JP2018185952A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却水の導電率の上昇をある程度抑制しつつ、冷却水から不純物イオンを短時間で除去する。【解決手段】制御装置６０は、燃料電池２０の運転停止の指示を受信すると、冷却装置５０から冷却水に溶出することが見込まれる不純物イオンの推定残量がゼロより大きいことを条件として、冷却水ポンプ５４の回転数を略最大回転数に一致させ、冷却水の導電率の目標値と、バイパス通路５３を流れる冷却水の流量と、イオン交換器５５の交換効率とを用いて、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量を決定し、決定された冷却水の流量がラジエータ５１に流入する冷却水の流量に一致するように、分流弁５６の弁開度を制御する。【選択図】図１Impurity ions are removed from cooling water in a short time while suppressing an increase in the conductivity of the cooling water to some extent. When a control device receives an instruction to stop the operation of a fuel cell, cooling is performed on the condition that the estimated remaining amount of impurity ions expected to be eluted from the cooling device into the cooling water is greater than zero. The number of revolutions of the water pump 54 is made substantially equal to the maximum number of revolutions, and the radiator 51 is obtained by using the target value of the conductivity of the cooling water, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage 53, and the exchange efficiency of the ion exchanger 55. The flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51 is determined, and the valve opening degree of the diversion valve 56 is controlled so that the determined flow rate of the cooling water matches the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51. [Selection] Figure 1
Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池は、燃料ガスを電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出される化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電装置として知られている。燃料電池を車載用の電源システムとして使用する場合には、数百枚の単セルを積層してなる燃料電池が用いられる。燃料電池における酸化反応は、発熱を伴うため、燃料電池を冷却する冷却装置が用いられている。この冷却装置は、主に、燃料電池の内部に冷却水を循環させる冷却水路と、冷却水の温度を調節するラジエータとを有している。冷却装置を構成する各部品（ラジエータ、冷却水ポンプ、バルブ、冷却水路など）は、使用開始初期において、多くの不純物イオンを冷却水中に溶出（初期溶出）することが知られている。特に、ラジエータは、その製造過程において、ロウ材を用いてプレートを多層にロウ付け積層することから、ロウ材に含まれている不純物イオンを多量に溶出させる。不純物イオンが冷却水中に溶出すると、冷却水の導電率が上昇する。冷却水の導電率の上昇は、燃料電池の絶縁抵抗の低下を招き、漏電の原因になり得るため、冷却水の導電率は、低く抑えるのが望ましい。特開２０１０−２１００５号公報には、初期溶出によりラジエータから多くの不純物イオンが溶出する期間において、イオン交換器に流入する冷却水の流量を増大させ、初期溶出後は、イオン交換器に流入する冷却水の流量を減少させる方法が提案されている。 BACKGROUND ART A fuel cell is known as a power generator that directly converts chemical energy released along with an oxidation reaction into electrical energy by oxidizing fuel gas by an electrochemical process. When a fuel cell is used as an in-vehicle power supply system, a fuel cell in which several hundred single cells are stacked is used. Since the oxidation reaction in the fuel cell is accompanied by heat generation, a cooling device for cooling the fuel cell is used. This cooling device mainly has a cooling water passage for circulating the cooling water inside the fuel cell and a radiator for adjusting the temperature of the cooling water. It is known that each component (a radiator, a cooling water pump, a valve, a cooling water channel, etc.) constituting the cooling device elutes many impurity ions into the cooling water (initial elution) at the beginning of use. In particular, in the manufacturing process, the radiator uses a brazing material to braze and laminate the plates in multiple layers, so that a large amount of impurity ions contained in the brazing material is eluted. When impurity ions are eluted in the cooling water, the conductivity of the cooling water increases. An increase in the conductivity of the cooling water leads to a decrease in the insulation resistance of the fuel cell and may cause electric leakage. Therefore, it is desirable to keep the conductivity of the cooling water low. Japanese Patent Laid-Open No. 2010-21005 discloses that the flow rate of cooling water flowing into the ion exchanger is increased during the period when many impurity ions are eluted from the radiator by the initial elution, and then flows into the ion exchanger after the initial elution. A method for reducing the flow rate of cooling water has been proposed.
しかし、特開２０１０−２１００５号公報に記載の方法では、初期溶出が収束するまでの時間は数時間から数十時間とばらついおており、運転条件によっては、冷却水からの不純物イオンの除去が促進されず、初期溶出が収束するまでの時間が不必要に長引いてしまう虞がある。初期溶出が収束していないまま、燃料電池システムを高負荷状態で運転すると、冷却水の導電率が上昇してしまうという問題が生じる。 However, in the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 2010-21005, the time until the initial elution is converged varies from several hours to several tens of hours. Depending on the operating conditions, the removal of impurity ions from the cooling water may be difficult. There is a possibility that the time until the initial dissolution is unnecessarily prolonged unnecessarily without being promoted. When the fuel cell system is operated in a high load state without initial elution being converged, there arises a problem that the conductivity of the cooling water increases.
そこで、本発明は、このような問題点に鑑み、冷却水の導電率の上昇をある程度抑制しつつ、冷却水から不純物イオンを短時間で除去することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。 Therefore, in view of such problems, the present invention has an object to propose a fuel cell system that can remove impurity ions from cooling water in a short time while suppressing an increase in the conductivity of the cooling water to some extent. And
上述の課題を解決するため、本発明に関わる燃料電池システムは、（i）燃料電池と、（ii）冷却装置であって、（a）燃料電池に流出入する冷却水を冷却するラジエータと、（b）燃料電池から流出する冷却水がラジエータに流入し、且つ、ラジエータから流出する冷却水が燃料電池に流入するように冷却水の流れを案内する冷却水路と、（c）燃料電池から流出する冷却水がラジエータを迂回して燃料電池に流入するように冷却水の流れを案内するバイパス流路と、（d）冷却水の流れを生成する冷却水ポンプであって、ポンプ回転数の調整を通じて冷却水の流量を調整する、冷却水ポンプと、（e）バイパス通路を流れる冷却水に含まれている不純物イオンを除去するイオン交換器と、（f）冷却水路からバイパス流路に分流する冷却水の分流量を調整する分流弁であって、弁開度の調整を通じて分流量を調整する、分流弁と、を有する冷却装置と、（iii）冷却水ポンプの回転数及び分流弁の弁開度を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、燃料電池の運転停止の指示を受信すると、冷却装置から冷却水に溶出することが見込まれる不純物イオンの推定残量がゼロより大きいことを条件として、冷却水ポンプの回転数を略最大回転数に一致させ、冷却水の導電率の目標値と、バイパス通路を流れる冷却水の流量と、イオン交換器の交換効率とを用いて、ラジエータに流入する冷却水の流量を決定し、決定された冷却水の流量がラジエータに流入する冷却水の流量に一致するように、分流弁の弁開度を制御する。 In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell system according to the present invention includes (i) a fuel cell, (ii) a cooling device, (a) a radiator that cools cooling water flowing into and out of the fuel cell, (B) a cooling water channel that guides the flow of cooling water so that cooling water flowing out from the fuel cell flows into the radiator and cooling water flowing out from the radiator flows into the fuel cell; and (c) flows out from the fuel cell. A bypass flow path that guides the flow of the cooling water so that the cooling water that flows into the fuel cell bypasses the radiator, and (d) a cooling water pump that generates a flow of the cooling water, the adjustment of the pump speed A cooling water pump that adjusts the flow rate of cooling water through, (e) an ion exchanger that removes impurity ions contained in the cooling water flowing through the bypass passage, and (f) a diversion from the cooling water passage to the bypass passage Cooling water partial flow rate A cooling device having a diversion valve for adjusting a diversion flow rate through adjustment of the valve opening; and (iii) a control for controlling the number of rotations of the cooling water pump and the valve opening of the diversion valve. An apparatus. When the control device receives an instruction to stop the operation of the fuel cell, the control device reduces the number of revolutions of the cooling water pump on condition that the estimated remaining amount of impurity ions expected to be eluted from the cooling device into the cooling water is greater than zero. The flow rate of cooling water flowing into the radiator is determined by using the target value of the conductivity of the cooling water, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage, and the exchange efficiency of the ion exchanger. The valve opening degree of the diversion valve is controlled so that the determined flow rate of the cooling water matches the flow rate of the cooling water flowing into the radiator.
本発明に関わる燃料電池システムによれば、冷却水の導電率の上昇をある程度抑制しつつ、冷却水から不純物イオンを短時間で除去することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, impurity ions can be removed from the cooling water in a short time while suppressing an increase in the conductivity of the cooling water to some extent.
以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は、実施形態１に係る燃料電池システム１０の構成の概略を示す説明図である。燃料電池システム１０は、主に、燃料電池２０と、燃料ガス供給装置３０と、酸化ガス供給装置４０と、冷却装置５０と、制御装置６０とを備えている。燃料電池２０は、複数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成されたアノード極と、電解質膜の他方の面に形成されたカソード極と、アノード極及びカソード極を両側から挟み込む一対のセパレータとを備えている。アノード極では、（１）式の電気化学反応が生じ、カソード極では、（２）式の電気化学反応が生じる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the same code | symbol shall show the same element, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell system 10 according to the first embodiment. The fuel cell system 10 mainly includes a fuel cell 20, a fuel gas supply device 30, an oxidizing gas supply device 40, a cooling device 50, and a control device 60. The fuel cell 20 has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. The single cell includes an anode electrode formed on one surface of an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, a cathode electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the anode electrode and the cathode electrode from both sides. It has. An electrochemical reaction of formula (1) occurs at the anode electrode, and an electrochemical reaction of formula (2) occurs at the cathode electrode.
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ- …（１）
Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ …（２）
2H 2 → 4H + + 4e − (1)
H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
このような電気化学反応により、単セルは約１ボルト程度の起電力を発生する。燃料電池２０を車載用の電源システムとして使用する場合には、数百枚の単セルが積層される。燃料ガス供給装置３０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０のアノード極に供給する。燃料ガス供給装置３０は、例えば、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンクである。酸化ガス供給装置４０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０のカソード極に供給する。酸化ガス供給装置４０は、例えば、エアコンプレッサである。 Due to such an electrochemical reaction, the single cell generates an electromotive force of about 1 volt. When the fuel cell 20 is used as an in-vehicle power supply system, several hundred single cells are stacked. The fuel gas supply device 30 supplies hydrogen gas as fuel gas to the anode electrode of the fuel cell 20. The fuel gas supply device 30 is, for example, a hydrogen tank that stores high-pressure hydrogen gas. The oxidizing gas supply device 40 supplies air as oxidizing gas to the cathode electrode of the fuel cell 20. The oxidizing gas supply device 40 is, for example, an air compressor.
冷却装置５０は、ラジエータ５１と、冷却水路５２と、バイパス流路５３と、冷却水ポンプ５４と、イオン交換器５５と、分流弁５６とを備えている。燃料電池２０の内部には、燃料電池２０の発熱を吸熱する冷却水が流出入する流路（図示せず）が形成されている。ラジエータ５１は、燃料電池２０に流出入する冷却水と外気との間で熱交換を行うことにより、冷却水を冷却する。冷却水路５２は、燃料電池２０から流出する冷却水がラジエータ５１に流入し、且つ、ラジエータ５１から流出する冷却水が燃料電池２０に流入するように冷却水の流れを案内する。バイパス流路５３は、燃料電池２０から流出する冷却水がラジエータ５１を迂回して燃料電池２０に流入するように冷却水の流れを案内する。冷却水ポンプ５４は、冷却水路５２に設置されており、冷却水路５２及びバイパス流路５３の何れか一方又は両方に流れる冷却水の流れを生成する。冷却水ポンプ５４は、そのポンプ回転数の調整を通じて、冷却水の流量を調整する電動ポンプである。イオン交換器５５は、バイパス通路５３に設置されており、バイパス通路５３に流れる冷却水に含まれている不純物イオンを除去する。分流弁５６は、冷却水路５２からバイパス流路５３が分岐する箇所に設置されており、冷却水路５２からバイパス流路５３に分流する冷却水の分流量を調整する。分流弁５６は、その弁開度の調整を通じて分流量を調整する電磁弁である。なお、冷却水として、例えば、純水又はグリコール系の不凍液が用いられる。 The cooling device 50 includes a radiator 51, a cooling water channel 52, a bypass channel 53, a cooling water pump 54, an ion exchanger 55, and a diversion valve 56. Inside the fuel cell 20, a flow path (not shown) through which cooling water that absorbs heat generated by the fuel cell 20 flows in and out is formed. The radiator 51 cools the cooling water by exchanging heat between the cooling water flowing into and out of the fuel cell 20 and the outside air. The cooling water channel 52 guides the flow of the cooling water so that the cooling water flowing out from the fuel cell 20 flows into the radiator 51 and the cooling water flowing out from the radiator 51 flows into the fuel cell 20. The bypass flow path 53 guides the flow of the cooling water so that the cooling water flowing out from the fuel cell 20 bypasses the radiator 51 and flows into the fuel cell 20. The cooling water pump 54 is installed in the cooling water channel 52, and generates a flow of cooling water that flows in one or both of the cooling water channel 52 and the bypass channel 53. The cooling water pump 54 is an electric pump that adjusts the flow rate of the cooling water through adjustment of the pump rotation speed. The ion exchanger 55 is installed in the bypass passage 53 and removes impurity ions contained in the cooling water flowing in the bypass passage 53. The diversion valve 56 is installed at a location where the bypass flow path 53 branches from the cooling water path 52, and adjusts the flow rate of the cooling water that is diverted from the cooling water path 52 to the bypass flow path 53. The diversion valve 56 is an electromagnetic valve that adjusts the diversion flow rate through adjustment of the valve opening. As the cooling water, for example, pure water or glycol antifreeze is used.
制御装置６０は、プロセッサ、メモリ及び入出力インタフェースを備える電子制御ユニットであり、燃料電池２０に要求される発電電力に応じて、燃料ガス供給装置３０から燃料電池２０に供給される燃料ガス供給量を制御するとともに、酸化ガス供給装置４０から燃料電池２０に供給される酸化ガス供給量を制御し、燃料電池２０の運転温度が目標温度に一致するように冷却装置５０を制御する。具体的には、制御装置６０は、冷却水の温度を検出する温度センサ（図示せず）から出力される冷却水温度を用いて、冷却水ポンプ５４のポンプ回転数及び分流弁５６の弁開度を制御し、燃料電池２０の運転温度を目標温度に一致させる。 The control device 60 is an electronic control unit including a processor, a memory, and an input / output interface, and the amount of fuel gas supplied from the fuel gas supply device 30 to the fuel cell 20 according to the generated power required for the fuel cell 20. In addition, the amount of oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device 40 to the fuel cell 20 is controlled, and the cooling device 50 is controlled so that the operating temperature of the fuel cell 20 matches the target temperature. Specifically, the control device 60 uses the cooling water temperature output from a temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the cooling water to open the pump rotation speed of the cooling water pump 54 and the valve opening of the diversion valve 56. The operating temperature of the fuel cell 20 is matched with the target temperature.
次に、図２及び図３を参照しながら、冷却装置５０から溶出する不純物イオンを除去する処理（以下、「洗浄処理」と呼ぶ）について説明する。
図２は、不純物イオンの推定残量の初期値を設定する処理の流れを示すフローチャートである。冷却装置５０が、洗浄処理が未だ実行されていない状態にあるときは、冷却装置５０がそのような状態にあることを示すフラグ（以下、「初回洗浄フラグ」と呼ぶ）が制御装置６０に書き込まれる。冷却装置５０が、その構成部品（例えば、ラジエータ５１）が交換された後に、洗浄処理が未だ実行されていない状態にあるときは、冷却装置５０がそのような状態にあることを示すフラグ（以下、「部品交換フラグ」と呼ぶ）が制御装置６０に書き込まれる。「初回洗浄フラグ」及び「部品交換フラグ」の制御装置６０への書き込みは、検査装置７０により行われる。
Next, a process of removing impurity ions eluted from the cooling device 50 (hereinafter referred to as “cleaning process”) will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of processing for setting an initial value of the estimated remaining amount of impurity ions. When the cooling device 50 is in a state where the cleaning process has not yet been executed, a flag (hereinafter referred to as “initial cleaning flag”) indicating that the cooling device 50 is in such a state is written in the control device 60. It is. When the cooling device 50 is in a state where the cleaning process has not yet been executed after the component (for example, the radiator 51) has been replaced, a flag (hereinafter referred to as the cooling device 50) is in such a state. , Referred to as “component replacement flag”) is written to the control device 60. The inspection device 70 writes the “initial cleaning flag” and the “component replacement flag” to the control device 60.
初回洗浄フラグが書き込まれている場合（ステップ２０１；ＹＥＳ）には、制御装置６０は、冷却装置５０から冷却水に溶出することが見込まれる不純物イオンの推定残量の初期値を設定する（ステップ２０２）。一方、初回洗浄フラグが書き込まれていないものの（ステップ２０１；ＮＯ）、部品交換フラグが書き込まれている場合（ステップ２０３；ＹＥＳ）には、制御装置６０は、冷却装置５０から冷却水に溶出することが見込まれる不純物イオンの推定残量の初期値を設定する（ステップ２０２）。ここで、不純物イオンの推定残量の初期値は、冷却装置５０から冷却水に溶出することが見込まれる不純物イオンの総量の推定値を意味する。冷却装置５０を構成する部品の中でも、とりわけ、ラジエータ５１からの不純物イオンの溶出量が他の部品からの不純物イオンの溶出量よりも１０倍以上多いため、ラジエータ５１以外の部品からの不純物イオンの溶出量を無視しても実用上差支えない。ラジエータ５１から溶出することが見込まれる不純物イオンの総量は、ラジエータ５１の溶接個所の個数などから推定可能であるため、不純物イオンの推定残量の初期値と、ラジエータ５１の溶接個所の個数などとを予め関連づけておくことにより、ラジエータ５１の溶接個所の個数などから、不純物イオンの推定残量の初期値を設定することができる。 When the initial cleaning flag is written (step 201; YES), the control device 60 sets an initial value of the estimated remaining amount of impurity ions expected to be eluted from the cooling device 50 into the cooling water (step). 202). On the other hand, if the initial cleaning flag is not written (step 201; NO), but the parts replacement flag is written (step 203; YES), the control device 60 is eluted from the cooling device 50 into the cooling water. The initial value of the estimated remaining amount of impurity ions expected to be set is set (step 202). Here, the initial value of the estimated remaining amount of impurity ions means an estimated value of the total amount of impurity ions expected to be eluted from the cooling device 50 into the cooling water. Among the components constituting the cooling device 50, the impurity ion elution amount from the radiator 51 is more than 10 times greater than the impurity ion elution amount from the other components. There is no practical problem even if the amount of elution is ignored. Since the total amount of impurity ions expected to elute from the radiator 51 can be estimated from the number of welding locations of the radiator 51, the initial value of the estimated remaining amount of impurity ions, the number of welding locations of the radiator 51, and the like Can be set in advance, the initial value of the estimated remaining amount of impurity ions can be set from the number of welded portions of the radiator 51 and the like.
図３は、実施形態１に関わる洗浄処理の流れを示すフローチャートである。
制御装置６０は、燃料電池２０の運転停止の指示を受信したか否かを判定する（ステップ３０１）。燃料電池２０の運転停止の指示は、例えば、燃料電池システム１０の車載電源として搭載する電気自動車のイグニッションオフ信号などから検出できる。制御装置６０は、燃料電池２０の運転停止の指示を受信すると（ステップ３０１；ＹＥＳ）、不純物イオンの推定残量がゼロより大きいか否かを判定する（ステップ３０２）。不純物イオンの推定残量がゼロより大きい場合には（ステップ３０２；ＹＥＳ）、制御装置６０は、不純物イオンの推定残量がゼロになるまで、ステップ３０３からステップ３０６の処理を繰り返し、冷却水の不純物を除去する。このように、燃料電池２０の運転停止の指示を受信したときに、洗浄処理を実行する利点として、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量を増大できる点を挙げることができる。ラジエータ５１に流入する冷却水の流量を増大すると、冷却水の温度が適温を下回ってしまうが、燃料電池２０の運転停止の指示を受信したときは、燃料電池２０の出力を確保する観点から冷却水の温度を適温に維持する必要がないため、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量を増大し、不純物イオンを短時間で除去することができる。
FIG. 3 is a flowchart illustrating the flow of the cleaning process according to the first embodiment.
The control device 60 determines whether or not an instruction to stop the operation of the fuel cell 20 has been received (step 301). The instruction to stop the operation of the fuel cell 20 can be detected from, for example, an ignition off signal of an electric vehicle mounted as an on-vehicle power source of the fuel cell system 10. When receiving an instruction to stop the operation of the fuel cell 20 (step 301; YES), the control device 60 determines whether or not the estimated remaining amount of impurity ions is greater than zero (step 302). When the estimated remaining amount of impurity ions is greater than zero (step 302; YES), the control device 60 repeats the processing from step 303 to step 306 until the estimated remaining amount of impurity ions becomes zero, thereby cooling water. Remove impurities. As described above, when the instruction to stop the operation of the fuel cell 20 is received, an advantage of executing the cleaning process is that the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51 can be increased. If the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51 is increased, the temperature of the cooling water falls below an appropriate temperature. However, when an instruction to stop the operation of the fuel cell 20 is received, cooling is performed from the viewpoint of securing the output of the fuel cell 20. Since it is not necessary to maintain the temperature of water at an appropriate temperature, the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51 can be increased, and impurity ions can be removed in a short time.
ステップ３０３では、制御装置６０は、冷却水に溶出した不純物イオンを除去するため、冷却水ポンプ５４の回転数を略最大回転数に一致させる。略最大回転数とは、不純物インを除去する効果の観点から、最大回転数とほぼ同じ回転数であると見做し得る範囲の回転数を意味する。 In step 303, the control device 60 makes the rotational speed of the cooling water pump 54 substantially equal to the maximum rotational speed in order to remove impurity ions eluted in the cooling water. The substantially maximum number of rotations means a number of rotations in a range that can be considered to be substantially the same as the maximum number of rotations from the viewpoint of the effect of removing impurity in.
次に、ステップ３０４では、制御装置６０は、冷却水の導電率の目標値と、バイパス通路５３を流れる冷却水の流量と、イオン交換器５５の交換効率とを用いて、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量を決定し、決定された冷却水の流量がラジエータ５１に流入する冷却水の流量に一致するように分流弁５６の弁開度を制御する。ここで、ラジエータ５１から溶出する不純物イオンの量は、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量から求めることができる。また、ラジエータ５１から溶出する不純物イオンの量は、冷却水の導電率の目標値と、バイパス通路５３を流れる冷却水の流量と、イオン交換器５５の交換効率とから求めることができる。冷却水の導電率の目標値は、不純物イオンを除去するときに冷却水の導電率がその目標値を超えて上昇しないように制御されることが期待される値であり、例えば、燃料電池２０の絶縁抵抗の最低許容値に対応する冷却水の導電率に安全マージンを加えることにより求めることができる。燃料電池２０の絶縁抵抗は、安全上の観点からその最低許容値を下回ることは望ましくない。これにより、冷却水の導電率の上昇を抑制しつつ、ラジエータ５１からの不純物イオンの溶出を促進し、冷却水から不純物イオンを速やかに除去できる。 Next, in step 304, the control device 60 flows into the radiator 51 using the target value of the conductivity of the cooling water, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage 53, and the exchange efficiency of the ion exchanger 55. The flow rate of the cooling water is determined, and the valve opening degree of the diversion valve 56 is controlled so that the determined flow rate of the cooling water matches the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51. Here, the amount of impurity ions eluted from the radiator 51 can be obtained from the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51. Further, the amount of impurity ions eluted from the radiator 51 can be obtained from the target value of the conductivity of the cooling water, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage 53, and the exchange efficiency of the ion exchanger 55. The target value of the conductivity of the cooling water is a value that is expected to be controlled so that the conductivity of the cooling water does not exceed the target value when removing impurity ions. For example, the fuel cell 20 It can be obtained by adding a safety margin to the conductivity of the cooling water corresponding to the minimum allowable value of the insulation resistance. It is not desirable that the insulation resistance of the fuel cell 20 be lower than the minimum allowable value from the viewpoint of safety. Thereby, the elution of impurity ions from the radiator 51 can be promoted and the impurity ions can be quickly removed from the cooling water while suppressing an increase in the conductivity of the cooling water.
次に、ステップ３０５では、制御装置６０は、ラジエータ５１から溶出する不純物イオンの量を求める。ラジエータ５１から溶出する不純物イオンの量と、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量との間には、相関性がある。このため、両者の関係をマップデータとして用意しておくことにより、マップデータを参照し、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量から、ラジエータ５１から溶出する不純物イオンの量を求めることができる。 Next, in step 305, the control device 60 obtains the amount of impurity ions eluted from the radiator 51. There is a correlation between the amount of impurity ions eluted from the radiator 51 and the flow rate of cooling water flowing into the radiator 51. For this reason, by preparing the relationship between the two as map data, the amount of impurity ions eluted from the radiator 51 can be obtained from the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51 with reference to the map data.
次に、ステップ３０６では、制御装置６０は、不純物イオンの推定残量を更新する。この更新処理では、ステップ３０５で求めた不純物イオンの量を、不純物イオンの推定残量から差し引くことにより得られる不純物イオンの推定残量を更新後の不純物イオンの推定残量とする。 Next, in step 306, the control device 60 updates the estimated remaining amount of impurity ions. In this update process, the estimated remaining amount of impurity ions obtained by subtracting the amount of impurity ions obtained in step 305 from the estimated remaining amount of impurity ions is used as the estimated remaining amount of impurity ions after updating.
不純物イオンの推定残量がゼロになると（ステップ３０７；ＹＥＳ）、制御装置６０は、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量がゼロとなるように、分流弁５６の弁開度を制御する（ステップ３０８）。これにより、冷却水路５２を循環する不純物イオンを含む全ての冷却水は、イオン交換器５５を通過するため、不純物イオンの除去を促進できる。そして、イオン交換器５５が不純物イオンを除去するのに要する洗浄時間が経過すると（ステップ３０９；ＹＥＳ）、制御装置６０は、燃料電池２０の運転を停止する（ステップ３１０）。ここで、洗浄時間は、不純物イオンの推定残量の初期値から求めることができる。 When the estimated remaining amount of impurity ions becomes zero (step 307; YES), the control device 60 controls the valve opening degree of the flow dividing valve 56 so that the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51 becomes zero (step). 308). Thereby, since all the cooling water including the impurity ions circulating in the cooling water channel 52 passes through the ion exchanger 55, the removal of the impurity ions can be promoted. When the cleaning time required for the ion exchanger 55 to remove the impurity ions has elapsed (step 309; YES), the control device 60 stops the operation of the fuel cell 20 (step 310). Here, the cleaning time can be obtained from the initial value of the estimated remaining amount of impurity ions.
なお、ステップ３０４では、ラジエータ５１に流入する冷却水の流量と、バイパス通路５３に流入する冷却水の流量との比率（以下、「流量比率」と呼ぶ）を、例えば、９：１に固定してもよい。これにより、冷却水の導電率を目標値（例えば、１０μＳ／ｃｍ）未満に抑制しつつ、ラジエータ５１からの不純物イオンの溶出を促進し、冷却水から不純物イオンを速やかに除去できる。ここで、図４は、流量比率を固定したときの時間経過に伴う冷却水の導電率の変化を示すシミュレーション結果を示す。符号４０１，４０２，４０３は、それぞれ、流量比率を９：１，８：２，５：５に固定したときのシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果から、流量比率を９：１に固定することにより、洗浄時間を約２時間半に短縮できることが分かる。 In step 304, the ratio of the flow rate of the cooling water flowing into the radiator 51 and the flow rate of the cooling water flowing into the bypass passage 53 (hereinafter referred to as “flow rate ratio”) is fixed at 9: 1, for example. May be. Thereby, elution of impurity ions from the radiator 51 can be promoted and impurity ions can be quickly removed from the cooling water while suppressing the conductivity of the cooling water below a target value (for example, 10 μS / cm). Here, FIG. 4 shows a simulation result showing a change in the conductivity of the cooling water with the passage of time when the flow rate ratio is fixed. Reference numerals 401, 402, and 403 indicate simulation results when the flow rate ratio is fixed at 9: 1, 8: 2, and 5: 5, respectively. From this simulation result, it can be seen that the cleaning time can be shortened to about 2.5 hours by fixing the flow rate ratio to 9: 1.
図５は、実施形態２に係る燃料電池システム８０の構成の概略を示す説明図である。燃料電池システム８０は、並列接続される複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎを備えている点において、実施形態１に係る燃料電池システム１０とは異なり、その余の構成は、燃料電池システム１０の構成と同様である。但し、Ｎは２以上の整数とする。燃料電池システム８０の制御装置６０は、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのそれぞれについて、図２に示す方法と同様の方法により、不純物イオンの推定残量の初期値を設定する。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell system 80 according to the second embodiment. The fuel cell system 80 is different from the fuel cell system 10 according to the first embodiment in that the fuel cell system 80 includes a plurality of radiators 51-1, 51-2, ..., 51-N connected in parallel. These are the same as the configuration of the fuel cell system 10. However, N is an integer of 2 or more. The control device 60 of the fuel cell system 80 uses the same method as the method shown in FIG. 2 for each of the plurality of radiators 51-1, 51-2,. Set.
図６は、実施形態２に関わる洗浄処理の流れを示すフローチャートである。
図６のステップ６０１からステップ６１０は、それぞれ、図３のステップ３０１からステップ３１０に対応している。これらの対応するステップ同士は、処理内容が共通しているため、図６に示すステップのうち補足説明が必要なものについてのみ説明を加えるものとする。
FIG. 6 is a flowchart illustrating the flow of the cleaning process according to the second embodiment.
Steps 601 to 610 in FIG. 6 correspond to steps 301 to 310 in FIG. 3, respectively. Since these corresponding steps have the same processing content, only those steps that require supplemental explanation among the steps shown in FIG. 6 will be described.
ステップ６０２では、制御装置６０は、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのそれぞれについて、不純物イオンの推定残量がゼロより大きいか否かを判定する。 In step 602, the control device 60 determines whether or not the estimated remaining amount of impurity ions is greater than zero for each of the plurality of radiators 51-1, 51-2, ..., 51-N.
ステップ６０４では、制御装置６０は、冷却水の導電率の目標値と、バイパス通路５３を流れる冷却水の流量と、イオン交換器５５の交換効率とを用いて、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのうち、洗浄処理が完了していない各ラジエータに流入する冷却水の流量を決定し、決定された冷却水の流量が、洗浄処理が完了していない各ラジエータに流入する冷却水の流量に一致するように分流弁５６の弁開度を制御する。ここで、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのそれぞれから溶出する不純物イオンの量は、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのそれぞれに流入する冷却水の流量から求めることができる。また、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎから溶出する不純物イオンの量は、冷却水の導電率の目標値と、バイパス通路５３を流れる冷却水の流量と、イオン交換器５５の交換効率とから求めることができる。なお、ステップ６０４では、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのうち何れかのラジエータの洗浄処理が完了する都度に、制御装置６０は、洗浄処理が完了していない各ラジエータに流入する冷却水の流量を決定し、決定された冷却水の流量が、洗浄処理が完了していない各ラジエータに流入する冷却水の流量に一致するように分流弁５６の弁開度を制御する。複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのうち、不純物イオンの少ないラジエータほど短時間で洗浄処理が完了するため、何れかのラジエータの洗浄処理が完了する都度に、洗浄処理が完了していないラジエータに多量の冷却水が流入するように分流弁５６の弁開度を制御することにより、不純物イオンの溶出を促進し、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎの全ての洗浄処理に要する時間を短縮できる。 In Step 604, the control device 60 uses the target value of the conductivity of the cooling water, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage 53, and the exchange efficiency of the ion exchanger 55. -2, ..., 51-N, the flow rate of the cooling water flowing into each radiator that has not been cleaned is determined, and the determined flow rate of the cooling water is determined for each radiator that has not been cleaned. The valve opening degree of the diversion valve 56 is controlled so as to coincide with the flow rate of the flowing cooling water. Here, the amount of impurity ions eluted from each of the plurality of radiators 51-1, 51-2,..., 51-N flows into each of the plurality of radiators 51-1, 51-2,. It can obtain | require from the flow volume of the cooling water. Further, the amount of impurity ions eluted from the plurality of radiators 51-1, 51-2,..., 51-N depends on the target value of the conductivity of the cooling water, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage 53, and ion exchange. It can be obtained from the exchange efficiency of the vessel 55. In step 604, each time the cleaning process of any of the plurality of radiators 51-1, 51-2,..., 51-N is completed, the control device 60 does not complete the cleaning process. The flow rate of the cooling water flowing into the radiator is determined, and the opening degree of the diversion valve 56 is set so that the determined flow rate of the cooling water matches the flow rate of the cooling water flowing into each radiator that has not been cleaned. Control. Of the plurality of radiators 51-1, 51-2,..., 51 -N, the cleaning process is completed in a shorter time for a radiator with less impurity ions. , The elution of impurity ions is promoted by controlling the valve opening of the diversion valve 56 so that a large amount of cooling water flows into the radiator that has not been completed, and a plurality of radiators 51-1, 51-2,. The time required for all the cleaning processes of 51-N can be shortened.
ステップ６０７では、制御装置６０は、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのそれぞれについて、不純物イオンの推定残量がゼロになったか否かを判定する。 In step 607, the control device 60 determines whether or not the estimated remaining amount of impurity ions has become zero for each of the plurality of radiators 51-1, 51-2,..., 51-N.
なお、ステップ６０４では、流量比率を｛１００−（Ｍ×１０）｝：（Ｍ×１０）に設定してもよい。ここで、Ｍは、複数のラジエータ５１−１，５１−２，…，５１−Ｎのうち、洗浄処理が完了していないラジエータの数を示す。但し、Ｎは２以上９以下の整数とする。 In step 604, the flow rate ratio may be set to {100− (M × 10)} :( M × 10). Here, M indicates the number of radiators that have not been cleaned among the plurality of radiators 51-1, 51-2,..., 51-N. However, N is an integer from 2 to 9.
次に、図７及び図８を参照しながら、実施形態３に関わる洗浄処理について説明する。実施形態３に関わる洗浄処理は、実施形態１，２の燃料電池システム１０，８０の何れでも実行可能である。実施形態３に関わる洗浄処理は、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに水素ガスが充填されたことを洗浄処理の開始条件とするものである。冷却装置５０の製造完了直後に洗浄処理を実行するのは生産効率の観点から非効率であるが、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに水素ガスが充填されたことを洗浄処理の開始条件とすることで、より適切なタイミングで冷却装置５０の洗浄処理を実行することができる。 Next, a cleaning process according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. The cleaning process according to the third embodiment can be executed by any of the fuel cell systems 10 and 80 of the first and second embodiments. In the cleaning process according to the third embodiment, the hydrogen gas filled in the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30 is used as the cleaning process start condition. Although it is inefficient from the viewpoint of production efficiency to execute the cleaning process immediately after the manufacturing of the cooling device 50 is completed, the fact that the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30 is filled with hydrogen gas is the start condition of the cleaning process. By doing so, the cleaning process of the cooling device 50 can be executed at a more appropriate timing.
図７は、不純物イオンの推定残量の初期値を設定する処理の流れを示すフローチャートである。図７のステップ７０１からステップ７０３は、それぞれ、図２のステップ２０１からステップ２０３に対応している。これらの対応するステップ同士は、処理内容が共通しているため、ステップ７０４，７０５について説明を補足する。 FIG. 7 is a flowchart showing a flow of processing for setting an initial value of the estimated remaining amount of impurity ions. Steps 701 to 703 in FIG. 7 correspond to steps 201 to 203 in FIG. 2, respectively. Since these corresponding steps have the same processing contents, explanations of steps 704 and 705 will be supplemented.
ステップ７０４では、制御装置６０は、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに充填されている水素ガスの量を記憶する。ステップ７０５では、制御装置６０は、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに充填されている水素ガスの量としてゼロを記憶する。水素ガスの量としてゼロを記憶する理由は、冷却装置５０の構成部品を交換した後は、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに水素ガスが充填されなくても、冷却装置５０の洗浄処理を実行しても差し支えないためである。 In step 704, the control device 60 stores the amount of hydrogen gas filled in the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30. In step 705, the control device 60 stores zero as the amount of hydrogen gas filled in the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30. The reason for storing zero as the amount of hydrogen gas is that after replacing the components of the cooling device 50, the cooling process of the cooling device 50 is performed even if the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30 is not filled with hydrogen gas. This is because it can be executed.
図８は、実施形態３に関わる洗浄処理の流れを示すフローチャートである。
図８のステップ８０１からステップ８１０は、それぞれ、図３のステップ３０１からステップ３１０に対応している。これらの対応するステップ同士は、処理内容が共通しているため、ステップ８１１について説明を補足する。
FIG. 8 is a flowchart showing the flow of the cleaning process according to the third embodiment.
Steps 801 to 810 in FIG. 8 correspond to steps 301 to 310 in FIG. 3, respectively. Since these corresponding steps have the same processing contents, the description of step 811 will be supplemented.
ステップ８１１では、制御装置６０は、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに充填されている現在の水素ガスの量と、ステップ７０４又は７０５において記憶された水素ガスの量とを比較し、前者の水素ガスの量が後者の水素ガスの量と同じであるか又はそれより多いか否かを判定する。ここで、現在の水素ガスの量とは、ステップ８１１が実行される時点での水素ガスの量を意味する。燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに充填されている現在の水素ガスの量が、ステップ７０４において記憶された水素ガスの量より多い場合には、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに水素ガスが充填されたことを意味するため、洗浄処理を開始してよい。但し、ステップ７０５において、水素ガスの量としてゼロが記憶された場合には、燃料ガス供給装置３０としての水素タンクに水素ガスが充填されなくても、冷却装置５０の洗浄処理を開始してよい。 In step 811, the control device 60 compares the current amount of hydrogen gas filled in the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30 with the amount of hydrogen gas stored in step 704 or 705. It is determined whether the amount of hydrogen gas is the same as or greater than the amount of the latter hydrogen gas. Here, the current amount of hydrogen gas means the amount of hydrogen gas at the time when Step 811 is executed. If the current amount of hydrogen gas charged in the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30 is larger than the amount of hydrogen gas stored in step 704, the hydrogen gas in the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30 is Means that the cleaning process is started. However, in the case where zero is stored as the amount of hydrogen gas in step 705, the cleaning process of the cooling device 50 may be started even if the hydrogen gas is not filled in the hydrogen tank as the fuel gas supply device 30. .
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not intended to limit the present invention. The present invention can be changed / improved without departing from the spirit thereof, and the present invention includes equivalents thereof. In other words, those in which the person skilled in the art appropriately changes the design of the embodiments are also included in the scope of the present invention as long as they have the features of the present invention. For example, each element included in the embodiment and the arrangement thereof are not limited to those illustrated, and can be appropriately changed. Further, the positional relationship such as up, down, left and right is not limited to the illustrated ratio unless otherwise specified. Moreover, each element with which an embodiment is provided can be combined as long as it is technically possible, and the combination thereof is included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.
１０，８０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３０…燃料ガス供給装置 ４０…酸化ガス供給装置 ５０…冷却装置 ５１…ラジエータ ５２…冷却水路 ５３…バイパス流路 ５４…冷却水ポンプ ５５…イオン交換器 ５６…分流弁 ６０…制御装置 ７０…検査装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,80 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell 30 ... Fuel gas supply device 40 ... Oxidation gas supply device 50 ... Cooling device 51 ... Radiator 52 ... Cooling water channel 53 ... Bypass channel 54 ... Cooling water pump 55 ... Ion exchanger 56 ... Diversion valve 60 ... Control device 70 ... Inspection device
Claims (1)
（ii）冷却装置であって、
（a）前記燃料電池に流出入する冷却水を冷却するラジエータと、
（b）前記燃料電池から流出する冷却水が前記ラジエータに流入し、且つ、前記ラジエータから流出する冷却水が前記燃料電池に流入するように前記冷却水の流れを案内する冷却水路と、
（c）前記燃料電池から流出する冷却水が前記ラジエータを迂回して前記燃料電池に流入するように前記冷却水の流れを案内するバイパス流路と、
（d）前記冷却水の流れを生成する冷却水ポンプであって、ポンプ回転数の調整を通じて前記冷却水の流量を調整する、冷却水ポンプと、
（e）前記バイパス通路を流れる冷却水に含まれている不純物イオンを除去するイオン交換器と、
（f）前記冷却水路から前記バイパス流路に分流する前記冷却水の分流量を調整する分流弁であって、弁開度の調整を通じて前記分流量を調整する、分流弁と、を有する冷却装置と、
（iii）前記冷却水ポンプの回転数及び前記分流弁の弁開度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の運転停止の指示を受信すると、前記冷却装置から前記冷却水に溶出することが見込まれる不純物イオンの推定残量がゼロより大きいことを条件として、前記冷却水ポンプの回転数を略最大回転数に一致させ、前記冷却水の導電率の目標値と、前記バイパス通路を流れる冷却水の流量と、前記イオン交換器の交換効率とを用いて、前記ラジエータに流入する冷却水の流量を決定し、前記決定された冷却水の流量が前記ラジエータに流入する冷却水の流量に一致するように、前記分流弁の弁開度を制御する、燃料電池システム。 (I) a fuel cell;
(Ii) a cooling device,
(A) a radiator that cools cooling water flowing into and out of the fuel cell;
(B) a cooling water channel that guides the flow of the cooling water so that the cooling water flowing out from the fuel cell flows into the radiator, and the cooling water flowing out from the radiator flows into the fuel cell;
(C) a bypass flow path for guiding the flow of the cooling water so that the cooling water flowing out of the fuel cell bypasses the radiator and flows into the fuel cell;
(D) a cooling water pump that generates a flow of the cooling water, wherein the cooling water pump adjusts a flow rate of the cooling water through adjustment of a pump rotation speed;
(E) an ion exchanger that removes impurity ions contained in cooling water flowing through the bypass passage;
(F) A cooling device that adjusts a divided flow rate of the cooling water that is branched from the cooling water channel to the bypass flow channel, and that adjusts the divided flow rate through adjustment of a valve opening degree. When,
(Iii) a control device that controls the number of rotations of the cooling water pump and the opening of the diversion valve;
When the control device receives an instruction to stop the operation of the fuel cell, the cooling water pump is provided on the condition that the estimated remaining amount of impurity ions expected to be eluted from the cooling device into the cooling water is greater than zero. And the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage and the exchange efficiency of the ion exchanger are used to flow into the radiator. A fuel cell system that determines a flow rate of the cooling water to be controlled and controls a valve opening degree of the diversion valve so that the determined flow rate of the cooling water matches a flow rate of the cooling water flowing into the radiator.
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