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JP2014120386A - Cooling system for fuel cell - Google Patents

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JP2014120386A JP2012275796A JP2012275796A JP2014120386A JP 2014120386 A JP2014120386 A JP 2014120386A JP 2012275796 A JP2012275796 A JP 2012275796A JP 2012275796 A JP2012275796 A JP 2012275796A JP 2014120386 A JP2014120386 A JP 2014120386A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To minimize temperature fluctuation of cooling water caused by the opening of a thermostat valve.SOLUTION: The present invention relates to a cooling system for a fuel cell, in which a coolant passing through a radiator is cyclically supplied to a fuel cell via a thermostat valve and a flow rate adjustment mechanism. During the thermostat valve is opened, the flow rate of the coolant supplied to the fuel cell is limited to a flow rate smaller than the flow rate supplied before the thermostat valve is opened, by controlling the flow rate adjustment mechanism.

Description

本発明は、燃料電池の冷却システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell cooling system.

燃料電池(Fuel Cell)は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての酸素との電気化学反応により発電し、その発電量に応じた発熱によって温度上昇を生じる。このため、燃料電池を用いた燃料電池システムは、一般に、燃料電池を冷却するための冷却システムを備えている。冷却システムは、ラジエータで冷却された冷却水を燃料電池に循環供給し、燃料電池で発生する熱を放出することによって温度上昇を抑制している。また、冷却システムは、燃料電池の低温起動時等においては、ラジエータを経由せずに冷却水を燃料電池に循環供給して、燃料電池で発生する熱を放出しないようにして、燃料電池の温度が発電効率の高い状態とするための暖機動作を行っている。   A fuel cell generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen as a fuel gas and oxygen as an oxidant gas, and the temperature rises due to heat generation according to the amount of power generation. For this reason, a fuel cell system using a fuel cell generally includes a cooling system for cooling the fuel cell. The cooling system circulates and supplies the cooling water cooled by the radiator to the fuel cell, and releases the heat generated by the fuel cell, thereby suppressing the temperature rise. In addition, when the fuel cell is started at a low temperature, the cooling system circulates and supplies cooling water to the fuel cell without going through the radiator so as not to release the heat generated in the fuel cell. Is performing a warm-up operation to achieve a state of high power generation efficiency.

特許文献1には、内燃機関の冷却システムにおいて、2種類の熱膨張体が内蔵されたサーモスタット装置が適用されることにより、高温水の急激な流入によるラジエータにおける熱衝撃の発生を防止することが記載されている。特許文献2には、燃料電池の冷却装置(冷却システム)において、流路切替バルブ近傍の冷却水の温度を検知することで検知される流路切替バルブの切替状態に応じて、冷却水の流量を必要流量に制御することにより、冷却水の流路が切り替わる際に発生するラジエータの圧力損失を考慮して、流量の過不足なく冷却水を燃料電池へ供給することが記載されている。特許文献3には、内燃機関の冷却系システムにおいて、サーモスタットにおける冷却水の水温に基づいてサーモスタットの弁開度が求められ、サーモスタットの弁開度に基づいて冷却水の流量の制御が行われることにより、サーモスタットの弁の開閉による冷却水の圧力損失に応じて、要求流量が満たされるように冷却水の流量が調整されることが記載されている。   Patent Document 1 discloses that a thermostat device incorporating two types of thermal expansion bodies is applied to a cooling system for an internal combustion engine, thereby preventing the occurrence of thermal shock in a radiator due to a rapid inflow of high-temperature water. Have been described. In Patent Document 2, in the fuel cell cooling device (cooling system), the flow rate of the cooling water according to the switching state of the flow path switching valve detected by detecting the temperature of the cooling water in the vicinity of the flow path switching valve. It is described that the cooling water is supplied to the fuel cell without excess or deficiency in consideration of the pressure loss of the radiator that occurs when the flow path of the cooling water is switched by controlling the required flow rate. Patent Document 3 discloses that in a cooling system for an internal combustion engine, the valve opening of a thermostat is obtained based on the temperature of cooling water in the thermostat, and the flow rate of the cooling water is controlled based on the valve opening of the thermostat. Thus, it is described that the flow rate of the cooling water is adjusted so that the required flow rate is satisfied according to the pressure loss of the cooling water due to opening and closing of the valve of the thermostat.

特開2007−100767号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-1000076 特開2004−178826号公報JP 2004-178826 A 特開2008−267180号公報JP 2008-267180 A

ここで、スタック状の燃料電池(以下、「燃料電池スタック」とも呼ぶ)を構成する各燃料電池セルは、通常、適切な湿潤状態にある場合に最も高い発電効率を示す。適切な湿潤状態にない燃料電池セルが一部に生じると、その燃料電池セルでは発電効率が低下して発電損失が増加することにより温度が上昇し、燃料電池セルを構成する電解質膜の損傷による発電機能の喪失や、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸化剤ガスとの燃焼による燃料電池セルの損傷等を招く場合がある。このため、燃料電池システムの冷却システムとしては、各燃料電池セルが適切な湿潤状態を維持するように、設計に則した高精度な冷却特性を得ること、および、長期間にわたってその冷却特性を維持することが要求される。   Here, each fuel cell constituting a stack-like fuel cell (hereinafter also referred to as “fuel cell stack”) usually exhibits the highest power generation efficiency when it is in an appropriate wet state. When some fuel cells that are not in a proper wet state are generated, the temperature of the fuel cells increases due to a decrease in power generation efficiency and an increase in power generation loss, resulting in damage to the electrolyte membrane constituting the fuel cells. In some cases, the power generation function is lost, or the fuel cell is damaged by the combustion of the fuel gas on the anode side and the oxidant gas on the cathode side. Therefore, as a cooling system for the fuel cell system, high-accuracy cooling characteristics conforming to the design are obtained so that each fuel cell maintains an appropriate wet state, and the cooling characteristics are maintained over a long period of time. It is required to do.

冷却システムとしては、従来から、サーモスタットバルブを用いた冷却システムが多く利用されている。サーモスタットバルブは、一般に、極めて安価ではあるが、製品ばらつき、経年変化等変動が大きい。また、サーモスタットバルブの感温部の温度検出の応答特性および弁の開閉の応答特性は遅れ特性を有しており、それぞれの応答特性にはズレがある。また、開弁の温度および閉弁の温度にはヒステリシスや変動があり、開弁の位置および閉弁の位置に変動がある。従って、サーモスタットバルブを用いた冷却システムは、設計に則した高精度な冷却特性を得ること、および、長期間にわたってその冷却特性を維持することは困難である。   Conventionally, a cooling system using a thermostat valve has been widely used as a cooling system. Thermostat valves are generally very inexpensive, but have large variations such as product variations and aging. In addition, the temperature detection response characteristic of the temperature sensing part of the thermostat valve and the valve opening / closing response characteristic have a delay characteristic, and each response characteristic has a deviation. Further, there are hysteresis and fluctuations in the valve opening temperature and the valve closing temperature, and there are fluctuations in the valve opening position and the valve closing position. Therefore, it is difficult for a cooling system using a thermostat valve to obtain highly accurate cooling characteristics according to design and to maintain the cooling characteristics for a long period of time.

また、サーモスタットバルブによって、ラジエータを経由しない循環からラジエータを経由する循環に切り替えられた場合、ラジエータで冷却された冷たい冷却水によって燃料電池に供給される冷却水に急激な温度の低下が発生する場合がある。急激な温度低下は上記したサーモスタットバルブの応答特性に起因して大幅な温度変動を招き、燃料電池スタックを構成する各部材の伸縮変動を発生させ、各燃料電池セル間の締結力の低下の要因となり得る。燃料電池セル間の締結力の低下は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れや、冷却水の漏れの要因となる。また、燃料電池セル間の締結力の低下は、上記した適切な湿潤状態にない燃料電池セルが一部に生じた場合と同様に、燃料電池セルでの発電効率が低下して発電損失が増加することにより温度が上昇し、燃料電池セルを構成する電解質膜の損傷による発電機能の喪失や、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸化剤ガスとの燃焼による燃料電池セルの損傷等を招く場合がある。   In addition, when the thermostat valve is used to switch from circulation that does not pass through the radiator to circulation that passes through the radiator, a sudden drop in temperature occurs in the cooling water supplied to the fuel cell due to the cold cooling water cooled by the radiator. There is. A sudden temperature drop causes a significant temperature fluctuation due to the response characteristics of the thermostat valve described above, causing expansion and contraction fluctuation of each member constituting the fuel cell stack, and a factor of lowering the fastening force between the fuel battery cells Can be. A decrease in the fastening force between the fuel cells causes a leak of fuel gas and oxidant gas and a leak of cooling water. In addition, the decrease in the fastening force between the fuel cells is similar to the case where some of the fuel cells that are not in the proper wet state described above are generated, and the power generation efficiency in the fuel cells is reduced and the power generation loss is increased. If the temperature rises, the power generation function is lost due to damage to the electrolyte membrane that constitutes the fuel cell, or the fuel cell is damaged due to combustion of the fuel gas on the anode side and the oxidant gas on the cathode side. There is.

従って、燃料電池の冷却システムに、サーモスタットを用いた冷却システムを適用することは容易ではない。そこで、従来の燃料電池の冷却システムとしては、サーモスタットに比べて高精度な弁の切り替えが可能な電子制御弁を適用した冷却システムが用いられる場合が多く、燃料電池システムのコスト上昇の要因となっている。   Therefore, it is not easy to apply a cooling system using a thermostat to a fuel cell cooling system. Therefore, as a conventional fuel cell cooling system, a cooling system using an electronic control valve capable of switching a valve with higher accuracy than a thermostat is often used, which causes an increase in the cost of the fuel cell system. ing.

なお、特許文献1の冷却システムでは、上記したように、冷却水の急激な温度変化に対応させる点について記載されている。しかしながら、装置の仕様に応じてなされるサーモスタットの設計、開発工数、及び、開発工数費用の負担に加え、設計変更に伴う部材価格の高額化、及び、複雑な部品の組み付けに伴う生産工程における工数の増加等により、コスト上昇が大きいと考えらえる。また、特性の調整も容易ではないと考えられる。また、経年変化への対応についての考慮はなされておらず、設計に則した高精度な冷却特性を長期間にわたって維持することは困難と考えられる。また、特許文献2,3の冷却システムでは、圧力損失への対応するものであり、冷却水の急激な温度変化への対応、コスト上昇、および、経年変化への対応については何ら考慮されていない。   In addition, in the cooling system of patent document 1, as mentioned above, it describes about the point corresponding to the rapid temperature change of a cooling water. However, in addition to the thermostat design, development man-hours, and development man-hour costs that are made according to the specifications of the equipment, the cost of parts due to design changes and the man-hours in the production process associated with the assembly of complex parts The increase in cost is considered to be significant due to the increase in In addition, it is considered that characteristic adjustment is not easy. In addition, no consideration has been given to dealing with aging, and it is considered difficult to maintain high-precision cooling characteristics according to design over a long period of time. Moreover, in the cooling system of patent document 2, 3, it respond | corresponds to a pressure loss, and it does not consider at all about the response | compatibility to the rapid temperature change of a cooling water, a cost rise, and a secular change. .

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムが提供される。この燃料電池の冷却システムでは、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブの開弁時において、前記流量調整機構が制御されることにより、前記サーモスタットバルブの開弁前に供給されていた流量よりも少ない流量に制限される。この形態の燃料電池の冷却システムによれば、サーモスタットバルブが開弁して、ラジエータで冷却された温度の低い冷却液がサーモスタットバルブから流出しても、燃料電池へ供給される冷却液の流量を制限することにより、燃料電池に供給される冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。これにより、燃料電池を構成する部材の劣化や燃料電池の発電性能の低下を抑制可能である。また、冷却液の流量の制限のみにより実行されるので、製品ばらつき、経年変化、応答特性等の課題で説明したサーモスタットバルブ自体の問題に関わらず冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。 (1) According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell cooling system in which a coolant passing through a radiator is circulated and supplied to a fuel cell via a thermostat valve and a flow rate adjusting mechanism. In this fuel cell cooling system, the flow rate of the coolant supplied to the fuel cell is controlled before the thermostat valve is opened by controlling the flow rate adjusting mechanism when the thermostat valve is opened. It is limited to a flow rate that is less than the supplied flow rate. According to the fuel cell cooling system of this embodiment, even when the thermostat valve is opened and the low-temperature coolant cooled by the radiator flows out of the thermostat valve, the flow rate of the coolant supplied to the fuel cell is reduced. By limiting, it is possible to suppress a rapid temperature fluctuation of the coolant supplied to the fuel cell. Thereby, deterioration of the member which comprises a fuel cell, and the fall of the power generation performance of a fuel cell can be suppressed. Further, since the process is executed only by limiting the flow rate of the coolant, rapid temperature fluctuations of the coolant can be suppressed regardless of the problems of the thermostat valve itself described in the problems such as product variation, aging, and response characteristics.

(2)上記形態の燃料電池の冷却システムにおいて、前記冷却液の流量の制限は、前記サーモスタットバルブの開弁直前タイミングから前記冷却液の流量制限継続時間が経過するまで実行され、前記開弁直前タイミングおよび前記流量制限継続時間は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度に基づいて決定されることが好ましい。この形態の燃料電池の冷却システムによれば、冷却液の急激な変動を抑制するために冷却液の流量の制限を開始するタイミングおよび継続する時間を容易に決定可能である。 (2) In the fuel cell cooling system according to the above aspect, the restriction of the flow rate of the coolant is performed until the time limit duration of the coolant flow limit elapses from the timing immediately before the opening of the thermostat valve, and immediately before the valve opening. The timing and the flow rate restriction duration time are preferably determined based on the temperature of the coolant flowing out of the thermostat valve. According to the fuel cell cooling system of this embodiment, it is possible to easily determine the timing for starting the restriction of the flow rate of the coolant and the continuing time in order to suppress the rapid fluctuation of the coolant.

(3)本発明の他の形態によれば、ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび循環ポンプを介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムが提供される。この燃料電池の冷却システムでは、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の微分値が求められ、前記微分値に基づいて決定される補正量の変化に応じて前記流量調整機構が制御されることによって調整される。この形態の燃料電池の冷却システムによれば、サーモスタットから流出する冷却液の温度の変化の大きさを示す微分値に応じて冷却液の流量を調整することにより、燃料電池に供給される冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。これにより、燃料電池を構成する部材の劣化や燃料電池の発電性能の低下を抑制可能である。また、冷却液の温度の変化の大きさに応じた冷却液の流量の調整のみにより実行されるので、同様に、課題で説明したサーモスタットバルブの問題に関わらず冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。 (3) According to another aspect of the present invention, there is provided a cooling system for a fuel cell in which a coolant passing through a radiator is circulated and supplied to the fuel cell via a thermostat valve and a circulation pump. In this fuel cell cooling system, the flow rate of the coolant supplied to the fuel cell is determined based on the differential value obtained by obtaining a differential value of the temperature of the coolant flowing out of the thermostat valve. Adjustment is performed by controlling the flow rate adjusting mechanism in accordance with a change in the amount. According to the fuel cell cooling system of this embodiment, the coolant supplied to the fuel cell is adjusted by adjusting the flow rate of the coolant according to the differential value indicating the magnitude of the temperature change of the coolant flowing out of the thermostat. Can be suppressed. Thereby, deterioration of the member which comprises a fuel cell, and the fall of the power generation performance of a fuel cell can be suppressed. In addition, since it is executed only by adjusting the flow rate of the cooling liquid according to the magnitude of the change in the temperature of the cooling liquid, similarly, the rapid temperature fluctuation of the cooling liquid is suppressed regardless of the problem of the thermostat valve described in the problem. Is possible.

本発明は、燃料電池の冷却システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の冷却システムを備える燃料電池システム、燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。   The present invention can also be realized in various forms other than the fuel cell cooling system. For example, it can be realized in the form of a fuel cell system including a fuel cell cooling system, a vehicle including a fuel cell system, and the like.

本発明の第1実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the cooling system of the fuel cell as 1st Embodiment of this invention. サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限の基本概念について示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the basic concept of the flow volume restriction | limiting of the cooling water at the time of valve opening of a thermostat valve. サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限処理のフローチャートである。It is a flowchart of the flow volume restriction | limiting process of the cooling water at the time of valve opening of a thermostat valve. 冷却水温度取得処理ルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of a cooling water temperature acquisition process routine. 流量制限開始温度検出処理ルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of a flow restriction start temperature detection processing routine. 流量制限継続時間設定処理ルーチンのフローチャートである。7 is a flowchart of a flow rate restriction duration setting processing routine. 流量制限開始処理ルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of a flow restriction start processing routine. 流量制限終了処理ルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of a flow restriction end processing routine. 流量制限処理の各処理ルーチンで実行される処理動作について視覚的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows visually about the process operation performed by each process routine of a flow volume limitation process. 本発明の第2実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the cooling system of the fuel cell as 2nd Embodiment of this invention. 冷却水の流量制限処理のフローチャートである。It is a flowchart of the flow volume limiting process of cooling water. 冷却水の流量制限処理のフローチャートである。It is a flowchart of the flow volume limiting process of cooling water. 暖機時FC冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a characteristic of FC cooling water flow map at the time of warming-up. FC冷却水負帰還流量マックの特性例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a characteristic of FC cooling water negative feedback flow rate Mac. FC冷却水昇降温補正係数マップの特性例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a characteristic of FC cooling water raising / lowering temperature correction coefficient map. FC冷却水ラジエータ補正係数マップの特性例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a characteristic of FC cooling water radiator correction coefficient map. 基準FC冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a characteristic of a standard FC cooling water flow rate map. 図13の流量制限処理によって実行されるFC冷却水の流量制限動作について視覚的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows visually about the flow volume restriction | limiting operation | movement of FC cooling water performed by the flow volume restriction | limiting process of FIG.

A.第1実施形態:
A1.冷却システムの構成:
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。図1(A)に示すように、冷却システム100には、燃料電池を冷却する冷却液としての水(以下、「冷却水」と呼ぶ)を、ラジエータ50を介して燃料電池スタック(以下、「FCスタック」とも呼ぶ)10に循環供給する循環流路LCと、ラジエータ50をバイパスしてFCスタック10に循環供給するバイパス循環流路LBと、が設けられている。なお、ラジエータを介した冷却水とラジエータを介さない冷却水とを特に区別する場合には、ラジエータを介した冷却水を「冷却化水」とも呼び、ラジエータを介さない冷却水を「非冷却化水」とも呼ぶ。なお、冷却水としては、通常、不凍液が添加された水が用いられる。
A. First embodiment:
A1. Cooling system configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell cooling system according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, in the cooling system 100, water as a coolant for cooling the fuel cell (hereinafter referred to as “cooling water”) is supplied to a fuel cell stack (hereinafter referred to as “cooling water”) via a radiator 50. A circulation channel LC that circulates and supplies to the FC stack 10 and a bypass circulation channel LB that circulates and supplies the FC stack 10 while bypassing the radiator 50 are provided. In order to distinguish between cooling water that passes through the radiator and cooling water that does not pass through the radiator, the cooling water that passes through the radiator is also called “cooled water”, and cooling water that does not pass through the radiator is referred to as “uncooled”. Also called “water”. In addition, as cooling water, the water to which the antifreeze liquid was added is used normally.

循環流路LCは、FCスタック10の出口10bとラジエータ50の入口50aとを結ぶ流路L1,L2と、ラジエータ50の出口50bとサーモスタットバルブ40の一方の入口40aとを結ぶ流路L3と、サーモスタットバルブ40の出口40cと循環ポンプ20の入口20aとを結ぶL4と、循環ポンプ20の出口20bとFCスタック10の入口10aとを結ぶ流路L5と、から構成されている。バイパス循環流路LBは、循環流路LCと共通する流路L1,L4,L5と、流路L1と流路L2との接続位置で分岐されてサーモスタットバルブ40のもう一方の入口40bに接続される流路L6と、から構成されている。流路L4にはサーモスタットバルブ40から流出する冷却水の温度(Tfcを検出する温度センサ30が設けられている。温度センサ30には、例えば、サーミスタ型温度計が用いられる。   The circulation channel LC includes channels L1 and L2 that connect the outlet 10b of the FC stack 10 and the inlet 50a of the radiator 50, a channel L3 that connects the outlet 50b of the radiator 50 and one inlet 40a of the thermostat valve 40, L4 which connects the outlet 40c of the thermostat valve 40 and the inlet 20a of the circulation pump 20, and the flow path L5 which connects the outlet 20b of the circulation pump 20 and the inlet 10a of the FC stack 10 are comprised. The bypass circulation flow path LB is branched at the connection positions of the flow paths L1, L4, and L5 common to the circulation flow path LC, and the flow paths L1 and L2, and is connected to the other inlet 40b of the thermostat valve 40. And a flow path L6. The flow path L4 is provided with a temperature sensor 30 for detecting the temperature (Tfc) of the cooling water flowing out from the thermostat valve 40. For the temperature sensor 30, for example, a thermistor type thermometer is used.

FCスタック10の入口10aから供給される冷却水の流量の制御は、FCスタック10による発電動作を制御する燃料電池制御ユニット(以下、「FCCユニット」あるいは「FCCU」とも呼ぶ)70が、温度センサ30により検出された温度に基づいて循環ポンプ20の動作を制御することによって実行される。従って、循環ポンプ20が本発明の流量調整機構に相当する。なお、流量調整機構としては、ポンプだけでなく流量調整弁を適用することが可能であり、流量を調整することが可能であれば種々の機構を適用することが可能である。   The flow rate of the cooling water supplied from the inlet 10a of the FC stack 10 is controlled by a fuel cell control unit (hereinafter also referred to as “FCC unit” or “FCCU”) 70 that controls the power generation operation of the FC stack 10 by a temperature sensor. The control is performed by controlling the operation of the circulation pump 20 based on the temperature detected by 30. Therefore, the circulation pump 20 corresponds to the flow rate adjusting mechanism of the present invention. As the flow rate adjusting mechanism, not only a pump but also a flow rate adjusting valve can be applied, and various mechanisms can be applied as long as the flow rate can be adjusted.

なお、FCスタック10を含む燃料電池システムには、冷却システム100の他にも、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系および酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系等の種々の装置が設けられているが、本発明の説明において必須の構成ではないので、図示および説明を省略する。   In addition to the cooling system 100, the fuel cell system including the FC stack 10 includes various fuel gas supply systems for supplying fuel gas and oxidant gas supply systems for supplying oxidant gas. Although an apparatus is provided, it is not an essential component in the description of the present invention, and thus illustration and description thereof are omitted.

サーモスタットバルブ40は、内部を流れる冷却水の温度に応じて変化する感温部のワックス(不図示)の膨張収縮の度合いに応じて弁(バルブ)42の開度が変化する機能を有している。図1(B)の左側に示すように、冷却水の温度が開弁温度よりも低い状態では、ワックスの収縮によって弁42が閉じた状態となるので、循環流路LCが閉じてバイパス循環流路LBが開く。図1(B)の右側に示すように、冷却水の温度が開弁温度以上である場合には、ワックスの膨張によって弁42が開いた状態となるので、バイパス循環流路LBが閉じて循環流路LCが開く。なお、サーモスタットバルブ40の弁42の開閉にはヒステリシスがあり、開状態となったあと閉状態となるまでには、温度に応じた中間の開状態が発生する。   The thermostat valve 40 has a function of changing the opening degree of the valve (valve) 42 in accordance with the degree of expansion and contraction of the wax (not shown) of the temperature sensing part that changes in accordance with the temperature of the cooling water flowing through the thermostat valve 40. Yes. As shown on the left side of FIG. 1B, in a state where the temperature of the cooling water is lower than the valve opening temperature, the valve 42 is closed due to the shrinkage of the wax. Road LB opens. As shown on the right side of FIG. 1B, when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the valve opening temperature, the valve 42 is opened due to the expansion of the wax, so that the bypass circulation passage LB is closed and circulated. The channel LC opens. Note that there is hysteresis in the opening and closing of the valve 42 of the thermostat valve 40, and an intermediate open state corresponding to the temperature occurs after the open state until the closed state.

冷却システム100では、サーモスタットバルブ40を通過する冷却水の温度が開弁温度よりも低い場合には、循環流路LCが閉じられ、バイパス循環流路LBを介して非冷却化水がFCスタック10に循環供給される。この場合の非冷却化水の流れは、図1(B)に破線の矢印で示されている。これに対して、サーモスタットバルブ40を通過する冷却水の温度が開弁温度以上の場合には、循環流路LCが開けられ、循環流路LCを介して冷却化水がFCスタック10に循環供給される。   In the cooling system 100, when the temperature of the cooling water passing through the thermostat valve 40 is lower than the valve opening temperature, the circulation channel LC is closed, and the uncooled water is supplied to the FC stack 10 via the bypass circulation channel LB. Circulated and supplied. The flow of uncooled water in this case is indicated by a broken arrow in FIG. On the other hand, when the temperature of the cooling water passing through the thermostat valve 40 is equal to or higher than the valve opening temperature, the circulation channel LC is opened, and the cooled water is circulated and supplied to the FC stack 10 via the circulation channel LC. Is done.

FCスタック10に供給される冷却水の流量は、通常、温度センサ30で検出された温度に基づいてあらかじめ設定される条件に従って決定される流量制御値(「流量制御指令値」とも呼ぶ)に従って循環ポンプ20が動作することによって制御されている。本実施形態の冷却システム100では、特に、サーモスタットバルブ40の開弁時において、以下で説明する冷却水の流量制限の制御が加えられる。   The flow rate of the cooling water supplied to the FC stack 10 is normally circulated according to a flow rate control value (also referred to as a “flow rate control command value”) determined according to a preset condition based on the temperature detected by the temperature sensor 30. It is controlled by operating the pump 20. In the cooling system 100 of the present embodiment, especially when the thermostat valve 40 is opened, the control of the flow rate limitation of the cooling water described below is added.

A2.冷却水の流量制限の基本概念:
図2は、サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限の基本概念について示す説明図である。なお、図2は、暖機運転の過程の中でサーモスタットバルブ40の弁が開くものとして示している。また、図2の上段は比較例として冷却水の流量の制限がない場合を示し、図2の下段は基本概念としての冷却水の流量の制限がある場合を示している。
A2. Basic concept of cooling water flow restriction:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the basic concept of the flow rate restriction of the cooling water when the thermostat valve is opened. FIG. 2 shows that the thermostat valve 40 is opened during the warm-up operation. Moreover, the upper part of FIG. 2 shows a case where there is no restriction on the flow rate of the cooling water as a comparative example, and the lower part of FIG. 2 shows a case where there is a restriction on the flow rate of the cooling water as a basic concept.

まず、比較例について説明する。FCスタック10を含む燃料電池システムの低温起動時、特に、氷点下における起動時においては、発電による生成水の凍結を抑制する観点から、FCスタック10の急速な暖機が要求される。通常、暖機運転時における発電効率の低下を許容し、FCスタック10における発電に伴い発生する熱によって、図1の上段に示すように、バイパス循環流路LBを循環する冷却水の温度が上昇して行き、FCスタック10の急速な暖機が行われる。なお、バイパス循環流路LBを循環する冷却水の流量は、温度が上昇して行く冷却水の循環による急速な暖機を可能とするために、暖機に効果的である流量としてあらかじめ定めた流量、例えば、定常動作における設定最大流量や、設定可能な最大流量等に設定される。   First, a comparative example will be described. When the fuel cell system including the FC stack 10 is started at a low temperature, particularly when the fuel cell system is started below freezing point, the FC stack 10 is required to be quickly warmed up from the viewpoint of suppressing freezing of generated water due to power generation. Normally, a reduction in power generation efficiency during warm-up operation is allowed, and the temperature generated by the power generation in the FC stack 10 increases the temperature of the cooling water circulating through the bypass circulation passage LB as shown in the upper part of FIG. Then, the FC stack 10 is rapidly warmed up. In addition, the flow rate of the cooling water circulating through the bypass circulation flow path LB is determined in advance as a flow rate that is effective for warming up in order to enable rapid warming up by circulating the cooling water whose temperature rises. The flow rate is set to a set maximum flow rate in a steady operation, a settable maximum flow rate, or the like.

サーモスタットバルブ40の弁が開き始めると、ラジエータ50で外気温度に近い状態まで冷却された冷水(冷却化水)がサーモスタットバルブ40および循環ポンプ20を介してFCスタック10に供給される冷却水(以下、「FC冷却水」とも呼ぶ)がFCスタック10に流入する。上記したように、循環ポンプ20によってFCスタック10に供給される冷却水の流量は、上記した急速な暖機を目的として多めの流量に設定されている。このため、多めに設定された流量に対応する冷却化水がFC冷却水としてFCスタック10へ流入することになり、温度センサ30で検知されるFC冷却水の温度は、冷却化水の流量に応じて低下する。この時、サーモスタットバルブ40の感温部も冷却化水に晒されて温度の低下を検知する。これにより、サーモスタットバルブ40は開弁状態から閉弁状態に移行し、冷却されない温水(非冷却化水)がサーモスタットバルブ40および循環ポンプ20を介してFC冷却水としてFCスタック10に流入し、温度センサ30で検知されるFC冷却水の温度は再び上昇する。なお、サーモスタットバルブ40の感温部による感温特性および感温に応じた弁の応答特性は、適用している部材固有の応答遅れ、および、個体間バラツキがある。このため、温度センサ30で検出されるFC冷却水の温度は、サーモスタットバルブ40による開弁と閉弁の繰り返しに応じて振動的に変動(ハンチング)しながら次第に減衰して、暖機に伴う温度上昇特性として設定されている状態に復帰する。   When the valve of the thermostat valve 40 starts to open, cooling water (cooled water) cooled to a state close to the outside air temperature by the radiator 50 is supplied to the FC stack 10 via the thermostat valve 40 and the circulation pump 20 (hereinafter referred to as cooling water). , Also referred to as “FC cooling water”) flows into the FC stack 10. As described above, the flow rate of the cooling water supplied to the FC stack 10 by the circulation pump 20 is set to a large flow rate for the purpose of rapid warm-up described above. For this reason, the cooling water corresponding to the larger set flow rate flows into the FC stack 10 as FC cooling water, and the temperature of the FC cooling water detected by the temperature sensor 30 is equal to the flow rate of the cooling water. Decreases accordingly. At this time, the temperature sensing part of the thermostat valve 40 is also exposed to the cooling water to detect a temperature drop. As a result, the thermostat valve 40 shifts from the open state to the closed state, and hot water (uncooled water) that is not cooled flows into the FC stack 10 as FC cooling water via the thermostat valve 40 and the circulation pump 20, The temperature of the FC cooling water detected by the sensor 30 rises again. It should be noted that the temperature sensing characteristics of the thermostat valve 40 and the response characteristics of the valve in accordance with the temperature sensing have a response delay inherent to the member being applied and variation among individuals. For this reason, the temperature of the FC cooling water detected by the temperature sensor 30 is gradually attenuated while oscillating and fluctuating (hunting) in response to the repeated opening and closing of the thermostat valve 40, and the temperature associated with warming up. Returns to the state set as the rising characteristic.

上記冷却水の温度の急激な変動は、課題で説明したように、FCスタック10を構成している複数の異なる部材でそれぞれ異なった伸縮を招き、これに応じて発生する応力がFCスタック10を構成する各燃料電池セル(FCセル)をスタック状に締結する締結力の低下を招き、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れや、冷却水の漏れの要因となる。また、FCセル間あるいは同一のFCセル内であっても、冷却水の入口と出口とで温度差が生じ、湿潤状態の分布が不均一となって発電性能が低下する要因ともなり得る。   As described in the problem, the rapid fluctuation of the temperature of the cooling water causes different expansion and contraction in a plurality of different members constituting the FC stack 10, and the stress generated in response to the expansion and contraction of the FC stack 10. This causes a reduction in fastening force for fastening each fuel cell (FC cell) constituting the stack, causing leakage of fuel gas and oxidant gas and leakage of cooling water. Further, even between the FC cells or in the same FC cell, a temperature difference occurs between the inlet and outlet of the cooling water, and the distribution of the wet state becomes non-uniform, which may cause the power generation performance to deteriorate.

そこで、本実施形態では、以下で説明する冷却水の流量制限の基本概念に基づいて流量制限が行われることにより、上記比較例における問題を解決する。すなわち、本実施形態における冷却水の流量制限は、図2の下段に示すように、サーモスタットバルブ40の開弁のタイミングの直前で冷却水の流量の制限を開始し、温度センサ30で検知される冷却水の温度変動(ハンチング)が収束するタイミングまで流量の制限を継続させることによって、冷却水の急激な温度低下を抑制し、その後に発生する温度変動(ハンチング)を抑制する、というものである。   Therefore, in the present embodiment, the problem in the comparative example is solved by restricting the flow rate based on the basic concept of restricting the flow rate of cooling water described below. That is, the flow rate limitation of the cooling water in the present embodiment starts the limitation of the flow rate of the cooling water immediately before the opening timing of the thermostat valve 40 and is detected by the temperature sensor 30 as shown in the lower part of FIG. By restricting the flow rate until the temperature fluctuation (hunting) of the cooling water converges, the rapid temperature drop of the cooling water is suppressed, and the temperature fluctuation (hunting) occurring thereafter is suppressed. .

上記概念は、以下の理由に基づいている。すなわち、冷却水の流量を制限すれば、サーモスタットバルブ40の開弁によってFC冷却水となる冷却化水の流量も制限される。このため、冷却化水の流入によって発生するFC冷却水の温度低下の変動が抑制される。また、FC冷却水の温度低下に応答して発生する温度上昇も、基となる冷却水の温度低下の変動が抑制されているため、抑制されることになる。結果として、サーモスタットバルブ40の開弁によって発生するFC冷却水の温度変動(ハンチング)が抑制される、と考えられるからである。   The above concept is based on the following reasons. That is, if the flow rate of the cooling water is limited, the flow rate of the cooling water that becomes the FC cooling water is also limited by opening the thermostat valve 40. For this reason, the fluctuation | variation of the temperature fall of FC cooling water which generate | occur | produces by inflow of cooling water is suppressed. Further, the temperature rise that occurs in response to the temperature drop of the FC cooling water is also suppressed because fluctuations in the temperature drop of the base cooling water are suppressed. As a result, it is considered that temperature fluctuation (hunting) of the FC cooling water generated by opening the thermostat valve 40 is suppressed.

A3.具体的な流量制限動作:
以下では、上記冷却水の流量制限の基本概念に基づいた具体的な動作例について説明する。図3は、サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限処理のフローチャートである。この流量制限処理は、FCCユニット70によって、燃料電池システムの起動から終了までの間、あらかじめ定めた実行間隔tm、例えば、tm=100[ms]、で繰り返し実行される。なお、この間隔は、冷却水の温度変動の検出精度や、処理を実行するFCCユニット70にかかる負荷等を考慮して設定される。
A3. Specific flow restriction operation:
Below, the specific operation example based on the basic concept of the flow volume restriction | limiting of the said cooling water is demonstrated. FIG. 3 is a flowchart of the flow rate limiting process for the cooling water when the thermostat valve is opened. This flow rate limiting process is repeatedly executed by the FCC unit 70 from the start to the end of the fuel cell system at a predetermined execution interval tm, for example, tm = 100 [ms]. This interval is set in consideration of the detection accuracy of the temperature variation of the cooling water, the load on the FCC unit 70 that executes the processing, and the like.

冷却水の流量制限処理では、冷却水温度取得(ステップS100)、流量制限開始温度検出(ステップS120)、流量制限継続時間設定(ステップS140)、流量制限開始(ステップS160)、および、流量制限終了(ステップS180)の各処理ルーチンが、FCCユニット70によって順に実行される。   In the cooling water flow restriction process, the cooling water temperature acquisition (step S100), the flow restriction start temperature detection (step S120), the flow restriction duration setting (step S140), the flow restriction start (step S160), and the flow restriction end. Each processing routine of (Step S180) is executed in order by the FCC unit 70.

図4は冷却水温度取得処理ルーチンのフローチャートである。図5は流量制限開始温度検出処理ルーチンのフローチャートであり、図6は流量制限継続時間設定処理ルーチンのフローチャートである。図7は流量制限開始処理ルーチンのフローチャートであり、図8は流量制限終了処理ルーチンのフローチャートである。図9は、流量制限処理の各処理ルーチンで実行される処理動作について視覚的に示す説明図である。   FIG. 4 is a flowchart of a cooling water temperature acquisition processing routine. FIG. 5 is a flowchart of a flow rate restriction start temperature detection processing routine, and FIG. 6 is a flowchart of a flow rate restriction duration setting processing routine. FIG. 7 is a flowchart of a flow rate restriction start processing routine, and FIG. 8 is a flowchart of a flow rate restriction end processing routine. FIG. 9 is an explanatory diagram visually showing the processing operation executed in each processing routine of the flow rate restriction processing.

まず、冷却水温度取得処理(図3のステップS100)では、図4に示すように、FCスタック10(図1)に供給されるFC冷却水の温度が温度センサ30によって検出され、サーモスタット後流温度tmp_ts_oとして取得および保存される(ステップS102)。そして、サーモスタット後流温度tmp_ts_oの微分値がサーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oとして算出され、保存される(ステップS104)。   First, in the cooling water temperature acquisition process (step S100 in FIG. 3), as shown in FIG. 4, the temperature of the FC cooling water supplied to the FC stack 10 (FIG. 1) is detected by the temperature sensor 30, and the downstream of the thermostat Obtained and stored as the temperature tmp_ts_o (step S102). Then, the differential value of the thermostat wake temperature tmp_ts_o is calculated and stored as the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o (step S104).

次に、流量制限開始温度検出処理では(図3のステップS120)では、図5に示すように、取得されたサーモスタット後流温度tmp_ts_oが、サーモスタットバルブ40の確実な全閉状態温度tmp_lwr(例えば、40℃)〜確実な全開状態温度tmp_upr(例えば、85℃)の範囲にあるか否か(ステップS122)、および、後述する開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]がセットされているか否か(ステップS124)、が判断される。なお、全閉状態温度tmp_lwrおよび全開状態温度tmp_uprは、適用するサーモスタットバルブの仕様や経年変化を考慮し、実験確認されて適宜設定される。   Next, in the flow rate restriction start temperature detection process (step S120 in FIG. 3), as shown in FIG. 5, the acquired thermostat wake temperature tmp_ts_o is a reliable fully closed state temperature tmp_lwr (for example, 40 ° C.) to a certain fully open state temperature tmp_upr (for example, 85 ° C.) (step S122), and whether or not a temperature detection completion flag flg [ts_opn], which will be described later, is set is described. Is determined (step S124). Note that the fully closed state temperature tmp_lwr and the fully open state temperature tmp_upr are appropriately set after confirming the experiment in consideration of the specification of the thermostat valve to be applied and the secular change.

そして、サーモスタット後流温度tmp_ts_oが上記範囲にあり、かつ、開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]がセットされていない場合には、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが開弁開始温度検出判定値dtmp_lwr(例えば、−2℃/秒)よりも小さいか否か判断される(ステップS126)。   When the thermostat wake temperature tmp_ts_o is in the above range and the temperature detection completion flag flg [ts_opn] immediately before starting the valve opening is not set, the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o is determined as the valve opening start temperature detection determination. It is determined whether or not the value is smaller than a value dtmp_lwr (for example, −2 ° C./second) (step S126).

ここで、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが開弁開始温度検出判定値dtmp_lwrよりも小さい場合には、冷却水の温度の低下の変化の度合いが大きく、サーモスタットバルブ40の開弁が開始状態にあると考えられる。例えば、図9(a)に示すように、FC冷却水の温度Tfc(サーモスタット後流温度tmp_ts_o)は、サーモスタットバルブ40の開弁開始前においては上昇し、サーモスタットバルブ40の開弁に伴って下降し、サーモスタットバルブ40の開弁と閉弁に応じて上昇と下降を繰り返す。このとき、図9(b)に示すように、冷却水の温度Tfcの微分値dTfc(サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_o)は、サーモスタットバルブ40が開弁して冷却水の温度Tfc(図9(a))が上昇から下降に変化するタイミングにおいて負の値に変化する。そこで、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが開弁開始温度検出判定値dtmp_lwrを下回った時点が検出されることにより、開弁開始直前温度の検出を実行するタイミングが検出される。なお、開弁開始温度検出判定値dtmp_lwrは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、実験確認されて適宜設定される。   Here, if the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o is smaller than the valve opening start temperature detection determination value dtmp_lwr, the degree of change in the cooling water temperature is large, and the thermostat valve 40 is in the start state. it is conceivable that. For example, as shown in FIG. 9A, the temperature Tfc of the FC cooling water (thermostat temp_ts_o after the thermostat) increases before the thermostat valve 40 starts to open and decreases as the thermostat valve 40 opens. Then, as the thermostat valve 40 is opened and closed, the raising and lowering are repeated. At this time, as shown in FIG. 9B, the differential value dTfc of the cooling water temperature Tfc (the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o) is the temperature Tfc of the cooling water when the thermostat valve 40 is opened (FIG. 9B). It changes to a negative value at the timing when a)) changes from rising to falling. Therefore, the timing at which the detection of the temperature immediately before the start of the valve opening is detected by detecting the time point when the thermostat wake flow temperature change amount dtmp_ts_o falls below the valve opening start temperature detection determination value dtmp_lwr. Note that the valve opening start temperature detection determination value dtmp_lwr is appropriately set after being experimentally confirmed in advance in consideration of various variations such as initial variation of the thermostat, aging, temperature sensor detection variation, and the like.

そして、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが開弁開始温度検出判定値dtmp_lwrよりも小さい場合には、最大サーモスタット後流温度tmp_ts_o[max]が算出される(ステップS128)とともに、開弁開始直前温度tmp_ts_onが算出されて(ステップS130)保存される。また、現在時刻time[n]が開弁開始直前温度検出時刻time_onとして取得されて保存され(ステップS132)、開弁開始直前温度および開弁開始直線温度検出時刻の取得が完了したものとして、開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]がセットされる(ステップS134)。最大サーモスタット後流温度tmp_ts_o[max]としては、サーモスタット後流温度tmp_ts_oが設定される。開弁開始直前温度tmp_ts_onとしては、最大サーモスタット後流温度tmp_ts_o[max]から流量制限開始余裕温度tmp_ofs(例えば、3.5℃)が減算された値が設定される。流量制限開始余裕温度tmp_ofsは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、実験確認されて適宜設定される。   When the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o is smaller than the valve opening start temperature detection determination value dtmp_lwr, the maximum thermostat wake temperature tmp_ts_o [max] is calculated (step S128) and the temperature tmp_ts_on immediately before the valve opening start. Is calculated (step S130) and stored. Further, the current time time [n] is acquired and stored as the temperature detection time time_on immediately before the valve opening start (step S132), and it is assumed that the acquisition of the temperature immediately before the valve opening start and the valve opening start linear temperature detection time has been completed. A temperature detection completion flag flg [ts_opn] immediately before starting the valve is set (step S134). As the maximum thermostat wake temperature tmp_ts_o [max], the thermostat wake temperature tmp_ts_o is set. As the temperature tmp_ts_on immediately before the opening of the valve, a value obtained by subtracting the flow limit restriction start temperature tmp_ofs (for example, 3.5 ° C.) from the maximum thermostat downstream temperature tmp_ts_o [max] is set. The flow rate restriction start margin temperature tmp_ofs is appropriately set after being experimentally confirmed in advance in consideration of various variations such as initial variation of the thermostat, aging, and variation in detection of the temperature sensor.

なお、開弁開始直前温度tmp_ts_onが算出されて開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]がセットされた後も、上記したように、実行間隔tmごとに流量制限開始温度検出処理が繰り返し実行されることになる。しかしながら、この場合の流量制限開始温度検出処理では、開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]がセットされているので(ステップS124)、ステップS126〜ステップS134の処理は実行されず、設定された開弁開始直前温度tmp_ts_onおよび開弁開始直前温度検出時刻time_onの値が維持される。開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]のリセットは、後述する流量制限終了処理(図8のステップS190)において、流量制限が終了した際に実行される。   As described above, the flow restriction start temperature detection process is repeatedly executed at every execution interval tm as described above even after the temperature tmp_ts_on immediately before the valve opening start is calculated and the temperature detection completion flag flg [ts_opn] immediately before the valve opening start is set. Will be. However, in the flow restriction start temperature detection process in this case, since the temperature detection completion flag flg [ts_opn] immediately before the valve opening start is set (step S124), the processes of steps S126 to S134 are not executed and set. Further, the values of the temperature tmp_ts_on immediately before the valve opening start and the temperature detection time time_on immediately before the valve opening start are maintained. The reset of the temperature detection completion flag flg [ts_opn] immediately before the start of valve opening is executed when the flow rate restriction ends in a flow rate restriction end process (step S190 in FIG. 8) described later.

次に、流量制限継続時間設定処理(図3のステップS140)では、図6に示すように、上記した開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]がセットされているか否か(ステップS142)、および、後述する流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]がセットされているか否か(ステップS144)、が判断される。   Next, in the flow rate restriction duration setting process (step S140 in FIG. 3), as shown in FIG. 6, whether or not the temperature detection completion flag flg [ts_opn] just before the valve opening start is set (step S142). And whether or not a flow rate restriction duration setting completion flag flg [dtime] described later is set (step S144).

そして、開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]および流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]がセットされている場合には、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが0よりも大きくハンチング収束検出判定値dtmp_max(例えば。1℃/秒)よりも小さい範囲となったか否か判断される(ステップS146)。   When the temperature detection completion flag flg [ts_opn] immediately before the valve opening start and the flow rate restriction continuation time setting completion flag flg [dtime] are set, the post-thermostat temperature change amount dtmp_ts_o is larger than 0 and hunting convergence detection is performed. It is determined whether or not the range is smaller than a determination value dtmp_max (for example, 1 ° C./second) (step S146).

ここで、図9(b)に示すように、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_o(冷却水の温度Tfcの微分値dTfc)が負から正に変化したタイミングは、図9(a)に示すように、冷却水の温度Tfcが下降から上昇に変化するタイミングを示しており、少なくとも、サーモスタットバルブ40の開弁により発生した温度低下から脱したタイミングとなる。そこで、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが0よりも大きくハンチング収束検出判定値dtmp_max(例えば。1℃/秒)よりも小さい範囲となった時点が検出されることにより、ハンチング収束タイミングが検出される。なお、ハンチング収束検出判定値dtmp_maxは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、実験確認されて適宜設定される。   Here, as shown in FIG. 9B, the timing when the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o (the differential value dTfc of the cooling water temperature Tfc) changes from negative to positive as shown in FIG. 9A. The timing at which the temperature Tfc of the cooling water changes from lowering to rising is shown, and at least the timing at which the cooling water temperature Tfc deviates from the temperature decrease generated by opening the thermostat valve 40. Therefore, the hunting convergence timing is detected by detecting a time point when the thermostat wake flow temperature change amount dtmp_ts_o is in a range larger than 0 and smaller than a hunting convergence detection determination value dtmp_max (for example, 1 ° C./second). . It should be noted that the hunting convergence detection determination value dtmp_max is appropriately set after being experimentally confirmed in advance in consideration of various variations such as initial variations in the thermostat, changes over time, and variations in detection of the temperature sensor.

サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが上記範囲内となった場合には、ハンチングが収束したと判断されて、流量制限継続時間dtimeが算出されて保存され(ステップS148)、流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]がセットされる(ステップS150)。流量制限継続時間dtimeは、現在時刻time[n]から開弁開始直前温度検出時刻time_onが減算されることにより算出される。   When the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o falls within the above range, it is determined that the hunting has converged, the flow rate restriction duration dtime is calculated and stored (step S148), and the flow rate restriction duration setting completion flag is set. flg [dtime] is set (step S150). The flow rate restriction duration time dtime is calculated by subtracting the temperature detection time time_on immediately before starting the valve opening from the current time time [n].

なお、流量制限継続時間dtimeが算出されて流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]がセットされた後も、上記したように、実行間隔tmごとに流量制限継続時間設定処理が繰り返し実行されることになる。しかしながら、この場合の流量制限継続時間設定処理では、量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]がセットされているので(ステップS144)、ステップS146〜ステップS150の処理は実行されず、設定された流量制限継続時間dtimeの値が維持される。流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]のリセットは、後述する流量制限終了処理(図8のステップS190)において、流量制限が終了した際に実行される。   Even after the flow rate restriction duration dtime is calculated and the flow rate restriction duration setting completion flag flg [dtime] is set, the flow rate restriction duration setting process is repeatedly executed at every execution interval tm as described above. It will be. However, in the flow rate restriction duration setting process in this case, since the amount restriction duration setting completion flag flg [dtime] is set (step S144), the processing from step S146 to step S150 is not executed and is set. The value of the flow restriction duration dtime is maintained. The reset of the flow rate restriction duration setting completion flag flg [dtime] is executed when the flow rate restriction is finished in a flow restriction restriction end process (step S190 in FIG. 8) described later.

次に、流量制限開始処理(図3のステップS160)では、図7に示すように、流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]がセットされているか否か(ステップS162)、および、後述するハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]がセットされているか否か(ステップS164)、が判断される。流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]がセットされているが、ハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]がまだセットされていない場合には、開弁開始直前温度tmp_ts_onおよび流量制限継続時間dtimeが求められて保存されているので、これに基づいて、サーモスタットバルブ40の開弁を検出可能であり、流量制限継続時間dtimeの間において冷却水の流量制限が可能となる。そこで、サーモスタット後流温度tmp_ts_oが開弁開始直前温度tmp_ts_onよりも大きい温度となったか否か判断する(ステップS166)。   Next, in the flow rate restriction start process (step S160 in FIG. 3), as shown in FIG. 7, whether or not the flow rate restriction duration setting completion flag flg [dtime] is set (step S162) and will be described later. It is determined whether or not the anti-hunting control flag flg [Q_wtr] is set (step S164). If the flow rate restriction duration setting completion flag flg [dtime] is set, but the hunting prevention control in-progress flag flg [Q_wtr] is not yet set, the temperature tmp_ts_on immediately before starting the valve opening and the flow rate restriction duration dtime are set. Since it is obtained and stored, the opening of the thermostat valve 40 can be detected based on this, and the flow rate of the cooling water can be restricted during the flow rate restriction duration dtime. Therefore, it is determined whether or not the thermostat downstream temperature tmp_ts_o is higher than the temperature tmp_ts_on immediately before the start of valve opening (step S166).

図9(a)に示すように、サーモスタット後流温度tmp_ts_oが開弁開始直前温度tmp_ts_onよりも大きい温度となった時点で、開弁開始直前温度となったと判断される。このため、図9(c)に示すように、流量制限指令値Q_wtrは、通常時流量指令値Q_wtr_nmlから、通常時流量指令値Q_wtr_nmlよりも小さい値のハンチング防止流量指令値Q_wtr_smlに設定される(ステップS168)。これにより、循環ポンプ20によって、FC冷却水の流量が、それまでの動作条件に応じて設定されていた通常時流量指令値Q_wtr_nmlに対応する通常時流量から、ハンチング防止流量指令値Q_wtr_smlに対応するハンチング防止流量(例えば、12NL/min)となるように制限される。また、この時の現在時刻time[n]が取得されて流量制御開始時刻time_stとして設定され(ステップS170)、ハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]がセットされる(ステップS172)。   As shown in FIG. 9A, when the thermostat wake temperature tmp_ts_o becomes higher than the temperature tmp_ts_on immediately before the valve opening start, it is determined that the temperature immediately before the valve opening start is reached. Therefore, as shown in FIG. 9C, the flow rate restriction command value Q_wtr is set from the normal flow rate command value Q_wtr_nml to a hunting prevention flow rate command value Q_wtr_sml that is smaller than the normal flow rate command value Q_wtr_nml ( Step S168). Thereby, the flow rate of the FC cooling water by the circulation pump 20 corresponds to the hunting prevention flow rate command value Q_wtr_sml from the normal time flow rate corresponding to the normal time flow rate command value Q_wtr_nml set according to the operating conditions so far. The flow rate is limited to a hunting prevention flow rate (for example, 12 NL / min). Further, the current time time [n] at this time is acquired and set as the flow control start time time_st (step S170), and the anti-hunting control flag flg [Q_wtr] is set (step S172).

ここで、ハンチング防止流量は、あらかじめ実験により求められる。例えば、−10℃の大気温度環境下において、燃料電池システムの発電負荷を、最大(この状態を1とする)、1/2、1/25の各定常運転状態に設定し、それぞれの負荷条件における最大発電効率を発揮可能な冷却水の流量を求め、求めた各流量を「基準流量」とする。続いて、燃料電池システムが上記大気温度相当となるまで待機した後、再び、上記発電負荷条件で運転する。この時の冷却水の流量を「基準流量」よりは大きい種々の流量で試すこととし、温度ハンチング幅が例えば5℃以内に抑制可能な流量を求める。求めた流量はハンチング防止流量の最大値とされる。そして、設定するハンチング防止流量は、基準値からハンチング防止流量の最大値の範囲の中から適宜選択設定される。   Here, the anti-hunting flow rate is obtained in advance by experiments. For example, under an atmospheric temperature environment of −10 ° C., the power generation load of the fuel cell system is set to maximum (this state is assumed to be 1), 1/2, 1/25, each steady operation state, and each load condition The flow rate of the cooling water capable of maximizing the power generation efficiency is obtained, and each obtained flow rate is set as the “reference flow rate”. Then, after waiting until the fuel cell system reaches the atmospheric temperature, the fuel cell system is operated again under the power generation load condition. The flow rate of the cooling water at this time is tried at various flow rates larger than the “reference flow rate”, and the flow rate at which the temperature hunting width can be suppressed within 5 ° C., for example, is obtained. The obtained flow rate is the maximum value of the anti-hunting flow rate. The hunting prevention flow rate to be set is appropriately selected and set from the range of the reference value to the maximum value of the hunting prevention flow rate.

なお、上記のようにして流量制限が開始されてハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]がセットされた後も、実行間隔tmごとに実行間隔tmごとに流量制限開始処理が繰り返し実行されることになる。しかしながら、この場合の流量制限開始処理では、ハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]がセットされているので(ステップS124)、ステップS164〜ステップS172の処理は実行されず、流量制限の状態が維持される。ハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]のリセットは、後述する流量制限終了処理(図8のステップS190)において、流量制限が終了した際に実行される。   Even after the flow restriction is started as described above and the hunting prevention controlling flag flg [Q_wtr] is set, the flow restriction start process is repeatedly executed at every execution interval tm at every execution interval tm. Become. However, in the flow rate restriction start process in this case, since the hunting prevention control in progress flag flg [Q_wtr] is set (step S124), the processes in steps S164 to S172 are not executed, and the flow rate restriction state is maintained. The The reset of the hunting prevention control flag flg [Q_wtr] is executed when the flow restriction is finished in a flow restriction completion process (step S190 in FIG. 8) described later.

次に、流量制限終了処理(図3のステップS180)では、図8に示すように、ハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]がセットされて流量制限中であるか否か(ステップS182)、および、流量制限開始時刻time_stからの経過時間が流量制限継続時間dtimeに到達したか否か(ステップS184)、が判断される。   Next, in the flow restriction end processing (step S180 in FIG. 3), as shown in FIG. 8, whether or not the anti-hunting control flag flg [Q_wtr] is set and the flow restriction is in effect (step S182), and It is determined whether the elapsed time from the flow restriction start time time_st has reached the flow restriction continuation time dtime (step S184).

図9(b)に示すように、流量制限中であり、かつ、流量制限開始時刻time_stからの経過時間が流量制限継続時間dtimeに到達した場合には、さらに、サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが0よりも大きくハンチング収束検出判定値dtmp_max(例えば。1℃/秒)よりも小さい範囲となってハンチングの収束状態か否か判断される(ステップS186)。   As shown in FIG. 9B, when the flow rate is being restricted and the elapsed time from the flow rate restriction start time time_st has reached the flow rate restriction duration time dtime, the after-temperature change amount dtmp_ts_o of the thermostat is further increased. It is determined whether or not the hunting convergence state is in a range larger than 0 and smaller than the hunting convergence detection determination value dtmp_max (for example, 1 ° C./second) (step S186).

サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_oが上記範囲内となった場合には、ハンチングが収束したと判断される。これにより、図9(c)に示すように、流量制限指令値Q_wtrは、ハンチング防止流量指令値Q_wtr_smlから通常時流量指令値Q_wtr_nmlに戻される(ステップS188)。そして、開弁開始直前温度検出完了フラグflg[ts_opn]、流量制限継続時間設定完了フラグflg[dtime]、および、ハンチング防止制御中フラグflg[Q_wtr]がリセットされる。   When the thermostat wake temperature change amount dtmp_ts_o falls within the above range, it is determined that the hunting has converged. As a result, as shown in FIG. 9C, the flow rate restriction command value Q_wtr is returned from the hunting prevention flow rate command value Q_wtr_sml to the normal flow rate command value Q_wtr_nml (step S188). Then, the temperature detection completion flag flg [ts_opn] immediately before the start of valve opening, the flow rate restriction duration setting completion flag flg [dtime], and the anti-hunting control flag flg [Q_wtr] are reset.

そして、開弁開始直前温度および流量制限継続時間の算出が実行され、開弁開始直前温度を超える冷却水の温度上昇を検出することにより、流量制限継続時間に応じた流量制限が繰り返し実行されることになる。これにより、サーモスタットバルブ40の開弁によるFC冷却水の急激な温度低下を断続的に繰り返し抑制するこが可能となる。これにより、FCスタック10の急激な温度低下および温度変動を抑制し、FCスタック10における高効率の発電状態を長期間安定して維持することが可能である。   Then, calculation of the temperature immediately before the start of valve opening and the flow rate restriction duration is executed, and the flow rate restriction corresponding to the flow rate restriction duration is repeatedly executed by detecting the temperature rise of the cooling water exceeding the temperature immediately before the start of valve opening. It will be. Thereby, it is possible to intermittently and repeatedly suppress a rapid temperature drop of the FC cooling water due to the opening of the thermostat valve 40. Thereby, it is possible to suppress a rapid temperature drop and temperature fluctuation of the FC stack 10 and stably maintain a highly efficient power generation state in the FC stack 10 for a long period of time.

また、本実施形態の冷却システムで100では、サーモスタットバルブ40等の部材の固有のばらつきや、個体間誤差、経年変化等の種々のばらつきに関わらず、サーモスタットバルブ40の開弁のタイミングを検出して、FC冷却水の流量を制限することによりFC冷却水の急激な温度低下およびその後の温度変動を抑制することができる。   In the cooling system 100 of the present embodiment, the opening timing of the thermostat valve 40 is detected regardless of various variations such as inherent variations of members such as the thermostat valve 40, individual errors, and aging. Thus, by restricting the flow rate of the FC cooling water, it is possible to suppress a rapid temperature drop of the FC cooling water and subsequent temperature fluctuations.

なお、上記したサーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限処理は、サーモスタットバルブ40の開弁時における冷却水の温度低下を断続的に抑制するものではある。従って、図2に示したような連続した冷却水の流量制限に比べて抑制効果は低くなる可能性はある。しかしながら、断続的ではあっても冷却水の温度低下を抑制することができるので、サーモスタットバルブ40の開弁によって発生するFC冷却水の温度変動(ハンチング)の抑制効果は発揮される。   It should be noted that the flow rate limiting process of the cooling water when the thermostat valve is opened is to intermittently suppress the temperature drop of the cooling water when the thermostat valve 40 is opened. Therefore, there is a possibility that the suppression effect is lower than the continuous cooling water flow rate restriction as shown in FIG. However, even if it is intermittent, the temperature drop of the cooling water can be suppressed, so that the effect of suppressing the temperature fluctuation (hunting) of the FC cooling water generated by opening the thermostat valve 40 is exhibited.

なお、本実施形態の冷却システム100を備える燃料電池システムの最初の稼働時や検査時等において、サーモスタットバルブ40の開弁によって冷却水の温度が明らかに変動することが想定される流量(変動想定流量)でシステムを運転して、システム固有の特性を把握し、この結果に基づいて、冷却水の流量制限処理において設定される各種の値を設定するようしてもよい。変動想定流量としては、冷却システム100において可能な最大流量が利用されても良い。冷却水の急激な温度変化が数回程度に限定されるのであれば、これを考慮したFCスタックを設計することは十分可能であるからである。   It should be noted that at the time of initial operation or inspection of the fuel cell system including the cooling system 100 of the present embodiment, the flow rate (variation assumption) that the temperature of the cooling water is expected to fluctuate due to the opening of the thermostat valve 40. The system may be operated with the flow rate) to grasp the characteristic unique to the system, and based on the result, various values set in the flow rate limiting process of the cooling water may be set. As the fluctuation assumed flow rate, the maximum flow rate possible in the cooling system 100 may be used. This is because if the rapid temperature change of the cooling water is limited to several times, it is sufficiently possible to design an FC stack considering this.

上記した冷却水の流量制限処理では、冷却水の流量制限が開始された終了するまでの間は、単に開始した流量制限を継続するものとして説明した。しかしながら、この間においても、冷却水の温度の微分値が、冷却水の温度の低下が大きさと判断される値となる場合、例えば、開弁開始温度検出判定値dtmp_lwrよりも小さくなる場合には、次回実行される流量制限期間における制限流量を、さらに制限するようにしてもよい。   In the above-described cooling water flow rate limiting process, it has been described that the started flow rate limitation is simply continued until the cooling water flow rate limitation starts and ends. However, even during this period, when the differential value of the temperature of the cooling water is a value at which the decrease in the temperature of the cooling water is determined to be large, for example, when it is smaller than the valve opening start temperature detection determination value dtmp_lwr, You may make it further restrict | limit the restriction | limiting flow volume in the flow restriction | limiting period performed next time.

サーモスタットバルブ40の使用累積時間を管理して、使用累積時間が経過する都度、流量制限性制度処理において設定されている種々のパラメータ値を、サーモスタットバルブ40の経年変化に応じて更新されるようにしてもよい。使用累積時間は適用する製品の使用に応じて適宜設定される。例えば、1000時間が例として挙げられる。   The accumulated usage time of the thermostat valve 40 is managed so that each time the accumulated usage time elapses, various parameter values set in the flow restriction system process are updated according to the secular change of the thermostat valve 40. May be. The accumulated usage time is appropriately set according to the use of the applied product. For example, 1000 hours is given as an example.

また、冷却水の温度の微分値(サーモスタット後流温度変化量dtmp_ts_o)の判定値、すなわち、開弁開始温度検出判定値dtmp_lwrおよびハンチング収束検出判定値dtmp_maxを、サーモスタット開弁過渡状態以外の状態における冷却水の温度の微分値を参照して、たとえば、その最大値を基準として決定することにより、装置個々のばらつきや経年変化に対して適切な制御指標値を用いて補正制御し、誤検出および過補正を防止するようにしてもよい。   Further, the determination value of the cooling water temperature differential value (thermostat downstream flow temperature change amount dtmp_ts_o), that is, the valve opening start temperature detection determination value dtmp_lwr and the hunting convergence detection determination value dtmp_max are set in a state other than the thermostat valve opening transient state. By referring to the differential value of the temperature of the cooling water, for example, by determining the maximum value as a reference, correction control is performed using an appropriate control index value with respect to individual variations and aging, and erroneous detection and Overcorrection may be prevented.

B.第2実施形態:
B1.冷却システムの構成:
図10は、本発明の第2実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。第2実施形態の冷却システム100Bは、第1実施形態の冷却システム100(図1参照)の構成に加えて、ラジエータ50の出口50b近傍にラジエータ50からの冷却水(冷却化水)の温度を検出する温度センサ80が設けられている点、および、FCCユニット70による冷却水の流量制限処理が異なっている点、を除いて冷却システム100と同じである。また、流量制限の基本概念も第1実施形態で説明したものと同じである。そこで、以下では、冷却システム100Bの構成についての説明は省略し、冷却水の流量制限の具体的な動作について説明を加える。
B. Second embodiment:
B1. Cooling system configuration:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell cooling system according to a second embodiment of the present invention. In the cooling system 100B of the second embodiment, in addition to the configuration of the cooling system 100 (see FIG. 1) of the first embodiment, the temperature of the cooling water (cooled water) from the radiator 50 is set near the outlet 50b of the radiator 50. The cooling system 100 is the same as the cooling system 100 except that a temperature sensor 80 to be detected is provided and the flow rate limiting process of the cooling water by the FCC unit 70 is different. Further, the basic concept of the flow rate restriction is the same as that described in the first embodiment. Therefore, in the following, description of the configuration of the cooling system 100B is omitted, and a specific operation for limiting the flow rate of the cooling water is added.

B2.具体的な流量制限動作:
図11および図12は、冷却水の流量制限処理のフローチャートである。この流量制限処理も、第1実施形態の場合と同様に、FCCユニット70によって、燃料電池システムの起動から終了までの間、あらかじめ定めた実行間隔tm(例えば、100ms)で繰り返し実行される。
B2. Specific flow restriction operation:
11 and 12 are flowcharts of the cooling water flow rate limiting process. This flow rate limiting process is also repeatedly executed by the FCC unit 70 at a predetermined execution interval tm (for example, 100 ms) from the start to the end of the fuel cell system, as in the case of the first embodiment.

まず、FCスタック10(図10)に供給される冷却水(FC冷却水)の温度Tfcが、温度センサ30(図10)によって検出されて取得される(ステップS200)。そして、検出されたFC冷却水温度Tfcに対応する暖機時FC冷却水流量Qwupが、暖機時FC冷却水流量QwupとFC冷却水温度Tfcとの関係を示すマップ(以下、「暖機時FC冷却水流量マップ」と呼ぶ)を参照して算出される(ステップS202)。また、検出されたFC冷却水温度Tfcに対応するFC冷却水負帰還流量Qfbが、FC冷却水負帰還流量QfbとFC冷却水温度Tfcとの関係を示すマップ(以下、「FC冷却水負帰還流量マップ」と呼ぶ)を参照して算出される(ステップS204)。   First, the temperature Tfc of the cooling water (FC cooling water) supplied to the FC stack 10 (FIG. 10) is detected and acquired by the temperature sensor 30 (FIG. 10) (step S200). The warm-up FC coolant flow rate Qwup corresponding to the detected FC coolant temperature Tfc is a map showing the relationship between the warm-up FC coolant flow rate Qwup and the FC coolant temperature Tfc (hereinafter referred to as “warm-up time”). (Referred to as “FC cooling water flow rate map”) (step S202). Further, the FC cooling water negative feedback flow rate Qfb corresponding to the detected FC cooling water temperature Tfc is a map showing the relationship between the FC cooling water negative feedback flow rate Qfb and the FC cooling water temperature Tfc (hereinafter referred to as “FC cooling water negative feedback”). (Referred to as “flow rate map”) (step S204).

図13は、暖機時FC冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。効率よく暖機を促進するとともに、循環ポンプ20等の種々の補機を効率良く動作させることにより無駄な電力消費を低減するために、暖機時FC冷却水流量QwupはFC冷却水温度Tfcに応じて変化させている。具体的には、FC冷却水温度Tfcが低温においては、暖機時FC冷却水流量Qwupはほぼ最大流量に設定されている。また、FC冷却水温度Tfcが暖機完了温度Twrに漸近するのに応じて暖機時FC冷却水流量Qwupは抑制されるように設定されている。   FIG. 13 is a graph showing a characteristic example of the warm-up FC cooling water flow map. In order to promote efficient warm-up and reduce wasteful power consumption by operating various auxiliary machines such as the circulation pump 20 efficiently, the warm-up FC coolant flow Qwup is set to the FC coolant temperature Tfc. It is changed accordingly. Specifically, when the FC cooling water temperature Tfc is low, the warm-up FC cooling water flow rate Qwup is set to a substantially maximum flow rate. The warm-up FC coolant flow rate Qwup is set to be suppressed as the FC coolant temperature Tfc approaches the warm-up completion temperature Twr.

図14は、FC冷却水負帰還流量マップの特性例を示すグラフである。制御目標温度Tgへの収束の促進を目的として、FC冷却水温度Tfcが制御目標温度Tgに対して高くなって乖離が大きくなるほどFC冷却水負帰還流量Qfbは大きくなるように設定されている。   FIG. 14 is a graph showing a characteristic example of the FC cooling water negative feedback flow rate map. For the purpose of promoting convergence to the control target temperature Tg, the FC cooling water negative feedback flow rate Qfb is set to increase as the FC cooling water temperature Tfc becomes higher than the control target temperature Tg and the deviation increases.

次に、取得されたFC冷却水温度Tfcの微分値が、FC冷却水温度変化量dTfcとして算出される(ステップS206)。そして、算出されたFC冷却水温度変化量dTfcに対応するFC冷却水昇降温補正係数KdTfcが、FC冷却水温度変化量dTfcとFC冷却水昇降温補正係数KdTfcとの関係を示すマップ(以下、「FC冷却水昇降温補正係数マップ」と呼ぶ)を参照して算出される(ステップS208)。   Next, the obtained differential value of the FC cooling water temperature Tfc is calculated as the FC cooling water temperature change amount dTfc (step S206). Then, the FC cooling water temperature increase / decrease correction coefficient KdTfc corresponding to the calculated FC cooling water temperature change amount dTfc is a map showing the relationship between the FC cooling water temperature change amount dTfc and the FC cooling water temperature increase / decrease correction coefficient KdTfc (hereinafter, referred to as the FC cooling water temperature increase / decrease correction coefficient KdTfc It is calculated with reference to “FC cooling water rising / lowering temperature correction coefficient map” (step S208).

図15は、FC冷却水昇降温補正係数マップの特性例を示すグラフである。基本的には、dTFc=0でKdTfc=0を基準として、FC冷却水温度変化量dTfcの変化に比例してFC冷却水昇降温補正係数KdTfcが変化するように設定されている。ただし、過剰補正防止のために、上限制限および下限制限が設けられている。また、FC冷却水温度変化量dTfcが0の近傍の範囲(範囲1)は、サーモスタットバルブの開弁と閉弁の動作に伴うヒステリシスの影響、あるいは、外乱やノイズの混入を抑制するために、FC冷却水昇降温補正係数KdTfcの変化勾配が外側の範囲に比べて小さく設定された冷却水流量変動抑制範囲とされている。本例では、KdTfc=0とされている。また、冷却水流量変動抑制範囲(範囲1)の外側の一定の範囲(範囲2)は、冷却水流量変動抑制範囲(範囲1)による応答遅れを補償するために、さらに外側の範囲における変化勾配よりも大きく設定された補正ゲイン増加範囲とされている。   FIG. 15 is a graph showing an example of the characteristics of the FC cooling water rise / fall temperature correction coefficient map. Basically, with reference to dTFc = 0 and KdTfc = 0, the FC cooling water temperature increase / decrease correction coefficient KdTfc is set to change in proportion to the change in FC cooling water temperature change amount dTfc. However, an upper limit and a lower limit are provided to prevent overcorrection. Further, the range (range 1) in which the FC cooling water temperature change amount dTfc is close to 0 is to suppress the influence of hysteresis associated with the opening and closing operations of the thermostat valve, or the introduction of disturbance and noise. The change gradient of the FC cooling water rise / fall temperature correction coefficient KdTfc is set to a cooling water flow rate fluctuation suppression range in which the change gradient is set to be smaller than the outer range. In this example, KdTfc = 0. Further, the constant range (range 2) outside the cooling water flow rate fluctuation suppression range (range 1) is a change gradient in the further outside range in order to compensate for a response delay due to the cooling water flow rate fluctuation suppression range (range 1). The correction gain increase range is set to a larger value.

次に、ラジエータ50(図10)から流出する冷却化された水(以下、「ラジエータ水」とも呼ぶ)の温度Tradが、温度センサ80(図10)によって検出されて取得される(ステップS210)。そして、検出されたラジエータ水温度Tradに対応するFC冷却水ラジエータ補正係数Kradが、FC冷却水温度Tfcとラジエータ水温度Tradの差と、FC冷却水ラジエータ補正係数Kradと、の関係を示すマップ(以下、「FC冷却水ラジエータ補正係数マップ」と呼ぶ)を参照して算出される(ステップS212)。   Next, the temperature Trad of cooled water (hereinafter also referred to as “radiator water”) flowing out from the radiator 50 (FIG. 10) is detected and acquired by the temperature sensor 80 (FIG. 10) (step S210). . The FC cooling water radiator correction coefficient Krad corresponding to the detected radiator water temperature Trad is a map showing the relationship between the difference between the FC cooling water temperature Tfc and the radiator water temperature Trad and the FC cooling water radiator correction coefficient Krad ( Hereinafter, it is calculated with reference to “FC cooling water radiator correction coefficient map” (step S212).

図16は、FC冷却水ラジエータ補正係数マップの特性例を示すグラフである。サーモスタットバルブ40の開弁時における温度降下の幅を低減するために、(Tfc−Trad)が大きくなるほど、すなわち、FC冷却水温度Tfcに対してラジエータ水温度Tradが低くなるほど、FC冷却水ラジエータ補正係数Kradが小さくなるように設定されている。   FIG. 16 is a graph showing an example of characteristics of the FC cooling water radiator correction coefficient map. In order to reduce the width of the temperature drop when the thermostat valve 40 is opened, the FC cooling water radiator correction is performed as (Tfc−Trad) increases, that is, as the radiator water temperature Trad decreases with respect to the FC cooling water temperature Tfc. The coefficient Krad is set to be small.

次に、FC発熱量Ploss_fcの推定が実行される(ステップS214)。FC発熱量Ploss_fcは、例えば、FCスタック10の理論的なIV特性から得られる起電圧と実際の電圧との差と負荷電流との積から求められる。そして、推定されたFC発熱量Ploss_fcに対応する基準FC冷却水流量Qstdが、基準FC冷却水流量QstdとFC発熱量Ploss_fcとの関係を示すマップ(以下、「基準FC冷却水流量マップ」と呼ぶ)を参照して算出される(ステップS216)。また、算出された基準FC冷却水流量QstsとFC冷却水ラジエータ補正係数KradとFC冷却水昇降温補正係数KdTfcとに基づいて、基本FC冷却水流量Qbase(=Qstd*Krad+KdTfc)が算出される(ステップS218)。   Next, estimation of the FC heat generation amount Ploss_fc is executed (step S214). The FC heat generation amount Ploss_fc is obtained, for example, from the product of the difference between the electromotive voltage obtained from the theoretical IV characteristic of the FC stack 10 and the actual voltage and the load current. A reference FC cooling water flow rate Qstd corresponding to the estimated FC heat generation amount Ploss_fc is a map indicating the relationship between the reference FC cooling water flow rate Qstd and the FC heat generation amount Ploss_fc (hereinafter referred to as a “reference FC cooling water flow rate map”). ) To calculate (step S216). The basic FC cooling water flow rate Qbase (= Qstd * Krad + KdTfc) is calculated based on the calculated reference FC cooling water flow rate Qsts, FC cooling water radiator correction coefficient Krad, and FC cooling water rising / lowering temperature correction coefficient KdTfc ( Step S218).

図17は、基準FC冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。冷却システムの制御応答性を向上させるため、発熱損失Ploss_fcが大きいほど、基準FC冷却水流量Qstdが大きくなるように設定され、また、発熱損失Ploss_fcが大きいほど放熱効率が良くなるので基準FC冷却水流量Qstdの増加勾配が低減するように設定されている。   FIG. 17 is a graph showing a characteristic example of the reference FC cooling water flow map. In order to improve the control responsiveness of the cooling system, the reference FC cooling water flow rate Qstd is set to increase as the heat generation loss Ploss_fc increases, and the heat dissipation efficiency improves as the heat generation loss Ploss_fc increases. The increasing gradient of the flow rate Qstd is set to decrease.

最後に、FC冷却水温度Tfcが暖機完了温度Twrを超えていない場合には、暖機時FC冷却水流量Qwupが指令FC冷却水流量Qcmdとして算出され(ステップS222b)、FC冷却水温度Tfcが暖機完了温度Twrを超えている場合には、基本FC冷却水流量QbaseとFC冷却水負帰還流量Qfbとの和(Qbase+Qfb)が指令FC冷却水流量Qcmdとして算出される(ステップS222a)。そして、循環ポンプ20によって、指令FC冷却水流量Qcmdに応じたFC冷却水の流量が調整される。   Finally, when the FC cooling water temperature Tfc does not exceed the warm-up completion temperature Twr, the warm-up FC cooling water flow rate Qwup is calculated as the command FC cooling water flow rate Qcmd (step S222b), and the FC cooling water temperature Tfc. If the temperature exceeds the warm-up completion temperature Twr, the sum (Qbase + Qfb) of the basic FC cooling water flow rate Qbase and the FC cooling water negative feedback flow rate Qfb is calculated as the command FC cooling water flow rate Qcmd (step S222a). Then, the circulation pump 20 adjusts the flow rate of the FC cooling water according to the command FC cooling water flow rate Qcmd.

なお、上記各マップは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、あらかじめ実験確認により設定される。   Each of the above maps is set in advance by experimental confirmation in consideration of various variations such as initial variations and aging of thermostats and detection variations of temperature sensors.

上記した冷却水の流量制限処理が繰り返し実行されることによって、以下で説明するようにFC冷却水の温度変化に応じた流量制限動作が実行される。   By repeatedly executing the above-described cooling water flow rate limiting process, a flow rate limiting operation corresponding to the temperature change of the FC cooling water is executed as described below.

図18は、図13の流量制限処理によって実行されるFC冷却水の流量制限動作について視覚的に示す説明図である。図18(a)はFC冷却水の流量としてFCスタック10の制御目標温度に収束させるために要求される一定の流量が継続して供給され(図18(d)の一点鎖線参照)、かつ、上記した流量制限処理(図11,12)が実行されない場合(以下、「補正制御前」とも呼ぶ)におけるFC冷却水の温度の推移が示されている。図18(b)は図18(a)に示すFC冷却水温度の微分値、すなわち、FC冷却水温度の変化の大きさが示されている。FC冷却水温度およびその微分値の推移をみればわかるように、FC冷却水の流量制限が行われない場合には、FC冷却水温度には、サーモスタットバルブ40の開弁動作によってラジエータ50からのラジエータ冷却水(冷却化水)が供給されるのと同時に急激な温度低下が発生する。そして、その後に、FC冷却水の温度は、上昇と下降とを振動的に繰り返す、いわゆるハンチングが発生し、次第に減衰して制御目標温度に収束していくことになる。   FIG. 18 is an explanatory diagram visually showing the flow restriction operation of the FC cooling water executed by the flow restriction process of FIG. In FIG. 18A, a constant flow rate required to converge to the control target temperature of the FC stack 10 is continuously supplied as the flow rate of the FC cooling water (see the one-dot chain line in FIG. 18D), and The transition of the temperature of the FC cooling water in the case where the above-described flow rate restriction processing (FIGS. 11 and 12) is not executed (hereinafter also referred to as “before correction control”) is shown. FIG. 18B shows the differential value of the FC cooling water temperature shown in FIG. 18A, that is, the magnitude of the change in the FC cooling water temperature. As can be seen from the transition of the FC cooling water temperature and its differential value, when the flow rate of the FC cooling water is not limited, the FC cooling water temperature is obtained from the radiator 50 by the opening operation of the thermostat valve 40. A rapid temperature drop occurs at the same time as the radiator cooling water (cooled water) is supplied. After that, the temperature of the FC cooling water is so-called hunting in which the rise and fall are repeated in an oscillating manner, and gradually attenuates and converges to the control target temperature.

図18(c)は上記した流量制限処理(図11,12)が実行された場合(以下、「補正制御時」とも呼ぶ)におけるFC冷却水の温度の推移が示されており、図18(d)は補正制御時におけるFC冷却水の流量の推移が示されている。なお、図18(c)に示された破線は、図18(a)に示した補正制御前のFC冷却水の温度の推移を示している。FC冷却水温度の変化の予測は、FC冷却水温度の微分値(図18(b))によって予測可能である。そこで、上記流量制限処理(図11,12)で説明したように、FC冷却水温度の微分値に基づいてFC冷却水の流量の補正制御が実行された場合には、補正制御前においてFC冷却水の温度の変化が収束するまでの間(図18(a),(b)参照)、図18(d)に示すようにFC冷却水の流量が制限される。これにより、図18(c)に示すようにFC冷却水の温度の降下速度が緩やかとなるように抑制され、これに応じて補正制御前に発生していたその後の温度変動も抑制される。なお、FC冷却水温度が制御目標温度に収束した際のFC冷却水流量は、図18(d)に示すように、破線で示した補正なし流量よりも低い値となっている。これは、サーモスタットバルブ40の開弁および閉弁の位置が動作状態に応じて変動することによる。   FIG. 18C shows the transition of the temperature of the FC cooling water when the above-described flow rate restriction processing (FIGS. 11 and 12) is executed (hereinafter also referred to as “correction control”). d) shows the transition of the flow rate of the FC cooling water during the correction control. In addition, the broken line shown in FIG.18 (c) has shown transition of the temperature of FC cooling water before correction | amendment control shown to Fig.18 (a). The change in the FC cooling water temperature can be predicted by the differential value of the FC cooling water temperature (FIG. 18B). Therefore, as described in the flow rate limiting process (FIGS. 11 and 12), when the correction control of the flow rate of the FC cooling water is executed based on the differential value of the FC cooling water temperature, the FC cooling is performed before the correction control. Until the change in the water temperature converges (see FIGS. 18A and 18B), the flow rate of the FC cooling water is limited as shown in FIG. 18D. Thereby, as shown in FIG.18 (c), the fall rate of the temperature of FC cooling water is suppressed so that it may become slow, and the subsequent temperature fluctuation which generate | occur | produced before correction | amendment control according to this is also suppressed. Note that the FC cooling water flow rate when the FC cooling water temperature converges to the control target temperature is lower than the uncorrected flow rate indicated by the broken line, as shown in FIG. This is because the opening and closing positions of the thermostat valve 40 vary depending on the operating state.

以上説明したように、本実施形態の冷却システム100Bにおいても、サーモスタットバルブ40の開弁により発生するFC冷却水の急激な温度低下およびその後の変動を抑制することが可能である。これにより、FCスタック10の急激な温度低下および温度変動を抑制し、FCスタック10における高効率の発電状態を長期間安定して維持することが可能である。特に、第1実施形態の冷却システム100においては、サーモスタットバルブ40の開弁によるFC冷却水の急激な温度低下が断続的に繰り返し抑制されるのに対して、本実施形態では、温度変動が収束するまで、温度変化に応じた大きさの流量に調整しつつ制限が連続的に実行され、流量制限の基本概念に則した制御が実行されている。従って、本実施形態におけるFC冷却水の温度変化の抑制効果は第1実施形態に比べて大きい。   As described above, also in the cooling system 100B of the present embodiment, it is possible to suppress a rapid temperature drop and subsequent fluctuations in the FC cooling water generated by opening the thermostat valve 40. Thereby, it is possible to suppress a rapid temperature drop and temperature fluctuation of the FC stack 10 and stably maintain a highly efficient power generation state in the FC stack 10 for a long period of time. In particular, in the cooling system 100 of the first embodiment, the rapid temperature drop of the FC cooling water due to the opening of the thermostat valve 40 is repeatedly and repeatedly suppressed, whereas in this embodiment, the temperature fluctuation converges. Until then, the restriction is continuously executed while adjusting the flow rate according to the temperature change, and the control based on the basic concept of the flow restriction is executed. Therefore, the effect of suppressing the temperature change of the FC cooling water in the present embodiment is greater than that in the first embodiment.

また、本実施形態の冷却システムで100Bにおいては、も、サーモスタットバルブ40等の部材の固有のばらつきや、個体間誤差、経年変化等の種々のばらつきに関わらず、冷却水の温度変化をその微分値に基づいて予測して、FC冷却水の流量を制限することによりFC冷却水の急激な温度低下およびその後の温度変動を抑制することができる。   Further, in the cooling system 100B according to the present embodiment, the temperature change of the cooling water is differentiated regardless of various variations such as inherent variations of members such as the thermostat valve 40, individual errors, and secular changes. By predicting based on the value and limiting the flow rate of the FC cooling water, it is possible to suppress a rapid temperature drop of the FC cooling water and subsequent temperature fluctuations.

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments and the modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

10…燃料電池(FC)スタック
10a…入口
10b…出口
20…循環ポンプ
20a…入口
20b…出口
30…温度センサ
40…サーモスタットバルブ
40a…入口
40b…入口
40c…出口
42…弁
50…ラジエータ
50a…入口
50b…出口
80…温度センサ
100…冷却システム
100B…冷却システム
L1…流路
L2…流路
L3…流路
L4…流路
L5…流路
L6…流路
LB…バイパス循環流路
LC…循環流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell (FC) stack 10a ... Inlet 10b ... Outlet 20 ... Circulation pump 20a ... Inlet 20b ... Outlet 30 ... Temperature sensor 40 ... Thermostat valve 40a ... Inlet 40b ... Inlet 40c ... Outlet 42 ... Valve 50 ... Radiator 50a ... Inlet 50b ... Outlet 80 ... Temperature sensor 100 ... Cooling system 100B ... Cooling system L1 ... Channel L2 ... Channel L3 ... Channel L4 ... Channel L5 ... Channel L6 ... Channel LB ... Bypass circulation channel LC ... Circulation channel

Claims (3)

ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムであって、
前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブの開弁時において、前記流量調整機構が制御されることにより、前記サーモスタットバルブの開弁前に供給されていた流量よりも少ない流量に制限される
ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
A cooling system for a fuel cell in which a coolant passing through a radiator is circulated and supplied to the fuel cell via a thermostat valve and a flow rate adjustment mechanism,
The flow rate of the coolant supplied to the fuel cell is less than the flow rate supplied before the thermostat valve is opened by controlling the flow rate adjusting mechanism when the thermostat valve is opened. A fuel cell cooling system characterized by being limited by the flow rate.
請求項1に記載の燃料電池の冷却システムであって、
前記冷却液の流量の制限は、前記サーモスタットバルブの開弁直前タイミングから前記冷却液の流量制限継続時間が経過するまで実行され、
前記開弁直前タイミングおよび前記流量制限継続時間は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度に基づいて決定される
ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
A fuel cell cooling system according to claim 1,
The restriction on the flow rate of the coolant is executed from the timing just before the thermostat valve is opened until the time limit for the flow rate of the coolant has elapsed,
The fuel cell cooling system, wherein the timing immediately before the valve opening and the flow rate restriction duration are determined based on the temperature of the coolant flowing out of the thermostat valve.
ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムであって、
前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の微分値が求められ、前記微分値に基づいて決定される補正量の変化に応じて前記流量調整機構が制御されることによって調整される
ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
A cooling system for a fuel cell in which a coolant passing through a radiator is circulated and supplied to the fuel cell via a thermostat valve and a flow rate adjustment mechanism,
As for the flow rate of the coolant supplied to the fuel cell, a differential value of the temperature of the coolant flowing out from the thermostat valve is obtained, and the flow rate according to a change in the correction amount determined based on the differential value The fuel cell cooling system, wherein the adjustment is performed by controlling the adjustment mechanism.
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