JP2004014185A - 燃料電池の暖機システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下で移動体に搭載された燃料電池の起動性低下を防ぐことができる燃料電池の暖機システムを提供する。
【解決手段】移動体には、燃料電池を加熱する電気ヒータ１７と、電気ヒータにて加熱された熱媒体を燃料電池１に循環させる暖機用熱媒体循環手段１６とが設置されている。燃料電池１を加熱する電気ヒータ１７に電力を供給する電力供給部２４と、電気ヒータ１７による燃料電池１の加熱制御を行う制御部２０とを、移動体外部に配置する。制御部２０は、燃料電池１の温度を検出する温度検出センサ１８、１９からの温度検出信号に基づいて電気ヒータ１７による燃料電池１の加熱制御を行う。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体に搭載された燃料電池を暖機する燃料電池の暖機システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、低温環境下において、電極近傍に存在す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。このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まり、電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。車両として燃料電池を採用する場合には、あらゆる環境下における始動性が重要となる。
【０００３】
このため、燃料電池の昇温手段として電気ヒータを用いることが提案されており、例えば特開平３−１０１０６２号公報では２次電池から作動電力を得る電気ヒータの使用、特開平９−４５３５３号公報では燃料電池本体からの作動電力を得る電気ヒータの使用について開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、２次電池から電気ヒータの作動電力を得る場合には、２次電池の電力が残っている間に燃料電池の昇温が完了しないことがある。また、燃料電池本体から電気ヒータの作動電力を得る場合には、燃料電池の凍結により燃料電池が起動不可能な状態では必要な電力が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、低温環境下で移動体に搭載された燃料電池の起動性低下を防ぐことができる燃料電池の暖機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、移動体（１００）に搭載された燃料電池（１）を暖機する暖機システムであって、移動体外部に配置され、燃料電池を加熱する電気ヒータ（１７）に電力を供給する電力供給部（２４）と、移動体外部に配置され、電気ヒータによる燃料電池の加熱制御を行う制御部（２０）とを備えることを特徴としている。
【０００７】
このように、移動体外部の電源供給部から供給される電力により電気ヒータを作動させ、移動体外部の制御部により燃料電池の加熱制御を行うことで、移動体内部のシステムが停止していても燃料電池の暖機を行うことができる。これにより、低温環境下であっても燃料電池の起動性低下を防ぐことができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明のように、電気ヒータは燃料電池を直接的に加熱するように構成することができ、あるいは請求項３に記載の発明のように、電気ヒータは熱媒体を介して燃料電池を加熱するものであり、電力供給部は電気ヒータにて加熱された熱媒体を燃料電池に循環させる暖機用熱媒体循環手段（１６）に電力を供給するものとすることができる。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明では、移動体（１００）に搭載された燃料電池（１）を暖機する暖機システムであって、移動体に配置され燃料電池を加熱するとともに、移動体外部の電力供給部（２４）から供給される電力により作動する電気ヒータ（１７）と、移動体に配置され電気ヒータにて加熱された熱媒体を燃料電池に循環させるとともに、電力供給部から供給される電力により作動する暖機用熱媒体循環手段（１６）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
このように、移動体外部の電源供給部から供給される電力により電気ヒータおよび暖機用熱媒体循環手段を作動させることで、低温環境下であっても燃料電池の起動性低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明では、移動体に配置され、電気ヒータによる燃料電池の加熱制御を行う制御部を備えることを特徴としている。これにより、燃料電池の冷却制御等を行う電子制御装置によって燃料電池の暖機制御を行うことができ、暖機制御用に電子制御装置を新たに設ける必要がない。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明では、電力供給部は、燃料電池の冷却温度を調整する冷却温度調整手段（１２、１３）に熱媒体を循環させる熱媒体循環手段（１１）に電力を供給することを特徴としている。これにより、例えば燃料電池の自己発熱により加熱された熱媒体を熱媒体循環手段（１１）で循環させて燃料電池の暖機を行う場合には、車載２次電池の容量低下等を招くことなく熱媒体循環手段を作動させることができる。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明では、制御部には燃料電池の温度を検出する温度検出手段（１８、１９）からの温度検出信号が入力され、制御部は温度検出信号に基づいて電気ヒータによる燃料電池の加熱制御を行うことを特徴としている。これにより、電気ヒータによる燃料電池の加熱制御を最適に行うことができる。
【００１４】
また、請求項８に記載の発明では、制御部は、電気ヒータによる燃料電池の加熱制御を予め設定された任意の時刻に自動的に開始させるタイマ機能を有していることを特徴としている。これにより、ユーザが燃料電池を起動させたい時刻に燃料電池を発電可能温度以上に加熱しておくことができる。
【００１５】
また、請求項９に記載の発明のように、電気ヒータの排熱により加熱された空気を移動体内部に供給することで、低温環境下においても移動体内部を常に快適な温度に保つことができる。
【００１６】
また、請求項１０に記載の発明においては、移動体内に２次電池（２９）を備えることで、２次電池に蓄えられた電力によって電気ヒータ、熱媒体循環手段を作動させることができるため、例えば移動体の移動先に電力供給部が無い場合でも燃料電池の暖機制御を行うことができる。
【００１７】
また、請求項１１に記載の発明のように、燃料電池が出力する電力によって２次電池を充電可能とすることで、２次電池を充電することも可能であり、例えば移動体の移動先に電力供給部が無い場合でも２次電池の充電が実現できる。
【００１８】
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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。本第１実施形態の燃料電池暖機システムは、燃料電池車両（移動体）に搭載される燃料電池を暖機するものである。
【００２０】
図１は本第１実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。燃料電池１および燃料電池１を冷却する冷却システム１０〜１９は車両１００に搭載されている。
【００２１】
燃料電池（ＦＣスタック）１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本第１実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（水素極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池１にて発電した電力は、図示しない走行用モータを駆動するための負荷電力、あるいは図示しない２次電池（バッテリ）の充電等に用いられる。
【００２２】
冷却システムは、燃料電池１に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水循環経路１０を備えている。冷却水循環経路１０には、冷却水を循環させるウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１１、冷却水を放熱して冷却するラジエータ１２、冷却水をラジエータ１２をバイパスさせるバイパス通路１３、冷却水の流路をラジエータ１２側あるいはバイパス通路１３側に切り替える切替バルブ１４が設けられている。
なお、Ｗ／Ｐ１１が本発明の熱媒体循環手段を構成し、ラジエータ１２およびバイパス経路１３が本発明の冷却温度調整手段を構成している。
【００２３】
また、燃料電池１を暖機する際に用いられる加熱経路１５が、バイパス経路１３から分岐して、切替バルブ１４およびＷ／Ｐ１１をバイパスして冷却水循環経路１０に合流するように設けられている。加熱経路１５には、冷却水を循環させるサブウォータポンプ（サブＷ／Ｐ）１６と冷却水を加熱する電気ヒータ１７が設けられている。なお、サブＷ／Ｐ１６が本発明の暖機用熱媒体循環手段を構成している。
【００２４】
冷却水循環経路１０における燃料電池１の入口付近と加熱経路１５には、冷却水の温度を検出するための温度センサ（温度検出手段）１８、１９が設けられている。また、車両には、燃料電池１の温調制御を行うための図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）が搭載されている。
【００２５】
また、車両外には、燃料電池１の暖機制御を行うコントローラ（制御部）２０が設けられている。コントローラ２０は、コンバータ２１およびＥＣＵ２２を備えている。燃料電池１の暖機制御時には、コントローラ２０はコンセント２３を介して外部電源（電力供給部）２４に接続される。外部電源２４としては、例えば車庫に設けられた家庭用電源を用いることができる。なお、ＥＣＵ２２には温度センサ１８、１９にて検出した温度信号が入力される。
【００２６】
また、燃料電池１の暖機制御時には、車両に搭載されているサブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７は、コネクタ２５によりコントローラ２０に接続される。このような構成により、サブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７には、電源コード２６、２７を介して外部電源２４より電力が供給され、車両に搭載された燃料電池システムが停止している際にも作動させることができる。サブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７の作動制御は、コントローラ２０により行われる。また、サブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７に供給される電力は、外部電源２４からの電圧（ＡＣ１００Ｖ）をコンバータ２１によりサブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７の作動電圧（ＤＣ１２Ｖ）に変圧して供給される。
【００２７】
以下、上記構成の燃料電池の暖機システムの作動について説明する。燃料電池１の通常運転時には、燃料電池１の定温作動のために、冷却水をラジエータ１２あるいはバイパス経路１３を通過させて温調を行う。運転終了後、低温環境下で燃料電池１を停止した場合、停止時間の経過に伴い燃料電池１内部に残留した水分が凍結し、次の運転時に燃料電池１が低温のままでは起動ができない。
【００２８】
そこで、次回運転開始に備え、燃料電池１の暖機運転を行う必要がある。本第１実施形態の暖機システムでは、ユーザが保温モードと加熱モードを選択することができる。保温モードとは、停車中に燃料電池１を常時起動可能なように加熱保温しておくモードである。また、加熱モードとは、停車中の燃料電池１の加熱保温は行わず、燃料電池１の起動時に加熱を行うモードであり、燃料電池１が所定温度まで昇温するまでは運転を開始することができない。
【００２９】
保温モードについて説明する。まず、ユーザが燃料電池１停止直後にコンセント２３を外部電源２４に接続し、コネクタ２５で電源コード２６、２７を接続する。このとき、切替バルブ１４をバイパス経路１３側に切り替えられている。コントローラ２０により、サブＷ／Ｐ１６を作動させることで冷却水を加熱経路１５に循環させる。温度センサ１８、１９により冷却水温度を検出し、間接的に燃料電池１の温度を監視する。
【００３０】
車両停止後、時間経過とともに燃料電池１の温度は低下していき、温度センサ１８、１９により検出した冷却水温度が第１の所定温度（例えば０℃）以下となった場合に、コントローラ２０により電気ヒータ１７が起動する。電気ヒータ１７の起動に伴い、加熱された冷却水が加熱経路１５を通り、燃料電池１内部を通過することで燃料電池１の昇温が行われる。
【００３１】
その後、温度センサ１８、１９により検出した冷却水温度が第１の所定温度より高い第２の所定温度（例えば１０℃）に達した場合に、電気ヒータ１７を停止する。この際、サブＷ／Ｐ１６は作動させたままであり、冷却水は循環し続ける。以降、温度センサ１８、１９により検出した冷却水温度が第１の所定温度と第２の所定温度との間になるように電気ヒータ１７のオン／オフ制御を繰り返し、燃料電池１が常に凍結温度以上となるように保温する。
【００３２】
起動時には、コンセント２３を外部電源２４から取り外すとともに、コネクタ２５を取り外して電源コード２６、２７を分離し、燃料電池１を起動する。燃料電池１が起動すると、燃料電池１の発電に伴う自己発熱により内部水分の凍結を防ぐことができる。図示しない車両内部のバッテリによりＷ／Ｐ１１を起動し、冷却水をバイパス経路１３を介して燃料電池１に循環させる。これにより、燃料電池１の自己発熱を利用して燃料電池１全体を昇温させることができる。
【００３３】
次に、加熱モードについて説明する。加熱モードでは、停車中においては燃料電池１の加熱制御を行わない。ユーザは燃料電池１の起動直前にコンセント２３を外部電源２４に接続し、コネクタ２５で電源コード２６、２７を接続する。接続と同時にサブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７に電力が供給され、上記保温モードと同様に冷却水を加熱し燃料電池１を昇温する。
【００３４】
温度センサ１８、１９にて検出した冷却水温度が第１の所定温度以上であれば燃料電池１が起動可能であるため、上記保温モードと同様に、コンセント２３を外部電源２４から取り外すとともに、コネクタ２５を取り外して電源コード２６、２７を分離し、燃料電池１を起動する。そして、図示しない車両内部の２次電池によりＷ／Ｐ１１を起動し、冷却水をバイパス経路１３を介して燃料電池１に循環させ、燃料電池１の自己発熱を利用して燃料電池１全体を昇温させる。
【００３５】
以上の構成によれば、燃料電池１の暖機運転制御は車両外部に設置されたコントローラ２０よる独立制御であり、車両に搭載された燃料電池システムが停止していても、外部電源２４からの電力供給により燃料電池１の暖機運転を行うことができる。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３７】
図２は本第２実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。図２に示すように、車両には、Ｗ／Ｐ１１に電力を供給するための２次電池（バッテリ）２９が搭載されている。バッテリ２９の電源コード３０は、コネクタ３１により電源コード２６に接続される。
【００３８】
また、コントローラ２０には、外部電源２４の電圧（ＡＣ１００Ｖ）をバッテリ２９に供給するために変圧（ＤＣ２８８Ｖ）するコンバータ２８が設けられている。バッテリ２９には、外部電源２４より電源コード２６、３０を介して電力が供給され、バッテリ２９に蓄えられた電力を用いてインバータ３２にてＷ／Ｐ１１を作動させることができる。
【００３９】
このような構成により、燃料電池１起動後に冷却水を循環させる際、外部電源２４により供給される電力を用いてＷ／Ｐ１１を作動させることができ、バッテリ容量低減なしに燃料電池１を起動させることができる。
【００４０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図３に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４１】
図３は本第３実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。図３に示すように、本第３実施形態では加熱経路１５およびサブＷ／Ｐ１６が廃止され、電気ヒータ１７が燃料電池１全体を覆うように設けられている。このような構成により、冷却水（熱媒体）を介さずに燃料電池１を直接的に加熱して昇温させることができ、効率的な暖機運転を実現できる。
【００４２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図４に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４３】
図４は本第４実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。図４に示すように、本第４実施形態では、サブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７、温度センサ１９が車両外に設けられている。これらは、２つのジョイント３３、３４により冷却水循環経路１０に接続され、冷却水が循環する。冷却水は暖機運転時に、冷却水循環経路１０→第１ジョイント３３→電気ヒータ１７→サブＷ／Ｐ１６→第２ジョイント３４→冷却水循環経路１０→バイパス経路１３→加熱経路１５→冷却水循環経路１０の順に流れ、燃料電池１に循環する。
【００４４】
燃料電池１が起動可能な温度になれば、ジョイント３３、３４を取り外して車両からサブＷ／Ｐ１６、電気ヒータ１７、温度センサ１９を取り外し、燃料電池１を起動させる。このような構成により、車載燃料電池システムの大きな変更あるいは拡張なしに必要時にのみ燃料電池１の加熱を行うことができる。
【００４５】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図５に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４６】
図５は本第５実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。図５に示すように、本第５実施形態では、電気ヒータ１７による燃料電池１の加熱制御を行う制御部をなすコントローラ２０および起動用２次電池２０を車両内に設置し、２次電池２９を車両外の外部電源２４から充電可能とし、また２次電池２９からコントローラ１３を介してサブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７に電力を供給可能とし、さらには燃料電池１の出力により２次電池２９を充電可能としたものである。
【００４７】
本第５実施形態では、移動先に外部電源２４が設置されていなくとも、２次電池２９に蓄えられた電力によってサブＷ／Ｐ１６および電気ヒータ１７を作動させることができ、燃料電池１を暖機することができる。また、燃料電池１の起動時には該燃料電池１の電力で２次電池２９の充電も可能である。
【００４８】
（他の実施形態）
なおコントローラ２０にタイマ機能を設け、電気ヒータ１７による燃料電池１の加熱制御を予め設定された任意の時刻に自動的に開始させるように構成してもよい。これにより、ユーザが燃料電池１を起動させたい時刻に燃料電池１を発電可能温度以上に加熱しておくことができる。
【００４９】
また、上記各実施形態では、電気ヒータ１７により加熱制御のためにコントローラ２０を設けたが、これに限らず、車両に搭載されている燃料電池１の温調制御を行うための電子制御装置（ＥＣＵ）を用いて燃料電池１の加熱制御を行うように構成してもよい。このようにすれば、暖機制御用に電子制御装置を新たに設ける必要がない。
【００５０】
また、電気ヒータ１７は作動に伴い発熱するため、電気ヒータ１７の排熱で加熱された空気を車室内に供給するように構成することで、低温環境下において燃料電池システムが停止している場合にも、車室内を快適な温度に保持しておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図３】第３実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図４】第４実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図５】第５実施形態の燃料電池暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、１０…冷却水循環経路、１１…ウォータポンプ（熱媒体循環手段）、１２…ラジエータ、１３…バイパス経路、１６…サブウォータポンプ（加熱用熱媒体循環手段）、１７…電気ヒータ、１８、１９…温度センサ、２０…コントローラ（制御部）、２３…コンセント、２４…外部電源、２５…コネクタ。

Claims (11)

1. 移動体（１００）に搭載された燃料電池（１）を暖機する暖機システムであって、
   前記移動体外部に配置され、前記燃料電池を加熱する電気ヒータ（１７）に電力を供給する電力供給部（２４）と、
   前記移動体外部に配置され、前記電気ヒータによる前記燃料電池の加熱制御を行う制御部（２０）とを備えることを特徴とする燃料電池の暖機システム。
2. 前記電気ヒータは、前記燃料電池を直接的に加熱するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
3. 前記電気ヒータは、熱媒体を介して前記燃料電池を加熱するものであり、
   前記電力供給部は、前記電気ヒータにて加熱された前記熱媒体を前記燃料電池に循環させる暖機用熱媒体循環手段（１６）に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
4. 移動体（１００）に搭載された燃料電池（１）を暖機する暖機システムであって、
   前記移動体に配置され前記燃料電池を加熱するとともに、前記移動体外部の電力供給部（２４）から供給される電力により作動する電気ヒータ（１７）と、
   前記移動体に配置され前記電気ヒータにて加熱された前記熱媒体を前記燃料電池に循環させるとともに、前記電力供給部から供給される電力により作動する暖機用熱媒体循環手段（１６）とを備えることを特徴とする燃料電池の暖機システム。
5. 前記移動体に配置され、前記電気ヒータによる前記燃料電池の加熱制御を行う制御部を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の暖機システム。
6. 前記電力供給部は、前記燃料電池の冷却温度を調整する冷却温度調整手段（１２、１３）に前記熱媒体を循環させる熱媒体循環手段（１１）に電力を供給することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池の暖機システム。
7. 前記制御部には前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（１８、１９）からの温度検出信号が入力され、前記制御部は前記温度検出信号に基づいて前記電気ヒータによる前記燃料電池の加熱制御を行うことを特徴とする請求項１、２、３または５のいずれか１つに記載の燃料電池の暖機システム。
8. 前記制御部は、前記電気ヒータによる前記燃料電池の加熱制御を予め設定された任意の時刻に自動的に開始させるタイマ機能を有していることを特徴とする請求項１、２、３、５または７のいずれか１つに記載の燃料電池の暖機システム。
9. 前記電気ヒータの排熱により加熱された空気を前記移動体内部に供給することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池の暖機システム。
10. 前記移動体内に、前記電力供給部からの電力により充電可能な２次電池を少なくとも備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池の暖機システム。
11. 前記２次電池は、前記燃料電池が出力する電力によって充電可能に構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の暖機システム。

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