JP2006228631A - 燃料電池システムの冷却制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の乾燥による劣化防止とラジエータファンの騒音振動抑制を両立することができる燃料電池システムの冷却制御装置を提供する。
【解決手段】 ＃１目標ラジエータファン回転数演算部２２は、冷却水入口目標温度と冷却水入口温度との偏差に基づいて＃１目標ラジエータファン回転数を算出する。変化率制限部＃１は、車速に応じたラジエータファン回転数の変化率制限値＃１を算出する。変化率制限部＃２は、燃料電池出口温度に応じたラジエータファン回転数の変化率制限値＃２を算出する。セレクトハイ２５は、変化率制限値＃１と変化率制限値＃２の高い方を選択して出力する。変化率制限部２６は、＃１目標ラジエータファン回転数の変化率をセレクトハイ２５の出力で制限して目標ラジエータファン回転数とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムの冷却制御装置に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

通常燃料電池の運転温度を最適に保つために、燃料電池とラジエータ間に冷却液を循環させる冷却システムが設けられている。ラジエータには、低速時の風量を補うためにラジエータファンが設けられる。

ところで、電気自動車用の空調装置の騒音低減技術として、車室内騒音レベルに対応する車速などに応じて、エアコン・コンプレッサの上限回転数を制限する技術が知られている（特許文献１）。また、車室内騒音レベルに応じてコンプレッサの回転数変化率の制限を可変させるものがある（特許文献２）。
特開平７−２２３４２８号公報（第８頁、図６） 特開２０００−３１８４３５号公報（第６頁、図６）

しかしながら、上記従来の車室内騒音レベルに応じてコンプレッサの回転数および回転数変化率を制限する技術を燃料電池システムの冷却ファン制御に適用しようとすると、次に示す２つの問題点が生じる。

第１の問題点は、燃料電池の重要な運転状態である湿潤状態に応じた冷却液制御が実施できないため、燃料電池が劣化する可能性があり、劣化を防止しようとすると音振性能の向上が図れないという問題点である。

第２の問題点は、燃料電池の出力制限に応じた冷却液制御が実施できないため、車両動力性能に悪影響が出る可能性があり、車両運動性能に対する悪影響を防止しようとすると音振性能の向上が図れないという問題点である。

上記問題点を解決するために、本発明は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する燃料電池と、該燃料電池とラジエータとの間に冷却液を循環させて該燃料電池を冷却する冷却液循環システムと、前記ラジエータに送風するファンと、を備えた燃料電池システムの冷却制御装置において、前記ファンの目標回転数を算出する目標回転数算出手段と、前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態に応じて設定される前記ファンの回転数変化率により前記ファンの回転数変化を制限するファン回転数変化率制限手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じてラジエータファン回転数の回転数変化率制限を行うことで、燃料電池の運転状態に応じて冷却液を温度制御して燃料電池劣化を防止することとラジエータファンの騒音振動抑制を両立することができるという効果がある。

また本発明によれば、燃料電池の出力性能の確保とラジエータファンの騒音振動抑制を両立することができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池を主電源とする燃料電池車両に本発明を適用した例である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの冷却制御装置の実施例１を示す構成図である。図１において、燃料電池システムは、アノード１ａ、カソード１ｂ及び冷却水通路１ｃを備える固体高分子型の燃料電池１と、アノード１ａに燃料ガスとしての水素を供給する水素配管２ａ、アノード１ａから未反応の水素を排出する水素配管２ｂ、カソード１ｂに酸化剤ガスとして空気を供給する空気配管３ａ、カソード１ｂから未反応の空気を排出する空気配管３ｂ、空気配管３ａを介してカソード１ｂへ空気を供給する空気コンプレッサ４、カソード１ｂ出口の空気温度を検出する空気出口温度センサ５、冷却水配管６、冷却水ポンプ７、燃料電池１の冷却水通路１ｃの入口の冷却水温度を検出する冷却水入口温度センサ８、冷却水の熱を系外へ放出するラジエータ９、ラジエータ９に送風するラジエータファン１０、燃料電池システム全体、冷却水ポンプ７及びラジエータファン１０を制御するコントローラ１１、車速を検出する車速センサ１２を備えている。

次に、燃料電池システムの動作を説明する。図示しない水素タンクから水素配管２ａを介して燃料としての水素ガスを燃料電池１のアノード１ａへ供給する。また、空気コンプレッサ４から空気配管３ａを介して酸化剤としての空気を燃料電池１のカソード１ｂへ供給する。燃料電池１は、アノード１ａへ供給された水素及びカソード１ｂへ供給された空気中の酸素を図示しない電解質膜を介して電気化学反応させ直流電力を発電する。

空気出口温度センサ５は、カソード１ｂ出口での空気温度を計測する。本実施例によれば、燃料電池のカソード１ｂから排出される空気（酸化剤ガス）の温度から燃料電池の湿潤状態を推定できるため、従来から設置されているセンサを共用できるなど安価に本発明を実施できる。

冷却水は冷却水ポンプ７により燃料電池１の冷却水通路１ｃに供給され、その温度は冷却水入口温度センサ８により計測される。燃料電池１が発電する際に発生する熱は、冷却水配管６を流れる冷却水によって持ち出され、ラジエータ９によって系外へ放熱される。またラジエータファン１０は必要に応じて回転し、ラジエータ９での放熱を調整する。車速センサ１２は車両の速度を計測する。

空気出口温度センサ５，冷却水入口温度センサ８及び車速センサ１２は、コントローラ１１の入力に接続されている。コントローラ１１は、これら入力された空気出口温度、冷却水入口温度及び車速に基づいて、ラジエータファンの回転数制御を行う。この際、コントローラ１１は、燃料電池の運転状態に応じて、ラジエータファン１０の回転数変化率を制限する回転数変化率制限手段として作用する。

コントローラ１１は、特に限定されないが、本実施例では、ＣＰＵと、制御プログラム及び各種制御テーブルを記憶したＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

次に、コントローラ１１によるラジエータファン１０の回転数制御について説明する。図２は、コントローラ１１で行うラジエータファンの目標回転数演算のブロック図を示す。図２において、コントローラ１１は、減算器２１と、＃１目標ラジエータファン回転数算出部２２と、変化率制限部＃１（２３）と、変化率制限部＃２（２４）と、セレクトハイ２５と、変化率制限部２６とを備えている。

減算器２１には、図示しない冷却水入口目標温度設定部からの冷却水入口目標温度と冷却水入口温度センサ８が検出した冷却水入口温度が入力され、その誤差を出力する。＃１目標ラジエータファン回転数算出部２２は、減算器２１が演算した冷却水入口目標温度と冷却水入口温度との誤差に応じて＃１目標ラジエータファン回転数を算出する。

変化率制限部＃１（２３）では、車速センサ１２が検出した車速に基づいてラジエータファン回転数変化率制限値＃１を設定する。この制限値は、予めコントローラ１１のＲＯＭに記憶した例えば図３に示すような制御テーブルに基づいて行われる。このラジエータファン回転数変化率制限値＃１は、車速が高い程ラジエータファン回転数上昇時の変化率が高くても車室内の乗員は不快感を感じないことに基づき、シミュレーションや実車による実験等により求めることができる。

変化率制限部＃２（２４）では、空気出口温度センサ５が検出したカソード１ｂ出口の空気温度による燃料電池１の湿潤状態（以下、水収支）に基づいて、ラジエータファン回転数変化率制限値＃２を設定する。この制限値は、予めコントローラ１１のＲＯＭに記憶した例えば図４に示すような制御テーブルに基づいて行われる。このラジエータファン回転数変化率制限値＃２は、燃料電池出口空気温度が高い程、燃料電池１のカソード１ｂから排出される空気に含まれる水蒸気圧が高くなり、単位時間当たりに燃料電池１から持ち出される水の量が多くなる（水収支としてはマイナス方向）となるので、ラジエータファン回転数の変化率制限値を高めて、早く燃料電池温度を下げ、水収支を改善するように設定される。図４の各数値もシミュレーションや実車による実験等により求めることができる。

セレクトハイ２５では車速による制限よりも水収支による制限を優先するために変化率制限値＃１と変化率制限値＃２の大きい方を選択する。変化率制限２６ではセレクトハイ２５で設定された変化率制限値に基づいて＃１目標ラジエータファン回転数に変化率制限を行い、目標ラジエータファン回転数としてラジエータファン１０へ出力する。

以上説明した本実施例によれば、燃料電池の運転状態に応じてラジエータファン回転数の回転数変化率制限を行うことで、燃料電池の運転状態に応じて冷却液を温度制御して燃料電池劣化を防止することとラジエータファンの騒音振動抑制を両立することができるという効果がある。

また本実施例によれば、燃料電池の出力性能の確保とラジエータファンの騒音振動抑制を両立することができるという効果がある。

尚、本実施例の変形例として、図１に記載していない純水を保持する純水タンクを設け、そのタンク内部に保持した純水で燃料電池１を加湿するシステムの場合は、純水タンクの水位の変化により、燃料電池１の水収支を知ることができる。例えば、単位時間当たりの水位変化を測定し、水位が減少方向であれば水収支がマイナス方向であることが推定できるので、図２に示す変化率制限部＃２（２４）への入力として、純水タンクの水位変化量を用いることも可能である。

この変形例によれば、燃料電池を加湿するための純水を保持する純水タンクを有している場合はその水位センサから燃料電池の湿潤状態を推定できるため、従来から設置されているセンサを共用できるなど安価に本発明を実施できる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの冷却制御装置の実施例２について説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。

図５は、本発明の実施例２における、コントローラ１１で行うラジエータファン回転数演算のブロック図である。図５において、コントローラ１１は、減算器２１と、ＰＩ制御部３１と、変化率制限部＃１（３２）と、減算器３３と、変化率制限部＃２（３４）と、セレクトハイ３５とを備えている。

減算器２１には、図示しない冷却水入口目標温度設定部からの冷却水入口目標温度と冷却水入口温度センサ８が検出した冷却水入口温度が入力され、その誤差を出力する。この減算器２１が出力する誤差は、目標ラジエータファン回転数を演算するＰＩ制御部３１へ入力される。

ＰＩ制御部３１では図６に示すような演算を行い、目標ラジエータファン回転数を算出する。図６に示す演算は良く知られたＰＩ制御演算である。すなわち、冷却水入口目標温度と冷却水入口温度の差に対して、比例制御ゲインKp４０と、図中と示した積分制御ゲインKi４２を用いて目標ラジエータファン回転数を算出する。ここで１／Ｓ（４１）は積分を示す。

変化率制限部＃１（３２）では、予めコントローラ１１のＲＯＭに記憶した図７と図８に示すような制御テーブルを用いてKp1とKi1を算出する。図７と図８が意味することは、車速が高いほど大きなKp1、Ki1を用いることにより、ラジエータファンの回転数が俊敏に変化することを意味しており、変化率制限をゆるくしたことと等価な効果が得られる。図７及び図８の特性は、シミュレーションや実車による実験等により求めることができる。

変化率制限部＃２（３４）では、予めコントローラ１１のＲＯＭに記憶した図９と図１０に示すような制御テーブルを用いてKp2とKi2を算出する。図９と図１０が意味することは、要求出力に対して出力制限値が小さい場合は、Kp2とKi2を大きくすることでラジエータファンの回転数を俊敏に変化させ、要求出力に対して出力制限値が大きい場合はKp2とKi2を小さくすることでラジエータファンの回転数をゆっくりに変化させることを意味する。図９及び図１０の特性は、シミュレーションや実車による実験等により求めることができる。

セレクトハイ３５では、Kp1とKp2、Ki1とKi2のペアで、それぞれより大きな値をKpおよびKiとして選択する。ＰＩ制御部３１ではセレクトハイ３５で選択されたKpとKiを用いて上記した演算を行う。

本実施例では、目標ラジエータファン回転数に直接変化率制限を行うのではなく、目標ラジエータファン回転数を算出する際に用いるパラメータ、KpとKi、を変化させることで、目標ラジエータファン回転数変化率制限を行うものである。

以上説明した本実施例によれば、燃料電池への要求出力と実際に出力可能な出力制限値に応じてラジエータファン回転数の回転数変化率制限を行うことで、車両の動力性能に悪影響を与えることなく冷却液制御が可能になる。

また本実施例によれば、回転数変化率に制限を与えるために、目標回転数算出のためのパラメータを変化させるとしたことで、変化率制限手段を新たに設けることなく本発明が実施でき、冷却制御装置であるコントローラの演算負荷を低減できる。

本発明に係る燃料電池システムの冷却制御装置の実施例１を示す構成図である。 実施例１のコントローラによるラジエータファン回転数変化率制限演算のブロック図である。 実施例１における変化率制限＃１算出テーブルの一例を示す図である。 実施例１における変化率制限＃２算出テーブルの一例を示す図である。 実施例２のコントローラによるラジエータファン回転数変化率制限演算のブロック図である。 実施例２のＰＩ制御部で行う目標ラジエータファン回転数演算のブロック図である。 実施例２におけるＫｐ１算出テーブルの一例を示す図である。 実施例２におけるＫｉ１算出テーブルの一例を示す図である。 実施例２におけるＫｐ２算出テーブルの一例を示す図である。 実施例２におけるＫｉ２算出テーブルの一例を示す図である。

符号の説明

１：燃料電池
２ａ、２ｂ：水素配管
３ａ、３ｂ：空気配管
４：空気コンプレッサ
５：空気出口温度センサ
６：冷却水配管
７：冷却水ポンプ
８：冷却水入口温度センサ
９：ラジエータ
１０：ラジエータファン
１１：コントローラ
１２：車速センサ
２２：＃１目標ラジエータファン回転数算出部
２３：変化率制限部＃１
２４：変化率制限部＃２
２５：セレクトハイ
２６：変化率制限部
３１：ＰＩ制御部
３２：変化率制限部＃１
３４：変化率制限部＃２
３５：セレクトハイ

Claims (6)

1. アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する燃料電池と、該燃料電池とラジエータとの間に冷却液を循環させて該燃料電池を冷却する冷却液循環システムと、前記ラジエータに送風するファンと、を備えた燃料電池システムの冷却制御装置において、
   前記ファンの目標回転数を算出する目標回転数算出手段と、
   前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態に応じて設定される前記ファンの回転数変化率により前記ファンの回転数変化を制限するファン回転数変化率制限手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システムの冷却制御装置。
2. 前記燃料電池の運転状態として燃料電池の湿潤状態を用い、前記ファン回転数変化率制限手段は、前記湿潤状態が高い場合には回転数変化率を小さく設定し、前記湿潤状態が低い場合には回転数変化率を大きく設定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の冷却制御装置。
3. 前記湿潤状態はカソードから排出される酸化剤ガスの温度に基づいて判断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの冷却制御装置。
4. 前記燃料電池を加湿する純水を保持する純水タンクを有し、
   前記湿潤状態は前記純水タンクの水位から求めることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの冷却制御装置。
5. 前記燃料電池の運転状態として燃料電池に対する要求出力と燃料電池の出力制限値との偏差を用い、
   前記ファン回転数変化率制限手段では前記偏差が大きい場合には前記回転数変化率を小さく設定し、前記偏差が小さい場合には前記回転数変化率を大きく設定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の冷却制御装置。
6. 前記冷却液の目標温度を設定する手段と、前記冷却液の温度を検出する手段とを備え、 前記目標回転数算出手段は、前記目標温度と前記冷却液温度と差に比例ゲインを乗じた項を含む目標回転数を算出し、
   前記ファン回転数変化率制限手段は、前記目標回転数算出手段の少なくとも前記比例ゲインを変化させ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の冷却制御装置。

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