JP6456261B2 - 燃料電池スタック冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池スタック冷却装置に関するものである。

車両に搭載される燃料電池システムが有する燃料電池スタックの内部では、水素タンクから供給される燃料ガスとしての水素と、コンプレッサから供給される空気中の酸素とが反応し、電気エネルギが発生する。このような燃料電池システムには、特許文献１に記載されているように、燃料電池スタックに冷却水を流通させて、燃料電池スタックの温度上昇を防止する冷却装置が設けられている。特許文献１の冷却装置は、燃料電池スタックを冷却するための冷却水が循環する冷却水流路を有している。冷却水流路の一部は燃料電池スタックの内部を通り、冷却水が燃料電池スタックの内部から外部へ流出する地点は燃料電池スタックの冷却水出口とされ、また、冷却水が燃料電池スタックの外部から内部へ流入する地点は冷却水入口とされる。そして、冷却水流路には熱交換器であるラジエタが設けられ、ラジエタの内部を流通する冷却水はラジエタファンから送風される風によって冷却される。このラジエタファンは、センサによって測定される冷却水の温度に基づいて制御され、ラジエタファンの回転数が多くなるほど冷却水の温度が低下する。

さらに、燃料電池スタックを効率よく冷却するためには、冷却水流路において、燃料電池スタックの冷却水入口付近を流通する冷却水の入口温度と冷却水出口付近を流通する冷却水の出口温度との温度差、すなわち出入口温度差が所定値以内である必要がある。この温度差を一定値以内に保ち、必要な量だけ冷却水を流通させて燃料電池スタックを確実に冷却するために、冷却水ポンプによって冷却水の流量が制御されている。

特開２００７−０２７０４７号公報

特許文献１では、センサによって測定される冷却水の入口温度に基づいて、冷却水の出口温度が推定される。しかしながら、ラジエタファンの回転数が急に増減した場合は、実際に冷却水流路を流通する冷却水の温度は、ラジエタファンの回転数の変化よりも遅れて変動し、冷却水流路内でも場所によって冷却水の温度にムラが生じることがある。従って、冷却水の入口温度に基づいて冷却水の出口温度を推定したとしても、冷却水の出入口温度差を正確に把握することはできない。
また、特許文献１には、冷却水流路において燃料電池スタックの入口と出口とに各々温度センサが設けられる例もあるが、２個のセンサを設ける分、冷却装置の製造コストが高くなる。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、冷却水の出入口温度差を測定又は推定しなくても、冷却水流路を流通する冷却水の流量を効率よく制御することができる燃料電池スタック冷却装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池スタック冷却装置は、酸素及び燃料ガスを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックに接続され、燃料電池スタックを冷却する冷却水が流通する冷却水流路と、冷却水流路に設けられ、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、冷却水流路に設けられ、内部を冷却水が流通するラジエタと、ラジエタに送風して冷却水を冷却するラジエタファンと、冷却水流路に前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、冷却水温度検出手段、ラジエタファン及び冷却水ポンプに電気的に接続するとともに、ラジエタファンの回転数及び冷却水ポンプの回転数を制御する制御手段とを備え、制御手段は、所定のファン回転数指令値に基づいてラジエタファンの回転数を制御し、所定のポンプ回転数指令値に基づいて冷却水ポンプの回転数を制御し、ファン回転数指令値は、冷却水の温度に基づく第一のフィードバック項を有するとともに、第一のフィードバック項は第一の積分要素を有し、ポンプ回転数指令値は、冷却水の温度に基づく第二のフィードバック項を有するとともに、第二のフィードバック項は、ラジエタファンの回転数の減少に伴って、第一の積分要素よりもゲインが小さい第二の積分要素に応じて変動する。

また、この発明に係る燃料電池スタック冷却装置のポンプ回転数指令値の第二のフィードバック項は、ラジエタファンの回転数の増加に伴って、第一の積分要素よりもゲインが大きい第三の積分要素に応じて変動してもよい。

また、第二フィードバック項は、第二の積分要素と第三の積分要素とを比較して値が大きい方の積分要素に応じて変動してもよい。

さらに、冷却水流路は、冷却水が燃料電池スタックの内部から外部へ流通する地点に冷却水出口を有し、冷却水温度検出手段は、冷却水流路における燃料電池スタックの冷却水出口の下流側かつラジエタの上流側の冷却水の温度を検出してもよい。

この発明に係る燃料電池スタック冷却装置によれば、燃料電池スタックを冷却する冷却水の出入口温度差を測定又は推定しなくても、冷却水流路を流通する冷却水の流量を効率よく制御することができる。

この発明の実施の形態に係る燃料電池スタック冷却装置の構成を模式的に示す図である。 図１に示す燃料電池スタック冷却装置の制御を示すブロック図である。 図１に示す燃料電池スタック冷却装置における冷却水出口温度とラジエタファンのファン回転数指令値と冷却水ポンプのポンプ回転数指令値との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
燃料電池システム２００は、複数のセル（図示せず）を有する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスとしての水素ガスを供給可能な水素タンク２と、燃料電池スタック１に酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ３とを備えている。燃料電池スタック１の各セルでは、水素タンク２から供給される水素と、コンプレッサ３によって供給される空気内の酸素とが化学反応を起こし、発電が行われている。また、燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が流通して循環する冷却水流路９が接続される。冷却水流路９の一部の流路９ａは燃料電池スタック１の外部に設けられるが、他の一部の流路９ｂは燃料電池スタック１の内部に設けられている。ここで、燃料電池スタック１の内部の冷却水流路９ｂから外部の冷却水流路９ａに冷却水が流出する地点を流路出口９ｃとする。また、燃料電池スタック１の外部の冷却水流路９ａから内部の冷却水流路９ｂに冷却水が流入する地点を流路入口９ｄとする。また、冷却水流路９の流路出口９ｃの下流側には出口温度センサ８が取り付けられている。

そしてさらに、冷却水流路９において、出口温度センサ８の下流側にはラジエタ５が設けられる。また、ラジエタ５に隣接して、ラジエタ５に対して送風可能となるようにラジエタファン６が設けられている。このラジエタファン６は、ラジエタファンモータ６ａによって回転駆動される。さらに、冷却水流路９において、ラジエタ５の下流側かつ流路入口９ｄの上流側には、冷却水を昇圧して冷却水流路９に循環させるための冷却水ポンプ７が設けられる。なお、冷却水ポンプ７の回転数が増加すると冷却水の流量も増加し、燃料電池スタック１に対する冷却機能も向上する。一方、冷却水ポンプ７の回転数が減少すると冷却水の流量も減少する。
またさらに、水素タンク２の電磁弁２ａ、コンプレッサ３、ラジエタファンモータ６ａ、冷却水ポンプ７及び出口温度センサ８にはＥＣＵ４が電気的に接続される。
ここで、出口温度センサ８は、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段を構成する。また、ＥＣＵ４は制御手段を構成する。
さらにまた、燃料電池スタック１、ＥＣＵ４、ラジエタ５、ラジエタファン６、冷却水ポンプ７、出口温度センサ８及び冷却水流路９は、この実施の形態に係る燃料電池スタック冷却装置１００を構成する。

次に、燃料電池システム２００の燃料電池スタック冷却装置１００の動作について説明する。
燃料電池スタック冷却装置１００の冷却水流路９を流通する冷却水は、まず冷却水ポンプ７によって昇圧され、流路入口９ｄから燃料電池スタック１の内部の冷却水流路９ｂに流入する。そして、冷却水流路９ｂを流通する冷却水は燃料電池スタック１の各セルを冷却し、その後、流路出口９ｃを通過するとともに、燃料電池スタック１の外部の冷却水流路９ａに流出する。さらに次に、冷却水流路９ａを流通する冷却水はラジエタ５の内部に流入するとともに、ラジエタファン６からラジエタ５に向かって送風される風によって冷却される。さらに、ラジエタ５から流出した冷却水は、ラジエタ５の下流側に設けられる冷却水ポンプ７によって再び昇圧され、冷却水流路９内を循環する。

ＥＣＵ４は、出口温度センサ８によって検出される冷却水出口温度Ｔｏｕｔに基づいてファン回転数指令値Ｒｆを算出し、ファン回転数指令値Ｒｆに基づいてラジエタファンモータ６ａを制御する。なお、ファン回転数指令値Ｒｆは、冷却水出口温度Ｔｏｕｔに基づく第一のフィードバック項Ｆｂ１を有している。そして、この第一のフィードバック項Ｆｂ１は、冷却水出口温度Ｔｏｕｔの変化に基づいて変動する指令値である第一の積分要素Ｉｎ１を含んでいる。
また、ＥＣＵ４は、冷却水出口温度Ｔｏｕｔに基づいてポンプ回転数指令値Ｒｐを算出し、ポンプ回転数指令値Ｒｐによって冷却水ポンプ７の回転数を制御する。なお、ポンプ回転数指令値Ｒｐは、冷却水出口温度Ｔｏｕｔに基づく第二のフィードバック項Ｆｂ２を有している。
なおここで、冷却水出口温度Ｔｏｕｔは、冷却水流路の流路出口９ｃの下流側かつラジエタ５の上流側の冷却水の温度をいう。さらに、冷却水の入口温度Ｔｉｎは、冷却水流路の流路入口９ｄの上流側かつ冷却水ポンプ７の下流側の冷却水の温度をいう。

さらにまた、ＥＣＵ４は水素タンク２の電磁弁２ａの開閉及びコンプレッサ３を制御して、燃料電池スタック１に供給される水素及び空気の量を調整することができる。すなわち、ＥＣＵ４は燃料電池スタック１の発電量を制御する。

次に、図２を参照して、ＥＣＵ４によるポンプ回転数指令値Ｒｐの算出方法について説明する。
まず、ＥＣＵ４は、電流指令値演算部１１において、燃料電池スタック１が発電する電流値である電流指令値Ｃｖを、アクセル開度や車両の要求等に基づいて算出する。そして次に、ＥＣＵ４のポンプ回転数演算部１２は、燃料電池スタック１が発電する電流値と冷却水ポンプ７の回転数との関係を示す所定のマップＭ１に基づいて、電流指令値Ｃｖに対応する冷却水ポンプ７の回転数Ｒｐ１を算出する。そして、ＥＣＵ４のフィードフォワード項記憶部１３は、回転数Ｒｐ１をポンプ回転数指令値Ｒｐのフィードフォワード項Ｆｆとして記憶する。

さらに、ＥＣＵ４の目標温度演算部１４は、燃料電池スタック１の発電量等から冷却水の目標温度Ｔｔを算出する。そして、ＥＣＵ４の温度差演算部１５は、出口温度センサ８によって検出される冷却水出口温度Ｔｏｕｔと目標温度Ｔｔとの温度差ΔＴを算出する。そして次に、ＥＣＵ４の第二積分要素積算部１６は、温度差ΔＴを入力値とした第二の積分要素Ｉｎ２を算出する。また同時に、ＥＣＵ４の第三積分要素積算部１７は、温度差ΔＴを入力値とした第三の積分要素Ｉｎ３を算出する。
ここで、第二の積分要素Ｉｎ２のゲインｋ２は第三の積分要素Ｉｎ３のゲインｋ３よりも小さい。また、温度差ΔＴに対するファン回転数指令値Ｒｆの第一の積分要素Ｉｎ１のゲインｋ１を１とすると、第二の積分要素Ｉｎ２のゲインｋ２は０．１〜０．７の値をとり、第三の積分要素Ｉｎ３のゲインｋ３は３〜１０の値をとる。従って、第二の積分要素Ｉｎ２のゲインｋ２は第一の積分要素Ｉｎ１のゲインｋ１よりも小さく、第三の積分要素Ｉｎ３のゲインｋ３は第一の積分要素Ｉｎ１のゲインｋ１よりも大きい。すなわち、ゲインｋ１〜ｋ３は、ｋ２＜ｋ１＜ｋ３、という関係を有する。

次に、ＥＣＵ４の積分要素選択部１８は第二の積分要素Ｉｎ２と第三の積分要素Ｉｎ３とを比較し、値がより大きい方を選択する。そして、ＥＣＵ４のフィードバック項記憶部１９が、選択された第二又は第三の積分要素をポンプ回転数指令値Ｒｐの第二のフィードバック項Ｆｂ２として記憶する。
ＥＣＵ４のポンプ回転数指令値演算部２０は、フィードフォワード項記憶部１３に記憶されたフィードフォワード項Ｆｆとフィードバック項記憶部１９に記憶されたフィードバック項Ｆｂとを加算し、その結果得られた値をポンプ回転数指令値Ｒｐとして算出する。
このように算出されるポンプ回転数指令値Ｒｐによって冷却水ポンプ７の回転数は制御される。そして、冷却水ポンプ７の回転数の変動によって、冷却水流路９を流通する冷却水の流量が変化するため、それに伴い冷却水出口温度Ｔｏｕｔも変動する。よって、このように変動する冷却水出口温度Ｔｏｕｔに基づいて、ＥＣＵ４は再びポンプ回転数指令値Ｒｐを算出することを繰り返す。

さらに、図３を参照して、出口温度センサ８によって検出される冷却水出口温度Ｔｏｕｔの変化に基づくファン回転数指令値Ｒｆ及びポンプ回転数指令値Ｒｐの変動について説明する。
なお、ポンプ回転数指令値Ｒｐは、冷却水ポンプ７の回転数下限値Ｌｐと回転数上限値Ｈｐとの間で変動する。また、グラフ中の一点鎖線は、冷却水ポンプ７の回転数上限値Ｈｐが存在しないとする仮定の下、第二のフィードバック項Ｆｂ２として第二の積分要素Ｉｎ２を選択した場合におけるポンプ回転数指令値Ｒｐ＝Ｌｐ＋Ｉｎ２の推移を表す仮想線である。さらに、グラフ中の二点鎖線は、冷却水ポンプ７の回転数上限値Ｈｐが存在しないとする仮定の下、第二のフィードバック項Ｆｂ２として第三の積分要素Ｉｎ３を選択した場合におけるポンプ回転数指令値Ｒｐ＝Ｌｐ＋Ｉｎ３の推移を表す仮想線である。
ここで、冷却水ポンプ７の回転数下限値Ｌｐは、主にポンプ回転数指令値Ｒｐのフィードフォワード項Ｆｆに基づいて決定される値である。また、冷却水ポンプ７の回転数上限値Ｈｐは、冷却水ポンプ７の性能等に基づいて算出される値である。
また、時刻ｔ１〜ｔ６は、ｔ１からｔ６に向かうにつれ、順次経過していく。

まず、図３の例による冷却水出口温度Ｔｏｕｔは、時刻ｔ２に到るまで目標温度Ｔｔに対して徐々に上昇していく。ここで、ファン回転数指令値Ｒｆは、第一のフィードバック項Ｆｂ１として、冷却水出口温度Ｔｏｕｔと目標温度Ｔｔとの温度差ΔＴを入力値とする第一の積分要素Ｉｎ１を有している。従って、ファン回転数指令値Ｒｆは冷却水出口温度Ｔｏｕｔの上昇とともに増大していく。また、ポンプ回転数指令値Ｒｐに関しては、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが上昇している時、仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ３が仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ２を上回っているので、第二のフィードバック項Ｆｂ２として第三の積分要素Ｉｎ３が選択される。すなわち、ファン回転数指令値Ｒｆの増加に伴って、ポンプ回転数指令値Ｒｐの第二のフィードバック項Ｆｂ２は第三の積分要素Ｉｎ３に応じて変動する。従って、ファン回転数指令値Ｒｆの増加と比較しても、ポンプ回転数指令値Ｒｐはより急速に増大し、時刻ｔ２において回転数上限値Ｈｐに達する。

次に、ラジエタファン６の回転数及び冷却水ポンプ７の回転数が増大したことにより、冷却水出口温度Ｔｏｕｔは、時刻ｔ１以降徐々に低下して、時刻ｔ３に目標温度Ｔｔまで低下する。しかし、冷却水出口温度Ｔｏｕｔは時刻ｔ３以降も目標温度Ｔｔに対して低温になるように低下を続ける。
ここで、ファン回転数指令値Ｒｆは時刻ｔ３まで増加した後、時刻ｔ３以降は徐々に減少していく。また、ポンプ回転数指令値Ｒｐの仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ２及び仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ３も、時刻ｔ３まで増加した後、時刻ｔ３以降は徐々に減少する軌跡を描く。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ４までは、仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ３は冷却水ポンプ７の回転数上限値Ｈｐを超えている。従って、ポンプ回転数指令値Ｒｐは、時刻ｔ１から時刻ｔ４まで一定の回転数Ｒｐ＝Ｈｐを保持した後、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ３に沿って急速に減少する。そして次に、時刻ｔ５以降は、仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ２の値が仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ３の値を上回るため、ポンプ回転数指令値Ｒｐは仮想線Ｌｐ＋Ｉｎ２の値に切り替わって緩やかに減少する。すなわち、ファン回転数指令値Ｒｆの減少に伴って、ポンプ回転数指令値Ｒｐの第二のフィードバック項Ｆｂ２は第二の積分要素Ｉｎ２に応じて変動する。
またさらに、冷却水出口温度Ｔｏｕｔは、ラジエタファン６の回転数及び冷却水ポンプ７の回転数が減少したことにより、時刻ｔ４から再び上昇する。

以上より、この実施の形態に係る燃料電池スタック冷却装置１００では、ラジエタファン６の回転数が減少する際、冷却水ポンプ７の回転数は、ファン回転数指令値Ｒｆの第一の積分要素Ｉｎ１よりもゲインが小さい第二の積分要素Ｉｎ２に応じて変動する。すなわち、冷却水ポンプ７の回転数は、ラジエタファン６の回転数の低下よりも緩やかに低下していく。従って、ラジエタファン６の回転数の減少に対し冷却水の温度の低下に遅れが生じて冷却水流路９内で温度のムラが発生した場合を考慮し、冷却水ポンプ７を少し高い回転数で回し続け、流路出口９ｃと流路入口９ｄとの温度差の変動を抑制することができる。よって、ＥＣＵ４は、冷却水ポンプ７が循環させる冷却水の量をより効率よく制御することができる。

また、ラジエタファン６の回転数が増加する際、冷却水ポンプ７の回転数は、ファン回転数指令値Ｒｆの第一の積分要素Ｉｎ１よりもゲインが大きい第三の積分要素Ｉｎ３に応じて変動する。すなわち、冷却水ポンプ７の回転数はラジエタファン６の回転数の増加と比較しても、よりも急速に増加していく。これにより、冷却水の温度の低下に先立って、冷却水ポンプ７は冷却水の流量を増やすことができ、より効率良く燃料電池スタック１を冷却することができる。

また、ポンプ回転数指令値Ｒｐの第二の積分要素Ｉｎ２と第三の積分要素Ｉｎ３とを比較して値の大きい方を選択することにより、冷却水ポンプ７の回転数の変化の緩急の度合いをより適切に切り替えることができ、冷却水の流量をより効率よく制御することができる。

さらにまた、冷却水流路９内でもラジエタ５の下流側は、ラジエタファン６の回転数の変化に伴う温度のムラが生じやすい。そのため、冷却水温度検出手段としての出口温度センサ８が、流路出口９ｃの下流側かつラジエタ５の上流側の冷却水出口温度Ｔｏｕｔを検出することにより、より正確に冷却水の温度を検出することができる。

１ 燃料電池スタック、４ ＥＣＵ（制御手段）、５ ラジエタ、６ ラジエタファン、７ 冷却水ポンプ、８ 出口温度センサ（冷却水温度検出手段）、９ 冷却水流路、９ｃ 冷却水出口、１００ 燃料電池スタック冷却装置、Ｆｂ１ 第一のフィードバック項、Ｆｂ２ 第二のフィードバック項、Ｉｎ１ 第一の積分要素、Ｉｎ２ 第二の積分要素、Ｉｎ３ 第三の積分要素、Ｒｆ ファン回転数指令値、Ｒｐ ポンプ回転数指令値。

Claims (4)

1. 酸素及び燃料ガスを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が流通する冷却水流路と、
   前記冷却水流路に設けられ、前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
   前記冷却水流路に設けられ、内部を前記冷却水が流通するラジエタと、
   前記ラジエタに送風して前記冷却水を冷却するラジエタファンと、
   前記冷却水流路に前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
   前記冷却水温度検出手段、前記ラジエタファン及び前記冷却水ポンプに電気的に接続するとともに、前記ラジエタファンの回転数及び前記冷却水ポンプの回転数を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   所定のファン回転数指令値に基づいて前記ラジエタファンの回転数を制御し、
   所定のポンプ回転数指令値に基づいて前記冷却水ポンプの回転数を制御し、
   前記ファン回転数指令値は、前記冷却水の前記温度に基づく第一のフィードバック項を有するとともに、前記第一のフィードバック項は第一の積分要素を有し、
   前記ポンプ回転数指令値は、前記冷却水の前記温度に基づく第二のフィードバック項を有するとともに、
   前記第二のフィードバック項は、前記ラジエタファンの前記回転数の減少に伴って、前記第一の積分要素よりもゲインが小さい第二の積分要素に応じて変動する燃料電池スタック冷却装置。
2. 前記第二のフィードバック項は、前記ラジエタファンの前記回転数の増加に伴って、前記第一の積分要素よりもゲインが大きい第三の積分要素に応じて変動する、請求項１に記載の燃料電池スタック冷却装置。
3. 前記第二フィードバック項は、前記第二の積分要素と前記第三の積分要素とを比較して値が大きい方の積分要素に応じて変動する請求項２に記載の燃料電池スタック冷却装置。
4. 前記冷却水流路は、冷却水が前記燃料電池スタックの内部から外部へ流通する地点に冷却水出口を有し、
   前記冷却水温度検出手段は、前記冷却水出口の下流側かつ前記ラジエタの上流側の前記冷却水の温度を検出する請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック冷却装置。

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