JP2001236978A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池を暖機するために必要な加熱手段の
能力を低減するとともに暖機終了時に温度ムラを抑える
ことができる燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 水素と酸素とを化学反応させて電力を得
る燃料電池１と、燃料電池１を循環する温水等の熱媒体
を介して燃料電池１を加熱する加熱手段５とを備えてお
り、加熱手段５による加熱で燃料電池１における熱媒体
の入口側１ａ付近が発電可能な所定温度に昇温したとき
に、燃料電池１に水素と酸素とを供給して熱媒体入口側
１ａ付近で発電を開始し、この発電で発生した熱を利用
して、熱媒体を介して燃料電池１における未昇温領域を
加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の温度を
管理（制御）する燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素と酸素（空気）との化学
反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池シ
ステムが知られている。例えば車両用等の駆動源として
考えられている高分子電解質型燃料電池では、０℃以下
の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍結し
て反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率
が低下するという問題がある。このため、燃料電池の運
転（発電）を開始するためには、燃料電池を発電可能な
所定温度まで暖機する必要がある。そこで、従来の燃料
電池システムでは、電気ヒータあるいは燃料式ヒータ等
の加熱手段により加熱された温水等の熱媒体を、熱媒体
流路を介して燃料電池に循環させることによって暖機を
行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱媒体
流路は燃料電池における熱媒体の入口（ＩＮ）側から出
口（ＯＵＴ）側まで連続して形成されており、燃料電池
内部では固体熱移動が悪いため入口側付近が先に昇温す
る。このため、熱媒体入口側付近が局所的に暖機され出
口側付近の暖機が遅れるといった傾斜的あるいは段階的
（カスケード的）な暖機が起こる。従って、燃料電池全
体を発電可能温度以上まで暖機するためには長時間を要
する上に、過大なヒータ能力が必要となり体格面で問題
がある。

【０００４】また、燃料電池内部で傾斜的な暖機が行わ
れる結果、燃料電池は熱媒体の入口側温度が高く出口側
温度が低いという温度ムラが形成された状態で暖機が完
了する。このため、燃料電池の初期作動時（初期発電
時）には、燃料電池内部での発電分布につながり、安定
電力を獲得することが困難であるという問題がある。

【０００５】本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池を
暖機するために必要な加熱手段の能力を低減するととも
に暖機終了時に温度ムラを抑えることができる燃料電池
システムを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを化学反
応させて電力を得る燃料電池（１）と、燃料電池（１）
を循環する熱媒体を介して、燃料電池（１）を加熱する
加熱手段（５）とを備え、加熱手段（５）による加熱で
燃料電池（１）における熱媒体の入口側（１ａ）が発電
可能な所定温度に昇温したとき、燃料電池（１）に水素
と酸素とを供給して発電を開始し、熱媒体入口側（１
ａ）での発電で発生した熱により、熱媒体を介して燃料
電池（１）における未昇温領域を加熱することを特徴と
する。

【０００７】これにより、燃料電池（１）の入口側（１
ａ）付近での過昇温を抑えながら出口側（１ｂ）付近の
暖機を行うことができるため、燃料電池（１）内での温
度ムラを抑えた暖機を短時間で行うことが可能となる。

【０００８】また、発電による燃料電池（１）自身の発
熱を自己暖機に利用することで、燃料電池（１）を暖機
する際、途中から加熱手段（６）を用いなくても燃料電
池（１）の加熱を行うことが可能となる。

【０００９】そこで、請求項２に記載の発明では、燃料
電池（１）に水素と酸素とを供給開始した後、加熱手段
（５）による燃料電池（１）の加熱を停止することを特
徴とする。

【００１０】このようにすることで、燃料電池（１）の
暖機を行う際に、加熱手段（６）は燃料電池（１）の入
口側（１ａ）付近を加熱するだけでよく、入口側（１
ａ）付近を加熱するだけの熱量で燃料電池（１）全体を
暖機することが可能となる。従って、加熱手段（６）の
使用時間を最低限に抑えることができ、さらに加熱手段
（６）の能力の低減、消費エネルギーの低減、温水流路
（５）内の温水容量の低減を図ることができる。

【００１１】また、燃料電池（１）を暖機する際、加熱
手段（６）による加熱を停止することで、燃料電池
（１）の入口側（１ａ）付近の温度と温水温度との温度
差を大きくすることができる。これにより、より効果的
に入口側（１ａ）付近で発生した熱を温水に与えること
ができ、より効果的な燃料電池（１）の暖機を実現でき
ることになる。

【００１２】また、請求項３に記載の発明では、燃料電
池（１）を加熱する電気式加熱手段を備え、燃料電池
（１）に水素と酸素とを供給して発電を開始した後、燃
料電池（１）から電気式加熱手段に電力を供給し、燃料
電池（１）での発電で発生した熱と併せて、電気式加熱
手段による加熱で燃料電池（１）における未昇温領域を
加熱することを特徴としている。

【００１３】このように構成により、燃料電池（１）で
部分的な発電により発生した熱のみで燃料電池（１）の
未昇温領域を加熱する場合に比較して、より短時間で燃
料電池（１）の暖機を完了することができる。なお、電
気式加熱手段は、燃料電池（１）の初期加熱を行う上記
加熱手段（６）と共通としてもよく、あるいは別個に設
けてもよい。

【００１４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した実施形態
を図１に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池シス
テムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃
料電池車両）に適用したものである。図１は本実施形態
の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

【００１６】図１に示すように、本実施形態の燃料電池
システムは、水素と酸素との化学反応を利用して電力を
発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。こ
の燃料電池１は、走行用電動モータやバッテリ等の電気
機器４に電力を供給するものである。本実施形態の燃料
電池１は固体高分子電解質型燃料電池を用いており、電
解質膜が一対の電極で挟まれたセルが多数組み合わされ
て構成されている。個々のセルは図示を省略するが、セ
ルは図１中上下方向に複数個積み重なった状態となって
いる。燃料電池１には、空気通路２を介して空気（酸
素）が供給され、水素通路３を介して水素が供給される
ように構成されている。

【００１７】上記課題で説明したように、固体高分子電
解質型燃料電池は、低温状態では発電を行うことができ
ないため、発電に際して燃料電池１を発電可能温度（例
えば０℃）以上に暖機する必要がある。このため、燃料
電池１には、例えば温水等の流体（熱媒体）が、温水流
路（熱媒体流路）５を介して循環するように構成されて
いる。温水は、温水流路５に設けられた加熱用ヒータ６
にて加熱され、燃料電池１の入口側（ＩＮ）１ａから流
入し出口側（ＯＵＴ）１ｂから流出する（図１中左→右
方向）。また、温水は積層された個々のセルにそれぞれ
供給されるようになっている。加熱用ヒータ６として
は、例えば燃焼式ヒータや電気ヒータ等を用いることが
できる。

【００１８】また、温水流路５には、燃料電池１で発電
時に発生した余剰の熱を系外に放出するためのラジエー
タ（冷却手段）７、温水を循環させるウォータポンプ
８、温水を加熱用ヒータ６およびラジエータ７を迂回さ
せるバイパス流路９が設けられている。温水の流れは、
２つの三方弁１０、１１によって、加熱用ヒータ６、ラ
ジエータ８、あるいはバイパス流路９に切り替えられ
る。

【００１９】さらに、温水流路６における燃料電池１の
出口側１ｂには、温水の燃料電池１出口温度を検出する
ための温度センサ１２が設けられている。温度センサ１
２による検出温度は、図示しない制御装置（ＥＣＵ）に
入力される。制御装置は、加熱用ヒータ６、ウォータポ
ンプ８、三方弁１０、１１等の各種機器の制御を行うよ
うに構成されている。

【００２０】以下、本実施形態の燃料電池システムにお
いて、燃料電池１を暖機する際の作動を図２のフローチ
ャートに基づいて説明する。まず、車両の始動スイッチ
（図示せず）が投入されると、燃料電池１の温度（温度
センサ１２の検出温度）Ｔｗを読み込み（Ｓ１００）、
Ｔｗが所定温度Ｔｓ以下であるか否かを判定する（Ｓ１
１０）。所定温度Ｔｓは、燃料電池１にて発電を行うこ
とのできる最低温度（例えば０℃）に対して所定の余裕
を加味した温度である。

【００２１】Ｔｗ＞Ｔｓと判定された場合、すなわち燃
料電池１の暖機が不要と判定された場合には、暖機は行
わず終了する。一方、Ｔｗ＜Ｔｓと判定された場合、す
なわち燃料電池１の暖機が必要であると判定された場合
には、加熱用ヒータ６およびウォータポンプ８を始動さ
せるとともに、三方弁１０、１１を切り替えて温水が加
熱用ヒータ６に流れるようにする（Ｓ１２０）。これに
より、加熱用ヒータ６で加熱された温水が燃料電池１に
供給され、燃料電池１の暖機が開始される（Ｓ１３
０）。

【００２２】燃料電池１の暖機が開始されると、燃料電
池１の内部では、温水の入口側１ａから出口側１ｂまで
傾斜的な温度分布が形成される。すなわち、高温の温水
が入口側１ａより供給されるため、ヒータ６で加熱され
た温水の熱が入口側１ａ付近に与えられ、入口側１ａ付
近は直ちに高温となる。温水は入口側１ａから出口側１
ｂに移動するまでに熱を奪われるため、出口側１ｂ付近
を加熱することができず出口側１ｂ付近の温度上昇が遅
れる。これは、温水供給量に対して燃料電池１の熱容量
が過大であるために生ずる。このため、燃料電池１の入
口側１ａは温水供給開始後、瞬時に発電可能温度まで昇
温するが、出口側１ｂ付近は発電可能温度まで達してい
ない状態となる。

【００２３】ここで、燃料電池１の入口側１ａ付近の温
度が発電可能温度（例えば０℃）に達したか否かを判定
する（Ｓ１４０）。本実施形態の燃料電池システムは、
燃料電池入口側１ａの温度を検出するのではなく、加熱
用ヒータ６による加熱が開始され、燃料電池１への温水
供給が開始された後、所定時間が経過したことで、燃料
電池入口側１ａが発電可能温度に昇温しているものと判
定する。この所定時間は、燃料電池１の初期温度、燃料
電池１内部を通過する温水流量、燃料電池１の体格等に
基づいて任意に設定することができる。

【００２４】従って、燃料電池１への温水供給開始後、
所定時間が経過するまで、ヒータ６による加熱を継続す
る。温水供給開始後、所定時間経過した場合には、燃料
電池１に水素および空気を供給開始する（Ｓ１５０）。
これにより、燃料電池１のうち発電可能温度以上に昇温
している入口側１ａ付近で、部分的な発電および発電に
伴う発熱が起こる。このうち発電した電力は電気機器４
に回され、発生した熱は入口側１ａ付近の局所的な昇温
のために作用する。

【００２５】このとき、電気機器４にて燃料電池１の発
電状態を検出し、燃料電池１での発電が検出できない場
合には、燃料電池入口側１ａが未だ発電可能温度に昇温
していないと判断してステップＳ１３０に戻るように構
成してもよい。

【００２６】次に、温水がバイパス流路９に流れるよう
に三方弁１０を切り替えるとともに、加熱用ヒータ５を
停止する（Ｓ１６０）。これにより、加熱用ヒータ６に
よる温水の加熱が行われなくなる。

【００２７】燃料電池１の入口側１ａでは、発電に伴う
発熱によって温度が上昇しようとするが、温水流路５に
より温水を常に供給することで、入口側１ａ付近での局
所的な過昇温は起こらない。温水が燃料電池１に供給さ
れると、入口側１ａ付近で発生した熱が温水に一旦与え
られ、温水温度が上昇する。この高温となった温水が燃
料電池１内を流れて出口側１ｂ付近まで移動するうち
に、温水に与えられた熱は出口側１ｂ付近の未昇温領域
に与えられる（Ｓ１７０）。すなわち、燃料電池１の入
口側１ａ付近で発電により発生した熱は、温水流路５を
流れる温水を介して出口側１ｂに伝えられることにな
る。

【００２８】これにより、燃料電池１全体が発電可能温
度以上に昇温して、燃料電池１全体の暖機を完了するこ
とができ、燃料電池１全体で発電を行うことが可能とな
る。このように本実施形態の燃料電池システムは、燃料
電池１の一部が発電可能温度に達したときに、水素およ
び空気を供給して発電可能温度となっている部位にて発
電を開始し、この発電で発生した熱を利用して発電可能
温度となっていない部分（未昇温領域）を加熱するもの
である。

【００２９】本実施形態の燃料電池システムによれば、
燃料電池１の入口側１ａ付近での過昇温を抑えながら未
昇温領域である出口側１ｂ付近の暖機を行うため、燃料
電池１内での温度分布が均一となり、温度ムラを抑えた
暖機を短時間で行うことができる。安定した電力を得る
ことが可能となる。

【００３０】また、発電による燃料電池１自身の発熱を
自己暖機に利用することで、燃料電池１を暖機する際、
途中から加熱用ヒータ６を用いなくても燃料電池１の加
熱を行うことが可能となる。すなわち、燃料電池１の暖
機を行う際に、加熱用ヒータ６は燃料電池１の入口側１
ａ付近を加熱するだけでよく、入口側１ａ付近を加熱す
るだけの熱量で燃料電池１全体を暖機することが可能と
なる。従って、加熱用ヒータ６の使用時間を最低限に抑
えることができ、加熱用ヒータ６の能力の低減、消費エ
ネルギーの低減、温水流路５内の温水容量の低減を図る
ことができる。

【００３１】また、本実施形態の燃料電池システムのよ
うに、燃料電池１の暖機の際、燃料電池１にて発電が開
始された後、ヒータ６による温水の加熱を停止すること
で、燃料電池１の入口側１ａ付近の温度と温水温度との
温度差を大きくすることができる。これにより、より効
果的に入口付近１ａの熱量を温水に与えることができ、
より効果的な暖機を実現できる。

【００３２】さらに、本実施形態の燃料電池システムに
よれば、新たな構成機器を必要とすることなく、目的を
達成することができる。

【００３３】（他の実施形態）なお、上記実施形態で
は、燃料電池１に水素と空気（酸素）の供給を開始した
後、燃料電池１での部分的な発電による電力を走行用モ
ータ等の電気機器４に供給するように構成したが、これ
に限らず、燃料電池１での部分的な発電を燃料電池１自
身の昇温に用いるように構成してもよい。すなわち、燃
料電池１での部分的な発電で作動して燃料電池１を加熱
する電気式ヒータ（電気式加熱手段）を設け、燃料電池
１での発電による電力を電気機器４に代えて電気式ヒー
タに供給し、燃料電池１で発生した熱に併せて、電気式
ヒータによる加熱で燃料電池１の未昇温領域を加熱する
ように構成する。

【００３４】このような構成により、燃料電池１で発生
した熱のみで燃料電池１の未昇温領域を加熱する場合に
比較して、より短時間で燃料電池１の暖機を完了するこ
とができる。

【００３５】燃料電池１での部分的な発電で作動する電
気式ヒータは、燃料電池１の初期加熱を行う加熱用ヒー
タ６と共通としてもよく、加熱用ヒータ６とは別に設け
てもよい。前者の場合には、初期加熱には例えばバッテ
リ等からの電力で電気式ヒータである加熱用ヒータ６を
作動させ、燃料電池１にて部分的な発電が起こるように
なった後は、燃料電池１からの電力で加熱用ヒータ６を
作動させる。後者の場合には、燃料電池１の初期加熱に
は燃焼式ヒータ等の加熱用ヒータ６を用い、燃料電池１
にて部分的な発電が起こるようになった後は、加熱用ヒ
ータ６を停止して電気式ヒータを作動させる。

【００３６】また、上記実施形態では、燃料電池１の入
口側１ａ付近が発電可能温度に達しているか否かを、加
熱用ヒータ６による温水の加熱開始後の経過時間に基づ
いて判定したが、これに限らず、例えば燃料電池１の入
口側１ａに温度センサを設けて、この温度センサで検出
した温度に基づいて判定してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】上記実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【図２】上記実施形態の燃料電池システムの作動を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１…燃料電池、２…空気通路、３…水素通路、５…温水
流路（熱媒体流路）、６…加熱用ヒータ（加熱手段）、
１２…温度センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 邦夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 CC06 CC11 DD03 KK46 MM02 MM21 MM26

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素と酸素とを化学反応させて電力を得
   る燃料電池（１）と、 前記燃料電池（１）を循環する熱媒体を介して、前記燃
   料電池（１）を加熱する加熱手段（５）とを備え、 前記加熱手段（５）による加熱で前記燃料電池（１）に
   おける前記熱媒体の入口側（１ａ）付近が発電可能な所
   定温度に昇温したときに、前記燃料電池（１）に水素と
   酸素とを供給して前記熱媒体入口側（１ａ）付近で発電
   を開始し、前記発電で発生した熱により、前記熱媒体を
   介して前記燃料電池（１）における未昇温領域を加熱す
   ることを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 前記燃料電池（１）に水素と酸素とを供
   給開始した後、前記加熱手段（５）による前記燃料電池
   （１）の加熱を停止することを特徴とする請求項１に記
   載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 前記燃料電池（１）を加熱する電気式加
   熱手段を備え、 前記燃料電池（１）に水素と酸素とを供給して発電を開
   始した後、前記燃料電池（１）から前記電気式加熱手段
   に電力を供給し、前記燃料電池（１）での発電で発生し
   た熱と併せて、前記電気式加熱手段による加熱で前記燃
   料電池（１）における未昇温領域を加熱することを特徴
   とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。