量の低下に比べると緩やかである。したがって、燃料電池スタック11の発熱量は、ラジエータ42での放熱量−所定量のラインを下回る。そこで、上述したフローに従って燃料電池スタック11での発電量に補正を加える。その結果、発熱補正量を加えた燃料電池スタック11の発熱量はラジエータ42での放熱量−所定量のラインを越えるレベルに維持されることになる。
【0052】
図8は、ラジエータ42での放熱量−所定量を燃料電池スタック11の発熱量が上回った場合の様子を示すものである。この場合には、燃料電池スタック11の発電量が低化した後、燃料電池スタック11の発熱量は補正を加えなくともラジエータ42での放熱量−所定量のラインを上回っている。したがって、この場合には、発熱補正量をゼロとして、補正は行わない。
【0053】
以上のように、本実施形態では、燃料電池スタック11の発熱量とラジエータ42での放熱量とを推定し、ラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量を所定量以上上回っている場合には、目標発電量に放熱量と発熱量の差から演算する補正量を加えた発電量を燃料電池スタック11で発電させるようにしているので、冷却水の急激な温度低下を防止することができ、これにより燃料電池スタック11の急激な温度低下を抑制できる。したがって、燃料電池セルでの水詰まりを有効に抑制して、燃料電池スタック11からの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能となる。
【0054】
(第2の実施形態)
本実施形態は、燃料電池スタック11の発熱量と、ラジエータ42での放熱量とを比較し、燃料電池スタック11の発熱量に対しラジエータ42での放熱量が所定量以上上回っている場合で、且つ、加湿器15出口空気温度を基準として燃料電池スタック11入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っている場合は、その差から発熱補正量を演算し、この発熱補正量に相当する発電量を目標発電量に加算して燃料電池スタック11に発電させるものである。燃料電池発電手段1の構成は、図2及び図3に示す第1の実施形態のものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【0055】
図9は、本実施形態の燃料電池システムにおける運転フローを示すものである。本実施形態では、先ず、燃料電池スタック11の発熱量を推定し(ステップS31)、更にラジエータ42での放熱量を推定する(ステップS32)。そして、ステップS31及びステップS32で推定したそれぞれの結果に基づいて、ラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量を所定量以上上回っているか否かを判定する(ステップS33)。ここで、ラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量を所定量以上上回っている場合には、更に加湿器15出口の空気温度が燃料電池スタック11入口の冷却水温度を所定量以上上回っているか否かを判定する(ステップS34)。
【0056】
加湿器15出口の空気温度が燃料電池スタック11入口の冷却水温度を所定量以上上回っている場合には、加湿器15出口の空気温度から燃料電池スタック11入口の冷却水温度と所定量を差し引いたものを発熱補正量として演算する(ステップS35)。また、ステップS33でラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量を所定量以上上回っていないと判定された場合、あるいはステップS34で加湿器15出口の空気温度が燃料電池スタック11入口の冷却水温度を所定量以上上回っていないと判定された場合には、発熱補正量をゼロとする(ステップS36)。
【0057】
次いで、ステップS35あるいはステップS36での演算結果に基づいて、発熱補正量を実現するのに必要な発電量を演算する(ステップS37)。そして、ステップS37での演算結果に基づいて、発熱補正量に相当する発電量を目標発電量に加算し(ステップS38)、この加算した発電量を燃料電池スタック11に発電させる(ステップS39)。
【0058】
ここで、以上のフローのステップS37における発熱補正量の演算方法について説明する。先の第1の実施形態におけるステップS4と同様に、予め実験等により、ラジエータ42での放熱量が燃料電池スタック11の発熱量に所定量を加えたものを上回った場合について、ある加湿器15出口の空気温度Dに対し燃料電池スタック11入口冷却水温度を様々に変更した場合に、燃料電池セルが水詰まりを起こすことなく安定して出力を取り出すことができる燃料電池スタック11入口冷却水温度Eを求めておく。ここで、加湿器出口空気温度D−燃料電池スタック入口冷却水温度E=所定量Fとし、温度センサ55と温度センサ51から検出した加湿器15出口の空気温度D′と燃料電池スタック11入口の冷却水温度E′から、(加湿器出口空気温度D′−(燃料電池入口冷却水温度E′+所定量F′))×所定割合=発熱補正量とすることで、発熱補正量を算出する。
【0059】
なお、温度センサ55により検出された加湿器15出口空気温度は、温度センサ56により検出された加湿器15入口純水温度とほぼ等価であることを利用し、加湿器15出口空気温度を加湿器15入口純水温度に置き換えて、上記演算を実現することも可能である。このように加湿器15出口空気温度に相当する加湿器15入口純水温度を温度検出媒体として使用した場合には、その分、システムコストを抑えることができる。
【0060】
図10は、ラジエータ42での放熱量−所定量が燃料電池スタック11の発熱量を上回り、加湿器15出口空気温度を基準として燃料電池スタック11入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っている場合の補正の様子を示すものである。減速により燃料電池スタック11の発電量が低化すると、燃料電池スタック11の発熱量が急激に低下する。このとき、ラジエータ42での放熱量は、通過風速低下分の低下はあるものの、燃料電池スタック11の発熱量の低下に比べると緩やかである。したがって、燃料電池スタック11の発熱量は、ラジエータ42での放熱量−所定量のラインを下回る。このとき、燃料電池スタック11入口冷却水温度も急激に低下しており、加湿器15出口空気温度−所定量のラインを下回っている。そこで、上述したフローに従って燃料電池スタック11での発電量に補正を加える。その結果、発熱補正量を加えた燃料電池スタック11の発熱量はラジエータ42での放熱量−所定量のラインを越えるレベルに維持されることになる。
【0061】
図11は、ラジエータ42での放熱量−所定量を燃料電池スタック11の発熱量が下回っているが、加湿器15出口空気温度を基準として燃料電池スタック11入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っていない場合の様子を示すものである。この場合には、燃料電池スタック11入口冷却水温度が加湿器15出口空気温度−所定量のラインを下回っていないので、発熱補正量をゼロとして、補正は行わない。
【0062】
本実施形態によれば、加湿器15出口空気温度を基準とした所定範囲を燃料電池スタック11入口冷却水温度が下回っている場合で、燃料電池スタック11の発熱量をラジエータ42での放熱量が所定量上回っている場合に、補正量を加えた発電量を燃料電池スタック11で発電させるようにしているので、燃料電池スタック11の入口付近における凝縮水の生成を有効に防止することができる。したがって、燃料電池セルでの水詰まりを有効に抑制して、燃料電池スタック11からの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能となる。
【0063】
(第3の実施形態)
本実施形態は、発電補正量分をバッテリ充電や他の電気負荷によって消費させるものである。燃料電池システムの構成や燃料電池システムの運転フローは、先の第1の実施形態と同じであるが、本実施形態ではコントローラ14がバッテリの充電状態を検出する機能(バッテリ充電状態検出手段)を有している。
【0064】
本実施形態の処理内容を図12に示すフローチャートに基づき説明する。本実施形態では、先ず、先の図4に示すメインフローのステップS6において必要な発熱補正量から演算される発電補正量を参照し、発電補正量の有無を判定する(ステップS41)。そして、発電補正量がゼロ以上である場合には、バッテリ充電状態が上限値にあるか否かの判定をし(ステップS42)、バッテリ充電状態が上限値を下回っている場合には、発電補正量分をバッテリに充電して対応する(ステップS43)。また、ステップS42でバッテリ充電状態が上限値にあると判定された場合には、発電補正量を電気負荷、例えば空気を供給するためのコンプレッサ31で消費することにより対応する(ステップS44)。なお、ステップS41において発電補正量がゼロであると判定された場合には、そのまま処理を終了する。
【0065】
本実施形態によれば、バッテリ充電状態を検出し、バッテリ充電状態が上限値に達していない場合で、燃料電池スタック11の発熱量をラジエータ42での放熱量が所定量上回っている場合には、これら放熱量と発熱量との差から演算する補正量相当分の燃料電池スタック11の発電量をバッテリに充電することにより、燃料の有効利用を図ることができる。また、バッテリ充電状態が上限値に達している場合で、燃料電池スタック11の発熱量をラジエータ42での放熱量が所定量上回っている場合には、これら放熱量と発熱量との差から演算する補正量相当分の燃料電池スタック11の発電量をコンプレッサ31等の電気負荷で消費することにより、冷却水の急激な低下を効果的に防止することができる。
【0066】
(第4の実施形態)
本実施形態は、ラジエータ42を通過する冷却水とバイパス配管42を通過する冷却水の流量を制御するとともに、ラジエータ42を通過した冷却水を燃料電池スタック11を加湿するための加湿水と熱交換器47で熱交換させた後、バイパス配管42を通過した冷却水に混入することにより、加湿器15出口空気温度を基準とした所定範囲を燃料電池スタック11入口の冷却水温度が上回るようにそれぞれの流量を制御するものである。燃料電池システムの構成や燃料電池システムの運転フローは、先の第2の実施形態と基本的に同じである。
【0067】
本実施形態の処理内容を図13に示すフローチャートに基づき説明する。本実施形態では、先ず、先の第2の実施形態のフローチャート(図9)におけるステップS34と同様の判定を行い(ステップS51)、その結果、加湿器15出口空気温度に対し燃料電池スタック11入口冷却水温度が所定量Fを下回っている場合には、三方弁(流量制御手段)44,45を所定量Gだけ開けることにより、ラジエータ42を通過し加湿用純水と熱交換するため熱交換器47に入る流量と、ラジエータ42をバイパスする流量とを制御する(ステップS52)。逆に、加湿器15出口空気温度に対し燃料電池スタック11入口冷却水温度が上回っている場合には、三方弁44,45を所定量Hだけ閉じることにより、ラジエータ42を通過し加湿用純水と熱交換するため熱交換器47に入る流量と、ラジエータ42をバイパスする流量を制御する(ステップS53)。
【0068】
ここで、以上のフローのステップS52における三方弁44,45の開度を演算する方法の一例について説明する。例えば、所定開度Gを任意定数として、(加湿器出口空気温度−(燃料電池入口冷却水温度+所定量F))×所定開度G=三方弁開度とすることにより、三方弁44,45の開度を演算することができる。また、その他、冷却水温度・流量と加湿用純水温度・流量とから熱交換器47での熱交換分を考慮して、三方弁44,45の開度を演算する方法等もある。
【0069】
更に、上述したフローのステップS53における三方弁44,45の開度を演算する方法の一例について説明すると、この場合にも、例えば、ステップS52の場合と同様に、所定開度Hを任意定数として、(加湿器出口空気温度−(燃料電池入口冷却水温度+所定量F))×所定開度H=三方弁開度とすることにより、三方弁44,45の開度を演算することができる。また、その他の演算方法についても、ステップS52の場合と同様である。
【0070】
本実施形態においては、三方弁44,45の開度を制御することによって、ラジエータ42とこのラジエータ42をバイパスするためのバイパス配管46のそれぞれを通過する冷却水流量を制御し、ラジエータ42を通過することで低温となった冷却水と、燃料電池スタック11に流入する空気を加湿するための加湿用純水とを熱交換器47において熱交換させた後に、ラジエータ42及び熱交換器47を通過した冷却水をバイパス配管46を通過した冷却水に混入させている。ここで、燃料電池スタック11入口冷却水温度と加湿器15出口空気温度との関係が、加湿器15出口空気温度を基準とした所定範囲を冷却水温度が上回るような関係となるようにバイパス配管46を通過する冷却水流量を制御することで、加湿用純水温度と燃料電池スタック11入口冷却水温度との関係を、加湿用純水温度<燃料電池スタック11入口冷却水温度に保つことができる。したがって、燃料電池スタック11の入口付近における凝縮水の生成を有効に防止でき、燃料電池セルでの水詰まりを有効に抑制して、燃料電池スタック11からの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。
【図2】前記燃料電池システムが備える燃料電池発電手段の構成例を示す図である。
【図3】前記燃料電池発電手段に冷却機構を組み込んだ状態を示す図である。
【図4】第1の実施形態における燃料電池システムの運転フローを示すフローチャートである。
【図5】燃料電池スタックの発熱量を推定する処理の流れを示すフローチャートである。
【図6】ラジエータでの放熱量を推定する処理の流れを示すフローチャートである。
【図7】ラジエータでの放熱量−所定量を燃料電池スタックの発熱量が下回った場合の補正の様子を示す図である。
【図8】ラジエータでの放熱量−所定量を燃料電池スタックの発熱量が下回らなかった場合を示す図である。
【図9】第2の実施形態における燃料電池システムの運転フローを示すフローチャートである。
【図10】ラジエータでの放熱量−所定量が燃料電池スタックの発熱量を上回り、加湿器出口空気温度を基準として燃料電池スタック入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っている場合の補正の様子を示す図である。
【図11】ラジエータでの放熱量−所定量を燃料電池スタックの発熱量が下回っているが、加湿器出口空気温度を基準として燃料電池入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っていない場合の様子を示す図である。
【図12】第3の実施形態における燃料電池システムにおいて、発電補正量を消費させる処理の流れを示すフローチャートである。
【図13】第4の実施形態における燃料電池システムにおいて、バイパス配管を通過する冷却水の流量を制御する処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池発電手段
2 燃料電池目標発電量演算手段
3 燃料電池発熱量推定手段
4 放熱量推定手段
6 燃料電池発電補正量演算手段
7 車速検出手段
8 外気温検出手段
9 冷却水冷却装置入口温度検出手段
11 燃料電池スタック
14 コントローラ
15 加湿器
31 コンプレッサ
41 冷却水循環配管
42 ラジエータ
43 ラジエータファン
46 バイパス配管
47 熱交換器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack, and more particularly to a technique for preventing water clogging in a fuel cell called flooding.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency has attracted attention as a countermeasure against environmental problems in recent years, in particular, problems such as air pollution caused by automobile exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide. 2. Description of the Related Art A fuel cell is an energy conversion system that supplies hydrogen or a hydrogen-rich reformed gas and air as a fuel to an electrolyte-electrode catalyst composite, causes an electrochemical reaction, and converts chemical energy into electric energy. Above all, solid polymer electrolyte fuel cells using solid polymer membranes as electrolytes are low-cost, easy to make compact, and have a high output density, so they are used as power sources for mobiles such as automobiles. Is expected.
[0003]
In the solid polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer membrane not only functions as an ion conductive electrolyte by being saturated with water, but also has a function of separating hydrogen and oxygen. If the water content of the solid polymer membrane is insufficient, the ionic resistance will increase, and hydrogen and oxygen will be mixed, making it impossible to generate power as a fuel cell. Therefore, it is necessary to supply moisture from the outside and actively humidify the solid polymer film. For example, some humidifying means such as humidifying the supplied air is provided.
[0004]
However, depending on the operating conditions, part of the moisture contained in the humidified air may condense into water droplets, or water generated at the air electrode may remain and become droplets, which may adhere to the electrode surface. As a result, water clogging (so-called flooding) in the fuel cells constituting the fuel cell stack is caused. Flooding is a phenomenon in which the diffusion of gas to the electrode is inhibited by water droplets attached to the electrode surface, and causes a voltage drop and a power drop.
[0005]
One of the causes of such flooding is a sharp drop in the temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack when the amount of power generation is reduced. When the temperature of the cooling water rapidly decreases and the temperature of the fuel cell stack rapidly decreases, condensed water is generated in the fuel cell, and the fuel cell is clogged with water.
[0006]
Therefore, a technique for maintaining the fuel cell operating temperature at an appropriate operating temperature has been proposed with the aim of preventing a rapid decrease in the temperature of the fuel cell cooling water (for example, see Patent Document 1). According to the technique described in Patent Document 1, in order to maintain the fuel cell operating temperature at an appropriate operating temperature, the difference between the cooling water temperature at the fuel cell stack inlet and the cooling water temperature at the fuel cell stack outlet becomes zero. In addition, the cooling water bypasses the radiator, and a part of the power generation of the fuel cell stack is supplied to the cooling water heating heater to heat the cooling water.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-83621
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the prior art described in Patent Document 1, as a power supply condition to a cooling water heating heater for heating fuel cell cooling water, a difference between a cooling water temperature at a fuel cell stack inlet and a cooling water temperature at a fuel cell stack outlet is zero. The judgment is made based on the case that the condition has been met.
[0009]
However, the method of making a determination based on the difference in cooling water temperature does not consider fluctuations in the flow rate of cooling water at all, and cannot be said to be sufficient as a flood countermeasure. For example, the fluctuation speed of the flow rate of the cooling water is extremely slower than the fluctuation speed of the power generation amount of the fuel cell stack, and when the output of the fuel cell stack is rapidly decreased from the high output operation, the cooling water flow rate becomes the target. It takes a certain amount of time to reach the flow rate. During that time, the cooling water is rapidly cooled by the radiator, and excessively cools the fuel cell stack. When the temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack falls below the air temperature at the humidifier outlet or the temperature of pure water at the humidifier inlet, condensed water is generated in the fuel cell, and the fuel cell becomes clogged with water. There is a possibility that a high output cannot be taken out stably.
[0010]
Further, in the related art described in Patent Document 1, a cooling water heating heater for heating the cooling water is required. However, the addition of the cooling water heating heater is a factor that complicates the structure of the fuel cell system. Not only that, but it also increases costs.
[0011]
An object of the present invention is to solve these problems of the prior art. That is, the present invention makes it possible to accurately control the cooling by the cooling water with respect to the change in the amount of heat generated in the fuel cell stack, to prevent a rapid temperature drop of the fuel cell stack, and to suppress the generation of condensed water. An object of the present invention is to prevent water clogging of a fuel cell. It is another object of the present invention to improve the efficiency of the system, stabilize the output from the fuel cell stack, and provide a fuel cell system capable of stably extracting a high output.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention is based on the premise that the cooling water heated by cooling the fuel cell stack is cooled by heat radiation in the cooling device and circulated to the fuel cell stack. In such a fuel cell system, a heat generation amount estimating unit that estimates a heat generation amount of the fuel cell stack based on a power generation amount of the fuel cell stack, and a heat radiation amount estimation unit that estimates a heat radiation amount in the cooling device are provided. The calorific value of the fuel cell stack estimated from the power generation amount required for the fuel cell stack is compared with the heat radiation amount of the cooling device. Here, when the heat release amount of the cooling device exceeds the heat release amount of the fuel cell stack by a predetermined amount, for example, a correction value is calculated from the difference between the heat release amount and the heat release amount, and the correction value is requested to the fuel cell stack. The power generation amount obtained by adding the correction amount to the generated power amount is generated by the fuel cell stack.
[0013]
Further, in a fuel cell system including a humidifier for humidifying the fuel cell stack, a humidifier outlet air temperature detecting means for detecting an air temperature at a humidifier outlet flowing into the fuel cell stack, and a cooling water temperature at a fuel cell stack inlet. And a fuel cell inlet cooling water temperature detecting means for detecting whether or not the cooling water temperature at the fuel cell stack inlet falls below a predetermined range based on the humidifier outlet air temperature. May be added. In this case, the correction value is calculated based on a value obtained by subtracting the cooling water temperature at the fuel cell stack inlet and a predetermined amount from the air temperature at the humidifier outlet.
[0014]
If the power generation amount obtained by adding the correction amount to the power generation amount required for the fuel cell stack is generated by the fuel cell stack, the heat generation amount in the fuel cell stack increases, and the cooling water flow reaches the target flow rate. Even if a certain amount of time is required until this, the increase in the amount of generated heat suppresses a decrease in the temperature of the cooling water during that time. Therefore, a rapid decrease in the temperature of the fuel cell stack is prevented, the generation of condensed water is suppressed, and water clogging of the fuel cell is eliminated.
[0015]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of condensed water can be prevented by preventing the rapid temperature fall of a fuel cell stack, and the water clogging of a fuel cell can be eliminated. Therefore, the output from the fuel cell stack can be stabilized, and a high output can be stably taken out. In addition, since it is not necessary to add a mechanical component such as a heater and it is possible to cope with it only by improving the control system, the structure of the fuel cell system is not complicated, and the cost does not increase. .
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell power generation unit 1 including a fuel cell stack and a fuel cell target power generation amount for setting a power generation amount (hereinafter, referred to as a target power generation amount) required for the fuel cell power generation unit 1. A calculating means 2, a fuel cell calorific value estimating means 3 for estimating a calorific value of the fuel cell stack in the fuel cell power generating means 1, a cooling device heat radiation amount estimating means 4 for estimating a heat radiation amount of a cooling device for cooling the cooling water, A calorific value / radiation amount comparing means 5 for comparing the calorific value and the heat radiation amount estimated by these, and a fuel cell power generation correction amount calculation for computing a correction amount based on a comparison result of the calorific value / radiation amount comparing means 5 Means 6. The cooling device heat radiation amount estimating means 4 includes a vehicle speed detecting means 7, an outside air temperature detecting means 8, and a cooling device inlet temperature detecting device for detecting a cooling water temperature at a cooling device inlet as information sources for estimating the heat radiation amount. Means 9 are provided.
[0018]
In the fuel cell system having the above configuration, the fuel cell target power generation amount calculation means 2 calculates the target power generation amount by adding the power generation amount for the drive request from the driver and the power generation amount for the auxiliary equipment consumption. At this time, the fuel cell heat generation amount estimating means 3 estimates the heat generation amount in the fuel cell power generation means 1 based on the target power generation amount. At the same time, the heat radiation amount estimating means 4 is based on the vehicle speed information outputted from the vehicle speed detecting means 7, the outside air temperature data outputted from the outside air temperature detecting means 8, and the cooling water temperature data outputted from the cooling device inlet temperature detecting means 9. To estimate the amount of heat radiated by the cooling device.
[0019]
Then, the calorific value estimated by the fuel cell calorific value estimating means 3 and the heat radiation amount estimated by the cooling device heat radiation amount estimating means 4 are compared by the calorific value / radiation amount comparing means 5. As a result, when it is determined that the amount of heat radiation exceeds the amount of heat generation and that the difference exceeds a predetermined amount, the information is sent to the fuel cell power generation correction amount calculating means 6. The fuel cell power generation correction amount calculating means 6 calculates a required power generation correction amount from the difference between the estimated heat generation amount and the heat release amount based on this information. The calculated power generation correction amount is input to the fuel cell power generation means 1, and the fuel cell stack generates power by adding the power generation correction amount to the target power generation amount calculated by the fuel cell target power generation amount calculation means 2.
[0020]
The above is the basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. Next, the specific configuration of the fuel cell power generation means 1 will be described. 2 and 3 show a specific configuration of the fuel cell power generation means 1 of the present embodiment. FIG. 2 shows a state of output control by the controller 14, and FIG. 3 shows a state of cooling control by the controller 14. Show. The controller 14 has a function of controlling each part constituting the fuel cell power generation means 1 and also has the above-described fuel cell target power generation amount calculation means 2, fuel cell calorific value estimating means 3, cooling device heat radiation amount estimating means 4 It also has a function as a calorific value / radiation amount comparing means 5 and a fuel cell power generation correction amount calculating means 6. That is, the above-described fuel cell target power generation amount calculation means 2, fuel cell heat generation amount estimation means 3, cooling device heat radiation amount estimation means 4, heat generation / heat radiation amount comparison means 5, and fuel cell power generation correction amount calculation means 6 are specifically described. Are implemented as a controller 14.
[0021]
First, as shown in FIG. 2, the fuel cell power generation means 1 includes a fuel cell stack 11, a fuel supply system for supplying hydrogen (or hydrogen-rich gas) as fuel to the fuel cell stack 11, and an oxidant (air). The air supply system supplies air, and the drive unit 12 is driven by the output from the fuel cell stack 11. The fuel cell stack 11 is provided with a cell voltage detecting device 13 for detecting the voltage of a fuel cell or a group of fuel cells, and further incorporates the output from the cell voltage detecting device 13 and is built in. A controller 14 for controlling the driving of various actuators based on the control software is provided.
[0022]
The fuel cell stack 11 has a structure in which power generation cells in which a fuel electrode to which hydrogen is supplied and an air electrode to which oxygen (air) is supplied are stacked with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween are multi-tiered, The chemical energy is converted into electric energy by an electrochemical reaction. At the fuel electrode, when hydrogen is supplied, hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons generate electric power through an external circuit and move to the air electrode. At the air electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and the electrons to produce water, which is discharged to the outside.
[0023]
As the electrolyte of the fuel cell stack 11, for example, a solid polymer electrolyte is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water. In the case of 11, it is necessary to supply water and humidify.
[0024]
The fuel supply system includes a high-pressure hydrogen tank 21, a variable valve 22, an ejector 23, a hydrogen supply pipe 24, and a hydrogen circulation pipe 25. Then, the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 21 as the hydrogen supply source is sent to the hydrogen supply pipe 24 through the variable valve 22 and the ejector 23, and is humidified in the humidifier 15, and then the fuel cell stack 11 Is supplied to the fuel electrode. The humidifier 15 is provided with a pure water path 16 for humidification and a pure water pump 17, and the humidification amount of hydrogen gas is controlled by the flow rate and temperature of the pure water.
[0025]
Not all the supplied hydrogen gas is consumed in the fuel cell stack 11, and the remaining hydrogen gas (hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 11) is circulated by the ejector 23 through the hydrogen circulation pipe 25, The hydrogen gas is mixed with the newly supplied hydrogen gas and supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 11 again. A purge valve 26 and a purge pipe 27 are provided on the outlet side of the fuel cell stack 11. Impurities, nitrogen, and the like are accumulated in the hydrogen circulation pipe 25 by circulating hydrogen, which may lower the hydrogen partial pressure and reduce the efficiency of the fuel cell 11 in some cases. Therefore, by providing a purge valve 26 and a purge pipe 27 on the outlet side of the fuel cell stack 11, impurities, nitrogen and the like can be removed from the hydrogen circulation pipe 25.
[0026]
In the fuel supply system, a hydrogen pressure sensor 28 and a hydrogen flow sensor 29 are provided in the middle of the hydrogen supply pipe 24, and the pressure of hydrogen supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 11 is monitored by these. ing.
[0027]
The air supply system includes a compressor 31 for feeding air, an air supply pipe 32, and a throttle 33. The air as the oxidant supplied by the compressor 31 is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 11 from the air supply pipe 32 through the humidifier 15 similarly to the hydrogen gas. Oxygen not consumed in the fuel cell stack 11 and other components in the air are discharged from the fuel cell stack 11 through the throttle 33.
[0028]
Also in this air supply system, an air pressure sensor 34 and an air flow sensor 35 are provided in the middle of the air supply pipe 32, and the pressure and flow rate of the air supplied to the fuel cell stack 11 are monitored by these. .
[0029]
In the fuel cell power generation means 1 shown in FIG. 2, air is compressed by the compressor 31 and sent to the humidifier 15. In the humidifier 15, the air is humidified by pure water supplied by the pure water pump 17, and the humidified air is sent to the fuel cell stack 11. In the fuel supply system, the flow rate is controlled by the variable valve 22 to set the fuel electrode (hydrogen electrode) pressure of the fuel cell stack 11 to a desired value. In addition, the ejector 23 merges with the reflux hydrogen, and is then sent to the humidifier 15. In the humidifier 15, hydrogen is humidified by pure water supplied by a pure water pump 17 like air, and the humidified hydrogen is sent to the fuel cell stack 11.
[0030]
The fuel cell stack 11 reacts the supplied air with hydrogen to generate electric power, and supplies electric current (electric power) to the drive unit 12 of the vehicle. The remaining air used for the reaction in the fuel cell stack 11 is discharged out of the fuel cell stack 11. At this time, pressure control is performed by the throttle 33. The remaining hydrogen used for the reaction is also discharged to the outside of the fuel cell stack 11, but is returned to the upstream of the humidifier 15 by the ejector 23 and reused for power generation.
[0031]
When the fuel cell stack 11 is operated, an air pressure sensor 34 for detecting the air pressure at the inlet of the fuel cell stack 11, an air flow sensor 35 for detecting the air flow rate, a hydrogen pressure sensor 28 for detecting the hydrogen pressure, and a hydrogen flow rate are detected. The output from the hydrogen flow sensor 29 and the cell voltage detector 13 is monitored by the controller 14, and each detected value is read by the controller 14. The controller 14 controls the compressor 31, the throttle 33, and the variable valve 22 so that each of the read detection values becomes a predetermined target value determined from the target power generation amount at that time. At the same time, an output (current value) to be taken out from the fuel cell stack 11 to the drive unit 12 is instructed in accordance with the pressure and flow rate actually realized with respect to the target value.
[0032]
In the fuel cell power generation means 1 described above, in addition to the above configuration, a cooling means for cooling the fuel cell stack 11 is provided as shown in FIG. 3, and the controller 14 also controls the cooling means. Is supposed to do it.
[0033]
The solid polymer electrolyte type fuel cell stack 11 has a relatively low operating temperature of about 60 ° C. to 100 ° C., and needs to be cooled when overheated. Therefore, the fuel cell power generation means 1 is provided with a cooling mechanism for cooling the fuel cell stack 11. The cooling mechanism has a cooling water circulation pipe 41 that circulates a refrigerant to the fuel cell stack 11, cools the fuel cell stack 11 with the cooling water, and maintains the cooling cell at an optimum temperature.
[0034]
A radiator (cooling device) 42 having a radiator fan 43 is provided in the cooling water circulation pipe 41 of the cooling mechanism, and the cooling water heated by cooling the fuel cell stack 11 is cooled here. The cooling water circulation pipe 41 is branched by a three-way valve 44 and a three-way valve 45, and a bypass pipe 46 is provided in parallel with the radiator 42. The flow rate of the cooling water flowing through the bypass pipe 46 is controlled by adjusting the three-way valve 44 and the three-way valve 45.
[0035]
In the above-described cooling mechanism, heat generated in the fuel cell stack 11 is carried away by the cooling water flowing through the cooling water circulation pipe 41 and is released outside by the radiator 42. A heat exchanger 47 is provided downstream of the radiator 42 installation position of the cooling water circulation pipe 41, between the pure water for humidification circulated through the humidifier 15 and the cooling water flowing through the cooling water circulation pipe 41. Heat exchange is performed as needed.
[0036]
In this cooling mechanism, a temperature sensor 51 for detecting the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11, a temperature sensor 52 for detecting the temperature of the cooling water at the outlet of the fuel cell stack 11, and a temperature sensor for detecting the temperature of the cooling water at the inlet of the radiator 42 53, a temperature sensor 54 for detecting the temperature of the cooling water at the outlet of the radiator 42 is provided. Further, a temperature sensor 55 for detecting the air temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 is provided in the air supply system, and a temperature sensor 56 for detecting the pure water temperature at the inlet of the humidifier 15 is installed in the humidifier.
[0037]
The controller 14 controls the cooling mechanism based on the temperatures detected by the temperature sensors 51 to 56, and further corrects the amount of power generated by the fuel cell power generation means 1. That is, the heat generation amount of the fuel cell stack 11 is compared with the heat radiation amount of the radiator 42. If the heat radiation amount of the radiator exceeds the heat generation amount of the fuel cell by a predetermined amount or more, the heat generation correction amount is calculated from the difference. Then, the fuel cell stack 11 generates power by adding the target power generation amount. Hereinafter, an operation flow of the fuel cell system according to the present embodiment will be described.
[0038]
FIG. 4 shows a main flow in the operation flow of the fuel cell system. The processing content shown in this main flow is executed every predetermined time (for example, every 10 ms) from the start of operation of the fuel cell stack 11.
[0039]
When operating the fuel cell system, first, the calorific value of the fuel cell stack 11 is estimated based on the power generation amount of the fuel cell stack 11 (step S1). At the same time, the amount of heat radiation from the radiator 42 is estimated (step S2). Then, based on the respective results estimated in steps S1 and S2, it is determined whether or not the amount of heat radiated by the radiator 42 exceeds the amount of heat generated by the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more (step S3). Here, when the heat release amount of the radiator 42 exceeds the heat generation amount of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more, the heat release amount of the fuel cell stack 11 and the predetermined amount are subtracted from the heat release amount of the radiator 42. Is calculated as the heat generation correction amount (step S4). If the amount of heat radiation from the radiator 42 does not exceed the amount of heat generated by the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more, the amount of heat generation correction is set to zero (step S5).
[0040]
Next, based on the calculation result in step S4 or step S5, a power generation amount required to realize the heat generation correction amount is calculated (step S6). Then, based on the calculation result in step S6, the power generation amount corresponding to the heat generation correction amount is added to the target power generation amount (step S7), and the added power generation amount is generated by the fuel cell stack 11 (step S8).
[0041]
In the above flow, when the amount of heat generated by the radiator (cooling device) 42 exceeds the heat generation amount at the target power generation amount by a predetermined amount, the radiator fan 43, which is a device for increasing the cooling capacity of the radiator 42, is used. It is preferred to reduce the capacity.
[0042]
Here, the process of estimating the calorific value of the fuel cell stack 11 in step S1 of the main flow will be described with reference to a flowchart shown in FIG.
[0043]
In order to estimate the heat generation amount of the fuel cell stack 11, a target power generation amount of the fuel cell stack 11 is calculated by adding an auxiliary machine consumption amount to a drive request amount from a driver (step S11), and the fuel cell stack is subjected to an experiment or the like in advance. The relationship between the target power generation amount of the stack 11 and the calorific value is determined, and the calorific value of the fuel cell stack 11 is estimated based on the relationship (step S12).
[0044]
Alternatively, for example, in the fuel cell power generation means 1 shown in FIG. 3, the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11, the cooling water temperature at the outlet of the fuel cell stack 11, the specific heat of the cooling water, and the cooling water detected by the temperature sensors 51 and 52. The calorific value of the fuel cell stack 11 can be estimated from the flow rate and the specific weight of the cooling water. In addition, the number of moles of hydrogen flowing into the fuel cell stack 11 is calculated from the internal volume of the fuel cell stack 11, the hydrogen pressure and the temperature, and the ideal power generation amount and the target calculated assuming that all of them are replaced by the power generation amount. It is also possible to estimate the calorific value of the fuel cell stack 11 by calculating the difference from the amount of power generation and calculating the calorific value from this value.
[0045]
Next, the process of estimating the amount of heat radiation in the radiator 42 in step S2 of the main flow described above will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0046]
When estimating the heat radiation amount in the radiator 42, the outside air temperature and the vehicle speed are detected from the outside air temperature detecting means 8 and the vehicle speed detecting means 7 (step S21), and the cooling water temperature at the inlet of the radiator 42 is further detected from the temperature sensor 53. (Step 22). On the other hand, the heat radiation characteristics of the radiator 42 are determined in advance by experiments or the like, and based on the heat radiation characteristics, the outside air temperature, the vehicle speed, the cooling water temperature at the inlet of the radiator 42, and the rotation of the radiator fan 43 detected in steps S21 and S22. The heat radiation amount in the radiator 42 is estimated from the number (step S23).
[0047]
Here, the cooling water temperature at the outlet of the fuel cell stack 11 detected by the temperature sensor 52 can be used for estimating the heat radiation amount, instead of the cooling water temperature at the radiator inlet detected by the temperature sensor 53. However, in this case, from the fuel cell stack 11 outlet to the radiator 42 inlet, which is obtained from the amount of heat exchange between the fuel cell stack 11 and the radiator 42 in the cooling water circulation pipe 41 from the outside air temperature and the flow rate of the cooling water. It is necessary to consider the time to reach the cooling water until.
[0048]
Other methods for estimating the amount of heat radiation in the radiator 42 include, for example, the outside air temperature, the vehicle speed, the cooling water temperature at the inlet of the radiator 42, the cooling water flow rate of the fuel cell stack 11, and the radiator 42 detected from the temperature sensor 54. It is also possible to calculate from the cooling water temperature at the outlet and the cooling water specific weight.
[0049]
Finally, a method of calculating the heat generation correction amount in step S4 of the main flow described above will be described.
[0050]
In the calculation of the heat generation correction amount, when the heat release amount of the radiator 42 is variously changed with respect to the heat generation amount A of a certain fuel cell stack 11 by an experiment or the like, the fuel cell is stable without water clogging. Then, the heat radiation amount B of the radiator 42 from which the output can be taken out is obtained. Here, radiator heat release amount B−fuel cell stack heat release amount A = predetermined amount C, and the heat release amount A ′ of the fuel cell stack 11 and the heat release amount of the radiator 42 estimated in steps S1 and S2 of the main flow described above. Compared with B ′, when the heat radiation amount B ′ of the radiator 42 exceeds the heat generation amount A ′ of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount C ′ or more, (radiator heat radiation amount B ′ − (fuel cell The heat generation correction amount is calculated by setting the stack heat generation amount A ′ + the predetermined amount C ′)) × (the predetermined ratio X / 100) = the heat generation correction amount.
[0051]
FIG. 7 shows a state of correction when the heat generation amount of the fuel cell stack 11 is smaller than the heat release amount of the radiator 42 minus the predetermined amount. When the power generation amount of the fuel cell stack 11 decreases due to the deceleration, the calorific value of the fuel cell stack 11 rapidly decreases. At this time, the amount of heat radiated by the radiator 42 is moderate compared to the decrease in the amount of heat generated by the fuel cell stack 11, although the amount of heat passing through the radiator 42 decreases. Therefore, the calorific value of the fuel cell stack 11 is lower than the line of the amount of heat radiated by the radiator 42 minus the predetermined amount. Therefore, the power generation amount in the fuel cell stack 11 is corrected according to the above-described flow. As a result, the calorific value of the fuel cell stack 11 to which the calorific value has been added is maintained at a level exceeding the line of the radiator 42 minus the amount of heat radiation.
[0052]
FIG. 8 shows a state in which the heat release amount of the fuel cell stack 11 exceeds the heat release amount of the radiator 42 minus the predetermined amount. In this case, after the power generation amount of the fuel cell stack 11 is reduced, the heat generation amount of the fuel cell stack 11 exceeds the line of the heat release amount of the radiator 42 minus the predetermined amount without any correction. Therefore, in this case, the correction is not performed with the heat generation correction amount set to zero.
[0053]
As described above, in the present embodiment, the heat release amount of the fuel cell stack 11 and the heat release amount of the radiator 42 are estimated, and the heat release amount of the radiator 42 exceeds the heat release amount of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more. In this case, the fuel cell stack 11 generates power by adding a correction amount calculated from a difference between the heat release amount and the heat generation amount to the target power generation amount, so that a rapid temperature drop of the cooling water can be prevented. As a result, a rapid decrease in the temperature of the fuel cell stack 11 can be suppressed. Therefore, water clogging in the fuel cell unit can be effectively suppressed, the output from the fuel cell stack 11 can be stabilized, and a high output can be stably taken out.
[0054]
(Second embodiment)
The present embodiment compares the amount of heat generated by the fuel cell stack 11 with the amount of heat radiated by the radiator 42. In the case where the amount of heat radiated by the radiator 42 exceeds the amount of heat generated by the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more, If the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11 falls below a predetermined range with reference to the temperature of the air at the outlet of the humidifier 15, a heat generation correction amount is calculated from the difference, and the power generation amount corresponding to the heat generation correction amount is calculated. Is added to the target power generation amount to cause the fuel cell stack 11 to generate power. The configuration of the fuel cell power generation means 1 is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 2 and 3, and the description thereof is omitted here.
[0055]
FIG. 9 shows an operation flow in the fuel cell system of the present embodiment. In the present embodiment, first, the heat generation amount of the fuel cell stack 11 is estimated (step S31), and the heat radiation amount of the radiator 42 is further estimated (step S32). Then, based on the respective results estimated in step S31 and step S32, it is determined whether or not the heat radiation amount of the radiator 42 exceeds the heat generation amount of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more (step S33). Here, when the amount of heat radiated by the radiator 42 exceeds the calorific value of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more, the air temperature at the outlet of the humidifier 15 further raises the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more. It is determined whether or not it exceeds (step S34).
[0056]
If the air temperature at the outlet of the humidifier 15 is higher than the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more, the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 and the predetermined amount are subtracted from the air temperature at the outlet of the humidifier 15. The calculated value is calculated as a heat generation correction amount (step S35). Further, when it is determined in step S33 that the heat radiation amount in the radiator 42 does not exceed the heat generation amount of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount or more, or in step S34, the air temperature at the outlet of the humidifier 15 If it is determined that the cooling water temperature is not higher than the predetermined amount, the heat generation correction amount is set to zero (step S36).
[0057]
Next, based on the calculation result in step S35 or S36, the amount of power generation required to realize the heat generation correction amount is calculated (step S37). Then, based on the calculation result in step S37, the power generation amount corresponding to the heat generation correction amount is added to the target power generation amount (step S38), and the added power generation amount is generated by the fuel cell stack 11 (step S39).
[0058]
Here, a method of calculating the heat generation correction amount in step S37 of the above flow will be described. Similar to step S4 in the first embodiment, a certain humidifier 15 may be used in a case where the amount of heat radiated by the radiator 42 exceeds a value obtained by adding a predetermined amount to the amount of heat generated by the fuel cell stack 11 through experiments or the like in advance. When the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11 is variously changed with respect to the air temperature D at the outlet, the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11 can stably take out the output without causing water clogging of the fuel cells. Find E. Here, humidifier outlet air temperature D-fuel cell stack inlet cooling water temperature E = predetermined amount F, air temperature D ′ at humidifier 15 outlet detected by temperature sensor 55 and temperature sensor 51, and fuel cell stack 11 inlet From the cooling water temperature E ′, the heat generation correction amount is calculated by setting (humidifier outlet air temperature D ′ − (fuel cell inlet cooling water temperature E ′ + predetermined amount F ′)) × predetermined ratio = heat generation correction amount. .
[0059]
The humidifier 15 outlet air temperature detected by the temperature sensor 55 is substantially equivalent to the humidifier 15 inlet pure water temperature detected by the temperature sensor 56. It is also possible to realize the above calculation by substituting the 15 inlet pure water temperature. If the temperature of the pure water at the inlet of the humidifier 15 corresponding to the air temperature at the outlet of the humidifier 15 is used as the temperature detection medium, the system cost can be reduced accordingly.
[0060]
FIG. 10 shows that the amount of heat released by the radiator 42-the predetermined amount exceeds the heat generation amount of the fuel cell stack 11, and the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 falls below a predetermined range based on the air temperature at the outlet of the humidifier 15. 9 shows a state of correction in the case. When the power generation amount of the fuel cell stack 11 decreases due to the deceleration, the calorific value of the fuel cell stack 11 rapidly decreases. At this time, the amount of heat radiated by the radiator 42 is moderate compared to the decrease in the amount of heat generated by the fuel cell stack 11, although the amount of heat passing through the radiator 42 decreases. Therefore, the calorific value of the fuel cell stack 11 is lower than the line of the amount of heat radiated by the radiator 42 minus the predetermined amount. At this time, the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11 is also rapidly decreasing, and is lower than the line of the humidifier 15 outlet air temperature minus a predetermined amount. Therefore, the power generation amount in the fuel cell stack 11 is corrected according to the above-described flow. As a result, the calorific value of the fuel cell stack 11 to which the calorific value has been added is maintained at a level exceeding the line of the radiator 42 minus the amount of heat radiation.
[0061]
FIG. 11 shows that the heat generation amount of the fuel cell stack 11 is lower than the heat release amount of the radiator 42-the predetermined amount, but the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 exceeds the predetermined range based on the humidifier 15 outlet air temperature. This shows a situation in which it does not fall below. In this case, since the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 11 is not lower than the line of the humidifier 15 air temperature minus the predetermined amount, the heat generation correction amount is set to zero and no correction is performed.
[0062]
According to the present embodiment, when the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 is lower than a predetermined range based on the air temperature at the outlet of the humidifier 15, the amount of heat generated by the fuel cell stack 11 is reduced by the amount of heat radiated by the radiator 42. When the amount exceeds the predetermined amount, the power generation amount to which the correction amount is added is generated by the fuel cell stack 11, so that the generation of condensed water near the inlet of the fuel cell stack 11 can be effectively prevented. Therefore, water clogging in the fuel cell unit can be effectively suppressed, the output from the fuel cell stack 11 can be stabilized, and a high output can be stably taken out.
[0063]
(Third embodiment)
In the present embodiment, the power generation correction amount is consumed by battery charging or other electric loads. Although the configuration of the fuel cell system and the operation flow of the fuel cell system are the same as those in the first embodiment, in this embodiment, the controller 14 has a function of detecting the state of charge of the battery (battery state detecting means). Have.
[0064]
The processing contents of this embodiment will be described based on the flowchart shown in FIG. In the present embodiment, first, the presence or absence of the power generation correction amount is determined by referring to the power generation correction amount calculated from the necessary heat generation correction amount in step S6 of the main flow shown in FIG. 4 (step S41). If the power generation correction amount is equal to or greater than zero, it is determined whether the battery charge state is at the upper limit (step S42). If the battery charge state is lower than the upper limit, power generation correction is performed. The corresponding amount is charged to the battery (step S43). If it is determined in step S42 that the state of charge of the battery is at the upper limit value, the power generation correction amount is consumed by the electric load, for example, the compressor 31 for supplying air (step S44). If it is determined in step S41 that the power generation correction amount is zero, the process ends.
[0065]
According to the present embodiment, when the battery charge state is detected and the battery charge state has not reached the upper limit value, and when the heat release amount of the radiator 42 exceeds the heat generation amount of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount, By charging the battery with the power generation amount of the fuel cell stack 11 corresponding to the correction amount calculated from the difference between the heat release amount and the heat generation amount, the fuel can be effectively used. When the battery charge state has reached the upper limit value and the heat release amount of the radiator 42 exceeds the heat release amount of the fuel cell stack 11 by a predetermined amount, calculation is performed based on the difference between the heat release amount and the heat release amount. By consuming the power generation amount of the fuel cell stack 11 corresponding to the correction amount to be used by the electric load such as the compressor 31, it is possible to effectively prevent a rapid decrease in the cooling water.
[0066]
(Fourth embodiment)
The present embodiment controls the flow rates of the cooling water passing through the radiator 42 and the cooling water passing through the bypass pipe 42, and exchanges the cooling water passing through the radiator 42 with humidifying water for humidifying the fuel cell stack 11. After the heat exchange in the heater 47, the coolant is mixed with the cooling water passed through the bypass pipe 42 so that the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 exceeds a predetermined range based on the air temperature at the humidifier 15 outlet. Is to control the flow rate. The configuration of the fuel cell system and the operation flow of the fuel cell system are basically the same as those of the second embodiment.
[0067]
The processing content of this embodiment will be described based on the flowchart shown in FIG. In the present embodiment, first, the same determination as step S34 in the flowchart (FIG. 9) of the second embodiment is performed (step S51). As a result, the humidifier 15 outlet air temperature is compared with the fuel cell stack 11 inlet When the cooling water temperature is lower than the predetermined amount F, the three-way valves (flow control means) 44 and 45 are opened by the predetermined amount G to pass through the radiator 42 and exchange heat with pure water for humidification. The flow rate entering the vessel 47 and the flow rate bypassing the radiator 42 are controlled (step S52). Conversely, when the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 is higher than the air temperature at the outlet of the humidifier 15, the three-way valves 44 and 45 are closed by a predetermined amount H to pass through the radiator 42 and pass through the humidifying pure water. The flow rate entering the heat exchanger 47 and the flow rate bypassing the radiator 42 are controlled (Step S53).
[0068]
Here, an example of a method of calculating the opening degrees of the three-way valves 44 and 45 in step S52 of the above flow will be described. For example, by setting the predetermined opening G as an arbitrary constant, (the humidifier outlet air temperature− (fuel cell inlet cooling water temperature + the predetermined amount F)) × the predetermined opening G = the three-way valve opening, the three-way valve 44, 45 can be calculated. In addition, there is a method of calculating the degree of opening of the three-way valves 44 and 45 from the temperature and flow rate of the cooling water and the temperature and flow rate of the pure water for humidification in consideration of the amount of heat exchange in the heat exchanger 47.
[0069]
Further, an example of a method for calculating the opening of the three-way valves 44 and 45 in step S53 of the above-described flow will be described. In this case as well, for example, as in the case of step S52, the predetermined opening H is set to an arbitrary constant. , (Humidifier outlet air temperature− (fuel cell inlet cooling water temperature + predetermined amount F)) × predetermined opening H = three-way valve opening, whereby the opening of three-way valves 44 and 45 can be calculated. . The other calculation methods are the same as in the case of step S52.
[0070]
In the present embodiment, by controlling the degree of opening of the three-way valves 44 and 45, the flow rate of the cooling water passing through the radiator 42 and the bypass pipe 46 for bypassing the radiator 42 is controlled, and the flow rate of the cooling water passing through the radiator 42 is controlled. Then, the heat exchange between the cooling water, which has been cooled to a low temperature, and the pure water for humidification for humidifying the air flowing into the fuel cell stack 11, passes through the radiator 42 and the heat exchanger 47. The obtained cooling water is mixed with the cooling water that has passed through the bypass pipe 46. Here, the bypass piping is set such that the relationship between the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 and the air temperature at the outlet of the humidifier 15 is such that the cooling water temperature exceeds a predetermined range based on the air temperature at the humidifier 15 outlet. By controlling the flow rate of the cooling water passing through 46, the relationship between the pure water temperature for humidification and the cooling water temperature at the inlet of the fuel cell stack 11 can be maintained such that the temperature of the pure water for humidifying <the cooling water temperature at the fuel cell stack 11 inlet. it can. Therefore, generation of condensed water near the inlet of the fuel cell stack 11 can be effectively prevented, water clogging in the fuel cell can be effectively suppressed, and the output from the fuel cell stack 11 can be stabilized. It is possible to take out the output stably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a fuel cell power generation means provided in the fuel cell system.
FIG. 3 is a diagram showing a state in which a cooling mechanism is incorporated in the fuel cell power generation means.
FIG. 4 is a flowchart illustrating an operation flow of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a flow of a process of estimating a calorific value of the fuel cell stack.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a flow of a process of estimating a heat radiation amount in a radiator.
FIG. 7 is a diagram showing a state of correction when a heat generation amount of the fuel cell stack is lower than a heat radiation amount of the radiator minus a predetermined amount.
FIG. 8 is a diagram showing a case where the heat release amount of the fuel cell stack does not fall below a predetermined amount by a heat release amount of the radiator.
FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation flow of the fuel cell system according to the second embodiment.
FIG. 10 shows the amount of heat released from the radiator—correction when the predetermined amount exceeds the heat generation amount of the fuel cell stack and the temperature of the cooling water at the fuel cell stack inlet falls below a predetermined range with reference to the humidifier outlet air temperature. It is a figure showing a situation.
FIG. 11 shows a case where the heat release amount of the fuel cell stack is lower than the heat radiation amount in the radiator-predetermined amount, but the fuel cell inlet cooling water temperature is not lower than a predetermined range based on the humidifier outlet air temperature. It is a figure showing a situation.
FIG. 12 is a flowchart illustrating a flow of a process of consuming a power generation correction amount in the fuel cell system according to the third embodiment.
FIG. 13 is a flowchart illustrating a flow of a process for controlling a flow rate of cooling water passing through a bypass pipe in the fuel cell system according to the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell power generation means
2 Fuel cell target power generation amount calculation means
3 Fuel cell calorific value estimation means
4 Radiation amount estimation means
6 Fuel cell power generation correction amount calculation means
7 Vehicle speed detection means
8 Outside temperature detection means
9 Cooling water cooling device inlet temperature detection means
11 Fuel cell stack
14 Controller
15 Humidifier
31 Compressor
41 Cooling water circulation piping
42 radiator
43 Radiator fan
46 Bypass piping
47 heat exchanger

Claims (16)

燃料電池スタックを冷却して加熱された冷却水を冷却装置における放熱によって冷却して前記燃料電池スタックへと循環させる燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの発電量に基づいて当該燃料電池スタックの発熱量を推定する発熱量推定手段と、
前記冷却装置での放熱量を推定する放熱量推定手段とを備え、
前記燃料電池スタックに要求される発電量に基づき前記発熱量推定手段により推定された発熱量を、前記放熱量推定手段により推定された放熱量が所定量以上上回っている場合には、前記要求される発電量に補正量を加算した発電量を前記燃料電池スタックで発電させることを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system for cooling a fuel cell stack and cooling the heated cooling water by heat radiation in a cooling device and circulating the cooled water to the fuel cell stack,
A calorific value estimating means for estimating a calorific value of the fuel cell stack based on a power generation amount of the fuel cell stack;
A heat radiation amount estimating means for estimating a heat radiation amount in the cooling device,
If the heat release amount estimated by the heat release amount estimating unit exceeds the heat release amount estimated by the heat release amount estimating unit based on the power generation amount required for the fuel cell stack by a predetermined amount or more, the request is issued. A fuel cell system characterized in that a power generation amount obtained by adding a correction amount to a power generation amount is generated by the fuel cell stack.
前記補正値は、前記発熱量推定手段により推定された発熱量と、前記放熱量推定手段により推定された放熱量との差に基づいて算出す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。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the correction value is calculated based on a difference between a heat value estimated by the heat value estimating unit and a heat amount estimated by the heat amount estimating unit. 3. system. 前記燃料電池スタックが搭載される車両の速度を検出する車速検出手段と、
外気温を検出する外気温検出手段と、
前記冷却装置に流入する冷却水の温度を検出する冷却水冷却装置入口温度検出手段とを更に備え、
前記放熱量推定手段は、前記車速検出手段からの出力と、前記外気温検出手段からの出力と、前記冷却水冷却装置入口温度検出手段からの出力とに基づいて前記冷却装置での放熱量を推定することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
Vehicle speed detection means for detecting the speed of a vehicle on which the fuel cell stack is mounted,
An outside air temperature detecting means for detecting an outside air temperature;
A cooling water cooling device inlet temperature detecting means for detecting a temperature of cooling water flowing into the cooling device,
The heat radiation amount estimating unit calculates a heat radiation amount in the cooling device based on an output from the vehicle speed detecting unit, an output from the outside air temperature detecting unit, and an output from the cooling water cooling device inlet temperature detecting unit. The fuel cell system according to claim 1, wherein the estimation is performed.
前記燃料電池スタックを加湿する加湿器と、
前記燃料電池スタックに流入する前記加湿器出口の空気温度を検出する加湿器出口空気温度検出手段と、
前記燃料電池スタック入口の冷却水温度を検出する燃料電池入口冷却水温度検出手段とを更に備え、
前記加湿器出口空気温度検出手段により検出された温度を基準とした所定範囲を、前記燃料電池入口冷却水温度検出手段により検出された温度が下回っている場合で、且つ、前記燃料電池スタックに要求される発電量に基づき前記発熱量推定手段により推定された発熱量を、前記放熱量推定手段により推定された放熱量が所定量以上上回っている場合に、前記要求される発電量に補正量を加算した発電量を前記燃料電池スタックで発電させることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池システム。
A humidifier for humidifying the fuel cell stack;
Humidifier outlet air temperature detecting means for detecting the air temperature of the humidifier outlet flowing into the fuel cell stack,
A fuel cell inlet cooling water temperature detecting means for detecting a cooling water temperature at the fuel cell stack inlet,
When the temperature detected by the fuel cell inlet cooling water temperature detecting means is lower than a predetermined range based on the temperature detected by the humidifier outlet air temperature detecting means, and a request is issued to the fuel cell stack. The heat generation amount estimated by the heat generation amount estimating means based on the generated electric power amount, and when the heat radiation amount estimated by the heat radiation amount estimating means exceeds a predetermined amount or more, a correction amount is added to the required power generation amount. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the added power generation amount is generated by the fuel cell stack.
前記補正値は、前記加湿器出口空気温度検出手段により検出された温度から前記燃料電池入口冷却水温度検出手段により検出された温度と所定量とを差し引いたものに基づいて算出することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。The correction value is calculated based on a value obtained by subtracting a predetermined amount from the temperature detected by the fuel cell inlet cooling water temperature detecting means from the temperature detected by the humidifier outlet air temperature detecting means. The fuel cell system according to claim 4, wherein 前記補正量相当の発電分によりバッテリを充電することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein a battery is charged by a power generation amount corresponding to the correction amount. 前記バッテリの充電状態を検出するバッテリ充電状態検出手段を更に備え、
前記バッテリ充電状態検出手段により検出されたバッテリ充電状態が上限に達していない場合に、前記補正量相当の発電分により前記バッテリを充電することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
The battery further includes a battery state-of-charge detecting means for detecting a state of charge of the battery,
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein when the battery state of charge detected by the battery state of charge detection unit does not reach the upper limit, the battery is charged by the amount of power generation corresponding to the correction amount. 8.
前記バッテリ充電状態検出手段により検出されたバッテリ充電状態が上限に達している場合には、前記補正量相当の発電分を電気負荷により消費することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。8. The fuel cell system according to claim 7, wherein when the battery state of charge detected by the battery state of charge detection unit has reached an upper limit, the amount of power generation corresponding to the correction amount is consumed by an electric load. . 前記電気負荷は、前記燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサであることを特徴とする請求項8記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 8, wherein the electric load is a compressor that supplies air to the fuel cell stack. 前記冷却装置をバイパスするバイパス経路を設けて前記冷却水を分流し、
前記冷却装置を通過した冷却水を前記燃料電池スタックを加湿するための加湿水と熱交換器で熱交換させた後、前記バイパス経路を通過した冷却水に混入することを特徴とする請求項4乃至9の何れかに記載の燃料電池システム。
Providing a bypass path that bypasses the cooling device to divide the cooling water,
The cooling water that has passed through the cooling device is heat-exchanged with humidifying water for humidifying the fuel cell stack in a heat exchanger, and then mixed with the cooling water that has passed through the bypass path. 10. The fuel cell system according to any one of claims 9 to 9.
前記冷却装置を通過する冷却水の流量と前記バイパス経路を通過する冷却水の流量とを制御する流量制御手段を更に備え、
前記冷却装置を通過した冷却水を前記燃料電池スタックを加湿するための加湿水と熱交換器で熱交換させた後、前記バイパス経路を通過した冷却水に混入することにより、前記加湿器出口空気温度を基準とした所定範囲を前記燃料電池スタック入口の冷却水温度が上回るように、前記流量制御手段がそれぞれの冷却水の流量を制御することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池システム。
Flow rate control means for controlling the flow rate of the cooling water passing through the cooling device and the flow rate of the cooling water passing through the bypass path,
After the cooling water that has passed through the cooling device is heat-exchanged with humidifying water for humidifying the fuel cell stack in a heat exchanger, the humidifier outlet air is mixed with the cooling water that has passed through the bypass path. The fuel cell system according to claim 10, wherein the flow rate control means controls the flow rate of each cooling water so that the cooling water temperature at the fuel cell stack inlet exceeds a predetermined range based on the temperature. .
前記冷却水冷却装置入口温度検出手段が前記冷却装置の入口から離間して設けられている場合、前記冷却水冷却装置入口温度検出手段が設けられている位置から前記冷却装置の入口までの配管における熱交換分を演算して、前記冷却装置に流入する冷却水の温度を推定することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。When the cooling water cooling device inlet temperature detecting means is provided apart from the cooling device inlet, in a pipe from the position where the cooling water cooling device inlet temperature detecting means is provided to the cooling device inlet. 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein a temperature of the cooling water flowing into the cooling device is estimated by calculating a heat exchange amount. 前記冷却水冷却装置入口温度検出手段が前記燃料電池スタックの冷却水出口部分に設けられていることを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。13. The fuel cell system according to claim 12, wherein the cooling water cooling device inlet temperature detecting means is provided at a cooling water outlet of the fuel cell stack. 前記加湿器出口空気温度検出手段は、前記加湿器に流入する純水を温度検出媒体として加湿器出口空気温度を検出することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 4, wherein the humidifier outlet air temperature detecting means detects the humidifier outlet air temperature using pure water flowing into the humidifier as a temperature detection medium. 前記燃料電池スタックに要求される発電量に基づき前記発熱量推定手段により推定された発熱量を、前記放熱量推定手段により推定された放熱量が所定量以上上回っている場合に、前記冷却装置の冷却能力を上げる装置の能力を低下させることを特徴とする請求項1乃至14の何れかに記載の燃料電池システム。The heat generation amount estimated by the heat generation amount estimating means based on the power generation amount required for the fuel cell stack, when the heat radiation amount estimated by the heat radiation amount estimating means exceeds a predetermined amount or more, the cooling device of 15. The fuel cell system according to claim 1, wherein the capacity of the device for increasing the cooling capacity is reduced. 前記冷却装置がラジエータであり、前記冷却装置の冷却能力を上げる装置がラジエータファンであることを特徴とする請求項15に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 15, wherein the cooling device is a radiator, and the device that increases the cooling capacity of the cooling device is a radiator fan.
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